高炉鼓风机自动控制及保护功能的研究与分析.pdf

2 0 0 8 年第 5 期 总 第 1 2 9期 冶 金 动 力 ME ．r A I ．I ．I I I l G l C A L P O WE R 5 5 高炉鼓风机 自动控制及保护功能的研究与分析 司红波，范彩霞，黄汝科， 王珂 莱芜钢铁集团有限公司 自 动化部， 山东 莱芜 2 7 1 1 0 4 【 摘要 】 高炉鼓风机在炼铁工艺中担负着重要的责任， 供风质量与效率的高低直接影响高炉的正常生产 与铁水产量， 同时高炉的稳定顺行和高效生产也对高炉鼓风机的自动化控制与保护方面提出了更高的要求。 从 自动控制与风机的连锁保护方面进行了比较全面、 系统的研究与分析， 以籍此实现并完善高炉鼓风机的自动控 制与保护， 进一步满足高炉对供风的质量与效率的更高要求。 【 关键词 】 高炉鼓风机； 自动控制； 连锁保护； 防喘振 I 中图分类号】T H 4 4 【 文献标识码】B 【 文章编号] 1 0 0 6 - 6 7 6 4 2 0 0 8 0 5 - - 0 0 5 5 - 0 4 Re s e a r c h a n d An a l y s i s o f Au t o c o n t r o l a n d Pr o t e c t i o n Fu n c t i o n s o f Bl a s t Fu r na c e Bl o we r S I Ho n g b o ， F AN Ca i x i a ， HUANG R u k e ， WANG Ke ,4 u t o m ／ o n D e p a r t m e n t ，L a i w u I r o n S t e e l G r o u p C o ． ， L t d，L a i w u ,S h a n d o n g 2 7 1 1 o 4 ,C h i n a 【 A b s t r a c t ] B l a s t f u rna c e b l o w e r p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e s t e e l m a k i n g t e c h n o l o g y ． Ai r s u p p l y a n d e ffic i e n c y a ff e c t d i r e c t l y r e g u l a r p r o d u c t i o n a n d mo l t e n i r o n o u t p u t ． A t t h e s a me t i me ，t h e r e w e r e h i g h e r d e ma n d s o n b l a s t f u r n a c e b l o we r i n the fi e l d o f a u t o ma t i o n a n d p r o t e c t i o n ． S O a s t o g u a r a n t e e s t a b l e o p e r a t i o n a n d h i s h e f fi c i e n t p r o d u c ti o n ． An o v e r a l l a n d s y s t e ma t i c s t u d y a n d a n a l y s i s wa s ma d e o n a u t o c o n t r o l a n d c h a i n p r o t e c t i o n o f the b l o we r t o r e a l i z e a n d p e c t t h e a u t o c o n t r o l a n d p r o t e c t i o n o f the b l o we r ，a n d t o f u r t h e r me e t the h i s h e r r e q u i r e me n t s o f a i r s u p p l y q u ali t y a n d e ffic i e n c y n e e d e d b y t h e b l a s t f u r n a c e ． 【 K e y w o r d s ] b l a s t f u r n a c e b l o w e r ； a u to c o n tr o l ； c h a i n p r o te c ti o n ； a n t i s u r g i n g 1 引言 高炉鼓风机是炼铁工艺过程中的核心动力设 备 。 对整个钢铁企业而言． 鼓风机的运行状态与企业 的产量、 效益、 安全息息相关。 鼓风机的自动控制及 保护功能的控制效果在很大程度上决定了能否充分 发挥鼓风机的潜能， 为高炉提供一个安全、 稳定、 高 效的风源， 保证高炉达到理想的利用系数。本文以 莱钢热电厂铁区 8 座汽轮轴流鼓风机为原型， 从 自 动控制与风机的连锁及保护方面进行了全面、 系统 的研究与分析 ， 以此实现并完善了高炉鼓风机的自 动控制与保护， 进一步满足了高炉对供风的质量与 效率的更高要求。 2 高炉鼓风机自控系统简述 鉴于高炉鼓风机在高炉生产工艺 中的重要性 ， 莱钢风机 自控系统多采用 AB B公 司的 I n d u s t r i a l I T A C 8 0 0 F系统，它是一套世界领先的自动化控制系 统， 具有较高的稳定性与可靠性， 系统具备高度的灵 活性和极好的扩展性，并可实现多种方式的冗余。 控制系统网络图如图 1 。 保证风机的高可靠性运行就需要高可靠性的控 制系统， 本自控系统设计有以下几个主要特点 1 过程站处理器的冗余 处理器冗余可使得一旦某个处理器出现故障． 另一个处于热备状态的处理器能够无扰动地切换过 去， 丝毫不能影响现场设备的运行。 这样就会保证控 制系统可靠地运行 ， 不会因控制系统出现问题而影 响风机的运行 。 2 系统通讯的冗余 通讯冗余可使得一旦某条通讯线路出现问题． 不会影响通讯数据的正常输送 ， 保证通讯畅通无误。 3 监控站的冗余 监控站冗余可保证一旦某个监控站出现故障． 操作人员可以通过另一个操作员站进行设备的操作 和风机工况 的监视 ， 不会造成无法监控导致风机工 况不稳定的现象。 4 电源系统的冗余 5 6 冶 金 动 力 ME TA I ．I ，UR GI C AL P WER 2 0 0 8 年第5 期 总 第 1 2 9期 S A8 O1 F EI 8 0 3 F ．． ．．_ J R T M n 1 l 1 S 8 0 o ■一 1 I ， 一 _ I C I8 4 0 1 ， E I 8 O 3 F _一 I， O I ，0 交 E I 8 0 3 F ＼ ／ 、 ／ ， ． _ _ 1 C I 8 4 0 r ， 换 操 作 员 站I 机 S A 8 O 1 F ．． ．．． ． ．． _ J 。、 ／ _ _ { C 1 8 4 0 } ，n I， 0 I ／0 E I 8 O 3 F ． R L M 0 1 I- - _l C I 8 4 0 I ～ 以 太 网 E I8 O 3 F l 卜 ，一 2 撑 S8 0 0 E I 8 O 3 F 图 1 控制系统网络图 电源系统冗余可以保证一旦某套电源系统出现 故障．另一套热备状态的来自不同的电气控制回路 的电源就会无扰动地投入运行 ，丝毫不影响系统的 电源供应。 3 高炉鼓风机主要 自动控制及保护功能 3 ． 1 防喘振控制的实现 鼓风机送风量减小， 出口压力升高时， 鼓风机就 容易出现喘振。多级轴流风机工作点易进入不稳定 工况， 现场鼓风机都是在管网中运行的， 当鼓风机在 停机、 启动、 部分负荷下运行、 进气条件、 运行管网改 变时， 将会引起气动性能发生变化， 偏离设计工况， 进入不稳定状态， 不能稳定工作。此时， 鼓风机中出 现气流强烈的低频脉动， 引起叶片的振动和抖动， 正 常的气流流动和增压已完全破坏 ，气动参数随时间 剧烈地变化， 并产生巨大的声响和机器的振动， 严重 时可能导致整个鼓风机的严重运行事故。 3 ． 1 ． 1 防喘线的设置 我们根据风机实际测得喘振线， 下移 7 - 1 0 ％设 置防喘线， 另外 ， 在防喘线以下 2 ％设置了工况偏离 防喘报警线， 防喘线以上 2 ％设置了喘振报警线 ， 风 机运行工况点达到该线时， 发出声光报警。 考虑到风 机的性能随着进气条件变化较大，对喘振线和防喘 线进行了温度补偿。 当环境温度升高时， 实际的喘振 线和防喘线将不再与微机监控画面的曲线重合， 向 下进行了移动。从而满足风机性能和防喘线设置的 要求。 达到防喘作用。 3 ． 1 -2 P I D调节实现防喘保护 运用 C B F 软件进行编程 ， 实现防喘保护 P I D模 拟调节和数字控制。P I D调节以压力信号的变化为 输入信号 ， 当风机的工况点达到防喘线后， 实际测得 的工况点的压力值与防喘线上设定的压力值进行比 较 ， 计算出差值， 在以 l ～ 5 倍的增益进行防喘阀控制 输出； 当运行工况点超过防喘线越大 ， 防喘阀的开度 越大； 当防喘阀的阀位达到 8 5 ％后， 防喘阀控制输 出立 即置为 “ 0 ” 。 防喘阀强制打开 。 以保证风机的安 全 ； 当达到风机安全运行条件后 ， 通过数字控制使防 喘 阀失 电， 切断防喘阀气源 ， 防喘阀被迫 自动打开。 其 中 S P 一 根 据风机喉部差压 及风机进气 温度 来计算。 P V一 风机排气压力 当 P V S P 2 ， 则系统就会发生喘振预报， 提醒 操作人员注意 。 3 ． 1 - 3 防喘保护的完善 为了确保风机的安全， 当发生喘振、 持续逆流等 紧急情况时， 风机进人安全运行状态， 防喘阀全开； 机组紧急情况排除后， 可迅速恢复机组正常运行； 当 风机的运行参数达到联锁停机值后 ， 机组联锁停机， 防喘阀立即全开。 3 ． 1 ． 4 安全运行 在机组运行过程中， 由于以下几种原因， 机组进 入安全运行后 ， 防喘阀全开 ， 当意外情况排除后， 运 行人员可按下“ 存储器复位” 按钮 ， 然后按“ 自动操 作” 按钮， 就可以重新使机组恢复正常运行。 安全运行条件 1 手动安全运行按钮 ， 防喘阀全开， 机组不停 机。 2 试验状态， 按安全运行试验按钮， 防喘阀全 开， 机组不停机。 3 达到持续逆流条件时间超过 4 8 ，防喘阀全 开。 机组不停机。 4 联锁停机时， 防喘阀全开。 5 进风温度高于 6 O℃， 防喘阀全开。 3 ． 1 ． 5 持续逆流的防止 风机发生持续逆流时喉部压差 风量 剧减， 进 风温度急剧升高， 严重时叶片损坏 ， 造成重大事故。 对于不同轴流风机 。我们对持续逆流设置的判断条 2 0 0 8 年第 5 期 总 第 1 2 9期 冶 金 动 力 MEr A I ．I ．I Il i G I C A L P O WE R 5 7 件为 转速正常大于某设定值 ， 同时喉部压差小于一 定值。 另外 ， 风机进气温度是否升高是预防持续逆流 的重要手段。因此 ，风机进气温度是否正常极其关 键 ，我们在风机进气管道上安装 了两个温度控制器 和一个温度热电阻 。 采取 了三取二的控制方法 。 若两个温度控制器的输出信号和另一个进气温 度模拟输入信号 ，有两个同时高于报警设定值 5 O ℃，则计算机监控站发 出报警提示 ；若温度继续升 高，两个进气温度控制器的输出信号和另一进气温 度模拟输人信号，有两个同时高于逆流设定值 6 O ℃． 说明发生 了持续逆流 ， 则转入安全运行。 若只有一个信号高于设定值， 则系统正常运行， 操作人员可对出现的问题进行适 当检查 ，既保护 了 机组又防止 了误停机 的发生 。 3 ． 1 ． 6 防喘阀进行特殊控制 增设防喘阀快开失灵联锁保 护 机组进人安全 运行状态后 3 s ， 若防喘阀接近开关位置反馈信号和 常规位置反馈信号都没有检测到全开 大于 7 0 ％ ， 则报警仪上出现声光报警“ 防喘阀故障” ， 并立即停 机。 若有一个位置反馈信号指示全开， 则系统将保持 机组正常运行 ．既保护 了机组又防止了误停机 的发 生 。 3 ． 1 ． 6 ． 1 防喘阀报警与闭锁解除 a ． 当 D C S分散控制系统的防喘 阀控制输出和防 喘阀的阀位反馈信号差值大于 1 5 ％。延时 3 S 后若 两者的差值还大于 1 5 ％。 则说明防喘阀故障。 则报 警提示“ 防喘阀故障” 。 b ． 防喘阀闭锁解除 。 在停机期间 。 防喘阀处于闭 锁状态， 即处于全开状态 ， 操作人员不能将其关上， 以防机组启动过程中进入不稳定运行工况。威胁机 组的安全。 故进行了程序设置， 只有当汽机升到额定 转速 最低运行转速为 3 4 0 0 r ／ m i n ， 按下“ 风机自动 操作” 按钮后 ， 防喘阀闭锁才能解除， 才能进行风机 负荷的调整。 3 ． 1 ． 6 ．2 防喘阀全开， 作为机组启动的条件之一 只有当防喘阀实际阀位反馈大于 8 5 ％时。 微机 才认为防喘阀不全开 ； 否则不满足启动机组 的条件 ． 联锁不能复位 ， 自动主汽门打不开 ， 机组不能开机。 3 ． 1 ． 6 - 3 安全运行后 ， 防喘 阀控制输出 自动回零 为了防止误操作， 当风机安全运行时， 防喘阀的 控制输出自动回零 ， 不再是故障时的控制值。 运行人 员可放心地按下“ 存储器复位” 按钮， 然后按“ 自动操 作” 按钮， 进行恢复机组的操作。 3 ． 1 ．6 ．4 在运行调整控制方面 机组在正常运行和并风时，要求防喘阀处于全 关状态 ， 通过电动放风阀进行负荷 的调整 ， 充分发挥 防喘阀的保安作用。微机控制实现了防喘阀快开慢 关 的需求， 防喘 阀从全关到全开 ， 只需 1 ～ 2 s ； 从全开 到全关需要 4 0 S 。特殊情况下 在冷风保安系统正常 工作的基础上 ， 当防喘保护不能正常工作 ， 威胁风机 的安全 时， 可对 防喘线进行特殊 的设置。 当风机运行 工况点， 突然达到或越过防喘线时， 防喘阀电磁阀失 电 ， 切断防喘阀气源 ， 防喘阀被迫全开。当防喘保护 故障处理好后 ． 重新恢复防喘保护的正常功能。 3 ． 1 ． 7 增加冷风保安系统 防喘保护确保了风机的安全。同时也对高炉的 生产造成了很大的影响。特别是当风机进入安全运 行或发生停机故障时， 防喘阀全开， 风机的送风逆止 门迅速关闭， 高炉侧的冷风压力将会突然降至零， 高 炉风口将会被铁水堵住 ， 造成高炉被迫休风， 损失巨 大。 为此， 我们在四座高炉的冷风管道上增设了两套 冷风保安系统。 实现两两互保。 当任一台风机发生故 障时，故障风机所对应高炉的风管道压力低于 1 0 0 k P a 时， 冷风保安系统自动通入， 电动调节阀自动打 开， 将非事故机组的冷风拨给事故机组对应的高炉， 确保风压在 5 0 k P a以上 ，风量在 4 0 0 ～ 5 0 0 m 3 ／ m i n ， 满足高炉不灌风口的需要。 3 ． 2 定风量 ／ 定风压控制 3 ．2 ． 1 定风量控制 定风量调节分为人口定风量调节和出口定风量 调节， 其任务是将恒定的风量送往高炉。 因此定风量 调节控制是风机正常运行 的主要控制方式 。流量检 测信号取自风机人口和出口所测的压差．两处检测 的信号可以相切换使用。出口流量检测在取得压差 信号后还要进行压力、 温度校正。 流量信号进入 D C S 后与给定信号相比较，通过静叶调节后的流量信号 与给定信号相符 ， 从而达到定风量供风的目的。 3 ． 2 ． 2 定风压控制 ’ 以希望的风机出口风压为控制 目 标 。 通过自动 的控制风机转速或静叶开度控制以保证风机的吸人 风量为所需值。 当为了满足系统操作的定风压要求、 送风阻力变化较大、 防止风机的输出压力过高。 避免 风机超 过规定的压力运 行可选用定风压 调节来控 制 。 实际上定风压与定风量调节的控制原理是相同 的，通过适当的选择两个调节器的参数就可以作到 流量和压力的调节圆滑无冲击的自由转换。 3 ． 3 辅机控制 冶 金 动 力 ME r r A I ．L URG l C AL P OWER 2 0 0 8 年第5期 总 第 1 2 9期 3 ． 3 ． 1 盘车控制 盘车控制既可以在控制室进行又可 以在现场操 作。 机组停机之后， 必须立即投入盘车。 在自动方式 下 ， 由操作人员在控制室进行盘车操作 ； 在手动方式 下， 由操作人员在现场进行盘车操作。 由于设备的盘车装置控制要求比较特殊．盘车 电磁阀不是连续得电工作，而是通 1 2 s 断 1 5 s ， 如 此循环往复 ， 因此在设计手动操作 回路时， 设计了电 气时间继电控制回路 ， 保证 了循环时间的实现 。 3 ．3 ．2 润滑油泵控制 因润滑油系统与动力油系统 自动控制类似 ， 故 仅对润滑油泵控制的实现作介绍。 润滑油系统的油站包括一个润滑油箱和两个润 滑油泵 ， 在正常运行状况下 ， 仅有一台油泵运行 ， 当 润滑油的总管压力低于一定条件时，另一台油泵就 立刻启动对压力进行补充。保证动力油控制部分的 正常运行。当润滑油压力过低时， 系统将联锁停机。 润滑油泵控制既可 以在 电控盘上操作 将选择开关 置于手动位置 。 也 可以在计算机监控画面上进行操 作 将选择开关 置于 自动位置 ， 以在计算机监控画 面上进行操作为主，下面就介绍一下在计算机监控 画面上进行操作的三种操作方式 A 、 手动 润滑油泵画面盘打到手动， 则可以通过启、 停 按钮来分别启停 2 个油泵。 B 、 自动 润滑油泵画面盘打到自 动后，系统就处于自动 运行状态。 根据画面上的主泵选择开关的位置， 自动 将主泵启动起来， 如果 3 s 之内， 主泵启动不起来， 则 自动将备用泵启动起来， 并发出报警“ 主泵故障” 。 操作人员确认故障的泵已正常后． 可通过按“ 故障清 除” 按钮， 清除“ 主泵故障” 信号。 在自动运行过程中，发现润滑油压力低于某值 具体参数由工艺确定 ， 自动启动备用油泵 ， 润滑油 压高于某值 具体参数由工艺确定 后， 可由操作人 员手动停止油泵。 机组停机信号发出后， 自 动将润 滑油泵启动起来， 以保证润滑系统正常。 c 、 锁定 润滑油泵打到“ 锁定” ， 则油泵停止。 3 ． 3 ． 3 润滑油 电加热器 如果润滑油温低， 就可以开启电加热器加热， 操 作人员既可以在电控盘上操作 将选择开关置于手 动位置 ， 也可 以在计算机监控画面上进行操作 将 选择开关置于自动位置 ， 以在计算机监控画面上进 行操作为主 ，下面就介绍一下在计算机监控画面上 进行操作的二种操作方式 A、 启动 若下列条件 油箱液位正常、润滑油箱温度低 都满足， 按下启动按钮或已投自动， 就可以启动电加 热器 B 、 停止 若油箱温度高或按下停止按钮，就会停止电加 热器 。 3 ．4 报警连锁启停机控制的实现 3 ． 4 ． 1 机组启动连锁 启动联锁控制 的主要 目的是为了机组在无负荷 安全的状态下启动， 如果机组在不安全状态下 ， 则不 允许机组启动并且闭锁汽机调速系统和风机送风 、 调节和防喘振系统。启动顺序是汽机在安全状态下 启动升速， 带动风机在无负荷状态下启动 静叶最小 角度、 防喘全开、 逆止阀全关 。 3 ． 4 ． 2 机组停机连锁 为了保护风机设备安全 ， 联锁停机的条件有 控制室开机盘外手动紧急停机按钮被按下 控制室内仪表盘手动紧急停机按钮被按下 润滑油总管压力过低 动力油总管压力过低 汽机轴位移过大 风机轴位移过大 持续逆流停机 汽机转速过高 汽机速关油压力过低 以上条件中的任何一个具备， 则发“ 联锁停机” 并立即停机，并且报警。 4 结束语 通过对轴流风机自动控制及保护功能的研究分 析， 多次对控制保护系统进行技术攻关， 风机运行性 能得到了进一步的完善，风机的安全可靠性得到了 极大的提高。 同时也获得了较好的经济效益， 并为其 它机组 自 动控制及保护保护技术提供了宝贵经验。 【 参考文献】 【 l 】 朱弦． 高炉鼓风机自动控制系统． 大众科学【 J 】 ． 2 0 0 7 ． 1 0 2 3 。 2 4 ． 【 2 高洪军． 轴流式高炉鼓风机防喘振装置的技术改造．冶金动力叨， 2 0 0 4 ． 4 5 4 ． 【 3 】 龙英． 基于冗余容错技术的高炉鼓风机自动化特护系统． 山东冶金 叨， 2 0 0 6 ， 8 5 4 4 ， 4 6 ． 收稿 日期 2 0 0 8 0 5 0 4 作者简介 司红波 1 9 7 9 一 ， 男， 汉， 大学本科 ， 助理工程师， 现从事炼 铁 区域 自动化技术研究工作 。