高炉鼓风机防喘振控制系统的分析与研究

郑海生

摘 要：本文首先探讨了轴流压缩机喘振发生机理及其危害，提出了高炉鼓风机防喘振控制的必要性，然后以某钢厂大型高炉鼓风机为例对防喘振控制系统作了详细分析与研究，同时在分析与研究的基础上对湛江钢铁高炉鼓风项目提出了一些合理的优化和改进建议。

关键词：高炉鼓风机 喘振 防喘振控制 优化

中图分类号：TH442 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0155-02

高炉鼓风机是高炉设备的心脏，所输送的高压风流经热风炉加热到约1300 ℃，由设在高炉炉腹下的环型风管，通过安装在高炉四周的风口吹入高炉内。万一送风切断，高炉不能继续生产铁水，同时因炉内支撑矿石、焦炭等料物的力突然消失，势必料物下榻，且炉底的铁水、渣就会飞溅，使风口灌渣、灌铁水，这就形成高炉重大事故[1]。喘振是透平压缩机械的固有特性，对轴流压缩机所造成的危害极其严重，一旦喘振机理发展成逆流，在极短时间使高炉鼓风机毁坏，在世界各国都有事故先例，我国的高炉鼓风机中也发生过逆流事故，造成机组全部损坏[2]。基于防喘振控制技术的重要性、复杂性和难度性，本课题针对高炉鼓风机防喘振控制系统的分析与研究有着重要的意义。

1 喘振发生机理

在生产中，轴流式压缩机总是与管网一起联合工作[3]。图1为压缩机和管网联合工作性能曲线，曲线I是管网的阻力线，曲线ABC为压缩机的特性线，P为管网压力，Q为压缩机进口流量。

正常工作时，机、网在两曲线交点B工作。随着高炉炉况的变化或管网阻力增加，则管网阻力线从位置I移到II，机、网系统工作点向上移动，工况向小流量偏移。当流量减少到正常工作允许最小值时，工作点移到C点，此时压缩机通道受阻堵塞，因失速而造成特性曲线出现断裂，使气流产生强烈脉动，出口压力突然下降至G点。由C点过度至G点是随外界管路容积的影响，容量越大，过渡状态越复杂，当容量足够大时，这种过渡可能使倒向气流超过极限F点，从而解除失速恢复正常B点。若造成失速的管网条件没有消失，则又回到C点，此过程循环发生称为喘振[4]。

2 防喘振控制设计的基本理念

高炉鼓风机防喘振设计除了考虑保护设备自身外，更要考虑为高炉提供安全可靠的生产服务。防喘振控制设计的基本理念主要有以下四方面：

（1）安全性：足够的安全裕度。一般来说，真实的喘振线与防喘振线之间留5%～10%的安全裕量[5]。

（2）可靠性：尽可能扩展安全运行区域。

（3）可调性：稳定、快速、准确的调节性能。

（4）高效性：经济运行，节能降耗。高炉鼓风机是耗电大户，某钢厂高炉鼓风机每年耗电约10亿度电，占整个厂区总电耗的10%[6]。

3 高炉鼓风机防喘振控制的原理

为了不使鼓风机进入喘振，而且考虑安全裕度，人为建立一条防喘振线，此线由复合演示器内函数回路实现以折线形式设定。如图2鼓风机运行工作画面所示，其中三条实折线是基于上述防喘振设计理念所设计的。

（1）防喘振接近线（黄色曲线）：当工作点超过防喘振接近线时，鼓风机的“防喘振接近”报警。

（2）防喘振线（蓝色曲线）：当工作点超过防喘振线时，鼓风机的“防喘振”报警，防喘振调节仪动作，自动打开放风阀放风，使鼓风机工作点回到防喘振线上。

（3）紧急开放线（红色曲线）：当工作点超过紧急开放线时，鼓风机的“放风阀紧急开放”报警，如果同时出现“吐出压力变化大”，副放风阀全开，同时主放风阀打开66%[7]。

（4）防喘振检测：当吸入口差压低，而且吐出压力波动大，这两个条件同时满足时，鼓风机将非正常停机。

4 高炉鼓风机防喘振线的确定

高炉鼓风机组设备安装完成后，为了验收风机性能是否合格，必须进行全面的性能测试，其中制造产家需要作喘振试验，确定喘振线。

根据防喘振设计原则，防喘振线与喘振线两线之间留5%～10%的安全裕量，防喘振线下2%左右设置防喘振接近线，防喘振线上2%左右设置紧急开发线。表1为某钢厂鼓风机正常运行防喘振线折线参数表。

5 高炉鼓风机防喘振控制的实现过程

当吸入流量为某值，在复合演示器内就有一个防喘振线上的对应压力值，以该压力值作为防喘振控制器的设定值，把鼓风机的排出口的压力经过压力变送器PT-303-2变换成电流信号送入控制器比较判断。若小于设定值，该控制器输出限制在4 mA，主副防风阀全闭。排出压力因外界管路系统变化，压力上升时，超过设定值，控制器输出解除限幅，输出增大，就按照比例先开启副放风阀，使鼓风机排出压力下降，开度仪ZT-304-1使开度稳定在一定值；若副放风阀开度不够，压力下降不大，尚未脱离防喘振区，将继续增大副风阀开度，直到副放风阀全开后，若还没脱离防喘振区，再打开主放风阀。某钢厂高炉鼓风机防喘振控制系统如图3所示。

6 湛江钢铁高炉鼓风项目的优化和改进建议

通过高炉鼓风机的特性曲线分析可知，安全运行区域的最大化与足够的防喘振控制安全裕度是相互矛盾的。根据以上防喘振控制系统的分析，湛江钢铁鼓风机项目防喘振控制系统的优化和改进主要有以下几方面。

（1）设备的选型配置。除了需要考虑设备能力和投资经济问题外，还要考虑满足将来高炉扩容工艺需求与设备安全稳定运行。

（2）设备设计优化。鼓风机组一般是根据夏季高常压、冬季高常压和年平均高压条件来设计的，而湛江鼓风项目结合了炼铁工艺进行了优化，在此基础上增加了常年运行工况来进行鼓风机设备设计，这样尽可能让鼓风机在最大效率性能曲线区域运行，最大限度地做到节能减耗。

（3）防喘振工艺措施的优化。在排空法防喘振的基础上，考虑高炉休风前小风量运行、鼓风机开机大气运行等工艺情况，可设置放风旁通管道回收部分能量。

（4）防喘振线自动移动功能。设置大气温度湿度等补偿单元对放空线进行修正，使放空线能自动随着大气条件变化而移动[8]，即设计防喘振动态线，从而保持与喘振线之间的5%～10%的安全裕量，既保证了喘振线的安全裕量，提高了鼓风机防喘振安全可靠性，又能使安全区域在安全可靠的基础上最大化，使风机效率发挥到最佳水平。

参考文献

[1] 谢建中，朱建东.高炉鼓风培训教材[M].上海：宝钢分公司能源部，2007.

[2] 毛之仁.高炉鼓风[M].上海：上海宝山钢铁总厂能源部，1995.

[3] 续魁昌，主编.风机手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4] 黄钟岳，王晓放.透平式压缩机[M].北京：化学工业出版社，2004.

[5] 杨缨，陈奇福.高炉鼓风机防喘振控制系统的改造[J].金属材料与冶金工程，2007，35（2）：50-52.

[6] 郁鸿凌.高炉鼓风系统效率分析及节电潜力研究[M].上海：上海理工大学，2011.

[7] 宝山钢铁总厂能源部.宝钢高炉鼓风设备[M].上海：上海宝山钢铁总厂能源部，1983.

[8] 马琴，马玉玲，赵静，等.轴流风机防喘振控制优化设计[J].冶金动力，2008（4）：53-55.