大型軸流風(fēng)機(jī)在水泥生產(chǎn)線改造中的應(yīng)用

引言

　　風(fēng)機(jī)是水泥生產(chǎn)中的主要的耗能設(shè)備，消耗著水泥生產(chǎn)線30%左右的電能。目前水泥生產(chǎn)中的大型風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行效率一般比較低，原因一是設(shè)計院在選型時就考慮了最大需求、又留有一定的富余量，這就造成風(fēng)機(jī)設(shè)計工況點在80%以上的高效點，而實際運(yùn)行的工況點與設(shè)計工況點偏移，造成風(fēng)機(jī)在低效率點上運(yùn)行，有的低到了50%的效率點上運(yùn)行;二是風(fēng)機(jī)設(shè)計效率低，達(dá)不到高效節(jié)能產(chǎn)品的技術(shù)要求;三是風(fēng)機(jī)與現(xiàn)場管道的匹配情況不是最優(yōu)的，缺乏風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)合理銜接的研究;四是生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的總效率與工藝系統(tǒng)有著密切的關(guān)系，系統(tǒng)的風(fēng)量、阻力、溫度都對風(fēng)機(jī)運(yùn)行點有重要的影響，缺乏對風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行的跟蹤。因此，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率、降低能耗是水泥生產(chǎn)節(jié)能改造的重要途徑。

　　本文采用現(xiàn)場測試分析、數(shù)值模擬仿真分析和實際運(yùn)用相結(jié)合的方法，利用原風(fēng)機(jī)安裝基礎(chǔ)，預(yù)先增加部分基礎(chǔ)、優(yōu)化更換部分風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口管道，在水泥行業(yè)率先將傳統(tǒng)的雙吸離心通風(fēng)機(jī)更換為襟翼可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能降耗的改造目的。

1、存在的問題

　　某公司一條5000t/d水泥生產(chǎn)線于2010年投入運(yùn)行，熟料綜合電耗一直偏高，2019年對窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，降低系統(tǒng)阻力，熟料電耗有了明顯降低，但窯尾排風(fēng)機(jī)電耗依然偏高，窯尾排風(fēng)機(jī)原設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

　　1.1 風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能測試

　　公司依據(jù)風(fēng)機(jī)現(xiàn)場測試標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 10178-2006/ISO5802:2001)《工業(yè)通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能實驗》，對現(xiàn)場運(yùn)行風(fēng)機(jī)的實際運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行效率進(jìn)行測試后，制定改造技術(shù)方案。標(biāo)定風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行性能參數(shù)見表2。

表2 窯尾排風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能測試

　　1.2 問題分析

　　隨著水泥生產(chǎn)工藝和設(shè)備技術(shù)的不斷進(jìn)步，水泥窯系統(tǒng)阻力逐步降低，窯尾排風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行壓力較額定壓力下降較多，又隨著水泥窯產(chǎn)量的提高，系統(tǒng)用風(fēng)量增加，造成窯尾排風(fēng)機(jī)處于大風(fēng)量低壓力的運(yùn)行狀態(tài)，與設(shè)計參數(shù)偏差較大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率只有58%～65%，窯尾排風(fēng)機(jī)電耗偏高。

2、風(fēng)機(jī)改造方案

　　2.1 風(fēng)機(jī)改造技術(shù)要求

　　根據(jù)中國建筑材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CBMF/Z11-2016“第二代新型干法水泥配套輔機(jī)設(shè)備技術(shù)驗收規(guī)程”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：高效節(jié)能風(fēng)機(jī)技術(shù)用于高溫風(fēng)機(jī)、生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、煤粉風(fēng)機(jī)、篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、水泥磨排風(fēng)機(jī)等高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，技術(shù)要求：(1)風(fēng)機(jī)能效等級達(dá)到"Ⅰ級”以上，(2)風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率≥80%以上(帶進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)，考核要求是進(jìn)氣箱的進(jìn)口法蘭面到風(fēng)機(jī)的出口法蘭面為風(fēng)機(jī)的考核界面)。

　　2.2 風(fēng)機(jī)選型

　　風(fēng)機(jī)選型設(shè)計時有個重要的無因次參數(shù)——比轉(zhuǎn)速ns：

　　(1)ns=nQ1/2P-3/4

　　式中：n-工作轉(zhuǎn)速;Q-容積流量(m3/s);P-風(fēng)機(jī)標(biāo)況下全壓(mmH?O);注：風(fēng)機(jī)標(biāo)況為20℃、760mmHg的狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)機(jī)為雙吸入時，其流量減半計算。

　　按公式(1)計算，以生料磨開來計算雙吸離心通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的比轉(zhuǎn)數(shù)為131，而風(fēng)機(jī)的最高效率點比轉(zhuǎn)數(shù)為73，風(fēng)機(jī)處于偏工況點低效區(qū)運(yùn)行，離心通風(fēng)機(jī)的選擇范疇一般比轉(zhuǎn)速不超過90。按"第二代新型干法水泥配套輔機(jī)設(shè)備技術(shù)驗收規(guī)程”風(fēng)機(jī)運(yùn)行全壓效率達(dá)到80%以上的要求，針對窯尾排風(fēng)機(jī)這種典型的大流量低壓頭風(fēng)機(jī)，如果仍然采用雙吸離心風(fēng)機(jī)一般采用降低轉(zhuǎn)速、加大機(jī)號的辦法實現(xiàn)，只有更換電機(jī)，將轉(zhuǎn)速調(diào)整為580r/min時比轉(zhuǎn)數(shù)為77方能滿足要求。這樣需要重新改變整個風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，造成很大的施工難度。

　　軸流風(fēng)機(jī)適用于比轉(zhuǎn)數(shù)大于80以上的風(fēng)機(jī)，其特點是流量大、風(fēng)壓低，單級軸流通風(fēng)機(jī)的全壓效率均能高于80%。基于這種因素公司與有節(jié)能改造經(jīng)驗的專業(yè)風(fēng)機(jī)廠家聯(lián)合，采用襟翼可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的方式制定窯尾排風(fēng)機(jī)的改造方案，既可達(dá)到節(jié)能降耗的目的，又可以實現(xiàn)不更改設(shè)備基礎(chǔ)、方便現(xiàn)場施工、降低改造成本的效果。

　　2.3 風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計

　　風(fēng)機(jī)專業(yè)廠家采用 CFD 對襟翼可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析，對進(jìn)口襟翼、動葉、出口導(dǎo)葉進(jìn)行聯(lián)合氣動分析，對不同的葉高截面進(jìn)行系統(tǒng)分析診斷，分析結(jié)果見圖1~6。通過分析優(yōu)化降低各葉片內(nèi)部、葉間和通流部分氣動損失，達(dá)到降低風(fēng)機(jī)噪音、提高風(fēng)機(jī)氣動效率的目的。

　　本項目水泥窯尾排風(fēng)機(jī)采用的是襟翼可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，通過優(yōu)化分析可知，該軸流風(fēng)機(jī)適用于大流量、低壓頭的大比轉(zhuǎn)速狀態(tài)，風(fēng)機(jī)本體的氣動效率較高，能夠達(dá)到“Ⅰ級”能效要求，完全能夠滿足“第二代新型干法水泥配套輔機(jī)設(shè)備技術(shù)驗收規(guī)程”的驗收要求。

　　2.4 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化及效果

　　高效風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)實現(xiàn)高效運(yùn)行是最終目標(biāo)，以前在系統(tǒng)設(shè)計控制過程中，尤其對風(fēng)力系統(tǒng)特性評估、設(shè)備選型及匹配方面工作相對比較粗放，對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)阻力損失和風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口管道對風(fēng)機(jī)的影響因素研究不足，導(dǎo)致管道阻力損失增高和最佳工作點漂移，運(yùn)行能耗提高。根據(jù)風(fēng)機(jī)的軸功率計算公式：

　　N=QPK/(1000ηη機(jī)械)

　　Q-容積流量(m3/s);P-全壓(Pa);K-壓縮性修正系數(shù)(窯尾排風(fēng)機(jī)壓力較低，可以忽略);η-風(fēng)機(jī)全壓效率;η機(jī)械-風(fēng)機(jī)機(jī)械效率。

　　流量是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工藝所需要的不能改變，降低系統(tǒng)管道阻力損失就是降低風(fēng)機(jī)壓力，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，這兩個方面是降低風(fēng)機(jī)能耗的主要途徑，本項目對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)做了以下優(yōu)化設(shè)計。

　　(1)減少了傳統(tǒng)的雙吸離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口褲衩管的氣動損失，降低褲衩管的氣動損失在150Pa左右，占風(fēng)機(jī)總壓力的6%左右。

　　(2)避免了雙吸離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱寬徑比較大的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱的結(jié)構(gòu)，降低了寬徑比，減小了風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱的氣動損失。

　　(3)將除塵器出口風(fēng)管與風(fēng)機(jī)進(jìn)口和風(fēng)機(jī)出口風(fēng)管與煙囪同襟翼可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)整體進(jìn)行聯(lián)合CFD仿真分析(見圖7)，讓氣體流動在系統(tǒng)中實現(xiàn)可視化，管道損失的數(shù)據(jù)化，對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化分析，讓風(fēng)機(jī)模擬到最終使用狀態(tài)，更準(zhǔn)確的分析風(fēng)機(jī)本體對風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口管道的影響，避免單獨計算管道損失的誤差，更好的優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳匹配效果。風(fēng)機(jī)改造效果見表3。該風(fēng)機(jī)自2020年3月運(yùn)行以來運(yùn)行穩(wěn)定可靠，風(fēng)機(jī)通過3次測試風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率一直高于83%。

圖7 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)速度矢量圖

表3 風(fēng)機(jī)改造前后運(yùn)行參數(shù)對比

03、結(jié)語

　　該公司5000t/d水泥生產(chǎn)線窯尾排風(fēng)機(jī)，采用進(jìn)口襟翼可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，降低能耗247kw。此技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于水泥生產(chǎn)線窯頭、窯尾排風(fēng)機(jī)，達(dá)到“第二代新型干法水泥”生產(chǎn)線的要求。隨著設(shè)計理念更新，預(yù)熱器系統(tǒng)阻力和袋收塵器阻力逐步降低，設(shè)備性能不斷提高，窯尾排風(fēng)機(jī)入口實際壓力較風(fēng)機(jī)設(shè)計值降低較多，采用離心式風(fēng)機(jī)已無法滿足實際生產(chǎn)需要，而大型軸流風(fēng)機(jī)在公司窯尾排風(fēng)機(jī)上的成功應(yīng)用經(jīng)驗，可在水泥行業(yè)中廣泛推廣應(yīng)用。

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