高炉轴流风机防喘振控制系统优化及实验讲解

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