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钢铁企业除尘系统工况调节试验研究 顾晓光杨青 中冶建筑研究总院有限公司， 北京 100088 摘要 阐述了钢铁企业除尘系统在运行过程中工况调节的现状及问题。根据发现的问题， 对不同模型条件下的除尘系 统风机定转速、 风机变转速两种调节方式进行试验研究， 并通过试验数据的分析， 总结出两种调节方式对除尘系统运 行的不同影响。对除尘运营工作有参考意义。 关键词 除尘系统; 管路调节; 除尘运营 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409017 STUDY ON ADJUSTING OF IＲON AND STEEL ENTEＲPＲISES’DUST ＲEMOVAL SYSTEM Gu XiaoguangYang Qing Central Ｒesearch Institute of Building and Construction Co． ， Ltd，MCC Group，Beijing 100088，China AbstractCurrent situation and problems during operation conditions of iron and steel enterprises dust removal system were expounded． Fixed speed and variable speed of blower fan in the dust removal system under the different models according to the problems discovered were studied． Through the analysis of the test data in two ways，different effects on the dust removal system was summed up． The study would provide some usetul reference for the dust removal operations． Keywordsdust removal system;pipeline regulation;dust removal operations 收稿日期 2013 －08 －26 0引言 钢铁工业由于生产流程长、 工艺复杂， 产生的烟 尘量非常大， 收集和处理这些烟尘所需的能耗也非常 高， 例如 以一个年产 1 000 万 t 钢的钢铁联合体为 例， 其总烟气量为3 000 万 ～4 000 万 m3/h， 年产尘量 在 200 万 ～250 万 t， 需要配套近百套的除尘系统， 分 散在原料转运、 烧结、 焦化、 炼铁、 炼钢、 轧钢等各个流 程中， 年耗电费为 3. 6 亿 ～5 亿元。其中大部分系统 在运行过程中需要进行工况调节。一方面通过工况 调节过程可以使管网内系统风速与设计值相近， 保证 系统长期稳定运行并确保除尘效果; 另一方面对于某 些间歇性工作的除尘点， 可以在其关闭时通过风机的 降速运行节约一部分能量。但根据现场调查所得的 现实情况， 有些企业配置的除尘系统根本不考虑调 速， 有些即使有调节功能的也不能根据实际工况进行 调节， 造成了大量能量的无谓浪费。 1钢铁企业除尘系统运行现状及问题 经过对各种规模的钢铁企业除尘系统的调查， 目 前 90以上的系统均未按设计参数运行。现场运行 情况通常分为下列三类 1风机无调速装置， 全速运行， 通过入口阀调节 系统工况。这种调节方式被广泛应用于风机不调速 的除尘系统中。由于此种系统服务的工艺系统往往 采取开、 关两种运行方式， 因此系统与工艺设备连锁 运行， 若有部分除尘点关闭时， 通过调节入口阀门的 方式改变系统工况。这种改变虽然目的是节约系统 能耗， 但实际效果却造成了系统的运行不正常。 2风机有调速装置， 恒速运行， 不进行系统调 速。这种调节方式常见于除尘系统原设计中未设计 变频调速装置， 系统风量和电机功率又较大， 而实际 应用中却未达到理想的除尘效果。出于降低生产成 本的考虑， 在节能改造的过程中新增了变频设备， 却 不根据实际工况进行调速。这种做法虽然为企业节 约了部分电能， 却是以牺牲了除尘效果为前提的。完 全为了降低成本而节能， 没有考虑到除尘系统的根本 目的是治理环境。 3风机有调速装置， 变速运行， 通过工艺要求连 47 环境工程 Environmental Engineering 锁调节系统工况。这种方式主要应用于炼钢、 炼铁等 工艺周期明确的冶炼环节， 系统通过接收工艺信号进 行联动调速， 为各工艺状态提供对应的风量、 压头参 数。这种方法是目前各大型钢厂炼铁、 炼钢除尘系统 普遍采用的节能方法， 既兼顾了系统的除尘效果， 又 相应的节约了能源。但这种方法也存在一个弊病， 就 是系统运行工况， 如果与设计工况存在偏差， 调节后 达不到系统的设计参数， 影响现场除尘效果。 由于钢铁企业除尘系统在施工过程中常会出现 管道路径或连接方式与设计不符的情况， 导致除尘系 统整体阻力比设计值高出很多， 从而造成系统内风速 与设计值相比有所降低， 进一步使含尘气体中的较大 颗粒在管路中形成沉降， 造成个别支管路的阻塞， 如 不及时维护， 造成管路系统阻力严重失衡， 对支路末 端风量大幅降低， 影响除尘效果。 正是由于以上原因， 除尘系统在运行过程中管路 部分的阻力、 风量等参数经常处于变化中， 因此间隔 一段时间就应对各除尘管路进行检查， 防止出现管路 系统各支路间阻力严重失衡的情况。但在管道系统 的工况调节过程中， 各厂的维护人员和操作人员均不 能有效的把握除尘系统管路的调节特性， 本文通过试 验手段对单支路、 双支路、 三支路三种模型下的调节 过程进行了模拟， 并对得出的结果进行了分析研究。 2除尘系统管路系统研究重点及特性影响因素 2. 1明确研究对象 除尘系统属于需要余压的开式系统， 这正是除尘 系统最大的特点。这个 “余压” 要既能完成将烟气收 集的任务， 又要能克服风机后的阻力将经过净化的空 气通过烟囱排出。 通过以上论述， 我们可以清楚的知道除尘系统实 际的管网曲线一定属于广义管路曲线， 其中“余压” 的内容还包括系统中除尘器的阻力和由于位置差造 成的压力差。 众所周知， 除尘系统中起过滤作用的是除尘器， 而除尘器实际阻力通常是在运行中不断地变化， 经研 究往往具有一定的周期性。通过以前对各大钢厂除 尘器的调查发现， 运行正常的除尘器阻力通常在某区 间内波动。而实际除尘器中哪些阻力来自于滤袋， 哪 些阻力来自于除尘器结构， 以及风速变化时阻力如何 变动， 仍在研究过程中。因此本文将除尘器在系统中 阻力简化为不随各种因素变化的固定值。 另外， 由于位置差造成的压力差在系统进出口位 置确定后也随之确定， 因此本文假设其为固定值 对待。 综上， 本文仅对除尘系统中的管路系统参数作为 变量进行研究， 避免其他环节和因素的干扰， 由此可 假设认为系统余压为零， 广义管网曲线即可变成狭义 管网曲线。 2. 2 管路特性影响因素 影响管网特性曲线形状的决定因素是管网的阻 抗 S。S 值越大， 曲线越陡。当流量采用体积流量单 位时， 管段阻抗 S 的计算式如下 Si 8 λi li di ∑ ζρ π2d4i 根据 S 的计算式可知， 影响 S 值的参数有 摩擦 阻力系数 λ、 管段长度 l、 直径 或当量直径 d、 局部阻 力系数∑ζ、 流体密度 ρ。其中 λ 取决于流态。由流 体力学可知， 当流动处于阻力平方区时， λ 仅与 管段 的相对粗糙度 k/d 有关。在给定管路材质条件下， 若 λ 值视为常数， 则有 S f l， d， k， ∑ζ， ρ 。由此可 知， 当管网系统安装完毕， 管长、 管径、 局部阻力系数 在不改变阀门开度的情况下， 都为定数， 即 S 为定值， 对某一具体的管网， 其管网特性就被确定。反之， 改 变式中的任一参数值， 都将改变管网特性。由于 S 正 比于 l、 k、 ∑ζ、 ρ， 反比于 d， 所以当管网系统较长、 管 径较小、 局部阻力 弯头、 三通、 阀门等 部件较多、 阀 门开度较小、 管内壁粗糙度较大、 流体密度较大都会 使 S 值增加， 管网特性曲线变陡; 反之则使 S 值减小， 管网特性曲线变缓。在管网系统设计和运行中， 都常 常通过调整管路布置、 改变管径大小或调节阀门的开 度等手段来达到改变管网特性， 使之适应用户对流量 或压力分布的需要。 综合以上的各种影响因素的分析， 对于给定工况 的除尘系统管路而言， 参数 l、 k、 d、 ρ 均已确定， 而对 系统有可变化影响的只有 λ、 ∑ζ， 而这两者的影响并 不仅自身决定的， 还与系统动压头 ρv2/2 密切相关。 λ、 ∑ζ 两参数分别与动压头 ρv2/2 相乘， 即形成了系 统的沿程阻力和局部阻力。而除尘系统管路总阻力 可用下式表示为 H λ l d ρv 2 2 ∑ζ ρv 2 2 。 总之， 要抓住管网特性这条基本脉络， 尽量通过 设计、 计算等方法在设计阶段就尽量准确的掌握其管 网特性。也只有准确掌握了管网特性， 才能为最终通 57 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 过系统调节实现不同工况间调节打好基础。 3管网特性的试验研究 除尘管网是极具个性化， 与现场实际结合紧密， 支管网风量可以从每小时几千到几十万立方米不等， 除尘点也可从一个到上百个不等， 管径形式更多， 故 一千个系统就有一千种管网布置形式， 无法逐一进行 研究， 但通过仔细的分析， 可发现其共性， 并将这个共 性的管网设定成典型模型， 所有的系统均可用这种模 型叠加来表示。 3. 1除尘系统典型模型 针对钢铁企业除尘系统的共性与个性， 将除尘系 统管网系统总结为三种类型 1单支路除尘系统是整个模型研究的基础部 分， 主要研究风机变频调速或直接调节阀门这两种方 式对系统风量、 风压的影响。 2双支路除尘系统在单支路系统模型的基础 上， 研究两条阻力相近支路对于阀门调节及风机调速 时各除尘点风量、 风压的变化及相互影响。 3三支路除尘系统在双支路除尘系统的基础上 增加一个定风量除尘支路。一方面研究不同阻力支 路的相互影响， 另一方面研究系统负荷变化时， 对定 风量支路的影响。 3. 2试验系统组成 本次试验系统完全按照实际工程的设计思路和 方法进行设计， 系统管路系统、 风机机组及变频控制 设备均与实际工程采用的一致。 3. 2. 1管路系统 本试验的主要工作是对除尘系统工况发生变化 时的参数进行研究， 因此搭建一套稳定、 精确的试验 系统是非常关键的。试验根据钢铁企业除尘系统工 艺流程图， 总结各除尘系统的特点， 自主设计了一套 试验系统， 该试验系统在运行过程中体现出了操作简 单、 运行稳定等优点， 能较精确测定各项试验参数。 也可模拟风机恒速和其他工况的除尘系统管路运行 状态及风机运行状态。如在系统上添加除尘器、 末端 装置等设备， 亦可进行除尘器及末端装置的研究。 本系统工艺流程如图 1 所示。 管路系统由三段支路及汇总的管路组成。系统 设计思路是通过三种不同模型的模拟验证不同工况 组合下系统各点参数的变化。 3. 2. 2风机电机机组 根据系统设计参数确定风机采用 G4- 73No． 10D 图 1除尘试验系统工艺流程 Fig. 1Flow diagram of dust removal system 型风机， 配套 Y250M- 4 型变频电机， 功率选用55 kW。 风机电机机组采用联轴器连接， 入口阀采用圆形多叶 调节阀， 配装电动执行机构 带 4 ～ 20 mA 模拟量 输出 。 3. 2. 3变频调速装置 试验系统变频装置采用 ACS550 型变频器， 其特 点是调速快捷、 精度高。而且该套设备的突出特点是 具有直接检测系统消耗的真实功率 kW h 的功能， 并可对数据进行储存和输出。 3. 2. 4控制与检测系统 试验系统的控制内容主要包括 风机调速控制及 反馈， 1 号、 2 号、 3 号支路阀门和风机入口阀的控制及 信号反馈， 接收各支路检测点压力传感器及风速仪的 信号。主要设备有电气柜、 PLC 柜以及中控计算机等。 3. 3试验内容 试验内容是通过各支路阀门及风机的调节， 获得 各种工况下相关的管路、 风机状态数据。 主要内容包括 1风机恒速， 系统各除尘点间风量分配及风压 变化互相影响的规律。 2风机转速通过程序控制自动调节时， 系统各 除尘点间风量分配及互相影响的规律。 4试验结果 通过两种控制方式的试验， 以及对所获得数据的 总结， 由于实际数据过多， 此处仅就每种试验工况列 举一些实例。 4. 1风机恒速单支路测试 风机恒速运行， 3 个支路只开 1 个支路， 系统采 用阀门控制， 测得单点风量和风压变化曲线。单支路 工作时， 单点支路和总路风量均随阀门关闭逐渐减 小， 支路负压随阀门关闭逐渐减少， 总路负压随阀门 67 环境工程 Environmental Engineering 关闭逐渐增加。 通过数据处理形成风量及风压数据变化见图 2、 图 3。 图 2风机恒速单支路风量变化曲线 Fig. 2Fan air volume curves of constant speed single branch 图 3风机恒速单支路风压变化曲线 Fig. 3Fan wind pressure curves of constant speed single branch 4. 2风机恒速双支路测试 风机恒速运行， 打开 2 个阻力接近的支路， 系统 采用阀门控制， 通过改变 1 号支路阀门调节系统工 况， 观测各点风量和风压变化。双支路工作时， 1 号 支路和总路风量均随阀门关闭逐渐减小， 2 号支路风 量随阀门关闭逐渐增大。1 号支路负压随阀门关闭 逐渐减少， 2 号和总路负压随阀门关闭逐渐增加 见 图 4、 图 5 。 图 4风机恒速双支路风量变化曲线 Fig. 4Fan air volume curves of constant speed double branch 4. 3风机恒速三支路测试 风机恒速运行， 3 个支路全部打开， 系统采用阀 图 5风机恒速双支路风压变化曲线 Fig. 5Fan wind pressure curves of constant speed double branch 门控制， 通过改变 1 号阀门开度改变系统工况， 观测 各点风量和风压变化。三支路工作时， 1 号支路和总 路风量均随阀门关闭逐渐减小， 2 号支路风量随阀门 关闭逐渐增大， 3 号支路风量随阀门关闭基本不变。 1 号支路负压随阀门关闭逐渐减少， 2 号、 3 号支路和 总路负压随阀门关闭逐渐增加 见图 6、 图 7 。 图 6风机恒速三支路风量变化曲线 Fig. 6Fan air volume curve of constant speed three branch 图 7风机恒速三支路风压变化曲线 Fig. 7Fan wind pressure curves of constant speed three branch 4. 4风机变速双支路测试 系统采用自动控制系统进行试验， 风机采用变速 运行， 打开 1 号、 2 号支路， 系统通过末端输入风量对 阀门进行控制， 通过改变 1 号支路所需风量改变系统 工况， 观测各点风量和风压变化。双支路工作时， 1 号支路和总路风量均随支路风量下降逐渐减小， 2 号 支路风量略有增大。1 号支路负压随阀门关闭逐渐 减少， 2 号负压随阀门关闭逐渐增加， 总路负压变化 77 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 不大 见图 8、 图 9 。 图 8风机变速双支路风量变化曲线 Fig. 8Fan air volume curves of mutative speed double branch 图 9风机变速双支路风压变化曲线 Fig. 9Fan wind pressure curves of mutative speed double branch 4. 5风机变速三支路测试 系统采用自动控制系统进行试验， 采用变速运 行， 三个支路全不打开， 系统通过末端输入风量对阀 门进行控制， 通过改变 1 号支路所需风量改变系统工 况， 观测各点风量和风压变化。三支路工作时， 1 号 支路和总路风量均随支路风量下降逐渐减小， 2 号、 3 号支路风量略有增大。1 号支路负压随阀门关闭逐 渐减少， 2 号、 3 号负压随阀门关闭逐渐增加， 总路负 压变化不大 见图 10、 图 11 。 图 10风机变速三支路风量变化曲线 Fig. 10Fan air volume curves of mutative speed three branch 图 11风机变速三支路风压变化曲线 Fig. 11Fan wind pressure curves of mutative speed three branch 5小结和讨论 1风机恒速单支路试验曲线可得出通风蝶阀调 节性能曲线并不是一条一次曲线。通风蝶阀开度 80以上和 20 以下时， 对风量和压力参数的调节 作用影响很小。 2风机恒速双点曲线揭示了阀门调整的一般规 律， 某一个支路的某一个点的改变， 可能造成整个系 统所有除尘点及风机风量、 风压及管网曲线的改变。 3风机恒速三点曲线揭示了系统阻力在系统中 的重要作用， 对于阻力较高的小风量支路， 在风量的 “争夺” 中永远处于被动地位。改变阻力较高、 风量 较小支路对整个管网系统的影响相对较小。 4通过风机恒速与风机自动调节曲线的对比， 可看出采用自动调节控制系统的优点是使风量变化 更加接近线性， 同时单点调节时对其他支路的参数影 响更小。 参考文献 ［1］魏润柏． 通风工程空气流动理论［ M］ ． 北京 中国建筑工业出版 社， 1981． ［2］韩志强， 黄卫国， 陈媛． 攀钢炼钢厂除尘技术改造思路及效果 ［ J］ ． 环境工程， 2011， 29 3 53- 57． ［3］白洪娟， 任旭． 新钢 2 210t 转炉二次除尘系统设计［J］． 环境 工程， 2012， 30 1 51- 54． ［4］薛小丁， 张玉梅． 变工况除尘系统风机调速计算方法［J］ ． 暖通 空调， 1996， 26 2 65- 68． ［5］胡学毅． 也谈变工况除尘系统风机调速计算方法［J］． 暖通空 调， 2001， 31 6 62- 65． 第一作者 顾晓光 1981 － ， 男， 工程师， 主要从事大气污染治理工作。 guxiaoguang1205 hotmail． com 87 环境工程 Environmental Engineering