防喘振优化

高炉轴流风机防喘振先进与优化控制软件APCSoftwareforB.F.AxialBlowerAnti-SurgeControl-1-高炉风机防喘振先进与优化控制应用软件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，高炉鼓风机的稳定运行与高炉的产量、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，其控制效果合理、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，安全、稳定、高效地运行，以保证高炉炉况顺行所必需的风源。一、目前炼铁行业高炉风机防喘振控制技术现状及普遍存在的问题1．“保风机”与“保高炉”之间的矛盾：轴流压缩机防喘振控制的基本原理是根据压缩机在不同静叶角度下的流量与极限排气压力的对应关系，计算出不同工况下的排气压力设定值，当由于工艺阻力过大的增加，实际工况超过设定（接近喘振）时，通过调节防喘振阀，来减小压缩机出口的气体输出阻尼，使工况点回到安全区域，避免喘振可能造成的危害。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过程中无法接受的。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。这一矛盾难以解决的根本原因主要有以下两点：1.从保护工艺和保护风机两个不同角度出发，对防喘振调节动作的速度的要求本身就具有一定的矛盾性；2.轴流风机防喘振控制是以风机内部流量（入口差压）和排气压力为调节对象，二者的变化都具有极强的瞬时性，而信号测量、计算输出、执行机构动作都不可避免会产生一定的时间滞后，在这样一个瞬时性非常强的闭环控制回路里，以滞后的测量信号为计算依据，采用常规的PID运算，很难避免过调和振荡现象。由于这一原因，目前普遍应用的防喘振控制回路设计的出发点基本上都是侧重于保护风机本体，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手段。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防喘线以下，风机出口压力的波动一般会超过30kPa，在高炉憋压比较突然的情况下，压力的波动甚至可能达到100kPa，这样幅度的波动远远超过了高炉正常操作所允许的范围。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的操作错误或故障、高炉料柱透气性不良、炉顶煤气压力控制不稳等，这几种原因本身都可能直接或间接影响到高炉炉况的顺利，从维护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按照生产工艺需要保证稳定的送风流量，使高炉工况得以好转，但是由于防喘振控制的局限性，往往恰是在这一时候，供风压力最难以稳定，导致和加剧了高炉炉况的恶化，甚至发生风口灌渣事故，而高炉工况一旦变坏后往往需要较长的时间才能逐渐恢复，由此给炼铁企业造成了巨大的经济损失。高炉轴流风机防喘振先进与优化控制软件APCSoftwareforB.F.AxialBlowerAnti-SurgeControl-2-2．ACL系列轴流风机尚未发挥出最大的工况范围：由于目前普遍应用的防喘振控制过分侧重于风机本身，ACL（静叶可调式）系列轴流风机无法在最其大工况点上稳定工作。工况点一旦达到或越过防喘振线，防喘阀就会在调节作用下开启，风机排气压力大幅度下降，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ACL40-11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）与排气压力和流量的乘积成正比，考虑到流量的增加，风机的送风功率还有15%以上的提升空间。如果能有效加以利用，适当增加炉顶压力，对合理提高炼铁的冶炼强度，提高产量和降低焦比将起到很大的促进作用。二、防喘振控制优化软件的优化控制设计目标为解决上述问题，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精确调节：通过合理的数学算法来达到稳定的控制。控制效果的稳定性主要体现在以下两点：1.当由于高炉工况突然变化，工况点突破防喘线后，能迅速将工况点控制在防喘线上，而不是大幅度地拉回到防喘线以下，排气压力波动不至于对高炉造成不良影响，没有或仅有很小的过调；2.防喘阀自动调节打开后，在不需人工干预的情况下，工况点可以稳定地控制在防喘线上，不会出现调节振荡现象。简而言之，当工况点达到喘线线后，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，并保持相对稳定，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、防喘振控制优化软件的组成1.轴流风机运行和防喘振控制的数学模型：通过积累大量的实践和试验数据，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，用于控制参数的离线计算；2．控制效果仿真：用于针对不同机组的离线调试和仿真；3．防喘振控制应用功能块软件：模块化软件，用于各种不同PLC平台的实际应用，集成了大量防喘振领域的研究成果和控制经验，其功能即包括温度补偿、变增益计算、防喘振计算、手动控制等常规功能，也包括针对高炉风机防喘振控制需求而特殊设计的滞后预测补偿、回馈计算、交叉限幅、非线性补偿等模块，以期达到最理想的控制效果。高炉轴流风机防喘振先进与优化控制软件APCSoftwareforB.F.AxialBlowerAnti-SurgeControl-3-4．投运工程师在动态调试过程中的进一步参数优化：使控制系统更加适应每一台机组的特殊条件，以保证轴流机组更好地发挥安全、高效、可靠、节能的优势。四、防喘振控制优化软件的应用价值及效益分析防喘振控制软件的实用价值体现在以下四个方面：1．ACL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，从而为更好地适应高炉各种不同工况下的供风需求，挖掘增产潜力创造了可能。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。常规防喘振控制的ACL轴流压缩机实用工作范围应用优化防喘振软件后的ACL轴流压缩机实用工作范围工况范围的扩大有利于炉况顺行全风运行时提供更大的送风功率(增加冶炼强度)，也有利于炉况不顺时的低流量高压操作(逐步改善炉况)。在高炉允许的情况下，可以利用鼓风机最大排气压力的提升来适当增加炉顶压力，提升冶炼强度。根据被广泛应用的在高炉冶炼中炉顶压力与冶炼强度关系的理论公式：（1）如提高炉顶压力前后保持压差不变（料层厚度不变），则：（P风2-P顶2）-（P风1-P顶1）=0P风2=P风1+（P顶2-P顶1）（2）将公式（2）代入公式（1），则：其中Q风1、Q风2——提高顶压前后风量，m3/min;P顶1、P顶2——提高顶压前后炉顶压力，MPa;P风1、P风2——提高顶压前后风压，MPa;P1——提高顶压前后顶压之差，MPa。根据上式计算，炉顶压力每提高0.01MPa，大约可增加风量3%，即可提高冶炼强度3%，亦即在焦比不变的情况下增产3%，而高压操作后，焦比总有所下降，增产效果应略高于3%。高炉轴流风机防喘振先进与优化控制软件APCSoftwareforB.F.AxialBlowerAnti-SurgeControl-4-以ACL40-11轴流风机为例，配套380m3高炉，正常日产量约1100吨，综合冶炼强度的提升和炉况维护的改善，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，通过扩大轴流风机工况范围，合理提高冶炼强度，可使一座380m3高炉每月增效达近百万元。2．可以做到“即防风机喘振，又防高炉崩料”。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风口灌渣等设备事故。对防喘振控制效果的优化，为高炉的长期稳定高产提供了有力的保障。3．更好地发挥ACL系列轴流风机的节能潜力。ACL（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。高炉轴流风机防喘振先进与优化控制软件APCSoftwareforB.F.AxialBlowerAnti-SurgeControl-5-ACL-40轴流风机低负荷工作时浪费能量的操作方式ACL-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ACL-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。防喘振优化控制软件之所以能达到对