王俊怡 艾春洪 段斌修

（武漢鋼鐵有限公司）

0 引言

隨著國家加強(qiáng)對(duì)燒結(jié)煙氣的排放控制（燒結(jié)煙氣中含有大量SO2，易對(duì)大氣產(chǎn)生污染），無論是在用燒結(jié)機(jī)還是新建燒結(jié)機(jī)，都需要新增脫硫設(shè)施，以滿足綠色鋼鐵生產(chǎn)的需求。為了克服燒結(jié)煙氣所受新增阻力，需在脫硫設(shè)施前新增一臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)[1]。

根據(jù)生產(chǎn)操作需求，增壓風(fēng)機(jī)必須緊盯燒結(jié)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以匹配燒結(jié)生產(chǎn)狀況的變化，尤其是在工況異常的情況下，為了實(shí)現(xiàn)快速協(xié)同調(diào)節(jié)，需要對(duì)風(fēng)門和轉(zhuǎn)速進(jìn)行反復(fù)多次、快速的調(diào)節(jié)，由此給轉(zhuǎn)子和軸瓦帶來了巨大的沖擊載荷，嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行壽命。

某鋼鐵公司煉鐵廠4#燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫的增壓風(fēng)機(jī)從2015年投產(chǎn)運(yùn)行至今，已多次發(fā)生較大及以上設(shè)備事故。2017年5月，發(fā)生了一起轉(zhuǎn)子振幅超標(biāo)，軸承燒損的設(shè)備事故，造成了燒結(jié)機(jī)臨時(shí)停機(jī)檢修28小時(shí)；2018年3月，發(fā)生了一起焊縫開裂，葉片脫落的設(shè)備事故，造成了燒結(jié)機(jī)被迫停機(jī)搶修36小時(shí)，這些設(shè)備事故嚴(yán)重影響了燒結(jié)機(jī)的正常生產(chǎn)和節(jié)能降耗工作。如何進(jìn)行實(shí)踐探索，減少設(shè)備事故的發(fā)生，有效延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行壽命，就變得日益迫切和重要了。

1 故障原因分析

1.1 增壓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

增壓風(fēng)機(jī)在4#燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)中的布置如圖1所示。燒結(jié)煙氣的走向：燒結(jié)煙氣由大煙道，經(jīng)過主抽風(fēng)機(jī)加壓后，進(jìn)入到煙道氣室，再經(jīng)過增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)一步加壓，進(jìn)入脫硫設(shè)施進(jìn)行處理變?yōu)閮艋療煔夂螅湃氪髿猓ɡ鲜綗Y(jié)機(jī)系統(tǒng)直接經(jīng)煙囪排入大氣）。

圖1 脫硫增壓風(fēng)機(jī)布置

增壓風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子由2個(gè)向心軸承支撐和1個(gè)推力軸承定位，通過聯(lián)接軸由高壓電機(jī)(變頻調(diào)速)驅(qū)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子的入口端，有一個(gè)可調(diào)風(fēng)門，負(fù)責(zé)對(duì)風(fēng)壓和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體性能參數(shù)見表1。

圖2 增壓風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 增壓風(fēng)機(jī)的性能明細(xì)

1.2 故障原因分析

機(jī)械振動(dòng)理論[2]告訴我們：任何一個(gè)機(jī)械設(shè)備都有若干個(gè)共振區(qū)，為了避免共振造成破壞，設(shè)備不能在任意頻域內(nèi)運(yùn)行或調(diào)節(jié)。采用錘擊法，對(duì)轉(zhuǎn)子使用專用力錘進(jìn)行敲擊，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可得風(fēng)機(jī)幅頻特性，如圖3所示。

圖3 增壓風(fēng)機(jī)的頻率特性

從圖3可以看出，該風(fēng)機(jī)共有3個(gè)共振區(qū)域，分 別 為：6.4～11.9 Hz、21.5～29.2 Hz和38.7～45.4 Hz。增壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子3階固有頻率見表2。

表2 增壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子3階固有頻率

由于生產(chǎn)操作的需要，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常要對(duì)風(fēng)量和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。該風(fēng)機(jī)可通過變頻調(diào)節(jié)和風(fēng)門調(diào)節(jié)兩種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，生產(chǎn)操作人員主要通過變頻調(diào)節(jié)來滿足生產(chǎn)的需求，即將風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定在42 Hz左右運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)的需求；或在10～50 Hz區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)，以滿足生產(chǎn)工況變化的需求。

由此可見，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障的主要原因是：該風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在第三階共振區(qū)域（38.7～45.4 Hz）內(nèi)運(yùn)行，或在第一階（6.4～11.9 Hz）、第二階（21.5～29.2 Hz）和第三階共振區(qū)域內(nèi)頻繁調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對(duì)轉(zhuǎn)子和軸瓦造成超負(fù)荷沖擊，嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行壽命，致使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行周期明顯達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 延長(zhǎng)增壓風(fēng)機(jī)使用壽命的措施

2.1 改進(jìn)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)模式

2.1.1 改變風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的優(yōu)先級(jí)

原有調(diào)節(jié)模式下，頻率調(diào)節(jié)在先，風(fēng)門調(diào)節(jié)在后，該模式實(shí)現(xiàn)的前提條件是增壓風(fēng)機(jī)在任意頻率范圍內(nèi)均任意可調(diào)，但是該風(fēng)機(jī)的3個(gè)共振區(qū)制約了該風(fēng)機(jī)只可在受限的頻域內(nèi)調(diào)節(jié)，不能很好的滿足生產(chǎn)調(diào)節(jié)的需要。

改進(jìn)調(diào)節(jié)模式后，風(fēng)門調(diào)節(jié)在先，頻率調(diào)節(jié)在后，該模式下風(fēng)門開度從0～100%（0～90o均任意可調(diào)，可完全滿足生產(chǎn)操作的需求，幾乎不用進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，只有在突變或異常狀態(tài)下，方才啟動(dòng)變頻調(diào)節(jié)手段，這樣可以大大減少風(fēng)機(jī)在共振區(qū)域運(yùn)行或調(diào)節(jié)的概率。

2.1.2 完善風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)模式

經(jīng)過分析，該增壓風(fēng)機(jī)最優(yōu)調(diào)節(jié)模式應(yīng)優(yōu)化為：生產(chǎn)調(diào)節(jié)→風(fēng)門調(diào)節(jié)→頻率調(diào)節(jié)。

優(yōu)化調(diào)節(jié)模式的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠在充分滿足生產(chǎn)需求的前提下，避免風(fēng)機(jī)在共振區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行或調(diào)節(jié)。從而對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行有效保護(hù)，充分延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行壽命。因此，對(duì)增壓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)應(yīng)以滿足生產(chǎn)調(diào)節(jié)的需要為目標(biāo)，實(shí)行“風(fēng)門調(diào)節(jié)在先、頻率調(diào)節(jié)在后”的調(diào)節(jié)模式。

2.2 優(yōu)化風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)（運(yùn)行）策略

2.2.1 非共振區(qū)域內(nèi)調(diào)節(jié)（運(yùn)行）

該風(fēng)機(jī)在全頻范圍內(nèi)（050 Hz）頻域特性見表3。由于存在三階共振區(qū)，故分為7個(gè)間隔區(qū)域，共產(chǎn)生4個(gè)非共振區(qū)域和3個(gè)共振區(qū)域。除去Ⅰ區(qū)屬于低頻范圍，無任何操作意義外，Ⅱ區(qū)（6.4～11.9 Hz）、Ⅳ區(qū)（21.5～29.2 Hz）和Ⅵ區(qū)（38.7～45.4 Hz）3個(gè)共振區(qū)域均屬于不可調(diào)節(jié)或運(yùn)行的區(qū)域，而Ⅲ區(qū)（11.9～21.5 Hz）、Ⅴ區(qū)（29.2～38.7 Hz）和Ⅶ區(qū)（45.4～50 Hz）3個(gè)非共振區(qū)均屬于可調(diào)節(jié)或運(yùn)行的區(qū)域。只在受限頻域內(nèi)調(diào)節(jié)或運(yùn)行，杜絕共振區(qū)域內(nèi)調(diào)節(jié)或運(yùn)行，可避免共振對(duì)風(fēng)機(jī)造成的巨大損害，有效延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行壽命。

表3 增壓風(fēng)機(jī)0～50 Hz頻域特性

2.2.2 均衡化調(diào)節(jié)

必需調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)該執(zhí)行“均步長(zhǎng)”的均衡調(diào)節(jié)方式，不變步長(zhǎng)地調(diào)節(jié)，避免因變幅過大造成沖擊載荷變動(dòng)過大的現(xiàn)象發(fā)生，見表4。

具體操作：（1）對(duì)于風(fēng)門的調(diào)節(jié)。關(guān)閉時(shí)，每次調(diào)節(jié)的流程為關(guān)閉10%→暫停20 s，保持流程不變，重復(fù)多次操作，直至達(dá)到風(fēng)門所需關(guān)度的目標(biāo)值；打開時(shí)，每次調(diào)節(jié)的流程為打開5%→暫停40 s，保持流程不變，重復(fù)多次操作，直至達(dá)到風(fēng)門所需開度的目標(biāo)值。（2）對(duì)于頻率的調(diào)節(jié)。降低時(shí)，每次調(diào)節(jié)的流程為降低5 Hz→暫停20s，保持流程不變，重復(fù)多次操作，直至達(dá)到頻率所需降幅的目標(biāo)值；提升時(shí)，每次調(diào)節(jié)的流程為提高3 Hz→暫停40 s，保持流程不變，重復(fù)多次操作，直至達(dá)到頻率所需升幅的目標(biāo)值。

表4 風(fēng)門調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)參數(shù)明細(xì)表

2.2.3 差異化調(diào)節(jié)

執(zhí)行加、卸載雙向差異化調(diào)節(jié)策略，即加載時(shí)采取“小幅慢走”的策略，而卸載時(shí)則采取“大幅快跑”的策略，由此可顯著減少因憋壓而發(fā)生堵轉(zhuǎn)或喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

具體分析：（1）對(duì)于風(fēng)門調(diào)節(jié)執(zhí)行“快關(guān)慢開”的調(diào)節(jié)。由表4中的數(shù)據(jù)計(jì)算可得（10%÷20）∕（5%÷40）=4，即風(fēng)門關(guān)閉速率（卸載）是打開速率（加載）的4倍；（2）對(duì)于頻率調(diào)節(jié)執(zhí)行“快降慢升”的調(diào)節(jié)。由表4中的數(shù)據(jù)計(jì)算可得（5÷20）（3÷40）=3.3，即頻率降低速率（卸載）是提高速率（加載）的3.3倍。

2.2.4 穩(wěn)定操作

現(xiàn)代化大型燒結(jié)機(jī)不僅僅是一個(gè)單一的設(shè)備，而是一個(gè)燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)+脫硫系統(tǒng)串行的復(fù)雜系統(tǒng)，二者相互關(guān)聯(lián)，相互干涉，如果協(xié)同調(diào)節(jié)不及時(shí)，或反應(yīng)速度過慢，均可能對(duì)增壓風(fēng)機(jī)造成沖擊，故生產(chǎn)操作應(yīng)“穩(wěn)”字當(dāng)頭，盡量減少因生產(chǎn)操作的波動(dòng)引起風(fēng)機(jī)被動(dòng)調(diào)節(jié)的頻次。

2.3 進(jìn)一步延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命的建議

（1）將增壓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)職能歸并到燒結(jié)主控室，實(shí)現(xiàn)“主從有別”的指令式操作模式，即燒結(jié)操作指導(dǎo)脫硫操作。在4＃燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)的布局中，燒結(jié)主控室與脫硫主控室在空間布局上是分布式的，不便于信息快速互通，不利于快速匹配調(diào)節(jié)，若從地理位置上將二者整合起來，實(shí)現(xiàn)“兩操合一”，則更有利于達(dá)到信息快捷流通，調(diào)節(jié)快速匹配的目的。

（2）新增計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制程序，探索增壓風(fēng)機(jī)和燒結(jié)生產(chǎn)的聯(lián)控聯(lián)調(diào)模型，強(qiáng)化增壓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)、高效，確保風(fēng)機(jī)長(zhǎng)壽運(yùn)行。

3 結(jié)論

4＃燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫的增壓風(fēng)機(jī)主要通過頻率調(diào)節(jié)來匹配燒結(jié)生產(chǎn)工況的調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在共振區(qū)域運(yùn)行或調(diào)節(jié)，受到超負(fù)荷沖擊，風(fēng)機(jī)的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)模式，以風(fēng)門調(diào)節(jié)在先，頻率調(diào)節(jié)在后；優(yōu)化調(diào)節(jié)策略，減少頻率調(diào)節(jié)頻次，避開共振區(qū)，采取均衡化調(diào)節(jié)與差異化調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，可有效降低沖擊載荷，確保增壓風(fēng)機(jī)長(zhǎng)壽運(yùn)行。自從2018年3月分析出故障原因并采取措施以來，該風(fēng)機(jī)未再發(fā)生一起對(duì)生產(chǎn)造成重大影響的設(shè)備事故。與此同時(shí)，該技術(shù)在其它同類型風(fēng)機(jī)上得到大力推廣和應(yīng)用，取得了顯著成效，創(chuàng)造了良好經(jīng)濟(jì)效益。