張宴欣 劉維民（中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，鞍山114002)
孫寶東（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司煉鐵新廠，南京210035)
煤氣鼓風(fēng)機是焦化廠輸送煤氣的重要設(shè)備。鼓風(fēng)機的操作是否穩(wěn)定，調(diào)節(jié)是否靈活，是否高效節(jié)能，是否能適合焦?fàn)t煤氣量的周期性波動，并可實現(xiàn)鼓風(fēng)機前吸煤氣管道壓力自動調(diào)節(jié)，對于煤氣凈化系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)至關(guān)重要。煤氣鼓風(fēng)機的選擇應(yīng)遵循國家相關(guān)的節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策，選擇性價比高的技術(shù)和設(shè)備，以達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)的目的。
1 煤氣鼓風(fēng)機葉輪設(shè)計制造的特點
焦?fàn)t煤氣的特點是密度小、難壓縮、易燃、易爆、流量變動頻繁、含有焦油等雜質(zhì)，并有一定的腐蝕性。根據(jù)焦?fàn)t煤氣的上述特點，煤氣鼓風(fēng)機葉輪的設(shè)計采用了不同的氣體動力學(xué)方法與制造方式。
1.1 常規(guī)葉輪風(fēng)機
主流機型為常規(guī)葉輪兩級壓縮，其設(shè)計的效率取值較低。制造方式為控制葉輪直徑以及轉(zhuǎn)速（線速度），葉片采用板材壓制單圓弧葉片，控制葉片進(jìn)口角度以及出口角度，與葉盤葉蓋組焊而成。優(yōu)點是制造簡單，成本比較低；缺點是技術(shù)落后，效率低，能耗高；制造精度難控制，造成能耗進(jìn)一步增大。葉輪流道內(nèi)存在較大的渦流損失，而且由于介質(zhì)流動不順暢，容易造成介質(zhì)中的焦油附著沉積在葉輪流道內(nèi)，容易造成葉輪失去平衡，需要蒸汽吹掃，使機組不能長時間連續(xù)工作，同時增加了工人勞動強度。
考慮到介質(zhì)具有腐蝕性，葉輪材質(zhì)一般選用不銹鋼；同時考慮到大量的焊接，所以要求材料強度高、含碳量低。材料主要以2Cr13、X12Cr13、FV520(B）為主，近年多用FV520(B)超低碳沉淀硬化不銹鋼。
1.2 直線元素三元葉輪風(fēng)機
德國KKK和日本荏原公司的主流機型為半開式直線元素三元葉輪單級高速。設(shè)計效率取值比較高，多變效率可以達(dá)到80%～82%，制造方式多為鈦合金精密鑄造葉輪。優(yōu)點是單級壓縮結(jié)構(gòu)相對簡單，效率比較高，制造成本適中，加工制造比較精細(xì)。缺點是工作轉(zhuǎn)速比較高，葉輪線速度較高，要求材料強度高，售價昂貴。
綜合介質(zhì)的腐蝕性、線速度要求高的問題，葉輪材料多選用鈦合金材料?？紤]到鈦合金材料昂貴和機械加工難度大，通常采用精密鑄造工藝，故只能采用半開式葉輪，并采用模型級鑄造葉輪車削外圓和葉片高度來靠近氣體動力學(xué)計算的方法制造，對風(fēng)機的效率造成一定影響。
1.3 “全可控渦”三元葉輪風(fēng)機
主流機型為“全可控渦”三元葉輪兩級壓縮。其設(shè)計的效率取值較高，多變效率可達(dá)到86%。制造方式為：按照氣體流動的最佳軌跡，采用整體鍛件在五坐標(biāo)加工中心上，將三元葉片直接銑制在葉輪輪盤上。優(yōu)點是葉輪加工精度高，效率高，節(jié)能，且風(fēng)機可靠性高。缺點是葉輪材料利用率低，加工成本高。葉輪材質(zhì)選用FV520 (B)超低碳沉淀硬化不銹鋼。
2 技術(shù)來源
2.1 常規(guī)葉輪風(fēng)機
技術(shù)含量低，在設(shè)計上采用傳統(tǒng)的二元設(shè)計，設(shè)計制造均處于較低水平。主要制造廠商為沈陽鼓風(fēng)機廠和陜西鼓風(fēng)機廠。
2.2 直線元素三元葉輪風(fēng)機
設(shè)計方式是采用NREC三元葉輪設(shè)計商務(wù)軟件，煤氣鼓風(fēng)機比較具有代表性的是德國KKK和日本荏原公司。
2.3 “全可控渦”三元葉輪風(fēng)機
由上海賽爾機泵成套設(shè)備有限公司自主創(chuàng)新和集成，并擁有全部知識產(chǎn)權(quán)，其設(shè)計方法與加工方法都擁有國家專利，處于國際領(lǐng)先水平。主要制造廠商為上海賽爾機泵成套設(shè)備有限公司。
3 煤氣鼓風(fēng)機的調(diào)節(jié)方式及技術(shù)特性
為適應(yīng)煤氣流量的變化，并保持焦?fàn)t集氣管內(nèi)煤氣的壓力穩(wěn)定（其波動范圍為±10Pa左右），應(yīng)根據(jù)煤氣鼓風(fēng)機特性曲線，對煤氣鼓風(fēng)機進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，使煤氣鼓風(fēng)機處于穩(wěn)定工作區(qū)，以滿足生產(chǎn)正常的要求，以下為目前普遍采用的幾種形式。
3.1 液力偶合器
液力偶合器是以液體為工作介質(zhì)來傳遞功率的傳動裝置，通過改變偶合器工作腔內(nèi)液體的充滿度來改變在輸入軸轉(zhuǎn)速不變時輸出軸的轉(zhuǎn)速。煤氣鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)子與液力偶合器輸出軸相聯(lián)，在煤氣鼓風(fēng)機原動機轉(zhuǎn)速不變時，通過液力偶合器來改變煤氣鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)煤氣鼓風(fēng)機的調(diào)節(jié)。液力偶合器屬耗能性調(diào)速方法，調(diào)速范圍窄、控制精度差、延遲性較明顯、存在機械損耗和轉(zhuǎn)差損耗、效率低，但一次性投資小，操作費用低。
3.2 前導(dǎo)向調(diào)節(jié)
前導(dǎo)向調(diào)節(jié)裝置是一種由若干個前導(dǎo)向葉片通過機械連桿相連，并置于煤氣鼓風(fēng)機進(jìn)口側(cè)，通過調(diào)節(jié)葉片角度來改變煤氣鼓風(fēng)機煤氣輸送量，其作用同進(jìn)口調(diào)節(jié)方法。
3.3 調(diào)速電機
當(dāng)煤氣鼓風(fēng)機原動機為電動機時，通過改變電動機轉(zhuǎn)速，即調(diào)速電機，來改變煤氣鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)煤氣鼓風(fēng)機的調(diào)節(jié)。
表1 焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機的各項指標(biāo)比較
|
項目 |
國內(nèi)常規(guī)葉輪 |
進(jìn)口直線元素
三元葉輪 |
全可控渦
三元葉輪 |
|
葉輪形式 |
焊接葉輪 |
半開式鑄造葉輪 |
整體銑制葉輪 |
|
風(fēng)機內(nèi)功率估算，kW |
744 |
650 |
620 |
|
偶合器調(diào)速機組軸功率估算，kW |
826 |
706 |
674 |
|
偶合器調(diào)速配置電機功率，kW |
1000 |
800 |
800 |
|
變頻電機調(diào)速軸功率估算，kW |
791 |
677 |
646 |
|
變頻電機功率，kW |
900 |
800 |
710 |
|
兩種方式軸功率差，kW |
35 |
29 |
28 |
|
鼓風(fēng)機本體估價，萬元／臺 |
120 |
800 |
280 |
|
鼓風(fēng)機組成套估價，萬元／套 |
200
（配套國內(nèi)設(shè)備） |
800
（配套進(jìn)口設(shè)備） |
430（配套國內(nèi)一流設(shè)備） |
|
年耗電量（偶合器調(diào)速機組軸功率估算／變頻電機調(diào)速軸功率估算），萬kWh/萬kWh |
723.6/692.9 |
618.5/593.1 |
590.4/565.9 |
|
年電費，萬元（以0.6元/kWh計） |
434.16/415.74 |
371.10/355.86 |
354.24/339.54 |
|
單臺年節(jié)約電費，萬元 |
0 |
63.06/59.88 |
79.92/76.2 |
|
設(shè)備檢修周期(包括配套設(shè)備)，年 |
＜1 |
2 |
＞2 |
采用調(diào)速電機方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動，而且調(diào)速范圍寬、調(diào)速均勻，節(jié)能明顯，效率高。但電動機的調(diào)速裝置一次性投資大，操作費用高。
4 各種形式煤氣鼓風(fēng)機的比較
按單臺煤氣鼓風(fēng)機年工作時間8760 h計算，各種形式煤氣鼓風(fēng)機的比較結(jié)果見表1。流量5萬m3/h，進(jìn)口壓力－5kPa，進(jìn)口溫度30℃，出口壓力30kPa。
5 各種調(diào)速形式節(jié)能分析
1) 采用變頻調(diào)速是最節(jié)能的方式，可以降低能耗28～35kW，每年節(jié)電可達(dá)16.8萬元。但是高壓變頻器非常昂貴，單臺價格約200萬元，經(jīng)濟(jì)效益并不好。
2) 采用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)工況，本身也是一個節(jié)能方式。但是介質(zhì)中含有焦油，容易粘附導(dǎo)葉以及執(zhí)行機構(gòu)，影響調(diào)節(jié)效果。德國KKK公司雖有導(dǎo)葉調(diào)整的焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機機組，但其導(dǎo)葉機構(gòu)遠(yuǎn)離葉輪，實際只能起到截流調(diào)節(jié)效果。
3) 采用進(jìn)口閥截流調(diào)節(jié)的能耗很大。工況變動頻繁，回流的機會遠(yuǎn)大于變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式，能耗大。
6 可靠性
對國內(nèi)焦化廠使用上述三種葉輪的風(fēng)機統(tǒng)計，常規(guī)葉輪風(fēng)機一般每年至少開蓋檢修1次；直線元素三元葉輪風(fēng)機一般為2年1次；“全可控渦”三元葉輪風(fēng)機在2年以上。南京鋼鐵聯(lián)合有限公司煉鐵新廠焦化分廠(2×55孔6m焦?fàn)t）采用的是上海賽爾機泵成套設(shè)備有限公司生產(chǎn)的“全可控渦”三元葉輪風(fēng)機（配套800kW的電機），從2004年4月28日投產(chǎn)運行至今，鼓風(fēng)機本體尚未打開檢修過，這表明國內(nèi)設(shè)計和制造及智能維護(hù)在可靠性上達(dá)到了一個全新的高度。
7 結(jié)論
經(jīng)過上述分析比較，從能耗、投資、國產(chǎn)化水平等方面考慮，焦化廠煤氣鼓風(fēng)機宜積極采用具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)、自主創(chuàng)新和集成的“全可控渦”三元葉輪煤氣鼓風(fēng)機，調(diào)速方式為偶合器調(diào)速或變頻調(diào)速，最大程度上實現(xiàn)進(jìn)口替代，縮短供貨周期，減少建設(shè)投資，降低能耗和運行成本。
