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

結合篦冷機使用工況和離心風機的原理，針對現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中的重要設備，其風機對于熟料的冷卻至關重要。但是很多現場暴露出風機風量達不到設計風量，冷卻能力不足的問題，筆者結合現場處理經驗，針對幾種典型的故障，結合風機原理，分析了風機失效原因，并提出了幾點改進措施。

2 設計選型方面

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

2.1 風機比轉速對性能的影響

在標定某些篦冷機時，發現一室風機多不達標，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，轉速1480r/min；

F1B：壓力10kPa，流量6m3/s，轉速1480r/min。

根據離心風機比轉速計算公式：

計算得Ns=20.38

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

因此，選型時應盡量避免比轉速過小，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速參數，將轉速提高為2900r/min。如果不能提高比轉速，可考慮使用風葉前向的風機，避免駝峰曲線的出現。

2.2 同一風室避免風機并聯使用

并聯風機特性差別較大時，并聯的風量可能會增加，也可能會比其中風量較大的風機風量少一些；并聯風機特性完全一致時，并聯后的全壓不是前后相等的，而是略增。并聯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，通過停開機器臺數以調節流量時；

（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點是并聯機組的工況點，QA是并聯后的流量，HA是并聯后的壓頭。如圖2所示，B點是并聯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機組中單臺風機的流量。這是因為并聯后，管路內總流量加大，所需壓頭加大，而風機的性能是壓頭加大，流量減小，所以并聯后單臺風機的流量減小。

圖2 兩臺風機并聯時性能曲線

多臺風機的并聯情況如圖3所示，Ⅰ是單臺風機的性能曲線，Ⅱ是兩臺風機并聯時的性能曲線，Ⅲ是三臺風機并聯時的性能曲線，Ⅳ是管路阻力曲線。由圖3可見，隨著并聯臺數增多，每并聯一臺風機所增加的流量愈小，效果愈差。

（1）兩臺型號相同且轉速相等的風機并聯后，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）兩臺型號不同且轉速不等的風機并聯使用，風量等于風量較大風機的風量，而風壓不疊加。

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

（4）兩臺型號不同且轉速不等的風機，型號較大的一臺置前串聯使用，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 多臺風機并聯時性能曲線

以GZHS水泥廠一臺5500t/d篦冷機為例，并聯風機標定數據見表1。并聯狀態下，F3A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關系，兩臺風機工況風量均得到提高。

2.3 管網阻力過大的影響

式中：

λ——摩擦阻力系數，與材料、表面粗糙度有關，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，與管道彎頭、三通、縮口等有關，可根據尺寸查局部阻力系數表獲得。

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（質量）是相同的。

表1 并聯風機標定數據

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，三者之間的關系可用理想氣體狀態方程表示為：

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，J/(kg·K)

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

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（質量流量發生變化），但是風機產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冷卻空氣容積的關系：

式中：

M1、ρ1、Q1——高海拔地區所需冷卻空氣質量、空氣密度、空氣容積

M0、ρ0、Q0——零海拔地區所需冷卻空氣質量、空氣密度、空氣容積

k1——大氣壓力修正系數

（2）氣體重度與大氣壓力的關系：

式中：

γ2——高海拔地區的氣體重度，N/m3

γ1——零海拔地區的氣體重度，N/m3

（3）風機產生的全壓與大氣壓力的關系：

式中：

H2——高海拔地區風機產生的全壓，Pa

H1——零海拔地區風機產生的全壓，Pa

各地區的大氣壓力可用下式計算：

式中：

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

風機的風量除了溫度修正，還需要與當地海拔相聯系進行修正，風機電機的選擇也需要考慮到海拔的元素，前面提到的管網阻力也與海拔有關。

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，葉輪轉動時存在的間隙兩側所造成的壓力差使得部分已經獲得能量的流體從高壓側流向低壓側，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風機投產后就存在風量嚴重偏低的情況，經檢查，葉輪進口處與進口機殼之間的最大間隙遠遠超過了設計值，修復后恢復了良好的狀態。

（4）風機電機的功率與大氣壓力的關系：

圖4 容積泄露示意圖

3.2 風機安裝

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

基礎驗收：風機基礎要求水平、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，否則開風機時會產生強烈的振動；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、規格符合設計要求，出口方向正確；地腳螺栓擰緊，設有防松措施，直通大氣的進出口有防護設施。

風機調試：應使葉輪旋轉平穩，清理葉輪上的附著物，開機檢查及開機試運轉需認真對待。

4 風機使用方法

（1）降低或減小整個管網阻力。

控制適當厚度料層操作，降低料層阻力(諸多現場采用)；

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，一是合理設計風機風量和風壓，二是合理選型和控制風機質量。

5 結語

（1）設計風量應滿足熟料冷卻效果和熱回收效率要求。

（2）設計風壓應根據風速和篦床結構以及操作料厚合理計算。

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

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

（5）變頻調速在低速時，可能導致風機運行不穩。國內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計水平以及加工制造水平密切相關，應選擇優質供貨商，并對風機質量沒有嚴格的檢驗程序。

（7）應對風機廠原型機設計是否合理，實驗數據的可靠性，或者是否有原型機的數據進行核查。

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

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

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

TQ172.622.4

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2014-01-16；編輯：孫娟