国内首台大型高炉鼓风机（程华）

Northeastern University 大型高炉鼓风机运行保障及优化技术研究答辩人：程 华指导教师：李鹤 Northeastern University 主要内容 一、绪 论 二、大型透平式压缩机结构分析 三、高炉鼓风机控制系统分析 四、大型高炉鼓风机实际运行工况的优化Northeastern University 一、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 4000 5850m3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。Northeastern University 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。 Northeastern University 国外透平式压缩机的研究和发展现状 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。 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。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。Northeastern University 本课题研究的目的和意义 我国没有生产过 4000立以上高炉鼓风机，为了发展民族工业，大型高炉鼓风机的国产化研究非常必要。本课题中所研究的大型透平式压缩机的成功运用，是对其核心技术消化和吸收，作为一种经验技术进行总结储备，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。Northeastern University 大型透平式压缩机结构分析AV100 18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。 Northeastern University 全静叶可调轴流压缩机结构特点 AV100 18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。 Northeastern University 压缩机外形结构示意图 Northeastern University 压缩机内部结构图 Northeastern University 压缩机壳体 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。机壳排气端固定，受热后进气端膨胀。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。 Northeastern University 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。 Northeastern University 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，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，从而达到调节静叶角度的目的。 Northeastern University 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，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。 Northeastern University 新叶型 CFD流场分析的流线图 Northeastern University 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，该公司在与西安交大联合攻关，应用先进的 CFD流场分析技术 ,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。这些数据看似微小，但进步确实艰难的，设备运行带来的效益更是巨大的。经过技术进步， 4000m3以上大型高炉鼓风机每年减少能耗约 1350万元。 Northeastern University 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，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。所以设计中该机组前面 2 3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。 Northeastern University 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。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，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。 Northeastern University 三、鼓风机控制系统分析 首钢迁钢 AV100-18型高炉鼓风机机组的系统，由一台同步电机（西门子）、一台静叶角度可调的轴流风机和各种辅助设备组成。随着 3C(计算机 Computer、通信Communication、控制 Control)技术的发展，在构建工业生产过程的计算机控制系统时，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。 Northeastern University AV100-18型高炉鼓风机控制系统采用 SIMATIC S7-400系列 PLC。 SIMATIC S7-400采用模块化的设计，具备良好的扩展性和通讯能力，极易实现的分布式结构以及友好的操作。当控制任务变得更加复杂时，控制系统可以逐步升级来满足要求，不必过多的添加额外模板。整个鼓风机机组的控制系统，一般有以下几大部分组成：连续控制、逻辑控制及操作监视管理等。连续控制功能有定风压 /定风量调节系统、风机防喘振调节系统。逻辑控制系统有机组启动条件联锁系统、逆流保护及安全运行系统、重故障紧急停机联锁系统、动力油泵及润滑油泵逻辑控制系统。 Northeastern University 高炉鼓风机控制系统结构示意图 Northeastern University 定风量 /风压调节系统 PIDSWMVPVSVSW定 P定 F开关定 P定 F开关压力测量值流量测量值压力设定流量设定静叶角度电液伺服阀伺服控制器逻辑控制指令静叶限位Northeastern University 防喘振控制系统 防喘振控制是风机重要的保护系统，尤其轴流压缩机。防喘振控制的基本原理是在风机接近喘振工况时，通过调整风机出口处的防喘振阀，使防喘振阀打开至一定角度，来改变管网阻力，以达到消除喘振的目的。为了提高防喘振控制的可靠性，除了选用高质量的硬件外，软件设计时也采取了一些特殊控制运算功能，如折线函数、动态响应、快开慢关、自动操作与闭锁、防误操作等。 Northeastern University 机组启动后静叶释放过程 Northeastern University 逆流保护及安全运行系统 Northeastern University 风机的特性曲线 Northeastern University 四、大型高炉鼓风机实际运行工况的优化 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。在实际运行中对其运行参数的不断摸索和优化措施的采取，使机组释放出最大潜能，对其运行经济性降低能耗指标不断提高。Northeastern University 试验风机达到的性能 本次试验风机达到了预期的效果，风机运行安全、稳定，风机的性能达到了国际水平，填补了国内 4000立以上大型高炉鼓风机制做的空白。 2012年 3月 8日，由首钢 -迁钢钢铁公司与西安陕鼓动力股份有限公司相关人员在现场对 AV10018 轴流压缩机 (产品图号 4502，产品编号 071001110)重新进行了喘振及热力性能试验。 试验采用 GB/T3165 离心和轴流式鼓风机和压缩机热力学性能试验 标准中的进出气试验方法。试验由电机提供风机运转动力，用安装在放空管路中的防喘阀来调节出口压力。试验在六个不同的静叶角度下进行了喘振试验，分别为 30 、 40.0 、 45.0 、 50.0 、 55.0 、 60.0 。根据双方协商，在 30.0 、 40.0 、 45.0 静叶角度下进行热力性能试验。Northeastern University 试验实际性能参数 工 况 点 1 2 3 4 5 6静叶角度（ ） 30 40 45 50 55 60排气表压（ kPa） 39