国内首台大型高炉鼓风机（程华）

分类号： 学校代号：密级： 学 号：东 北 大 学硕 士 学 位 论 文国内首台大型高炉鼓风机成功运用的技术研究学生姓名： 程华导师及职称： 李鹤学科门类： 工学专业名称： 机械工程研究方向：申请学位级别： 硕士论文答辩日期： 年 月 日学位授予单位： 东北大学摘 要I摘 要为适应国家节能减排的需要，急待研制和操控高效节能新型风机，淘汰低效耗能高的旧风机。本课题通过对大型高炉透平式压缩机实物的剖析，进行系统的消化、吸收、引进自动控制技术的先进设计思想，从而为更加科学、全面、准确地掌握国外先进技术，满足我国国民经济发展对大型高炉透平压缩机自行制造技术提升之迫切需要，缩小我国大型高炉鼓风机运用技术与国外先进技术的差距，奠定良好的技术基础。近几年来我国风机行业已研制一系列高效新式大型透平式风机，特别是随着引进技术的不断消化与完善，使国产 40005850m3 大型高炉鼓风机在高效节能、安全可靠性方面达到国际先进水平。风机组合化和自动化的研究。前者是以降低制造成本、缩短制造周期为发展方向；后者以方便操作和维护，提高风机使用效率，首钢迁钢 AV100-18 型高炉鼓风机机组的系统普遍利用工业控制计算机、可编程控制器和测控模块，结合组态软件来实现安全的可靠的生产控制。大型透平式压缩机的运行工况的安全、稳定、高效是用户最终追求目标，其运行经济性的两大因素，首先要选择高效、调节范围宽的鼓风机，充分利用鼓风机性能范围和特点、合理提供的鼓风机运行工况点参数及其工况参数范围，使机组释放出最大潜能，对其运行性能耗指标不断提升，对大型鼓风机的驾驭能力不断提高，使其运行工况不断优化。关键词：大型；透平式压缩机；可操控性；控制技术；安全；高效大 连 交 通 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文IIAbstractIn order to meet the national energy-saving need, we urgently concentrated force on development and controling new efficient energy saving fans, eliminated the old fans of high energy consumption and low efficiency. This subject analysis on practicality of the large blast furnace turbine compressor, put up systematization of digestion and absorption introduced advanced design ideas of automatic control technology , so as to grasp advanced foreign technology more scientific, comprehensive and accurate, then meet imperious need of Chinas national economic development on large turbine compressor control of blast furnace technology to enhance ,cut down the difference between the exertion of technology of our country large blast furnace blower and the foreign advanced technology ,this lays good foundation. In recent years Chinas fan industry has developed a series of highly efficient new large turbine fan, especially as the continuously digestion and improvement of introduced technology, make domestic large blast furnace blower of 4000 5850m3 reached the international advanced level in aspects of high efficiency and energy saving, safety and reliability.Research on Fan combination and automation. The former is to reduce manufacturing costs, shorten the manufacturing cycle for the direction of development; the latter with convenient operation and maintenance, increase the fan efficiency, the system of Shougang qianan steel AV100-18 type blast furnace blower unit, generally used industrial computer, programmable controller and control module, combination of configuration software to realize safe and reliable production control.The ultimate goal of users pursuit is operation safe, stable, efficient of the large turbine compressor, the two economic factors is, first of all to chose high efficiency , wide adjusting range of the blower, make full use of blower performance range and characteristics, to provide reasonable blower operation parameters and working parameters, make the unit releases maximum potential, continue to improve its economic operation to reduce the energy consumption indicators, to rises ceaselessly the large blower control ability, make its operation condition optimize.Key Words：large scale; turbine compressor; maneuverability; control technology;safty;high efficienc东 北 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文III目 录摘 要 .IAbstract II目 录 .III第一章 绪 论.11.1 国内外透平式压缩机技术研究和发展现状11.1.1 国内透平式压缩机研究和发展现状.21.1.2 国外透平式压缩机的研究和发展现状.41.2 大型透平式压缩机应用的背景61.2.1 开发大型高炉鼓风机的意义71.3 本课题的意义8本章小结.9第二章 大型透平式压缩机结构数据的技术研究.102.1 轴流压缩机技术性能及机组布局102.2 全静叶可调轴流压缩机结构特点102.2.1 压缩机壳体及热膨胀.102.2.2 叶片承缸.112.2.3 调节缸.112.2.4 转子及动静叶片.122.2.5 压缩机密封系统.142.2.6 轴承箱座及轴承.142.2.7 平衡管道162.2.7 主油泵及伺服马达182.2.7 压缩机外形尺寸、相关数据及结构图182.3 压缩机辅助设备20本章小结.23第三章 鼓风机控制系统介绍.243.1 计算机控制系统简介.243.2 可编程控制器的产生与发展.253.3 鼓风机控制系统.26目 录IV3.4 计算机控制系统总体结构介绍.353.5 PLC 系统结构设计 383.6 透平式压缩机控制系统人机界面.393.7 透平式压缩机特性曲线介绍.44本章小结.46第四章 大型高炉鼓风机实际运行工况的优化.474.1 压缩机运行工况特性.484.2 机组启动操作说明.504.3 运行工况的实际操作.504.3.1 机组定风量、定风压的控制操作514.3.2 动力油站控制514.3.3 润滑油站控制524.3.4 防喘操作控制534.3.5 风机性能试验534.4 压缩机常见故障检查及排除.54本章小结.55参考文献：.56致 谢.58第 一 章 绪 论1第一章 绪 论透平式压缩机是一种叶片式旋转机械，可以满足工业上对气体压缩的各种需要，应用范围广，科学技术的飞速进步，热力学、气体动力学、机械动力学、计算机和现代控制等学科的新成就和一些新技术的运用，透平式压缩机研究成果日新月异。随着中国经济的快速发展，以及国家节能减排、经济持续发展的国家战略需求，高炉大型化趋势越加明显。近几年来，中国 40005850m3 大型高炉陆续建成 15 座以上。大型轴流式鼓风机是大型高炉的核心动力供风设备，其安全可靠、高效节能是用户和制造厂家追求的主要目标。随着现代制造技术的采用，透平式工业压缩机的热力性能和可靠性提高，尽管尚有一些问题亟待解决，还有许多课题需要进一步研究，至今压缩机技术已达到一个比较完善的程度。为了掌握并不断完善这种机械，需要大量懂得有关现代科学技术，掌握透平式压缩机结构、原理、设计与研究方法的工程技术人员从事该设备的设计、开发、操作运行和管理。1.1 国内外透平式压缩机技术研究和发展现状透平式压缩机用途较为广泛，特别是在冶金行业、化工企业（合成氨、尿素、甲烷、乙烯、复合肥料等）、石油精炼（重整、催化裂化、润滑剂生产等）、天然气（输气工程、天然气液化等）以及空气分离、氧气站等部门中的应用越来越广泛，已经成为这些企业的关键设备，透平式压缩机的主要优点是单机容量大、重量轻、体积小、结构紧凑、润滑油耗用量小，为生产大型化提供必要条件 3。大型轴流式压缩机是冶金行业动力的核心，在高炉冶炼中起到至关重要的角色，轴流式鼓风机由三层缸体（外壳、静叶调节缸、静叶承缸：静叶承缸上装有叶片，在运行中该叶片可以进行角度的适当调节，以满足用户对风量和风压的需求），进口圈、扩压器、转子、轴瓦五个主要部分组成，进口圈主要是使进入机组的气流适当加速，以保证气流具有均匀的速度场和压力场，静叶承缸和转子上装有叶片，它是轴流式压缩机对气体做功的唯一元件，转子高速旋转，带动叶片对气体做功，使气体在机组内部的速度和压力都提高 1。扩压器把经过压缩的高速，具有一定压力的气体进行均匀的减速并进一步提升气体压力。轴瓦包括推力轴瓦和支撑轴瓦，除起到润滑降温作用外，还起到平衡机组运行中产生的轴向力和径向力。轴流压缩机的静叶调节方式可划分为全静叶可调、不可调及部分可调三种形式。由于调节方式的改变，会在压缩机的气动性能和结构上产生很多东 北 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文2变化，给设计者在设计思路上带来更大的灵活性。静叶调节方式对压缩机结构和性能的影响，是今后轴流压缩机的气动设计工作的重点研究方向。1.1.1 国内透平式压缩机研究和发展现状我国透平式压缩机制造业经历了从无到有的迅速发展,除了各大汽轮机厂外,还有许多鼓风机专业生产厂,如沈阳鼓风机厂、陕西鼓风机厂、上海鼓风机厂、武汉鼓风机厂等可以生产各种规格的工业透平式压缩机。透平式压缩机的理论研究、设计工作都取得了很大的进步，除了自行设计，还从国外引进技术，推动我国透平式压缩机事业的发展。早期，沈阳鼓风机厂从意大利新比隆引进了 MCL（水平剖分型）、BCL（筒型）和 PCL（输气管线型）三种系列压缩机技术之后，又从日本引进了 DH 系列压缩机，陕西鼓风机厂从瑞士苏尔寿公司引进轴流式压缩机技术，生产 A 系列（静叶不可调）和 AV 系列（静叶可调）多种规格轴流式压缩机。后来，我国又相继从国外引进了一些先进机型和技术，缩短了国内和国外的差距。目前我国从通风机、鼓风机到高压离心式压缩机、各种规格的轴流式压缩机都能生产，并为了进一步发展打下了坚实的基础 3。国内一些有代表性的企业已在透平压缩机和大型通风机科技制造中，普遍采用三元流动设计和计算机辅助设计及辅助制造。“九五”将重点发展大型电站、矿井风机、40 万吨/年乙烯用“裂解三机”，30 万吨/年合成氨和 52 万吨/年尿素装置用五大透平压缩机组、500 万吨/年常减压炼油装置和 4000 立方米高炉用轴流压缩机， 10000 千瓦以上的大型炼厂尾气和高炉余压回收装置；提高电厂锅炉引风机动叶片的耐磨性能、延长寿命；对于量大面广的通风机，以高效节能和低噪声为发展方向，改进风机设计和采用措施扩大调节范围，提高变负荷条件下风机效率即运行效率；进一步完善和推广湿式高炉余压回收透平装置，开发干式高炉余压回收装置 21。近几年来，中国 40005850m3 大型高炉陆续建成 15 座以上。大型轴流式鼓风机是大型高炉的核心动力供风设备，其安全可靠、高效节能是用户和制造厂家追求的主要目标。陕西鼓风机厂异军突起，成为国内轴流压缩机的领跑者，其轴流压缩机技术达到或接近国际先进水平，在国内轴流压缩机市场上占有率达 95%以上，并出口国外。为满足 40005850m3 大型高炉鼓风机高可靠性、高性能要求，创造民族工业品牌，替代进口，从 2005 年开始，陕西鼓风机厂抓住国家鼓励大型国有企业自主创新的机遇，不断对其产品技术攻关，将“40005850m3 大型高炉鼓风机及能量回收透平技术产业化”作为重大项目进行技术攻关项目，成立了大型技术攻关团队，广泛利用社会资源，采取自行研发和与国内高校、研究院所的联合攻关，开发新技术、新工艺，提高大型第 一 章 绪 论3高炉鼓风机的技术水平和可靠性，进行大型设备的升级和改造，提升加工能力 16。经过几年的努力，国产大型高炉鼓风机技术取得长足进步，在高可靠性和高性能上达到国际先进水平。目前国内较先进的轴流压缩机有两大系列，AV 型全静叶可调系列和 A 型静叶固定变转速系列。型号有 40、45、50、56、63、71、80、90、100、106、112、125、140等，流量可以覆盖 85017500Nm3/min；级数 2 22，压力（比），可以覆盖1.29。该系列型号 AV100 和 AV106 完全可以满足 40005850m3 大型高炉鼓风要求，且技术成熟。陕西鼓风机厂已经设计制造 AV100 大型轴流压缩机 14 台套，最大级数为 22，压力比达到 911。应该说，透平式压缩机无论是在性能上还是在安全可靠性上都获得的很大的提高，高炉大型化趋势越加明显，国产大型高炉鼓风机的技术是成熟的。目前在国内的 40005850m3 大型高炉鼓风机组，主要有德国的 MAN 透平公司、日本的三井、中国的陕鼓三家之间竞争，较早和前期主要为 MAN 与三井两家竞争。MAN 与陕鼓几乎为同一技术，型号为 AV100 到 AV106，级数为 1719，采用等轮毂直径，采用铸造机壳或焊接机壳，轴向进气或径向进气/ 径向排气，全部静叶可调，鼓风机与电机同为 3000r/min，采用直联方式（无齿轮箱）。日本三井公司型号 MA160，级数在 15 级左右，采用等外径转子，焊接机壳，径向进气/径向排气，全静叶可调，压缩机与电机直联。目前在国内使用的最大高炉鼓风机为首钢（曹妃甸）5750m3 高炉鼓风机，电机功率为 60000kW。21 世纪后期，冶金行业不断发展壮大，全球经济处于迅速增长阶段，大型高炉鼓风机技术的发展，不断被推进、研发，高炉鼓风机组的安全性、稳定性和可靠性，不断被关注。目前国内鼓风机企业在提高大型高炉鼓风机可靠性上，给与了较大的研发投入，并取得令人可喜的成绩，国产鼓风机的优势主要体现在以下几个方面 3：（1）新型叶片叶根的开发，提高安全性叶片直接关联到轴流压缩机的安全可靠性。叶片叶根是叶片承受拉应力最大的地方，同时还承受交变气动弯曲应力，是叶片安全的薄弱环节。为降低应力、提高其安全性，国内技术人员在原有技术的基础上，开发了一种新型“低边齿”叶根，增大叶片受力面积，降低应力 812%，使叶片的安全可靠性大幅度提升，40005850m3 大型高炉鼓风机组可靠运行得到极大的加强。采用该技术，使叶片强度高于同类国际先进的工业用亚音速轴流压缩机。（2）叶片加工工艺改进，提高叶片加工精度从上世纪 80 年代到 2007 年，国内大多数企业的轴流压缩机的叶片加工经历了外协加工、仿形铣、五坐标叶片加工机床等三个阶段，叶片精度逐步的提高。即便采用先进的五坐标机床加工，由于加工工艺原东 北 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文4因，在不同机床加工同样规格的叶片分散度仍然较大。同规格叶片的分散度较大，将导致叶片振动频率分散度较大，从而导致叶片存在振动安全隐患。为进一步提升安全安全性，缩小同规格叶片分散度，陕鼓研发了特定的加工工艺方法，保证了同规格叶片分散度大幅度降低，从而保证了叶片和压缩机组安全性得到跨越式提升。（3）结构紧凑设计，缩短轴向长度，减小转子重量，降低转动惯量 2000 年左右，由于叶片精度和加工分散度等因素影响，为保证机组运行的安全可靠性，国内轴流风机的龙头企业陕鼓设计与 MAN 同样条件、同样型号、同样级数的轴流压缩机，往往长度要增加 1m 左右，同时转子重 13 吨，转子转动惯量大 1015% 。在叶片加工精度和分散度控制精度提高的基础上，陕鼓在压缩机的气动技术和结构上进行进一步优化，实现轴向长度、转子重量、转动惯量与 MAN 处于同一水平。（4）开发应用先进可靠的配套设备，保证机组运行更为可靠 鼓风机组的配套设备的技术水平和质量，时常影响机组运行的稳定性和可靠性。也有不少由于配套设备而影响机组正常运行的实例。（5）开发机组远程故障监测和诊断分析系统 任何先进的旋转机械系统都有出现各种故障的可能性。在出现故障的时候，用户都急迫希望能够快速查找鼓风机组故障原因并及时处理、消除故障。特别对于 40005850m3 大型高炉鼓风机组用户，一旦出现故障，不能及时消除、处理故障，不仅仅影响用户的生产任务指标完成，甚至影响大型高炉被冷凝的铁水凝固报废，经济损失巨大。远程故障监测和诊断系统的不断开发利用，被授权的用户和专家可以对机组的轴振动、轴位移、轴承温度等一系列转子动力学稳定性关联参数进行实时的远程监测，有关专家对在出现故障前兆的参数进行分析、及时预警；对出现故障的情况下，专家将不在用户现场的情况下，可以根据前期运行参数，进行故障诊断，提出合理的解决方案或思路，从而为用户处理故障赢得宝贵的时间。1.1.2 国外透平式压缩机的研究和发展现状在国外，为满足工程装置大型、连续化要求，在透平压缩机上普遍采用了三元流动理论，使产品实现高效率，采用旋转气体密封、气体轴承、磁力轴承等技术，以提高转速，减小结构尺寸，日本神户制钢所、美国英格索兰公司已成功地研制出这种产品。由于风机的大型化和高速化使噪声问题更为突出，国外正加紧致力于降低噪声的研究，今年来采用主动声源控制法降低通风机旋转噪声已获成功 1。为适应多变市场，第 一 章 绪 论5一些公司正致力于实现 CIMS，这一技术应用，更为推动风机、压缩机向高效、大容量方向发展。此外，一些先进的制造工艺(如：电子束焊接)逐步在风机制造中采用 11。风机行业已在透平压缩机和大型通风机设计制造中，普遍采用三元流动设计和计算机辅助设计及辅助制造。实用透平式压缩机在工业上的出现始于 20 世纪 30 年代后期,在 19 世纪末就有人提出过多级轴流式压缩机的概念,不少人为此做出过很大努力,但是都因效率低而未能获得推广,英国的 CA帕尔森根据轴流式透平的经验将多级反动式透平反转，得到第一台实验用轴流式压缩机，显然这种忽视压缩机和透平的重要区别的做法，必然导致压缩机效率低下。后来他又利用透平叶型试制了一些轴流式压缩机，都因为效率低下（小于 50%）而未能被推广。从 20 世纪 30 年代开始，由于航空事业的发展需要，对航空燃气轮机进行了大量的理论和试验研究，使轴流式压缩机不断完善，提高了效率。1934 年瑞士的 BBC 首次为了超声速风洞制造了第一台多级轴流式压缩机，效率达 84%。从 20 世纪 40 年代开始，轴流式压缩机已广泛应用于航空燃气轮机中，迄今仍占有很重要的地位。现代轴流式压缩机效率可高达 86%90%以上，除航空发动机外被广泛应用于发电燃气透舰用燃气透平和机车燃气透平装置中 9。随着钢铁、石油、化工等企业不断大型化，轴流式压缩机在这些领域也获得的较大发展，特别从应用于高炉鼓风以来，一直被各国所重视和发展，为改善低负荷性能，1960 年瑞士 BBC 制造了第一台静叶可调轴流式高炉鼓风机，随后世界许多厂家在这方面都做了许多工作，使得静叶可调轴流式压缩机已成为高炉鼓风机的主要机型。目前轴流式压缩机在流量为 30025000m3/min,排气压力为（340）10 5Pa 的范围内得到广发应用。近十年来，在经济全球化和激烈竞争的背景下，国外离心压缩机制造业也经历了不断的并购重组。2000 年，日本 EBARA 公司购买了美国 ELLIOTT 公司的全部股份，组建了 ELLIOTT-EBARA 透平机械公司。2001 年，德国 MAN 集团重组了 GHH BOSIG 和苏尔寿，形成了曼透平 MANTURBO 公司； SIEMENS 并购了 DEMAG DELEVAL 公司，重组为 SIEMENS 透平机械部。 1994 年以来， GE 并购了新比隆、AC 等压缩机制造厂，成为压缩机行业的领先企业。经过重组整合，过去一些著名的压缩机制造企业，如苏尔寿、DEMAG、GHH 等都改换了门庭，国外大型离心压缩机制造商形成 GE、SIEMENS、MAN TURBO、 MHI、DRESSER-RAND 和 ELLIOTT-EBARA 等大型离心压缩机集团企业 2。美国德莱赛兰公司是世界上最大的压缩机制造公司之一。公司及其在世界各地的附属公司和联营公司拥有十家生产厂和实验室，70 多个营业办事处，30 多个维修中心以及近 8000 名职工，从事销售的专业人员中 92具有学位的工程师。1993 年总营业东 北 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文6额为 12 亿美元，主要来源于石油和化工方面。 该公司致力于研制新技术、新工艺、新材料、新产品，重视质量和服务。该公司设有汽轮机、电动机和发电机部、透平机械部、发动机工艺压缩机部、气体压缩机部和产品支援部。透平机械部的总部设在纽约奥利安。该公司主要产品有离心压缩机、轴流压缩机、汽轮机、燃气机及往复式压缩机、高温工业燃气膨胀透平、螺杆压缩机和轴流离心复合式压缩机。2001 年，德国 MAN 集团重组了 GHHBOSIG 和苏尔寿，形成了曼透平（ MAN TURBO）公司。曼透平（MANTURBO）是世界 500 强企业之一的德国曼（ManAG）集团的子公司，他的前身瑞士苏尔寿公司是世界著名跨国工业集团公司，创建于 1834年，已有一百多年历史，目前在 150 个国家有常驻代表，世界各地雇员约 32 万人，每年销售额达 60 亿瑞士法郎。苏尔寿公司主要从事纺织机械、医疗技术、水力机械、热力涡轮机械、工艺流程及成套设备、往复压缩机、离心机、工业泵等。所生产的水平剖分式离心压缩机流量范围为 4000220000m3/h，出口最大压力 70bar，主要应用于氧气压缩、制冷机组以及石油化工、化工行业中输送各种介质气体。垂直剖分式桶型离心压缩机（6 种机组） 流量范围 300045000m3/h ，出口压力 700bar，主要应用于高压氧气、合成氨气体压缩、碳氢化合物气体压缩、炼油厂气体压缩、气体输送、天然气用气等。重组的德国 GHH BORSIG 透平机械公司于 1996 年 3 月由 GHH 和BORSIG 二家公司合并成立一家新公司，累积 180 年的专业经验。GHHBORSIG 公司生产各种透平机械，广泛应用于世界各地石油和化工各领域，产品有轴流压缩机、离心压缩机、工业气体螺杆压缩机、工业膨胀机（回收能量用）、工业汽轮机、工业燃气轮机等。该公司对压缩机设计符合下列国际标准：API、 PNEUROP、ASME 、BS、DIN 等。该公司具有下列质量认证：ISO9001-1987、EN29001-1987、DIN/ISO 9001/1990、ANSI/ASQT Q91- 1987、BS5750：Part 1:1987。自此德国 MAN 集团成为世界最大的透平机械和压缩机设备生产商。1.2 大型透平式压缩机应用的背景我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。第 一 章 绪 论7由于国内钢铁产能分布情况较为分散，自主创新能力不强，生产布局不太合理，产能过剩矛盾比较突出，透平式压缩机是大型冶炼高炉鼓风的关键设备，其能耗几乎占据了冶金行业总能耗的 50%。40005850m3 大型高炉用户，在鼓风机的高效节能和安全可靠性方面有更高的需求。目前国内大型鼓风机的高效叶型开发、节能技术、叶片加工工艺、大型焊接机壳、轴向进气结构、远程故障监测和诊断分析系统、新型配套技术、EAOC 节能优化控制等相关技术日趋成熟、稳定，使国产 40005850m3 大型高炉鼓风机在高效节能、安全可靠性方面达到国际先进水平。又由于国际能源形势越来越紧张，各国对节能降耗不断深入研究，驱使大型节能降耗设备的不断进步和更新。1.2.1 开发大型高炉鼓风机的意义为适应国家节能的需要急待集中力量研制高效节能新型风机，淘汰低效耗能高的旧风机.近几年来我国风机行业已研制一系列高效新型风机，特别是随着引进技术的不断消化与完善，上鼓、沈鼓、成都电力机械的电站风机，上鼓的隧道分级，四平、重通的高温风机、北京西山、沈鼓、上鼓的工业锅炉风机等逐渐得到用户的认可，这将给工厂带来极大的经济效果。但据调查和用户的要求，尚有多种低效旧风机需要更新换代，新推广的风机无论从性能、节电、噪声等诸多方面有待于进一步完善。这些量大面广的风机产品，如能尽快以高效、低噪声的新型风机产品代替将会对风机节电起到决定性的作用 3。目前，世界高炉大型化、现代化的趋势和水平可以概括为：高炉容积 40005000m3,日产生铁能力 1013 万 t，年产规模 300400 万 t，焦比由过去的(700 800)kgt 降低到 (240300)kg t，重油比 (80120)kgt 铁，或天然气l50m3t 铁，或煤比(150200)kgt 铁，有的已突破 250kgt 铁，富氧2540，风温 l3001400；高压 250300kPa ，渣量由过去的(700 1000)kgt铁，降低到(150300)kg t 铁，熟料率 80l00，利用系数(2330)t(m3 d)，生铁含硅0 5，含硫003，我国现有 l000m3 高炉 30 多座，最大的为曹妃甸的高炉为 5750m3，国外最大的高炉为 5580m317。与之配套的鼓风机供风量也必然增大，大型鼓风机的投入使用，使其在国民经济中的节能降耗方面得到显著效应，适应了时代要求和国家的“十二五”规划。大型透平式压缩机的主要性能体现在如下几个方面，流量和排气压力是鼓风机的主要特征参数，主要由高炉炉容、高炉型式和当地的大气条件决定。40005850m3 大型高炉鼓风机，大型鼓风机的耗能情况和节能如下所列，其范围见附表 1。东 北 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文8附表 1 40005850m 3大型高炉鼓风机的主要参考参数炉 容 单 位 4000m3 高炉 5250m3 高炉 5850m3 高炉正常点（ E）流量 Nm3/min 8000 8300 8500最大点（A）流量 Nm3/min 8500 9750 10500排气压力（绝压） MPa(A) 0.59 0.63 0.66电机功率 kW 50000 57500 62000大型高炉鼓风机的优点主要表现在：第一，国内透平式鼓风机可靠性日臻成熟，尤其是叶片方面，开发了一种新型“低边齿”叶根，增大叶片受力面积，降低应力 812%，使叶片的安全可靠性大幅度提升 4。第二，自 2007 年以来国内大型高炉鼓风机业绩突出。国内透平机产品被各大中小型企业广泛采纳使用。第三，大型高炉对鼓风机的性能和运行工况范围与国外设备相比，效率和能耗等性能均达到国际水平，与其设备性价比比较每年能节约上百万的设备费用和维护费用。第四，对于大型高炉透平式压缩机，国内具备了完全自主的研发和加工能力。1.3 本课题的意义本课题中所研究的大型透平式压缩机成功运用，是对其核心技术消化和吸收作为一种经验技术总结进行储备，为我国开发的更大型高炉透平式压缩机，提供必要的技术支持。但是由于技术保密，没有相关的产品图样、技术文档、工艺等技术资料。目前，借鉴其技术唯一可行的办法就是机组实际运行中，各工况下的性能参数对比，根据实际运行中自动控制系统下的各种操作，再对其进行不断完善、优化，使机组在不同气候条件下，进行自我调节和人工调节相结合来满足高炉各种工况下的需求。能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。过去 100 多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是能源资源。当前，一些发展中国家正在步入工业化阶段，能源消费增加是经济社会发展的客观必然。 中国是当今世界上最大的发展中国家，发展经济，摆脱贫困，是中国政府和中国人民在相当长一段时期内的主要任务。20 世纪 70 年代末以来，中国作为世界上发展最快的发展中国家，经济社会发展取得了举世瞩目的辉煌成就，成功地开辟了中国特色第 一 章 绪 论9社会主义道路，为世界的发展和繁荣作出了重大贡献。中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发展空间。中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分，对维护全球能源安全，正在发挥着越来越重要的积极作用。 中国政府正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界节能减排的发展和繁荣作出更大贡献。本章小结本章研究讨论了国内外透平式压缩机技术研究和发展的现状，重点研讨了国内外透平式压缩机发展和技术的研究，分析对比了大型透平式压缩机技术在国民经济技术、节能降耗方面的优势，提出了国内自主研发大型高炉透平式压缩机的重要意义，并针对国内外透平式压缩机技术的发展趋势，论述国内开发研究大型高炉透平式压缩机的重要意义，以及本文研究的主要内容和意义。东 北 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文10第二章 大型透平式压缩机结构数据的技术研究压缩机结构数据的研究，其实质就是结构零件表面数字化，是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标，以获得压缩机结构的信息。要想对透平压缩机内部进行质的了解，首先就要对 AV10018 型全静叶可调式压缩机，内部各结构进行了解并获得相关数据信息，因为这些信息直接影响到对压缩机可操作性技术的掌握和驾驭。由此可见，任何机械设备的结构信息，是研究人员所必须掌握的重要内容，是对其结构合理布局和研究其运行可操作性的重要保障 1。2.1 轴流压缩机技术性能及机组布局AV10018 型轴流压缩机是一种全静叶可调式的轴流压缩机，其空气动力学特点是流量、压力可调节范围宽广，各工况点效率高，高炉鼓风机的气动设计，是机组性能保证的关键环节之一。陕西鼓风机集团使用先进的气动设计计算程序，利用叶栅吹风试验数据模化设计，并研发了新型叶片，更进一步提高了高炉鼓风机的效率，增大鼓风机的运行工况范围，整机效率提高 1.36%以上，同时该机组具有较高的自动化水平，配套程度高，运行平稳，各项技术指标均达到国际先进水平。如此大型化、高自动化的设备，其结构的合理布局将直接影响到其性能的好坏，因此对其合理布局，各配套设备各相关参数的选定及匹配是至关重要的。2.2 全静叶可调轴流压缩机结构特点AV10018 轴流压缩机主要是由机壳、叶片承缸、调节缸、转子、进口圈、扩压器、轴承箱、油封、气封、伺服马达、机座等组成。该机组由电动机拖动，采用膜片连轴器连接，止推轴承设置在排气侧，机壳死点设置在排气侧，从轴流压缩机进气侧看其旋转方向为顺时针。2.2.1 压缩机壳体及热膨胀机壳分上机壳和下机壳两部分，为水平剖分型，上、下机壳在中分面处用预应力螺栓相联接，采用 HT250 灰铸铁铸造而成，进、出气法兰均垂直向下。机壳加工后均进行水压试验，检验机壳的密封性并测量其变形程度。机壳分四点支撑在底座上，四个支撑点设计在接近下机壳中分面处，分布在下机壳的两端，而不是分布在机壳的两侧。机组运行时候具有一定的稳定性，减少了由于热膨胀而引起的机组热变形。四个支撑点其中一端（排气侧）两点为固定点，另外两个点为滑动点。中分面用预应力螺栓把上下机壳联接成为一个整体，保证机壳具有一定的刚性。机壳排气端固定，受热第 二 章 大 型 透 平 式 压 缩 机 结 构 数 据 的 技 术 研 究11后进气端膨胀。与叶片承缸一起构成双层缸体结构，使得机壳坚固耐用，把由于温度改变而造成的内部压力和扭曲变形减少到最小，并有利于降低噪音。机壳分四点支持在底座上，四个支撑点设置在下机壳两端靠近中分面处，使机组的支持具有良好的稳定性，四个支撑点中有两个为固定点，另外两个为滑动点，机壳下部两端还设有两个导向键，保证机组热运转时候沿垂直方向自由膨胀，轴承箱底部装有导向装置（一体式的时候），和底座配合，使机组对中和沿垂直方向热胀，对于机壳与轴承箱分体式，在侧面装有三个导向键装置，以利箱体受热膨胀，靠机壳侧和机壳相配装有一个垂直导向键 25。2.2.2 叶片承缸叶片承缸为水平剖分型，中分面用预应力螺栓联接形成一个内孔为很小锥度的筒体，与转子组成轴流压缩机的通道。这个通道的几何尺寸是由气动计算来确定的。叶片承缸的缸体由球墨铸铁 QT400 铸造而成，通过两端支撑在机壳上，靠进气侧的一端为固定支撑，靠排气侧的一端设计成为滑动支撑以满足缸体热胀的要求，承缸的进气侧相配的是进口圈，排气侧相配的是扩压器，分别与机壳、密封套组成一个收缩通道和扩压通道。从而组成了一个完整的轴流压缩机通道。机壳刚度好，使内应力和温度变化引起的变形最小。气流从机壳进气室进入，沿流道经过转子叶片逐级压缩做功和动、静叶栅的不断扩压，压力提高，最后经过扩压器进一步扩压进入机壳排气室由管道引向去往高炉的送风管道。叶片承缸上装有支撑静叶的静叶轴承，静叶及其附件全部支撑在静叶轴承上，静叶轴承是石墨轴承，它是无油润滑轴承，有很好的自润滑作用和密封作用。为了防止气体从静叶轴承间隙中向外泄漏，每个叶片的叶柄处安装有一个“0”型密封环。尾部安装有曲柄、滑块等，滑块两侧装有自润滑性能好的“DU”金属板。2.2.3 调节缸调节缸由 Q235A 钢板焊接而成，水平剖分型，中分面用螺栓联接，具有较高的刚性。调节缸分四点支撑在机壳上，安装在机壳与叶片承缸之间，因此有时也称为中缸，而机壳为外缸，叶片承缸为内缸。调节缸的四个支撑是由无油润滑的“DU”金属制作的。调节缸的内部对应于各级静叶装有各自的导向环，导向环是用 35 号钢加工而成，分为上下两半，分别安装在上下缸体上 27。调节缸的作用在于调节轴流压缩机的各级静叶角度，以满足变工况下的要求。安装在机壳两侧的伺服马达在控制系统作用下，通过连接板带动调节缸做轴向往复运动，东 北 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文12从而达到调节静叶角度的目的。而各级静叶调节角度的大小，是通过变化各级曲柄的长度来实现的，这些都是在气动设计及计算中确定的。2.2.4 转子及动静叶片转子由主轴、动叶片、隔叶块及叶片锁紧装置等组成，主轴为高合金锻钢锻造而成，采用 25Cr2Ni4MoV 材料，经过化学成份分析、探伤试验、机械性能试验、热跑合试验后，进行精加工，主轴上安装有动叶片，转子上有两个平衡盘，压缩机的主要轴向推力通过平衡盘平衡，平衡盘为主轴的一部分，剩余的轴向推力通过安装在轴承箱内的止推轴承来进行吸收平衡。以前轴流压缩机为全部静叶可调。对于 AV100-18，轴向长度较大，转子重量和转动惯量大，难于启动，轴承损失大。为此，采用最后一级静叶固定，有利于缩短静叶调节缸的轴向位移长度，从而缩短转子的长度，重量、转动惯量减小，轴承损失减小。采用先进的 CFD 流场技术，对压缩机流道进行优化，从而是压缩机长度类比缩短约 300500mm，大幅度，减小转子重量和转动惯量。轴流压缩机的叶片有动叶片和静叶片之分，动叶片即安装在主轴上的叶片，静叶片为安装在叶片承缸上的叶片，所有叶片均采用进口材料 X20Cr13 锻件车铣制作而成，原材料都经过化学成份分析、机械性能试验，超声波探伤、非金属夹杂质物等检验。叶片成型后叶身表面进行喷砂处理，并进行磁粉检验，不允许有裂纹存在。必要时还要对叶片进行振动频率检验，这一点主要是依据详细的气动计算结果确定 18。前 3 级采用 Ni-P 防腐蚀镀层。在大型旋转流体机械中，叶片的稳定性问题由于直接关系到流体机械的安全运行，成为十分重要的研究对象，针对国内首台 AV100-18 型轴流风机，我们对其叶片的各项性能也给予制造厂商一定意见和建议，叶片的稳定性取决于作用在叶片的气动载荷以及叶片的振动变形特性。透平压缩机工作气体的非定常程度不同，因此气固耦合振动是这类问题的特色，实际运行中也不应该将叶片视为刚性体，而是弹性体，需要考虑其弹性变形与振动对流场的影响以及振荡流场的反作用，这类问题的研究和充分考虑是有一定难度的，但是为确保机组的稳定运行该做法是必要的 2。叶片是影响鼓风机性能的关键部件，叶型的优劣直接影响到设备的性能。首钢采购陕鼓集团的 AV100-18 型透平式压缩机，主要是该公司在技术上达到国际先进水平，而且陕鼓与西安交大联合攻关，应用先进的 CFD 流场分析技术(如图 1),修改型线、降低介质的流动损失和分离损失，开发出了大型鼓风机新叶型，可以提高效率 2.16%，同时增大运行工况范围 7.8%，减少放风损失 16。这些数据看似微小，但进步确实艰难第 二 章 大 型 透 平 式 压 缩 机 结 构 数 据 的 技 术 研 究13的，设备运行带来的效益更是巨大的。经过技术进步，4000m 3 以上大型高炉鼓风机每年减少能耗约 1350 万元。图 1 新叶型 CFD 流场分析的流线图开发的“低边齿”新型叶根，代替以前的等高齿形叶根可以增大叶根受力面积，降低叶根应力，提高叶片运行安全性，这是经过陕鼓多年的研发，经过可靠性验证后，在首钢迁钢公司 AV100-18 上首次应用，经过实际操作验证，安全性有大幅度提高由于反动度 50的在静叶片中压升较大，改变工况时静叶调节角度所发挥的作用大，也就是说静叶角度调节不仅仅是下一级预旋调节还是该级内的扩压效果调节。目前，对于需要很宽的工作范围的高炉的压缩机一般采用都采用反动度 50的全部静叶可调式轴流压缩机。50反动度的压缩机特性曲线更陡，更适合于高炉等装置的定流量运行要求。因为尽管压缩机排气压力变化很大，而流量变化却很小所以设计中该机组前面23 级采用 50%和 60%反动度叶片，由于反动度 80或 90的叶片特性曲线比较平坦，对于的轴流压缩机采用反动度 80或 90的叶型，可以获得较宽的工作范围和较宽的高效率区域，所以设计中最后两级采用 90%反动度叶片，其余级采用 80%反动度叶片。轴流压缩机转子在设计中充分考虑到其横向振动及扭曲振动分析计算，转子装配后首先对其进行低速动平衡检验，平衡精度控制在 G1.6，之后转子整体在动平衡机进行高速和超高速检验，确保机组运行时候更加安全可靠。在保证上述设计检验后，为确保日常管理和可操控性，在每个径向轴承附近分别安装有两个互成 900 的振动检测点，用于日常检测轴流压缩机运转过程中转子的振动。止推轴承一侧的轴承箱上安装有一个轴位移探头，用于检测轴流压缩机运转中轴肩处的轴向位移。东 北 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文142.2.5 压缩机密封系统轴流压缩机进气端和压力端通过嵌装在主槽内的不锈钢拉别令密封片来密封 24。平衡盘上装有相同的拉别令密封片，密封间隙的调整通过调整密封套圆周上的调整块来实现，具有安装维护方便、事故出现时候保护主轴等优点，由于压缩机长期运行时候压缩机的动叶片的磨损并不是均匀的，可能造成转子的不平衡并引起转子的振动，当振动过大时候，密封片与密封套可能发生摩擦，并产生热量，采用密封片嵌装在主轴上的结构，密封片与密封套发生摩擦时产生的热量大部分传递到密封套上，少量热量传递到转子上，这样就起到了保护主轴的作用，由于密封片嵌装在主轴槽内，轴流压缩机运转时候，在离心力的作用下，密封片之间不会产生积灰现象，因此轴流压缩机在长期周期运行过程中，可使密封效果始终保持在最佳状况。2.2.6 轴承箱座及轴承轴承座箱分为进气侧轴承箱座和排气侧轴承箱座，采用球墨铸铁铸造而成，一个轴承箱座内安装有一付径向轴承，另一个轴承箱座内安装有一付径向轴承和一付止推轴承，拆开轴承箱上盖就可以很方便的检查、检修轴承，进