高炉TRT静叶电液伺服同步系统改造

李华 吴建华

(中国宝武钢铁集团上海梅山钢铁股份有限公司炼铁厂 江苏南京 210039)

1 前言

梅钢四号高炉TRT机组，型号为MPG24.0，制造厂家为陕西鼓风机集团有限公司，于2009年5月投运。

电液伺服控制系统在TRT装置中，属于几个关键系统之一[1]。其主要的工作原理是根据主控室的指令，来实现TRT的开机、停机、转速控制、炉顶压力控制以及过程检测等系统控制。透平机的转速控制，需从控制透平机的进口蝶阀和透平静叶的开度做起，而控制静叶开度的手段就是电液伺服控制系统。电液伺服控制系统的精度、误差，直接影响着TRT系统各阶段过程的控制。

TRT静叶电液伺服同步系统用于调节透平机静叶开度，TRT静叶开度随高炉顶压波动进行调节，进而保持高炉顶压稳定[2]。静叶调节伺服油缸是控制TRT静叶开度的关键设备，原设计由一组阀台同时控制两台伺服油缸，两台伺服油缸油管采用并联的方式。静叶调节伺服油缸是整个静叶动作的执行元件，作业时要求同步性非常高。若静叶调节油缸不同步，整个静叶调节机构将会受到损坏，从而使TRT机组的正常运行受到严重影响。

梅钢四号高炉TRT由于静叶调节不同步问题，已多次造成静叶调节机构损坏、机组停机，主要的故障有：偏拉力造成的伺服油缸和调节缸之间的连接板断裂，调节缸安全销、螺栓断裂及调节缸变形。四号TRT机组静叶伺服油缸不同步问题引起的设备故障率非常高，统计2017年由于静叶伺服油缸不同步问题引起的设备故障影响TRT总发电时间为74.45小时。

2 影响同步的主要因素

2.1 控制阀出口至伺服油缸管路长度

现有控制阀台位于四号TRT南侧，其到两侧静叶伺服油缸之间的配管长度有非常明显的不同，其到北侧的静叶伺服油缸长度超过5米。静叶调节伺服油缸使用的控制油经分油器后分出两路分别到南北两个伺服油缸。而从分油器分出两路油路的现场管线长度不等长，这是造成两个伺服油缸工作不能同步运行、影响机组的稳定运行的原因之一。

2.2 伺服油缸驱动时阻力不同

静叶调节缸两侧的阻力不完全相同，驱动的阻力来自于静叶调节气流的阻力、油缸自身内部活塞运动阻力及活塞杆至调节缸传动链的阻力。静叶磨损的部位和磨损量不同，将直接导致伺服油缸动作时静叶调节的阻力不同[3]。另外，静叶油缸活塞采用活塞环密封，这种密封对加工的精度非常高，稍微有些偏差将造成油缸活塞自身的运动阻力相差较大，而在实际加工过程中，加工偏差不可避免。

2.3 控制系统对应伺服油缸的控制模式

鉴于TRT静叶调节有同步控制要求，原有系统采用的是一对二的控制模式，这种控制模式主要是基于压力相等的原理来进行控制，但对于整个系统的阻力、管线长度、伺服油缸自身差异等均未考虑。这种控制模式最大的弊端是不能对单个伺服油缸行程的差异进行主动调节，不能突破自身控制产生的局限性。

2.4 单侧位移传感器的局限性

目前四号TRT静叶控制伺服油缸仅一侧伺服油缸带位移传感器。在实际运行过程中，一侧的伺服油缸位置反馈并不能真实的反馈另一组油缸的实际位置；另外由于位移自身偏差也将导致控制系统的偏差，并且无法在线发现，只能在检修时标定调整，反应较慢。在伺服油缸快速运行过程中，两侧位置的实际偏差逐步加大将对静叶调整机构形成强大的破坏力。

3 改造技术方案

原控制系统为一套液压控制阀台控制，通过中间管路同时控制两套静叶伺服油缸。液压控制阀台包括一套伺服控制系统和一套应急常规控制系统，静叶伺服油缸位置反馈采用外置式位移传感器反馈，伺服油缸仅单侧配置一套外置式位移传感器。其原控制原理图详见改造前静叶伺服油缸液压控制原理图(图1)。

图1 改造前静叶伺服油缸液压控制原理图

3.1 伺服油缸改造

将伺服油缸改造为新型的伺服油缸机构，这种机构有三方面改进：对新的伺服油缸机构内部的油路进行了优化设计，取消原前后缸节流油路；保留现有伺服油缸活塞密封，增加斯特密封软密封；取消缸头的外泄油口。

在现有每组伺服油缸的基础上新增一组位移传感器，使得每组伺服油缸有两组位移传感器。这可以使系统每组油缸有两组位移反馈数据，两路互为备用且可以互相校正，确保监测数据同步真实趋势，提高设备操作的安全性。

3.2 液压系统改造

每套伺服油缸设置两套独立的液压控制系统，与伺服油缸上两套位移传感器一一对应，形成两套独立的控制系统，同时针对目前液压系统使用过程部分阀块无法在线检修等问题进行有针对性的改造。液压动力系统利旧，仅对液压系统的控制单元进行更新改造，改造后的液压控制原理图详见图2。

图2 改造后静叶伺服油缸液压控制原理图

为保证液压系统油液Nas6级的清洁度等级，系统每组阀块进口管路各增加一组双筒高压过滤器。当高压过滤器堵塞时，采用人工方式进行切换，并且可以在不停机的情况下对高压滤芯进行更换。

为保证系统压力的安全稳定，在阀块现场设置溢流阀，同时在两组阀台的现场各设置两组皮囊式蓄能器。在现场远端阀台设置一套压力传感器，实现现场压力的在线监控。

比例阀的阀前P口和阀后A、B口设置外控形液控单向阀，以保证比例阀在备用状态下不受各管路系统压力波动的影响。每套伺服油缸控制系统单独设置一套手动控制系统，以满足现场手动操作和调试、检修的需要。为便于液压系统出现故障时能够在线切换检修，在每套阀的阀前P、T口和阀后A、B口分别设置检修球阀。两套伺服油缸控制液压阀台分开布置，管路均匀配置，确保现场阀台到现场伺服油缸的管路相等且不超过5m。

每组伺服油缸有两组独立的比例阀闭环控制，每组比例系统分别采用伺服油缸上两组独立的位移传感器进行位置反馈。

3.3 现场液压管道改造

液压系统的管路改造主要由以下几点：阀台分开布置，分别布置在4号TRT机组平台两侧，阀台至伺服油缸的液压管路等距；为保证伺服油缸控制精度，阀台至伺服油缸的管路不超过5米。改造后液压系统的阀台及管路布置详见图3。

图3 改造后液压系统的阀台及管路布置

3.4 电气系统改造

电气系统对现有DCS控制系统进行了改造。新增阀台控制信号，进入现有DCS系统，新增点数约20点。其中，DI模块可利用现有备用设备，需新增1个DO模块及继电器等。相关程序和画面均进行了相应修改。

3.5 自动化控制系统改造

两伺服油缸要求运动时位置保持同步，通过伺服油缸的位置传感器反映其实际位置信号，在控制单元中对反馈信号P1/P2进行比较(见图4)。当两伺服油缸有位置误差，即不同步时，信号的偏差经控制单元处理后将调整指令送给对应的电液伺服阀进行调整，进而实现实时对比、单侧补偿使两伺服油缸始终保持同步的要求。

图4 控制单元工作示意图

4 改造效果

⑴高炉TRT静叶电液伺服同步系统改造投入运行后，系统运行稳定，运行速度快。控制精度由原±3kPa提升到±1kPa，控制精度得到了很大幅度的提升。技术改造完全满足静叶伺服控制系统对高炉顶压稳定的控制。

⑵当高炉炉况发生管道气流等异常工况时，系统能够快速响应，对高炉顶压进行快速调整。

⑶完善了各控制系统的功能，实现静叶伺服油缸的高精度同步运行，减少机组的维修次数，提高了机组的运行效率，相应的提高了机组的发电量。

5 经济效益

改造完成后由于静叶电液伺服同步系统问题引起的设备故障降为零。四号TRT机组2017年发电量为1.2×109kWh， 扣除检修及非计划停机等停机因素平均每小时发电量为1.4×105KWh。2017年同步系统设备故障影响四号TRT发电时间为：74.45h。

四号TRT机组按照平均每小时的发电量1.4×105KWh计算，则年故障时间产生的发电效益为：74.45×1.4×105=104.23×105kWh；按照每度电0.61元计算，则年发电直接效益：104.23×105kWh×0.61元/kWh=63.58万元。

按照投资130万元，十年平均折旧计算：130万÷10=13万元。

则本项目实施后的直接经济效益为：63.58-13=50.58万元。

6 结论

高炉TRT静叶电液伺服同步系统是控制、稳定高炉顶压的关键设备，同步系统的运行稳定与整个大高炉的稳定顺行息息相关。近年来国内同类型的TRT机组由伺服同步系统故障引起的机组停机故障较多，在行业中造成的影响较大。通过对高炉TRT静叶电液伺服同步系统的技术改造，解决了由于不同步造成的机组停机问题，可供同行业参考。