（电力电子与电力传动专业论文）离心通风机防喘振智能控制系统研究.pdf

r e s e a r c ho na n t i s u r g ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rc e n t r i f u g a lf a n b y s u ns h u x i n b e ( h e n a nu n i v e r s i t yo fu r b a nc o n s t r u c t i o n ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n p o w e re l e c t r o n i c sa n dd r i v e s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rq i a n gm i n gh u i a p r i l ，2 0 1 1 堋fffffffjfffffffffffff|il删lll y 18 8 5 2 2 4 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：曩耐盗日期：z ，f 年o 月口f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：扫缸隧 刷程轹乡勿以强 f 日期：弘年“月o 1 日 日期：j ot 1 年形6 月p 斧日 u 硕 ! 学位论文 目录 摘要i i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 课题研究现状与发展趋势2 1 3 本文的主要工作3 第2 章离心式通风机工作原理综述4 2 1 离心式通风机分类4 2 2 离心式通风机组成- 4 2 3 离心式通风机工作原理5 2 4 离心式通风机特性曲线5 2 5 离心式通风机管网特性曲线6 2 6 本章小结7 第3 章离心式通风机防喘振控制原理8 3 1 通风机喘振原因8 3 2 影响喘振的因素9 3 3 防喘振控制技术1 1 3 3 1 喘振被动控制1 1 3 3 2 喘振主动控制1 2 3 4 防喘振控制要点1 3 3 5 本章小结1 4 第4 章防喘振控制系统研究及仿真1 5 4 1 常规p i d 控制1 5 4 2 模糊控制的产生及特点1 6 4 3 模糊控制的原理1 6 4 4 系统模糊控制器设计1 7 4 4 1 确定模糊控制器的结构1 7 4 4 2 模糊化1 7 4 4 3 设计模糊控制规则1 8 4 4 4 解模糊1 8 4 4 5 确定论域、量化因子、比例因子1 9 4 4 6 模糊控制算法2 0 4 5 模糊自适应控制2 l 4 5 1 自适应控制2 1 4 5 2 模糊自适应控制2 2 4 6 模糊自适应p i d 控制器设计2 2 4 7 系统控制器仿真研究2 5 4 7 1s m i u i l i n k 介绍2 5 4 7 2 系统控制算法仿真模型如下2 6 4 7 3 控制系统s i m u l i n k 实现2 7 4 8 本章小结3 0 第5 章防喘振控制系统实现3 1 5 1 系统各参数的测量3 1 5 2 确定通风机喘振线3 2 离心通风机防喘振智能控制系统研究 5 3 确定通风机防喘振控制线3 4 5 4 控制系统结构3 5 5 5 控制系统策略3 6 5 5 1 转速内环模糊自适应p i d 控制3 6 5 5 2 气压外环模糊p i d 控制3 8 5 5 3 电流闭环p i 控制4 0 5 6 通风机防喘振系统控制效果4 0 5 7 本章小结4 l 第6 章离心式通风机上位监控系统设计4 2 6 1 上位软件设计方案4 2 6 2 系统开始界面4 3 6 3 系统控制界面4 3 6 4 系统趋势曲线4 4 6 5 数据报表4 5 6 6 系统报警4 6 6 7 本章小结4 7 结论与展望4 8 参考文献4 9 致谢5 3 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 4 硕卜学位论文 ! 曼曼蔓曼! 曼曼! 曼! 曼! ! ! ! 曼曼i i二 i ! 摘要 通风机广泛地应用于电厂、冶金、采矿、地铁及隧道行业，尤其在采矿行业， 通风机是大功率、长时间连续运行的重要设备，随着科学技术的发展，通风机在 性能和运行的安全可靠性上都得到了很大的提高，但其还是存在一些缺陷，例如 容易发生喘振，特别是喘振，对通风机的危害极大，轻则使通风机停机，中断生 产，造成经济损失；重则引起设备报废甚至造成人员伤亡。为了保证通风机的正 常运行，必须配备控制系统来防止喘振的发生。 离心通风机的防喘振方法一般模仿压缩机，采用最小流量法，不能充分使通 风机工作在最佳工况区，过早起动防喘振系统，浪费了能源；且控制系统一般采 用模拟仪表构成，在通风机的喘振线发生变化时不能及时修正，对非线性的喘振 线不能较好的实施控制。近来，随着计算机技术的发展、控制方法有了进一步提 高，但大多数防喘振控制方法把气压和转速简单的描述为线性关系，更有甚者只 调节气压来实现防喘振控制，进而使系统动态性能很差，不能准确判断喘振状况， 不能及时动作，降低了通风机效率，同时加剧了系统耗损。 针对以上问题，本文以石油化工学院化机实验室离心通风机控制系统为研究 对象，采用理论和实践相结合的研究方法，研究了防止离心通风机喘振现象发生 的控制策略，并进行了仿真及实验研究。为了更好的反映离心通风机的工作状况， 并在原有的进出口压力、流量、温度测量基础上，增加了振动和噪声信号的测量， 采用组态软件，更好的实现了人机交互，通过实验，确定通风机喘振线。在此基 础上，进行了理论研究，提出了气压和转速闭环控制的综合控制策略，利用 m a t l a bs i m u l i n k 软件进行仿真，将理论运用于通风机防喘振试验中，试验结 果表明，改善了防喘振品质，很好的达到了预期的防喘振效果。 关键词：离心式通风机；喘振；防喘振控制 m a b s t r a c t t a n1 s w l q e l yu s e di np o w e rp l a n t s ，m e t a l l u r g y ，m i n i n g ，s u b w a ya n dt u n n e l 1 n d u s t y ， e s p e c i a l l y i nt h ec o a l i n d u s t r y ，t h ev e n t i l a t o ri sah i g h p o w e r ， v i t a l e q u l p m e n to fl o n gt i m ec o n t i n u o u so p e r a t i o n ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n d t e c n n 0 i o g y ，p e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o no ff a no nt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t vh a v e b e e ng r e a t l yi r e p r o v e d ，b u ti ta l s oh a v es o m ef l a w s ，f o r e x a m p l e ，o c c u r r e n c es u r g e e a s y e s p e c i a l l y ，s u r g ei sg r e a th a r mt ot h ef a n s ，i tc a ns t o pt h e f a n ，i n t e r r u p t p f o d u c t l o n ，c a u s ee c o n o m i cl o s s e s ；s e r i o u s ，e q u i p m e n ti s s c r a p p e do re v e nc a u s e d c a s u a j t i e s l no f d e rt oe n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no ff a n s ，i tm u s t b ee q u i p p e dw i t h c o n t r o ls y s t e m st op r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo f s u r g e jh e a n t l 。s u r g em e t h o do fc e n t r i f u g a lf a ng e n e r a l l yi m i t a t et h e c o m p r e s s o f ， a d o p tm l n l m u mf l o wm e t h o d ，i td o e sn o t f u l l ym a k ef a nw o r k i n gi nt h eb e s t c o n d i t i o na r e a , s t a r ta n t i 。s u r g es y s t e m e a r l y ，i saw a s t eo fe n e r g y ；a n dc o n t r 0 1s v s t e m l s c o m m o n l yc o n s t i t u t e db ys i m u l a t i o ni n s t r u m e n t ，t h es u r g ei nt h ev e n t i l a t o rl i n e c n a n g ec a n n o tb ep r o m p t l yc o r r e c t e d ，t h en o n l i n e a rl i n eo f s u r g ec a nn o to b t a i n t l m e l yc o n t r o l r e c e n t l y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 y ，c o n t r o l m e t h o d h a sb e e nf u r t h e ri m p r o v e d ，b u tm o s to ft h e a n t i s u r g ec o n t r 0 1m e t h o d ，s i m p l y d e s c n b et h ea i rp r e s s u r ea n ds p e e da sal i n e a rr e l a t i o n s h i p ，f u r t h e r m o r e ，j u s ta d i u s t t h ea l r p r e s s u r et oa c h i e v et h ee f f e c t ，t h u sm a k et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs v s t e m d e c o m ev e r yp o o r ，c a nn o ta c c u r a t e l yd e t e r m i n et h es u r g ec o n d i t i o na n dc a n n o t m o v e m e n t r e d u c i n gt h ee f f i c i e n c yo ff a n ，w h i l ei n c r e a s i n gt h el o s so fs v s t e m a c c o r d i n gt o t h ea b o v e p r o b l e m s ，t h i s p a p e ru s et h ec o n t r o ls v s t e mo f c e n t n l u g a lf a ni nt h ep r o c e s se q u i p m e n ta n dc o n t r o ll a b o r a t o r i e so fp e t r o c h e m i c a l c o i l e g ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，a d o p tt h em e t h o do ft h e o r ya n dp r a c t i c e ，s t u d i e dt h e c o n t r o ls t r a t e g yt op r e v e n ts u r g ec o n t r o l ，a n dm a k et h er e s e a r c ho fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l i nt h eb a s i st h em e a s u r e m e n to f i m p o r ta n dp r e s s u r e ，f l o wr a t e t e m p e r a t u r e 1 n c r e a s e dt h em e a s u r e m e n t o fv i b r a t i o na n d n o i s e ，t h eu s eo f c o n t l g u r a t l o ns o f t w a r e ，r e a l i z e dt h ei n t e r a c t i o no f h u m a n c o m p u t e r 。t h r o u g ht h e e x p e n m e n t e t e r m i n et h es u r g el i n eo ff a n o nt h i s b a s i s ，p u tf o r w a r dt h ec o n t r o l s t f a t e g yo fp r e s s u r ea n ds p e e dc l o s e d l o o pc o n t r o l ，u s em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a f e t os i m u l a t i o n , a n dt h et h e o r yt ot h ef a no fl a b o r a t o r y ，e x p e r i m e n t a lr e s u i t ss h o w t h a t t h ea n t 卜s u r g eh a si m p r o v e dt h es u r g e q u a l i t y ，a c h i e v e dt h ee x p e c t e de f f e c t k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lf a n ， s u r g e ，a n t i s u f g ec o n t r o l i v 硕k 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 离心式通风机作为气体输送设备，可以满足工业上对各种气体输送需求。目 前大型的离心式通风机以其可靠的性能、稳定的流量在电厂、冶金、采矿、地铁 及隧道通风中得到了广泛的应用l 。 通风机能否持续、可靠的工作将直接影响通风效率和工业生产安全，因此， 保证其安全稳定工作显得至关重要。近年来，风机性能和运行可靠程度上都得到 了很大的提高，尽管离心式通风机相比于其他类型风机更难发生喘振，但随着其 工作环境的突变或自身故障，还是经常有喘振发生。 类似于压缩机，当通风机流量减少时，随着其产生旋转失速，在不断加剧后， 会出现一种极为不稳定的工况：离心式通风机的气体流量和排气压力周期性地低 频率，大幅度地波动，并发出“噗嗤，噗嗤的声音，同时引起通风机机体的强 烈的震动，这种现象称为喘振。 通风机的防喘振控制是保证其能否正常运行的关键，当通风机发生喘振时， 系统所表现出来的主要特征有：。 ( 1 ) 通风机排风量、风压，大小、高低交替变化，管道内气体的压力和流量1 、 也发生很大的波动； ( 2 ) 电动机电流波动很大，最大波动范围可能达到几十安； ( 3 ) 风机机体振动强烈，机房地面、墙壁以及房内空气抖动明显； ( 4 ) 风机发出“噗嗤、噗嗤、 的声音，并不断加剧： ( 5 ) 以上这些参量均发生明显的、周期性的变化，每个周期能够持续几秒时 间1 3 1 。 目前，有些通风机的防喘振方法一般参照压缩机，采用的最小流量法，但其 不能使风机工作在最佳工作区，往往过早动作，降低了风机效率的同时也浪费了 能源，且控制系统多采用模拟仪表，在风机喘振发生时更不能及时实施控制，并 且很难达到控制精度要求1 4 j 。 以上这种方法过于简单，不能很好的描述喘振曲线来反映其形态和特点；当 系统工作条件变化时，风机性能曲线会发生很大变化：而且大多数通风机的喘振 控制主要是针对某一种，某一型号的通风机作为控制对象，对其单独进行研究控 制，通用性比较差；截止目前国内还很少有相应措施来监控它1 5 1 。 本文在阅读大量文献资料的基础上，进一步对石油化工学院化机实验室的工 离心通风机防喘振智能拧制系统形f 冗 业用离心式通风机的进行实验，采用理论和实践相结合的研究方法，从理论角度 分析研究了离心通风机喘振现象发生的机理，采用先进的控制算法研究了防止离 心通风机喘振现象发生的控制策略，并进行了仿真研究。经过理论分析和实验研 究，分析了引起离心通风机发生喘振现象的诸多因素，优化了数据采集点的分布， 改进了数据测量方法，在原有大多数离心通风机防喘振控制采用的压力、温度、 流量参数进行采集的基础上，增加了振动和噪音的信号采集，使其能够更真实的 反映离心通风机的工况；下位采用s 7 3 0 0 p l c 对测得五种模拟量进行采集；上 位采用组态软件：系统采用先进控制算法，进而达到系统精确的防喘振控制要求。 1 2 课题研究现状与发展趋势 一般来说，影响风机的喘振的因素很多，很难用理论计算方法准确地求出喘 振点，而厂家所给的说明书上的数据，都是在出厂前，实验条件下得到的。在实 际应用中，由于工作环境不同、管道分布错综复杂、风机自身故障或操作人员误 操作等原因，喘振随时都有可能发生1 6 】。 介于通风机系统复杂而不稳定的工况，目前国内对通风机喘振现象的研究， 特别是对离心式通风机的研究还不是很完善，国外有些专家学者，基于实验提出 了自己的喘振模型和稳定性判据1 7 】。 近年来，国内许多高等院校、科研单位研制出一些针对风机在线监测、监控 和故障诊断系统，在此基础上，对风机的喘振现象进行了分析研究，并提出了一 些防喘振控制方法。 尽管通风机监控系统的研究取得了显著效果，但将这些监控系统真正很好的 应用到风机防喘振控制系统上的并不多，能否将这些监控系统与防喘振控制真正 有机结合起来，需要做的工作还很多。 煤科总院抚顺分院研制的z f 1 型智能通风多参数测试仪可以同时测量压 力、温度及风速三个通风参数，为更好的防控喘振奠定了很好的基础。 中国矿业大学研制的矿井主通风机性能在线检测与通讯系统，其风量的检测 方法解决了矿井恶劣通风条件下，在线监测风流含尘、潮湿、脉动、可靠性及准 确性差的关键技术难题提高了矿井通风设备自动化、科学管理水平。 此外，煤科总院上海分院、上海矿业学院、辽宁工程技术大学、西安矿业学 院等科研机构和学校也都研制出不同的通风机在线监控系统，并且取得了良好的 效果【引。 目前，针对于风机控制，国内仍有很多系统以经典控制理论为基础，多采用 模拟调节器，对运行中的有关参数，分别作必要的调节，构成单回路的并联控制 系统，执行件也多为机械的比例调节器或保护继电器。尽管这种控制系统能对风 2 硕i ：学位论文 i i_i_ i i ii iii_i i i ， 机参量进行适度的调节，完成必要的工艺要求，并保证风机正常运行，但始终不 能满足变化较大的负荷和工况，更不能保证系统始终有最高的效率。 很多国外的通风机组，制造商在风机出厂时，会提供与该风机相匹配的控制 系统，针对性比较强，效果也比较理想，这样做，客户使用方便，但成本相对较 高。而有时，有些单位自行设计开发风机监控专用软件，这就要求软件开发人员 对风机结构、工作原理、特性等特别熟悉，这样降低了初次投入成本，但开发时 间较长i 引。 随着计算机技术的不断发展，先进控制算法在实际应用中逐渐崭露头角，控 制效果明显并在其中得到不断提升，目前，许多系统为了达到更高的控制要求一 般都使用计算机；而p l c 以其优越的性能、良好的环境适应性、灵活方便的编 程特点，受到许多工作人员的青睐，逐渐被应用于通风机防喘振控制系统中。 1 3 本文的主要工作 喘振现象在化工、电力、煤炭、采矿等行业的离心式通风机中普遍存在， 通风系统中，当流量达到某一特定值时，由于系统管道中的气流脱离现象的 加剧，促使管路性能曲线与风机性能曲线的交点处于喘振线左边，此时系统 产生的周期性气流振荡现象。管道的容积愈大，喘振的频率愈低，振幅愈大： 管路的容积愈小，则喘振的频率愈高，振幅愈小。喘振如果不能及时避免， 系统噪声加剧、机组剧烈振动以至机体损坏，并可能导致严重后果1 1 引。 本文从喘振主要诱因出发，在分析研究离心式通风机主要结构、风机的工作 原理的基础上，重点分析了通风机喘振现象产生的原因，影响喘振的各种因素， 分析了防喘振控制方法，仿真研究各种防喘振控制算法，最终提出风机防喘振 控制策略。 本文研究的主要内容如下： 1 对离心式通风机结构和工作原理进行深入了解和分析，在化机实验室现有 设备条件下，进行实验，并在此基础上不断改造，逐渐满足控制系统整体要求。 2 分析研究通风机喘振原理，影响通风机喘振的主要因素。 3 对各种控制算法进行分析比较，初步确定通风机防喘振控制算法。 4 开发基于组态软件的上位机监控软件，完成数据的采集、分析和处理。 5 通过测量通风机工作温度、压力、流量、震动、噪音等参数，分析参数变 化对通风机工况的影响，模拟通风机喘振时参数变化，确定系统喘振线及控制 线，构建防喘振控制系统，最终实现系统整体控制要求。 3 离心通风机防喘振智能控制系统研究 第2 章离心式通风机工作原理综述 对于离心式通风机的防喘振控制，首先应该掌握通风机的型号，风机主要组 成部分，还有最重要的是风机的工作原理，只有很好的掌握离心式通风机的工作 原理，弄清其与离心压缩机、轴流式通风机的不同，在此基础上所设计防喘振控 制系统，才达到系统控制要求，才能保障通风机安全、稳定、高效的运行。 本章首先对离心式通风机的类型、组成、特点做了详细的阐述，然后分析了 通风机产生喘振的主要原因，为后文通风机喘振现象各项参数测量、分析奠定了 理论基础。 2 1 离心式通风机分类 离心式通风机按其产生的压力不同可分为： 通风机：风压在1 4 7 k p a ( 1 5 0 0 m m h ，o ) 以下的离心式风机。 鼓风机：风压在1 4 7 3 0 0 k p a 的离心式风机。 离心式通风机按其用途不同可分为： 一般用途离心式通风机：用于建筑物的通风换气和一般设备的送风。 排尘离心式通风机：用于排送含有粉尘的空气。 锅炉离心式通风机：用于工业锅炉的送风和排风，送风的称为通风机，排风 的称为引风机。 煤粉离心式通风机：用于输送含煤粉的空气。 2 2 离心式通风机组成 离心式通风机主要是由叶轮和机壳组成，如图2 1 所示。它的主要部件是：1 机壳、2 叶轮、3 轮毂、4 机轴、5 吸气口、6 排气1 3 ，此外还有，7 轴承座、8 机座、9 联轴器等部件，通风机通过联轴器与电动机轴相联。 图2 1 离心式通风机的构造及工作原理 4 硕卜学位论文 2 3 离心式通风机工作原理 当电动机带动风机叶轮转动时，叶轮中的空气也随叶轮旋转，空气在惯性力 的作用下，被甩向四周，汇集到螺旋形机壳中，空气在机壳内流向排气口的过程 中，由于截面不断扩大，速度逐渐变慢，大部分动压转化为静压，最后以一定的 压力从排气口压出。 当叶轮中的空气被排出后，叶轮中心形成一定的真空度，进气口外面的空气 在大气压力的作用下被吸入叶轮。叶轮不断旋转，空气就不断地被吸入和压出。 显然，通风机是通过叶轮的旋转把能量传递给空气，从而达到输送空气的目的【l 。 2 4 离心式通风机特性曲线 离心式通风机的运行状况经常发生变化。为了反映不同工况下通风机的性 能，通常把在在不同转速下进气流量与排气压力、功率及效率的关系等用曲线表 示出来，这些曲线就称为通风机的性能曲线。对于工业用通风机，性能曲线一般 只给出排气压力或压比、功率与流量的关系。性能曲线的数学表达式为： 乞( 只) 一，( q ，厅或g ) 式中：。为风机进、出口压比；q 4 为风机进气端容积流量；g 为质量流量；n 为转速；为出气压力。 如下图2 2 所示为压比与流量的关系： 足 a g 图2 2 离心式通风机特性曲线 离心式通风机特性曲线是风机工况性能的图像表示，它清晰的反映了各种工 况下的性能，稳定工作范围，喘振区，为操作运行、分析工况性能提供了重要依 据。 通风机的特性曲线可以通过计算、实验和计算实验相结合的方法来获得。但 由于计算中需要做出许多假设，所以计算结果必然失真：因此，比较可靠和更为 5 离心通风机防喘振智能控制系统研冗 精确的特性曲线还是要通过实验来获得。 实验时，当通风机转速在某一指定转速下运行，待系统稳定后，不断调节风 机流量，在此流量稳定后，测量此时通风机各项参数指标，记录此刻数据。如此 测量多组同一转速下不同流量时的温度、压力等参量，依据这些实验数据，运用 相应工具拟合出在这一个转速下的特性曲线。 改变通风机的转速，依照上述方法，又可得到对应转速下的特性曲线，重复 多组如上相同转速，不同流量的通风机运行参数，最终拟合出通风机所能承受转 速范围内的全部特性曲线。 通过以上方法得到的离心式通风机特性曲线是在实验室室内环境下，同样的 进气条件下得到的，显然，当通风机工作环境发生改变，通风机进气条件发生改 变时，离心式通风机的特性曲线必然发生改变。 2 5 离心式通风机管网特性曲线 所谓管网，即与通风机相连的进气管道，排气管道以及管道上的设备总称。 对于离心式风机来说，管网只包括风机后面的管道及全部设备，这样，在研究通 风机与其管网的关系时就简化了风机进气条件随工况变化的问题。 下图左边表示风机与管网中首个设备相连的示意图，排气管上有阀门。为了 把气体送入内压力为的设备去，管网始端的压力( 称为通风机出口的背压) 为： 只一e + a p = e + a q 2 ( 2 1 ) 式中a p 包括管网中的摩擦损失和局部阻力损失，a 为总阻力损失的计算系数。 图2 3 管网性能曲线 式2 1 反映在图2 3 上为一条二次曲线，它是管网端压与进气量的特性曲线， 称为管网特性曲线。管网特性曲线实际上相当于管网的阻力曲线，此曲线与容器 内压力及管道阻力有关。如果通风机到容器的管网很短、阀门全开，此时阻力损 失很小，管网特性曲线几乎是一水平线，如线1 。当管路很长或阀门关小时，阻 6 硕仁学位论文 力损失增大，曲线的斜率增加，于是变成线2 所示。阀门开度愈小，曲线变得愈 陡，如线3 。如果容器中压力下降，则曲线将向下平移；当为常压时，曲线就 是线4 ，可见管网的特性曲线是随管网的压力和阻力的变化而变化的。 2 6 本章小结 本章主要对离心式通风机的分类、组成、工作原理、特性曲线等作了详细的 介绍，主要对通风机工作原理做了相关阐述，尤其对通风机特性曲线的曲线成因， 获得方法做了详细的分析和研究，在分析通风机自身结构可能对喘振产生的影响 基础上，针对通风机出口侧管网压力变化可能对喘振造成的影响，迸一步分析了 离心式通风机出口端管网特性曲线，综合分析研究通风机自身特性曲线和出口端 管网特性曲线，目的是为了更好地掌握通风机喘振工况和这些特性之间的关系， 为后文搭建通风机状态监控组态软件，实现通风机防喘振控制系统奠定了坚实的 理论基础。 7 离心通风机防喘振智能控制系统研究 第3 章离心式通风机防喘振控制原理 3 1 通风机喘振原因 在通风机运行时，不断减小管道出口处排气阀开度，减小流量，工况点沿通 风机的特性曲线向左侧移动，当工况点移动到特性曲线左下部的某一流量时，风 机的流量、压力有激烈的脉动，并引起整个装置振动，这个现象叫“喘振”。 由以上定义可以看出：风机出现喘振的原因，主要是由于管网阻力过大，装 置运行在通风机性能曲线左下部( a pt ，qt 部分) ，如图3 1 2 ；为使系统高效 运行，应该使其运行在两种特性曲线的交点上，但工况下是不可能的。 通风机系统主要由风机1 ，短管2 ，储气筒3 ，阀门4 ，和电动机5 组成，如 图3 1 1 所示： 3 1 1 通风机管网 0 3 1 2 通风机性能曲线 图3 1 喘振现象的形成 q 如图3 1 2 性能曲线，风机工况并不在两条性能曲线的交点i 上稳定的运行， 而是依照c d e b c 回路循环运行。 ( 1 ) 通风机起动时，出口端管网充气，流动流量q 较小，此时风机的容积流 8 硕i ：学位论义 量却很大，风机在c 点工作，出口端管网为了维持相同的压力在f 运行。 ( 2 ) 通风机继续运行，风机出口端压力继续升高，流动流量q 继续减小，通 风机工作点沿着风机性能曲线到达d 点，但此时出口端管网的流量仍小于风机 容积流量，此时管网特性曲线与风机性能曲线无交点。 ( 3 ) 当上述( 1 ) 和( 2 ) 的情况持续运行一段时间以后，出口端管网的排出流量越 来越小，致使管网的压力不断上升，当管网压力大于通风机叶轮进气侧压力( 图 中d 点压力) ，出气侧管网中部分空气被压入通风机进气端，也就是我们通常所 说的回流，即运行点从d 到e 。 ( 4 ) 系统出现回流后，出口侧管道内的压力很快下降到f ，通风机继续工作排 出气体的同时，其入口侧压力下降到b 点。 ( 5 ) 由于通风机还在运转，在此工作点不能维持很长时间，当工作点处在b 点时， 由于气压太小，通风机无空气排出，导致出口侧管网压力下降，当气压低于b 点压力时，通风机又开始供气，此时工作点又处在c 点。 以上所述，通风机并不是沿着两条特性曲线的交点稳定运行，特别是在环境 相对复杂，出口侧管网相对复杂的工业输送气用通风机中，更是难以出现在最佳 工作点持续稳定运行的工况。 当通风机按照以上( 1 ) 一( 5 ) 的过程，工作点沿着c 呻d _ e 一曰呻c 回路循环 工作，由于通风机转速很高，这个循环过程就显得极为迅速，因此将这个过程称 为“飞动”，由于飞动时通风机机体强烈震动，同时伴随着管道发出的类似哮喘 病人低沉的喘气声，故将这种由飞动而造成，通风机流量呈现脉动的现象称为离 心通风机的喘振现象【1 2 j 。 3 2 影响喘振的因素 复杂工况下，引起通风机喘振的因素很多，除了风机内气流因通风机叶轮旋 转失速的出现与加剧诱发喘振外；从通风机与出口侧管网的联合运行分析来看， 系统流量、管道内压力的变化与两者不协调也是诱发风机喘振的重要原因。 这种不协调可主要概括为以下两个方面：首先是通风机流量小于或等于喘振 流量，其次是风机排气压力低于出口侧管网压力，系统体现出的这两种不协调， 都可能导致通风机出现喘振。 通风机运行时，引起工作点变化的情况很多。在风机运行中，凡是能导致风 机性能曲线下移( 如进气口压力降低、气温度升高、气体分子量减少) ，出气端管 网特性曲线上移，或两者同时发生，都可能导致其工作点进入喘振区引起喘振。 除了上述情况，通风机运行过程中的速度和气压的变化不协调，如降速太快 或升压太快，都可能引起通风机喘振。 9 离心通风机防喘振智能控制系统研究 从以上分析和通风机喘振的形成过程不难看出，喘振的发生，主要跟以下因 素有关： ( 1 ) 通风机转速 q 图3 3 不同转速下通风机性能曲线( 一 珂2 刀3 , f 4 愧) 由上图不同转速下通风机性能曲线不难看出：当风机转速升高时，风机工作 点升高，性能曲线也随之上移；相反，性能曲线下移；而性能曲线的变化，直接 关系到通风机的工作状态，决定了风机进入喘振状态的最小压比和进出口流量的 大小值情况。 ( 2 ) 风机进气特征 通风机输送气体时，当外界环境变化或通风机机体故障时，通风机进气特征 都会随之而改变，进一步引起其性能曲线的变化，从而影响通风机喘振。 ( 3 ) 出口端管网结构 图3 4 管网对喘振的影响 如上图所示，风机的性能曲线和管网特性曲线的交点是其理想工作点，当出 口端管网结构复杂，容量特别大时，管网对于通风机转速和气压突变的反应就相 对较迟缓。 例如由于通风机转速突增或某种原因导致的进气端压力突降，由于管网结构 复杂，容积容量足够大，最终导致出气端气压维持突变前压力不变，造成气体回 流，反映在图上，即特性曲线斜率变大，风机工作点左移，当其从a 移至a 时， 系统便进入了喘振区，发生喘振。 1 0 硕卜学位论文 ( 4 ) 通风机结构参数 例如叶轮、机壳结构，进、出气口大小，这些结构参数作为风机固有参数， 直接影响其性能曲线，进而改变其喘振流量【1 3 1 。 3 3 防喘振控制技术 3 3 1 喘振被动控制 由离心式通风机特性曲线可以看出，通风机稳定运行范围的最小流量极限是 喘振线，因此，当管网流量减少到这个极限时就有可能发生喘振，因而喘振控制 的目的就是避免通风机出现喘振。设定一条喘振控制线，通常在喘振线右边做一 条平行曲线，两线之间留有5 左右的裕量，其目的就是当管网流量小于喘振控 制线流量时，还保持通风机工作点始终在稳定区域内，将多余的流量放空或回流， 保障通风机稳定运行。 一般情况下，负荷的递减并加剧是引发通风机喘振的主要原因，因此，要确 保通风机不出现喘振，必须使其在任何转速下，通风机的实际流量都不小于喘振 流量，最基本的控制方法是控制其最小流量，根据不同的应用场合，这种方法又 可以分为2 种：固定极限流量法和可变极限流量法。 ( d 固定极限流量法 如图3 5 所示，该方法的控制要点是假设在最大转速下，通风机的喘振点流 量为q 。( 留有安全裕量) ，如果能够保证通风机进口流量总大于q ，则能避免通 风机进入喘振区，当进口流量小于q 。时，系统打开回流阀或放空，使出口端管 道内压力变小，流量增大直至其流量大于q 。为止。 p , l p s 嗡振线? ，一一1 亨i l ， ， ，一 一，一 图3 5 固定极限流量 这种方法具有结构简单、系统可靠性高、一次投资少等特点，但在转速较低 时，防喘振控制系统预留的安全裕度较大，大大降低了通风机效率，浪费了能源， 因此这种方法只适合那些转速较大而且固定不变的通风机防喘振控制，对于转速 离心通风机防喘振智能控制系统研究 不高且变化不大的离心式通风机效果不是很理想。 ( 2 ) 可变极限流量法 该方法根据不同的转速，以它们所在点的极限流量作为防喘振控制的依据， 根据这些喘振点流量得到系统防喘振保护线，最终参照防喘振保护线来计算控制 量设定值的控制系统。 通风机的防喘振保护线如下： p 2 p t 图3 6 通风机防喘振保护线 系统保护线为：堕ma + 6 盟，如果丝 口+ 6 盟，说明实际流量小于极限流量，系统危险。 p l t 釉缸测幔粕髓删有q l = 墨挣一墨格 1 ) 式中k 、z 、r 、m 、t 分别为流量常数、压缩系数、气体常数、相对分子量 和温度，以是与入口流量相对应的差压。 因此，可得到喘振模型p 。乏毒( p z 一印t ) 式中刀；m = ，当介质不变时，n 为常数：节流装置确定后，k 保持不变；a z 尺 和b 是通风机相关系数。 当通风机入口测得的压差大于计算值时，通风机安全可靠地工作；反之，当 差压小于该计算值时，打开回流阀使气体回流，不断增加入1 ：3 流量，直至进、出 1 ：3 相对平衡，因该计算值通常被用于防喘振控制器的设定值，因此，该系统也被 称为根据模型计算设定值的控制系统【1 3 1 。 3 3 2 喘振主动控制 上- - d , 节讨论的防喘振控制属于喘振被动控制，其关键是通过定值控制，使 1 2 硕 二学位论文 通风机运行在稳定的工作范围内，但其留有相对较大裕量，减小了通风机的工作 区域，使通风机不能在性能最佳的工作点运行，降低了通风机效率的同时，也浪 费了电能。 通风机喘振主动控制不同于被动控制，它直接着眼于喘振现象本身，抑制诱 发喘振的各种因素，如调节风机转速、改变风机出口流量和进出口压比，防止喘 振的发生的同时也拓宽了系统稳定运行范畴。 目前大多数防喘振主动控制方法一般都采用p i d 模型，使用的执行机构较 多，如返回阀、放气阀、节流阀、注气装置、对电机驱动式通风机采用驱动电机 本身作为喘振控制器等。 采用传统的p i d 控制算法，需要建立精确的数学模型，鉴于离心式通风机喘 振数学模型难以精确建立，只有采用先进控制算法，才能更加精确的抑制喘振发 生【1 4 l 。 3 4 防喘振控制要点 防喘振控制要点即保证通风机时刻有足够小的容积流量来避免喘振的发生， 否则系统必须及时打开回流阀回放气体以弥补这个流量差，同时防喘振控制的执 行机构也不能过早地动作，否则将引起效率低下和能源浪费。 早期的离心式通风机配备的防喘振控制系统都是相对简单的模拟量控制系 统，系统通常采用单参数控制系统，防喘振回路由流量指示控制器控制回流阀， 当出口端管道内流量小于或等于最低流量时，系统开启旁通阀，使部分气体回流 到通风机入口管道或者放空，增加通过通风机的流量，防止喘振的发生，这些控 制方法响应不及时，控制效果及精度都难以达到系统控制要求。 从控制工艺上看，我们最感兴趣的是系统的动态性能。目前还没有能够直接 测量喘振的工业仪器、仪表，因此控制系统必须能识别通风机工作点是否已经到 达或无线接近喘振线。为此，我们常做的是在喘振线右侧设定一条控制线，其形 状与喘振线一致，但与喘振线相隔5 左右的流量裕量。所留裕量越小，打开回 流阀的速度越快，能量损失越少，对控制系统要求越高；所留裕量越大，打开回 流阀的速度越慢，相应的，能量损失也就越大，对控制系统要求也就越低。 为了保证防喘振控制系统能够达到控制要求，还要非常重视回流阀的动态响 应和回流回路的响应时间，这些性能数据对喘振极限范围内通风机的动态响应影 响也很大。 本文采用先进控制算法实现离心式通风机的防喘振控制，在原有通风机状态 监控系统中只检测分析系统