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摘要: 詳細(xì)介紹了熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涉及不同條件下的助燃風(fēng)機(jī)配置，以及根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線、風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量、風(fēng)機(jī)出口壓力進(jìn)行設(shè)備選型。此外，還介紹了根據(jù)實(shí)際工況對(duì)風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)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(jìn)環(huán)保。
關(guān)鍵詞: 助燃風(fēng)機(jī); 變頻; 熱風(fēng)爐風(fēng)機(jī)
1 引言
熱風(fēng)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?zé)犸L(fēng)，為高爐生產(chǎn)節(jié)焦降耗提供物質(zhì)條件。熱風(fēng)爐以凈高爐煤氣為主要燃料，由獨(dú)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(guò)燃燒器混合后燃燒。熱風(fēng)爐的助燃空氣系統(tǒng)一般由助燃風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)出口切斷閥、空氣放散閥、助燃空氣管道、管道補(bǔ)償器、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥及助燃空氣切斷閥等組成，當(dāng)對(duì)助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，還包括換熱器及相應(yīng)的切斷閥門等設(shè)備。其中，助燃風(fēng)機(jī)是系統(tǒng)的物質(zhì)源和動(dòng)力源。
2 助燃風(fēng)機(jī)的配置數(shù)量
早期的熱風(fēng)爐系統(tǒng)大多采用分散送風(fēng)，即每座熱風(fēng)爐單獨(dú)由1 臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)送風(fēng)。隨著高爐向大型化方向發(fā)展，配套的助燃風(fēng)機(jī)設(shè)備能力也相應(yīng)增大，分散送風(fēng)方式隨之出現(xiàn)大容量電機(jī)頻繁啟動(dòng)及噪音等問(wèn)題。為便于生產(chǎn)管理及設(shè)備安全運(yùn)行，現(xiàn)代設(shè)計(jì)的熱風(fēng)爐系統(tǒng)普遍采用集中送風(fēng)方式［1］。
集中送風(fēng)方式一般配置2 臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)，采用一用一備的方式生產(chǎn)，助燃風(fēng)機(jī)出口輸出的經(jīng)過(guò)加壓的空氣先經(jīng)助燃空氣總管送至各熱風(fēng)爐跟前，再通過(guò)助燃空氣支管與各熱風(fēng)爐燃燒器連通。對(duì)于特大型高爐的熱風(fēng)爐系統(tǒng)，如5000 m3級(jí)高爐，助燃空氣使用量可達(dá)到220 000 Nm3 /h，如采用2 臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)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(hù)難度高，另一方面造成備用風(fēng)機(jī)極大的設(shè)備能力閑置，投資成本高，間接形成浪費(fèi)。根據(jù)此種情況，特大型高爐的熱風(fēng)爐系統(tǒng)可以配置3 臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)，采用兩用一備方式生產(chǎn)。對(duì)于某些改造型項(xiàng)目，新增的助燃空氣用量超出了原助燃風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能力，在現(xiàn)場(chǎng)布置允許的情況下，也可以采取新增1 臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)以滿足用量需求，從而形成兩用一備的格局。集中送風(fēng)方式下，按兩用一備配置風(fēng)機(jī)時(shí)，兩臺(tái)工作風(fēng)機(jī)并聯(lián)送風(fēng)。
3 助燃風(fēng)機(jī)設(shè)備選型
熱風(fēng)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(fēng)機(jī)分類方法，助燃風(fēng)機(jī)屬于離心式通風(fēng)機(jī)。助燃風(fēng)機(jī)設(shè)備選型的參照有性能曲線、風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量和風(fēng)機(jī)出口壓力。
3．1 性能曲線
⑴ 風(fēng)機(jī)性能曲線［2］。
常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)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(diǎn)處表示流量最大的工況點(diǎn)，稱為臨界工況。當(dāng)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)在曲線上K 點(diǎn)左側(cè)時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)出口流量增大，風(fēng)機(jī)出口壓力提高，此時(shí)風(fēng)機(jī)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài); 當(dāng)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)在曲線上K 點(diǎn)的右側(cè)時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)出口流量增大，風(fēng)機(jī)出口壓力下降，此時(shí)風(fēng)機(jī)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。Q-η曲線上A 點(diǎn)是風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在該點(diǎn)附近時(shí)，風(fēng)機(jī)則處于最高效的運(yùn)行狀態(tài)。通常運(yùn)行( 使用) 效率大于80%的稱為節(jié)能風(fēng)機(jī)［3］。一般而言，前向葉片風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)不易得到高壓力，體積較大，但效率相對(duì)較高，可達(dá)80～90%［4］。
在確定風(fēng)機(jī)工況運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量和風(fēng)壓后，對(duì)于目標(biāo)風(fēng)機(jī)而言，由工況流量和工況壓力所確定的點(diǎn)必須落在其Q-H 曲線上臨界點(diǎn)K 的右側(cè)，并且與工況流量對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)效率應(yīng)在Q-η曲線的最高效率點(diǎn)附近，不得低于最高效率90%，由此選定的風(fēng)機(jī)才能在實(shí)際工況下穩(wěn)定高效地運(yùn)行。
⑵ 管道系統(tǒng)性能曲線［2］。
風(fēng)機(jī)在工作中的實(shí)際狀態(tài)除與風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)在系統(tǒng)中的作用就是將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能和動(dòng)能，從而克服氣體流動(dòng)時(shí)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(fēng)機(jī)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(duì)應(yīng)的壓力。當(dāng)風(fēng)機(jī)在性能曲線上B 點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)流量為QB，風(fēng)機(jī)出口壓力為PB;此時(shí)，在管網(wǎng)系統(tǒng)中輸送流量為QB的氣體需要克服管道阻力而要求的氣體壓力為PC。由于PC＞PB，風(fēng)機(jī)的出口流量將不斷減小直至QA，此時(shí)PC= PB=PA，風(fēng)機(jī)傳遞給氣體的能量與管道阻力達(dá)到平衡，通過(guò)自調(diào)節(jié)的平衡過(guò)程，風(fēng)機(jī)將在A 點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。
上述的平衡過(guò)程即是助燃風(fēng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量的理論依據(jù)，對(duì)于工頻運(yùn)行的助燃風(fēng)機(jī)主要通過(guò)改變管網(wǎng)系統(tǒng)曲線來(lái)控制風(fēng)機(jī)流量。風(fēng)機(jī)進(jìn)出口連接管不規(guī)范會(huì)造成風(fēng)機(jī)內(nèi)效率顯著降低，如BM75 /1200型單吸離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)口直接裝90°彎管時(shí)，全壓內(nèi)效率降低12%; 雙吸入離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)口如只裝彎管不裝導(dǎo)流片時(shí)，兩側(cè)進(jìn)風(fēng)量相差18%，額定風(fēng)量下降20%，全壓效率下降［5］。風(fēng)機(jī)進(jìn)口前面不接管，臨近無(wú)障礙物，就可以認(rèn)為合理。如果接管道，則要求進(jìn)口前有一段長(zhǎng)度不小于2．5De( De 為進(jìn)口當(dāng)量直徑) 的直管段。改善風(fēng)機(jī)出口條件的最好辦法是接一段長(zhǎng)度不短于2．5De 的直管段，如必須接彎管，在其中加裝導(dǎo)流葉片是一個(gè)好辦法［6］。
3．2 助燃風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量
助燃風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量由熱風(fēng)爐燒爐期間所需助燃空氣量決定，根據(jù)熱風(fēng)爐燃燒計(jì)算確定。為保證煤氣完全燃燒，助燃空氣實(shí)際用量要大于理論用量，其比值即空氣過(guò)剩系數(shù)。不同燃料種類所需要的空氣過(guò)剩系數(shù)見(jiàn)表1。
考慮熱風(fēng)爐燒爐過(guò)程對(duì)助燃空氣用量需求的變化及風(fēng)機(jī)系統(tǒng)性能不佳的可能性，在計(jì)算的平均值上乘以1．1～1．2 的系數(shù)作為助燃風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量的參考值。助燃風(fēng)機(jī)按兩用一備配置時(shí)，兩臺(tái)并聯(lián)的助燃風(fēng)機(jī)的組合流量－壓力曲線是將相同壓力下的每臺(tái)風(fēng)機(jī)的體積流量相加得出［2］。
3．3 助燃風(fēng)機(jī)出口壓力
確定助燃風(fēng)機(jī)壓力時(shí)，應(yīng)由包括余熱回收裝置在內(nèi)的系統(tǒng)流路阻損的計(jì)算確定。在《GB 50427-2008 高爐煉鐵工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了各級(jí)別高爐的熱風(fēng)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(fēng)爐自身預(yù)熱方式，鞍鋼新2#高爐和鞍鋼新3#高爐采用蓄熱式熱風(fēng)爐預(yù)熱助燃空氣方式，這4座高爐熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)壓力均為15kPa。
目前，熱風(fēng)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(fēng)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(fēng)爐組以格子磚為蓄熱體，助燃風(fēng)機(jī)出口壓力設(shè)計(jì)為約12kPa，而某450m3高爐配套的熱風(fēng)爐組以耐火球?yàn)樾顭狍w，其助燃風(fēng)機(jī)出口壓力設(shè)計(jì)為15kPa。
4 風(fēng)機(jī)參數(shù)換算
按照風(fēng)機(jī)樣本選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)使用地的氣壓、溫度、氣體密度與風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)條件不一致，此時(shí)需要對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓及軸功率參數(shù)進(jìn)行換算，以得到風(fēng)機(jī)使用地實(shí)際工況條件下的性能參數(shù)。參數(shù)換算如下:
⑴ 實(shí)際風(fēng)量Q1。
式中: Q0－標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需的風(fēng)量，m3 /h; P0－標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)定義的氣體壓力，1．01×105 Pa; P －風(fēng)機(jī)使用地的大氣壓力，Pa; t－風(fēng)機(jī)使用地的空氣溫度，℃。
⑵ 風(fēng)機(jī)出口的實(shí)際全壓Pt1。
式中: Pt0－風(fēng)機(jī)樣本性能表給出的風(fēng)機(jī)出口全風(fēng)壓，Pa; ρ1 －風(fēng)機(jī)工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)氣體密度，1． 20 kg /m3 ; ρ0－風(fēng)機(jī)樣本給出的測(cè)試條件下的大氣壓力，kg /m3。
⑶ 實(shí)際軸功率N1。
式中: N0－風(fēng)機(jī)樣本性能表給出的風(fēng)機(jī)軸功率，kW; ρ1－風(fēng)機(jī)使用地的空氣密度，kg /m+ ; ρ0－風(fēng)機(jī)工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)氣體密度，1．20 kg /m3。
5 變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用
熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)以工頻運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，風(fēng)機(jī)運(yùn)行對(duì)外做功的能量一部分消耗在風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門擋板上，或是對(duì)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(yùn)行成本，是熱風(fēng)爐系統(tǒng)節(jié)能降耗的一個(gè)著力點(diǎn)。
風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變風(fēng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于計(jì)算的管網(wǎng)特性與實(shí)際管網(wǎng)特性之間的出入、風(fēng)機(jī)選型考慮的裕量以及實(shí)際生產(chǎn)需求的變化等等原因造成風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率偏低，可觀的能量消耗在入口風(fēng)門及放空排放，造成能源浪費(fèi)。根據(jù)某廠助燃風(fēng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，助燃風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)每小時(shí)消耗功率487．2 kW，改造后助燃風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，其每小時(shí)消耗功率降至341． 28 kW，節(jié)能效率約30%［8］。
熱風(fēng)爐系統(tǒng)的2 臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)噪聲控制
根據(jù)國(guó)家《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)車間和作業(yè)場(chǎng)所的工作地點(diǎn)的噪音標(biāo)準(zhǔn)為85dB。由于助燃風(fēng)機(jī)壓力高以及設(shè)備大型化，助燃風(fēng)機(jī)工作噪聲超過(guò)了規(guī)定的噪聲值，需要采取相應(yīng)的降噪措施將助燃風(fēng)機(jī)工作噪聲控制低于85dB。
從風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲的機(jī)理及特性看，風(fēng)機(jī)噪聲主要包括: 進(jìn)氣口和排氣口的空氣動(dòng)力性噪聲; 電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲; 機(jī)殼、管路、電動(dòng)機(jī)軸承等輻射的機(jī)械性噪聲。其中，以進(jìn)、排氣口的空氣動(dòng)力性噪聲最強(qiáng)。有源控制技術(shù)目前還未能完全應(yīng)用到實(shí)際，無(wú)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(duì)噪聲源的有效控制。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)聲源或近場(chǎng)域進(jìn)行控制是解決風(fēng)機(jī)噪聲問(wèn)題積極主動(dòng)的發(fā)展方向［9］。
風(fēng)機(jī)無(wú)源噪聲控制的實(shí)現(xiàn)途徑是優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)趨于成熟的方法有［10］: ⑴增強(qiáng)葉柵的氣動(dòng)力載荷，降低圓周速度; ⑵設(shè)計(jì)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(dòng)葉進(jìn)出氣邊上設(shè)鋸齒形結(jié)構(gòu); ⑺在蝸舌處設(shè)置聲學(xué)共振器; ⑻在蝸殼內(nèi)設(shè)置擋流圈。
近場(chǎng)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(fēng)機(jī)進(jìn)氣口設(shè)置消聲器; ⑵隔聲控制噪聲，如在噪聲控制要求嚴(yán)格的區(qū)域設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)房，將風(fēng)機(jī)噪聲控制在一定范圍內(nèi); ⑶吸聲控制噪聲，通過(guò)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(fēng)機(jī)出口與風(fēng)管之間設(shè)計(jì)軟連接可以減弱助燃風(fēng)機(jī)傳遞給風(fēng)管的振動(dòng)。
7 結(jié)論
確定熱風(fēng)爐系統(tǒng)助燃風(fēng)機(jī)工藝參數(shù)需遵循的原則是保證系統(tǒng)投資低、運(yùn)行效率高、具備良好的環(huán)保效果，過(guò)程中需注意和把握以下5 點(diǎn):
⑴風(fēng)機(jī)全壓效率大于80%，效率越高節(jié)能潛力越大。
⑵風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)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(fēng)機(jī)出口壓力需要綜合考慮管道阻力、余熱回收裝置、熱風(fēng)爐形式及當(dāng)?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(fēng)機(jī)運(yùn)行功耗。
⑸選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化的風(fēng)機(jī)及限制噪聲傳播是風(fēng)機(jī)噪聲控制的主要方向。
