淺談風機喘振的預防

何 雁，牛志杰， 趙東銘， 劉 波

（1.中國汽車工業工程有限公司，天津 300113；2.煙臺通用東岳汽車有限公司，山東煙臺 264006）

淺談風機喘振的預防

何 雁1，牛志杰1， 趙東銘2， 劉 波2

（1.中國汽車工業工程有限公司，天津 300113；2.煙臺通用東岳汽車有限公司，山東煙臺 264006）

結合通風除塵改造工程實例，對風機喘振問題進行分析，并提出了解決風機喘振問題的辦法。其解決風機喘振的經驗和做法，可供通風除塵系統工程設計和通風除塵系統改造項目參考。

通風除塵；風機喘振；設計改造

1　問題提出

通用東岳汽車鑄鐵廠清理生產線的除塵系統采用濾筒式除塵器除塵，濾筒式除塵器前未設置預除塵器，因鑄件打磨粉塵的磨嘬能力強，濾筒除塵器的濾筒很快被磨穿。為此，通用東岳汽車鑄鐵廠委托某環保工程公司對該除塵系統進行改造，在除塵系統的濾筒除塵器前增加低阻旋風除塵器，對打磨粉塵廢氣進行預處理，去除打磨粉塵廢氣中磨嘬能力強的粗粒子，延長濾筒式除塵器濾筒的使用周期。

除塵系統改造后，整個除塵系統發生振動，使除塵系統不能正常運行：①系統除塵風機后增加的排氣筒集風箱出現間歇振動或持續振動現象；②系統除塵風機出現間歇振動或持續振動現象；③濾筒除塵器前的低阻旋風除塵器和車間內除塵風管出現間歇振動或持續振動現象。

因除塵系統改造后不能正常運行，為不影響生產，在增加的低阻旋風除塵器前添加三通管，三通管分流大部分粉塵廢氣直接進入濾筒式除塵器，僅有少量粉塵廢氣經三通管分流至低阻旋風除塵器預除塵后進入濾筒式除塵。除塵器濾筒被打磨粉塵粗粒子很快磨穿的問題依然存在，除塵系統改造未達到預期設想的效果。

受通用東岳汽車鑄鐵廠邀請，我們實地調查了該除塵系統改造前和改造后的運行情況，并與相關人員共同分析和探討了該除塵系統的振動問題及其解決辦法。現總結如下，供同行參考借鑒。

2　問題分析

2.1 原除塵系統簡介

原除塵系統粉塵廢氣凈化處理工藝流程如下：

各產塵設備→吸塵罩→風管→濾筒式除塵器→手動啟動調節閥→風機→風管→消聲器→排氣筒（φ2 300 mm，頂標高約8 m）。

除塵系統選用通風機：G4-73-11，№20D，L=193 660～210 080 m3/h，P=3 060～2 853 Pa，n=730 r/min，N=250 kW。

現場歷年環保監測的該除塵系統排風量為160 000～170 000 m3/h（因清理生產線工藝設備改進，取消了部分清理工位，除塵系統實際運行風量小于設計風量）；經核算，原除塵系統設備及管網的阻力約為3 000 Pa，原除塵系統選用通風機的壓頭略微偏小，但基本滿足使用要求。

2.2除塵系統改造后簡介

除塵系統改造后粉塵廢氣凈化處理工藝流程如下：

各產塵設備→吸塵罩→風管→組合式低阻旋風除塵器→濾筒式除塵器→手動啟動調節閥→風機→風管→消聲器→風管→排氣筒集風箱→組合式排氣筒（3×φ1 400 mm，頂標高21.6 m）。

除塵系統改造后，仍使用原系統除塵通風機：G4-73-11，№20D。n=730 r/min，N=250 kW。為直連安裝方式。

除塵系統改造后，增加了組合式低阻旋風除塵器、排氣筒集風箱、組合式排氣筒（排氣筒加高至21.6 m）等，經核算，改造后除塵系統設備及管網的阻力約為4 000 Pa，顯而易見，除塵系統仍使用原風機是不合適的。

除塵系統改造完成后，包括風機在內的整個除塵系統出現間歇振動或持續振動現象，除塵系統無法正常開啟運行。為維持正常生產要求，緊接著又對除塵系統管路系統進行臨時性二次改造，在組合式低阻旋風除塵器前增加臨時三通管，分流粉塵廢氣直接進入濾筒式除塵器后（僅有少量粉塵廢氣進入組合式低阻旋風除塵器），除塵系統才能正常開啟運行，二次改造后的粉塵廢氣凈化處理工藝流程如下：

可見，除塵系統二次改造后，大部分粉塵廢氣仍直接進入濾筒式除塵器，只有少量粉塵廢氣經三通管分流至低阻旋風除塵器預后進入濾筒式除塵，除塵器濾筒被很快磨穿的問題依然存在。

2.3除塵系統間歇振動或持續振動原因分析

經分析，可能有以下因素和原因造成該除塵系統排氣筒集風箱、通風機、除塵系統管路等出現間歇振動或持續振動：

①原除塵系統通風機的壓頭偏小，相對于原除塵系統風管和濾筒除塵器的阻力來說勉強能夠滿足。改造后增加的組合式低阻旋風除塵器等阻力估計為800 Pa以上，增加組合式低阻旋風除塵器等后使系統阻力增大，通風機偏離了風機曲線的穩定區而進入喘振區。

②除塵系統通風機在一定的風量下所產生的不均勻氣流振動引起風機進出口管道的振動，特別是管道的薄弱管段處易振動，管道內不均勻氣流振動的頻率，可能與管道振動的頻率相同而引發共振，從而使排氣筒集風箱和通風機出現間歇振動或持續振動現象。

以上第一條應該是引起除塵系統發生間歇振動或持續振動的主要原因。

下面結合鑄鐵廠清理生產線除塵系統改造工程實例，重點分析通風機發生喘振現象的原因。

圖1 通風機和管網L-P的聯合曲線示意圖

圖1為通風機和管網L-P的聯合曲線示意圖。其中，(L-P)1曲線為除塵系統原有通風機的流量(L)-全壓(P)曲線，(L-P)1曲線上Ak點對應的是原有通風機的駝峰流量LAk。我們知道：當通風機的實際流量＞駝峰流量LAk時，通風機工作是穩定的；當通風機的實際流量＜駝峰流量LAk時，通風機工作是不穩定的，并將會發生喘振（其原因這里就不贅述了）。

原有通風機的駝峰流量LAk，也就是原有通風機的喘振臨界流量。駝峰流量的右側區域為穩定工作區域，駝峰流量的左側區域為不穩定工作區域。當管網增加阻力時（關小調風閥、關閉調風閥、系統串聯增加設備等），管網的P-L曲線就會陡立向左偏移，從而會使通風機駝峰右側的工作點向駝峰點Ak靠近，工作點越靠近駝峰點Ak，通風機就越會出現不穩定工作的可能性。

圖1中O-A曲線為原除塵系統管網的流量-壓力曲線，它與原有風機(L-P)1曲線相交于點A1，A1點為原除塵系統的工作狀態點，A1點位于駝峰點Ak右側，故原除塵系統工作是穩定的。通俗點解釋，就是當通風在 A1點運行時，風機啟動后隨著通風機的運行，其出口壓力隨著流量的增加而減小。同時管網內的壓力隨著流量的增加而增大，直到通風機的內部壓力與管網的內部壓力相等，即達到一個平衡點，從而使通風機達到一種穩定的運行狀態。

圖1中O-B曲線為除塵系統改造后管網的流量-壓力曲線，它與原有風機(L-P)1曲線相交于點A2，A2點為除塵系統改造后的工作狀態點，A2點位于駝峰點Ak左側，故除塵系統改造后工作是不穩定的，原有通風機發生喘振，帶來整個除塵系統各設備及管網的間歇振動或持續振動。通俗點解釋，就是當通風機在 A2點運行時，風機啟動后隨著通風機的運行，其出口壓力隨著流量的增加而增大。同時管網內的壓力隨著流量的增加也同步增大，這樣，通風機的內部壓力與管網的內部壓力不會達到一個平衡點。因而，通風機是一種非穩定的運行狀態，風機將會發生“喘振”現象。

根據上述分析，顯而易見，具有駝峰型流量-壓力曲線通風機不恰當的選型（選用駝峰曲線很明顯的風機），除塵系統管網不恰當的設計（系統管網阻力設計偏大），除塵系統管網不恰當的改造（增加系統阻力的管網改造）等，只要使通風機的工作流量小于其駝峰流量，就會導致通風機發生喘振，并引發整個除塵系統管網的振動。

3　問題解決

3.1通風機發生喘振的危害

當通風機發生喘振時，其噪聲和振動異常增大，風機出口壓力急劇波動，電機電流上下波動，風機的流量周期性的反復，并在很大范圍內變化，表現為零流量甚至出現負流量（氣體倒流）。風機流量的這種正負劇烈的波動，就像哮喘病人發作時的呼吸困難一樣。由于氣流波動很大而發生氣流的猛烈撞擊，使風機本身產生劇烈振動.同時風機工作的噪聲加劇。大容量的高壓頭風機產生喘振時的危害更大，由于振動強烈，軸承液體潤滑條件會遭到破壞，軸瓦會燒壞，甚至傳動軸會扭斷，轉子與定子會產生磨擦、碰撞，密封元件也將會嚴重破壞，最終導致通風設備損壞。

通風機發生喘振與其輸送的氣體流量、壓力、管網容量和管網阻力特性等有關，管網容積越大，喘振的頻率越低，振幅越大。通風機發生喘振后，通過氣流的傳遞作用，還會使除塵系統管網周期性劇烈振動，并伴有周期性的“呼嚓、呼嚓”喘氣吼叫聲，將會對通風除塵系統管網有一定的損害。

通風機喘振，輕則風機管網振動，重則毀壞通風設備。總之，通風機一旦發生喘振，通風除塵系統就無法正常運行。

3.2通風機發生喘振的預防措施

①通風除塵系統設計選用設備時，盡量選用（L-P）特性曲線沒有駝峰的通風機；如果通風機的（L-P）特性曲線有駝峰，則應使通風機—直保持在穩定區(即L-P曲線下降段)工作，即保證通風機的排除流量恒定大于其喘振臨界流量（駝峰流量Lk）。（與管網的設計有關，見下條。）

②通風除塵系統設計管網時，要防止通風機入口管網的“卡脖子”和通風機出口管網的“憋悶”現象，避免管網設計阻力過大，使通風機排風量小于或接近其喘振臨界流量（駝峰流量Lk）。即要仔細核算通風除塵系統的總阻力。通風除塵系統管網考慮系統運行后增加的總阻力，應于通風機提供的壓頭相匹配。

③對通風機為恒定轉速的系統，如果其運行過程中需要周期性變小流量，且流量小于或接近其喘振臨界流量（駝峰流量Lk）時，可以設置再循環管路（防喘回流措施：風機出口與風機入口間設連接風管，并在風管上設切換調節閥，風機的出風回流至風機的進風）、或自動補風閥（風機直接從環境進風）、或自動排風閥（防喘放空措施：降低管網壓力），從而保證通風機的排除流量恒定大于其喘振臨界流量（駝峰流量Lk）。

④調整通風機轉速，可以改善或消除喘振情況，獲得穩定的運行工況，但前提是管路性能曲線不能通過風機性能曲線的坐標原點。否則風機在各個轉速下的工作點都是相似工作點，在風機喘振的情況下，改變轉速也無法獲得穩定運行工況。

3.3東岳汽車鑄鐵廠清理生產線除塵系統風機喘振解決辦法

由以上通風機喘振的原因分析，并考慮防止通風機發生喘振的預防措施，鑄鐵廠清理生產線除塵系統風機喘振解決的最好辦法是更換新的通風機，即根據改造后的除塵系統實際總風量和除塵系統管網總阻力，重新選擇通風機，滿足改造后的除塵系統的使用要求。

下面結合圖1，說明除塵系統增加組合式低阻旋風除塵器等后，更換原有通風機，避免風機喘振的原理。

圖1中的(L-P)2曲線為除塵系統更換通風機的流量(L)-全壓(P)曲線，(L-P)2曲線上Bk點對應的是更換通風機的駝峰流量LBk（喘振臨界流量）。

圖1中O-B曲線為除塵系統改造后管網的流量-壓力曲線，它與更換通風機的流量-全壓曲線(L-P)2相交于點B1，B1點為除塵系統改造后的工作狀態點。可見，更換通風機的實際流量LB1＞更換通風機的駝峰流量LBk，更換通風機工作是穩定的。

共有2個解決方案供選擇。

①方案一。更換新的通風機，新選通風機為：G4-73-11，№18D，L=154 160～169 910 m3/h，P=4 639～ 4 518 Pa，n=960 r/min，N=315 kW（國產風機）。

（為便于比較，在此列出原通風機的型號：G4-73-11，№20D，L=193 660～210 080 m3/h，P=3 060～ 2 853 Pa，n=730 r/min，N=250 kW。）

②方案二。對原通風機心臟進行“外科手術”，僅保留原通風機的外殼，拆除原通風機的葉輪、軸承箱、電機等，安裝新選通風機G4-73-11 №18D的葉輪、軸承箱、電機等。這樣原通風機就改進成了G4-73-11 №20風機的外殼、G4-73-11 №18風機的心臟了！方案二應征詢通風機供應商的意見。（方案二主要考慮通風機更換和改造實施時間限制。）

綜合各方面因素，我們建議按第一方案實施。

考慮到除塵系統是第三次改造和用戶的高標準要求，決定選用國外優質品牌通風機。經多方比較，選用德國原裝萊茨（REITZ）離心通風機，選用的通風機型號及參數為：離心通風機KXE050-280010-00，L=2 800 m3/min（168 000 m3/h），P=5 000 Pa，n=980 r/min，N=315 kW。該通風機為直連風機。

取消除塵系統上的臨時三通管，清理打磨粉塵廢氣全部進入預處理旋風除塵器，更換德國萊茨（REITZ）離心通風機，取消風機出口的消聲器，以上整改安裝工作完成后，開啟除塵系統通風機。通風機和整個除塵系統運行平穩，除塵系統再次改造獲得成功。

至今，該除塵系統再次改造后已安全正常運行近4年。

最終改造后的清理打磨粉塵廢氣凈化處理工藝流程如下：

各產塵設備→吸塵罩→風管→組合式低阻旋風除塵器→濾筒式除塵器→新更換電動啟動調節閥→新更換通風機（德國原裝REITZ離心通風機）→風管→排氣筒集風箱→組合式排氣筒（3×φ1 400 mm，頂標高21.6 m）。

3.4其它改造設計細節

(1)通風機前啟動調節閥

在更換的新通風機的入口前，增加電動啟動調節閥，代替原通風機前的手動啟動調節閥。新的通風機功率315 kW，比原通風機功率增加65 kW，在通風機前增加電動啟動調節閥，有利于通風的啟動控制，減少通風機啟動電流對現有車間電網的沖擊。新增電動啟動調節閥的閥板為瓣葉式，其旋向與通風機的旋向一致，輸送氣體經啟動調節閥的瓣葉后，以旋轉氣流的方式進入通風機，具有一定的節能效果。

(2)通風機整體減振支架

新的通風機帶整體減振鋼座架，消聲減震并易于安裝。更換新的通風機工作，需在“十·一”假期的八天內完成，風機采用整體減振鋼座架，可簡化安裝工作，從而節約安裝時間，保證節后除塵系統正常運行。

(3)更換新通風機基礎

原風機（G4-73-11，№20D）地面上基礎為1.5 m高的階梯型混凝土基礎（依次為機殼基礎、軸承箱基礎、電機基礎），查原風機基礎圖，原風機的混凝土基礎深入地面下1.5 m。

更換新通風機順序。拆除舊風機、拆除舊風機基礎、澆注新風機基礎、安裝新風機。

以上工作要在“十·一”假期內完成。其中拆除風機舊基礎和澆注新風機基礎占據時間長，是項目改造的時間關鍵節點。

經權衡利弊分析，決定將原風機地面上的基礎部分和地面下基礎的0至-0.25 m部分拆除，而保留原風機地面下-0.25至-1.5 m的基礎。在0至-0.25 m澆注新的通風機基礎。

新基礎內預埋通風機減振座架的工字鋼底座（采用№20工字鋼制作），采用地角螺栓將工字鋼底座固定在原風機的地下基礎上，地角螺栓的螺桿長度500 mm，在原風機地下基礎上鉆孔，螺桿二次灌漿固定，工字鋼底座下設田字形網狀基礎鋼筋網。新的通風機基礎采用高強度速凝水泥砂漿澆注而成。

工字鋼底座側面焊接支耳，新通風機減振座架的減震器安裝在支耳上，新通風機基礎的結構及做法見圖2。

圖2　新通風機基礎的結構

（4）通風機出口消聲器

除塵系統原排氣筒出口高度約8 m，風機出口裝設有消聲器。除塵系統改造后，風機出口增加了水平風管20多米，排氣筒出口加高至21.6 m。增加的風機出口風管和排氣筒均可使通風機噪聲有一定的衰減，故取消了原風機出口的消聲器。

（5）除塵系統電氣改造

更換新的通風機安裝功率315 kW，比原風機安裝功率大65 kW；本次改造還將原手動風機入口閥改換為電動風機入口閥。除塵系統的電氣控制也做相應改造，并同期施工。除塵系統的電氣控制改造部分，由用戶相關電氣專業人員負責，本文不詳述。

4　通風除塵系統設計與風機喘振問題

4.1通風除塵系統設計應注意的風機喘振問題

合理設計通風除塵系統管網，正確選擇通風機，保證通風機的排除流量恒定大于其喘振臨界流量（駝峰流量Lk），避免出現通風除塵系統發生喘振的設計失誤。

4.2通風除塵系統改造應注意的風機喘振問題

通風除塵系統改造時，特別是要在通風除塵系統上增加阻力負荷時（如上述除塵系統增加低阻旋風除塵器等），應核算通風除塵系統管網的阻力，并詳細調查了解原系統的風機參數。系統改造后增加的阻力，必須在系統原風機壓力的余量范圍內，避免通風除塵系統發生喘振事故。

［1］ 關光森. 對風機進出口管道布置影響因素的研究［J］. 鑄造機械,1984（4）.

［2］ 季若庸. 羅茨風機風壓和電機功率的選擇［J］.中國鑄造裝備與技術,1996（6）.

［3］ 黃昌躍. 高壓離心風機在熱風沖天爐上應用［J］.中國鑄造裝備與技術,1998（5）.

Discussion on prevention of fan surge

HE Yan1，NIU ZhiJie1， ZHAO DongMing2，LIU Bo2
（1. China automobile industry engineering Co.， LTD.， Tianjin 300113，China；2. Yantai general dongyue automobile Co.， LTD， Yantai 264006， Shandong，China ）

Combined with a practical apply in the reconstruction project of ventilation and dust removal system， the reason of surge occurred in fans is analyzed in this article， and the anti-surge method to solve such problem is proposed. The anti-surge practice and experience provide a reference for design or reconstruction projects of ventilation and dust removal system.

Ventilation And Dust Removal； Fan Surge； Reconstruction

TG234+.6；

A；

1006-9658（2015）06-0045-05

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.013

2015-07-20

稿件編號:1507-1000

何雁（1956—），男，高級工程師，主要從事大氣污染物治理工程的設計、施工安裝和調試工作.