CN105543443B - 一种用于转炉煤气加压机防喘振控制***的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转炉煤气加压机防喘振控制***及方法，其中：转炉煤气加压机防喘振控制***包括电控装置控制的转炉煤气柜本体、电除尘器和通过加压机组连通的入、出口蝶阀组，还包括回流调节阀，压力变送器及煤气流量计，其特征在于：炉煤气柜本体具有转炉煤气入口和回流入口以及煤气出口；加压机组包括进、出气端，进气端经管道连通入口蝶阀组，出气端经管道连通出口蝶阀组；电除尘器通过管道连通在煤气出口与入口蝶阀组之间；而压力变送器、煤气流量计依序设在连通出口蝶阀组出口的管道上，同时回流调节阀一端通过管道连通在出口蝶阀组与压力变送器之间的管道上，另一端经管道连通回流入口，藉由前述构造，解决了防喘振控制的技术问题，达成了提高运行效率、减少能耗、稳定管网压力的良好效果。

Description

一种用于转炉煤气加压机防喘振控制***的方法

技术领域

本发明涉及转炉煤气柜***的技术领域，尤指提供一种用于转炉煤气加压机防喘振控制***的方法。

背景技术

转炉煤气的回收再利用是企业节能降耗，提高效益的重要措施，同时有利于减少污染，改善环境。转炉煤气柜内煤气压力仅为3kPa左右，无法达到企业各个生产用户的压力要求，因此需要通过加压机对煤气进行加压。在加压过程中，小流量运行时，叶轮及扩压器流道内的气体将产生涡流，涡流的形成与消失，使液轮流道形成时堵时通现象，引起气流及叶片产生频率性的振动，以致在机内产生严重的周期性振动和吼声，这种现象称之为离心式压缩机的“喘振”。由于气流强烈的脉动和周期性振荡而造成叶片强烈振动，使叶轮应力大大增加，噪音加剧，使整个机组发生强烈振动，并可能损坏轴承、密封，进而造成停车或严重的事故。喘振是加压机特有的不稳定运行工况，喘振严重限制了风机的稳定工作范围和运行效率，喘振一旦发生，将会对风机造成很大的损伤。因此，防喘振控制是加压机控制***中不可或缺的功能。

防喘振控制不仅事关风加压机的安全，也会影响加压机的运行效率，防喘振控制的优化亦是加压机节能的重要环节。如何在满足工艺要求的前提下有效防止喘振的发生，同时尽可能提高加压机的运行效率，一直是控制***的难点。传统的防喘振控制方式是设法在管网流量过低时或压力过高时通过减小管网的阻力，也就是调节回流调节阀的方法增加流量，使风机的运行点保持在喘振线的右下方，而不进入喘振区。这种防喘振策略虽然安全系数高，却是以牺牲风机运行范围和性能效率为代价的。其具体问题主要表现为：

一、煤气加压机在具体的设计和生产过程中，为了避免喘振其输出能力总留有比较大的余量，这些多余的煤气将会流回煤气柜，从而大大增加了设备能耗，降低了运行效率。

二、变频加压机与回流调节阀对加压机出口压力的调节互相干扰，存在严重的耦合关系，无法实现同时调节。

三、当喘振发生时，回流调节阀无法快速打开。而跳出喘振区后，容易产生超调，需要根据人工经验进行手动调节。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种转炉煤气加压机防喘振控制***及方法。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供一种转炉煤气加压机防喘振控制***，包括电控装置控制的转炉煤气柜本体、电除尘器和通过加压机组连通的入、出口蝶阀组，还包括回流调节阀，压力变送器及煤气流量计，其中：炉煤气柜本体具有转炉煤气入口和回流入口以及煤气出口；加压机组包括进、出气端，进气端经管道连通入口蝶阀组，出气端经管道连通出口蝶阀组；电除尘器通过管道连通在煤气出口与入口蝶阀组之间；而压力变送器、煤气流量计依序设在连通出口蝶阀组出口的管道上，同时回流调节阀一端通过管道连通在出口蝶阀组与压力变送器之间的管道上，另一端经管道连通回流入口。

在本实施例中优选：加压机组包括第一至第四加压机，入口蝶阀组包括第一至第四入口蝶阀以及出口蝶阀组包括第一至第四出口蝶阀，其中：第一至第四加压机进气端分别经管道连通第一至第四入口蝶阀，而第一至第四加压机出气端则分别经管道连通第一至第四出口蝶阀。

在本实施例中优选：电除尘器与入口蝶阀组之间的管道为一通四管道，其中：一通四管道包括一入口和四出口，电除尘器出口通过管道与一入口连通，而四出口分别通过管道与第一至第四入口蝶阀连通；出口蝶阀组与压力变送器之间的管道为四通一管道，其中：四通一管道包括四入口和一出口，四入口分别通过管道与第一至第四出口蝶阀的出口连通，而一出口则通过管道连通至外部机构。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供一种转炉煤气加压机防喘振控制***的方法，包括加压机变频压力控制回路和回流调节阀流量控制回路，其中：加压机出口的压力设定值是由工艺工程师根据生产工艺要求人工设定，根据出口的压力设定值与检测值的偏差，通过PID控制器对加压机变频器进行控制，从而通过对加压机转速的调整实现对出口的压力进行稳定控制。同时为了防止加压机转速过低，对PID控制器的输出进行了限幅控制。当加压机转速达到转速下限时，加压机出口压力仍未满足工艺要求，则该控制回路的控制对象转为回流调节阀,此时通过调节回流调节阀来控制加压机出口压力；回流调节阀流量控制回路包括建立喘振报警线的数学模型和把加压机出口流量与喘振报警线对应的流量之间的偏差作为被控变量并将变PID控制与规则控制结合实现防喘振控制。

在本实施例中优选：建立喘振报警线的数学模型是建立加压机操作点与喘振点间距离的数学方程，其包括喘振高报警线的数学方程式和喘振高高报警线的数学方程式。

在本实施例中优选：防喘振控制方法包括：

一、根据喘振报警线的数学模型计算出加压机当前转速下的喘振高报警线对应的流量以及喘振高高报警线对应的流量；

二、当加压机出口流量检测值小于喘振高高报警线对应的流量时，让回流调节阀在电控装置控制下开启至相应开度，使加压机出口流量大于防喘振高报警线对应的流量，藉此上加压机工作点快速离开喘振区；

三、当加压机出口流量检测值大于喘振高高报警线对应的流量时，将喘振报警线对应的流量作为流量调节回路设定值，加压机出口流量检测值与喘振报警线对应的流量之间的偏差作为被控量来自动调节回流调节阀；

四、加压机转速为下限且出口压力未满足设定值时，控制回路由流量控制回路转为压力控制回路，藉此通过回流调节阀控制加压机出口压力。

在本实施例中优选：回流调节阀运作速度由PID控制器的比例增益决定。

在本实施例中优选：PID控制器以非对称的快开、慢关形式控制回流调节阀运作。

本发明与现有技术相比，其有益的效果是：提高加压机的运行效率，减少能耗，稳定管网压力，为各个生产用户提高稳定、可靠的转炉煤气。

附图说明

图1是转炉煤气柜***流程图，该***包括煤气柜本体设施、电除尘器、转炉煤气加压站等设备，其中4台加压机采用变频控制技术，两用两备。该***可将炼钢生产过程中间断产生的转炉煤气存储起来，经除尘、加压后均匀稳定的供给各个用户使用。图1中转炉煤气柜本体1，电除尘器2，加压机入口蝶阀3、6、9、12，加压机出口蝶阀4、7、10、13，加压机5、8、11、14，回流调节阀15，压力变送器16，煤气流量计17。

图2加压机流量特性曲线图。

图3是管网风阻特性曲线与加压机流量特性曲线交点变化图。

图4加压机防喘振控制原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

如图2所示，加压机***中，加压机在一定的吸气条件和转速下，加压机的升压ΔP随风量Q变化而交化，而描述两者关系的曲线就叫做加压机流量特性曲线，每一转速下有一条P—Q线，不同转速得到一组凸线，叫做加压机流量特性曲线组，该曲线是加压机厂家通过实验数据拟合而成。通常加压机流量特性曲线是研究加压机运行工况点，实施防喘振控制的基础和依据。与加压机相连接的各种管道与容器总称为管网***。当气体通过管网***时，需要一定的压力来克服阻力，而描述通过管网的气体流量与此流量下管网所需的压力之间的关系曲线叫做管网风阻特性曲线，管网风阻特性曲线一般可表达为ΔP＝a+RQ²

其中，a为常数，R是阻力系数，Q是管网流量。从图2的特性曲线上亦可看到，加压机在一定转速下，如果升压提高到某一临界压力，加压机的工况点为K点，则加压机将进入喘振区，出现倒风及周期性振荡现象，这一临界点便是喘振点，其对应的流量Qk喘振点加压机出口流量。把不同的转速下特性曲线上的喘振点连接起来就得到了加压机的喘振线。

如图3所示，加压机的工况点就是加压机流量特性曲线和管网风阻特性曲线的交点。在工况点上，加压机的出口流量就是管网***的入口流量，加压机的出口压力就是管网***的入口压力。因此管网风阻特性曲线的改变将导致加压机工况点的变化。某时刻风机的转速为n1，管网***的阻力系数为R1，此时加压机的工况点为A点；当管网阻力增大，其特性曲线变为R2，此时管网风阻特性曲线与加压机流量特性曲线的交点变为了B点，即加压机机***将稳定在工况点B点运行。结合图2可知，在转速一定时，加压机的风量与升压成反比，随着压力的提高，风量降低。此外，随着加压机转速的提高，加压机出口风量和升压均提高，因此可以利用转速来看作控制加压机流量和压力。由上述可知,为了保证加压机出口压力的稳定，此时需降低加压机的转速至n2，同时管网***的阻力系数变为R3,则加压机的工况点将移至图中C点处，其出口压力与A点一致。

为了防止加压机喘振，对喘振线最小流量的设定进行了研究，对控制***的控制策略进行了详细的分析，提出一套有效的加压机综合控制策略，在防喘振控制的有效性和经济性方面取得很好的效果。如图4所示为加压机防喘振控制原理图，它包括两个控制回路。

一、加压机变频压力控制回路

加压机出口的压力设定值是由工艺工程师根据生产工艺要求人工设定，根据出口的压力设定值与检测值的偏差，通过PID控制器对加压机变频器进行控制，从而通过对加压机转速的调整实现对出口的压力进行稳定控制。同时为了防止加压机转速过低，对PID控制器的输出进行了限幅控制，对加压机转速下限进行设定。当加压机转速达到转速下限时，加压机出口压力仍未满足工艺要求，则该控制回路的控制对象转为回流调节阀,此时通过调节回流调节阀来控制加压机出口压力。

二、回流调节阀流量控制回路

1、建立喘振报警线的数学模型

根据厂家提供的加压机流量特性曲线，确定加压机在工频工作状态下喘振点所对应的加压机出口流量值Qk，根据风机定律，对于同一台风机风量与转速成正比于是可以推理计算在不同频率工作状态下的喘振点所对应的加压机出口流量值Qk。根据不同频率工作状态下的喘振点所对应的加压机出口流量值，我们可以绘制一条加压机喘振边界线，如图2所示，在喘振边界线的右边设置一个安全裕量为3％的喘振高高报警线，同时，在喘振边界线的右边再设置一个安全裕量为5％的喘振高报警线。根据以上原理可以建立加压机操作点与喘振点间距离的数学方程，也就是喘振报警线的数学模型。

喘振高高报警线的数学方程：

喘振高报警线的数学方程：

上式中Q_n为加压机转速为n时，喘振点对应的加压机出口流量

Q_工为加压机在工频转速时，喘振点对应的加压机出口流量

f_n为加压机转速为n时的频率

f_工为加压机在工频转速时的频率

2、把加压机出口流量与喘振报警线对应的流量之间的偏差作为被控变量，将变PID控制与规则控制结合实现防喘振控制。

第一步，根据喘振报警线的数学模型计算出加压机当前转速下的喘振高报警线对应的流量以及喘振高高报警线对应的流量。

第二步，判断当加压机出口流量检测值小于喘振高高报警线对应的流量时，说明在极端工况下，闭环控制不能完全避免加压机工作点的超调越过喘振线，必须采用开环控制协助闭环控制防止加压机喘振的发生，我们采用规则控制，直接快速打开回流调节阀到一定开度，使加压机出口流量大于防喘振高报警线对应的流量，使加压机工作点快速远离喘振区。

第三步，判断当加压机出口流量检测值大于喘振高高报警线对应的流量时，采用变PID控制，也就是将喘振报警线对应的流量作为流量调节回路设定值，加压机出口流量检测值与喘振报警线对应的流量之间的偏差作为被控量来自动调节回流调节阀。防喘振回流调节阀的动作速度主要由PID控制器的比例增益来决定，在调试过程中，如增大比例增益，回流调节阀在动作时打开得过快、过大势必会产生较大的流量和压力波动，如减小比例增益，回流调节阀在动作时打开得过慢，又不能保证在工况点上升较快的情况下保证加压机不进入喘振区。基于以上原因，我们采用非对称控制的快开慢关来控制回流调节阀的动作。当加压机处于喘振高报警线的右下侧的安全区运行时，PID控制器的比例增益较小，积分时间较大，控制器使回流调节阀处于全关状态。当加压机工况点一旦接近或超越了喘振高报警线，PID控制器的比例增益增大，积分时间减小，且超过喘振高报警线越多，比例增益越大，积分时间越小，响应速度加快，这就实现了回流调节阀的快开。当加压机工况点返回安全区时，偏差减小，比例增益减小，积分时间增大，响应速度变慢，实现了回流调节阀的慢关。该防喘振控制方法将变比例增益与变积分时间相结合，同时改变控制器的比例增益和积分时间，既保证加压机工况点越过喘振高报警线时回流调节阀动作有较好的快速性，又保证了工况点在接近喘振高报警线时***调节的稳定性，兼顾了防喘振调节的快速性和加压机出口压力的稳定性，加压机工况点沿喘振高报警线精确控制，自动“钉”在喘振高报警线上而无需人工操作回流调节阀。这样可以避免加压机进入喘振区，同时使加压机长期工作在最佳工况点附近，提高了加压机的生产效率。此外，为了防止回流阀开度过大，对PID控制器的输出进行了限幅控制。

第四步,当加压机转速达到转速下限时，加压机出口压力仍未满足工艺要求，则该控制回路的由流量控制回路转为压力控制回路,通过回流调节阀来控制加压机出口压力。

加压机的变频调节回路为加压机出口压力调节回路，其设定值为工艺要求的管网压力。回流调节阀的调节回路为加压机出口煤气流量调节阀，其设定值为喘振高报警线对应的流量值。当加压机出口流量减小到小于防喘振高报警线的流量值时，回流调节阀开始自动调节，快速打开，保证加压机工作点在喘振高报警线附近的安全区内。当加压机出口流量增加到大于防喘振高报警线对应的流量值时，回流调节阀开始自动慢慢关闭，避免无效回流，提高加压机生产效率。通过以上两个压力与流量回路，实现的加压机出口压力与流量解耦控制，既稳定了出口压力，也稳定了出口流量，同时避免了加压机的喘振现象，使加压机长期工作在最佳工作点附近。

Claims (4)

1.一种用于转炉煤气加压机防喘振控制***的方法，包括加压机变频压力控制回路和回流调节阀流量控制回路，所述控制***包括电控装置控制的转炉煤气柜本体、电除尘器和通过加压机组连通的入、出口蝶阀组，还包括回流调节阀，压力变送器及煤气流量计，炉煤气柜本体具有转炉煤气入口和回流入口以及煤气出口；加压机组包括进、出气端，进气端经管道连通入口蝶阀组，出气端经管道连通出口蝶阀组；电除尘器通过管道连通在煤气出口与入口蝶阀组之间；而压力变送器、煤气流量计依序设在连通出口蝶阀组出口的管道上，同时回流调节阀一端通过管道连通在出口蝶阀组与压力变送器之间的管道上，另一端经管道连通回流入口；其特征在于：在加压机变频压力控制回路中，加压机出口的压力设定值是由工艺工程师根据生产工艺要求人工设定，根据出口的压力设定值与检测值的偏差，通过PID控制器对加压机变频器进行控制，从而通过对加压机转速的调整实现对出口的压力进行稳定控制；同时为了防止加压机转速过低，对PID控制器的输出进行了限幅控制；当加压机转速达到转速下限时，加压机出口压力仍未满足工艺要求，则该控制回路的控制对象转为回流调节阀,此时通过调节回流调节阀来控制加压机出口压力；回流调节阀流量控制回路包括建立喘振报警线的数学模型和把加压机出口流量与喘振报警线对应的流量之间的偏差作为被控变量并将变PID控制与规则控制结合实现防喘振控制；建立喘振报警线的数学模型是建立加压机操作点与喘振点间距离的数学方程，其包括喘振高报警线的数学方程式和喘振高高报警线的数学方程式；

所述建立喘振报警线的数学模型具体为：先根据厂家提供的加压机流量特性曲线，确定加压机在工频工作状态下喘振点所对应的加压机出口流量值Qk，根据风机定律，对于同一台风机风量与转速成正比于是可以推理计算在不同频率工作状态下的喘振点所对应的加压机出口流量值Qk；其次，根据不同频率工作状态下的喘振点所对应的加压机出口流量值，在喘振边界线的右边设置一个安全裕量为3％的喘振高高报警线，同时，在喘振边界线的右边再设置一个安全裕量为5％的喘振高报警线；

其中，

喘振高高报警线的数学方程：

喘振高报警线的数学方程：

上式中Q_n为加压机转速为n时，喘振点对应的加压机出口流量，

Q_工为加压机在工频转速时，喘振点对应的加压机出口流量，

f_n为加压机转速为n时的频率，

f_工为加压机在工频转速时的频率。

2.如权利要求1所述的一种用于转炉煤气加压机防喘振控制***的方法，其特征在于：防喘振控制方法包括：

一、根据喘振报警线的数学模型计算出加压机当前转速下的喘振高报警线对应的流量以及喘振高高报警线对应的流量；

二、当加压机出口流量检测值小于喘振高高报警线对应的流量时，让回流调节阀在电控装置控制下快速开启至相应开度，使加压机出口流量大于防喘振高报警线对应的流量，藉此上加压机工作点快速离开喘振区；

三、当加压机出口流量检测值大于喘振高高报警线对应的流量时，将喘振报警线对应的流量作为流量调节回路设定值，加压机出口流量检测值与喘振报警线对应的流量之间的偏差作为被控量来自动调节回流调节阀；

四、加压机转速为下限且出口压力未满足设定值时，控制回路由流量控制回路转为压力控制回路，藉此通过回流调节阀控制加压机出口压力。

3.如权利要求2所述的一种用于转炉煤气加压机防喘振控制***的方法，其特征在于：回流调节阀运作速度由PID控制器的比例增益决定。

4.如权利要求3所述的一种转炉煤气加压机防喘振控制***的方法，其特征在于：PID控制器以非对称的快开、慢关形式控制回流调节阀运作。