高炉风机防喘振优化控制方案设计与实现.pdf

西 安 工 程 大 学 学 报 J o u r n a l o f Xi ’ a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y 第 2 2卷第 6 期 总 9 4 期 2 0 0 8年 1 2月 Vo 1 ． 2 2 ， No ． 6 S u m． N o ． 9 4 文章编号 1 6 7 l 一 8 5 o x 2 o 0 8 0 6 0 7 5 5 0 4 高炉风机防喘振优化控制方案设计与实现 王延年 ， 苏 平 ， 赵 莹 西安工程大学 电子信息学院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 摘要 结合 高炉风 机具 体 的应 用 实例 ， 使 用西 门子 S 7 4 0 0 H 系列 P L C 实现 对 高炉风 机 防喘振 控制 系统的设计． 由于喘振现象对高炉风机的安全、 高效运行起着非常重要 的作用， 因此防喘振 控 制方案 的优 劣成 为 实现 高炉风机 自动控制 的关键技 术之 一． 本 文介 绍 的优 化 防喘振 控制 方案 有效的解决 了传统方案中调节快速性和能量损失大的矛盾． 关键 词 P L C； 高炉风 机 ； 防喘振控 制 系统； 防喘振 线 中图分类号 TP 2 7 3 文献标 识码 A 高炉轴流风机因其具有大流量 、 高效率等诸多优点而被广泛应用于冶金装置中． 为了适应高炉连续可 靠的生产需求 ， 要求风机具有 良好 的处理突发事件的能力． 同时， 高炉风机给高炉送风量的大小， 风压是否 平稳 ， 保护措施是否得当， 也直接影响着高炉冶炼的效率和产品质量． 高炉风机的喘振现象始终影响着风 机安全、 稳定的运行， 喘振可能造成高炉停产、 风机毁坏等重大事故 ， 严重时甚至造成高炉报废， 给钢铁企 业造成不可估量的损失． 因此 ， 实现对高炉风机的控制尤其是对喘振的控制就显得尤为重要[ 1 ] ． 目前普遍 采用的防喘振方法基本上可以保证防喘振的快速效果 ， 从而保证了风机的安全运行． 但是快速的防喘振调 节势 必带来大 的风量 、 风压损失 ， 这对 高炉冶炼 有较大 的影 响． 1 高炉风机系统 1 ． 1 工艺流 程 如图 1 所示 ， 空气在经过滤风室以后进入风机． 风机对空气做功以后将其从排风管道排 出， 排风管道 分成 3路分别通 向防喘振阀、 电动放风阀和主风门． 当机组处于正常的工作情况时 ， 防喘振阀和电动放风 阀都处于关闭状态， 风机排出的空气由主风门通向高炉． 若风机进入喘振状态， 则系统打开防喘振阀进行 放风． 1 。 2 自控 系统 高炉风机 自控系统硬件配置由西门子 S 7 4 0 0 H型 P L C系统和工控机及相关网络设备构成， 如图2所 示． 2台工控机作为操作员站 OS和工程师站 E s ／ O S ， 其中 E S ／ OS站安装 了编程软件 S E T P 7 ， 可根据具体 的工艺编写相对的程序 和人机操作界面软件 WI NC C， 也可根据系统需求进行编程和绘制操作界面． OS 站只安装了 WI N C C， 仅限于操作员使用． OS站、 E S ／ O S站 以及 O S M 与 P L C构成工业 以太网通讯方 式[ 3 ] ． 系统主要特点是实现了控制层网络冗余 、 操作站冗余 、 C P U冗余 、 电源冗余 ， 具有很高的可靠性c 4 ] ． 同时， 系统具有以下功能 1 机组监测对风机运行的各种参数 ， 如进气温度 、 进气压力 、 排气温度、 排气压力 、 送风压力 、 送 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 1 2 通讯作者 王延年 1 9 6 3 一 ， 男 。 吉林省长春市人 ， 西安工程大学教授． E - ma i l w y n n l 1 4 0 5 y a h o o ． t o m． c r l 7 5 6 西安工程大学学报 第 2 2 卷 图 1 高炉风机工艺流程 图 气 图 2系 统硬 件 配 置 图 风流量、 风机和增速箱及电机各点的温度 ， 轴向位移、 振动 ， 润滑油系统， 动力油系统 ， 主电机系统， 风量／ 风 压等进行集中监视 、 记录、 归档并报警． 2 “ 定流量／ 定压力” 控制 “ 定流量／ 定压力” 是指高炉鼓风机控制根据高炉工艺需要而进行的定 流量调节或定压力调节方式． 为保证 2 种状态切换时风机状态不产生剧烈波动 ， 要求 2 种控制方式实行无 扰 动切换． 3 优化的防喘振调节功能 喘振对风机来说是一种危害相当严重的工况． 为高炉担任供风任务 的风机必须严格避免喘振现象的发生． 因此， 必须设置功能齐全、 有效的防喘振调节功能． 4 停机联锁 当发生危及风机安全运行的故障如轴向位移过大、 轴 向振动过大 、 润滑油压过低 、 持 续逆流等现象时必须要有灵敏可靠的停机保护． 5 辅助设备控制 对动力油站 、 润滑油站、 冷却水、 盘车装置等辅助设备的控制． 2 优化防喘振控制方案 2 ． 1 优化防喘振方案 优化防喘振控制的流程如图 3所示． 将风机的喉部差压信号用进气压力和温度信号进行温度压力补 偿， 再将得到的信号用防喘折线函数进行计算 ， 得出的结果就是该工况点下的允许排气压力的上限值 ， 即 第 6期 高炉风机防喘振优化控制方案设计与实现 7 5 7 P I D调节的 S V值 ， 并将排气的测量信号作为 P I D调节的采集值， 即 P V． 根据 S V和 P V差值的大小、 正负 和差值变化率进行可变增益计算． 可变增益同快开、 慢关参数共 同作用决定防喘阀． 由于防喘阀是气关阀， 所 以必须将 P I D调节 的结果 MV和手 动输入值 进行低值选 择 ， 也 就是开 阀优先 ． 如果 风机 处于 闭锁状态 ， 则将全开信号送给防喘阀， 否则将低选结果送给防喘阀进行开度调节． 如果出现停机连锁或机组逆流的情 况， 则开启紧急放空电磁阀将防喘阀打开L 5 ] ． 喉部差删气流量 工况点超限判断 l L _ _ ]一 l 温度 ／ 压力补偿 防喘阀快开设定} l防喘阀慢关设定 捧气压力 防喘线折线计算 最高允许排气压力 进气温度 进 气 压 力 排气压力 差值及变化率计算 H P T I P ID 调 节 P l 二 二二 l P V MV l 防喘阔手动设定值 低选 l 孬 闭 锁 标 志 璺 0 ． 0 - 紧急放空 小阀控制 l l大阀控制 图 3优化 防喘 振控 制 流 程 图 2 ． 2 优化防喘振控制的要点 对于风机防喘振控制而言 ， 其技术上的关键是工况点的运算采集、 防喘 阀的分程控制、 防喘 阀的快开 慢关 、 可变增益 的设定 等． 1 工况点的运算采集根据实际测量的进气流量参数， 经过温度压力补偿后与防喘线参数相比较 计算出正负偏差量及偏差变化率 ， 作为快开慢关调节程序和可变增益控制程序的参数变化依据【 4 ] ． 2 防喘振的分程控制 本系统的防喘振控制系统设置了大小 2 个气动调节式防喘阀， 采用分程控 制． 即 P L C检测到工况点越过防喘振线后发出开阀信号 ， 小 阀先打开 ； 当小阀的开度达到 6 0 时， 工况点 依旧没有降到安全运行区， 这时大阀开始打开 ； 当小阀完全打开时， 大阀也要求完全打开． 采用大小阀分程 控制的好处在于进行防喘振调节时能保证防喘振效果的同时不造成过大的风量和压力损失， 这对提高高 炉效率 至关重要 ． 3 防喘阀的快开慢关 防喘阀采用气动式调节阀， 具有气关特性 ， 并带有紧急放空电磁阀， 以备紧 急情况下快速全部打开防喘阀． 当发生喘振时， 为了立即脱离喘振工况，要求调节器在偏差为正时，送出 较强的信号使放空阀迅速打开． 但放空阀迅速打开后， 喘振现象快速消失， 又会造成调节器偏差为负，使 放空阀立即关小 ， 这样会造成防喘阀振荡性的开闭动作 ， 使系统变得不稳定． 为了避免这种现象， 采取动 态校正功能， 只对正偏差进行动态补偿 ， 不对负偏差进行补偿 ， 在不考虑可变增益变化的情况下可以使防 喘阀打开和关闭的速率相差 1 2倍嘲． 4 可变增益的设定在 比例、 积分运算P I 运算 中，比例参数是动态变化的． 这种动态变化是通 过 l l 段折线算法和变化率计算得到 ， 它是将排气压力减去一定 的人 口喉部差压相对应防喘振线上的允 许排气压力的正偏差值大小，作为坐标的横轴，然后按照一定 的折线得到相应的基准 比例参数 ， 再通过 偏差变化率计算值修正后获得． 偏差值越大 ， 偏差变化率越大， 比例参数值就越大．也就是说，风机的工 况点越过防喘振线以上 ， 越接近喘振线 ，比例参数值就越大． 同时， 工况点上升的速率越大， 比例参数值 也就越大． 在 比例参数值的作用下，控制输出值越大， 防喘振 阀开得就越快 ， 从而使工况点快速地回到安 全区域． 工况点返回安全区域后 ， 由于偏差值为负值， 所以其对防喘阀的关闭动作修正与打开时相反， 即工 7 5 8 西安工程大学学报 第 2 2 卷 况点越远离防喘线 ， 防喘阀关闭越快． 这样就可以保证无论在任何情况下， 在工况点不越过喘振线的同时 也最大限度地降低了在防喘调节时由于防喘阀的打开而形成的大量能量放空． 3 结束 语 本文所述的高炉风机控制系统在某钢铁厂具体使用过程中得到了检验 ， 尤其是防喘振调节方案的设 计， 与传统的方案相 比具有反应灵敏、 调节精确、 风量损失小的特点． 实测数据表明， 在工况点压力等于防 喘振压力并且有继续升高的趋势时， 调节器已经使防喘阀开始打开， 打开速率是动态 自动修正的． 在工况 点压力低 于 防喘振压 力 3 k P a时 ， 防 喘振 阀已经开始 关 闭 ， 避 免 了以往进行 防喘振调 节时送 风压力 损失过 大的情况发生． 既可靠地保护了机组安全 ， 又降低了能量的消耗， 提高了高炉的冶炼品质， 达到了系统设计 的预期指 标． 参 考文献 E l i 乐志成． 轴流式压缩机[ M- I ．北京 机械工业出版社， 1 9 8 0 ． E 2 - i 刘铠． 深入浅 出 S 7 --S E T P 7 F M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 周海． 深人浅 出 WI N C C V 6 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 廖常初 ． 7 --3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术F M- ] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 5 ． [ 5 3 李超俊 ． 轴流式压缩机原理与气动设计[ M] ．北京 机械工业出版社， 1 9 8 7 ． [ 5 3 王延年． 基于 P L C的高炉轴流压缩 机控制系统[ J ] ． 计算机测量与控制 。 2 0 0 6 8 1 0 6 2 - 1 0 6 3 ． Re s e a r c h o n a nt i 。 s u r g e c o n t r o l s y s t e m f o r b l a s t f u r n a c e b l o we r W AN G Yan ni a n， SU Pi n g， ZH AO Yi n g S c h o o l o f El e c t r o n i c s a n d I n f o r ma t i o n 。 Xi a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y 。Xi a n 7 1 0 0 4 8 ． C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e a c t u a l a p p l i c a t i o n o f t h e b l a s t f u r n a c e b l o we r ， t h i s p r o j e c t u s e s t h e s e r i e s o f S i e me n s S 7 4 O O H P LC t o a c h i e v e t h e d e s i g n o f t h e b l a s t f u r n a c e b l o we r S a n t i - s u r g e c o n t r o l s y s t e m．Be c a u s e s u r g e p h e n o me n o n p l a y s a v e r y i mp o r t a n t r o l e i n t h e s a f t y a n d e f f i c i e n c y o f t h e b l a s t f u r n a c e b l o we r ， t h e q u a l i t y o f t h e b l a s t f u r n a c e b l o we r S a n t i s u r g e c o n t r o l s y s t e m b e c o me s o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f t h e a u t o ma t i c c o n t r o 1 ． Th e o p t i mi z e d d e s i g n o f a n t i s u r g e c o n t r o l s y s t e m c a n s o l v e t h e c o n t r a d i c t i o n s b e t we e n r a p i d r e g u l a t i o n a n d l a r g e e n e r g y - l o s s i n t h e t r a d i t i o n a l s y s t e m． Ke y wo r d s PLC； b l a s t f ur n a c e b l o we r ； a n t i s u r g e c on t r o l s y s t e m ；a n t i s u r ge l i n e 编辑 、 校对 武晖 本刊加入“ 万方数据一数字化期刊群“ 的声明 为了实现科技期刊编辑、 出版发行工作的电子化， 推进科技信息交流的网络化进程， 我刊现已入网“ 万 方数据一数字化期刊群” 。所以， 向本刊投稿并被录用的稿件文章 ， 将 由编辑部统一纳人“ 万方数据一数字 化期刊群” ， 进入因特网提供信息服务。凡有不同意者 ， 请改投他刊。本刊所付稿酬包含刊物内容上网服 务报酬 ， 不再另付 。 “ 万方数据～数字化期刊群” 是国家“ 九 五” 重点科技攻关项 目。本刊全文内容按照统一格式制作。 读者可上网查询浏览本刊内容 ， 并征订本刊。 西安工程大学学报 编辑部 2 0 0 8 年 1 1 月 2 5日