高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的分析與研究

鄭海生

摘 要：本文首先探討了軸流壓縮機(jī)喘振發(fā)生機(jī)理及其危害，提出了高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制的必要性，然后以某鋼廠大型高爐鼓風(fēng)機(jī)為例對(duì)防喘振控制系統(tǒng)作了詳細(xì)分析與研究，同時(shí)在分析與研究的基礎(chǔ)上對(duì)湛江鋼鐵高爐鼓風(fēng)項(xiàng)目提出了一些合理的優(yōu)化和改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：高爐鼓風(fēng)機(jī) 喘振 防喘振控制 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0155-02

高爐鼓風(fēng)機(jī)是高爐設(shè)備的心臟，所輸送的高壓風(fēng)流經(jīng)熱風(fēng)爐加熱到約1300 ℃，由設(shè)在高爐爐腹下的環(huán)型風(fēng)管，通過安裝在高爐四周的風(fēng)口吹入高爐內(nèi)。萬一送風(fēng)切斷，高爐不能繼續(xù)生產(chǎn)鐵水，同時(shí)因爐內(nèi)支撐礦石、焦炭等料物的力突然消失，勢必料物下榻，且爐底的鐵水、渣就會(huì)飛濺，使風(fēng)口灌渣、灌鐵水，這就形成高爐重大事故[1]。喘振是透平壓縮機(jī)械的固有特性，對(duì)軸流壓縮機(jī)所造成的危害極其嚴(yán)重，一旦喘振機(jī)理發(fā)展成逆流，在極短時(shí)間使高爐鼓風(fēng)機(jī)毀壞，在世界各國都有事故先例，我國的高爐鼓風(fēng)機(jī)中也發(fā)生過逆流事故，造成機(jī)組全部損壞[2]。基于防喘振控制技術(shù)的重要性、復(fù)雜性和難度性，本課題針對(duì)高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的分析與研究有著重要的意義。

1 喘振發(fā)生機(jī)理

在生產(chǎn)中，軸流式壓縮機(jī)總是與管網(wǎng)一起聯(lián)合工作[3]。圖1為壓縮機(jī)和管網(wǎng)聯(lián)合工作性能曲線，曲線I是管網(wǎng)的阻力線，曲線ABC為壓縮機(jī)的特性線，P為管網(wǎng)壓力，Q為壓縮機(jī)進(jìn)口流量。

正常工作時(shí)，機(jī)、網(wǎng)在兩曲線交點(diǎn)B工作。隨著高爐爐況的變化或管網(wǎng)阻力增加，則管網(wǎng)阻力線從位置I移到II，機(jī)、網(wǎng)系統(tǒng)工作點(diǎn)向上移動(dòng)，工況向小流量偏移。當(dāng)流量減少到正常工作允許最小值時(shí)，工作點(diǎn)移到C點(diǎn)，此時(shí)壓縮機(jī)通道受阻堵塞，因失速而造成特性曲線出現(xiàn)斷裂，使氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，出口壓力突然下降至G點(diǎn)。由C點(diǎn)過度至G點(diǎn)是隨外界管路容積的影響，容量越大，過渡狀態(tài)越復(fù)雜，當(dāng)容量足夠大時(shí)，這種過渡可能使倒向氣流超過極限F點(diǎn)，從而解除失速恢復(fù)正常B點(diǎn)。若造成失速的管網(wǎng)條件沒有消失，則又回到C點(diǎn)，此過程循環(huán)發(fā)生稱為喘振[4]。

2 防喘振控制設(shè)計(jì)的基本理念

高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振設(shè)計(jì)除了考慮保護(hù)設(shè)備自身外，更要考慮為高爐提供安全可靠的生產(chǎn)服務(wù)。防喘振控制設(shè)計(jì)的基本理念主要有以下四方面：

（1）安全性：足夠的安全裕度。一般來說，真實(shí)的喘振線與防喘振線之間留5%～10%的安全裕量[5]。

（2）可靠性：盡可能擴(kuò)展安全運(yùn)行區(qū)域。

（3）可調(diào)性：穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)性能。

（4）高效性：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)能降耗。高爐鼓風(fēng)機(jī)是耗電大戶，某鋼廠高爐鼓風(fēng)機(jī)每年耗電約10億度電，占整個(gè)廠區(qū)總電耗的10%[6]。

3 高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制的原理

為了不使鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振，而且考慮安全裕度，人為建立一條防喘振線，此線由復(fù)合演示器內(nèi)函數(shù)回路實(shí)現(xiàn)以折線形式設(shè)定。如圖2鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行工作畫面所示，其中三條實(shí)折線是基于上述防喘振設(shè)計(jì)理念所設(shè)計(jì)的。

（1）防喘振接近線（黃色曲線）：當(dāng)工作點(diǎn)超過防喘振接近線時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)的“防喘振接近”報(bào)警。

（2）防喘振線（藍(lán)色曲線）：當(dāng)工作點(diǎn)超過防喘振線時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)的“防喘振”報(bào)警，防喘振調(diào)節(jié)儀動(dòng)作，自動(dòng)打開放風(fēng)閥放風(fēng)，使鼓風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)回到防喘振線上。

（3）緊急開放線（紅色曲線）：當(dāng)工作點(diǎn)超過緊急開放線時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)的“放風(fēng)閥緊急開放”報(bào)警，如果同時(shí)出現(xiàn)“吐出壓力變化大”，副放風(fēng)閥全開，同時(shí)主放風(fēng)閥打開66%[7]。

（4）防喘振檢測：當(dāng)吸入口差壓低，而且吐出壓力波動(dòng)大，這兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)將非正常停機(jī)。

4 高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振線的確定

高爐鼓風(fēng)機(jī)組設(shè)備安裝完成后，為了驗(yàn)收風(fēng)機(jī)性能是否合格，必須進(jìn)行全面的性能測試，其中制造產(chǎn)家需要作喘振試驗(yàn)，確定喘振線。

根據(jù)防喘振設(shè)計(jì)原則，防喘振線與喘振線兩線之間留5%～10%的安全裕量，防喘振線下2%左右設(shè)置防喘振接近線，防喘振線上2%左右設(shè)置緊急開發(fā)線。表1為某鋼廠鼓風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行防喘振線折線參數(shù)表。

5 高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制的實(shí)現(xiàn)過程

當(dāng)吸入流量為某值，在復(fù)合演示器內(nèi)就有一個(gè)防喘振線上的對(duì)應(yīng)壓力值，以該壓力值作為防喘振控制器的設(shè)定值，把鼓風(fēng)機(jī)的排出口的壓力經(jīng)過壓力變送器PT-303-2變換成電流信號(hào)送入控制器比較判斷。若小于設(shè)定值，該控制器輸出限制在4 mA，主副防風(fēng)閥全閉。排出壓力因外界管路系統(tǒng)變化，壓力上升時(shí)，超過設(shè)定值，控制器輸出解除限幅，輸出增大，就按照比例先開啟副放風(fēng)閥，使鼓風(fēng)機(jī)排出壓力下降，開度儀ZT-304-1使開度穩(wěn)定在一定值；若副放風(fēng)閥開度不夠，壓力下降不大，尚未脫離防喘振區(qū)，將繼續(xù)增大副風(fēng)閥開度，直到副放風(fēng)閥全開后，若還沒脫離防喘振區(qū)，再打開主放風(fēng)閥。某鋼廠高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)如圖3所示。

6 湛江鋼鐵高爐鼓風(fēng)項(xiàng)目的優(yōu)化和改進(jìn)建議

通過高爐鼓風(fēng)機(jī)的特性曲線分析可知，安全運(yùn)行區(qū)域的最大化與足夠的防喘振控制安全裕度是相互矛盾的。根據(jù)以上防喘振控制系統(tǒng)的分析，湛江鋼鐵鼓風(fēng)機(jī)項(xiàng)目防喘振控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)主要有以下幾方面。

（1）設(shè)備的選型配置。除了需要考慮設(shè)備能力和投資經(jīng)濟(jì)問題外，還要考慮滿足將來高爐擴(kuò)容工藝需求與設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化。鼓風(fēng)機(jī)組一般是根據(jù)夏季高常壓、冬季高常壓和年平均高壓條件來設(shè)計(jì)的，而湛江鼓風(fēng)項(xiàng)目結(jié)合了煉鐵工藝進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上增加了常年運(yùn)行工況來進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)，這樣盡可能讓鼓風(fēng)機(jī)在最大效率性能曲線區(qū)域運(yùn)行，最大限度地做到節(jié)能減耗。

（3）防喘振工藝措施的優(yōu)化。在排空法防喘振的基礎(chǔ)上，考慮高爐休風(fēng)前小風(fēng)量運(yùn)行、鼓風(fēng)機(jī)開機(jī)大氣運(yùn)行等工藝情況，可設(shè)置放風(fēng)旁通管道回收部分能量。

（4）防喘振線自動(dòng)移動(dòng)功能。設(shè)置大氣溫度濕度等補(bǔ)償單元對(duì)放空線進(jìn)行修正，使放空線能自動(dòng)隨著大氣條件變化而移動(dòng)[8]，即設(shè)計(jì)防喘振動(dòng)態(tài)線，從而保持與喘振線之間的5%～10%的安全裕量，既保證了喘振線的安全裕量，提高了鼓風(fēng)機(jī)防喘振安全可靠性，又能使安全區(qū)域在安全可靠的基礎(chǔ)上最大化，使風(fēng)機(jī)效率發(fā)揮到最佳水平。

參考文獻(xiàn)

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