某大型轴流式鼓风机过热熔损故障分析及保护设置探讨.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER某大型轴流式鼓风机过热熔损故障分析及保护设置探讨杨镇，邓万里（宝山钢铁股份有限公司能源环保部，上海 201900）【摘要】某钢企为高炉送风的轴流式鼓风机在运行中突发故障，机组发生叶片及缸体熔损。在解析该机组工艺结构和联锁设置的基础上，通过对事故过程中各项性能参数曲线的分析和对设备损伤情况的观察，结合鼓风机研究文献和故障案例查询信息，推测还原事故发生时高炉鼓风机组内状态，对现有联锁保护是否足够、是否发挥作用进行分析和探讨，对如何避免同类事故发生给出建议。【关键词】轴流鼓风机；逆流；喘振；联锁保护【中图分类号】TH44【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0065-05 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Failure Analysis of Melt Loss Caused by Overheating of A Large-scale Axial Blower and Protection DispositionYANG Zhen,DENG Wanli(Energy and Environmental Protection Department of Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)【Abstract】The axial flow blower for blast furnace air supply suddenly failed during operation,the unit occurred blade and cylinder melt damage.On the basis of process structure and interlock setting of the unit,through analyzing the performance parameter curves in the process of the accident and observing the damage of the equipment,combining with the research literature on blowers and the information of the fault case query,it is speculated to restore the state of the blast furnace blower unit in the occurrence of the accident,so as to analyze and discuss the adequacy of the existing interlock protection and whether it is functioning or not,so that it can give suggestions on how to avoid the occurrence of the same kind of accidents.【Keywords】axial blower;backflow;surge;interlock protection1 故障过程及现象2021年5月，在一台高炉鼓风机正常运行过程中，试图将其防阻塞阀隔离出系统时发生了一系列异常现象：先是防阻塞阀关闭，然后吐出压力高触发防喘振报警，并很快触发副放风阀紧急开放，随后轴承振动、电机功率、吸入差压低、吐出压力低等信号陆续报警，但始终未触发跳机。期间人工干预未成功，直到约6 min后人工紧急停机。紧急停车前后，厂房内弥漫烟气及焦味，机组进气蜗壳外表油漆出现高温鼓泡及变焦、脱落现象。停车后盘车不成功，遂决定解体检查。开盖后观察到：（1）鼓风机前7级动叶及静叶片基本熔化消失，第8、9级动叶片端部存在熔化状缺损，1013级动静叶叶顶有剐蹭痕迹，见图1。（2）转子转轴表面、承缸内壁及进气缸内表面存在金属熔渣，见图2。（3）进气缸及安装在其上的进气轴封套发生明显变形，转子密封片与轴封套内的配合石墨环错位并有严重磨损现象。652023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER（4）静叶承缸不仅发生明显变形，还产生若干条带状金属缺损，深约68 mm，见图3。图1 叶片熔损情况图2 承缸壁上附着的金属熔渣图3 气缸壁的金属熔损后续对受损部件进行详细检查，结果如下：（1）转子前半段表面组织出现不均匀晶粒粗化，表 面 硬 度 下 降，下 降 明 显 处 超 过 100 HB。（2）承缸表面硬度也有下降，但不如转子明显。（3）进气缸和静叶承缸均发生明显收口变形，承缸最大收口约20 mm，由进气向排气方向看，收缩变形趋势逐渐缓和，排气缸处的变形已不明显。（4）合缸后进气缸和静叶承缸的中分面已不能贴 合，承 缸 中 分 面 最 大 自 由 缝 隙 超 过14 mm。（5）转子跳动度检查情况良好，基本无超标。（6）转子主轴表面探伤未发现裂纹。（7）附属脱湿器和过滤器也有热损伤发生。2 故障原因分析2.1 鼓风机组简介故障鼓风机为大型全静叶可调的轴流式压缩机，由日本某公司生产制造，投用于 20 世纪 80 年代，承担着向高炉送风的重任。单台高炉鼓风机的工艺流程如图4所示。空气经过滤器除尘后至脱湿器降温脱湿，经过吸风管道进入鼓风机压缩，从鼓风机高压侧至排风管道送出，经逆止阀防阻塞阀吐出阀送风切换阀进入送风母管送往高炉，根据高炉指令通过调整静叶，控制风量和风压。图4中的主、副放风阀、急速减压阀和防阻塞阀均为具有保护作用的阀门，其开关和静叶调整由一套液压系统控制。主、副放风阀作用是防止鼓风机喘振，正常送风时处于全闭状态；急速减压阀在高炉发生悬料要求快速减压时使用，正常送风时亦处于全闭状态；防阻塞阀安装在逆止阀与吐出阀间，用于鼓风机防阻塞保护，送风前全闭，正常运行时全开。图4 单台高炉鼓风机的工艺流程图662023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER2.2 鼓风机事故原因分析前7级动静叶片、附着在缸壁上的熔渣、叶片端部及气缸壁上条带状的熔损、进气缸和静叶承缸的收口变形以及转轴和气缸内壁的金相组织和硬度变化，说明鼓风机内曾经发生了高温工况，而且温度超过了叶片和缸体材料的熔点。进一步分析什么情况会带来如此高温，并在短时间内造成这么大的破坏。多篇文献1-5均提到轴流式鼓风机发生喘振和逆流时会导致机内气流和叶片金属升温，其中逆流可视为深度喘振，发生时冷风停止流动或向风机本体流动，风机所做压缩功会全部转化成热能，会使得机内温度急剧上升，造成叶片变形、断裂甚至熔化烧毁。其中文献1中罗列了多起逆流事故，并专门对轴流风机在失速、喘振和逆流情况下的温升情况进行了研究，发现温度分布特征表现为出口向入口方向温度递增，轮毂向叶顶方向温度递增。这些研究结论与本文事故的情况极其相似，由此推测本次事故鼓风机很可能发生了喘振和逆流工况。整理汇总事故过程参数，分析鼓风机内气体压力、流量、温度、电机功率、轴承振动等特征参数变化是否具备喘振或逆流特征。图5给出了事故最初2 min 内各关键参数的变化曲线，由图 5 可见：（1）防阻塞阀开始关闭的时间为 10：20：05，所有异常均从此后开始出现。（2）先吐出压力开始上升，约11 s后至防喘振报警线，再 2 s 后防喘振控制动作，副放风阀开启。（3）几乎同时，机组吐出侧及吸入侧水平振动高报警；1 s后电机功率高报警。（4）再约1 s后吐出压力憋高至542 kPa，电机功率抬升至51 MW，然后随着副放风阀逐步开启而下降，但吸入风量和送风流量却不升反降，且下降速率较快，在此过程中，吸入差压也出现低报警。（5）吸入温度在吐出压力、电机功率以及轴承振动发生突变时开始上升，大约1 min时间即从不足20 升到30，随后又在下一分钟迅速升至超过100。（6）副放风阀开到61.5%时吐出压力和电机功率已远低于正常工况，随着副放风阀开始自动关闭，吐出压力和电机功率随之缓升，但短暂回升后再次掉头向下，在事故发生约4 min后（图5所示曲线之外）两者再次出现断崖下降，前者低至100 kPa以下，后者低至6 MW左右，随后在该水平徘徊直至停机。综合分析这些数据和曲线，推论如下：（1）防阻塞阀关闭是引发后续故障的原因。（2）副放风阀开启意味着鼓风机在防阻塞阀开始关闭约13 s后接近喘振，随后发生的风量、压力、功率及轴承振动的突变说明喘振已发生。（3）由于防阻塞阀距离鼓风机出口很近，突然关闭导致鼓风机出口气流送出阻力快速增加，吐出压力迅速升高，鼓风机送出气体反弹流向鼓风机入口，逆流几乎伴随着喘振同时发生。逆流携带的能量具有摧毁性作用，对于受力面较大的前几级叶片图5 鼓风机故障关键时间内各参数变化曲线672023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER尤其如此，因此最初的损伤很可能是喘振和逆流引发的动静叶片断裂。（4）由于机组后续又持续运行了约6 min，在此期间一直存在深度喘振逆流情况，而且电机也一直处于运行中，尽管电机功率已一再下降，但显然仍在不断向机内气体做功，将电能转化为机械能再转化为热能，不断抬升气缸内气流和结构金属的温度，直至温度超过叶片和缸体材料的熔点，造成更严重的损伤：脱落以及尚未脱落的叶片开始从前到后逐级熔化；气缸壁也开始逐步熔化；熔化形成的熔融流体顺着逆行气流方向流向进气缸，使得进气缸也出现高温情况；高温气流还进一步逆流到脱湿器中，烧毁了部分不锈钢滤网。综上，本次事故直接原因就是防阻塞阀的意外关闭。3 联锁保护分析根据事后分析，防阻塞阀关闭是一起操作事故，引发操作错误的原因不是本文分析重点，不再展开。值得讨论的问题是：风机设置的联锁保护措施为何没能阻止本起事故？机组联锁保护方面是否还有改进空间，该如何改进？3.1 现有联锁保护动作分析除在十余年前因误动事故而被取消的“吸入温度异常高”联锁跳机设置外，事故鼓风机现有联锁保护设置基本沿用了30多年前的原厂设置，包括喘振控制、机械异常、控制回路异常保护等在内的报警保护，以及润滑油压异常低、轴位移异常大且推力轴承温度高、喘振及逆流等联锁跳机保护。报警保护方面，首先分析机械异常保护是否正常动作。根据图5记录曲线来看，电机功率高、轴承振动高、吸入差压低等报警陆续发生，说明机械异常保护已按设置正常触发。然后分析防喘振控制是否正常动作。该控制采用防喘振接近线、防喘振线和紧急放风线等三线设置：第一阶段，当吐出压力达到防喘振接近线时应发出光声报警，闭锁静叶。防阻塞阀开始关闭后约11 s时吐出压力越过防喘振接近线，静叶闭锁并发出声光报警，符合保护设置。第二阶段，当吐出压力越过防喘振线时应触发防喘振动作，打开副放风阀。吐出压力越过防喘振线时副放风阀打开，亦符合保护设置。第三阶段，当吐出压力达到紧急放风线且吐出压力变化大（大于50 kPa/0.5 s）时，应强制开启70%放风阀。由于吐出压力变化速率大于50 kPa/0.5 s的条件始终没有满足，虽然吐出压力越过防喘振线后还继续上升，并超过紧急开放线，但并未触发主放风阀紧急开放动作，这也与保护设置吻合。联锁跳机保护方面，润滑油压、轴位移和推力轴承温度都没有超过阈值，因此未触发跳机，说明相关保护动作正常。此外，虽然吸入差压达到了触发阈值（1 kPa），但仍旧是因为吐出压力变化速率大于50 kPa/0.5 s的条件未同时得到满足，故此跳机保护也未能触发。综合来看，现有联锁全部按设置要求正常实施了相应动作。主放风阀未开启以及喘振跳机未动作，都是因为实际未达到吐出压力变化速率方面的触发条件。该条件始终没有得到满足的原因在2.2节分析中已指出：在发生电机功率突升突降、吸入流量不升反降、振动值突升的那个时间点前后，鼓风机的损伤已经发生，以致无法正常送风。3.2 新增其他联锁保护的充要性分析由上文分析可知，从防阻塞阀开始关闭起约1315 s，机组已发生不可逆损伤，而此时防阻塞阀关闭行程仅仅过半，轴承振动值虽然突升到一个峰值，但数值仅80 m，轴承温度、轴位移等均无异常反应。说明即使事故鼓风机组增设旋转机械常用的轴承振动高跳机、轴承温度高跳机等联锁保护设置，也不能阻止事故发生。进一步分析，那个被取消的“吸入温度异常高”联锁跳机设置是否能在本次事故中起到保护作用。通常这类设置就是为防止逆流事故而设，但由图5中曲线可见，防阻塞阀关闭约1 min时吸入温度不足30，尚未达到45 的跳机条件，而此时鼓风机早已经发生了不可逆的损伤。由此可以推论，“吸入温度异常高”联锁仍旧不能保护机组不受损。再进一步分析，如果采用文献6-7提到的两类逆流保护系统设置吸入流量低保护6和喉部差压低保护7，是否有机会阻止这次事故。由图5中曲线可见，吸入流量陡然下降的起始时间点约在防阻塞阀关闭13 s后，而当其跌至文献6所建议的低流量联锁保护值 2 000 m3/min时，距离防阻塞阀关闭已过去约20 s，这时触发此联锁显然为时已晚。再分析喉部差压低保护，由图5曲线可见，吸入差压低报警出现于防阻塞阀开始关闭起约18 s，也已经晚于机组发生损伤的时刻。由此可知，在本次事故里，假设设置了喉部差压低和吸入流量低联锁跳机也不能保护机组不受损。682023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER为何以上这些常用和被推荐的联锁保护设置都没法阻止事故发生？原因在于防阻塞阀距离机组出口太近，其突然关闭导致气流变化几乎没有缓冲余地，喘振转化为逆流的时间非常短，控制系统尚未完成检测和作出反应，损伤已然发生。也就是说，当防阻塞阀开始关闭动作，除了立即停止防阻塞阀关闭并回开，或者立刻手动“拍机”，已无其他更有效的联锁保护来防止同类事故发生。3.3 鼓风机联锁保护设置优化设想虽然上节分析表明鼓风机受损在很短时间内就已经发生，即便事故鼓风机组设有比目前更多的联锁跳机保护也不能避免事故的发生，但机组设置了“吸入温度高”“吸入差压低”“吸入流量低”等作为联锁跳机条件，将有机会减轻事故后果的严重程度。另一方面，高炉鼓风机的联锁保护并非越多越好，建议可按如下原则设置鼓风机联锁保护：首先，高炉鼓风机现有联锁保护必不可少，不需要变更。其次，常规用于保护旋转机械的联锁设置，包括轴承振动和轴承温度方面的联锁设置，不必添加到现有联锁保护设置中，因为它们并不能阻止本次故障的发生，而且存在误动可能。第三，可考虑将原有“吸入温度高”的联锁跳机保护重新加入到保护设置中，除此之外，还可参考文献所述，将“吸入差压低”“吸入流量低”考虑为联锁跳机保护设置。但同时，考虑到对高炉的影响，对现有鼓风机联锁保护进行变更需要慎之又慎。如果要增加以上联锁保护，必须选用可靠性高的测量仪表，且需要采用3选2触发保护的策略。最后，如果要防止这类鼓风机的事故发生，最可行的保护设置是“鼓风机运行过程中不能关闭防阻塞阀”。要实现这个保护，既需要在岗位操作规程中予以体现，也可以考虑在操作程序中进行设定。4 结语（1）本次事故由鼓风机运行过程中防阻塞阀的突然关闭引发，可以视为深度喘振或逆流引发的事故。（2）事故造成的严重设备损伤分两个阶段形成，第一阶段是喘振快速发展为逆流，并在十余秒内导致静部件损伤，第二阶段是此后未停止运转的电机不断做功，导致从进口向出口方向的机内温度逐步超过叶片和缸体材料熔点，造成叶片和缸体熔损。（3）鼓风机预设的各联锁保护（含跳机保护、闭锁保护等）均按设定条件正常动作，但由于防阻塞阀与鼓风机出口距离很近，能量回弹传递的速度非常快，在大约十余秒的时间内就对鼓风机部件造成不可逆损伤，此时各种保护尚来不及起作用。换句话说，当防阻塞阀开始关闭动作，除了停止防阻塞阀关闭，或者立刻手动“拍机”，无论其他保护如何设置，已无机会阻止事故发生。因此，如果要防止这类事故的发生，最可行的保护设置是“鼓风机运行过程中不能关闭防阻塞阀”。（4）可考虑将原有“吸入温度高”的联锁跳机保护重新加入到保护设置中，亦可考虑增加“吸入差压低”“吸入流量低”联锁跳机保护，它们虽然不能防止此类事故，但有助于尽快停机以减轻事故严重后果。同时，如增加这些联锁，需采用3选2等策略降低联锁误动概率，避免因误动给高炉带去新的不稳定因素。（5）高炉鼓风机防阻塞阀和吐出阀均需严格管理，确保其不会在运行过程中出现突然关闭的状况。参 考 文 献 1 陈鸿潮.轴流式压气机旋转失速、喘振及逆流工况下的温升综述 J.燃气轮机技术，1996（3）：8-15.2 张宇晓，司晋利，董江峰.提高高炉鼓风机安全运行效率之措施 J.冶金设备，2017（增刊2）：156-159.3 刘宏光.高炉鼓风机喘振事故的原因分析及防范措施 J.冶金动力，2006（3）：39-41.4 吴小原.捷克5 500 m3/min汽动高炉鼓风机技术特点的初步分析 J.包钢科技，1996（1）：66-72.5 吴小原.捷克 5 500 m3/min轴流式高炉鼓风机叶片损坏原因及分析 J.冶金动力，1996（6）：13-15+38.6 邢国明，田盛，戴婉婷.高炉鼓风机-轴流压缩机控制系统的新思路与方案 J.风机技术，2012（4）：75-80.7 徐永强.逆流保护系统在高炉鼓风机系统中的应用 J.冶金动力，2019（3）：68-7+77.收稿日期：2022-11-28作者简介：杨镇（1975-），女，博士研究生，正高级工程师，主要从事能源机械及设备的技术管理。69