CN101545495A - 鼓风机的防喘振控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鼓风机的防喘振控制装置，包括：传感器模块，标准流量转换模块，动态防喘振控制模块，防喘振调节器，执行机构。本发明还公开了一种防喘振控制方法，包括以下步骤：第1步、测量入口的温度、压力及出口处的压力；第2步、将入口的流量转换为标准状态的流量；第3步、根据入口处的温度、压力和静态防喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线；第4步、根据动态防喘振控制曲线，查出转换后的标准状态的流量对应的防喘振控制压力，当出口处的压力等于或大于防喘振控制压力时，输出防喘振控制信号；第5步、根据防喘振控制信号控制鼓风机工作的正常运行点。本发明建立动态防喘振控制曲线，实现不同环境温度及压力状态下的防喘振控制。

Description

鼓风机的防喘振控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种鼓风机控制装置，具体涉及一种超大容量的鼓风机防喘振控制装置。本发明还涉及一种上述装置的控制方法。

背景技术

高炉鼓风是直接为高炉生产服务的，并接受高炉的指令进行送风、送氧、脱湿等作业。鼓风机运行参数中分两部分，一部分是由高炉给出的指令性参数，如风量、氧量、湿度；另部分运行参数是鼓风机组安全运转必须的，如风压、润滑油压力等。

如图1所示是鼓风机的系统原理图，空气经空气过滤器送入脱湿器，然后经过吸入阀氧混合器进入鼓风机，这里鼓风机为静叶可调式，不同静叶角度可以对应不同风量-压力特性曲线，空气在鼓风机中增压后经逆止阀、防阻塞阀、吐出阀后向高炉送风，当鼓风机运行点触到防喘振线后，防喘振控制调节器激活，放风阀根据防喘振控制调节器输出控制信号MV确定放风阀开度，放风运行，最终使得鼓风机运行点远离防喘振控制线回到安全区域。

高炉正常生产是以风量为基准，高炉在定风量操作状态下，风压将随炉内物料的状态而变化，炉况的好坏将决定风压大小。根据轴流式风机固有特性，当鼓风流量低于某一极限值以后(对于某一风压)，运转将不稳定。这时，鼓风机的转子受到周期性的交变负荷，鼓风机静叶应力增加，严重时会轴向窜动，烧坏轴瓦打碎叶片，机体的这种强烈振动称为喘振。鼓风机在给定的吸气条件下，通过第一级的气流速度达到音速时，第一级流量不随压差增加而增加，这一现象叫初级阻塞。同理在末级，排气压力降低时，气流因膨胀流速超过音速，发生末级阻塞现象。风机产生阻塞时的流量-压力各点的连线叫阻塞线，阻塞时，叶片前后压差很大，影响鼓风机安全运行。对于运行人员而言必须严格监控风压处于安全区域。

根据这一特性，对鼓风机的防喘振控制功能设计了紧急开放线、防喘振控制线、防喘振接近线和防阻塞控制线，如图2所示，控制鼓风机输出功率的措施是调节风机入口处的静叶角度，每一角度对应一条风量-吐出压力的静态特性曲线，对同一条特性曲线，风量向减少方向移动，吐出压力达到一个临界点时，将发生喘振。不同静叶角度的临界点连成的曲线叫做喘振曲线。以喘振线为界，左上方为风机的喘振区，右下方为非喘振区。图上同样标出了阻塞线和防阻塞线。

如图3为防喘振工艺设置示意图，横坐标为风量，纵坐标为压力，图中有5根线，自上而下分被叫做：喘振线、紧急开放线、防喘振控制线、防喘振接近线和防阻塞线，其中防喘振接近线和防阻塞线之间的区域叫做安全区域，鼓风机正常工作运行点应落在安全区域内。喘振线是由鼓风机设计制造厂根据(在一组温度压力参数下)试验和理论计算确定的，线上的每一点表示在对应横坐标值的流量下发生喘振的压力。防喘振控制线是用于防喘振控制功能的，线上的每一点表示在对应横坐标值的流量下防喘振控制功能起作用、放风阀开始打开所对应的压力，此时放风阀开度由防喘振控制输出MV的值来确定。紧急开放线基于防喘振控制线设定，当鼓风机运行点工况达到或超过这根线时，防喘振控制器无需计算直接输出一个足够大的放风阀开度指令。防喘振接近线基于防喘振控制线设定，当鼓风机运行点工况达到或超过这根线时，防喘振控制系统会输出一个报警信号，提醒运行人员注意风机运行已经接近一个危险区域，运行人员一般采用手动放风使运行点重新回到安全区域。防阻塞线是基于阻塞线的一根防阻塞控制线，线上的每一点表示在对应横坐标值的流量下防阻塞控制功能起作用、防阻塞阀开始关闭所对应的压力，此时防阻塞阀关闭程度由防阻塞控制器输出MV的值来确定。

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鼓风机控制中的最重要一环，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。

由于高炉生产需要一定质量的风量，对于以同步电机为动力的全静叶可调风机来说，鼓风机喘振曲线为不同静叶角度下喘振点的集合。鼓风机不同静叶角度对应不同实测流量-压力特性曲线，每一条实测流量-压力特性曲线对应一个喘振状态起始点。以实测容积流量为横坐标，压力为纵坐标、静叶角度为参变量可以绘制出鼓风机喘振曲线。由于服务于高炉的需要，高炉一般在定风量模式运行，相应坐标需要使用以工程上通用的参考压力、参考温度条件下计算得到的流量-压力坐标，相应不同温度压力状态下的实测流量喘振曲线需要转化为在参考压力、参考温度条件下的喘振曲线，这就意味着在参考压力、参考温度条件下在流量-压力坐标图上的喘振曲线会随着外界温度压力的变化而变化，所谓防喘振控制就是在风机运行点达到喘振曲线之前鼓风机控制系统就采取相应动作，使运行点远离喘振曲线，即风机远离喘振状态，如何才能做到这一点那？工程上一般采用一根低于喘振曲线的多段折线作为防喘振控制设定值来处理，目前采用的这根防喘振控制设定值多段折线是静态的，即不随温度、压力状态变化而变化的，生产实践表明这条防喘振控制线适应不同季节不同外部环境，所以我们可以认为这是一条最保守的防喘振控制线，是适应最恶劣条件的防喘振控制线，根据鼓风机运行特性，冬天防喘振形势最为严峻。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种鼓风机的防喘振控制装置，它可以建立动态的防喘振曲线，实现适应各个温度和气压环境下的防喘振控制。为此，本发明还要提供一种上述装置的防喘振控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的鼓风机的防喘振控制装置包括：

传感器模块，用于测量入口处的温度、压力、流量及出口处的压力；

标准流量转换模块，用于将入口气体流量转换为标准状态的流量；

动态防喘振控制模块，用于根据入口处的温度、压力、流量和鼓风机的静态防喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线，然后根据转换后的标准状态的流量得出防喘振控制压力，输入到防喘振调节器进行控制；

防喘振调节器，用于根据动态的防喘振控制压力和传感器模块输入的出口处的压力输出防喘振控制信号；

执行机构，用于根据防喘振调节器输出的防喘振控制信号调节鼓风机工作的正常运行点。

本发明利用上述装置的防喘振控制方法包括以下步骤：

第1步、测量入口处的温度、压力、流量及出口处的压力；

第2步、将入口的流量转换为标准状态的流量；

第3步、根据入口处的温度、压力、流量和鼓风机的静态防喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线；

第4步、根据动态防喘振控制曲线，查出转换后的标准状态的流量对应的防喘振控制压力，当出口处的压力等于或大于防喘振控制压力时，输出防喘振控制信号；

第5步、根据防喘振控制信号控制鼓风机工作的正常运行点。

因为本发明用建立动态防喘振控制曲线的方法，实现不同环境温度及压力状态下的防喘振控制，可以满足鼓风机在高位安全运行，为高炉增加产能提供了必备条件。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是鼓风机防喘振控制原理图；

图2是鼓风机特性曲线示意图；

图3是防喘振工艺设置曲线示意图

图4是本发明的防喘振控制系统图。

具体实施方式

静态防喘振控制线是不随温度压力参数变化而变化，考察喘振发生的物理实质，喘振线是由以测量风量为横坐标，压力为纵坐标，静叶角度为参变量得出的压力-测量风量特性曲线上喘振点集合构成的一条曲线，由于高炉要求的定风量是指在参考温度、参考压力下的一定量的风量即标准风量，所以实际运行点风量显示在监控图上是经过温度压力处理后的标准风量，相应显示在运行监控图上防喘振控制曲线也应该是原始防喘振控制线横坐标经修正变换为参考温度、参考压力下的风量后修正得到的曲线，实践表明原先基于静态防喘振控制曲线的防喘振控制系统能很好地满足防喘振控制的需要，我们按照物理本质经温度、压力补偿公式处理后可以得到动态防喘振控制曲线。基于这个动态防喘振线的防喘振控制方法无疑是一种精确的控制方法。以前由于种种原因，防喘振曲线是以某一温度压力下的曲线来表示，是不随温度压力状态变化的，这种比较粗放的防喘振控制做法在越来越重视效率、节能的今天越来越显得不合时宜，我们这种动态控制方案及时弥补了这一缺憾。另外我们基于这一思路完成的软件产品在段的定义上对用户是开放的，方便用户在他们认为的关键区域细分控制区间，实现精细化控制。

对于基于静态防喘振控制曲线生成动态防喘振控制曲线，我们可以这样理解，当不对运行点进行压力温度补偿的时候，喘振线是由以测量风量为横坐标，压力为纵坐标，静叶角度为参变量得出的压力-测量风量特性曲线上喘振点集合构成的一条曲线，我把这条曲线叫做测量坐标系曲线，测量运行点是在本曲线安全区域内运行。由于高炉要求定风量，要求显示在运行画面上的运行点是经温度压力补偿为标准状态(标态T_标＝20℃，P_标＝98.07KPa)的风量，也就是说我们要在标准坐标系中观察这个点，相应地喘振线也要由测量坐标系转化到标准坐标系中，同样的标准风量在不同外界条件，对应不同测量流量，也就对应不同喘振压力，我们取测量风量变化最大的情况(夏季和冬季)，在测量坐标系中查得这个两个测量风量对应压力的差值，那么在标准坐标系中，以上述测量风量补偿后的标准风量为横坐标，以在测量坐标系中测得的压力差值为纵坐标变量，这个纵坐标变量就是我们动态防喘振控制线的变化范围。也就是我们动态防喘振控制方案的要点所在。

根据上述特性，对鼓风机的防喘振控制功能设计了紧急开放线、防喘振控制线、防喘振接近线和防阻塞控制线，可根据温度、压力的变化而变化，实现动态控制。防喘振控制系统保证鼓风机运行工况点处于喘振报警线和防阻塞线之间的安全区域。

如图4所示，本发明的鼓风机的防喘振控制装置包括：传感器模块，用于测量入口处的温度、压力、流量及出口处的压力；标准流量转换模块，用于将入口气体流量转换为标准状态的流量；动态防喘振控制模块，用于根据入口处的温度、压力、流量和鼓风机的静态防喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线，然后根据转换后的标准状态的流量得出防喘振控制压力，输入到防喘振调节器进行控制；防喘振调节器，用于根据动态的防喘振控制压力和传感器模块输入的出口处的压力输出防喘振控制信号；执行机构，用于根据防喘振调节器输出的防喘振控制信号调节鼓风机工作的正常运行点。吸入口流量、压力和温度经处理变为标准流量，标准流量在动态防喘振发生函数(本发明内容)中生成风机出口压力防喘振设定值P′_SV，这个设定值P′_SV与风机出口压力测量值P_OPV构成偏差输入防喘振调节器，然后生成输出控制信号MV′控制放风阀开度达到防喘振控制的目的。

下面结合具体实施例对本发明的防喘振控制方法进一步说明，背景技术中已分析，静态线可以看做在最恶劣条件下得出的，这里取冬季平均条件，温度年平均0.2℃，压力年平均102.54KPa，我们这里计算比较采用静态防喘振控制线控制系统的动作压力和采用动态防喘振控制线控制系统的动作压力，从而明确得出由于采用动态防喘振控制线，鼓风机运行范围扩大，鼓风机放风运行工况减少的结论。

第1步、假设当前的工作环境为夏季，测量入口处的温度T＝29.8℃、压力P＝100.054KPa、及出口处的压力P_opv。

第2步、将入口的流量转换为标准状态(20℃，)的流量，且定风量运行，假设定风量为5700m³/h，即Q_定＝5700m³/h。

第3步、根据入口处的温度、压力和鼓风机的静态防喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线。

第3.1步、取静态防喘振曲线上的多个点，记录各点的横坐标流量值，所取的点数越多，则计算出的动态防喘振曲线越精确，且所取多个点的流量值范围必须包括第2步入口处的流量转换为标准状态的流量值(本实施例中即5700m³/h)，例如取Q_静分别为4000m³/h、5500m³/h、7000m³/h、10000m³/h。

第3.2步、根据如下公式计算各点校正后的流量值Q_校正：

其中，Q_静态为第3.1步记录的各流量值(4000m³/h、5500m³/h、7000m³/h、10000m³/h)，P为入口处的压力(P＝100.54KPa)，T为入口处的温度(T＝29.8℃)，P_b为冬季的平均压力值(一般根据地理位置的差异为102KPa到103KPa，本实施例中取P_b＝102.54KPa)，T_b为冬季的平均温度值(一般根据地理位置的差异为-10℃到5℃，本实施例中取T_b＝0.2℃)。

则可以得到如下表一所对应的Q_校正。

表一

 

Q静(m3/h)	Q校正(m3/h)
		4000	4252
5500	5847
		7000	7442
10000	10631

第3.3步、根据第3.2步得到的各校正后的流量值，查找并记录其在静态防喘振曲线中对应的喘振压力；

表二

 

Q校正(m3/h)	P(MPa)
		4252	0.22
5847	0.42
		7442	0.50
10631	0.51

第3.4步、如下表三所示，以第3.1步中Q_静各点的流量值为横坐标，以第3.3步中校正后流量值对应的喘振压力P为纵坐标，确立动态防喘振控制曲线上的坐标点(Q_动，P)，并用直线段连接各坐标点，得到动态防喘振控制曲线。

表三

 

Q动(m3/h)	P(MPa)
		4000	0.22
5500	0.42
		7000	0.50
10000	0.51

第4步、根据动态防喘振控制曲线，计算出转换后的标准状态的流量值Q_定＝5700m³/h对应的防喘振控制压力P′_SV＝0.43，当出口处的压力P_opv等于或大于防喘振控制压力P′_SV＝0.43时，则输出防喘振控制信号。

第5步、根据防喘振控制信号控制执行机构(放风阀的开度)放风，使鼓风机工作在正常运行点中。

大型高炉大修后都不同程度存在扩容问题，如何挖掘高炉扩容后产能毫无疑问会涉及鼓风机扩大风量运行问题，鼓风机在大风量下运行的安全性是制约因素，考虑到安全运行首要的也是主要的问题是防喘振问题，因为风机在大风量下发生喘振造成的危害远远大于小风量情况，本发明的动态多段线性防喘振控制方法能根据风机运行工况及时修正不同温度压力下的防喘振曲线(计算表明温度影响较外界大气压力对风量修正的影响大很多，因为一般一年四季温度有较明显变化，大气压力变化不明显，所以这里对风量的修正有时候只提温度修正)，在敏感风量区间以多段线性方式细化防喘振控制曲线，使防喘振控制线具备适应环境变化的优良特性，具有一定的应用前景和经济环保效益。

以某大型钢厂高炉为例，大修前炉容4063m³，大修扩容后为4800m³，在扩容后如果利用本方法使高鼓风机运行范围增加(夏季)20KPa，运行范围扩大百分比约为4％，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)，实用送风出力增加约8％，为高炉挖潜增产提供了支撑，正常每天产铁9600吨，如果增产3％(保守估计)，则每天增加产量288吨，按吨铁利润500元计算，通过应用这项技术可使本高炉每月增产效益432万。

Claims (5)

1、一种鼓风机的防喘振控制装置；其特征在于，包括：

传感器模块，用于测量入口处的温度、压力、流量及出口处的压力；

标准流量转换模块，用于将入口气体流量转换为标准状态的流量；

动态防喘振控制模块，用于根据所述入口处的温度、压力和所述鼓风机的静态防喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线，然后根据转换后的标准状态的流量得出防喘振控制压力，输入到防喘振调节器进行控制；

防喘振调节器，用于根据所述动态的防喘振控制压力和所述传感器模块输入的出口处的压力输出防喘振控制信号；

执行机构，用于根据所述防喘振调节器输出的防喘振控制信号调节所述鼓风机工作的正常运行点。

2、一种鼓风机的防喘振控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第1步、测量入口处的温度、压力及出口处的压力；

第2步、将入口的流量转换为标准状态的流量；

第3步、根据所述入口处的温度、压力和所述鼓风机的静态防喘振控制曲线，计算动态防喘振控制曲线；

第4步、根据动态防喘振控制曲线，查出转换后的标准状态的流量对应的防喘振控制压力，当所述出口处的压力等于或大于防喘振控制压力时，输出防喘振控制信号；

第5步、根据防喘振控制信号控制所述鼓风机工作的正常运行点。

3、如权利要求2所述的鼓风机的防喘振控制方法，其特征在于，第3步所述计算动态防喘振控制曲线包括如下步骤：

第3.1步、取静态防喘振曲线上的多个点，记录各点的横坐标流量值；

第3.2步、根据如下公式计算各点校正后的流量值Q_校正：

其中，Q_静态为第3.1步记录的各流量值，P为所述入口处的压力，T为所述入口处的温度，P_b为冬季的平均压力值，T_b为冬季的平均温度值；

第3.3步、根据第3.2步得到的各校正后的流量值，记录静态防喘振曲线中各点对应的喘振压力；

第3.4步、以第3.1步所记录的各点的流量值为横坐标，以第3.3步记录的补正后的流量值对应的喘振压力为纵坐标，连接出包含各点的动态防喘振控制曲线。

4、如权利要求3所述的鼓风机的防喘振控制方法，其特征在于，第3.1步中所取的多个点的流量值范围包括第2步所述入口处的流量转换为标准状态的流量值。

5、如权利要求3所述的鼓风机的防喘振控制方法，其特征在于，第3.2中所述P_b的范围为：102KPa到103KPa，所述T_b的范围为-10℃到5℃。

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