Estudio de aplicación de la soplante centrífuga con cojinetes de aire para el ahorro energético y la reducción de ruido en el sector del cemento
Wang Xinming (Weifang FuYuan Turbocharger Co., Ltd., Weifang, Shandong 261205)
Resumen: La soplante centrífuga con cojinetes de aire es un nuevo tipo de soplante centrífuga eficiente, de bajo consumo y respetuosa con el medio ambiente. Este artículo presenta su estructura y su principio de funcionamiento. Frente a las soplantes tradicionales, ofrece ahorro energético, bajo nivel de ruido, ausencia de aceite, funcionamiento fiable, manejo sencillo y larga vida útil, no necesita sistemas auxiliares y requiere poco espacio y poco mantenimiento. Con el caso real de la renovación de soplantes de una fábrica de cemento, se demuestra que la sustitución de soplantes Roots por soplantes centrífugas con cojinetes de aire en el transporte de carbón pulverizado y el suministro de aire del horno rotatorio, el silo de crudo y otras etapas de producción logra un ahorro energético notable y una clara reducción del ruido.
Palabras clave: soplante centrífuga con cojinetes de aire, cemento, transporte de materiales, transporte de gases, consumo eléctrico, ruido.
Introducción:
Las soplantes ocupan un lugar importante en el proceso de fabricación del cemento. En el contexto actual de ahorro energético y reducción de emisiones, renovación de los motores de crecimiento y normalización de la producción escalonada fuera de temporada alta, la situación ambiental del sector cementero es cada vez más exigente y el ahorro de energía es ineludible. En la fabricación de cemento, el consumo energético de las soplantes y ventiladores es enorme: aproximadamente el 30 %~35 % del consumo total. Reducir el consumo de las soplantes es clave para el ahorro energético en la producción de cemento. Las soplantes tradicionales han llegado aquí a un cuello de botella. La soplante centrífuga con cojinetes de aire ofrece una vía de solución: prescinde del multiplicador de engranajes, el acoplamiento, la lubricación y el ventilador de refrigeración, imprescindibles en las soplantes tradicionales, y emplea un motor síncrono de imanes permanentes de alta velocidad, cojinetes aerodinámicos de lámina, un impulsor centrífugo de flujo tridimensional y control por variador de frecuencia; ajusta la velocidad según las condiciones de funcionamiento para garantizar un funcionamiento eficiente, con lo que reduce eficazmente el consumo energético, evita la contaminación secundaria del entorno por ruido, vibraciones y aceite lubricante usado, y reduce el trabajo y el coste de mantenimiento de los equipos. Tiene una importancia práctica decisiva para el desarrollo de alta calidad del sector cementero y para la competitividad de las empresas cementeras.
1 Presentación de la soplante centrífuga con cojinetes de aire
1.1 Principio
La soplante centrífuga con cojinetes de aire es una turbomáquina de alta velocidad, de diseño integrado y compacto y construcción sobre bastidor (skid), que emplea tecnologías clave como los cojinetes aerodinámicos de lámina, el motor síncrono de imanes permanentes de alta velocidad, el impulsor centrífugo de flujo tridimensional, el control por variador de frecuencia y la supervisión y monitorización. Su principio básico es el siguiente: un motor síncrono de imanes permanentes de alta velocidad, apoyado en cojinetes de aire y controlado por un variador de frecuencia, acciona directamente el impulsor centrífugo montado en el mismo eje; el aire entra por la boca de aspiración de la voluta, la fuerza centrífuga del impulsor lo convierte en aire comprimido con determinada velocidad y presión, y sale por la boca de descarga de la voluta. El giro continuo del impulsor centrífugo garantiza la aspiración y la descarga ininterrumpidas del aire y, con ello, un soplado continuo. El control por variador de frecuencia de altas prestaciones simplifica la estrategia de control de la soplante, hace más estable su funcionamiento y amplía su rango de regulación.
1.2 Estructura
(1) Cojinete aerodinámico de lámina
El cojinete aerodinámico de lámina es un cojinete de aire aerodinámico que utiliza láminas elásticas como elemento de apoyo. Antes del arranque de la soplante existe contacto físico entre el muñón del rotor y el cojinete; en el arranque, el rotor y el cojinete se mueven uno respecto al otro, y el giro del rotor arrastra el aire y genera una presión de gas que separa las láminas del cojinete del rotor. Por efecto aerodinámico se forma entre las láminas y el rotor una película de aire completa, y el cojinete hace levitar el rotor mediante el campo de presión del aire. Cuando el rotor gira a alta velocidad no hay ningún punto de contacto físico entre el eje y el cojinete, no se necesita aceite lubricante y la pérdida de energía es mínima. La superficie de las láminas lleva un recubrimiento sólido para alta temperatura y no requiere mantenimiento; admite más de 20.000 arranques y paradas sin fallos, lo que, a razón de un arranque y una parada al día, equivale a 54,8 años de funcionamiento: es un cojinete semipermanente.
(2) Motor síncrono de imanes permanentes de alta velocidad
El motor utiliza tecnología de motor síncrono de imanes permanentes de nivel mundial avanzado, accionado y regulado por un variador de frecuencia de altas prestaciones. Puede alcanzar 150.000 rpm, con una eficiencia superior al 97 %; el rotor del motor está unido directamente al impulsor, sin pérdidas de transmisión de potencia, por lo que la eficiencia de transmisión puede llegar al 100 %.
(3) Impulsor centrífugo de flujo tridimensional
El impulsor es semiabierto, diseñado según la teoría de flujo tridimensional y con parámetros optimizados, con alta eficiencia y amplio rango de caudal. Se fabrica en aluminio forjado de alta resistencia, mecanizado en centro de cinco ejes, con gran resistencia a la deformación. La eficiencia máxima del impulsor en el punto de funcionamiento puede llegar al 85 % y su vida útil supera los 30 años.
(4) Control por variador de frecuencia y supervisión
La soplante utiliza un PLC y un variador de frecuencia con control sin sensor: regulando la frecuencia se controla la velocidad del motor de imanes permanentes y, con ella, el caudal y la presión de salida de la soplante, para responder a las distintas condiciones de funcionamiento. El sistema de control inteligente puede prever el bombeo (surge) y permite el control local; el equipo incorpora un sistema de supervisión que hace posible la monitorización remota y la transmisión de datos.
1.3 Principales ventajas de prestaciones
(1) Alta eficiencia y ahorro energético
La soplante centrífuga con cojinetes de aire emplea tecnologías avanzadas como el impulsor centrífugo de alta eficiencia, los cojinetes aerodinámicos de lámina sin contacto y el accionamiento directo por motor síncrono de imanes permanentes de alta velocidad. En funcionamiento ajusta automáticamente la velocidad del motor según el caudal de aire demandado, lo que garantiza una alta eficiencia. Frente a las soplantes Roots tradicionales, puede ahorrar un 20 %-30 % de energía; frente a las soplantes centrífugas multietapa tradicionales, un 15 %-20 %, y frente a las soplantes centrífugas de una etapa con multiplicador de engranajes, un 10 %-15 %.
(2) Sin vibraciones y con bajo nivel de ruido
La tecnología de cojinetes aerodinámicos elimina el contacto entre las piezas giratorias y el sistema mecánico: no hay rozamiento mecánico, el funcionamiento es estable y sin vibraciones, y el ruido del conjunto a 1 m del equipo es inferior a 80 dB, por lo que no se necesita insonorización.
(3) Sin aceite lubricante, sin mantenimiento mecánico y de fácil conservación
La tecnología de cojinetes aerodinámicos y el accionamiento directo eliminan la compleja caja de engranajes y el sistema de cojinetes lubricados con aceite que necesitan las soplantes tradicionales. No hace falta sistema de lubricación: el equipo funciona totalmente sin aceite lubricante y sin mantenimiento mecánico; la conservación habitual se limita a cambiar el filtro de aire, lo que reduce eficazmente los costes de mantenimiento del usuario.
(4) Alto grado de integración del sistema
El control local y el variador de frecuencia están integrados en un mismo conjunto; desde el panel de control se pueden ajustar todas las funciones y consultar datos del equipo como la velocidad, la temperatura, la presión, el caudal y la potencia consumida. El filtro de alta eficiencia, el sistema de refrigeración, el sistema antibombeo, los modos de protección ante cortes de suministro imprevistos y averías y la pantalla táctil en tiempo real facilitan el manejo y reducen los incidentes de operación.
(5) Fácil instalación
El conjunto presenta un diseño integrado y compacto sobre bastidor (skid), de volumen reducido y de instalación y manejo sencillos.