寇得領 梅黎峰 張傲雪
摘 要：文章詳細介紹了磁懸浮離心鼓風機結(jié)構組成、運行原理以及設備優(yōu)缺點，與常見的羅茨風機和離心風機進行了性能比較。在此基礎上，介紹了磁懸浮離心鼓風機在山東某水泥廠風機改造中的應用，通過改造，設備運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，節(jié)能效果明顯，現(xiàn)場噪音明顯下降，在風量提高17%的情況下，節(jié)能16.67%，每年節(jié)電近259200 kWh。
關鍵詞：磁懸浮離心鼓風機；節(jié)能降耗；羅茨風機；離心風機
0 前言
目前水泥行業(yè)環(huán)保形勢日趨嚴峻，將粉塵排放量控制在達標數(shù)值非常重要。在這過程中還要考慮到各類型設備的能耗問題，其中風機作為水泥廠高耗能中一員，其節(jié)能減耗勢在必行。然而應用多年 的羅茨風機、多級離心風機、單級離心風機在此已經(jīng)遇到瓶頸，需要更為節(jié)能的風機來推動綠色環(huán)保，而近期兩年內(nèi)大熱的磁懸浮離心鼓風機為解決這一問題提供了思路。
1 磁懸浮離心鼓風機介紹
1.1 原理
磁懸浮離心鼓風機是采用磁懸浮軸承的透平設備的一種。其主要結(jié)構是鼓風機葉輪直接安裝在電機軸延伸端上，而轉(zhuǎn)子被垂直懸浮于主動式磁性軸承控制器上，不需要增速器及聯(lián)軸器，實現(xiàn)由高速電 機直接驅(qū)動，由變頻器來調(diào)速的單級高速離心鼓風機。該類風機采用一體化設計，其高速電機、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計和集成，其核心是磁懸浮軸承和永磁電機技術，結(jié)構示意圖見圖1。
磁懸浮軸承的功能是實現(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行調(diào)理、運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，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮。
同步永磁電機的功能是驅(qū)動轉(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定子即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，帶動轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)。
風機的功能是實現(xiàn)鼓風。隨轉(zhuǎn)軸一同做高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動空氣從渦殼的進氣口進入，空氣在蝸殼的導向與增壓作用下成為具有一定流速與壓力的氣體，臨末從渦殼的出氣口鼓出，這就實現(xiàn)了風機的鼓風。
1.2 磁懸浮離心鼓風機的結(jié)構
磁懸浮離心鼓風機的主要部件包括高效離心葉輪、磁懸浮軸承、同步永磁電機和專用變頻器四部分。
（1）高速離心葉輪。葉輪采用三元流動理論設計及參數(shù)優(yōu)化，使葉輪效率化，工作區(qū)域廣；其材質(zhì)采用高強度鍛鋁或鈦合金，抗變形能力強；經(jīng)過數(shù)控加工中心精密加工而成，防腐性能更好。經(jīng)過國家流體實驗室專家測得葉輪工作點效率可達85%，見圖2。
（2）高速永磁同步電機。在電機的主軸上安裝永磁鐵，保證主軸磁性。電機的定子硅鋼片纏繞的線圈，產(chǎn)生震蕩磁力，在運轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速和震蕩磁場保持一致，實現(xiàn)同步。永磁電動機采用磁懸浮軸承，具有無機械摩擦、低噪音、低振動以及壽命長的特點，轉(zhuǎn)速可達50 000 r/min，見圖3。
（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)軸不受任何機械阻力，因此效率高、無磨損、無需維護、無需潤滑油、沽出的空氣也絕不含油，見圖4。
（4）電機智能控制系統(tǒng)。磁懸浮鼓風機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的旋轉(zhuǎn)，進而控制鼓風機的流量，滿足各種工況使用。智能控制系統(tǒng)可以預測喘振和實現(xiàn)就地控制，且設備安裝了GPRS系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。
1.3 磁懸浮鼓風機的優(yōu)點
（1）高效率、節(jié)能。采用自主設計的高效離心葉輪、高效同步永磁電機驅(qū)動和無接觸式磁懸浮軸承技術，與傳統(tǒng)的容積式羅茨風機相比節(jié)能30%；與傳統(tǒng)的齒輪增速單級離心鼓風機相比節(jié)能約12%。
（2）低振動、低噪音。采用先進的磁懸浮軸承系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動部件與機械系統(tǒng)無接觸，無機械摩擦，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，振動小，整體噪音很低。
（3）無潤滑油、無機械保養(yǎng)。采用先進的磁懸 浮軸承系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)風機所必需的復雜齒輪變速箱及油性軸承系統(tǒng)，做到了無潤滑油、無機械保養(yǎng)。有效降低了用戶的維護成本，保證了風機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
（4）易安裝、易維護。磁懸浮離心鼓風機重量輕、體積小、無需大型起吊設備，兩名普通的技術人員就可以輕松的完成安裝工作。而日常維護僅僅需要更換空氣過濾布，方便簡單。
（5）系統(tǒng)集成性高。鼓風機本身已經(jīng)集成了就地控制和變頻系統(tǒng)于一體，不需要單獨設立變頻柜及操作柜。通過風機自身的控制面板就可以實現(xiàn)各種功能額設定和對流溫度、電機轉(zhuǎn)數(shù)、出風壓力、風量、消耗功率等參數(shù)進行查詢。高效過濾器、冷卻系統(tǒng)、全自動防喘振系統(tǒng)、停電和故障保護系統(tǒng)等，實時觸摸屏，為操作工人帶來方便及減少操作事故的發(fā)生。
（6）遠程監(jiān)控。鼓風機增加了遠程監(jiān)控功能，更便捷、更及時地為客戶貼身服務。實現(xiàn)了遠程集中控制及數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸，為風機的運行提供了必要的技術參數(shù)依據(jù)和故障查詢依據(jù)。
2 磁懸浮離心鼓風機與羅茨風機、普通離心風機的比較
在水泥廠整個運營中，常見的鼓風機有羅茨風機，大型離心風機，他們都是高耗能、高噪音設備。
（1）羅茨鼓風機。羅茨鼓風機利用兩個葉形轉(zhuǎn)子或者三個葉形轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作相對運動來壓縮和輸送氣體，其結(jié)構簡單、制造方便，易于控制和維護，但是效率低于多級、單級離心風機，氣流脈動與噪音大，在水泥廠中多用于生料庫庫內(nèi)外環(huán)充氣、窯頭一次風、回轉(zhuǎn)窯及分解爐送風。
（2）離心鼓風機。當電機轉(zhuǎn)動帶動風機葉輪旋轉(zhuǎn)時，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，使氣體在流動中把動能轉(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壓，由于入口呈負壓，使外界氣體在大氣壓的作用下立即補入，在葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)作用下不斷排出和補入氣體，從而到達連續(xù)鼓風的目的。
離心鼓風機根據(jù)其工作葉輪數(shù)量分為多級離心鼓風機和單級離心鼓風機。由于離心鼓風機在大風量時效率遠高于羅茨風機，在水泥廠多被用于窯頭窯尾煙囪排風機、水泥磨及煤磨排風機、原料磨及輥壓機循環(huán)風機、窯尾高溫風機等。
常用的鼓風機能耗依次為：羅茨風機＞多級離心鼓風機＞單級離心鼓風機，綜合性能比較見表1。
3 磁懸浮離心鼓風機在水泥廠中的應用
離心風機和羅茨風機在水泥廠應用較多，但其缺點是高耗能、高噪音，而磁懸浮風機正好避開了這一問題，下面就以羅茨風機作為對象進行分析。
山東某水泥廠風機改造前后數(shù)據(jù)對比見表2，從表2可知，該風機改造前運行總風量為 228 m3/min， 改造后運行總風量為 267 m3/min，改造后風量提高了17.11%；改造前電流為 512.79 A，改造后 電流為427.33A，節(jié)約16.67%。
磁懸浮鼓風機的節(jié)能效果明顯，通過計算每年可節(jié)約103.68 t標準煤，可減少243 t二氧化碳排放。
4 磁懸浮離心鼓風機目前存在的問題
（1）整體采購價格較羅茨風機昂貴，但隨著掌握該技術的國內(nèi)生產(chǎn)廠家越來越多，技術越來越成熟，其價格也在逐步趨近合理化。
（2）磁懸浮風機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機造成損壞。
（3）磁懸浮軸承及控制器相對其他類型的軸承來說，結(jié)構復雜，出現(xiàn)故障難以及時維修，需要廠家到廠維修，甚至返廠維修，可能存在維修費用高、周期長的問題。
5 結(jié)語
（1）磁懸浮鼓風機具有高效節(jié)能、低振動、低噪音、無潤滑油、無機械保養(yǎng)的優(yōu)點；另外磁懸浮鼓風機體積小，自動化程度高，方便安裝易維護，運行振動小，噪音低，非常適合水泥廠節(jié)能降耗改造。
（2）磁懸浮鼓風機雖然購置費用及維修費用較貴，但是每年節(jié)約的能耗足以抵消該費用的攤銷，且在未來的2年后實現(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。
來源：《水泥工程》 2020年01期
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