吴礼云，　梁高林，　凌　晨，　刘爱军，　马青松，　高剑波

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部，河北唐山０６３２００）

摘　要：系统地分析了５５００ｍ^３ 高炉入炉风量与ＡＶ１００－１７风机出口风量的特性关系。经过对高炉侧和风机侧多年运行数据的整理和筛选，综合考虑各种特殊情况，梳理出大量可靠的运行数据，通过对运行数据的统计分析得出了高炉侧风量、风压、富氧量、富氧率与风机侧冷风量、风压、放散量的变化关系趋势图。结合风机出厂前性能曲线与实际运行性能曲线的变化，指出了高炉富氧率的逐年提升对风机各工况点漂移、放散量增大的不利影响，针对分析的结果，从提高精准操作和节能改造等方面给出了系统解决问题的方案和方法。

关键词：高炉鼓风机；富氧率；送风特性；运行工况点；特性曲线

鼓风机是炼铁高炉的重要送风设备。风机的送风特性除了受风机本体气动性能、机械特性、调节方式的影响外，更重要的还受到用户端炼铁高炉入炉风量变化特性的影响^{［１－３］}，尤其高炉富氧率的大幅提升对鼓风机的热力性能、机械特性和冷风送出特性影响较大^［４］。

１　炼铁高炉入炉风量与风机出口风量的特性分析

首钢京唐目前有２座５５００ｍ^３ 大型高炉，配备３台ＡＶ１００－１７轴流式压缩机，送风方式为两用一备。高炉的送氧方式为鼓风机后加氧。高炉入炉风量的技术参数众多^{［５－７］}，本文仅研究与风机有关的风量、风压、富氧量和富氧率。随着２座高炉冶炼强度的逐年增加，富氧率不断提升，氧气使用量增大，高炉富氧量从最初投运时的１５０００提升至３５０００ｍ^３／ｈ，富氧率从２．０％提升至６．０％，高炉的送风压力从２０１１年开始逐年增大。炼铁高炉风量、风压、富氧量、富氧率的月度统计分析数据见表１。根据统计和分析，２０１６年高炉的富氧率升至５．５０％～６．１７％，风压从０．４６０增大至０．５１１ＭＰａ（ｇ）。

１．１　高炉入炉风量、风压、富氧率年变化趋势分析

根据２座高炉的入炉风量统计分析，得出２座高炉２０１６年的入炉风量、风压、富氧率年变化趋势，如图１～图３所示

从上述数据及图表分析得出，目前炼铁高炉入炉风量总体维持在８２００～８４００ｍ^３／ｍｉｎ，风压在０．４４３～０．４８３ＭＰａ（ｇ），平均富氧率为５．３％左右。从数据和趋势分析，剔除高炉检修、炉况不稳定等客观因素影响，高炉总入炉风量变化幅度在２．３％之内，相对稳定。风压变化幅度在８．２％左右，相对于风量变化幅度较大。２０１６年以来，２座高炉的富氧量总体变化幅度不大，平均富氧率维持在５．３％，富氧量为３３０００ｍ^３／ｈ，折合５５０ｍ３／ｍｉｎ。入炉风量剔除掉富氧量，实际入炉冷风量在７５５０～７　８５０ｍ^３／ｍｉｎ。

１．２　高炉鼓风机送风量的变化趋势分析

通过对全年风机出口风量、风压的数据筛选和统计分析，２０１６ 年风机平均运行风量为７８３９ｍ^３／ｍｉｎ，最大风量为８１１９ｍ^３／ｍｉｎ，最小风量为７５６０ｍ^３／ｍｉｎ；平均运行压力为０．４９８ ＭＰａ（ｇ），最大风压为０．５０５ＭＰａ（ｇ），最小风压为０．４９１ＭＰａ（ｇ）。最大风量、风压出现在夏季７、８、９三个月，说明冬夏两季空气中湿度的比重变化对风机出口参数的影响很大。２０１６年风机全年风量、风压变化趋势如图４所示。

１．３　高炉入炉风量与风机出口风量的数据分析

高炉的入炉风量全年比较稳定，在８２００～８４００ｍ^３／ｍｉｎ，剔除富氧，实际入炉冷风量为７５５０～７８５０ｍ^３／ｍｉｎ。风机出口冷风量在７５６０～８１１９ｍ^３／ｍｉｎ（含放风阀的放散部分），该数据为全年日累计及月累计的平均值，同时剔除了高炉检修的不利情况。以上数据比较充分地说明了风机的送出冷风量与高炉的入炉量是基本吻合的，大于部分为风机的放散量。

１．４　高炉入炉风压与风机出口风压的对比分析

高炉侧入炉平均风压为０．４７１ＭＰａ（ｇ），最大风压为０．４８３ＭＰａ（ｇ），最小风压为０．４５４ＭＰａ（ｇ）；风机侧出口平均风压为０．４９８ＭＰａ（ｇ），最大风压为０．５０５ＭＰａ（ｇ），最小风压为０．４９１ＭＰａ（ｇ）。从以上数据得出，风机出口平均风压高于入炉风压０．０２７ＭＰａ（ｇ），最大时高于０．０３７ＭＰａ（ｇ），说明风

机出口与入炉风压的压差主要用来克服管道阻力损失约３０ｋＰａ。

１．５　风机运行参数与设计参数的对比分析

ＡＶ１００－１７轴流式风机出厂设计值见表２。从表中数值可以看出，风机全年经济运行风量（Ｅ 点）为８５００ｍ^３／ｍｉｎ，风压为０．６３ＭＰａ（Ａ），而目前实际风机全年的运行点为７７００ｍ^３／ｍｉｎ，运行压力为０．６０ＭＰａ（Ａ），经济运行点漂移幅度为９．４％。在冬季运行时，风机设计高压运行参数为风量８２００ｍ^３／ｍｉｎ，风压０．６２ＭＰａ（Ａ）；实际风机冬季高压运行参数为风量７９００ｍ^３／ｍｉｎ，风压０．６１ＭＰａ（Ａ）。夏季风机设计高压运行参数为风量１００００ｍ^３／ｍｉｎ，风压０．６５ＭＰａ（Ａ）；实际风机夏季高压运行参数为风量８３００ｍ^３／ｍｉｎ，风压０．６２ＭＰａ（Ａ）。通过以上对比，风机实际的运行参数与设计工况无

论在夏季、冬季还是在全年，平均经济运行点均偏离较大，偏离度约１０％左右。

２　近年来鼓风机运行工况状态分析

轴流式压缩机的性能曲线示意图如图５所示。该图系统地示意了风机夏季、冬季以及全年的运行工况点的调节范围。首钢京唐３台ＡＶ１００－１７轴流式鼓风机自２００８年投产运行已满８年，风机整体运行稳定，防喘系统安全可靠，但随着炼铁高炉冶炼强度及富氧率的逐年增大，风机的运行工况已偏离经济运行点（Ｅ 点），尤其进入冬季运行，工况点（Ｄ１点）已进入窄流量、小角度的运行范围［８－９］，接近防喘曲线运行，造成两套液压放风门运行时无法完全关闭，冬季运行时放风阀小时平均开度在５％～８％，风量波动运行时开度达８％～１２％左右。

３　高炉富氧率的变化对风机送风特性的综合分析

　　２０１６年，风机在夏季、冬季和年平均经济运行的实际工况点具体偏离情况如图６中的Ａ′、Ｄ′和Ｅ′点。从实际运行点偏移情况分析，一方面，风机运行点距离喘振线较近，安全裕度不足，造成放风运行，风机效率下降。另一方面，随着高炉富氧率的逐年提升，氧气使用量增大，富氧量从最初的１５０００提升至３３０００～３５０００ｍ^３／ｈ，高炉的冶炼强度不断增强，送风压力从２０１１年开始逐年增大，据统计，到２０１６年高炉的富氧率升至５．５％～６．０％，风机在高压运行区时，风压从２０１１年０．５６０增大至０．６１１ＭＰａ（Ａ），但高炉的实际入炉风量并未增多，风量基本保持在平均８　２００～８　４００ｍ^３／ｍｉｎ，随着富氧量的不断增加，相应的冷风量逐年减小。２０１６年，平均冷风量减至７５５０～７８５０ｍ^３／ｍｉｎ，随着冷风量的减小，高炉送风压力的提升，导致风机的整体运行工况点从右向左移动，效率从高效区向外移动，运行线整体向左移动，风机运行的静叶角度从最初的３８°～５０°运行范围移动至３５°～４５°。尤其到２０１６年１２月２日，

高炉富氧率升至６．０％ 时，冷风量最小减至７１００ｍ^３／ｍｉｎ运行，风压在０．５９８ＭＰａ（Ａ）左右，风机进入３５°～４０°的小角度运行范围，风机已沿着防喘线边线运行，喘振阀开度平均在５％～７％，最大时开至８％～１２％，造成冷风放散增大，平均放散在

３００～５００ｍ^３／ｍｉｎ。

４　解决问题的措施与方法

综上所述，京唐ＡＶ１００－１７轴流式压缩机在设计时，风机整体送风能力偏大，随着富氧量的逐年递增，入炉风量富氧比例不断增大，导致风机送出的冷风量减小，风机全年经济运行点偏离设计值。解决上述问题的措施及方法主要有以下几个方面。

（１）回收利用放散冷风，避开风机在小角度的运行调节范围。通过对炼铁水冲渣系统和炼钢连铸雾化水系统所用压缩空气的品质、压力与风机送出冷风进行比较，富余的冷风可在以上系统回收利用。具体方法是在去炼铁高炉的冷风管道上外接旁路管道，将冷风引至炼铁冲渣水系统用于冲渣。冷风量大小由高炉侧主控室进行操控调节，可减少对风机侧操作的影响。目前，京唐已实施了管道改造，正在摸索运行操控方法，同时考虑将富余的冷风用于炼钢连铸雾化压缩空气系统的补充气体。

（２）增设旁路电动放风阀。利用小口径旁路阀减少放散量，实现精准操控，摸索液压防喘阀与电动放风阀的调配技术，以适应外部送风特性的变化要求。在冬季，由于风机处在小角度窄流量的调节范围，通过静叶角度的调整已无法满足风机的送风要求，风机操作工往往利用防喘阀的开启大小进行风量调节。因防喘阀与风机的各项保护如防喘振曲线、逆流保护、防阻塞线等连锁，操作时易造成放散量偏大。采用旁路电动放风调节，可以实现精准调节以适应高炉侧送风量的变化要求。

（３）采用高炉鼓风机前富氧和机后富氧组合技术提高富氧率。风机工况点偏移，送风量减少，主要由于机后富氧量及富氧率偏大造成风机放散。在满足高炉富氧率提升的前提下，尽量减少机后富氧的增加量，利用机前加富氧和机后加富氧的组合方法，可以提高风机出口送风特性的稳定性。机前富氧可在风机入口侧增加变压吸附制氧装置。氧气与空气在风机入口混合后被吸入增压，混有一定比例富氧的冷风与机后富氧共同完成高炉的送氧要求。由于机后富氧量的减少，大大缓解了氧气对风机出口送风量及压力的影响。

（４）对风机本体结构进行优化性的节能改造。采取优化设计对其静叶承钢、调节缸、动静叶片等进行系统优化改造。通过改变风机的有效流道几何尺寸^{［８－９］}，将风机年平均工况流量由原设计的８５００减小到７５００ｍ^３／ｍｉｎ，冬季运行时静叶角最小开度由原３５°调整到４８°，提高压力裕度，保证风机运行时放风阀全关，彻底解决风机目前低效率^{［１０－１２］}、小角度、窄流量调节的运行状态。由于系统改造成本高、技术复杂，往往改造前需对风机的气动性能、结构本体、转子动力及强度各个方面进行全新的设计。所以改造前需准确地提供风机的实际运行参数和高炉所需的入炉风量参数的科学匹配性，并作出经济性分析，方可执行改造方案。

（５）综合提高操控与管理人员对风机送风特性受富氧率变化的认识，掌握风机出口送风特性与外部管网送风特性的匹配关系^［１３］，合理调整风机的运行角度并通过精准操控调节工况点以适应外部送风特性的要求，减少风机的放散量。

５　结论

（１）通过对高炉侧与风机侧大量送风数据的综合分析，得出了风机侧送风量与高炉侧入炉风量的特性关系，指出了富氧量及富氧率的提升对风机侧冷风量的不利影响。

（２）以风机初设时的运行工况点、性能曲线为基础，与风机实际运行工况点进行对比，分析得出了风机在不同季节和年平均经济运行区域内工况点出现飘移、冷风放散率增大、运行效率下降以及能耗增加的本质原因，为进一步解决问题作出了全面的剖析和准确的关系梳理。

（３）系统地提出了解决问题的方案和具体措施，为今后风机的气动设计、节能改造、经济运行，提供了可靠的理论与实践的技术支持。

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