風(fēng)機(jī)的防喘振控制與優(yōu)化思考

趙金丹

（新鄉(xiāng)西瑪鼓風(fēng)機(jī)股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性相較于系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，風(fēng)機(jī)的防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員需要充分理解其控制性原理，根據(jù)風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)制定行之有效的優(yōu)化護(hù)理方案，可確保整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的安全有效性，有效提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工作效率，有效減少系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行期間的能耗水平，讓控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性等各個(gè)水平得到全面性提升。

1 壓蒸汽透平風(fēng)機(jī)防喘振控制

1.1 壓蒸汽透平風(fēng)機(jī)概述

天然氣凈化廠內(nèi)所運(yùn)行的裝置設(shè)備均包含脫硫單元、脫水單元、硫磺回收單元以及尾氣處理單元，硫磺回收以及尾氣處理單元在運(yùn)行期間需要通過配備風(fēng)機(jī)來充分滿足燃料爐的空氣供給需求。為了能夠充分利用在硫磺回收環(huán)節(jié)以及尾氣處理過程中所產(chǎn)生的中壓蒸汽，有效降低裝置設(shè)備運(yùn)行的能耗量。一旦風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振或是相連管道大幅度震動(dòng)的情況時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行的裝置設(shè)備受到損害，對于裝置的正常化運(yùn)行帶來影響，為此風(fēng)機(jī)防喘振控制管理已成為裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

1.2 風(fēng)機(jī)喘振原因

風(fēng)機(jī)喘振是風(fēng)機(jī)運(yùn)行過久后不可避免產(chǎn)生的現(xiàn)象問題，在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)期間入口導(dǎo)葉逐步增加，風(fēng)機(jī)出口空氣壓力逐步增加。[1]供給總管空氣主要是由兩臺(tái)或是多臺(tái)風(fēng)機(jī)所提供的，一旦出口空氣壓力超過總管空氣壓力時(shí)，則會(huì)向空氣總管供風(fēng)，如若出口空氣壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總管空氣壓力時(shí)，空氣總管的空氣將會(huì)倒回至風(fēng)機(jī)內(nèi)部，長此以往將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振的效果。

根據(jù)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息了解到，在振動(dòng)監(jiān)測值全面提升的前提下，防喘振閥門在未能及時(shí)動(dòng)作時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)連鎖停機(jī)、機(jī)械損傷等情況。防喘振控制管理工作實(shí)施的主要目標(biāo)是為確保風(fēng)機(jī)不會(huì)進(jìn)入喘振區(qū)域，確保風(fēng)機(jī)能夠在安全區(qū)域內(nèi)高質(zhì)量運(yùn)行，最大程度確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.3 風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

防喘振閥在開啟以及關(guān)閉過程中所采用的速度是不一樣的，在風(fēng)機(jī)即將進(jìn)入喘振區(qū)域時(shí)，防喘振閥需要迅速性開啟，關(guān)閉則需要緩慢性的關(guān)閉。[2]而在防喘振閥開啟的同時(shí)，工作點(diǎn)也將再次回到防喘振線的下方區(qū)域。

PLC 編程本身具備靈活性的特征，利用其內(nèi)置的STL 編程語言可實(shí)現(xiàn)對防喘振閥控制參數(shù)的實(shí)時(shí)性調(diào)整，確保防喘振閥開關(guān)速度達(dá)到預(yù)定要求。

防喘控制系統(tǒng)是由進(jìn)口區(qū)域間的空氣壓力、空氣溫度、進(jìn)口流量、出口空氣壓力以及防喘振閥所構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)備所應(yīng)用的防喘振控制器具備連續(xù)性輸出信號的價(jià)值作用，而將輸出信號應(yīng)用于防喘放空閥定位設(shè)備期間，一旦控制器以及驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生故障問題時(shí)，系統(tǒng)通過打開防喘振閥門開展故障安全行為[3]。

1.3.2 防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化

為了能夠進(jìn)一步發(fā)揮風(fēng)機(jī)的應(yīng)用價(jià)值，將風(fēng)機(jī)出口的壓縮空氣全部送入燃燒爐設(shè)備的燃燒系統(tǒng)之中。通常情況下，在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過程中防喘振閥門始終處于完全關(guān)閉的狀態(tài)，為充分滿足燃燒系統(tǒng)本身的供風(fēng)壓力與流量需求，需要進(jìn)一步優(yōu)化防喘振控制系統(tǒng)管理水平，可選擇從風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)速以及防喘振PID 參數(shù)兩方面進(jìn)行優(yōu)化。

第一，風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)速計(jì)算優(yōu)化。根據(jù)相關(guān)理論標(biāo)準(zhǔn)了解到，風(fēng)機(jī)的防喘振控制手段的選擇是由流量控制以及出口壓力控制構(gòu)成。由公式（1）可知，入口空氣流速在入口空氣流量差壓、入口空氣溫度、入口空氣壓力等數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確的前提下，所可以被修正的參數(shù)是，通過對于參數(shù)修正觀察計(jì)算后，可得到進(jìn)口空氣風(fēng)速與管線另外連鎖控制風(fēng)機(jī)入口空氣流量，最大程度缺乏二者差值在預(yù)定范圍之內(nèi)。此外需要對風(fēng)機(jī)防喘振閥開度曲線實(shí)施深度監(jiān)控，最大程度確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行的正常性。

第二，風(fēng)機(jī)防喘振PID 參數(shù)優(yōu)化。防喘振閥動(dòng)作主要是選擇應(yīng)用控制系統(tǒng)當(dāng)中的功能塊實(shí)施深度控制管理，利用參數(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化控制管理。在能量頭設(shè)定值與反饋值的差值過高的情況下，則會(huì)出現(xiàn)快速輸出動(dòng)作，而在能量頭設(shè)定值與反饋值相對接近時(shí)，則代表輸出動(dòng)作逐步降低。為了實(shí)現(xiàn)對防喘振閥門的有效保護(hù)，避免防喘振閥門出現(xiàn)不必要的動(dòng)作，則需要做好防喘閥門快開慢關(guān)的工作需求，以此減少防喘振閥門出現(xiàn)不必要的動(dòng)作。此外在防喘振系統(tǒng)優(yōu)化過后，還需要將風(fēng)機(jī)能量頭控制在控制線附近。

2 礦井通風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 礦井通風(fēng)機(jī)概述

礦井通風(fēng)設(shè)備在高效率運(yùn)行期間，風(fēng)管內(nèi)部氣流量達(dá)到一定程度之后，設(shè)備管道內(nèi)的高速氣流相互脫離狀況將會(huì)愈演愈烈，管道內(nèi)部高速氣流將會(huì)大大增加，而氣流潛在管道內(nèi)部相互沖擊的情況下，將會(huì)出現(xiàn)周期性震蕩問題，大大降低通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，這一設(shè)備運(yùn)行狀況也被稱之為通風(fēng)機(jī)喘振狀況。為了有效避免通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行環(huán)節(jié)出現(xiàn)喘振問題，需要利用防喘振檢測系統(tǒng)，從礦井通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效果來看，防喘振控制系統(tǒng)所應(yīng)用最小流量控制方案無法實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效果的充分模擬，有效降低風(fēng)機(jī)喘振反應(yīng)靈敏度。此外在喘振發(fā)生階段未能實(shí)現(xiàn)對喘振狀況的有效修正，將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)系統(tǒng)停止運(yùn)行，繼而對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來干擾，進(jìn)一步優(yōu)化防喘控制系統(tǒng)，才能確保煤礦井下工作的安全性。

2.2 通風(fēng)機(jī)防喘控制線設(shè)定

通風(fēng)機(jī)在發(fā)生喘振環(huán)節(jié)后，將會(huì)出現(xiàn)喘振周期不確定以及喘振時(shí)間持續(xù)并不久的情況，而在實(shí)際煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)本身較為復(fù)雜，其具備喘振點(diǎn)、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、風(fēng)管壓力以及氣流特性存在極大的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建起風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中喘振數(shù)字模型的構(gòu)建相對艱難。為此需要采取實(shí)地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的措施對于通風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間的氣壓、氣流量等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，利用工具對所獲得的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合，繼而獲得礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)喘振臨界曲線。

2.3 通風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建運(yùn)行時(shí)，通風(fēng)機(jī)各項(xiàng)工作階段位于安全范圍值內(nèi)，只有在特定情況環(huán)境下風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)曲線才能臨近喘振臨界線，繼而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)進(jìn)入喘振工作區(qū)域，通風(fēng)機(jī)在發(fā)生喘振后采取相應(yīng)的處理措施將會(huì)大大降低內(nèi)部管網(wǎng)壓力。

通風(fēng)控制系統(tǒng)可采取利用設(shè)置風(fēng)機(jī)、管道內(nèi)轉(zhuǎn)速、壓力以及流量，同時(shí)也可充分利用傳感器設(shè)備對風(fēng)機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)化監(jiān)測，將所有的數(shù)據(jù)信息與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行深入比較，最大程度確保相應(yīng)控制參數(shù)偏差與偏差變化概率，也可根據(jù)偏差具體情況來嚴(yán)格控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保障各項(xiàng)工作運(yùn)行能夠避免喘振警戒線。

在這一控制系統(tǒng)當(dāng)中，對應(yīng)風(fēng)機(jī)管道的進(jìn)出口位置氣壓外環(huán)的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，確保所應(yīng)用模糊控制設(shè)備，對其開展數(shù)據(jù)信息對比分析，利用模糊防喘振優(yōu)化算法對于通風(fēng)機(jī)工作喘振裕度大小進(jìn)行判定，也可根據(jù)喘振裕度大小來確定風(fēng)機(jī)系統(tǒng)回流閥的實(shí)際工作狀態(tài)，最大程度確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性與正常性。

為實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)控制水平，確保各個(gè)系統(tǒng)所采用自適應(yīng)控制邏輯模糊控制設(shè)備，需要對風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，利用變頻控制器對于風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速實(shí)施妥善性調(diào)節(jié)，在充分與系統(tǒng)氣壓外環(huán)控制相互協(xié)調(diào)的前提下，有效調(diào)整通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，確保通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

2.4 明細(xì)PID 自適應(yīng)控制原理

模糊PID 自適應(yīng)控制措施是以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)管壓力的誤差以及誤差變化率作為輸入值，滿足各個(gè)時(shí)間點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化對于PID 整定參數(shù)的控制要求，確保被控制的對象同時(shí)具備靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制的特征。

2.5 風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化效果

礦井通風(fēng)井的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速達(dá)到時(shí)，風(fēng)機(jī)的通風(fēng)流量則是3，在風(fēng)機(jī)工作過程中全壓為2。

常規(guī)性控制通風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)波動(dòng)相對較大期間，系統(tǒng)的具體響應(yīng)時(shí)間并不長，風(fēng)機(jī)在具體運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)期間，其轉(zhuǎn)速以及風(fēng)管內(nèi)部的氣壓波動(dòng)狀態(tài)相對較大，無法進(jìn)一步提升風(fēng)機(jī)喘振的調(diào)整效果，在應(yīng)用模糊控制管理措施后，所實(shí)施的控制環(huán)節(jié)相對平等，進(jìn)而全面提升風(fēng)機(jī)喘振的響應(yīng)速度，在風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)過程中所應(yīng)用的超調(diào)量相對較小，大大提升喘振調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性。

3 軸流式鼓風(fēng)機(jī)防喘振性能控制

3.1 高爐鼓風(fēng)機(jī)概述

高爐是鐵水生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的核心化設(shè)備，高爐鼓風(fēng)機(jī)在周期高效運(yùn)行的前提下，才能確保高爐生產(chǎn)效率[4]。軸流式鼓風(fēng)機(jī)本身具備運(yùn)行穩(wěn)定性特征，工況調(diào)節(jié)運(yùn)行的范圍相對廣泛，軸流式鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間也具備無放散損失等特征，鼓風(fēng)機(jī)組的防喘振優(yōu)化管控措施可全面提升配套機(jī)組的運(yùn)行效率。

3.2 防喘振控制優(yōu)化思路

可根據(jù)高爐冶煉加減風(fēng)壓的要求，鼓風(fēng)機(jī)需要通過靜葉角度以及防喘振閥開度等調(diào)節(jié)性措施繼而有效調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口狀態(tài)參數(shù)，確保其達(dá)到一定的供風(fēng)量以及送風(fēng)壓力，在多種組合前提之下全面提升設(shè)備運(yùn)行安全，部分危險(xiǎn)耗能以及防喘控制思路可達(dá)到風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全區(qū)域，確保機(jī)組在任何環(huán)境下均可以低能耗、高壓比的經(jīng)濟(jì)區(qū)間高效性運(yùn)行機(jī)制，為高爐的高效率生產(chǎn)提供保障。

表1 機(jī)組性能參數(shù)

3.3 風(fēng)機(jī)有效使用的區(qū)域

在各項(xiàng)工作開展過程中，為了確保風(fēng)機(jī)能夠有效應(yīng)用，會(huì)通過應(yīng)用防喘振防風(fēng)線撞線調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)離防阻線運(yùn)行等安全保護(hù)措施[5]。風(fēng)機(jī)在最高風(fēng)壓限定、避免啟機(jī)過程以及進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速區(qū)等各個(gè)限定條件，在對風(fēng)機(jī)防喘振控制模型構(gòu)建管控環(huán)節(jié)時(shí)，需要對上述條件合理性限定。同時(shí)也可采用科學(xué)合理的補(bǔ)償算法，逐步完善防喘振的調(diào)節(jié)功能，最大程度確保風(fēng)機(jī)能夠在有效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速喘振以及逆流等風(fēng)險(xiǎn)。

通常情況下，在一定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機(jī)效率將會(huì)伴隨風(fēng)量的變化繼而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，在此期間也會(huì)有一個(gè)運(yùn)行高效點(diǎn)，相對應(yīng)的最高效率風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率等均可稱之為風(fēng)機(jī)最佳工況，是風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)使用范圍，一旦風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)使用范圍超過這一區(qū)域下，機(jī)組則需要精準(zhǔn)性判斷，將工況點(diǎn)迅速拉回安全區(qū)域內(nèi)。

3.4 防喘振性能控制

為了讓風(fēng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行在安全區(qū)域中，需要對設(shè)備的運(yùn)行區(qū)域合理性劃分，嚴(yán)格按照旋轉(zhuǎn)失速區(qū)、初級、末級葉片區(qū)阻塞區(qū)以及防喘振區(qū)等，有效避免軸流式鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)阻塞、旋轉(zhuǎn)失速、喘振以及逆流等危險(xiǎn)性因素，盡可能確保風(fēng)機(jī)能夠在安全區(qū)域內(nèi)高效工作。防喘振調(diào)節(jié)措施是指在風(fēng)機(jī)接近或是接近于防喘振區(qū)域環(huán)節(jié)時(shí)，防喘閥需要依次打開，確保工礦點(diǎn)能夠被迅速拉回安全區(qū)域內(nèi)。在實(shí)際各項(xiàng)測試開展過程中，需要選擇以實(shí)際發(fā)生的喘振點(diǎn)連接線作為實(shí)喘線，而實(shí)測線在微機(jī)控制畫面并未充分顯示時(shí)，可選擇將實(shí)測線向右下方平移7%，繼而繪制一條完整的喘振線[6]。在工況點(diǎn)接近于喘振線時(shí)，喘振閥能夠迅速做出相應(yīng)的反應(yīng)，借助防風(fēng)調(diào)節(jié)讓工況點(diǎn)迅速達(dá)到喘振線下方。

4 結(jié)語

總而言之，壓蒸汽透平風(fēng)機(jī)優(yōu)化后，可確保燃燒爐不會(huì)由于風(fēng)機(jī)喘振導(dǎo)致燃燒爐停爐，為其保質(zhì)、保量的運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)礦井通風(fēng)機(jī)喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化可大大提升煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全性。此外，軸流式鼓風(fēng)機(jī)喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化可顯著性提升風(fēng)機(jī)出口壓力，確保機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)性，為系統(tǒng)的安全性運(yùn)行提供保障。