CN102072185A - 基于烟尘量计算优化模型的除尘风机节能控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于烟尘量计算优化模型的除尘风机节能控制方法属于电气及相关技术，目的是根据除尘风机的工作特点研究开发与生产工艺工况相适应的控制方法，以尽可能地挖掘其节约电能的潜力，其要点是以除尘风机的工艺设计最大风量为基础，以不同的生产工艺工作状态的烟尘量为变量，研究开发了烟尘量计算优化模型，同时采用烟尘气体流速检测进行反馈控制，根据烟尘量对除尘风机进行动态速度调节，按照烟尘气体流速反馈把握调速深度控制，可充分地挖掘除尘风机节能的潜力，实现除尘风机的较大幅度的节能，可广泛应用于工矿企业新建或改造的除尘风机控制系统，可获得良好的节能效果和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于电气及相关技术。
背景技术
除尘风机是工矿企业工艺设备中的重要设备之一，同时也是工矿企业中功率最大、耗电最多的设备之一。以钢铁厂的转炉系统为例，除尘风机的耗电量约占转炉系统计算负荷的60％左右(不含转炉水处理设施)，如果能采取有效的节能方式，使其达到显著的节能效果，则会使转炉炼钢的综合能耗指标得到明显的改善，并获得良好的经济效益。
目前工矿企业的除尘风机控制方法大多是采用通过控制液力耦合器来控制风机的速度，从而对风量进行调节，也有少量系统配备了交流变频调速装置。这两种风机控制方式虽然都是节能的方法，但由于工矿企业除尘风机的运行工况比较复杂，目前已有的控制系统还没有找到与这种复杂工况相适应的节能优化控制方法，所以速度调节比较粗放，调节结果存在不确定性和不可知性，故其节能的特点还没有、也不可能发挥出来。这类配备了液力耦合器或交流变频调速装置的系统在实际应用中多半是用于改善电动机的启动性能，在启动过程完成后，系统一直工作在恒速运行状态下，也有一些系统是分阶段采取高速、低速控制的方式。高低速控制方式通常应用在除尘系统单一、工况比较简单的情况下，即除尘运行时，风机工作在高速状态，非除尘运行时，风机工作在低速状态，例如钢铁厂转炉一次除尘风机的控制方式。实际上，钢铁厂转炉一次除尘风机的控制方式仅仅是一个特例，主要原因是该除尘气体本身是危险气体，并且是一种可回收利用的气体，所以该除尘系统是完全独立的、单一的系统，故工作状态的分界比较明显，对它的节能控制相对简单。但是，对于以吸收烟尘为对象的除尘系统，当一个除尘系统含有多个除尘用户(烟尘点)时，如转炉二次除尘系统，采取简单的高低速控制会因为调节过于粗放而没有将本来可以节省的电能节省下来；另外，如果除尘风机低速时速度控制不适当，还会发生除尘失败的现象，即烟尘中途降落在除尘管道中，致使除尘系统无法正常工作，这是由于现有除尘系统对速度的调节参数和结果存在不确定性和不可知性所产生的后果。由于诸如此类的原因，目前的除尘风机调速系统不得不留有更大的余量，这也是为什么目前的除尘系统难以取得良好节能效果的主要原因。
有关基于烟尘量计算优化模型的除尘风机节能控制方法目前还未见到公开发表的文献，很值得重点研究开发。
发明内容
本发明的目的是根据除尘风机的工作特点研究开发与生产工艺工况相适应的烟尘量计算优化模型，进而采用交流变频调速装置或液力耦合器调速装置对除尘风机的出口风量进行调节，以尽可能地挖掘其节约电能的潜力。
本发明的要点是以除尘风机的工艺设计最大风量为基础，以不同的生产工艺工作状态的烟尘量为变量，研究开发了烟尘量计算优化模型，同时采用烟尘气体流速检测进行反馈控制，根据烟尘量对除尘风机进行动态速度调节，按照烟尘气体流速反馈把握调速深度控制，可充分地挖掘除尘风机节能的潜力，实现除尘风机的较大幅度的节能，与以往的除尘风机运行结果相比可节能30～70％。
附图说明
附图中1是除尘风机自动化数据采集及处理装置，2是除尘风机速度动态优化控制器，3是交流变频调速装置或液力耦合器调速装置，4是除尘风机电动机，5是除尘管道中烟尘气体流速检测装置。
具体实施方式
除尘风机需排出的烟尘量取决于相关工艺设施运行时产生的烟气量，正确的把握烟尘量是进行除尘风机控制的依据。
以钢铁厂转炉二次除尘为例，转炉二次除尘内容包括转炉本体兑铁水、冶炼、出钢过程中产生的大量含尘烟气；辅原料及铁合金系统各卸料点在运行过程产生的含尘气体；炉后吹氩喂丝产生的含尘烟气等等，这几部分的烟尘和含尘气体统一并入转炉二次除尘系统。其中转炉二次除尘在冶炼时产生的烟气量是按冶炼最大降碳速度和炉役后期最大铁水装入量条件计算的，即烟气量与氧枪吹氧量和冶炼容量有关。实际生产过程中，强吹氧会产生大量喷溅，不利于延长炉衬寿命，所以很少按最大降碳速度进行吹氧，只有在炼钢连铸匹配生产节奏需要缩短冶炼周期时采用；冶炼容量通常也采用额定出钢量，而不是最大出钢量。额定吹氧量约为最大降碳速度时吹氧量的80％，额定出钢量约为最大出钢量的80％，仅考虑这2个因素，烟尘量约有接近40％的变化范围。另外，整个转炉二次除尘系统各除尘点在冶炼过程中没有全部同时工作的可能性，同一时刻仅可能有部分除尘点在工作，即在考虑工作的同时系数时，烟尘发生量肯定比设计最大值低，定性分析这部分的变化范围至少不会低于10％。综合这些因素可以看到转炉二次除尘风机的节能潜力是非常大的，若能根据实际的烟尘量对除尘风机转速进行动态优化调节，则能显著的节省电能。
根据风机特性理论推导，风机电动机的功率正比于风机的风量和风压的乘积。其中风量与风机转速成正比，风压与风机转速平方成正比，故电动机的功率与风机转速的立方成正比。从钢铁厂转炉二次除尘系统的分析结果，若考虑除尘系统常年平均工作在70％最大设计烟尘量时，仅速度变化一项，所需电动机功率将降为额定功率的34.3％，即节能65.7％。以某钢铁厂3座120t转炉的二次除尘系统为例，设计配置2台2400kW转炉二次除尘风机，按节能50％计算，则每年运行300天的节能数据是17280000度电，折合电费约1000多万元(按每度电0.6元计算)。目前全国有100多个类似的大小不一的转炉二次除尘系统，若采用节能优化控制技术，每年将节省的电能可达数十亿度电，其节能效果是相当可观的，但前提是必须要有正确有效的、与生产工艺工况相适应的节能优化控制方法。
此外，根据对除尘系统的分析，除尘管网具有固有的特性，要将烟尘气体排出除尘管网，除尘风机要有产生足够的风压和风量的能力，对风机除尘风量的调节过程中，风压也随之变化。理论上分析，当减小风量时，对于非含尘气体，风量可以连续减小至零，但对于含尘气体，减小风量的程度会受到很大限制，原因在于含尘气体在除尘管网中流动还需要一定的流速，低于某一流速，含尘气体会中途降落，会发生除尘失败的现象，即烟尘中途降落在除尘管道中，致使除尘系统无法正常工作。对于含尘气体的这个特性，目前的除尘自动控制系统还不具备对其进行准确把握的能力。
综合上述分析，由于存在烟尘量的不确定性和烟尘流动的流速限制特性，现有的除尘风机控制系统在实现除尘系统的完全自动控制方面受到了严重制约。针对这些因素，本发明研究开发了基于烟尘量计算优化模型的除尘风机节能控制方法。
首先，研发了烟尘量计算优化模型为下式：
Kref＝Kg*(∑(Qm*Km)+∑(Qv*Kv)+∑(Qf*Kf))/Qt (1)
式中：
Kref 烟尘量计算值优化系数(0～1.0)
Qm 手动阀支管烟尘量工艺设计最大值(Nm3/min)，m＝1，2…n
Qv 调节阀支管烟尘量工艺设计最大值(Nm3/min)，v＝1，2…n
Qf 电动阀支管烟尘量工艺设计最大值(Nm3/min)，f＝1，2…n
Qt 工艺设计总计烟尘量最大值(Nm3/min)
Kg 工程系数(0.8～1.2)
Km 手动阀支管烟尘量系数(0～1.0)，m＝1，2…n
Kv 调节阀支管烟尘量系数(0～1.0)，v＝1，2…n
Kf 电动阀支管烟尘量系数(0或1)，f＝1，2…n
(1)式中，针对一个特定的系统，Qm、Qv、Qf、Qt、Kg、Km均为已知常数，存储在数据库中；Kv、Kf为变量，其中Kf从主工艺控制系统中获得；Kv是与调节阀对应的多个工艺变量的函数，例如钢铁厂转炉二次除尘系统，Kv与转炉实际作业的兑铁水量、吹氧量、冶炼容量有关，其表达式为：
Kv＝∑Kt*(Ti/Tr)+∑Kq*((Qi/Qr)*(Ti/Tr))+∑Kc*(Ci/Cr) (2)
式中：
Ti 兑铁水量(t)，i＝1，2…n
Tr 兑铁水量工艺设计最大值(t)，r＝1，2…n
Qi 吹氧量设定值(Nm3/min)，i＝1，2…n
Qr 吹氧量工艺设计最大值(Nm3/min)，r＝1，2…n
Ci 冶炼容量设定值(t)，i＝1，2…n
Cr 冶炼容量工艺设计最大值(t)，r＝1，2…n
Kt 与兑铁水量有关的加权系数(0～1)
Kq 与吹氧量有关的加权系数(0～1)
Kc 与冶炼容量有关的加权系数(0～1)
(2)式中，Tr、Qr、Cr均为已知常数，存储在数据库中；Ti、Qi、Ci为变量，从主工艺控制系统中获得；Kt、Kq、Kc分别是与兑铁水量、吹氧量、冶炼容量有关的加权系数，离线计算后存储在数据库中。
应该指出(2)式是钢铁厂转炉二次除尘系统的Kv数学模型，也是Kv的通用表达式，所以也适用其它同类除尘系统，只是公式中的参数所代表的含义不同以及影响因素的个数不同。
根据(1)式可得出风机速度设定值表达式：
Vref＝Kref*Vs (3)
式中：
Vref 除尘风机速度设定值(m/min)
Vs 除尘风机速度额定值(m/min)
(3)式中，Vs为已知常数，存储在数据库中。
然后，构建除尘风机节能优化控制系统(见附图)，除尘风机自动化数据采集及处理装置[1]是以计算机工作站为基础组成的信息采集和处理装置，本身建有与生产工艺烟尘量有关的数据库，并且实时从生产工艺主控制系统获取生产运行联锁及有关设备状态信息，根据这些信息及数据库相关数据来确定除尘风机的控制参数；除尘管道中烟尘气体流速检测装置[5]为数字量或模拟量仪表检测装置，实时检测流速信息，并反馈给除尘风机速度动态优化控制器[2]；除尘风机速度动态优化控制器[2]由PLC(可编程序控制器)或同类控制装置构成，根据[1]的控制参数和[5]的流速信息确定交流变频调速装置或液力耦合器调速装置[3]的速度设定值；交流变频调速装置或液力耦合器调速装置[3]根据[2]的速度设定值对除尘风机电动机[4]进行速度调节，对除尘风机风量进行动态控制，实现节能优化控制。
值得指出的是，烟尘量计算优化模型是除尘风机速度动态优化控制器[2]的核心，是以除尘风机的工艺设计最大风量为基础，以不同的生产工艺工作状态的烟尘量为变量研究开发的，它克服了以往除尘系统对除尘风机速度的调节参数和结果存在不确定性和不可知性的缺点，使对除尘风机的速度动态优化控制得以实现。
另外一个重要因素是，设置除尘管道中烟尘气体流速检测装置[5]的作用是实时检测除尘气体的流速，当除尘流量还存在下调空间时，只要该流速处于控制的下限值以上，就可以对流量进行调节，尽量降低除尘风机运行速度，以获得更深层次的节能效果。设置除尘管道中烟尘气体流速检测装置[5]也是克服以往除尘系统对除尘风机速度的调节参数和结果存在不确定性和不可知性的缺点的重要举措，是获得节能优化的重要保证。
本发明基于烟尘量计算优化模型的除尘风机节能控制方法，是在过去高低速控制的基础上更加精细的优化控制系统，是采取了使风机速度既满足所需风量又不会有大的余量为前提的控制策略，核心是采用烟尘量计算优化模型进行烟尘量动态计算以及设置除尘管道中烟尘气体流速检测装置进行反馈控制，根据烟尘量对除尘风机进行动态速度调节，按照烟尘气体流速反馈把握调速深度控制，可充分地挖掘除尘风机节能的潜力，实现除尘风机的较大幅度的节能。
基于烟尘量计算优化模型的除尘风机节能控制方法可广泛应用于工矿企业新建设的除尘风机控制系统，也可广泛应用于各行业除尘风机控制系统的节能改造，可获得良好的节能效果和经济效益。
Claims (3)
1.本发明基于烟尘量计算优化模型的除尘风机节能控制方法的特征是烟尘量计算优化模型为下式：
Kref＝Kg*(∑(Qm*Km)+∑(Qv*Kv)+∑(Qf*Kf))/Qt (1)
式中：
Kref 烟尘量计算值优化系数(0～1.0)
Qm 手动阀支管烟尘量工艺设计最大值(Nm3/min)，m＝1，2…n
Qv 调节阀支管烟尘量工艺设计最大值(Nm3/min)，v＝1，2…n
Qf 电动阀支管烟尘量工艺设计最大值(Nm3/min)，f＝1，2…n
Qt 工艺设计总计烟尘量最大值(Nm3/min)
Kg 工程系数(0.8～1.2)
Km 手动阀支管烟尘量系数(0～1.0)，m＝1，2…n
Kv 调节阀支管烟尘量系数(0～1.0)，v＝1，2…n
Kf 电动阀支管烟尘量系数(0或1)，f＝1，2…n
(1)式中，针对一个特定的系统，Qm、Qv、Qf、Qt、Kg、Km均为已知常数，存储在数据库中；Kv、Kf为变量，其中Kf从主工艺控制系统中获得；Kv是与调节阀对应的多个工艺变量的函数，例如钢铁厂转炉二次除尘系统，Kv与转炉实际作业的兑铁水量、吹氧量、冶炼容量有关，其表达式为：
Kv＝∑Kt*(Ti/Tr)+∑Kq*((Qi/Qr)*(Ti/Tr))+∑Kc*(Ci/Cr) (2)
式中：
Ti 兑铁水量(t)，i＝1，2…n
Tr 兑铁水量工艺设计最大值(t)，r＝1，2…n
Qi 吹氧量设定值(Nm3/min)，i＝1，2…n
Qr 吹氧量工艺设计最大值(Nm3/min)，r＝1，2…n
Ci 冶炼容量设定值(t)，i＝1，2…n
Cr 冶炼容量工艺设计最大值(t)，r＝1，2…n
Kt 与兑铁水量有关的加权系数(0～1)
Kq 与吹氧量有关的加权系数(0～1)
Kc 与冶炼容量有关的加权系数(0～1)
(2)式中，Tr、Qr、Cr均为已知常数，存储在数据库中；Ti、Qi、Ci为变量，从主工艺控制系统中获得；Kt、Kq、Kc分别是与兑铁水量、吹氧量、冶炼容量有关的加权系数，离线计算后存储在数据库中。
应该指出(2)式是钢铁厂转炉二次除尘系统的Kv数学模型，也是Kv的通用表达式，所以也适用其它同类除尘系统，只是公式中的参数所代表的含义不同以及影响因素的个数不同。
根据(1)式可得出风机速度设定值表达式：
Vref＝Kref*Vs (3)
式中：
Vref 除尘风机速度设定值(m/mi n)
Vs 除尘风机速度额定值(m/min)
(3)式中，Vs为已知常数，存储在数据库中。
2.按照权利要求1所述的烟尘量计算优化模型是除尘风机速度动态优化控制器[2]的核心，据此构建除尘风机节能优化控制系统，除尘风机自动化数据采集及处理装置[1]是以计算机工作站为基础组成的信息采集和处理装置，本身建有与生产工艺烟尘量有关的数据库，并且实时从生产工艺主控制系统获取生产运行联锁及有关设备状态信息，根据这些信息及数据库相关数据来确定除尘风机的控制参数；除尘管道中烟尘气体流速检测装置[5]为数字量或模拟量仪表检测装置，实时检测流速信息，并反馈给除尘风机速度动态优化控制器[2]；除尘风机速度动态优化控制器[2]由PLC(可编程序控制器)构成，根据[1]的控制参数和[5]的流速信息确定交流变频调速装置或液力耦合器调速装置[3]的速度设定值；交流变频调速装置或液力耦合器调速装置[3]根据[2]的速度设定值对除尘风机电动机[4]进行速度调节，对除尘风机风量进行动态控制，实现节能的优化控制。
3.按照权利要求2所述的除尘风机节能优化控制系统中除尘管道中烟尘气体流速检测装置[5]的作用是实时检测除尘气体的流速，当除尘流量还存在下调空间时，只要该流速处于控制的下限值以上，就可以对流量进行调节，尽量降低除尘风机运行速度，以获得更深层次的节能效果。设置除尘管道中烟尘气体流速检测装置[5]也是克服以往除尘系统对除尘风机速度的调节参数和结果存在不确定性和不可知性的缺点的重要举措，是获得节能优化的重要保证。
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Application publication date: 20110525 Assignee: Beijing Kaimen Control Engineering Co., Ltd. Assignor: Beijing Kaide Hengyuan Technology Development Co. Ltd. Contract record no.: 2019990000007 Denomination of invention: Dust amount calculation optimal model-based energy-saving control method for dedusting fan Granted publication date: 20130529 License type: Exclusive License Record date: 20190108 |
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