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(jìn)入旋風(fēng)重力除塵器，再進(jìn)入干法布袋除塵器成為凈煤氣。凈煤氣進(jìn)入調(diào)壓閥組與TRT，調(diào)壓閥組和TRT機(jī)組將凈煤氣流量并聯(lián)匯合，最后進(jìn)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(dòng)，否則會(huì)對(duì)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(shí)，高爐煤氣經(jīng)過TRT發(fā)電后，進(jìn)入公司煤氣管網(wǎng)，此時(shí)頂壓調(diào)節(jié)由TRT通過靜葉開度進(jìn)行控制；在TRT出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，高爐煤氣通過減壓閥組減壓后進(jìn)入公司煤氣管網(wǎng)中，此時(shí)頂壓調(diào)節(jié)由減壓閥的開度進(jìn)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(shí)爐頂?shù)膲毫蜏囟纫苍絹碓礁撸@對(duì)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(shù)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(biāo)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(jī)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(shè)備由3×DN900+1×DN600 金屬硬密封調(diào)節(jié)蝶閥組成，各閥的編號(hào)及功能定義見表1。

表1 調(diào)解蝶閥編號(hào)及功能定義

自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的全行程調(diào)節(jié)時(shí)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(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)輸出4～20 mA的信號(hào)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(yīng)在1 s內(nèi)快速打開至指定位置。當(dāng)TRT系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),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(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)輸出4～20 mA的信號(hào)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(gè)DN900用于快開/自動(dòng)調(diào)節(jié)的閥，除具有1 s內(nèi)從全關(guān)到全開的能力外，打開過程中還應(yīng)具有打開初期和臨開到位時(shí)相對(duì)緩慢的變速功能，以免快開時(shí)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(gè)壓力變送器，分別接入不同PLC機(jī)架的不同ACI模板上，形成冗余。TRT控制系統(tǒng)接受兩路信號(hào)，一路利用隔離器將頂壓信號(hào)通過硬線敷設(shè)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(duì)頂壓信號(hào)進(jìn)行判斷和選擇，在程序中加入通道故障判斷，自動(dòng)切除PLC模板通道開路或短路的頂壓信號(hào)，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(hào)斷線等造成的頂壓信號(hào)失真現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)在程序中將兩個(gè)頂壓信號(hào)分為高選、低選、平均值選擇，并在HMI中設(shè)置報(bào)警參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)頂壓失真情況時(shí)，能夠及時(shí)提醒操作人員頂壓信出現(xiàn)異常，以便操作工能夠及時(shí)采取措施，防治事故進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。

2.2 控制方式

（1）選擇模式。減壓閥組系統(tǒng)由手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式組成，手動(dòng)為計(jì)算機(jī)HMI手動(dòng)，由HMI設(shè)定信號(hào)，PLC輸出模擬量信號(hào)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(dòng)作；自動(dòng)為主控室設(shè)定頂壓信號(hào)，通過PLC中PID判斷運(yùn)算后，輸出模擬量信號(hào)送入液壓控制器，由控制器輸出給伺服閥，控制閥門動(dòng)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(dòng)閥（具備手動(dòng)功能），在減壓閥組控制頂壓時(shí)，按照設(shè)定頂壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；2#閥為量程閥（具備手動(dòng)功能），能根據(jù)自動(dòng)閥調(diào)節(jié)閥位進(jìn)行動(dòng)作，協(xié)助自動(dòng)閥在最佳閥位調(diào)節(jié)區(qū)間工作，保證自動(dòng)閥的調(diào)節(jié)精度；3#閥與4#閥為自動(dòng)閥（具備快開功能），能根據(jù)頂壓設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，選擇快開功能，在TRT重故障緊急停機(jī)時(shí)閥門會(huì)快速打開，保障高爐安全。

（3）PID算法。PID控制器將頂壓設(shè)定值與實(shí)際頂壓之間偏差的比例、積分和微分通過運(yùn)算線性組合成模擬量輸出，對(duì)閥位對(duì)象進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了閥門響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定的自動(dòng)控制效果[2]。

（4）控制特點(diǎn)。該高爐減壓閥組在自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，最顯著的特點(diǎn)就是利用1個(gè)PID控制兩個(gè)閥，且兩個(gè)閥同時(shí)工作調(diào)節(jié)頂壓。在圖2中，選擇“自動(dòng)1”時(shí)，“自動(dòng)2”的閥位由“自動(dòng)1”的PID進(jìn)行控制，兩個(gè)選擇為“自動(dòng)”的閥同時(shí)動(dòng)作，且動(dòng)作方向一致，要開都開，要關(guān)都關(guān)。這樣控制的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是避免兩個(gè)自動(dòng)閥在PID獨(dú)立調(diào)節(jié)時(shí)相互影響，造成頂壓波動(dòng)；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)自動(dòng)閥同時(shí)調(diào)節(jié)，當(dāng)一個(gè)自動(dòng)閥出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)自動(dòng)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(dòng)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(yīng)迅速，通過控制策略優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)高爐頂壓在設(shè)定值±3 kPa范圍內(nèi)進(jìn)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(shí)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(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)輸出4～20 mA的信號(hào)用于閥位反饋顯示。快開閥門應(yīng)在1 s內(nèi)快速打開至指定位置,當(dāng)TRT系統(tǒng)故障時(shí),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(dòng)作或者閥門自動(dòng)打開，在現(xiàn)場(chǎng)控制器上查看報(bào)警信息。如果報(bào)警信息只有信號(hào)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(hào)丟失，檢查配電器；如反饋電流異常，查看現(xiàn)場(chǎng)機(jī)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(bào)警信息顯示系統(tǒng)壓力低，會(huì)導(dǎo)致其他一些報(bào)警信息報(bào)警，如升壓失敗、升壓異常、溫度高、閥位丟失等。這時(shí)應(yīng)先檢查壓力傳感器檢測(cè)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(guān)到位信號(hào)都是開關(guān)量，閥門位置反饋是模擬量信號(hào)，需排查現(xiàn)場(chǎng)線路是否有損壞，再檢查檢測(cè)元件是否故障，進(jìn)而排查故障原因。

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

（3）現(xiàn)場(chǎng)控制器故障。控制器由電源、CPU和信號(hào)模板組成，通常會(huì)出現(xiàn)供電不足、模板顯示異常、信號(hào)電壓等級(jí)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(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)控制器輸出電液比例閥的驅(qū)動(dòng)電流異常等進(jìn)行判斷。

3.2 思考及建議

（1）現(xiàn)場(chǎng)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(luò)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(gè)系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)和配合故障居多。頂壓設(shè)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(dòng)力廠的PLC中，所以形成了2個(gè)廠（煉鐵廠和動(dòng)力廠），3套PLC對(duì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，可以考慮放在1套PLC中對(duì)減壓閥組進(jìn)行控制，減少PLC之間的信號(hào)交接和傳遞，加強(qiáng)控制系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。

（2）現(xiàn)場(chǎng)閥位反饋信號(hào)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(cè)元件都會(huì)或多或少出現(xiàn)問題。當(dāng)減壓閥組調(diào)節(jié)頂壓時(shí)，高爐煤氣發(fā)生量大，閥組前后壓力相差很大，每個(gè)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和震動(dòng)，從而造成檢測(cè)元件性能不穩(wěn)定，接線端容易松動(dòng)，信號(hào)飄忽不定。建議在設(shè)計(jì)檢測(cè)元件安裝位置時(shí)，能對(duì)閥門旋轉(zhuǎn)位置采用延伸方式，延伸至3～5 m遠(yuǎn)、環(huán)境相對(duì)較好的位置，避開噪音和震動(dòng)，有利于延長檢測(cè)元件的使用壽命及可靠性，方便維護(hù)人員進(jìn)行維修更換。

4 結(jié)論

高爐頂壓不穩(wěn)定會(huì)引起爐內(nèi)劇烈波動(dòng)，會(huì)使?fàn)t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(diǎn)設(shè)備，對(duì)高爐穩(wěn)定順行至關(guān)重要，該減壓閥組控制系統(tǒng)從2013年投產(chǎn)以來，屢次應(yīng)對(duì)復(fù)雜爐況和頂壓波動(dòng)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。