1、引言

高爐煤氣余壓能量回收透平發(fā)電裝置(簡(jiǎn)稱TRT（Blast-FurnaceToppressureRecoveryTurbineUnit）)，是利用高爐爐頂?shù)挠鄩?，將高爐煤氣導(dǎo)入透平膨脹機(jī)作功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的一種能量回收裝置。該機(jī)既回收減壓閥組泄放的能量，又凈化煤氣、降低噪音、穩(wěn)定爐頂壓力，改善高爐生產(chǎn)的條件?？蓪?shí)現(xiàn)不生產(chǎn)任何污染、做到無公害發(fā)電，是現(xiàn)代國(guó)際、國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)公認(rèn)的節(jié)能環(huán)保裝置。它是利用高爐出口煤氣中所蘊(yùn)含的壓力能和熱能，使透平膨脹機(jī)作功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的一種能量回收裝置。從而達(dá)到節(jié)能、降噪、環(huán)保的目的，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是目前現(xiàn)代國(guó)際、國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)公認(rèn)的節(jié)能環(huán)保裝置。

高爐煉鐵以風(fēng)為本。一些人認(rèn)為有風(fēng)就有鐵，實(shí)際上高鼓風(fēng)量會(huì)受到一些條件的限制，特別是在強(qiáng)化冶煉和高爐爐料透氣性沒有得到優(yōu)先改善的情況下，高鼓風(fēng)量煉鐵不但不會(huì)取得高產(chǎn)的效果，而且會(huì)使煉鐵的燃料增加，入爐焦比提高。目前我國(guó)一批中小高爐就是用大風(fēng)量、高冶煉強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)的。煉鐵學(xué)上高爐利用系數(shù)可以通過提高冶煉強(qiáng)度和降低燃料比兩種辦法實(shí)現(xiàn)。但采用大風(fēng)量來提高高爐冶煉強(qiáng)度是有極限的，過大的風(fēng)量會(huì)使?fàn)t料發(fā)生流態(tài)化，煤氣利用率下降，熔化的爐渣和鐵水會(huì)產(chǎn)生液泛現(xiàn)象，渣鐵滴落不下去，以至于煤氣失常而導(dǎo)致崩料和管道形成等不利于高爐正常生產(chǎn)的爐況。

高爐實(shí)現(xiàn)高效化生產(chǎn)的標(biāo)志是低燃料比、高利用系數(shù)、長(zhǎng)壽命，提高高爐頂壓是實(shí)現(xiàn)高效化的重要手段之一。因此，近年來國(guó)內(nèi)外高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)正向提高頂壓方向發(fā)展，這是最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)單且最實(shí)用的一項(xiàng)技術(shù)。高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置是冶金行業(yè)一項(xiàng)重要的余壓余熱能量回收設(shè)備，它利用高爐爐頂煤氣的余壓和余熱，把煤氣導(dǎo)入透平膨脹機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，不僅可以回收煤氣的壓力和熱能，又可以凈化煤氣，降低噪聲污染。同時(shí)，該裝置在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能替代減壓閥組，很好地調(diào)節(jié)和穩(wěn)定爐頂壓力，對(duì)保障高爐順行、增產(chǎn)有良好的作用。

2、液伺服控制技術(shù)簡(jiǎn)介

TRT自動(dòng)控制系統(tǒng)分為主煤氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、電液伺服控制系統(tǒng)（動(dòng)力油系統(tǒng)）、透平機(jī)軸運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)和水系統(tǒng)等6個(gè)系統(tǒng)。

電液伺服控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要構(gòu)成。由于它具有線性好、死區(qū)小、靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快、精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)這一問題，利用電液伺服控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套適用在TRT自控系統(tǒng)中的電液伺服控制系統(tǒng)。

3、液伺服控制系統(tǒng)的組成及工作原理

3.1電液伺服控制系統(tǒng)組成

電液伺服控制系統(tǒng)由液控單元、伺服油缸、動(dòng)力油占三大部分組成。液控單元包括調(diào)速閥控制單元和透平靜葉控單元，每一單元均由電液伺服閥、點(diǎn)動(dòng)用電磁閥、快關(guān)用電磁閥、油路塊及底座等組成。伺服油缸為雙活塞桿結(jié)構(gòu)，摩擦力很小，密封性能良好。動(dòng)力油站由油箱、變量油泵、濾油器、冷卻器、管道閥門、檢測(cè)儀表等組成。

3.2電液伺服控制系統(tǒng)的作用

電液伺服控制系統(tǒng)，在TRT裝置中，屬于幾個(gè)主要系統(tǒng)之一。根據(jù)主控室的指令，來實(shí)現(xiàn)TRT的開、停、轉(zhuǎn)速控制、爐頂壓力以及過程檢測(cè)等系統(tǒng)控制。要實(shí)現(xiàn)以上系統(tǒng)的功能控制，最終將要反映在控制透平機(jī)的轉(zhuǎn)速上。要控制透平機(jī)的轉(zhuǎn)速，就要控制調(diào)速閥或透平靜葉的開度。而控制靜葉或調(diào)速閥開度的手段就是電液伺服控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的精度、誤差，直接影響著TRT系統(tǒng)各階段過程的控制。由此可見，該系統(tǒng)在TRT中的地位和作用是十分重要的。

3.3電液伺服控制系統(tǒng)的工作原理

如圖1所示由機(jī)、電、液供構(gòu)成電液伺服控制系統(tǒng)。

圖1電液伺服控制系統(tǒng)原理框圖

由自控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，在伺服控制器中與油缸的實(shí)際位置信號(hào)相比較，成為誤差的信號(hào)放大后，送入電液伺服閥。伺服閥按一定的比例將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成液壓油量量推動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)。由位置傳感器發(fā)出的反饋信號(hào)不斷改變，直至于指令信號(hào)相等時(shí)，油缸停止運(yùn)動(dòng)。油缸停在指定的位置上，使透平靜葉穩(wěn)定在一定的開度上。

油缸的直線運(yùn)動(dòng)、通過一套曲柄轉(zhuǎn)變成閥板（靜葉）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，改變閥板或靜葉的工作開度。隨著系統(tǒng)信號(hào)的不斷變化，透平靜葉的開度也將不斷改變，并通過靜葉開度的變化，達(dá)到控制轉(zhuǎn)數(shù)，控制煤氣流量、控制透平出力大小的目的。如圖2所示為動(dòng)力油系統(tǒng)控制框圖

圖2動(dòng)力油系統(tǒng)控制框圖

4、控制系統(tǒng)硬件組成

TRT最重要的控制設(shè)備是透平機(jī)靜葉和快開旁通閥。它們都是液壓伺服驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)。主要控制設(shè)備包括伺服控制器、伺服閥、LVDT反饋位置傳感器、油動(dòng)機(jī)、電磁閥。通過對(duì)電磁閥的得失電控制可以實(shí)現(xiàn)閥門和靜葉的快速開關(guān)。

4.1伺服控制器

伺服控制器（選用型號(hào)為ESA-3E）主要適用于軸流壓縮機(jī)靜葉角度控制、TRT壓差發(fā)電、位置控制以及其它相關(guān)的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服控制。該控制器中有兩塊線路板:PARKER控制板是對(duì)控制指令信號(hào)和傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過比例、積分運(yùn)算及功率放大后，送出相應(yīng)的電流信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)伺服閥;信號(hào)調(diào)理板是用于對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，正反作用的轉(zhuǎn)換，并提供指令信號(hào)丟失和反饋信號(hào)丟失兩項(xiàng)報(bào)警功能及4～20mA位置指示信號(hào)。

4.2伺服閥

在伺服閥的控制下，伺服閥會(huì)將伺服控制器輸出的4～20mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓油流量推動(dòng)伺服油缸運(yùn)動(dòng)，由位置傳感器發(fā)出的反饋信號(hào)不斷改變，直至與調(diào)節(jié)信號(hào)相等時(shí)，伺服閥輸出的液壓油流量信號(hào)為0，伺服油缸不再運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)透平機(jī)靜葉、快開旁通閥達(dá)到預(yù)期位置，實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)的目的。

4.3液壓鎖

液壓鎖是一種液控方向閥，其主要作用是用來向作動(dòng)筒提供系統(tǒng)在斷電、掉壓時(shí)的保護(hù)。

4.4位置傳感器

位置傳感器（角位移傳感器或線位移傳感器）用來測(cè)量實(shí)際位置信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)（4～20mA）或電壓信號(hào)（-3V～3V）送至ESA-3E伺服控制器作為反饋信號(hào)。同時(shí)控制器還接收來自主控室位置指令信號(hào)調(diào)節(jié)器的4～20mA指令信號(hào)。

5、控制系統(tǒng)硬件組成

電液伺服控制系統(tǒng)中的功能主要是應(yīng)用在對(duì)透平機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，而轉(zhuǎn)速控制中的主要對(duì)象就是靜葉，利用控制靜葉的開度來控制透平機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到對(duì)高爐頂壓平穩(wěn)控制的目的。應(yīng)用在電液伺服控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制大致可分為三個(gè)過程：

升速過程：系統(tǒng)啟動(dòng)條件全部具備并且機(jī)組無重故障信號(hào)，得到電氣的“電氣同意啟動(dòng)”信號(hào)和高爐主控室的“允許TRT啟動(dòng)”信號(hào)后，確認(rèn)高爐減壓閥組在自動(dòng)控制下并且高爐頂壓和煤氣溫度穩(wěn)定在工藝范圍內(nèi)，機(jī)組具備升速條件。

調(diào)速過程：分自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式，控制對(duì)象為靜葉。

自動(dòng)升速：這個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)是通過互為反函數(shù)的靜葉控制時(shí)間曲線和轉(zhuǎn)速設(shè)定升速曲線來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)頂壓的測(cè)量值和設(shè)定值的偏差超過2Kpa的時(shí)候，轉(zhuǎn)速不允許上升。靜葉控制時(shí)間曲線是轉(zhuǎn)速設(shè)定值與靜葉控制時(shí)間的折線函數(shù)，與升速曲線互為反函數(shù)。根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速設(shè)定值計(jì)算出一定的靜葉控制時(shí)間，然后根據(jù)該靜葉控制時(shí)間和升速曲線，得到下一個(gè)轉(zhuǎn)速設(shè)定值。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定值的不斷增加。

手動(dòng)升速：手動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，給系統(tǒng)發(fā)出手動(dòng)升速的指令，通過系統(tǒng)畫面上手動(dòng)調(diào)節(jié)入口液動(dòng)閥和調(diào)節(jié)靜葉的開度來控制轉(zhuǎn)速。

自動(dòng)準(zhǔn)同期過程：當(dāng)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置投入的時(shí)候，在并網(wǎng)過程中，通過對(duì)轉(zhuǎn)速的微調(diào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到2850rpm的時(shí)候，PLC發(fā)出自動(dòng)準(zhǔn)同期投入信號(hào)。只有轉(zhuǎn)速控制在自動(dòng)方式的時(shí)候，自動(dòng)準(zhǔn)同期對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)才會(huì)起作用。當(dāng)給系統(tǒng)中發(fā)出升速指令后，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置以±5rpm進(jìn)行升/降速控制；當(dāng)沒有系統(tǒng)中發(fā)出升速指令時(shí)，自動(dòng)準(zhǔn)同期以±1rpm進(jìn)行升/降速控制。

6、結(jié)論

本文將電液伺服控制技術(shù)廣泛地應(yīng)用在TRT控制系統(tǒng)中，充分突出了其線性好、死區(qū)小、靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快等顯著優(yōu)點(diǎn)。TRT設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中可以回收約占高爐鼓風(fēng)機(jī)所需30%左右的能量，為鋼鐵企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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