汽輪風機喘振控制系統及其優化

王 權

（珠海粵裕豐鋼鐵有限公司，廣東珠海 519050）

汽輪鼓風機主要為高爐提供冶煉用的含氧空氣，以保證高爐內冶煉材料的充分燃燒，另外還要保持一定的爐頂壓力。由于原設計風機在滿負荷運行時（防喘振線附近）風量風壓仍不能滿足高爐的需求，特根據實際使用情況對1＃汽輪鼓風機進行風機喘振控制系統優化，以期能進一步挖掘風機潛力。

1 防喘振控制系統原理

流體機械及其管道中介質會周期性振蕩，當流量減小到最小值時出口壓力會突然下降，于是氣體倒流回機內，直到出口壓力升高重新向管道輸送為止；當管道中的壓力恢復到原來的壓力時，流量再次減少，管道中氣體又產生倒流，如此周而復始就出現了喘振。風機的喘振會產生機械噪聲，一旦喘振引起管道、機器及其基礎共振時，會嚴重影響原動汽輪機的運行，給汽輪機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系統的特性，使風機的運行工況點在處于喘振線右下側的穩定區。喘振控制設計了兩條線：一條為“防喘振線”，另一條為“喘振線”。防喘振控制的實質就是使風機運行在對應流量的喘振線下方，風機防喘振曲線圖如下圖1所示（以1＃機為例）：

控制系統輸出DC4～20mA的電流信號對應防喘振閥開度的0%～100%，當風機運行工況點即將到達防喘振線時，防喘振算法設計為防喘振閥慢開泄壓；當運行工況點接近防喘振線，并有繼續靠近的趨勢時防喘振控制將以PID回路控制防喘振閥開度，使工況點保持在控制點處，如果防喘振控制無法將工況點保持在控制點處，仍向左移動，一旦撞到喘振線時，系統控制防喘振放風閥立即打開緊急泄壓，防止喘振的發生。

圖1 風機防喘振曲線圖

Y軸為出口壓力（絕對壓力），X軸為出口差壓，圖1中黃點為工況點（運行點）。調試時將喘振線往右移0.5%作為防喘振控制線，把喘振線往右移5% 作為報警線（在圖中未畫出），工況點為圖1上實時移動的工作點，該點參數滿足：

式中：Qj為進口流量，K為流量系數，h為節流裝置差壓，Tj為進口風溫，P1為壓縮機入口壓力，P2為壓縮機出口壓力。

2 風機防喘振控制系統的優化

由于風機廠家的要求一般是側重于保護風機，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，由于缺少完備的數學算法，增益值很難確定，而由于防喘振控制的局限性，往往是在工況點越過防喘振線的時候，供風壓力最不穩定，這樣就導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間才能逐漸恢復，由此給煉鐵企業造成巨大的經濟損失。結合以上控制系統，對我公司1＃汽輪鼓風機組進行了防喘振控制系統優化。1＃汽輪鼓風機組型號為SJK2000－360／98，流程如下圖2所示。

圖2 風機工藝流程圖

具體采取如下解決方案：

（一）硬件方面：

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

（二）軟件方面

1、根據目前增產的需要，比較風機的性能曲線和閥門的特性曲線，重新設計防喘振線和喘振線之間的裕度。從風機的性能曲線可以看出工況點和喘振線之間的相對關系以及工況點到喘振線的間隙；以此數據為基礎，再查閱防喘振閥的流通特性曲線，根據流通系數，以決定喘振線和防喘振線之間的裕度。這樣進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機提供運行區域。下圖4為防喘振控制系統未優化和優化后的離心風機實用工況范圍示意圖。

圖3

圖4 系統優化前后實用工況范圍示意圖

2、有效設置防喘振快開線根據目前的需要，以及非保守的設計原則，重新設計防喘振快開線。從而確保防喘振控制能夠在很小的有限裕度范圍內，既有正常的PID控制解決臨時越界的問題，也有快速有效的響應方式快速消除喘振狀態。防喘振快開線的設置位置，要根據防喘振線的裕度和閥門跳變的設定值來考慮。根據非保守的設計原則是：防喘振線的裕度越小，防喘振快開線就越偏向防喘振線；閥門跳變值設定的越大，防喘振快開線就越遠離防喘振線。這兩個參數要根據實際運行數據進行計算和比較選擇。

3、有效設置閥門跳變開度。設置閥門跳變必須嚴格查閱閥門流通能力的特性曲線，閥門跳變值的設置必須根據結合防喘振閥的特性曲線，特別是閥門低開度區域，每1%對應的放空流量與風機性能曲線工況點所處位置的流量，兩者比較來設置防喘振控制的跳變開度參數。

4、將單邊設置成死區，以增加臨界穩定性。當防喘振裕度設置較小，且工況點又在防喘振線附近運行的情況下，必須通過設置單邊死區以增加系統穩定性。設置防喘振線單側的死區功能，將極其有效的穩定風機運行效果。死區設置主要是偏差范圍和動態波動次數的累計檢驗問題。死區設置在防喘振線內側，偏差范圍要根據防喘振線和快開線之間的裕度決定，通常很小。動態波動次數的累計主要是考慮波動的頻繁程度與實際工藝可能存在的對應關系，從而臨時解除死區限制，這樣可以在保護風機和高爐的矛盾之中得以有效的平衡。

在控制系統的改造過程中，通過對控制回路的改進和優化，經現場實測達到了如前文所描述的控制效果，測試方法如下：

參考圖2，熱風爐去向的風機送風閥全關，防喘閥處于自動調節，使用手動控制電動旁路閥（放分閥）來模擬實際運行中高爐工況的各種波動。測試分別在30°－60°的四個不同預旋器角度下進行，測試項目包括以下兩項：1.防喘振閥自動調節動作時風機出口壓力的波動幅度；2.防喘振控制對快速憋壓的適應能力和響應速度。經測試，在風機出口壓力的穩定性方面，達到了比較理想的效果，從操作站屏幕上觀察，工況點只有微小的“抖動”，而當電動旁路閥動作停止時，工況點隨即穩定地“釘”在防喘線上，沒有觀察到任何往返振蕩的現象，說明在穩定性方面已達到了十分理想的控制效果。在響應速度和防喘能力的測試中，首先將工況點調整至防喘線以下的正常工況范圍，然后以最大動作速度全關電動旁路閥（模擬高爐誤操作突然關閉送風的極端情況），防喘振閥2～3秒內達到了70%的開度，及時地將工況點從接近喘振的區域拉出，風機未出現喘振。但在這種工況變化過于突然的極端情況下，還不能做到保證風機出口壓力完全穩定，會出現工況點向下較為明顯的過調量，這與檢測滯后和閥門響應滯后也有一定關系，仍需再進一步研究改善。

3 優化風機防喘振控制系統的效果

通過優化風機防喘振控制系統后，我公司1＃汽輪鼓風機組送風能力大幅度提高，1＃風機出口壓力由原來0.25MPa提高到0.27MPa，出口流量也有較大增長。由于擴大了運行區域，工況點觸到防喘振線的幾率大大降低，風壓波動大大減少，風機運行更加平穩。另外，由于風機運行穩定性提高，防喘振閥可以完全關死（之前為提高穩定性運行中防喘振閥會微開約18%），從節能角度也是一項收獲。

1 張靜.MATLAB在控制系統中的應用［J］.電子工業出版社，2007

2 夏德海，何功晟.鋼鐵企業過程檢測和控制自動化設計手冊［Z］.冶金工業出版社，2000

3 廖常初.S7－300／400PLC應用技術，機械工業出版社，2005

4 陳建明.自動控制理論，電子工業出版社，2009

5 西門子編程手冊