高炉供风控制系统研究

王 亮

（河钢集团邯钢公司自动化部，河北 邯郸 056001）

高炉担负着钢铁企业铁水生产的重任，是后续工艺生产的基础，其主要产品是铁水和可作为二次能源的高炉煤气。供风系统是高炉正常生产的前提条件，高炉鼓风机是高炉生产中非常重要的设备，鼓风机将过滤后的空气进行加压输送给高炉，直接给高炉供风，同时还提供动力用于克服高炉内部料柱阻力，使高炉顶压保持在一定合理范围内。

邯钢西区高炉鼓风机采用的是AV90-15 全静叶可调式轴流式鼓风机，是利用可调静叶开度来调节鼓风机的性能参数，鼓风机主要由上下机壳、静片承缸、调节缸、转子、转子密封、轴承箱、轴承、扩压器和平衡管等部件组成。邯钢西区两座3 200 m3高炉供风系统由ABB 公司的AC800 控制一拖三进行启动控制，工艺分别是独立的日本横河DCS 控制系统控制3 台7 700 m3/min 的电动鼓风机组成，两台主供风机，一台备用，在1 号、2 号供风管线上设置了内藏式文丘里用于供风流量的检测，风机与高炉的对应设计采用三机对二炉的全模式供风。其工艺流程如图1 所示。

2.1.1 吸入风量

通过检测风机入口喉部差压，经过吸入压力、温度补偿计算得出吸入风量。差压范围：0～40 kPa，入口压力范围：-20～10 kPa，吸入风量：0～9 900 Nm3/min。

2.1.2 管线风量

每台风机都可以给1 号、2 号高炉供风，在送高炉管道上装有文丘里装置测量，经过压力、温度补偿计算得出管线风量，差压范围为0～10 kPa，压力范围为0～0.6 MPa，管线风量为0～9 900 Nm3/min。

静叶控制有三种模式：定角度、定风压、定风量。定角度：此模式下操作人员可以直接控制静叶的开度，此时PID 控制器为“MAN”。定风压：此模式下操作人员通过改变风机出口风压设定值，自动调节静叶的开度，稳定风压在设定值，此时PID 控制器为“CAS”。定风量的风量设定值有两种选择，即“吸入风量”和“管线风量”，根据设定值自动调节静叶的开度，此时PID控制器为“CAS”[1]。风机静叶控制回路如图2 所示。

喘振是当鼓风机进气量太小时，在叶片的凸面侧出现气流分离的现象，当该情况十分严重时，造成鼓风机排气侧压力降低，如果管网压力高于鼓风机的排气压力，使得鼓风机的排气流量减少，使得气流分离加巨，会使鼓风机排气量为零，甚至为负（送风管网向鼓风机倒流）。管网压力不是恒定不变，随着送风管网向高炉热风炉工艺管线排气，它的压力也在下降，当下降到低于鼓风机出口的排气压力时，鼓风机就会向送风管网送风，使管网的压力回升，如果管网风压还比鼓风机送风压力高时，又会周而复始的重复上述循环，形成气流的忽大忽小，忽进忽出的“喘振”[2]。风机工况如图3 所示。

2.3.1 喘振控制系统

喘振控制采用PID 调节，喘振调节器在机组运行中始终保持自动状态，利用偏差正负和幅值进行分段函数处理，提高小偏差响应速度，并实现接近喘振快速放风控制，利用手动控制操作器的操作值输出与调节器输出进行叠加限幅功能，保持手动操作与调节动作值都在动态值基础动作，保证喘振控制的启动及时性。出口风压由控制系统计算，计算出该压力下的相应最低流量，作为防喘振的设定点，由入口差压信号计算出实际流量，该流量与设计点相比较得出偏差信号，这一偏差信号与风压限制器的输出进行比较、选择，使风机进入防喘振控制或进入风压控制选择，选择出的信号经PID 调节后输出一个信号，对防喘振阀进行控制。

在运行期间，由于叶片、叶轮的腐蚀或堵塞、气体成分变化等，风机喘振曲线可能改变其位置，由于放风线维持不变，喘振线的移动可能导致发生喘振，因此设计一个放风线移动功能，来增加安全余度，如果测到一个喘振周波，放风线自动移离喘振线。5 us 移动2%，可移动5 次，共10%。如果风压低于放风线，放风线将停止移动。当喘振线的位置确定后，放风线可通过复位按钮回到初始值。假如风机运行点快速向喘振线快速移动，防喘振控制系统通过正常的风压控制功能不能保证风机不发生喘振，因此增加了动态控制和斜坡监视功能模块，其作用是工况点离喘振线越近，控制放风的速度越快，该功能仅在超过放风线时才开始动作。

风机运行期间，工况点进入放风区域时，防喘振阀开启，使风压不再增加，根据风压变化自动开大或关小防喘振阀。如果运行点进入放风区域而防喘振阀不开启，则要根据风压升高情况输入开启参数，开启放风阀，使运行点回到放风线以下。如果防喘振阀关闭的速度太快也可能导致鼓风机发生喘振，因此，防喘振控制的输出要经过“快开慢关”组件进行变换，即这一功能会对输出信号的增加（关防喘振阀）进行延时，慢关防喘振阀；对输出信号的减少（开防喘振阀）不能延时，快开防喘振阀。

2.3.2 风机逆流保护控制

为了加强防喘振保护功能，控制系统设置了逆流保护系统作为防喘振系统的后备保护。独立的差压开关（与入口差压变送器并接在一起）测量鼓风机喉部的压差。当流量正常是（差压值大于设定值），差压开关的接点打开，差压值低于设定值时，接点闭合，信号送至“防逆流保护系统”。

防逆流保护系统由“三级”保护构成：第一级，逆流报警。有逆流信号出现，机组发出“喘振”的声光报警，同时计数器计下一次“喘振”，计时器开始计时。此时，防喘振系统起调节保护作用。第二级，机组进入“自保运行”。若逆流信号持续3 s（计时器来计时），或在20 s 内有出现第二个逆流信号（计数器来计数，20 s 后计数器自动复位），机组进入“自保运行方式”，并有“逆流”声光报警。此时防喘振阀的电磁阀断电，使防喘振阀全开；送风逆止阀上的电磁阀断电，通过空压气汽缸将送风逆止阀关闭。第三级，机组进入“紧急停机”。在机组进入“自保运行”的8 s 内，若逆流信号仍不消失，机组将发出“紧急停机报警，自动跳闸”。造成逆流信号持续部消失的原因可能有：防喘振阀故障，虽然防喘振电磁阀动作，但防喘振阀不能打开，或防喘振阀全开，送风逆止阀未关闭，仍有逆流发生等。除非防喘振阀故障不能打开，在机组进入第二阶段“自保运行”时，系统能非常可靠迅速地将防喘振阀紧急全开，从而消除喘振，不致引起紧急自动跳闸[3]。

防逆流是监控保护系统，而不是调节系统，它实质上是防喘振的后备保护，只有当防喘振无效时才发挥作用。为此在设置系统时，防逆流和防喘振系统分开，判断是否发生逆流是由喉口压力开关来判断的，防喘振系统则是由喉口压差变送器来工作判断的。防逆流系统动作后，引起的后果是非常严重的，轻则“自保运行”（对工艺系统来说，就相当于停机），重则“紧急停机”。但防逆流保护对机组的安全极为重要，因此防逆流保护系统动作是否准确可靠非常重要。

鼓风机是大型的旋转设备，有其固有的复杂的控制逻辑，控制程序又是鼓风机专业厂家成套编制，对于日常维护人员消化吸收有很大难度，在日常工作中，我们也发生过喘振控制滞后机组放风；风机工况距喘振线太近，被迫放风阀开一定角度造成放风浪费，严重影响了高炉稳定顺行等许多问题，还需要在今后生产工作中不断去完善优化其控制系统。