专利名称：高炉煤气余压发电装置的高炉顶压稳定性控制试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于能源与动力工程领域，涉及高炉煤气余压发电装置的高炉顶压稳定性控制试验装置。
背景技术：
高炉煤气余压发电装置(Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit)(以下简称TRT)是利用高炉炼铁过程中所产生的煤气的压力能及低温热能进行发电的装置，是一种二次能量回收装置。利用TRT装置进行发电，用户往往担心TRT装置会降低高炉顶压的稳定性，从而影响主流程工艺过程。申请人检索到以下文献1.叶长青，高炉煤气余压透瓶装置(TRT)的发展与创新，《节能》，2000年第8期。
2.吴亚平，武钢3号高炉TRT现状分析及潜力探讨，《武钢技术》，1993年第3期。
3.孙原生，干湿除尘——高炉炉顶煤气压力控制系统，《太钢科技》，1991年1期。
4.张红庆，刘甄，等，武钢2#高炉TRT自动控制，《冶金自动化》，2001第4期。
5.黄景华，TRT影响高炉顶压问题的解决，《冶金动力》，2000年第4期。
引起高炉顶压不稳定的原因是多方面的，主要因素有高炉冶炼原料添加过程中的不均匀(变工况)；高炉内多种介质的高温、多相流动、物理和化学变化；高炉进风的鼓风机的压力与流量变化；其它因素如除尘器积尘，管路泄漏等引起流动阻尼改变的一些随机因素。由于上述因素大多具有不确定性，并且对炉顶压力变化的影响具有非线性特点。因此在推广TRT技术时，既要强调该技术节能环保的优点，也要对高炉顶压的稳定性进行系统性研究，最大限度满足高炉冶炼主流程工艺的要求。
高炉煤气余压发电装置(TRT)高炉顶压稳定性控制试验是指通过建立系统试验研究装置，研究系统诸要素之间相互影响、作用关系，验证系统控制软件原理和方法，最终解决系统的稳定性问题。据国内外文献检索表明，将高炉煤气余压发电装置系统作为研究的对象，以控制炉顶压力为目的的试验研究未曾报到。
发明内容
本实用新型的目的在于，提供一种TRT装置的高炉顶压稳定性控制试验研究装置，使对高炉顶压控制进行更深入的研究成为可能。
实现上述实用新型目的的技术方案是一种高炉煤气余压发电装置高炉顶压稳定性控制试验装置，包括，一风源风机，该风源风机由风机定子，风机转子，风机传动组构成；其特征在于，该装置还包括以下部件一高炉模型装置，它由高炉模型及调节阀v01组成，调节阀v01设置在高炉模型上，调节阀v01可产生正弦，余弦，方波，复合波，用以实现高炉冶炼过程各种扰动模拟；一系统管路及多个阀组件，系统管路上布置有试验测量点，试验测量点上安装有压力传感器PT01、PT02、PT03、PT04、PT05，温度传感器TT01、TT02、流量传感器FT01；以实现高炉模型及高炉煤气余压发电装置的各种状态；一带可全关闭静叶，该带可全关闭静叶由风管，全关闭静叶，导流锥，电动执行器构成；一通过阀组部件连接在系统管路上的单级透平模型和发电装置；单级透平模型和发电装置包括有电阻箱、电控部件；一减压阀组，减压阀组由PV01、PV02、PV03三个阀门并联组成，其中PV01，PV03阀门的口径相等，PV02阀门的口径为PV01的2倍；一自动控制系统；自动控制系统上连接有上述各传感器；自动控制系统上层采用WINCC SCADA软件，底层采用SIEMENS S7-300系列PLC；系统网络采用PROFIBUS DP协议，连接速率12MBPS，控制层采用SIEMENS PROFIBUS双绞屏敝通讯电缆，通过CP342-5接口模块连接到PROFIBUS DP总线上；风源风机、高炉模型装置、可全关闭静叶单级透平机、减压阀组；分别安装在系统管路上；介质在风源风机作用下，经过可以产生扰动的高炉模型装置、通过带压力、温度、流量测量试验测点布置的管路和带可全关闭静叶到达单级透平机；减压阀组与由带可全关闭静叶和单级透平机构成的主气路并联，在自动控制系统部件作用下实现相互切换试验。
本实用新型的高炉煤气余压发电装置的高炉顶压稳定性控制试验装置，可实现完成鼓风机、透平、静叶及各阀门的单独试验，得到STPC控制程序所需的性能曲线和阻力系数曲线；其次，给模拟高炉阻尼变化的装置加载信号(正弦、余弦、方波、复合波等)产生炉顶压力扰动；根据实时记录检验顶压控制指标，验证控制方法。本实用新型经专利查新，证明本装置在国内外属首次。
图1是本实用新型的TRT装置高炉顶压稳定性控制试验装置示意图；图2是风源风机结构图，其中的符号分别表示101、风机定子，102、风机转子，103、风机传动组；图3是静叶调节结构图，其中的符号分别表示201、风管，202、全关闭静叶，203、导流锥，204、内风管，205、传动机构，206、电动执行器；图4是本实用新型的实施例图。
具体实施方式
以下结合附图和实用新型人依技术方案完成的实施例对本实用新型作进一步的详细说明1.详细内容1.1引言
术语TRT高炉煤气余压发电装置(The blast furnace top pressure powerrecovery turbine unit)静叶在工作状态下，相对于TRT机壳等定子静止的可以绕叶片轴心转动的具有良好气动特性的零件。
静叶可调采用传动技术，使静叶能够绕叶片轴心转动，通过改变TRT工况，满足高炉系统的工艺需要。
顶压高炉冶炼过程炉顶压力，是高炉冶炼过程主要指标之一。
顶压稳定性高炉冶炼过程炉顶压力的波动范围、顶压力的波动恢复时间及顶压力的波动变化趋势反映了顶压稳定性。
1.2技术方案本实用新型模拟实际工业工艺流程，开发建立了TRT顶压稳定性试验研究装置。
参见图1～2，高炉煤气余压发电装置高炉顶压稳定性控制试验装置，包括，一风源风机1，该风源风机1由风机定子101，风机转子102，风机传动组103构成；该装置还包括以下部件一高炉模型装置2，它由高炉模型及调节阀v01组成，调节阀v01设置在高炉模型上，调节阀v01可产生正弦，余弦，方波，复合波，用以实现高炉冶炼过程各种扰动模拟；一系统管路3及多个阀组件，系统管路3上布置有试验测量点，试验测量点上安装有压力传感器PT01、PT02、 PT03、PT04、PT05，温度传感器TT01、TT02、流量传感器FT01；以实现高炉模型及高炉煤气余压发电装置的各种状态；系统管路3的口径为DN250。
一带可全关闭静叶4，该带可全关闭静叶4由风管201，全关闭静叶202，导流锥203，电动执行器204构成；风管201、全关闭静叶202、两个导流锥203构成了介质的通道；电动执行器206和传动机构205构成了可全关闭静叶4的执行部件。(图3)；一通过阀组部件连接在系统管路3上的单级透平模型和发电装置5；该装置5包括有电阻箱、电控部件，其中发电机功率为20kW。
一减压阀组6，减压阀组6由PV01、PV02、PV03三个阀门并联组成，其中PV01，PV03阀门的口径相等，为DN100；PV02阀门的口径为PV01的2倍，为DN200；一自动控制系统7；自动控制系统7上连接有上述各传感器；自动控制系统上层采用WINCC SCADA软件，底层采用SIEMENS S7-300系列PLC；系统网络采用PROFIBUS DP协议，连接速率12MBPS，控制层采用SIEMENS PROFIBUS双绞屏敝通讯电缆，通过CP342-5接口模块连接到PROFIBUS DP总线上；风源风机1、高炉模型装置2、可全关闭静叶4、单级透平模型和发电装置5、减压阀组6；分别安装在系统管路3上；压力传感器PT01、温度传感器TT01安装在风源风机1与高炉模型装置2之间，压力传感器PT02、流量传感器FT01安装在高炉模型装置2与减压阀组6之间；温度传感器TT02、压力传感器PT05安装在减压阀组6与放空阀之间；PT03和PT04安装在可全关闭静叶4的两端。
介质在风源风机1作用下，经过可以产生扰动的高炉模型装置2、通过带压力、温度、流量测量试验测点布置的管路3和带可全关闭静叶4到达单级透平模型和发电装置5；减压阀组6与由带可全关闭静叶4和单级透平模型和发电装置5构成的主气路并联，在自动控制系统部件7作用下实现相互切换试验。
自动控制系统7用于检测源风机进出口温度T/TH，TT01和压力PT01；高炉顶部压力PT01；系统流量FT01；静叶部件进出口压力PT03和PT04；系统放空处温度及压力TT02和PT05。检测到的数据经传感器进入PLC和计算机，实现数据检测、控制、记录、分析等功能。
2.控制系统概述控制系统上层采用WINCC SCADA软件，底层采用SIEMENS S7-300系列PLC。系统网络采用PROFIBUS DP协议，连接速率12MBPS，控制层采用SIEMENSPROFIBUS双绞屏敝通讯电缆，通过CP342-5接口模块连接到PROFIBUS DP总线上。
2.1 SCADA系统SCADA系统采用SIEMENS公司的WINCC V5.0 SP2组态软件，运行于WINDOWS 2000 PROFESSIONAL+SP1平台。该软件的优点是与SIEMENS公司的PLC有优良的兼容性，与PLC的编程软件STEP 7可以非常容易地集成在一起，提高系统的开发效率。
2.2 PLC系统2.3硬件组成本系统数据采集及控制采用SIEMENS PLC。
2.3.1 STEP 7 V5.1软件简介SIEMENS PLC使用STEP 7软件编程。
2.3.2控制软件OB1(主程序)FC1(IO数据变换)完成IO端口数据的标度标度变换，调用数据块DB1(IODATA)。
FC2(VO1控制/信号发生与控制)FC3(信号发生器)FC4(阀门EPSL参数计算)FC5(TURBINE向PV阀组切换的参数计算及切换)FC6(EPSL参数→阀门开度计算)FC20(测试)FC21(测试准备)FC22(阀门 开 测试)
FC23(阀门维持)FC24(阀门 关 测试)OB100(热启动)FC7(孔板流量计算程序)FC8(风机参数计算程序)FC9(风机喘振保护程序)FC10(风机效率计算程序)控制系统上层采用WINCC SCADA软件，底层采用SIEMENS S7-300系列PLC。SCADA系统采用SIEMENS公司的WINCC V5.0 SP2组态软件，运行于WINDOWS 2000 PROFESSIONAL平台。该软件的优点是与SIEMENS公司的PLC有优良的兼容性，与PLC的编程软件STEP 7可以非常容易地集成在一起，提高系统的开发效率。
(1)当透平机正常运行时，如顶压的波动值超出给定幅度，软件将会迅速给出调节透平机静叶片开度量化值的执行指令，并确保在给定的时间内，使炉顶压力恢复到正常范围。
(2)当透平机正常停机或需要紧急停机时，软件将在停机指令后，根据正常停机或紧急停机程序要求，给出关闭透平机管道进气阀门，并按程序要求给出开启旁通管道减压阀开度量化值的执行指令，保证在给定时间内使炉顶压力保持正常范围内。
(3)当软件获得透平机开机指令后，将根据开机操作程序要求，给出开启透平机进气管道阀门和关闭旁通管道减压阀门量化值的执行指令，保障透平机开机过程中炉顶压力的稳定性。
(4)控制软件将采用混合式专家控制算法，可根据TRT运行调节顶压稳定性积累的知识库，不断修正程序中的控制参数，因此该软件使用时间越长，控制的效果越好。也就是说，控制顶压的波动值指标及波动峰值持续时间指标将会随着TRT运行时间得到改善。
本实用新型的高炉煤气余压发电装置的高炉顶压稳定性控制试验装置，可实现完成鼓风机、透平、静叶及各阀门的单独试验，得到STPC控制程序所需的性能曲线和阻力系数曲线；其次，给模拟高炉阻尼变化的装置加载信号(正弦、余弦、方波、复合波等)产生炉顶压力扰动；根据实时记录检验顶压控制指标，验证控制方法。
采用本实用新型的技术方案，申请人完成了该试验装置的制备(图4)并完成了以下的单项试验1)静叶全关闭时，透平冲动转速试验2)静叶开度与流量特性试验3)叶片表面处理后的耐磨防腐试验4)发电机并网试验5)TRT装置甩负荷试验6)透平静叶开度与阀组开度之间的阻尼变化关系3.本实用新型的创新点1)创造性建立了“高炉顶压控制模拟试验台”，这是国内首创，在国际上也是独一无二的；2)在高炉顶压控制模拟试验台上试验研究了TRT装置中各单机、阀组及管网系统对炉顶压稳定性的影响关系，特别是在起动、紧急停机、甩负荷时的影响关系，为解决这种复杂的非定常流动的计算与控制得到大量的可靠的实验数据；3)采用特殊设计可全关闭的可调静叶，实现了透平零冲动转速试验。
4)首次完成TRT装置主机静叶开度与流量特性试验，得出不同气动参数下的流动特性，为进行理论分析提供了可靠的依据。
权利要求1.一种高炉煤气余压发电装置高炉顶压稳定性控制试验装置，包括，一风源风机1，该风源风机1由风机定子101，风机转子102，风机传动组103构成；其特征在于，该装置还包括以下部件一高炉模型装置2，它由高炉模型及调节阀v01组成，调节阀v01设置在高炉模型上，调节阀v01可产生正弦，余弦，方波，复合波，用以实现高炉冶炼过程各种扰动模拟；一系统管路3及多个阀组件，系统管路3上布置有试验测量点，试验测量点上安装有压力传感器PT01、PT02、PT03、PT04、PT05，温度传感器TT01、TT02、流量传感器FT01；以实现高炉模型及高炉煤气余压发电装置的各种状态；一可全关闭静叶4，该可全关闭静叶4由风管201，全关闭静叶202，导流锥203，电动执行器204构成；一通过阀组部件连接在系统管路3上的单级透平模型和发电装置单级5；该单级透平模型和发电装置包括有电阻箱、电控部件；一减压阀组6，减压阀组6由PV01、PV02、PV03三个阀门并联组成，其中PV01，PV03阀门的口径相等，PV02阀门的口径为PV01的2倍；一自动控制系统7；自动控制系统7上连接有上述各传感器；自动控制系统上层采用WINCC SCADA软件，底层采用SIEMENS S7-300系列PLC；系统网络采用PROFIBUS DP协议，连接速率12MBPS，控制层采用SIEMENSPROFIBUS双绞屏敝通讯电缆，通过CP342-5接口模块连接到PROFIBUS DP总线上；风源风机1、高炉模型装置2、带可全关闭静叶4单级透平模型和发电装置单级5、减压阀组6；分别安装在系统管路3上；介质在风源风机1作用下，经过可以产生扰动的高炉模型装置2、通过带压力、温度、流量测量试验测点布置的管路3和可全关闭静叶4到达单级透平机5；减压阀组6与由可全关闭静叶4和单级透平机5构成的主气路并联，在自动控制系统部件7作用下实现相互切换试验。
专利摘要本实用新型公开了一种高炉煤气余压发电装置的高炉顶压稳定性控制试验装置，包括风源风机、高炉模型装置、系统管路及多个阀组件、带可全关闭静叶、通过阀组部件连接在系统管路上的单级透平模型和发电装置、减压阀组和自动控制系统组成；介质在风源风机作用下，经过可以产生扰动的高炉模型装置，通过带压力、温度、流量测量试验测点布置的管路和带可全关闭静叶到达单级透平机；减压阀组与由带可全关闭静叶和单级透平机构成的主气路并联，在自动控制系统部件作用下实现相互切换试验。本实用新型可实现完成鼓风机、透平、静叶及各阀门的单独试验，得到STPC控制程序所需的性能曲线和阻力系数曲线。根据实时记录检验顶压控制指标，验证控制方法。
文档编号C21B5/06GK2692158SQ20032010961
公开日2005年4月13日 申请日期2003年10月10日 优先权日2003年10月10日
发明者印建安, 孙继瑞, 柳黎光, 王斗, 张三元, 李普会, 李孝民, 周向民, 彭君伟, 李宏安, 陈党民, 刘开锋, 张利民, 段纪成, 王伟 申请人:陕西鼓风机(集团)有限公司