浅析水泥厂空气悬浮鼓风机的正确选型与应用

赵 兵 武韶微 贾 凡 李山水

（1.山东恒拓科技发展有限公司，山东 济南 250000； 2.山东山水水泥集团有限公司，山东 济南 250307）

0 引言

近年来，山水集团调整创新发展思路，多措并举紧紧围绕节能减排持续发力。公司以水泥生产线的重点能耗设备作为切入点，对市场上种类众多的节能降耗设备、技术手段进行了大量调研论证和实地考察。风机作为水泥生产线上诸多环节气体流动的动力源，消耗的电力不可小觑。公司的调研结果为空气悬浮鼓风机替换传统罗茨鼓风机创造了条件。本文仅就水泥厂空气悬浮鼓风机的正确选型与应用进行分析。

1 空气悬浮鼓风机结构组成及工作原理

空气悬浮鼓风机主要包括叶轮、空气悬浮轴承、变频器、高速永磁电机及其控制系统。电机主轴与风机叶轮同轴，高速转子系统由空气悬浮轴承实现“无接触、无机械摩擦”式支撑。空气悬浮轴承以空气为工作介质，以弹性平坦箔片为支撑面，以弹性波浪箔片为支撑构件，最大限度地减少了摩擦，减少动能损耗，达到节能目的。其主要结构组成如图1所示。

图1 空气悬浮鼓风机结构组成

空气悬浮鼓风机是在转子高速旋转时（转速可高达30000r/min），空气在转子与箔片轴承表面之间产生动压效应，形成一个高压气膜而将转子托浮起来，整个转子在空气中呈悬浮状态、无机械摩擦地高效旋转，见图2所示。初始状态（即开机前），叶轮转子与轴承（即扁平箔和波纹箔）接触（如图2中5所示）；但起动后转子进入高速旋转状态时，由于空气的黏性和楔块的作用，平面间会产生动压效应，在箔片和转子表面，使扁平箔和波纹箔发生弹性变形，将扁平箔推开，然后使转子处于悬浮状态，同时由于转子高速旋转，在转子和箔片之间形成高压气膜，对转子形成动态稳定的提升悬浮力[1]（如图2中6所示）。

图2 空气悬浮风机的转子、轴承位置及状态变化示意图

可以看出，在箔轴承的启动和停止阶段，当速度低于临界速度时，动压效应不足以悬浮转子，轴承的内表面和转子之间仍将存在接触摩擦。虽然时间很短，但是扁平箔的磨损问题会缩短其使用寿命。目前的制造技术，已经足以保证轴承使用寿命达到10万小时、起动次数不少于2万次，故只要厂家的售后服务能做到及时和定期更换，生产运行中是安全可靠的。

2 选型及应用

经过最近几年的实践，空气悬浮鼓风机在水泥行业的应用技术已经成熟，使用范围也逐渐由窑头喷送煤粉、窑尾分解炉喷送煤粉、窑头一次风机，拓展至生料均化库、水泥库库底等均化供风场所。在满足工艺要求的前提下，要实现节能最佳效果，必须正确选型和使用。

2.1 空气悬浮鼓风机的选型

（1）选型时，其中生产工艺所需要的风量和风压是最重要的技术参数。确定风压、风量参数时，一是要参照原有设备铭牌数据；二是务必要求设备厂家的技术人员到现场进行实际的测量、计算，同时要与工厂管理层和技术人员进行充分的沟通，确定后续是否有提产需求；三是要充分掌握罗茨鼓风机和空气悬浮鼓风机工作特性的区别。

罗茨风机属于容积式鼓风机，是靠旋转时叶片间的容积变化将空气挤出机壳。理论上，如果转子、机壳强度和电动机功率足够的话，其排气压力可以一直增加，也就是说其受到的阻力越大、排气压力就越大；这类风机的另一特点是其排气流量只与其转速有关，排气压力有波动时（峰值不超过其额定排气压力），只要转速不改变，排气量基本上也不变，属恒流量风机。

空气悬浮风机属于离心式鼓风机，是利用叶片旋转时所产生的离心力来挤压空气，以达到一定的风量和风压并送出机壳。输出功率不变的情况下，风压和风量一般呈反比关系:风压高，风量相对就低；风量大，风压就低一些。对于水泥厂（熟料线或粉磨线）的生产，台时产量基本保持稳定，其恒流量控制模式就能满足正常生产时的需求。现场工况（比如窑尾煤粉输送量短时波动）造成输送压力脉动时，风机进口处的流量检测装置实时检测到这一变化，控制系统就会根据与风量给定值的偏差，提升或降低风机转速，以保证实时流量。

同时，因为空气悬浮风机属于离心式鼓风机，因此同样存在有喘振和阻塞（即过流）两种特性，其风机性能曲线图见图3。为防止运行时发生喘振，在设计选型时就要尽可能使其有较宽的稳定工作区域（即图3中喘振线和过流线之间的区域，此区域为稳定、安全工作区域）。选择计算正常工况的工作点时，要距离喘振点（线）有一定的距离，一般选取喘振流量小于0.8倍的工况流量即可。

图3 某空气悬浮鼓风机性能曲线图

由图3可知，压力、流量只要在喘振线与过流线包括的区域内波动，又能满足工况要求，风机的运行就是安全可靠的，同时也就能有效地解决喘振、过流问题。

（2）特别要注意的是窑头一次风机，因为不同厂家的燃烧器，对风量、风压都有严格、特殊的要求，风压或风量匹配不好，会严重影响熟料煅烧和回转窑的产、质量。目前，市场上的燃烧器厂家品牌较多，又分高风压、中低风压、大流量、中小流量等多种规格。

回转窑点火期间，窑头用煤需要风量较小，一次风机的风量和风压较低。随着点火升温时间的增长，需要陆续增加一次风机的风压和风量，直至回转窑投料达到正常产量。因此，要求空气悬浮鼓风机能够满足回转窑点火烘窑、低产量、正常产量时的多种工况。

（3）选型时要保证正常工况下，风机运行在其曲线图的高效区域内，以达到节能预期效果；如果不在高效区域内，建议调整风机选型甚至更换设备厂家。

（4）选型时提前做好与设备厂家的交流沟通，对将来可能提产的生产线，要提前说明，确保厂家在选型时预留风量调节裕量以满足未来需求。

（5）要关注工作场所是否是高海拔地区，如果地处海拔1000m以上，应提前与厂家沟通。高海拔地区空气稀薄，会影响风压、风量参数。

风机风压计算公式为：

式中：

P1——工作场所的风压，Pa；

P2——厂家设计标准压力，Pa；

B——工作场所大气压，mmHg；

T2——设计温度，℃；

T1——工作场所工况介质温度，℃；

760mmHg——在海拔0m,空气在20℃情况下的大气压。

工作场所海拨高度换算大气压：

(760mmHg)-(海拨高度÷12.75)=工作场所大气压(mmHg)

从公式中可以看出，工作地点海拨越高，空气越稀薄（空气密度小）、大气压越低，如果不进行参数修正，风机的工作压力就可能因为过低而不能满足生产工艺要求。

由于风机风量和风压的关系是压力之比等于风量比的平方。依上述公式，根据提供的工作地点海拔高度，设备厂家一般按如下方法进行初步修正：风机流量在0～1000m海拨高度时可不修正；1000～1500m海拨高度时加2%的流量；1500～2500m海拨高度时加3%的流量；2500m以上海拨高度时加5%～8%的流量。

2.2 空气悬浮鼓风机的使用

空气悬浮鼓风机的维护较为便捷，但要保证设备的安全高效运转，操作使用人员要做好以下事项：

（1）根据现场环境清洁程度，定期清洗更换过滤棉。具体周期根据实际确定。滤棉变脏时，设备检测到机柜内外空气压差变大后，会声光报警提示。对于较清洁的使用环境，可每三个月清洗一次过滤棉，每半年至一年更换一次过滤器。过滤棉一般都1用1备，可在线更换，不影响设备正常运转。

（2）注意大功率电气设备的电磁干扰，要提前联系设备厂家对周边环境进行评估勘查。施工时按规范敷设电缆，控制电缆、模拟量电缆应选用屏蔽电缆并做好屏蔽层的接地。

（3）中控操作人员要注意运行模式的灵活选用。空气悬浮鼓风机拥有多种控制模式，在窑系统点火升温期间，可通过变换系统控制模式，实现风机的低转速、低压力和低流量输出，满足回转窑点火投料过程中的工况需要。

3 应用空气悬浮鼓风机效果对比

通过对空气悬浮鼓风机在水泥生产线上的运行数据进行统计分析，充分验证了其优越的性能指标：节电率平均可达25%～40%（见表1、表2），噪音由原来的115dB降至80dB以下；其中对职工作业环境的改善、无油化免维护带来的便捷性，更是得到了岗位工人的高度认可。

表1 集团某5000t/d熟料线节能数据对比

表2 集团某3200t/d熟料线节能数据对比

4 结束语

本文的实践证明，空气悬浮鼓风机在水泥行业的应用已经成熟，使用范围由窑头喷送煤粉、窑尾分解炉喷送煤粉、窑头一次风机，拓展至生料均化库、水泥库库底等均化供风场所。在满足工艺要求的前提下，要实现节能最佳效果，必须正确选型和使用。总之，由于空气悬浮鼓风机具有节能高效、运行稳定、故障率低、维护便捷和易实现智能化操控的特点，成为水泥企业代替罗茨鼓风机类设备节能改造和新建生产线的首选。