風機基礎

  在水泥廠中，氣體流過位于氣體流程中的風機。風機從其驅動電機獲得的部分能量轉化為氣體的動能。在水泥廠中有兩種型式的風機：軸流和離心風機。軸流風機用于冷卻設備表面（如回轉窯）以及通風。離心風機用于將空氣吹送進系統(tǒng)或將氣體甚至固體顆粒一起帶出系統(tǒng)（如圖1）。本文主要關注離心風機。

  風機性能曲線

  風機性能曲線是風機壓頭與體積流量的關系曲線，如圖2所示。當風機壓頭等于系統(tǒng)的壓頭損失（壓降）時，系統(tǒng)達到一個平衡狀態(tài)。

  風機性能曲線與系統(tǒng)壓降曲線的交點即是風機在該系統(tǒng)的工作點。系統(tǒng)的壓頭損失就是系統(tǒng)壓降，不能超過風機性能曲線中的臨界點。

  風機定律：

  風機轉速（N）對能源消耗有很大影響，是由于：

  體積流量的變化與風機轉速（N）成正比；

  風機壓頭的變化與N²成正比；

  風機功率消耗的變化與N³成正比。

  注：風機的功率消耗主要依賴于風機轉速的變化。

  風機性能曲線的演變

  實際應用中，風機性能曲線隨以下因素而變化：風機轉速，進口風門開度，氣體溫度及密度。在運行點，系統(tǒng)的壓頭損失等于風機提供的功率。

  若風機轉速變化（圖3a），或風機進口百葉閥開度變化（圖3b），風機運行點將沿著系統(tǒng)壓降曲線移動。

  變頻驅動：對于固定轉速的風機，當進口百葉閥開度從100%變化到60%，體積流量減少，而風機產生的壓頭仍然相同。部分壓頭用來克服風門處的壓降（ΔP_d），其余的用來克服系統(tǒng)阻力。這就是用變頻驅動來調節(jié)風機流量而不用風門的原因，避免風門造成的能量損失。

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

  為什么討論風機效率

  工藝風機的功能

  工藝風機是水泥廠中的重要設備。圖4給出了水泥熟料生產以及主要工藝風機進行氣體處理的工藝流程。在此我們將風機依據其裝機功率的大小進行編號。

  1#風機是原料磨循環(huán)風機，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，該風機的功率最大。

  2#風機為預熱器出口高溫風機（ID fan）。若生料磨采用球磨，該風機的功率最大。該風機布置于預熱器出口，可以形象地比喻它為熟料煅燒系統(tǒng)的“肺”：窯內及分解爐內的燃料燃燒及生料分解產生的廢氣通過風機排出系統(tǒng)，預熱器系統(tǒng)中進行的氣固換熱是在該風機給力下進行的。高溫風機設計及運行，將影響熟料產量及系統(tǒng)能源消耗。

  3#風機為篦冷機冷卻風機，根據生產線規(guī)模設置，一般為5-18臺。其作用是將冷空氣鼓入篦冷機，將熟料從1300oC冷卻至100oC左右。冷卻過程可以保護篦冷機之后的設備及部件，對熟料進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，保證熟料質量。鼓入的冷空氣與熱熟料熱交換后，一部分用作二次風以及三次風。一部分多余的空氣將通過下面將提到的頭排風機排除系統(tǒng)。冷卻風機如果設計及運行不好，將影響熟料質量，系統(tǒng)能源消耗，甚至會損壞熟料輸送系統(tǒng)及熟料庫中的設備部件。

  4#風機為尾排風機（或稱為原料磨排風機或煙囪風機）。生產1t熟料，將產生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#風機為頭排風機（冷卻機廢氣風機），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#風機為煤磨風機。

  對于一條大型熟料生產線，受生產水泥的種類以及水泥磨的產量限制，一般設有2-3臺水泥磨。每一套水泥磨系統(tǒng)，都有一臺選粉風機和水泥磨風機，若采用輥壓機，還有輥壓機風機。

  除了上述提及的主要工藝風機外，水泥廠還有超過100臺非工藝風機。這些風機中有的與袋收塵器配套對不同輸送系統(tǒng)的粉塵進行收塵，有的作為空氣斜槽的充氣風機，還有的用于冷卻設備表面。

  水泥廠中的風機能耗

  表1列出了主要工藝風機，并給出了兩種典型熟料產量下風機的規(guī)格及裝機功率。

  比如，一條5000tpd生產線，總裝機功率接近41MW，主要工藝風機的總裝機功率約為13MW，約占總裝機功率的1/3，接近磨機裝機功率，為第二大功率消耗設備群組。按實際負荷80%計算，主要工藝風機的功率消耗在10MW左右。

  風機效率

  工藝風機是水泥廠的第二大功率消耗設備，水泥廠應在專家的幫助下，盡最大努力掌控風機的效率。推薦的工作流程為“測量-計算-診斷-行動”。

  將收集和測量的數據作為輸入，風機效率作為輸出計算出來，如表2所示。水泥廠應該清楚在風機效率方面，與基準風機效率相比，他們處在什么水平。表3列出了風機效率的基準數值。

  影響風機效率的主要因素

  設計/制造階段：

  風機殼體的設計；

  風機進風口；

  風機葉片的設計；

  電驅動方式（電機和變頻器）；

  生產運行階段：

  風機轉速；

  葉輪上的灰塵沉積；

  風機殼體的損壞或變形程度；

  風機（即葉輪）使用時間；

  葉片尺寸的修改（有時改短或有時加長）；

  性能曲線的運行工作點；

  風機運行效率診斷

  建議對水泥廠的主要工藝風機效率開展診斷。圖5給出了風機效率診斷的流程圖。

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  總效率

  總效率是風機效率、驅動系統(tǒng)效率以及工藝系統(tǒng)效率的綜合（圖6）。

  風機效率和驅動效率在安裝后基本保持不變，一般是由工程隊伍或EPC公司負責安裝的。

  工藝系統(tǒng)效率（窯和預熱器系統(tǒng)）部分決定于初始設計（旋風筒的尺寸、內筒，連接風管等）。隨著時間推進，系統(tǒng)性能隨著不同的運行狀態(tài)以及維護程度而變化。

  實例1：高溫風機（ID fan）

  按前述的風機法則：風機所需功率=Q_v×P_t（Q_v是體積流量，P_t是風機全壓，來滿足系統(tǒng)壓降）。

  在圖7中，理想氣體方程表明了對于一定量的氣體，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。流體動力學方程表明：體積流量增加，壓降增加（與Q_v²成正比）。

  可知，由于窯/預熱器系統(tǒng)的不同，高溫風機的單位電耗對不同生產線有很大不同。兩個主要的因素是預熱器出口的體積流量（一般容易測量，監(jiān)測溫度代替）和壓力：

  體積流量（m³/s或m³/kg.cl）與燃燒效率、熱耗、燃料種類、系統(tǒng)運行狀態(tài)，氣體溫度、漏風量等有關。不容易在線測量并呈現給操作者，是一個隱性參數。

  預熱器出口壓力（簡記為P）或流程阻力，受到旋風筒形狀和尺寸、內筒、連接風管、氣固比、氣體溫度等的影響。

  排氣溫度（簡記為T），受到氣固換熱效率以及分解爐燃燒效率的影響。根據圖7中的公式，溫度升高，則密度減小，相同質量流量的氣體則體積流量增大。

  P和T兩個參數，在中控室可以很容易監(jiān)測，而且它們對高溫風機的單位電耗有很明顯的影響，見表4給出的實例。

  圖8給出了工廠C和G的實際的中控操作畫面，可以很方便的看到預熱器出口的溫度和壓力以及高溫風機的功率消耗。

  節(jié)能

  工廠G優(yōu)良的系統(tǒng)設計和運行操作，預熱器出口的溫度和壓力均較低。此外，采用變頻驅動（VSD）可以使風機在低速下運行。因此，在列出的3個工廠中，工廠G的高溫風機單位電耗最低，比工廠D低2.3kWh/t.cl，比工廠C低4.5kWh/t.cl。工廠D產量為5000tpd（160萬tpa），所用電價為$100/MWh。僅高溫風機的節(jié)能：

  160萬tpa×2.3kWh/t.cl=370萬kWh pa。

  370萬kWh pa×$100/MWh=$370 000pa

  對于同一系統(tǒng)，交接班導致的工藝系統(tǒng)的工況變化，其節(jié)能效果亦有所不同。如何讓高溫風機在最佳狀態(tài)下運行是值得的（圖9）。

  操作者/員工對風機功率消耗的影響

  在水泥廠中，一般實行3班制，每個工藝段有4-6名員工。不同員工責任心及技術水平的不同，不同人操作導致的系統(tǒng)性能有很大不同（圖10）。對窯操來說，比如，關鍵績效指標（KPI: Key Performance Indicator）為：產量、單位電耗、單位熱耗以及熟料質量。那么，高溫風機、篦冷機冷卻風機以及頭排風機（篦冷機廢氣風機）的功率消耗都是不可或缺的。

  實例2：冷卻機廢氣排風機（頭排風機）

  圖11給出了能源優(yōu)化系統(tǒng)（EOS）每隔半小時記錄的頭排風機的能源消耗數據?？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%。這幅圖同時也表明了大風機一般會選型超大的原因。

  利用軟件和工具（如EOS）可以時時得知哪一位員工操作、何種工況時單位電耗較低。它也給能源專家及分析者提供了工具和數據，使他們確認如何使得

  篦冷機運行在其最佳狀態(tài)。這些數據甚至可以使工藝專家坐在技術中心，通過遠程瀏覽，作出評論并給出建議。

  決策制定

  在設計水泥廠時，必須合理的對風機選型。對主要的工藝風機選型原則如下：風機容量（流量和壓力）比額定大20~30%，甚至更大些。比如，一旦出現窯涌料，大量的熟料沖進篦冷機，必須有足夠流量的高壓空氣來冷卻熟料，頭排風機的儲備容量可以保護設備不被燒壞。

  根據系統(tǒng)的額定工況選擇風機，使風機處于最佳運行工況點。（流量按冷卻或燃燒目的進行選擇，壓力按照系統(tǒng)阻力選擇）。

  對于固定速度的風機，常用的調節(jié)的方式是通過調節(jié)進氣門（百葉）調節(jié)開度（一般40-100%）。在這種情況下，進氣閥門帶來了額外的壓降，風機的部分壓頭用來克服這個壓降（ΔP_d，如圖3b所示），是能源和金錢的浪費。

  變頻調速（VSD）是精確控制風機轉速（流量和壓力）的一種策略。如果使用恰當，VSD可以大大降低能源消耗，因為風機的能源消耗與N³成正比（N為風機轉速），但是投資較大。當前，大量水泥廠正在加裝VSD系統(tǒng)，在這一決策的制定過程中有一些相同的問題。

  實例3：風機驅動方式的決策制定

  對現有風機加裝VSD系統(tǒng)時，許多人會假定，如果一臺篦冷機冷卻風機開度只有50%，則加裝VSD將會節(jié)能。這一決策一般由水泥廠的電氣部門制定。一些大公司對其所有工廠均采購VSD，而不考慮實際的工藝狀況。

  下面給出一個關于篦冷機冷卻風機的實例。工藝部門發(fā)現，通過VSD降低風機轉速后，風機壓力太低。為了保證有足夠的壓力，來冷卻篦床上一定厚度的熟料，窯操不得不將VSD運行在50Hz，并把風門開度設置到50%。圖12給出了工廠B真實的中控操作畫面，操作者將VSD運行在50Hz，風門開度40-70%。如果VSD長期滿速運行，將會耗費更多的能量，因為VSD本身也會耗費2-5%的能量。

  在一些情況下，操作者樂意根據需要調整VSD的速度。表5表明了在風機和驅動方式設計中的典型問題。在工廠B中，即便操作者將VSD滿速運行，風機壓力仍然低于其它工廠（例如3室）。

  這個實例表明風機驅動方式選擇的決策制定不僅包含電氣部門，還應該包含工藝部門以及操作者。這是一個公司運行層面上的管理問題。

  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：選擇一臺具有不同性能曲線的新風機（一般是高壓的），并考慮到與VSD一起使用，使其處于最佳運行點，與選擇1相比，可節(jié)省更多費用。這將帶來20-40%的節(jié)能可能性，但會增加新的投資。

  結論

  工藝風機是水泥廠的重要設備；起著至關重要的作用，消耗了整個工廠能源的1/3，是磨機之后第二大能源消耗大戶。

  建議由專家牽頭，開展一項關于風機效率的評審，包括測量、計算、基準比較以及診斷。

  整體效率是風機效率、驅動系統(tǒng)以及工藝系統(tǒng)效率的綜合。在預熱器高溫風機系統(tǒng)中，氣體體積流量、壓降、溫度都對風機的單位電耗有重要影響。整體系統(tǒng)效率（風機、驅動、工藝系統(tǒng)設計及運行操作）可以得到改善。

  員工/操作者可導致系統(tǒng)效率及功耗有很大不同。采用能源管理或優(yōu)化系統(tǒng)有助于開展持續(xù)的改進。

  決策的制定過程（如確定風機尺寸、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。如果沒有經過合理的設計和規(guī)劃就加裝VSD，將不能產生節(jié)能效果，甚至反而會多耗費能源。這是公司運行以及商業(yè)層面上一個共有的管理問題。