大型軸流風機在水泥生產線改造中的應用

引言

　　風機是水泥生產中的主要的耗能設備，消耗著水泥生產線30%左右的電能。目前水泥生產中的大型風機實際運行效率一般比較低，原因一是設計院在選型時就考慮了最大需求、又留有一定的富余量，這就造成風機設計工況點在80%以上的高效點，而實際運行的工況點與設計工況點偏移，造成風機在低效率點上運行，有的低到了50%的效率點上運行;二是風機設計效率低，達不到高效節能產品的技術要求;三是風機與現場管道的匹配情況不是最優的，缺乏風機與系統合理銜接的研究;四是生產過程中，風機系統的總效率與工藝系統有著密切的關系，系統的風量、阻力、溫度都對風機運行點有重要的影響，缺乏對風機實際運行的跟蹤。因此，提高風機運行效率、降低能耗是水泥生產節能改造的重要途徑。

　　本文采用現場測試分析、數值模擬仿真分析和實際運用相結合的方法，利用原風機安裝基礎，預先增加部分基礎、優化更換部分風機進、出口管道，在水泥行業率先將傳統的雙吸離心通風機更換為襟翼可調軸流風機，提高風機運行效率，達到節能降耗的改造目的。

1、存在的問題

　　某公司一條5000t/d水泥生產線于2010年投入運行，熟料綜合電耗一直偏高，2019年對窯尾預熱器系統進行技術改造，降低系統阻力，熟料電耗有了明顯降低，但窯尾排風機電耗依然偏高，窯尾排風機原設計參數見表1。

表1 風機主要參數

　　1.1 風機現場性能測試

　　公司依據風機現場測試標準(GB/T 10178-2006/ISO5802:2001)《工業通風機現場性能實驗》，對現場運行風機的實際運行狀態和運行效率進行測試后，制定改造技術方案。標定風機實際運行性能參數見表2。

表2 窯尾排風機現場性能測試

　　1.2 問題分析

　　隨著水泥生產工藝和設備技術的不斷進步，水泥窯系統阻力逐步降低，窯尾排風機實際運行壓力較額定壓力下降較多，又隨著水泥窯產量的提高，系統用風量增加，造成窯尾排風機處于大風量低壓力的運行狀態，與設計參數偏差較大，風機運行效率只有58%～65%，窯尾排風機電耗偏高。

2、風機改造方案

　　2.1 風機改造技術要求

　　根據中國建筑材料協會標準CBMF/Z11-2016“第二代新型干法水泥配套輔機設備技術驗收規程”標準規定：高效節能風機技術用于高溫風機、生料磨循環風機、窯頭排風機、窯尾排風機、煤粉風機、篦冷機冷卻風機、水泥磨循環風機、水泥磨排風機等高效節能風機，技術要求：(1)風機能效等級達到"Ⅰ級”以上，(2)風機運行效率≥80%以上(帶進氣箱結構的風機，考核要求是進氣箱的進口法蘭面到風機的出口法蘭面為風機的考核界面)。

　　2.2 風機選型

　　風機選型設計時有個重要的無因次參數——比轉速ns：

　　(1)ns=nQ1/2P-3/4

　　式中：n-工作轉速;Q-容積流量(m3/s);P-風機標況下全壓(mmH?O);注：風機標況為20℃、760mmHg的狀態，當風機為雙吸入時，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機運行參數的比轉數為131，而風機的最高效率點比轉數為73，風機處于偏工況點低效區運行，離心通風機的選擇范疇一般比轉速不超過90。按"第二代新型干法水泥配套輔機設備技術驗收規程”風機運行全壓效率達到80%以上的要求，針對窯尾排風機這種典型的大流量低壓頭風機，如果仍然采用雙吸離心風機一般采用降低轉速、加大機號的辦法實現，只有更換電機，將轉速調整為580r/min時比轉數為77方能滿足要求。這樣需要重新改變整個風機基礎，造成很大的施工難度。

　　軸流風機適用于比轉數大于80以上的風機，其特點是流量大、風壓低，單級軸流通風機的全壓效率均能高于80%。基于這種因素公司與有節能改造經驗的專業風機廠家聯合，采用襟翼可調軸流風機的方式制定窯尾排風機的改造方案，既可達到節能降耗的目的，又可以實現不更改設備基礎、方便現場施工、降低改造成本的效果。

　　2.3 風機優化設計

　　風機專業廠家采用 CFD 對襟翼可調軸流風機進行優化分析，對進口襟翼、動葉、出口導葉進行聯合氣動分析，對不同的葉高截面進行系統分析診斷，分析結果見圖1~6。通過分析優化降低各葉片內部、葉間和通流部分氣動損失，達到降低風機噪音、提高風機氣動效率的目的。

　　本項目水泥窯尾排風機采用的是襟翼可調軸流風機，通過優化分析可知，該軸流風機適用于大流量、低壓頭的大比轉速狀態，風機本體的氣動效率較高，能夠達到“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設備技術驗收規程”的驗收要求。

　　2.4 風機系統優化及效果

　　高效風機在系統實現高效運行是最終目標，以前在系統設計控制過程中，尤其對風力系統特性評估、設備選型及匹配方面工作相對比較粗放，對風機系統阻力損失和風機進、出口管道對風機的影響因素研究不足，導致管道阻力損失增高和最佳工作點漂移，運行能耗提高。根據風機的軸功率計算公式：

　　N=QPK/(1000ηη機械)

　　Q-容積流量(m3/s);P-全壓(Pa);K-壓縮性修正系數(窯尾排風機壓力較低，可以忽略);η-風機全壓效率;η機械-風機機械效率。

　　流量是風機系統工藝所需要的不能改變，降低系統管道阻力損失就是降低風機壓力，提高風機運行效率，這兩個方面是降低風機能耗的主要途徑，本項目對風機系統做了以下優化設計。

　　(1)減少了傳統的雙吸離心通風機進風口褲衩管的氣動損失，降低褲衩管的氣動損失在150Pa左右，占風機總壓力的6%左右。

　　(2)避免了雙吸離心通風機進氣箱寬徑比較大的結構，優化了風機進氣箱的結構，降低了寬徑比，減小了風機進氣箱的氣動損失。

　　(3)將除塵器出口風管與風機進口和風機出口風管與煙囪同襟翼可調軸流風機系統整體進行聯合CFD仿真分析(見圖7)，讓氣體流動在系統中實現可視化，管道損失的數據化，對風機系統進行聯合優化分析，讓風機模擬到最終使用狀態，更準確的分析風機本體對風機進、出口管道的影響，避免單獨計算管道損失的誤差，更好的優化管道結構，達到最佳匹配效果。風機改造效果見表3。該風機自2020年3月運行以來運行穩定可靠，風機通過3次測試風機運行效率一直高于83%。

圖7 風機系統速度矢量圖

表3 風機改造前后運行參數對比

03、結語

　　該公司5000t/d水泥生產線窯尾排風機，采用進口襟翼可調軸流風機，降低能耗247kw。此技術可以廣泛應用于水泥生產線窯頭、窯尾排風機，達到“第二代新型干法水泥”生產線的要求。隨著設計理念更新，預熱器系統阻力和袋收塵器阻力逐步降低，設備性能不斷提高，窯尾排風機入口實際壓力較風機設計值降低較多，采用離心式風機已無法滿足實際生產需要，而大型軸流風機在公司窯尾排風機上的成功應用經驗，可在水泥行業中廣泛推廣應用。

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