高爐鼓風機防喘振控制系統的分析與研究

鄭海生

摘 要：本文首先探討了軸流壓縮機喘振發生機理及其危害，提出了高爐鼓風機防喘振控制的必要性，然后以某鋼廠大型高爐鼓風機為例對防喘振控制系統作了詳細分析與研究，同時在分析與研究的基礎上對湛江鋼鐵高爐鼓風項目提出了一些合理的優化和改進建議。

關鍵詞：高爐鼓風機 喘振 防喘振控制 優化

中圖分類號：TH442 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0155-02

高爐鼓風機是高爐設備的心臟，所輸送的高壓風流經熱風爐加熱到約1300 ℃，由設在高爐爐腹下的環型風管，通過安裝在高爐四周的風口吹入高爐內。萬一送風切斷，高爐不能繼續生產鐵水，同時因爐內支撐礦石、焦炭等料物的力突然消失，勢必料物下榻，且爐底的鐵水、渣就會飛濺，使風口灌渣、灌鐵水，這就形成高爐重大事故[1]。喘振是透平壓縮機械的固有特性，對軸流壓縮機所造成的危害極其嚴重，一旦喘振機理發展成逆流，在極短時間使高爐鼓風機毀壞，在世界各國都有事故先例，我國的高爐鼓風機中也發生過逆流事故，造成機組全部損壞[2]。基于防喘振控制技術的重要性、復雜性和難度性，本課題針對高爐鼓風機防喘振控制系統的分析與研究有著重要的意義。

1 喘振發生機理

在生產中，軸流式壓縮機總是與管網一起聯合工作[3]。圖1為壓縮機和管網聯合工作性能曲線，曲線I是管網的阻力線，曲線ABC為壓縮機的特性線，P為管網壓力，Q為壓縮機進口流量。

正常工作時，機、網在兩曲線交點B工作。隨著高爐爐況的變化或管網阻力增加，則管網阻力線從位置I移到II，機、網系統工作點向上移動，工況向小流量偏移。當流量減少到正常工作允許最小值時，工作點移到C點，此時壓縮機通道受阻堵塞，因失速而造成特性曲線出現斷裂，使氣流產生強烈脈動，出口壓力突然下降至G點。由C點過度至G點是隨外界管路容積的影響，容量越大，過渡狀態越復雜，當容量足夠大時，這種過渡可能使倒向氣流超過極限F點，從而解除失速恢復正常B點。若造成失速的管網條件沒有消失，則又回到C點，此過程循環發生稱為喘振[4]。

2 防喘振控制設計的基本理念

高爐鼓風機防喘振設計除了考慮保護設備自身外，更要考慮為高爐提供安全可靠的生產服務。防喘振控制設計的基本理念主要有以下四方面：

（1）安全性：足夠的安全裕度。一般來說，真實的喘振線與防喘振線之間留5%～10%的安全裕量[5]。

（2）可靠性：盡可能擴展安全運行區域。

（3）可調性：穩定、快速、準確的調節性能。

（4）高效性：經濟運行，節能降耗。高爐鼓風機是耗電大戶，某鋼廠高爐鼓風機每年耗電約10億度電，占整個廠區總電耗的10%[6]。

3 高爐鼓風機防喘振控制的原理

為了不使鼓風機進入喘振，而且考慮安全裕度，人為建立一條防喘振線，此線由復合演示器內函數回路實現以折線形式設定。如圖2鼓風機運行工作畫面所示，其中三條實折線是基于上述防喘振設計理念所設計的。

（1）防喘振接近線（黃色曲線）：當工作點超過防喘振接近線時，鼓風機的“防喘振接近”報警。

（2）防喘振線（藍色曲線）：當工作點超過防喘振線時，鼓風機的“防喘振”報警，防喘振調節儀動作，自動打開放風閥放風，使鼓風機工作點回到防喘振線上。

（3）緊急開放線（紅色曲線）：當工作點超過緊急開放線時，鼓風機的“放風閥緊急開放”報警，如果同時出現“吐出壓力變化大”，副放風閥全開，同時主放風閥打開66%[7]。

（4）防喘振檢測：當吸入口差壓低，而且吐出壓力波動大，這兩個條件同時滿足時，鼓風機將非正常停機。

4 高爐鼓風機防喘振線的確定

高爐鼓風機組設備安裝完成后，為了驗收風機性能是否合格，必須進行全面的性能測試，其中制造產家需要作喘振試驗，確定喘振線。

根據防喘振設計原則，防喘振線與喘振線兩線之間留5%～10%的安全裕量，防喘振線下2%左右設置防喘振接近線，防喘振線上2%左右設置緊急開發線。表1為某鋼廠鼓風機正常運行防喘振線折線參數表。

5 高爐鼓風機防喘振控制的實現過程

當吸入流量為某值，在復合演示器內就有一個防喘振線上的對應壓力值，以該壓力值作為防喘振控制器的設定值，把鼓風機的排出口的壓力經過壓力變送器PT-303-2變換成電流信號送入控制器比較判斷。若小于設定值，該控制器輸出限制在4 mA，主副防風閥全閉。排出壓力因外界管路系統變化，壓力上升時，超過設定值，控制器輸出解除限幅，輸出增大，就按照比例先開啟副放風閥，使鼓風機排出壓力下降，開度儀ZT-304-1使開度穩定在一定值；若副放風閥開度不夠，壓力下降不大，尚未脫離防喘振區，將繼續增大副風閥開度，直到副放風閥全開后，若還沒脫離防喘振區，再打開主放風閥。某鋼廠高爐鼓風機防喘振控制系統如圖3所示。

6 湛江鋼鐵高爐鼓風項目的優化和改進建議

通過高爐鼓風機的特性曲線分析可知，安全運行區域的最大化與足夠的防喘振控制安全裕度是相互矛盾的。根據以上防喘振控制系統的分析，湛江鋼鐵鼓風機項目防喘振控制系統的優化和改進主要有以下幾方面。

（1）設備的選型配置。除了需要考慮設備能力和投資經濟問題外，還要考慮滿足將來高爐擴容工藝需求與設備安全穩定運行。

（2）設備設計優化。鼓風機組一般是根據夏季高常壓、冬季高常壓和年平均高壓條件來設計的，而湛江鼓風項目結合了煉鐵工藝進行了優化，在此基礎上增加了常年運行工況來進行鼓風機設備設計，這樣盡可能讓鼓風機在最大效率性能曲線區域運行，最大限度地做到節能減耗。

（3）防喘振工藝措施的優化。在排空法防喘振的基礎上，考慮高爐休風前小風量運行、鼓風機開機大氣運行等工藝情況，可設置放風旁通管道回收部分能量。

（4）防喘振線自動移動功能。設置大氣溫度濕度等補償單元對放空線進行修正，使放空線能自動隨著大氣條件變化而移動[8]，即設計防喘振動態線，從而保持與喘振線之間的5%～10%的安全裕量，既保證了喘振線的安全裕量，提高了鼓風機防喘振安全可靠性，又能使安全區域在安全可靠的基礎上最大化，使風機效率發揮到最佳水平。

參考文獻

[1] 謝建中，朱建東.高爐鼓風培訓教材[M].上海：寶鋼分公司能源部，2007.

[2] 毛之仁.高爐鼓風[M].上海：上海寶山鋼鐵總廠能源部，1995.

[3] 續魁昌，主編.風機手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4] 黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機[M].北京：化學工業出版社，2004.

[5] 楊纓，陳奇福.高爐鼓風機防喘振控制系統的改造[J].金屬材料與冶金工程，2007，35（2）：50-52.

[6] 郁鴻凌.高爐鼓風系統效率分析及節電潛力研究[M].上海：上海理工大學，2011.

[7] 寶山鋼鐵總廠能源部.寶鋼高爐鼓風設備[M].上海：上海寶山鋼鐵總廠能源部，1983.

[8] 馬琴，馬玉玲，趙靜，等.軸流風機防喘振控制優化設計[J].冶金動力，2008（4）：53-55.