磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)在水泥廠節(jié)能降耗中的應(yīng)用

寇得領(lǐng)，梅黎峰，張傲雪（蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215300）

0 前言

目前水泥行業(yè)環(huán)保形勢日趨嚴(yán)峻，將粉塵排放量控制在達(dá)標(biāo)數(shù)值非常重要。在這過程中還要考慮到各類型設(shè)備的能耗問題，其中風(fēng)機(jī)作為水泥廠高耗能中一員，其節(jié)能減耗勢在必行。然而應(yīng)用多年的羅茨風(fēng)機(jī)、多級離心風(fēng)機(jī)、單級離心風(fēng)機(jī)在此已經(jīng)遇到瓶頸，需要更為節(jié)能的風(fēng)機(jī)來推動(dòng)綠色環(huán)保，而最近兩年內(nèi)大熱的磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)為解決這一問題提供了思路。

1 磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)介紹

1.1 原理

磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)是采用磁懸浮軸承的透平設(shè)備的一種。其主要結(jié)構(gòu)是鼓風(fēng)機(jī)葉輪直接安裝在電機(jī)軸延伸端上，而轉(zhuǎn)子被垂直懸浮于主動(dòng)式磁性軸承控制器上，不需要增速器及聯(lián)軸器，實(shí)現(xiàn)由高速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由變頻器來調(diào)速的單級高速離心鼓風(fēng)機(jī)。該類風(fēng)機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，其高速電機(jī)、變頻器、磁性軸承控制系統(tǒng)和微處理控制盤等均采用一體設(shè)計(jì)和集成，其核心是磁懸浮軸承和永磁電機(jī)技術(shù)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

磁懸浮軸承的功能是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸懸浮。它通過內(nèi)置的位置傳感器檢測轉(zhuǎn)軸的位置信號，將此信號送入磁懸浮軸承控制器進(jìn)行調(diào)理、運(yùn)算和放大得到控制電流，再將該控制電流輸入磁軸承，產(chǎn)生對轉(zhuǎn)子可控的吸力，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮。

同步永磁電機(jī)的功能是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)。它通過變頻電源產(chǎn)生頻率可調(diào)的交變電流，將此交變電流輸入電機(jī)定子即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)。

風(fēng)機(jī)的功能是實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)。隨轉(zhuǎn)軸一同做高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動(dòng)空氣從渦殼的進(jìn)氣口進(jìn)入，空氣在蝸殼的導(dǎo)向與增壓作用下成為具有一定流速與壓力的氣體，最后從渦殼的出氣口鼓出，這就實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)。

圖1 磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)的主要部件包括高效離心葉輪、磁懸浮軸承、同步永磁電機(jī)和專用變頻器四部分。

（1）高速離心葉輪。葉輪采用三元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化，使葉輪效率最大化，工作區(qū)域廣；其材質(zhì)采用高強(qiáng)度鍛鋁或鈦合金，抗變形能力強(qiáng)；經(jīng)過數(shù)控加工中心精密加工而成，防腐性能更好。經(jīng)過國家流體實(shí)驗(yàn)室專家測得葉輪工作點(diǎn)最高效率可達(dá)85%，見圖2。

（2）高速永磁同步電機(jī)。在電機(jī)的主軸上安裝永磁鐵，保證主軸磁性。電機(jī)的定子硅鋼片纏繞的線圈，產(chǎn)生震蕩磁力，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速和震蕩磁場保持一致，實(shí)現(xiàn)同步。永磁電動(dòng)機(jī)采用磁懸浮軸承，具有無機(jī)械摩擦、低噪音、低振動(dòng)以及壽命長的特點(diǎn)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)50000r/min，見圖3。

圖2 高速離心葉輪

圖3 高速永磁同步電機(jī)截面圖

（3）磁懸浮軸承。通過可控的電磁吸力使轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定地懸浮，在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)軸不受任何機(jī)械阻力，因此效率高、無磨損、無需維護(hù)、無需潤滑油、沽出的空氣也絕不含油，見圖4。

圖4 磁懸浮軸承

（4）電機(jī)智能控制系統(tǒng)。磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)一般采用無矢量變頻控制，用調(diào)節(jié)頻率的方法來控制永磁電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制鼓風(fēng)機(jī)的流量，滿足各種工況使用。智能控制系統(tǒng)可以預(yù)測喘振和實(shí)現(xiàn)就地控制，且設(shè)備安裝了GPRS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

（1）高效率、節(jié)能。采用自主設(shè)計(jì)的高效離心葉輪、高效同步永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)和無接觸式磁懸浮軸承技術(shù)，與傳統(tǒng)的容積式羅茨風(fēng)機(jī)相比節(jié)能30%；與傳統(tǒng)的齒輪增速單級離心鼓風(fēng)機(jī)相比節(jié)能約12%。

（2）低振動(dòng)、低噪音。采用先進(jìn)的磁懸浮軸承系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)部件與機(jī)械系統(tǒng)無接觸，無機(jī)械摩擦，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，振動(dòng)小，整體噪音很低。

（3）無潤滑油、無機(jī)械保養(yǎng)。采用先進(jìn)的磁懸浮軸承系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)所必需的復(fù)雜齒輪變速箱及油性軸承系統(tǒng)，做到了無潤滑油、無機(jī)械保養(yǎng)。有效降低了用戶的維護(hù)成本，保證了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（4）易安裝、易維護(hù)。磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)重量輕、體積小、無需大型起吊設(shè)備，兩名普通的技術(shù)人員就可以輕松的完成安裝工作。而日常維護(hù)僅僅需要更換空氣過濾布，方便簡單。

（5）系統(tǒng)集成性高。鼓風(fēng)機(jī)本身已經(jīng)集成了就地控制和變頻系統(tǒng)于一體，不需要單獨(dú)設(shè)立變頻柜及操作柜。通過風(fēng)機(jī)自身的控制面板就可以實(shí)現(xiàn)各種功能額設(shè)定和對流溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、出風(fēng)壓力、風(fēng)量、消耗功率等參數(shù)進(jìn)行查詢。高效過濾器、冷卻系統(tǒng)、全自動(dòng)防喘振系統(tǒng)、停電和故障保護(hù)系統(tǒng)等，實(shí)時(shí)觸摸屏，為操作工人帶來方便及減少操作事故的發(fā)生。

（6）遠(yuǎn)程監(jiān)控。鼓風(fēng)機(jī)增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，更便捷、更及時(shí)地為客戶貼身服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制及數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸，為風(fēng)機(jī)的運(yùn)行提供了必要的技術(shù)參數(shù)依據(jù)和故障查詢依據(jù)。

2 磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)與羅茨風(fēng)機(jī)、普通離心風(fēng)機(jī)的比較

在水泥廠整個(gè)運(yùn)營中，常見的鼓風(fēng)機(jī)有羅茨風(fēng)機(jī)，大型離心風(fēng)機(jī)，他們都是高耗能、高噪音設(shè)備。

（1）羅茨鼓風(fēng)機(jī)。羅茨鼓風(fēng)機(jī)利用兩個(gè)葉形轉(zhuǎn)子或者三個(gè)葉形轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作相對運(yùn)動(dòng)來壓縮和輸送氣體，其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，易于控制和維護(hù)，但是效率低于多級、單級離心風(fēng)機(jī)，氣流脈動(dòng)與噪音大，在水泥廠中多用于生料庫庫內(nèi)外環(huán)充氣、窯頭一次風(fēng)、回轉(zhuǎn)窯及分解爐送風(fēng)。

（2）離心鼓風(fēng)機(jī)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪中葉片之間的氣體也跟著旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下甩出這些氣體，氣體流速增大，使氣體在流動(dòng)中把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓能，然后隨著流體的增壓，使靜壓能又轉(zhuǎn)換為速度能，通過排氣口排出氣體，而在葉輪中間形成了一定的負(fù)壓，由于入口呈負(fù)壓，使外界氣體在大氣壓的作用下立即補(bǔ)入，在葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)作用下不斷排出和補(bǔ)入氣體，從而到達(dá)連續(xù)鼓風(fēng)的目的。

離心鼓風(fēng)機(jī)根據(jù)其工作葉輪數(shù)量分為多級離心鼓風(fēng)機(jī)和單級離心鼓風(fēng)機(jī)。由于離心鼓風(fēng)機(jī)在大風(fēng)量時(shí)效率遠(yuǎn)高于羅茨風(fēng)機(jī)，在水泥廠多被用于窯頭窯尾煙囪排風(fēng)機(jī)、水泥磨及煤磨排風(fēng)機(jī)、原料磨及輥壓機(jī)循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯尾高溫風(fēng)機(jī)等。

常用的鼓風(fēng)機(jī)能耗依次為：羅茨風(fēng)機(jī)＞多級離心鼓風(fēng)機(jī)＞單級離心鼓風(fēng)機(jī)，綜合性能比較見表1。

3 磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)在水泥廠中的應(yīng)用

離心風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)在水泥廠應(yīng)用較多，但其缺點(diǎn)是高耗能、高噪音，而磁懸浮風(fēng)機(jī)正好避開了這一問題，下面就以羅茨風(fēng)機(jī)作為對象進(jìn)行分析。

山東某水泥廠風(fēng)機(jī)改造前后數(shù)據(jù)對比見表2，從表2可知，該風(fēng)機(jī)改造前運(yùn)行總風(fēng)量為228m3/m，改造后運(yùn)行總風(fēng)量為267m3/m，改造后風(fēng)量提高了17.11%；改造前電流為512.79 A，改造后電流為427.33A，節(jié)約16.67%。

磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果明顯，通過計(jì)算每年可節(jié)約103.68t標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少243t二氧化碳排放。

4 磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)目前存在的問題

表1 常用鼓風(fēng)機(jī)能耗對比

表2 山東某水泥廠風(fēng)機(jī)改造前后數(shù)據(jù)對比

（1）整體采購價(jià)格較羅茨風(fēng)機(jī)昂貴，但隨著掌握該技術(shù)的國內(nèi)生產(chǎn)廠家越來越多，技術(shù)越來越成熟，其價(jià)格也在逐步趨近合理化。

（2）磁懸浮風(fēng)機(jī)需要對磁懸浮軸承供電來提供磁力，并且需要一套備用電源及備用軸承，來避免突然斷電對風(fēng)機(jī)造成損壞。

（3）磁懸浮軸承及控制器相對其他類型的軸承來說，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出現(xiàn)故障難以及時(shí)維修，需要廠家到廠維修，甚至返廠維修，可能存在維修費(fèi)用高、周期長的問題。

5 結(jié)語

（1）磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)具有高效節(jié)能、低振動(dòng)、低噪音、無潤滑油、無機(jī)械保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)；另外磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)體積小，自動(dòng)化程度高，方便安裝易維護(hù)，運(yùn)行振動(dòng)小，噪音低，非常適合水泥廠節(jié)能降耗改造。

（2）磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)雖然購置費(fèi)用及維修費(fèi)用較貴，但是每年節(jié)約的能耗足以抵消該費(fèi)用的攤銷，且在未來的2年后實(shí)現(xiàn)大大的盈利，它的面世，將為水泥、冶金、石化等眾多行業(yè)帶來革命性的變化，將為國家的節(jié)能減排事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。