李蘊(yùn)華

（河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼公司設(shè)備能源部，河北張家口 075100）

1 概述

高爐是鐵水生產(chǎn)流程中核心設(shè)備，高爐鼓風(fēng)機(jī)長(zhǎng)周期高效運(yùn)行是決定高爐穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)關(guān)鍵因素之一。軸流式鼓風(fēng)機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定，工況調(diào)節(jié)范圍廣，運(yùn)行中無(wú)放散損失等特點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)各冶金行業(yè)被廣泛應(yīng)用，鼓風(fēng)機(jī)組防喘振優(yōu)化控制將成為配套機(jī)組高效運(yùn)行的重要保障。

宣鋼4#AV71－15 型鼓風(fēng)機(jī)為陜鼓動(dòng)力股份公司生產(chǎn)的全靜葉可調(diào)式軸流鼓風(fēng)機(jī)，配套杭州汽輪機(jī)公司出廠的冷凝式NK50/71型工業(yè)汽輪機(jī)。2016年12月，宣鋼4#1800 m3高爐停產(chǎn)后，4#鼓風(fēng)機(jī)成為3#2000 m3高爐備用機(jī)組。為充分發(fā)揮設(shè)備優(yōu)勢(shì)，2019年初，提出了對(duì)4#鼓風(fēng)機(jī)出口葉片進(jìn)行加級(jí)技術(shù)改造，在鼓風(fēng)機(jī)出口輪轂上增加第16 級(jí)動(dòng)葉片，風(fēng)機(jī)出口壓力由395 kPa 增加至430 kPa。風(fēng)機(jī)本體設(shè)備改造完成后，參照進(jìn)氣狀態(tài)（夏季、冬季、年平均）下的預(yù)計(jì)性能曲線，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了防喘振性能試驗(yàn)，并應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行修訂，提高了整體設(shè)備的防喘振控制水平，為高爐安全生產(chǎn)提供了動(dòng)力保障。

1.1 改造前機(jī)組性能參數(shù)

改造前風(fēng)機(jī)夏季A 點(diǎn)、冬季D 點(diǎn)、年平均E 點(diǎn)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 改造前機(jī)組性能參數(shù)

1.2 改造后機(jī)組性能參數(shù)

改造后風(fēng)機(jī)夏季A 點(diǎn)、冬季D 點(diǎn)、年平均E 點(diǎn)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 改造后機(jī)組性能參數(shù)

從表1、表2 可以看出，改造后風(fēng)機(jī)入口流量變化不大，排氣壓力估算增加60 kPa 。

2 防喘振控制思路

4#AV71-15 型鼓風(fēng)機(jī)為1800 m3高爐供風(fēng)，原供風(fēng)流量為:3350～3600 m3/min，送風(fēng)壓力：375～395 kPa，由于設(shè)計(jì)工況與實(shí)際運(yùn)行工況存在偏差，夏季風(fēng)機(jī)運(yùn)行中存在放風(fēng)現(xiàn)象，防喘閥開(kāi)度保持在5%～15%運(yùn)行，放風(fēng)量約為：150～350 m3/min，改造后，進(jìn)一步拓寬了風(fēng)機(jī)工況范圍。根據(jù)高爐冶煉加減風(fēng)壓要求，鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)靜葉角度、防喘振閥開(kāi)度等調(diào)節(jié)手段，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口狀態(tài)參數(shù)，使其達(dá)到一定的供風(fēng)流量和送風(fēng)壓力，在這些組合中，有些是安全高效的，有些是危險(xiǎn)耗能的，防喘控制的思路是找到風(fēng)機(jī)高效安全區(qū)域，使機(jī)組在任何大氣條件下，始終處于低能耗、高壓比的經(jīng)濟(jì)區(qū)間運(yùn)行，為高爐提供動(dòng)力保障。

2.1 風(fēng)機(jī)特性曲線原理

風(fēng)機(jī)特性曲線用來(lái)表示風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)，如風(fēng)量L、風(fēng)壓H、功率N及效率η之間關(guān)系的曲線。風(fēng)機(jī)特性曲線是機(jī)組防喘振控制的理論基礎(chǔ)，在三個(gè)狀態(tài)參數(shù)（流量、壓力、溫度）及一定轉(zhuǎn)速下，根據(jù)動(dòng)能相似原理用流量、風(fēng)壓、功率、效率等參數(shù)來(lái)描述風(fēng)機(jī)特性曲線，并以此加以控制。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，利用風(fēng)機(jī)特性曲線找到風(fēng)機(jī)有效使用區(qū)域，不論運(yùn)行工況點(diǎn)如何調(diào)節(jié)，使其工況點(diǎn)始終處于有效使用區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，保證機(jī)組的運(yùn)行安全。

2.2 風(fēng)機(jī)有效使用區(qū)域

在實(shí)際工作中，風(fēng)機(jī)在有效使用區(qū)域內(nèi)運(yùn)行再加上各種安全保護(hù)措施，如防喘振放風(fēng)線撞線調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)離防阻塞線運(yùn)行，風(fēng)機(jī)最高風(fēng)壓限定及避免啟機(jī)過(guò)程中進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速區(qū)等限定條件，在風(fēng)機(jī)防喘振控制模型中，對(duì)以上條件進(jìn)行合理的限定，并采用科學(xué)合理的補(bǔ)償算法，進(jìn)一步完善防喘振調(diào)節(jié)功能，可有效避免風(fēng)機(jī)在有效區(qū)域外運(yùn)行，造成旋轉(zhuǎn)失速喘振、逆流等危險(xiǎn)工況。

風(fēng)機(jī)有效使用區(qū)域，見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)有效使用區(qū)示意圖

從此可以看出，在一定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機(jī)的效率隨風(fēng)量的改變而變化，但其中必有一個(gè)是運(yùn)行高效點(diǎn)，相對(duì)應(yīng)最高效率下的風(fēng)量、風(fēng)壓和軸功率稱為風(fēng)機(jī)的最佳工況，此范圍稱為風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)使用范圍。在運(yùn)行中力求，年平均，夏季最高、夏季最低，冬季最高、冬季最低5 個(gè)工況區(qū)都處于經(jīng)濟(jì)使用范圍，超越該區(qū)域運(yùn)行，機(jī)組將做出最快速最精準(zhǔn)的判斷進(jìn)行工況調(diào)節(jié)，將工況點(diǎn)迅速拉回至安全區(qū)域運(yùn)行。

3 喘振性能試驗(yàn)方法

喘振性能試驗(yàn)參照J(rèn)B/T3165《離心和軸流式鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)熱力性能試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檩S流壓縮機(jī)進(jìn)出口均連接管路，所以采用標(biāo)準(zhǔn)中的進(jìn)出氣試驗(yàn)方法，介質(zhì)為空氣。

3.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前對(duì)風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)儀表參數(shù)、微機(jī)顯示各數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行校準(zhǔn)；對(duì)機(jī)組重要保護(hù)按鈕“安全運(yùn)行”進(jìn)行試動(dòng)，保證控制有效；機(jī)組各聯(lián)鎖保護(hù)功能投入；防喘振閥門(mén)保護(hù)動(dòng)作、防喘閥氣源壓力指示正常等重要環(huán)節(jié)進(jìn)行再次確認(rèn)，確保機(jī)組在試驗(yàn)過(guò)程中各保護(hù)功能控制有效，萬(wàn)無(wú)一失。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

機(jī)組準(zhǔn)備就緒后，緩慢關(guān)閉防喘閥，記錄初始狀態(tài)22°靜葉角度下的各項(xiàng)參數(shù),依次加載靜葉角度，使排氣壓力逐漸升高，記錄靜葉角度為30°時(shí)各參數(shù)的變化，密切注視排氣壓力、風(fēng)量、喉部壓差、主蒸汽流量等重要參數(shù)的變化，當(dāng)出現(xiàn)喘振時(shí)，需要試驗(yàn)人員準(zhǔn)確迅速做出判斷，按下“安全運(yùn)行”按鈕，機(jī)組進(jìn)入“安全運(yùn)行”狀態(tài)。本次選擇靜葉角度為22°、30°、40°、50°、60°、70°進(jìn)行試驗(yàn)，從小到大依次進(jìn)行試驗(yàn)，記錄發(fā)生實(shí)際喘振時(shí)各運(yùn)行參數(shù)。因?yàn)榇顸c(diǎn)為瞬間值，瞬間變化非?？?，所以要在防喘振趨勢(shì)畫(huà)面回放時(shí)，把光標(biāo)移到排氣壓力瞬間減小的曲線拐點(diǎn)，此拐點(diǎn)可認(rèn)為是喘振點(diǎn)，記錄拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的喉部壓差、排氣壓力、進(jìn)氣溫度，作為繪制喘振曲線的重要參數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

在不同的靜葉角度下，對(duì)高爐鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，靜葉30°、40°兩個(gè)角度下實(shí)際發(fā)生了喘振現(xiàn)象，22°、50°、60°、70°四個(gè)角度均測(cè)試了參數(shù)，未發(fā)生喘振現(xiàn)象，兩個(gè)實(shí)喘狀態(tài)下的排氣參數(shù)已滿足高爐供風(fēng)要求，并停止試驗(yàn)。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際喘振實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總為表3，將表3中列出排氣壓力數(shù)值乘以93%，得到表4中參數(shù)，參照表4、表5 數(shù)據(jù)將防喘振曲線重新進(jìn)行標(biāo)定，建立了科學(xué)合理的風(fēng)機(jī)性能溫度補(bǔ)償曲線模型，使風(fēng)機(jī)性能曲線隨季節(jié)溫度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以保證風(fēng)機(jī)隨時(shí)可以找到真正的運(yùn)行極限，并把升級(jí)后的防喘控制程序加載到PLC 中，提高風(fēng)機(jī)在靜葉角度40°～50°運(yùn)行區(qū)域時(shí)防喘振數(shù)值，進(jìn)一步擴(kuò)大了風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況范圍。

表3 4#鼓風(fēng)機(jī)喘振試驗(yàn)參數(shù)

表4 設(shè)定防喘振曲線參數(shù)

表5 試驗(yàn)阻塞曲線參數(shù)

4 防喘振性能控制

為了使風(fēng)機(jī)穩(wěn)定在安全區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，我們首先將運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行了劃分，依次為旋轉(zhuǎn)失速區(qū)、初級(jí)、末級(jí)葉片阻塞區(qū)、有效運(yùn)行區(qū)、防喘振區(qū)等，為避免發(fā)生阻塞、旋轉(zhuǎn)失速、喘振、逆流等危險(xiǎn)工況，盡量要求風(fēng)機(jī)在有效運(yùn)行區(qū)域工作。防喘振調(diào)節(jié)就是當(dāng)風(fēng)機(jī)接近或達(dá)到防喘振區(qū)域時(shí)，防喘閥依次打開(kāi)，迅速將工況點(diǎn)拉回至安全區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。在實(shí)際測(cè)試中，實(shí)際發(fā)生的喘振點(diǎn)連接線為實(shí)喘線，實(shí)測(cè)線在微機(jī)控制畫(huà)面中不顯示，我們將實(shí)測(cè)線其向右下方平移7%的量，繪制出一條喘振線。當(dāng)工況點(diǎn)接近喘振線時(shí)，防喘閥快速做出響應(yīng)，通過(guò)放風(fēng)調(diào)節(jié)，使工況點(diǎn)迅速達(dá)到喘振線之下；如超越喘振線，則兩個(gè)防喘閥同時(shí)全部打開(kāi)，進(jìn)行快速放風(fēng)，以保證機(jī)組運(yùn)行安全。

不同靜葉角度下對(duì)應(yīng)的喘振臨界點(diǎn)與氣體流量有很大關(guān)系，而不同溫度下，氣體的流量差別很大，因此在防喘振控制程序中，我們將防喘振線做成動(dòng)態(tài)調(diào)整線。選擇以大氣溫度20℃為分界點(diǎn)，在溫度高于20 ℃時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入夏季防喘振控制，低于20 ℃時(shí)，自動(dòng)采用冬季防喘控制模式，見(jiàn)圖2。

圖2 冬、夏季防喘振控制對(duì)比圖

從圖2中可以看出冬季風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況高于夏季工況，在工況點(diǎn)距調(diào)節(jié)線15～25 kPa進(jìn)行動(dòng)作，在做出快速響應(yīng)的同時(shí)，使工況點(diǎn)快速趨于穩(wěn)定，有效避免了風(fēng)壓、風(fēng)量同時(shí)調(diào)節(jié)造成的波動(dòng)，提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

5 運(yùn)行效果

2019 年12 月26 日，4#AV71-15 型汽輪鼓風(fēng)機(jī)組改造完成后進(jìn)行了機(jī)組聯(lián)動(dòng)72 h熱試，并利用3#高爐系統(tǒng)休風(fēng)機(jī)會(huì)投入系統(tǒng)運(yùn)行。改造前后運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表6。目前鼓風(fēng)機(jī)主體及附屬設(shè)備運(yùn)行狀況良好，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4650±5 r/min，風(fēng)機(jī)出口壓力保持在395～450 kPa，風(fēng)壓較改造前提高55 kPa，最大靜葉角度64.5°較改造前提高了3.5°，全天日供風(fēng)量為520 萬(wàn)～565 萬(wàn)m3，夏季防喘閥開(kāi)度由15%降到0%，機(jī)組防喘振控制運(yùn)行穩(wěn)定，供風(fēng)汽耗較改造前降低0.16t/萬(wàn)m3，按年供風(fēng)量14505 萬(wàn)m3計(jì)算，年平均節(jié)約蒸汽費(fèi)用34.82萬(wàn)元。

表6 改造前后運(yùn)行參數(shù)比較

6 結(jié)束語(yǔ)

AV71－15型汽輪鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組加級(jí)改造完成后，運(yùn)行中無(wú)放散損失，機(jī)組各軸瓦溫度、振動(dòng)等運(yùn)行參數(shù)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)出口壓力顯著提高，防喘控制系統(tǒng)更為完善，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)性高，值得在冶金行業(yè)高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)推廣應(yīng)用。