除塵風(fēng)機調(diào)速運行理論分析及實踐

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)保法的實施和大力度監(jiān)管，冶金行業(yè)中的除塵系統(tǒng)真正落實了“三同時”制度，環(huán)保水平得到提升，除塵風(fēng)機電耗也隨之增大。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)想的一個重要環(huán)節(jié)。眾所周知，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速是節(jié)省電機電耗最有效的方法，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)機調(diào)速運行進行分析和討論，供相關(guān)人員參考。

1 風(fēng)機調(diào)速節(jié)能的基本原理

根據(jù)相似性原理，風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化時其效率基本不變，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，風(fēng)機的工作點由A點變至B點，如圖1所示[2]。

圖1 風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時性能曲線

可見，當(dāng)除塵管網(wǎng)風(fēng)量需求減少時，可以把風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低，而風(fēng)機所需軸功率將按轉(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)機調(diào)速運行工況的分析

這類除塵系統(tǒng)包含的除塵點基本工作制度一致，風(fēng)機能力按同時抽風(fēng)考慮，系統(tǒng)整體間斷運行，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，需考慮短時間不除塵時降低系統(tǒng)的運行能耗，同時為避免大型風(fēng)機頻繁啟停造成電機損壞，風(fēng)機調(diào)速運行是最合理的方式。此時，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)計時將其看做一個定值，比如P布=1500Pa，因此當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量發(fā)生變化時，除塵器的阻力系數(shù)是變化的，這也導(dǎo)致了整個管網(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)間斷運行，不除塵時風(fēng)機調(diào)速 50%運行，求風(fēng)機實際運行工況點。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)機的性能曲線方程

調(diào)速前，風(fēng)機性能曲線方程為：

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)機的性能曲線：

根據(jù)制造廠提供的風(fēng)機曲線，求得：a0=6293，a1=18.51，a2=-0.062，則風(fēng)機轉(zhuǎn)速從 960 r/min 調(diào)整到480 r/min后，風(fēng)機特性曲線方程調(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布因為自身阻力不變但風(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)機實際運行工況點

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)機調(diào)速運行工況的分析

從圖2 中可知，轉(zhuǎn) 速調(diào)整到50%后，由于S2＞S1，風(fēng)機降速運行后，管網(wǎng)特性曲線變的更加陡峭，而風(fēng)機實際運行工況點B的相似點變?yōu)锳′。圖中的ΔQ反映了實際風(fēng)量Q2＜(n2/n1)Q1。同理，ΔP反映了實際風(fēng)壓P2＞(n2/n1)2P1。軸功率方面，由N∝PQ可知，N2≈0.1N1＜(n2/n1)3N1。可見，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)機曲線越平坦，這一趨勢更加顯著。

不除塵的工況下進行風(fēng)機調(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)機調(diào)速運行工況的分析

這類除塵系統(tǒng)風(fēng)機能力按所有除塵點同時抽風(fēng)考慮，其中部分除塵點變工況運行，當(dāng)這部分除塵點關(guān)閉閥門時，要求風(fēng)機降速運行，風(fēng)機出力滿足剩余除塵點風(fēng)量即可。此時，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算機軟件模擬計算。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，并涉及到其余各點阻力的再平衡，進而造成手工計算S數(shù)的難度很大且準(zhǔn)確性差。針對這類情況，建議采用計算機軟件模擬的方法[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)機風(fēng)量只按62.5%的比例進行調(diào)節(jié)，風(fēng)機風(fēng)量大于實際所需風(fēng)量。要么將這部分除塵點剝離另建系統(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)濟流速范圍在15～24 m/s，風(fēng)機降速運行會引起部分管道（特別是主干管）流速降低。因此，在設(shè)計管路系統(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)機降速運行后確保其管內(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個除塵點，為簡化計算，不考慮系統(tǒng)漏風(fēng)和設(shè)備漏風(fēng)，風(fēng)機風(fēng)量即為各點累加風(fēng)量，風(fēng)機額定風(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)軟件計算，系統(tǒng)各參數(shù)見表1，表中實際風(fēng)量為管網(wǎng)平衡計算的結(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)軟件模擬計算，系統(tǒng)各參數(shù)見表1，表中實際風(fēng)量為管網(wǎng)模擬自動分配的結(jié)果，同時得到管網(wǎng)總的阻力特性系數(shù)S1=0.0459 kg/m7，聯(lián)立風(fēng)機曲線方程求得工況點風(fēng)量為123.14×104m3/h，風(fēng)壓為5370 Pa。系統(tǒng)流程見圖3，其中點管段編號12為變工況點，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)機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能運行，且管道不會有積灰的危險。

關(guān)閉該點閥門，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)機轉(zhuǎn)速降為n2=0.85×960=816 r/min，此時風(fēng)機風(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)機曲線的變化規(guī)律，闡述了風(fēng)機調(diào)速節(jié)能的計算方法。

1）當(dāng)管路結(jié)構(gòu)不調(diào)整，只降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速時。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)機實際工況點的相似點將發(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，同時降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速時?？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，且變工況點位置不佳，S數(shù)的求解難度很大，為確保計算的準(zhǔn)確性，這類情況建議采用計算機軟件模擬方法獲得。

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