吳禮云，　梁高林，　凌　晨，　劉愛軍，　馬青松，　高劍波

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山０６３２００）

摘　要：系統(tǒng)地分析了５５００ｍ^３ 高爐入爐風(fēng)量與ＡＶ１００－１７風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量的特性關(guān)系。經(jīng)過對(duì)高爐側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)多年運(yùn)行數(shù)據(jù)的整理和篩選，綜合考慮各種特殊情況，梳理出大量可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出了高爐側(cè)風(fēng)量、風(fēng)壓、富氧量、富氧率與風(fēng)機(jī)側(cè)冷風(fēng)量、風(fēng)壓、放散量的變化關(guān)系趨勢圖。結(jié)合風(fēng)機(jī)出廠前性能曲線與實(shí)際運(yùn)行性能曲線的變化，指出了高爐富氧率的逐年提升對(duì)風(fēng)機(jī)各工況點(diǎn)漂移、放散量增大的不利影響，針對(duì)分析的結(jié)果，從提高精準(zhǔn)操作和節(jié)能改造等方面給出了系統(tǒng)解決問題的方案和方法。

關(guān)鍵詞：高爐鼓風(fēng)機(jī)；富氧率；送風(fēng)特性；運(yùn)行工況點(diǎn)；特性曲線

鼓風(fēng)機(jī)是煉鐵高爐的重要送風(fēng)設(shè)備。風(fēng)機(jī)的送風(fēng)特性除了受風(fēng)機(jī)本體氣動(dòng)性能、機(jī)械特性、調(diào)節(jié)方式的影響外，更重要的還受到用戶端煉鐵高爐入爐風(fēng)量變化特性的影響^{［１－３］}，尤其高爐富氧率的大幅提升對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的熱力性能、機(jī)械特性和冷風(fēng)送出特性影響較大^［４］。

１　煉鐵高爐入爐風(fēng)量與風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量的特性分析

首鋼京唐目前有２座５５００ｍ^３ 大型高爐，配備３臺(tái)ＡＶ１００－１７軸流式壓縮機(jī)，送風(fēng)方式為兩用一備。高爐的送氧方式為鼓風(fēng)機(jī)后加氧。高爐入爐風(fēng)量的技術(shù)參數(shù)眾多^{［５－７］}，本文僅研究與風(fēng)機(jī)有關(guān)的風(fēng)量、風(fēng)壓、富氧量和富氧率。隨著２座高爐冶煉強(qiáng)度的逐年增加，富氧率不斷提升，氧氣使用量增大，高爐富氧量從最初投運(yùn)時(shí)的１５０００提升至３５０００ｍ^３／ｈ，富氧率從２．０％提升至６．０％，高爐的送風(fēng)壓力從２０１１年開始逐年增大。煉鐵高爐風(fēng)量、風(fēng)壓、富氧量、富氧率的月度統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)見表１。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，２０１６年高爐的富氧率升至５．５０％～６．１７％，風(fēng)壓從０．４６０增大至０．５１１ＭＰａ（ｇ）。

１．１　高爐入爐風(fēng)量、風(fēng)壓、富氧率年變化趨勢分析

根據(jù)２座高爐的入爐風(fēng)量統(tǒng)計(jì)分析，得出２座高爐２０１６年的入爐風(fēng)量、風(fēng)壓、富氧率年變化趨勢，如圖１～圖３所示

從上述數(shù)據(jù)及圖表分析得出，目前煉鐵高爐入爐風(fēng)量總體維持在８２００～８４００ｍ^３／ｍｉｎ，風(fēng)壓在０．４４３～０．４８３ＭＰａ（ｇ），平均富氧率為５．３％左右。從數(shù)據(jù)和趨勢分析，剔除高爐檢修、爐況不穩(wěn)定等客觀因素影響，高爐總?cè)霠t風(fēng)量變化幅度在２．３％之內(nèi)，相對(duì)穩(wěn)定。風(fēng)壓變化幅度在８．２％左右，相對(duì)于風(fēng)量變化幅度較大。２０１６年以來，２座高爐的富氧量總體變化幅度不大，平均富氧率維持在５．３％，富氧量為３３０００ｍ^３／ｈ，折合５５０ｍ３／ｍｉｎ。入爐風(fēng)量剔除掉富氧量，實(shí)際入爐冷風(fēng)量在７５５０～７　８５０ｍ^３／ｍｉｎ。

１．２　高爐鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的變化趨勢分析

通過對(duì)全年風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量、風(fēng)壓的數(shù)據(jù)篩選和統(tǒng)計(jì)分析，２０１６ 年風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行風(fēng)量為７８３９ｍ^３／ｍｉｎ，最大風(fēng)量為８１１９ｍ^３／ｍｉｎ，最小風(fēng)量為７５６０ｍ^３／ｍｉｎ；平均運(yùn)行壓力為０．４９８ ＭＰａ（ｇ），最大風(fēng)壓為０．５０５ＭＰａ（ｇ），最小風(fēng)壓為０．４９１ＭＰａ（ｇ）。最大風(fēng)量、風(fēng)壓出現(xiàn)在夏季７、８、９三個(gè)月，說明冬夏兩季空氣中濕度的比重變化對(duì)風(fēng)機(jī)出口參數(shù)的影響很大。２０１６年風(fēng)機(jī)全年風(fēng)量、風(fēng)壓變化趨勢如圖４所示。

１．３　高爐入爐風(fēng)量與風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量的數(shù)據(jù)分析

高爐的入爐風(fēng)量全年比較穩(wěn)定，在８２００～８４００ｍ^３／ｍｉｎ，剔除富氧，實(shí)際入爐冷風(fēng)量為７５５０～７８５０ｍ^３／ｍｉｎ。風(fēng)機(jī)出口冷風(fēng)量在７５６０～８１１９ｍ^３／ｍｉｎ（含放風(fēng)閥的放散部分），該數(shù)據(jù)為全年日累計(jì)及月累計(jì)的平均值，同時(shí)剔除了高爐檢修的不利情況。以上數(shù)據(jù)比較充分地說明了風(fēng)機(jī)的送出冷風(fēng)量與高爐的入爐量是基本吻合的，大于部分為風(fēng)機(jī)的放散量。

１．４　高爐入爐風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓的對(duì)比分析

高爐側(cè)入爐平均風(fēng)壓為０．４７１ＭＰａ（ｇ），最大風(fēng)壓為０．４８３ＭＰａ（ｇ），最小風(fēng)壓為０．４５４ＭＰａ（ｇ）；風(fēng)機(jī)側(cè)出口平均風(fēng)壓為０．４９８ＭＰａ（ｇ），最大風(fēng)壓為０．５０５ＭＰａ（ｇ），最小風(fēng)壓為０．４９１ＭＰａ（ｇ）。從以上數(shù)據(jù)得出，風(fēng)機(jī)出口平均風(fēng)壓高于入爐風(fēng)壓０．０２７ＭＰａ（ｇ），最大時(shí)高于０．０３７ＭＰａ（ｇ），說明風(fēng)

機(jī)出口與入爐風(fēng)壓的壓差主要用來克服管道阻力損失約３０ｋＰａ。

１．５　風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比分析

ＡＶ１００－１７軸流式風(fēng)機(jī)出廠設(shè)計(jì)值見表２。從表中數(shù)值可以看出，風(fēng)機(jī)全年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行風(fēng)量（Ｅ 點(diǎn)）為８５００ｍ^３／ｍｉｎ，風(fēng)壓為０．６３ＭＰａ（Ａ），而目前實(shí)際風(fēng)機(jī)全年的運(yùn)行點(diǎn)為７７００ｍ^３／ｍｉｎ，運(yùn)行壓力為０．６０ＭＰａ（Ａ），經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)漂移幅度為９．４％。在冬季運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)高壓運(yùn)行參數(shù)為風(fēng)量８２００ｍ^３／ｍｉｎ，風(fēng)壓０．６２ＭＰａ（Ａ）；實(shí)際風(fēng)機(jī)冬季高壓運(yùn)行參數(shù)為風(fēng)量７９００ｍ^３／ｍｉｎ，風(fēng)壓０．６１ＭＰａ（Ａ）。夏季風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)高壓運(yùn)行參數(shù)為風(fēng)量１００００ｍ^３／ｍｉｎ，風(fēng)壓０．６５ＭＰａ（Ａ）；實(shí)際風(fēng)機(jī)夏季高壓運(yùn)行參數(shù)為風(fēng)量８３００ｍ^３／ｍｉｎ，風(fēng)壓０．６２ＭＰａ（Ａ）。通過以上對(duì)比，風(fēng)機(jī)實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)工況無

論在夏季、冬季還是在全年，平均經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)均偏離較大，偏離度約１０％左右。

２　近年來鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況狀態(tài)分析

軸流式壓縮機(jī)的性能曲線示意圖如圖５所示。該圖系統(tǒng)地示意了風(fēng)機(jī)夏季、冬季以及全年的運(yùn)行工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)范圍。首鋼京唐３臺(tái)ＡＶ１００－１７軸流式鼓風(fēng)機(jī)自２００８年投產(chǎn)運(yùn)行已滿８年，風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行穩(wěn)定，防喘系統(tǒng)安全可靠，但隨著煉鐵高爐冶煉強(qiáng)度及富氧率的逐年增大，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況已偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)（Ｅ 點(diǎn)），尤其進(jìn)入冬季運(yùn)行，工況點(diǎn)（Ｄ１點(diǎn)）已進(jìn)入窄流量、小角度的運(yùn)行范圍［８－９］，接近防喘曲線運(yùn)行，造成兩套液壓放風(fēng)門運(yùn)行時(shí)無法完全關(guān)閉，冬季運(yùn)行時(shí)放風(fēng)閥小時(shí)平均開度在５％～８％，風(fēng)量波動(dòng)運(yùn)行時(shí)開度達(dá)８％～１２％左右。

３　高爐富氧率的變化對(duì)風(fēng)機(jī)送風(fēng)特性的綜合分析

　　２０１６年，風(fēng)機(jī)在夏季、冬季和年平均經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的實(shí)際工況點(diǎn)具體偏離情況如圖６中的Ａ′、Ｄ′和Ｅ′點(diǎn)。從實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)偏移情況分析，一方面，風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)距離喘振線較近，安全裕度不足，造成放風(fēng)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)效率下降。另一方面，隨著高爐富氧率的逐年提升，氧氣使用量增大，富氧量從最初的１５０００提升至３３０００～３５０００ｍ^３／ｈ，高爐的冶煉強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，送風(fēng)壓力從２０１１年開始逐年增大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到２０１６年高爐的富氧率升至５．５％～６．０％，風(fēng)機(jī)在高壓運(yùn)行區(qū)時(shí)，風(fēng)壓從２０１１年０．５６０增大至０．６１１ＭＰａ（Ａ），但高爐的實(shí)際入爐風(fēng)量并未增多，風(fēng)量基本保持在平均８　２００～８　４００ｍ^３／ｍｉｎ，隨著富氧量的不斷增加，相應(yīng)的冷風(fēng)量逐年減小。２０１６年，平均冷風(fēng)量減至７５５０～７８５０ｍ^３／ｍｉｎ，隨著冷風(fēng)量的減小，高爐送風(fēng)壓力的提升，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)行工況點(diǎn)從右向左移動(dòng)，效率從高效區(qū)向外移動(dòng)，運(yùn)行線整體向左移動(dòng)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的靜葉角度從最初的３８°～５０°運(yùn)行范圍移動(dòng)至３５°～４５°。尤其到２０１６年１２月２日，

高爐富氧率升至６．０％ 時(shí)，冷風(fēng)量最小減至７１００ｍ^３／ｍｉｎ運(yùn)行，風(fēng)壓在０．５９８ＭＰａ（Ａ）左右，風(fēng)機(jī)進(jìn)入３５°～４０°的小角度運(yùn)行范圍，風(fēng)機(jī)已沿著防喘線邊線運(yùn)行，喘振閥開度平均在５％～７％，最大時(shí)開至８％～１２％，造成冷風(fēng)放散增大，平均放散在

３００～５００ｍ^３／ｍｉｎ。

４　解決問題的措施與方法

綜上所述，京唐ＡＶ１００－１７軸流式壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)機(jī)整體送風(fēng)能力偏大，隨著富氧量的逐年遞增，入爐風(fēng)量富氧比例不斷增大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)送出的冷風(fēng)量減小，風(fēng)機(jī)全年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)值。解決上述問題的措施及方法主要有以下幾個(gè)方面。

（１）回收利用放散冷風(fēng)，避開風(fēng)機(jī)在小角度的運(yùn)行調(diào)節(jié)范圍。通過對(duì)煉鐵水沖渣系統(tǒng)和煉鋼連鑄霧化水系統(tǒng)所用壓縮空氣的品質(zhì)、壓力與風(fēng)機(jī)送出冷風(fēng)進(jìn)行比較，富余的冷風(fēng)可在以上系統(tǒng)回收利用。具體方法是在去煉鐵高爐的冷風(fēng)管道上外接旁路管道，將冷風(fēng)引至煉鐵沖渣水系統(tǒng)用于沖渣。冷風(fēng)量大小由高爐側(cè)主控室進(jìn)行操控調(diào)節(jié)，可減少對(duì)風(fēng)機(jī)側(cè)操作的影響。目前，京唐已實(shí)施了管道改造，正在摸索運(yùn)行操控方法，同時(shí)考慮將富余的冷風(fēng)用于煉鋼連鑄霧化壓縮空氣系統(tǒng)的補(bǔ)充氣體。

（２）增設(shè)旁路電動(dòng)放風(fēng)閥。利用小口徑旁路閥減少放散量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控，摸索液壓防喘閥與電動(dòng)放風(fēng)閥的調(diào)配技術(shù)，以適應(yīng)外部送風(fēng)特性的變化要求。在冬季，由于風(fēng)機(jī)處在小角度窄流量的調(diào)節(jié)范圍，通過靜葉角度的調(diào)整已無法滿足風(fēng)機(jī)的送風(fēng)要求，風(fēng)機(jī)操作工往往利用防喘閥的開啟大小進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。因防喘閥與風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)保護(hù)如防喘振曲線、逆流保護(hù)、防阻塞線等連鎖，操作時(shí)易造成放散量偏大。采用旁路電動(dòng)放風(fēng)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)以適應(yīng)高爐側(cè)送風(fēng)量的變化要求。

（３）采用高爐鼓風(fēng)機(jī)前富氧和機(jī)后富氧組合技術(shù)提高富氧率。風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)偏移，送風(fēng)量減少，主要由于機(jī)后富氧量及富氧率偏大造成風(fēng)機(jī)放散。在滿足高爐富氧率提升的前提下，盡量減少機(jī)后富氧的增加量，利用機(jī)前加富氧和機(jī)后加富氧的組合方法，可以提高風(fēng)機(jī)出口送風(fēng)特性的穩(wěn)定性。機(jī)前富氧可在風(fēng)機(jī)入口側(cè)增加變壓吸附制氧裝置。氧氣與空氣在風(fēng)機(jī)入口混合后被吸入增壓，混有一定比例富氧的冷風(fēng)與機(jī)后富氧共同完成高爐的送氧要求。由于機(jī)后富氧量的減少，大大緩解了氧氣對(duì)風(fēng)機(jī)出口送風(fēng)量及壓力的影響。

（４）對(duì)風(fēng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化性的節(jié)能改造。采取優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)其靜葉承鋼、調(diào)節(jié)缸、動(dòng)靜葉片等進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化改造。通過改變風(fēng)機(jī)的有效流道幾何尺寸^{［８－９］}，將風(fēng)機(jī)年平均工況流量由原設(shè)計(jì)的８５００減小到７５００ｍ^３／ｍｉｎ，冬季運(yùn)行時(shí)靜葉角最小開度由原３５°調(diào)整到４８°，提高壓力裕度，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)放風(fēng)閥全關(guān)，徹底解決風(fēng)機(jī)目前低效率^{［１０－１２］}、小角度、窄流量調(diào)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)。由于系統(tǒng)改造成本高、技術(shù)復(fù)雜，往往改造前需對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)本體、轉(zhuǎn)子動(dòng)力及強(qiáng)度各個(gè)方面進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。所以改造前需準(zhǔn)確地提供風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和高爐所需的入爐風(fēng)量參數(shù)的科學(xué)匹配性，并作出經(jīng)濟(jì)性分析，方可執(zhí)行改造方案。

（５）綜合提高操控與管理人員對(duì)風(fēng)機(jī)送風(fēng)特性受富氧率變化的認(rèn)識(shí)，掌握風(fēng)機(jī)出口送風(fēng)特性與外部管網(wǎng)送風(fēng)特性的匹配關(guān)系^［１３］，合理調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行角度并通過精準(zhǔn)操控調(diào)節(jié)工況點(diǎn)以適應(yīng)外部送風(fēng)特性的要求，減少風(fēng)機(jī)的放散量。

５　結(jié)論

（１）通過對(duì)高爐側(cè)與風(fēng)機(jī)側(cè)大量送風(fēng)數(shù)據(jù)的綜合分析，得出了風(fēng)機(jī)側(cè)送風(fēng)量與高爐側(cè)入爐風(fēng)量的特性關(guān)系，指出了富氧量及富氧率的提升對(duì)風(fēng)機(jī)側(cè)冷風(fēng)量的不利影響。

（２）以風(fēng)機(jī)初設(shè)時(shí)的運(yùn)行工況點(diǎn)、性能曲線為基礎(chǔ)，與風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，分析得出了風(fēng)機(jī)在不同季節(jié)和年平均經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)工況點(diǎn)出現(xiàn)飄移、冷風(fēng)放散率增大、運(yùn)行效率下降以及能耗增加的本質(zhì)原因，為進(jìn)一步解決問題作出了全面的剖析和準(zhǔn)確的關(guān)系梳理。

（３）系統(tǒng)地提出了解決問題的方案和具體措施，為今后風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、節(jié)能改造、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提供了可靠的理論與實(shí)踐的技術(shù)支持。

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