宣钢高炉鼓风机防喘振性能控制

2020-07-24李蕴华

冶金动力 2020年6期

李蕴华

（河北钢铁集团宣钢公司设备能源部，河北张家口 075100）

1 概述

高炉是铁水生产流程中核心设备，高炉鼓风机长周期高效运行是决定高炉稳产高产关键因素之一。轴流式鼓风机具有运行稳定，工况调节范围广，运行中无放散损失等特点，已在国内各冶金行业被广泛应用，鼓风机组防喘振优化控制将成为配套机组高效运行的重要保障。

宣钢4#AV71－15 型鼓风机为陕鼓动力股份公司生产的全静叶可调式轴流鼓风机，配套杭州汽轮机公司出厂的冷凝式NK50/71型工业汽轮机。2016年12月，宣钢4#1800 m3高炉停产后，4#鼓风机成为3#2000 m3高炉备用机组。为充分发挥设备优势，2019年初，提出了对4#鼓风机出口叶片进行加级技术改造，在鼓风机出口轮毂上增加第16 级动叶片，风机出口压力由395 kPa 增加至430 kPa。风机本体设备改造完成后，参照进气状态（夏季、冬季、年平均）下的预计性能曲线，对机组进行了防喘振性能试验，并应用试验结果对状态参数进行修订，提高了整体设备的防喘振控制水平，为高炉安全生产提供了动力保障。

1.1 改造前机组性能参数

改造前风机夏季A 点、冬季D 点、年平均E 点主要参数见表1。

表1 改造前机组性能参数

1.2 改造后机组性能参数

改造后风机夏季A 点、冬季D 点、年平均E 点主要参数见表2。

表2 改造后机组性能参数

从表1、表2 可以看出，改造后风机入口流量变化不大，排气压力估算增加60 kPa 。

2 防喘振控制思路

4#AV71-15 型鼓风机为1800 m3高炉供风，原供风流量为:3350～3600 m3/min，送风压力：375～395 kPa，由于设计工况与实际运行工况存在偏差，夏季风机运行中存在放风现象，防喘阀开度保持在5%～15%运行，放风量约为：150～350 m3/min，改造后，进一步拓宽了风机工况范围。根据高炉冶炼加减风压要求，鼓风机通过静叶角度、防喘振阀开度等调节手段，调节风机出口状态参数，使其达到一定的供风流量和送风压力，在这些组合中，有些是安全高效的，有些是危险耗能的，防喘控制的思路是找到风机高效安全区域，使机组在任何大气条件下，始终处于低能耗、高压比的经济区间运行，为高炉提供动力保障。

2.1 风机特性曲线原理

风机特性曲线用来表示风机的主要性能参数，如风量L、风压H、功率N及效率η之间关系的曲线。风机特性曲线是机组防喘振控制的理论基础，在三个状态参数（流量、压力、温度）及一定转速下，根据动能相似原理用流量、风压、功率、效率等参数来描述风机特性曲线，并以此加以控制。实际运行过程中，利用风机特性曲线找到风机有效使用区域，不论运行工况点如何调节，使其工况点始终处于有效使用区域内运行，保证机组的运行安全。

2.2 风机有效使用区域

在实际工作中，风机在有效使用区域内运行再加上各种安全保护措施，如防喘振放风线撞线调节，远离防阻塞线运行，风机最高风压限定及避免启机过程中进入旋转失速区等限定条件，在风机防喘振控制模型中，对以上条件进行合理的限定，并采用科学合理的补偿算法，进一步完善防喘振调节功能，可有效避免风机在有效区域外运行，造成旋转失速喘振、逆流等危险工况。

风机有效使用区域，见图1。

图1 风机有效使用区示意图

从此可以看出，在一定转速下，风机的效率随风量的改变而变化，但其中必有一个是运行高效点，相对应最高效率下的风量、风压和轴功率称为风机的最佳工况，此范围称为风机的经济使用范围。在运行中力求，年平均，夏季最高、夏季最低，冬季最高、冬季最低5 个工况区都处于经济使用范围，超越该区域运行，机组将做出最快速最精准的判断进行工况调节，将工况点迅速拉回至安全区域运行。

3 喘振性能试验方法

喘振性能试验参照JB/T3165《离心和轴流式鼓风机和压缩机热力性能试验》标准，因为轴流压缩机进出口均连接管路，所以采用标准中的进出气试验方法，介质为空气。

3.1 试验前准备

试验前对风机现场仪表参数、微机显示各数据的准确性进行校准；对机组重要保护按钮“安全运行”进行试动，保证控制有效；机组各联锁保护功能投入；防喘振阀门保护动作、防喘阀气源压力指示正常等重要环节进行再次确认，确保机组在试验过程中各保护功能控制有效，万无一失。

3.2 试验过程

机组准备就绪后，缓慢关闭防喘阀，记录初始状态22°静叶角度下的各项参数,依次加载静叶角度，使排气压力逐渐升高，记录静叶角度为30°时各参数的变化，密切注视排气压力、风量、喉部压差、主蒸汽流量等重要参数的变化，当出现喘振时，需要试验人员准确迅速做出判断，按下“安全运行”按钮，机组进入“安全运行”状态。本次选择静叶角度为22°、30°、40°、50°、60°、70°进行试验，从小到大依次进行试验，记录发生实际喘振时各运行参数。因为喘振点为瞬间值，瞬间变化非常快，所以要在防喘振趋势画面回放时，把光标移到排气压力瞬间减小的曲线拐点，此拐点可认为是喘振点，记录拐点处对应的喉部压差、排气压力、进气温度，作为绘制喘振曲线的重要参数。

3.3 试验结果

在不同的静叶角度下，对高炉鼓风机进行机械性能测试，静叶30°、40°两个角度下实际发生了喘振现象，22°、50°、60°、70°四个角度均测试了参数，未发生喘振现象，两个实喘状态下的排气参数已满足高炉供风要求，并停止试验。根据鼓风机现场实际喘振实验结果汇总为表3，将表3中列出排气压力数值乘以93%，得到表4中参数，参照表4、表5 数据将防喘振曲线重新进行标定，建立了科学合理的风机性能温度补偿曲线模型，使风机性能曲线随季节温度变化进行动态补偿，以保证风机随时可以找到真正的运行极限，并把升级后的防喘控制程序加载到PLC 中，提高风机在静叶角度40°～50°运行区域时防喘振数值，进一步扩大了风机运行工况范围。

表3 4#鼓风机喘振试验参数

表4 设定防喘振曲线参数

表5 试验阻塞曲线参数

4 防喘振性能控制

为了使风机稳定在安全区域内运行，我们首先将运行区域进行了划分，依次为旋转失速区、初级、末级叶片阻塞区、有效运行区、防喘振区等，为避免发生阻塞、旋转失速、喘振、逆流等危险工况，尽量要求风机在有效运行区域工作。防喘振调节就是当风机接近或达到防喘振区域时，防喘阀依次打开，迅速将工况点拉回至安全区域内运行。在实际测试中，实际发生的喘振点连接线为实喘线，实测线在微机控制画面中不显示，我们将实测线其向右下方平移7%的量，绘制出一条喘振线。当工况点接近喘振线时，防喘阀快速做出响应，通过放风调节，使工况点迅速达到喘振线之下；如超越喘振线，则两个防喘阀同时全部打开，进行快速放风，以保证机组运行安全。

不同静叶角度下对应的喘振临界点与气体流量有很大关系，而不同温度下，气体的流量差别很大，因此在防喘振控制程序中，我们将防喘振线做成动态调整线。选择以大气温度20℃为分界点，在温度高于20 ℃时，自动进入夏季防喘振控制，低于20 ℃时，自动采用冬季防喘控制模式，见图2。

图2 冬、夏季防喘振控制对比图

从图2中可以看出冬季风机运行工况高于夏季工况，在工况点距调节线15～25 kPa进行动作，在做出快速响应的同时，使工况点快速趋于稳定，有效避免了风压、风量同时调节造成的波动，提高了风机的运行稳定性。

5 运行效果

2019 年12 月26 日，4#AV71-15 型汽轮鼓风机组改造完成后进行了机组联动72 h热试，并利用3#高炉系统休风机会投入系统运行。改造前后运行参数见表6。目前鼓风机主体及附属设备运行状况良好，转速稳定在4650±5 r/min，风机出口压力保持在395～450 kPa，风压较改造前提高55 kPa，最大静叶角度64.5°较改造前提高了3.5°，全天日供风量为520 万～565 万m3，夏季防喘阀开度由15%降到0%，机组防喘振控制运行稳定，供风汽耗较改造前降低0.16t/万m3，按年供风量14505 万m3计算，年平均节约蒸汽费用34.82万元。