磁悬浮离心鼓风机在水泥厂节能降耗中的应用

发布时间：2024-05-20

寇得领　梅黎峰　张傲雪 

摘　要：文章详细介绍了磁悬浮离心鼓风机结构组成、运行原理以及设备优缺点，与常见的罗茨风机和离心风机进行了性能比较。在此基础上，介绍了磁悬浮离心鼓风机在山东某水泥厂风机改造中的应用，通过改造，设备运转平稳，节能效果明显，现场噪音明显下降，在风量提高17%的情况下，节能16.67%，每年节电近259200 kWh。

关键词：磁悬浮离心鼓风机；节能降耗；罗茨风机；离心风机

0　前言

目前水泥行业环保形势日趋严峻，将粉尘排放量控制在达标数值非常重要。在这过程中还要考虑到各类型设备的能耗问题，其中风机作为水泥厂高耗能中一员，其节能减耗势在必行。然而应用多年 的罗茨风机、多级离心风机、单级离心风机在此已经遇到瓶颈，需要更为节能的风机来推动绿色环保，而近期两年内大热的磁悬浮离心鼓风机为解决这一问题提供了思路。

1　磁悬浮离心鼓风机介绍

1.1 原理

磁悬浮离心鼓风机是采用磁悬浮轴承的透平设备的一种。其主要结构是鼓风机叶轮直接安装在电机轴延伸端上，而转子被垂直悬浮于主动式磁性轴承控制器上，不需要增速器及联轴器，实现由高速电 机直接驱动，由变频器来调速的单级高速离心鼓风机。该类风机采用一体化设计，其高速电机、变频器、磁性轴承控制系统和微处理控制盘等均采用一体设计和集成，其核心是磁悬浮轴承和永磁电机技术，结构示意图见图1。    

磁悬浮轴承的功能是实现转轴悬浮。它通过内置的位置传感器检测转轴的位置信号，将此信号送入磁悬浮轴承控制器进行调理、运算和放大得到控制电流，再将该控制电流输入磁轴承，产生对转子可控的吸力，从而实现转轴的悬浮。

同步永磁电机的功能是驱动转子轴的旋转。它通过变频电源产生频率可调的交变电流，将此交变电流输入电机定子即产生旋转磁场，带动转轴高速旋转。

风机的功能是实现鼓风。随转轴一同做高速旋转的叶轮带动空气从涡壳的进气口进入，空气在蜗壳的导向与增压作用下成为具有一定流速与压力的气体，临末从涡壳的出气口鼓出，这就实现了风机的鼓风。

1.2 磁悬浮离心鼓风机的结构

磁悬浮离心鼓风机的主要部件包括高效离心叶轮、磁悬浮轴承、同步永磁电机和专用变频器四部分。    

（1）高速离心叶轮。叶轮采用三元流动理论设计及参数优化，使叶轮效率化，工作区域广；其材质采用高强度锻铝或钛合金，抗变形能力强；经过数控加工中心精密加工而成，防腐性能更好。经过国家流体实验室专家测得叶轮工作点效率可达85%，见图2。

（2）高速永磁同步电机。在电机的主轴上安装永磁铁，保证主轴磁性。电机的定子硅钢片缠绕的线圈，产生震荡磁力，在运转过程中转速和震荡磁场保持一致，实现同步。永磁电动机采用磁悬浮轴承，具有无机械摩擦、低噪音、低振动以及寿命长的特点，转速可达50 000 r/min，见图3。

（3）磁悬浮轴承。通过可控的电磁吸力使转轴稳定地悬浮，在旋转过程中转轴不受任何机械阻力，因此效率高、无磨损、无需维护、无需润滑油、沽出的空气也绝不含油，见图4。

（4）电机智能控制系统。磁悬浮鼓风机一般采用无矢量变频控制，用调节频率的方法来控制永磁电机的旋转，进而控制鼓风机的流量，满足各种工况使用。智能控制系统可以预测喘振和实现就地控制，且设备安装了GPRS系统可以实现远程监控和数据传输。

1.3 磁悬浮鼓风机的优点

（1）高效率、节能。采用自主设计的高效离心叶轮、高效同步永磁电机驱动和无接触式磁悬浮轴承技术，与传统的容积式罗茨风机相比节能30%；与传统的齿轮增速单级离心鼓风机相比节能约12%。

（2）低振动、低噪音。采用先进的磁悬浮轴承系统，转动部件与机械系统无接触，无机械摩擦，运转稳定，振动小，整体噪音很低。    

（3）无润滑油、无机械保养。采用先进的磁悬 浮轴承系统，省去了传统风机所必需的复杂齿轮变速箱及油性轴承系统，做到了无润滑油、无机械保养。有效降低了用户的维护成本，保证了风机系统的稳定性。

（4）易安装、易维护。磁悬浮离心鼓风机重量轻、体积小、无需大型起吊设备，两名普通的技术人员就可以轻松的完成安装工作。而日常维护仅仅需要更换空气过滤布，方便简单。

（5）系统集成性高。鼓风机本身已经集成了就地控制和变频系统于一体，不需要单独设立变频柜及操作柜。通过风机自身的控制面板就可以实现各种功能额设定和对流温度、电机转数、出风压力、风量、消耗功率等参数进行查询。高效过滤器、冷却系统、全自动防喘振系统、停电和故障保护系统等，实时触摸屏，为操作工人带来方便及减少操作事故的发生。

（6）远程监控。鼓风机增加了远程监控功能，更便捷、更及时地为客户贴身服务。实现了远程集中控制及数据的无线远程传输，为风机的运行提供了必要的技术参数依据和故障查询依据。

2　磁悬浮离心鼓风机与罗茨风机、普通离心风机的比较

在水泥厂整个运营中，常见的鼓风机有罗茨风机，大型离心风机，他们都是高耗能、高噪音设备。

（1）罗茨鼓风机。罗茨鼓风机利用两个叶形转子或者三个叶形转子在气缸内作相对运动来压缩和输送气体，其结构简单、制造方便，易于控制和维护，但是效率低于多级、单级离心风机，气流脉动与噪音大，在水泥厂中多用于生料库库内外环充气、窑头一次风、回转窑及分解炉送风。    

（2）离心鼓风机。当电机转动带动风机叶轮旋转时，叶轮中叶片之间的气体也跟着旋转，并在离心力的作用下甩出这些气体，气体流速增大，使气体在流动中把动能转换为静压能，然后随着流体的增压，使静压能又转换为速度能，通过排气口排出气体，而在叶轮中间形成了一定的负压，由于入口呈负压，使外界气体在大气压的作用下立即补入，在叶轮连续旋转作用下不断排出和补入气体，从而到达连续鼓风的目的。

离心鼓风机根据其工作叶轮数量分为多级离心鼓风机和单级离心鼓风机。由于离心鼓风机在大风量时效率远高于罗茨风机，在水泥厂多被用于窑头窑尾烟囱排风机、水泥磨及煤磨排风机、原料磨及辊压机循环风机、窑尾高温风机等。

常用的鼓风机能耗依次为：罗茨风机＞多级离心鼓风机＞单级离心鼓风机，综合性能比较见表1。

3　磁悬浮离心鼓风机在水泥厂中的应用

离心风机和罗茨风机在水泥厂应用较多，但其缺点是高耗能、高噪音，而磁悬浮风机正好避开了这一问题，下面就以罗茨风机作为对象进行分析。

山东某水泥厂风机改造前后数据对比见表2，从表2可知，该风机改造前运行总风量为 228 m³/min， 改造后运行总风量为 267 m³/min，改造后风量提高了17.11%；改造前电流为 512.79 A，改造后 电流为427.33A，节约16.67%。    

磁悬浮鼓风机的节能效果明显，通过计算每年可节约103.68 t标准煤，可减少243 t二氧化碳排放。

4　磁悬浮离心鼓风机目前存在的问题

（1）整体采购价格较罗茨风机昂贵，但随着掌握该技术的国内生产厂家越来越多，技术越来越成熟，其价格也在逐步趋近合理化。

（2）磁悬浮风机需要对磁悬浮轴承供电来提供磁力，并且需要一套备用电源及备用轴承，来避免突然断电对风机造成损坏。

（3）磁悬浮轴承及控制器相对其他类型的轴承来说，结构复杂，出现故障难以及时维修，需要厂家到厂维修，甚至返厂维修，可能存在维修费用高、周期长的问题。

5　结语    

（1）磁悬浮鼓风机具有高效节能、低振动、低噪音、无润滑油、无机械保养的优点；另外磁悬浮鼓风机体积小，自动化程度高，方便安装易维护，运行振动小，噪音低，非常适合水泥厂节能降耗改造。

（2）磁悬浮鼓风机虽然购置费用及维修费用较贵，但是每年节约的能耗足以抵消该费用的摊销，且在未来的2年后实现大大的盈利，它的面世，将为水泥、冶金、石化等众多行业带来革命性的变化，将为国家的节能减排事业做出更大的贡献。

来源：《水泥工程》 2020年01期

（版权归原作者或机构所有）