大型轴流风机在水泥生产线改造中的应用

引言

　　风机是水泥生产中的主要的耗能设备，消耗着水泥生产线30%左右的电能。目前水泥生产中的大型风机实际运行效率一般比较低，原因一是设计院在选型时就考虑了最大需求、又留有一定的富余量，这就造成风机设计工况点在80%以上的高效点，而实际运行的工况点与设计工况点偏移，造成风机在低效率点上运行，有的低到了50%的效率点上运行;二是风机设计效率低，达不到高效节能产品的技术要求;三是风机与现场管道的匹配情况不是最优的，缺乏风机与系统合理衔接的研究;四是生产过程中，风机系统的总效率与工艺系统有着密切的关系，系统的风量、阻力、温度都对风机运行点有重要的影响，缺乏对风机实际运行的跟踪。因此，提高风机运行效率、降低能耗是水泥生产节能改造的重要途径。

　　本文采用现场测试分析、数值模拟仿真分析和实际运用相结合的方法，利用原风机安装基础，预先增加部分基础、优化更换部分风机进、出口管道，在水泥行业率先将传统的双吸离心通风机更换为襟翼可调轴流风机，提高风机运行效率，达到节能降耗的改造目的。

1、存在的问题

　　某公司一条5000t/d水泥生产线于2010年投入运行，熟料综合电耗一直偏高，2019年对窑尾预热器系统进行技术改造，降低系统阻力，熟料电耗有了明显降低，但窑尾排风机电耗依然偏高，窑尾排风机原设计参数见表1。

表1 风机主要参数

　　1.1 风机现场性能测试

　　公司依据风机现场测试标准(GB/T 10178-2006/ISO5802:2001)《工业通风机现场性能实验》，对现场运行风机的实际运行状态和运行效率进行测试后，制定改造技术方案。标定风机实际运行性能参数见表2。

表2 窑尾排风机现场性能测试

　　1.2 问题分析

　　随着水泥生产工艺和设备技术的不断进步，水泥窑系统阻力逐步降低，窑尾排风机实际运行压力较额定压力下降较多，又随着水泥窑产量的提高，系统用风量增加，造成窑尾排风机处于大风量低压力的运行状态，与设计参数偏差较大，风机运行效率只有58%～65%，窑尾排风机电耗偏高。

2、风机改造方案

　　2.1 风机改造技术要求

　　根据中国建筑材料协会标准CBMF/Z11-2016“第二代新型干法水泥配套辅机设备技术验收规程”标准规定：高效节能风机技术用于高温风机、生料磨循环风机、窑头排风机、窑尾排风机、煤粉风机、篦冷机冷却风机、水泥磨循环风机、水泥磨排风机等高效节能风机，技术要求：(1)风机能效等级达到"Ⅰ级”以上，(2)风机运行效率≥80%以上(带进气箱结构的风机，考核要求是进气箱的进口法兰面到风机的出口法兰面为风机的考核界面)。

　　2.2 风机选型

　　风机选型设计时有个重要的无因次参数——比转速ns：

　　(1)ns=nQ1/2P-3/4

　　式中：n-工作转速;Q-容积流量(m³/s);P-风机标况下全压(mmH₂O);注：风机标况为20℃、760mmHg的状态，当风机为双吸入时，其流量减半计算。

　　按公式(1)计算，以生料磨开来计算双吸离心通风机运行参数的比转数为131，而风机的最高效率点比转数为73，风机处于偏工况点低效区运行，离心通风机的选择范畴一般比转速不超过90。按"第二代新型干法水泥配套辅机设备技术验收规程”风机运行全压效率达到80%以上的要求，针对窑尾排风机这种典型的大流量低压头风机，如果仍然采用双吸离心风机一般采用降低转速、加大机号的办法实现，只有更换电机，将转速调整为580r/min时比转数为77方能满足要求。这样需要重新改变整个风机基础，造成很大的施工难度。

　　轴流风机适用于比转数大于80以上的风机，其特点是流量大、风压低，单级轴流通风机的全压效率均能高于80%。基于这种因素公司与有节能改造经验的专业风机厂家联合，采用襟翼可调轴流风机的方式制定窑尾排风机的改造方案，既可达到节能降耗的目的，又可以实现不更改设备基础、方便现场施工、降低改造成本的效果。

　　2.3 风机优化设计

　　风机专业厂家采用 CFD 对襟翼可调轴流风机进行优化分析，对进口襟翼、动叶、出口导叶进行联合气动分析，对不同的叶高截面进行系统分析诊断，分析结果见图1~6。通过分析优化降低各叶片内部、叶间和通流部分气动损失，达到降低风机噪音、提高风机气动效率的目的。

　　本项目水泥窑尾排风机采用的是襟翼可调轴流风机，通过优化分析可知，该轴流风机适用于大流量、低压头的大比转速状态，风机本体的气动效率较高，能够达到“Ⅰ级”能效要求，完全能够满足“第二代新型干法水泥配套辅机设备技术验收规程”的验收要求。

　　2.4 风机系统优化及效果

　　高效风机在系统实现高效运行是最终目标，以前在系统设计控制过程中，尤其对风力系统特性评估、设备选型及匹配方面工作相对比较粗放，对风机系统阻力损失和风机进、出口管道对风机的影响因素研究不足，导致管道阻力损失增高和最佳工作点漂移，运行能耗提高。根据风机的轴功率计算公式：

　　N=QPK/(1000ηη机械)

　　Q-容积流量(m³/s);P-全压(Pa);K-压缩性修正系数(窑尾排风机压力较低，可以忽略);η-风机全压效率;η机械-风机机械效率。

　　流量是风机系统工艺所需要的不能改变，降低系统管道阻力损失就是降低风机压力，提高风机运行效率，这两个方面是降低风机能耗的主要途径，本项目对风机系统做了以下优化设计。

　　(1)减少了传统的双吸离心通风机进风口裤衩管的气动损失，降低裤衩管的气动损失在150Pa左右，占风机总压力的6%左右。

　　(2)避免了双吸离心通风机进气箱宽径比较大的结构，优化了风机进气箱的结构，降低了宽径比，减小了风机进气箱的气动损失。

　　(3)将除尘器出口风管与风机进口和风机出口风管与烟囱同襟翼可调轴流风机系统整体进行联合CFD仿真分析(见图7)，让气体流动在系统中实现可视化，管道损失的数据化，对风机系统进行联合优化分析，让风机模拟到最终使用状态，更准确的分析风机本体对风机进、出口管道的影响，避免单独计算管道损失的误差，更好的优化管道结构，达到最佳匹配效果。风机改造效果见表3。该风机自2020年3月运行以来运行稳定可靠，风机通过3次测试风机运行效率一直高于83%。

图7 风机系统速度矢量图

表3 风机改造前后运行参数对比

03、结语

　　该公司5000t/d水泥生产线窑尾排风机，采用进口襟翼可调轴流风机，降低能耗247kw。此技术可以广泛应用于水泥生产线窑头、窑尾排风机，达到“第二代新型干法水泥”生产线的要求。随着设计理念更新，预热器系统阻力和袋收尘器阻力逐步降低，设备性能不断提高，窑尾排风机入口实际压力较风机设计值降低较多，采用离心式风机已无法满足实际生产需要，而大型轴流风机在公司窑尾排风机上的成功应用经验，可在水泥行业中广泛推广应用。

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