5000 m3級高爐鼓風機組的優化設計

劉 波 ，朱 凡 ，謝建中 ，王儀田 ，強 科 ，孫 標 ，吳 廣 ，陳江輝 ，田渭蓉 ，王 毅

(1寶鋼湛江鋼鐵股份有限公司,廣東湛江 524000；2西安陜鼓動力股份有限公司,陜西西安 710075；3中冶賽迪工程股份有限公司,重慶 404100)

前言

鼓風機組是大型高爐的重要動力設備，而以前國內的5000 m3級大型高爐鼓風機全部進口。對標國際先進水平，立足于“可靠性”、“系統性”和“先進性”，筆者聯合攻關大型高爐鼓風機組中的包括高性能、可靠性以及高精度控制調節等關鍵技術，填補國內技術空白。

如圖1所示，國產研制的首套5000 m3高爐鼓風機組應用于寶鋼湛江，采用AV100-17軸流壓縮機，設計最大點風量9410 m3/min,排氣壓力660kPa，最大軸功率51946 kW,采用55 MW同步電動機直聯驅動，軸向進氣，徑向排氣結構，設計點多變效率＞91%；定流量下調節精度達到50 m3/min，定壓力調節精度達到7 kPa。該機組于2015年9月成功投運，性能達標，機組運行穩定,振動小于30 μm。

圖1 寶鋼湛江5050m3高爐鼓風機組

1 高性能設計

大型高爐鼓風機性能決定了鼓風機運行的經濟性。效率、調節范圍是鼓風機性能中的關鍵指標[1][2]。通過采用葉型優化（見圖2）、流道優化、軸向進氣結構、最后一級靜葉采用固定而其余可調等系統設計，提升整體鼓風機組性能和調節范圍。

圖2 90%反動度基本級在不同靜葉角度下的性能

常規軸流壓縮機多采用徑向下進氣/徑向下排氣結構型式，本臺壓縮機則采用軸向進氣/徑向下排氣結構，減少了進氣流動損失，提高鼓風機效率0.5%以上。以前高爐鼓風機多為全靜葉可調軸流壓縮機[3]，如此最后一級靜葉在調節過程中由于氣流角度的變化，導致氣流與擴壓器壁面產生角度、增加沖擊損失，因此本臺壓縮機采用最后一級靜葉固定、增大靜葉角度，減小最后一級靜葉排氣損失，效率提高0.25%。末級采取90%反動度的葉型，既拓寬了小流量區域下機組的工作區域，又提高了機組的做功能力（見圖3），另外，借助CFD流場計算優化，對該鼓風機流道優化、讓17級壓縮機內部流道形成良好的匹配[4]，抑制在靜葉調節變化過程中提前出線喘振或阻塞，增大整個鼓風機組的良好調節范圍。

圖3 90%反動度與常規基本級的性能比較

*借助CFD技術，流道和葉型優化，減小流動損失，提高效率0.82%；

*采用軸向進氣結構替代常規徑向進氣結構，減小進口流動損失，提高效率0.53%；

*最后一級靜葉固定，減小排氣流動損失，提高效率0.25%；

*總體提高效率1.5%以上，總體減小耗功1500 kW以上，年節能1200萬kWh；

*通過多級匹配優化[1]，鼓風機運行范圍增大約12%。高效區范圍增大，提升了鼓風機調節范圍的高性能，如圖4所示。

*優化鼓風機最小啟動靜葉角度，減小啟動功率20%以上。

圖4 優化鼓風機設計工況

2 可靠性設計

鼓風機是高爐系統的動力心臟設備，其安全可靠性尤為重要，影響高爐冶煉的正常生產，在鼓風機故障停機時候，甚至會危及高爐報廢。大型高爐鼓風機風量、幾何尺寸、驅動功率等大幅度增加，其可靠性設計難度急劇增加，這是以前我國的大型高爐鼓風機依賴進口的重要原因。

本文分析了國內外制約大型高爐鼓風機可靠性的主要因素，決定從葉片、進氣側油封氣封、防喘振、防阻塞等方面進行優化設計，綜合提升大型鼓風機組的可靠性，提升葉片的壽命。

2.1 葉片防腐蝕設計

在南方或沿海運行的鼓風機，一般葉片腐蝕較為嚴重，因此對鼓風機的前三級動葉及前四級靜葉采用“高分子有機涂層”防腐蝕方案。該防腐蝕涂料由特種高分子樹脂，內加偶聯劑、滲透劑、防老劑、交聯劑、抗氧劑、填料、固化劑等配制的一種特種防腐材料，粘接力強，收縮率小、交聯密度大、抗滲性好、對金屬表面處理要求不嚴、導熱、抗沖刷磨損，有極強的耐久性，耐酸、堿及無機鹽類腐蝕。

2.2 動葉片葉根結構優化與葉片噴丸強化

動葉片采用葉根結構優化與葉片噴丸強化處理。

動葉片承載齒面邊緣處是該型葉片應力集中位置，為降低承載齒面端部的區域應力集中，特將原始葉根面在端部位置做特殊設計，使該區域不再承載，從而達到降低該區域應力集中的目的，這種結構被命名為低邊齒結構，其結構如圖5所示。

為提高葉片疲勞壽命，特開發了葉片噴丸強化工藝。噴丸是利用高速運動的彈丸流連續向材料表面噴射，使表面層產生強烈塑性變形，形成表面強化層，從而有效提高零部件的抗疲勞、耐腐蝕特性，是金屬材料表面改性的有效方法。

為驗證噴丸對葉片疲勞壽命的改善作用，進行了葉片振動疲勞試驗。試驗結果見表1，從表1中可以看出，在相同應力水平下，噴丸葉片累計循環數遠超過未噴丸葉片，而在相同循環次數下，葉片疲勞強度提高了約20%。

在以上試驗的基礎上，還進行了噴丸工藝研究，制定了適用于高爐鼓風機葉片材料的噴丸優化工藝，從而提高了葉片的疲勞壽命。

圖5 原始葉根面與低邊齒葉根面

表1 疲勞試驗結果——循環數累計數據表

2.3 軸向進氣鼓風機內置流道軸承箱油封與軸端密封優化設計

軸向進氣鼓風機進氣側軸承箱內置于流道，油封與軸端密封[5]采用拉別令密封（側齒密封）+緩沖氣（儀表氣）設計，在油封與軸端密封之間設有一個充氣腔，密封氣通過軸承箱支撐中的管路進入該腔體，腔體內的氣體主要通過油封中的排氣管口排放，從而阻隔了潤滑油及油氣向流道內泄漏，充氣壓力高于當地大氣壓～15 kPa。軸承箱內部結構如圖6。

軸承箱體采用水平剖分結構，為確保潤滑油不在水平界面處發生泄漏，特采用氣封及靜密封設計，油氣或潤滑油首先受到溝槽內部的壓力密封氣（壓力等于充氣壓力）阻隔，外側的靜密封條能夠保證無任何潤滑油從水平界面處泄露至軸承箱體外側。

圖6 軸承箱內部結構示意圖

2.4 防喘振優化設計

為了提高大型高爐鼓風機組防喘振可靠性，本文特別從以下三個方面進行優化：

(1)喉差溫度補償：由于鼓風機進氣溫度會隨著季節的變化而變化，即使在同一天也會有較大變化，因此，我們對喉差進行了必要的溫壓補償。

(2)鼓風機喉部差壓換算入口流量：軸流鼓風機喉部相當于一個節流元件，喉部差壓與流量構成一定的函數關系，通過機組喉部差壓換算出機組的入口流量。當出口流量信號丟失時，程序將會自動切換到入口流量調節，確保機組的正常運行。

(3)壓力限制線的設置。為了防止鼓風機排氣壓力過高，在防喘振線之上疊加一條壓力限制線。當排氣壓力過高時，防喘振閥會自動打開一定角度，將鼓風機運行點限制在該線上，從而保護風機出口管線上的設備不至于因壓力過高而損壞。

2.5 防阻塞系統設計

在放空或高爐休風時，鼓風機容易運行在末級葉片阻塞區。“末級葉片阻塞”時候，鼓風機后面的某級或某幾級葉片會產生疲勞受力，縮短葉片使用壽命。機組設立防阻塞控制裝置的作用是防止鼓風機運行在末級葉片阻塞區。氣動性能在充分保證各設計點的情況下，對末級葉片阻塞進行計算。建立流量壓力坐標系類的阻塞線。將理論的流量壓力坐標系類的阻塞線轉化為喉部差壓與出口壓力坐標系的防阻塞線。

3 控制系統設計優化

3.1 脫濕鼓風技術研究與控制系統相結合

結合機組控制系統實際需求，將脫濕系統的監測及相關控制整合到高爐鼓風機組控制系統[6]中。通過控制系統的整合和改進，完善了高爐鼓風機組控制系統的系統性，提高了脫濕系統控制的可靠性及系統操作的同步性，由于不采用單獨的脫濕系統控制系統，減少了項目的整體投入，節約采購成本。脫濕鼓風系統典型流程圖如圖7所示。

圖7 脫濕鼓風系統典型流程圖

3.2 取消動力油壓低聯鎖停機條件，提高機組可用性

對機組的聯鎖停機條件進行了分析，取消動力油壓低聯鎖停機條件。動力油系統設置兩臺油泵（一用一備）和蓄能器，備用泵具有自啟動功能。在動力油壓力低，且備用泵無法投入的時候，機組靜葉能夠確保在當前工況下運行并且沒有大角度的飄移時，鼓風機是可以持續送風的。由于靜葉伺服系統選用VOITH閥，當控制信號給定值和反饋值相等時，伺服閥處于中位，油路閉鎖。當油泵停止運行時，油壓下降過程中，將靜葉控制由原來的自動調節轉為手動調節，此時，油壓低報警，保持靜葉的當前開度不變的情況下進行持續送風。

3.3 鼓風機出口微壓保持技術應用

鼓風機出口微壓保持功能，又稱之為慣性鼓風功能。是指在機組因自身故障引發的事故停機過程中，放風閥在快速打開泄壓之后再重新關閉，使風機出口壓力回升，延緩風壓下降時間，實現為高爐保持一定的風壓，以保證高爐有幾分鐘左右的時間進行休風操作，防止高爐在不知情的情況下因突然斷風而導致的灌風口事故。

微壓保持功能僅適用于鼓風機自身原因引起的停機，如原動機事故跳閘、機組軸位移過大、軸承溫度過高、潤滑油壓力過低等因素引起的事故停機。對于由于工藝原因引起的逆流喘振等造成的聯鎖停機并不適用，否則會造成更加嚴重的后果。

4 寶鋼湛江5050 m3高爐鼓風機組運行分析

陜鼓與寶鋼、中冶賽迪聯合技術攻關寶鋼湛江5000 m3級高爐鼓風機組，也是我國第一套國產化研制。作為研究成果向工業產品的轉化，本文所述內容應用在寶鋼湛江5050 m3鼓風機組中，經過實踐檢驗。實現國產化大型高爐鼓風機組技術提升，對標國際先進水平，立足于鼓風機“可靠性”、“系統性”和“先進性”。

4.1 穩定性目標

鼓風機組運行平穩，鼓風機振動低于30 um，軸瓦溫度低于85℃，各項監測值正常。監測畫面如圖8所示。

4.2 先進性目標

多變效率超過設計要求大于90%；調節范圍寬；各工況點性能達到設計要求。調節范圍寬，滿足該鼓風機在夏季、冬季和年平均的各大小風量以及脫濕的運行條件要求，并且鼓風機運行效率高、運行經濟。核心參數見表2。由圖9的對比可知，國產大型高爐鼓風機調節范圍明顯大于國外某高爐鼓風機組調節范圍。

表2 機組氣動設計參數與實測值對比表

4.3 系統性目標

通過機組工藝流程的改進，提升了鼓風機調節精度。

定流量調節，流量波動約30 m3/min，優于設計要求指標：50 m3/min。

定壓力調節，壓力波動＜7 kPa，達到設計指標要求。數據匯總見表3。

圖8 鼓風機組運行流程圖

圖9 國產大型高爐鼓風機組與國外某高爐鼓風機運行對比圖

表3 機組調節設計參數與實測值對比表

寶鋼、陜鼓和賽迪三方在技術攻關和工程實施二個階段的聯合攻關工作，實現了國產首臺套5000 m3級及以上大型高爐鼓風機組的自主研發、制造和集成工作，穩定性、先進性、系統性及實物質量達到了世界一流水平。已具備與世界同行同臺公平競爭的實力，這也是中國制造業做大做強的一部分。

5 結論

通過對寶鋼湛江5050 m3大型高爐鼓風機組項目進行聯合攻關，在國產大型5000 m3級高爐鼓風機技術上取得重大突破，填補了國內技術空白。大型高爐鼓風機組研究取得了以下突破

（1）大型鼓風機可靠性提升：通過葉片防腐蝕設計應用、動葉片葉根結構優化與葉片噴丸強化設計應用、軸向進氣鼓風機結構設計、內置流道的軸承箱油封與氣封優化設計，機組防喘振系統優化，防阻塞系統的應用，提高了鼓風機可靠性。

（2）大型鼓風機高性能提升：采用全新葉型、流道優化、多級匹配、軸向進氣結構、最后一級靜葉固定等措施，將鼓風機效率提高至91%以上，調節范圍提升12%，啟動功率減小20%。

（3）鼓風機組工藝系統性優化：脫濕鼓風控制系統優化、機組聯鎖控制系統優化、微壓保持系統應用，提高了機組的系統應用性。

（4）大型鼓風機調節精度提升：通過工藝流程改進，提升了大型高爐鼓風機組控制調節精度。定流量調節，流量波動約30 m3/min，優于設計要求指標：50 m3/min。定壓力調節，壓力波動＜7 kPa，達到設計指標要求。 本文研究結果應用在寶鋼湛江高爐鼓風機組中，經過實踐檢驗，鼓風機組綜合性能有顯著改善，達到世界先進水平。