王 權(quán)

（珠海粵裕豐鋼鐵有限公司，廣東珠海 519050）

汽輪鼓風(fēng)機(jī)主要為高爐提供冶煉用的含氧空氣，以保證高爐內(nèi)冶煉材料的充分燃燒，另外還要保持一定的爐頂壓力。由于原設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（防喘振線附近）風(fēng)量風(fēng)壓仍不能滿足高爐的需求，特根據(jù)實(shí)際使用情況對(duì)1＃汽輪鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)機(jī)喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化，以期能進(jìn)一步挖掘風(fēng)機(jī)潛力。

1 防喘振控制系統(tǒng)原理

流體機(jī)械及其管道中介質(zhì)會(huì)周期性振蕩，當(dāng)流量減小到最小值時(shí)出口壓力會(huì)突然下降，于是氣體倒流回機(jī)內(nèi)，直到出口壓力升高重新向管道輸送為止；當(dāng)管道中的壓力恢復(fù)到原來的壓力時(shí)，流量再次減少，管道中氣體又產(chǎn)生倒流，如此周而復(fù)始就出現(xiàn)了喘振。風(fēng)機(jī)的喘振會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲，一旦喘振引起管道、機(jī)器及其基礎(chǔ)共振時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響原動(dòng)汽輪機(jī)的運(yùn)行，給汽輪機(jī)各精密部件造成難以估量的損傷。

防喘振控制目的是改變管網(wǎng)系統(tǒng)的特性，使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)在處于喘振線右下側(cè)的穩(wěn)定區(qū)。喘振控制設(shè)計(jì)了兩條線：一條為“防喘振線”，另一條為“喘振線”。防喘振控制的實(shí)質(zhì)就是使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在對(duì)應(yīng)流量的喘振線下方，風(fēng)機(jī)防喘振曲線圖如下圖1所示（以1＃機(jī)為例）：

控制系統(tǒng)輸出DC4～20mA的電流信號(hào)對(duì)應(yīng)防喘振閥開度的0%～100%，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)即將到達(dá)防喘振線時(shí)，防喘振算法設(shè)計(jì)為防喘振閥慢開泄壓；當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)接近防喘振線，并有繼續(xù)靠近的趨勢(shì)時(shí)防喘振控制將以PID回路控制防喘振閥開度，使工況點(diǎn)保持在控制點(diǎn)處，如果防喘振控制無法將工況點(diǎn)保持在控制點(diǎn)處，仍向左移動(dòng)，一旦撞到喘振線時(shí)，系統(tǒng)控制防喘振放風(fēng)閥立即打開緊急泄壓，防止喘振的發(fā)生。

圖1 風(fēng)機(jī)防喘振曲線圖

Y軸為出口壓力（絕對(duì)壓力），X軸為出口差壓，圖1中黃點(diǎn)為工況點(diǎn)（運(yùn)行點(diǎn)）。調(diào)試時(shí)將喘振線往右移0.5%作為防喘振控制線，把喘振線往右移5% 作為報(bào)警線（在圖中未畫出），工況點(diǎn)為圖1上實(shí)時(shí)移動(dòng)的工作點(diǎn)，該點(diǎn)參數(shù)滿足：

式中：Qj為進(jìn)口流量，K為流量系數(shù)，h為節(jié)流裝置差壓，Tj為進(jìn)口風(fēng)溫，P1為壓縮機(jī)入口壓力，P2為壓縮機(jī)出口壓力。

2 風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的優(yōu)化

由于風(fēng)機(jī)廠家的要求一般是側(cè)重于保護(hù)風(fēng)機(jī)，在防喘振控制上就留有很大的富裕度，在防喘振控制回路中，由于缺少完備的數(shù)學(xué)算法，增益值很難確定，而由于防喘振控制的局限性，往往是在工況點(diǎn)越過防喘振線的時(shí)候，供風(fēng)壓力最不穩(wěn)定，這樣就導(dǎo)致和加劇了高爐座料，而高爐工況一旦變壞后往往需要幾天的時(shí)間才能逐漸恢復(fù)，由此給煉鐵企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)合以上控制系統(tǒng)，對(duì)我公司1＃汽輪鼓風(fēng)機(jī)組進(jìn)行了防喘振控制系統(tǒng)優(yōu)化。1＃汽輪鼓風(fēng)機(jī)組型號(hào)為SJK2000－360／98，流程如下圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)工藝流程圖

具體采取如下解決方案：

（一）硬件方面：

控制系統(tǒng)在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加控制柜1臺(tái)，冗余CPU系統(tǒng)2套，將原系統(tǒng)分為獨(dú)立的三套系統(tǒng)，并將原公共部分獨(dú)立出來，增加一套西門子300CPU系統(tǒng)，組成公共系統(tǒng)，通訊線路重新連接。外部系統(tǒng)劃分和內(nèi)部通訊接線如下圖3。

（二）軟件方面

1、根據(jù)目前增產(chǎn)的需要，比較風(fēng)機(jī)的性能曲線和閥門的特性曲線，重新設(shè)計(jì)防喘振線和喘振線之間的裕度。從風(fēng)機(jī)的性能曲線可以看出工況點(diǎn)和喘振線之間的相對(duì)關(guān)系以及工況點(diǎn)到喘振線的間隙；以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再查閱防喘振閥的流通特性曲線，根據(jù)流通系數(shù)，以決定喘振線和防喘振線之間的裕度。這樣進(jìn)一步縮小防喘振線與喘振線間的距離后，可以最大限度的為風(fēng)機(jī)提供運(yùn)行區(qū)域。下圖4為防喘振控制系統(tǒng)未優(yōu)化和優(yōu)化后的離心風(fēng)機(jī)實(shí)用工況范圍示意圖。

圖3

圖4 系統(tǒng)優(yōu)化前后實(shí)用工況范圍示意圖

2、有效設(shè)置防喘振快開線根據(jù)目前的需要，以及非保守的設(shè)計(jì)原則，重新設(shè)計(jì)防喘振快開線。從而確保防喘振控制能夠在很小的有限裕度范圍內(nèi)，既有正常的PID控制解決臨時(shí)越界的問題，也有快速有效的響應(yīng)方式快速消除喘振狀態(tài)。防喘振快開線的設(shè)置位置，要根據(jù)防喘振線的裕度和閥門跳變的設(shè)定值來考慮。根據(jù)非保守的設(shè)計(jì)原則是：防喘振線的裕度越小，防喘振快開線就越偏向防喘振線；閥門跳變值設(shè)定的越大，防喘振快開線就越遠(yuǎn)離防喘振線。這兩個(gè)參數(shù)要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和比較選擇。

3、有效設(shè)置閥門跳變開度。設(shè)置閥門跳變必須嚴(yán)格查閱閥門流通能力的特性曲線，閥門跳變值的設(shè)置必須根據(jù)結(jié)合防喘振閥的特性曲線，特別是閥門低開度區(qū)域，每1%對(duì)應(yīng)的放空流量與風(fēng)機(jī)性能曲線工況點(diǎn)所處位置的流量，兩者比較來設(shè)置防喘振控制的跳變開度參數(shù)。

4、將單邊設(shè)置成死區(qū)，以增加臨界穩(wěn)定性。當(dāng)防喘振裕度設(shè)置較小，且工況點(diǎn)又在防喘振線附近運(yùn)行的情況下，必須通過設(shè)置單邊死區(qū)以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。設(shè)置防喘振線單側(cè)的死區(qū)功能，將極其有效的穩(wěn)定風(fēng)機(jī)運(yùn)行效果。死區(qū)設(shè)置主要是偏差范圍和動(dòng)態(tài)波動(dòng)次數(shù)的累計(jì)檢驗(yàn)問題。死區(qū)設(shè)置在防喘振線內(nèi)側(cè)，偏差范圍要根據(jù)防喘振線和快開線之間的裕度決定，通常很小。動(dòng)態(tài)波動(dòng)次數(shù)的累計(jì)主要是考慮波動(dòng)的頻繁程度與實(shí)際工藝可能存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而臨時(shí)解除死區(qū)限制，這樣可以在保護(hù)風(fēng)機(jī)和高爐的矛盾之中得以有效的平衡。

在控制系統(tǒng)的改造過程中，通過對(duì)控制回路的改進(jìn)和優(yōu)化，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)達(dá)到了如前文所描述的控制效果，測(cè)試方法如下：

參考圖2，熱風(fēng)爐去向的風(fēng)機(jī)送風(fēng)閥全關(guān)，防喘閥處于自動(dòng)調(diào)節(jié)，使用手動(dòng)控制電動(dòng)旁路閥（放分閥）來模擬實(shí)際運(yùn)行中高爐工況的各種波動(dòng)。測(cè)試分別在30°－60°的四個(gè)不同預(yù)旋器角度下進(jìn)行，測(cè)試項(xiàng)目包括以下兩項(xiàng)：1.防喘振閥自動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)作時(shí)風(fēng)機(jī)出口壓力的波動(dòng)幅度；2.防喘振控制對(duì)快速憋壓的適應(yīng)能力和響應(yīng)速度。經(jīng)測(cè)試，在風(fēng)機(jī)出口壓力的穩(wěn)定性方面，達(dá)到了比較理想的效果，從操作站屏幕上觀察，工況點(diǎn)只有微小的“抖動(dòng)”，而當(dāng)電動(dòng)旁路閥動(dòng)作停止時(shí)，工況點(diǎn)隨即穩(wěn)定地“釘”在防喘線上，沒有觀察到任何往返振蕩的現(xiàn)象，說明在穩(wěn)定性方面已達(dá)到了十分理想的控制效果。在響應(yīng)速度和防喘能力的測(cè)試中，首先將工況點(diǎn)調(diào)整至防喘線以下的正常工況范圍，然后以最大動(dòng)作速度全關(guān)電動(dòng)旁路閥（模擬高爐誤操作突然關(guān)閉送風(fēng)的極端情況），防喘振閥2～3秒內(nèi)達(dá)到了70%的開度，及時(shí)地將工況點(diǎn)從接近喘振的區(qū)域拉出，風(fēng)機(jī)未出現(xiàn)喘振。但在這種工況變化過于突然的極端情況下，還不能做到保證風(fēng)機(jī)出口壓力完全穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)工況點(diǎn)向下較為明顯的過調(diào)量，這與檢測(cè)滯后和閥門響應(yīng)滯后也有一定關(guān)系，仍需再進(jìn)一步研究改善。

3 優(yōu)化風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的效果

通過優(yōu)化風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)后，我公司1＃汽輪鼓風(fēng)機(jī)組送風(fēng)能力大幅度提高，1＃風(fēng)機(jī)出口壓力由原來0.25MPa提高到0.27MPa，出口流量也有較大增長(zhǎng)。由于擴(kuò)大了運(yùn)行區(qū)域，工況點(diǎn)觸到防喘振線的幾率大大降低，風(fēng)壓波動(dòng)大大減少，風(fēng)機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。另外，由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性提高，防喘振閥可以完全關(guān)死（之前為提高穩(wěn)定性運(yùn)行中防喘振閥會(huì)微開約18%），從節(jié)能角度也是一項(xiàng)收獲。

1 張靜.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子工業(yè)出版社，2007

2 夏德海，何功晟.鋼鐵企業(yè)過程檢測(cè)和控制自動(dòng)化設(shè)計(jì)手冊(cè)［Z］.冶金工業(yè)出版社，2000

3 廖常初.S7－300／400PLC應(yīng)用技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2005

4 陳建明.自動(dòng)控制理論，電子工業(yè)出版社，2009

5 西門子編程手冊(cè)