技术 | 应用离心风机比例定律判定篦冷机运行状态

篦冷机是水泥生产的重要热工设备，其主要功能包括冷却熟料，便于运输、储存和粉磨；给窑炉煤粉燃烧提供二次风和三次风，满足生料分解与熟料煅烧的要求；快速冷却，提高熟料质量，改善熟料易磨性等。因此，篦冷机运行好坏直接决定了熟料的产量、质量和烧成热耗。

但是，目前许多篦冷机运行情况并不如人意，主要表现为二次风和三次风温度偏低，二次风低于1100℃的企业比比皆是；熟料出篦冷机温度偏高，几乎所有篦冷机都无法满足环境温度+65℃的设计要求；篦冷机鼓入冷风量大，一般企业篦冷机单位熟料鼓风量(标况，以下同)都在2m3/kg以上，无法达到1.7～1.9m3/kg的设计指标，增加了熟料烧成热耗；篦冷机各冷却风机运行状态不清楚，对于风机的风量、风压、效率等情况不了解，部分风机可能已经长期远离性能曲线点工作，造成篦冷机运行状态差、单位熟料冷却电耗高等问题；入窑头余热锅炉风温偏低，余热发电效果差；低温余风量大，造成无谓的能源浪费等。

上述绝大部分问题的根源在于企业对于篦冷机各冷却风机的风量、效率等不清楚。虽然企业掌握了风机开度、变频器频率、风机电流、压力等数据，但无法对风机风量进行直接求解，并缺乏对风机运行效率、篦冷机运行状态的客观判断。本文根据离心式风机的原理，对篦冷机冷却风机风量进行估算，在此基础上，通过案例分析，对比估算值与标定值，以此判定篦冷机运行状态。

离心式风机由转动的叶轮和固定的机壳组成，叶轮由电动机驱动作高速旋转，叶轮内的叶片获得惯性离心力，使气体从叶片间的出口甩出，而叶轮中心部分的压强因气体的甩出而降低，外界气体即可源源不断的进入。

根据离心式风机的比例定律，当风机的转速发生改变时，风机的流量、压头随之发生变化，并引起风机的效率和功率相应改变。当气体粘度不大，效率变化不明显时，不同转速下风机的流量、压头和功率与转速的关系可表达成(1)式。

式中，Q₁、P₁、N₁——转速为n₁时风机的体积流量、压头和轴功率；Q₂、P₂、N₂——转速为n2₂时风机的体积流量、压头和轴功率。

由(1)式可知，风机流量的变化与转速变化的一次方成正比，压头和轴功率的变化分别与转速的二次方和三次方成正比。因此，风机压头和轴功率的变化也分别与风机流量的二次方和三次方成正比，如下式所示。

当已知风机压头或轴功率时，即可通过该定律对风机流量进行换算，换算公式如下。

式中，Q为风机实际流量，Q₀为风机额定流量；α为风机阀门开度，或者是变频风机频率与额定频率之比；p₁为风机压力，p₀为风机额定压力；P₁为风机实际功率，P₀为风机额定功率。上述定律的适用条件如下：(1)风机的管路特性不发生显著变化，即工况点下管路特性与额定状态下基本一致，要求所估算风机的阀门开度为100％；(2)与额定状态相比，风机的转速变化不大于±20％，即频率变化≤±20％。

估算中，取DCS系统所显示风机压力作为该风机的出口压力，选择风机运行电流来计算功率。一旦根据公式(2)和公式(3)计算出风机的风量，即可将其与标定结果进行对比与分析。

案例1：某5000t/d生产线，篦冷机冷却风机共有15台，由第三方单位对各风机的风量、压力等进行热工标定。在此，基于DCS显示的风机变频器频率、压力和电流，分别用式(2)和式(3)对满足比例定律的风机进行估算，结果如表1所示。

表1 案例1计算结果与标定结果的对比

结果表明，式(2)和式(3)两种方法估算篦冷机风机合计风量总体偏大，较标定结果分别偏大9％和15％。部分单台风机的计算误差则非常大。较大的误差在一定程度上反映了风机运行效率、篦冷机运行状况或标定结果准确性等问题。如F1风机计算所得的风量分别为29266m3/h和33334m3/h，而标定结果只有15112m3/h，误差分别达到94％和121％。

在假定标定结果准确的基础上，可以初步判断该风机运行效率较低，即电机做出的功无法转换为有效的风量与风压，造成风机压力低于额定压力的同时，电流也低于额定电流。与F1情况相类似的还有F2和F8风机。

与此相对应的则是个别风机标定结果远大于计算结果，如F3风机计算结果较标定结果分别低-37％和-28％。由表1可以看出，F3风机的标定风量要远大于额定风量，这可能是由于F3风机位于一段篦板与二段篦板衔接处，容易造成料层分布不均，使F3风机运行压力偏低(实际压力4804Pa，而额定压力为6664Pa)，导致流量增大等。

案例2：某5000t/d生产线，篦冷机冷却风机共有15台。与案例1相同，由第三方单位对各风机的风量、压力等进行热工标定。在此，基于DCS显示的变频器频率、风机压力、电流，分别用式1)和式2)对满足比例定律的风机进行估算，结果如表2所示。

与案例1相比，案例2计算的风机总风量较标定风量误差较大，两种方法所得结果较标定结果分别偏大20％和10％。同时，对比单台风机的计算值与标定值，Fg4b、F4、F7、F8风机的计算值较标定值明显偏大，F1、F2风机的计算值较标定值明显偏小。根据表2计算结果，可以基本判定F1、F2风机处料层分布不均或料层相对较薄等；Fg4b、F4风机运行效率偏低；与Fg4b风机不同，F7、F8风机压力大于额定压力，通常表明此处料层相对较厚，导致风机压力增加，电流升高等。

表2 案例2计算结果与标定结果的对比

总结案例1和案例2所反映的篦冷机、冷却风机运行状态，可分以下四种情况：

(1)对于计算结果明显偏大的风机，在假定标定结果准确性的基础上，通常是由于风机运行效率偏低或料层“相对”风机压头较厚导致。如果上述风机的运行压力较风机额定压力偏小，说明该风机运行效率较低，电机做出的功无法转换为有效的风量与风压，此类风机耗电量偏大，且冷却效果较差，建议更换为更高效的风机。

如果上述风机的运行压力接近或超过风机额定压力，则说明此处料层“相对”风机压头较厚，冷却风吹不动而导致压力增大，同时风机电流升高做功增加，风机实际风量通常偏低，此类风机压头略有偏小，可适当调整篦冷机料层厚度或篦板阻力等。

(2)对于计算结果明显偏小的风机，通常是因为标定风量大于额定风量。如果该风机实际压力低于额定压力，计算结果偏小可能是由于此处篦冷机料层分布不均或料层较薄，部分熟料被吹穿，使得风机压力偏低，流量增大；如果该风机实际压力接近或高于额定压力，计算结果偏小可能是标定结果有误或阀门、频率反馈有误等问题。

(3)计算公式(2)结果大，而计算公式(1)结果小，如案例2中的F9风机。可以基本判定是由于此处料层“相对”风机压头过厚，导致风机压力升高。与情况(2)所述的“料层相对较厚”不同，此时风机电流不升反而下滑，说明风机不能满足冷却要求，往往需要更换压头更大的风机。

(4)计算公式(2)结果小，而计算公式(3)结果大。可以基本判断此类风机运行效率相当低。与情况(2)所述的“风机运行效率较低”不同，此时风机压力相对较低，而电流相对高，说明风机运行效率相当低，往往需要更换效率更高的风机。

根据离心式风机的特性，阐述了一种估算篦冷机冷却风机风量的方法，该方法计算的风机风量与标定值相比存在一定误差。针对误差较大的单台风机，通过分析风机压力、电流等参数，可对篦冷机运行状态、风机状态等进行判定，以此指导企业更换风机、调整篦冷机运行参数等，实现篦冷机换热效率的提高、余热发电量的增加和单位冷却电耗的降低。

作者：王俊杰

来源：《中国建筑材料科学研究总院》

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