TRT发电

1 概述

我国已经投入使用了很多高炉煤气余压发电系统（简称TRT），其工艺系统和控制系统各式各样，大多比较复杂。笔者认为TRT很有发展潜力，TRT的控制系统与工艺系统是密切相关的，相同的工艺系统可以采用不同的控制系统方案，控制系统可以进一步优化，系统的稳定性和可靠性可以进一步提高。本文将以唐钢1号高炉TRT为例，着重介绍TRT核心控制系统的功能和各种优化控制方案。

2 TRT工艺系统

TRT工艺系统见图1。从高炉送出的高压煤气经（重力除尘器除尘后，送到一级文氏管（1V S）和二级文氏管（2VS）；在文氏管内对煤气进行喷水冷却，经过降温）清洗和除尘处理后，送到余压透平发电装置和减压阀组；在减压阀组之前转入TRT进口管。经全封闭液压插板阀，紧急切断阀，调速阀，可调静叶进入透平膨胀做功，透平带动发电机发电。膨胀后的煤气先经旋流板脱水器脱水，再经出口全封闭插板阀，送到减压阀组后的煤气主管上。这样TRT与减压阀组就形成了并联关系。在入口插板阀之后，出口插板阀之前，与TRT并联有一旁通管及快开慢关旁通阀（简称旁通快开阀），作为TRT紧急停机时，TRT与减压阀组之间的平稳过渡之用，以确保高炉炉顶压力不产生大的波动。从TRT和减压阀组出来的低压煤气再送到高炉煤气柜和用户。

T R T 工艺流程图（图1）

TRT的运行工况有：起动、正常运行、电动运行、正常停机、紧急停机；在能量回收方式上分为：部分回收方式、平均回收方式和全部回收方式；在操作方式上分为：手动、自动（半自动）和全自动。TRT专用调节器的工作原理详见图2。

3 TRT主要控制系统的工作原理

TRT过程检测和控制系统的设计原则，首先是要确保证高炉顶压稳定，在保证高炉正常生产的前提下，最大限度地回收高炉煤气压力的潜在能量，同时具有适应高炉异常时控制炉顶压力的能力。TRT主要检测和控制项目有:

阀位开度调节及控制

阀位开度控制是将调速阀或可调静叶按一定速率逐渐开启或关闭，使系统平稳过渡，防止炉顶压力过大的波动，并将开度停留在事先设定的任一位置上，以限制流过透平的煤气量，进而控制发电机的转速和输出功率。也可防止调速阀或可调静叶开过头或关过头，起到阀位开度控制限幅及抗积分饱和作用。另外还有一个更重要的作用是从高炉拉煤气的作用。可调静叶在未参与自动调节时，是通过开度设定来控制可调静叶开度的。调速阀开度范围为全关0°~90°全开，?可调静叶的开度范围为全关－24°~＋16°全开。可调静叶在事故状态下还能实现快速关闭。

转速调节及控制

转速关系到发电机与电网的同步和安全运行，也关系到其它辅机的启停。当转速过高或发电机周波过高和过低时都要跳闸而紧急停机。为可靠起见，安装了两只磁电式转速传感器，通过高速计数器测量透平转速，然后用高位选择器选出其中较高信号，作为转速的测量值，送入专用调节器以控制转速。

负荷调节及控制

负荷控制功能是防止电网发生故障，使发电机超负荷，使透平发电机输出功率在设计范围内波动，通过专用调节器进行控制，用最大负荷设定限定负荷。此外，还设置了3%的初期负荷设定值。

炉顶压力调节及控制

本系统不改动原有炉顶压力~~减压阀组控制回路,?只在原系统上并一个炉顶压力调节器来控制TRT系统中的调速阀或可调静叶，利用调速阀或可调静叶实现自动控制炉顶压力，在不改变高炉操作的情况下，实现由TRT控制炉顶压力。

TRT与减压阀组并列运行时，送入TRT炉顶压力调节器的炉顶压力测量值与高炉原有炉顶压力~~减压阀组控制回路的测量值是同一信号；同时将高炉原有炉顶压力~~减压阀组控制回路的设定值送入TRT炉顶压力调节器，经过炉顶压力设定值偏差（减去或加上一个固定差值）运算后，使其略低于或高于高炉原有炉顶压力~~减压阀组控制回路的设定值，然后作为TRT炉顶压力调节器的设定值。这样就能使TRT炉顶压力调节器自动跟踪高炉的设定值，同时也决定了高炉顶压的设定权仍在高炉，高炉操作工只需同以往一样操作即可。高炉炉顶压力可由TRT控制，也可由减压阀组控制，有时是两者同时进行炉顶压力的控制。

将上述四个调节信号通过一低值选择器选出其低能级的信号输入伺服放大器，伺服放大器通过控制电－液转换器，再通过液压驱动机构控制调速阀或可调静叶的开度。

上述系统是TRT的核心部分，它是根据TRT的运行特点而设计的专用调节器系统，它的功能都是通过软件来实现的。系统编程时为专用调节器系统中调速阀和可调静叶的分程控制共制定了五种控制方案，具体如下：

1) 调速阀单控：将可调静叶锁定在全开位置，采用调速阀对TRT进行全程控制；

2) 可调静叶单控：将调速阀锁定在全开位置，采用可调静叶对TRT进行全程控制；

3) 调速阀和可调静叶分程控制：调速阀和可调静叶的关系是通过软件运算进行分程控制的，即将可调静叶锁定在某一开度位置，用调速阀对TRT进行启动、升速和并网控制，待并网后，调速阀再慢慢全开，并自动切换到控制可调静叶开度。在此之前，可调静叶停留在开度设定器设定值的位置上。可以改变调速阀的特性曲线，提高调速阀的灵敏度，实现对透平转速的精确控制。

4) 调速阀和可调静叶分程控制：调速阀和可调静叶的关系是通过软件运算进行分程控制的，即将调速阀锁定在某一开度位置，用可调静叶对TRT进行启动、升速和并网控制，待并网后，调速阀再慢慢全开，并自动切换到可调静叶控制。在此之前，调速阀停留在开度设定器设定值的位置上。可以改变可调静叶的特性曲线，提高可调静叶的灵敏度，实现对透平转速的精确控制。

5) 调速阀由增加的可调静叶前压控制系统控制，可调静叶由专用调节系统控制：利用可调静叶前压检测与调速阀组成可调静叶前压控制系统，在TRT并网前，调速阀由前压控制系统进行控制，开度控制范围0-100%，前压控制系统将可调静叶前压稳定在某一压力值，进行恒压控制，并网后前压设定值按一定的速率升高，调速阀继续开大直到全开，前压控制系统完成任务，输出恒定在98%的位置上使调速阀稳定。可调静叶由专用调节系统控制，开度控制范围0-100%。此方案用前压调节系统控制调速阀，用专用调节系统控制可调静叶，调速阀和可调静叶各控各的，参数稳定好调；可以有效避免TRT并网前，可调静叶前压受高炉加料的影响，影响升速和并网。另外通过调速阀和可调静叶的配合还可以提高可调静叶的灵敏度，可以实现并网前对透平转速的精确控制。

6) 上述五个分程控制方案，方案1和方案2比较简单，但控制的平稳性和控制的精确性较差；方案3和方案4实施较为复杂，控制的平稳性较差，但可以改变调速阀和可调静叶的特性曲线，提高调速阀和可调静叶的灵敏度，实现对透平转速的精确控制。方案五实施较为简单，控制的平稳性和控制的精确性高。

专用调节器能实现手动，半自动（人工给定设定值）及全自动（按专用调节器内设的程序自动控制上述起动、停机过程,操作时将各段设定值设定好后，操作透平的自动起、停开关即可）等控制；上述三种操作方式还可以任意组合，如手动＋半自动，手动＋全自动，半自动＋全自动，操作上非常灵活；并能实现手动，半自动及全自动的无扰动切换控制；另外在机旁设有紧急停机操作按钮。TRT自动起动和正常停机均由计算机自动给定设定值，并按一定的速率升降，还可通过人工干预实现跳步或保持自动运行的阶段；紧急停机时不管专用调节器处于什么控制方式，都将阀位开度控制、转速控制、负荷控制调节器的设定值自动给到最小，并将控制方式都打到手动；炉顶压力控制调节器的设定值等于原炉顶压力调节器的设定值；同时专用调节器的输出也都将自动给到最小，以便使调速阀和可调静叶阀位能迅速关闭。

前馈控制系统

在不改造减压阀组的条件下，在本系统内增加旁通快开阀，通过前馈控制系统实现紧急情况下TRT与高炉控制系统的平稳过渡。

当发生透紧急停机时，透平入口处的紧急切断阀立即关闭，为防止炉顶压力剧烈波动，需将旁通快开阀迅速打开（因该阀的信号超前于炉顶压力的变化，故称之为前馈信号）。

前馈信号来源于调速阀和可调静叶阀位传感器的开度信号，将这两个信号经过实时补偿运算，折算为旁通快开阀相应的开度信号，同时处于待机状态，一旦紧急切断阀关闭，前馈信号立即接入旁通快开阀，并令其开到相应的开度。旁通快开阀从全关~~全开约需2秒钟。因煤气清洗系统及管网会使顶压的变化存在容积滞后，减压阀组的调节作用要等5~10秒后才能使顶压有反应，故可用旁通快开阀的快开慢关动作来确保炉顶压力的稳定，并使炉顶压力的控制由TRT过渡到减压阀组。

报警及安全联锁控制系统

通过软件编程，使各种参数的超限及设备的故障诊断都能发出报警信号，并将超限的参数和故障发生的部位显示出来。

紧急情况下能实现自动停机，并记录打印停机事故原因，不管是什么原因引起的停机，其信号都不能自动消除，要等操作工或工程技术人员排除故障并复位后，才能消除停机信号。

除上述由计算机实现的安全联锁外，为安全起见，还设计了独立于计算机的安全联锁系统，并能实现自动和手动操作。上述功能是将PID 控制回路、模拟量报警、特殊功能编程及梯级逻辑编程等功能结合起来实现的。

4 TRT的运转控制

TRT准备启动时，先开启润滑油系统和液压系统，然后开启出口插板阀、入口插板阀和紧急切断阀，即将各项起动前的准备工作均作好之后，具体启动可以划分为以下几个阶段：

1) 先将系统复位，按全自动操作方式将阀位开度控制、转速控制、负荷控制、炉顶压力控制调节器都打到远程控制方式，阀位开度控制、转速控制、负荷控制调节器的设定值都将由计算机自动设定到初始位置值零位，炉顶压力控制调节器的设定值减去一个偏差值；开度控制、转速控制、负荷控制、炉顶压力控制调节器打到自动位置，并使负荷控制调节器和炉顶压力调节器的输出跟踪低选输出。功率调节器的输出和炉顶压力调节器的输出在启动过程中需要加以限定，因为其输出是不确定的，低选后会影响转速和阀位控制。

2) 检查系统正常后，按启动按钮开始起动透平，计算机自动设定阀位开度控制调节器设定

值，使设定值按一定的速率上升，调速阀或可调静叶随之开启，透平转速亦随之上升。?TRT开始转入与减压阀组并列运行，由于调速阀和可调静叶开启，通过透平的煤气量增加，透平入口处的煤气压力（透平前压）有所降低，导致炉顶压力也有所下降；为保持炉顶压力的稳定，原炉顶压力调节器将减小减压阀组的开度，并使炉顶压力稳定。阀位调节器的设定值开始增加。

3) 0~600转阀位控制转转速控制阶段；初始升速采用阀位控制，当转速测量值收到后，转速控制投入并起作用，计算机将阀位开度控制调节器设定值和转速控制调节器设定值逐渐给大；在600转以前快速动作使透平尽快达到600转，减少TRT在低转速工况下的磨损。

阀位调节器的输出始终稍高于转速调节器的输出，起到限幅保护作用，避免转速波动过大使炉顶压力波动过大。另外，在手动操作时也可以起到限幅保护，起到防止误操作的作用。

刚启动时，转速测量信号幅值低，转速调节器转速测量值还进不来，因此转速调节器的输出是不确定的，需要加以限定，否则会影响低选后的结果。使转速调节器的输出跟踪低选后的输出值，即阀位调节器的输出；当转速信号出现后，转速调节器开始发挥作用，转速设定值开始从收到测量值的点开始按一定的速率增加，而不是从零开始。此时转速调节器不再跟踪（阀位调节器的输出）低选运算后的输出值。从而实现阀位开度控制与转速控制的无扰动平稳切换。

4) 600～1200转/分稳步升速观察阶段；在此升转速阶段，透平轴承的磨损比低档时要小得多。转速控制到1200转时保持一段时间，观察系统设备运行状况；

5) 1200～2850转/分快速升速冲过共振区（1400附近）阶段；在接近透平共振区时，计算机使转速设定值的上升速率加快，以便使透平快速通过共振区。

6) 2850～2940转/分缓慢升速自动倒泵及升电压阶段；为缓解1200～2850档快速升速的过冲，吸收部分过冲能量，使转速能平滑地接近2940转，当转速达到2850转/分时，专用调节器发出信号，控制润滑油系统自动倒泵、发电机的电压自动调节装置及自动准同期装置自动启动（2 850转也可暂停一段时间，也可以跳过去不停）；待倒泵、升压及自动准同期装置启动平稳后，转速也升到2940转。到达2940转后，暂停几分钟，对系统进行检查，各项参数正常，没有异常响动后，缓慢升速到3000转。此时阀位调节器的输出使调速阀或静叶开度达到能使透平转速达到3100~3120转附近时，处于保持状态，起到限幅保护防止超速作用，等发电机并网后输出再继续增加。

7) 3000转/分并网阶段；把转速调整到接近3000转/分时；自动准同期装置微调控制转速上升或下降，自动接近电网的频率和相位（也可手动控制一转转接近），当频率和相位与电网一致后，自动或手动并网。发电机并列以后即保持与电网周波同步，转速测量值稳定在约3000转基本不变。

8) 并网后转速设定值增加到3120转；计算机继续自动改变转速调节器设定值，使迅速达到3120/转，由于偏差的存在，这将使转速调节器输出值继续缓慢增加并达到最大，也可以将转速调节器的输出自动跟踪阀位调节器的输出（或使转速调节器的输出挂起来不参与低选）。阀位调节器的设定值继续按一定的速率增加，一直增加到98％为止。透平的发电功率将随之增加。

9) 升功率并转炉顶压力控制；负荷调节器和炉顶压力调节器的输出开始由跟踪低选后的输出值状态，自动转为功率和炉顶压力调节器输出开始参与低选，使负荷调节器和炉顶压力调节器起作用，这样专用调节器的输出才能平稳过渡，没有阶跃。功率调节器的设定值开始增加，顶压调节器开始发挥作用。顶压调节器的设定值是从高炉控制室送过来的，经过运算减去300mmH2O，比高炉顶压调节器低，这样就将通过减压阀组的煤气慢慢地过渡到TRT，直到全部通过透平作功发电。负荷调节器的设定值一直增加，一直到最大顶压及最大流量使透平输出负荷达到最大为止，然后保持不变，起到限幅保护作用。在本系统中，因为有阀位调节控制，起到了从高炉拉煤气的过渡作用，因此负荷调节器在启动、升功率阶段的作用已经不大，负荷调节器可以用来做恒功率控制。待调到合适位置，阀位调节器、转速调节器及负荷调节调节器的输出值将大于炉顶压力控制调节器的输出；使得TRT自动转为炉顶压力控制。

10) 当把炉顶压力控制调节器打到远程控制方式时，因专用调节器中炉顶压调节器的设定值略低于原炉顶压力调节器的设定值，如果此时炉顶压力测量值低于两个顶压调节器的设定值，减压阀组、调速阀或可调静叶将关小以便使顶压升高；当顶压升高并高于专用调节器的顶压设定值，而低于原炉顶压力调节器的设定值时，调速阀和可调静叶将在调节器的积分作用下被开大，减压阀组在调节器的积分作用下将被关小，最终将使减压阀组中的自动调节阀和量程阀关闭，而将?TRT的调速阀和可调静叶打开，炉顶压力的控制将由减压阀组自动移至TRT。TRT进行全部回收。如果炉顶压力测量值瞬时间高于两个顶压调节器的设定值，减压阀组、调速阀和可调静叶都将开大，以便使顶压降低，起到双重保护的作用。正常情况下顶压的波动值将不高于原炉顶压力调节器的设定值，因此减压阀组将一直被关闭。

专用调节器中炉顶压调节器和原炉顶压力调节器并列运行时，原炉顶压力调节器ＰＩＤ功能全部用上，会使原炉顶压力调节系统反应过快，就会出现与ＴＲＴ并行调节炉顶压力过渡时间较

长的情况，最好的办法是当ＴＲＴ运行转到炉顶压力控制时，将高炉原炉顶压力调节器ＰＩＤ中的Ｄ去掉，只保留ＰＩ功能，这样就可以保证ＴＲＴ运行时煤气全部通过ＴＲＴ，并使减压阀组关闭，没有煤气被旁减压阀组通掉。ＴＲＴ停机时再连锁增加Ｄ功能。通过增加ＴＲＴ与高炉的联锁信号，可以提高各系统的协调性、安全性及参数的平稳性。

TRT停机运行

TRT手动停机运行

首先将阀位开度控制、转速控制、负荷控制、炉顶压力控制调节器都打到手动，使阀位开度控制调节器输出值操作向减的方向，透平机的调速阀或可调静叶随即关小，通过透平的煤气量也减少，发电机的负荷亦随之减小；透平的前压将升高，并导致炉顶压力升高。当炉顶压力稍高于原顶压设节器的设定值时，处于等待状态的原炉顶压调节器输出信号，打开减压阀并调节炉顶压力。此时，高炉顶压的控制逐渐由TRT移向减压阀组。

当TRT透平负荷降低，功率测量值低于3%，并即将进入电动运行前（这样可避免透平停机时超速），按下正常停机开关，使发电机与电网解列，计算机将阀位开度控制、转速控制、负荷控制调节器的设定值和输出值自动给到最小，并将阀位开度控制、转速控制、负荷控制、炉顶压力控制调节器都打到手动；同时专用调节器的输出也都自动给到最小，以便使调速阀和可调静叶能迅速关闭，透平机停止运行。然后使炉顶压力调节器的设定值等于原炉顶压力调节器的设定值，输出值自动给到最小。

TRT半自动停机运行

首先将转速控制，负荷控制，炉顶压力控制调节器都打到手动，然后使阀位开度控制调节器的设定值操作向减的方向（也可改变负荷调节器的设定值），透平机的调速阀和可调静叶随即关小，通过透平的煤气量也减少，发电机的负荷亦随之减小；透平的前压将升高且导致炉顶压力升高。当炉顶压力稍高于原顶压设节器的设定值时，处于等待状态的原炉顶压调节器输出信号，打开减压阀并调节炉顶压力。此时，高炉顶压的控制逐渐由TRT移向减压阀组。

当功率测量值降低到低于3%，在即将进入电动运行前，按下正常停机开关，使发电机与电网解列。计算机将阀位开度控制、转速控制、负荷控制调节器的设定值和输出值自动给到最小，并将阀位开度控制、转速控制、负荷控制、炉顶压力控制调节器都打到手动；同时专用调节器的

输出也都自动给到最小，以便使调速阀和可调静叶能迅速关闭，透平机停止运行。然后使炉顶压力调节器的设定值等于原炉顶压力调节器的设定值，输出值自动给到最小。

TRT全自动正常停机运行

按下正常停机开关，计算机使阀位开度控制和负荷控制调节器的设定值自动按一定的速率递减，同时将处于远程控制方式的炉顶压力调节器的设定值由始终减去一个固定差，改变为始终加上一个固定差值，使专用调节器中炉顶压力调节器的设定值略高于原炉顶压力调节器的设定值，透平机的调速阀和可调静叶随即关小，通过透平的煤气量也减少，发电机的负荷亦随之减小；透平的前压将升高且导致炉顶压力升高。当炉顶压力稍高于原顶压设节器的设定值时，处于等待状态的原炉顶压调节器输出信号，打开减压阀组并调节炉顶压力。此时，高炉顶压的控制逐渐由T RT移向减压阀组。

当透平负荷降低到低于3%，并进入电动运行之前，专用调节器发出信号使发电机与电网解列，计算机将阀位开度控制、转速控制、负荷控制调节器的设定值和输出值自动给到最小，并将阀位开度控制、转速控制、负荷控制、炉顶压力控制调节器都打到手动；同时专用调节器的输出也都自动给到最小，以便使调速阀和可调静叶能迅速关闭，透平机停止运行。然后使炉顶压力调节器的设定值等于原炉顶压力调节器的设定值，输出值自动给到最小。

TRT全自动紧急停机运行

TRT正常运转时，减压阀处于全关闭状态。此时，如果发生重故障至使透平跳闸，紧急切断阀立即关闭。为防止炉顶压力波动，TRT专用调节器及时输出“前馈信号”，将处于等待状态的旁通快开阀开到预定的开度（动作时间为２秒钟左右），开到位后延时5秒钟，然后慢慢关闭（动作时间为90秒钟左右），多余的煤气使顶压升高导致原炉顶压调节器打开减压阀组，使炉顶压力保持稳定。

专用调节器在发出“前馈信号”的同时，不管专用调节器处于什么控制方式，都将阀位开度控制、转速控制、负荷控制调节器的设定值和输出值自动给到最小，并将阀位开度控制、转速控制、负荷控制、炉顶压力控制调节器都打到手动，同时专用调节器的输出也都自动给到最小，以便使调速阀和可调静叶能迅速关闭，透平机停止运行。然后使炉顶压力调节器的设定值等于原炉顶压力调节器的设定值，输出值自动给到最小。

TRT的电动运行

当高炉出现故障需要短时间修风时，为避免TRT不必要的频繁启动，TRT需由电网带着作电动运行，TRT作电动运行时就相当于是鼓风机，因此调速阀、可调静叶及减压阀组必需打开，以利于煤气循环。

高炉修风运行

高炉修风时，需与TRT取得联系，并发出修风信号；高炉修风有如下几种操作方式：

(1)TRT炉顶压力控制调节器保持远程控制方式，由高炉主控制室改变高炉顶压的设定值，使炉顶压力测量值始终高于设定值，以便使调速阀和可调静叶在透平作电动运行期间始终打开。

(2)人工将TRT处于保位状态，使调速阀和可调径叶锁定，并将TRT炉顶压力控制调节器由远程控制方式打到手动控制方式，使调速阀和可调静叶保持原开度。

(3)人工将TRT炉顶压力控制调节器由远程控制方式打到手动控制方式，使调速阀和可调静叶保持原开度。

(4)当高炉紧急修风时，TRT将炉顶压力由远程控制方式自动打到手动控制方式，使调速阀和可调静叶保持原开度。

高炉复风

当高炉故障排除需复风时，需与TRT取得联系，并发出复风信号；高炉复风有如下几种操作方式：

(1)TRT炉顶压力控制调节器保持串级控制方式，由高炉主控制室改变顶压的设定值，高炉顶压由TRT调节逐渐升高。

(2)人工解除TRT保位状态，改变专用调节器的输出值将阀位开度减小，高炉顶压让高炉减压阀组去调。待顶压恢复正常后，将TRT 炉顶压力控制调节器由手动控制方式打到串级控制方式，使顶压控制逐渐由高炉减压阀组控制移到由TRT控制。

(3)发出复风信号，以消除紧急修风信号，其它操作与(2)相同。

5 结束语

上述控制方案都是为唐钢1号高炉TRT控制系统设计的，从原理上就可以分析出各方案的优缺点。上述控制方案不需要增加投资，只是通过修改软件，即可实现。

TRT控制系统硬件和软件控制策略还在继续发展，还有更多更好的方法应用于TRT，展望未来，TRT的投资会更省，发电效率和可靠性会更高，控制效果会更加理想。