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水泥行业离心风机的正确选型

作者:Dr John Irons博士,王宏伟 销售经理 哈利法克斯风机
        风机,作为通用换气设备被普遍应用于各个行业中,在水泥行业中更被广泛使用。随着科技的发展人类居住环境受到工业污染的挑战,以及世界经济发展下行压力加大,人们越来越关注工业设备应用对环境的影响。对低碳,减排,降低成本的要求,使人们对高效工业离心风机关注度越发提高,从而将高效工业风机研发,选型,改造推入新的篇章。水泥1

        在水泥生产工艺中,随着工艺要求的提升,常常对风机有更高的要求,需要增大风机的尺寸,提高风机速度,来满足更大的工艺处理量和输送工艺的要求。因此,在风机采购中,风机使用能耗成本比前期采购成本更加被人们重视。“降耗就等于赚钱”人们开始把低能效风机的改造列入降低成本的重中之重,一些大功率工艺气风机,高温循环风机的改造一年到两年内节约的电费成本就等于一台新投入风机的成本。
离心风机是如何工作的
        离心风机并不像轴流风机靠离心力转化能量,而是由叶片运动产生能量。换一种思路来解释离心风机的工作原理,当叶轮转动时,在叶片底部形成真空区,空气流随即填补这个真空区并随之流向叶片表面。这说明了一个重要的事实,即叶片的下表面对风机效率起不到决定性的影响。所以风机制造商通常在叶片背板加焊内外加强板,条状加强焊道,增加叶轮的强度。并增加平行固定螺栓,衬垫做为耐磨保护。这也意味着,高效率机翼型叶片并没有比高效弯型叶片效率高很多。翼型叶片更主要的优点在于,对于更大,更宽的叶轮,它的中空式结构叶片强度上会比传统弯型叶片更强。水泥2
        风机在旋转时,叶轮的速度随着风机的半径变化而变化。所以,最佳效率的叶片应该是后弯的螺旋型叶片。而在实际应用中,通常使用的是弯型叶片,配合进出风口角度,来达到风机所需的性能参数。这些角度由界定曲率和倾斜角半径来实现。对于机翼型叶片,叶片宽厚,曲率平缓,所以此款叶片效率会相对提高一些。而倾型(前倾/后倾)叶片是当风机输送气体载尘时不得不选择的折中方案。在含尘量较大的输送系统里,有自洁性的倾型(前倾,后倾)叶片变成首选,但是要使倾型叶片效率超过80%,就需要结合更加缜密的风机设计才能实现。例如,哈利法克斯风机的BFBI(BF后倾)系列。这一系列的风机效率完胜弯型叶片风机,叶片曲率和倾斜角的设定完美接合风机入口和出口倾角,使风机效率远超80%。水泥3
        气流通过进风锥管进入风机流入叶轮的过程中,没有旋转阀推动气体,只有大约50%左右的气流被推入风机背板/中心轮毂侧,所以只有一定量的能量传导给叶轮,而其他的一部分气流在叶轮四周循环转化成能量损失。这部分循环气流的多少直接决定了叶轮的效率。
        我们可以通过改变进风椎管设计间距来改变叶轮循环气流面积,改变进风椎管嵌入叶轮深度或叶轮进口加强环尺寸都会对风机的性能产生影响。还有一种做法是设计具有抛物线型或者有坡度的叶轮盖板来减少叶轮四周气体循环区域面积。叶轮越宽,气体分流会越明显,如果叶轮非常宽,风机的性能会很难预知。所以当叶轮很宽时我们完全要依靠大坡度前盖板才能维持稳定的风机性能。水泥4
如何提高风机效率
        准确知道风机的使用工况才能更好的选择合适的风机设计,然而,简单的风机设计不会全面考虑到风机应用过程中的全部问题,包括制造精度影响等。
        验证性能测试法做为一种性能测试的手段依然被许多风机厂商和用户广泛的应用。目前有很多风机性能测试从ISO和AMCA测试标准中延伸而来,这些测试的基础理论都是相同的。按照测试标准定制管道进行标准测试,随后矫正测试条件。再通过风机标准定律计算相同的叶轮形式不同尺寸的风机性能。例如:
                压力和密度成正比,和速度,尺寸的大小成平方比
                流量和速度成正比和尺寸的大小成立方比
        AMCA提出的方法是测试每个即售风机。 AMCA随风机制造商建造了很多实验室或测试平台,每台不同尺寸的即售风机都会进行独立测试。这种方法也被一些风机厂家所使用。但是出于成本因素的考虑,风机厂会放大参数范围,限定风机尺寸。这样会导致在使用工况中,风机的选型不完全接近风机的工作点。这种测试方法对小参数风机也不适用。水泥5
        实际的制造过程中都会有限制公差(例如±1mm)。这意味着,当风机越来越小时,制造公差并不随风机的尺寸而减小(制作一台250mm风机±0.25mm公差难度很大,而制作一台1000mm风机限制公差为±1毫米公差并不困难)。焊接工艺和表面粗糙度对小风机影响更大。另外,气流边界层和湍流效应不会随尺寸的增大而阔大。这些特性被称为尺寸效应-风机的尺寸直接影响风机的性能,制造一个高效的小风机远比制造一个高效的大风机要难的多。这种风机尺寸效应也得到AMCA FEG和ISO12759风机轴吸收功率评级的认可。水泥6
        当测试一个新研发风机模型时,为了让测试结果更完美,风机的制造和装配工艺更细致,远超过普通风机的生产水平,这也是风机性能降低的一种因素。哈利法克斯风机使用测试方法是测试小风机,并使用普通的生产工艺制造风机,风机测试以380mm直径叶轮为模型。大公差的小风机为测试标准,确保生产出的小公差的大型风机性能更优越,效率更高。
        还有一种测试方法,是通过CFD来对风机建模分析(计算流体动力学)。在10年前,依靠CFD分析传动机械设备对于风机制造厂家来说是非常昂贵的。在过去10年中,使用CFD的范围慢慢缩减。仅仅使用CFD软件中的一项ANSYS功能,但分析仅能达到10%的精度,一个CFD模型至少需要32位处理器12小时的分析。还有另外的理论和模块来进行相似精度的分析。这仅有的10%的精度可以预测的流体变化,却不足以用于风机性能的预测,所以即便是有CFD结果的支持,还是要依赖物理测试法进行性能测试。水泥7
        哈利法克斯风机将理论开发融入模型制造中,快速制造原型测试。这种测试方法要比CFD分析法更快易于实现,一旦理论模型通过物理测试再融入CFD分析来完善风机设计。总体而言,CFD更偏重于对几何形态的分析,但是并不能智能结合样机理论,CFD还运用于分析易于测试流动理论和物理结构影响,而这些是物理测试很难检测到的。
风机选型
                风机的压力定义为两个方面,全压和静压;
                全压升压=出口全压 - 入口全压
                静压升压=出口静压 - 入口全压
        全压升促使风机的总能量增加,所以常用于规范和标准里用来衡量效率 - AMCA FEG和ISO12759。然而 ,静压升多被大多数工厂用于选型。
        许多工程师先要确立出系统所需的静压和体积流量然后评估该系统的压力损失。压力损失将与工程师所给的系统所需静压静相结合。静压用于定义在风机进风口处的工艺气体的属性。它也可以用于确定在整个风机的静压变化。然而,如上所述,静压升是不出风口静压减去进风口的静压,风机的进风口总压才是最精确的应该被使用的。如果进风口和出风口具有相似(相等)的面积,所需要的的值应该是总的压升。所以使用静压差来选型给了我们一个隐藏的安全系数。水泥8
        当我们改造更换一台风机时,风扇进气/排气速度会因风机进风口/出风口面积的变化而改变。对于这种情况,最好是使用风机总压升来选型。确保在新的风机下游管道中静压与原始风机压力相同。
        除了压力和流量,风机的操作过程也是需要考虑的影响风机的选型的因素之一,它可能会影响风机的曲线,风机的特性以及如何控制风机。
        对于很多风机操作系统是稳定的,所以风机可以安全的在最高压力点下5%左右的位置运行。然而,并非所有系统都是稳定的。例如,出窑水泥熟料进入篦冷机后在篦板上冷却,篦床的厚度和密度会发生变化。对于这些不太稳定的系统,风机工作点需要远离曲线的峰值运行,通常选择至少低于压力峰值的10%到15%之间。在其他情况下,系统设计者会想要风机压力工作点在最高压力峰值的下方,确保有不可预测压力上升的情况下风机仍有一些安全余量。水泥9
        如果风机叶轮上粘粘了一些粉尘,它会在叶轮上堆积成粉尘层。粉尘层变厚变重最终部分脱落,此时风机会失去动平衡。这种情况在风机运行,或当风机停车再重新启动后常常发生。当风机启动时马达起动的冲击力可以敲掉灰尘。此外,在停车时灰尘可能吸收湿气而变重,因此会更容易脱落。我们可以通过使用大倾角叶片或径向叶片来降低这种这失衡的情况的发生。对于大风量小倾角风机,使用后倾型叶片是最佳的选择。
        灰尘除了粘到风扇上,也可导致叶片的磨损。这种磨损可以使用叶轮焊接修补进行校正。如果侵蚀严重或风机已被修复多次,将需要更换叶轮。为了避免这种情况发生叶轮可以在制造时配有硬质面。这种硬堆焊可以加焊在叶轮表面也可以加耐磨肋条。但硬堆焊到内衬板上可以引起叶轮裂缝,这意味着,防摩层或烘烤涂层更适用于风机叶片上和衬垫优选于焊接在叶轮表面。防摩螺栓垫片也比较常见,但是不能用于翼型叶片。
        流量控制的选择取决于系统阻力线。流量控制的最有效的形式可以是变频控制。然而,随着变速控制的压力和体积流量随速度改变而变化;
                压力=常数x速度2
                体积流量=常数x速度
                按照平方律关系;
                压力=常数x体积流量2;
        在这些规律中,如果风机设计选型流量接近风机曲线最高效率点,那么按比率增加此款风机在任何风量下都会保持最高效率。
        并非所有的工艺系统都遵循平方定律法则。在有些压力恒定的系统中,靠流量不断变化维持系统工作。其中典型的案例是流化床燃煤锅炉熟料提取工艺。在此系统中如果单纯使用变频器降低风机转速会使风机偏离高效工作点。更糟的是,风机可能因转速的变化风机无法产生足够的压力。也就是说,对于此类工艺,控制流量的最佳选择是风阀。
        出口风阀:使用风机出口风阀控制风机流量,会因系统阻力增大而增加系统的压力损失。如果前期风机选型风机效率不高,使用出口风阀调节可以降低风机轴吸收功率提高风机工作效率。然而,风机和风阀同时工作的效率始终要小于通过正确选型的高效风机的效率。出口风阀对系统的控制也不是特别理想,风阀至少要关闭50%才能真正对系统起作用。出口风阀的另一个缺点是,风机可能运行在低流量喘振区产生剧烈喘振。水泥10
进口风阀:进口风阀距离风机叶轮很近,它可以通过改变导叶的角度来改变气流流向从而控制风机的流量,这是一种比较高效的流量控制方法,但是也会导致系统损失。进口阀门越接近叶轮,对风机流量控制越有效。进口风阀的控制效率相对较高,但缺点是容易磨损和损坏。在风阀的控制下,能够做到在降低风机总风量10%的条件下稳定运行。风阀从全开到100%关闭的压力损失在10%左右。不管是进口风阀还是出口风阀控制产生的风机效率都要远远小于正确选择一台高效风机的效率。所以,进口风阀的主要目的应用还是在维持风机压力的情况下获得可调节风机流量。
正确风机选型的好处
        风机的选型常常要平衡前期安装成本和后期运行成本。安装成本包括风机成本,电机成本,风机安装尺寸。一个好的系统设计应该平衡安装成本,运行成本等上诉所涉及因素。在前期设计阶段,很多因素尚不完全清楚,因此,我们尽可能的多收集可用信息,即使这些信息可能不准确。在设计阶段工程师也通常会在选型中增加很多安全的系数。增加安全余量的原因有很多,但主要原因是避免系统中的未知因素导致风机选型过小而不得不更换新的风机,这些未知因素包括对将来系统使用能力的不确定性(如系统升级),或操作情况的恶化(包括系统阻塞)等。
        但是有些系统的安全系数考虑过大。有些糟糕的情况,风机实际运行压力只有预期压力的50%。导致风机在非常的效率点运行,甚至工况点偏离选型点过远而引起电机过载。虽然可以改变风机的转速来解决电机过载问题。却也因此损失了很多风量从而降低了系统的生产能力。实际应用中简单的解决方法是选择大功率电机,但会因此同时增加安装成本以及后期的运营成本。
        与其在设计中仅仅考虑增加压力安全余量不如结合安全余量与风机的选型,增大使用压力到风机曲线最高点压力范围,使操作压力有较大的余量。例如,如果最初系统设计预留20%的安全系数被认为是较理想的,该风机选型应选择风机操作点压力至少低于最高压力的15%,并同时预留10%的安全系数。这样就会确保所选择的风机会在运行过程中更接近所需的的工作点,也就更接近高效点。如果是现场改造风机我们会有机会去现场测量现有的风机使用情况,根据测量结果来重新选型,会根据客户对未来系统的提升要求来增加选型余量。
        确保风机接近最高效率点运行可以有效的节约运营成本。假设一台风机95%的时间长期持续运行,每增加1KW的功率,每年约有5000元的电力成本增加。对于100KW功率消耗的风机效率每降低1%就要多消耗5000元电费。对于400KW功率消耗的风机,每降低1%的效率每年就会多支出20000RMB左右的电费。显而易见,越大型的风机节能的效果会越明显,可想而知当现场所有的风机同时运行时这里的成本节约是巨大的。
        水泥风机的研究指出(“掌握风机系统效率”,世界水泥,2012),风机运行成本占了32%的水泥厂总费用支出。下表是对结果的分析;
表一 两家水泥厂的消耗对照

水泥13

工艺

生料粉磨

窑头

窑头

窑头

窑头

终料粉磨

终料粉磨

煤研磨

煤研磨

风机/风机

生料磨机风机

窑炉废气风机

引风机

篦冷机排气风机

篦冷机风机

辊压机循环风机

分离风机

水泥磨机风机

磨煤风机

废气风机

风机效率%

66

68

73

65

51

69

66

62

60

45

风机能耗 (% 总)

25.5

10.6

19.0

7.2

15.1

5.4

9.9

3.3

1.8

5.8

        如果将上述风机的效率提高至75%,会至少减少15%的能源损耗和5%的能源开支。对于一个产值1000吨/天水泥生产线,每年的节能成本会降低1100-1200百万之间。         然而,电力并不是唯一的成本损耗。降低风机故障率,减少停车时间,节约返修人力物力成本对降低成本更起到至关重要的影响。选择高品质的风机,降低返修率所节约的成本等同于甚至高于节能风机所节省的成本。