水泥行業(yè)離心風(fēng)機(jī)的正確選型
風(fēng)機(jī)，作為通用換氣設(shè)備被普遍應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，在水泥行業(yè)中更被廣泛使用。隨著科技的發(fā)展人類居住環(huán)境受到工業(yè)污染的挑戰(zhàn)，以及世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展下行壓力加大，人們?cè)絹碓疥P(guān)注工業(yè)設(shè)備應(yīng)用對(duì)環(huán)境的影響。對(duì)低碳，減排，降低成本的要求，使人們對(duì)高效工業(yè)離心風(fēng)機(jī)關(guān)注度越發(fā)提高，從而將高效工業(yè)風(fēng)機(jī)研發(fā)，選型，改造推入新的篇章。
在水泥生產(chǎn)工藝中，隨著工藝要求的提升，常常對(duì)風(fēng)機(jī)有更高的要求，需要增大風(fēng)機(jī)的尺寸，提高風(fēng)機(jī)速度，來滿足更大的工藝處理量和輸送工藝的要求。因此，在風(fēng)機(jī)采購中，風(fēng)機(jī)使用能耗成本比前期采購成本更加被人們重視。“降耗就等于賺錢”人們開始把低能效風(fēng)機(jī)的改造列入降低成本的重中之重，一些大功率工藝氣風(fēng)機(jī)，高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)的改造一年到兩年內(nèi)節(jié)約的電費(fèi)成本就等于一臺(tái)新投入風(fēng)機(jī)的成本。
一、離心風(fēng)機(jī)是如何工作的
離心風(fēng)機(jī)并不像軸流風(fēng)機(jī)靠離心力轉(zhuǎn)化能量，而是由葉片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量。換一種思路來解釋離心風(fēng)機(jī)的工作原理，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在葉片底部形成真空區(qū)，空氣流隨即填補(bǔ)這個(gè)真空區(qū)并隨之流向葉片表面。這說明了一個(gè)重要的事實(shí)，即葉片的下表面對(duì)風(fēng)機(jī)效率起不到?jīng)Q定性的影響。所以風(fēng)機(jī)制造商通常在葉片背板加焊內(nèi)外加強(qiáng)板，條狀加強(qiáng)焊道，增加葉輪的強(qiáng)度。并增加平行固定螺栓，襯墊做為耐磨保護(hù)。這也意味著，高效率機(jī)翼型葉片并沒有比高效彎型葉片效率高很多。翼型葉片更主要的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于更大，更寬的葉輪，它的中空式結(jié)構(gòu)葉片強(qiáng)度上會(huì)比傳統(tǒng)彎型葉片更強(qiáng)。
風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪的速度隨著風(fēng)機(jī)的半徑變化而變化。所以，最佳效率的葉片應(yīng)該是后彎的螺旋型葉片。而在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用的是彎型葉片，配合進(jìn)出風(fēng)口角度，來達(dá)到風(fēng)機(jī)所需的性能參數(shù)。這些角度由界定曲率和傾斜角半徑來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于機(jī)翼型葉片，葉片寬厚，曲率平緩，所以此款葉片效率會(huì)相對(duì)提高一些。而傾型（前傾/后傾）葉片是當(dāng)風(fēng)機(jī)輸送氣體載塵時(shí)不得不選擇的折中方案。在含塵量較大的輸送系統(tǒng)里，有自潔性的傾型（前傾，后傾）葉片變成首選，但是要使傾型葉片效率超過80%，就需要結(jié)合更加縝密的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。例如，哈利法克斯風(fēng)機(jī)的BFBI（BF后傾）系列。這一系列的風(fēng)機(jī)效率完勝彎型葉片風(fēng)機(jī)，葉片曲率和傾斜角的設(shè)定完美接合風(fēng)機(jī)入口和出口傾角，使風(fēng)機(jī)效率遠(yuǎn)超80%。
氣流通過進(jìn)風(fēng)錐管進(jìn)入風(fēng)機(jī)流入葉輪的過程中，沒有旋轉(zhuǎn)閥推動(dòng)氣體，只有大約50%左右的氣流被推入風(fēng)機(jī)背板/中心輪轂側(cè)，所以只有一定量的能量傳導(dǎo)給葉輪，而其他的一部分氣流在葉輪四周循環(huán)轉(zhuǎn)化成能量損失。這部分循環(huán)氣流的多少直接決定了葉輪的效率。
我們可以通過改變進(jìn)風(fēng)椎管設(shè)計(jì)間距來改變?nèi)~輪循環(huán)氣流面積，改變進(jìn)風(fēng)椎管嵌入葉輪深度或葉輪進(jìn)口加強(qiáng)環(huán)尺寸都會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能產(chǎn)生影響。還有一種做法是設(shè)計(jì)具有拋物線型或者有坡度的葉輪蓋板來減少葉輪四周氣體循環(huán)區(qū)域面積。葉輪越寬，氣體分流會(huì)越明顯，如果葉輪非常寬，風(fēng)機(jī)的性能會(huì)很難預(yù)知。所以當(dāng)葉輪很寬時(shí)我們完全要依靠大坡度前蓋板才能維持穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)性能。
二、如何提高風(fēng)機(jī)效率
準(zhǔn)確知道風(fēng)機(jī)的使用工況才能更好的選擇合適的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，然而，簡(jiǎn)單的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)不會(huì)全面考慮到風(fēng)機(jī)應(yīng)用過程中的全部問題，包括制造精度影響等。
驗(yàn)證性能測(cè)試法做為一種性能測(cè)試的手段依然被許多風(fēng)機(jī)廠商和用戶廣泛的應(yīng)用。目前有很多風(fēng)機(jī)性能測(cè)試從ISO和AMCA測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中延伸而來，這些測(cè)試的基礎(chǔ)理論都是相同的。按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)定制管道進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，隨后矯正測(cè)試條件。再通過風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)定律計(jì)算相同的葉輪形式不同尺寸的風(fēng)機(jī)性能。例如：
壓力和密度成正比，和速度，尺寸的大小成平方比
流量和速度成正比和尺寸的大小成立方比
實(shí)際的制造過程中都會(huì)有限制公差（例如±1mm）。這意味著，當(dāng)風(fēng)機(jī)越來越小時(shí)，制造公差并不隨風(fēng)機(jī)的尺寸而減?。ㄖ谱饕慌_(tái)250mm風(fēng)機(jī)±0.25mm公差難度很大，而制作一臺(tái)1000mm風(fēng)機(jī)限制公差為±1毫米公差并不困難）。焊接工藝和表面粗糙度對(duì)小風(fēng)機(jī)影響更大。另外，氣流邊界層和湍流效應(yīng)不會(huì)隨尺寸的增大而闊大。這些特性被稱為尺寸效應(yīng)-風(fēng)機(jī)的尺寸直接影響風(fēng)機(jī)的性能，制造一個(gè)高效的小風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)比制造一個(gè)高效的大風(fēng)機(jī)要難的多。這種風(fēng)機(jī)尺寸效應(yīng)也得到AMCA FEG和ISO12759風(fēng)機(jī)軸吸收功率評(píng)級(jí)的認(rèn)可。
當(dāng)測(cè)試一個(gè)新研發(fā)風(fēng)機(jī)模型時(shí)，為了讓測(cè)試結(jié)果更完美，風(fēng)機(jī)的制造和裝配工藝更細(xì)致，遠(yuǎn)超過普通風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)水平，這也是風(fēng)機(jī)性能降低的一種因素。哈利法克斯風(fēng)機(jī)使用測(cè)試方法是測(cè)試小風(fēng)機(jī)，并使用普通的生產(chǎn)工藝制造風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)測(cè)試以380mm直徑葉輪為模型。大公差的小風(fēng)機(jī)為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，確保生產(chǎn)出的小公差的大型風(fēng)機(jī)性能更優(yōu)越，效率更高。
還有一種測(cè)試方法，是通過CFD來對(duì)風(fēng)機(jī)建模分析（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）。在10年前，依靠CFD分析傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備對(duì)于風(fēng)機(jī)制造廠家來說是非常昂貴的。在過去10年中，使用CFD的范圍慢慢縮減。僅僅使用CFD軟件中的一項(xiàng)ANSYS功能，但分析僅能達(dá)到10％的精度，一個(gè)CFD模型至少需要32位處理器12小時(shí)的分析。還有另外的理論和模塊來進(jìn)行相似精度的分析。這僅有的10％的精度可以預(yù)測(cè)的流體變化，卻不足以用于風(fēng)機(jī)性能的預(yù)測(cè)，所以即便是有CFD結(jié)果的支持，還是要依賴物理測(cè)試法進(jìn)行性能測(cè)試。
哈利法克斯風(fēng)機(jī)將理論開發(fā)融入模型制造中，快速制造原型測(cè)試。這種測(cè)試方法要比CFD分析法更快易于實(shí)現(xiàn)，一旦理論模型通過物理測(cè)試再融入CFD分析來完善風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)。總體而言，CFD更偏重于對(duì)幾何形態(tài)的分析，但是并不能智能結(jié)合樣機(jī)理論，CFD還運(yùn)用于分析易于測(cè)試流動(dòng)理論和物理結(jié)構(gòu)影響，而這些是物理測(cè)試很難檢測(cè)到的。
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三、風(fēng)機(jī)選型
風(fēng)機(jī)的壓力定義為兩個(gè)方面，全壓和靜壓;
全壓升壓=出口全壓 - 入口全壓
靜壓升壓=出口靜壓 - 入口全壓
全壓升促使風(fēng)機(jī)的總能量增加，所以常用于規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)里用來衡量效率 - AMCA FEG和ISO12759。然而 ，靜壓升多被大多數(shù)工廠用于選型。
許多工程師先要確立出系統(tǒng)所需的靜壓和體積流量然后評(píng)估該系統(tǒng)的壓力損失。壓力損失將與工程師所給的系統(tǒng)所需靜壓靜相結(jié)合。靜壓用于定義在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處的工藝氣體的屬性。它也可以用于確定在整個(gè)風(fēng)機(jī)的靜壓變化。然而，如上所述，靜壓升是不出風(fēng)口靜壓減去進(jìn)風(fēng)口的靜壓，風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口總壓才是最精確的應(yīng)該被使用的。如果進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口具有相似（相等）的面積，所需要的的值應(yīng)該是總的壓升。所以使用靜壓差來選型給了我們一個(gè)隱藏的安全系數(shù)。
當(dāng)我們改造更換一臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)扇進(jìn)氣/排氣速度會(huì)因風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口/出風(fēng)口面積的變化而改變。對(duì)于這種情況，最好是使用風(fēng)機(jī)總壓升來選型。確保在新的風(fēng)機(jī)下游管道中靜壓與原始風(fēng)機(jī)壓力相同。
除了壓力和流量，風(fēng)機(jī)的操作過程也是需要考慮的影響風(fēng)機(jī)的選型的因素之一，它可能會(huì)影響風(fēng)機(jī)的曲線，風(fēng)機(jī)的特性以及如何控制風(fēng)機(jī)。
對(duì)于很多風(fēng)機(jī)操作系統(tǒng)是穩(wěn)定的，所以風(fēng)機(jī)可以安全的在最高壓力點(diǎn)下5％左右的位置運(yùn)行。然而，并非所有系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。例如，出窯水泥熟料進(jìn)入篦冷機(jī)后在篦板上冷卻，篦床的厚度和密度會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于這些不太穩(wěn)定的系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)需要遠(yuǎn)離曲線的峰值運(yùn)行，通常選擇至少低于壓力峰值的10％到15％之間。在其他情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會(huì)想要風(fēng)機(jī)壓力工作點(diǎn)在最高壓力峰值的下方，確保有不可預(yù)測(cè)壓力上升的情況下風(fēng)機(jī)仍有一些安全余量。
如果風(fēng)機(jī)葉輪上粘粘了一些粉塵，它會(huì)在葉輪上堆積成粉塵層。粉塵層變厚變重最終部分脫落，此時(shí)風(fēng)機(jī)會(huì)失去動(dòng)平衡。這種情況在風(fēng)機(jī)運(yùn)行，或當(dāng)風(fēng)機(jī)停車再重新啟動(dòng)后常常發(fā)生。當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)馬達(dá)起動(dòng)的沖擊力可以敲掉灰塵。此外，在停車時(shí)灰塵可能吸收濕氣而變重，因此會(huì)更容易脫落。我們可以通過使用大傾角葉片或徑向葉片來降低這種這失衡的情況的發(fā)生。對(duì)于大風(fēng)量小傾角風(fēng)機(jī)，使用后傾型葉片是最佳的選擇。
灰塵除了粘到風(fēng)扇上，也可導(dǎo)致葉片的磨損。這種磨損可以使用葉輪焊接修補(bǔ)進(jìn)行校正。如果侵蝕嚴(yán)重或風(fēng)機(jī)已被修復(fù)多次，將需要更換葉輪。為了避免這種情況發(fā)生葉輪可以在制造時(shí)配有硬質(zhì)面。這種硬堆焊可以加焊在葉輪表面也可以加耐磨肋條。但硬堆焊到內(nèi)襯板上可以引起葉輪裂縫，這意味著，防摩層或烘烤涂層更適用于風(fēng)機(jī)葉片上和襯墊優(yōu)選于焊接在葉輪表面。防摩螺栓墊片也比較常見，但是不能用于翼型葉片。
流量控制的選擇取決于系統(tǒng)阻力線。流量控制的最有效的形式可以是變頻控制。然而，隨著變速控制的壓力和體積流量隨速度改變而變化;
壓力=常數(shù)x速度2
體積流量=常數(shù)x速度
按照平方律關(guān)系;
壓力=常數(shù)x體積流量2
在這些規(guī)律中，如果風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型流量接近風(fēng)機(jī)曲線最高效率點(diǎn)，那么按比率增加此款風(fēng)機(jī)在任何風(fēng)量下都會(huì)保持最高效率。
并非所有的工藝系統(tǒng)都遵循平方定律法則。在有些壓力恒定的系統(tǒng)中，靠流量不斷變化維持系統(tǒng)工作。其中典型的案例是流化床燃煤鍋爐熟料提取工藝。在此系統(tǒng)中如果單純使用變頻器降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)機(jī)偏離高效工作點(diǎn)。更糟的是，風(fēng)機(jī)可能因轉(zhuǎn)速的變化風(fēng)機(jī)無法產(chǎn)生足夠的壓力。也就是說，對(duì)于此類工藝，控制流量的最佳選擇是風(fēng)閥。
出口風(fēng)閥：使用風(fēng)機(jī)出口風(fēng)閥控制風(fēng)機(jī)流量，會(huì)因系統(tǒng)阻力增大而增加系統(tǒng)的壓力損失。如果前期風(fēng)機(jī)選型風(fēng)機(jī)效率不高，使用出口風(fēng)閥調(diào)節(jié)可以降低風(fēng)機(jī)軸吸收功率提高風(fēng)機(jī)工作效率。然而，風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥同時(shí)工作的效率始終要小于通過正確選型的高效風(fēng)機(jī)的效率。出口風(fēng)閥對(duì)系統(tǒng)的控制也不是特別理想，風(fēng)閥至少要關(guān)閉50%才能真正對(duì)系統(tǒng)起作用。出口風(fēng)閥的另一個(gè)缺點(diǎn)是，風(fēng)機(jī)可能運(yùn)行在低流量喘振區(qū)產(chǎn)生劇烈喘振。
進(jìn)口風(fēng)閥：進(jìn)口風(fēng)閥距離風(fēng)機(jī)葉輪很近，它可以通過改變導(dǎo)葉的角度來改變氣流流向從而控制風(fēng)機(jī)的流量，這是一種比較高效的流量控制方法，但是也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)損失。進(jìn)口閥門越接近葉輪，對(duì)風(fēng)機(jī)流量控制越有效。進(jìn)口風(fēng)閥的控制效率相對(duì)較高，但缺點(diǎn)是容易磨損和損壞。在風(fēng)閥的控制下，能夠做到在降低風(fēng)機(jī)總風(fēng)量10%的條件下穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)閥從全開到100%關(guān)閉的壓力損失在10%左右。不管是進(jìn)口風(fēng)閥還是出口風(fēng)閥控制產(chǎn)生的風(fēng)機(jī)效率都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正確選擇一臺(tái)高效風(fēng)機(jī)的效率。所以，進(jìn)口風(fēng)閥的主要目的應(yīng)用還是在維持風(fēng)機(jī)壓力的情況下獲得可調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量。
四、正確風(fēng)機(jī)選型的好處
風(fēng)機(jī)的選型常常要平衡前期安裝成本和后期運(yùn)行成本。安裝成本包括風(fēng)機(jī)成本，電機(jī)成本，風(fēng)機(jī)安裝尺寸。一個(gè)好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該平衡安裝成本，運(yùn)行成本等上訴所涉及因素。在前期設(shè)計(jì)階段，很多因素尚不完全清楚，因此，我們盡可能的多收集可用信息，即使這些信息可能不準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)階段工程師也通常會(huì)在選型中增加很多安全的系數(shù)。增加安全余量的原因有很多，但主要原因是避免系統(tǒng)中的未知因素導(dǎo)致風(fēng)機(jī)選型過小而不得不更換新的風(fēng)機(jī)，這些未知因素包括對(duì)將來系統(tǒng)使用能力的不確定性（如系統(tǒng)升級(jí)），或操作情況的惡化（包括系統(tǒng)阻塞）等。
但是有些系統(tǒng)的安全系數(shù)考慮過大。有些糟糕的情況，風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行壓力只有預(yù)期壓力的50％。導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在非常的效率點(diǎn)運(yùn)行，甚至工況點(diǎn)偏離選型點(diǎn)過遠(yuǎn)而引起電機(jī)過載。雖然可以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來解決電機(jī)過載問題。卻也因此損失了很多風(fēng)量從而降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。實(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)單的解決方法是選擇大功率電機(jī)，但會(huì)因此同時(shí)增加安裝成本以及后期的運(yùn)營(yíng)成本。
與其在設(shè)計(jì)中僅僅考慮增加壓力安全余量不如結(jié)合安全余量與風(fēng)機(jī)的選型，增大使用壓力到風(fēng)機(jī)曲線最高點(diǎn)壓力范圍，使操作壓力有較大的余量。例如，如果最初系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)留20％的安全系數(shù)被認(rèn)為是較理想的，該風(fēng)機(jī)選型應(yīng)選擇風(fēng)機(jī)操作點(diǎn)壓力至少低于最高壓力的15％，并同時(shí)預(yù)留10％的安全系數(shù)。這樣就會(huì)確保所選擇的風(fēng)機(jī)會(huì)在運(yùn)行過程中更接近所需的的工作點(diǎn)，也就更接近高效點(diǎn)。如果是現(xiàn)場(chǎng)改造風(fēng)機(jī)我們會(huì)有機(jī)會(huì)去現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)使用情況，根據(jù)測(cè)量結(jié)果來重新選型，會(huì)根據(jù)客戶對(duì)未來系統(tǒng)的提升要求來增加選型余量。
確保風(fēng)機(jī)接近最高效率點(diǎn)運(yùn)行可以有效的節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。假設(shè)一臺(tái)風(fēng)機(jī)95％的時(shí)間長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行，每增加1KW的功率，每年約有5000元的電力成本增加。對(duì)于100KW功率消耗的風(fēng)機(jī)效率每降低1％就要多消耗5000元電費(fèi)。對(duì)于400KW功率消耗的風(fēng)機(jī)，每降低1%的效率每年就會(huì)多支出20000RMB左右的電費(fèi)。顯而易見，越大型的風(fēng)機(jī)節(jié)能的效果會(huì)越明顯，可想而知當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)所有的風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)這里的成本節(jié)約是巨大的。
水泥風(fēng)機(jī)的研究指出（“掌握風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率”，世界水泥，2012），風(fēng)機(jī)運(yùn)行成本占了32%的水泥廠總費(fèi)用支出。下表是對(duì)結(jié)果的分析;
如果將上述風(fēng)機(jī)的效率提高至75％，會(huì)至少減少15％的能源損耗和5％的能源開支。對(duì)于一個(gè)產(chǎn)值1000噸/天水泥生產(chǎn)線，每年的節(jié)能成本會(huì)降低1100-1200百萬之間。
然而，電力并不是唯一的成本損耗。降低風(fēng)機(jī)故障率，減少停車時(shí)間，節(jié)約返修人力物力成本對(duì)降低成本更起到至關(guān)重要的影響。選擇高品質(zhì)的風(fēng)機(jī)，降低返修率所節(jié)約的成本等同于甚至高于節(jié)能風(fēng)機(jī)所節(jié)省的成本。
編輯：俞垚伊
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