程亞軍

前言

現(xiàn)代高爐容量大，所需風(fēng)量大，多選用大型軸流風(fēng)機(jī)作為供風(fēng)機(jī)組。如果在風(fēng)壓一定的情況下降低風(fēng)量，或在風(fēng)量一定的情況下增大風(fēng)壓，易使風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速，發(fā)生喘振現(xiàn)象，影響風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，甚至嚴(yán)重影響高爐生產(chǎn)。正常運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)必須在防喘振線內(nèi)且遠(yuǎn)離防喘振線，當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)接近防喘振線時(shí)，常需要將風(fēng)機(jī)出口的放風(fēng)閥部分開啟，增加風(fēng)量，使工況點(diǎn)遠(yuǎn)離防離喘振線，以確保風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。尤其是實(shí)際運(yùn)行氣溫低于設(shè)計(jì)工況氣溫時(shí)（如冬季期間），這種現(xiàn)象更加明顯，此時(shí)便產(chǎn)生了很高的放散損失，所以，如果提高冬季期間進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣溫度，使溫度達(dá)到或超過設(shè)計(jì)溫度，便可以減少或避免放散，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1　冷源損失的利用方式

在汽輪機(jī)郎肯循環(huán)的定壓放熱過程中會產(chǎn)生冷源損失，這一損失一般占汽機(jī)輸入熱量的50%～60%，甚至更高。

熱電廠供熱機(jī)組常選用抽汽機(jī)組或背壓機(jī)組，汽輪機(jī)組內(nèi)做了一定量功的蒸汽部分或全部被抽出用于熱負(fù)荷，由于這部分蒸汽沒有冷源損失，或者說這部分冷源損失得到了利用，所以提高了全廠熱經(jīng)濟(jì)性。

相同道理，在氣溫低于鼓風(fēng)機(jī)組設(shè)計(jì)工況點(diǎn)溫度時(shí)，如果用汽動鼓風(fēng)機(jī)組汽輪機(jī)的排汽加熱送入到鼓風(fēng)機(jī)入口的冷風(fēng)，使鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)溫度升高，接近或超過設(shè)計(jì)工況溫度，從而使風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離了防喘線，減小了風(fēng)機(jī)的放散量，減小或避免了放散帶來的損失。同時(shí)，由于汽輪機(jī)的排汽熱量得到了利用，減小了冷源損失，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。這種系統(tǒng)暫且稱為冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)，見圖1。

常規(guī)的濕式冷卻塔風(fēng)機(jī)排出的風(fēng)含濕量很大，不適合供鼓風(fēng)機(jī)組使用，故只能將干式冷卻系統(tǒng)與鼓風(fēng)系統(tǒng)配套，將干式冷卻系統(tǒng)排出的熱風(fēng)送至鼓風(fēng)機(jī)組吸風(fēng)口使用。根據(jù)機(jī)組容量、系統(tǒng)形式、運(yùn)行方式、檢修維護(hù)情況，選擇哈蒙式間接式空冷系統(tǒng)與鼓風(fēng)機(jī)組配套比較適宜。

2　冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

圖1　冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)

某鋼廠AV80-15軸流式汽動鼓風(fēng)機(jī)組，根據(jù)高爐運(yùn)行工況需要，鼓風(fēng)機(jī)組運(yùn)行工況流量為4200～4400 m3/min，出口風(fēng)壓 370～380 kPa，當(dāng)風(fēng)機(jī)入口溫度達(dá)到20℃以上時(shí)，可確保風(fēng)機(jī)不放散運(yùn)行。根據(jù)廠家提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，本文以溫度-16.2℃、4.9℃、22.2℃為主要對比工況點(diǎn)進(jìn)行分析。

冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析如下：

(1)冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)使高爐鼓風(fēng)機(jī)組出口放風(fēng)量減少而節(jié)省的功耗。

以高爐鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣溫度-16.2℃、排氣壓力375 kPa工況點(diǎn)為例，查風(fēng)機(jī)性能曲線可知，此時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為5307 m3/min，消耗功率為18532 kW，統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)可知，風(fēng)機(jī)送給高爐的平均風(fēng)量大約為4300 m3/min，需要放風(fēng)大約1007 m3/min，多消耗功率約為3516 kW。當(dāng)風(fēng)機(jī)入口風(fēng)溫升高后，運(yùn)行工況點(diǎn)遠(yuǎn)離防喘振線，放風(fēng)量減小，此部分多消耗的功即為節(jié)省的功。

(2)鼓風(fēng)機(jī)組入口溫度升高，單位壓縮功增加，總壓縮功耗增加的量。

以高爐鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣溫度-16.2℃和22.2℃、排氣壓力375 kPa工況點(diǎn)為例進(jìn)行對比，當(dāng)進(jìn)氣溫度由-16.2℃升高到22.2℃時(shí)，單位壓縮功耗由5.82×10-2kW/m3增加到 6.46×10-2kW/m3，鼓風(fēng)機(jī)組增加功率消耗1651.2 kW。

(3)冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)功耗與采用濕冷系統(tǒng)時(shí)的風(fēng)機(jī)功耗對比。

當(dāng)風(fēng)機(jī)入口溫度、汽機(jī)排汽壓力不同時(shí)，干冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)量差別較大，入口溫度較低、汽機(jī)排汽壓力較高時(shí)，干冷系統(tǒng)的冷卻風(fēng)量與濕冷系統(tǒng)的冷卻風(fēng)量大體相當(dāng)，甚至更小，當(dāng)入口溫度較高、汽機(jī)排汽壓力較低時(shí)，干冷系統(tǒng)的風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濕冷系統(tǒng)的風(fēng)量，冷卻風(fēng)機(jī)功耗也大得多。汽動鼓風(fēng)機(jī)組現(xiàn)有濕冷系統(tǒng)所需的冷卻風(fēng)量大約為76667 m3/min，冷卻風(fēng)機(jī)消耗功率大約為225 kW。當(dāng)采用干冷系統(tǒng)時(shí)，以鼓風(fēng)機(jī)組入口溫度-16.2℃、汽機(jī)排汽壓力6 kPa工況為例（即表中第4項(xiàng)），欲使鼓風(fēng)機(jī)組入口溫度升高到22.2℃，冷卻風(fēng)溫升為38.4℃，冷卻風(fēng)量為67759 m3/min，消耗功率為199 kW，干冷系統(tǒng)比濕冷系統(tǒng)少耗功26 kW。如以鼓風(fēng)入口溫度30℃、汽機(jī)排汽壓力15 kPa為例（表中第11項(xiàng)），空冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)功耗為572.4 kW，遠(yuǎn)大于濕冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)功耗，各工況風(fēng)量、功耗對比詳見表1。

注：空冷散熱器的相關(guān)計(jì)算依據(jù)參考資料［1］計(jì)算。

（4）高爐鼓風(fēng)機(jī)入口溫度升高，送風(fēng)溫度也升高，減少了熱風(fēng)爐的燃料消耗量。

當(dāng)風(fēng)機(jī)入口溫度由-16.2℃升高到22.2℃時(shí)，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)溫分別為170℃和225℃，溫升為55℃，取空氣平均比熱容1.3311 kJ/(m3.℃)計(jì)算，鼓風(fēng)機(jī)組可節(jié)省的熱量約為18888309 kJ/h，以中溫中壓機(jī)組熱耗率計(jì)算，節(jié)省的熱量可多發(fā)電大約1642 kW。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，實(shí)際運(yùn)行中，鼓風(fēng)機(jī)組入口溫度冬季可達(dá)到-30℃左右，此時(shí)風(fēng)機(jī)出口溫度大約為140℃，夏季入口溫度最高為30℃左右，風(fēng)機(jī)出口溫度大約為240℃，風(fēng)機(jī)出口溫升可達(dá)100℃，節(jié)省的熱量會更多。

采用哪種冷卻方式經(jīng)濟(jì)性更好，可以對以上幾項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)疊加計(jì)算得到，即

節(jié)省功率=減少放風(fēng)量節(jié)省的功耗—鼓風(fēng)機(jī)組入口溫度升高增加的功耗+空冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)功耗變化值（多消耗功時(shí)取負(fù)值）+熱風(fēng)爐節(jié)省的燃料所增加的功率

表1　各工況參數(shù)對比表

通過比較看出，當(dāng)以高爐鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣溫度由-16.2℃升高到22.2℃、排氣壓力375 kPa工況計(jì)算時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)組節(jié)省的功率為3516-1651.2+26+1642=3532.8 kW，即采用干冷系統(tǒng)比采用濕冷系統(tǒng)少耗功3532.8 kW。

3　冷源損失利用效果的總結(jié)

冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)哪種形式更加經(jīng)濟(jì)合理與很多因素有關(guān)，需要進(jìn)行綜合性的比較才能得出。影響因素主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：

(1)鼓風(fēng)機(jī)組的放風(fēng)量是決定是否采用冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)重要因素。鼓風(fēng)機(jī)組的選型與高爐工況點(diǎn)不匹配，或高爐運(yùn)行工況點(diǎn)不穩(wěn)定，風(fēng)壓時(shí)高時(shí)低，將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)長期放風(fēng)運(yùn)行，降低運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)采用冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)比較合理，而且放風(fēng)量越大，采用此系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越顯著。同時(shí)，節(jié)能與否與高爐運(yùn)行工況也有密切關(guān)系。

(2)入口風(fēng)溫升高，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)壓縮功增加，增加的功耗會轉(zhuǎn)化成熱能，使風(fēng)機(jī)出口風(fēng)溫升高，減小了熱風(fēng)爐消耗的燃料量。

(3)干冷系統(tǒng)與濕冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)功耗的對比。從表一可以看出，隨著風(fēng)機(jī)入口風(fēng)溫、汽機(jī)排汽壓力的不同，冷卻風(fēng)量差異很大，當(dāng)冬季氣溫較低時(shí)，風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)量與常規(guī)濕冷系統(tǒng)大體相當(dāng)，甚至更小，風(fēng)機(jī)功耗相差不多，當(dāng)夏季氣溫較高、汽機(jī)排汽壓力較低時(shí)，風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)量很大，冷卻風(fēng)機(jī)功耗可能遠(yuǎn)超過常規(guī)濕冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)功耗，此時(shí)換熱效率大大下降，經(jīng)濟(jì)性顯著降低，甚至無實(shí)用價(jià)值。這時(shí)可以考慮采用干冷與濕冷系統(tǒng)混合形式的冷卻系統(tǒng)，使干冷系統(tǒng)的風(fēng)量與高爐鼓風(fēng)機(jī)組的進(jìn)風(fēng)量相匹配，這樣即滿足了提高鼓風(fēng)機(jī)組入口風(fēng)溫，減小放風(fēng)量的目的，又降低了冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)的功耗，避免換熱器效率低帶來的損失，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。如果冷卻塔采用非機(jī)力通風(fēng)系統(tǒng)，可以避免冷卻風(fēng)機(jī)功耗，但一次性投資很大，需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算確定。

(4)采用冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)也有其缺點(diǎn)，風(fēng)機(jī)入口風(fēng)溫（即氣溫）越高，汽機(jī)排汽壓力越低（即真空度越高），則空冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)量越大，效率越低。隨著風(fēng)機(jī)入口風(fēng)溫的升高，如汽機(jī)排汽壓力太低，使得空冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)量太大，功耗太大，散熱器效率大幅下降，已沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如表中的第8、9、11項(xiàng)。工況受氣溫變化影響較大，隨著氣溫的變化，冷卻風(fēng)量需求量變化大，冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量也要做相應(yīng)調(diào)整。冬季氣溫較低時(shí)，空冷系統(tǒng)可能發(fā)生凍害，需要有相應(yīng)的維護(hù)措施。

(5)采用干冷系統(tǒng)，氣溫變化對汽輪機(jī)排汽壓力影響較大，當(dāng)氣溫較高時(shí)（尤其是夏季），汽輪機(jī)排汽壓力升高，汽耗顯著增大， 經(jīng)濟(jì)性下降，安全性降低。因此，也增加了汽輪機(jī)的選型難度。

(6)送風(fēng)溫度不能過高，否則對風(fēng)機(jī)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，按照鼓風(fēng)機(jī)組廠家要求，送風(fēng)溫度不能超過250℃，故風(fēng)機(jī)入口溫度以不超過30℃為宜。正因?yàn)槿绱?，需要合理控制干冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)溫升，使干冷系統(tǒng)出口風(fēng)溫不超過30℃。同時(shí)，如果冷卻風(fēng)溫升太小，冷卻風(fēng)量就會增大，導(dǎo)致干冷系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)功耗增大，所以需要權(quán)衡利弊合理選擇。

從以上分析可知，采用冷源利用汽動鼓風(fēng)系統(tǒng)是可行的，需要結(jié)合高爐與鼓風(fēng)機(jī)組運(yùn)行工況、氣候條件、水源情況、投資狀態(tài)等條件進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)分析，以確定合理的工藝、裝備。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]丁爾謀 .發(fā)電廠空冷技術(shù)[M].北京：水利電力出版社,1992.