提高篦冷機冷卻風機效能的措施

方岳亮，許龍旭

提高篦冷機冷卻風機效能的措施

Measures to Increase the Efficiency of the Grate Cooler Cooling Fans

方岳亮11，許龍旭22

結(jié)合篦冷機使用工況和離心風機的原理，針對現(xiàn)場使用過程中暴露的冷卻機風機能力不足的問題，綜合分析了各方面的原因，提出了比較全面的改進措施。

篦冷機；離心風機；熟料；燒成；

1 前言

篦冷機作為水泥熟料燒成系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其風機對于熟料的冷卻至關(guān)重要。但是很多現(xiàn)場暴露出風機風量達不到設(shè)計風量，冷卻能力不足的問題，筆者結(jié)合現(xiàn)場處理經(jīng)驗，針對幾種典型的故障，結(jié)合風機原理，分析了風機失效原因，并提出了幾點改進措施。

2 設(shè)計選型方面

對于篦冷機設(shè)計者來說，在根據(jù)換熱理論確定了單位面積的冷卻風量后，應根據(jù)篦床結(jié)構(gòu)、操作料層厚度、管道阻力及風量確定管網(wǎng)阻力，并基于以上要素確定風機的工況點，這是風機設(shè)計選型的依據(jù)。但在實際選型過程中，還有以下幾點需要關(guān)注，它們也是造成風機效率低下的常見原因。

2.1 風機比轉(zhuǎn)速對性能的影響

在標定某些篦冷機時，發(fā)現(xiàn)一室風機多不達標，風量風壓均偏小。以FJ水泥廠2500t/d篦冷機為例。

F1A：壓力10kPa，流量6m3/s，轉(zhuǎn)速1480r/min；

F1B：壓力10kPa，流量6m3/s，轉(zhuǎn)速1480r/min。

根據(jù)離心風機比轉(zhuǎn)速計算公式：

計算得Ns=20.38

該系列風機屬于低比轉(zhuǎn)速類型，流量低而壓頭高，低比轉(zhuǎn)速風機Q-H曲線容易出現(xiàn)駝峰形狀，會出現(xiàn)如圖1所示的情形。阻力曲線與風機曲線相交于駝峰左邊，風機壓頭未達到設(shè)計工況點。

因此，選型時應盡量避免比轉(zhuǎn)速過小，可以考慮合并兩臺風機為一臺風機，風管分岔供風或改變轉(zhuǎn)速參數(shù)，將轉(zhuǎn)速提高為2900r/min。如果不能提高比轉(zhuǎn)速，可考慮使用風葉前向的風機，避免駝峰曲線的出現(xiàn)。

2.2 同一風室避免風機并聯(lián)使用

并聯(lián)風機特性差別較大時，并聯(lián)的風量可能會增加，也可能會比其中風量較大的風機風量少一些；并聯(lián)風機特性完全一致時，并聯(lián)后的全壓不是前后相等的，而是略增。并聯(lián)只有在阻力較小的管路上風量才會增加較多，總風量小于一臺的兩倍，在阻力較大的管路上風量增加很少。

并聯(lián)風機一般應用于以下情況：

（1）當用戶需要大流量，而大流量的風機制造困難或造價太高時；

（2）流量需求變化幅度較大，通過停開機器臺數(shù)以調(diào)節(jié)流量時；

（3）當有一臺風機損壞，但仍需要保證供風量，作為檢修及事故備用時。

圖1 風機工況點

兩臺相同風機的并聯(lián)情況如圖2所示，已知一臺風機的性能曲線Ⅰ，在相同的壓頭下使流量加倍，便得到并聯(lián)機組的性能曲線Ⅱ。與管路阻力曲線Ⅲ交于A點。A點是并聯(lián)機組的工況點，QA是并聯(lián)后的流量，HA是并聯(lián)后的壓頭。如圖2所示，B點是并聯(lián)機組中一臺風機的工況點，管路阻力曲線與單臺風機性能曲線的交點C，是只開一臺風機時的工況點。C點對應的流量QC是只開一臺風機時的流量，而QC>QB，可知只開一臺風機時的流量大于并聯(lián)機組中單臺風機的流量。這是因為并聯(lián)后，管路內(nèi)總流量加大，所需壓頭加大，而風機的性能是壓頭加大，流量減小，所以并聯(lián)后單臺風機的流量減小。

圖2 兩臺風機并聯(lián)時性能曲線

多臺風機的并聯(lián)情況如圖3所示，Ⅰ是單臺風機的性能曲線，Ⅱ是兩臺風機并聯(lián)時的性能曲線，Ⅲ是三臺風機并聯(lián)時的性能曲線，Ⅳ是管路阻力曲線。由圖3可見，隨著并聯(lián)臺數(shù)增多，每并聯(lián)一臺風機所增加的流量愈小，效果愈差。

（1）兩臺型號相同且轉(zhuǎn)速相等的風機并聯(lián)后，風量最高時是兩臺風機總風量的90%左右，風壓等于單臺風機的壓力。

（2）兩臺型號不同且轉(zhuǎn)速不等的風機并聯(lián)使用，風量等于風量較大風機的風量，而風壓不疊加。

（3）兩臺型號相同且轉(zhuǎn)速相等的風機串聯(lián)后，風壓是單臺風機風壓的2倍，風量等于單臺風機的風量。

（4）兩臺型號不同且轉(zhuǎn)速不等的風機，型號較大的一臺置前串聯(lián)使用，風壓小于風壓較小風機的風壓，風量等于風量較大風機的風量。

圖3 多臺風機并聯(lián)時性能曲線

以GZHS水泥廠一臺5500t/d篦冷機為例，并聯(lián)風機標定數(shù)據(jù)見表1。并聯(lián)狀態(tài)下，F(xiàn)3A風機風量大大低于銘牌風量，通過在風室加裝隔墻后，解除了兩臺風機的并聯(lián)關(guān)系，兩臺風機工況風量均得到提高。

2.3 管網(wǎng)阻力過大的影響

式中：

λ——摩擦阻力系數(shù)，與材料、表面粗糙度有關(guān)，可查表獲得

L——管道長度，m

D——管道直徑，m（方管可折算為圓管）

v1——管道風速，m/s

ρ——工況氣體密度，kg/m3（20℃時取1.2）

ξ1——壓損系數(shù)，與管道彎頭、三通、縮口等有關(guān)，可根據(jù)尺寸查局部阻力系數(shù)表獲得。

注：公式前部分為沿程壓力損失（值比較小），后部分為局部壓力損失。

為了減小管網(wǎng)阻力應避免在風機排氣口后突然收縮，避免在突然收縮條件下吸入空氣，避免大于30°的擴管，避免矩形彎管，難以避免時可增加整流片或整流隔板。

2.4 高海拔風機的校正

隨著地面海拔的升高，空氣的密度隨之減小，大氣壓力隨之下降。對于同樣是5500t/d的篦冷機而言，需要的單位冷卻風量（質(zhì)量）是相同的。

表1 并聯(lián)風機標定數(shù)據(jù)

式中：

PH——海拔高度處的大氣壓力，Pa

P0——海平面處的大氣壓力，Pa

H——海拔高度，m

由于空氣壓力、溫度和密度符合理想氣體的狀態(tài)方程，因此在一定溫度下，大氣壓力與其密度成正比，三者之間的關(guān)系可用理想氣體狀態(tài)方程表示為：

式中：

P——大氣壓力，Pa

ρ——空氣密度，kg/m3

T——熱力學溫度，K

R——氣體常數(shù)，J/(kg·K)

對于空氣的氣體常數(shù)R=287J/（kg·K），可以通過兩個已知狀態(tài)的基本參數(shù)求出第三個參數(shù)。

對于高海拔的風機選型，風機的入口風量（容積風量）不隨入口大氣壓力和溫度的變化而改變（質(zhì)量流量發(fā)生變化），但是風機產(chǎn)生的全壓則隨風機入口氣體重度的減小而降低，即大氣壓力降低或溫度升高，風機入口氣體重度減小，風機產(chǎn)生的全壓隨之下降（以下計算暫時不考慮溫度）。

（1）高海拔冷卻空氣容積與零海拔地區(qū)冷卻空氣容積的關(guān)系：

式中：

M1、ρ1、Q1——高海拔地區(qū)所需冷卻空氣質(zhì)量、空氣密度、空氣容積

M0、ρ0、Q0——零海拔地區(qū)所需冷卻空氣質(zhì)量、空氣密度、空氣容積

k1——大氣壓力修正系數(shù)

（2）氣體重度與大氣壓力的關(guān)系：

式中：

γ2——高海拔地區(qū)的氣體重度，N/m3

γ1——零海拔地區(qū)的氣體重度，N/m3

（3）風機產(chǎn)生的全壓與大氣壓力的關(guān)系：

式中：

H2——高海拔地區(qū)風機產(chǎn)生的全壓，Pa

H1——零海拔地區(qū)風機產(chǎn)生的全壓，Pa

各地區(qū)的大氣壓力可用下式計算：

式中：

N2——高海拔地區(qū)風機電機的功率，kW N1——0海拔地區(qū)風機電機的功率，kW

風機的風量除了溫度修正，還需要與當?shù)睾０蜗嗦?lián)系進行修正，風機電機的選擇也需要考慮到海拔的元素，前面提到的管網(wǎng)阻力也與海拔有關(guān)。

3 風機制造和安裝方面

3.1 容積泄漏

風機葉輪與靜止部件之間存在間隙，葉輪轉(zhuǎn)動時存在的間隙兩側(cè)所造成的壓力差使得部分已經(jīng)獲得能量的流體從高壓側(cè)流向低壓側(cè)，從而造成泄漏，這種損失稱為容積損失（如圖4所示）。如果制造或安裝不當，間隙過大，會造成容積損失過大。同時應減小葉輪進口處與進口機殼之間的間隙，以及軸與機殼之間即軸封處的間隙。HBYZ水泥廠篦冷機F3風機投產(chǎn)后就存在風量嚴重偏低的情況，經(jīng)檢查，葉輪進口處與進口機殼之間的最大間隙遠遠超過了設(shè)計值，修復后恢復了良好的狀態(tài)。

（4）風機電機的功率與大氣壓力的關(guān)系：

圖4 容積泄露示意圖

3.2 風機安裝

開箱檢查：開箱后根據(jù)設(shè)計圖紙認真核對設(shè)備的名稱、型號、傳動方式、風機的主要尺寸；核對葉輪旋轉(zhuǎn)方向和進出口位置、方向等。

基礎(chǔ)驗收：風機基礎(chǔ)要求水平、堅固，強度達到安裝要求。

減振器安裝：減振器安裝必須保證垂直于基礎(chǔ)，否則開風機時會產(chǎn)生強烈的振動；與風管連接處的軟連接要安裝好，以免風機的振動使風管裂開，導致漏風。

風機主體安裝：風機型號、規(guī)格符合設(shè)計要求，出口方向正確；地腳螺栓擰緊，設(shè)有防松措施，直通大氣的進出口有防護設(shè)施。

風機調(diào)試：應使葉輪旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，清理葉輪上的附著物，開機檢查及開機試運轉(zhuǎn)需認真對待。

4 風機使用方法

（1）降低或減小整個管網(wǎng)阻力。

控制適當厚度料層操作，降低料層阻力(諸多現(xiàn)場采用)；

降低進口阻力：采用阻力小的閥門、消音器（拆除后者，會增大噪聲）。

降低出口阻力：不要使用阻力大的孔板，盡量縮短管道或采用阻力小的彎頭。

（2）提高風機轉(zhuǎn)速，如通過超頻（海南華盛天涯）。

（3）消除管道上漏風和篦縫堵塞現(xiàn)象（中材白銀），漏風時風壓低，篦縫堵塞時風壓高，風量低。

（4）對葉輪進行改造(金隅鼎新)或者更換葉輪。為了更好地冷卻熟料，應該從兩方面入手，一是合理設(shè)計風機風量和風壓，二是合理選型和控制風機質(zhì)量。

5 結(jié)語

（1）設(shè)計風量應滿足熟料冷卻效果和熱回收效率要求。

（2）設(shè)計風壓應根據(jù)風速和篦床結(jié)構(gòu)以及操作料厚合理計算。

（3）對于低比轉(zhuǎn)速風機，可以考慮前向風機，但最好從設(shè)計上避免用低比轉(zhuǎn)速風機。如第三代篦冷機的一室風機，可借鑒CP公司的做法，即使前端供風區(qū)域劃分很細，其最小比轉(zhuǎn)速仍為25且采用一臺風機供多個冷卻區(qū)域的方式。

（4）避免風機并聯(lián)使用，即使兩臺風機性能完全一樣，也只能發(fā)揮總風量的90%。如果因為制造誤差導致兩臺風機性能有所區(qū)別，那么只能發(fā)揮一臺風機的風量，因此，應合理劃分風室，避免風機并聯(lián)使用。

（5）變頻調(diào)速在低速時，可能導致風機運行不穩(wěn)。國內(nèi)水泥廠一般都全開風機，變頻實際意義也不大。

（6）風機性能與風機廠的設(shè)計水平以及加工制造水平密切相關(guān)，應選擇優(yōu)質(zhì)供貨商，并對風機質(zhì)量沒有嚴格的檢驗程序。

（7）應對風機廠原型機設(shè)計是否合理，實驗數(shù)據(jù)的可靠性，或者是否有原型機的數(shù)據(jù)進行核查。

[1]李占武，包生昌，侍學武.燃燒器在高海拔地區(qū)使用時選型探討[J].工業(yè)鍋爐，2005，（1）.

[2]李燕.高海拔地區(qū)風機和配套電機的選擇計算[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2002，（5）.

[3]屠大燕.流體力學與流體機械[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.■

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2014-01-16；編輯：孫娟