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風機常識－
高爐風機防喘振先進控制技術
高爐鼓風機是煉鐵過程中的核心動力設備，對于整個鋼鐵企業而言，鼓風機的運行狀態與企業的產量、效益、安全息息相關，防喘振控制作為高爐風機控制中最重要的一環，其控制效果完善與否，在很大程度上決定了能否充分發揮鼓風機的潛能，為高爐提供一個安全、穩定、高效的風源，保證高爐達到理想的利用系數。
一、目前在煉鐵行業高爐風機防喘振控制技術中普遍存在的問題
1．“保風機”與“保高爐”之間的矛盾：
在防喘振控制回路中，由于缺少完備的數學算法，在工況點接近喘振線時，“保風機”和“保高爐”往往成為一對不可調和的矛盾。防喘振動作的速度主要由調節器的增益值來決定，在調試過程中，往往對增益值如何設定感到兩為其難：如增大數值，防喘振閥在動作時打開得過快、過大勢必會產生較大的流量和壓力波動，這種波動是高爐正常生產中無法接受的。如減小數值，又不能保證在工況點上升較快的情況下保證風機不進入喘振區。產生這一矛盾根本的原因是防喘振控制回路設計的出發點是保護風機本體，對如何在保護風機的同時又保護高爐的正常生產缺少必要的考慮。目前普遍應用的防喘振控制效果的現實情況是：一旦工況點越過防喘振線，防喘振閥進行調節動作，工況點在2~3秒鐘內由接近喘振區域被向下拉至距離防喘線以下，風機出口壓力的波動至少會超過40kPa，在高爐憋壓比較突然的情況下，壓力的波動甚至可能達到100~150kPa，這樣幅度的波動遠遠超過了高爐操作所允許的范圍。一般來說，導致來自高爐的阻力增大、風機工況接近喘振線的原因可能是以下幾種：在熱風爐切換的過程中操作不慎、高爐爐料下落、爐頂煤氣壓力控制不穩等，這些原因都可能導致爐料料層透氣性下降、高爐工況惡化。從維持高爐工況的角度出發，在這種情況下，最需要的就是高爐風機能夠保證穩定的送風壓力，使高爐工況得以好轉，而由于防喘振控制的局限性，往往恰是在這一時候，供風壓力最不穩定，導致和加劇了高爐座料，而高爐工況一旦變壞后往往需要幾天的時間才能逐漸恢復，由此給煉鐵企業造成巨大的經濟損失。
2．AV系列軸流風機尚未發揮出最大效益：
由于目前普遍應用的防喘振控制過分側重于風機本身，使AV（靜葉可調式）系列軸流風機無法在最大工況點上穩定工作。工況點一旦達到或越過防喘振線，防喘閥就會在調節器的作用下開啟，風機排氣壓力大幅下降，如不進行人工干預，會形成振蕩性的波動，給高爐帶來不良影響。為避免這種情況的發生，在風機運行中工況點必須與防喘線保持一定的間距，尤其是在高爐工況不太穩定時，這個間距更是必須保持得大一些。以AV40-11風機為例，在大靜葉角度下，防喘線基本上趨近于水平線，高度約為0.26Mpa，但實際運行操作中，顧忌到防喘振閥一旦動作可能造成的不良影響，風壓最多加至0.24Mpa后，就不能再繼續加大靜葉角度，提高風機出力。從理論上說，風機排氣壓力還可再提高0.02Mpa，相當于提高8.3%。由于風機的出力（送風功率）與排氣壓力的平方成正比（風機的流量隨著排氣壓力同時增加），風機的送風功率至少還有17.3%的提升空間。如果能有效加以利用，對充分挖掘高爐的生產潛力，大幅度提高產量將起到很大的促進作用。
二、防喘振控制軟件優化后的控制效果
為解決上述問題，就需要有更加先進的防喘振控制軟件和響應快、精度高的控制系統和防喘振閥，在控制回路的設計上，必須充分考慮到高爐工藝對防喘振的需要，保證高爐的穩產、高產，同時絕對保證機組的安全。由此對防喘振控制的效果提出了兩點新的要求：
1．工況點在達到防喘振線時的穩定性：
通過建立與各種型號軸流風機、不同口徑的防喘振閥相匹配的數學模型，利用合理的計算方法和投運過程中進一步的參數優化，達到穩定的控制效果。簡而言之，當工況點達到防喘線后，隨著來自工藝的阻力進一步增加，防喘閥自動增加開度，如來自工藝的阻力降低，則防喘閥自動關閉，但在這一過程中，無論來自工藝的阻力和防喘振閥開度如何變化，風機工況點始終應被“釘”在防喘振線上，并保持穩定，風機排氣壓力沒有上下竄動的振蕩，因而無需人工做任何干預使其工況點必須離開防喘線。
2．控制響應的敏捷性：
為保證軸流風機在各種工作狀態下的絕對安全，防喘振控制在保證穩定的同時，還要保證在工況快速變化時的敏捷性。如果由于某種原因，造成來自工藝管網的送風阻力突然快速增加（例如，在風機正常大負荷送風時高爐誤操作關閉了一個送風管道上的閥門），防喘振控制必須具備足夠的響應速度確保風機不進入喘振區。
三、防喘振控制軟件的應用價值及效益
防喘振控制軟件的實用價值體現在以下四個方面：
1． AV系列軸流風機工作工況范圍擴大5~10%，實用最大送風功率增加15%~21%的提升空間，從而為高爐挖掘增產潛力創造了可能。以AV40-11軸流風機為例，配套380m3高爐，正常產量每天約1100~1200噸生鐵，如果增產5%（按保守估計），則每天增加的產量為60噸，按噸鐵利潤500元計算，通過應用這項技術可使一座380m3高爐每月增加效益達百萬元。下圖為防喘振控制軟件未優化和優化后的軸流風機實用工況范圍示意圖。
控制效果未經優化的AV軸流壓縮機實用工作范圍
防喘振經過優化后的AV軸流壓縮機實用工作范圍
2．可以做到“即防風機喘振，又防高爐座料”。由于優化后的控制效果在進行防喘振調節的同時保證了送風壓力的穩定性，對高爐風源的穩定不產生影響，徹底解決了“保風機”和“保高爐”之間的矛盾，而不再是僅僅通過PID增益參數的調整，在這一對矛盾中尋求折中點。這一功能是高爐風機防喘振控制的一大進步，具有很高的實用價值。高爐生產過程中爐料的正常下降和料柱的透氣性能良好是保證高爐高產的重要條件，而將這一連續生產過程維持在最佳狀態主要依賴于高爐煤氣沿著料柱自下而上始終保持均勻、穩定的壓降梯度，以及料層在一定程度上的透氣性自我調節作用。高爐風口穩定的供風壓力，是維持高爐內部物料平衡的前提條件，一旦這一平衡遭到破壞，則需要長時間的努力才能逐漸好轉，高爐的產量無法在短時間內恢復至正常水平，從而造成的巨大的效益損失甚至設備事故。對防喘振控制系統進行優化，為高爐的長期穩定高產提供了有力的保障。
3．更好地發揮AV系列軸流風機的節能潛力。AV（全部靜葉角度可調式）軸流風機與非靜葉可調式或離心式風機相比較，最重要的優勢就是可以根據工藝的需要，隨時調整風機的靜葉角度，以改變風機的出力。在高爐對風量要求不大時，通過減小靜葉角度，風機的負荷也隨之降低，節能效果十分明顯。然而，在實際操作中，為了使工況點遠離防喘線，在風機減負荷時往往是靜葉角度還在40度以上，就開始人為打開防喘振閥放風運行。操作工之所以形成這樣的操作習慣是因為如果繼續減小靜葉角度，工況點會向防喘線斜線方向靠攏，一旦進入防喘振區即造成風機排氣壓力突降，風機逆止閥關閉，對高爐造成影響。因此，操作工在低負荷時更習慣用打開放空閥的方法來減低送風流量和壓力。下圖為風機減負荷過程的操作過程示意。
AV-40軸流風機低負荷工作時浪費能量的操作方式
AV-40軸流風機低負荷工作時節能的操作方式
左圖所示的操作方式是：當靜葉角度減至45°后，開始手動開啟防喘振閥，依靠風機出口風量部分放空來降低送往高爐的風量和壓力，同時避免工況點接近防喘線。
右圖所示的操作方式是：當靜葉角度減至40°后，工況點已經接觸防喘振線，這時只需根據高爐的需要，繼續減小靜葉角度，通過防喘振控制系統穩定和靈敏的調節作用，自動控制放風量的大小，將工況點保持在防喘線以下，無需人工作任何干預。當高爐需要加風時，只需增加靜葉角度即可，防喘閥的開度依然由系統自動控制。
顯然，兩種操作方式互相比較，后一種具有更加節能的優點。以電拖AV-40鼓風機為例，當靜葉角度=45°，防喘閥開度=30%時，主電機消耗電流約260A。而在靜葉角度=28°的工況下，主電機電流約為130A，比前一種工況下主電機功率降低780KW，按每千瓦時0.5元計算，后一種操作方式每小時節省電費390元。由此可見，防喘振系統的進一步完善后，操作工可以改變過去在高爐低負荷運行時加風、減風的操作習慣，充分發揮軸流風機靜葉可調的優勢，達到顯著的節能效益。
4．更加有效在保證軸流風機本體的安全。改進后的防喘振控制軟件之所以能達到穩定的控制效果，并不是靠降低調節器的增益，而是通過充分利用PLC控制周期短（毫秒級），響應快的優點，依靠提高控制的敏捷性、實時性，通過更加快速和準確的運算方法來實現。因此，改進后的防喘振控制軟件對于工況點的快速上躍（憋壓）有更強的適應能力，在保證高爐穩定生產的同時，更加有效地保證了軸流風機本體的安全。
四、防喘振控制軟件
在柳鋼煉鐵廠3#風機的實際應用柳鋼煉鐵廠3#風機型號為AV40-10，對應2#高爐容積為380m3,最初投運時間2001年4月，PLC采用SIEMENS
S7-400系統，防喘振閥為FISHER氣動蝶閥。投運后運行近2年時間，因防喘振控制效果很不理想，曾造成多次供風異常波動，風機進入安全運行、高爐灌渣、堵風口等事故。經檢查，主要是防喘振控制回路設計不合理，工況點一旦進入防喘區，為了使風機盡快遠離喘振線，動作幅度過大，造成高爐供風異常中斷。為了避免此類事故再次發生，用戶不得不在操作時使工況點盡量遠離喘振線，風機最大排氣壓力被人為限制在0.2Mpa以下，并被寫入3#風機的操作規程，由此造成風機送風流量、壓力長期不能滿足高爐的生產需要，使2#高爐的產量受到很大影響。為此，用戶決定停機2天，對控制程序及上位軟件重新組態，以改善控制效果和方便操作。
在控制軟件的改造過程中，通過對控制回路的改進和優化，經現場實測達到了如前文所描述的控制效果，測試方法如下：
如上圖示，熱風爐去向的風機送風閥全關，防喘閥處于自動調節，使用手動控制電動旁路閥來模擬實際運行中高爐工況的各種波動。測試分別在30°~60°的四個不同靜葉角度下進行，測試項目包括以下兩項：1.
防喘振閥自動調節動作時風機出口壓力的波動幅度；2 .
防喘振控制對快速憋壓的適應能力和響應速度。經測試，在風機出口壓力的穩定性方面，達到了比較理想的效果，隨著手動電動旁路閥在一定范圍內的開、關動作（相當于工藝阻力變化），防喘振閥閥位在0%~40%之間靈敏調節，及時地補償了工藝阻力的各種波動，風機排氣壓力被始終控制在防喘振線上下10kPa以內的范圍，從操作站屏幕上觀察，工況點只有微小的“抖動”，而當電動旁路閥動作停止時，工況點隨即穩定地“釘”在防喘線上，沒有觀察到任何往返振蕩的現象，說明在穩定性方面已達到了十分理想的控制效果。在響應速度和防喘能力的測試中，首先將工況點調整至防喘線以下的正常工況范圍，然后以最大動作速度全關電動旁路閥（模擬高爐誤操作突然關閉送風的極端情況），防喘振閥2~3秒內達到了70%的開度，及時地將工況點從接近喘振的區域拉出，風機未出現喘振。但在這種工況變化過于突然的極端情況下，還不能做到保證風機出口壓力完全穩定，會出現工況點向下較為明顯的過調量,這與檢測滯后和閥門響應滯后也有一定關系，仍需再進一步研究改善。
完成風機控制軟件改造重新投運后，柳鋼3#風機的使用性能得到明顯提高，尤其在風機的工況范圍方面，通過防喘振控制軟件的改進，取消了原來的限制，風機排氣壓力操作上限在理論上可由原來的0.2MPa提高到0.27MPa，提升幅度達到30%以上。
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