周振華

( 中冶南方工程技術有限公司煉鐵分公司，湖北  武漢430223)

摘 要: 詳細介紹了熱風爐助燃風機系統設計，涉及不同條件下的助燃風機配置，以及根據風機性能曲線、風機出口風量、風機出口壓力進行設備選型。此外，還介紹了根據實際工況對風機參數進行換算，應用變頻技術提倡節能及采取降噪措施促進環保。

關 鍵 詞: 助燃風機; 變頻; 降噪; 熱風爐

1  引言

熱風爐是高爐煉鐵生產的重要大型設備，其作用是穩定生產高溫熱風，為高爐生產節焦降耗提供物質條件。熱風爐以凈高爐煤氣為主要燃料，由獨立的助燃空氣系統提供助燃空氣，凈高爐煤氣及助燃空氣通過燃燒器混合后燃燒。熱風爐的助燃空氣系統一般由助燃風機、風機出口切斷閥、空氣放散閥、助燃空氣管道、管道補償器、流量計、調節閥及助燃空氣切斷閥等組成，當對助燃空氣進行預熱時，還包括換熱器及相應的切斷閥門等設備。其中，助燃風機是系統的物質源和動力源。

2  助燃風機的配置數量

早期的熱風爐系統大多采用分散送風，即每座熱風爐單獨由1 臺助燃風機送風。隨著高爐向大型化方向發展，配套的助燃風機設備能力也相應增大，分散送風方式隨之出現大容量電機頻繁啟動及噪音等問題。為便于生產管理及設備安全運行，現代設計的熱風爐系統普遍采用集中送風方式^［1］。

集中送風方式一般配置2 臺助燃風機，采用一用一備的方式生產，助燃風機出口輸出的經過加壓的空氣先經助燃空氣總管送至各熱風爐跟前，再通過助燃空氣支管與各熱風爐燃燒器連通。對于特大型高爐的熱風爐系統，如5000 m³級高爐，助燃空氣使用量可達到220 000 Nm³ /h，如采用2 臺助燃風機一用一備方式，則一方面單體設備體型大，設備制造維護難度高，另一方面造成備用風機極大的設備能力閑置，投資成本高，間接形成浪費。根據此種情況，特大型高爐的熱風爐系統可以配置3 臺助燃風機，采用兩用一備方式生產。對于某些改造型項目，新增的助燃空氣用量超出了原助燃風機系統能力，在現場布置允許的情況下，也可以采取新增1 臺助燃風機以滿足用量需求，從而形成兩用一備的格局。集中送風方式下，按兩用一備配置風機時，兩臺工作風機并聯送風。

3  助燃風機設備選型

熱風爐生產所需的助燃空氣壓力通常在15 kPa以下，介質常溫，按照風機分類方法，助燃風機屬于離心式通風機。助燃風機設備選型的參照有性能曲線、風機出口風量和風機出口壓力。

3．1  性能曲線

⑴ 風機性能曲線^［2］。

常見的風機性能曲線有Q-H( 流量-壓力) 曲線，Q-η( 流量-效率) 曲線，如圖1 所示。其中Q-H 曲線上K 點處表示流量最大的工況點，稱為臨界工況。當風機工況點在曲線上K 點左側時，隨著風機出口流量增大，風機出口壓力提高，此時風機處于不穩定的工作狀態; 當風機工況點在曲線上K 點的右側時，隨著風機出口流量增大，風機出口壓力下降，此時風機處于穩定的工作狀態。Q-η曲線上A 點是風機的最高效率點，當風機運行在該點附近時，風機則處于最高效的運行狀態。通常運行( 使用) 效率大于80%的稱為節能風機^［3］。一般而言，前向葉片風機容易獲得高壓力、大流量，結構緊湊，但效率相應較低; 后向葉片風機不易得到高壓力，體積較大，但效率相對較高，可達80～90%^［4］。

在確定風機工況運行時的風量和風壓后，對于目標風機而言，由工況流量和工況壓力所確定的點必須落在其Q-H 曲線上臨界點K 的右側，并且與工況流量對應的風機效率應在Q-η曲線的最高效率點附近，不得低于最高效率90%，由此選定的風機才能在實際工況下穩定高效地運行。

⑵ 管道系統性能曲線^［2］。

風機在工作中的實際狀態除與風機本身特性有關外，還與其所連接的管道系統特性有關。風機在系統中的作用就是將旋轉的機械能轉換為氣體的壓力能和動能，從而克服氣體流動時的管道阻力。從能量守恒的角度看，輸送流量為Q 的氣體所需的能量等于風機做功傳給氣體的能量。

以圖2 為例，圖中的管網系統曲線表示在一定的管網條件下，輸送一定流量的氣體而要克服管道阻力所對應的壓力。當風機在性能曲線上B 點運行時，對應的風機流量為Q_B，風機出口壓力為P_B;此時，在管網系統中輸送流量為Q_B的氣體需要克服管道阻力而要求的氣體壓力為P_C。由于P_C＞P_B，風機的出口流量將不斷減小直至Q_A，此時P_C= P_B=P_A，風機傳遞給氣體的能量與管道阻力達到平衡，通過自調節的平衡過程，風機將在A 點穩定運行。

上述的平衡過程即是助燃風機系統調節流量的理論依據，對于工頻運行的助燃風機主要通過改變管網系統曲線來控制風機流量。風機進出口連接管不規范會造成風機內效率顯著降低，如BM75 /1200型單吸離心通風機進口直接裝90°彎管時，全壓內效率降低12%; 雙吸入離心通風機進口如只裝彎管不裝導流片時，兩側進風量相差18%，額定風量下降20%，全壓效率下降^［5］。風機進口前面不接管，臨近無障礙物，就可以認為合理。如果接管道，則要求進口前有一段長度不小于2．5De( De 為進口當量直徑) 的直管段。改善風機出口條件的最好辦法是接一段長度不短于2．5De 的直管段，如必須接彎管，在其中加裝導流葉片是一個好辦法^［6］。

3．2  助燃風機出口風量

助燃風機出口風量由熱風爐燒爐期間所需助燃空氣量決定，根據熱風爐燃燒計算確定。為保證煤氣完全燃燒，助燃空氣實際用量要大于理論用量，其比值即空氣過剩系數。不同燃料種類所需要的空氣過剩系數見表1。

考慮熱風爐燒爐過程對助燃空氣用量需求的變化及風機系統性能不佳的可能性，在計算的平均值上乘以1．1～1．2 的系數作為助燃風機出口風量的參考值。助燃風機按兩用一備配置時，兩臺并聯的助燃風機的組合流量－壓力曲線是將相同壓力下的每臺風機的體積流量相加得出^［2］。

3．3  助燃風機出口壓力

確定助燃風機壓力時，應由包括余熱回收裝置在內的系統流路阻損的計算確定。在《GB 50427-2008 高爐煉鐵工藝設計規范》中給出了各級別高爐的熱風爐助燃空氣壓力值^［7］，如表2 所示。

根據鞍鋼7#高爐、鞍鋼10#高爐采用熱風爐自身預熱方式，鞍鋼新2#高爐和鞍鋼新3#高爐采用蓄熱式熱風爐預熱助燃空氣方式，這4座高爐熱風爐助燃風機壓力均為15kPa。

目前，熱風爐余熱回收裝置普遍使用熱管式換熱器和板式換熱器。熱管式換熱器的流體阻力損失約為500Pa，板式換熱器的流體阻力損失約為1000Pa。

此外，熱風爐蓄熱體的形式不同其流體阻損也存在差別。如某1800m³高爐配套的熱風爐組以格子磚為蓄熱體，助燃風機出口壓力設計為約12kPa，而某450m³高爐配套的熱風爐組以耐火球為蓄熱體，其助燃風機出口壓力設計為15kPa。

4  風機參數換算

按照風機樣本選擇風機時，經常會出現風機使用地的氣壓、溫度、氣體密度與風機設計條件不一致，此時需要對風量、風壓及軸功率參數進行換算，以得到風機使用地實際工況條件下的性能參數。參數換算如下:

⑴ 實際風量Q₁。

式中: Q₀^－標準狀態下所需的風量，m³ /h; P₀^－標準狀態定義的氣體壓力，1．01×10⁵ Pa; P ^－風機使用地的大氣壓力，Pa; t^－風機使用地的空氣溫度，℃。

⑵ 風機出口的實際全壓P_t1。

式中: P_t0^－風機樣本性能表給出的風機出口全風壓，Pa; ρ₁ ^－風機工業的標準氣體密度，1． 20 kg /m³ ; ρ₀^－風機樣本給出的測試條件下的大氣壓力，kg /m³。

⑶ 實際軸功率N₁。

式中: N₀^－風機樣本性能表給出的風機軸功率，kW; ρ₁^－風機使用地的空氣密度，kg /m+ ; ρ₀^－風機工業的標準氣體密度，1．20 kg /m³。

5  變頻技術在風機系統的應用

熱風爐助燃風機以工頻運行時，風機轉速不變，風機運行對外做功的能量一部分消耗在風機入口風門擋板上，或是對多余的空氣做功最后經放散閥排空，這部分多做的功增加了系統的運行成本，是熱風爐系統節能降耗的一個著力點。

風機轉速與流量成正比，壓力與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比，改變風機轉速來改變風機本身特性曲線的調節方法是最合理、最節能的調節方法。

變頻技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。由于計算的管網特性與實際管網特性之間的出入、風機選型考慮的裕量以及實際生產需求的變化等等原因造成風機實際運行效率偏低，可觀的能量消耗在入口風門及放空排放，造成能源浪費。根據某廠助燃風機應用高壓變頻器的運行經驗，助燃風機工頻運行時每小時消耗功率487．2 kW，改造后助燃風機變頻運行，其每小時消耗功率降至341． 28 kW，節能效率約30%^［8］。

熱風爐系統的2 臺助燃風機設計為一用一備，可以共用一套高壓變頻器，采用“一拖二”變頻控制。

6  風機噪聲控制

根據國家《工業企業噪聲衛生標準》的規定，工業企業的生產車間和作業場所的工作地點的噪音標準為85dB。由于助燃風機壓力高以及設備大型化，助燃風機工作噪聲超過了規定的噪聲值，需要采取相應的降噪措施將助燃風機工作噪聲控制低于85dB。

從風機產生噪聲的機理及特性看，風機噪聲主要包括: 進氣口和排氣口的空氣動力性噪聲; 電動機的電磁噪聲; 機殼、管路、電動機軸承等輻射的機械性噪聲。其中，以進、排氣口的空氣動力性噪聲最強。有源控制技術目前還未能完全應用到實際，無源控制技術目前仍然是基本的應用措施與手段，其根本途徑是對噪聲源的有效控制。在實際應用中，對聲源或近場域進行控制是解決風機噪聲問題積極主動的發展方向^［9］。

風機無源噪聲控制的實現途徑是優化風機結構，目前已經趨于成熟的方法有^［10］: ⑴增強葉柵的氣動力載荷，降低圓周速度; ⑵設計合理的蝸舌間隙和蝸舌半徑; ⑶蝸舌傾斜; ⑷葉輪出入口加紊流化裝置; ⑸葉輪上增設分流葉片; ⑹在動葉進出氣邊上設鋸齒形結構; ⑺在蝸舌處設置聲學共振器; ⑻在蝸殼內設置擋流圈。

近場域噪聲控制方法是阻礙或切斷噪聲的傳播路徑^［10］。方法有: ⑴消聲控制噪聲，如在風機進氣口設置消聲器; ⑵隔聲控制噪聲，如在噪聲控制要求嚴格的區域設計風機房，將風機噪聲控制在一定范圍內; ⑶吸聲控制噪聲，通過在墻面或頂柵上飾以吸聲材料、吸聲結構或在空間懸掛吸聲板(體) 吸收噪聲。

另外，在助燃風機出口與風管之間設計軟連接可以減弱助燃風機傳遞給風管的振動。

7  結論

確定熱風爐系統助燃風機工藝參數需遵循的原則是保證系統投資低、運行效率高、具備良好的環保效果，過程中需注意和把握以下5 點:

⑴風機全壓效率大于80%，效率越高節能潛力越大。

⑵風機實際運行效率受管道系統性能影響較大，兩者合理匹配才能發揮最佳效應。

⑶風機出口壓力需要綜合考慮管道阻力、余熱回收裝置、熱風爐形式及當地氣象條件。

⑷采用“一拖二”變頻調速技術能有效降低風機運行功耗。

⑸選擇結構優化的風機及限制噪聲傳播是風機噪聲控制的主要方向。

參 考 文 獻:

［1］ 項鐘庸，王筱留． 高爐設計-煉鐵工藝設計理論與實踐［M］．北京: 冶金工業出版社， 2007．

［2］續魁昌．風機手冊［M］．北京: 機械工業出版社，1999．

［3］張云田．通風機節能創新的思考［J］．風機技術，2010(5) : 65-67．

［4］金雅玲，張云田．通風機的選型方法與節能措施［J］．輕金屬，1993(11) : 28-32．

［5］張云田．通風機應用中不節能的若干問題［J］．風機技術，2010(1) : 54-61．

［6］ 徐常武，彭秀蔓．風機節能潛力分析及主要對策(一)［J］． 風機技術，2008( 1) : 63-69．

［7］中華人民共和國標準．GB50427-2008．高爐煉鐵工藝設計規范［S］．

［8］ 陳續強，周玉蘭．高壓變頻器在熱風爐助燃風機上的應用［J］．變頻器世界，2013(6) : 76-79．

［9］劉秋洪，祁大同．風機降噪研究的現狀與分析［J］．流體機械，2001，29(2) : 29-32．

［10］于清海，王輝．風機噪聲控制方法的研究［J］．礦山機械， 2006，34(8) : 34-36．