王正斌

（金隆銅業(yè)有限公司，安徽銅陵 244022）

CCC防喘振控制器在轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)中的運(yùn)用

王正斌

（金隆銅業(yè)有限公司，安徽銅陵 244022）

從控制方法的選擇、喘振變量的計(jì)算、各種喘振控制線的確定以及CCC控制器在防喘振控制上的特點(diǎn)入手，對(duì)CCC防喘振控制器在某銅業(yè)公司轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。實(shí)踐證明，使用該控制器能充分保護(hù)風(fēng)機(jī)并提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)；防喘振控制；CCC控制器；喘振極限線;防喘振控制線

0 前言

轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)主要是為轉(zhuǎn)爐吹煉提供工藝風(fēng)的，休風(fēng)時(shí)需要停止吹風(fēng)，所以轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)的送風(fēng)過(guò)程其實(shí)是個(gè)間斷的過(guò)程。在休風(fēng)的過(guò)程中，由于風(fēng)機(jī)的出口閥門關(guān)閉，導(dǎo)致出口流量下降，出口壓力上升，容易產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，這就要求轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)既能連續(xù)送風(fēng)又能間斷地送風(fēng)，還需要保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠。CCC控制器是由Compressor Controls Corporation生產(chǎn)的專門保護(hù)風(fēng)機(jī)的控制器，某銅業(yè)公司的1#、2#轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)防喘振控制器采用的就是CCC 3系列加強(qiáng)型防喘振控制器。采用該控制器后,在轉(zhuǎn)爐休風(fēng)時(shí)CCC控制器根據(jù)流量、壓力等一系列參數(shù)計(jì)算出所需放空的流量，通過(guò)控制放空閥的開(kāi)度來(lái)保證風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)爐休風(fēng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象；而在轉(zhuǎn)爐需要送風(fēng)時(shí),則關(guān)閉放空閥,快速建立起送風(fēng)壓力以滿足轉(zhuǎn)爐的工況需求,同時(shí)也保護(hù)了風(fēng)機(jī)。

1 控制方式選擇

傳統(tǒng)上防喘振控制系統(tǒng)只采用一個(gè)閉環(huán)響應(yīng)。但是閉環(huán)控制器反應(yīng)較慢,不能保護(hù)壓縮機(jī)而且會(huì)浪費(fèi)過(guò)多的循環(huán)費(fèi)用。由于固有的穩(wěn)定性限制,比例積分控制器不能很快響應(yīng),不足以防止喘振,除非安全裕量非常大。閉環(huán)算法的速度雖然可以用一個(gè)微分部件來(lái)提高,但是如果對(duì)喘振控制使用比例積分微分控制，即使操作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振極限,也會(huì)為了響應(yīng)任何向喘振的移動(dòng),而導(dǎo)致防喘振閥被頻繁地打開(kāi)。因此采用普遍算法的控制器,對(duì)防止喘振應(yīng)用是不夠的[1]。

基于上述原因，該公司的轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)采用了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)響應(yīng)相結(jié)合的方式，提供基于工藝擾動(dòng)的大小和速度的流量調(diào)節(jié)[2]。比例積分的響應(yīng)保持防喘振閥關(guān)閉直到操作點(diǎn)跨過(guò)防喘振控制線（SCL）左邊,然后調(diào)節(jié)防喘振閥,以確保操作點(diǎn)在控制線上,防止操作點(diǎn)進(jìn)一步向喘振線移動(dòng)。如測(cè)得的噪聲在較為正常的范圍內(nèi),絕大多數(shù)的控制器應(yīng)用可以根據(jù)流量的微分響應(yīng)。在一定流量下,操作點(diǎn)逐步趨近喘振極限。當(dāng)速度提高時(shí),響應(yīng)將控制線移向右邊,使控制閥提前打開(kāi),而不是等到有充分的喘振風(fēng)險(xiǎn)時(shí),才開(kāi)始動(dòng)作。這種附加的安全裕量，會(huì)維持到操作點(diǎn)開(kāi)始移動(dòng),遠(yuǎn)離喘振極限,直到確保不會(huì)使綜合的控制響應(yīng)不穩(wěn)定時(shí),微分響應(yīng)才會(huì)減弱其功能。如果操作點(diǎn)繼續(xù)移向喘振線,不管比例積分的控制動(dòng)作如何,閥快開(kāi)(Recycle Trip)響應(yīng)都會(huì)提供進(jìn)一步的保護(hù)。當(dāng)操作點(diǎn)跨過(guò)閥快開(kāi)控制線(RTL)時(shí),閥快開(kāi)響應(yīng)以臺(tái)階量算法打開(kāi)防喘振閥直到所有朝喘振方向的移動(dòng)被停止。一旦操作點(diǎn)向后移動(dòng)至RTL右邊,這種響應(yīng)才會(huì)慢慢衰減,從而允許較慢的比例積分響應(yīng)使操作點(diǎn)向后移至SCL。在該控制器上,每個(gè)閥快開(kāi)響應(yīng)量的大小可以設(shè)計(jì)為與趨近喘振的速度成比例,從而盡量減少工藝擾動(dòng)。作為最后一條防線,開(kāi)環(huán)安全限響應(yīng)(SO)監(jiān)測(cè)壓力和流量的波動(dòng)。這些波動(dòng)的特性是在實(shí)際發(fā)生喘振時(shí),可立即將防喘振控制線和閥快開(kāi)控制線向右移動(dòng)。這不僅能在一個(gè)循環(huán)后停止喘振(這是造成嚴(yán)重?fù)p壞的喘振重復(fù)性質(zhì)),而且還提供了防止將來(lái)喘振的附加安全裕量。這種專利的控制響應(yīng)的結(jié)合，能更主動(dòng)地調(diào)節(jié)控制器，從而降低了循環(huán)和放空費(fèi)用，同時(shí)不會(huì)增加喘振的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2 CCC控制器的運(yùn)用

2.1 計(jì)算公式的選擇

CCC控制器可以采用多種控制方式和運(yùn)算進(jìn)行防喘振控制,其功能主要包括：1)使用坐標(biāo)系和運(yùn)算法則來(lái)計(jì)算喘振臨界線SS;2)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程變化并將各信號(hào)輸入進(jìn)行計(jì)算；3)繪制出簡(jiǎn)單的控制器與壓縮機(jī)間的生產(chǎn)過(guò)程及儀表控制圖(圖1);4)選擇適當(dāng)?shù)姆答伔绞娇刂啤?/p>

圖1 防喘振控制系統(tǒng)

該轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)防喘振控制方式采用的是計(jì)算喘振的接近曲線,所采用的公式為：

式中:△Po,c為流量計(jì)算值；f1(Rc)為Y坐標(biāo)特征；f5(Z)為普通特征；K為喘振極限線系數(shù)；Pd為出口壓力；Ps為入口壓力；Rc為壓縮比。

2.2 控制曲線確定及運(yùn)用

CCC防喘振控制器要實(shí)現(xiàn)其控制，就要知道壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)在哪,以確定一個(gè)合適的喘振控制裕度,再根據(jù)喘振發(fā)生的特點(diǎn)通過(guò)一些特定的控制響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)防止喘振發(fā)生的控制目的。這就涉及到操作點(diǎn)與幾種控制線之間的關(guān)系。幾種控制線主要為：開(kāi)環(huán)安全線SOL（Safety On Line)、喘振極限線SLL (Surge Limit Line)、閥快開(kāi)線RTL（Recycle Trip Line）、防喘振控制線SCL（Surge Control Line）、完全關(guān)閉線TSL(Tight Shut-off Line)。各控制線關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 各控制線關(guān)系

當(dāng)操作點(diǎn)通過(guò)各相應(yīng)的控制線時(shí)將產(chǎn)生相應(yīng)的控制動(dòng)作。具體如下：1)操作點(diǎn)在SCL左邊時(shí),防喘振控制器的比例積分響應(yīng)增加回流量,反之當(dāng)操作點(diǎn)在該線右邊時(shí),則減小;2)當(dāng)操作點(diǎn)在RTL的左邊時(shí),閥快開(kāi)響應(yīng)將打開(kāi)放空閥；3)當(dāng)操作點(diǎn)越過(guò)SOL時(shí),安全響應(yīng)會(huì)移向防喘振控制線右邊;4)當(dāng)操作點(diǎn)在TSL右邊時(shí),完全關(guān)閉響應(yīng)會(huì)全關(guān)防喘振控制閥,輸出為最小。

正如SLL是一條喘振接近度SS=1的軌跡線, SCL是SS=1+bf4(Z)軌跡線，其中，f4為控制線參數(shù)，Z為控制線函數(shù)值。因此壓縮機(jī)的偏差DEV(操作點(diǎn)與SCL的距離)可以表示成為：DEV=devsc=1-bf4（Z）-SS。當(dāng)DEV＜0，則防喘振控制器的比例積分響應(yīng)將增大回流或放空；反之，當(dāng)DEV＞0，則防喘振控制器的比例積分響應(yīng)會(huì)減小[4]。

RTL是依據(jù)閥快開(kāi)響應(yīng)的過(guò)程設(shè)定的一個(gè)操作極限。當(dāng)操作點(diǎn)越過(guò)這個(gè)極限，閥快開(kāi)響應(yīng)會(huì)被激活，并快速地打開(kāi)防喘振控制閥。這條控制線的位置是與喘振極限線相對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的，它們間的距離由閥快開(kāi)差值(RTM)表示：

式中:b1為防喘振控制起始偏差；CRSO為安全響應(yīng)值；RT為閥快開(kāi)線距離。

閥快開(kāi)線距離小于防喘振控制起始偏差，因此RTL總是在SLL右邊。閥快開(kāi)響應(yīng)主要是保護(hù)壓縮機(jī)受干擾過(guò)大或比例積分控制太快而衍生的響應(yīng)算法。即，當(dāng)其確認(rèn)操作點(diǎn)超過(guò)了喘振臨界線SS時(shí)會(huì)迅速打開(kāi)防喘振控制閥，然后等待防喘振的比例積分響應(yīng)趕上（圖3）。其階躍計(jì)算公式為：

式中：C0為閥快開(kāi)增益；C1為閥快開(kāi)最大階躍值；devRT為閥快開(kāi)偏差值(當(dāng)操作點(diǎn)在RTL左邊時(shí)為負(fù)值)；dSS/dt為相關(guān)時(shí)間內(nèi)SS導(dǎo)數(shù)；Td1為閥快開(kāi)時(shí)間常數(shù)。

圖3 典型的閥快開(kāi)響應(yīng)

SOL依據(jù)壓縮機(jī)喘振時(shí)操作極限，安全響應(yīng)會(huì)累積喘振次數(shù)，當(dāng)操作點(diǎn)在SOL左邊時(shí)會(huì)提升防喘振控制線的偏差值。SOL在喘振極限線的左邊，它們間距離用安全差值(SOM)表示,其計(jì)算為：SOM=SOf4 (Z),其中SO為開(kāi)環(huán)安全線距離。

2.3 使用效果及優(yōu)點(diǎn)分析

由于CCC控制器是為保護(hù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行而專門設(shè)計(jì)的，所以在控制精度和可靠性上都優(yōu)于以前的控制程序[5]。當(dāng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)越來(lái)越接近防喘振控制線時(shí)，CCC控制器會(huì)逐漸地輸出信號(hào)來(lái)控制放空閥。逐步地放空可使風(fēng)機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)防喘振控制線后，則CCC控制器會(huì)穩(wěn)定地輸出某信號(hào)使放空閥保持在某一開(kāi)度上，而不是全開(kāi)。自從使用了CCC控制器后，沒(méi)有發(fā)生過(guò)喘振現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)運(yùn)行正?？煽?。

CCC 3系列防喘振控制器具有一般用途的控制器不具備的優(yōu)點(diǎn)：1)由于先進(jìn)的防喘振控制方法，壓縮機(jī)可以在非?？拷駱O限的地方運(yùn)行，而不必打回流,使壓縮機(jī)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。2)由于內(nèi)置的回路解耦算法允許性能控制器與防喘振控制器之間更快地協(xié)調(diào)，并消除防喘控制動(dòng)作有可能產(chǎn)生的間斷效應(yīng)，因此工藝過(guò)程控制更加精確。3)控制算法消除了因喘振或過(guò)載引起的不必要的停車,減少了壓縮機(jī)的停車時(shí)間。4)由于消除了損害性的喘振，能夠減少大修次數(shù),降低了壓縮機(jī)維修費(fèi)用。5)由于采用保守策略（fall-back）控制方法，控制器能在變送器發(fā)生故障時(shí)，繼續(xù)防止喘振,使壓縮機(jī)運(yùn)行更加可靠。6)由于RO和SO響應(yīng)減少了操作者的介入,簡(jiǎn)化了操作。7)由于該控制器是專門針對(duì)壓縮機(jī)的具體條件設(shè)計(jì)的，因而不必再做軟件設(shè)計(jì)和軟件組態(tài)，降低了開(kāi)車費(fèi)用,工程成本更低。8)防喘振和過(guò)載保護(hù)延長(zhǎng)了壓縮機(jī)的壽命,降低了壓縮機(jī)的再投資成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,該銅業(yè)公司轉(zhuǎn)爐送風(fēng)機(jī)防喘振系統(tǒng)采用的CCC控制器，能更加精準(zhǔn)確定風(fēng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)，時(shí)刻監(jiān)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，確保風(fēng)機(jī)不會(huì)因休風(fēng)而產(chǎn)生喘振現(xiàn)象；同時(shí)在送風(fēng)時(shí)，能迅速建立起送風(fēng)壓力，從而保證轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)需求，保障風(fēng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)的成功運(yùn)用值得類似防喘振控制系統(tǒng)借鑒參考。

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Application of CCC Anti-Surge Controller in the Converter Blower

WANG Zheng-bin
(Jinlong Copper Co.,Ltd.,Tongling,Anhui 244022,China)

The paper starts from the selection of control method,calculation for surge variable,determination for various surge control lines as well as characteristics of CCC controller on the anti-surge control that the application for converter air feeder from certain CCC Anti-surge Controller Copper Industry Company in the anti-surge control system is analyzed.The practice has proved that this controller can sufficiently protect the blower and improve the operating economy of blower.

converting furnace fan;anti-surge control;CCC controller;surge lim it line;anti-surge control line

TP272

B

1004-4345(2014)02-0032-03

2013-10-29

王正斌(1971—),男,主要從事儀表自動(dòng)化管理工作。