孫治忠 許明鵬 史萬敬

(金川集團(tuán)股份有限公司化工廠)

大型二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)是冶煉煙氣制酸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。金川集團(tuán)股份有限公司化工廠300kt/a制酸系統(tǒng)二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)采用西門子公司的SFO14型風(fēng)機(jī)。由于冶煉系統(tǒng)煙氣波動(dòng)大，制酸系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍較大，設(shè)計(jì)時(shí)該風(fēng)機(jī)配套了WOITH公司的調(diào)速型液力耦合器，以適應(yīng)冶煉煙氣的頻繁調(diào)節(jié)。但在實(shí)際運(yùn)行中調(diào)速型液力耦合器工作油溫高，尤其夏季運(yùn)行時(shí)油溫接近報(bào)警值運(yùn)行，甚至多次發(fā)生工作油溫高跳車的事故。而長(zhǎng)期高油溫運(yùn)行會(huì)減少設(shè)備和油脂的使用壽命。針對(duì)該問題，筆者從滑差損失特性和風(fēng)機(jī)入口氣體負(fù)沖角的對(duì)流損失兩方面進(jìn)行了分析，有效解決了工作油溫高的問題。

1 滑差損失對(duì)工作油溫的影響

液力耦合器是以液體為工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的一種液力聯(lián)軸器。驅(qū)動(dòng)輪稱為泵輪，被驅(qū)動(dòng)輪稱為渦輪。泵輪和渦輪組成一個(gè)可使液體循環(huán)流動(dòng)的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上,渦輪裝在輸出軸上，動(dòng)力機(jī)(內(nèi)燃機(jī)及電動(dòng)機(jī)等)帶動(dòng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體被離心式泵輪甩出。這種高速液體進(jìn)入渦輪后即推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，將從輸入軸獲得的能量傳遞給輸出軸，最后液體返回泵輪，形成周而復(fù)始的流動(dòng)(圖1)。

圖1 調(diào)速型液力耦合器示意圖

液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體驅(qū)動(dòng)，工作構(gòu)件間不存在剛性聯(lián)接，可消除沖擊和振動(dòng)。液力耦合器輸出扭矩等于輸入扭矩減去摩擦力矩，故輸出扭矩恒小于輸入扭矩，輸出轉(zhuǎn)速恒低于輸入轉(zhuǎn)速，兩者之間的轉(zhuǎn)速差帶來的功率損失稱為轉(zhuǎn)差損失，也叫滑差損失。兩軸的轉(zhuǎn)速差隨載荷的增大而增加，一般液力耦合器正常工況的轉(zhuǎn)速比在0.95以上時(shí)可獲得較高的效率。

設(shè)泵輪轉(zhuǎn)速為N1，渦輪轉(zhuǎn)速為N2，則轉(zhuǎn)速差S=N1-N2，速比v=N2/N1，泵輪輸入功率P1=(P2N1)/N2，計(jì)算滑差損失功率ΔP=P2×(N1-N2)/N2。根據(jù)相似原理電機(jī)額定功率與輸出轉(zhuǎn)速的三次方成正比，電機(jī)額定功率下的轉(zhuǎn)速為泵輪轉(zhuǎn)速，因此P2=P×(N2/N1)3，將v=N2/N1代入求解得：ΔP=P×(v2-v3)。進(jìn)行微分計(jì)算得出當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速是輸入轉(zhuǎn)速的2/3時(shí)，液力耦合器滑差損失功率最大，工作油溫最高。

300kt/a制酸系統(tǒng)中的二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)最大設(shè)計(jì)流量為16.5萬Nm3/h，總裝機(jī)容量為5 500kW，配套液力耦合器輸入轉(zhuǎn)速為4 697r/min，最大輸出轉(zhuǎn)速為4 557 r/min，最大負(fù)荷時(shí)滑差率2.9%。在實(shí)際運(yùn)行過程中工作油溫居高不下，夏季最高溫時(shí)工作油溫110℃(120℃報(bào)警)，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行導(dǎo)致泵輪、渦輪內(nèi)部油脂碳化，影響風(fēng)機(jī)整體性能和壽命。

由于液力耦合器內(nèi)部工作油為單獨(dú)循環(huán)回路，所有工作油均通過工作油冷卻器進(jìn)行降溫、循環(huán)，在不考慮設(shè)備散熱損失和靜壓損失的情況下，可近似的將工作油冷卻器所帶走的熱量看作是滑差損失產(chǎn)生的熱量，根據(jù)Q=SAΔt計(jì)算實(shí)際的滑差發(fā)熱量，其中S為傳熱系數(shù)，A為換熱面積，得出表1數(shù)據(jù)。

表1 SFO14型風(fēng)機(jī)2013年的部分運(yùn)行參數(shù)

分析表1數(shù)據(jù)可知：風(fēng)機(jī)在70%～97%負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速偏低(30%～67%)，與風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)荷不匹配，也就是說在一定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)實(shí)際負(fù)荷高于設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的負(fù)荷；當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速約為輸入轉(zhuǎn)速的2/3時(shí)，滑差損失產(chǎn)生的熱量最大，損失功率為 512kW，損失率高達(dá)10%。

一般來講液力耦合器在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)將最大滑差損失考慮在內(nèi)，但該風(fēng)機(jī)工作油溫過高，甚至多次發(fā)生油溫高跳車的事故，其主要原因?yàn)橐毫︸詈掀鬟x型過大，造成實(shí)際負(fù)荷高于設(shè)計(jì)負(fù)荷，勺管室內(nèi)部循環(huán)油量不足，多余的熱量沒有被帶走，熱量集聚促使油溫升高。

2 風(fēng)機(jī)入口氣體沖角對(duì)耦合器滑差損失的影響

離心風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)一般要保證設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的氣體進(jìn)口角度與葉輪進(jìn)口安裝角一致，當(dāng)風(fēng)機(jī)工況運(yùn)行點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，進(jìn)口氣體與葉輪安裝角發(fā)生偏離，氣體進(jìn)口角大于葉輪安裝角為正沖角，小于安裝角時(shí)為負(fù)沖角，無論是正沖角還是負(fù)沖角都會(huì)降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能。圖2為風(fēng)機(jī)入口速度三角形的簡(jiǎn)化圖。

為便于計(jì)算，假設(shè)氣體在風(fēng)機(jī)葉輪中沒有流動(dòng)損失和機(jī)械摩擦損失，設(shè)氣體入口流量為Q(m3/s)，氣體密度為ρ(kg/m3)，氣體入口處半徑為R，則正沖角時(shí)氣體在葉輪入口處的動(dòng)量矩為：

M1=Qρcu1R

負(fù)沖角時(shí)入口動(dòng)量矩為：

M2=Qρcu2R

分析圖2可知，正沖角時(shí)氣體在葉輪中絕對(duì)速度的圓周徑向分量(cu1=c1×cosα) 要大于負(fù)沖角時(shí)的圓周徑向分量(cu2=c2×cosα)，正沖角時(shí)氣體渦流發(fā)生在吸力面，也就是葉輪的非工作面，負(fù)沖角時(shí)渦流發(fā)生在葉輪的壓力面，也就是工作面，因此，正沖角時(shí)的對(duì)流損失要小于負(fù)沖角的對(duì)流損失。

當(dāng)風(fēng)機(jī)實(shí)際工況流量低于設(shè)計(jì)工況流量時(shí)，氣體進(jìn)入葉輪產(chǎn)生正沖角，此時(shí)氣體圓周方向的有效分量被降低，對(duì)流損失比無沖角時(shí)增大，風(fēng)機(jī)同等負(fù)荷情況下葉輪做功增加，所需軸功率增大，風(fēng)機(jī)的性能曲線被偏移。

當(dāng)風(fēng)機(jī)實(shí)際工況流量高于設(shè)計(jì)工況流量時(shí)，氣體進(jìn)入葉輪產(chǎn)生負(fù)沖角，此時(shí)氣體圓周方向的有效分量被降低，但降低幅度高于正沖角時(shí)的幅度，同等負(fù)荷下對(duì)流損失增大，風(fēng)機(jī)的性能曲線更大幅度地向大流量方向偏移。同時(shí)，液力耦合器在一定輸出轉(zhuǎn)速下功率損耗增加，工作油溫升高，當(dāng)熱量不能被工作油循環(huán)帶走時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)發(fā)生油溫高跳車的事故。

圖2 正、負(fù)沖角下氣體入口速度三角形

3 原因分析

結(jié)合滑差損失的分析和葉輪氣體沖角的分析可知， SFO14型風(fēng)機(jī)配套調(diào)速型液力耦合器的工作油溫過高的原因?yàn)椋?/p>

a. 風(fēng)機(jī)實(shí)際負(fù)荷與液力耦合器轉(zhuǎn)速不匹配。液力耦合器選型過大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷高于設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的負(fù)荷，負(fù)荷增加則所需的液力耦合器輸出功率增大。也就是說，在一定轉(zhuǎn)速下，由于風(fēng)機(jī)的負(fù)荷增大，輸出功率增大，但勺管室內(nèi)部循環(huán)油量不變，熱量不能及時(shí)被工作油帶走，工作油溫升高。

b. 液力耦合器選型過大。風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷高于設(shè)計(jì)負(fù)荷，氣體進(jìn)入葉輪形成負(fù)沖角，而負(fù)沖角的渦流形成于葉輪工作面，沖擊損失較大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)軸功率進(jìn)一步增加，所需液力耦合器輸出功率更大，風(fēng)機(jī)的性能曲線向大流量方向偏移。也就是說，一定負(fù)荷下，由于氣體對(duì)流損失增大，風(fēng)機(jī)流量和揚(yáng)程降低，在勺管室內(nèi)部循環(huán)油量不變的情況下，風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速降低，液力耦合器速比降低，滑差損失增大。

4 應(yīng)對(duì)策略

由于液力耦合器工作油溫高的原因是耦合器選型過大導(dǎo)致風(fēng)機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速不匹配，實(shí)際流量高于設(shè)計(jì)流量，致使勺管室內(nèi)部循環(huán)油量不足，實(shí)際流量大于設(shè)計(jì)流量又導(dǎo)致了氣體進(jìn)口形成負(fù)沖角，進(jìn)一步促使了工作油溫的升高，可以通過以下方式解決：

a. 重新設(shè)計(jì)液力耦合器。將耦合器內(nèi)部增速齒輪組進(jìn)行改造，降低耦合器輸出轉(zhuǎn)速(輸出功率)，使風(fēng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速相匹配，以增加原負(fù)荷下勺管室內(nèi)部的循環(huán)油量，多余的滑差損失熱量能及時(shí)被循環(huán)油帶走。當(dāng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷和液力耦合器相匹配時(shí)，氣體進(jìn)口沖擊損失被減弱或消失，工作油溫降低，同時(shí)電機(jī)運(yùn)行電流也隨之降低。

b. 消除氣體進(jìn)口的負(fù)沖角。在進(jìn)口安裝入口導(dǎo)葉，可使入口氣體在進(jìn)入葉輪前產(chǎn)生與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同的預(yù)旋轉(zhuǎn)，以補(bǔ)償進(jìn)口速度三角形中的圓周方向分量，使進(jìn)口速度三角形與設(shè)計(jì)工況下的速度三角形相似，從而提高入口氣體的動(dòng)量矩，降低液力耦合器在原負(fù)荷下的輸出功率，降低工作油溫。入口導(dǎo)葉對(duì)進(jìn)口速度三角形的補(bǔ)償作用如圖3所示。

由圖3可以看出，入口導(dǎo)葉的預(yù)旋作用使氣體提前旋轉(zhuǎn)，在進(jìn)入葉輪后相對(duì)于無預(yù)旋轉(zhuǎn)可增加一個(gè)cu1的徑向分量，以抵消氣體在偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)運(yùn)行的沖角。且增加入口導(dǎo)葉配置的投資僅是液力耦合器改型的20%。

圖3 入口氣體速度三角形

對(duì)SFO14型風(fēng)機(jī)加裝了入口導(dǎo)葉配置，根據(jù)滑差損失原理，重新研究了耦合器調(diào)速控制和入口導(dǎo)葉控制的聯(lián)合控制方式。SFO14型風(fēng)機(jī)配套的液力耦合器輸入轉(zhuǎn)速為4 697r/min，最大滑差損失發(fā)生在3 131r/min，為避開該滑差損失位置，將液力耦合器最低轉(zhuǎn)速控制在3 500r/min，通過入口導(dǎo)葉進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，隨著入口導(dǎo)葉開度逐漸增加，輸出功率逐漸增大，輸出轉(zhuǎn)速將逐步減小，此時(shí)需要繼續(xù)調(diào)節(jié)勺管位置，始終保持液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速為3 500r/min，通過這種調(diào)節(jié)方式，不但避開了耦合器最大滑差損失位置，并降低了原負(fù)荷下的輸出功率。加裝入口導(dǎo)葉后風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 加裝入口導(dǎo)葉后風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)

對(duì)照比較表2和表1數(shù)據(jù)得出，安裝入口導(dǎo)葉后，風(fēng)機(jī)液力耦合器的工作油溫大幅度下降，(最大降幅40℃)，電機(jī)電流在相似負(fù)荷下下降了45A，工作油冷卻器的進(jìn)出口油溫差下降，不但降低了工作油溫和工作油冷卻器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)降低了電機(jī)功率。加裝入口導(dǎo)葉前后在風(fēng)機(jī)相似風(fēng)量16.3萬Nm3/h和16.1萬Nm3/h負(fù)荷下，風(fēng)機(jī)液力耦合器的滑差損失功率大幅度下降(幅度達(dá)到219kW)，耦合器滑差損失率約為5%。

5 結(jié)束語

在使用調(diào)速型液力耦合器時(shí)常會(huì)碰到工作油溫高的問題，筆者雖然分析了耦合器選型過大帶來的入口氣體的沖角問題和設(shè)計(jì)流量與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的匹配問題，但這只是其中一類原因，另外，當(dāng)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的溫度、濕度及濃度等工藝條件變化時(shí)，依然會(huì)引起風(fēng)機(jī)性能曲線的偏移，造成實(shí)際工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)偏移，對(duì)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利。為了避免在調(diào)速型液力耦合器使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)工作油溫高的問題，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量將速度控制與入口導(dǎo)葉控制相結(jié)合，入口導(dǎo)葉在改變風(fēng)機(jī)性能曲線方面有很強(qiáng)的適應(yīng)性，再加上耦合器的眾多優(yōu)點(diǎn)，既能實(shí)現(xiàn)與實(shí)際工況點(diǎn)的匹配，同時(shí)又減少了功率消耗。