Anwendungsstudie: Energieeinsparung und Lärmminderung mit luftgelagerten Turbogebläsen in der Zementindustrie
Wang Xinming (Weifang FuYuan Turbocharger Co., Ltd., Weifang, Shandong 261205)
Zusammenfassung:Das luftgelagerte Turbogebläse ist ein hocheffizientes, energiesparendes und umweltschonendes Radialgebläse neuer Bauart. Der Beitrag stellt Aufbau und Funktionsprinzip vor. Gegenüber herkömmlichen Gebläsen ist es energiesparend, geräuscharm, ölfrei, betriebssicher, einfach zu bedienen und langlebig; es braucht keine Hilfssysteme, wenig Aufstellfläche und wenig Wartung. Am Praxisbeispiel der energetischen Gebläsesanierung in einem Zementwerk wird gezeigt, dass das luftgelagerte Turbogebläse als Ersatz für Drehkolbengebläse (Roots) bei der Kohlenstaubförderung und Luftversorgung des Drehrohrofens, am Rohmehlsilo und in weiteren Prozessschritten von Zementwerken deutlich Energie spart und den Lärm spürbar senkt.
Schlüsselwörter: luftgelagertes Turbogebläse, Zement, Materialförderung, Gasförderung, Stromverbrauch, Lärm.
Einleitung:
Gebläse nehmen in der Zementherstellung einen wichtigen Platz ein. Vor dem Hintergrund von Energieeinsparung und Emissionsminderung, des Übergangs von alten zu neuen Wachstumstreibern und der zur Regel gewordenen zeitversetzten Produktion wird die Umweltlage der Zementindustrie immer ernster; die Senkung des Energieverbrauchs ist unumgänglich. In der Zementherstellung verbrauchen Gebläse sehr viel Energie, etwa 30 %~35 % des Gesamtverbrauchs. Energieeinsparung bei den Gebläsen ist daher entscheidend für die Energieeinsparung im Prozess. Herkömmliche Gebläse stoßen hier an Grenzen. Das luftgelagerte Turbogebläse bietet einen Lösungsansatz: Es verzichtet auf die bei herkömmlichen Gebläsen nötigen Systeme wie Übersetzungsgetriebe, Kupplung, Schmierung und Kühllüfter und nutzt Hochdrehzahl-Permanentmagnet-Synchronmotor, aerodynamische Folienluftlager, Radiallaufrad mit dreidimensionaler Strömungsauslegung und Frequenzumrichterregelung. Die Drehzahl lässt sich dem Betriebsbedarf anpassen, sodass die Anlage effizient läuft und der Energieverbrauch wirksam sinkt; Sekundärbelastungen der Umwelt durch Lärm, Vibration und Altöl entfallen, der Wartungsaufwand und die Wartungskosten sinken. Für die hochwertige Entwicklung der Zementindustrie und die Wettbewerbsfähigkeit der Zementunternehmen ist das von wesentlicher praktischer Bedeutung.
1 Das luftgelagerte Turbogebläse im Überblick
1.1 Funktionsprinzip
Das luftgelagerte Turbogebläse ist eine schnelllaufende Turbomaschine in kompakter, integrierter Bauweise auf einem Grundrahmen (Skid). Kerntechnologien sind aerodynamische Folienluftlager, Hochdrehzahl-Permanentmagnet-Synchronmotor, Radiallaufrad mit dreidimensionaler Strömungsauslegung, Frequenzumrichterregelung sowie Mess- und Überwachungstechnik. Das Grundprinzip: Der in Luftlagern gelagerte, vom Frequenzumrichter geregelte Hochdrehzahl-Permanentmagnet-Synchronmotor treibt das auf derselben Welle sitzende Radiallaufrad direkt an. Die Luft wird am Eintritt des Spiralgehäuses angesaugt, durch die Zentrifugalkraft des Laufrads zu Druckluft mit bestimmter Geschwindigkeit und bestimmtem Druck verdichtet und am Austritt des Spiralgehäuses ausgestoßen. Der kontinuierliche Lauf des Laufrads sorgt für ununterbrochenes Ansaugen und Ausstoßen und damit für eine stetige Luftförderung. Die leistungsfähige Frequenzumrichterregelung macht die Regelstrategie einfacher, den Lauf ruhiger und den regelbaren Arbeitsbereich breiter.
1.2 Aufbau
(1) Aerodynamische Folienluftlager
Das aerodynamische Folienluftlager ist ein aerodynamisches Luftlager, das sich auf elastische Folien stützt. Vor dem Start des Gebläses berühren sich Wellenzapfen und Lager; beim Anlauf bewegen sich Läufer und Lager relativ zueinander. Der drehende Läufer reißt Luft mit und erzeugt einen Gasdruck, der die Folien des Lagers vom Läufer abhebt; zwischen Folie und Läufer bildet sich durch den aerodynamischen Effekt ein geschlossener Luftfilm. Das Lager lässt den Läufer über das Luftdruckfeld schweben. Bei hoher Drehzahl gibt es zwischen Welle und Lager keinen Berührungspunkt; Schmieröl ist nicht nötig, die Energieverluste sind äußerst gering. Die Folienoberfläche trägt eine hochtemperaturfeste Feststoffbeschichtung und ist wartungsfrei; mehr als 20.000 störungsfreie Start-Stopp-Zyklen sind möglich. Bei einem Start-Stopp-Zyklus pro Tag entspricht das 54,8 Betriebsjahren – ein nahezu dauerhaftes Lager.
(2) Hochdrehzahl-Permanentmagnet-Synchronmotor
Der Motor nutzt weltweit fortschrittliche Permanentmagnet-Synchrontechnik und wird von einem leistungsfähigen Frequenzumrichter angetrieben und geregelt. Die Motordrehzahl kann 150.000 rpm erreichen, der Wirkungsgrad über 97 %. Der Motorläufer ist direkt mit dem Laufrad verbunden; es gibt keine Übertragungsverluste, der Übertragungswirkungsgrad kann 100 % erreichen.
(3) Radiallaufrad mit dreidimensionaler Strömungsauslegung
Das Laufrad ist halboffen und nach der Theorie der dreidimensionalen Strömung ausgelegt und parameteroptimiert; es bietet hohen Wirkungsgrad und einen breiten Volumenstrombereich. Als Werkstoff dient hochfestes Schmiedealuminium, das auf Fünf-Achs-Bearbeitungszentren gefräst wird und sehr formstabil ist. Der höchste Wirkungsgrad im Betriebspunkt des Laufrads erreicht 85 %, die Lebensdauer über 30 Jahre.
(4) Frequenzumrichterregelung sowie Mess- und Überwachungstechnik
Das Gebläse wird über SPS und Frequenzumrichter drehzahlgeregelt: Über die Frequenz wird die Drehzahl des Permanentmagnetmotors eingestellt und damit Volumenstrom und Austrittsdruck des Gebläses, passend zu allen Betriebsbedingungen. Das intelligente Regelsystem kann Pumpen (Surge) vorhersagen und ermöglicht die Vor-Ort-Steuerung; das eingebaute Mess- und Überwachungssystem erlaubt Fernüberwachung und Datenübertragung.
1.3 Wichtigste Leistungsvorteile
(1) Hoher Wirkungsgrad, Energieeinsparung
Das luftgelagerte Turbogebläse nutzt fortschrittliche Technik: hocheffizientes Radiallaufrad, aerodynamische Folienluftlager, Direktantrieb durch Hochdrehzahl-Permanentmagnet-Synchronmotor und berührungslose aerodynamische Lagerung. Im Betrieb passt es die Motordrehzahl automatisch dem benötigten Volumenstrom an und läuft so stets mit hohem Wirkungsgrad. Gegenüber herkömmlichen Drehkolbengebläsen (Roots) spart es 20 %–30 % Energie, gegenüber herkömmlichen mehrstufigen Radialgebläsen 15 %–20 % und gegenüber einstufigen Getriebe-Radialgebläsen 10 %–15 %.
(2) Vibrationsfrei und geräuscharm
Durch die aerodynamische Lagerung berühren sich drehende Teile und mechanisches System nicht; es gibt keine mechanische Reibung, der Lauf ist ruhig und vibrationsfrei. Der Geräuschpegel der gesamten Maschine liegt in 1 m Abstand unter 80 dB; eine Schallschutzeinrichtung ist nicht erforderlich.
(3) Kein Schmieröl, keine mechanische Wartung, wartungsfreundlich
Aerodynamische Lagerung und Direktantrieb ersparen das bei herkömmlichen Gebläsen nötige aufwendige Getriebe und das ölgeschmierte Lagersystem. Ein Schmierölsystem ist nicht erforderlich; die Maschine kommt vollständig ohne Schmieröl und ohne mechanische Wartung aus. Die laufende Wartung beschränkt sich auf den Wechsel des Luftfilters, was die Wartungskosten der Anwender wirksam senkt.
(4) Hoher Integrationsgrad
Vor-Ort-Steuerung und Frequenzumrichter sind in einer Einheit zusammengefasst; über das Bedienfeld lassen sich alle Funktionen einstellen und Daten wie Drehzahl, Temperatur, Druck, Volumenstrom und Leistungsaufnahme abfragen. Hochleistungsfilter, Kühlsystem, Pumpschutz, Schutzmodi für Stromausfall und Störungen sowie ein Echtzeit-Touchscreen erhöhen den Bedienkomfort und verringern Bedienfehler.
(5) Einfache Installation
Die gesamte Maschine ist kompakt und integriert auf einem Grundrahmen aufgebaut, klein und einfach zu installieren und zu bedienen.