除塵風機調速運行理論分析及實踐

黃勇波

中冶賽迪工程技術股份有限公司

隨著國家新環保法的實施和大力度監管，冶金行業中的除塵系統真正落實了“三同時”制度，環保水平得到提升，除塵風機電耗也隨之增大。如何在滿足環保要求的基礎上節約能源，成為打造“綠色鋼廠”構想的一個重要環節。眾所周知，調節風機轉速是節省電機電耗最有效的方法，在工程中應用十分廣泛。本文就鋼鐵廠中變工況除塵系統的風機調速運行進行分析和討論，供相關人員參考。

1 風機調速節能的基本原理

根據相似性原理，風機轉速變化時其效率基本不變，但流量、壓頭及功率按下式改變[1]：

按上述公式將風機在轉速n1下的性能曲線換算成轉速n2下的性能曲線，當管網特性系數S不變時，風機的工作點由A點變至B點，如圖1所示[2]。

圖1 風機轉速調節時性能曲線

可見，當除塵管網風量需求減少時，可以把風機轉速降低，而風機所需軸功率將按轉速比值的3次方的關系遞減，節電效果明顯。以上分析僅限于理論，實際工程中還需考慮管道不積灰的最小風速限值、管路特性系數S的變化等因素，其中S數的變化則包含布袋除塵器恒定阻力的原因，也有了管網風量再平衡的原因。

2 管路結構不調整，風機調速運行工況的分析

這類除塵系統包含的除塵點基本工作制度一致，風機能力按同時抽風考慮，系統整體間斷運行，只有除塵和不除塵兩種工況。比如高爐出鐵場除塵、焦爐推焦除塵和裝煤除塵，均有不除塵的間歇期，需考慮短時間不除塵時降低系統的運行能耗，同時為避免大型風機頻繁啟停造成電機損壞，風機調速運行是最合理的方式。此時，系統的管路結構不作調整，管路阻力特性系數無變化。而除塵器（常用的為布袋除塵器）的阻力由濾料特性、清灰方式及清灰效果決定，通常在系統設計時將其看做一個定值，比如P布=1500Pa，因此當系統風量發生變化時，除塵器的阻力系數是變化的，這也導致了整個管網系統的阻力特性系數發生的變化[3]。

例1：已知某除塵系統風機風量為120×104m3/h，風壓 5500 Pa，額 定轉速 960 r/min。系統間斷運行，不除塵時風機調速 50%運行，求風機實際運行工況點。本文按代數方法求解，求解步驟如下：

步驟1：確定調速后風機的性能曲線方程

調速前，風機性能曲線方程為：

調速后，即轉速n1→n2，聯立式（1）和式（2），得出調速后風機的性能曲線：

根據制造廠提供的風機曲線，求得：a0=6293，a1=18.51，a2=-0.062，則風機轉速從 960 r/min 調整到480 r/min后，風機特性曲線方程調整為：

步驟2：確定調速后管路系統的特性曲線方程

調速前，管路系統特性系數為（假定管網總阻力與風機風壓剛好相等）：S1=S管路+S布=P1/Q120 .0495 kg/m7，由于布袋除塵器阻力不隨風量變化，因此：S管路=P管路/Q1= 0.036 kg/m7，S布=P布/Q1= 0.0135 kg/m7。

調速后，由于管路結構未發生變化，S管路保持不變，S布因為自身阻力不變但風量變化而發生改變，總管網系統特征方程將調整為：

步驟3：確定風機實際運行工況點

聯立式（4）和（5），求得：Q2=366416 m3/h，P2= 1873 Pa，S2=0.18 kg/m7。

以上推導過程如圖2所示。

圖2 管網結構不調整，風機調速運行工況的分析

從圖2 中可知，轉 速調整到50%后，由于S2＞S1，風機降速運行后，管網特性曲線變的更加陡峭，而風機實際運行工況點B的相似點變為A′。圖中的ΔQ反映了實際風量Q2＜(n2/n1)Q1。同理，ΔP反映了實際風壓P2＞(n2/n1)2P1。軸功率方面，由N∝PQ可知，N2≈0.1N1＜(n2/n1)3N1。可見，風量，風壓和功率未按轉速比成比例變化，風量和功率降幅加大，風壓降幅減小，而且風機曲線越平坦，這一趨勢更加顯著。

不除塵的工況下進行風機調速，可不考慮管道最低風速的限制。

3 管路結構發生變化，風機調速運行工況的分析

這類除塵系統風機能力按所有除塵點同時抽風考慮，其中部分除塵點變工況運行，當這部分除塵點關閉閥門時，要求風機降速運行，風機出力滿足剩余除塵點風量即可。此時，總管網系統阻力特性系數的變化包含了兩部分：管路特性系數變化和布袋除塵器的阻力系數變化。其中管路特性系數的求解至關重要，一般可通過手工或計算機軟件模擬計算。對于較復雜的除塵系統，管網結構中任一處調節都會引起S數的變化，并涉及到其余各點阻力的再平衡，進而造成手工計算S數的難度很大且準確性差。針對這類情況，建議采用計算機軟件模擬的方法[4-5]。

根據風速v∝Q的關系，考慮管道在15～24 m/s之間，可推導出管道的風量調節范圍應限定在（62.5%～1）Q之間，即：變工況的除塵點風量占系統總風量的比值應小于37.5%為宜，如超過這一限值，要么風機風量只按62.5%的比例進行調節，風機風量大于實際所需風量。要么將這部分除塵點剝離另建系統。

3.1 管道最低風速限制的分析

鋼鐵廠大部分除塵系統管道的經濟流速范圍在15～24 m/s，風機降速運行會引起部分管道（特別是主干管）流速降低。因此，在設計管路系統初始，有流速降低可能的管道應適當減小管徑以增大流速，以適應風機降速運行后確保其管內流速在最低風速之上。

3.2 應用舉例

例2：已知某系統包含7個除塵點，為簡化計算，不考慮系統漏風和設備漏風，風機風量即為各點累加風量，風機額定風量：120×104m3/h，風壓：5500 Pa，轉速960 r/min，特征曲線同上例。經軟件計算，系統各參數見表1，表中實際風量為管網平衡計算的結果。

表1 額定轉速下系統參數

圖3 除塵系統流程圖

經軟件模擬計算，系統各參數見表1，表中實際風量為管網模擬自動分配的結果，同時得到管網總的阻力特性系數S1=0.0459 kg/m7，聯立風機曲線方程求得工況點風量為123.14×104m3/h，風壓為5370 Pa。系統流程見圖3，其中點管段編號12為變工況點，風量為28×104m3/h，占總風量的23.3%，由上文可知，該系統可以降低風機轉速實現節能運行，且管道不會有積灰的危險。

關閉該點閥門，利用軟件重新平衡管網，結果見表2，從表中可知：系統總風量Q2=93.7×104m3/h。由于閥門漏風，管段12仍有少許風量。系統中最低流速18.8 m/s 出現在主管道（編號 13），高于最低風速的限制，說明調速是可行的。

表2 調速后系統參數

經求解，風機降速后管網總阻力系數S2=0.0657 kg/m7，大于調速前的S1 。參照式（4），聯立求解下述方程組：

將S2、Q2代入，求得n2/n1=0.85，風機轉速降為n2=0.85×960=816 r/min，此時風機風壓P2=4451 Pa，所需功率N2≈ 0.63N1，節能率為37%。

4 結語

本文通過分析兩類變工況下管網曲線與風機曲線的變化規律，闡述了風機調速節能的計算方法。

1）當管路結構不調整，只降低風機轉速時。總的管網曲線受除塵器恒定阻力的影響將變得陡峭，風機實際工況點的相似點將發生變化，風量及風壓不會按轉速比成比例變小。具體而言，風量和功率降幅加大，風壓降幅減小，而且風機曲線越平坦，這一趨勢更加顯著。

2）當管路結構調整，同時降低風機轉速時。總的管網特性系數S增大，曲線同樣變得陡峭。如系統復雜，且變工況點位置不佳，S數的求解難度很大，為確保計算的準確性，這類情況建議采用計算機軟件模擬方法獲得。

3）在分析除塵風機調速運行時，要考慮粉塵不沉降情況下管道的最低風速限制。同時，系統設計時應考慮將變工況除塵點盡可能接入系統總管上，以減少工況變化后波及的其他除塵點數量，避免過多的調整管路結構以實現風量再平衡。