大型高炉鼓风机控制系统概述
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三、鼓风机控制系统分析
首钢迁钢AV100-18型高炉鼓风机机组的 系统，由一台同步电机（西门子）、一台 静叶角度可调的轴流风机和各种辅助设备 组成。随着3C(计算机Computer、通信 Communication、控制Control)技术的发展 ，在构建工业生产过程的计算机控制系统 时，普遍利用工业控制计算机、可编程控 制器和测控模块，结合组态软件来实现。
透平式压缩机是一种叶片式旋转机械，可以满足 工业上对气体压缩的各种需要，应用范围广，科学技 术的飞速进步，热力学、气体动力学、机械动力学、 计算机和现代控制等学科的新成就和一些新技术的运 用，透平式压缩机研究成果日新月异。随着中国经济 的快速发展，以及国家节能减排、经济持续发展的国 家战略需求，高炉大型化趋势越加明显。近几年来， 中国4000～5850m3大型高炉陆续建成15座以上。大型 轴流式鼓风机是大型高炉的核心动力供风设备，其安 全可靠、高效节能是用户和制造厂家追求的主要目标 。
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压缩机密封系统
轴流压缩机进气端和压力端通过嵌装 在主槽内的不锈钢拉别令密封片来密封。 平衡盘上装有相同的拉别令密封片，密封 间隙的调整通过调整密封套圆周上的调整 块来实现，具有安装维护方便、事故出现 时候保护主轴等优点，因此轴流压缩机在 长期周期运行过程中，可使密封效果始终 保持在最佳状况。
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调节缸
调节缸由Q235A钢板焊接而成，水平剖 分型，中分面用螺栓联接，具有较高的刚 性。调节缸分四点支撑在机壳上，安装在 机壳与叶片承缸之间，调节缸的作用在于 调节轴流压缩机的各级静叶角度，以满足 变工况下的要求。安装在机壳两侧的伺服 马达在控制系统作用下，通过连接板带动 调节缸做轴向往复运动，从而达到调节静 叶角度的目的。
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开发的“低边齿”新型叶根，代替以前的等高 齿形叶根可以增大叶根受力面积，降低叶根应力， 提高叶片运行安全性，经过可靠性验证后，在首钢 迁钢公司AV100-18上首次应用，经过实际操作验证 ，安全性有大幅度提高，由于反动度50％的在静叶 片中压升较大，改变工况时静叶调节角度所发挥的 作用大，也就是说静叶角度调节不仅仅是下一级预 旋调节还是该级内的扩压效果调节。所以设计中该 机组前面2～3级采用50%和60%反动度叶片，由于反 动度80％或90％的叶片特性曲线比较平坦，对于轴 流压缩机采用反动度80％或90％的叶型，可以获得 较宽的工作范围和较宽的高效率区域，所以设计中 最后两级采用90%反动度叶片，其余级采用80%反动 度叶片。
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叶片承缸
叶片承缸为水平剖分型，中分面用预应力螺 栓联接形成一个内孔为很小锥度的筒体，与转子 组成轴流压缩机的通道。这个通道的几何尺寸是 由气动计算来确定的。叶片承缸的缸体由球墨铸 铁QT400铸造而成，通过两端支撑在机壳上，靠进 气侧的一端为固定支撑，靠排气侧的一端设计成 为滑动支撑以满足缸体热胀的要求，承缸的进气 侧相配的是进口圈，排气侧相配的是扩压器，分 别与机壳、密封套组成一个收缩通道和扩压通道 。从而组成了一个完整的轴流压缩机通道。
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国外透平式压缩机的研究和发展现状
近十年来，在经济全球化和激烈竞争的背景下 ，国外离心压缩机制造业也经历了不断的并购重 组。2001年，德国MAN集团重组了GHH BOSIG和苏 尔寿，形成了曼透平MANTURBO公司。德国MAN集团 成为世界最大的透平机械和压缩机设备生产商。
45 520 9.3 9 未喘振
50 550 10.8 9.3 未喘振
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压缩机外形结构示意图
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压缩机内部结构图
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压缩机壳体
机壳分上机壳和下机壳两部分，为水平 剖分型，上、下机壳在中分面处用预应力螺 栓相联接，采用 HT250灰铸铁铸造而成，进 、出气法兰均垂直向下。机壳排气端固定， 受热后进气端膨胀。与叶片承缸一起构成双 层缸体结构，使得机壳坚固耐用，把由于温 度改变而造成的内部压力和扭曲变形减少到 最小，并有利于降低噪音。
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机组启动后静叶释放过程
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逆流保护及安全运行系统
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风机的特性曲线
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四、大型高炉鼓风机实际运行工况的优化
• 大型透平式压缩机的运行工况的安全、稳定、高 效是用户最终追求目标，其运行经济性的两大因 素，首先要选择高效、调节范围宽的鼓风机，充 分利用鼓风机性能范围和特点、合理提供的鼓风 机运行工况点参数及其工况参数范围。在实际运 行中对其运行参数的不断摸索和优化措施的采取 ，使机组释放出最大潜能，对其运行经济性降低 能耗指标不断提高。
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转子及动静叶片
转子由主轴、动叶片、隔叶块及叶片 锁紧装置等组成，主轴为高合金锻钢锻造 而成，主轴上安装有动叶片，转子上有两 个平衡盘，压缩机的主要轴向推力通过平 衡盘平衡，平衡盘为主轴的一部分，剩余 的轴向推力通过安装在轴承箱内的止推轴 承来进行吸收平衡。
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AV100-18型高炉鼓风机控制系统采用SIMATIC S7-400系列PLC。SIMATIC S7-400采用模块化的设计， 具备良好的扩展性和通讯能力，极易实现的分布式结 构以及友好的操作。当控制任务变得更加复杂时，控 制系统可以逐步升级来满足要求，不必过多的添加额 外模板。整个鼓风机机组的控制系统，一般有以下几 大部分组成：连续控制、逻辑控制及操作监视管理等 。连续控制功能有定风压/定风量调节系统、风机防喘 振调节系统。逻辑控制系统有机组启动条件联锁系统 、逆流保护及安全运行系统、重故障紧急停机联锁系 统、动力油泵及润滑油泵逻辑控制系统。
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试验风机达到的性能
• 本次试验风机达到了预期的效果，风机运行安全、稳定， 风机的性能达到了国际水平，填补了国内4000立以上大型 高炉鼓风机制做的空白。 • 2012年3月8日，由首钢-迁钢钢铁公司与西安陕鼓动力股 份有限公司相关人员在现场对AV100—18轴流压缩机(产品 图号4502，产品编号071001110)重新进行了喘振及热力性 能试验。 • 试验采用GB/T3165《离心和轴流式鼓风机和压缩机热力学 性能试验》标准中的进出气试验方法。试验由电机提供风 机运转动力，用安装在放空管路中的防喘阀来调节出口压 力。试验在六个不同的静叶角度下进行了喘振试验，分别 为30°、40.0°、45.0°、50.0°、55.0°、60.0°。根 据双方协商，在30.0°、40.0°、45.0°静叶角度下进行 热力性能试验。
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国内透平式压缩机研究和发展现状
我国透平式压缩机制造业经历了从无到有的迅速发展 ,除了各大汽轮机厂外,还有许多鼓风机专业生产厂,如沈 阳鼓风机厂、陕西鼓风机厂、上海鼓风机厂、武汉鼓风机 厂等可以生产各种规格的工业透平式压缩机。透平式压缩 机的理论研究、设计工作都取得了很大的进步，除了自行 设计，还从国外引进技术，推动我国透平式压缩机事业的 发展。早期，沈阳鼓风机厂从意大利新比隆引进了MCL（ 水平剖分型）、BCL（筒型）和PCL（输气管线型）三种系 列压缩机技术之后，又从日本引进了DH系列压缩机，陕西 鼓风机厂从瑞士苏尔寿公司引进轴流式压缩机技术，生产 A系列（静叶不可调）和AV系列（静叶可调）多种规格轴 流式压缩机。
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试验实际性能参数
工 况 点 1 2 3 4 5 55 580 14 9.3 推算 6 60 620 16 9.3 推算
静叶角度（°） 排气表压（kPa） 喉部压差（kpa） 进气温度（℃）
30 394 5.3 9 喘 振
40 489 7.6 9 喘 振
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高炉鼓风机控制系统结构示意图
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定风量/风压调节系统
压力测量值 定P／定F开关 SW 压力设定 PV 逻辑控制指令 定P／定F开关 SW PID SV 静叶角度 流量测量值
流量设定
MV
静叶限位
伺服控制器
电液伺服阀
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防喘振控制系统
防喘振控制是风机重要的保护系统，尤其轴 流压缩机。防喘振控制的基本原理是在风机接近 喘振工况时，通过调整风机出口处的防喘振阀， 使防喘振阀打开至一定角度，来改变管网阻力， 以达到消除喘振的目的。为了提高防喘振控制的 可靠性，除了选用高质量的硬件外，软件设计时 也采取了一些特殊控制运算功能，如折线函数、 动态响应、快开慢关、自动操作与闭锁、防误操 作等。
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本课题研究的目的和意义
• 我国没有生产过4000立以上高炉鼓风机，为了发展民 族工业，大型高炉鼓风机的国产化研究非常必要。本课题 中所研究的大型透平式压缩机的成功运用，是对其核心技 术消化和吸收，作为一种经验技术进行总结储备，为我国 开发的更大型高炉透平式压缩机提供必要的技术支持。但 是由于技术保密，没有相关的产品图样、技术文档、工艺 等技术资料。目前，借鉴其技术唯一可行的办法就是机组 实际运行中，各工况下的性能参数对比，根据实际运行中 自动控制系统下的各种操作，再对其进行不断完善、优化 ，使机组在不同气候条件下，进行自我调节和人工调节相 结合，来满足高炉各种工况下的需求。
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全静叶可调轴流压缩机结构特点
AV100－18轴流压缩机主要是由机壳、 叶片承缸、调节缸、转子、进口圈、扩压 器、轴承箱、油封、气封、伺服马达、机 座等组成。该机组由电动机拖动，采用膜 片连轴器连接，止推轴承设置在排气侧， 机壳死点设置在排气侧，从轴流压缩机进 气侧看其旋转方向为顺时针。
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大型透平式压缩机结构分析
AV100－18型轴流压缩机是一种全静叶可调式的 轴流压缩机，其空气动力学特点是流量、压力可调 节范围宽广，各工况点效率高，高炉鼓风机的气动 设计是机组性能保证的关键环节之一。陕西鼓风机 集团使用先进的气动设计计算程序，利用叶栅吹风 试验数据模化设计，并研发了新型叶片，更进一步 提高了高炉鼓风机的效率，增大鼓风机的运行工况 范围，整机效率提高1.36%以上，同时该机组具有较 高的自动化水平，配套程度高，运行平稳，各项技 术指标均达到国际先进水平。
大型高炉鼓风机运行保障及优化 技术研究
答辩人：程 华 指导教师：李鹤
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主要内容
• • • • 一、绪 论 二、大型透平式压缩机结构分析 三、高炉鼓风机控制系统分析 四、大型高炉鼓风机实际运行工况的优化
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一、绪 论
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新叶型CFD流场分析的流线图
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叶片是影响鼓风机性能的关键部件，叶型的 优劣直接影响到设备的性能。首钢采购陕鼓集团 的AV100-18型透平式压缩机，该公司在与西安交 大联合攻关，应用先进的CFD流场分析技术,修改 型线、降低介质的流动损失和分离损失，开发出 了大型鼓风机新叶型，可以提高效率2.16%，同时 增大运行工况范围7.8%，减少放风损失。这些数 据看似微小，但进步确实艰难的，设备运行带来 的效益更是巨大的。经过技术进步，4000m3以上 大型高炉鼓风机每年减少能耗约1350万元。
三、鼓风机控制系统分析
首钢迁钢AV100-18型高炉鼓风机机组的 系统，由一台同步电机（西门子）、一台 静叶角度可调的轴流风机和各种辅助设备 组成。随着3C(计算机Computer、通信 Communication、控制Control)技术的发展 ，在构建工业生产过程的计算机控制系统 时，普遍利用工业控制计算机、可编程控 制器和测控模块，结合组态软件来实现。
透平式压缩机是一种叶片式旋转机械，可以满足 工业上对气体压缩的各种需要，应用范围广，科学技 术的飞速进步，热力学、气体动力学、机械动力学、 计算机和现代控制等学科的新成就和一些新技术的运 用，透平式压缩机研究成果日新月异。随着中国经济 的快速发展，以及国家节能减排、经济持续发展的国 家战略需求，高炉大型化趋势越加明显。近几年来， 中国4000～5850m3大型高炉陆续建成15座以上。大型 轴流式鼓风机是大型高炉的核心动力供风设备，其安 全可靠、高效节能是用户和制造厂家追求的主要目标 。
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压缩机密封系统
轴流压缩机进气端和压力端通过嵌装 在主槽内的不锈钢拉别令密封片来密封。 平衡盘上装有相同的拉别令密封片，密封 间隙的调整通过调整密封套圆周上的调整 块来实现，具有安装维护方便、事故出现 时候保护主轴等优点，因此轴流压缩机在 长期周期运行过程中，可使密封效果始终 保持在最佳状况。
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调节缸
调节缸由Q235A钢板焊接而成，水平剖 分型，中分面用螺栓联接，具有较高的刚 性。调节缸分四点支撑在机壳上，安装在 机壳与叶片承缸之间，调节缸的作用在于 调节轴流压缩机的各级静叶角度，以满足 变工况下的要求。安装在机壳两侧的伺服 马达在控制系统作用下，通过连接板带动 调节缸做轴向往复运动，从而达到调节静 叶角度的目的。
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开发的“低边齿”新型叶根，代替以前的等高 齿形叶根可以增大叶根受力面积，降低叶根应力， 提高叶片运行安全性，经过可靠性验证后，在首钢 迁钢公司AV100-18上首次应用，经过实际操作验证 ，安全性有大幅度提高，由于反动度50％的在静叶 片中压升较大，改变工况时静叶调节角度所发挥的 作用大，也就是说静叶角度调节不仅仅是下一级预 旋调节还是该级内的扩压效果调节。所以设计中该 机组前面2～3级采用50%和60%反动度叶片，由于反 动度80％或90％的叶片特性曲线比较平坦，对于轴 流压缩机采用反动度80％或90％的叶型，可以获得 较宽的工作范围和较宽的高效率区域，所以设计中 最后两级采用90%反动度叶片，其余级采用80%反动 度叶片。
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叶片承缸
叶片承缸为水平剖分型，中分面用预应力螺 栓联接形成一个内孔为很小锥度的筒体，与转子 组成轴流压缩机的通道。这个通道的几何尺寸是 由气动计算来确定的。叶片承缸的缸体由球墨铸 铁QT400铸造而成，通过两端支撑在机壳上，靠进 气侧的一端为固定支撑，靠排气侧的一端设计成 为滑动支撑以满足缸体热胀的要求，承缸的进气 侧相配的是进口圈，排气侧相配的是扩压器，分 别与机壳、密封套组成一个收缩通道和扩压通道 。从而组成了一个完整的轴流压缩机通道。
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国外透平式压缩机的研究和发展现状
近十年来，在经济全球化和激烈竞争的背景下 ，国外离心压缩机制造业也经历了不断的并购重 组。2001年，德国MAN集团重组了GHH BOSIG和苏 尔寿，形成了曼透平MANTURBO公司。德国MAN集团 成为世界最大的透平机械和压缩机设备生产商。
45 520 9.3 9 未喘振
50 550 10.8 9.3 未喘振
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压缩机外形结构示意图
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压缩机内部结构图
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压缩机壳体
机壳分上机壳和下机壳两部分，为水平 剖分型，上、下机壳在中分面处用预应力螺 栓相联接，采用 HT250灰铸铁铸造而成，进 、出气法兰均垂直向下。机壳排气端固定， 受热后进气端膨胀。与叶片承缸一起构成双 层缸体结构，使得机壳坚固耐用，把由于温 度改变而造成的内部压力和扭曲变形减少到 最小，并有利于降低噪音。
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机组启动后静叶释放过程
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逆流保护及安全运行系统
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风机的特性曲线
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四、大型高炉鼓风机实际运行工况的优化
• 大型透平式压缩机的运行工况的安全、稳定、高 效是用户最终追求目标，其运行经济性的两大因 素，首先要选择高效、调节范围宽的鼓风机，充 分利用鼓风机性能范围和特点、合理提供的鼓风 机运行工况点参数及其工况参数范围。在实际运 行中对其运行参数的不断摸索和优化措施的采取 ，使机组释放出最大潜能，对其运行经济性降低 能耗指标不断提高。
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转子及动静叶片
转子由主轴、动叶片、隔叶块及叶片 锁紧装置等组成，主轴为高合金锻钢锻造 而成，主轴上安装有动叶片，转子上有两 个平衡盘，压缩机的主要轴向推力通过平 衡盘平衡，平衡盘为主轴的一部分，剩余 的轴向推力通过安装在轴承箱内的止推轴 承来进行吸收平衡。
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AV100-18型高炉鼓风机控制系统采用SIMATIC S7-400系列PLC。SIMATIC S7-400采用模块化的设计， 具备良好的扩展性和通讯能力，极易实现的分布式结 构以及友好的操作。当控制任务变得更加复杂时，控 制系统可以逐步升级来满足要求，不必过多的添加额 外模板。整个鼓风机机组的控制系统，一般有以下几 大部分组成：连续控制、逻辑控制及操作监视管理等 。连续控制功能有定风压/定风量调节系统、风机防喘 振调节系统。逻辑控制系统有机组启动条件联锁系统 、逆流保护及安全运行系统、重故障紧急停机联锁系 统、动力油泵及润滑油泵逻辑控制系统。
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试验风机达到的性能
• 本次试验风机达到了预期的效果，风机运行安全、稳定， 风机的性能达到了国际水平，填补了国内4000立以上大型 高炉鼓风机制做的空白。 • 2012年3月8日，由首钢-迁钢钢铁公司与西安陕鼓动力股 份有限公司相关人员在现场对AV100—18轴流压缩机(产品 图号4502，产品编号071001110)重新进行了喘振及热力性 能试验。 • 试验采用GB/T3165《离心和轴流式鼓风机和压缩机热力学 性能试验》标准中的进出气试验方法。试验由电机提供风 机运转动力，用安装在放空管路中的防喘阀来调节出口压 力。试验在六个不同的静叶角度下进行了喘振试验，分别 为30°、40.0°、45.0°、50.0°、55.0°、60.0°。根 据双方协商，在30.0°、40.0°、45.0°静叶角度下进行 热力性能试验。
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国内透平式压缩机研究和发展现状
我国透平式压缩机制造业经历了从无到有的迅速发展 ,除了各大汽轮机厂外,还有许多鼓风机专业生产厂,如沈 阳鼓风机厂、陕西鼓风机厂、上海鼓风机厂、武汉鼓风机 厂等可以生产各种规格的工业透平式压缩机。透平式压缩 机的理论研究、设计工作都取得了很大的进步，除了自行 设计，还从国外引进技术，推动我国透平式压缩机事业的 发展。早期，沈阳鼓风机厂从意大利新比隆引进了MCL（ 水平剖分型）、BCL（筒型）和PCL（输气管线型）三种系 列压缩机技术之后，又从日本引进了DH系列压缩机，陕西 鼓风机厂从瑞士苏尔寿公司引进轴流式压缩机技术，生产 A系列（静叶不可调）和AV系列（静叶可调）多种规格轴 流式压缩机。
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试验实际性能参数
工 况 点 1 2 3 4 5 55 580 14 9.3 推算 6 60 620 16 9.3 推算
静叶角度（°） 排气表压（kPa） 喉部压差（kpa） 进气温度（℃）
30 394 5.3 9 喘 振
40 489 7.6 9 喘 振
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高炉鼓风机控制系统结构示意图
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定风量/风压调节系统
压力测量值 定P／定F开关 SW 压力设定 PV 逻辑控制指令 定P／定F开关 SW PID SV 静叶角度 流量测量值
流量设定
MV
静叶限位
伺服控制器
电液伺服阀
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防喘振控制系统
防喘振控制是风机重要的保护系统，尤其轴 流压缩机。防喘振控制的基本原理是在风机接近 喘振工况时，通过调整风机出口处的防喘振阀， 使防喘振阀打开至一定角度，来改变管网阻力， 以达到消除喘振的目的。为了提高防喘振控制的 可靠性，除了选用高质量的硬件外，软件设计时 也采取了一些特殊控制运算功能，如折线函数、 动态响应、快开慢关、自动操作与闭锁、防误操 作等。
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本课题研究的目的和意义
• 我国没有生产过4000立以上高炉鼓风机，为了发展民 族工业，大型高炉鼓风机的国产化研究非常必要。本课题 中所研究的大型透平式压缩机的成功运用，是对其核心技 术消化和吸收，作为一种经验技术进行总结储备，为我国 开发的更大型高炉透平式压缩机提供必要的技术支持。但 是由于技术保密，没有相关的产品图样、技术文档、工艺 等技术资料。目前，借鉴其技术唯一可行的办法就是机组 实际运行中，各工况下的性能参数对比，根据实际运行中 自动控制系统下的各种操作，再对其进行不断完善、优化 ，使机组在不同气候条件下，进行自我调节和人工调节相 结合，来满足高炉各种工况下的需求。
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全静叶可调轴流压缩机结构特点
AV100－18轴流压缩机主要是由机壳、 叶片承缸、调节缸、转子、进口圈、扩压 器、轴承箱、油封、气封、伺服马达、机 座等组成。该机组由电动机拖动，采用膜 片连轴器连接，止推轴承设置在排气侧， 机壳死点设置在排气侧，从轴流压缩机进 气侧看其旋转方向为顺时针。
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大型透平式压缩机结构分析
AV100－18型轴流压缩机是一种全静叶可调式的 轴流压缩机，其空气动力学特点是流量、压力可调 节范围宽广，各工况点效率高，高炉鼓风机的气动 设计是机组性能保证的关键环节之一。陕西鼓风机 集团使用先进的气动设计计算程序，利用叶栅吹风 试验数据模化设计，并研发了新型叶片，更进一步 提高了高炉鼓风机的效率，增大鼓风机的运行工况 范围，整机效率提高1.36%以上，同时该机组具有较 高的自动化水平，配套程度高，运行平稳，各项技 术指标均达到国际先进水平。
大型高炉鼓风机运行保障及优化 技术研究
答辩人：程 华 指导教师：李鹤
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主要内容
• • • • 一、绪 论 二、大型透平式压缩机结构分析 三、高炉鼓风机控制系统分析 四、大型高炉鼓风机实际运行工况的优化
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一、绪 论
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新叶型CFD流场分析的流线图
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叶片是影响鼓风机性能的关键部件，叶型的 优劣直接影响到设备的性能。首钢采购陕鼓集团 的AV100-18型透平式压缩机，该公司在与西安交 大联合攻关，应用先进的CFD流场分析技术,修改 型线、降低介质的流动损失和分离损失，开发出 了大型鼓风机新叶型，可以提高效率2.16%，同时 增大运行工况范围7.8%，减少放风损失。这些数 据看似微小，但进步确实艰难的，设备运行带来 的效益更是巨大的。经过技术进步，4000m3以上 大型高炉鼓风机每年减少能耗约1350万元。