淺析水泥廠空氣懸浮鼓風機的正確選型與應用

趙 兵 武韶微 賈 凡 李山水

（1.山東恒拓科技發展有限公司，山東 濟南 250000； 2.山東山水水泥集團有限公司，山東 濟南 250307）

0 引言

近年來，山水集團調整創新發展思路，多措并舉緊緊圍繞節能減排持續發力。公司以水泥生產線的重點能耗設備作為切入點，對市場上種類眾多的節能降耗設備、技術手段進行了大量調研論證和實地考察。風機作為水泥生產線上諸多環節氣體流動的動力源，消耗的電力不可小覷。公司的調研結果為空氣懸浮鼓風機替換傳統羅茨鼓風機創造了條件。本文僅就水泥廠空氣懸浮鼓風機的正確選型與應用進行分析。

1 空氣懸浮鼓風機結構組成及工作原理

空氣懸浮鼓風機主要包括葉輪、空氣懸浮軸承、變頻器、高速永磁電機及其控制系統。電機主軸與風機葉輪同軸，高速轉子系統由空氣懸浮軸承實現“無接觸、無機械摩擦”式支撐。空氣懸浮軸承以空氣為工作介質，以彈性平坦箔片為支撐面，以彈性波浪箔片為支撐構件，最大限度地減少了摩擦，減少動能損耗，達到節能目的。其主要結構組成如圖1所示。

圖1 空氣懸浮鼓風機結構組成

空氣懸浮鼓風機是在轉子高速旋轉時（轉速可高達30000r/min），空氣在轉子與箔片軸承表面之間產生動壓效應，形成一個高壓氣膜而將轉子托浮起來，整個轉子在空氣中呈懸浮狀態、無機械摩擦地高效旋轉，見圖2所示。初始狀態（即開機前），葉輪轉子與軸承（即扁平箔和波紋箔）接觸（如圖2中5所示）；但起動后轉子進入高速旋轉狀態時，由于空氣的黏性和楔塊的作用，平面間會產生動壓效應，在箔片和轉子表面，使扁平箔和波紋箔發生彈性變形，將扁平箔推開，然后使轉子處于懸浮狀態，同時由于轉子高速旋轉，在轉子和箔片之間形成高壓氣膜，對轉子形成動態穩定的提升懸浮力[1]（如圖2中6所示）。

圖2 空氣懸浮風機的轉子、軸承位置及狀態變化示意圖

可以看出，在箔軸承的啟動和停止階段，當速度低于臨界速度時，動壓效應不足以懸浮轉子，軸承的內表面和轉子之間仍將存在接觸摩擦。雖然時間很短，但是扁平箔的磨損問題會縮短其使用壽命。目前的制造技術，已經足以保證軸承使用壽命達到10萬小時、起動次數不少于2萬次，故只要廠家的售后服務能做到及時和定期更換，生產運行中是安全可靠的。

2 選型及應用

經過最近幾年的實踐，空氣懸浮鼓風機在水泥行業的應用技術已經成熟，使用范圍也逐漸由窯頭噴送煤粉、窯尾分解爐噴送煤粉、窯頭一次風機，拓展至生料均化庫、水泥庫庫底等均化供風場所。在滿足工藝要求的前提下，要實現節能最佳效果，必須正確選型和使用。

2.1 空氣懸浮鼓風機的選型

（1）選型時，其中生產工藝所需要的風量和風壓是最重要的技術參數。確定風壓、風量參數時，一是要參照原有設備銘牌數據；二是務必要求設備廠家的技術人員到現場進行實際的測量、計算，同時要與工廠管理層和技術人員進行充分的溝通，確定后續是否有提產需求；三是要充分掌握羅茨鼓風機和空氣懸浮鼓風機工作特性的區別。

羅茨風機屬于容積式鼓風機，是靠旋轉時葉片間的容積變化將空氣擠出機殼。理論上，如果轉子、機殼強度和電動機功率足夠的話，其排氣壓力可以一直增加，也就是說其受到的阻力越大、排氣壓力就越大；這類風機的另一特點是其排氣流量只與其轉速有關，排氣壓力有波動時（峰值不超過其額定排氣壓力），只要轉速不改變，排氣量基本上也不變，屬恒流量風機。

空氣懸浮風機屬于離心式鼓風機，是利用葉片旋轉時所產生的離心力來擠壓空氣，以達到一定的風量和風壓并送出機殼。輸出功率不變的情況下，風壓和風量一般呈反比關系:風壓高，風量相對就低；風量大，風壓就低一些。對于水泥廠（熟料線或粉磨線）的生產，臺時產量基本保持穩定，其恒流量控制模式就能滿足正常生產時的需求。現場工況（比如窯尾煤粉輸送量短時波動）造成輸送壓力脈動時，風機進口處的流量檢測裝置實時檢測到這一變化，控制系統就會根據與風量給定值的偏差，提升或降低風機轉速，以保證實時流量。

同時，因為空氣懸浮風機屬于離心式鼓風機，因此同樣存在有喘振和阻塞（即過流）兩種特性，其風機性能曲線圖見圖3。為防止運行時發生喘振，在設計選型時就要盡可能使其有較寬的穩定工作區域（即圖3中喘振線和過流線之間的區域，此區域為穩定、安全工作區域）。選擇計算正常工況的工作點時，要距離喘振點（線）有一定的距離，一般選取喘振流量小于0.8倍的工況流量即可。

圖3 某空氣懸浮鼓風機性能曲線圖

由圖3可知，壓力、流量只要在喘振線與過流線包括的區域內波動，又能滿足工況要求，風機的運行就是安全可靠的，同時也就能有效地解決喘振、過流問題。

（2）特別要注意的是窯頭一次風機，因為不同廠家的燃燒器，對風量、風壓都有嚴格、特殊的要求，風壓或風量匹配不好，會嚴重影響熟料煅燒和回轉窯的產、質量。目前，市場上的燃燒器廠家品牌較多，又分高風壓、中低風壓、大流量、中小流量等多種規格。

回轉窯點火期間，窯頭用煤需要風量較小，一次風機的風量和風壓較低。隨著點火升溫時間的增長，需要陸續增加一次風機的風壓和風量，直至回轉窯投料達到正常產量。因此，要求空氣懸浮鼓風機能夠滿足回轉窯點火烘窯、低產量、正常產量時的多種工況。

（3）選型時要保證正常工況下，風機運行在其曲線圖的高效區域內，以達到節能預期效果；如果不在高效區域內，建議調整風機選型甚至更換設備廠家。

（4）選型時提前做好與設備廠家的交流溝通，對將來可能提產的生產線，要提前說明，確保廠家在選型時預留風量調節裕量以滿足未來需求。

（5）要關注工作場所是否是高海拔地區，如果地處海拔1000m以上，應提前與廠家溝通。高海拔地區空氣稀薄，會影響風壓、風量參數。

風機風壓計算公式為：

式中：

P1——工作場所的風壓，Pa；

P2——廠家設計標準壓力，Pa；

B——工作場所大氣壓，mmHg；

T2——設計溫度，℃；

T1——工作場所工況介質溫度，℃；

760mmHg——在海拔0m,空氣在20℃情況下的大氣壓。

工作場所海撥高度換算大氣壓：

(760mmHg)-(海撥高度÷12.75)=工作場所大氣壓(mmHg)

從公式中可以看出，工作地點海撥越高，空氣越稀薄（空氣密度小）、大氣壓越低，如果不進行參數修正，風機的工作壓力就可能因為過低而不能滿足生產工藝要求。

由于風機風量和風壓的關系是壓力之比等于風量比的平方。依上述公式，根據提供的工作地點海拔高度，設備廠家一般按如下方法進行初步修正：風機流量在0～1000m海撥高度時可不修正；1000～1500m海撥高度時加2%的流量；1500～2500m海撥高度時加3%的流量；2500m以上海撥高度時加5%～8%的流量。

2.2 空氣懸浮鼓風機的使用

空氣懸浮鼓風機的維護較為便捷，但要保證設備的安全高效運轉，操作使用人員要做好以下事項：

（1）根據現場環境清潔程度，定期清洗更換過濾棉。具體周期根據實際確定。濾棉變臟時，設備檢測到機柜內外空氣壓差變大后，會聲光報警提示。對于較清潔的使用環境，可每三個月清洗一次過濾棉，每半年至一年更換一次過濾器。過濾棉一般都1用1備，可在線更換，不影響設備正常運轉。

（2）注意大功率電氣設備的電磁干擾，要提前聯系設備廠家對周邊環境進行評估勘查。施工時按規范敷設電纜，控制電纜、模擬量電纜應選用屏蔽電纜并做好屏蔽層的接地。

（3）中控操作人員要注意運行模式的靈活選用。空氣懸浮鼓風機擁有多種控制模式，在窯系統點火升溫期間，可通過變換系統控制模式，實現風機的低轉速、低壓力和低流量輸出，滿足回轉窯點火投料過程中的工況需要。

3 應用空氣懸浮鼓風機效果對比

通過對空氣懸浮鼓風機在水泥生產線上的運行數據進行統計分析，充分驗證了其優越的性能指標：節電率平均可達25%～40%（見表1、表2），噪音由原來的115dB降至80dB以下；其中對職工作業環境的改善、無油化免維護帶來的便捷性，更是得到了崗位工人的高度認可。

表1 集團某5000t/d熟料線節能數據對比

表2 集團某3200t/d熟料線節能數據對比

4 結束語

本文的實踐證明，空氣懸浮鼓風機在水泥行業的應用已經成熟，使用范圍由窯頭噴送煤粉、窯尾分解爐噴送煤粉、窯頭一次風機，拓展至生料均化庫、水泥庫庫底等均化供風場所。在滿足工藝要求的前提下，要實現節能最佳效果，必須正確選型和使用。總之，由于空氣懸浮鼓風機具有節能高效、運行穩定、故障率低、維護便捷和易實現智能化操控的特點，成為水泥企業代替羅茨鼓風機類設備節能改造和新建生產線的首選。