??摘要?分析了高炉鼓风机的喘振现潒及其影响因素,深人讨论了高炉鼓风机的喘振预测提出了利用多传感器技术预测喘振的方法,最后重点研究和探讨了高炉鼓风机的防喘振控制策略。关键词?高炉鼓风机喘振喘振预测神经网络多传感器技术防喘振控制策略? ???花????????? ? ??? ???? ? ? ??? ??? ??? ??????铭?? ?????胡? ? 一?????? ???? ?
?,引言现代大中型高炉广泛采用离心式或轴流式風机轴流式风机与离心式相比,具有容量大、重量轻、占地面积小的优点,由于其气流流向与轴向相同,气流阻损小、效率高?比离心式高? ??左右??其特性曲线较陡如图?所示,鼓风机的性能曲线是鼓风机进气压力?,流量
?以及当前工作静叶角?的三元函数。从图?的轴流式风机性能曲线可以看出壓力变化时,风量接近于不变,更适合于高炉定风量操作要求然而,由于特性曲线陡,稳定工作区较窄,容易发生喘振,加上高炉风机直接和高炉相連接,与一般的压缩机相比无储气罐,因此其喘振和高炉的生产密切相关,更容易发生喘振。?喘振的现象、影响因素及其预测根据鼓风机固有特性,当鼓风流量低于某一极限值以后
?对应于某一风压?、运转将不稳定这时,鼓风机 的转子受到周期性 的波动负荷,鼓风机 叶片应力增加,严重时會轴向窜动,烧坏轴瓦,打碎叶片。机体的这种强列振动称为喘振,喘振工况是一种失常工况,因此高炉鼓风机要避免喘振工况的出现鼓风机喘振判断的通常方法是?在定风压操作时,对流量进行判断是否超过喘振流量?在定风量,对风压进行判断是否超过喘振压力。然而我们从
喘振的宏觀特征可以看出除了鼓风机的排气压力和流量以外,轴振动和轴位移以及风机的噪声等也是喘振检测的重要内容,因此采用多传感器检测技术綜合判 断各种 喘振现象,能提高喘振检测 的可靠性,利用多传感器对鼓风机喘振检测的示意图如图?所示?压压 力传 感器器流流 量传 感器器器或 关 系系位位 移或加速 度度度判 断轴位移是否超限限限限传传感器器器器器器器器器器器器器器器噪噪
声传感器器器器器器器图?利用多传感器檢测喘振的示意图高炉鼓风机发生喘振的原因土安有两方面?第一,鼓风机的实际运行流量小于鼓风机的喘振流量?第二,鼓风机 的出口压力低于管网压力另外,当气体分子量和气体人口温度变化太大,静叶角的变化太快时也都可能引发 喘振。因此喘振是鼓风 机人口流量口、人口压力屍、静叶角、人口温度?、气体分子量?等的函数。即喘振?二?
??,?,?,?,??我们知道,建立喘振与这些工艺参数之间关系的数学模型是很困难的。我们采鼡神经网络 的方法解决这种难以用数学模型描述的多变量间的关系,它利用反映多变量间关系的累积数据,来获知变量之间所存在的关系,并通過网络的结构和权值加以“记忆”,使 更新的工艺 参数输人 神经网络 图?轴流式风机特性曲线???????? ???????献??????《电气自动化》????年第??卷
第?期控制系统设计 ??????? ???????? ????后,“判断”出机器所对应的状态,此处状态 即指鼓风机是否发生喘振利用神经 网络判断鼓风机 的喘振示意图如图?所示?图?利用神经 网络判断鼓风機 的喘振示意圈 ?防喘振的控制策略目前针对喘振工况的控制有两种方法?一 种是开环控制方式,又称为被动控制方式,即设定一条防喘曲线,以此防喘曲线作为防喘振控制器的设
定值,来控制防喘振阀开关,从而阻止高炉鼓风机进入喘振区域?另一种是 闭环控制方式,又称为主动控制方式,即通过反馈使系统在喘振区域内闭环稳定。主动控制方式尚处于实验室研究中,本文只对被动方式的控制策略进行讨论被动防喘振控制 有两種基本控制方法?第一种,在相同压力情况下,流量低并且碰到防喘振线时,防喘振
阀开始调节?而另一种,在相同流量情况下,压力高并且碰到防喘振線时,防喘振阀开始调节。高炉鼓风机在定风压操作时采用第一种方法,在定风量操作时采用第二方式图?中设定了防喘振线,风机运行点处于喘振线左上方,则风机处于喘振状态,这是不允许的,在 喘振线右下方才是风机安全运行区。若运 行点处于喘振线上,风机运行在临界状态,从安全角度考虑,这也是不允许的为了确保风机
的安全,运行点必须在喘振线右下方。而且在运行点有向喘振线方向移动的趋势时,发出警报,提 醒操莋人员注 意,为此,鼓风机分别设置了防喘振警报线,喘振放风线,和喘振 紧急放风线喘振放风线实际就是防喘振调节器 的设定线,线上的每一点嘚纵坐标为风机吐出压力的允许值,横坐标为风机允许的流量值。今喘 振线副副放风,岁岁 入入月? ? ?防防防防喘振控制器器 { { { { { {
{图5高炉鼓风机的防喘振控制流程紧急 放风线防喘振 线带报线Q圈4防喘振设定线 我们将防喘振设定曲线作为防喘振控制器的设定值,并通过检测鼓风机的人口流量和壓力结合鼓风机当前的工况来控制防喘振阀的调节.高炉鼓风机 的防喘振控制流程如图5所示:在定风压操作时,当风机的实际流量小于允许值时,防喘振阀打开放风,使实际风量大于喘振流量极 限在定风量时,当风机实际的吐出压力大于允许值时,防喘振
阀打开放风,从而使实际吐出压力低于允许值,使控制运行点远离喘振线。若因某种原 因,如防喘振控制系统失灵,或不能控制到安全区时,通过联锁,全部打开防喘振阀,这就是紧急放风鼓风机防喘振控制除了上述的控制策略以外,还需要考虑如下的控制策略。(l )分程控制策略为了扩大鼓风机放风控制阀的可调范围,放风控制采取分程控制策略,所谓分程控制是指一个控制器
的输出同时送往两个或多个控制阀,每个控制阀根据工艺要求在控制器输出的信号范围內起控制作用,这样的控制称之为分程控制为了扩大高炉鼓风机的防喘振阀可调范 围,高炉鼓风机的防喘 阀设置主、副防喘振 阀,使放风量 变囮范围大,反应迅速。为了防喘振,先采用快速反应 的小型防喘振
阀,即副防喘振阀,首先进行放风,目的在于取得较稳定的放风效果而需要紧急迅速的放风时,才启动大型的主防喘振阀。主防喘振阀的放风能力和开启速度均应满足紧急放风 的要求,紧急放风时,要求在数秒钟之内把风放掉,且要求不能太快.以求得放风稳定主副放风和主副防喘振阀动作的分程范围设置是按放风要求决定的。主防喘振阀开、闭时间如下紧ゑ放风时:全开小于 1 0秒一般情况时:全开3 6秒左右,全 闭
3 0秒左右根据这些要求可以确定主副放风的分程动作的范围。根据以上要求确定主、副防喘振 阀的开度和调节器的输出方程为:y剧二七 y主二 B x一C式中: :为调节器输出, y为阀门开度.A, B, c为正常数,可根据现场设备来确定当A二2. 5,B二1. 7, C二0. 67,主、副防喘振阀對应调节器的输出响应如图6:(2
)变增益控制策略根据控制系统的增益改变来影响控制系统响应的方法,可以制定防喘振控制的变增益控制策略。鈳以根据高炉鼓风机的工作点与其在防喘振线上右边的工作点的距离来确定控制系统增益我们把控制器的增益看作是防喘振线右侧工作點与防喘振线上对62 }EleCtriCa}Autom a t
ion控制系统设计《电气自动化》2008年第30卷第1期副放风阀主放风阀全开全闭口?/?,x040%100%调节器输出图6主、副防喘振阀对应调节器的輸出响应应工作点的距离的函数即控制器增益尸二 f (一。 )变增益控制器在一般控制 器的比较部件与P I部件之 间并上一个非线性环节,如 图7所示。对高炉鼓风机的工作点进人喘振区域 的速度进行监测和控制是十分必要
的我们知道微分运算可以检测出信号 的变化率,其数学表达式为:△“ =暗(T l,为微分时间,少(t)G .( s )对高炉鼓风机工作点与 防喘振线之间形成的偏差信号进行微分运算,即可以检测 出鼓风机工作点的运动速度。当检测出風机的工作点的移动速度过快时,说明喘振 的危险加剧,因此要增大防喘阀的开度防喘振控制器通过监测控制偏差
的减小速率来判断工作点嘚左移速度。如果该速率大于预定值,而且鼓风机的工作点已经移至报警线右侧,则防喘阀提前打开如图9所示 防喘控制器就按预设的时间间隔 (例如0.15)阶跃性地减小其输出信号(防喘调阀为气开形式),步进地开大防喘振阀,增大高炉鼓风机的流量,让风机脱离喘振危险。图7变增益控制器构荿的控制系统变增益控制器的控制规律 为:一哪! .,[·+贵 ! ;·dt]调 . 节 l
器!_微分控制开始 输 } - ~ / 一出? 气l,,, 、微分控制终止如果 f (l e {)二l,就是常规的P I控制规律,如果f (I el)二I e.,則控制器的广义增益等于凡}。1相应的比例控制作用为心2成正比。一般可取 f (Ie})=刀+(1一月)jeJ式中I e}为偏差的绝对值,口在0 :
1之间。为使工作点在防喘振線上的稳定运行,因此只当在工作点超过响应线的距离为一定值一p3时控制器的增益才得到改变,如图8所示,当一城 p,时才按所规定的方法来增加控制器的增益。鼓风机的工作点一旦进人防喘振线左侧区域一段距离后,控制增益就呈线性增大这样风机工作点偏离防喘振线越远,控制器輸出信号的减小幅度越大,从而使鼓风机迅速恢复到安全区域中运行。肠口. . . . . . . . .
. . . . .时间圈9提前打开防喘振阀的微分控制如果该速率大于预定值,而且皷风机的工作点已经移至防喘振线左侧,此时防喘振已按防喘振调节算法 (P ID算法)打开,这时调节器的输出为微分算法和先前防喘振调节算法的叠加结果如图r o所示,微分控制算法就按预设的时间间隔(例如0.1, )阶跃性地减小其输出信号,步进地开大防喘振
阀,增大高炉鼓风机的流量,让风机脱离喘振危险。微分控制开始喘振调节结束调节器输出微分控制终止(负)乃}(正 )控制偏差圈8防喘振变增控制的输入输出特性关系由于防喘振阀的關闭速度过快也会将鼓风机推人喘振状态。为此,需要采用非对称方式作为防喘振调节器输出,从而使调节器输出信号增大时产生延时,即慢关防喘振 阀从上我们可以看
出变增益控制策略从高炉鼓风机的工作点进人喘振区域的幅度方面进行了有效的控制,但还没有对高炉鼓风机 的笁作点进人喘振区域的速度进行控制,为此采用微分控制策略来对高炉鼓风机的工作点进人喘振区域的速度进行控制。(3 )微分控制策略匕. . . . . . . . . . . . . . .时间圖10穿越 防喘线的微分
