模壓風機合理的風機結構設計可有效提升風機工作效率基于冗余容錯

合理的結構設計，可有效提升風機工作效率，除了能夠保證生產需求之外，還能夠達到節能減排，響應政府環保的口號，因此對于企業不光應當注重經濟效益，更應當遵紀守法，提倡節能減排.

風機消耗的電能主要靠燃煤提供，降低風機工作損耗，提升工作效率對節能減排有照極其重要的作用。由于環保要求不斷提升，對電站風機而言，需要對風機的壓力進行加大。但是在參數選擇上會存在問題，例如：參數較大、無法配合等。在大多數風機上都會多少存在或多或少的壓力裕量。我們在增設脫硝工程或除塵器，對風機進行改造時，發現改成的風機與原風機壓力相差甚小，甚至原風機就能在節省電消耗的條件下，滿足正常運行要求，只是存在壓力裕量。為此，除重新進行選型設計，更換成新型風機的措施外，僅對風機進行局部改造就能滿足壓力提升要求，這是電廠最需要和最歡迎的。例如：不改變風機直徑只更換葉片即可滿足風機壓力提升1 200Pa的新風機；提高轉速加風機葉輪改造滿足風機壓力提升要求的新風機，對于軸流式風機來說，不改變風機直徑，提高一級風機轉速，往往造成壓力過高，失速安全裕度降低的結果。若能在提高風機一級轉速的同時，通過更換風機葉輪葉片的辦法來達到要求，這不失為一個很好的改進措施。

摘　要(Abstract) 本文主要介紹了基于現代冗余容錯技術的高爐鼓風機自控工程適應性優化改造，提高高爐鼓風機控制工程的穩定性和可靠性，保障高爐生產安全穩定運行。

1 引言

高爐鼓風機(以下簡稱風機)是給高爐冶煉提供冷風的設備，其工作原理是通過汽輪機或電機拖動使鼓風機高速旋轉，將常溫常壓空氣壓縮到一定壓力溫度后，供給高爐用于鐵水冶煉，完成將蒸汽熱能或電能轉化為動能的過程。高爐鼓風機在鐵水冶煉過程中起著非常重要的作用，是制約高爐生產、順產的重要因素之一。

目前萊鋼共有高爐4座，與之配套的風機機組只有5臺，其中3、4#風機為10年前引進的日本原裝風機，設備及儀控工程部分老化。正常生產過程中，4臺機組供風，只有1臺備用機組。對于風機側來說，備機嚴重不足，如果1臺運行風機出現故障，備機投入使用，整個熱電廠將面臨著無備機運行的情況。因此非常有必要加強現有的風機機組控制工程的安全可靠的運行。

對于自控工程，提高其穩定性、可靠性是目前最迫切的問題。冗余容錯技術是近幾年發展起來的新興技術，具有高可靠性、高可用性、無單點故障等多處優點，非常適合在風機機組改造中應用。在這次改造中主要從電源、網絡結構、工藝聯鎖參數三個方面入手，廣泛的應用了該技術。

2 電源冗余優化

控制工程對交流電源的電源品質要求不是很苛刻，但對電源的不間斷供電要求特別高，因此風機控制工程都配備了UPS(Uninterruptable power supply)，當市電失常時，切換到UPS蓄電池供電，保證控制工程正常運行一段時間。

UPS為自控工程的穩定提供了一定保障，但實際運行過程中，由于現場環境、電池活化、電網質量等諸多因素，UPS在實際切換過程中還存在著很多問題，導致UPS出現各種供電故障。近幾年UPS故障統計表明，UPS出現供電中斷事故主要發生在由UPS主回路、交流旁路、維修旁路相互切換的過程中，由于在切換過程中瞬態電壓差的不同，導致了“環流”，當環流過大就會造成UPS逆變器故障，導致輸出電源畸變甚至瞬時中斷供電，而且切換過程中故障有隨機性，很難監測。因此有必要對電源進行優化改造。

如果對UPS進行冗余配置, 會投入很大的成本，而且無論UPS并聯還是串聯, 對UPS的同步性、帶階躍性負載能力都有很高的要求�？紤]到現有的控制工程電源都是冗余配置的, 因此, 可以在UPS負載側解決電源冗余問題。

控制思路是:電網電源，UPS電源對控制工程同時供電，由DCS自身解決電源冗余切換問題。如圖1所示:

圖1 改造后的電源原理簡圖

根據以上設計，當UPS發生故障時，另一路市電會對工程正常供電;當市電回路出現問題時，UPS所在電源仍然正常工作;即使兩路電源同時出現問題, 只要UPS蓄電池沒有問題，工程仍然能正常運行一段時間。大大增強工程電源的可靠性, 減少了電源故障，提高整個工程的可靠系數。

3 網絡拓撲結構優化

熱電廠1#風機原通訊電纜為細同軸電纜，網絡結構為總線型結構，同軸電纜的連接頭與網絡接口卡的連接經常出現松動，引發過程站與監控站之間的網絡通訊中斷，影響了操作人員對機組的監視和操作。原網絡只有1臺上位機，當上位機發生死機情況時，短時間內將看不到機組的運行情況，對于高速運轉的設備來說比較危險。因此根據生產的實際需要對該機組的網絡拓撲結構進行改造，改造前、后的網絡結構圖如圖2所示。

圖2 改造前后網絡拓撲結構圖

在網絡中增加了1臺HUB集線器，將網絡結構由總線式網絡改造成星形網絡，把同軸電纜更換為雙絞線，由于控制站接口中無RJ-45接口，在過程控制站通過Dlink轉換接頭，將AUI接口轉換為RJ-45接口，實現了整個網絡的優化改造。優化改造后，在運行過程中徹底消除了網絡通訊時常中斷問題，工程的安全性、穩定性得到了加強。

根據現場的需要，對5#風機機組控制工程網絡結構進行了如下改造:5#風機原有的拓撲結構如圖3所示。原有的網絡不能實現完全的冗余，當某一個通訊模塊CI830出現故障時，出現故障CI830所在的整個從站會出現通訊完全中斷，會給生產帶來嚴重后果。在萊鋼某制氧機曾出現過該模塊損壞的案例，造成制氧機停機事故。在論證后，對網絡結構進行了修改，采用了具有冗余切換能力的CI840通訊模塊，取代原有的CI830通訊模塊，如圖4所示。不但簡化了網絡結構，而且使整個網絡實現了完全冗余，一條網絡上的任何一個元件損壞，整個網絡都會保持通暢，不影響正常生產。

圖3 原有網絡拓撲結構

4 工藝聯鎖參數

對于高速旋轉的設備，喘振工況的檢測至關重要。如果汽機轉速正常，風機喉部壓差過小，此時最容易發生喘振。在原來的逆流判斷中，僅僅使用了差壓變送器對風機喉部差壓進行逆流判斷，由于單個變送器有可能出現電氣故障，如老化斷線或接線端子松動，出現信號誤變化導致誤停機，因此采用了3個喉差開關三選二邏輯判斷的策略, 消除單點錯誤引發的錯誤判斷, 提高風機了穩定性和可靠性。

圖4 改造后的網絡拓撲結構圖

圖5 喉差三選二判斷

這些壓差開關信號通過繼電器分成兩路:一路進入DCS，參與DCS中的逆流判斷;另一路進入一個小型的PLC(OMRON sysmac CPM1A)。這3個壓差信號不論是在DCS中，還是在小型PLC中，都是采用的三取二的表決判斷方法，一旦這3個壓差信號中的兩個達到逆流值，則立即進行相應的延時，DCS和PLC的輸出同時控制現場設備，使機組防喘閥打開或聯鎖停機。這樣就可以提高逆流判斷的快速和準確性，一旦DCS出現故障，只要PLC正常，則出現逆流后，經過一定的延時，仍然可以使機組防喘閥打開或停機，這樣在DCS出現故障的情況下，仍然可以保護機組。邏輯圖如圖5所示。

對于引起工藝聯鎖停機的信號，如潤滑油壓低，動力油壓低信號在程序中均增加了三選二邏輯判斷;增加兩個溫度開關與原風機進風溫度熱電阻一起組成三選二邏輯判斷，將進風溫度高作為機組安全運行的一個條件，增加機組的安全性能。

5 結束語

有統計資料表明，實際應用中DCS的功能僅發揮30%以下。在原有DCS基礎進行改造實現先進控制，只需增加10%的成本，就可得到40%的效益。

利用該自動控制工程優化后，熱電廠減少了冷風的放散量約100m3/min左右，每年減少非計劃休風時間約50h，帶來了200多萬元的可觀的經濟效益和社會效益。該優化改造獲得了萊鋼自動化部2003年度科技攻關一等獎和2003年萊鋼級技術鑒定，達到省內先進水平，實際應用效果非常好，值得在冶金行業廣泛推廣。

參考文獻
[1] CI840通訊模塊使用手冊

作者簡介
趙 佳(1976-) 女 助理工程師 1998年畢業于沈陽大學自控系，在萊鋼自動化部工作至今，目前從事計算機控制工程及熱工儀控工程的維護工作

來源：佳工機電網

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