【文章內(nèi)容簡介】 ，結(jié)合鋼廠的實際，我決定在三座高爐供風(fēng)管道之間設(shè)計撥風(fēng)裝置，對所增設(shè)的撥風(fēng)裝置既要保證動作的靈敏性，又要確保供風(fēng)的可靠性，最終達到既保護高爐、又能使鼓風(fēng)機安全運行的目的。 本章針對 鋼廠高爐供風(fēng)系統(tǒng)的實際情況，對撥風(fēng)裝置的原理及撥風(fēng)系統(tǒng)進行設(shè)計，并對撥風(fēng)管道與閥門的設(shè)計與選擇進行了討論最后對如何控制撥風(fēng)量進行了詳細(xì)的論述。根據(jù)我們對高爐正常運行時工況的統(tǒng)計，目前各高爐的正常運行時所需冷風(fēng)情況如下表： 表 21 各高爐所需冷風(fēng)情況 高爐 風(fēng)量 (m3/min) 風(fēng) 壓 (Mpa) (表壓力 ) 高爐側(cè) 風(fēng)機吸入風(fēng)量 1 4250 4700 2 4250 4700 3 4200 4800 4 4200 4800 通過上表 我們可以看出，在正常情況下 ,4個風(fēng)機的出力都能滿足彼此的需求，所以 ,在其中任意一臺風(fēng)機出現(xiàn)故障的情況下 ,另一臺都能為其撥風(fēng) . 第二章 撥風(fēng)系統(tǒng)原理及設(shè)計 7 撥風(fēng)系統(tǒng)的 工作原理設(shè)計 本撥風(fēng)系統(tǒng)采用 S7300 為三座高爐的四臺鼓風(fēng)機（一臺備用）進行撥風(fēng)的控制。在各鼓風(fēng)機之間設(shè)撥風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)各鼓風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量及風(fēng)壓的調(diào)配，三臺在線運行的鼓風(fēng)機分別獨立為三座高爐送風(fēng)母管供風(fēng)，為避免鼓風(fēng)機故障停機而造成高爐斷風(fēng)事故，在三座高爐供風(fēng)母管上特設(shè)雙向快速撥風(fēng)閥組。當(dāng)其中一臺正常運行機組出現(xiàn)故障而造成突然斷風(fēng)時，通過管內(nèi)風(fēng)壓、流量的測定， PLC 經(jīng)過檢 測后，控制快速撥風(fēng)閥組將另一個正常工作的供風(fēng)母管的部分風(fēng)量送入故障機組提供給供風(fēng)母管，從而使得兩座高爐風(fēng)壓維持在可導(dǎo)致冶高爐灌渣的風(fēng)壓之上，最大程度減少經(jīng)濟損失。 我所設(shè)計的撥風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)是在送風(fēng)管道之間，兩兩安裝一條聯(lián)絡(luò)管道，并在其上安裝三個閥門，左右兩側(cè)為電動蝶閥 (該閥不參與撥風(fēng)控制 )，正常處于開啟狀態(tài) 。在進行撥風(fēng)閥檢修或試驗時，兩側(cè)的電動蝶閥關(guān)閉。中間為快速開啟撥風(fēng)閥，正常處于關(guān)閉狀態(tài) 。當(dāng)風(fēng)機故障停機時撥風(fēng)閥迅速開啟。 圖 撥風(fēng)裝置結(jié)構(gòu) 撥風(fēng)系統(tǒng)需求分析 高爐與鼓風(fēng)機在正常工作運轉(zhuǎn)過程中對各 項性能指標(biāo)的要求比較嚴(yán)格，因此，撥風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計既要滿足當(dāng)高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能及時通過 PLC 調(diào)配風(fēng)量，也要考慮到各個參數(shù)的正常，一個鼓風(fēng)機出現(xiàn)故障緊急停機后，為故障風(fēng)機提供風(fēng)量的鼓風(fēng)機自身不能因為向另外供風(fēng)母管供風(fēng)而超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，杜絕因為超負(fù)荷運轉(zhuǎn)而停機，造成事故的擴大化。 河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 8 高爐不灌渣要求風(fēng)壓不低于 ，風(fēng)量不低于 2500N Minm3 。當(dāng)風(fēng)機故障停機后，高爐進風(fēng) 口壓力自正常生產(chǎn)壓力降至判斷供風(fēng)系統(tǒng)故障風(fēng)壓 P1 的時間為 T1 ，再進一步降至維持極限生產(chǎn)的供風(fēng)風(fēng)壓 P2 的時間為 T2 ，這就要求撥風(fēng)系統(tǒng)的啟動設(shè)計限定時間 TTT 12??? 內(nèi)完成撥風(fēng) 。 對于高爐爐容為 2200立方米及以下的高爐，要避免高爐灌渣，根據(jù)煉鐵高爐冶煉工藝專業(yè)技術(shù)人員提出的要求，必須滿足以下三個條件 : a 高爐在 10秒鐘以內(nèi)復(fù)風(fēng) b 入爐風(fēng)量不得小于 1200 m3/min c 入爐風(fēng)壓大于等于 這三個條件為“與”條件，即必須同時滿足才能保證正常運行的高爐避免灌渣。 風(fēng)機具備鼓風(fēng)的最低條件必須具備才允許對故障風(fēng)機進行鼓風(fēng)即：提供鼓風(fēng)的母管風(fēng)壓大于 ，風(fēng)量大于 4000N Minm3 ，壓力變送器工 作正常，流量變送器工作正常。除此之外，風(fēng)機正常運行時可能處于定風(fēng)量或定風(fēng)壓模式，當(dāng)撥風(fēng)后為避免風(fēng)機快速追趕設(shè)定的風(fēng)量或風(fēng)壓而引起喘振或逆流，在開始撥風(fēng)前必須先將風(fēng)機模式由自動模式切換到手動模式。 在實際運行中，其中一臺高爐鼓風(fēng)機發(fā)生故障時，由于供風(fēng)管道容積較大，入爐風(fēng)壓下降至 。因此只要我們所選擇的撥風(fēng)閥 (快切閥 )能夠在一定的時間內(nèi)打開給系統(tǒng)充壓，就可以保證入爐風(fēng)壓大于等于 。風(fēng)機在正常運行時吸入風(fēng)量一般為 4500N Minm3 以上，折算到 應(yīng)的風(fēng)量為 3060 Minm3 ，即使撥出 1200 Minm3 的風(fēng)，剩下的冷風(fēng)依然可以基本滿足原高爐的生產(chǎn)需要。 綜上所述 ，如果設(shè)計合理，使用撥風(fēng)裝置既可以保證事故高爐不灌渣，又可以保證原授風(fēng)高爐的極限生產(chǎn)，也就是說上述撥風(fēng)原理可行。 撥風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計 鼓風(fēng)車間管道布置較為集中，根據(jù)實際現(xiàn)場工藝情況，我決定在鼓風(fēng)車間高爐冷風(fēng) 供出管道上施工、安裝撥風(fēng)裝置，實施所設(shè)計的撥風(fēng)系統(tǒng)。 根據(jù)兩臺高爐鼓風(fēng)機的配置及其供風(fēng)能力的介紹，以及兩座高爐的爐容量和正常運行時對冷風(fēng)的需求等情況，在正常生產(chǎn)工況下， 1,2,3 風(fēng)機分別獨立給第二章 撥風(fēng)系統(tǒng)原理及設(shè)計 9 1,2,3三座高爐供風(fēng) ,若出現(xiàn)故障 ,兩兩之間可以互相撥風(fēng)以維持極限生產(chǎn)。 圖 增設(shè)了撥風(fēng)控制系統(tǒng)的鼓風(fēng)機供風(fēng)系統(tǒng) 圖中 V13表示 1 高爐送風(fēng)母管與 2 高爐送風(fēng)母管之間的撥風(fēng)閥， V23表示 2高爐送風(fēng)母管與 3 高爐送風(fēng)母管之間的撥風(fēng)閥， V33表示 3 高爐送風(fēng)母管與 1 高爐送風(fēng)母管之間的撥風(fēng)閥。 V1 V1 V2 V2 V3 V34表示撥風(fēng)閥兩側(cè)的電動蝶閥 。 系統(tǒng)中 V1 V2 V33這個撥風(fēng)閥為快速開啟閥，設(shè)開、關(guān)、停三個位置，動作時間小于 10秒，正常工作時處于全關(guān)位置，可以分別在控制室內(nèi)實行遠(yuǎn)程操作和在閥門旁實行就地操作。 V1 V1 V2 V2 V3 V34這 6個關(guān)斷閥，設(shè)開、關(guān)、停三個工作狀態(tài)，系統(tǒng)正常工作時依據(jù)所要控制的冷風(fēng)流量將閥門鎖定在指定開度位置。在撥風(fēng)閥動作后，該開度將保證所需要的冷風(fēng)流量通過 。系統(tǒng)正常工作時，為防止誤操作，而將開 、關(guān)操作電源拉掉。這樣我們就可以根據(jù)高爐及風(fēng)機生產(chǎn)實際情況的需求使撥風(fēng)閥 V1 V2 V33的動作，以滿足在某一風(fēng)機故障時，將預(yù)定的某一正常運行的風(fēng)機給故障風(fēng)機所對應(yīng)的高爐撥一部分風(fēng)，來滿足該高爐的極限生產(chǎn)，保證該座高爐不灌渣。 4備用風(fēng)機采用 V4 V4河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 10 V43與三個撥風(fēng)管道相連，當(dāng) 3風(fēng)機其中一臺休風(fēng)時，可通過控制 V4V4 V4 V43的開啟與關(guān)斷來啟用備用風(fēng)機維持高效生產(chǎn)。 撥風(fēng)管道與閥門的設(shè)計選擇 撥風(fēng)管道的設(shè)計 我們選用 D630 X 8螺旋卷焊鋼管作為撥風(fēng)管道聯(lián) 通管，管子表面不得有裂縫、結(jié)疤、毛刺、壓痕和深的劃痕存在，氧化鐵皮、毛刺等必須清除。 管道采用焊接連接，管子焊縫不得有以下缺陷 : (1)焊縫高度、寬度不均勻 (2)夾渣、氣孔、裂紋等 (3)焊縫表面應(yīng)光滑，不允許有飛邊和尖角 (4)焊縫進行 5%射線探傷 為減少撥風(fēng)管系對原有送風(fēng)管道的推力，我采用了兩個 SPT6600型旁通式直管壓力平衡型補償器，要求補償器軸向剛度小于 350N/m/m。在安裝時，必須防止其損壞，如壓痕、劃傷、引弧和焊接飛濺物，焊接管道時，應(yīng)用無氯濕石棉保護。 圖 撥風(fēng)管道結(jié)構(gòu)示意 撥風(fēng)閥門的選擇 在此項設(shè)計中，工作介質(zhì)為空氣，介質(zhì)溫度為 180－ 260℃之間，而且在工藝上嚴(yán)格要求閥門的嚴(yán)密性，以防各高爐之間的竄風(fēng)，從而保證各座高爐的安全生產(chǎn)。因此撥風(fēng)閥的選擇極為關(guān)鍵。 通常所涉及的系統(tǒng)較多，因而所使用的閥門也較多，尤其是在風(fēng)系統(tǒng)上使用的閥門，常常由于質(zhì)量不過關(guān)而發(fā)生卡澀現(xiàn)象，如果這個閥門為兩座高爐冷風(fēng)管道之間的連通閥門（例如撥風(fēng)閥 )，這樣在檢修故障閥門時常常最少要涉及兩座高爐和兩臺風(fēng)機，就會嚴(yán)重影響高爐的生產(chǎn)，因此供風(fēng)系統(tǒng)閥門的選擇非常重要。以往在送往各高爐的配風(fēng)門上，我們使用最多的 是閘閥，其優(yōu)點是關(guān)閉嚴(yán)密，但第二章 撥風(fēng)系統(tǒng)原理及設(shè)計 11 其缺點是開關(guān)時間太長、而且需要旁路門，這樣就會使系統(tǒng)更加復(fù)雜，維護起來更加麻煩。隨著閥門制造工藝水平的提高，蝶閥以其開度線性好、密封嚴(yán)、維護簡便逐漸成為我們的首選。 通過技術(shù)及經(jīng)濟性比較，我選用德國阿達姆斯生產(chǎn)的 MAK雙向零泄漏三偏心硬密封電動快啟蝶閥，在結(jié)構(gòu)上，其三偏心斜置錐形基座密封系統(tǒng)中，軸與閥體中心線相對偏心 。軸與閥板平面相對偏心，蝶板相對閥體斜置 :軸與圓錐形密封基座中心線相對偏心。 而最重要的一點，該閥門全開可在 6秒之內(nèi)完成，完全符合煉鐵工藝所提出的 10秒內(nèi)給系統(tǒng)充壓的 需求。 由于需要該閥具有快速開啟的功能，因此，對于閥門的執(zhí)行機構(gòu)也有特殊的要求。另一方面，在本撥風(fēng)系統(tǒng)中，要實現(xiàn)閥門的計算機自動控制，執(zhí)行機構(gòu)是控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，它的作用是接收計算機發(fā)出的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成調(diào)整機構(gòu)的動作。因此各撥風(fēng)閥門執(zhí)行機構(gòu)的功能與技術(shù)指標(biāo)直接關(guān)系到自動控制的成功與否。 執(zhí)行機構(gòu)分為氣動、電動、液壓三種類型。氣動執(zhí)行機構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低、防火防爆 。但其缺點是需要較高壓力的氣體作為原動力，因此需設(shè)外部系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護量大。液壓執(zhí)行機構(gòu)的特點是推力大，精度高，以 其開關(guān)快捷、準(zhǔn)確、時間短而在很多重要部位使用，例如某廠高爐鼓風(fēng)機組的防喘振閥門基本選用此種閥門，其全開時間在 3秒之內(nèi)。但是由于其為液壓控制閥，需要液壓介質(zhì)和油泵，這樣造價比較高，而且又附加了許多設(shè)備，維護工作量大。電動執(zhí)行機構(gòu)的特點是體積小、種類多、使用方便，而且附屬設(shè)備少，維護起來比較簡單。 因此在滿足撥風(fēng)系統(tǒng) 68秒全開的工藝要求下，我們選擇了 Rotork 1Q型執(zhí)行機構(gòu)。 該執(zhí)行機構(gòu)有很多優(yōu)點，可以滿足撥風(fēng)系統(tǒng)計算機自動控制所需要的功能 : (1) 該執(zhí)行器具有現(xiàn)場 /停止 /遠(yuǎn)程操作選擇器。 (2) 該執(zhí) 行器可在接線完成后，不必打開電氣端蓋即可進行調(diào)整。用紅外線設(shè)定器可實現(xiàn)力矩、限位以及其他功能的設(shè)定。 (3)IQ執(zhí)行器帶有一個可接受 4個輔助輸入 (AUXI A11X4) 的裝置。用于對帶有Modbus模塊、并需增加遠(yuǎn)程控制或數(shù)字輔助輸入的控制和反饋功能的執(zhí)行器，也可同時提供遠(yuǎn)程控制和無源輸入信號。在 PF功能下顯示的卜六進制數(shù)字可以被認(rèn)為是一個“軟件掩碼”。這個掩碼可以告訴 Modbus模塊所期望的輸入形式，控制或輸入信號，以及輸入觸點的形式 (即常開或常閉 )。 所以通過技術(shù)性能和經(jīng)濟性比較，我們選擇德國阿達姆 斯生產(chǎn)的 MAK雙向零河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 12 泄漏三偏心硬密封電動快啟蝶閥作為撥風(fēng)閥。 在撥風(fēng)系統(tǒng)使用過程中，撥風(fēng)閥處于全開或全關(guān)狀態(tài)，而兩邊不參與控制的電動蝶閥的作用主要為限制撥風(fēng)量為所需值，及在進行撥風(fēng)閥檢修或試驗時，用來切斷撥風(fēng)管與原系統(tǒng)的聯(lián)系。 撥風(fēng)系統(tǒng)撥風(fēng)量的控制機算 撥風(fēng)系統(tǒng)正常運行要求其既要保證事故機組供風(fēng)的高爐不斷風(fēng)，維持其極限生產(chǎn)，又要在撥風(fēng)后對撥風(fēng)機組所供高爐影響最小。這就要求我們對撥風(fēng)量進行控制，即通過控制兩邊電動蝶閥的開度來控制撥風(fēng)量。 根據(jù)高爐的需求，入爐風(fēng)量為 1200 3m/min，風(fēng)壓不低于 ,高爐就能維持極限生產(chǎn)。所以必須通過計算才能確定兩邊電動蝶閥的閥門開度與風(fēng)量的對應(yīng)關(guān)系，從而通過控制撥風(fēng)閥兩邊蝶閥的開度來控制撥風(fēng)量。實際流體在管內(nèi)流動時，由于存在阻力，要損失一部分機械能，稱為能量損失。管流的能量損失由兩部分組成 :一部分是由于流體的粘性力所引起的，發(fā)生在整個流程上的“沿程損失”，這種損失的大小與流體的流動狀態(tài)有著密切的關(guān)系 。另一部分是發(fā)生在局部管段上的，由流動狀態(tài)急劇變化所產(chǎn)生的旋渦和速度分布變化所引起的“局部損失”。 通常管道流動中單位重量流體的沿程損失用下式表示 : gvdlhf 2λ2= （ 3－ 1） 式中 λ 為沿程阻力系數(shù)，它與流體的粘度、流速，管道內(nèi)徑以及管壁粗糙度等有關(guān)，是一個無因次系數(shù)，由實驗確定 。 l 為管道長度 。d為管道內(nèi)徑 。gv22 為單位重量流體的動壓頭 (速度水頭 )。由式 (31)可以看出，在同樣條件下，管道越長，損失的能量越大，這是沿程阻力的特征。 管流中單位重量流體的局部能量損失用下式表示 : gvhf 22ζ= (32) 式中 ζ 為局部阻力系數(shù)，是一個無因次的系數(shù)，根據(jù)不同的管件由實驗確定。工程上的多數(shù) 管道系統(tǒng)既有許多等直管段，又有許多管件 (例如變管、接頭閥門等 )連接著。這時整個管道的能量損失顯然應(yīng)該分段計算，而后把它們疊加起來， 即： 第二章 撥風(fēng)系統(tǒng)原理及設(shè)計 13 jfw hhh ∑+∑= （ 3－ 3） 空氣在不同的壓力和溫度下其密度是不同的，根據(jù)不同工作狀況，空氣的密度可根據(jù)下式計算 : 1 0 1 7 32 7 30 pt += ρρ （ 3－ 4） 式中， ρ－某溫度 t與壓力 p狀態(tài)下干空氣的密度， kg/m3 0ρ － 0oC、壓力為 ，30 /29 mkg=ρ P 絕對壓力 MPa t 攝氏溫度 ℃ 在工程上一般氣體被看作可壓縮流體，如果忽略氣體流動時的位能變化，則可壓縮氣體絕熱流動伯努利方程為： whVpk kVpk k ++=+ 212122222111 ρρ －－ （ 3－ 5）式中， k－絕熱系數(shù)