（机械工程专业论文）av8016鼓风机组检测及控制系统设计.pdf

t h ed e s i g no fa v 8 0 - 16b l o w e rd e t e c t i o na n d c o n t r o ls y s t e m s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：z h o uj i a n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gh a n x i a n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：j7 年6 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：如年6 月j 日 日期： 乃7 7 年多月 1 日 摘要 冶金领域中，高炉鼓风机组具有重要的作用，是保障高炉生产稳定，顺利运行的主 要动力机械设备。鼓风机组的检测和控制中，运用科学的控制方法，结合各个企业的实 际情况，设计先进合理的控制方案，保证鼓风机安全生产运行，降低机组的事故率，对 高炉的安全生产运行、产量的提高具有及其重要的意义。本课题的主要内容是对a v 8 0 1 6 鼓风机组的检测系统、控制系统进行选型和控制方案设计。 本课题分析了a v 8 0 - 1 6 鼓风机组系统的工艺结构特点和检测控制要求，并结合本单 位实际生产情况的需要，选用a b b 公司的a c 8 0 0 f 控制系统作为鼓风机组的控制系统，并 从3 个方面进行设计。首先是鼓风机组控制方案的设计，主要包括机组启动方案，机组 停机方案，防喘振防逆流的控制功能方案，静叶角度的检测调节控制方案、热井液位的 检测控制方案等等；其次是鼓风机组硬件结构的设计，包括控制系统及其配套设备的选 型设计，检测仪器仪表的选型，防喘振阀的设计，振动监测系统的设计；第三方面是软 件实现的设计，包括控制系统的组态，控制方案的软件程序编译，人机操作界面的功能 设计。 目前，a v 8 0 - 1 6 鼓风机组已经投入实际生产运行，机组运行良好，控制系统性能稳 定，能够满足生产需要，控制效果良好。 关键词：鼓风机组，集散控制系统，控制功能，防喘振防逆流，硬件组态，软件设计 t h ed e s i g no f a v 8 0 - - 1 6b l o w e rd e t e c t i o na n d co n t r o ls y s t e m s z h o uj i a n ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a n x i a n g a b s t r a c t b l a s tf u m a c eb l o w e ri st h ec o r ep o w e re q u i p m e n tt og u a r a n t e ef u r n a c es t a b l ep r o d u c eo f b l a s tf u r n a c ei nt h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ，w h i c hi si m p o r t a n tt oe n s u r es t a b l e ，e f f i c i e n t ，s a f e w o r k i n g i nt h ec o n t r o lp r o c e s so fb l a s tf u r n a c eb l o w e r , h o wt oa d o p ts c i e n t i f i ca n d a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dc o n t r o lm e a s u r e st os a f e g u a r dt h en o r m a lo p e r a t i o no fb l a s t f u m a c eb l o w e ra n dr e d u c et h ee m e r g e n c yr a t ea r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h en o r m a lc o n d u c t o f b l a s tf u r n a c ep r o d u c t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to f p r o d u c t i o n o u r t o p i ci se m p h a s i so nt h e m o d e ls e l e c t i o no fi n s p e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e m st oa v 8 0 - 16b l a s tf u r n a c eb l o w e ra sw e l l a sd e s i g no fi t sc o n t r o ls t r a t e g i e s i nt h i s t h e s i s ，w ea n a l y s i ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n di n s p e c t i o nr e q u i r e m e n t so f a v 8 0 1 6b l a s tf u r n a c eb l o w e r b e s i d e s ，w ec o m b i n et h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o ns t a t u so fa n u n i t ，t h a ti sc h o o s ea c 8 0 0 ff r o ma b bc o m p a n yt ob ec o n t r o ls y s t e mo fa v 8 0 - 16b l a s t f u r n a c eb l o w e ra n ds t a r t i n gad e s i g ni nt h ef o l l o w i n g3a s p e c t s f i r s ti st h ed e s i g no f a v 8 0 1 6b l a s tf u r n a c eb l o w e rc o n t r o ls y s t e m s ，i n c l u d i n gs t a r ta n ds h u td o w np r o g r a m s ， a n t i s u r g ea n da n t i r e v e r s ec o n t r o lp r o g r a m s ， s t a t i o n a r yb l a d ea n g l e ，h o tw e l l l e v e l a d j u s t m e n ta n dc o n t r o lp r o g r a m s ，e t c s e c o n di sb l o w e r sh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nd e s i g n ， i n c l u d i n gs e l e c t i n gc o n t r o ls y s t e m s ( w i t hi t sc o r o l l a r ye q u i p m e r i t s ) a n di n s p e c t i o ne q u i p m e n t s ， d e s i g n i n ga n t i s u r g ev a l v ea n dv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m s t h et h i r da s p e c ti ss o f t w a r e s d e s i g n ，i n c l u d i n gc o n f i g u r a t i o n ，s o f t w a r ep r o g r a mc o m p i l a t i o no fc o n t r o ls y s t e m s ，a n d h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ef u n c t i o nd e s i g n a tp r e s e n t , a v 8 0 16b l a s tf u r n a c eb l o w e rh a sb e e np u ti n t oa c t u a lp r o d u c t i o n ，t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h i su n i th a s p e r f e c tp r o p e r t yo fo p e r a t i n gw e l l ，s t a b l ec o n t r o ls y s t e m sa n dc a n m e e ta l lp r o d u c t i o nn e e d s k e y w o r d s ：b l o w e r ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o lf u n c t i o n ，a n t i s u r g ea n d a n t i r e v e r s e ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，s o i l w a r ed e s i g n 目录 第一章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 高炉炼铁及对鼓风机的基本要求2 1 2 1 我国高炉炼铁行业概况2 1 2 2 高炉炼铁原理及设备工艺3 1 2 3 高炉炼铁对鼓风机的要求3 1 3 鼓风机组的发展4 1 3 1 风机的发展5 1 3 2 汽轮机的发展5 1 4 我国工业控制技术的发展6 1 4 1 我国的传统工业控制6 1 4 2 集散型计算机控制系统( d c s ) 7 1 5 本论文的主要工作内容9 第二章鼓风机组设备结构及控制要求1 0 2 1 旧鼓风机组存在的问题1 0 2 2 鼓风机组的设备选型1 0 2 2 1 汽轮机1 1 2 2 2 鼓风机1 3 第三章鼓风机组运行控制方案设计1 6 3 1 鼓风机组工艺1 6 3 2 控制方案的设计依据1 7 3 3 运行控制方案设计1 7 3 3 1 机组的启动1 7 3 3 2 机组的停机2 0 3 3 3 润滑油系统控制2 3 3 3 4 动力油系统的控制2 5 3 3 5 热井水位控制系统2 6 3 3 6 静叶角度调节系统2 8 i v 3 3 7 汽轮机调速系统3 0 3 3 8 防喘振调节系统和逆流保护系统3 2 第四章鼓风机组控制系统硬件设计3 7 4 。1 控制系统的硬件选型及设计3 7 4 2 现场检测元件和执行元件的选型及设计4 1 4 2 1 防喘振阀的设计4 l 4 2 2 振动位移监测系统的选型4 4 4 2 3 现场仪表盘的结构布置4 5 4 2 4 其他检测元件和执行元件的选型4 6 第五章鼓风机组控制操作系统软件设计4 8 5 1 控制系统硬件模块的组态4 8 5 1 1 操作员站硬件组态4 8 5 1 2a c 8 0 0 f 控制器硬件组态4 9 5 2 控制程序的编译5 1 5 3 人机交互界面设计5 1 5 3 1 机组启动界面设计5 2 5 3 2 机组停机监视界面设计5 3 5 3 3 汽轮机疏水系统界面设计5 4 5 3 4 鼓风机工艺流程界面设计5 5 5 3 5 机组运行工况监视界面设计5 6 5 3 6 润滑油站界面设计5 8 5 3 7 机组轴系界面设计5 9 5 3 8 其他人机界面6 0 结论6 1 参考文献6 2 攻读硕士学位期间取得的学术成果。6 4 致谢6 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 高炉是炼铁生产中最核心的设备，其中鼓风机向高炉内鼓风是高炉炼铁生产过程中 的必不可少的一道工序。高炉炼铁生产时需要向高炉内鼓风，鼓风所送入的空气中的氧 气与焦炭接触进行燃烧生成高温煤气，用于还原铁矿石中的铁化合物进而得到铁水，鼓 风的风量还要与炉料量相互匹配，使炉料能够充分的反应提高反应效率；同时送入的空 气还需要具有一定的压力以克服高炉内原料柱的重力，使炉料能够悬浮在高炉内，如果 一个处于正常生产状态下的高炉突然失去风源，高温的炉料和矿渣有可能很快在重力的 作用下流进位于高炉底部四周的风口并迅速硬化，使鼓风口堵塞，直接导致高炉停产进 行检修，处理硬化的渣铁和更换损坏的风口，这样不仅会损坏设备而且会影响高炉的产 量，造成严重的经济损失；另外，煤气在高炉内是自下而上的流动的，煤气流在炉料中 的分布和变化直接影响高炉内的反应过程的顺利进行，从而影响高炉的生产指标。煤气 分布合理的高炉，煤气的热能和化学能可以得到充分的利用，使炉况正常。增加鼓风量， 多产生煤气量，提高风口前的压力和流速，煤气就能穿透炉料中阻力比较大的地方，改 善煤气流的分布，以使炉料和煤气充分的接触，所以说高炉鼓风量过小或长期慢风操作 时，会降低生产指标，但是增加风量也不是无限制的，一旦风量超过一定的范围后，就 会与炉料透气性不相适应，影响生产质量；在高炉正常冶炼时，由于原料、燃料配比的 不同或者操作工艺等等一系列条件的变化，会引起炉内状况的改变，此时对于鼓风量和 鼓风压力的要求也会随之发生变化，由此可见，鼓风在高炉炼铁的生产过程中对于维持 燃烧过程产生煤气和保持炉内炉料的状态起着至关重要的作用，高炉鼓风机作为鼓风设 备是炼铁过程中的核心动力设备，它应该具有良好的调节性能和一定的调节范围，来满 足高炉炼铁生产的需要，其工作性能与稳定性对高炉的生产有着至关重要的影响。因此， 对于鼓风机的运行需要进行实时的检测和合理的安全的控制，以使其能够稳定的运行， 更好的为高炉服务。 原有鼓风机在检测控制方面比较落后，仪表控制的使用较多。在设备运行参数的检 测上大多使用国产的模拟仪表，还有部分电动3 型仪表，显示记录上多采用指针式记录 仪，这些仪器仪表的检测精度比较低，稳定性可靠性也较差，工程应用能力不足，整个 设备的仪表存在复杂，易损，难于维护等弊端，所有现场仪表所检测的信号都远传到控 1 第一章绪论 制室内的仪表盘上，由安装在仪表盘上的指针式显示表或数字显示表进行显示，显示仪 表数量很多，造成仪表盘体积很大，同时这样也会使整个仪表盘的供电系统线路太多， 仪表盘内温度较高，容易发生故障，影响生产，同时这样也不利于对设备运行参数的统 计、分析和判断。在对一些重要运行参数的控制上大多还是采用手动开环控制、单回路 常规控制仪表或单片机进行控制，响应速度比较慢，控制准确性不高。设备运行时的一 些重要操作需要岗位人员根据各仪表的显示数据进行分析、判断、做出操作决定，并由 操作人员进行手动操作，这不但需要操作人员具有相当丰富的实践经验，而且在发生紧 急事故的时候，人工操作中的反应速度慢和误判断、误操作等弊端也会给鼓风机的安全 稳定运行带来严重的隐患，由此造成的设备突然停机，影响高炉炼铁生产，设备损坏的 事故时有发生，给企业带来巨大的经济损失。近年来随着竞争的加剧，各个企业都在改 进自己的生产模式，在设备稳定运行，降低故障率方面努力，采用各种先进的方式提高 企业效益，因此在鼓风机组设备的运行上应用先进的检测方法并确定一套符合企业生产 要求的合理的科学的先进的控制措施和控制方案是保证设备稳定可靠运行的一种有效 手段，对提高设备的安全性稳定性尤为重要，能够使鼓风机组的运行更加符合企业的实 际生产需要，控制和管理更上一个台阶，更好的为高炉炼铁服务。 1 2 高炉炼铁及对鼓风机的基本要求 1 2 1 我国高炉炼铁行业概况 从2 0 世纪的最后1 0 年开始，中国钢铁行业进入了一个快速发展的阶段。1 9 9 5 年中 国生铁产量超过了l 亿吨，随后，1 9 9 6 年的钢产量达到了1 0 1 2 4 亿吨，2 0 0 1 年中国产 钢1 5 1 6 3 亿吨，2 0 0 3 年产钢2 2 2 3 4 亿吨，2 0 0 5 年产钢3 4 9 3 6 亿吨，2 0 0 6 年更是创造 了4 1 8 7 8 亿吨粗钢和6 0 4 1 6 亿吨生铁的新纪录。短短1 0 年间中国钢铁工业的年生产能 力翻了2 番，中国钢铁工业快速发展的主要驱动力是中国经济快速增长导致的国内市场 对钢铁产品的大量需求。钢铁产量的快速增加打破了上游供应链的平衡，引起了铁矿石 和焦炭的短缺。钢铁产量的增加主要来自新涌现的小高炉和小钢厂，地方企业的增长势 头远远大于全国重点钢铁企业的增长，这些小企业的工业生产能力不高，工艺技术水平 和工业控制水平也比较低，这导致了不合理的钢铁产业结构、对资源的大量需求和对全 球环境的巨大冲击。中国钢铁工业的健康发展取决于如何应对这些问题。 2 b矗啜叠露萝磋盖器馐僵剪， 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 2 2 高炉炼铁原理及设备工艺 炼铁的过程简单的说就是从含有铁化合物的铁矿石中把铁还原出来的过程。 现在常用的炼铁方法有高炉法、直接还原熔融还原法等几种，这几种方法的基本原 理都是一样的，都是铁矿石在人为制造出来的一种环境中( 还原物质c o 、h 2 、c ，合 适的温度等) ，经过一系列复杂的物化反应后，从铁矿石中得到还原出来的生铁，生铁 的主要作用是用来炼钢，也有一些直接用来进行基础铸造。 高炉炼铁是现代炼铁的主要方法，是钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖 炉炼铁发展、改进而演变而来的。尽管世界各国研究发展了许多的新的炼铁方法，但是 由于高炉炼铁技术经济指标优良，工艺简单，生产量大，劳动生产率高，能耗相对较低， 因此这种方法生产的铁产量仍然占到全世界铁总产量的9 5 以上。 高炉炼铁的全过程可以概括为：在尽量低能量消耗的条件下，通过受控的炉料及 煤气流的相向运动，高效率的完成还原、传热、造渣、渣铁分离等复杂的过程，以得到 化学成分和温度比较理想的液态铁金属产品。 高炉生产是借助高炉本体和其辅助的设备来完成的。高炉本体是冶炼生铁的主体设 备，它是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒形的炉体，最外层是由钢板制成的炉壳，在炉壳 和耐火材料之间有冷却设备。高炉炼铁不仅要有高炉本体，还需要其他的辅助系统进行 配合，如供料系统、送风系统、煤气除尘系统、渣铁处理系统、喷吹燃料系统等，高炉 炼铁的基本生产工艺流程见图1 1 。 1 2 3 高炉炼铁对鼓风机的要求 高炉鼓风机是用来提供炉内燃料燃烧所必需的氧气的设备，热空气和焦炭在风口处 燃烧所生成的煤气，又是在鼓风机提供的风压下才能够克服原料柱的阻力从炉顶处排出 的，因此没有鼓风机的正常运行，就不可能有高炉的正常生产，鼓风机设备是保证高炉 优质、高产、低耗的重要因素之一。高炉炼铁对鼓风机有以下要求： ( 1 ) 要有足够的鼓风量。高炉鼓风机要保证向高炉提供足够的空气，以保证炉内焦 炭的燃烧。 ( 2 ) 要有足够的鼓风压力。高炉鼓风机出口风压应该能够克服送风系统的阻力损失、 克服炉料柱的阻力损失、保证高炉炉项压力符合要求。 常压高炉炉顶压力应该能满足煤气除尘系统的阻力损失和煤气输送的需要。高压操 作可以使高炉获得良好的冶炼效果，目前大中型高炉广泛的采用，大型高炉炉顶压力已 3 第一章绪论 经达到0 2 5 刈4 m p a 。炉料柱阻力损失与高炉的有效高度以及炉料结构有关系。送 风系统阻力损失取决于管路的布置，结构形式和热风炉的类型。 ( 3 ) 既能均匀、稳定的送风，又要具有良好的调节性能和一定的调节范围。高炉操 作要求固定风量操作，以保证炉况的稳定顺行，此时风量不应该受风压波动的影响。但 是有时又需要定风压操作，如在解决高炉炉况不顺或者热风炉换炉操作时，需要变动风 量但又必须保证风压的稳定。此外高炉操作中经常需要根据不同的情况加、减风压，加、 减风量，如在不同的气象条件下、采用不同的炉顶压力或者炉料柱阻力损失变化时，都 要求鼓风机出口风压和风量能够在一个较大的范围内变化，因此，鼓风机要具有良好的 调节性能和一定的调节范围，来满足高炉炼铁生产的需要。 图1 - 1 高炉炼铁生产工艺流程 f i g l - 1t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fb l a s t - f u r n a c ei r o n m a k i n g 1 3 鼓风机组的发展 鼓风机组中的主要设备就是鼓风机，鼓风机的动力机一般为汽轮机或者电机。本鼓 风机组使用的是汽轮机来带动鼓风机进行工作。汽轮机和鼓风机组成了鼓风机组。 4 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 1 3 1 风机的发展 鼓风机是一种压缩机，压缩机又是风机的一种。风机是主要用来抽吸、压缩、输送、 提高流体能量的一种机械，主要应用在矿井、地下工程、地下发电厂通风；锅炉的通风 和引风；化工行业的高温腐蚀气体的排送；冶金行业的鼓风，用途非常广泛，几乎涉及 国民经济各个领域，属于通用机械范畴。 新中国建立以前，我国风机制造工业几乎是空白，只有少数几个大城市有一些修配 厂，大部分风机依赖进口。 新中国建立以后，国家逐步投入大量力量发展我国自己的风机产业，每1 0 年一个 台阶，由小风机到大风机，由简易的风机到复杂的风机，努力培养专业人才，学习并引 进国外的先进技术结合自己的研究开发，到目前我国风机的产量和技术水平已经能够满 足国民经济各部门的需要，部分风机产品已达到或接近国际先进水平。现在我国风机行 业的产品主要有离心压缩机、轴流压缩机、离心鼓风机、罗茨鼓风机、离心通风机、轴 流通风机、叶式鼓风机7 大类产品及其它一些特殊的风机。目前共有2 0 0 多个系列、2 0 0 0 多个品种1 1 。 目前，陕西鼓风机厂引进国外的先进技术和理念，生产的鼓风机处于国内领先的水 平，其产品性能、质量都比较好，广泛地应用于大型高炉鼓风、大型空分装置、硝酸装 置、汽化装置炼钢、精炼装置、天然气煤气输送等众多领域，使用效果良好。 1 3 2 汽轮机的发展 汽轮机是用具有一定温度和压力的蒸汽作为动力，并将蒸汽的热能转化为机械能的 一种回转式机械，一般用作原动机。 我国汽轮机发展起步比较晚。1 9 5 5 年上海汽轮机厂制造出第一台6 m w 汽轮机。1 9 6 4 年哈尔滨汽轮机厂第一台1 0 0 m w 机组在高井电厂投入运行；1 9 7 2 年第一台2 0 0 m w 汽 轮机在朝阳电厂投入运行；1 9 7 4 年第一台3 0 0 m w 机组在望亭电厂投入运行。7 0 年代 进口了1 0 台2 0 0 - - 3 2 0 m w 机组，分别安装在了陡河、元宝山、大港、清河电厂。7 0 年 代末国产机组占到总容量7 0 。1 9 8 7 年采用引进技术生产的3 0 0 m w 机组在石横电厂投 入运行；1 9 8 9 年采用引进技术生产的6 0 0 m w 机组在平圩电厂投入运行；2 0 0 0 年从俄 罗斯引进两台超临界8 0 0 m w 机组在绥中电厂投入运行。 上海汽轮机厂是中国第一家汽轮机厂，在1 9 9 5 年开始与美国西屋电气公司合作成 立了现在的s t c ，1 9 9 9 年德国西门子公司收购了西屋电气公司发电部，s t c 相应股份 5 第一章绪论 转移给西门子。哈尔滨汽轮机厂1 9 5 6 年建厂，先后设计制造了我国第一台2 5 m w 、5 0 m w 、 1 0 0 m w 和2 0 0 m w 汽轮机，8 0 年代从美国西屋公司引进了3 0 0 m w 和6 0 0 m w 亚临界 汽轮机的全套设计和制造技术，于1 9 8 6 年制造成功了我国第一台6 0 0 m w 汽轮机，目 前自主研制的三缸超临界6 0 0 m w 汽轮机已经投入生产。东方汽轮机厂1 9 6 5 年开始兴 建，1 9 7 1 年制造出第一台汽轮机，目前的主力机型为6 0 0 m w 汽轮机。北京北重汽轮电 机有限责任公司作为后起之秀，以3 0 0 m w 机组为主导产品，它是由始建于1 9 5 8 年的 北京重型电机厂通过资产转型在2 0 0 0 年1 0 月份成立的又一大动力厂，目前2 台6 0 0 m w 汽轮机也已经在今年投入生产。目前中国四大动力厂以3 0 0 m w 和6 0 0 m w 机组为主导产 品。 汽轮机之所以能够迅速地发展，是因为它较之蒸汽机和内燃机有突出的优点。首先 是汽轮机的热效率高。主要是进入汽轮机的蒸汽的初参数蒸汽温度、蒸汽压力目前 已高达5 3 5 5 6 5 及1 6 2 4 5 m p a ，而凝汽式汽轮的排汽压力又很低，一般为0 0 0 3 m p a ， 凝汽式汽轮机组综合热效率可达4 0 ，供热机组综合热效率可达8 0 0 , 6 。其次，汽轮机是连 续工作的回转机械，它可以具有较大的功率。再次，汽轮机运转平稳，事故率较低，一 般可以保持3 4 年大修一次，充分提高了设备利用率。正因为汽轮机有这些优点，所以 被广泛用于拖动发电机、鼓风机、水泵以及用作船舶的动力机械【2 】。 1 4 我国工业控制技术的发展 1 4 1 我国的传统工业控制 上世纪八、九十年代，我国在工业控制方面普遍采用的是继电器控制、单片机控制 技术。 继电器控制使用的是机械开关，继电器、接触器等等，结构简单，价格很便宜，一 直被广泛使用。其系统硬接线比较多，体积大，连线复杂，修改困难，其控制作用是通 过触点的开闭来实现的，动作速度较慢一般为几十毫秒，易受环境的影响，出现触电抖 动的现象，控制精度差，且触电寿命短，可靠性与维护性差，其设计、施工、调试必须 按照一定的顺序进行，周期长，修改困难。 单片机即单片微型计算机，又称微型控制器。它是将c p u 、r a m 、r o m 、定时计 数器和多种功能的u o 接口( 如并行f o 、串行f o 和a d 转换等) 集成在一块大规模集成 电路芯片上。单片机的优点是结构简单，体积小，使用方便，价格低廉，功能比较强大， 有高级语言支持，编程效率高，具有良好的可移植性。其缺点是：1 、单片机编程方法 6 中国石油大学( 华东) - v 程硕士学位论文 复杂，不易掌握，单片机一般要用机器指令或其助记符编程，这就要求编程设计人员有 计算机软件和硬件方面的相关知识，对于只熟悉机电控制的技术人员来说，需要进行一 些基础专业培训后才能掌握；2 、用单片机来进行工业自动控制时，一般要在输入输出 接口的问题上做大量的工作，例如要考虑现场与单片机的连接、输入输出信号的处理、 接口的扩展、接口工作方式等等的问题，除了要设计控制程序，还要在单片机的外围做 很多软件和硬件方面的工作，调试起来也比较麻烦；3 、用单片机做工业控制，运算速 度较慢，且抗干扰能力差 13 1 。 今年来随着工业水平的不断提高，对控制技术的要求也随之提高，传统的继电器控 制、单片机控制已经不能完全满足现代大型工业生产的需求，p l c 、d c s 等计算机控制 系统正在被广泛的应用【6 】。 1 4 2 集散型计算机控制系统( d c s ) 所谓集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，其含义是利用微处理机或微型 计算机对生产过程进行集中管理和分散控制的系统，是一种新型的过程控制系统。该系 统以多台微型计算机分散应用，过程控制全部信息通过通信网络由上位计算机监控，实 现最佳化控制；通过总线键盘，打印机等装置又能高度集中的操作、显示和报警【3 1 。整 个装置继承了常规模拟仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点，并且克服了常规仪 表控制中功能单一，人机联系性差的缺点，可以方便的用于工业装置的检测、控制和 经营管理，在化工、电力、冶金等领域的应用十分普遍。 d c s 系统自1 9 7 5 年诞生以来，经历了一系列的发展过程，其硬件和软件功能不断完 善和强化，现在的d c s 控制系统产品在结构、速度、可靠性、功能、通讯等各个方面都 达到了一个比较成熟的阶段。尽管现在的d c s 控制系统型号很多，但是它们的结构都基 本一样。 d c s 控制系统是一种纵向分层、横向分散的综合计算机控制系统。它采用分散控制、 集中操作、综合管理的设计原刚，以多层计算机网络为依托，将分布在系统范围内的各 种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部分的信息共享和协调工作，共同完成 各种控制、管理及决策功能。典型的d c s 系统结构如图1 2 所示，包括现场级、控制级、 监控级、管理级四大部分。 7 第一章绪论 图1 2 典型的d c s 控制系统结构图 f i g l - 2 s t r u c t u r ec h a r t o fd c sc o n t r o ls y s t e m ( 1 ) 现场级 现场级的设备大都处于被控对象所在的现场附近。典型的现场级设备主要有各种类 型的检测传感器、信号变送器和现场执行机构，这些设备可以把生产中各个被测参数由 传感器检测出的物理量转换为电信号送到过程控制站，还可以把过程控制站需要输出的 各种控制指令( 即电信号) 转换成机械动作，驱动现场的调节执行机构，完成对生产的检 测控制。 ( 2 ) 控制级 控制级直接面对的是生产过程，可以完成生产中的数据信号的采集、调节执行控制 等一系列的要求，输入控制级中的各种信息都来自于现场各个传感器的信号( 如温度变 送器、压力变送器和各种开关量) 和监控级发出的各种控制命令。输入的各种信号信息， 通过预先设置的控制计算方法，进行运算分析，得到对应的控制输出信号，然后输出至 执行机构。 ( 3 ) 监控级 监控级的作用是进行操作和监视控制，这一级的核心设备为操作员操作站和工程师 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 工作站。操作站是操作员对生产运行状况进行监视和操作的人机交互平台。操作员通过 操作站监视生产运行情况，根据每一个过程变量的实时数值和状态，判断各个控制回路 的工作状态是否正常，然后根据实际需要进行控制方式的切换、修改控制希望值等各种 保证生产的操作，从而实现对生产过程的干预控制。工程师工作站的作用是供企业系统 工程师对d c s 控制系统进行配置、组态、调试、维护等一系列的操作使用，由高配置的 工业控制计算机和必须的外部设备组成。 ( 4 ) 管理级 管理级是供企业的总工程师或生产运行管理人员使用的。它能够实时的监测企业每 个生产环节的运行状况，通过实时准确的数据指导，为整个生产活动的全程提供最优化 的信息，辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标2 6 1 。 由于d c s 采用了先进的计算机控制技术和分级分散式的体系结构，因此它具有下列 特点： ( 1 ) 松耦合的多处理机系统，可实现硬件积木化； ( 2 ) 软件模块化； ( 3 ) 控制系统用组态方法生成； ( 4 ) 通信网络的应用； ( 5 ) 可靠性耐8 1 。 1 5 本论文的主要工作内容 ( 1 ) 掌握鼓风机的性能和控制要求，对鼓风机组仪表检测系统进行选型和设计，计 算机控制系统进行选型并确定设计原理和硬件结构方案。 ( 2 ) 根据鼓风机组的要求结合企业生产中的实际需要对鼓风机组控制方案进行设计， 包括机组启动、停机的联锁控制方案、转速调节系统控制方案、静叶角度调节的控制方 案、喘振逆流的检测预防控制方案，热井水位的调节控制方案，润滑油泵、动力油泵、 冷凝泵的联锁控制方案等等。 ( 3 ) 对控制系统的硬件设备进行软件组态，根据控制方案进行各个控制程序的编译。 ( 4 ) 操作员站人机监控操作界面的设计，包括机组各个系统的界面、报警界面、变 量趋势界面和数据列表界面等等，机组运行中的主要操作都可以在操作员站上完成。 9 第二章鼓风机组设备结构及拧制要求 第二章鼓风机组设备结构及控制要求 高炉鼓风机组的作用是向高炉鼓风，保证高炉生产所需要的风压和风量。鼓风机组 由轴流鼓风机本体、汽轮机本体、辅机部分和工艺管道组成，鼓风机为工作机，用于向 高炉鼓风，汽轮机是鼓风机的原动机，带动鼓风机进行工作，汽轮机的转子和被驱动的 鼓风机转子两者之间用联轴器相互联接，联轴器为膜片式联轴器，为软连接方式。 2 1 原有鼓风机组存在的问题 原来的机组在正常运行时所能提供的鼓风压力为3 1 5 k p a 左右，随着近年来高炉产 量的逐年提高，高炉在不断的扩容，3 1 5 k p a 的鼓风压力已经不能满足现在高炉正常生 产时的鼓风压力和鼓风流量的需要，现在的大型高炉正常生产运行时需要鼓风压力能够 维持在3 9 0 k p a 左右，这就需要大幅度的提高鼓风机组的鼓风能力。 原有的鼓风机为轴流式鼓风机，鼓风机的静叶为固定角度，不可以进行调节，当需 要大范围的增减鼓风压力时，通过提高或降低鼓风机转速来实现，当鼓风压力需要在小 范围内变化时，通过调节放风阀的开度调节放风量来实现，放出的风直接排放到大气中。 由于高炉正常运行时所需要的鼓风压力经常在一个小范围内变化，这就需要经常调节鼓 风机的放风量，使鼓风机所做的功有相当一部分都通过放风白白的浪费掉了，机组有效 的效率不高，浪费能源。同时鼓风机的放风温度很高，在2 0 0 左右，放风口附近的空 气温度高于周边，放风的噪音也比较大，对周边环境有一定的影响。 原有机组已经运行了1 5 年左右的时间，机组部分设备的能力下降，很难满足原有 的设计功能，如：汽轮机的凝汽器系统气密性下降，致使汽轮机的排汽压力很难达到机 组运行的理想排汽压力，这样就会增加汽轮机的耗气量，增加机组的运行成本。机组的 常年运行也使机组的故障率有所上升，存在一些安全隐患，影响到高炉的正常生产。 基于原有机组存在的以上种种问题，需要对鼓风机组设备重新选择，与高炉的生产 需求相匹配。 2 2 鼓风机组的设备选型 鼓风机组分为主体设备和辅助设备。主体设备由汽轮机和鼓风机两个主机组成：辅 助设备有：动力油站和润滑油站2 个油站，蒸汽管道、送风管道等管路系统。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 2 1 汽轮机 ( 1 ) 汽轮机n k 6 3 8 0 3 2 基本参数 本鼓风机组所使用的汽轮机为中压凝汽式汽轮机，由杭州汽轮机股份有限公司生产 制造，其型号为n k 6 3 8 0 3 2 。其中n k 表示正常进汽参数的凝汽式汽轮机；6 3 表示外 缸前区段v n 6 3 ，外缸进汽部分的内半径为6 3 0 m m ；8 0 表示排缸为k 8 0 ，转子末级根径 为f8 0 0 m m ；3 2 表示在前缸的v n 6 3 和f 6 3 之间有一个轴向长度为3 2 m m 的l n 6 3 延长 段【3 3 1 。 汽轮机基本性能参数如下： 额定功率：2 6 0 0 0 k w ： 蒸汽压力：3 5 3 m p a ；蒸汽温度：4 3 5 c ：蒸汽流量：4 2 3 k g s 。 排汽压力：0 0 11 m p a 。 汽轮机转速：额定转速：4 15 0 r m i n ：最大转速：4 3 5 8 r m i n ： 调速范围：3 5 2 8 - - 4 3 5 8r m i n ； 被驱动机最大连续转速：4 3 5 8r m i n 。 汽轮机转向：逆时针方向旋转( 从顺汽流方向看) ； 转子轴承跨度：3 1 7 5 m m 。 用油量：润滑油：2 4 m v h ；调节油：正常8 5m 3 l a ，瞬时5 2m 3 h 。 重量：汽轮机本体重9 0 t ； 汽轮机转子重8 0 2 t 。 ( 2 ) 汽轮机结构组成 本汽轮机包括本体部分和辅机部分，本体部分主要包括汽缸、转子、调节汽阀、速 关阀。 汽缸是汽轮机通流部分的包容体。汽缸由前缸和后缸( 排缸) 组成，他们之间有垂 直结合面，前缸和后缸又都沿着水平面被剖分为上、下两部分，前缸中装有蒸汽室，蒸 汽由此进入汽轮机中。 导叶持环是汽轮机通流部分的基本部件之一，它是多级静叶的承载体，按参数、特 性的不同，一台汽轮机中可以有一只或者多只不同规格的压力级导叶持环。 外汽封包括前汽封和后汽封，在转子穿出汽缸的部位配置有汽封，前汽封用来防止、 减少汽缸内蒸汽向外泄露，防止高温蒸汽漏入轴承座致使轴承温度升高及润滑油含水， 第二章鼓风机组设备结构及控制要求 后汽封的作用是阻止空气漏入排汽缸，防止机组真空恶化。 转子上装有危急保安器、动叶片、调节级叶轮、汽封片、推力盘、联轴器等部件， 根据机组要求转子前段还可以配带发讯盘( 用来测量转子转速和转子轴向位移) 或联接 驱动机械液压调速器，主油泵的传动轴。 调节汽阀的作用是按照控制单元的指令改变进入汽轮机的蒸汽流量，以使机组受控 参数符合运行要求。调节汽阀主要由调节阀、传动机构和油动机三部分组成，其中油动 机是断流双作用往复式油动机，是调节汽阀的执行机构，它将由放大器或者由电液转换 器输入的二次油信号转换为有足够做功能力的行程输出以操纵调节阀，控制汽轮机进汽。 速关阀也称为主汽门，它是主蒸汽管路与汽轮机之间的主要关闭机构，在紧急状态 时，能立刻隔断汽轮机的进汽，使机组快速停机。速关阀水平装配在汽轮机进汽室的侧 面。 主油泵是卧式单级离心泵，是汽轮机转子通过驱动组件齿轮箱驱动的，向机组提供 润滑油和调节油。 辅机部分主要包括凝汽器、抽气器、排气阀、低压加热器等几个部分。 凝汽器是凝汽式汽轮机的重要组成部分，其工作性能直接影响到整个装置的热经济 性和运行可靠性。凝汽器在汽轮机装置中执行冷源的任务，将凝汽式汽轮机的排气凝结 成水，并带走蒸汽凝结时放出的热量，建立和维持汽轮机排汽口真空状态，使进入汽轮 机的蒸汽碰到尽可能低的有利压力，增加蒸汽的可用焓降，且将凝结水重新送往锅炉， 作为锅炉的给水，循环使用，从而提高整个装置的热经济性。 抽气器的任务是将通过处于负压的汽轮机凝汽器及管道的不严密处漏入凝汽器汽 侧空间的空气不断地抽出，以保持凝汽器的真空和良好的传热。 排汽安全阀是当凝汽系统出现故障时，凝汽器压力超过大气压力时，排汽安全阀自 动打开，将进入凝汽器的蒸汽排出，以保护汽轮机装置的安全。 低压加热器是汽轮机回热系统的主要设备，它利用汽轮机的抽气加热主凝结水，起 到了提高锅炉给水温度的作用，从而提高了热效率。 ( 3 ) 汽轮机的检测及控制内容 汽轮机的