防阻塞控制在高炉鼓风机系统中的应用

杨天亮

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山063210）

当高炉鼓风机在低流量范围内时，会出现两种不稳定状态，其中与喘振现象相反，低风量低风压状态容易出现阻塞状态。阻塞是高炉鼓风机不正常运行工况，可能造成风机损伤，运行时禁止在阻塞工况下运行，为此，控制系统中设计了防阻塞控制模块。

1 阻塞的概念

当高炉鼓风机流道内的气流速度达到了音速，风机叶轮对气体所作的功全部用于克服气流损失，使气体压力不再升高，这种现象称为阻塞现象。

阻塞工况的出现，使流道有效流通面积减少，引起叶栅内气流紊乱，叶片两侧压差出现不均衡的改变，造成叶片颤振，形成疲劳断裂。气流的紊乱还会引起机器振动，排气出现低频吼声。

2 防阻塞技术原理与系统构成

2.1 防阻塞技术原理

如图1所示，在风机运行曲线内画出了阻塞线及相适应的防阻塞线。

图1 阻塞工况曲线

阻塞线在风机投入运行前，通过实验得到多点数据，然后绘制而成；而防阻塞线则是在阻塞线数据基础上，经过数据处理，将控制裕度设置在5%～10%之间，最后计算得到新的防阻塞线数据，绘制成防阻塞线。防阻塞技术就是通过控制风机系统运行参数，使风机实际运行工况点运行在防阻塞线以上，避免出现阻塞现象。

2.2 防阻塞控制系统组成

防阻塞控制系统主要由比例-积分调节器、防阻塞执行结构、出口压力变送器、差压变送器、比较器组成。其中，比例-积分调节器XIC，其实际值X来自压力变送器PT的输出，PT接在主风机出口（风机出口压力FPT为105×105Pa。调节器的设定值来自差压变送器PDT（风机喉部差压ΔP1=105×103Pa，它测量的是与压缩机流量成正比例关系的喉部压差ΔP1，PDT与PT可以和防喘振系统共用。通常，从压缩机的安全和工艺生产的可靠性考虑，防阻塞阀应选气关式。因而，调节器应选反作用型。压缩机喉部差压变送器输出的电信号送入调节器中，经函数运算得出防阻塞线W=fΔP1，一般为了简单起见，防阻塞线可以设置成一条直线，而不必像防喘振线那样由多段折线组成。设定值W与实际值之差送入比例-积分调节单元。控制流程图可用图2所示。

图2 防阻塞控制流程图

2.3 防阻塞阀控制逻辑

正常情况下，压缩机的实际运行工况点在防阻塞线以上，即下页图3中A点，此时所对应的出口压力是P2，喉部差压ΔP1，设定值W=fΔP1，显然，X1＞W。这时调节单元输出负偏差：Δe=X1-W＜0，调节器输出低值4 mA，通过电气转换器使气动调节阀蝶阀即防阻塞阀打开。

如果压缩机出口压力降低到防阻塞线以下，如图3中B点，X2＜W，调节单元输出正偏差：Δe=X1-W＞0，反作用调节器将正向积分，增加输出电流使防阻塞阀关闭一部分，使出口压力P2由B点回升，当回升到C点时，调节器输入偏差Δe=X1-W为零，正积分输出停止，防阻塞阀的开度保持在相对应的开度上，即压缩机此时的运行点处于防阻塞线上的C点，不会落入阻塞区。

图3 防阻塞控制系统工况曲线

3 防阻塞技术应用

3.1 防阻塞数据获取

风机在准备投运时，要对风机做阻塞试验，根据实测出的风机喉部差压与排气压力的函数关系得出风机的阻塞曲线，压缩机的阻塞点都采取现场实测的方法获得，即在不同的静叶角度（喉部差压）下，测量对应的阻塞压力，一般至少测量11个点。将测量的点用折线连接形成的曲线称为机组的防阻塞线。

鼓风机MAN厂家的设计数据：压力值P2=风机种气 压 力+1.013在1.000、1.400、1.650、2.545、3.500、4.710、4.750数值时对应的流量变量Dp=风机喉部差压/0.3224为0.000、9.615、18.610、97.395、190.447、540.000、560.000。

风机在不同的静叶角度下得出的阻塞实验数据：压力值P2=风机种气压力+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数值时对应的流量值Dp=风机种气压力/0.3224为0.000、9.615、103.908、131.647、156.948、179.156、232.072、264.392、301.675、344.479、560.000。

对阻塞实验数据中的压力值修正后的数据：压力值P2=风机种气压力+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，流量变量值不变。

3.2 防阻塞线绘制

将横纵坐标变换为百分比坐标，将上述压力修正后阻塞实验数据变换为百分比：P2'=（风机种气压力+1.013）/10×100；Dp'=风机喉部差压/0.322 4/560×100。

图4 防阻塞线修正图

最后形成的防阻塞线数据为P2'在10.0、13.0、26.0、29.0、33.0、35.3、41.0、44.46、47.4、50.085、53.0时Dp'为0.0、1.717、18.555、23.508、28.026、31.992、41.441、47.213、53.871、61.514、100.0。

图5 风机特性曲线图

图5中阻塞报警线与防阻塞线之间的裕度为1%，阻塞线与防阻塞线之间的裕度为5%；喘振线与防喘振线之间的裕度为10%。

3.3 防阻塞控制模块

最终根据防阻塞控制原理，并将防阻塞线数据输入到控制系统内，生成防阻塞控制模块，如图6所示。

图6 防阻塞控制块功能图

图中PV为实际值X，即X=（风机种气压力+1.013）/10×100；根据风机喉部差压计算出Y=风机喉部差压/0.3224/560×100，查看阻塞控制块里的阻塞数据，确定Y在什么区域，可以计算出来W值，SP=W。Xd_RL=X-W，当Xd_RL≤0，上位有报警，此时的风机运行点在防阻塞区域，防阻塞阀关闭；当Xd_RL＞0时，运行点不在阻塞线区域，上位没有报警，防阻塞阀打开。

MAN为MAN_OP上位手动输入值；OP为程序自动调节输出值；LOAD为并网信号；当Xd_RL≤0时接通延时定时器激活AL_CH=1，上位显示In Choke，风机运行点在阻塞区域；AUTO_ON_OP=1，画面显示Auto；TEST_ON=0，画面显示inactive。

4 结论

阻塞是风机在低风量时出现的不正常工作状态，会损伤风机设备，因此需引入风机防阻塞技术，防止风机出现阻塞现象。本文详细地介绍了阻塞的概念、防阻塞控制技术工作原理及系统构成、防阻塞阀控制逻辑，以及防阻塞实验过程、防阻塞线形成过程，并生成防阻塞模块应用于高炉鼓风机控制系统中，防止了阻塞现象发生，提高了风机运行稳定性，取得了良好效果。