汽動鼓風機組冷源損失利用的設想及探討

程亞軍

前言

現(xiàn)代高爐容量大，所需風量大，多選用大型軸流風機作為供風機組。如果在風壓一定的情況下降低風量，或在風量一定的情況下增大風壓，易使風機運行工況點進入喘振區(qū)，導致風機旋轉(zhuǎn)失速，發(fā)生喘振現(xiàn)象，影響風機的安全運行，甚至嚴重影響高爐生產(chǎn)。正常運行時，風機工況點必須在防喘振線內(nèi)且遠離防喘振線，當運行工況點接近防喘振線時，常需要將風機出口的放風閥部分開啟，增加風量，使工況點遠離防離喘振線，以確保風機安全運行。尤其是實際運行氣溫低于設計工況氣溫時（如冬季期間），這種現(xiàn)象更加明顯，此時便產(chǎn)生了很高的放散損失，所以，如果提高冬季期間進入風機的空氣溫度，使溫度達到或超過設計溫度，便可以減少或避免放散，提高經(jīng)濟效益。

1　冷源損失的利用方式

在汽輪機郎肯循環(huán)的定壓放熱過程中會產(chǎn)生冷源損失，這一損失一般占汽機輸入熱量的50%～60%，甚至更高。

熱電廠供熱機組常選用抽汽機組或背壓機組，汽輪機組內(nèi)做了一定量功的蒸汽部分或全部被抽出用于熱負荷，由于這部分蒸汽沒有冷源損失，或者說這部分冷源損失得到了利用，所以提高了全廠熱經(jīng)濟性。

相同道理，在氣溫低于鼓風機組設計工況點溫度時，如果用汽動鼓風機組汽輪機的排汽加熱送入到鼓風機入口的冷風，使鼓風機運行工況點溫度升高，接近或超過設計工況溫度，從而使風機運行點遠離了防喘線，減小了風機的放散量，減小或避免了放散帶來的損失。同時，由于汽輪機的排汽熱量得到了利用，減小了冷源損失，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。這種系統(tǒng)暫且稱為冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)，見圖1。

常規(guī)的濕式冷卻塔風機排出的風含濕量很大，不適合供鼓風機組使用，故只能將干式冷卻系統(tǒng)與鼓風系統(tǒng)配套，將干式冷卻系統(tǒng)排出的熱風送至鼓風機組吸風口使用。根據(jù)機組容量、系統(tǒng)形式、運行方式、檢修維護情況，選擇哈蒙式間接式空冷系統(tǒng)與鼓風機組配套比較適宜。

2　冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

圖1　冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)

某鋼廠AV80-15軸流式汽動鼓風機組，根據(jù)高爐運行工況需要，鼓風機組運行工況流量為4200～4400 m3/min，出口風壓 370～380 kPa，當風機入口溫度達到20℃以上時，可確保風機不放散運行。根據(jù)廠家提供的技術數(shù)據(jù)，本文以溫度-16.2℃、4.9℃、22.2℃為主要對比工況點進行分析。

冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析如下：

(1)冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)使高爐鼓風機組出口放風量減少而節(jié)省的功耗。

以高爐鼓風機進氣溫度-16.2℃、排氣壓力375 kPa工況點為例，查風機性能曲線可知，此時風機風量為5307 m3/min，消耗功率為18532 kW，統(tǒng)計風機運行參數(shù)可知，風機送給高爐的平均風量大約為4300 m3/min，需要放風大約1007 m3/min，多消耗功率約為3516 kW。當風機入口風溫升高后，運行工況點遠離防喘振線，放風量減小，此部分多消耗的功即為節(jié)省的功。

(2)鼓風機組入口溫度升高，單位壓縮功增加，總壓縮功耗增加的量。

以高爐鼓風機進氣溫度-16.2℃和22.2℃、排氣壓力375 kPa工況點為例進行對比，當進氣溫度由-16.2℃升高到22.2℃時，單位壓縮功耗由5.82×10-2kW/m3增加到 6.46×10-2kW/m3，鼓風機組增加功率消耗1651.2 kW。

(3)冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)冷卻塔冷卻風機功耗與采用濕冷系統(tǒng)時的風機功耗對比。

當風機入口溫度、汽機排汽壓力不同時，干冷系統(tǒng)冷卻風量差別較大，入口溫度較低、汽機排汽壓力較高時，干冷系統(tǒng)的冷卻風量與濕冷系統(tǒng)的冷卻風量大體相當，甚至更小，當入口溫度較高、汽機排汽壓力較低時，干冷系統(tǒng)的風量遠遠大于濕冷系統(tǒng)的風量，冷卻風機功耗也大得多。汽動鼓風機組現(xiàn)有濕冷系統(tǒng)所需的冷卻風量大約為76667 m3/min，冷卻風機消耗功率大約為225 kW。當采用干冷系統(tǒng)時，以鼓風機組入口溫度-16.2℃、汽機排汽壓力6 kPa工況為例（即表中第4項），欲使鼓風機組入口溫度升高到22.2℃，冷卻風溫升為38.4℃，冷卻風量為67759 m3/min，消耗功率為199 kW，干冷系統(tǒng)比濕冷系統(tǒng)少耗功26 kW。如以鼓風入口溫度30℃、汽機排汽壓力15 kPa為例（表中第11項），空冷系統(tǒng)冷卻風機功耗為572.4 kW，遠大于濕冷系統(tǒng)冷卻風機功耗，各工況風量、功耗對比詳見表1。

注：空冷散熱器的相關計算依據(jù)參考資料［1］計算。

（4）高爐鼓風機入口溫度升高，送風溫度也升高，減少了熱風爐的燃料消耗量。

當風機入口溫度由-16.2℃升高到22.2℃時，風機出口風溫分別為170℃和225℃，溫升為55℃，取空氣平均比熱容1.3311 kJ/(m3.℃)計算，鼓風機組可節(jié)省的熱量約為18888309 kJ/h，以中溫中壓機組熱耗率計算，節(jié)省的熱量可多發(fā)電大約1642 kW。根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，實際運行中，鼓風機組入口溫度冬季可達到-30℃左右，此時風機出口溫度大約為140℃，夏季入口溫度最高為30℃左右，風機出口溫度大約為240℃，風機出口溫升可達100℃，節(jié)省的熱量會更多。

采用哪種冷卻方式經(jīng)濟性更好，可以對以上幾項經(jīng)濟指標疊加計算得到，即

節(jié)省功率=減少放風量節(jié)省的功耗—鼓風機組入口溫度升高增加的功耗+空冷系統(tǒng)冷卻風機功耗變化值（多消耗功時取負值）+熱風爐節(jié)省的燃料所增加的功率

表1　各工況參數(shù)對比表

通過比較看出，當以高爐鼓風機進氣溫度由-16.2℃升高到22.2℃、排氣壓力375 kPa工況計算時，鼓風機組節(jié)省的功率為3516-1651.2+26+1642=3532.8 kW，即采用干冷系統(tǒng)比采用濕冷系統(tǒng)少耗功3532.8 kW。

3　冷源損失利用效果的總結(jié)

冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)哪種形式更加經(jīng)濟合理與很多因素有關，需要進行綜合性的比較才能得出。影響因素主要歸納為以下幾點：

(1)鼓風機組的放風量是決定是否采用冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)的一個重要因素。鼓風機組的選型與高爐工況點不匹配，或高爐運行工況點不穩(wěn)定，風壓時高時低，將導致風機長期放風運行，降低運行經(jīng)濟性，此時采用冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)比較合理，而且放風量越大，采用此系統(tǒng)的經(jīng)濟性越顯著。同時，節(jié)能與否與高爐運行工況也有密切關系。

(2)入口風溫升高，導致風機壓縮功增加，增加的功耗會轉(zhuǎn)化成熱能，使風機出口風溫升高，減小了熱風爐消耗的燃料量。

(3)干冷系統(tǒng)與濕冷系統(tǒng)冷卻風機功耗的對比。從表一可以看出，隨著風機入口風溫、汽機排汽壓力的不同，冷卻風量差異很大，當冬季氣溫較低時，風機冷卻風量與常規(guī)濕冷系統(tǒng)大體相當，甚至更小，風機功耗相差不多，當夏季氣溫較高、汽機排汽壓力較低時，風機冷卻風量很大，冷卻風機功耗可能遠超過常規(guī)濕冷系統(tǒng)冷卻風機功耗，此時換熱效率大大下降，經(jīng)濟性顯著降低，甚至無實用價值。這時可以考慮采用干冷與濕冷系統(tǒng)混合形式的冷卻系統(tǒng)，使干冷系統(tǒng)的風量與高爐鼓風機組的進風量相匹配，這樣即滿足了提高鼓風機組入口風溫，減小放風量的目的，又降低了冷卻塔冷卻風機的功耗，避免換熱器效率低帶來的損失，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。如果冷卻塔采用非機力通風系統(tǒng)，可以避免冷卻風機功耗，但一次性投資很大，需要進行經(jīng)濟性計算確定。

(4)采用冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)也有其缺點，風機入口風溫（即氣溫）越高，汽機排汽壓力越低（即真空度越高），則空冷系統(tǒng)冷卻風量越大，效率越低。隨著風機入口風溫的升高，如汽機排汽壓力太低，使得空冷系統(tǒng)冷卻風量太大，功耗太大，散熱器效率大幅下降，已沒有實際應用價值，如表中的第8、9、11項。工況受氣溫變化影響較大，隨著氣溫的變化，冷卻風量需求量變化大，冷卻風機運行數(shù)量也要做相應調(diào)整。冬季氣溫較低時，空冷系統(tǒng)可能發(fā)生凍害，需要有相應的維護措施。

(5)采用干冷系統(tǒng)，氣溫變化對汽輪機排汽壓力影響較大，當氣溫較高時（尤其是夏季），汽輪機排汽壓力升高，汽耗顯著增大， 經(jīng)濟性下降，安全性降低。因此，也增加了汽輪機的選型難度。

(6)送風溫度不能過高，否則對風機強度產(chǎn)生不利影響，按照鼓風機組廠家要求，送風溫度不能超過250℃，故風機入口溫度以不超過30℃為宜。正因為如此，需要合理控制干冷系統(tǒng)冷卻風溫升，使干冷系統(tǒng)出口風溫不超過30℃。同時，如果冷卻風溫升太小，冷卻風量就會增大，導致干冷系統(tǒng)冷卻風機功耗增大，所以需要權衡利弊合理選擇。

從以上分析可知，采用冷源利用汽動鼓風系統(tǒng)是可行的，需要結(jié)合高爐與鼓風機組運行工況、氣候條件、水源情況、投資狀態(tài)等條件進行綜合經(jīng)濟分析，以確定合理的工藝、裝備。

[參 考 文 獻]

[1]丁爾謀 .發(fā)電廠空冷技術[M].北京：水利電力出版社,1992.