周振華

( 中冶南方工程技術(shù)有限公司煉鐵分公司，湖北  武漢430223)

摘 要: 詳細介紹了熱風爐助燃風機系統(tǒng)設(shè)計，涉及不同條件下的助燃風機配置，以及根據(jù)風機性能曲線、風機出口風量、風機出口壓力進行設(shè)備選型。此外，還介紹了根據(jù)實際工況對風機參數(shù)進行換算，應(yīng)用變頻技術(shù)提倡節(jié)能及采取降噪措施促進環(huán)保。

關(guān) 鍵 詞: 助燃風機; 變頻; 降噪; 熱風爐

1  引言

熱風爐是高爐煉鐵生產(chǎn)的重要大型設(shè)備，其作用是穩(wěn)定生產(chǎn)高溫熱風，為高爐生產(chǎn)節(jié)焦降耗提供物質(zhì)條件。熱風爐以凈高爐煤氣為主要燃料，由獨立的助燃空氣系統(tǒng)提供助燃空氣，凈高爐煤氣及助燃空氣通過燃燒器混合后燃燒。熱風爐的助燃空氣系統(tǒng)一般由助燃風機、風機出口切斷閥、空氣放散閥、助燃空氣管道、管道補償器、流量計、調(diào)節(jié)閥及助燃空氣切斷閥等組成，當對助燃空氣進行預熱時，還包括換熱器及相應(yīng)的切斷閥門等設(shè)備。其中，助燃風機是系統(tǒng)的物質(zhì)源和動力源。

2  助燃風機的配置數(shù)量

早期的熱風爐系統(tǒng)大多采用分散送風，即每座熱風爐單獨由1 臺助燃風機送風。隨著高爐向大型化方向發(fā)展，配套的助燃風機設(shè)備能力也相應(yīng)增大，分散送風方式隨之出現(xiàn)大容量電機頻繁啟動及噪音等問題。為便于生產(chǎn)管理及設(shè)備安全運行，現(xiàn)代設(shè)計的熱風爐系統(tǒng)普遍采用集中送風方式^［1］。

集中送風方式一般配置2 臺助燃風機，采用一用一備的方式生產(chǎn)，助燃風機出口輸出的經(jīng)過加壓的空氣先經(jīng)助燃空氣總管送至各熱風爐跟前，再通過助燃空氣支管與各熱風爐燃燒器連通。對于特大型高爐的熱風爐系統(tǒng)，如5000 m³級高爐，助燃空氣使用量可達到220 000 Nm³ /h，如采用2 臺助燃風機一用一備方式，則一方面單體設(shè)備體型大，設(shè)備制造維護難度高，另一方面造成備用風機極大的設(shè)備能力閑置，投資成本高，間接形成浪費。根據(jù)此種情況，特大型高爐的熱風爐系統(tǒng)可以配置3 臺助燃風機，采用兩用一備方式生產(chǎn)。對于某些改造型項目，新增的助燃空氣用量超出了原助燃風機系統(tǒng)能力，在現(xiàn)場布置允許的情況下，也可以采取新增1 臺助燃風機以滿足用量需求，從而形成兩用一備的格局。集中送風方式下，按兩用一備配置風機時，兩臺工作風機并聯(lián)送風。

3  助燃風機設(shè)備選型

熱風爐生產(chǎn)所需的助燃空氣壓力通常在15 kPa以下，介質(zhì)常溫，按照風機分類方法，助燃風機屬于離心式通風機。助燃風機設(shè)備選型的參照有性能曲線、風機出口風量和風機出口壓力。

3．1  性能曲線

⑴ 風機性能曲線^［2］。

常見的風機性能曲線有Q-H( 流量-壓力) 曲線，Q-η( 流量-效率) 曲線，如圖1 所示。其中Q-H 曲線上K 點處表示流量最大的工況點，稱為臨界工況。當風機工況點在曲線上K 點左側(cè)時，隨著風機出口流量增大，風機出口壓力提高，此時風機處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài); 當風機工況點在曲線上K 點的右側(cè)時，隨著風機出口流量增大，風機出口壓力下降，此時風機處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。Q-η曲線上A 點是風機的最高效率點，當風機運行在該點附近時，風機則處于最高效的運行狀態(tài)。通常運行( 使用) 效率大于80%的稱為節(jié)能風機^［3］。一般而言，前向葉片風機容易獲得高壓力、大流量，結(jié)構(gòu)緊湊，但效率相應(yīng)較低; 后向葉片風機不易得到高壓力，體積較大，但效率相對較高，可達80～90%^［4］。

在確定風機工況運行時的風量和風壓后，對于目標風機而言，由工況流量和工況壓力所確定的點必須落在其Q-H 曲線上臨界點K 的右側(cè)，并且與工況流量對應(yīng)的風機效率應(yīng)在Q-η曲線的最高效率點附近，不得低于最高效率90%，由此選定的風機才能在實際工況下穩(wěn)定高效地運行。

⑵ 管道系統(tǒng)性能曲線^［2］。

風機在工作中的實際狀態(tài)除與風機本身特性有關(guān)外，還與其所連接的管道系統(tǒng)特性有關(guān)。風機在系統(tǒng)中的作用就是將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能和動能，從而克服氣體流動時的管道阻力。從能量守恒的角度看，輸送流量為Q 的氣體所需的能量等于風機做功傳給氣體的能量。

以圖2 為例，圖中的管網(wǎng)系統(tǒng)曲線表示在一定的管網(wǎng)條件下，輸送一定流量的氣體而要克服管道阻力所對應(yīng)的壓力。當風機在性能曲線上B 點運行時，對應(yīng)的風機流量為Q_B，風機出口壓力為P_B;此時，在管網(wǎng)系統(tǒng)中輸送流量為Q_B的氣體需要克服管道阻力而要求的氣體壓力為P_C。由于P_C＞P_B，風機的出口流量將不斷減小直至Q_A，此時P_C= P_B=P_A，風機傳遞給氣體的能量與管道阻力達到平衡，通過自調(diào)節(jié)的平衡過程，風機將在A 點穩(wěn)定運行。

上述的平衡過程即是助燃風機系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量的理論依據(jù)，對于工頻運行的助燃風機主要通過改變管網(wǎng)系統(tǒng)曲線來控制風機流量。風機進出口連接管不規(guī)范會造成風機內(nèi)效率顯著降低，如BM75 /1200型單吸離心通風機進口直接裝90°彎管時，全壓內(nèi)效率降低12%; 雙吸入離心通風機進口如只裝彎管不裝導流片時，兩側(cè)進風量相差18%，額定風量下降20%，全壓效率下降^［5］。風機進口前面不接管，臨近無障礙物，就可以認為合理。如果接管道，則要求進口前有一段長度不小于2．5De( De 為進口當量直徑) 的直管段。改善風機出口條件的最好辦法是接一段長度不短于2．5De 的直管段，如必須接彎管，在其中加裝導流葉片是一個好辦法^［6］。

3．2  助燃風機出口風量

助燃風機出口風量由熱風爐燒爐期間所需助燃空氣量決定，根據(jù)熱風爐燃燒計算確定。為保證煤氣完全燃燒，助燃空氣實際用量要大于理論用量，其比值即空氣過剩系數(shù)。不同燃料種類所需要的空氣過剩系數(shù)見表1。

考慮熱風爐燒爐過程對助燃空氣用量需求的變化及風機系統(tǒng)性能不佳的可能性，在計算的平均值上乘以1．1～1．2 的系數(shù)作為助燃風機出口風量的參考值。助燃風機按兩用一備配置時，兩臺并聯(lián)的助燃風機的組合流量－壓力曲線是將相同壓力下的每臺風機的體積流量相加得出^［2］。

3．3  助燃風機出口壓力

確定助燃風機壓力時，應(yīng)由包括余熱回收裝置在內(nèi)的系統(tǒng)流路阻損的計算確定。在《GB 50427-2008 高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)范》中給出了各級別高爐的熱風爐助燃空氣壓力值^［7］，如表2 所示。

根據(jù)鞍鋼7#高爐、鞍鋼10#高爐采用熱風爐自身預熱方式，鞍鋼新2#高爐和鞍鋼新3#高爐采用蓄熱式熱風爐預熱助燃空氣方式，這4座高爐熱風爐助燃風機壓力均為15kPa。

目前，熱風爐余熱回收裝置普遍使用熱管式換熱器和板式換熱器。熱管式換熱器的流體阻力損失約為500Pa，板式換熱器的流體阻力損失約為1000Pa。

此外，熱風爐蓄熱體的形式不同其流體阻損也存在差別。如某1800m³高爐配套的熱風爐組以格子磚為蓄熱體，助燃風機出口壓力設(shè)計為約12kPa，而某450m³高爐配套的熱風爐組以耐火球為蓄熱體，其助燃風機出口壓力設(shè)計為15kPa。

4  風機參數(shù)換算

按照風機樣本選擇風機時，經(jīng)常會出現(xiàn)風機使用地的氣壓、溫度、氣體密度與風機設(shè)計條件不一致，此時需要對風量、風壓及軸功率參數(shù)進行換算，以得到風機使用地實際工況條件下的性能參數(shù)。參數(shù)換算如下:

⑴ 實際風量Q₁。

式中: Q₀^－標準狀態(tài)下所需的風量，m³ /h; P₀^－標準狀態(tài)定義的氣體壓力，1．01×10⁵ Pa; P ^－風機使用地的大氣壓力，Pa; t^－風機使用地的空氣溫度，℃。

⑵ 風機出口的實際全壓P_t1。

式中: P_t0^－風機樣本性能表給出的風機出口全風壓，Pa; ρ₁ ^－風機工業(yè)的標準氣體密度，1． 20 kg /m³ ; ρ₀^－風機樣本給出的測試條件下的大氣壓力，kg /m³。

⑶ 實際軸功率N₁。

式中: N₀^－風機樣本性能表給出的風機軸功率，kW; ρ₁^－風機使用地的空氣密度，kg /m+ ; ρ₀^－風機工業(yè)的標準氣體密度，1．20 kg /m³。

5  變頻技術(shù)在風機系統(tǒng)的應(yīng)用

熱風爐助燃風機以工頻運行時，風機轉(zhuǎn)速不變，風機運行對外做功的能量一部分消耗在風機入口風門擋板上，或是對多余的空氣做功最后經(jīng)放散閥排空，這部分多做的功增加了系統(tǒng)的運行成本，是熱風爐系統(tǒng)節(jié)能降耗的一個著力點。

風機轉(zhuǎn)速與流量成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，改變風機轉(zhuǎn)速來改變風機本身特性曲線的調(diào)節(jié)方法是最合理、最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法。

變頻技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。由于計算的管網(wǎng)特性與實際管網(wǎng)特性之間的出入、風機選型考慮的裕量以及實際生產(chǎn)需求的變化等等原因造成風機實際運行效率偏低，可觀的能量消耗在入口風門及放空排放，造成能源浪費。根據(jù)某廠助燃風機應(yīng)用高壓變頻器的運行經(jīng)驗，助燃風機工頻運行時每小時消耗功率487．2 kW，改造后助燃風機變頻運行，其每小時消耗功率降至341． 28 kW，節(jié)能效率約30%^［8］。

熱風爐系統(tǒng)的2 臺助燃風機設(shè)計為一用一備，可以共用一套高壓變頻器，采用“一拖二”變頻控制。

6  風機噪聲控制

根據(jù)國家《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標準》的規(guī)定，工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)車間和作業(yè)場所的工作地點的噪音標準為85dB。由于助燃風機壓力高以及設(shè)備大型化，助燃風機工作噪聲超過了規(guī)定的噪聲值，需要采取相應(yīng)的降噪措施將助燃風機工作噪聲控制低于85dB。

從風機產(chǎn)生噪聲的機理及特性看，風機噪聲主要包括: 進氣口和排氣口的空氣動力性噪聲; 電動機的電磁噪聲; 機殼、管路、電動機軸承等輻射的機械性噪聲。其中，以進、排氣口的空氣動力性噪聲最強。有源控制技術(shù)目前還未能完全應(yīng)用到實際，無源控制技術(shù)目前仍然是基本的應(yīng)用措施與手段，其根本途徑是對噪聲源的有效控制。在實際應(yīng)用中，對聲源或近場域進行控制是解決風機噪聲問題積極主動的發(fā)展方向^［9］。

風機無源噪聲控制的實現(xiàn)途徑是優(yōu)化風機結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)趨于成熟的方法有^［10］: ⑴增強葉柵的氣動力載荷，降低圓周速度; ⑵設(shè)計合理的蝸舌間隙和蝸舌半徑; ⑶蝸舌傾斜; ⑷葉輪出入口加紊流化裝置; ⑸葉輪上增設(shè)分流葉片; ⑹在動葉進出氣邊上設(shè)鋸齒形結(jié)構(gòu); ⑺在蝸舌處設(shè)置聲學共振器; ⑻在蝸殼內(nèi)設(shè)置擋流圈。

近場域噪聲控制方法是阻礙或切斷噪聲的傳播路徑^［10］。方法有: ⑴消聲控制噪聲，如在風機進氣口設(shè)置消聲器; ⑵隔聲控制噪聲，如在噪聲控制要求嚴格的區(qū)域設(shè)計風機房，將風機噪聲控制在一定范圍內(nèi); ⑶吸聲控制噪聲，通過在墻面或頂柵上飾以吸聲材料、吸聲結(jié)構(gòu)或在空間懸掛吸聲板(體) 吸收噪聲。

另外，在助燃風機出口與風管之間設(shè)計軟連接可以減弱助燃風機傳遞給風管的振動。

7  結(jié)論

確定熱風爐系統(tǒng)助燃風機工藝參數(shù)需遵循的原則是保證系統(tǒng)投資低、運行效率高、具備良好的環(huán)保效果，過程中需注意和把握以下5 點:

⑴風機全壓效率大于80%，效率越高節(jié)能潛力越大。

⑵風機實際運行效率受管道系統(tǒng)性能影響較大，兩者合理匹配才能發(fā)揮最佳效應(yīng)。

⑶風機出口壓力需要綜合考慮管道阻力、余熱回收裝置、熱風爐形式及當?shù)貧庀髼l件。

⑷采用“一拖二”變頻調(diào)速技術(shù)能有效降低風機運行功耗。

⑸選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化的風機及限制噪聲傳播是風機噪聲控制的主要方向。

參 考 文 獻:

［1］ 項鐘庸，王筱留． 高爐設(shè)計-煉鐵工藝設(shè)計理論與實踐［M］．北京: 冶金工業(yè)出版社， 2007．

［2］續(xù)魁昌．風機手冊［M］．北京: 機械工業(yè)出版社，1999．

［3］張云田．通風機節(jié)能創(chuàng)新的思考［J］．風機技術(shù)，2010(5) : 65-67．

［4］金雅玲，張云田．通風機的選型方法與節(jié)能措施［J］．輕金屬，1993(11) : 28-32．

［5］張云田．通風機應(yīng)用中不節(jié)能的若干問題［J］．風機技術(shù)，2010(1) : 54-61．

［6］ 徐常武，彭秀蔓．風機節(jié)能潛力分析及主要對策(一)［J］． 風機技術(shù)，2008( 1) : 63-69．

［7］中華人民共和國標準．GB50427-2008．高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)范［S］．

［8］ 陳續(xù)強，周玉蘭．高壓變頻器在熱風爐助燃風機上的應(yīng)用［J］．變頻器世界，2013(6) : 76-79．

［9］劉秋洪，祁大同．風機降噪研究的現(xiàn)狀與分析［J］．流體機械，2001，29(2) : 29-32．

［10］于清海，王輝．風機噪聲控制方法的研究［J］．礦山機械， 2006，34(8) : 34-36．