高炉风机防喘振先进控制技术

高炉风机防喘振先进控制技术高炉鼓风机是炼铁过程中的核心动力设备，对于整个钢铁企业而言，鼓风机的运行状态与企业的产量、效益、安全息息相关，防喘振控制作为高炉风机控制中最重要的一环，其控制效果完善与否，在很大程度上决定了能否充分发挥鼓风机的潜能，为高炉提供一个安全、稳定、高效的风源，保证高炉达到理想的利用系数。

一、目前在炼铁行业高炉风机防喘振控制技术中普遍存在的问题1．“保风机”与“保高炉”之间的矛盾：在防喘振控制回路中，由于缺少完备的数学算法，在工况点接近喘振线时，“保风机”和“保高炉”往往成为一对不可调和的矛盾。

防喘振动作的速度主要由调节器的增益值来决定，在调试过程中，往往对增益值如何设定感到两为其难：如增大数值，防喘振阀在动作时打开得过快、过大势必会产生较大的流量和压力波动，这种波动是高炉正常生产中无法接受的。

如减小数值，又不能保证在工况点上升较快的情况下保证风机不进入喘振区。

产生这一矛盾根本的原因是防喘振控制回路设计的出发点是保护风机本体，对如何在保护风机的同时又保护高炉的正常生产缺少必要的考虑。

目前普遍应用的防喘振控制效果的现实情况是：一旦工况点越过防喘振线，防喘振阀进行调节动作，工况点在2~3秒钟内由接近喘振区域被向下拉至距离防喘线以下，风机出口压力的波动至少会超过40kPa，在高炉憋压比较突然的情况下，压力的波动甚至可能达到100~150kPa，这样幅度的波动远远超过了高炉操作所允许的范围。

一般来说，导致来自高炉的阻力增大、风机工况接近喘振线的原因可能是以下几种：在热风炉切换的过程中操作不慎、高炉炉料下落、炉顶煤气压力控制不稳等，这些原因都可能导致炉料料层透气性下降、高炉工况恶化。

从维持高炉工况的角度出发，在这种情况下，最需要的就是高炉风机能够保证稳定的送风压力，使高炉工况得以好转，而由于防喘振控制的局限性，往往恰是在这一时候，供风压力最不稳定，导致和加剧了高炉座料，而高炉工况一旦变坏后往往需要几天的时间才能逐渐恢复，由此给炼铁企业造成巨大的经济损失。

2．AV系列轴流风机尚未发挥出最大效益：由于目前普遍应用的防喘振控制过分侧重于风机本身，使AV（静叶可调式）系列轴流风机无法在最大工况点上稳定工作。

工况点一旦达到或越过防喘振线，防喘阀就会在调节器的作用下开启，风机排气压力大幅下降，如不进行人工干预，会形成振荡性的波动，给高炉带来不良影响。

为避免这种情况的发生，在风机运行中工况点必须与防喘线保持一定的间距，尤其是在高炉工况不太稳定时，这个间距更是必须保持得大一些。

以AV40-11风机为例，在大静叶角度下，防喘线基本上趋近于水平线，高度约为0.26Mpa，但实际运行操作中，顾忌到防喘振阀一旦动作可能造成的不良影响，风压最多加至0.24Mpa后，就不能再继续加大静叶角度，提高风机出力。

从理论上说，风机排气压力还可再提高0.02Mpa，相当于提高8.3%。

由于风机的出力（送风功率）与排气压力的平方成正比（风机的流量随着排气压力同时增加），风机的送风功率至少还有17.3%的提升空间。

如果能有效加以利用，对充分挖掘高炉的生产潜力，大幅度提高产量将起到很大的促进作用。

二、防喘振控制软件优化后的控制效果为解决上述问题，就需要有更加先进的防喘振控制软件和响应快、精度高的控制系统和防喘振阀，在控制回路的设计上，必须充分考虑到高炉工艺对防喘振的需要，保证高炉的稳产、高产，同时绝对保证机组的安全。

由此对防喘振控制的效果提出了两点新的要求：1．工况点在达到防喘振线时的稳定性：通过建立与各种型号轴流风机、不同口径的防喘振阀相匹配的数学模型，利用合理的计算方法和投运过程中进一步的参数优化，达到稳定的控制效果。

简而言之，当工况点达到防喘线后，随着来自工艺的阻力进一步增加，防喘阀自动增加开度，如来自工艺的阻力降低，则防喘阀自动关闭，但在这一过程中，无论来自工艺的阻力和防喘振阀开度如何变化，风机工况点始终应被“钉”在防喘振线上，并保持稳定，风机排气压力没有上下窜动的振荡，因而无需人工做任何干预使其工况点必须离开防喘线。

2．控制响应的敏捷性：为保证轴流风机在各种工作状态下的绝对安全，防喘振控制在保证稳定的同时，还要保证在工况快速变化时的敏捷性。

如果由于某种原因，造成来自工艺管网的送风阻力突然快速增加（例如，在风机正常大负荷送风时高炉误操作关闭了一个送风管道上的阀门），防喘振控制必须具备足够的响应速度确保风机不进入喘振区。

三、防喘振控制软件的应用价值及效益防喘振控制软件的实用价值体现在以下四个方面：1． AV系列轴流风机工作工况范围扩大5~10%，实用最大送风功率增加15%~21%的提升空间，从而为高炉挖掘增产潜力创造了可能。

以AV40-11轴流风机为例，配套380m3高炉，正常产量每天约1100~1200吨生铁，如果增产5%（按保守估计），则每天增加的产量为60吨，按吨铁利润500元计算，通过应用这项技术可使一座380m3高炉每月增加效益达百万元。

下图为防喘振控制软件未优化和优化后的轴流风机实用工况范围示意图。

控制效果未经优化的AV轴流压缩机实用工作范围防喘振经过优化后的AV轴流压缩机实用工作范围2．可以做到“即防风机喘振，又防高炉座料”。

由于优化后的控制效果在进行防喘振调节的同时保证了送风压力的稳定性，对高炉风源的稳定不产生影响，彻底解决了“保风机”和“保高炉”之间的矛盾，而不再是仅仅通过PID增益参数的调整，在这一对矛盾中寻求折中点。

这一功能是高炉风机防喘振控制的一大进步，具有很高的实用价值。

高炉生产过程中炉料的正常下降和料柱的透气性能良好是保证高炉高产的重要条件，而将这一连续生产过程维持在最佳状态主要依赖于高炉煤气沿着料柱自下而上始终保持均匀、稳定的压降梯度，以及料层在一定程度上的透气性自我调节作用。

高炉风口稳定的供风压力，是维持高炉内部物料平衡的前提条件，一旦这一平衡遭到破坏，则需要长时间的努力才能逐渐好转，高炉的产量无法在短时间内恢复至正常水平，从而造成的巨大的效益损失甚至设备事故。

对防喘振控制系统进行优化，为高炉的长期稳定高产提供了有力的保障。

3．更好地发挥AV系列轴流风机的节能潜力。

AV（全部静叶角度可调式）轴流风机与非静叶可调式或离心式风机相比较，最重要的优势就是可以根据工艺的需要，随时调整风机的静叶角度，以改变风机的出力。

在高炉对风量要求不大时，通过减小静叶角度，风机的负荷也随之降低，节能效果十分明显。

然而，在实际操作中，为了使工况点远离防喘线，在风机减负荷时往往是静叶角度还在40度以上，就开始人为打开防喘振阀放风运行。

操作工之所以形成这样的操作习惯是因为如果继续减小静叶角度，工况点会向防喘线斜线方向靠拢，一旦进入防喘振区即造成风机排气压力突降，风机逆止阀关闭，对高炉造成影响。

因此，操作工在低负荷时更习惯用打开放空阀的方法来减低送风流量和压力。

下图为风机减负荷过程的操作过程示意。

AV-40轴流风机低负荷工作时浪费能量的操作方式 AV-40轴流风机低负荷工作时节能的操作方式左图所示的操作方式是：当静叶角度减至45°后，开始手动开启防喘振阀，依靠风机出口风量部分放空来降低送往高炉的风量和压力，同时避免工况点接近防喘线。

右图所示的操作方式是：当静叶角度减至40°后，工况点已经接触防喘振线，这时只需根据高炉的需要，继续减小静叶角度，通过防喘振控制系统稳定和灵敏的调节作用，自动控制放风量的大小，将工况点保持在防喘线以下，无需人工作任何干预。

当高炉需要加风时，只需增加静叶角度即可，防喘阀的开度依然由系统自动控制。

显然，两种操作方式互相比较，后一种具有更加节能的优点。

以电拖AV-40鼓风机为例，当静叶角度=45°，防喘阀开度=30%时，主电机消耗电流约260A。

而在静叶角度=28°的工况下，主电机电流约为130A，比前一种工况下主电机功率降低780KW，按每千瓦时0.5元计算，后一种操作方式每小时节省电费390元。

由此可见，防喘振系统的进一步完善后，操作工可以改变过去在高炉低负荷运行时加风、减风的操作习惯，充分发挥轴流风机静叶可调的优势，达到显著的节能效益。

4．更加有效在保证轴流风机本体的安全。

改进后的防喘振控制软件之所以能达到稳定的控制效果，并不是靠降低调节器的增益，而是通过充分利用PLC控制周期短（毫秒级），响应快的优点，依靠提高控制的敏捷性、实时性，通过更加快速和准确的运算方法来实现。

因此，改进后的防喘振控制软件对于工况点的快速上跃（憋压）有更强的适应能力，在保证高炉稳定生产的同时，更加有效地保证了轴流风机本体的安全。

四、防喘振控制软件在柳钢炼铁厂3#风机的实际应用柳钢炼铁厂3#风机型号为AV40-10，对应2#高炉容积为380m3,最初投运时间2001年4月，PLC采用SIEMENS S7-400系统，防喘振阀为FISHER气动蝶阀。

投运后运行近2年时间，因防喘振控制效果很不理想，曾造成多次供风异常波动，风机进入安全运行、高炉灌渣、堵风口等事故。

经检查，主要是防喘振控制回路设计不合理，工况点一旦进入防喘区，为了使风机尽快远离喘振线，动作幅度过大，造成高炉供风异常中断。

为了避免此类事故再次发生，用户不得不在操作时使工况点尽量远离喘振线，风机最大排气压力被人为限制在0.2Mpa以下，并被写入3#风机的操作规程，由此造成风机送风流量、压力长期不能满足高炉的生产需要，使2#高炉的产量受到很大影响。

为此，用户决定停机2天，对控制程序及上位软件重新组态，以改善控制效果和方便操作。

在控制软件的改造过程中，通过对控制回路的改进和优化，经现场实测达到了如前文所描述的控制效果，测试方法如下：如上图示，热风炉去向的风机送风阀全关，防喘阀处于自动调节，使用手动控制电动旁路阀来模拟实际运行中高炉工况的各种波动。

测试分别在30°~60°的四个不同静叶角度下进行，测试项目包括以下两项：1.防喘振阀自动调节动作时风机出口压力的波动幅度；2 . 防喘振控制对快速憋压的适应能力和响应速度。

经测试，在风机出口压力的稳定性方面，达到了比较理想的效果，随着手动电动旁路阀在一定范围内的开、关动作（相当于工艺阻力变化），防喘振阀阀位在0%~40%之间灵敏调节，及时地补偿了工艺阻力的各种波动，风机排气压力被始终控制在防喘振线上下10kPa以内的范围，从操作站屏幕上观察，工况点只有微小的“抖动”，而当电动旁路阀动作停止时，工况点随即稳定地“钉”在防喘线上，没有观察到任何往返振荡的现象，说明在稳定性方面已达到了十分理想的控制效果。

在响应速度和防喘能力的测试中，首先将工况点调整至防喘线以下的正常工况范围，然后以最大动作速度全关电动旁路阀（模拟高炉误操作突然关闭送风的极端情况），防喘振阀2~3秒内达到了70%的开度，及时地将工况点从接近喘振的区域拉出，风机未出现喘振。