高爐供風(fēng)控制系統(tǒng)研究

王 亮

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司自動化部，河北 邯鄲 056001）

引言

高爐擔(dān)負(fù)著鋼鐵企業(yè)鐵水生產(chǎn)的重任，是后續(xù)工藝生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其主要產(chǎn)品是鐵水和可作為二次能源的高爐煤氣。供風(fēng)系統(tǒng)是高爐正常生產(chǎn)的前提條件，高爐鼓風(fēng)機(jī)是高爐生產(chǎn)中非常重要的設(shè)備，鼓風(fēng)機(jī)將過濾后的空氣進(jìn)行加壓輸送給高爐，直接給高爐供風(fēng)，同時(shí)還提供動力用于克服高爐內(nèi)部料柱阻力，使高爐頂壓保持在一定合理范圍內(nèi)。

1 鼓風(fēng)機(jī)工藝概述

邯鋼西區(qū)高爐鼓風(fēng)機(jī)采用的是AV90-15 全靜葉可調(diào)式軸流式鼓風(fēng)機(jī)，是利用可調(diào)靜葉開度來調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，鼓風(fēng)機(jī)主要由上下機(jī)殼、靜片承缸、調(diào)節(jié)缸、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子密封、軸承箱、軸承、擴(kuò)壓器和平衡管等部件組成。邯鋼西區(qū)兩座3 200 m3高爐供風(fēng)系統(tǒng)由ABB 公司的AC800 控制一拖三進(jìn)行啟動控制，工藝分別是獨(dú)立的日本橫河DCS 控制系統(tǒng)控制3 臺7 700 m3/min 的電動鼓風(fēng)機(jī)組成，兩臺主供風(fēng)機(jī)，一臺備用，在1 號、2 號供風(fēng)管線上設(shè)置了內(nèi)藏式文丘里用于供風(fēng)流量的檢測，風(fēng)機(jī)與高爐的對應(yīng)設(shè)計(jì)采用三機(jī)對二爐的全模式供風(fēng)。其工藝流程如圖1 所示。

2 鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 風(fēng)系統(tǒng)的主要控制及檢測

2.1.1 吸入風(fēng)量

通過檢測風(fēng)機(jī)入口喉部差壓，經(jīng)過吸入壓力、溫度補(bǔ)償計(jì)算得出吸入風(fēng)量。差壓范圍：0～40 kPa，入口壓力范圍：-20～10 kPa，吸入風(fēng)量：0～9 900 Nm3/min。

2.1.2 管線風(fēng)量

每臺風(fēng)機(jī)都可以給1 號、2 號高爐供風(fēng)，在送高爐管道上裝有文丘里裝置測量，經(jīng)過壓力、溫度補(bǔ)償計(jì)算得出管線風(fēng)量，差壓范圍為0～10 kPa，壓力范圍為0～0.6 MPa，管線風(fēng)量為0～9 900 Nm3/min。

2.2 靜葉調(diào)節(jié)控制

靜葉控制有三種模式：定角度、定風(fēng)壓、定風(fēng)量。定角度：此模式下操作人員可以直接控制靜葉的開度，此時(shí)PID 控制器為“MAN”。定風(fēng)壓：此模式下操作人員通過改變風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓設(shè)定值，自動調(diào)節(jié)靜葉的開度，穩(wěn)定風(fēng)壓在設(shè)定值，此時(shí)PID 控制器為“CAS”。定風(fēng)量的風(fēng)量設(shè)定值有兩種選擇，即“吸入風(fēng)量”和“管線風(fēng)量”，根據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)靜葉的開度，此時(shí)PID控制器為“CAS”[1]。風(fēng)機(jī)靜葉控制回路如圖2 所示。

2.3 鼓風(fēng)機(jī)喘振控制

喘振是當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量太小時(shí)，在葉片的凸面?zhèn)瘸霈F(xiàn)氣流分離的現(xiàn)象，當(dāng)該情況十分嚴(yán)重時(shí)，造成鼓風(fēng)機(jī)排氣側(cè)壓力降低，如果管網(wǎng)壓力高于鼓風(fēng)機(jī)的排氣壓力，使得鼓風(fēng)機(jī)的排氣流量減少，使得氣流分離加巨，會使鼓風(fēng)機(jī)排氣量為零，甚至為負(fù)（送風(fēng)管網(wǎng)向鼓風(fēng)機(jī)倒流）。管網(wǎng)壓力不是恒定不變，隨著送風(fēng)管網(wǎng)向高爐熱風(fēng)爐工藝管線排氣，它的壓力也在下降，當(dāng)下降到低于鼓風(fēng)機(jī)出口的排氣壓力時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)就會向送風(fēng)管網(wǎng)送風(fēng)，使管網(wǎng)的壓力回升，如果管網(wǎng)風(fēng)壓還比鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)壓力高時(shí)，又會周而復(fù)始的重復(fù)上述循環(huán)，形成氣流的忽大忽小，忽進(jìn)忽出的“喘振”[2]。風(fēng)機(jī)工況如圖3 所示。

2.3.1 喘振控制系統(tǒng)

喘振控制采用PID 調(diào)節(jié)，喘振調(diào)節(jié)器在機(jī)組運(yùn)行中始終保持自動狀態(tài)，利用偏差正負(fù)和幅值進(jìn)行分段函數(shù)處理，提高小偏差響應(yīng)速度，并實(shí)現(xiàn)接近喘振快速放風(fēng)控制，利用手動控制操作器的操作值輸出與調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行疊加限幅功能，保持手動操作與調(diào)節(jié)動作值都在動態(tài)值基礎(chǔ)動作，保證喘振控制的啟動及時(shí)性。出口風(fēng)壓由控制系統(tǒng)計(jì)算，計(jì)算出該壓力下的相應(yīng)最低流量，作為防喘振的設(shè)定點(diǎn)，由入口差壓信號計(jì)算出實(shí)際流量，該流量與設(shè)計(jì)點(diǎn)相比較得出偏差信號，這一偏差信號與風(fēng)壓限制器的輸出進(jìn)行比較、選擇，使風(fēng)機(jī)進(jìn)入防喘振控制或進(jìn)入風(fēng)壓控制選擇，選擇出的信號經(jīng)PID 調(diào)節(jié)后輸出一個(gè)信號，對防喘振閥進(jìn)行控制。

在運(yùn)行期間，由于葉片、葉輪的腐蝕或堵塞、氣體成分變化等，風(fēng)機(jī)喘振曲線可能改變其位置，由于放風(fēng)線維持不變，喘振線的移動可能導(dǎo)致發(fā)生喘振，因此設(shè)計(jì)一個(gè)放風(fēng)線移動功能，來增加安全余度，如果測到一個(gè)喘振周波，放風(fēng)線自動移離喘振線。5 us 移動2%，可移動5 次，共10%。如果風(fēng)壓低于放風(fēng)線，放風(fēng)線將停止移動。當(dāng)喘振線的位置確定后，放風(fēng)線可通過復(fù)位按鈕回到初始值。假如風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)快速向喘振線快速移動，防喘振控制系統(tǒng)通過正常的風(fēng)壓控制功能不能保證風(fēng)機(jī)不發(fā)生喘振，因此增加了動態(tài)控制和斜坡監(jiān)視功能模塊，其作用是工況點(diǎn)離喘振線越近，控制放風(fēng)的速度越快，該功能僅在超過放風(fēng)線時(shí)才開始動作。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，工況點(diǎn)進(jìn)入放風(fēng)區(qū)域時(shí)，防喘振閥開啟，使風(fēng)壓不再增加，根據(jù)風(fēng)壓變化自動開大或關(guān)小防喘振閥。如果運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入放風(fēng)區(qū)域而防喘振閥不開啟，則要根據(jù)風(fēng)壓升高情況輸入開啟參數(shù)，開啟放風(fēng)閥，使運(yùn)行點(diǎn)回到放風(fēng)線以下。如果防喘振閥關(guān)閉的速度太快也可能導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振，因此，防喘振控制的輸出要經(jīng)過“快開慢關(guān)”組件進(jìn)行變換，即這一功能會對輸出信號的增加（關(guān)防喘振閥）進(jìn)行延時(shí)，慢關(guān)防喘振閥；對輸出信號的減少（開防喘振閥）不能延時(shí)，快開防喘振閥。

2.3.2 風(fēng)機(jī)逆流保護(hù)控制

為了加強(qiáng)防喘振保護(hù)功能，控制系統(tǒng)設(shè)置了逆流保護(hù)系統(tǒng)作為防喘振系統(tǒng)的后備保護(hù)。獨(dú)立的差壓開關(guān)（與入口差壓變送器并接在一起）測量鼓風(fēng)機(jī)喉部的壓差。當(dāng)流量正常是（差壓值大于設(shè)定值），差壓開關(guān)的接點(diǎn)打開，差壓值低于設(shè)定值時(shí)，接點(diǎn)閉合，信號送至“防逆流保護(hù)系統(tǒng)”。

防逆流保護(hù)系統(tǒng)由“三級”保護(hù)構(gòu)成：第一級，逆流報(bào)警。有逆流信號出現(xiàn)，機(jī)組發(fā)出“喘振”的聲光報(bào)警，同時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)下一次“喘振”，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。此時(shí)，防喘振系統(tǒng)起調(diào)節(jié)保護(hù)作用。第二級，機(jī)組進(jìn)入“自保運(yùn)行”。若逆流信號持續(xù)3 s（計(jì)時(shí)器來計(jì)時(shí)），或在20 s 內(nèi)有出現(xiàn)第二個(gè)逆流信號（計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)，20 s 后計(jì)數(shù)器自動復(fù)位），機(jī)組進(jìn)入“自保運(yùn)行方式”，并有“逆流”聲光報(bào)警。此時(shí)防喘振閥的電磁閥斷電，使防喘振閥全開；送風(fēng)逆止閥上的電磁閥斷電，通過空壓氣汽缸將送風(fēng)逆止閥關(guān)閉。第三級，機(jī)組進(jìn)入“緊急停機(jī)”。在機(jī)組進(jìn)入“自保運(yùn)行”的8 s 內(nèi)，若逆流信號仍不消失，機(jī)組將發(fā)出“緊急停機(jī)報(bào)警，自動跳閘”。造成逆流信號持續(xù)部消失的原因可能有：防喘振閥故障，雖然防喘振電磁閥動作，但防喘振閥不能打開，或防喘振閥全開，送風(fēng)逆止閥未關(guān)閉，仍有逆流發(fā)生等。除非防喘振閥故障不能打開，在機(jī)組進(jìn)入第二階段“自保運(yùn)行”時(shí)，系統(tǒng)能非?？煽垦杆俚貙⒎来耖y緊急全開，從而消除喘振，不致引起緊急自動跳閘[3]。

防逆流是監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，而不是調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它實(shí)質(zhì)上是防喘振的后備保護(hù)，只有當(dāng)防喘振無效時(shí)才發(fā)揮作用。為此在設(shè)置系統(tǒng)時(shí)，防逆流和防喘振系統(tǒng)分開，判斷是否發(fā)生逆流是由喉口壓力開關(guān)來判斷的，防喘振系統(tǒng)則是由喉口壓差變送器來工作判斷的。防逆流系統(tǒng)動作后，引起的后果是非常嚴(yán)重的，輕則“自保運(yùn)行”（對工藝系統(tǒng)來說，就相當(dāng)于停機(jī)），重則“緊急停機(jī)”。但防逆流保護(hù)對機(jī)組的安全極為重要，因此防逆流保護(hù)系統(tǒng)動作是否準(zhǔn)確可靠非常重要。

3 結(jié)語

鼓風(fēng)機(jī)是大型的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，有其固有的復(fù)雜的控制邏輯，控制程序又是鼓風(fēng)機(jī)專業(yè)廠家成套編制，對于日常維護(hù)人員消化吸收有很大難度，在日常工作中，我們也發(fā)生過喘振控制滯后機(jī)組放風(fēng)；風(fēng)機(jī)工況距喘振線太近，被迫放風(fēng)閥開一定角度造成放風(fēng)浪費(fèi)，嚴(yán)重影響了高爐穩(wěn)定順行等許多問題，還需要在今后生產(chǎn)工作中不斷去完善優(yōu)化其控制系統(tǒng)。