2 500m3高炉汽动鼓风机控制系统应用

关键词：鼓风机锅炉 控制系统

宁波钢铁有限公司目前已投产1座2 500m³高炉，年产铁水量200万t，一台32兆瓦的同步电机，带动轴流压缩机AV80—15给高炉送风。为确保高炉生产，充分利用资源，减少用电量，于2007年6月启用投运1号汽轮鼓风机。汽轮鼓风机投产后，电动鼓风机作为备用。锅炉是江西江联能源环保股份有限公司生产的JGl50—3．82／450一Q中温中压高炉煤气锅炉，汽轮机是杭州汽轮机厂NK63／80／32凝汽式汽轮机，风机是陕西鼓风机厂AV80一15轴流压缩机。

1主要工艺流程

1．1汽轮鼓风机工艺流程

汽轮鼓风机系统是将具有一定压力和温度的过热蒸汽通过汽轮机做功，汽轮机旋转带动鼓风机，将净化空气以一定的压力和流量输送到用户，空气的流量和压力既可以通过调节动静叶片之间的角度来实现，也可以通过改变进汽量从而改变转速来实现；电动鼓风机和汽动鼓风机原理大致相同，只是原动机不同而已，汽动鼓风机原动机是汽轮机，而电动鼓风机是电动机。相对于汽动鼓风机，电动鼓风机启动时间短、维护方便。汽轮鼓风机的工艺流程如图1。

2控制系统组成

2．1 150t锅炉系统组成

150t锅炉采用了Siemens的PCS7冗余系统，控制器AS417H、扩展I／O：ET200M共计13套，所有模块都具备带电插拔功能。现场总线采用了冗余的Profibus—DP通信总线。上位机配置了工程师站和操作员站各1个。网络采用了工业以太网，控制器和上位机间

通过以太网交换机实现通信链接。

2．2汽动鼓风系统组成

汽动鼓风机采用了Siemens的冗余系统，控制器AS4．17H、扩展。I／O ET200M共计3套。本特利3500在线监测一套，通过Modbus与AS417H通讯。Wood—Ward505调速系统一套。现场总线采用了冗余的Profibus—DP通信总线。上位机配置了工程师站和操作

员站各1个。控制器和上位机间通过以太网交换机实现通信链接。

3主要控制系统实现

3．1 150t锅炉主要控制

锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气含氧量和炉膛负压等。这些输入变量与输出变量之间相互关联。因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。锅炉的控制方案一般可分成以下几部分：锅炉汽包水位控制系统、锅炉燃烧控制系统、汽包压力控制系统、烟气含氧量控制系统、炉膛负压控制系统、过热蒸汽温度控制系统、除氧器控制系统。下面就控制系统里的几个典型环节的控制方案进行分析。

3．1．1锅炉给水调节控制

汽包水位是锅炉安全运行的一个非常重要的工艺参数，必须被控制在一个非常严格的工作范围内，由于引起汽包水位变化的因素较多，如锅炉负荷、燃烧工况、给水压力等，加上锅炉特有的虚假水位现象，该系统接收汽包水位、蒸汽流量、给水流量三个信号，两个控制器(主调和副调)相串联，称为三冲量串级给水调节系统。其中主调将汽包水位测量值与给定值进行比较积分运算，运算结果再与蒸汽流量信号相加，作为副调的给定信号，副调将给水流量测量信号相比较，并对偏差进行比例积分运算，再经高低限限幅、且输出信号控制执行机构动作，改变给水量，以维持一定水位。

3．1．2锅炉燃烧系统控制

燃烧系统三大控制目标：a、控制主蒸汽的压力恒定，以便满足“负荷流量”所需的压力。b、控制炉膛内氧的含量。一要保证有足够的氧供燃料充分燃烧，不使烟气中有过量的CO，避免浪费燃料和造成环境污染；二是要满足经济燃烧的要求，保证氧量不能过多，以避免尾气带走过多热量形成浪费。c、控制炉膛负压在一定范围，保证安全生产。

1)主蒸汽压力的控制：主要通过调节输人的燃料量和送风量的多少来实现。当“负荷流量”增加时，压力会下降，为了保证流量的供应，必须提高压力使其返回到额定值，因此调节手段主要是增加燃料输入量和送风量；当“负荷流量”下降时，压力会上升，为了保证流量供应，须降低压力使其返回额定值，这时的调节手段主要是减少燃料输入量和送风量；当“负荷流量”恒定时，保持压力为额定值不变。

2)炉膛内含氧量的控制：主要通过调节空气(即送风量)和燃料的输入成一定的比例来实现。一般情况下，燃料增加时，燃料耗氧量要增加，为了保证含氧量不致于过低，调节手段是必须相应地增加一定比例的空气量(送风量)；燃料减少时，燃料耗氧量会减少，为了保证含氧量不致于过高，这时的调节手段应该是成比例地减少一定的空气量(送风量)。

3)炉膛负压的控制：主要通过调节引风机的引风量来实现。当燃料和送风需要增加时，炉膛负压势必会向正压的方向减小，为了保证负压，调节手段应该是先增加引风量；当燃料和送风需要减少时，炉膛负压势必会向负的方向增大，这时的调节手段应该是先减少引风量。

3．1．3蒸汽温度控制

蒸汽过热会影响汽轮机的安全运行，过冷汽轮机的效率变低，要求温度的偏差不超过额定值(450℃)，过热器出口蒸汽温度偏离额定值不大于 5℃，不小于一15℃，即435～455℃范围；由于蒸汽过热器较长，滞后时间太长，为了使其控制性能较好，把蒸汽过热器分成一、二两段，并在一、二段之间加减温水，能有效地减少其滞后时间。蒸汽温度控制采用串级控制调节器。将过热器出口蒸汽温度作为主调节器的检测信号，主调节器的输出不是用来控制调节阀而是用来改变副调节器的给定值，起着最后校正作用。采用两级调节器，调节阀直接受副调节器的控制，而副调节器的给定值受到主调节器的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和过热器出口蒸汽温度形成的闭环称为主环。

3．1．4其他控制

1)给水泵间连锁；

2)引、送风机和高(焦)炉煤气管道上的电动蝶阀

间连锁；

3)锅筒超压和低水位保护；

4)锅筒高水位连锁保护；

5)炉膛熄火保护；

6)锅炉燃烧系统保护；

7)煤气压力过低保护。

3．2汽轮鼓风机主要控制

汽轮鼓风机控制系统主要任务是通过调节汽轮机的转速和鼓风机的静叶角的开度来维持风机的出口风量或风压不变及满足风机防喘振、防逆流(防阻塞)保护的要求。汽轮鼓风机组的控制系统主要有以下几大部分：汽轮转速调节、冷凝器液位调节、轴封压力调节与风机防喘振调节、风量调节、逆流保护以及联锁保护等。下面分别就几个主要回路做简要说明。

3．2．1轴封压力调节

保持适当的轴封压力是保证汽轮机良好真空的条件之一，直接影响到机组的安全、经济运行。设定要求的工作压力S_v，机组运行中由于工况(如转速、汽压)的变化引起轴封实际压力PV的变化使PV偏离S_v，系统输出调节信号控制执行器开大或关小以调节阀门，保持S_v=P_v随时保持实际轴封压力稳定。

3．2．2冷凝器液位调节

冷凝器液位调节采用两台调节阀。如图3所示，正常运行时Fvl全开，Fv2全关，冷凝水经Fvl送出。若机组工况变化引起水位下降至低限，Fvl打开，循环补充冷凝器水位。在开停机过程中，由冷凝水量较少，FVl关小或全关，由FV2开大或关小控制水位。

3．2．3汽轮机调速系统

汽轮机调速系统主要由转速传感器、转速控制系统Woodward 505、电液转换器、油动机和调节汽阀组成。Woodward 505同时接受二个转速传感器变送的汽轮机转速信号，将接收到的转速信号与转速设定值进行比较后输出执行信号(4～20mA电流)，再经电液转换器转换成二次油压(0．15～0．45MPa)，二次油压通过油动机控制调节汽阀。

3．2．4防喘振控制

喘振是风机的重要特性之一，根源是由于排气压力过高引起的。机组发生喘振时对应的排气压力称为喘振压力，同一型号的静叶可调式轴流压缩机根据制造、安装地点、安装精度、进气温度、大气压力等原因，喘振压力会发生变化，另外静叶可调式轴流压缩机在不同的静叶角度下对应的喘振压力也不一样。防喘振调节的关键是防喘振控制曲线的设定，它不但影响鼓风机的安全程序，而且也影响鼓风机的运行范围和能量放空，是防喘振控制系统中的控制调节核心。由实测出的风机喉部差压(△P)与排气压力P的函数关系得出风机的特性曲线和喘振曲线，即在不同的静叶角度(喉部差压)下，测量对应的喘振压力，一般至少测量5～7点。将测量的点用折线连接即可绘出横坐标为喉部差压，纵坐标为排气压力参数的曲线，称为该机组的喘振线。将喘振线纵坐标参数下移5％～10％得到原始该机组的防喘振线。

防喘振控制的目的是改变管网系统的特性，使风机的运行工况点在喘振线的右下侧。当风机由于某种原因运行工况点接近该线时，自动发出报警信号并采取相应的处理措施使风机运行离开喘振区。在机组启动过程中，防喘振阀始终处于全开状态。机组正常启动完毕在实现自动操作后，根据高炉所需的供风条件(机组的运行工况)，选择某一特定工况下的防喘振曲线，同时采用温度、压力补偿算法，使得防喘振控制的使用适应各种气候条件。对该防喘振曲线函数和检测的压缩机排气压力进行PID控制，其输出分别控制两并联安装的防喘振阀。

3．2．5定风量，定风压调节系统

轴流压缩机对风量和风压的调节是通过调整压缩机静叶角度的变化来实现的。静叶角度的调节回路由内环控制和外环控制形成的串级回路组成，外环部分由PLC通过PID调节控制器完成；内环部分包括静叶位置变送器、静叶伺服控制器和静叶伺服机构。静叶伺服控系统如图4，通过调节静叶角度的变化，按工艺状态的要求增降压缩机的出力，在工艺对风量要求不大时，压缩机的负荷也随之降低，没有因放空运行造成的能源浪费，节能作用十分明显。静叶伺服控制器通过比较来自位置变送器和PLC的控制信号，发出伺服指令信号驱动静叶伺服机构，推动静叶承缸按指定方向动作，从而完成对压力和风量的稳定控制。在外环控制部分，操作人员可选择定压力或定流量，手动或自动控制，按照工艺需要对目标值进行设定，由PID调节器完成对压力或流量的自动调节。

3．2．6其他控制

1)转速检测及超速保护；

2)轴位移和机组振动检测及保护；

3)油泵联锁控制及低油压保护；

4)盘车启停控制；

5)与高炉联络信号处理；

6)重要参数历史趋势记录，实时超标报警；

7)报表统计；

8)逻辑控制系统(包括启／停联锁控制、风机防逆流保护)；

9)数据采集、全CRT画面监控、打印报表等。

4结束语

高炉正常生产时，要求鼓风机定风量操作，以保证高炉炉内温度和煤气流稳定。高炉送风制度与鼓风操作有着十分密切的关系，为了托住炉内料柱的气阻，要求有一定的供风风压。热风炉换炉时，要求鼓风机采用定风压操作。本系统以西门子的控制器AS417H为核心，实现高炉鼓风机及附属设备的控制和安全保护。1号汽轮鼓风机的投运为安全生产、稳定向高炉送风起到了很好的作用。