掌控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率

王志榮

郭濤2，陳友德2 譯*

1 水泥廠中的風(fēng)機(jī)

在水泥廠中，氣體流過(guò)位于氣體流程中的風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)從其驅(qū)動(dòng)電機(jī)獲得的部分能量轉(zhuǎn)化為氣體的動(dòng)能。在水泥廠中有兩種類(lèi)型的風(fēng)機(jī)：軸流和離心風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)用于冷卻設(shè)備表面（如回轉(zhuǎn)窯）以及通風(fēng)。離心風(fēng)機(jī)用于將空氣吹送進(jìn)系統(tǒng)或?qū)怏w甚至固體顆粒一起帶出系統(tǒng)（圖1）。本文主要關(guān)注離心風(fēng)機(jī)。

2 風(fēng)機(jī)性能曲線

風(fēng)機(jī)性能曲線是風(fēng)機(jī)壓頭與體積流量的關(guān)系曲線，如圖2所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)壓頭等于系統(tǒng)的壓頭損失（壓降）時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。

風(fēng)機(jī)性能曲線與系統(tǒng)壓降曲線的交點(diǎn)即是風(fēng)機(jī)在該系統(tǒng)的工作點(diǎn)。系統(tǒng)的壓頭損失就是系統(tǒng)壓降不能超過(guò)風(fēng)機(jī)性能曲線中的臨界點(diǎn)。

3 風(fēng)機(jī)定律

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（N）對(duì)能源消耗有很大影響，是由于：

圖1 離心風(fēng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)

圖2 風(fēng)機(jī)性能曲線

圖3 風(fēng)機(jī)性能曲線

（1）體積流量的變化與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（N）成正比。

（2）風(fēng)機(jī)壓頭的變化與N2成正比。

（3）風(fēng)機(jī)功率消耗的變化與N3成正比（注：風(fēng)機(jī)的功率消耗主要依賴于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化）。

4 風(fēng)機(jī)性能曲線的演變

實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)機(jī)性能曲線隨以下因素而變化：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)口風(fēng)門(mén)開(kāi)度、氣體溫度及密度。在運(yùn)行點(diǎn)上，系統(tǒng)的壓頭損失等于風(fēng)機(jī)提供的功率。

若風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化（圖3a），或風(fēng)機(jī)進(jìn)口百葉閥開(kāi)度變化（圖3b），風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)將沿著系統(tǒng)壓降曲線移動(dòng)。

變頻驅(qū)動(dòng)：對(duì)于固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)，當(dāng)進(jìn)口百葉閥開(kāi)度從100%變化到60%，體積流量減少，而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓頭仍然相同。部分壓頭用來(lái)克服風(fēng)門(mén)處的壓降（ΔPd），其余的用來(lái)克服系統(tǒng)阻力。這就是用變頻驅(qū)動(dòng)而不用風(fēng)門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量的原因，以避免風(fēng)門(mén)造成的能量損失。

若氣體溫度或密度發(fā)生變化（圖3c），風(fēng)機(jī)特性曲線以及系統(tǒng)壓降曲線將被改變。

5 工藝風(fēng)機(jī)的功能

圖4 水泥熟料生產(chǎn)流程中主要的工藝風(fēng)機(jī)

工藝風(fēng)機(jī)是水泥廠中的重要設(shè)備。圖4 給出了水泥熟料生產(chǎn)以及主要工藝風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣體處理的工藝流程。在此我們將風(fēng)機(jī)依據(jù)其裝機(jī)功率的大小進(jìn)行編號(hào)。

1號(hào)風(fēng)機(jī)是原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)，輸送生料氣固混合物，系統(tǒng)壓降很大。立式輥磨（VRM）作為生料粉磨系統(tǒng)時(shí)，該風(fēng)機(jī)的功率最大。

2號(hào)風(fēng)機(jī)為預(yù)熱器出口高溫風(fēng)機(jī)（ID fan）。若生料磨采用球磨，該風(fēng)機(jī)的功率最大。該風(fēng)機(jī)布置于預(yù)熱器出口，可以形象地比喻它為熟料煅燒系統(tǒng)的“肺”：窯內(nèi)及分解爐內(nèi)的燃料燃燒及生料分解產(chǎn)生的廢氣通過(guò)風(fēng)機(jī)排出系統(tǒng)，預(yù)熱器系統(tǒng)中進(jìn)行的氣固換熱都是在該風(fēng)機(jī)給力下進(jìn)行的。高溫風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行，將影響熟料產(chǎn)量及系統(tǒng)能源消耗。

3號(hào)風(fēng)機(jī)為篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)，根據(jù)生產(chǎn)線規(guī)模設(shè)置，一般為5～18臺(tái)。其作用是將冷空氣鼓入篦冷機(jī)，將熟料從1300℃冷卻至100℃左右。冷卻過(guò)程可以保護(hù)篦冷機(jī)之后的設(shè)備及部件，對(duì)熟料進(jìn)行淬冷可以保證熟料中主要礦物（C3S，C2S，C3A，C4AF）的合適存在結(jié)構(gòu)，保證熟料質(zhì)量。鼓入的冷空氣與熱熟料熱交換后，一部分用作二次風(fēng)以及三次風(fēng)，一部分多余的空氣將通過(guò)下面將提到的窯頭排風(fēng)機(jī)（冷卻機(jī)廢氣風(fēng)機(jī)）排出系統(tǒng)。如果冷卻風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行不好，將影響熟料質(zhì)量、系統(tǒng)能源消耗，甚至?xí)p壞熟料輸送系統(tǒng)及熟料庫(kù)中的設(shè)備部件。

4號(hào)風(fēng)機(jī)為尾排風(fēng)機(jī)（或稱為原料磨排風(fēng)機(jī)或煙囪風(fēng)機(jī)）。生產(chǎn)1t熟料，將產(chǎn)生2.2t 廢氣（成分主要是CO2、N2、O2、NOx、SOx），并含有一定濃度的粉塵。

5號(hào)風(fēng)機(jī)為頭排風(fēng)機(jī)（冷卻機(jī)廢氣風(fēng)機(jī)），它將大約1.8t空氣/t熟料的多余的冷卻用空氣排出系統(tǒng)，不參與燃料燃燒。

6號(hào)風(fēng)機(jī)為煤磨風(fēng)機(jī)。

對(duì)于一條大型熟料生產(chǎn)線，受生產(chǎn)水泥的種類(lèi)以及水泥磨的產(chǎn)量限制，一般設(shè)有2～3臺(tái)水泥磨。每一套水泥磨系統(tǒng)，都有一臺(tái)選粉風(fēng)機(jī)和水泥磨風(fēng)機(jī)，若采用輥壓機(jī)，還需配置輥壓機(jī)風(fēng)機(jī)。

除了上述提及的主要工藝風(fēng)機(jī)外，水泥廠還有超過(guò)100 臺(tái)非工藝風(fēng)機(jī)。這些風(fēng)機(jī)中有的與袋收塵器配套，對(duì)不同輸送系統(tǒng)的粉塵進(jìn)行收塵，有的作為空氣斜槽的充氣風(fēng)機(jī)，還有的用于冷卻設(shè)備表面。

6 水泥廠中的風(fēng)機(jī)能耗

表1 列出了主要工藝風(fēng)機(jī)，并給出了兩種典型熟料產(chǎn)量下風(fēng)機(jī)的規(guī)格及裝機(jī)功率。

比如一條5000t/d 生產(chǎn)線，總裝機(jī)功率接近41MW，主要工藝風(fēng)機(jī)的總裝機(jī)功率約為13MW，約占總裝機(jī)功率的1/3，接近磨機(jī)裝機(jī)功率，為第二大功率消耗設(shè)備群組。按實(shí)際負(fù)荷80%計(jì)算，主要工藝風(fēng)機(jī)的功率消耗在10MW左右。

7 風(fēng)機(jī)效率

工藝風(fēng)機(jī)是水泥廠的第二大功率消耗設(shè)備，水泥廠應(yīng)在專家的幫助下，盡最大努力掌控風(fēng)機(jī)的效率。推薦的工作流程為“測(cè)量-計(jì)算-診斷-行動(dòng)”。

表1 典型生產(chǎn)線的主要工藝風(fēng)機(jī)*

表2 數(shù)據(jù)輸入

表3 數(shù)據(jù)輸出

表4 風(fēng)機(jī)效率基準(zhǔn)值

圖5 風(fēng)機(jī)效率診斷流程

圖6 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)總效率

將收集和測(cè)量的數(shù)據(jù)作為輸入，風(fēng)機(jī)效率作為輸出計(jì)算出來(lái)，如表2、表3 所示。水泥廠應(yīng)該清楚在風(fēng)機(jī)效率方面，與基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)效率相比，他們處在什么水平。表4 列出了風(fēng)機(jī)效率的基準(zhǔn)數(shù)值。

8 影響風(fēng)機(jī)效率的主要因素

設(shè)計(jì)/制造階段：

（1）風(fēng)機(jī)殼體的設(shè)計(jì)。

（2）風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口。

（3）風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)。

（4）電驅(qū)動(dòng)方式（電機(jī)和變頻器）。

生產(chǎn)運(yùn)行階段：

（1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

（2）葉輪上的灰塵沉積。

（3）風(fēng)機(jī)殼體的損壞或變形程度。

（4）風(fēng)機(jī)（即葉輪）使用時(shí)間。

（5）葉片尺寸的修改（有時(shí)改短或有時(shí)加長(zhǎng)）。

（6）性能曲線的運(yùn)行工作點(diǎn)。

9 風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率診斷

建議對(duì)水泥廠的主要工藝風(fēng)機(jī)效率開(kāi)展診斷。圖5 給出了風(fēng)機(jī)效率診斷的流程圖。

總效率是風(fēng)機(jī)效率、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率以及工藝系統(tǒng)效率的綜合（圖6）。

風(fēng)機(jī)效率和驅(qū)動(dòng)效率在安裝后基本保持不變，一般是由項(xiàng)目部或EPC公司負(fù)責(zé)安裝的。

工藝系統(tǒng)效率（窯和預(yù)熱器系統(tǒng)）部分決定于初始設(shè)計(jì)（旋風(fēng)筒的尺寸、內(nèi)筒，連接風(fēng)管等），隨著時(shí)間的推進(jìn)，系統(tǒng)性能隨著不同的運(yùn)行狀態(tài)以及維護(hù)程度而變化。

案例1：高溫風(fēng)機(jī)（ID fan）。

按前述的風(fēng)機(jī)定律：風(fēng)機(jī)所需功率=QV×Pt（QV是體積流量，Pt是風(fēng)機(jī)全壓，來(lái)滿足系統(tǒng)壓降）。

理想氣體狀態(tài)方程：

流體動(dòng)力學(xué)方程：

式中：

P——壓力，MPa

V——體積，m3

T——溫度，K

ρ——密度，kg/m3

QV——體積流量，m3/s

由此可知，由于窯/預(yù)熱器系統(tǒng)的不同，高溫風(fēng)機(jī)的單位電耗對(duì)不同生產(chǎn)線有很大不同。兩個(gè)主要的因素是預(yù)熱器出口的體積流量和壓力。

表5 工藝風(fēng)機(jī)效率影響能耗的實(shí)例

圖7 工廠C（1200t/d）預(yù)熱器運(yùn)行狀態(tài)及高溫風(fēng)機(jī)功耗

圖8 工廠G（5000t/d）預(yù)熱器運(yùn)行狀態(tài)及高溫風(fēng)機(jī)功耗

體積流量（m3/s 或m3/kg 熟料）與燃燒效率、熱耗、燃料種類(lèi)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、氣體溫度、漏風(fēng)量等有關(guān)。在此，含高濃度粉塵的氣體流量不容易在線測(cè)量并呈現(xiàn)給操作者，是一個(gè)隱性參數(shù)，但監(jiān)測(cè)溫度可獲得部分信息。

排氣溫度（簡(jiǎn)記為T(mén)）受到氣固換熱效率以及分解爐燃燒效率的影響。根據(jù)式（1）、式（2），溫度升高，則密度減小，相同質(zhì)量流量的氣體則體積流量增大。

預(yù)熱器出口壓力（簡(jiǎn)記為P）或流程阻力，受到旋風(fēng)筒形狀和尺寸、內(nèi)筒插入深度、連接風(fēng)管、氣固比、氣體溫度等的影響。

P和T兩個(gè)參數(shù)，在中控室可以很容易監(jiān)測(cè)，而且它們對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的單位電耗有很明顯的影響，也可直接反映出工廠的工藝能耗管理水平，見(jiàn)表5給出的實(shí)例。

圖7、圖8 給出了工廠C 和G 的實(shí)際的中控操作畫(huà)面，可以很方便地看到預(yù)熱器出口的溫度和壓力以及高溫風(fēng)機(jī)的功率消耗。

10 節(jié)能

工廠G 有優(yōu)良的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作，預(yù)熱器出口的溫度和壓力均較低。此外，采用變頻驅(qū)動(dòng)（VSD）可以使風(fēng)機(jī)在低速下運(yùn)行。因此，在列出的3 個(gè)工廠中，工廠G 的高溫風(fēng)機(jī)單位電耗最低，比工廠D 低2.3kWh/t熟料，比工廠C 低4.5kWh/t 熟料。工廠G產(chǎn)量為5000t/d（160萬(wàn)噸/年），所用電價(jià)為$100/MWh。僅高溫風(fēng)機(jī)的節(jié)能：

160萬(wàn)噸/年×2.3kWh/t熟料=370萬(wàn)kWh/年

370萬(wàn)kWh/年×$100/MWh=$370000/年（2.48百萬(wàn)元/年）即使對(duì)于同一系統(tǒng)，工藝運(yùn)行狀態(tài)、漏風(fēng)等維護(hù)和班組表現(xiàn)導(dǎo)致的工藝系統(tǒng)的工況變化，其節(jié)能效果亦有所不同（圖9）。如何讓高溫風(fēng)機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行是值得深入研究的。

11 操作員對(duì)風(fēng)機(jī)功率消耗的影響

在水泥廠中，一般實(shí)行四班三倒制或五班三倒。不同員工責(zé)任心及技術(shù)水平的不同，不同人操作導(dǎo)致的系統(tǒng)性能有很大不同（圖10）。對(duì)窯操作員來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI：Key Performance Indicator）為：產(chǎn)量、單位電耗、單位熱耗以及熟料質(zhì)量。那么高溫風(fēng)機(jī)、篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)以及窯頭排風(fēng)機(jī)的功率消耗及單位消耗的信息都是不可或缺的。施耐德電氣的能源優(yōu)化系統(tǒng)（EOS）提供了在線的各種關(guān)鍵信息供操作員及管理者決策之用。

案例2：冷卻機(jī)廢氣排風(fēng)機(jī)（頭排風(fēng)機(jī)）。

圖9 工廠C高溫風(fēng)機(jī)單位熟料電耗（SPC）

圖10 2012年工廠D頭排風(fēng)機(jī)（篦冷機(jī)廢氣風(fēng)機(jī)）單位熟料電耗（不同班次）

圖11 EOS遠(yuǎn)程系統(tǒng)上的工廠D頭排風(fēng)機(jī)功耗

圖11 給出了能源優(yōu)化系統(tǒng)（EOS）每隔半小時(shí)記錄的頭排風(fēng)機(jī)的能源消耗數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，由于工況不同以及倒班所造成的能源消耗變化，最大能到50%。這幅圖同時(shí)也表明了大風(fēng)機(jī)一般會(huì)選型超大的原因。

利用軟件和工具（如EOS）可以時(shí)時(shí)得知哪一位員工在操作、何種工況時(shí)單位電耗較低。它也給能源專家及分析者提供了工具和數(shù)據(jù)，使他們確認(rèn)如何使篦冷機(jī)運(yùn)行在其最佳狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)甚至可以使工藝專家坐在技術(shù)中心，通過(guò)遠(yuǎn)程瀏覽，作出評(píng)論并給出建議。

12 決策制定

在設(shè)計(jì)水泥廠時(shí)，必須合理選擇風(fēng)機(jī)。對(duì)主要的工藝風(fēng)機(jī)選型原則如下：風(fēng)機(jī)容量（流量和壓力）比額定大20%～30%，甚至更大些。比如，一旦出現(xiàn)窯涌料，大量的熟料沖進(jìn)篦冷機(jī)，必須有足夠流量的高壓空氣來(lái)冷卻熟料，窯頭排風(fēng)機(jī)的儲(chǔ)備容量可以保護(hù)設(shè)備不被燒壞。

根據(jù)系統(tǒng)的額定工況選擇風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)處于最佳運(yùn)行工況點(diǎn)（流量按冷卻或燃燒目的進(jìn)行選擇，壓力按照系統(tǒng)阻力選擇）。

對(duì)于固定速度的風(fēng)機(jī)，常用的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)進(jìn)氣門(mén)（百葉）開(kāi)度（一般40%～100%）。在這種情況下，進(jìn)氣閥門(mén)帶來(lái)了額外的壓降，風(fēng)機(jī)的部分壓頭用來(lái)克服這個(gè)壓降（ΔPd，如圖3b所示），是能源和金錢(qián)的浪費(fèi)。

變頻調(diào)速（VSD）是精確控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（流量和壓力）的一種策略。如果使用恰當(dāng)，VSD可以大大降低能源消耗，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的能源消耗與N3成正比（N為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速），但是投資較大。當(dāng)前，大量水泥廠正在加裝VSD系統(tǒng)，在這一決策的制定過(guò)程中有一些相同的問(wèn)題。

案例3：風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的決策制定。

對(duì)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)加裝VSD系統(tǒng)時(shí)，如果一臺(tái)篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)開(kāi)度只有50%，則加裝VSD將會(huì)節(jié)能。這一決策一般由水泥廠的電氣部門(mén)制定。一些大公司對(duì)其所有工廠進(jìn)行集團(tuán)統(tǒng)一采購(gòu)VSD，有時(shí)不考慮實(shí)際的工藝狀況。

下面給出一個(gè)關(guān)于篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)的實(shí)例。工藝部門(mén)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)VSD 降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速后，風(fēng)機(jī)壓力太低。為了保證有足夠的壓力來(lái)冷卻篦床上一定厚度的熟料，窯操作員不得不將VSD 運(yùn)行在50Hz，并把風(fēng)門(mén)開(kāi)度設(shè)置到50%。圖12 給出了工廠B 真實(shí)的中控操作畫(huà)面，操作者將VSD 運(yùn)行在50Hz，風(fēng)門(mén)開(kāi)度40%～70%。

如果VSD長(zhǎng)期滿速運(yùn)行，不僅不會(huì)節(jié)能，反而會(huì)耗費(fèi)更多的能量，因?yàn)閂SD 本身也會(huì)耗費(fèi)2%～5%的能量。

圖12 工廠B中控畫(huà)面

在一些情況下，即使不存在壓力不夠的問(wèn)題，操作員也并不關(guān)心根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整VSD的速度。

表6 表明了在風(fēng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)中的典型問(wèn)題。在工廠B中，即便操作者將VSD滿速運(yùn)行，風(fēng)機(jī)壓力仍然低于其他工廠（例如3室）。

這個(gè)實(shí)例表明風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式選擇的決策制定者不僅應(yīng)包含電氣部門(mén)，還應(yīng)該包含工藝部門(mén)甚至操作員。這是一個(gè)公司運(yùn)行層面上的管理問(wèn)題。

針對(duì)案例3提出的可能的方案：

（1）拆除VSD，避免額外的2%～5%的能源消耗。

表6 典型水泥廠冷卻機(jī)風(fēng)機(jī)操作數(shù)據(jù)

（2）選擇一臺(tái)具有不同性能曲線的新風(fēng)機(jī)（一般是較高壓力的），并考慮到與VSD一起使用，使其處于最佳運(yùn)行點(diǎn)，與選擇1 相比，可節(jié)省更多費(fèi)用。這將帶來(lái)20%～40%的節(jié)能可能性，但會(huì)增加新的投資。

13 結(jié)論

工藝風(fēng)機(jī)是水泥廠的重要設(shè)備，起著至關(guān)重要的作用，消耗了整個(gè)工廠能源的1/3，是磨機(jī)之后第二大能源消耗大戶。

建議由專家牽頭，開(kāi)展一項(xiàng)關(guān)于風(fēng)機(jī)效率的評(píng)審，包括測(cè)量、計(jì)算、基準(zhǔn)比較以及診斷。

整體效率是風(fēng)機(jī)效率、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及工藝系統(tǒng)效率的綜合。在預(yù)熱器高溫風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，氣體體積流量、壓降、溫度都對(duì)風(fēng)機(jī)的單位電耗有重要影響。整體系統(tǒng)效率（風(fēng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行操作）可以得到改善。

操作員或不同班組可導(dǎo)致系統(tǒng)效率及功耗有很大不同，采用能源管理或優(yōu)化系統(tǒng)有助于開(kāi)展持續(xù)的改進(jìn)。

決策的制定者（如確定風(fēng)機(jī)尺寸或者加裝VSD），不僅包括電氣工程師，還要包括工藝工程師以及操作者。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)和規(guī)劃就加裝VSD，將不能產(chǎn)生節(jié)能效果，甚至?xí)嗪馁M(fèi)能源，這是公司運(yùn)行以及商業(yè)層面上一個(gè)共有的管理問(wèn)題。

[1]RANGARAJUN Ej,EnergySTEP for Cement,Schneider Electric,Energy Step Training(2012).

[2]VIJAYARENGAMANI R.,and Fredric DUMAS.,Schneider Electric,Energy Audit Report in South East Asia,12(2009).

[3]WANG,R.,‘Discover Cement Manufacturing Process’,E-Learning,Schneider Electric University,(2010).

[4]LANG,Q.,Schneider Electric,Analysis Report on Remote Energy Service,06(2012).