高爐軸流風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化及實驗講解.doc

高爐軸流風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化及實驗摘要：針對萍鋼4#高爐鼓風(fēng)機(jī)存在的問題，闡明了防喘振控制優(yōu)化的方案，包括工況點(diǎn)沿防喘線精確控制，入口溫度對喉部差壓、出口壓力的補(bǔ)償，提出了控制優(yōu)化的具體實施方法，優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。【關(guān)鍵詞】軸流風(fēng)機(jī) 防喘振 優(yōu)化 實施一、前言高爐鼓風(fēng)機(jī)是高爐煉鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵動力設(shè)備，為確保鼓風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在其控制系統(tǒng)中必須配備防喘振自動控制，并應(yīng)兼顧高爐生產(chǎn)、機(jī)組安全、節(jié)能降耗等各方因素，高爐作為鼓風(fēng)機(jī)供風(fēng)的負(fù)載，爐內(nèi)狀況瞬息萬變，鼓風(fēng)阻力發(fā)生擾動，控制系統(tǒng)將使防喘振閥動作，就會在高爐意外崩料和風(fēng)機(jī)喘振之間處于兩難的境地，本文以萍鄉(xiāng)鋼鐵公司4#高爐鼓風(fēng)機(jī)的防喘振控制優(yōu)化為例，闡述控制系統(tǒng)在防喘振調(diào)節(jié)過程中如何保證送風(fēng)壓力的穩(wěn)定性，在安全運(yùn)行前提下充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)能力，進(jìn)而為高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。二、存在的問題萍鄉(xiāng)鋼鐵公司4#高爐采用AV45-13全靜葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)，由于防喘振控制側(cè)重于保護(hù)鼓風(fēng)機(jī)，加之防喘振控制品質(zhì)不高，2010年投產(chǎn)以來，防喘振控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況不甚理想，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1）防喘閥開度基本在10%左右，軸流風(fēng)機(jī)經(jīng)常處于放風(fēng)狀態(tài)，造成大量無謂能量損失，放風(fēng)噪聲污染嚴(yán)重。2）防喘振的控制品質(zhì)有待提高：一旦高爐路況不順，鼓風(fēng)阻力增大使風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)進(jìn)入調(diào)節(jié)區(qū)時，通常是采用人工緊急干預(yù)打開防喘閥使工況點(diǎn)回到穩(wěn)定工作區(qū)，保守的安全意識使工況點(diǎn)總是遠(yuǎn)離防喘振線。3）不同入口溫度對風(fēng)機(jī)喘振性能有較大影響，采用固定的喘振性能曲線不能真實地反映風(fēng)機(jī)喘振性能，一方面可能影響風(fēng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，另一方面可能制約風(fēng)機(jī)供風(fēng)能力的充分發(fā)揮。三、防喘振控制優(yōu)化方案1防喘振控制優(yōu)化的先決條件為了實現(xiàn)防喘振控制的優(yōu)化，必須借助于性能優(yōu)良的PLC系統(tǒng)。PLC的高速運(yùn)算性能可使用戶程序的掃描周期在10毫秒級，為有效克服鼓風(fēng)阻力瞬變擾動成為可能；PLC豐富的運(yùn)算和編程功能可以實現(xiàn)各種先進(jìn)控制算法，達(dá)到預(yù)期的控制效果；PLC的高可靠性，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行進(jìn)而確保風(fēng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行。4#高爐鼓風(fēng)機(jī)采用西門子S7-400H PLC，配備冗余414CPU可很好地實現(xiàn)各項控制任務(wù)。為了實現(xiàn)防喘振控制的優(yōu)化，必須借助于性能優(yōu)良的防喘振閥。防喘振閥具有可靠的快開性能，當(dāng)一旦壓力過高，可釋放由于喘振引起的壓力波動；防喘振閥應(yīng)具有良好的調(diào)節(jié)性能，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)接近防喘振線時，能充分調(diào)節(jié)流量以防止起浪點(diǎn)；防喘閥應(yīng)具備靈敏的階躍響應(yīng)，超調(diào)應(yīng)限制在最小，可滿足風(fēng)機(jī)在啟動和停車時的壓力、流量變化。4#高爐鼓風(fēng)機(jī)采用的fisher防喘閥可以較好地滿足上述要求。2. 工況點(diǎn)沿防喘線精確控制（1）防喘振的基本控制方法 以喉部差壓為橫坐標(biāo)、以出口壓力為縱坐標(biāo)，建立了運(yùn)行工況畫面，畫面包含喘振線（紅線）、喘振報警線（黃線）和防喘振控制線（藍(lán)線），黃線和藍(lán)線分別設(shè)在紅線下方97%和93.5%處，以實際運(yùn)行工況下的喉部差壓和出口壓力坐標(biāo)建立運(yùn)行工況點(diǎn)，如下圖所示。根據(jù)當(dāng)前喉部差壓（補(bǔ)償后），在防喘線上查詢對應(yīng)的出口壓力，作為防喘振控制的給定值SP，以當(dāng)前風(fēng)機(jī)出口壓力作為防喘振控制的測量值PV，二者之偏差西門子STEP7的PID模塊FB41進(jìn)行控制運(yùn)算，當(dāng)工況點(diǎn)接近或越過藍(lán)線時，PLC控制防喘閥打開一定角度，來減小壓縮機(jī)出口的阻力，使工況點(diǎn)回到穩(wěn)定工作區(qū)，以避免軸流風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象的發(fā)生。在工況點(diǎn)接近喘振線時，要求軸流風(fēng)機(jī)的防喘閥必須動作迅速，但防喘閥動作速度太快、動作幅度過大，勢必會使風(fēng)機(jī)出口壓力、流量產(chǎn)生大幅度波動，影響高爐爐況的穩(wěn)定。由于防喘振控制是以風(fēng)機(jī)吸入氣體流量和排氣壓力為調(diào)節(jié)對象，二者的變化都具有極強(qiáng)的瞬時性，而信號測量、計算輸出、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作及工藝過程都不可避免會產(chǎn)生一定的時間滯后，在這樣一個瞬時性非常強(qiáng)的閉環(huán)控制回路里，以滯后的測量信號為計算依據(jù)，采用的常規(guī)的PID運(yùn)算，雖然可以在工況點(diǎn)躍過防喘線時迅速地打開放空閥，但無法使工況點(diǎn)在響應(yīng)線附近被穩(wěn)定控制，難以實現(xiàn)精確控制。工況點(diǎn)沿防喘線精確控制圖（2）變比例和變積分相結(jié)合 為了解決快速防喘動作和穩(wěn)定高爐風(fēng)壓之間的矛盾，采用非對稱控制的快開慢關(guān)來控制防喘閥的動作。當(dāng)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)處于防喘振線的右下側(cè)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域時，PID控制器的比例增益Gain較小，積分時間TI較大，控制器使防喘閥處于全關(guān)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)一旦接近或超越了防喘振線，PID控制器的比例增益Gain增大， 積分時間TI減小，且超過防喘振線越多，比例增益越大，積分時間越小，響應(yīng)速度加快，這就實現(xiàn)了防喘閥的快開。當(dāng)工況點(diǎn)返回穩(wěn)定工作區(qū)時，偏差e減小，比例增益減小，積分時間增大，響應(yīng)速度變慢，實現(xiàn)了防喘閥的慢關(guān)。西門子的PID功能塊本身具有抗積分飽和功能，當(dāng)工況點(diǎn)處于穩(wěn)定工作區(qū)時，雖然偏差一直存在，防喘閥全關(guān)，但控制器積分部分不會飽和。如果單純采用變比例增益的PID控制，由于積分作用跟不上將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；如果單純采用變積分時間的PID控制，由于不變比例作用使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，影響到系統(tǒng)的快速性。防喘振控制優(yōu)化將變比例增益與變積分時間相結(jié)合，同時改變控制器的比例增益和積分時間，既保證工況點(diǎn)越過控制線時防喘閥動作有較好的快速性，又保證了工況點(diǎn)在接近控制線時系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。見圖1，這樣兼顧了防喘振調(diào)節(jié)的快速性和高爐送風(fēng)壓力的穩(wěn)定性，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)沿防喘線精確控制，自動“釘”在防喘振線上而無需人工操作防喘閥。3.入口溫度對防喘振的補(bǔ)償（1）喉部差壓與入口溫度 在實際設(shè)計中，由于風(fēng)機(jī)入口空間有限，沒有足夠長的直管段安裝入口流量計，因而風(fēng)機(jī)入口流量不能直接測出，能測到的只是間接反應(yīng)入口流量的喉部差壓，這就需要求得喉部差壓和入口流量的關(guān)系，考慮到入口絕對壓力（約為大氣壓力）基本上是個常量，因此入口流量與喉部差壓的關(guān)系式為F=K（PT1） （1）式中 K-流量系數(shù)；P-喉部差壓，單位為MPa；T1-入口溫度，單位為。在同一流量F下，如果入口溫度由T1變?yōu)門1時，得到的喉部差壓P的補(bǔ)償算式為P=(T1/T1) P （2）式中 T1、T1-絕對溫度；P-經(jīng)入口溫度補(bǔ)償后的喉部差壓，單位為MPa。（2）出口壓力與入口溫度 優(yōu)化之前4#高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制只是對喉部差壓進(jìn)行入口溫度補(bǔ)償，在不同氣溫下風(fēng)機(jī)喘振性能的變化不能被準(zhǔn)確地反映。在不同氣溫下，即使在同一喉部差壓時，其喘振點(diǎn)的出口壓力也存在差異。增大防喘線裕量無疑可以保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全，但不能充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)的真實能力，還會造成無謂的放風(fēng)；如果盲目減小防喘線裕量，一旦氣溫較高時就會有喘振的安全隱患。因此，在對喉部差壓進(jìn)行入口溫度補(bǔ)償?shù)耐瑫r，還要對出口壓力進(jìn)行入口溫度的補(bǔ)償。在這里利用能量頭的概念，能量頭是指單位質(zhì)量的被壓縮氣體，壓縮前后的能量差，它反映了單位質(zhì)量被壓縮氣體所做的功。氣體經(jīng)風(fēng)機(jī)所獲得的能量頭可通過熱力學(xué)第一定律和理想氣體的狀態(tài)方程推導(dǎo)出來。根據(jù)推導(dǎo)出來的能量頭算式分別得到入口溫度為T1和T2時的能量頭，將軸流風(fēng)機(jī)的入口溫度由T1變?yōu)門2視為絕熱過程，我們在這里將討論入口溫度變化對出口壓力（壓比）的影響，考慮軸流風(fēng)機(jī)的入口溫度由T1變?yōu)門2時其壓縮能量頭不變的情況，由此求得入口溫度為T2時的壓比，入口壓力為大氣壓力，故由此就可得到了出口壓力P2。（3）隨氣溫變化的喘振性能曲線 通過上述工作，可以分別計算出補(bǔ)償后的喉部差壓和出口壓力，這正是喘振性能曲線的橫、縱坐標(biāo)，在初始試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在不同氣溫下對喉部差壓和出口壓力進(jìn)行補(bǔ)償后，得到了隨不同氣溫（入口溫度）而變化的可動喘振線。這樣的變化曲線更真實地反映了設(shè)備性能，保證在一年四季不同的氣候條件下，喘振線和防喘線的準(zhǔn)確無誤，并在確保安全運(yùn)行的前提下，充分地發(fā)掘風(fēng)機(jī)的供風(fēng)能力。四、方案實施1. 準(zhǔn)備工作在高爐休風(fēng)前，準(zhǔn)備好YB-150型、01.0MPa、0.4級精密壓力表一臺；內(nèi)徑8mm、承壓2.OMPa、長約50m的紅色耐壓橡膠軟管一根。關(guān)閉壓力表閥門，拆除現(xiàn)場出口排氣壓力表，裝上一個軟管接頭。用橡膠軟管將出口排氣壓力引至主控室的精密壓力表，橡膠軟管兩端用固定夾固定。精密壓力表安裝于主控室的“安全運(yùn)行”按鈕旁。接到高爐休風(fēng)指令后，鼓風(fēng)機(jī)組進(jìn)入休風(fēng)狀態(tài)，送風(fēng)閥關(guān)閉，靜葉22，防喘閥全開。先用手持式壓力校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)喉部差壓和出口壓力變送器。將靜葉開啟一定角度（30），緩慢將防喘閥關(guān)小到一定開度（85），按“安全運(yùn)行”按鈕，風(fēng)機(jī)應(yīng)進(jìn)入安全運(yùn)行。試驗前安排有關(guān)人員各就各位；事先準(zhǔn)備好表格，以便記錄喘振試驗的數(shù)據(jù)。2喘振試驗根據(jù)JB/T 31651999，為獲取風(fēng)機(jī)喘振性能的有關(guān)數(shù)據(jù)，對軸流風(fēng)機(jī)做開式進(jìn)出氣試驗。試驗前將原運(yùn)行工況畫面的喘振曲線（三條線）拉開；安排專人站在“安全運(yùn)行”按鈕旁盯住精密壓力表顯示的風(fēng)機(jī)出口壓力；安排專人（操作工）在操作站操作靜葉和防喘閥開度；一人在操作站觀察試驗狀況并讀取試驗數(shù)據(jù)；另安排一人記錄試驗的數(shù)據(jù)。以上人員由試驗負(fù)責(zé)人統(tǒng)一指揮。操作工操作靜葉和防喘閥，將靜葉角度開到30，緩慢關(guān)小防喘閥，此時盯風(fēng)機(jī)出口壓力精密壓力表的人必須全神貫注，隨著防喘閥的關(guān)小，排氣壓力逐漸上升，一旦壓力表指針發(fā)生向零位的回擺，立刻拍擊“安全運(yùn)行”按鈕，使風(fēng)機(jī)進(jìn)入安全運(yùn)行狀態(tài)（判斷喘振初期現(xiàn)象的依據(jù)是觀察連接出口管路中精密壓力表的變化，在風(fēng)機(jī)出口壓力不斷上升的過程中，當(dāng)壓力表指針迅速回擺時，可認(rèn)為風(fēng)機(jī)進(jìn)入了喘振區(qū)，即發(fā)生了喘振初期現(xiàn)象）。在操作站的記錄曲線中讀取安全運(yùn)行前時刻的出口壓力、喉部差壓、入口溫度等參數(shù)，記錄在預(yù)先準(zhǔn)備的表格中。用同樣的方法分別對靜葉角度為40、50和60情況下，做喘振試驗，記錄各點(diǎn)的參數(shù)。注意：高爐休風(fēng)后，在風(fēng)機(jī)未停機(jī)時保持風(fēng)機(jī)在熱態(tài)下進(jìn)行這項試驗。以上試驗有了四個喘振點(diǎn)的數(shù)據(jù)，更高的喉部差壓和出口壓力的喘振數(shù)據(jù)宜采用有關(guān)算式計算推定，構(gòu)成較完整的喘振線。3調(diào)試將防喘振控制優(yōu)化的程序在實驗室進(jìn)行充分的仿真調(diào)試，盡可能發(fā)現(xiàn)并解決程序中的問題，這是在高爐休風(fēng)前必須完成的重要工作。 喘振試驗完成后，將預(yù)先編好的控制程序下載到PLC中，將試驗數(shù)據(jù)置入程序相應(yīng)的功能塊中，按照鼓風(fēng)機(jī)組試車方案的要求進(jìn)行機(jī)組啟動、停機(jī)、正常運(yùn)行、聯(lián)鎖停機(jī)及安全運(yùn)行等項目的試車?；镜脑囓図椖客瓿珊螅€要進(jìn)行工況點(diǎn)沿防喘線精確控制試驗，這個試驗是模擬進(jìn)行的，即壓低防喘振線，使工況點(diǎn)接近防喘振線進(jìn)行模擬防喘振試驗，觀察其控制效果。具體做法是：當(dāng)風(fēng)機(jī)在安全運(yùn)行時，將防喘閥關(guān)小至一定開度，此時風(fēng)機(jī)處于穩(wěn)定工作區(qū)，修改（主要是減小防喘線各拐點(diǎn)的出口壓力值）并下載防喘振線各點(diǎn)的參數(shù)，實現(xiàn)壓低防喘振線，然后緩慢開大靜葉角度使工況點(diǎn)接近壓低的防喘振線，觀察其貼線運(yùn)行的效果，包括超調(diào)和進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)后防喘閥的動作穩(wěn)定性，據(jù)此適當(dāng)調(diào)整防喘控制的變比例和變積分參數(shù)。這些當(dāng)然應(yīng)在實驗室進(jìn)行充分的仿真試驗基礎(chǔ)上來進(jìn)行。至于喘振曲線的入口溫度補(bǔ)償效果，可以在測溫元件輸入端加適當(dāng)?shù)男盘栍^察曲線移動情況，這項工作可以在實驗室做，如果實驗室對該項工作做得充分，到現(xiàn)場后可以不進(jìn)行這項調(diào)試。五、結(jié)語通過萍鄉(xiāng)鋼鐵公司4#高爐鼓風(fēng)機(jī)的防喘振控制的優(yōu)化工作，防喘閥在通常情況下得以關(guān)閉，噸鐵鼓風(fēng)電耗下降；防喘閥關(guān)閉，消除了放風(fēng)噪聲；增大了風(fēng)機(jī)運(yùn)行范