高炉轴流风机防喘振控制系统优化及实验

高炉轴流风机防喘振控制系统优化及实验摘要：针对萍钢4#高炉鼓风机存在的问题，阐明了防喘振控制优化的方案，包括工况点沿防喘线精确控制，入口温度对喉部差压、出口压力的补偿，提出了控制优化的具体实施方法，优化达到了预期目标。

【关键词】轴流风机防喘振优化实施一、前言高炉鼓风机是高炉炼铁生产的关键动力设备，为确保鼓风机的安全稳定运行，在其控制系统中必须配备防喘振自动控制，并应兼顾高炉生产、机组安全、节能降耗等各方因素，高炉作为鼓风机供风的负载，炉内状况瞬息万变，鼓风阻力发生扰动，控制系统将使防喘振阀动作，就会在高炉意外崩料和风机喘振之间处于两难的境地，本文以萍乡钢铁公司4#高炉鼓风机的防喘振控制优化为例，阐述控制系统在防喘振调节过程中如何保证送风压力的稳定性，在安全运行前提下充分发挥风机能力，进而为高炉稳产、高产奠定基础。

二、存在的问题萍乡钢铁公司4#高炉采用AV45-13全静叶可调式轴流风机，由于防喘振控制侧重于保护鼓风机，加之防喘振控制品质不高，2010年投产以来，防喘振控制系统运行状况不甚理想，主要表现在以下几方面：1）防喘阀开度基本在10%左右，轴流风机经常处于放风状态，造成大量无谓能量损失，放风噪声污染严重。

2）防喘振的控制品质有待提高：一旦高炉路况不顺，鼓风阻力增大使风机工况点进入调节区时，通常是采用人工紧急干预打开防喘阀使工况点回到稳定工作区，保守的安全意识使工况点总是远离防喘振线。

3）不同入口温度对风机喘振性能有较大影响，采用固定的喘振性能曲线不能真实地反映风机喘振性能，一方面可能影响风机的安全、稳定运行，另一方面可能制约风机供风能力的充分发挥。

三、防喘振控制优化方案1．防喘振控制优化的先决条件为了实现防喘振控制的优化，必须借助于性能优良的PLC系统。

PLC的高速运算性能可使用户程序的扫描周期在10毫秒级，为有效克服鼓风阻力瞬变扰动成为可能；PLC丰富的运算和编程功能可以实现各种先进控制算法，达到预期的控制效果；PLC的高可靠性，实现风机控制系统的安全运行进而确保风机的安全可靠运行。

4#高炉鼓风机采用西门子S7-400H PLC，配备冗余414CPU可很好地实现各项控制任务。

为了实现防喘振控制的优化，必须借助于性能优良的防喘振阀。

防喘振阀具有可靠的快开性能，当一旦压力过高，可释放由于喘振引起的压力波动；防喘振阀应具有良好的调节性能，当运行点接近防喘振线时，能充分调节流量以防止起浪点；防喘阀应具备灵敏的阶跃响应，超调应限制在最小，可满足风机在启动和停车时的压力、流量变化。

4#高炉鼓风机采用的fisher防喘阀可以较好地满足上述要求。

2. 工况点沿防喘线精确控制（1）防喘振的基本控制方法以喉部差压为横坐标、以出口压力为纵坐标，建立了运行工况画面，画面包含喘振线（红线）、喘振报警线（黄线）和防喘振控制线（蓝线），黄线和蓝线分别设在红线下方97%和93.5%处，以实际运行工况下的喉部差压和出口压力坐标建立运行工况点，如下图所示。

根据当前喉部差压（补偿后），在防喘线上查询对应的出口压力，作为防喘振控制的给定值SP，以当前风机出口压力作为防喘振控制的测量值PV，二者之偏差西门子STEP7的PID模块FB41进行控制运算，当工况点接近或越过蓝线时，PLC控制防喘阀打开一定角度，来减小压缩机出口的阻力，使工况点回到稳定工作区，以避免轴流风机喘振现象的发生。

在工况点接近喘振线时，要求轴流风机的防喘阀必须动作迅速，但防喘阀动作速度太快、动作幅度过大，势必会使风机出口压力、流量产生大幅度波动，影响高炉炉况的稳定。

由于防喘振控制是以风机吸入气体流量和排气压力为调节对象，二者的变化都具有极强的瞬时性，而信号测量、计算输出、执行机构动作及工艺过程都不可避免会产生一定的时间滞后，在这样一个瞬时性非常强的闭环控制回路里，以滞后的测量信号为计算依据，采用的常规的PID运算，虽然可以在工况点跃过防喘线时迅速地打开放空阀，但无法使工况点在响应线附近被稳定控制，难以实现精确控制。

工况点沿防喘线精确控制图（2）变比例和变积分相结合为了解决快速防喘动作和稳定高炉风压之间的矛盾，采用非对称控制的快开慢关来控制防喘阀的动作。

当风机工况点处于防喘振线的右下侧的稳定运行区域时，PID控制器的比例增益Gain较小，积分时间TI较大，控制器使防喘阀处于全关状态。

当风机工况点一旦接近或超越了防喘振线，PID控制器的比例增益Gain增大，积分时间TI减小，且超过防喘振线越多，比例增益越大，积分时间越小，响应速度加快，这就实现了防喘阀的快开。

当工况点返回稳定工作区时，偏差e减小，比例增益减小，积分时间增大，响应速度变慢，实现了防喘阀的慢关。

西门子的PID功能块本身具有抗积分饱和功能，当工况点处于稳定工作区时，虽然偏差一直存在，防喘阀全关，但控制器积分部分不会饱和。

如果单纯采用变比例增益的PID控制，由于积分作用跟不上将降低系统的稳定性；如果单纯采用变积分时间的PID控制，由于不变比例作用使系统响应速度变慢，影响到系统的快速性。

防喘振控制优化将变比例增益与变积分时间相结合，同时改变控制器的比例增益和积分时间，既保证工况点越过控制线时防喘阀动作有较好的快速性，又保证了工况点在接近控制线时系统调节的稳定性。

见图1，这样兼顾了防喘振调节的快速性和高炉送风压力的稳定性，风机工况点沿防喘线精确控制，自动“钉”在防喘振线上而无需人工操作防喘阀。

3.入口温度对防喘振的补偿（1）喉部差压与入口温度在实际设计中，由于风机入口空间有限，没有足够长的直管段安装入口流量计，因而风机入口流量不能直接测出，能测到的只是间接反应入口流量的喉部差压，这就需要求得喉部差压和入口流量的关系，考虑到入口绝对压力（约为大气压力）基本上是个常量，因此入口流量与喉部差压的关系式为F=K（ΔPT1）½（1）式中K--流量系数；△P--喉部差压，单位为MPa；T1-入口温度，单位为℃。

在同一流量F下，如果入口温度由T1变为T1＇时，得到的喉部差压ΔP＇的补偿算式为ΔP＇=(T1/T1＇) ΔP （2）式中T1、T1＇--绝对温度；ΔP＇--经入口温度补偿后的喉部差压，单位为MPa。

（2）出口压力与入口温度优化之前4#高炉鼓风机防喘振控制只是对喉部差压进行入口温度补偿，在不同气温下风机喘振性能的变化不能被准确地反映。

在不同气温下，即使在同一喉部差压时，其喘振点的出口压力也存在差异。

增大防喘线裕量无疑可以保证风机运行安全，但不能充分发挥风机的真实能力，还会造成无谓的放风；如果盲目减小防喘线裕量，一旦气温较高时就会有喘振的安全隐患。

因此，在对喉部差压进行入口温度补偿的同时，还要对出口压力进行入口温度的补偿。

在这里利用能量头的概念，能量头是指单位质量的被压缩气体，压缩前后的能量差，它反映了单位质量被压缩气体所做的功。

气体经风机所获得的能量头可通过热力学第一定律和理想气体的状态方程推导出来。

根据推导出来的能量头算式分别得到入口温度为T1和T2时的能量头，将轴流风机的入口温度由T1变为T2视为绝热过程，我们在这里将讨论入口温度变化对出口压力（压比）的影响，考虑轴流风机的入口温度由T1变为T2时其压缩能量头不变的情况，由此求得入口温度为T2时的压比，入口压力为大气压力，故由此就可得到了出口压力P2＇。

（3）随气温变化的喘振性能曲线通过上述工作，可以分别计算出补偿后的喉部差压和出口压力，这正是喘振性能曲线的横、纵坐标，在初始试验数据的基础上，在不同气温下对喉部差压和出口压力进行补偿后，得到了随不同气温（入口温度）而变化的可动喘振线。

这样的变化曲线更真实地反映了设备性能，保证在一年四季不同的气候条件下，喘振线和防喘线的准确无误，并在确保安全运行的前提下，充分地发掘风机的供风能力。

四、方案实施1. 准备工作在高炉休风前，准备好YB-150型、0～1.0MPa、0.4级精密压力表一台；内径8mm、承压＞2.OMPa、长约50m的红色耐压橡胶软管一根。

关闭压力表阀门，拆除现场出口排气压力表，装上一个软管接头。

用橡胶软管将出口排气压力引至主控室的精密压力表，橡胶软管两端用固定夹固定。

精密压力表安装于主控室的“安全运行”按钮旁。

接到高炉休风指令后，鼓风机组进入休风状态，送风阀关闭，静叶22°，防喘阀全开。

先用手持式压力校准仪校准喉部差压和出口压力变送器。

将静叶开启一定角度（30°），缓慢将防喘阀关小到一定开度（85％），按“安全运行”按钮，风机应进入安全运行。

试验前安排有关人员各就各位；事先准备好表格，以便记录喘振试验的数据。

2．喘振试验根据JB/T 3165－1999，为获取风机喘振性能的有关数据，对轴流风机做开式进出气试验。

试验前将原运行工况画面的喘振曲线（三条线）拉开；安排专人站在“安全运行”按钮旁盯住精密压力表显示的风机出口压力；安排专人（操作工）在操作站操作静叶和防喘阀开度；一人在操作站观察试验状况并读取试验数据；另安排一人记录试验的数据。

以上人员由试验负责人统一指挥。

操作工操作静叶和防喘阀，将静叶角度开到30°，缓慢关小防喘阀，此时盯风机出口压力精密压力表的人必须全神贯注，随着防喘阀的关小，排气压力逐渐上升，一旦压力表指针发生向零位的回摆，立刻拍击“安全运行”按钮，使风机进入安全运行状态（判断喘振初期现象的依据是观察连接出口管路中精密压力表的变化，在风机出口压力不断上升的过程中，当压力表指针迅速回摆时，可认为风机进入了喘振区，即发生了喘振初期现象）。

在操作站的记录曲线中读取安全运行前时刻的出口压力、喉部差压、入口温度等参数，记录在预先准备的表格中。

用同样的方法分别对静叶角度为40°、50°和60°情况下，做喘振试验，记录各点的参数。

注意：高炉休风后，在风机未停机时保持风机在热态下进行这项试验。

以上试验有了四个喘振点的数据，更高的喉部差压和出口压力的喘振数据宜采用有关算式计算推定，构成较完整的喘振线。

3．调试将防喘振控制优化的程序在实验室进行充分的仿真调试，尽可能发现并解决程序中的问题，这是在高炉休风前必须完成的重要工作。

喘振试验完成后，将预先编好的控制程序下载到PLC中，将试验数据置入程序相应的功能块中，按照鼓风机组试车方案的要求进行机组启动、停机、正常运行、联锁停机及安全运行等项目的试车。

基本的试车项目完成后，还要进行工况点沿防喘线精确控制试验，这个试验是模拟进行的，即压低防喘振线，使工况点接近防喘振线进行模拟防喘振试验，观察其控制效果。

具体做法是：当风机在安全运行时，将防喘阀关小至一定开度，此时风机处于稳定工作区，修改（主要是减小防喘线各拐点的出口压力值）并下载防喘振线各点的参数，实现压低防喘振线，然后缓慢开大静叶角度使工况点接近压低的防喘振线，观察其贴线运行的效果，包括超调和进入稳定区后防喘阀的动作稳定性，据此适当调整防喘控制的变比例和变积分参数。