高炉轴流鼓风机防喘振系统的自动控制

[摘 要]介绍了高炉风机的工艺流程、 喘振的形成及其危害和防喘振系统的组成，对喘振线、 防喘振线、防喘振阀自动调节线的计算和防喘振控制策略进行了分析论述，以期提高设备的稳定性。

[关键词] 风机、自动化控制、防喘振、PLC

中图分类号：TS737文献标识码： A

Automatic control of blast furnace axial flow blower antisurgesystem

Wei Ming-chen

(He bei iron and Steel Group ,Tangshan Wei' er automation company, Hebei 063000)

[Abstract] Introduces the formation process, the blast furnace fan surge and its hazards and anti surge system, on the calculation of the surge line, anti surge line, automatic adjustment of line surge proof valve and anti surge control strategy was also analyzed, in order to improve the stability of the equipment.

[Key words] blower, Automatic, anti-surge, PLC

一、喘振的形成和危害

高炉鼓风机担负着向高炉供风的重要职能， 高炉鼓风机的工艺运行情况（如图1所示）直接影响高炉的正常生产。在鼓风机正常运行时， 如果工艺系统管网压力增加， 风机出口压力增高，流量下降， 叶片气流冲角增大， 在叶片背面产生气体分离， 形成脱离区， 导致鼓风机排气压力突然下降， 脱离区一般随着压力下降分离消失， 压力再升时又产生气体分离。这种分离反复发生形成喘振， 严重时还会出现气体的倒流。喘振使叶片产生强烈振动， 鼓风机机壳内温度急剧升高， 大大降低风机的使用寿命，影响高炉正常运转。

图1 高炉鼓风机的工艺流程

二、防喘振原理

在正常稳定工况条件下， 鼓风机的静叶角度固定不变， 喉部差压也随着静叶角度保持稳定。一旦工况不稳定就会导致管网阻力增大， 流量减小， 排气压力随之上升。管网阻力与高炉工况有关， 很难控制， 只有从流量着手， 即在喘振即将发生时， 增大鼓风机出口流量， 以减小管网阻力、 降低鼓风机排气压力， 从而避免喘振的发生。

三、防喘振系统的硬件组成

1、PLC作为整个系统的控制部分， 从仪表读取现场反馈的数据并根据数据控制防喘阀动作。鼓风机是高炉的心脏，为了保证安全运行，选用了西门子 S7－400 系列 ,由CPU 414-4 H、UR2-H、PS 407 10A、H Sync Submodule等组成热备冗余控制系统。

2、防喘振阀

两台防喘振阀安装在鼓风机的出口处，作为整个防喘振系统的执行机构。正常工况下 PLC通过 PID 控制调节防喘振阀开度， 通过4 ～20 mA标准信号控制， 信号线性对应阀门开度。当 PLC给定输出4 mA 时，防喘振阀全开；PLC给定输出20 mA时，防喘振阀全关。当 PLC 检测到鼓风机即将发生喘振时，通过控制两个电磁阀失电快速打开防喘振阀， 增加鼓风机的流量，从而避免喘振的发生。防喘振阀具有快开慢关的特点，可以防止气流振荡。

3、 检测仪表

仪表作为整个系统的直观显示，时刻监视各个数据，并反馈给PLC。防喘振系统中主要的检测数据包括鼓风机喉部差压、排气压力以及风机入口温度。根据喉部差压和排气压力的数据变化来计算鼓风机是否即将进入喘振状态，风机入口温度是用来对喉部差压进行温度补偿的。

四、鼓风机防喘振数据

1、喘振点

鼓风机机组安装和试车完毕后， 须现场进行喘振试验， 测试鼓风机在静叶不同开度时喘振点临界排气压力。喘振试验时， 鼓风机送风阀门关闭， 防喘振阀和放风阀全开。当静叶达到指定角度时， 逐渐关小防喘振阀憋压， 测试鼓风机喘振点临界送风压力。唐山钢铁公司的AV80轴流鼓风机的试验数据如下：静叶开度范围为14°到 79°， 选取 32°、 42°、 52°和 62°角度实测各喘振点临界排气压力。通过试验， 得出喘振点数据：（表1）。

静叶角静叶角 喉部差压/ 排气压力/进气温度/

度设定度反馈 kPa kPa ℃

32° 32.3°3.42337．8 14.7

42° 42．2° 5．07 426.614.6

52° 52．3° 6．24 516．0 14．7

62° 62．2° 9．76 536．6 14．2

表1 喘振点数据

2、喘振线和防喘振线

根据现场工艺要求，防喘振点的喉部差压取值比喘振点喉部差压大 6%， 排气压力小 6%， 其表达式为:

Δp防喘振点= Δp 喘振点 × (1 +6%) (1)

p 防喘振点 = p 喘振点 × (1 －6%) (2)

式中:Δp 防喘振点 － 防喘振点喉部差压;

Δp喘振点－ 喘振点喉部差压;

p 防喘振点 － 防喘振点排气压力;

p 喘振点 － 喘振点排气压力。

计算出的数据如表2所示。

静叶角静叶角 喉部差压/ 排气压力/进气温度/

度设定度反馈 kPa kPa ℃

32° 32.3°3.63 317.5314.7

42° 42．2° 5．37401.0014.6

52° 52．3° 6．62485.0414．7

62° 62．2° 10.35504.4014．2

表2防喘振点数据

将喉部差压作为坐标的 x 轴， 排气压力作为y 轴， 确定各喘振点和防喘振点的位置， 分别连接各喘振点和防喘振点形成喘振线和防喘振线，如图2所示。

图2喘振线和防喘振线示意

3、防喘振阀自动调节线

为方便操作，将防喘振线横坐标不变，纵坐标乘以 92%作为防喘振阀自动调节线，其表达式为防喘振线表达式乘以92%。在不同工况下，如果工况点超越自动调节线，则两台防喘振阀切换为自动状态。

4、温度补偿

温度对空气密度影响很大，温度越低空气密度越大，鼓风机出口压力越高。为保证鼓风机在一年四季各个气温环境下安全运行并发挥最佳性能，特引入温度补偿这一概念。选取夏季室温26． 85 ℃(绝对温度 300 K)时鼓风机喉部差压作为标准值，－40℃到60℃范围内补偿后喉部差压与鼓风机入口绝对温度成正比。

五、控制策略

在鼓风机启动时， 两个防喘振阀均处于全开状态， 即鼓风机空载启动。鼓风机运行平稳后， 手动逐步增大静叶角度，减小防喘振阀开度，使工况点在防喘振线以下安全区域内，最终达到防喘振阀全关， 送风压力达到高炉需要的状态。在鼓风机启动及正常送风工况下， PLC 时刻读取仪表所检测的工况点数据， 并在 HMI 上对应的坐标处显示出来。

系统通过模拟量输入模块将鼓风机喉部差压的 4 ～20 mA 信号传输给 CPU，经过计算得出测量值，然后按照温度补偿表达式进行温度补偿，并计算出补偿后的喉部差压，再分别代入喘振和防喘表达式计算出相应的喘振压力值和防喘振压力值。防喘振阀自动调节压力值由防喘振表达式计算结果乘以 92%得出。

鼓风机排气压力由压力变送器检测转换为 4～20 mA 信号， 通过模拟量输入模块传输给 CPU，经过计算得出测量值。在手动加载或工况点波动时， 如果排气压力大于或等于防喘振阀自动调节压力值( ＞2 kPa)， 则程序自动将 2 台防喘振阀由手动转换成自动状态。防喘振阀处于自动状态时， 阀位通过西门子自带功能块 FB41 进行 PID调节。以计算得出的防喘振压力为设定值(SP)，实测排气压力为实际值(PV)， 防喘振阀开口度为调节值(OUT)， 形成闭环控制， 同时控制2 台防喘振阀的开度， 使排气压力尽可能等于防喘振压力。根据工艺要求， 防喘振阀须快开慢关。即当排气压力小于防喘振压力时， 比例系数 P 较小， 阀门慢速减小开度;而当排气压力大于防喘振压力时，比例系数 P 较大， 阀门快速打开。另外， 为了避免在鼓风机启动时防喘振阀出现异常， 防喘振控制系统增加了防喘振点大于 2 kPa 的联锁条件。在喘振压力大于 2 kPa 的前提下， 如果工况非常不稳定， PID 调节也无法抑制排气压力增长至大于喘振压力， 则鼓风机自动转入安全运行状态。2 台防喘振阀快速达到全开的状态， 增加鼓风机流量以消除喘振， 逆止阀关闭防止逆流， 静叶角度减小到22 ℃。此时鼓风机为空载状态， 需要重新手动逐步调节静叶和防喘振阀开度， 达到要求的送风状态， 防喘振控制系统策略如图3所示。

图3防喘振控制系统策略示意图

六、结束语

鼓风机是高炉炼铁的主要动力设备， 各冶金企业的高炉生产都曾经受到鼓风机喘振的影响。掌握防喘振系统的组成和控制策略， 可以有效预防喘振的发生， 进而提高高炉鼓风机的使用寿命。

七、参考文献

1、 续魁昌， 王洪强， 盖京方． 风机手册［ M］ ． 第 2 版． 北京:机械工业出版社， 2011．

2、 杨 缨， 陈奇福． 高炉鼓风机防喘振控制系统的改造［J］． 金属材料与冶金工程， 2007， 35(2):50 －52．

3、 Siemens AG.S7-400可编程序控制器CPU及模板规范手册，2010

4、西门子技术支持与服务部.使用SFB41/FB41，SFB42/FB42，SFB43/FB43. 实现PID控制（2012.05版）