高爐供風控制系統研究

王 亮

（河鋼集團邯鋼公司自動化部，河北 邯鄲 056001）

引言

高爐擔負著鋼鐵企業鐵水生產的重任，是后續工藝生產的基礎，其主要產品是鐵水和可作為二次能源的高爐煤氣。供風系統是高爐正常生產的前提條件，高爐鼓風機是高爐生產中非常重要的設備，鼓風機將過濾后的空氣進行加壓輸送給高爐，直接給高爐供風，同時還提供動力用于克服高爐內部料柱阻力，使高爐頂壓保持在一定合理范圍內。

1 鼓風機工藝概述

邯鋼西區高爐鼓風機采用的是AV90-15 全靜葉可調式軸流式鼓風機，是利用可調靜葉開度來調節鼓風機的性能參數，鼓風機主要由上下機殼、靜片承缸、調節缸、轉子、轉子密封、軸承箱、軸承、擴壓器和平衡管等部件組成。邯鋼西區兩座3 200 m3高爐供風系統由ABB 公司的AC800 控制一拖三進行啟動控制，工藝分別是獨立的日本橫河DCS 控制系統控制3 臺7 700 m3/min 的電動鼓風機組成，兩臺主供風機，一臺備用，在1 號、2 號供風管線上設置了內藏式文丘里用于供風流量的檢測，風機與高爐的對應設計采用三機對二爐的全模式供風。其工藝流程如圖1 所示。

2 鼓風機控制系統

2.1 風系統的主要控制及檢測

2.1.1 吸入風量

通過檢測風機入口喉部差壓，經過吸入壓力、溫度補償計算得出吸入風量。差壓范圍：0～40 kPa，入口壓力范圍：-20～10 kPa，吸入風量：0～9 900 Nm3/min。

2.1.2 管線風量

每臺風機都可以給1 號、2 號高爐供風，在送高爐管道上裝有文丘里裝置測量，經過壓力、溫度補償計算得出管線風量，差壓范圍為0～10 kPa，壓力范圍為0～0.6 MPa，管線風量為0～9 900 Nm3/min。

2.2 靜葉調節控制

靜葉控制有三種模式：定角度、定風壓、定風量。定角度：此模式下操作人員可以直接控制靜葉的開度，此時PID 控制器為“MAN”。定風壓：此模式下操作人員通過改變風機出口風壓設定值，自動調節靜葉的開度，穩定風壓在設定值，此時PID 控制器為“CAS”。定風量的風量設定值有兩種選擇，即“吸入風量”和“管線風量”，根據設定值自動調節靜葉的開度，此時PID控制器為“CAS”[1]。風機靜葉控制回路如圖2 所示。

2.3 鼓風機喘振控制

喘振是當鼓風機進氣量太小時，在葉片的凸面側出現氣流分離的現象，當該情況十分嚴重時，造成鼓風機排氣側壓力降低，如果管網壓力高于鼓風機的排氣壓力，使得鼓風機的排氣流量減少，使得氣流分離加巨，會使鼓風機排氣量為零，甚至為負（送風管網向鼓風機倒流）。管網壓力不是恒定不變，隨著送風管網向高爐熱風爐工藝管線排氣，它的壓力也在下降，當下降到低于鼓風機出口的排氣壓力時，鼓風機就會向送風管網送風，使管網的壓力回升，如果管網風壓還比鼓風機送風壓力高時，又會周而復始的重復上述循環，形成氣流的忽大忽小，忽進忽出的“喘振”[2]。風機工況如圖3 所示。

2.3.1 喘振控制系統

喘振控制采用PID 調節，喘振調節器在機組運行中始終保持自動狀態，利用偏差正負和幅值進行分段函數處理，提高小偏差響應速度，并實現接近喘振快速放風控制，利用手動控制操作器的操作值輸出與調節器輸出進行疊加限幅功能，保持手動操作與調節動作值都在動態值基礎動作，保證喘振控制的啟動及時性。出口風壓由控制系統計算，計算出該壓力下的相應最低流量，作為防喘振的設定點，由入口差壓信號計算出實際流量，該流量與設計點相比較得出偏差信號，這一偏差信號與風壓限制器的輸出進行比較、選擇，使風機進入防喘振控制或進入風壓控制選擇，選擇出的信號經PID 調節后輸出一個信號，對防喘振閥進行控制。

在運行期間，由于葉片、葉輪的腐蝕或堵塞、氣體成分變化等，風機喘振曲線可能改變其位置，由于放風線維持不變，喘振線的移動可能導致發生喘振，因此設計一個放風線移動功能，來增加安全余度，如果測到一個喘振周波，放風線自動移離喘振線。5 us 移動2%，可移動5 次，共10%。如果風壓低于放風線，放風線將停止移動。當喘振線的位置確定后，放風線可通過復位按鈕回到初始值。假如風機運行點快速向喘振線快速移動，防喘振控制系統通過正常的風壓控制功能不能保證風機不發生喘振，因此增加了動態控制和斜坡監視功能模塊，其作用是工況點離喘振線越近，控制放風的速度越快，該功能僅在超過放風線時才開始動作。

風機運行期間，工況點進入放風區域時，防喘振閥開啟，使風壓不再增加，根據風壓變化自動開大或關小防喘振閥。如果運行點進入放風區域而防喘振閥不開啟，則要根據風壓升高情況輸入開啟參數，開啟放風閥，使運行點回到放風線以下。如果防喘振閥關閉的速度太快也可能導致鼓風機發生喘振，因此，防喘振控制的輸出要經過“快開慢關”組件進行變換，即這一功能會對輸出信號的增加（關防喘振閥）進行延時，慢關防喘振閥；對輸出信號的減少（開防喘振閥）不能延時，快開防喘振閥。

2.3.2 風機逆流保護控制

為了加強防喘振保護功能，控制系統設置了逆流保護系統作為防喘振系統的后備保護。獨立的差壓開關（與入口差壓變送器并接在一起）測量鼓風機喉部的壓差。當流量正常是（差壓值大于設定值），差壓開關的接點打開，差壓值低于設定值時，接點閉合，信號送至“防逆流保護系統”。

防逆流保護系統由“三級”保護構成：第一級，逆流報警。有逆流信號出現，機組發出“喘振”的聲光報警，同時計數器計下一次“喘振”，計時器開始計時。此時，防喘振系統起調節保護作用。第二級，機組進入“自保運行”。若逆流信號持續3 s（計時器來計時），或在20 s 內有出現第二個逆流信號（計數器來計數，20 s 后計數器自動復位），機組進入“自保運行方式”，并有“逆流”聲光報警。此時防喘振閥的電磁閥斷電，使防喘振閥全開；送風逆止閥上的電磁閥斷電，通過空壓氣汽缸將送風逆止閥關閉。第三級，機組進入“緊急停機”。在機組進入“自保運行”的8 s 內，若逆流信號仍不消失，機組將發出“緊急停機報警，自動跳閘”。造成逆流信號持續部消失的原因可能有：防喘振閥故障，雖然防喘振電磁閥動作，但防喘振閥不能打開，或防喘振閥全開，送風逆止閥未關閉，仍有逆流發生等。除非防喘振閥故障不能打開，在機組進入第二階段“自保運行”時，系統能非常可靠迅速地將防喘振閥緊急全開，從而消除喘振，不致引起緊急自動跳閘[3]。

防逆流是監控保護系統，而不是調節系統，它實質上是防喘振的后備保護，只有當防喘振無效時才發揮作用。為此在設置系統時，防逆流和防喘振系統分開，判斷是否發生逆流是由喉口壓力開關來判斷的，防喘振系統則是由喉口壓差變送器來工作判斷的。防逆流系統動作后，引起的后果是非常嚴重的，輕則“自保運行”（對工藝系統來說，就相當于停機），重則“緊急停機”。但防逆流保護對機組的安全極為重要，因此防逆流保護系統動作是否準確可靠非常重要。

3 結語

鼓風機是大型的旋轉設備，有其固有的復雜的控制邏輯，控制程序又是鼓風機專業廠家成套編制，對于日常維護人員消化吸收有很大難度，在日常工作中，我們也發生過喘振控制滯后機組放風；風機工況距喘振線太近，被迫放風閥開一定角度造成放風浪費，嚴重影響了高爐穩定順行等許多問題，還需要在今后生產工作中不斷去完善優化其控制系統。