掌控風(fēng)機系統(tǒng)效率
風(fēng)機基礎(chǔ)
在水泥廠中，氣體流過位于氣體流程中的風(fēng)機。風(fēng)機從其驅(qū)動電機獲得的部分能量轉(zhuǎn)化為氣體的動能。在水泥廠中有兩種型式的風(fēng)機：軸流和離心風(fēng)機。軸流風(fēng)機用于冷卻設(shè)備表面（如回轉(zhuǎn)窯）以及通風(fēng)。離心風(fēng)機用于將空氣吹送進(jìn)系統(tǒng)或?qū)怏w甚至固體顆粒一起帶出系統(tǒng)（如圖1）。本文主要關(guān)注離心風(fēng)機。
風(fēng)機性能曲線
風(fēng)機性能曲線是風(fēng)機壓頭與體積流量的關(guān)系曲線，如圖2所示。當(dāng)風(fēng)機壓頭等于系統(tǒng)的壓頭損失（壓降）時，系統(tǒng)達(dá)到一個平衡狀態(tài)。
風(fēng)機性能曲線與系統(tǒng)壓降曲線的交點即是風(fēng)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(fēng)機性能曲線中的臨界點。
風(fēng)機定律：
風(fēng)機轉(zhuǎn)速（N）對能源消耗有很大影響，是由于：
體積流量的變化與風(fēng)機轉(zhuǎn)速（N）成正比；
風(fēng)機壓頭的變化與N2成正比；
風(fēng)機功率消耗的變化與N3成正比。
注：風(fēng)機的功率消耗主要依賴于風(fēng)機轉(zhuǎn)速的變化。
風(fēng)機性能曲線的演變
實際應(yīng)用中，風(fēng)機性能曲線隨以下因素而變化：風(fēng)機轉(zhuǎn)速，進(jìn)口風(fēng)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(fēng)機提供的功率。
若風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化（圖3a），或風(fēng)機進(jìn)口百葉閥開度變化（圖3b），風(fēng)機運行點將沿著系統(tǒng)壓降曲線移動。
變頻驅(qū)動：對于固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)機，當(dāng)進(jìn)口百葉閥開度從100%變化到60%，體積流量減少，而風(fēng)機產(chǎn)生的壓頭仍然相同。部分壓頭用來克服風(fēng)門處的壓降（ΔPd），其余的用來克服系統(tǒng)阻力。這就是用變頻驅(qū)動來調(diào)節(jié)風(fēng)機流量而不用風(fēng)門的原因，避免風(fēng)門造成的能量損失。
若氣體溫度或密度發(fā)生變化（圖3c），風(fēng)機特性曲線以及系統(tǒng)壓降曲線將被改變。
為什么討論風(fēng)機效率
工藝風(fēng)機的功能
工藝風(fēng)機是水泥廠中的重要設(shè)備。圖4給出了水泥熟料生產(chǎn)以及主要工藝風(fēng)機進(jìn)行氣體處理的工藝流程。在此我們將風(fēng)機依據(jù)其裝機功率的大小進(jìn)行編號。
1#風(fēng)機是原料磨循環(huán)風(fēng)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(fēng)機的功率最大。
2#風(fēng)機為預(yù)熱器出口高溫風(fēng)機（ID fan）。若生料磨采用球磨，該風(fēng)機的功率最大。該風(fēng)機布置于預(yù)熱器出口，可以形象地比喻它為熟料煅燒系統(tǒng)的“肺”：窯內(nèi)及分解爐內(nèi)的燃料燃燒及生料分解產(chǎn)生的廢氣通過風(fēng)機排出系統(tǒng)，預(yù)熱器系統(tǒng)中進(jìn)行的氣固換熱是在該風(fēng)機給力下進(jìn)行的。高溫風(fēng)機設(shè)計及運行，將影響熟料產(chǎn)量及系統(tǒng)能源消耗。
3#風(fēng)機為篦冷機冷卻風(fēng)機，根據(jù)生產(chǎn)線規(guī)模設(shè)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(hù)篦冷機之后的設(shè)備及部件，對熟料進(jìn)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(zhì)量。鼓入的冷空氣與熱熟料熱交換后，一部分用作二次風(fēng)以及三次風(fēng)。一部分多余的空氣將通過下面將提到的頭排風(fēng)機排除系統(tǒng)。冷卻風(fēng)機如果設(shè)計及運行不好，將影響熟料質(zhì)量，系統(tǒng)能源消耗，甚至?xí)p壞熟料輸送系統(tǒng)及熟料庫中的設(shè)備部件。
4#風(fēng)機為尾排風(fēng)機（或稱為原料磨排風(fēng)機或煙囪風(fēng)機）。生產(chǎn)1t熟料，將產(chǎn)生2.2t廢氣（成分主要是CO2、N2、O2、NOx、SOx），并含有一定濃度的粉塵。
5#風(fēng)機為頭排風(fēng)機（冷卻機廢氣風(fēng)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(fēng)機為煤磨風(fēng)機。
對于一條大型熟料生產(chǎn)線，受生產(chǎn)水泥的種類以及水泥磨的產(chǎn)量限制，一般設(shè)有2-3臺水泥磨。每一套水泥磨系統(tǒng)，都有一臺選粉風(fēng)機和水泥磨風(fēng)機，若采用輥壓機，還有輥壓機風(fēng)機。
除了上述提及的主要工藝風(fēng)機外，水泥廠還有超過100臺非工藝風(fēng)機。這些風(fēng)機中有的與袋收塵器配套對不同輸送系統(tǒng)的粉塵進(jìn)行收塵，有的作為空氣斜槽的充氣風(fēng)機，還有的用于冷卻設(shè)備表面。
水泥廠中的風(fēng)機能耗
表1列出了主要工藝風(fēng)機，并給出了兩種典型熟料產(chǎn)量下風(fēng)機的規(guī)格及裝機功率。
比如，一條5000tpd生產(chǎn)線，總裝機功率接近41MW，主要工藝風(fēng)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(shè)備群組。按實際負(fù)荷80%計算，主要工藝風(fēng)機的功率消耗在10MW左右。
風(fēng)機效率
工藝風(fēng)機是水泥廠的第二大功率消耗設(shè)備，水泥廠應(yīng)在專家的幫助下，盡最大努力掌控風(fēng)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(shù)據(jù)作為輸入，風(fēng)機效率作為輸出計算出來，如表2所示。水泥廠應(yīng)該清楚在風(fēng)機效率方面，與基準(zhǔn)風(fēng)機效率相比，他們處在什么水平。表3列出了風(fēng)機效率的基準(zhǔn)數(shù)值。
影響風(fēng)機效率的主要因素
設(shè)計/制造階段：
風(fēng)機殼體的設(shè)計；
風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口；
風(fēng)機葉片的設(shè)計；
電驅(qū)動方式（電機和變頻器）；
生產(chǎn)運行階段：
風(fēng)機轉(zhuǎn)速；
葉輪上的灰塵沉積；
風(fēng)機殼體的損壞或變形程度；
風(fēng)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(fēng)機運行效率診斷
建議對水泥廠的主要工藝風(fēng)機效率開展診斷。圖5給出了風(fēng)機效率診斷的流程圖。
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總效率
總效率是風(fēng)機效率、驅(qū)動系統(tǒng)效率以及工藝系統(tǒng)效率的綜合（圖6）。
風(fēng)機效率和驅(qū)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(fù)責(zé)安裝的。
工藝系統(tǒng)效率（窯和預(yù)熱器系統(tǒng)）部分決定于初始設(shè)計（旋風(fēng)筒的尺寸、內(nèi)筒，連接風(fēng)管等）。隨著時間推進(jìn)，系統(tǒng)性能隨著不同的運行狀態(tài)以及維護(hù)程度而變化。
實例1：高溫風(fēng)機（ID fan）
按前述的風(fēng)機法則：風(fēng)機所需功率=Qv×Pt（Qv是體積流量，Pt是風(fēng)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(xué)方程表明：體積流量增加，壓降增加（與Qv2成正比）。
可知，由于窯/預(yù)熱器系統(tǒng)的不同，高溫風(fēng)機的單位電耗對不同生產(chǎn)線有很大不同。兩個主要的因素是預(yù)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(fēng)量等有關(guān)。不容易在線測量并呈現(xiàn)給操作者，是一個隱性參數(shù)。
預(yù)熱器出口壓力（簡記為P）或流程阻力，受到旋風(fēng)筒形狀和尺寸、內(nèi)筒、連接風(fēng)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(jù)圖7中的公式，溫度升高，則密度減小，相同質(zhì)量流量的氣體則體積流量增大。
P和T兩個參數(shù)，在中控室可以很容易監(jiān)測，而且它們對高溫風(fēng)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(yù)熱器出口的溫度和壓力以及高溫風(fēng)機的功率消耗。
節(jié)能
工廠G優(yōu)良的系統(tǒng)設(shè)計和運行操作，預(yù)熱器出口的溫度和壓力均較低。此外，采用變頻驅(qū)動（VSD）可以使風(fēng)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(fēng)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(chǎn)量為5000tpd（160萬tpa），所用電價為$100/MWh。僅高溫風(fēng)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(dǎo)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(fēng)機在最佳狀態(tài)下運行是值得的（圖9）。
操作者/員工對風(fēng)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(zé)任心及技術(shù)水平的不同，不同人操作導(dǎo)致的系統(tǒng)性能有很大不同（圖10）。對窯操來說，比如，關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI: Key Performance Indicator）為：產(chǎn)量、單位電耗、單位熱耗以及熟料質(zhì)量。那么，高溫風(fēng)機、篦冷機冷卻風(fēng)機以及頭排風(fēng)機（篦冷機廢氣風(fēng)機）的功率消耗都是不可或缺的。
實例2：冷卻機廢氣排風(fēng)機（頭排風(fēng)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(fēng)機的能源消耗數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯捎诠r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(fēng)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(shù)據(jù)，使他們確認(rèn)如何使得
篦冷機運行在其最佳狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)甚至可以使工藝專家坐在技術(shù)中心，通過遠(yuǎn)程瀏覽，作出評論并給出建議。
決策制定
在設(shè)計水泥廠時，必須合理的對風(fēng)機選型。對主要的工藝風(fēng)機選型原則如下：風(fēng)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(xiàn)窯涌料，大量的熟料沖進(jìn)篦冷機，必須有足夠流量的高壓空氣來冷卻熟料，頭排風(fēng)機的儲備容量可以保護(hù)設(shè)備不被燒壞。
根據(jù)系統(tǒng)的額定工況選擇風(fēng)機，使風(fēng)機處于最佳運行工況點。（流量按冷卻或燃燒目的進(jìn)行選擇，壓力按照系統(tǒng)阻力選擇）。
對于固定速度的風(fēng)機，常用的調(diào)節(jié)的方式是通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣門（百葉）調(diào)節(jié)開度（一般40-100%）。在這種情況下，進(jìn)氣閥門帶來了額外的壓降，風(fēng)機的部分壓頭用來克服這個壓降（ΔPd，如圖3b所示），是能源和金錢的浪費。
變頻調(diào)速（VSD）是精確控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速（流量和壓力）的一種策略。如果使用恰當(dāng)，VSD可以大大降低能源消耗，因為風(fēng)機的能源消耗與N3成正比（N為風(fēng)機轉(zhuǎn)速），但是投資較大。當(dāng)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(fēng)機驅(qū)動方式的決策制定
對現(xiàn)有風(fēng)機加裝VSD系統(tǒng)時，許多人會假定，如果一臺篦冷機冷卻風(fēng)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(guān)于篦冷機冷卻風(fēng)機的實例。工藝部門發(fā)現(xiàn)，通過VSD降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速后，風(fēng)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(fēng)門開度設(shè)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(fēng)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(jù)需要調(diào)整VSD的速度。表5表明了在風(fēng)機和驅(qū)動方式設(shè)計中的典型問題。在工廠B中，即便操作者將VSD滿速運行，風(fēng)機壓力仍然低于其它工廠（例如3室）。
這個實例表明風(fēng)機驅(qū)動方式選擇的決策制定不僅包含電氣部門，還應(yīng)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(fēng)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(jié)論
工藝風(fēng)機是水泥廠的重要設(shè)備；起著至關(guān)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(guān)于風(fēng)機效率的評審，包括測量、計算、基準(zhǔn)比較以及診斷。
整體效率是風(fēng)機效率、驅(qū)動系統(tǒng)以及工藝系統(tǒng)效率的綜合。在預(yù)熱器高溫風(fēng)機系統(tǒng)中，氣體體積流量、壓降、溫度都對風(fēng)機的單位電耗有重要影響。整體系統(tǒng)效率（風(fēng)機、驅(qū)動、工藝系統(tǒng)設(shè)計及運行操作）可以得到改善。
員工/操作者可導(dǎo)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(jìn)。
決策的制定過程（如確定風(fēng)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(jīng)過合理的設(shè)計和規(guī)劃就加裝VSD，將不能產(chǎn)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。
編輯：陳宗勤
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