4#燒結機煙氣脫硫增壓風機長壽的實踐探索

王俊怡 艾春洪 段斌修

（武漢鋼鐵有限公司）

0 引言

隨著國家加強對燒結煙氣的排放控制（燒結煙氣中含有大量SO2，易對大氣產生污染），無論是在用燒結機還是新建燒結機，都需要新增脫硫設施，以滿足綠色鋼鐵生產的需求。為了克服燒結煙氣所受新增阻力，需在脫硫設施前新增一臺增壓風機[1]。

根據生產操作需求，增壓風機必須緊盯燒結生產運行參數，隨時進行調節，以匹配燒結生產狀況的變化，尤其是在工況異常的情況下，為了實現快速協同調節，需要對風門和轉速進行反復多次、快速的調節，由此給轉子和軸瓦帶來了巨大的沖擊載荷，嚴重影響了風機的運行壽命。

某鋼鐵公司煉鐵廠4#燒結機煙氣脫硫的增壓風機從2015年投產運行至今，已多次發生較大及以上設備事故。2017年5月，發生了一起轉子振幅超標，軸承燒損的設備事故，造成了燒結機臨時停機檢修28小時；2018年3月，發生了一起焊縫開裂，葉片脫落的設備事故，造成了燒結機被迫停機搶修36小時，這些設備事故嚴重影響了燒結機的正常生產和節能降耗工作。如何進行實踐探索，減少設備事故的發生，有效延長風機運行壽命，就變得日益迫切和重要了。

1 故障原因分析

1.1 增壓風機的結構及性能參數

增壓風機在4#燒結機系統中的布置如圖1所示。燒結煙氣的走向：燒結煙氣由大煙道，經過主抽風機加壓后，進入到煙道氣室，再經過增壓風機進一步加壓，進入脫硫設施進行處理變為凈化煙氣后，排入大氣（老式燒結機系統直接經煙囪排入大氣）。

圖1 脫硫增壓風機布置

增壓風機內部結構如圖2所示。風機轉子由2個向心軸承支撐和1個推力軸承定位，通過聯接軸由高壓電機(變頻調速)驅動，在轉子的入口端，有一個可調風門，負責對風壓和流量進行調節，具體性能參數見表1。

圖2 增壓風機內部結構

表1 增壓風機的性能明細

1.2 故障原因分析

機械振動理論[2]告訴我們：任何一個機械設備都有若干個共振區，為了避免共振造成破壞，設備不能在任意頻域內運行或調節。采用錘擊法，對轉子使用專用力錘進行敲擊，再進行數據采集，可得風機幅頻特性，如圖3所示。

圖3 增壓風機的頻率特性

從圖3可以看出，該風機共有3個共振區域，分 別 為：6.4～11.9 Hz、21.5～29.2 Hz和38.7～45.4 Hz。增壓風機轉子3階固有頻率見表2。

表2 增壓風機轉子3階固有頻率

由于生產操作的需要，現場經常要對風量和壓力進行調節。該風機可通過變頻調節和風門調節兩種方式進行調節，生產操作人員主要通過變頻調節來滿足生產的需求，即將風機長期穩定在42 Hz左右運行，以滿足生產的需求；或在10～50 Hz區域內進行大范圍的調節，以滿足生產工況變化的需求。

由此可見，風機轉子故障的主要原因是：該風機長期在第三階共振區域（38.7～45.4 Hz）內運行，或在第一階（6.4～11.9 Hz）、第二階（21.5～29.2 Hz）和第三階共振區域內頻繁調節，從而產生共振現象，對轉子和軸瓦造成超負荷沖擊，嚴重影響了風機轉子的運行壽命，致使風機的運行周期明顯達不到設計標準。

2 延長增壓風機使用壽命的措施

2.1 改進風機調節模式

2.1.1 改變風機調節的優先級

原有調節模式下，頻率調節在先，風門調節在后，該模式實現的前提條件是增壓風機在任意頻率范圍內均任意可調，但是該風機的3個共振區制約了該風機只可在受限的頻域內調節，不能很好的滿足生產調節的需要。

改進調節模式后，風門調節在先，頻率調節在后，該模式下風門開度從0～100%（0～90o均任意可調，可完全滿足生產操作的需求，幾乎不用進行頻率調節，只有在突變或異常狀態下，方才啟動變頻調節手段，這樣可以大大減少風機在共振區域運行或調節的概率。

2.1.2 完善風機調節模式

經過分析，該增壓風機最優調節模式應優化為：生產調節→風門調節→頻率調節。

優化調節模式的最大優勢在于能夠在充分滿足生產需求的前提下，避免風機在共振區域內長期運行或調節。從而對風機進行有效保護，充分延長風機的運行壽命。因此，對增壓風機的調節應以滿足生產調節的需要為目標，實行“風門調節在先、頻率調節在后”的調節模式。

2.2 優化風機調節（運行）策略

2.2.1 非共振區域內調節（運行）

該風機在全頻范圍內（050 Hz）頻域特性見表3。由于存在三階共振區，故分為7個間隔區域，共產生4個非共振區域和3個共振區域。除去Ⅰ區屬于低頻范圍，無任何操作意義外，Ⅱ區（6.4～11.9 Hz）、Ⅳ區（21.5～29.2 Hz）和Ⅵ區（38.7～45.4 Hz）3個共振區域均屬于不可調節或運行的區域，而Ⅲ區（11.9～21.5 Hz）、Ⅴ區（29.2～38.7 Hz）和Ⅶ區（45.4～50 Hz）3個非共振區均屬于可調節或運行的區域。只在受限頻域內調節或運行，杜絕共振區域內調節或運行，可避免共振對風機造成的巨大損害，有效延長風機的運行壽命。

表3 增壓風機0～50 Hz頻域特性

2.2.2 均衡化調節

必需調節時，應該執行“均步長”的均衡調節方式，不變步長地調節，避免因變幅過大造成沖擊載荷變動過大的現象發生，見表4。

具體操作：（1）對于風門的調節。關閉時，每次調節的流程為關閉10%→暫停20 s，保持流程不變，重復多次操作，直至達到風門所需關度的目標值；打開時，每次調節的流程為打開5%→暫停40 s，保持流程不變，重復多次操作，直至達到風門所需開度的目標值。（2）對于頻率的調節。降低時，每次調節的流程為降低5 Hz→暫停20s，保持流程不變，重復多次操作，直至達到頻率所需降幅的目標值；提升時，每次調節的流程為提高3 Hz→暫停40 s，保持流程不變，重復多次操作，直至達到頻率所需升幅的目標值。

表4 風門調節和頻率調節參數明細表

2.2.3 差異化調節

執行加、卸載雙向差異化調節策略，即加載時采取“小幅慢走”的策略，而卸載時則采取“大幅快跑”的策略，由此可顯著減少因憋壓而發生堵轉或喘振現象的發生。

具體分析：（1）對于風門調節執行“快關慢開”的調節。由表4中的數據計算可得（10%÷20）∕（5%÷40）=4，即風門關閉速率（卸載）是打開速率（加載）的4倍；（2）對于頻率調節執行“快降慢升”的調節。由表4中的數據計算可得（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 穩定操作

現代化大型燒結機不僅僅是一個單一的設備，而是一個燒結機系統+脫硫系統串行的復雜系統，二者相互關聯，相互干涉，如果協同調節不及時，或反應速度過慢，均可能對增壓風機造成沖擊，故生產操作應“穩”字當頭，盡量減少因生產操作的波動引起風機被動調節的頻次。

2.3 進一步延長風機壽命的建議

（1）將增壓風機的調節職能歸并到燒結主控室，實現“主從有別”的指令式操作模式，即燒結操作指導脫硫操作。在4＃燒結機系統的布局中，燒結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，不利于快速匹配調節，若從地理位置上將二者整合起來，實現“兩操合一”，則更有利于達到信息快捷流通，調節快速匹配的目的。

（2）新增計算機自動控制程序，探索增壓風機和燒結生產的聯控聯調模型，強化增壓風機調節的實時、高效，確保風機長壽運行。

3 結論

4＃燒結機煙氣脫硫的增壓風機主要通過頻率調節來匹配燒結生產工況的調節，使風機長期在共振區域運行或調節，受到超負荷沖擊，風機的壽命遠遠達不到設計標準。改進風機的調節模式，以風門調節在先，頻率調節在后；優化調節策略，減少頻率調節頻次，避開共振區，采取均衡化調節與差異化調節相結合的方式，可有效降低沖擊載荷，確保增壓風機長壽運行。自從2018年3月分析出故障原因并采取措施以來，該風機未再發生一起對生產造成重大影響的設備事故。與此同時，該技術在其它同類型風機上得到大力推廣和應用，取得了顯著成效，創造了良好經濟效益。