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        除塵風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行理論分析及實(shí)踐

        2018-10-30 08:40:12黃勇波
        關(guān)鍵詞:風(fēng)壓除塵風(fēng)量

        黃勇波

        中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司

        隨著國家新環(huán)保法的實(shí)施和大力度監(jiān)管,冶金行業(yè)中的除塵系統(tǒng)真正落實(shí)了“三同時(shí)”制度,環(huán)保水平得到提升,除塵風(fēng)機(jī)電耗也隨之增大。如何在滿足環(huán)保要求的基礎(chǔ)上節(jié)約能源,成為打造“綠色鋼廠”構(gòu)想的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。眾所周知,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是節(jié)省電機(jī)電耗最有效的方法,在工程中應(yīng)用十分廣泛。本文就鋼鐵廠中變工況除塵系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行進(jìn)行分析和討論,供相關(guān)人員參考。

        1 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的基本原理

        根據(jù)相似性原理,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)其效率基本不變,但流量、壓頭及功率按下式改變[1]:

        按上述公式將風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n1下的性能曲線換算成轉(zhuǎn)速n2下的性能曲線,當(dāng)管網(wǎng)特性系數(shù)S不變時(shí),風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)由A點(diǎn)變至B點(diǎn),如圖1所示[2]。

        圖1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)性能曲線

        可見,當(dāng)除塵管網(wǎng)風(fēng)量需求減少時(shí),可以把風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低,而風(fēng)機(jī)所需軸功率將按轉(zhuǎn)速比值的3次方的關(guān)系遞減,節(jié)電效果明顯。以上分析僅限于理論,實(shí)際工程中還需考慮管道不積灰的最小風(fēng)速限值、管路特性系數(shù)S的變化等因素,其中S數(shù)的變化則包含布袋除塵器恒定阻力的原因,也有了管網(wǎng)風(fēng)量再平衡的原因。

        2 管路結(jié)構(gòu)不調(diào)整,風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行工況的分析

        這類除塵系統(tǒng)包含的除塵點(diǎn)基本工作制度一致,風(fēng)機(jī)能力按同時(shí)抽風(fēng)考慮,系統(tǒng)整體間斷運(yùn)行,只有除塵和不除塵兩種工況。比如高爐出鐵場除塵、焦?fàn)t推焦除塵和裝煤除塵,均有不除塵的間歇期,需考慮短時(shí)間不除塵時(shí)降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,同時(shí)為避免大型風(fēng)機(jī)頻繁啟停造成電機(jī)損壞,風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行是最合理的方式。此時(shí),系統(tǒng)的管路結(jié)構(gòu)不作調(diào)整,管路阻力特性系數(shù)無變化。而除塵器(常用的為布袋除塵器)的阻力由濾料特性、清灰方式及清灰效果決定,通常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將其看做一個(gè)定值,比如P布=1500Pa,因此當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量發(fā)生變化時(shí),除塵器的阻力系數(shù)是變化的,這也導(dǎo)致了整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性系數(shù)發(fā)生的變化[3]。

        例1:已知某除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為120×104m3/h,風(fēng)壓 5500 Pa,額 定轉(zhuǎn)速 960 r/min。系統(tǒng)間斷運(yùn)行,不除塵時(shí)風(fēng)機(jī)調(diào)速 50%運(yùn)行,求風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)。本文按代數(shù)方法求解,求解步驟如下:

        步驟1:確定調(diào)速后風(fēng)機(jī)的性能曲線方程

        調(diào)速前,風(fēng)機(jī)性能曲線方程為:

        調(diào)速后,即轉(zhuǎn)速n1→n2,聯(lián)立式(1)和式(2),得出調(diào)速后風(fēng)機(jī)的性能曲線:

        根據(jù)制造廠提供的風(fēng)機(jī)曲線,求得:a0=6293,a1=18.51,a2=-0.062,則風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從 960 r/min 調(diào)整到480 r/min后,風(fēng)機(jī)特性曲線方程調(diào)整為:

        步驟2:確定調(diào)速后管路系統(tǒng)的特性曲線方程

        調(diào)速前,管路系統(tǒng)特性系數(shù)為(假定管網(wǎng)總阻力與風(fēng)機(jī)風(fēng)壓剛好相等):S1=S管路+S布=P1/Q120 .0495 kg/m7,由于布袋除塵器阻力不隨風(fēng)量變化,因此:S管路=P管路/Q1= 0.036 kg/m7,S布=P布/Q1= 0.0135 kg/m7。

        調(diào)速后,由于管路結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化,S管路保持不變,S布因?yàn)樽陨碜枇Σ蛔兊L(fēng)量變化而發(fā)生改變,總管網(wǎng)系統(tǒng)特征方程將調(diào)整為:

        步驟3:確定風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)

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

        以上推導(dǎo)過程如圖2所示。

        圖2 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不調(diào)整,風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行工況的分析

        從圖2 中可知,轉(zhuǎn) 速調(diào)整到50%后,由于S2>S1,風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行后,管網(wǎng)特性曲線變的更加陡峭,而風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)B的相似點(diǎn)變?yōu)锳′。圖中的ΔQ反映了實(shí)際風(fēng)量Q2<(n2/n1)Q1。同理,ΔP反映了實(shí)際風(fēng)壓P2>(n2/n1)2P1。軸功率方面,由N∝PQ可知,N2≈0.1N1<(n2/n1)3N1??梢?,風(fēng)量,風(fēng)壓和功率未按轉(zhuǎn)速比成比例變化,風(fēng)量和功率降幅加大,風(fēng)壓降幅減小,而且風(fēng)機(jī)曲線越平坦,這一趨勢更加顯著。

        不除塵的工況下進(jìn)行風(fēng)機(jī)調(diào)速,可不考慮管道最低風(fēng)速的限制。

        3 管路結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行工況的分析

        這類除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能力按所有除塵點(diǎn)同時(shí)抽風(fēng)考慮,其中部分除塵點(diǎn)變工況運(yùn)行,當(dāng)這部分除塵點(diǎn)關(guān)閉閥門時(shí),要求風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行,風(fēng)機(jī)出力滿足剩余除塵點(diǎn)風(fēng)量即可。此時(shí),總管網(wǎng)系統(tǒng)阻力特性系數(shù)的變化包含了兩部分:管路特性系數(shù)變化和布袋除塵器的阻力系數(shù)變化。其中管路特性系數(shù)的求解至關(guān)重要,一般可通過手工或計(jì)算機(jī)軟件模擬計(jì)算。對于較復(fù)雜的除塵系統(tǒng),管網(wǎng)結(jié)構(gòu)中任一處調(diào)節(jié)都會引起S數(shù)的變化,并涉及到其余各點(diǎn)阻力的再平衡,進(jìn)而造成手工計(jì)算S數(shù)的難度很大且準(zhǔn)確性差。針對這類情況,建議采用計(jì)算機(jī)軟件模擬的方法[4-5]。

        根據(jù)風(fēng)速v∝Q的關(guān)系,考慮管道在15~24 m/s之間,可推導(dǎo)出管道的風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍應(yīng)限定在(62.5%~1)Q之間,即:變工況的除塵點(diǎn)風(fēng)量占系統(tǒng)總風(fēng)量的比值應(yīng)小于37.5%為宜,如超過這一限值,要么風(fēng)機(jī)風(fēng)量只按62.5%的比例進(jìn)行調(diào)節(jié),風(fēng)機(jī)風(fēng)量大于實(shí)際所需風(fēng)量。要么將這部分除塵點(diǎn)剝離另建系統(tǒng)。

        3.1 管道最低風(fēng)速限制的分析

        鋼鐵廠大部分除塵系統(tǒng)管道的經(jīng)濟(jì)流速范圍在15~24 m/s,風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行會引起部分管道(特別是主干管)流速降低。因此,在設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)初始,有流速降低可能的管道應(yīng)適當(dāng)減小管徑以增大流速,以適應(yīng)風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行后確保其管內(nèi)流速在最低風(fēng)速之上。

        3.2 應(yīng)用舉例

        例2:已知某系統(tǒng)包含7個(gè)除塵點(diǎn),為簡化計(jì)算,不考慮系統(tǒng)漏風(fēng)和設(shè)備漏風(fēng),風(fēng)機(jī)風(fēng)量即為各點(diǎn)累加風(fēng)量,風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量:120×104m3/h,風(fēng)壓:5500 Pa,轉(zhuǎn)速960 r/min,特征曲線同上例。經(jīng)軟件計(jì)算,系統(tǒng)各參數(shù)見表1,表中實(shí)際風(fēng)量為管網(wǎng)平衡計(jì)算的結(jié)果。

        表1 額定轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)參數(shù)

        圖3 除塵系統(tǒng)流程圖

        經(jīng)軟件模擬計(jì)算,系統(tǒng)各參數(shù)見表1,表中實(shí)際風(fēng)量為管網(wǎng)模擬自動分配的結(jié)果,同時(shí)得到管網(wǎng)總的阻力特性系數(shù)S1=0.0459 kg/m7,聯(lián)立風(fēng)機(jī)曲線方程求得工況點(diǎn)風(fēng)量為123.14×104m3/h,風(fēng)壓為5370 Pa。系統(tǒng)流程見圖3,其中點(diǎn)管段編號12為變工況點(diǎn),風(fēng)量為28×104m3/h,占總風(fēng)量的23.3%,由上文可知,該系統(tǒng)可以降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行,且管道不會有積灰的危險(xiǎn)。

        關(guān)閉該點(diǎn)閥門,利用軟件重新平衡管網(wǎng),結(jié)果見表2,從表中可知:系統(tǒng)總風(fēng)量Q2=93.7×104m3/h。由于閥門漏風(fēng),管段12仍有少許風(fēng)量。系統(tǒng)中最低流速18.8 m/s 出現(xiàn)在主管道(編號 13),高于最低風(fēng)速的限制,說明調(diào)速是可行的。

        表2 調(diào)速后系統(tǒng)參數(shù)

        經(jīng)求解,風(fēng)機(jī)降速后管網(wǎng)總阻力系數(shù)S2=0.0657 kg/m7,大于調(diào)速前的S1 。參照式(4),聯(lián)立求解下述方程組:

        將S2、Q2代入,求得n2/n1=0.85,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為n2=0.85×960=816 r/min,此時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓P2=4451 Pa,所需功率N2≈ 0.63N1,節(jié)能率為37%。

        4 結(jié)語

        本文通過分析兩類變工況下管網(wǎng)曲線與風(fēng)機(jī)曲線的變化規(guī)律,闡述了風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的計(jì)算方法。

        1)當(dāng)管路結(jié)構(gòu)不調(diào)整,只降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)。總的管網(wǎng)曲線受除塵器恒定阻力的影響將變得陡峭,風(fēng)機(jī)實(shí)際工況點(diǎn)的相似點(diǎn)將發(fā)生變化,風(fēng)量及風(fēng)壓不會按轉(zhuǎn)速比成比例變小。具體而言,風(fēng)量和功率降幅加大,風(fēng)壓降幅減小,而且風(fēng)機(jī)曲線越平坦,這一趨勢更加顯著。

        2)當(dāng)管路結(jié)構(gòu)調(diào)整,同時(shí)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)??偟墓芫W(wǎng)特性系數(shù)S增大,曲線同樣變得陡峭。如系統(tǒng)復(fù)雜,且變工況點(diǎn)位置不佳,S數(shù)的求解難度很大,為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性,這類情況建議采用計(jì)算機(jī)軟件模擬方法獲得。

        3)在分析除塵風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí),要考慮粉塵不沉降情況下管道的最低風(fēng)速限制。同時(shí),系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮將變工況除塵點(diǎn)盡可能接入系統(tǒng)總管上,以減少工況變化后波及的其他除塵點(diǎn)數(shù)量,避免過多的調(diào)整管路結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量再平衡。

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