介紹了采用西門子PLC組成的自動控制工程在新鋼公司9＃高爐風(fēng)機(jī)工程中的技術(shù)應(yīng)用
　　關(guān)鍵詞]風(fēng)機(jī)；西門子PLC；自動控制BLOWER,
　　0引言
　　新鋼公司9#高爐送風(fēng)工程采用陜西鼓風(fēng)機(jī)廠的AV80型汽動軸流風(fēng)機(jī)，由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行的情況將立即對高爐的生產(chǎn)產(chǎn)生影響，其控制的穩(wěn)定性、安全性及響應(yīng)時間都要求很高，因此采用何種控制工程、采用怎樣的控制方案是風(fēng)機(jī)運(yùn)行好壞的關(guān)鍵。
　　其工藝簡述如下：當(dāng)蒸汽作功帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動工作時，空氣由進(jìn)風(fēng)口過濾器進(jìn)入軸流壓縮機(jī)，壓縮氣流經(jīng)單向止回閥送入高爐供風(fēng)管道。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)故障時可通過關(guān)閉止回閥，打開兩個放空閥保護(hù)機(jī)組的安全。在喘振時通過防喘振調(diào)節(jié)可使軸流壓縮機(jī)工況點(diǎn)回到安全工作區(qū)。
　　1工程硬件組成
　　9＃高爐風(fēng)機(jī)控制工程采用西門子公司的S7-400PLC控制器，操作站與工程師站采用西門子工控機(jī)，基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)連接操作站和控制站。
　　2工程軟件
　　9＃高爐風(fēng)機(jī)控制工程軟件選用WINDOWSXP操作工程。下位應(yīng)用軟件通過STEP7編程，我們充分利用了該軟件具有靈活多樣的指令和豐富的功能塊，編寫了具有模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序，使得程序具有良好的可讀性與可維護(hù)性，同時通過合理的程序設(shè)計將各個控制功能做到最優(yōu)化。上位監(jiān)控工程采用了WINCC6.0中文運(yùn)行版監(jiān)控軟件,界面友好,操作簡單，功能齊全。
　　3主要功能
　　3．1喘振控制
　　為了防止風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振工況運(yùn)行，在喘振線下設(shè)置了兩道“防線”，即喘振報警線和喘振調(diào)節(jié)線。
　　當(dāng)工況點(diǎn)在正常工作區(qū)域運(yùn)行時，放空閥電磁閥得電，調(diào)節(jié)器輸出20mA,主放空閥和副放空閥全關(guān);當(dāng)工況點(diǎn)運(yùn)行并突破喘振調(diào)節(jié)線時，防喘振控制由手動狀態(tài)自動切換到自動調(diào)節(jié)狀態(tài)，,使放空閥打開某一角度，當(dāng)輸出信號在0～50%之間時，控制主放空閥的開度，當(dāng)輸出信號在50%～100%之間時，控制副放空閥的開度，以使工況點(diǎn)下降到正常工作區(qū)域運(yùn)行，消除喘振；當(dāng)工況點(diǎn)突破喘振報警線時工程發(fā)出報警響鈴信號，提示將要進(jìn)入喘振狀態(tài)；當(dāng)工況點(diǎn)突破喘振線時，放空閥電磁閥失電，主放空閥、副放空閥快開（3S內(nèi)全開），逆止閥關(guān)閉，靜葉角度關(guān)閉止22°，進(jìn)入安全運(yùn)行狀態(tài)。
　　在控制實(shí)現(xiàn)中采用了一種新的技術(shù)和設(shè)備，即取消了原先的閥位反饋檢測裝置（變送器），把閥門定位器改型為智能閥門定位器DVC6000并增加Moore公司的HIM信號轉(zhuǎn)換器。這樣從現(xiàn)場放空閥只需一組信號線，卻可以走閥位控制和閥位反饋兩路信號（閥位控制為4～20mA模擬信號，同時迭加的閥位反饋信號為數(shù)字信號）。這樣控制的精度、速度和效果將有一個提高。而且由于HIM信號轉(zhuǎn)換器可以通過筆記本電腦對兩路信號進(jìn)行各種靈活處理，功能十分強(qiáng)大，相信將來會廣泛使用在各個重要場合。
　　3．2靜葉角度控制
　　即過改變靜葉角度達(dá)到調(diào)節(jié)排氣流量和排氣壓力的目的。在機(jī)組為達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，為了機(jī)組的安全啟動，防止操作人員的誤操作，邏輯連鎖將強(qiáng)制調(diào)節(jié)器的輸出為最小，使靜葉角度處于最小角度位置220。
　　在工程投入自動操作之后，這一信號將使調(diào)節(jié)器處于自動狀態(tài)，這時操作員能根據(jù)工藝的需要設(shè)定風(fēng)機(jī)的排氣流量或壓力值控制靜葉。定流量/定壓力控制切換時是無擾動的。
　　9＃風(fēng)機(jī)目前采用的控制方法是手動增加或減小靜葉角度來實(shí)現(xiàn)高爐的加風(fēng)，減風(fēng)的工藝要求。
　　3.3逆流保護(hù)
　　邏輯圖如1所示。

　　圖1邏輯框圖
　　當(dāng)轉(zhuǎn)速正常且喉部差壓低于1.5Mpa時，或進(jìn)行逆流試驗(yàn)時，就認(rèn)為已達(dá)到了零流量，即逆流。若在T1s內(nèi)零流量信號消失，并在T2s內(nèi)不再出現(xiàn)零流量信號，這時只由防喘振調(diào)節(jié)器按正常的防喘振去控制防喘閥打開一定的角度，以消除喘振，而逆流保護(hù)不起作用。
　　由此可見，防止逆流的根本措施是加強(qiáng)防喘振控制，阻止喘振狀態(tài)進(jìn)一步升級，其二是防止出口氣體的倒流。
　　如果在T2s內(nèi)零流量信號存在或在以后的T2s內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)，則發(fā)出“逆流”報警，并且放空閥在3s內(nèi)快速全開，以迅速消除喘振和逆流工況，靜葉角度關(guān)閉到22o，止回閥關(guān)閉，進(jìn)入“全運(yùn)行狀態(tài)”。當(dāng)工程恢復(fù)正常后，按PLC畫面上的“存儲器復(fù)位”和“自動操作”按鈕再次投入自動操作狀態(tài)。
　　如果放風(fēng)閥打開T3s仍不能消除逆流，則會發(fā)出持續(xù)逆流報警，同時進(jìn)入緊急停機(jī)狀態(tài)。
　　3.4安全運(yùn)行
　　安全運(yùn)行是軸流壓縮機(jī)的一個特定概念，指的是一種自保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)，這時防喘振閥全開，靜葉角度關(guān)閉在22o，止回閥全關(guān)。出現(xiàn)以下情況之一，風(fēng)機(jī)進(jìn)入“安全運(yùn)行”狀態(tài)。
　　•“手動安全運(yùn)行“指令（通過按下“安全運(yùn)行“）
　　•風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振
　　•機(jī)組逆流報警
　　3.5遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速控制
　　當(dāng)汽輪機(jī)在正常轉(zhuǎn)速（4893至5400轉(zhuǎn)之間）時,按下畫面上遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速投入按鈕，通過PLC把此信號送至505調(diào)速器，當(dāng)505調(diào)速器接到此信號后，再返回一個信號給PLC，這時畫面上顯示遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速以投，再按下遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)定按鈕，這時畫面上彈出一個操作面板，可輸入所需要的轉(zhuǎn)速，即可對汽輪機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。
　　4結(jié)束語
　　該控制工程自2009年7月投運(yùn)以來，軟件、硬件及網(wǎng)絡(luò)均運(yùn)行正常，控制工程穩(wěn)定，保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。提高了高爐生產(chǎn)的自動化控制水平，降低了操作員勞動強(qiáng)度。達(dá)到了設(shè)計要求。

摘要：采用數(shù)值模擬的方法，對比研究了不同環(huán)量指數(shù)的軸流風(fēng)扇在設(shè)計工況下的氣動性能，通過分析風(fēng)扇內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)，揭示了沿葉高變環(huán)量設(shè)計對氣動性能影響的控制機(jī)理。結(jié)果表明：環(huán)量指數(shù)取適當(dāng)?shù)呢?fù)值時，風(fēng)扇葉頂通流能力較強(qiáng)，削弱了間隙處逆流對主流的影響，減小葉頂間隙泄漏帶來的損失；但環(huán)量指數(shù)若取值過小，會使吸力面根部沿徑向指向葉頂和沿軸向指向前緣的靜壓梯度較大，促進(jìn)了附面層的分離，增大了二次流動損失。本文的軸流風(fēng)扇在環(huán)量指數(shù)取-0.2左右時氣動性能最好。
關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)扇；變環(huán)量設(shè)計；扭葉片；氣動性能；葉頂間隙
0引言
　　軸流風(fēng)扇是一種使用廣泛的流體機(jī)械，高效、低噪及穩(wěn)定工況范圍寬的軸流風(fēng)扇是研究的熱點(diǎn)問題。軸流風(fēng)扇設(shè)計的研究主要集中在兩個方向，一是研究葉片徑向扭曲[1]、周向彎曲[2]及軸向傾掠[3]等對性能的影響；二是研究軸流風(fēng)扇的多點(diǎn)多目標(biāo)優(yōu)化[4-6]。葉片扭曲是控制氣流參數(shù)沿葉高變化的有效手段，其中指數(shù)形式的環(huán)量分布方法[7]因其簡潔的形式和靈活多樣的分布，在低速風(fēng)扇的扭葉片設(shè)計中得到廣泛的使用。
　　對于無前置導(dǎo)葉的軸流風(fēng)扇，氣動負(fù)荷大小正比于葉輪后的環(huán)量分布。劉紅蕊等[1]研究了不同載荷展向分布規(guī)律對軸流風(fēng)扇性能的影響，結(jié)果表明：在葉根若負(fù)荷過大，則氣流過度折轉(zhuǎn)容易造成分離，而在葉頂若負(fù)荷過大，也易增強(qiáng)葉頂泄漏流，適當(dāng)減小葉根和葉頂?shù)呢?fù)荷可以提高風(fēng)機(jī)的性能。Bonaiuti等[4]采用反問題設(shè)計三維葉片,選取環(huán)量分布作為優(yōu)化自變量,優(yōu)化了單級軸流壓氣機(jī)。Kyoung-YongLee等[5]則運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)值模擬的方法先篩選出對風(fēng)扇氣動性能影響較大的幾何參數(shù)，然后將這些參數(shù)作為優(yōu)化因素用響應(yīng)面方法進(jìn)行尋優(yōu)，優(yōu)化后的風(fēng)扇靜壓提升了28.2%。這些結(jié)果也說明，控制環(huán)量分布對優(yōu)化軸流風(fēng)扇的性能是很有價值的。
　　本文應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，對比不同環(huán)量指數(shù)下風(fēng)扇氣動性能，通過分析內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)，并著重分析葉頂間隙的流動情況，揭示環(huán)量分布對軸流風(fēng)扇性能影響的機(jī)理。
1軸流風(fēng)扇的氣動設(shè)計
　　本文采用CLARK－Y葉型，參照孤立葉型理論[7]采用變環(huán)量流型設(shè)計方法，設(shè)計了一組軸流風(fēng)扇，設(shè)計參數(shù)見表1。

其中：ηt為全壓效率；ω為葉輪角速度；Ｃ為葉型升力系數(shù)；b為葉型弦長；z為葉片數(shù)，wm為來流平均相對速度。


　　從圖1、圖2可以看出：1）α=-0.5是把設(shè)計全壓集中在葉頂，以充分利用葉頂?shù)母呔�速度，而α=0.5相當(dāng)于減小葉頂處的設(shè)計全壓，并將其轉(zhuǎn)移到葉根；2）當(dāng)α改變時，葉根弦長比葉頂弦長變化得更加劇烈。特別的，當(dāng)α=0.5時葉根弦長是葉頂弦長的兩倍還多，這會導(dǎo)致葉片扭得特別厲害。
2數(shù)值分析方法與驗(yàn)證
　　采用FINE-TURBO軟件對變環(huán)量設(shè)計的一組葉輪進(jìn)行了模擬計算。風(fēng)扇流道進(jìn)口加半球形導(dǎo)流罩。葉頂間隙高度為3mm。在葉片近壁面、輪轂及葉頂間隙、頭尾緣等復(fù)雜流動區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為65萬。


　　計算過程中的湍流模型為Spalart-Allmaras（S-A）模型，空間離散采用Jameson有限體積中心差分格式，時間推進(jìn)采用顯式四階Runge-Kutta法。
　　為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，作者將環(huán)量指數(shù)為0.5的風(fēng)扇做出實(shí)物模型，按照風(fēng)室法GB1236-2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果對比見圖4。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果的靜壓效率計算公式為：
　　　　　　　　　　　η＝pQ/3600(N-N0)
其中p為進(jìn)出口靜壓差，Pa；Q為體積流量，m3/h；N為電機(jī)的輸入功率，W；N0為無負(fù)載時，軸系的空轉(zhuǎn)功率。


　　圖中的靜壓升系數(shù)、流量系數(shù)的定義為：


式中：Q0代表設(shè)計流量；Utip為葉尖旋轉(zhuǎn)線速度。
　　圖4a數(shù)值模擬的流量-靜壓曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢基本一致；從圖4b流量-靜壓效率曲線可以看到，數(shù)值模擬的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏高，相差的原因可能在于數(shù)值模擬僅針對風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)行，未包含測試平臺的進(jìn)口集流器、出口擴(kuò)散筒和消聲層等結(jié)構(gòu)部件。在大流量時，由于風(fēng)室靜壓值較低，實(shí)驗(yàn)測量精度的限制和數(shù)值結(jié)果的相對誤差就比較大。但總體上看，在設(shè)計工況點(diǎn)，數(shù)值模擬的風(fēng)扇性能是準(zhǔn)確的，而在大流量工況范圍，靜壓效率相差5%以內(nèi)。本文數(shù)值模擬方法預(yù)測評價風(fēng)扇性能是可靠的。
3環(huán)量指數(shù)的影響
　　圖5為設(shè)計流量下，風(fēng)扇靜壓升、靜壓效率隨環(huán)量指數(shù)的變化曲線。


　　隨著環(huán)量指數(shù)α從0.7開始減小，靜壓升在增大的同時，效率也在不斷的提高；環(huán)量指數(shù)α減小到-0.2時，靜壓效率取得最大值，此后靜壓升和靜壓效率都開始一定幅度的減小。
無論從壓升還是效率上看，當(dāng)環(huán)量指數(shù)取一定的負(fù)值（-0.2～0）對本文所要研究的軸流風(fēng)扇是有利的，特別在α=-0.2時，取得最佳效率點(diǎn)，此點(diǎn)較α=0.5的測試風(fēng)扇靜壓升高出3.1Pa、靜壓效率高出4.6%，這說明選擇合適的環(huán)量指數(shù)在軸流風(fēng)扇的設(shè)計中有著重要的意義。
　　下文取實(shí)驗(yàn)測試的風(fēng)扇（α=0.5）、最高效率點(diǎn)的風(fēng)扇（α=-0.2）以及較小環(huán)量指數(shù)的風(fēng)扇（α=-0.7）來進(jìn)行內(nèi)部流動對比分析。
4風(fēng)扇內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)


　　其中：Δptr進(jìn)出口相對總壓差，可以看出，損失主要集中在葉頂區(qū)域（70%～95%葉高），這是由葉頂間隙導(dǎo)致的泄漏流動引起的（見圖7），而且在環(huán)量指數(shù)從0.5減小到-0.7的過程中，葉頂間隙區(qū)域的損失是不斷減小的。
　　圖7中可以看到間隙泄漏的流體在間隙通道內(nèi)由于受到進(jìn)出口壓差的作用而產(chǎn)生逆流，沿機(jī)閘流動到進(jìn)口，并與來流摻混形成漩渦。這個漩渦使葉輪進(jìn)口處截面變窄，阻塞了流道，對流動極為不利。圖8中相對速度系數(shù)定義式為：Ｇ＝Ｗ／Ｕtip（w為相對速度的大�。�，結(jié)合漩渦區(qū)速度流線以及相對速度系數(shù)云圖可以看到，α=-0.7時，漩渦區(qū)域的范圍是最小的。


　　圖9為風(fēng)扇出口密流在葉高上的分布，密流的定義式為：Φ=ρcz，它表征了流道內(nèi)通流能力的大小。從圖9中可以看出，由于α=-0.7風(fēng)扇葉頂負(fù)荷較大、做功能力強(qiáng)，使其葉頂區(qū)域的通流能力要強(qiáng)于其他兩個風(fēng)扇，較強(qiáng)的通流能力削弱了間隙處逆流流體對主流的影響，從而減小因間隙泄漏產(chǎn)生的逆流所帶來的損失。


　　圖10為三個風(fēng)扇吸力面極限流線圖，圖中標(biāo)注的尾緣處徑向流動發(fā)展高度ZTE表征了這三種情況下端壁二次流動發(fā)展的范圍[8]�？梢钥吹剑弘S著環(huán)量指數(shù)從0.5減小到-0.7，徑向高度ZTE是不斷增大的，這意味著二次流動影響的范圍越來越大；而且環(huán)量指數(shù)減小時，根部弦長的不斷縮短使得二次流動在軸向的發(fā)展也變得格外迅速，以至于α=-0.7時葉高中間尾緣處流線出現(xiàn)一定的集結(jié)。α=-0.7風(fēng)扇根部比較劇烈的二次流動導(dǎo)致了流場的惡化，使二次流動損失迅速增大，這就解釋了圖6中α=-0.7風(fēng)扇根部損失大于其它兩者的原因。


　　圖11中橫坐標(biāo)Cax為無量綱弧長（弧長與葉高H的比值）；縱坐標(biāo)Cp為葉片表面靜壓力系數(shù)。觀察α=0.5風(fēng)扇10%和50%葉高的吸力面靜壓系數(shù)分布可以發(fā)現(xiàn)，兩條曲線出現(xiàn)了交叉，在交叉點(diǎn)之后，50%葉高靜壓高于10%葉高，靜壓梯度由50%葉高指向10%葉高（箭頭所示），這個徑向靜壓梯度可以降低近壁面的徑向竄流，抑制二次流動的發(fā)展。α=-0.2風(fēng)扇，交叉點(diǎn)后移，由50%葉高指向10%葉高的靜壓梯度的范圍減小。α=-0.7風(fēng)扇的10%和50%葉高吸力面靜壓系數(shù)曲線已經(jīng)不再相交，在從前緣至尾緣的整個弧長范圍內(nèi)，靜壓梯度由10%葉高指向50%葉高，這加速了附面層在徑向的發(fā)展，使二次流動損失增加。


　　圖12把三個風(fēng)扇10%葉高靜壓系數(shù)分布放在一起作對比，可以分析出它們軸向的靜壓梯度差異。三個風(fēng)扇吸力面靜壓沿軸向都是急劇減小后又逐漸增大，這意味著貼近吸力面流體沿軸向是先加速流動后減速流動，在后半段存在一個由尾緣指向前緣的靜壓梯度，這個靜壓梯度促使了吸力面附面層的分離。圖中圈出了三個環(huán)量指數(shù)風(fēng)扇吸力面靜壓最小值點(diǎn)的位置，可以發(fā)現(xiàn)α=-0.7風(fēng)扇此點(diǎn)最低、靜壓值最小，而它軸向的尺寸又最短，這就導(dǎo)致了α=-0.7風(fēng)扇軸向的靜壓梯度最大，進(jìn)一步促使了附面層的分離。
5結(jié)論
　　利用CFD方法對低壓軸流風(fēng)扇的流場進(jìn)行了模擬，通過給定不同的環(huán)量指數(shù)，研究了環(huán)量指數(shù)對內(nèi)部流動及損失分布的影響。針對本文設(shè)計研究的低壓軸流風(fēng)扇，可以得到以下的結(jié)論：
　　1）間隙的存在使風(fēng)扇損失集中在葉頂，環(huán)量指數(shù)取適當(dāng)?shù)呢?fù)值時，風(fēng)扇葉頂處通流能力較強(qiáng)，可以削弱逆流漩渦對主流的影響，減小葉頂間隙泄漏帶來的損失。
　　2）環(huán)量指數(shù)如果取值過小，會使根部吸力面沿徑向指向葉頂和沿軸向指向前緣的靜壓梯度都較大，促使了附面層的分離，增大了二次流動損失。
　　3）本文所研

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