Исследование применения центробежных воздуходувок на воздушных подшипниках для энергосбережения и снижения шума в цементной промышленности
Ван Синьмин (Weifang FuYuan Turbocharger Co., Ltd., Вэйфан, Шаньдун, 261205)
Аннотация: Центробежная воздуходувка на воздушных подшипниках — новый тип экологичной центробежной воздуходувки с высокой энергоэффективностью. В статье описаны её устройство и принцип работы. По сравнению с традиционными воздуходувками её преимущества — энергосбережение, низкий шум, отсутствие масла, надёжность, простота эксплуатации и большой срок службы; ей не нужны вспомогательные системы, она занимает мало места и требует малого объёма обслуживания. На реальном примере энергосберегающей модернизации воздуходувки на цементном заводе показано, что замена воздуходувки Рутса центробежной воздуходувкой на воздушных подшипниках на таких участках цементного производства, как транспортировка угольной пыли и подача воздуха во вращающуюся печь, силосы сырьевой муки, даёт значительную экономию энергии и заметное снижение шума.
Ключевые слова: центробежная воздуходувка на воздушных подшипниках, цемент, транспортировка материалов, транспортировка газа, расход электроэнергии, шум.
Введение:
Воздуходувки занимают важное место в производстве цемента. В условиях энергосбережения и сокращения выбросов, перехода от старых движущих сил роста к новым и превращения производства со смещёнными пиками в постоянную практику экологические требования к цементной промышленности становятся всё жёстче, и энергосбережение неизбежно. В производстве цемента воздуходувки и вентиляторы потребляют очень много энергии — около 30–35 % общего энергопотребления. Снижение их энергопотребления играет ключевую роль в энергосбережении цементного производства. Традиционные воздуходувки здесь достигли предела возможностей. Центробежная воздуходувка на воздушных подшипниках предлагает решение: в ней нет обязательных для традиционных машин мультипликатора, муфты, систем смазки, охлаждающего вентилятора и других систем; применены высокоскоростной синхронный двигатель на постоянных магнитах, газодинамические лепестковые воздушные подшипники, рабочее колесо с пространственным (трёхмерным) профилированием, частотное управление и другие технологии. Частота вращения регулируется по требованиям режима, что обеспечивает эффективную работу оборудования и реально снижает энергопотребление, исключает вторичное загрязнение окружающей среды шумом, вибрацией и отработанным смазочным маслом, сокращает объём и стоимость обслуживания оборудования. Это имеет важное практическое значение для высококачественного развития цементной промышленности и повышения конкурентоспособности цементных предприятий.
1 Центробежная воздуходувка на воздушных подшипниках
1.1 Принцип работы
Центробежная воздуходувка на воздушных подшипниках относится к высокоскоростным турбомашинам. Она имеет компактную моноблочную конструкцию на общей раме; в ней применены ключевые технологии: газодинамические лепестковые воздушные подшипники, высокоскоростной синхронный двигатель на постоянных магнитах, центробежное рабочее колесо с пространственным профилированием, частотное управление, контроль и мониторинг. Принцип работы: высокоскоростной синхронный двигатель на постоянных магнитах, ротор которого опирается на воздушные подшипники, управляется преобразователем частоты и напрямую приводит соосное центробежное рабочее колесо. Воздух всасывается через входной патрубок улитки, под действием центробежной силы колеса превращается в сжатый воздух с определённой скоростью и давлением и выходит через выходной патрубок улитки. Непрерывное вращение колеса обеспечивает непрерывное всасывание и нагнетание воздуха, то есть непрерывную подачу. Современное частотное управление делает алгоритм управления воздуходувкой проще, работу — устойчивее, а диапазон регулирования — шире.
1.2 Устройство
(1) Газодинамический лепестковый воздушный подшипник
Газодинамический лепестковый воздушный подшипник — это газодинамический подшипник с опорой на упругие лепестки (фольгу). До пуска воздуходувки шейка ротора физически соприкасается с подшипником. При пуске ротор движется относительно подшипника и увлекает воздух; возникающее давление газа отжимает лепестки от ротора, и под действием аэродинамического эффекта между лепестками и ротором образуется сплошная воздушная плёнка. Поле давления воздуха в подшипнике удерживает ротор во взвешенном состоянии. При высокой частоте вращения вал и подшипник не соприкасаются, смазочное масло не нужно, потери энергии крайне малы. На поверхность лепестков нанесено высокотемпературное твёрдое покрытие; подшипник не требует обслуживания и выдерживает более 20000 циклов пуска-останова без отказов. При одном пуске-останове в сутки это 54,8 года работы, то есть срок службы подшипника практически неограничен.
(2) Высокоскоростной синхронный двигатель на постоянных магнитах
В двигателе применена передовая технология синхронных машин на постоянных магнитах; он питается и регулируется высокопроизводительным преобразователем частоты. Частота вращения двигателя достигает 150000 об/мин, КПД — более 97 %. Ротор двигателя соединён с рабочим колесом напрямую, потерь в передаче нет, КПД передачи достигает 100 %.
(3) Центробежное рабочее колесо с пространственным профилированием
Рабочее колесо полуоткрытое, спроектировано по теории трёхмерного течения с оптимизацией параметров; оно имеет высокий КПД и широкий диапазон расхода. Материал — высокопрочный кованый алюминиевый сплав, обработка на пятикоординатном обрабатывающем центре; колесо хорошо сопротивляется деформации. Максимальный КПД колеса в рабочей точке достигает 85 %, срок службы — более 30 лет.
(4) Частотное управление, контроль и мониторинг
Воздуходувка управляется ПЛК и преобразователем частоты с бездатчиковым векторным регулированием: изменением частоты задаётся частота вращения двигателя на постоянных магнитах, а тем самым расход и давление воздуходувки под требования любого режима. Интеллектуальная система управления прогнозирует помпаж и обеспечивает местное управление; установленная система контроля и мониторинга позволяет вести дистанционное наблюдение и передавать данные.
1.3 Основные преимущества
(1) Высокий КПД и энергосбережение
В центробежной воздуходувке на воздушных подшипниках применены высокоэффективное центробежное рабочее колесо, газодинамические лепестковые воздушные подшипники, прямой привод от высокоскоростного синхронного двигателя на постоянных магнитах и другие передовые технологии. При работе частота вращения двигателя автоматически подстраивается под требуемый расход, что обеспечивает высокий КПД оборудования. По сравнению с традиционными воздуходувками Рутса экономия энергии составляет 20–30 %, по сравнению с традиционными многоступенчатыми центробежными воздуходувками — 15–20 %, по сравнению с одноступенчатыми центробежными воздуходувками с мультипликатором — 10–15 %.
(2) Отсутствие вибрации, низкий шум
Благодаря газодинамическим воздушным подшипникам вращающиеся детали не соприкасаются с механической системой, механического трения нет, машина работает устойчиво и без вибрации. Шум агрегата на расстоянии 1 м — менее 80 дБ, шумоизоляция не требуется.
(3) Без смазочного масла и механического обслуживания, простой уход
Газодинамические воздушные подшипники и прямой привод избавляют от сложного редуктора и системы масляных подшипников, обязательных для традиционных воздуходувок. Система смазки не нужна: машина работает полностью без смазочного масла и без механического обслуживания, текущий уход сводится к замене воздушного фильтра, что реально снижает расходы заказчика на обслуживание.
(4) Высокая степень интеграции системы
Местное управление и преобразователь частоты объединены в одном агрегате; с панели управления задаются все функции и просматриваются частота вращения, температура, давление, расход, потребляемая мощность и другие данные. Высокоэффективный фильтр, система охлаждения, противопомпажная система, режимы защиты при внезапном отключении питания и неисправностях, сенсорный экран с отображением в реальном времени делают работу удобнее и снижают вероятность ошибок оператора.
(5) Простой монтаж
Агрегат имеет компактную моноблочную компоновку на общей раме, занимает мало места, прост в монтаже и эксплуатации.