王俊怡 艾春洪 段斌修

（武漢鋼鐵有限公司）

0 引言

隨著國家加強對燒結煙氣的排放控制（燒結煙氣中含有大量SO2，易對大氣產(chǎn)生污染），無論是在用燒結機還是新建燒結機，都需要新增脫硫設施，以滿足綠色鋼鐵生產(chǎn)的需求。為了克服燒結煙氣所受新增阻力，需在脫硫設施前新增一臺增壓風機[1]。

根據(jù)生產(chǎn)操作需求，增壓風機必須緊盯燒結生產(chǎn)運行參數(shù)，隨時進行調節(jié)，以匹配燒結生產(chǎn)狀況的變化，尤其是在工況異常的情況下，為了實現(xiàn)快速協(xié)同調節(jié)，需要對風門和轉速進行反復多次、快速的調節(jié)，由此給轉子和軸瓦帶來了巨大的沖擊載荷，嚴重影響了風機的運行壽命。

某鋼鐵公司煉鐵廠4#燒結機煙氣脫硫的增壓風機從2015年投產(chǎn)運行至今，已多次發(fā)生較大及以上設備事故。2017年5月，發(fā)生了一起轉子振幅超標，軸承燒損的設備事故，造成了燒結機臨時停機檢修28小時；2018年3月，發(fā)生了一起焊縫開裂，葉片脫落的設備事故，造成了燒結機被迫停機搶修36小時，這些設備事故嚴重影響了燒結機的正常生產(chǎn)和節(jié)能降耗工作。如何進行實踐探索，減少設備事故的發(fā)生，有效延長風機運行壽命，就變得日益迫切和重要了。

1 故障原因分析

1.1 增壓風機的結構及性能參數(shù)

增壓風機在4#燒結機系統(tǒng)中的布置如圖1所示。燒結煙氣的走向：燒結煙氣由大煙道，經(jīng)過主抽風機加壓后，進入到煙道氣室，再經(jīng)過增壓風機進一步加壓，進入脫硫設施進行處理變?yōu)閮艋療煔夂?，排入大氣（老式燒結機系統(tǒng)直接經(jīng)煙囪排入大氣）。

圖1 脫硫增壓風機布置

增壓風機內部結構如圖2所示。風機轉子由2個向心軸承支撐和1個推力軸承定位，通過聯(lián)接軸由高壓電機(變頻調速)驅動，在轉子的入口端，有一個可調風門，負責對風壓和流量進行調節(jié)，具體性能參數(shù)見表1。

圖2 增壓風機內部結構

表1 增壓風機的性能明細

1.2 故障原因分析

機械振動理論[2]告訴我們：任何一個機械設備都有若干個共振區(qū)，為了避免共振造成破壞，設備不能在任意頻域內運行或調節(jié)。采用錘擊法，對轉子使用專用力錘進行敲擊，再進行數(shù)據(jù)采集，可得風機幅頻特性，如圖3所示。

圖3 增壓風機的頻率特性

從圖3可以看出，該風機共有3個共振區(qū)域，分 別 為：6.4～11.9 Hz、21.5～29.2 Hz和38.7～45.4 Hz。增壓風機轉子3階固有頻率見表2。

表2 增壓風機轉子3階固有頻率

由于生產(chǎn)操作的需要，現(xiàn)場經(jīng)常要對風量和壓力進行調節(jié)。該風機可通過變頻調節(jié)和風門調節(jié)兩種方式進行調節(jié)，生產(chǎn)操作人員主要通過變頻調節(jié)來滿足生產(chǎn)的需求，即將風機長期穩(wěn)定在42 Hz左右運行，以滿足生產(chǎn)的需求；或在10～50 Hz區(qū)域內進行大范圍的調節(jié)，以滿足生產(chǎn)工況變化的需求。

由此可見，風機轉子故障的主要原因是：該風機長期在第三階共振區(qū)域（38.7～45.4 Hz）內運行，或在第一階（6.4～11.9 Hz）、第二階（21.5～29.2 Hz）和第三階共振區(qū)域內頻繁調節(jié)，從而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對轉子和軸瓦造成超負荷沖擊，嚴重影響了風機轉子的運行壽命，致使風機的運行周期明顯達不到設計標準。

2 延長增壓風機使用壽命的措施

2.1 改進風機調節(jié)模式

2.1.1 改變風機調節(jié)的優(yōu)先級

原有調節(jié)模式下，頻率調節(jié)在先，風門調節(jié)在后，該模式實現(xiàn)的前提條件是增壓風機在任意頻率范圍內均任意可調，但是該風機的3個共振區(qū)制約了該風機只可在受限的頻域內調節(jié)，不能很好的滿足生產(chǎn)調節(jié)的需要。

改進調節(jié)模式后，風門調節(jié)在先，頻率調節(jié)在后，該模式下風門開度從0～100%（0～90o均任意可調，可完全滿足生產(chǎn)操作的需求，幾乎不用進行頻率調節(jié)，只有在突變或異常狀態(tài)下，方才啟動變頻調節(jié)手段，這樣可以大大減少風機在共振區(qū)域運行或調節(jié)的概率。

2.1.2 完善風機調節(jié)模式

經(jīng)過分析，該增壓風機最優(yōu)調節(jié)模式應優(yōu)化為：生產(chǎn)調節(jié)→風門調節(jié)→頻率調節(jié)。

優(yōu)化調節(jié)模式的最大優(yōu)勢在于能夠在充分滿足生產(chǎn)需求的前提下，避免風機在共振區(qū)域內長期運行或調節(jié)。從而對風機進行有效保護，充分延長風機的運行壽命。因此，對增壓風機的調節(jié)應以滿足生產(chǎn)調節(jié)的需要為目標，實行“風門調節(jié)在先、頻率調節(jié)在后”的調節(jié)模式。

2.2 優(yōu)化風機調節(jié)（運行）策略

2.2.1 非共振區(qū)域內調節(jié)（運行）

該風機在全頻范圍內（050 Hz）頻域特性見表3。由于存在三階共振區(qū)，故分為7個間隔區(qū)域，共產(chǎn)生4個非共振區(qū)域和3個共振區(qū)域。除去Ⅰ區(qū)屬于低頻范圍，無任何操作意義外，Ⅱ區(qū)（6.4～11.9 Hz）、Ⅳ區(qū)（21.5～29.2 Hz）和Ⅵ區(qū)（38.7～45.4 Hz）3個共振區(qū)域均屬于不可調節(jié)或運行的區(qū)域，而Ⅲ區(qū)（11.9～21.5 Hz）、Ⅴ區(qū)（29.2～38.7 Hz）和Ⅶ區(qū)（45.4～50 Hz）3個非共振區(qū)均屬于可調節(jié)或運行的區(qū)域。只在受限頻域內調節(jié)或運行，杜絕共振區(qū)域內調節(jié)或運行，可避免共振對風機造成的巨大損害，有效延長風機的運行壽命。

表3 增壓風機0～50 Hz頻域特性

2.2.2 均衡化調節(jié)

必需調節(jié)時，應該執(zhí)行“均步長”的均衡調節(jié)方式，不變步長地調節(jié)，避免因變幅過大造成沖擊載荷變動過大的現(xiàn)象發(fā)生，見表4。

具體操作：（1）對于風門的調節(jié)。關閉時，每次調節(jié)的流程為關閉10%→暫停20 s，保持流程不變，重復多次操作，直至達到風門所需關度的目標值；打開時，每次調節(jié)的流程為打開5%→暫停40 s，保持流程不變，重復多次操作，直至達到風門所需開度的目標值。（2）對于頻率的調節(jié)。降低時，每次調節(jié)的流程為降低5 Hz→暫停20s，保持流程不變，重復多次操作，直至達到頻率所需降幅的目標值；提升時，每次調節(jié)的流程為提高3 Hz→暫停40 s，保持流程不變，重復多次操作，直至達到頻率所需升幅的目標值。

表4 風門調節(jié)和頻率調節(jié)參數(shù)明細表

2.2.3 差異化調節(jié)

執(zhí)行加、卸載雙向差異化調節(jié)策略，即加載時采取“小幅慢走”的策略，而卸載時則采取“大幅快跑”的策略，由此可顯著減少因憋壓而發(fā)生堵轉或喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

具體分析：（1）對于風門調節(jié)執(zhí)行“快關慢開”的調節(jié)。由表4中的數(shù)據(jù)計算可得（10%÷20）∕（5%÷40）=4，即風門關閉速率（卸載）是打開速率（加載）的4倍；（2）對于頻率調節(jié)執(zhí)行“快降慢升”的調節(jié)。由表4中的數(shù)據(jù)計算可得（5÷20）（3÷40）=3.3，即頻率降低速率（卸載）是提高速率（加載）的3.3倍。

2.2.4 穩(wěn)定操作

現(xiàn)代化大型燒結機不僅僅是一個單一的設備，而是一個燒結機系統(tǒng)+脫硫系統(tǒng)串行的復雜系統(tǒng)，二者相互關聯(lián)，相互干涉，如果協(xié)同調節(jié)不及時，或反應速度過慢，均可能對增壓風機造成沖擊，故生產(chǎn)操作應“穩(wěn)”字當頭，盡量減少因生產(chǎn)操作的波動引起風機被動調節(jié)的頻次。

2.3 進一步延長風機壽命的建議

（1）將增壓風機的調節(jié)職能歸并到燒結主控室，實現(xiàn)“主從有別”的指令式操作模式，即燒結操作指導脫硫操作。在4＃燒結機系統(tǒng)的布局中，燒結主控室與脫硫主控室在空間布局上是分布式的，不便于信息快速互通，不利于快速匹配調節(jié)，若從地理位置上將二者整合起來，實現(xiàn)“兩操合一”，則更有利于達到信息快捷流通，調節(jié)快速匹配的目的。

（2）新增計算機自動控制程序，探索增壓風機和燒結生產(chǎn)的聯(lián)控聯(lián)調模型，強化增壓風機調節(jié)的實時、高效，確保風機長壽運行。

3 結論

4＃燒結機煙氣脫硫的增壓風機主要通過頻率調節(jié)來匹配燒結生產(chǎn)工況的調節(jié)，使風機長期在共振區(qū)域運行或調節(jié)，受到超負荷沖擊，風機的壽命遠遠達不到設計標準。改進風機的調節(jié)模式，以風門調節(jié)在先，頻率調節(jié)在后；優(yōu)化調節(jié)策略，減少頻率調節(jié)頻次，避開共振區(qū)，采取均衡化調節(jié)與差異化調節(jié)相結合的方式，可有效降低沖擊載荷，確保增壓風機長壽運行。自從2018年3月分析出故障原因并采取措施以來，該風機未再發(fā)生一起對生產(chǎn)造成重大影響的設備事故。與此同時，該技術在其它同類型風機上得到大力推廣和應用，取得了顯著成效，創(chuàng)造了良好經(jīng)濟效益。