宣鋼高爐鼓風機防喘振性能控制

李蘊華

（河北鋼鐵集團宣鋼公司設備能源部，河北張家口 075100）

1 概述

高爐是鐵水生產流程中核心設備，高爐鼓風機長周期高效運行是決定高爐穩產高產關鍵因素之一。軸流式鼓風機具有運行穩定，工況調節范圍廣，運行中無放散損失等特點，已在國內各冶金行業被廣泛應用，鼓風機組防喘振優化控制將成為配套機組高效運行的重要保障。

宣鋼4#AV71－15 型鼓風機為陜鼓動力股份公司生產的全靜葉可調式軸流鼓風機，配套杭州汽輪機公司出廠的冷凝式NK50/71型工業汽輪機。2016年12月，宣鋼4#1800 m3高爐停產后，4#鼓風機成為3#2000 m3高爐備用機組。為充分發揮設備優勢，2019年初，提出了對4#鼓風機出口葉片進行加級技術改造，在鼓風機出口輪轂上增加第16 級動葉片，風機出口壓力由395 kPa 增加至430 kPa。風機本體設備改造完成后，參照進氣狀態（夏季、冬季、年平均）下的預計性能曲線，對機組進行了防喘振性能試驗，并應用試驗結果對狀態參數進行修訂，提高了整體設備的防喘振控制水平，為高爐安全生產提供了動力保障。

1.1 改造前機組性能參數

改造前風機夏季A 點、冬季D 點、年平均E 點主要參數見表1。

表1 改造前機組性能參數

1.2 改造后機組性能參數

改造后風機夏季A 點、冬季D 點、年平均E 點主要參數見表2。

表2 改造后機組性能參數

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

2 防喘振控制思路

4#AV71-15 型鼓風機為1800 m3高爐供風，原供風流量為:3350～3600 m3/min，送風壓力：375～395 kPa，由于設計工況與實際運行工況存在偏差，夏季風機運行中存在放風現象，防喘閥開度保持在5%～15%運行，放風量約為：150～350 m3/min，改造后，進一步拓寬了風機工況范圍。根據高爐冶煉加減風壓要求，鼓風機通過靜葉角度、防喘振閥開度等調節手段，調節風機出口狀態參數，使其達到一定的供風流量和送風壓力，在這些組合中，有些是安全高效的，有些是危險耗能的，防喘控制的思路是找到風機高效安全區域，使機組在任何大氣條件下，始終處于低能耗、高壓比的經濟區間運行，為高爐提供動力保障。

2.1 風機特性曲線原理

風機特性曲線用來表示風機的主要性能參數，如風量L、風壓H、功率N及效率η之間關系的曲線。風機特性曲線是機組防喘振控制的理論基礎，在三個狀態參數（流量、壓力、溫度）及一定轉速下，根據動能相似原理用流量、風壓、功率、效率等參數來描述風機特性曲線，并以此加以控制。實際運行過程中，利用風機特性曲線找到風機有效使用區域，不論運行工況點如何調節，使其工況點始終處于有效使用區域內運行，保證機組的運行安全。

2.2 風機有效使用區域

在實際工作中，風機在有效使用區域內運行再加上各種安全保護措施，如防喘振放風線撞線調節，遠離防阻塞線運行，風機最高風壓限定及避免啟機過程中進入旋轉失速區等限定條件，在風機防喘振控制模型中，對以上條件進行合理的限定，并采用科學合理的補償算法，進一步完善防喘振調節功能，可有效避免風機在有效區域外運行，造成旋轉失速喘振、逆流等危險工況。

風機有效使用區域，見圖1。

圖1 風機有效使用區示意圖

從此可以看出，在一定轉速下，風機的效率隨風量的改變而變化，但其中必有一個是運行高效點，相對應最高效率下的風量、風壓和軸功率稱為風機的最佳工況，此范圍稱為風機的經濟使用范圍。在運行中力求，年平均，夏季最高、夏季最低，冬季最高、冬季最低5 個工況區都處于經濟使用范圍，超越該區域運行，機組將做出最快速最精準的判斷進行工況調節，將工況點迅速拉回至安全區域運行。

3 喘振性能試驗方法

喘振性能試驗參照JB/T3165《離心和軸流式鼓風機和壓縮機熱力性能試驗》標準，因為軸流壓縮機進出口均連接管路，所以采用標準中的進出氣試驗方法，介質為空氣。

3.1 試驗前準備

試驗前對風機現場儀表參數、微機顯示各數據的準確性進行校準；對機組重要保護按鈕“安全運行”進行試動，保證控制有效；機組各聯鎖保護功能投入；防喘振閥門保護動作、防喘閥氣源壓力指示正常等重要環節進行再次確認，確保機組在試驗過程中各保護功能控制有效，萬無一失。

3.2 試驗過程

機組準備就緒后，緩慢關閉防喘閥，記錄初始狀態22°靜葉角度下的各項參數,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°時各參數的變化，密切注視排氣壓力、風量、喉部壓差、主蒸汽流量等重要參數的變化，當出現喘振時，需要試驗人員準確迅速做出判斷，按下“安全運行”按鈕，機組進入“安全運行”狀態。本次選擇靜葉角度為22°、30°、40°、50°、60°、70°進行試驗，從小到大依次進行試驗，記錄發生實際喘振時各運行參數。因為喘振點為瞬間值，瞬間變化非常快，所以要在防喘振趨勢畫面回放時，把光標移到排氣壓力瞬間減小的曲線拐點，此拐點可認為是喘振點，記錄拐點處對應的喉部壓差、排氣壓力、進氣溫度，作為繪制喘振曲線的重要參數。

3.3 試驗結果

在不同的靜葉角度下，對高爐鼓風機進行機械性能測試，靜葉30°、40°兩個角度下實際發生了喘振現象，22°、50°、60°、70°四個角度均測試了參數，未發生喘振現象，兩個實喘狀態下的排氣參數已滿足高爐供風要求，并停止試驗。根據鼓風機現場實際喘振實驗結果匯總為表3，將表3中列出排氣壓力數值乘以93%，得到表4中參數，參照表4、表5 數據將防喘振曲線重新進行標定，建立了科學合理的風機性能溫度補償曲線模型，使風機性能曲線隨季節溫度變化進行動態補償，以保證風機隨時可以找到真正的運行極限，并把升級后的防喘控制程序加載到PLC 中，提高風機在靜葉角度40°～50°運行區域時防喘振數值，進一步擴大了風機運行工況范圍。

表3 4#鼓風機喘振試驗參數

表4 設定防喘振曲線參數

表5 試驗阻塞曲線參數

4 防喘振性能控制

為了使風機穩定在安全區域內運行，我們首先將運行區域進行了劃分，依次為旋轉失速區、初級、末級葉片阻塞區、有效運行區、防喘振區等，為避免發生阻塞、旋轉失速、喘振、逆流等危險工況，盡量要求風機在有效運行區域工作。防喘振調節就是當風機接近或達到防喘振區域時，防喘閥依次打開，迅速將工況點拉回至安全區域內運行。在實際測試中，實際發生的喘振點連接線為實喘線，實測線在微機控制畫面中不顯示，我們將實測線其向右下方平移7%的量，繪制出一條喘振線。當工況點接近喘振線時，防喘閥快速做出響應，通過放風調節，使工況點迅速達到喘振線之下；如超越喘振線，則兩個防喘閥同時全部打開，進行快速放風，以保證機組運行安全。

不同靜葉角度下對應的喘振臨界點與氣體流量有很大關系，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態調整線。選擇以大氣溫度20℃為分界點，在溫度高于20 ℃時，自動進入夏季防喘振控制，低于20 ℃時，自動采用冬季防喘控制模式，見圖2。

圖2 冬、夏季防喘振控制對比圖

從圖2中可以看出冬季風機運行工況高于夏季工況，在工況點距調節線15～25 kPa進行動作，在做出快速響應的同時，使工況點快速趨于穩定，有效避免了風壓、風量同時調節造成的波動，提高了風機的運行穩定性。

5 運行效果

2019 年12 月26 日，4#AV71-15 型汽輪鼓風機組改造完成后進行了機組聯動72 h熱試，并利用3#高爐系統休風機會投入系統運行。改造前后運行參數見表6。目前鼓風機主體及附屬設備運行狀況良好，轉速穩定在4650±5 r/min，風機出口壓力保持在395～450 kPa，風壓較改造前提高55 kPa，最大靜葉角度64.5°較改造前提高了3.5°，全天日供風量為520 萬～565 萬m3，夏季防喘閥開度由15%降到0%，機組防喘振控制運行穩定，供風汽耗較改造前降低0.16t/萬m3，按年供風量14505 萬m3計算，年平均節約蒸汽費用34.82萬元。

表6 改造前后運行參數比較

6 結束語

AV71－15型汽輪鼓風機機組加級改造完成后，運行中無放散損失，機組各軸瓦溫度、振動等運行參數均在設計范圍內，風機出口壓力顯著提高，防喘控制系統更為完善，機組運行平穩、經濟性高，值得在冶金行業高爐鼓風系統推廣應用。