Центробежните вентилатори за котелни системи помагат за подобряване на промишленото горене и изпускане

Работата на котела е тясно свързана със стабилността на системата за въздух и димни газове. Ако подаването на въздух за горене е недостатъчно или димните газове не могат да се изхвърлят гладко, операторите могат да видят нестабилни условия на пламъка, по-висок разход на гориво, колебания на налягането в пещта и увеличени емисии. В тези системи обикновено се използват центробежни вентилатори, тъй като те могат да генерират налягането, необходимо за преодоляване на съпротивлението от канали, економайзери, въздушни подгреватели, прахоуловители, амортисьори и друго котелно оборудване.

За приложения с котли изборът на центробежни вентилатори не е просто въпрос на съгласуване на мощността на двигателя с мощността на котела. Вентилаторът трябва да работи при необходимия въздушен поток и налягане при действителната температура на газа и условията на работа. Вентилатор, който осигурява подходящ въздушен поток при ниско съпротивление, може да не успее да поддържа необходимата тяга на пещта, когато съпротивлението на системата се увеличи. Обратно, изборът на прекомерно налягане може да доведе до ненужна консумация на енергия и нестабилно управление. Следователно първата стъпка е да се установи действителната работна точка, преди да се избере вентилатор.

Разбиране на ролята на центробежните вентилатори в котелните системи

Един типичен промишлен котел може да използва вентилатори за няколко различни функции. Вентилаторите с принудителна тяга доставят въздух за горене в пещта, вентилаторите с индуцирана тяга отстраняват димния газ от пещта и поддържат отрицателно налягане, докато вентилаторите за първичен или вторичен въздух могат да се използват в специфични горивни системи. Въпреки че тези приложения имат различни работни задължения, центробежните вентилатори се използват широко, тъй като тяхната способност за създаване на налягане ги прави подходящи за системи със значително съпротивление.

За приложение с индуцирана тяга вентилаторът трябва да преодолее загубите на налягане през изхода на пещта, конвекционните секции, економайзера, въздушния подгревател, тръбопровода, циклонния или ръкавния филтър, комина и амортисьорите. Ако общото съпротивление е подценено по време на избора, действителният въздушен поток може да бъде значително по-нисък от очаквания след пускане в експлоатация. Това е една от най-честите причини, поради които центробежните вентилатори изглеждат „с недостатъчна производителност“, въпреки че моторът и работното колело работят нормално.

Температурата също трябва да бъде включена в изчислението. Горещият димен газ има по-ниска плътност от околния въздух, така че връзката между обемния поток, масовия поток, налягането и мощността на вентилатора се променя с температурата. Например, система за димни газове, проектирана за 180°C, не трябва просто да използва същите допускания за плътност като система за обработка на въздух при 20°C. Когато избира центробежни вентилатори, инженерът трябва да потвърди температурата на газа, надморската височина, съдържанието на влага, състава на газа и дали посоченото налягане е статично налягане или общо налягане.

Въздушният поток и налягането трябва да се изчисляват заедно

Една практическа грешка при избора на вентилатор е осигуряването само на необходимия въздушен поток. Например спецификация като „20 000 m³/h вентилатор“ не е достатъчна за избор на центробежни вентилатори. Няколко модела вентилатори могат да осигурят 20 000 m³/h, но техните възможности за налягане може да се различават значително.

По-полезна спецификация би била нещо като:

Въздушен поток: 20 000 m³/h

Необходимо налягане: 2500 Pa

Температура на газа: 180°C

Среда: димни газове от котела

Работна височина: 500 m

Концентрация на прах: определя се според процеса

Необходими работни часове: непрекъснато

Захранване на двигателя: съгласно електрическата система на завода

С тези параметри производителят на вентилатора може да оцени работната точка спрямо кривата на производителността на вентилатора. Избраните центробежни вентилатори за предпочитане трябва да работят в стабилна област на кривата, а не в крайната лява или дясна страна. Може също да се има предвид разумен оперативен марж, но простото добавяне на голям марж на налягането не е добра инженерна практика, защото може да увеличи мощността на двигателя и загубите при дроселиране.

Защо налягането на вентилатора може да се промени след пускане на котела в експлоатация

Една котелна система рядко работи точно както по време на първоначалното изчисление на проекта. Филтрите натрупват прах, повърхностите за пренос на топлина се замърсяват, амортисьорите се регулират, тръбопроводите могат да бъдат модифицирани и характеристиките на горивото могат да се променят. Всеки от тези фактори може да повлияе на устойчивостта на системата.

Помислете за система с индуцирана тяга, първоначално проектирана за 25 000 m³/h при 3 000 Pa. След няколко месеца работа диференциалното налягане на ръкавния филтър се увеличава поради натоварването с прах. Скоростта на вентилатора остава непроменена, но съпротивлението на системата се увеличава. Поради това работната точка на центробежните вентилатори се измества по кривата на вентилатора, което потенциално намалява въздушния поток.

В тази ситуация увеличаването на размера на двигателя не е непременно правилното решение. Екипът по поддръжката трябва първо да измери диференциалното налягане на филтъра, положението на клапата, входното и изходното налягане на вентилатора, скоростта на вентилатора, тока на двигателя и действителния въздушен поток. Ако съпротивлението на филтъра е значително по-високо от първоначалната проектна стойност, почистването или подмяната на филтъра може да възстанови работата без модифициране на вентилатора.

Практическа процедура за пускане в експлоатация на вентилатори на котли

По време на пускането в експлоатация операторите трябва да записват повече от тока на двигателя и вибрациите. За центробежни вентилатори полезен запис за пускане в експлоатация трябва да включва скорост на вентилатора, входно налягане, изходно налягане, въздушен поток, температура на газа, температура на лагера, ток на двигателя и позиция на клапата.

Последователността на измерване може да бъде проста:

Уверете се, че работното колело се върти в правилната посока.

Проверете дали входящите и изходящите клапи са в правилната позиция за пускане в експлоатация.

Стартирайте вентилатора съгласно одобрената оперативна процедура.

Постепенно преместете амортисьора, докато наблюдавате тока на двигателя.

Измерете въздушния поток и налягането в няколко стабилни работни точки.

Сравнете измерените стойности с кривата на ефективността на производителя.

Запишете вибрациите и температурата на лагера, след като системата достигне стабилно състояние.

Този процес дава на операторите основа за бъдещо отстраняване на проблеми. Ако същите центробежни вентилатори показват постепенно увеличаване на вибрациите или тока на двигателя няколко месеца по-късно, първоначалните данни за пускане в експлоатация предоставят полезна справка, вместо да разчитат на субективни наблюдения.

Казус от практиката: Подобряване на вентилаторна система с индуцирана тяга

Практически пример може да се види в промишлен котел, работещ с биомаса. Системата за предизвикана тяга на котела първоначално е проектирана за приблизително 30 000 m³/h димни газове. По време на първоначалната работа тягата на пещта беше стабилна. След няколко месеца обаче операторите забелязаха, че налягането в пещта става все по-трудно за контролиране, когато котелът достигне пълно натоварване.

Първото предположение беше, че центробежните вентилатори нямат достатъчен капацитет. Вместо незабавна смяна на вентилатора, екипът по поддръжката измерва системата стъпка по стъпка.

Резултатите показаха, че скоростта на вентилатора е близка до първоначалната стойност, токът на двигателя е в очаквания диапазон и вибрациите не са се увеличили значително. Въпреки това спадът на налягането в оборудването за събиране на прах надолу по веригата беше значително по-висок от стойността за пускане в експлоатация.

Прахоуловителя беше проверен и се установи, че има прекомерна загуба на налягане, причинена от замърсени филтърни елементи. След като филтърните елементи бяха почистени и съпротивлението на системата се върна по-близо до първоначалното проектно състояние, индуцираният вентилатор възстанови необходимия въздушен поток и налягането в пещта отново стана стабилно.

Важният урок от този случай е, че центробежните вентилатори не трябва да се оценяват независимо от системата. Вентилатор, канал, филтър, клапа и комин образуват една аеродинамична система. Смяната на вентилатора без идентифициране на действителния източник на съпротивление може да увеличи цената на проекта, без да реши основния проблем.

Мощността на двигателя не е същото като производителността на вентилатора

Друго често срещано погрешно схващане е, че по-големият двигател автоматично означава по-мощен вентилатор. Мощността на двигателя разказва само част от историята. Действителната производителност на центробежните вентилатори зависи от диаметъра на работното колело, ширината на работното колело, геометрията на лопатките, скоростта на въртене, плътността на газа, съпротивлението на системата и аеродинамичната ефективност.

Законите за афинитета на вентилатора са полезни при оценка на промените в скоростта. При сравними условия:

Въздушният поток е приблизително пропорционален на скоростта на вентилатора.

Налягането е приблизително пропорционално на квадрата на скоростта на вентилатора.

Мощността е приблизително пропорционална на куба скорост на вентилатора.

Това означава, че относително малко увеличение на скоростта може да доведе до значително увеличение на потреблението на енергия. Например, увеличаването на скоростта на вентилатора с 10% може да увеличи теоретичното потребление на мощност до приблизително 1,33 пъти първоначалната стойност, като се приеме същата плътност на газа и подобни работни условия.

Поради тази причина превишаването на скоростта на центробежните вентилатори за компенсиране на неправилно проектирана или все по-устойчива система не трябва да се третира като постоянно решение. Електрическото натоварване, напрежението на работното колело, скоростта на вала, състоянието на лагера и допустимия работен диапазон трябва да бъдат проверени.

Прахът и високата температура изискват различни конструкции на вентилатори

Димните газове от котела могат да съдържат пепел, прах, корозивни съединения и влага. Тези условия засягат механичния дизайн на центробежните вентилатори.

За прашен газ едно важно съображение е износването на работното колело. Високоскоростните частици могат постепенно да ерозират повърхностите на острието, особено около предния ръб. Ако котелът изгаря абразивно гориво, вентилаторът може да изисква износоустойчиви материали или сменяеми износващи се плочи.

Обслужването при висока температура създава друг набор от проблеми. Трябва да се вземат предвид разширението на вала, температурата на лагера, изборът на смазка, топлоизолацията и охлаждането. В зависимост от конструкцията може да се наложи лагерното устройство да бъде отделено от пътя на горещия газ.

Изборът на материал също трябва да се основава на действителния състав на газа, а не само на температурата. Ако присъстват серни съединения, хлориди, влага или други корозивни компоненти, стандартната въглеродна стомана може да не осигури подходящ експлоатационен живот. При такива условия строителният материал и защитата на повърхността на центробежните вентилатори трябва да се избират според действителната работна среда.

Диагностициране на необичайни вибрации

Вибрацията е един от най-полезните индикатори за състоянието на вентилатора. Обаче простото наблюдение, че вентилаторът вибрира, не е достатъчно, за да се установи причината.

За центробежните вентилатори персоналът по поддръжката трябва първо да определи дали вибрациите са свързани със скоростта на въртене. Честите причини включват дисбаланс на работното колело, натрупване на материал върху лопатките, разместване на вала, разхлабени фундаментни болтове, износване на лагера, проблеми със съединителя и структурен резонанс.

При приложения с котли натрупването на пепел върху работното колело заслужава особено внимание. Дори сравнително малко количество неравномерно натрупване може да създаде динамичен дисбаланс. Вибрацията може да се влоши с увеличаване на скоростта на вентилатора.

Практическа процедура за поддръжка е да се запишат вибрациите в лагерите от задвижващия край и незадвижващия край в хоризонтална, вертикална и аксиална посока. Показанията трябва да се сравнят с предишни записи. Внезапната промяна от установената базова линия често е по-значима от изолирана стойност.

Преди да балансират работно колело, техниците трябва също така да проверят работното колело за пукнатини, деформация, корозия и натрупване на материал. Динамичното балансиране трябва да се извърши в съответствие с приложимите изисквания за балансиране след отстраняване на механичните дефекти.

Как да подобрим енергийната ефективност

Консумацията на енергия е друго важно съображение при работа с центробежни вентилатори. В котелна инсталация, работеща непрекъснато, дори сравнително малко намаляване на мощността на вентилатора може да доведе до значителни годишни спестявания.

Първата стъпка е да се определи дали вентилаторът работи при необходимия въздушен поток. Ако процесът изисква 80% от проектния въздушен поток, но вентилаторът непрекъснато доставя 100%, излишният въздушен поток може да представлява консумация на енергия, която може да се избегне.

Задвижванията с променлива честота могат да бъдат полезни, когато натоварването на котела се промени значително. Вместо да контролира въздушния поток предимно чрез дроселиран амортисьор, скоростта на вентилатора може да се регулира, за да съответства на необходимите работни условия. Тъй като мощността на вентилатора се променя приблизително с куба на скоростта, намаляването на скоростта може да осигури значителни икономии на енергия.

Инсталирането на VFD обаче не трябва да се третира като автоматична мярка за пестене на енергия. Действителната крива на системата, минималният необходим въздушен поток, характеристиките на двигателя, работният диапазон на вентилатора и изискванията за контрол на процеса трябва да бъдат оценени първо. Правилно приложен, контролът на скоростта може да направи центробежните вентилатори много по-отзивчиви към променящите се натоварвания на котела. Какво трябва да бъде включено в спецификацията на вентилатора? Когато искате оферта за центробежни вентилатори на бойлер, предоставянето на пълна информация за работа може значително да намали риска от избор на неподходящ модел.

Техническата спецификация трябва да включва най-малко:

Необходим въздушен поток

Статично или общо налягане

Температура на газа

Газов състав

Концентрация на прах

Плътност на газа или работно налягане

Височина на монтаж

Скорост на вентилатора или максимална допустима скорост

Напрежение и честота на двигателя

Режим на работа

Посока на въртене

Подреждане на вентилатора

Материални изисквания

Подреждане на лагерите

Изисквания за шум, ако е приложимо

Изисквания за вибрации и балансиране

Ако приложението включва димни газове с висока температура, доставчикът трябва също да знае дали посоченият въздушен поток се основава на действителната работна температура или стандартните условия. Това разграничение е важно, тъй като стойност в Nm³/h и стойност в действителни m³/h не са взаимозаменяеми.

Заключителни съображения

Работата на изпускателната система на котела зависи от много повече от самия вентилатор. Правилният аеродинамичен избор, подходящите материали, правилната инсталация, измерванията при пускане в експлоатация и поддръжката, базирана на състоянието, допринасят за надеждната работа. Добре подбраните центробежни вентилатори могат да осигурят стабилен въздушен поток и налягане, като същевременно поддържат контрол на горенето и ефективно отстраняване на димните газове.

За инженерите, които избират или подменят центробежни вентилатори, най-важната отправна точка е действителната работна точка: въздушен поток, налягане, температура, газов състав и съпротивление на системата. След като тези параметри бъдат установени, кривата на производителността на вентилатора, конструкцията на работното колело, мощността на двигателя, изборът на материал и методът на управление могат да бъдат оценени систематично.

В приложенията на котлите най-евтиният вентилатор рядко е най-евтиното решение през целия му експлоатационен живот. Вентилатор, който работи близо до предвидената си работна точка, издържа на действителните газови условия и може да се поддържа без прекомерен престой, като цяло ще осигури много по-добра дългосрочна стойност.