除尘风机调速运行理论分析及实践

黄勇波

中冶赛迪工程技术股份有限公司

随着国家新环保法的实施和大力度监管，冶金行业中的除尘系统真正落实了“三同时”制度，环保水平得到提升，除尘风机电耗也随之增大。如何在满足环保要求的基础上节约能源，成为打造“绿色钢厂”构想的一个重要环节。众所周知，调节风机转速是节省电机电耗最有效的方法，在工程中应用十分广泛。本文就钢铁厂中变工况除尘系统的风机调速运行进行分析和讨论，供相关人员参考。

1 风机调速节能的基本原理

根据相似性原理，风机转速变化时其效率基本不变，但流量、压头及功率按下式改变[1]：

按上述公式将风机在转速n1下的性能曲线换算成转速n2下的性能曲线，当管网特性系数S不变时，风机的工作点由A点变至B点，如图1所示[2]。

图1 风机转速调节时性能曲线

可见，当除尘管网风量需求减少时，可以把风机转速降低，而风机所需轴功率将按转速比值的3次方的关系递减，节电效果明显。以上分析仅限于理论，实际工程中还需考虑管道不积灰的最小风速限值、管路特性系数S的变化等因素，其中S数的变化则包含布袋除尘器恒定阻力的原因，也有了管网风量再平衡的原因。

2 管路结构不调整，风机调速运行工况的分析

这类除尘系统包含的除尘点基本工作制度一致，风机能力按同时抽风考虑，系统整体间断运行，只有除尘和不除尘两种工况。比如高炉出铁场除尘、焦炉推焦除尘和装煤除尘，均有不除尘的间歇期，需考虑短时间不除尘时降低系统的运行能耗，同时为避免大型风机频繁启停造成电机损坏，风机调速运行是最合理的方式。此时，系统的管路结构不作调整，管路阻力特性系数无变化。而除尘器（常用的为布袋除尘器）的阻力由滤料特性、清灰方式及清灰效果决定，通常在系统设计时将其看做一个定值，比如P布=1500Pa，因此当系统风量发生变化时，除尘器的阻力系数是变化的，这也导致了整个管网系统的阻力特性系数发生的变化[3]。

例1：已知某除尘系统风机风量为120×104m3/h，风压 5500 Pa，额 定转速 960 r/min。系统间断运行，不除尘时风机调速 50%运行，求风机实际运行工况点。本文按代数方法求解，求解步骤如下：

步骤1：确定调速后风机的性能曲线方程

调速前，风机性能曲线方程为：

调速后，即转速n1→n2，联立式（1）和式（2），得出调速后风机的性能曲线：

根据制造厂提供的风机曲线，求得：a0=6293，a1=18.51，a2=-0.062，则风机转速从 960 r/min 调整到480 r/min后，风机特性曲线方程调整为：

步骤2：确定调速后管路系统的特性曲线方程

调速前，管路系统特性系数为（假定管网总阻力与风机风压刚好相等）：S1=S管路+S布=P1/Q120 .0495 kg/m7，由于布袋除尘器阻力不随风量变化，因此：S管路=P管路/Q1= 0.036 kg/m7，S布=P布/Q1= 0.0135 kg/m7。

调速后，由于管路结构未发生变化，S管路保持不变，S布因为自身阻力不变但风量变化而发生改变，总管网系统特征方程将调整为：

步骤3：确定风机实际运行工况点

联立式（4）和（5），求得：Q2=366416 m3/h，P2= 1873 Pa，S2=0.18 kg/m7。

以上推导过程如图2所示。

图2 管网结构不调整，风机调速运行工况的分析

从图2 中可知，转 速调整到50%后，由于S2＞S1，风机降速运行后，管网特性曲线变的更加陡峭，而风机实际运行工况点B的相似点变为A′。图中的ΔQ反映了实际风量Q2＜(n2/n1)Q1。同理，ΔP反映了实际风压P2＞(n2/n1)2P1。轴功率方面，由N∝PQ可知，N2≈0.1N1＜(n2/n1)3N1。可见，风量，风压和功率未按转速比成比例变化，风量和功率降幅加大，风压降幅减小，而且风机曲线越平坦，这一趋势更加显著。

不除尘的工况下进行风机调速，可不考虑管道最低风速的限制。

3 管路结构发生变化，风机调速运行工况的分析

这类除尘系统风机能力按所有除尘点同时抽风考虑，其中部分除尘点变工况运行，当这部分除尘点关闭阀门时，要求风机降速运行，风机出力满足剩余除尘点风量即可。此时，总管网系统阻力特性系数的变化包含了两部分：管路特性系数变化和布袋除尘器的阻力系数变化。其中管路特性系数的求解至关重要，一般可通过手工或计算机软件模拟计算。对于较复杂的除尘系统，管网结构中任一处调节都会引起S数的变化，并涉及到其余各点阻力的再平衡，进而造成手工计算S数的难度很大且准确性差。针对这类情况，建议采用计算机软件模拟的方法[4-5]。

根据风速v∝Q的关系，考虑管道在15～24 m/s之间，可推导出管道的风量调节范围应限定在（62.5%～1）Q之间，即：变工况的除尘点风量占系统总风量的比值应小于37.5%为宜，如超过这一限值，要么风机风量只按62.5%的比例进行调节，风机风量大于实际所需风量。要么将这部分除尘点剥离另建系统。

3.1 管道最低风速限制的分析

钢铁厂大部分除尘系统管道的经济流速范围在15～24 m/s，风机降速运行会引起部分管道（特别是主干管）流速降低。因此，在设计管路系统初始，有流速降低可能的管道应适当减小管径以增大流速，以适应风机降速运行后确保其管内流速在最低风速之上。

3.2 应用举例

例2：已知某系统包含7个除尘点，为简化计算，不考虑系统漏风和设备漏风，风机风量即为各点累加风量，风机额定风量：120×104m3/h，风压：5500 Pa，转速960 r/min，特征曲线同上例。经软件计算，系统各参数见表1，表中实际风量为管网平衡计算的结果。

表1 额定转速下系统参数

图3 除尘系统流程图

经软件模拟计算，系统各参数见表1，表中实际风量为管网模拟自动分配的结果，同时得到管网总的阻力特性系数S1=0.0459 kg/m7，联立风机曲线方程求得工况点风量为123.14×104m3/h，风压为5370 Pa。系统流程见图3，其中点管段编号12为变工况点，风量为28×104m3/h，占总风量的23.3%，由上文可知，该系统可以降低风机转速实现节能运行，且管道不会有积灰的危险。

关闭该点阀门，利用软件重新平衡管网，结果见表2，从表中可知：系统总风量Q2=93.7×104m3/h。由于阀门漏风，管段12仍有少许风量。系统中最低流速18.8 m/s 出现在主管道（编号 13），高于最低风速的限制，说明调速是可行的。

表2 调速后系统参数

经求解，风机降速后管网总阻力系数S2=0.0657 kg/m7，大于调速前的S1 。参照式（4），联立求解下述方程组：

将S2、Q2代入，求得n2/n1=0.85，风机转速降为n2=0.85×960=816 r/min，此时风机风压P2=4451 Pa，所需功率N2≈ 0.63N1，节能率为37%。

4 结语

本文通过分析两类变工况下管网曲线与风机曲线的变化规律，阐述了风机调速节能的计算方法。

1）当管路结构不调整，只降低风机转速时。总的管网曲线受除尘器恒定阻力的影响将变得陡峭，风机实际工况点的相似点将发生变化，风量及风压不会按转速比成比例变小。具体而言，风量和功率降幅加大，风压降幅减小，而且风机曲线越平坦，这一趋势更加显著。

2）当管路结构调整，同时降低风机转速时。总的管网特性系数S增大，曲线同样变得陡峭。如系统复杂，且变工况点位置不佳，S数的求解难度很大，为确保计算的准确性，这类情况建议采用计算机软件模拟方法获得。

3）在分析除尘风机调速运行时，要考虑粉尘不沉降情况下管道的最低风速限制。同时，系统设计时应考虑将变工况除尘点尽可能接入系统总管上，以减少工况变化后波及的其他除尘点数量，避免过多的调整管路结构以实现风量再平衡。