CN105441609A - 一种鼓风机风量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种鼓风机风量控制方法，该方法第一次提出了利用鼓风机进口风量进行静叶自动控制的思路，提供一种进口风量计算方法，能够准确地利用现有的并且测量装置都在室内、受环境因素制约较小的测量信号进行进口风量的计算，达到与出口风量一致的测量效果，提高风量自动控制回路的稳定性和自动投入率。

Description

一种鼓风机风量控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体的说是一种通过控制鼓风机进口或出口风量向高炉稳定供风的控制方法。

背景技术

鼓风机是利用气体压缩机将大气加压后供给高炉冶炼所需空气的动力站。在鼓风机给高炉送风的过程中，稳定供风对高炉出铁至关重要。生产经验表明，恒定的入炉风量有利于高炉保持炉料正常下降速度，燃烧均匀，炉缸活跃，是高炉稳产、优质、高产的重要条件。因此，采用定风量自动控制，是提高供风品质的必要措施。国内绝大多数高炉鼓风机在中小高炉上仍然很难实现高炉稳定供风功能，一般采用鼓风机静叶手动调节出风流量，单纯依靠高炉通知风机运行人员加、减风操作使双方的工作压力增大，同时这种方法也不能及时补偿快速变化的风量。在一些大型高炉上，鼓风机投入了风量自动控制系统，其控制结构示意请参阅图1右侧虚线方框所示。然而由于生产工况和现场环境复杂多变，稳定可靠地向高炉供风仍是一个需要综合多种因素考虑的技术难题。在风量自动控制系统中，风机的出口风量3、出口风压4、出口风温5是反映供风品质的最重要的测量信号，关系到风量自动回路能否投入。特别是出口风量3，需要经过流量测量装置转换成差压信号，再经过出口风压4和出口风温5的补偿计算，才能得到精确的测量值。然而由于出风管道在厂房外露天场地，测量装置受环境和气温因素影响很大，导压管段容易受冻，测温装置受环境影响容易跳变等等，梅钢3#风机就发生过因为现场环境恶劣导致信号测量失真致使风量控制回路出现大幅波动并导致防喘阀动作的技术问题。经检索，申请号为201320312773.4的中国专利，该专利提供一种鼓风机自动控制系统，用于实现高炉鼓风机定风量控制、定风压控制之间自动切换运行，包括PLC 控制器、静叶伺服机构、压力变送器、以及气体流量计。压力变送器以及气体流量计分别与所述PLC 控制系器相连；所述静叶伺服机构与PLC 控制器相连；PLC 控制器与高炉热风炉相连；所述压力变送器以及气体流量计置于鼓风机风口,发明的实用新型能够自动切换鼓风机的控制模式，使鼓风机在定风量、定风压控制之间自动切换工作，稳态运行，确保高炉系统高效稳定运行。

申请号为201410111954.X的中国专利，该专利发明提供一种高炉热风炉恒压换炉系统，包括：高炉、若干个热风炉和鼓风机站；鼓风机站中的鼓风机具有定风压控制模式和定风量控制模式；当高炉的控制系统发出热风炉换炉信号时，鼓风机切换为定风压控制模式；高炉的控制系统发出热风炉换炉结束信号时，鼓风机切换为定风量控制模式。其优点在于保持换炉冷风总管、热风总管压力稳定，保证热风炉换炉的平顺，减小热风炉换炉对高炉的影响，还能减少充压阀的调节频率，缩短换炉时间；新增控制程序在控制系统上位机上运行，充分利用现有硬件设备，投资量小，改造方便。

上述两种专利所采用的装置与控制方法在鼓风机组中已经广泛采用，但并未解决测量装置易受环境影响信号失真，引起控制回路波动，从而导致高炉供风量突变甚至导致鼓风机组进入喘振运行的技术难题。因此，迫切需要一种新的技术方案来解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种鼓风机风量控制方法，该方法第一次提出了利用鼓风机进口风量进行静叶自动控制的思路，提供一种进口风量计算方法，能够准确地利用现有的并且测量装置都在室内、受环境因素制约较小的测量信号进行进口风量的计算，达到与出口风量一致的测量效果，提高风量自动控制回路的稳定性和自动投入率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种鼓风机风量控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤，

步骤一、引入鼓风机进口风量概念，发明人的设计思路是将测量环境不良的出口风量用能在室内测量的流量来取代，然而若在风机进口管线中增加流量计，进口管道粗，直管段位置受限，无法满足流量计安装技术要求，即使强行加装，测量精度也会很差，难以准确测量鼓风机的瞬时流量变化。鼓风轴流压缩机的工作原理是工作介质通过轴流压缩机进气涡壳进入轴流压缩机流道进行压缩，经过流道中各级叶片的压缩输送压缩气体。气流从进气涡壳到达流道的整个过程是一个缩放型的通道，相当于文氏流量计，而鼓风机组预防喘振的重要参数喉部差压正是这一喉部，即进气涡壳到流道的进口的差压，发明人根据此工作原理引入风机进口风量概念，利用喉部差压来反映轴流压缩机的进口风量。

步骤二、利用测量地点全在室内的喉部差压、进口风压、进口风温进行流量计算，得到鼓风机组进口风量预测公式

（公式1）

其中Fa：预测进口风量； ∆p：喉部差压； P：进口风压的绝对压力；

T：进口风温的绝对温度；k：常数，其值为风机出口风量计算公式中的数值，由流量测量装置厂商提供的流量计算书中给出；

步骤三、确定影响进口风量预测公式计算得到的进口风量与实际出口风量对比不同工况有一定的偏差的主要因素，所述因素如下：静叶角度、主蒸汽流量、出风压力（室内测量点）、动力油压（控制静叶）；

步骤四、获得鼓风机出口风量、静叶角度、主蒸汽流量、出风压力、动力油压；预测进口风量Fa的计算值时间点与此一致，对实际生产数据进行数据滤波和正态化数据预处理，具体为在DCS控制系统中利用滤波模块对鼓风机出口风量、静叶角度、主蒸汽流量、出风压力、动力油压等测量数据进行数据滤波处理，滤波时间设置1秒，以此来减少干扰信号的影响；采集滤波后的历史数据，预测进口风量Fa的计算值时间点与此采集时间点一致，对得出的历史数据进行正态性检验，去除异常点，确保回归计算中的数据是正态分布的。

步骤五、基于预处理后实际数据，通过回归得出结论：主蒸汽流量、出风压力（室内测量点）是偏差存在的显著因子，得出回归方程

（公式2）

其中∆F：风量偏差；F'：主蒸汽流量；P'：出口风压(室内)，

得到最终公式：

；

步骤六、在DCS组态中增加PID控制器来组态“定进口风量”控制回路，将作为PID调节器的风量实际值PV，设定风量的指令SP由鼓风运行人员或高炉经过通信方式给出，当指令给出时，PID控制器根据风量设定指令SP和风量实际值PV之间的偏差来自动调整PID输出值OP，OP值最终通过DCS的模拟量输出卡件输出4-20毫安信号来调节鼓风机的静叶装置，达到自动调节静叶角度向高炉稳定供风的效果；同时在DCS中增加“选择控制器模块”和“手自动控制器模块”来组态手自动跟踪控制功能，当操作员选择“定进口风量”时，“选择控制器模块”将“定进口风量”的选择结果送给“手自动控制器模块”， “手自动控制器模块”将“定进口风量”控制回路中的PID的设定值和输出值送给“定出口风量” 控制回路，作为“定出口风量” 控制回路的PID的设定值和输出值。这样，若操作员重新选择“定出口风量”时，切换瞬间“定出口风量”回路的设定值与原“定进口风量”回路一致，确保了偏差不变，因此此时输出值OP不会变动；“定出口风量”回路的输出值与原“定进口风量”回路一致，确保了输出不变，即控制鼓风机静叶的4-20毫安信号值不变，因而实现了切换过程中的静叶仍能保持不动，保证供风平稳，达到无扰切换。选择 “定进口风量”时亦同理，当操作员选择手动控制风量时，上述两个自动控制回路都跟踪手自动控制器的手动值，这样就可实现两种模式之间以及手动和自动之间的在线无扰切换，从而解决了检修某一回路测量元件需要退出自动甚至停机的技术难题。

步骤七、在DCS中组态控制策略，限定鼓风机定风量投入自动的条件，系统自动检查已投入自动回路的风量状态，如果设定值与测量值之间测量超限，或者风量每秒钟瞬时波动超过100立方，自动回路切回手动回路，该逻辑所包括的动态监测风量变化值能及时判断风量异常状态并切回手动控制，避免了自动回路的大幅波动，确保鼓风机工况平稳。

该技术方案首先提出鼓风机进口风量的理念，根据鼓风轴流压缩机的工作原理，采用喉部差压、进口风温、进口风压经过流量计算公式得到风机进口风量预测值，根据鼓风机组工艺确定影响计算偏差的其它主要因素，并收集数据进行处理，然后，利用相关回归分析方法确立进口风量的最终计算公式，将计算结果作为静叶控制回路的测量值，进行风机定进口风量的自动控制，同时保留原有定出口风量的功能并实现两种控制方法之间的在线无扰切换。设计控制策略，限定鼓风机定风量自动的投入条件，并通过计算推导，及时判断风量异常情况，将自动回路切回手动。

作为本发明的一种改进，所述步骤七中，在DCS中组态控制策略，限定鼓风机定风量自动的投入条件，根据鼓风机组运行规程以及机组自身出厂性能，其限制条件为：

（1）风机未进入安全运行状态；

（2）风机已进入自动操作状态；

（3）风机未在停机状态；

（4）拨风系统未动作；

（5）防喘阀未处于调节状态；

（6）静叶在23度到65度之间；

（7）流量在2000m3/min到7000m3/min之间；

（8）流量每秒变化值小于100m3

其条件全部满足可投入“定进口风量”自动或“定出口风量”自动，投入自动后自动回路根据设定值与测量值之间的偏差进行自动调节。

作为本发明的一种改进，组态控制策略，当DCS系统检测到以下状态时：

（1）风机进入安全运行状态；

（2）风机紧急停机；

（3）拨风系统动作；

（4）防喘阀处于调节状态；

（5）静叶超出23度到65度范围；

（6）风压、风温、喉部差压等任意一个DCS坏点；

（7）设定风量与实际风量之间偏差超过300m3/min；

(8) 流量值超过2000m3/min到7000m3/min的高低限制；

（9）流量每秒瞬时动态变化值超过100m3；

（10）操作人员切手动；

自动回路切回手动控制，静叶角度交给操作人员手动控制，同时自动回路的输出跟踪手动回路，自动回路的设定值跟踪实际风量。该逻辑所包括的动态监测风量变化值能及时判断风量异常状态并切回手动控制，避免了自动回路的大幅波动，确保鼓风机工况平稳。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：1）本发明所提出的一种鼓风机风量控制方式，第一次引入了“定进口风量”的概念，将受自然环境影响较大的出口风量用测量环境良好的风机进口信号取代，并用数学回归方法确保了计算数据的准确性，从而提高了向高炉稳定供风的关键参数---供风风量的信号稳定性，进而提高了风量自动控制回路的稳定性以及自动投入率；2）采用本发明的方法能够在“定进口风量”和“定出口风量”之间无扰切换，从而可以不停机甚至不退自动来检修控制回路的测量元件；3）本发明能够监测鼓风机工况的动态变化率并自动做出判断是否退出自动控制回路，能够及时避免自动回路的大幅波动，确保鼓风机工况平稳；4）由于采用了上述技术方案，本发明的方法能够解决向高炉供风的鼓风机出口风量测量信号不稳定的技术难题，用测量环境良好的风机进口测量信号取代，提高了风量自动控制回路的稳定性以及自动投入率，确保了高炉供风品质；能够不停机甚至不退自动来检修控制回路的测量元件，及时监测并判断鼓风机异常工况，避免了自动回路的大幅波动，确保鼓风机组向高炉稳定供风。所有方法均可在现有DCS控制系统内实现，无需增设硬件，投资量小，改造方便。

附图说明

图1 是本发明实施例1的鼓风机风量控制原理图；

图2是本发明实施例1的鼓风机组实际生产数据采集；

图3是本发明实施例1的鼓风机风量控制流程图；

图中：1-鼓风机，2-防喘阀，3-出口流量差压，4-出口风压，5-出口风温，6-出口风压（室内点），7-静叶角度，8-喉部差压1，9-喉部差压2，10-喉部差压3，11-进口风压，12-进口风温，13-动力油压(控制油压)，14-主蒸汽流量，15-汽轮机 ，16-定进口风量自动回路，17-定出口风量回路，18-DCS控制系统，19-设定值 20-静叶装置。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

实施例 1 ：一种鼓风机风量控制方法，所述控制方法如下：以梅钢2#鼓风机为例，

步骤一、引入鼓风机1进口风量概念，根据鼓风机工作原理，利用喉部差压来初步反映轴流压缩机的进口风量大小；

步骤二、如图1所示，利用测量地点全在室内的喉部差压8、喉部差压9、喉部差压10、进口风压11、进口风温12进行流量计算，得到鼓风机组进口风量预测公式

(公式1)；

其中Fa：预测进口风量；

∆p：喉部差压，通过喉部差压变送器送至DCS控制系统18，3个差压值取中值得到最后的喉部差压值；

P：进口风压的绝对压力，通过进口风压11(压力变送器送至DCS控制系统18)测量得到，等于相对风压/1000+0.1；

T：进口风温的绝对温度，通过进口风温12的相对值(热电偶送至DCS控制系统18)计算得到，等于相对风温+273；

k：常数，其值为2#鼓风机风机出口风量计算公式中的数值，由流量测量装置厂商提供的流量计算书中给出，其值为73730。

步骤三、确定影响进口风量预测公式计算得到的进口风量与实际出口风量对比不同工况有一定的偏差的主要因素，所述因素如下：静叶角度7、主蒸汽流量14、出风压力6（室内测量点）、动力油压13（控制静叶）；

步骤四、在DCS控制系统中利用滤波模块对鼓风机出风流量、静叶角度7、主蒸汽流量14、出口风压6（室内测量点）、动力油压13、喉部差压三取中值、进口风压11、进口风温12等测量数据进行数据滤波处理，滤波时间设置1秒，以此来减少干扰信号的影响；采集滤波后的历史数据，时间为从2014-1-1到2014-1-31 1个月的时间，并进行预测进口风量Fa的计算，最终计算出预测进口风量Fa与实际出风流量之间的偏差。对得出的历史数据进行正态性检验，去除异常点，确保回归计算中的数据是正态分布的。其最终数据如图2所示；

步骤五、基于预处理后实际数据，通过回归得出结论：主蒸汽流量14、出风压力6是偏差存在的显著因子，得出回归方程

；

其中∆F：偏差流量值；F'：主蒸汽流量14；P'：出口风压6；

得到最终公式：

；

以下步骤参见图1和图3所示；

步骤六、在DCS组态中增加PID控制器来组态“定进口风量”控制回路16，将经过补偿计算作为“定进口风量”控制回路16的风量实际值PV，设定风量的指令SP由鼓风运行人员或高炉经过通信方式最后在DCS上位机画面中给出，当指令给出时，“定进口风量”控制回路16根据风量设定指令SP和风量实际值PV之间的偏差来自动调整PID输出值OP，OP值最终通过DCS的模拟量输出卡件输出4-20毫安信号来调节鼓风机的静叶装置20，达到自动调节静叶角度向高炉稳定供风的效果；同时在DCS中增加“选择控制器模块”和“手自动控制器模块”来组态手自动跟踪控制功能，当操作员选择“定进口风量”时，“选择控制器模块”将“定进口风量”16的选择结果送给“手自动控制器模块”， “手自动控制器模块”将“定进口风量”控制回路16中的PID的设定值和输出值送给“定出口风量” 控制回路17，作为“定出口风量” 控制回路17的PID的设定值和输出值。这样，若操作员重新选择“定出口风量”时，切换瞬间“定出口风量”回路17的设定值与原“定进口风量”回路16一致，确保了偏差不变，因此此时输出值OP不会变动；“定出口风量”回路17的输出值与原“定进口风量”回路16一致，确保了输出不变，即控制鼓风机静叶的4-20毫安信号值不变，因而实现了切换过程中的静叶装置20仍能保持不动，保证供风平稳，达到无扰切换。选择 “定进口风量”时亦同理，当操作员选择手动控制风量时，上述两个自动控制回路都跟踪手自动控制器的手动值，这样就可实现两种模式之间以及手动和自动之间的在线无扰切换。这两种控制方式可由鼓风运行人员根据实际工况和参数测量情况进行选择，建议运行人员选择“定进口风量”回路，当进口的参数出现异常时再选择“定进口风量”，从而解决了检修某一回路测量元件需要退出自动控制模式甚至停机的技术难题；

步骤七、在DCS中组态控制策略，限定鼓风机定风量自动的投入条件，根据鼓风机组运行规程以及机组自身出厂性能，其限制条件为：

（1）风机未进入安全运行状态；

（2）风机已进入自动操作状态；

（3）风机未在停机状态；

（4）拨风系统未动作；

（5）防喘阀未处于调节状态；

（6）静叶在23度到65度之间；

（7）流量在2000m3/min到7000m3/min之间；

（8）流量每秒变化值小于100m3；

其条件全部满足可投入“定进口风量”自动或“定出口风量”自动，投入自动后自动回路根据设定值与测量值之间的偏差进行自动调节；

组态控制策略，当DCS系统检测到以下状态时：

（1）风机进入安全运行状态；

（2）风机紧急停机；

（3）拨风系统动作；

（4）防喘阀处于调节状态；

（5）静叶超出23度到65度范围；

（6）风压、风温、喉部差压等任意一个DCS坏点；

（7）设定风量与实际风量之间偏差超过300m3/min；

(8) 流量值超过2000m3/min到7000m3/min的高低限制；

（9）流量每秒瞬时动态变化值超过100m³

（10）操作人员切手动；

自动回路切回手动控制，静叶角度交给操作人员手动控制，同时自动回路的输出跟踪手动回路，自动回路的设定值跟踪实际风量。该逻辑所包括的动态监测风量变化值能及时判断风量异常状态并切回手动控制，避免了自动回路的大幅波动，确保鼓风机工况平稳。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (4)

1.一种鼓风机风量控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤，

步骤一、引入鼓风机进口风量概念，

步骤二、利用测量地点全在室内的喉部差压、进口风压、进口风温进行流量计算，得到鼓风机组进口风量预测公式

（公式1）

其中Fa：预测进口风量； ∆p：喉部差压； P：进口风压的绝对压力；

T：进口风温的绝对温度； k：常数，其值为风机出口风量计算公式中的数值，由流量测量装置厂商提供的流量计算书中给出；

步骤三、确定影响进口风量预测公式计算得到的进口风量与实际出口风量对比不同工况有一定的偏差的主要因素，所述因素如下：静叶角度、主蒸汽流量、出风压力（室内测量点）、动力油压（控制静叶）；

步骤四、获得鼓风机出口风量、静叶角度、主蒸汽流量、出风压力、动力油压；预测进口风量Fa的计算值时间点与此一致，对实际生产数据进行数据滤波和正态化数据预处理；

步骤五、基于预处理后实际数据，通过回归得出结论：主蒸汽流量、出风压力（室内测量点）是偏差存在的显著因子，得出回归方程

（公式2）

其中∆F：风量偏差；F'：主蒸汽流量；P'：出口风压(室内)，

得到最终公式：

；

步骤六、在DCS组态中增加PID控制器来组态“定进口风量”控制回路，将作为PID调节器的风量实际值PV，设定风量的指令SP由鼓风运行人员或高炉经过通信方式给出，当指令给出时，PID控制器根据风量设定指令SP和风量实际值PV之间的偏差来自动调整PID输出值OP，OP值最终通过DCS的模拟量输出卡件输出4-20毫安信号来调节鼓风机的静叶装置，达到自动调节静叶角度向高炉稳定供风的效果；同时在DCS中增加“选择控制器模块”和“手自动控制器模块”来组态手自动跟踪控制功能，当操作员选择“定进口风量”时，“选择控制器模块”将“定进口风量”的选择结果送给“手自动控制器模块”，“手自动控制器模块”将“定进口风量”控制回路中的PID的设定值和输出值送给“定出口风量” 控制回路，作为“定出口风量” 控制回路的PID的设定值和输出值；若操作员重新选择“定出口风量”时，切换瞬间“定出口风量”回路的设定值与原“定进口风量”回路一致，确保了偏差不变，因此此时输出值OP不会变动；“定出口风量”回路的输出值与原“定进口风量”回路一致，确保了输出不变，即控制鼓风机静叶的4-20毫安信号值不变，因而实现了切换过程中的静叶仍能保持不动，保证供风平稳，达到无扰切换；选择 “定进口风量”时亦同理，当操作员选择手动控制风量时，上述两个自动控制回路都跟踪手自动控制器的手动值，可实现两种模式之间以及手动和自动之间的在线无扰切换；

步骤七、在DCS中组态控制策略，限定鼓风机定风量投入自动的条件，系统自动检查已投入自动回路的风量状态，如果设定值与测量值之间测量超限，或者风量每秒钟瞬时波动超过100立方，自动回路切回手动回路，该逻辑所包括的动态监测风量变化值能及时判断风量异常状态并切回手动控制，避免了自动回路的大幅波动，确保鼓风机工况平稳。

2.根据权利要求1所述的鼓风机风量控制方法，其特征在于，所述步骤七中，在DCS中组态控制策略，限定鼓风机定风量自动的投入条件，根据鼓风机组运行规程以及机组自身出厂性能，其限制条件为：

（1）风机未进入安全运行状态；

（2）风机已进入自动操作状态；

（3）风机未在停机状态；

（4）拨风系统未动作；

（5）防喘阀未处于调节状态；

（6）静叶在在23度到65度之间；

（7）流量在2000m3/min到7000m3/min之间；

（8）流量每秒变化值小于100m3；

其条件全部满足可投入“定进口风量”自动或“定出口风量”自动，投入自动后自动回路根据设定值与测量值之间的偏差进行自动调节。

3.根据权利要求1所述的鼓风机风量控制方法，其特征在于，组态控制策略，当DCS系统检测到以下状态时：

（1）风机进入安全运行状态；

（2）风机紧急停机；

（3）拨风系统动作；

（4）防喘阀处于调节状态；

（5）静叶超出23度到65度范围；

（6）风压、风温、喉部差压等任意一个DCS坏点；

（7）设定风量与实际风量之间偏差超过300m3/min；

(8) 流量值超过2000m3/min到7000m3/min的高低限制；

流量每秒瞬时动态变化值超过100m3；

操作人员切手动；

自动回路切回手动控制，静叶角度交给操作人员手动控制，同时自动回路的输出跟踪手动回路，自动回路的设定值跟踪实际风量。

4.根据权利要求1所述的鼓风机风量控制方法，其特征在于，所述步骤4中对实际生产数据进行数据滤波和正态化数据预处理，具体如下：在DCS控制系统中利用滤波模块对鼓风机出口风量、静叶角度、主蒸汽流量、出风压力、动力油压等测量数据进行数据滤波处理，滤波时间设置1秒，以此来减少干扰信号的影响；采集滤波后的历史数据，预测进口风量Fa的计算值时间点与此采集时间点一致，对得出的历史数据进行正态性检验，去除异常点，确保回归计算中的数据是正态分布的。