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压缩机优化控制系统（美国CCC）

概述：

在一个现代化的钢铁联合企业，可靠和高效的鼓风炉操作是整个工厂获得成功和潜在利益的关键因素。如果没有充足和可靠的铁水供应给下游的炼钢厂，满足所有重要的客户合同的产品供货将变得困难甚至是不可能。

鼓风炉要求稳定的压缩空气（风）的流量供应，其通过炉缸进入炉内供给燃烧过程并且保持熔融铁水（炉料）被托起。

在冷风主管上可以看到大型的液压控制阀（鼓风炉放风阀）。通常，鼓风炉操作人员通过使用（通常以手动方式）这些放风阀以快速排放部分的或是全部的高炉鼓风到大气中。这种放风阀被打开的操作适用于紧急超压控制，或是炉况难行时的减风操作。在后一种情况，操作人员通过制造短时的风压下降进行坐料，以期望增加炉料的透气性。

大型的离心式或轴流式压缩机（透平风机）通常被使用向鼓风炉供应冷风。这些风机有些时候由电机驱动，但更为常规的，通常由凝汽式汽轮机驱动，后者通常使用联合钢铁企业生产过程中产生的廉价蒸汽来驱动。这些风机通常以单机方式，或是并联方式，或是分给送风的方式运行。即使在单机运行方式（一机一炉），通常依然使用多管线配置方式用于风机切换以增加过程操作的灵活性。

鼓风机控制系统的目标

现代的高炉鼓风机控制系统的四个主要目标是：

1. 增强（或维护）鼓风炉和透平风机的可靠性；

2. 最大化鼓风炉的产量；

3. 最小化蒸汽使用量（功率消耗）；

4. 简化操作方式，提升系统自动化程度。

就可靠性而言，因为停工造成的巨大损失，应当通过任何可能的手段避免失风坐料引起的崩料和因此造成的停工时间。同时，在日常的工艺操作中，透平风机必须被保护以远离喘振和超速造成的损坏。由于喘振以及超速跳车事故等造成的机组损坏，同样必须被避免以保证设备的可利用性。鼓风炉的产量可以被提高，通过自动补偿在热风炉充风时造成的热风流量的损失，以及通过最小化正常鼓风操作下的质量流量设定点的偏差来实现。为了扩大透平风机的运行区间，必需使用先进的喘振控制技术，由此最大化送往鼓风炉的热风压力。

通过改进透平风机防喘振控制系统可以扩大透平风机的有效操作范围，在该范围内不需要进行放空操作。一个更宽的更有效的操作区间意味着在鼓风炉坐料操作期间，启动与停工期间，以及其他需要减小风量的操作阶段中排放到大气中的压缩空气的总量将被降低。另外，在一些情况中，由于炉料成分的改变，透平风机与其被设计的鼓风炉变得不匹配；作为其结果，即使在正常的鼓风操作中，持续而稳定的放空也不能被避免。通过消除不必要的放空操作而节约能量，成为鼓风炉操作中获得最大化效益的非常显著的方法。

独特的控制问题/标准的控制方案

美国压缩机控制公司（CCC）提供基于高速数字控制硬件的专用的防喘振和机组性能控制策略，并且通常以冗余控制的方式进行配置。通过专注服务于关键的透平机械应用，并且实现了几百个相似应用的安装，控制策略和相关算法已经标准化并且经过完全的现场验证。

鼓风炉操作中最具挑战的扰动通常被称为紧急休风, 在紧急休风事故中，由于操作人员的错误，阀门故障或是因为换炉过程中的问题，冷风经常被切除。鼓风炉休风不仅对燃烧过程产生巨大的干扰，并且造成悬料；同时在冷风总管内产生巨大的压力冲击波。这种巨大的压力上升将在几秒钟的时间内导致管线上游的透平风机进入喘振工况，并且导致冷风流量的巨大波动-进一步导致鼓风炉内产生过热点和可能使得铁水溅落到热风口上。因喘振的发生引起推力反向和透平风机温度的上升，将对透平风机和驱动透平造成潜在的损坏。对于机组灾难性的损坏将导致长时间的停炉，并且，最终导致钢铁生产的中断。

热风炉的换炉操作产生独特的控制问题，其在其它过程控制中尚未见到。鼓风机的首要任务是按照操作人员选择的以质量流量表示的风量向鼓风炉中提供稳定的空气流量，因其工艺操作需要提供准确流量的富氧空气。

首先，质量流量控制的要求是准确地测量输送到鼓风炉的流量。然而，热风炉下游的热风通常的温度是1,100° C，已达到电子变送器的温度极限，通常不能直接在热风中准确地测量。因此，测量必须在冷风线上进行，并且，必须对热风炉充风期间造成的热风流量的阶段性减少对鼓风机的净出口流量进行补偿。

CCC 的性能控制器要求安装在冷风总管上的流量，压力和温度的模拟量输入信号，用于计算质量流量。在一机一炉的操作中，CCC 的性能控制器的输出用于调节蒸汽透平的速度（速度控制器的转速设定点）和/或鼓风机的导叶角度。在可变转速和可变几何结构（导叶/静叶）的压缩机应用中，控制器的两个输出被用于带有可组态断点，重合度和极限的分程控制。

在自动热风炉充风控制模式中，当所有的充风阀关闭时，性能控制器将工作在其质量流量控制的设定点上；并且当在任何时候有一个充风阀打开时，它将自动地切换到冷风压力控制（在当前的管线压力上）。

当一个充风阀打开，指示开始充炉并且到鼓风炉的流量开始下降。充风阀的打开将自然造成冷风线压力下降，同时质量流量保持相对的不变。一旦充风阀打开，并且切换到压力控制，控制器能够“看”到压力的干扰并且开始增加透平转速和/或导叶开度以进行补偿。从许多应用的趋势分析可以看到，通过在热风炉充风期间进行冷风压力控制，可以提供非常平滑和相对准确的热风质量流量控制。当充风完成后，系统将会切换到质量流量控制，其流量为换炉时刻计算出的质量流量，并且之后平滑地斜坡改变到最近一个操作员选择的设定点。

任何时候当操作人员希望禁止压力控制模式，质量流量控制模式可以被选择，并且在任何时候当鼓风炉的放风阀被操作人员打开时质量流量控制模式通常被（自动）启动。压力控制模式可以被选择，无论何时操作人员希望稳定的管线压力（通常在鼓风炉坐料操作期间或是开工或停工期间)。

最大阀开度（MOV）控制应用于分给供风方式

在采用一个或多个鼓风机向多个鼓风炉供风的应用中，冷风总管中的压力的控制通常与送往每个鼓风炉中的鼓风的质量流量无关。在这种情形下，每一个独立的鼓风炉的风量由其独立的流量控制阀（通常使用蝶阀）来控制。在这些流量控制阀上产生的过大的压力损失意味着能量的浪费并且限制了系统中的最大可供压力。使用专用的总管压力优化控制策略可以显著地降低这些阀门上的压力降，并且提升鼓风炉的运行效率。

在这一方面，CCC 优化的最大阀开度(MOV)控制策略将连续地监视冷风流量控制阀门的阀位，并且自动地调节冷风总管压力控制的设定点。除了在这些应用中要求的典型的质量流量控制和压力控制回路外， CCC 的MOV 控制策略使用一个额外的专用控制回路，其通过使用流量控制输出或是阀门位置变送器，对独立的流量控制阀门的阀位进行高选并作为其过程变量，将其与一个操作员可调整的“位置”设定点进行比较。MOV 控制器的输出然后作为主的总管压力控制器的设定点。

MOV 控制系统工作以维持最大开度的控制阀尽可能地接近100%全开，同时保证其他流量控制阀的可控性。CCC 实施的这种控制策略同时包括了对所有相关回路的解耦功能，这些回路被设计用于最大化系统稳定性和直接调节鼓风机吞吐量（通过在出现快速扰动时旁路位置控制到压力控制回路的串级控制）以匹配最高流阻的鼓风炉的流量要求。

为了进一步解释基本的系统操作，如果MOV 控制器的设定点被设置为95%开度，当最大开度的控制阀进一步打开到95%开度以上，MOV 控制器将开始增加总管压力设定点以保证所有的流量设定点被满足。换言之，当最大开度的阀门移动至小于95%开度，MOV 控制器将减小总管压力设定点以保证系统中的压力降最小。在一些安装应用中，CCC 发现，当压力设定点在增加时移动过快，或者在下降时移动过慢，使用不对称的回路增益将会获得好处。

系统自动化

CCC 的质量流量控制器提供了几个自动化特征：

1. 自动启动和停工顺控；

2. 在线风机在切换过程中的自动负荷平衡；

3. 在鼓风炉坐料操作过程中的自动风量减少；

4. 当鼓风炉放风阀打开后自动模式切换。切换到当前转速上的本地速度控制或者预选择的流量设定点可控选择。