水泥行業(yè)離心風機的正確選型

  風機，作為通用換氣設(shè)備被普遍應用于各個行業(yè)中，在水泥行業(yè)中更被廣泛使用。隨著科技的發(fā)展人類居住環(huán)境受到工業(yè)污染的挑戰(zhàn)，以及世界經(jīng)濟發(fā)展下行壓力加大，人們越來越關(guān)注工業(yè)設(shè)備應用對環(huán)境的影響。對低碳，減排，降低成本的要求，使人們對高效工業(yè)離心風機關(guān)注度越發(fā)提高，從而將高效工業(yè)風機研發(fā)，選型，改造推入新的篇章。

  在水泥生產(chǎn)工藝中，隨著工藝要求的提升，常常對風機有更高的要求，需要增大風機的尺寸，提高風機速度，來滿足更大的工藝處理量和輸送工藝的要求。因此，在風機采購中，風機使用能耗成本比前期采購成本更加被人們重視。“降耗就等于賺錢”人們開始把低能效風機的改造列入降低成本的重中之重，一些大功率工藝氣風機，高溫循環(huán)風機的改造一年到兩年內(nèi)節(jié)約的電費成本就等于一臺新投入風機的成本。

  一、離心風機是如何工作的

  離心風機并不像軸流風機靠離心力轉(zhuǎn)化能量，而是由葉片運動產(chǎn)生能量。換一種思路來解釋離心風機的工作原理，當葉輪轉(zhuǎn)動時，在葉片底部形成真空區(qū)，空氣流隨即填補這個真空區(qū)并隨之流向葉片表面。這說明了一個重要的事實，即葉片的下表面對風機效率起不到?jīng)Q定性的影響。所以風機制造商通常在葉片背板加焊內(nèi)外加強板，條狀加強焊道，增加葉輪的強度。并增加平行固定螺栓，襯墊做為耐磨保護。這也意味著，高效率機翼型葉片并沒有比高效彎型葉片效率高很多。翼型葉片更主要的優(yōu)點在于，對于更大，更寬的葉輪，它的中空式結(jié)構(gòu)葉片強度上會比傳統(tǒng)彎型葉片更強。

  風機在旋轉(zhuǎn)時，葉輪的速度隨著風機的半徑變化而變化。所以，最佳效率的葉片應該是后彎的螺旋型葉片。而在實際應用中，通常使用的是彎型葉片，配合進出風口角度，來達到風機所需的性能參數(shù)。這些角度由界定曲率和傾斜角半徑來實現(xiàn)。對于機翼型葉片，葉片寬厚，曲率平緩，所以此款葉片效率會相對提高一些。而傾型（前傾/后傾）葉片是當風機輸送氣體載塵時不得不選擇的折中方案。在含塵量較大的輸送系統(tǒng)里，有自潔性的傾型（前傾，后傾）葉片變成首選，但是要使傾型葉片效率超過80%，就需要結(jié)合更加縝密的風機設(shè)計才能實現(xiàn)。例如，哈利法克斯風機的BFBI（BF后傾）系列。這一系列的風機效率完勝彎型葉片風機，葉片曲率和傾斜角的設(shè)定完美接合風機入口和出口傾角，使風機效率遠超80%。

  氣流通過進風錐管進入風機流入葉輪的過程中，沒有旋轉(zhuǎn)閥推動氣體，只有大約50%左右的氣流被推入風機背板/中心輪轂側(cè)，所以只有一定量的能量傳導給葉輪，而其他的一部分氣流在葉輪四周循環(huán)轉(zhuǎn)化成能量損失。這部分循環(huán)氣流的多少直接決定了葉輪的效率。

  我們可以通過改變進風椎管設(shè)計間距來改變?nèi)~輪循環(huán)氣流面積，改變進風椎管嵌入葉輪深度或葉輪進口加強環(huán)尺寸都會對風機的性能產(chǎn)生影響。還有一種做法是設(shè)計具有拋物線型或者有坡度的葉輪蓋板來減少葉輪四周氣體循環(huán)區(qū)域面積。葉輪越寬，氣體分流會越明顯，如果葉輪非常寬，風機的性能會很難預知。所以當葉輪很寬時我們完全要依靠大坡度前蓋板才能維持穩(wěn)定的風機性能。

  二、如何提高風機效率

  準確知道風機的使用工況才能更好的選擇合適的風機設(shè)計，然而，簡單的風機設(shè)計不會全面考慮到風機應用過程中的全部問題，包括制造精度影響等。

  驗證性能測試法做為一種性能測試的手段依然被許多風機廠商和用戶廣泛的應用。目前有很多風機性能測試從ISO和AMCA測試標準中延伸而來，這些測試的基礎(chǔ)理論都是相同的。按照測試標準定制管道進行標準測試，隨后矯正測試條件。再通過風機標準定律計算相同的葉輪形式不同尺寸的風機性能。例如：

  壓力和密度成正比，和速度，尺寸的大小成平方比

  流量和速度成正比和尺寸的大小成立方比

  AMCA提出的方法是測試每個即售風機。 AMCA隨風機制造商建造了很多實驗室或測試平臺，每臺不同尺寸的即售風機都會進行獨立測試。這種方法也被一些風機廠家所使用。但是出于成本因素的考慮，風機廠會放大參數(shù)范圍，限定風機尺寸。這樣會導致在使用工況中，風機的選型不完全接近風機的工作點。這種測試方法對小參數(shù)風機也不適用。

  實際的制造過程中都會有限制公差（例如±1mm）。這意味著，當風機越來越小時，制造公差并不隨風機的尺寸而減?。ㄖ谱饕慌_250mm風機±0.25mm公差難度很大，而制作一臺1000mm風機限制公差為±1毫米公差并不困難）。焊接工藝和表面粗糙度對小風機影響更大。另外，氣流邊界層和湍流效應不會隨尺寸的增大而闊大。這些特性被稱為尺寸效應-風機的尺寸直接影響風機的性能，制造一個高效的小風機遠比制造一個高效的大風機要難的多。這種風機尺寸效應也得到AMCA FEG和ISO12759風機軸吸收功率評級的認可。

  當測試一個新研發(fā)風機模型時，為了讓測試結(jié)果更完美，風機的制造和裝配工藝更細致，遠超過普通風機的生產(chǎn)水平，這也是風機性能降低的一種因素。哈利法克斯風機使用測試方法是測試小風機，并使用普通的生產(chǎn)工藝制造風機，風機測試以380mm直徑葉輪為模型。大公差的小風機為測試標準，確保生產(chǎn)出的小公差的大型風機性能更優(yōu)越，效率更高。

  還有一種測試方法，是通過CFD來對風機建模分析（計算流體動力學）。在10年前，依靠CFD分析傳動機械設(shè)備對于風機制造廠家來說是非常昂貴的。在過去10年中，使用CFD的范圍慢慢縮減。僅僅使用CFD軟件中的一項ANSYS功能，但分析僅能達到10％的精度，一個CFD模型至少需要32位處理器12小時的分析。還有另外的理論和模塊來進行相似精度的分析。這僅有的10％的精度可以預測的流體變化，卻不足以用于風機性能的預測，所以即便是有CFD結(jié)果的支持，還是要依賴物理測試法進行性能測試。

  哈利法克斯風機將理論開發(fā)融入模型制造中，快速制造原型測試。這種測試方法要比CFD分析法更快易于實現(xiàn)，一旦理論模型通過物理測試再融入CFD分析來完善風機設(shè)計?？傮w而言，CFD更偏重于對幾何形態(tài)的分析，但是并不能智能結(jié)合樣機理論，CFD還運用于分析易于測試流動理論和物理結(jié)構(gòu)影響，而這些是物理測試很難檢測到的。

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  三、風機選型

  風機的壓力定義為兩個方面，全壓和靜壓;

  全壓升壓=出口全壓 - 入口全壓

  靜壓升壓=出口靜壓 - 入口全壓

  全壓升促使風機的總能量增加，所以常用于規(guī)范和標準里用來衡量效率 - AMCA FEG和ISO12759。然而 ，靜壓升多被大多數(shù)工廠用于選型。

  許多工程師先要確立出系統(tǒng)所需的靜壓和體積流量然后評估該系統(tǒng)的壓力損失。壓力損失將與工程師所給的系統(tǒng)所需靜壓靜相結(jié)合。靜壓用于定義在風機進風口處的工藝氣體的屬性。它也可以用于確定在整個風機的靜壓變化。然而，如上所述，靜壓升是不出風口靜壓減去進風口的靜壓，風機的進風口總壓才是最精確的應該被使用的。如果進風口和出風口具有相似（相等）的面積，所需要的的值應該是總的壓升。所以使用靜壓差來選型給了我們一個隱藏的安全系數(shù)。

  當我們改造更換一臺風機時，風扇進氣/排氣速度會因風機進風口/出風口面積的變化而改變。對于這種情況，最好是使用風機總壓升來選型。確保在新的風機下游管道中靜壓與原始風機壓力相同。

  除了壓力和流量，風機的操作過程也是需要考慮的影響風機的選型的因素之一，它可能會影響風機的曲線，風機的特性以及如何控制風機。

  對于很多風機操作系統(tǒng)是穩(wěn)定的，所以風機可以安全的在最高壓力點下5％左右的位置運行。然而，并非所有系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。例如，出窯水泥熟料進入篦冷機后在篦板上冷卻，篦床的厚度和密度會發(fā)生變化。對于這些不太穩(wěn)定的系統(tǒng)，風機工作點需要遠離曲線的峰值運行，通常選擇至少低于壓力峰值的10％到15％之間。在其他情況下，系統(tǒng)設(shè)計者會想要風機壓力工作點在最高壓力峰值的下方，確保有不可預測壓力上升的情況下風機仍有一些安全余量。

  如果風機葉輪上粘粘了一些粉塵，它會在葉輪上堆積成粉塵層。粉塵層變厚變重最終部分脫落，此時風機會失去動平衡。這種情況在風機運行，或當風機停車再重新啟動后常常發(fā)生。當風機啟動時馬達起動的沖擊力可以敲掉灰塵。此外，在停車時灰塵可能吸收濕氣而變重，因此會更容易脫落。我們可以通過使用大傾角葉片或徑向葉片來降低這種這失衡的情況的發(fā)生。對于大風量小傾角風機，使用后傾型葉片是最佳的選擇。

  灰塵除了粘到風扇上，也可導致葉片的磨損。這種磨損可以使用葉輪焊接修補進行校正。如果侵蝕嚴重或風機已被修復多次，將需要更換葉輪。為了避免這種情況發(fā)生葉輪可以在制造時配有硬質(zhì)面。這種硬堆焊可以加焊在葉輪表面也可以加耐磨肋條。但硬堆焊到內(nèi)襯板上可以引起葉輪裂縫，這意味著，防摩層或烘烤涂層更適用于風機葉片上和襯墊優(yōu)選于焊接在葉輪表面。防摩螺栓墊片也比較常見，但是不能用于翼型葉片。

  流量控制的選擇取決于系統(tǒng)阻力線。流量控制的最有效的形式可以是變頻控制。然而，隨著變速控制的壓力和體積流量隨速度改變而變化;

  壓力=常數(shù)x速度²

  體積流量=常數(shù)x速度

  按照平方律關(guān)系;

  壓力=常數(shù)x體積流量²

  在這些規(guī)律中，如果風機設(shè)計選型流量接近風機曲線最高效率點，那么按比率增加此款風機在任何風量下都會保持最高效率。

  并非所有的工藝系統(tǒng)都遵循平方定律法則。在有些壓力恒定的系統(tǒng)中，靠流量不斷變化維持系統(tǒng)工作。其中典型的案例是流化床燃煤鍋爐熟料提取工藝。在此系統(tǒng)中如果單純使用變頻器降低風機轉(zhuǎn)速會使風機偏離高效工作點。更糟的是，風機可能因轉(zhuǎn)速的變化風機無法產(chǎn)生足夠的壓力。也就是說，對于此類工藝，控制流量的最佳選擇是風閥。

  出口風閥：使用風機出口風閥控制風機流量，會因系統(tǒng)阻力增大而增加系統(tǒng)的壓力損失。如果前期風機選型風機效率不高，使用出口風閥調(diào)節(jié)可以降低風機軸吸收功率提高風機工作效率。然而，風機和風閥同時工作的效率始終要小于通過正確選型的高效風機的效率。出口風閥對系統(tǒng)的控制也不是特別理想，風閥至少要關(guān)閉50%才能真正對系統(tǒng)起作用。出口風閥的另一個缺點是，風機可能運行在低流量喘振區(qū)產(chǎn)生劇烈喘振。

  進口風閥：進口風閥距離風機葉輪很近，它可以通過改變導葉的角度來改變氣流流向從而控制風機的流量，這是一種比較高效的流量控制方法，但是也會導致系統(tǒng)損失。進口閥門越接近葉輪，對風機流量控制越有效。進口風閥的控制效率相對較高，但缺點是容易磨損和損壞。在風閥的控制下，能夠做到在降低風機總風量10%的條件下穩(wěn)定運行。風閥從全開到100%關(guān)閉的壓力損失在10%左右。不管是進口風閥還是出口風閥控制產(chǎn)生的風機效率都要遠遠小于正確選擇一臺高效風機的效率。所以，進口風閥的主要目的應用還是在維持風機壓力的情況下獲得可調(diào)節(jié)風機流量。

  四、正確風機選型的好處

  風機的選型常常要平衡前期安裝成本和后期運行成本。安裝成本包括風機成本，電機成本，風機安裝尺寸。一個好的系統(tǒng)設(shè)計應該平衡安裝成本，運行成本等上訴所涉及因素。在前期設(shè)計階段，很多因素尚不完全清楚，因此，我們盡可能的多收集可用信息，即使這些信息可能不準確。在設(shè)計階段工程師也通常會在選型中增加很多安全的系數(shù)。增加安全余量的原因有很多，但主要原因是避免系統(tǒng)中的未知因素導致風機選型過小而不得不更換新的風機，這些未知因素包括對將來系統(tǒng)使用能力的不確定性（如系統(tǒng)升級），或操作情況的惡化（包括系統(tǒng)阻塞）等。

  但是有些系統(tǒng)的安全系數(shù)考慮過大。有些糟糕的情況，風機實際運行壓力只有預期壓力的50％。導致風機在非常的效率點運行，甚至工況點偏離選型點過遠而引起電機過載。雖然可以改變風機的轉(zhuǎn)速來解決電機過載問題。卻也因此損失了很多風量從而降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。實際應用中簡單的解決方法是選擇大功率電機，但會因此同時增加安裝成本以及后期的運營成本。

  與其在設(shè)計中僅僅考慮增加壓力安全余量不如結(jié)合安全余量與風機的選型，增大使用壓力到風機曲線最高點壓力范圍，使操作壓力有較大的余量。例如，如果最初系統(tǒng)設(shè)計預留20％的安全系數(shù)被認為是較理想的，該風機選型應選擇風機操作點壓力至少低于最高壓力的15％，并同時預留10％的安全系數(shù)。這樣就會確保所選擇的風機會在運行過程中更接近所需的的工作點，也就更接近高效點。如果是現(xiàn)場改造風機我們會有機會去現(xiàn)場測量現(xiàn)有的風機使用情況，根據(jù)測量結(jié)果來重新選型，會根據(jù)客戶對未來系統(tǒng)的提升要求來增加選型余量。

  確保風機接近最高效率點運行可以有效的節(jié)約運營成本。假設(shè)一臺風機95％的時間長期持續(xù)運行，每增加1KW的功率，每年約有5000元的電力成本增加。對于100KW功率消耗的風機效率每降低1％就要多消耗5000元電費。對于400KW功率消耗的風機，每降低1%的效率每年就會多支出20000RMB左右的電費。顯而易見，越大型的風機節(jié)能的效果會越明顯，可想而知當現(xiàn)場所有的風機同時運行時這里的成本節(jié)約是巨大的。

  水泥風機的研究指出（“掌握風機系統(tǒng)效率”，世界水泥，2012），風機運行成本占了32%的水泥廠總費用支出。下表是對結(jié)果的分析;

  如果將上述風機的效率提高至75％，會至少減少15％的能源損耗和5％的能源開支。對于一個產(chǎn)值1000噸/天水泥生產(chǎn)線，每年的節(jié)能成本會降低1100-1200百萬之間。

  然而，電力并不是唯一的成本損耗。降低風機故障率，減少停車時間，節(jié)約返修人力物力成本對降低成本更起到至關(guān)重要的影響。選擇高品質(zhì)的風機，降低返修率所節(jié)約的成本等同于甚至高于節(jié)能風機所節(jié)省的成本。