提高篦冷机冷却风机效能的措施

2014-03-10方岳亮许龙旭

水泥技术 2014年5期

关键词：大气压力冷机风压

方岳亮，许龙旭

提高篦冷机冷却风机效能的措施

Measures to Increase the Efficiency of the Grate Cooler Cooling Fans

方岳亮11，许龙旭22

结合篦冷机使用工况和离心风机的原理，针对现场使用过程中暴露的冷却机风机能力不足的问题，综合分析了各方面的原因，提出了比较全面的改进措施。

篦冷机；离心风机；熟料；烧成；

1 前言

篦冷机作为水泥熟料烧成系统中的重要设备，其风机对于熟料的冷却至关重要。但是很多现场暴露出风机风量达不到设计风量，冷却能力不足的问题，笔者结合现场处理经验，针对几种典型的故障，结合风机原理，分析了风机失效原因，并提出了几点改进措施。

2 设计选型方面

对于篦冷机设计者来说，在根据换热理论确定了单位面积的冷却风量后，应根据篦床结构、操作料层厚度、管道阻力及风量确定管网阻力，并基于以上要素确定风机的工况点，这是风机设计选型的依据。但在实际选型过程中，还有以下几点需要关注，它们也是造成风机效率低下的常见原因。

2.1 风机比转速对性能的影响

在标定某些篦冷机时，发现一室风机多不达标，风量风压均偏小。以FJ水泥厂2500t/d篦冷机为例。

F1A：压力10kPa，流量6m3/s，转速1480r/min；

F1B：压力10kPa，流量6m3/s，转速1480r/min。

根据离心风机比转速计算公式：

计算得Ns=20.38

该系列风机属于低比转速类型，流量低而压头高，低比转速风机Q-H曲线容易出现驼峰形状，会出现如图1所示的情形。阻力曲线与风机曲线相交于驼峰左边，风机压头未达到设计工况点。

因此，选型时应尽量避免比转速过小，可以考虑合并两台风机为一台风机，风管分岔供风或改变转速参数，将转速提高为2900r/min。如果不能提高比转速，可考虑使用风叶前向的风机，避免驼峰曲线的出现。

2.2 同一风室避免风机并联使用

并联风机特性差别较大时，并联的风量可能会增加，也可能会比其中风量较大的风机风量少一些；并联风机特性完全一致时，并联后的全压不是前后相等的，而是略增。并联只有在阻力较小的管路上风量才会增加较多，总风量小于一台的两倍，在阻力较大的管路上风量增加很少。

并联风机一般应用于以下情况：

（1）当用户需要大流量，而大流量的风机制造困难或造价太高时；

（2）流量需求变化幅度较大，通过停开机器台数以调节流量时；

（3）当有一台风机损坏，但仍需要保证供风量，作为检修及事故备用时。

图1 风机工况点

两台相同风机的并联情况如图2所示，已知一台风机的性能曲线Ⅰ，在相同的压头下使流量加倍，便得到并联机组的性能曲线Ⅱ。与管路阻力曲线Ⅲ交于A点。A点是并联机组的工况点，QA是并联后的流量，HA是并联后的压头。如图2所示，B点是并联机组中一台风机的工况点，管路阻力曲线与单台风机性能曲线的交点C，是只开一台风机时的工况点。C点对应的流量QC是只开一台风机时的流量，而QC>QB，可知只开一台风机时的流量大于并联机组中单台风机的流量。这是因为并联后，管路内总流量加大，所需压头加大，而风机的性能是压头加大，流量减小，所以并联后单台风机的流量减小。

图2 两台风机并联时性能曲线

多台风机的并联情况如图3所示，Ⅰ是单台风机的性能曲线，Ⅱ是两台风机并联时的性能曲线，Ⅲ是三台风机并联时的性能曲线，Ⅳ是管路阻力曲线。由图3可见，随着并联台数增多，每并联一台风机所增加的流量愈小，效果愈差。

（1）两台型号相同且转速相等的风机并联后，风量最高时是两台风机总风量的90%左右，风压等于单台风机的压力。

（2）两台型号不同且转速不等的风机并联使用，风量等于风量较大风机的风量，而风压不叠加。

（3）两台型号相同且转速相等的风机串联后，风压是单台风机风压的2倍，风量等于单台风机的风量。

（4）两台型号不同且转速不等的风机，型号较大的一台置前串联使用，风压小于风压较小风机的风压，风量等于风量较大风机的风量。

图3 多台风机并联时性能曲线

以GZHS水泥厂一台5500t/d篦冷机为例，并联风机标定数据见表1。并联状态下，F3A风机风量大大低于铭牌风量，通过在风室加装隔墙后，解除了两台风机的并联关系，两台风机工况风量均得到提高。

2.3 管网阻力过大的影响

式中：

λ——摩擦阻力系数，与材料、表面粗糙度有关，可查表获得

L——管道长度，m

D——管道直径，m（方管可折算为圆管）

v1——管道风速，m/s

ρ——工况气体密度，kg/m3（20℃时取1.2）

ξ1——压损系数，与管道弯头、三通、缩口等有关，可根据尺寸查局部阻力系数表获得。

注：公式前部分为沿程压力损失（值比较小），后部分为局部压力损失。

为了减小管网阻力应避免在风机排气口后突然收缩，避免在突然收缩条件下吸入空气，避免大于30°的扩管，避免矩形弯管，难以避免时可增加整流片或整流隔板。

2.4 高海拔风机的校正

随着地面海拔的升高，空气的密度随之减小，大气压力随之下降。对于同样是5500t/d的篦冷机而言，需要的单位冷却风量（质量）是相同的。

表1 并联风机标定数据

式中：

PH——海拔高度处的大气压力，Pa

P0——海平面处的大气压力，Pa

H——海拔高度，m

由于空气压力、温度和密度符合理想气体的状态方程，因此在一定温度下，大气压力与其密度成正比，三者之间的关系可用理想气体状态方程表示为：

式中：

P——大气压力，Pa

ρ——空气密度，kg/m3

T——热力学温度，K

R——气体常数，J/(kg·K)

对于空气的气体常数R=287J/（kg·K），可以通过两个已知状态的基本参数求出第三个参数。

对于高海拔的风机选型，风机的入口风量（容积风量）不随入口大气压力和温度的变化而改变（质量流量发生变化），但是风机产生的全压则随风机入口气体重度的减小而降低，即大气压力降低或温度升高，风机入口气体重度减小，风机产生的全压随之下降（以下计算暂时不考虑温度）。

（1）高海拔冷却空气容积与零海拔地区冷却空气容积的关系：

式中：

M1、ρ1、Q1——高海拔地区所需冷却空气质量、空气密度、空气容积

M0、ρ0、Q0——零海拔地区所需冷却空气质量、空气密度、空气容积

k1——大气压力修正系数

（2）气体重度与大气压力的关系：

式中：

γ2——高海拔地区的气体重度，N/m3

γ1——零海拔地区的气体重度，N/m3

（3）风机产生的全压与大气压力的关系：

式中：

H2——高海拔地区风机产生的全压，Pa

H1——零海拔地区风机产生的全压，Pa

各地区的大气压力可用下式计算：

式中：

N2——高海拔地区风机电机的功率，kW N1——0海拔地区风机电机的功率，kW

风机的风量除了温度修正，还需要与当地海拔相联系进行修正，风机电机的选择也需要考虑到海拔的元素，前面提到的管网阻力也与海拔有关。

3 风机制造和安装方面

3.1 容积泄漏

风机叶轮与静止部件之间存在间隙，叶轮转动时存在的间隙两侧所造成的压力差使得部分已经获得能量的流体从高压侧流向低压侧，从而造成泄漏，这种损失称为容积损失（如图4所示）。如果制造或安装不当，间隙过大，会造成容积损失过大。同时应减小叶轮进口处与进口机壳之间的间隙，以及轴与机壳之间即轴封处的间隙。HBYZ水泥厂篦冷机F3风机投产后就存在风量严重偏低的情况，经检查，叶轮进口处与进口机壳之间的最大间隙远远超过了设计值，修复后恢复了良好的状态。

（4）风机电机的功率与大气压力的关系：