防阻塞控制在高爐鼓風機系統中的應用

楊天亮

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山063210）

當高爐鼓風機在低流量范圍內時，會出現兩種不穩定狀態，其中與喘振現象相反，低風量低風壓狀態容易出現阻塞狀態。阻塞是高爐鼓風機不正常運行工況，可能造成風機損傷，運行時禁止在阻塞工況下運行，為此，控制系統中設計了防阻塞控制模塊。

1 阻塞的概念

當高爐鼓風機流道內的氣流速度達到了音速，風機葉輪對氣體所作的功全部用于克服氣流損失，使氣體壓力不再升高，這種現象稱為阻塞現象。

阻塞工況的出現，使流道有效流通面積減少，引起葉柵內氣流紊亂，葉片兩側壓差出現不均衡的改變，造成葉片顫振，形成疲勞斷裂。氣流的紊亂還會引起機器振動，排氣出現低頻吼聲。

2 防阻塞技術原理與系統構成

2.1 防阻塞技術原理

如圖1所示，在風機運行曲線內畫出了阻塞線及相適應的防阻塞線。

圖1 阻塞工況曲線

阻塞線在風機投入運行前，通過實驗得到多點數據，然后繪制而成；而防阻塞線則是在阻塞線數據基礎上，經過數據處理，將控制裕度設置在5%～10%之間，最后計算得到新的防阻塞線數據，繪制成防阻塞線。防阻塞技術就是通過控制風機系統運行參數，使風機實際運行工況點運行在防阻塞線以上，避免出現阻塞現象。

2.2 防阻塞控制系統組成

防阻塞控制系統主要由比例-積分調節器、防阻塞執行結構、出口壓力變送器、差壓變送器、比較器組成。其中，比例-積分調節器XIC，其實際值X來自壓力變送器PT的輸出，PT接在主風機出口（風機出口壓力FPT為105×105Pa。調節器的設定值來自差壓變送器PDT（風機喉部差壓ΔP1=105×103Pa，它測量的是與壓縮機流量成正比例關系的喉部壓差ΔP1，PDT與PT可以和防喘振系統共用。通常，從壓縮機的安全和工藝生產的可靠性考慮，防阻塞閥應選氣關式。因而，調節器應選反作用型。壓縮機喉部差壓變送器輸出的電信號送入調節器中，經函數運算得出防阻塞線W=fΔP1，一般為了簡單起見，防阻塞線可以設置成一條直線，而不必像防喘振線那樣由多段折線組成。設定值W與實際值之差送入比例-積分調節單元。控制流程圖可用圖2所示。

圖2 防阻塞控制流程圖

2.3 防阻塞閥控制邏輯

正常情況下，壓縮機的實際運行工況點在防阻塞線以上，即下頁圖3中A點，此時所對應的出口壓力是P2，喉部差壓ΔP1，設定值W=fΔP1，顯然，X1＞W。這時調節單元輸出負偏差：Δe=X1-W＜0，調節器輸出低值4 mA，通過電氣轉換器使氣動調節閥蝶閥即防阻塞閥打開。

如果壓縮機出口壓力降低到防阻塞線以下，如圖3中B點，X2＜W，調節單元輸出正偏差：Δe=X1-W＞0，反作用調節器將正向積分，增加輸出電流使防阻塞閥關閉一部分，使出口壓力P2由B點回升，當回升到C點時，調節器輸入偏差Δe=X1-W為零，正積分輸出停止，防阻塞閥的開度保持在相對應的開度上，即壓縮機此時的運行點處于防阻塞線上的C點，不會落入阻塞區。

圖3 防阻塞控制系統工況曲線

3 防阻塞技術應用

3.1 防阻塞數據獲取

風機在準備投運時，要對風機做阻塞試驗，根據實測出的風機喉部差壓與排氣壓力的函數關系得出風機的阻塞曲線，壓縮機的阻塞點都采取現場實測的方法獲得，即在不同的靜葉角度（喉部差壓）下，測量對應的阻塞壓力，一般至少測量11個點。將測量的點用折線連接形成的曲線稱為機組的防阻塞線。

鼓風機MAN廠家的設計數據：壓力值P2=風機種氣 壓 力+1.013在1.000、1.400、1.650、2.545、3.500、4.710、4.750數值時對應的流量變量Dp=風機喉部差壓/0.3224為0.000、9.615、18.610、97.395、190.447、540.000、560.000。

風機在不同的靜葉角度下得出的阻塞實驗數據：壓力值P2=風機種氣壓力+1.013在1.000、1.400、2.3、2.71、3.3、3.53、3.75、4.446、4.74、5.085、5.3數值時對應的流量值Dp=風機種氣壓力/0.3224為0.000、9.615、103.908、131.647、156.948、179.156、232.072、264.392、301.675、344.479、560.000。

對阻塞實驗數據中的壓力值修正后的數據：壓力值P2=風機種氣壓力+1.013在1.000、1.300、2.6、2.9、3.3、3.53、4.1、4.446、4.74、5.085、5.3，流量變量值不變。

3.2 防阻塞線繪制

將橫縱坐標變換為百分比坐標，將上述壓力修正后阻塞實驗數據變換為百分比：P2'=（風機種氣壓力+1.013）/10×100；Dp'=風機喉部差壓/0.322 4/560×100。

圖4 防阻塞線修正圖

最后形成的防阻塞線數據為P2'在10.0、13.0、26.0、29.0、33.0、35.3、41.0、44.46、47.4、50.085、53.0時Dp'為0.0、1.717、18.555、23.508、28.026、31.992、41.441、47.213、53.871、61.514、100.0。

圖5 風機特性曲線圖

圖5中阻塞報警線與防阻塞線之間的裕度為1%，阻塞線與防阻塞線之間的裕度為5%；喘振線與防喘振線之間的裕度為10%。

3.3 防阻塞控制模塊

最終根據防阻塞控制原理，并將防阻塞線數據輸入到控制系統內，生成防阻塞控制模塊，如圖6所示。

圖6 防阻塞控制塊功能圖

圖中PV為實際值X，即X=（風機種氣壓力+1.013）/10×100；根據風機喉部差壓計算出Y=風機喉部差壓/0.3224/560×100，查看阻塞控制塊里的阻塞數據，確定Y在什么區域，可以計算出來W值，SP=W。Xd_RL=X-W，當Xd_RL≤0，上位有報警，此時的風機運行點在防阻塞區域，防阻塞閥關閉；當Xd_RL＞0時，運行點不在阻塞線區域，上位沒有報警，防阻塞閥打開。

MAN為MAN_OP上位手動輸入值；OP為程序自動調節輸出值；LOAD為并網信號；當Xd_RL≤0時接通延時定時器激活AL_CH=1，上位顯示In Choke，風機運行點在阻塞區域；AUTO_ON_OP=1，畫面顯示Auto；TEST_ON=0，畫面顯示inactive。

4 結論

阻塞是風機在低風量時出現的不正常工作狀態，會損傷風機設備，因此需引入風機防阻塞技術，防止風機出現阻塞現象。本文詳細地介紹了阻塞的概念、防阻塞控制技術工作原理及系統構成、防阻塞閥控制邏輯，以及防阻塞實驗過程、防阻塞線形成過程，并生成防阻塞模塊應用于高爐鼓風機控制系統中，防止了阻塞現象發生，提高了風機運行穩定性，取得了良好效果。