高爐減壓閥組控制策略與日常故障淺析

徐 翀 王永康

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

高爐在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生高爐煤氣，此高爐煤氣為荒煤氣，荒煤氣通過爐頂上升管進入旋風重力除塵器，再進入干法布袋除塵器成為凈煤氣。凈煤氣進入調(diào)壓閥組與TRT，調(diào)壓閥組和TRT機組將凈煤氣流量并聯(lián)匯合，最后進入公司凈煤氣管網(wǎng)中，如圖1所示。

圖1 高爐煤氣回收流程

高爐生產(chǎn)中要求頂壓穩(wěn)定，不能有大的波動，否則會對爐內(nèi)氣流分布、爐況順行等有不利影響。其中，頂壓調(diào)節(jié)分別由減壓閥組和TRT完成，在高爐正常生產(chǎn)時，高爐煤氣經(jīng)過TRT發(fā)電后，進入公司煤氣管網(wǎng)，此時頂壓調(diào)節(jié)由TRT通過靜葉開度進行控制；在TRT出現(xiàn)故障或檢修時，高爐煤氣通過減壓閥組減壓后進入公司煤氣管網(wǎng)中，此時頂壓調(diào)節(jié)由減壓閥的開度進行控制。隨著高爐大型化的發(fā)展，煤氣量也隨之大量增加，高爐操作時爐頂?shù)膲毫蜏囟纫苍絹碓礁?，這對減壓閥組的性能和控制提出了更高的要求。

1 減壓閥組現(xiàn)狀

1.1 技術參數(shù)

以安鋼3#高爐為例，高爐容積為4 747 m3，煤氣流量為635 000 m3/h（標態(tài)），煤氣溫度為250 ℃，高壓工況下的煤氣壓力為0.1～0.25 MPa，常壓工況下的為0.03 MPa，煤氣含濕量＜50 g/m3（干式除塵無機械水），煤氣含塵量≤10 mg/m3，減壓閥組前的煤氣壓力為～0.25 MPa，減壓閥組后的煤氣壓力為～15 kPa。

1.2 減壓閥組組成

主要設備由3×DN900+1×DN600 金屬硬密封調(diào)節(jié)蝶閥組成，各閥的編號及功能定義見表1。

表1 調(diào)解蝶閥編號及功能定義

自動調(diào)節(jié)閥門的全行程調(diào)節(jié)時間為3～5 s,閥門接受來自控制中心的4～20 mA調(diào)節(jié)信號進行調(diào)節(jié),同時輸出4～20 mA的信號用于閥位反饋顯示,所有受電元件均為防爆型。

1.3 快開功能

快開閥門應在1 s內(nèi)快速打開至指定位置。當TRT系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,緊急打開該快開閥門,可以確保高爐的安全。閥門接受來自控制中心的4～20 mA調(diào)節(jié)信號進行調(diào)節(jié),同時輸出4～20 mA的信號用于閥位反饋顯示,所有受電元件均為防爆型。其中，2#、3#兩個DN900用于快開/自動調(diào)節(jié)的閥，除具有1 s內(nèi)從全關到全開的能力外，打開過程中還應具有打開初期和臨開到位時相對緩慢的變速功能，以免快開時產(chǎn)生的巨大沖擊損壞閥門或管道。

2 減壓閥組的控制

2.1 頂壓的可靠性

（1） 硬件上的冗余。為了確保爐頂壓力的可靠性，在上升管位置安裝了2個壓力變送器，分別接入不同PLC機架的不同ACI模板上，形成冗余。TRT控制系統(tǒng)接受兩路信號，一路利用隔離器將頂壓信號通過硬線敷設至TRT控制系統(tǒng)，另外一路通過光纖環(huán)網(wǎng)將高爐爐頂?shù)腜LC與TRT控制PLC聯(lián)網(wǎng)，通過以太網(wǎng)將頂壓送入TRT控制系統(tǒng)中。

（2）軟件上的判斷和選擇。在爐頂PLC程序中，對頂壓信號進行判斷和選擇，在程序中加入通道故障判斷，自動切除PLC模板通道開路或短路的頂壓信號，這樣能夠避免在生產(chǎn)過程中由于變送器損壞、取壓管堵塞、信號斷線等造成的頂壓信號失真現(xiàn)象的發(fā)生；同時在程序中將兩個頂壓信號分為高選、低選、平均值選擇，并在HMI中設置報警參數(shù)，當出現(xiàn)頂壓失真情況時，能夠及時提醒操作人員頂壓信出現(xiàn)異常，以便操作工能夠及時采取措施，防治事故進一步擴大[1]。

2.2 控制方式

（1）選擇模式。減壓閥組系統(tǒng)由手動和自動兩種控制方式組成，手動為計算機HMI手動，由HMI設定信號，PLC輸出模擬量信號控制減壓閥組液壓控制器，由控制器輸出至液壓伺服閥，控制閥門動作；自動為主控室設定頂壓信號，通過PLC中PID判斷運算后，輸出模擬量信號送入液壓控制器，由控制器輸出給伺服閥，控制閥門動作。選擇方式如圖2所示。

圖2 減壓閥組控制方式

（2）功能描述。1#閥為自動閥（具備手動功能），在減壓閥組控制頂壓時，按照設定頂壓進行自動調(diào)節(jié)；2#閥為量程閥（具備手動功能），能根據(jù)自動閥調(diào)節(jié)閥位進行動作，協(xié)助自動閥在最佳閥位調(diào)節(jié)區(qū)間工作，保證自動閥的調(diào)節(jié)精度；3#閥與4#閥為自動閥（具備快開功能），能根據(jù)頂壓設定進行自動調(diào)節(jié)，選擇快開功能，在TRT重故障緊急停機時閥門會快速打開，保障高爐安全。

（3）PID算法。PID控制器將頂壓設定值與實際頂壓之間偏差的比例、積分和微分通過運算線性組合成模擬量輸出，對閥位對象進行控制，實現(xiàn)了閥門響應快速、調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定的自動控制效果[2]。

（4）控制特點。該高爐減壓閥組在自動調(diào)節(jié)時，最顯著的特點就是利用1個PID控制兩個閥，且兩個閥同時工作調(diào)節(jié)頂壓。在圖2中，選擇“自動1”時，“自動2”的閥位由“自動1”的PID進行控制，兩個選擇為“自動”的閥同時動作，且動作方向一致，要開都開，要關都關。這樣控制的第一個優(yōu)點是避免兩個自動閥在PID獨立調(diào)節(jié)時相互影響，造成頂壓波動；第二個優(yōu)點是兩個自動閥同時調(diào)節(jié)，當一個自動閥出現(xiàn)故障時，另一個自動閥仍可以正常工作，能夠保障高爐安全和頂壓的穩(wěn)定。

（5） 控制精度。自動調(diào)節(jié)閥門通過控制程序相互配合來調(diào)節(jié)爐頂壓力，控制精度高，反應迅速，通過控制策略優(yōu)化可以實現(xiàn)高爐頂壓在設定值±3 kPa范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，PLC控制器經(jīng)過液壓站控制調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的全行程調(diào)節(jié)時間為3～5 s,閥門接受來自控制中心的4～20 mA調(diào)節(jié)信號進行調(diào)節(jié),同時輸出4～20 mA的信號用于閥位反饋顯示?？扉_閥門應在1 s內(nèi)快速打開至指定位置,當TRT系統(tǒng)故障時,緊急打開該快開閥,從而確保高爐安全。

3 故障處理及建議

3.1 日常故障及處理

（1）閥門不動作或者閥門自動打開，在現(xiàn)場控制器上查看報警信息。如果報警信息只有信號丟失或閥位丟失，檢查中控室給定電流或反饋電流是否低于3.6 mA；如給定信號丟失，檢查配電器；如反饋電流異常，查看現(xiàn)場機械閥位顯示與電流是否一致，判斷位移傳感器是否正常。如果報警信息顯示系統(tǒng)壓力低，會導致其他一些報警信息報警，如升壓失敗、升壓異常、溫度高、閥位丟失等。這時應先檢查壓力傳感器檢測壓力值與就地壓力表是否一致，確定就地壓力表正常前提下再判斷壓力傳感器是否正常。如果壓力傳感器正常，系統(tǒng)壓力低等故障則由液壓和電氣專業(yè)排查。

油溫、油箱液位以及閥門開關到位信號都是開關量，閥門位置反饋是模擬量信號，需排查現(xiàn)場線路是否有損壞，再檢查檢測元件是否故障，進而排查故障原因。

（2）現(xiàn)場控制器顯示給定和閥位位置與中控室有偏差時，可以在控制器上進行修正。

（3）現(xiàn)場控制器故障。控制器由電源、CPU和信號模板組成，通常會出現(xiàn)供電不足、模板顯示異常、信號電壓等級不夠等故障，可以通過連接控制器CPU讀出故障代碼，分析出現(xiàn)故障的原因，包括位置反饋電流信號以及現(xiàn)場控制器輸出電液比例閥的驅(qū)動電流異常等進行判斷。

3.2 思考及建議

（1）現(xiàn)場減壓閥組出現(xiàn)的故障，有些是PLC系統(tǒng)硬件故障，有些是網(wǎng)絡傳輸故障，有些則是減壓閥組系統(tǒng)和TRT控制系統(tǒng)之間的配合故障，尤其以兩個系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡和配合故障居多。頂壓設定在爐頂PLC中，減壓閥組控制在干法除塵PLC中，TRT調(diào)節(jié)頂壓控制在動力廠的PLC中，所以形成了2個廠（煉鐵廠和動力廠），3套PLC對1套減壓閥組的控制。建議不要分系統(tǒng)、分工藝控制，今后設計系統(tǒng)時，可以考慮放在1套PLC中對減壓閥組進行控制，減少PLC之間的信號交接和傳遞，加強控制系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。

（2）現(xiàn)場閥位反饋信號比較重要，有的采用角度傳感器，有的采用電位器，有的采用磁致伸縮傳感器，以上幾種檢測元件都會或多或少出現(xiàn)問題。當減壓閥組調(diào)節(jié)頂壓時，高爐煤氣發(fā)生量大，閥組前后壓力相差很大，每個閥門閥板周圍的煤氣流流速很高，且前后氣流分布不均勻，管道和閥門會產(chǎn)生強烈的噪聲和震動，從而造成檢測元件性能不穩(wěn)定，接線端容易松動，信號飄忽不定。建議在設計檢測元件安裝位置時，能對閥門旋轉(zhuǎn)位置采用延伸方式，延伸至3～5 m遠、環(huán)境相對較好的位置，避開噪音和震動，有利于延長檢測元件的使用壽命及可靠性，方便維護人員進行維修更換。

4 結(jié)論

高爐頂壓不穩(wěn)定會引起爐內(nèi)劇烈波動，會使爐內(nèi)煤氣氣流分布不均，引起崩料和塌料，形成生產(chǎn)事故。減壓閥組作為高爐重點設備，對高爐穩(wěn)定順行至關重要，該減壓閥組控制系統(tǒng)從2013年投產(chǎn)以來，屢次應對復雜爐況和頂壓波動等生產(chǎn)工況，每次都能夠?qū)㈨攭嚎刂圃谠试S范圍內(nèi)，完全滿足高爐生產(chǎn)需要，保障高爐長期穩(wěn)定順行，且有利于提高鐵水質(zhì)量和產(chǎn)量。