轴流式高炉风机控制系统用防喘振阀的设计.doc

轴流式高炉风机控制系统用防喘振阀的设计(1)时间:2010-02-18来源:江苏神通阀门股份有限公司编辑:张逸芳 1、概述防喘振是各类鼓风机和压缩机的一个特有控制要求。喘振通常表现为快速的流量振荡或压力振荡, 因而影响风机流量和压力的稳定性。由于喘振发生时常伴随有反向的轴向推力与反向流动, 从而使风机的效率降低, 寿命缩短, 对风机造成严重危害。当风机发生喘振或需要放风时, 打开防喘振阀或紧急减压阀, 可以使风机的运行工况点在规定的区域内。2、工作原理及主要参数2.1、工作原理随着高炉大型化和超高压炉顶的采用, 高炉鼓风系统(图1) 也向着大流量、高压力和自动化方向发展, 每吨铁水的鼓风量达11001200m3 , 风压达到0.45MPa。对于大型鼓风站, 由于放风量变化范围大, 而且要求动作快, 防喘振控制装置采用一个大容量防喘振阀和一个小容量防喘振阀并联组成。小容量阀响应速度快, 以求得放风平稳。大容量阀在紧急状态如喘振已经或将要产生时才开启。2.2、参数最佳答案n:转速 N:功率 P:压力 Q:流量Q1/Q2=n1/n2 P1/P2=(n1/n2)平方 N1/N2=(n1/n2)立方 1.氧气站2、3.氧气管路4.空气过滤器5.脱湿机6.混合气7.风机8、9.防喘振阀10.防阻塞阀11.紧急减压阀12.热风炉13.高炉14.消音器图1高炉鼓风系统防喘振阀具有自动调节和快开功能, 其主要性能参数如下。公称尺寸DN50500 公称压力PN616工作介质热空气工作温度300 (max)驱动方式气动+手动气源压力0.40.6MPa启闭时间调节不限, 紧急快开0.5 s流量特性近似等百分比3、结构设计防喘振阀主要由三偏心蝶阀(图2) 、气动装置和控制装置等组成。蝶板密封圈采用斜板式多层次金属硬密封形式, 此结构密封性好, 流阻小, 启闭灵活。气动装置采用调节精度高, 运行平稳的齿轮齿条传动结构。控制装置由单作用智能阀门定位器、电磁阀和快速释放阀等组成, 既能实现正常工况下的慢开慢关, 又能实现紧急情况下的快开功能。1.阀体2.阀轴3.轴承4.密封圈5.蝶板图2蝶阀3.1、阀门(1) 阀门密封副采用三偏心结构, 大锥角小偏心距。阀门开启时, 启闭力矩小且密封副之间能迅速脱离, 减小了密封副之间的摩擦。阀门关闭时, 锥面密封副具有越关越紧及密封圈磨损补偿的功能。阀门每次启闭时, 密封副之间形成的剪刀口将积尘消除, 确保阀门长期有效的密封性能。密封锥体采用大锥角, 近似平面密封, 保证阀门在高温工况下的正常运行。(2) 密封圈采用多层次不锈钢金属片制成,具有金属硬密封和弹性软密封的双重密封效果。同时, 阀座采用硬质合金磨削加工, 表面光洁, 确保了阀门密封性能。(3) 轴承采用自润滑材料组合, 阀轴采用不锈钢, 确保阀门长期灵活动作。阀轴密封采用V形组合或成型填料密封, 确保了阀轴处的介质不外漏。(4) 阀门采用斜板式密封结构, 启闭行程短,椭圆断面的流通面积大, 蝶板正、反面制成圆弧形, 流阻损失小, 有利于阀门的调节。3.2、气动装置(1) 气动装置采用单作用式气动双活塞齿轮齿条机构(图3) 实现防喘振阀的控制及调节功能。采用预载套簧设计, 输出扭矩平稳可靠, 能够高速响应扭矩输出。通过合理设计控制气路的布局, 满足紧急快开0.5 s动作要求。由一体式手轮机构, 方便紧急时手动打开阀门。图3齿轮齿条机构(2) 执行机构的箱体采用球墨铸铁, 整体安全裕度更高, 能够可靠的满足防喘联锁时气缸快速打开带来的机械冲击(表1) 。表1气动执行机构的主要性能参数3.3、控制装置风机设计的时侯, 专业设计人员会提供一条计算的喘振线, 但是由于影响实际运行情况因素较为复杂, 机组安装完毕后, 要做一次喘振线的标定试验来修正计算的喘振线。一般把所测的喘振线下移5% 7%作为防喘振线, 再下移约3%作为防喘振下移线(图4) 。风机正常运行在防喘振下移线的下方。当工作点越过防喘振下移线到达上方, 但仍在防喘振线以下时, 要求防喘振阀快速打开实施调节控制, 使工作点快速回到防喘振下移线以下, 在工作点下移后减小防喘振阀的开度。在风机运行趋势得到控制时, 继续减小防喘振阀的开度, 使工作点尽可能的趋近防喘振下移线以获得风机的更高效率。由于各种原因, 风机工作点在超出防喘振线,调节控制无法控制喘振趋势, 或者接近甚至超过喘振线发生喘振时, 阀门应在0.5s 内快速打开,避免超出喘振线, 从而保护风机。为了实现控制功能, 控制装置主要由智能阀门定位器、气动继动器、闭锁阀、电磁阀、空气过滤减压阀、位置变送器、限位开关、气源管路和气源压力表等部件组成。图4喘振线(1) 智能定位器具有电/气转换功能(将接收420mA 电信号转换为控制执行机构动作所使用的气动信号) 、定位功能(控制执行机构的动作, 实现连续调节功能) 、自动输出功能(输出420mA 的电信号, 无需再增加专门的输出器) 、报警装置功能(在信号420mA 出现故障时, 能够自动切换而控制闭锁动作, 做到断信号的保护) 、数据采集功能(可以将所控制的执行机构的动作次数、动作性能以数据方式记录下来, 并且利用数据总线和数据采集软件, 将采集的数据输出给控制系统等) 和自我诊断功能(利用软件和协议,进行设备自身的故障诊断) 。(2) 气动继动器的主要功能是功率放大, 它能将电磁阀和定位器输出的小信号进行压力或流量放大, 克服由于信号管线细长所带来的滞后, 也可加快执行机构和阀门的动作速度, 减少传递时间,实现快速切断和紧急开启之用。(3) 闭锁阀是当气源发生故障, 压力降至给定水平以下时切断气源信号, 使气缸的压力信号保持在故障前一瞬间的状态, 即阀位维持在故障前的位置上, 起到保位作用。(4) 电磁阀是作为气动继动器的先导阀使用,其功能是加大电磁阀的容量, 以达到缩短动作时间的目的。(5) 空气过滤减压阀是将来自空压机系统的压缩空气过滤净化并将压力稳定在所需要的数值上。(6) 位置变送器是将阀门开度按一定比例转换成模拟量的电信号输出, 送到控制系统, 此信号可以反映阀门任何开度的连续信号, 以便控制系统接受该信号后实现闭环调节控制和阀位指示。(7) 限位开关反映阀门全开/全关两个极限位置, 并同时以阀位无源开关量触点信号输出, 控制系统可以根据此信号, 判断阀门的开关状态, 用作程序启动和事故状态的联锁保护。4、结语轴流式高炉风机控制系统用防喘振阀各项性能良好, 能适用于各类鼓风机、压缩机的控制系统,从而避免了喘振对风机造成的严重危害, 有效提高了系统运行的安全性。风机的风压、风量、功率与转速的关系通风机的转速n可用转速表直接测量，其数值用每分钟多少转(转/分)来表示。小型风机的转速一般较高，往往与电动机直接相连。大型风机的转速较低，一般用皮带传动与电动机相连，改变皮带轮的直径即可调节风机的转速，其关系如下：n1/n2=d2/d1式中：n1，n2风机;电动机的转速d1，d2风机和电动机的皮带轮的直径。如要改变风机的转速，只要改变通风机或电动机中任意一个皮带轮的直径即可。当改变风机转速时，风机的特性参数;特性曲线也随之改变，亦即，风机在每一转速下都有其相应的特性曲线。当转速改变时，风机的特性参数Q，H，N的变化可按下式计算：Q/Q=n/nH/H=(n/n)2N/N=(n/n)3以上可见，如果通风机的转速由n改变为n时，风机的风量变化与转速比的一次方成正比;风压变化与转速比的二次方成正比;功率变化与转速比的三次方成正比。所以在增加风机转速时，必须重新计算所需功率，注意原来配备的电机是否会过载。通风机的几个性能参数不是固定不变的，它们之间都有一定的内在联系。当通风机在管网中工作时，这些参数又受到网路特性的影响，所以要选择好，使用好一台通风机，不但要熟悉通风机的性能，还要了解网路特性以及它们之间的关系。高炉鼓风机的喘振保护和自动调节系统(2009-08-08 00:04:50) 1.高炉鼓风机 高炉鼓风机是高炉设备的心脏。鼓风机所输送的高压风流，经热风炉加热到1 1001 200，由设在高炉下腹部的环形风管，通过安装在高炉四周的风口吹入高炉内，一方面托住由炉顶部装料钟处加入的炉料；另一方面通过化学还原反应在炉底形成铁水和渣。如果送风切断，高炉不能继续生产铁水，同时因炉内支撑炉料的力消失，势必炉料下榻，铁水、渣就会飞溅，造成高炉堵风口的重大事故。因此要求鼓风机组能够随着高炉的冶炼工况实现自动调节和控制，为高炉提供优质，适量的风源，如果鼓风机组防喘振控制出现误动作放风，轻则造成高炉风压波动、影响冶炼质量；重则造成高炉断风后堵风口事故。因此，为了确保高炉供风，实现机组的安全经济操作，选择合理的安全控制系统（防喘振控制系统）和自动调节系统对高炉的正常生产有着重要的意义。下面以太钢现有的高炉鼓风机的安全控制系统和自动调节系统（防喘振控制系统、定风压/定风量控制和急速减压系统）为例论述几个控制方案。 2防喘振控制2.1喘振现象及原因分析 所谓喘振现象，即鼓风机的风量和风压在瞬间内发生不稳定的周期性反复变化的现象。为了说明喘振现象，我们用图1所示鼓风机特性曲线来进行分析。 图中为轴流式鼓风机某角度时的特性曲线，当鼓风机在大容量的管路系统中进行工作时，如果高炉需要的风量为QA，此时鼓风机的特性曲线和管路系统的特性曲线交于A点，该点管路系统需消耗的能量与风机所产生的能量达到平衡，因此，工作点是稳定的。如果随着高炉炉况变化或者是管路系统内发生变化，管路特性曲线变陡峭，风机的工作点也随着变化，当风量减小至极限点C点时，相对应的工作点为C点，如果此时风量仍减小，会因失速造成鼓风机特性曲线断裂，工作点应在G点。但由于管路系统的容量大，在这一瞬间管路系统中的阻耗仍为PC，因此，管路系统的阻耗大于鼓风机所产生的风压，气流开始倒流，由管路系统倒流入鼓风机中（出现负流量）。由图中可看到，鼓风机的特性曲线在瞬间要与极限点的风压所匹配，工作点会移至D点。由于倒流使管路系统中的压力迅速下降，工作点很快由D点跳到E点。此时，流量为零。由于鼓风机在继续运行，所以当管路系统中的压力降低到相应的E点压力时，鼓风机又重新开始输出风量。由图示可知，为了和管路中的阻能相平蘅，相应的工作点又跳回到极限点C处。只要管路系统所需的风量保持小于QC，上述过程会重复出现，这样就发生了喘振。如果这种循环的频率与系统的震荡频率合拍，会引起共振，常常造成鼓风机的损坏。喘振边界：就是各静叶角度下的A点的连线2.2防喘振控制系统 鼓风机的喘振边界就是风机安全运行遵循的特性曲线喘振曲线。为了防止鼓风机发生喘振，一般对鼓风机控制系统采取防喘振保护系统。现在先分析喘振控制系统与那些因素有关。轴流压缩机的特性曲线是压气机（鼓风机）的压比和效率随入口流量变化的关系曲线。图1是对定性分析，图2是与喘振曲线相关的坐标图。 这里压比是指鼓风机的出口绝对压力和入口绝对压力的比值,即=P出口/P入口；入口流量指入口质量流量的折合流量GT11/2/P1，其中G为质量流量，T1为入口K氏温度，P1为入口压力；n/T11/2为温度影响下折合转速，其中n为实际转速。从图2可以看出，转速下降，鼓风机吸入的流量下降，从而使工况点向喘振线方向移动，造成喘振；在转速或静叶角度不改变（代表风量基本不变）时，鼓风机的进口温度增高，折合转速n/T11/2下降，这会产生转速下降同样的效应；由于纵坐标为压比，即入口压力如果因某种原因减小时，在不减小出口压力情况下运行，就会形成喘振；从上图2还可以看出入口压力P1的变化影响入口流量和压比；因此在设计鼓风机防喘振控制系统时需要考虑入口温度和压力、出口压力的变化及故障对风机的影响。 在管道安装完成，容积已经确定的情况下要使工况点远离喘振线，就需要增加入口风量但同时出口风压也要增高，也就是增加转速或增大静叶角度来增加入口风量，由于高炉用风量和风压确定就需要鼓风机出口排入大气部分风量以致造成能源的浪费。2.3几种防喘振的控制系统2.3.1日本三井的鼓风机采用压比和入口标准风量确定的曲线来调节。 公司4350 m3高炉电动鼓风机，由于鼓风机容量大、转距高，为利于变频启动和节约能源，在入口管道上设立入口电动阀，启动中由于入口电动阀是从初始位置渐渐全开，正常运行的鼓风机特性曲线不能用于启动，因此在入口蝶阀从初始位置到全开的控制中，防喘振控制信号采用压比控制系统，控制信号为压比和入口差压经过温度压力补正后的标准风量再根据热力学理想气体方程计算的风量；当入口蝶阀全开后压比控制完成，防喘振控制转为正常运转控制，控制信号采用压比和入口标准风量，这里控制用的入口标准风量的计算式中还考虑了温度变化引起入口压力变化，入口压力变化引起入口差压压力损失对流量变化的影响，计算公式为：V=Vmax(dp/dpmax)1/2(p1t0/(p0t1)1/2(a(dp/p1)+b)/(a(dpmax/p2)+b)。其中：a、b是在实验中得到的一组修正系数。 在鼓风机运行工况点监视画面中，显示防喘振出口压力和入口标准流量在标准工况下确定的防喘振线、紧急防风线、防喘振线报警线和防阻塞线。主要是依据人们的视觉习惯。但控制防喘振、紧急防风、防喘振线报警和防阻塞控制的动作曲线和显示在画面中的曲线并不是同一数值，实际的防喘振、紧急防风、防喘振线报警和防阻塞线是看不见的。从控制设定的数值和实际控制的数值之间可以看出，主要是把入口压力的压力损失按照一个定值考虑，则出口压力和压比就是一个线性关系，例如：本机组按照如大气压力为92.72 kPa，入口压力损失2 kPa的极限值考虑，所以风量一致的情况下，控制用压比=显示用出口压力/入口压力（9 0 kPa）。所以机组正常运行时监视画面基本可以代表真实值。因此在运行中如果鼓风机入口因各种原因引起压力变化偏离正常则运行工况点不到动作曲线就可能动作。这样保护了机组的安全。防喘振调节的过程：运行中控制系统以鼓风机运行的入口标准流量为已知条件，在由压比和入口标准风量组成的控制曲线函数关系中，确定该流量下的动作压比值，使动作压比值和实际压比值比较，采用普通的比例积分计算控制。如果曲线函数中的压比小于实际压比，则防喘振调节器输出信号使自动防风阀打开，保证工况点不偏离防喘振线；如果由于外界原因引起压比急剧升高，则除防喘振调节器计算输出的同时，在工况点运行到紧急防风线时，控制系统发出紧急防风信号，指令直接发出70%的模拟量信号给主、副防风阀模拟量控制信号使两个阀门快速开到70%。可以防止机组进入喘振。在开机过程中选择压比控制，一旦压比控制完成自动切换到正常防喘振控制。另外：为了机组能够安全运行，同时保证控制信号故障机组动作对高炉断风度风口的影响。机组使用硬件控制油路，在控制信号发生故障时控制系统给锁定电磁阀发出带电指令，锁定所有与该信号相关的控制系统。如果发生危险需要防风时机组锁定，操作人员利用设置的紧急防风开关保护机组。这样既不给高炉造成危险、又可保证机组的安全。2.3.2德国MAN公司的鼓风机其中一台采用出口压力和入口差压确定的喘振曲线。 另一台采用出口压力和经过入口温度修正后的入口差压确定的喘振曲线。以上两种比较后一种比较合理，主要考虑了入口温度引起的差压的变化，和日方利用的尽管公式和方法不同，但是都是考虑到大气温度变化或气压变化引起工况变化（气压和温度有一定关系）。具体修正公式是：dp100/（t+40）0.328+76.5）-0.2控制画面的曲线和日方提供的4350 m3高炉鼓风机一致。但控制系统的控制过程不同。 首先介绍1650 m3汽动鼓风机的防喘振控制过程：出口压力和入口差压测量值（经过温度补正）在防喘振曲线上对应的出口压力给定值比较，偏差的大小对应控制放风阀开关的增益大小。然后和手操器的给定值比较，选择低值控制（值越小阀门开度越大）。 1800 m3高炉汽动鼓风机的防喘振控制过程入口差压测量值和出口压力测量值在防喘振曲线上对应的入口差压给定值比较，偏差的大小对应控制放风阀开关的增益大小；但是如果鼓风机的入口差压测量值和防喘振曲线对应的入口差压给定值比较，差值小于某一值（喘振值）时，防喘振动作线向右移动一次0.3%，此时动作速度在高增益作用下加快，如果不能满足机组安全需要再次发现喘振，则防喘振动作线再次向右移动一次（又一个最大迁移量）；如果压力还继续上升超过压力限制线，则放风门在电磁阀作用下快速全开放风。然后和手操器的给定值比较，选择低值控制（值越小阀门开度越大）。动作后防喘振曲线下移量是看不见的。这样保证了机组的安全运行。如果过滤器发生堵塞，风机的入口压力低，此时在保证正常出口压力情况下，机组就会发生实际的喘振。保护就会不起作用。总之，以上三种控制方式相比较，三井配置的控制比较科学，防止入口压