方岳亮，許龍旭

提高篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)效能的措施

Measures to Increase the Efficiency of the Grate Cooler Cooling Fans

方岳亮11，許龍旭22

結(jié)合篦冷機(jī)使用工況和離心風(fēng)機(jī)的原理，針對現(xiàn)場使用過程中暴露的冷卻機(jī)風(fēng)機(jī)能力不足的問題，綜合分析了各方面的原因，提出了比較全面的改進(jìn)措施。

篦冷機(jī)；離心風(fēng)機(jī)；熟料；燒成；

1 前言

篦冷機(jī)作為水泥熟料燒成系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其風(fēng)機(jī)對于熟料的冷卻至關(guān)重要。但是很多現(xiàn)場暴露出風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)不到設(shè)計(jì)風(fēng)量，冷卻能力不足的問題，筆者結(jié)合現(xiàn)場處理經(jīng)驗(yàn)，針對幾種典型的故障，結(jié)合風(fēng)機(jī)原理，分析了風(fēng)機(jī)失效原因，并提出了幾點(diǎn)改進(jìn)措施。

2 設(shè)計(jì)選型方面

對于篦冷機(jī)設(shè)計(jì)者來說，在根據(jù)換熱理論確定了單位面積的冷卻風(fēng)量后，應(yīng)根據(jù)篦床結(jié)構(gòu)、操作料層厚度、管道阻力及風(fēng)量確定管網(wǎng)阻力，并基于以上要素確定風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，這是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型的依據(jù)。但在實(shí)際選型過程中，還有以下幾點(diǎn)需要關(guān)注，它們也是造成風(fēng)機(jī)效率低下的常見原因。

2.1 風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速對性能的影響

在標(biāo)定某些篦冷機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一室風(fēng)機(jī)多不達(dá)標(biāo)，風(fēng)量風(fēng)壓均偏小。以FJ水泥廠2500t/d篦冷機(jī)為例。

F1A：壓力10kPa，流量6m3/s，轉(zhuǎn)速1480r/min；

F1B：壓力10kPa，流量6m3/s，轉(zhuǎn)速1480r/min。

根據(jù)離心風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

計(jì)算得Ns=20.38

該系列風(fēng)機(jī)屬于低比轉(zhuǎn)速類型，流量低而壓頭高，低比轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)Q-H曲線容易出現(xiàn)駝峰形狀，會出現(xiàn)如圖1所示的情形。阻力曲線與風(fēng)機(jī)曲線相交于駝峰左邊，風(fēng)機(jī)壓頭未達(dá)到設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。

因此，選型時(shí)應(yīng)盡量避免比轉(zhuǎn)速過小，可以考慮合并兩臺風(fēng)機(jī)為一臺風(fēng)機(jī)，風(fēng)管分岔供風(fēng)或改變轉(zhuǎn)速參數(shù)，將轉(zhuǎn)速提高為2900r/min。如果不能提高比轉(zhuǎn)速，可考慮使用風(fēng)葉前向的風(fēng)機(jī)，避免駝峰曲線的出現(xiàn)。

2.2 同一風(fēng)室避免風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用

并聯(lián)風(fēng)機(jī)特性差別較大時(shí)，并聯(lián)的風(fēng)量可能會增加，也可能會比其中風(fēng)量較大的風(fēng)機(jī)風(fēng)量少一些；并聯(lián)風(fēng)機(jī)特性完全一致時(shí)，并聯(lián)后的全壓不是前后相等的，而是略增。并聯(lián)只有在阻力較小的管路上風(fēng)量才會增加較多，總風(fēng)量小于一臺的兩倍，在阻力較大的管路上風(fēng)量增加很少。

并聯(lián)風(fēng)機(jī)一般應(yīng)用于以下情況：

（1）當(dāng)用戶需要大流量，而大流量的風(fēng)機(jī)制造困難或造價(jià)太高時(shí)；

（2）流量需求變化幅度較大，通過停開機(jī)器臺數(shù)以調(diào)節(jié)流量時(shí)；

（3）當(dāng)有一臺風(fēng)機(jī)損壞，但仍需要保證供風(fēng)量，作為檢修及事故備用時(shí)。

圖1 風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)

兩臺相同風(fēng)機(jī)的并聯(lián)情況如圖2所示，已知一臺風(fēng)機(jī)的性能曲線Ⅰ，在相同的壓頭下使流量加倍，便得到并聯(lián)機(jī)組的性能曲線Ⅱ。與管路阻力曲線Ⅲ交于A點(diǎn)。A點(diǎn)是并聯(lián)機(jī)組的工況點(diǎn)，QA是并聯(lián)后的流量，HA是并聯(lián)后的壓頭。如圖2所示，B點(diǎn)是并聯(lián)機(jī)組中一臺風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，管路阻力曲線與單臺風(fēng)機(jī)性能曲線的交點(diǎn)C，是只開一臺風(fēng)機(jī)時(shí)的工況點(diǎn)。C點(diǎn)對應(yīng)的流量QC是只開一臺風(fēng)機(jī)時(shí)的流量，而QC>QB，可知只開一臺風(fēng)機(jī)時(shí)的流量大于并聯(lián)機(jī)組中單臺風(fēng)機(jī)的流量。這是因?yàn)椴⒙?lián)后，管路內(nèi)總流量加大，所需壓頭加大，而風(fēng)機(jī)的性能是壓頭加大，流量減小，所以并聯(lián)后單臺風(fēng)機(jī)的流量減小。

圖2 兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)性能曲線

多臺風(fēng)機(jī)的并聯(lián)情況如圖3所示，Ⅰ是單臺風(fēng)機(jī)的性能曲線，Ⅱ是兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)的性能曲線，Ⅲ是三臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)的性能曲線，Ⅳ是管路阻力曲線。由圖3可見，隨著并聯(lián)臺數(shù)增多，每并聯(lián)一臺風(fēng)機(jī)所增加的流量愈小，效果愈差。

（1）兩臺型號相同且轉(zhuǎn)速相等的風(fēng)機(jī)并聯(lián)后，風(fēng)量最高時(shí)是兩臺風(fēng)機(jī)總風(fēng)量的90%左右，風(fēng)壓等于單臺風(fēng)機(jī)的壓力。

（2）兩臺型號不同且轉(zhuǎn)速不等的風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用，風(fēng)量等于風(fēng)量較大風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，而風(fēng)壓不疊加。

（3）兩臺型號相同且轉(zhuǎn)速相等的風(fēng)機(jī)串聯(lián)后，風(fēng)壓是單臺風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的2倍，風(fēng)量等于單臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

（4）兩臺型號不同且轉(zhuǎn)速不等的風(fēng)機(jī)，型號較大的一臺置前串聯(lián)使用，風(fēng)壓小于風(fēng)壓較小風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，風(fēng)量等于風(fēng)量較大風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

圖3 多臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)性能曲線

以GZHS水泥廠一臺5500t/d篦冷機(jī)為例，并聯(lián)風(fēng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1。并聯(lián)狀態(tài)下，F(xiàn)3A風(fēng)機(jī)風(fēng)量大大低于銘牌風(fēng)量，通過在風(fēng)室加裝隔墻后，解除了兩臺風(fēng)機(jī)的并聯(lián)關(guān)系，兩臺風(fēng)機(jī)工況風(fēng)量均得到提高。

2.3 管網(wǎng)阻力過大的影響

式中：

λ——摩擦阻力系數(shù)，與材料、表面粗糙度有關(guān)，可查表獲得

L——管道長度，m

D——管道直徑，m（方管可折算為圓管）

v1——管道風(fēng)速，m/s

ρ——工況氣體密度，kg/m3（20℃時(shí)取1.2）

ξ1——壓損系數(shù)，與管道彎頭、三通、縮口等有關(guān)，可根據(jù)尺寸查局部阻力系數(shù)表獲得。

注：公式前部分為沿程壓力損失（值比較小），后部分為局部壓力損失。

為了減小管網(wǎng)阻力應(yīng)避免在風(fēng)機(jī)排氣口后突然收縮，避免在突然收縮條件下吸入空氣，避免大于30°的擴(kuò)管，避免矩形彎管，難以避免時(shí)可增加整流片或整流隔板。

2.4 高海拔風(fēng)機(jī)的校正

隨著地面海拔的升高，空氣的密度隨之減小，大氣壓力隨之下降。對于同樣是5500t/d的篦冷機(jī)而言，需要的單位冷卻風(fēng)量（質(zhì)量）是相同的。

表1 并聯(lián)風(fēng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)

式中：

PH——海拔高度處的大氣壓力，Pa

P0——海平面處的大氣壓力，Pa

H——海拔高度，m

由于空氣壓力、溫度和密度符合理想氣體的狀態(tài)方程，因此在一定溫度下，大氣壓力與其密度成正比，三者之間的關(guān)系可用理想氣體狀態(tài)方程表示為：

式中：

P——大氣壓力，Pa

ρ——空氣密度，kg/m3

T——熱力學(xué)溫度，K

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(kg·K)

對于空氣的氣體常數(shù)R=287J/（kg·K），可以通過兩個(gè)已知狀態(tài)的基本參數(shù)求出第三個(gè)參數(shù)。

對于高海拔的風(fēng)機(jī)選型，風(fēng)機(jī)的入口風(fēng)量（容積風(fēng)量）不隨入口大氣壓力和溫度的變化而改變（質(zhì)量流量發(fā)生變化），但是風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全壓則隨風(fēng)機(jī)入口氣體重度的減小而降低，即大氣壓力降低或溫度升高，風(fēng)機(jī)入口氣體重度減小，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全壓隨之下降（以下計(jì)算暫時(shí)不考慮溫度）。

（1）高海拔冷卻空氣容積與零海拔地區(qū)冷卻空氣容積的關(guān)系：

式中：

M1、ρ1、Q1——高海拔地區(qū)所需冷卻空氣質(zhì)量、空氣密度、空氣容積

M0、ρ0、Q0——零海拔地區(qū)所需冷卻空氣質(zhì)量、空氣密度、空氣容積

k1——大氣壓力修正系數(shù)

（2）氣體重度與大氣壓力的關(guān)系：

式中：

γ2——高海拔地區(qū)的氣體重度，N/m3

γ1——零海拔地區(qū)的氣體重度，N/m3

（3）風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全壓與大氣壓力的關(guān)系：

式中：

H2——高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全壓，Pa

H1——零海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全壓，Pa

各地區(qū)的大氣壓力可用下式計(jì)算：

式中：

N2——高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率，kW N1——0海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率，kW

風(fēng)機(jī)的風(fēng)量除了溫度修正，還需要與當(dāng)?shù)睾０蜗嗦?lián)系進(jìn)行修正，風(fēng)機(jī)電機(jī)的選擇也需要考慮到海拔的元素，前面提到的管網(wǎng)阻力也與海拔有關(guān)。

3 風(fēng)機(jī)制造和安裝方面

3.1 容積泄漏

風(fēng)機(jī)葉輪與靜止部件之間存在間隙，葉輪轉(zhuǎn)動時(shí)存在的間隙兩側(cè)所造成的壓力差使得部分已經(jīng)獲得能量的流體從高壓側(cè)流向低壓側(cè)，從而造成泄漏，這種損失稱為容積損失（如圖4所示）。如果制造或安裝不當(dāng)，間隙過大，會造成容積損失過大。同時(shí)應(yīng)減小葉輪進(jìn)口處與進(jìn)口機(jī)殼之間的間隙，以及軸與機(jī)殼之間即軸封處的間隙。HBYZ水泥廠篦冷機(jī)F3風(fēng)機(jī)投產(chǎn)后就存在風(fēng)量嚴(yán)重偏低的情況，經(jīng)檢查，葉輪進(jìn)口處與進(jìn)口機(jī)殼之間的最大間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)值，修復(fù)后恢復(fù)了良好的狀態(tài)。

（4）風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率與大氣壓力的關(guān)系：

圖4 容積泄露示意圖

3.2 風(fēng)機(jī)安裝

開箱檢查：開箱后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙認(rèn)真核對設(shè)備的名稱、型號、傳動方式、風(fēng)機(jī)的主要尺寸；核對葉輪旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)出口位置、方向等。

基礎(chǔ)驗(yàn)收：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)要求水平、堅(jiān)固，強(qiáng)度達(dá)到安裝要求。

減振器安裝：減振器安裝必須保證垂直于基礎(chǔ)，否則開風(fēng)機(jī)時(shí)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動；與風(fēng)管連接處的軟連接要安裝好，以免風(fēng)機(jī)的振動使風(fēng)管裂開，導(dǎo)致漏風(fēng)。

風(fēng)機(jī)主體安裝：風(fēng)機(jī)型號、規(guī)格符合設(shè)計(jì)要求，出口方向正確；地腳螺栓擰緊，設(shè)有防松措施，直通大氣的進(jìn)出口有防護(hù)設(shè)施。

風(fēng)機(jī)調(diào)試：應(yīng)使葉輪旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，清理葉輪上的附著物，開機(jī)檢查及開機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)需認(rèn)真對待。

4 風(fēng)機(jī)使用方法

（1）降低或減小整個(gè)管網(wǎng)阻力。

控制適當(dāng)厚度料層操作，降低料層阻力(諸多現(xiàn)場采用)；

降低進(jìn)口阻力：采用阻力小的閥門、消音器（拆除后者，會增大噪聲）。

降低出口阻力：不要使用阻力大的孔板，盡量縮短管道或采用阻力小的彎頭。

（2）提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，如通過超頻（海南華盛天涯）。

（3）消除管道上漏風(fēng)和篦縫堵塞現(xiàn)象（中材白銀），漏風(fēng)時(shí)風(fēng)壓低，篦縫堵塞時(shí)風(fēng)壓高，風(fēng)量低。

（4）對葉輪進(jìn)行改造(金隅鼎新)或者更換葉輪。為了更好地冷卻熟料，應(yīng)該從兩方面入手，一是合理設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓，二是合理選型和控制風(fēng)機(jī)質(zhì)量。

5 結(jié)語

（1）設(shè)計(jì)風(fēng)量應(yīng)滿足熟料冷卻效果和熱回收效率要求。

（2）設(shè)計(jì)風(fēng)壓應(yīng)根據(jù)風(fēng)速和篦床結(jié)構(gòu)以及操作料厚合理計(jì)算。

（3）對于低比轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)，可以考慮前向風(fēng)機(jī)，但最好從設(shè)計(jì)上避免用低比轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)。如第三代篦冷機(jī)的一室風(fēng)機(jī)，可借鑒CP公司的做法，即使前端供風(fēng)區(qū)域劃分很細(xì)，其最小比轉(zhuǎn)速仍為25且采用一臺風(fēng)機(jī)供多個(gè)冷卻區(qū)域的方式。

（4）避免風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用，即使兩臺風(fēng)機(jī)性能完全一樣，也只能發(fā)揮總風(fēng)量的90%。如果因?yàn)橹圃煺`差導(dǎo)致兩臺風(fēng)機(jī)性能有所區(qū)別，那么只能發(fā)揮一臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，因此，應(yīng)合理劃分風(fēng)室，避免風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用。

（5）變頻調(diào)速在低速時(shí)，可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)。國內(nèi)水泥廠一般都全開風(fēng)機(jī)，變頻實(shí)際意義也不大。

（6）風(fēng)機(jī)性能與風(fēng)機(jī)廠的設(shè)計(jì)水平以及加工制造水平密切相關(guān)，應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)供貨商，并對風(fēng)機(jī)質(zhì)量沒有嚴(yán)格的檢驗(yàn)程序。

（7）應(yīng)對風(fēng)機(jī)廠原型機(jī)設(shè)計(jì)是否合理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，或者是否有原型機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行核查。

[1]李占武，包生昌，侍學(xué)武.燃燒器在高海拔地區(qū)使用時(shí)選型探討[J].工業(yè)鍋爐，2005，（1）.

[2]李燕.高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)和配套電機(jī)的選擇計(jì)算[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2002，（5）.

[3]屠大燕.流體力學(xué)與流體機(jī)械[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.■

TQ172.622.4

B

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