摘要：多风机拨风系统，不同于两台高炉风机拨风系统，在其控制精度和复杂度上，已经不可以使用钢厂过去很长一段时间使用的控制箱手动控制方式，多台之间的协调问题也是人工很难解决的。继电器控制系统也不能适应这种复杂和多点的调节控制。依托目前先进的自动化控制系统，采用PLC控制，既高效又快速稳定的面对高炉鼓风机发生故障，给备机启动赢得了宝贵的时间。确保了高炉的安全和稳定生产，同时，三台以上多风机的拨风系统，在实际应用上，增加了系统的冗余度，提高了高炉安全性和稳定性，更具有使用价值。本文以四台多风机的拨风系统的自动化控制系统的分析，进一步分析了其控制逻辑的可行性和可操作性。
关键词：多风机拨风系统；轴流压缩机；自动化控制；
一、引言
在冶金企业中，高炉轴流压缩机是向炼铁厂高炉供应冶炼所需冷风（氧气）的气体压缩机械。如果高炉的冷风供应系统工作稳定可靠，可满足高炉顶压需求，则高炉利用系数将会增加，即高炉将会稳产和高产。如果向高炉供应的冷风由于供风系统的突发故障或误操作，各种原因可能导致压缩机突然停机，而发生突发性和不可预见性的突然中断，造成高炉送风压力突降，高炉炉料因重力坐料甚至导致高炉风口、直吹管、弯头大灌渣等重大生产事故的发生，还将会给企业造成更换风口的直接经济损失甚至更巨大经济损失，而且因停产及恢复炉况的间接损失更大，并还会使高炉本身受到严重损伤，严重影响高炉炉况，缩短高炉运行寿命。更有甚者，如果因风机停机引起高炉煤气倒流发生爆炸，将会直接威胁人身和设备的安全。因此，保证高炉供风系统能稳定地向高炉供风是高炉正常、安全、稳定生产的前提。
当运行的风机突然发生故障紧急停机时，如果此时正处在高炉出铁前，则会引起高炉风口灌渣的恶性事故。高炉被迫紧急休风。而且一般情况下，高炉风机系统发生故障紧急停机，而使高炉断风形成风口灌渣、坐料等恶性事故时，更换被灌渣的风口、风管等送风装置，最快需要8至16h，经过一至三天的焊工抢修，将新的风管焊上。炉况恢复，恢复生产甚至需要更长时间，且会造成几百多万元/次的重大经济损失。如果因风机跳闸引起高炉煤气倒流发生爆炸，则直接威胁人身和设备安全。
由于风机故障停机往往具有突然性和不可预见性，一般在几十秒钟之内就会使风压降至0.1Mpa以下，而备用轴流压缩机的启动，从启动到正常需时90分钟左右，所以不可能预先采取开启备用机等有效措施来防止高炉断风，为避免高炉灌渣的恶性事故，结合钢厂的实际，拨风装置既要保证动作的灵敏性，又要确保供风的可靠性，最终达到既保护高炉、又能使压缩机安全运行的目的。
二、多风机拨风系统原理
拨风系统工作原理，适用于多台高炉轴流压缩机向多座高炉供风的供风系统结构。考虑到多数大型冶金企业既有大高炉、大风机，也有小高炉、小风机的实际情况，以图1所示系统为例（设1#、2#、3#鼓风机为大风机，可以满足1#、2#、3#、4#高炉的供风需求；4＃鼓风机供风能力较小仅可以满足4＃小高炉的供风需求），介绍所研究的拨风系统结构及工作原理。
由图1可见，原高炉供风系统的结构是，当i＃鼓风机工作时，打开Vij阀门即可实现i＃鼓风机向j#高炉供风。打开V44阀门可以实现4＃鼓风机向4＃高炉供风。亦即，在正常工作时，1#、2#、3#大鼓风机可以任意向1#、2#、3#、4#高炉中的某个高炉供风，4#鼓风机则只能向4#高炉供风。
供风过程中，当某台风机由于突发故障停机后，仅有正在向1#、2#、3#高炉供风的大鼓风机才可以向故障停机后的高炉拨出一些风量，以维持该高炉的极限生产而不致造成风口灌渣的严重事故。
因此，研制的拨风系统需在原供风管路及配风阀Vij形成的供风管网的基础上，在各高炉送风母管上增设拨风控制阀组VKij（常开阀）及VDij（快速阀），结构如图1所示。
其设计原理：任一座高炉除正常供风通道外，均还有另外两条应急的拨风通道，可以从另外两个大高炉拨出一部分能够维持其进行极限生产的冷风。采用两条应急通道的原因是：确保系统中任意一台风机在检修时，仍至少还有一台风机可以提供拨风服务。
当某台风机（例如，向2＃高炉供风的风机）突然故障停机时，拨风控制系统将立即自动打开相应的拨风控制阀组（例如，VK12－VD12－VK21或VK23－VD23－VK32），将供给正常生产高炉（例如，1＃或3＃高炉）的风拨出一部分给故障停机风机所供给的高炉（例如，2＃高炉），以维持其极限生产。
采用这一方案即可解决操作者不可能采用事先启动备用风机来避免发生灌渣事故的难题。虽然，拨风操作将对被拨出风的高炉的生产产生一定的影响，但却能够避免发生灌渣事故，其所获得的经济效益也不会受到太大损失。
拨风操作后，操作者便会有充足的时间，启动备用风机或抢修故障风机来重新恢复正常供风。
三、多风机拨风控制系统逻辑设计
3.1 基本需求分析
设正常工作过程中，风机突然停机后，由于管系的容积效应，高炉进风口压力自正常生产压力降至判断供风系统故障断风压力pi1/MPa的时间为Ti1/ s，再进一步降至维持极限生产的供风压力pi2/MPa的时间为Ti2/ s。
则拨风控制系统自检测出风机停机至调整拨风阀门开度并建立Pi2Mpa压力的时间应≤Ti＝（Ti2－Ti1）/s，或拨风量应≥维持极限生产所需的供风量Qi。据此可选择拨风阀门的开启速度及开启程度（及阀门直径）。
由图1可见，在风机正常供风过程中，经优选后准备提供拨风的快速开启阀VDij处于关闭状态，而其两端的常开阀VKij、Vkji则始终处于全开状态。当高炉供风突然中断后，快速阀VDij将迅速开启至预定开度——完成拨风操作。这样一来，拨风时间仅取决于快速阀的开启时间。因此，可以通过阀门选型来保证拨风时间≤Ti/ s。
为解决正常生产过程中快速阀工作可靠性的检测问题，可以采用拨风阀组的结构。由图1可见，在风机正常供风过程中，将VDij阀两端的VKij、VKji阀关闭后，便可在不影响高炉生产的情况下，对VDij阀工作的正常与否进行实际开启检测。
3.2 控制策略设计
虽然，每座高炉均可以由另外两座高炉获得拨风，但为缩小拨风操作的影响面，仅有一座高炉向外拨风。系统可以随时根据相关高炉的工况及供风情况来预定由哪座高炉来拨风。其基本原则：该高炉处于正常工作状态，且为其提供冷风的风机送风量或供风压力处于较大量值状态。由于实际的供风系统比较简单，其计算得知如若压缩机出现故障，任意一台风机都可实现对另一座高炉的供风。拨风阀的开启、停止、关闭输出都为脉冲信号。在实际的生产过程中，被选中的拨风阀在计算机自动控制方式下，只要满足拨风动作条件，系统就迅速输出开启信号来开启拨风阀。
同时，判定是否能够借风和拨风的需要满足两个条件：
首先，要定义某座风机及其所对应的高炉在正常生产中由于供风系统出现故障而需要拨风的条件。在正常生产中当某台运行风机及其对应的高炉的供风系统出现故障，即该风机电动机故障信号发出或所对应的高炉风压小于高炉最小的承受值，且该高炉不是处于检修或休风状态时，则该高炉需拨风，也就是说该高炉具备了申请拨风的条件。
第二，作为风源的风机应具备的条件：作为风源的被拨风风机其吸入风量达到理想风量（设计点）以上，且该风机出口风压达到同样达到设计点且避开喘振点，并且所对应的高炉不是处于休风或检修状态，则该风机具备了为其他故障风机拨风的条件。
出于安全性考虑，自动控制拨风阀动作后，计算机不能自动关闭拨风阀，只有当压缩机故障消除并重新启动投入供风后，由操作人员通过软手操或在现场将阀关回。而且操作人员可手动干预拨风系统的工作顺序。
当某座高炉的供风出现故障时，具备拨风条件的拨风阀动作之后，原授风高炉和被拨风的高炉不能再给其它高炉拨风，直到供风故障消除、两座高炉都恢复了正常生产之后，它们才可以再给其它供风故障高炉拨风。
拨风系统输入信号有模拟量：各高炉进风压力信号；开关量：各风机正常工作/正常停车信号，各拨风阀工作/检测状态信号，风机停机信号；操作者输入的供风组合情况。拨风系统输出信号有模拟量：各拨风阀开度信号；开关量：常开阀启/闭信号，报警信号。
具体工作过程：在正常工作过程中，拨风控制系统根据供风系统的工作状态（操作者输入的供风组合情况、各风机是否处于正常供风状态、各拨风阀是否处于工作状态、各高炉的进风压力等），实时决策各高炉出现断风时的拨风方案（预先开启相应的拨风常开阀），以及拨风阀的开度（依据被拨风高炉当前风压及接受拨风高炉维持极限生产所需风压及拨风阀流量系数计算）。当某座高炉进风压力低于拨风动作门限值pi1MPa（或为其供风的风机处于正常工作状态，但停机信号有效）时，拨风控制系统将立即发出相应的快速阀开启至预定开度的指令——完成拨风操作。
3.3 控制系统设计
显然，采用以计算机为核心的拨风控制系统是当前首选的技术方案。相对比继电器触器控制系统而言，拨风自动化控制系统的选择有以下几点优点：
1）PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，可靠性大大提高，寿命高。
2）PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。控制系统结构简单，通用性强
3）PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，编程方便，易于使用
4）PLC的输入／输出系统功能完善，在PLC内部具备许多控制功能，诸如时序、计算器、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能功能完善，此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。
5）采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入／输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，减轻了装接线工作，缩短了施工周期。设计、施工、调试的周期更短
6）PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入／输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，内部工作状态、通信状态、I／O点状态、异常状态和电源状态等，维护操作方便。
3.4 控制逻辑设计
正常运行过程中，一旦出现其中任何一座风机故障停机，当故障风机所对应供风母管压力低于最低拨风值时，故障风机将给系统发出请求拨风信号，此信号将保持30min，PLC接收到请求拨风信号后将进一步检查周围拨风阀PLC控制是否位于自动模式、是否接收到人工操作台传来的PLC控制信号、几个快速拨风阀是否处于关闭状态，经程序检测都是肯定结果后，选定的正常运转风机首先将自身静叶调节模式转换成手动，同时将拨风阀打开，完成拨风，最后将拨风阀PLC控制转换至手动控制。自动控制拨风起作用后，观察管网压力，当压力仍在迅速下降时可系统会自动重复上述步骤调用其他正常运行风机，对其进行二次拨风，以保证风压风量达到高炉不灌渣最低要求值以上。同时PLC会自动调节正常风机静叶，使其增大供风压力与流量，降低对正常生产高炉的影响，直至改故障风机的备用风机正常运行后，将风平稳送入故障风机对应供风母管后，快速拨风装置可安全退出。高炉拨风系统自动化系统主要实现的功能：实时监视多台高炉压缩机运行状况，检测风机正常运行输风量平稳状况；可自动、手动、半自动控制电动阀、拨风阀的动作、开闭角度；当1台压缩机故障停机或转为安全模式时，自动为高炉平稳拨风；实时显示拨风系统的状态、系统是否具备拨风条件；如遇突发事件可进行人为紧急拨风操作。
四、总结
钢铁生产企业中，炼铁是基础，行业俗话：有风就有铁，形象的说明了高炉鼓风在高炉冶炼过程中的重要作用，高炉鼓风系统的安全供风对高炉冶炼环节的正常、安全、稳定运行具有不容质疑的特殊意义，快速拨风系统可以最大限度的保证高炉的安全供风。
同时，高炉自动拨风系统不能替代备用风机，它只是一种临时的供风调度系统，以保证故障风机所供风的高炉不致灌渣，保证所有风道在工作的前提下进行等待北极的运行，直至主风机恢复，从而确保该高炉的正常生产，杜绝了煤气倒流等带来的安全事故。总的来说，它是一种确保高炉不出事故，且降低生产效率，不耽误生产的亚生产状态。但是它对与减少事故危害的作用是非常巨大的，节约了能源和时间成本。
多风机拨风系统，依托下目前先进的自动化控制系统，摒弃了钢厂过去很长一段时间使用的继电器触器控制系统，采用PLC控制，既高效又快速稳定的面对高炉鼓风机发生故障，给备机启动赢得了宝贵的时间。确保了高炉的安全和稳定生产，增加了系统的冗余度，提高了安全性和稳定性，更具有使用价值。
参考文献：
[1]李杨 关于高炉鼓风系统故障保护的探讨. 风机技术，1997
[2]胡寿松 自动控制原理 第四版. 科学出版社，2001
[3]丁炜 过程控制仪表及装置. 电子工业出版社，2007
[4]高炉自动拨风系统的应用探讨 产业与市场
作者简介：
赵欣，男，1984 年，工程师，四川大学电气信息学院电气工程硕士，2006年到成发工作，现任中国航发动科科能副主任师。主要从事于公司非航衍生工业动力驱动及余能回收产品的电气、自动化控制、过程工艺、仪表、现场调试、新产品的研发设计，及外贸市场售前技术推广工作。
论文作者:赵欣
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：高炉论文; 风机论文; 系统论文; 风压论文; 故障论文; 状态论文; 信号论文; 《电力设备》2017年第30期论文;