風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

  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。在水泥廠中有兩種型式的風(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)（如圖1）。本文主要關(guān)注離心風(fēng)機(jī)。

  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)。

  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：

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

  風(fēng)機(jī)壓頭的變化與N²成正比；

  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(lài)于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。

  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)，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（ΔP_d），其余的用來(lái)克服系統(tǒng)阻力。這就是用變頻驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量而不用風(fēng)門(mén)的原因，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。

  為什么討論風(fēng)機(jī)效率

  工藝風(fēng)機(jī)的功能

  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#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#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#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1300oC冷卻至100oC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）的合適存在形式，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)下面將提到的頭排風(fēng)機(jī)排除系統(tǒng)。冷卻風(fēng)機(jī)如果設(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#風(fēng)機(jī)為尾排風(fēng)機(jī)（或稱(chēng)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、NO_x、SO_x），并含有一定濃度的粉塵。

  5#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/噸.熟料的多余的冷卻用空氣排出系統(tǒng)，不參與燃料燃燒。

  6#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)，還有輥壓機(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。

  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5000tpd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。

  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(zhuān)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)”。

  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3列出了風(fēng)機(jī)效率的基準(zhǔn)數(shù)值。

  影響風(fēng)機(jī)效率的主要因素

  設(shè)計(jì)/制造階段：

  風(fēng)機(jī)殼體的設(shè)計(jì)；

  風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口；

  風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)；

  電驅(qū)動(dòng)方式（電機(jī)和變頻器）；

  生產(chǎn)運(yùn)行階段：

  風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

  葉輪上的灰塵沉積；

  風(fēng)機(jī)殼體的損壞或變形程度；

  風(fēng)機(jī)（即葉輪）使用時(shí)間；

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

  性能曲線的運(yùn)行工作點(diǎn)；

  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。

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  總效率

  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，一般是由工程隊(duì)伍或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。

  實(shí)例1：高溫風(fēng)機(jī)（ID fan）

  按前述的風(fēng)機(jī)法則：風(fēng)機(jī)所需功率=Q_v×P_t（Q_v是體積流量，P_t是風(fēng)機(jī)全壓，來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)壓降）。

  在圖7中，理想氣體方程表明了對(duì)于一定量的氣體，氣體狀態(tài)（溫度、壓力、體積）如何從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2。溫度升高，體積增大。流體動(dòng)力學(xué)方程表明：體積流量增加，壓降增加（與Q_v²成正比）。

  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（一般容易測(cè)量，監(jiān)測(cè)溫度代替）和壓力：

  體積流量（m³/s或m³/kg.cl）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)。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)。

  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、連接風(fēng)管、氣固比、氣體溫度等的影響。

  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)圖7中的公式，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。

  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，見(jiàn)表4給出的實(shí)例。

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

  節(jié)能

  工廠G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.cl，比工廠C低4.5kWh/t.cl。工廠D產(chǎn)量為5000tpd（160萬(wàn)tpa），所用電價(jià)為$100/MWh。僅高溫風(fēng)機(jī)的節(jié)能：

  160萬(wàn)tpa×2.3kWh/t.cl=370萬(wàn)kWh pa。

  370萬(wàn)kWh pa×$100/MWh=$370 000pa

  對(duì)于同一系統(tǒng)，交接班導(dǎo)致的工藝系統(tǒng)的工況變化，其節(jié)能效果亦有所不同。如何讓高溫風(fēng)機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行是值得的（圖9）。

  操作者/員工對(duì)風(fēng)機(jī)功率消耗的影響

  在水泥廠中，一般實(shí)行3班制，每個(gè)工藝段有4-6名員工。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)窯操來(lái)說(shuō)，比如，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)以及頭排風(fēng)機(jī)（篦冷機(jī)廢氣風(fēng)機(jī)）的功率消耗都是不可或缺的。

  實(shí)例2：冷卻機(jī)廢氣排風(fēng)機(jī)（頭排風(fēng)機(jī)）

  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)得知哪一位員工操作、何種工況時(shí)單位電耗較低。它也給能源專(zhuān)家及分析者提供了工具和數(shù)據(jù)，使他們確認(rèn)如何使得

  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(zhuān)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。

  決策制定

  在設(shè)計(jì)水泥廠時(shí)，必須合理的對(duì)風(fēng)機(jī)選型。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，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)的方式是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門(mén)（百葉）調(diào)節(jié)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（ΔP_d，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。

  實(shí)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)，許多人會(huì)假定，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)其所有工廠均采購(gòu)VSD，而不考慮實(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(mǎn)速運(yùn)行，將會(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。

  在一些情況下，操作者樂(lè)意根據(jù)需要調(diào)整VSD的速度。表5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(mǎn)速運(yùn)行，風(fēng)機(jī)壓力仍然低于其它工廠（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不僅包含電氣部門(mén)，還應(yīng)該包含工藝部門(mén)以及操作者。這是一個(gè)公司運(yùn)行層面上的管理問(wèn)題。

  可能的方案

  選擇1：拆除VSD，避免額外的2-5%的能源消耗；

  選擇2：選擇一臺(tái)具有不同性能曲線的新風(fēng)機(jī)（一般是高壓的），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。

  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(hù)。

  建議由專(zhuān)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。

  員工/操作者可導(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)。

  決策的制定過(guò)程（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，甚至反而會(huì)多耗費(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。