脱硫系统中氧化风机的升级改造

脱硫系统中氧化风机的升级改造

2014年9月份国家3部委颁布了《煤电节能减排升级改造行动计划 2014-2020》，因烟气排放在线检测系统完善和强制实施，达不到标准会面临巨额罚款这意味着今后不仅新建燃煤电厂要分区域先后达到近零排放，而且对现有机组也要逐步通过升级改造达到规定的节能减排标准。我国的不少脱硫设备开始于2000年左右，受限于当时的技术水平和资金压力，不少电厂的脱硫设备并没有达到要求，问题多，效率低，面临着急需升级改造。不少电厂的脱硫氧化风机也面临着升级改造，在氧化风机的升级改造中，用高速离心风机替代罗茨风机和多极离心风机成为一种趋势。
我国的脱硫系统氧化风机，大部分采用罗茨风机，也有部分采用进口多级离心风机，这些设备，近年来出现问题较多。类似这样的情况近年来层出不穷。常见的问题主要有：
1、故障率高。
由于我国在脱硫设备选型、制造缺乏经验和技术积累，在几年前蜂拥而上的脱硫项目中，不同程度存在选型不合理、设备质量不过关等问题，这些问题这几年逐渐暴露出来，不少电厂的氧化风机都面临着频繁检修，频繁更换的问题。
2、噪音大。
罗茨鼓风机由于其原理特性，噪音较大，且气流不平稳。为了减少噪音，需要在已有厂房内再设隔音棚，即便如此，仍旧是厂区最大的噪音源之一。
3、维修成本高。
为了避免国产罗茨风机的弊端，部分厂家采用了进口多级离心鼓风机，但造价成本高，备件价格高，周期长，由于选型问题或适配性问题，仍然存在不少问题，可靠性也没有预想中那么好，令许多电厂苦不堪言。例如魏桥厂后来虽然采取了措施，但由于选型问题，设备寿命等问题，每100小时就需要更换润滑油，造成了很高的运行成本，并且零部件的更换也非常麻烦。
4、效率不高。
罗茨鼓风机效率一般在70%左右，多级离心鼓风机效率75%左右，相比高速单级离心鼓风机而言，低不少。而选用合适的高速单级离心鼓风机效率可达85%-90%。
5、出口温度偏高。
罗茨、多极风机在压缩过程中对空气反复做功，同时由于效率不高，能量损失更大，更多的能量转化为空气热能，会导致空气的温升更多，所以更容易出现出口温度偏高的情况。

火电厂烟气脱硫工程采用的较为成熟的石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺中，设备的选型将直接影响整个工程投资的经济性和技术性。作为整个脱硫运行中比较关键的设备，氧化风机的选型是否合理，直接关系着整个工程的投资及运营效果。

目前的石灰石-石膏湿法烟气脱硫工程中常用的氧化风机有罗茨鼓风机（双叶、三叶）和离心鼓风机（多级离心、单极离心）

一、罗茨鼓风机的工作原理及特点
罗茨鼓风机属于容积式气体压缩机，输送的风量与转数成比例。其工作原理是：由两个叶轮（或三叶）在箱体内互为反方向匀速旋转，使箱体和叶轮所包围着的一定量的气体由吸入的一侧输送到排出的一侧。

罗茨鼓风机（效率约70%）
罗茨鼓风机的主要特点是：1）叶轮和轴为整体结构，且叶轮无磨损，风机性能持久不变，可以长期连续运转；2）具有硬排气特性，压力变化时，流量变化很小，在设计压力范围内，管网阻力变化时其流量变化很小，适用于在流量要求稳定而阻力变化幅度较大的工作场合；3）由于罗茨鼓风机在工作过程中存在冲击脉动，导致罗茨鼓风机噪声较高，会给周围环境带来极大的影响。
目前国内的电厂脱硫工程大多选用国产罗茨鼓风机。由于国内制造工艺的局限，国产罗茨鼓风机存在相对噪声更大、振动偏大、效率偏低、本体漏风率偏高（约10%）等缺点，其风量调节只能采用变频调速和出风管放气的方式。由于其振动较大，罗茨鼓风机的布置需要增加减振措施。三叶罗茨鼓风机相对于传统的双叶风机，在一定程度上提高了其在阻力较大工作场合的适应性，风机效率也有一定的改善。
二、单级和多级离心鼓风机的工作原理及特点
离心鼓风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。离心鼓风机又分为多级低速和单级高速两种。其工作原理是根据动能转换为势能的原理，利用高速旋转的叶轮将气体加速，然后减速、改变流向，使动能转换成势能（压力）。在单级离心鼓风机中，气体从轴向进入叶轮，气体流经叶轮时改变成径向，然后进入扩压器。在扩压器中，气体改变了流动方向造成减速，这种减速作用将动能转换成压力能。压力增加主要发生在叶轮中，其次发生在扩压过程。在多级离心鼓风机中，用回流器使气流进入下一叶轮，产生更高压力。由于离心鼓风机是依靠提高空气的流动速度即空气动能来压缩空气提高压力，所以要获得同样的压力，单级离心鼓风机的叶轮必须要比多级风机的转速高数十倍，通常情况下多级离心鼓风机的转速只有数千转，而单级离心鼓风机的转速可以高达万转以上。
离心鼓风机的主要特点是：1）结构相对紧凑，占用场地面积较小；2）运行平稳：优化设计的叶轮使轴向力减小到最低程度，且有高效的叶轮，并经静动平衡校正，使整机运行平稳，在不加任何减振装置的情况下，轴承振幅≤0.04mm；3）噪声低，风机运行时，无任何机械摩擦，采用合理叶片形线使噪声降到最低。离心鼓风机产生的噪声是高频噪声，只要有障碍物，即可隔音，所以风机房外几乎无噪声。
在目前电厂脱硫实际工程的应用中，离心式风机有随吸收塔液位变化流量波动较大等特点，需配备相应的风量调节装置。且由于压力的提供在很大程度上依靠转速的提高，而转速的提供受到平衡、润滑及材料性能等多方面的限制，所以单级离心鼓风机的控制和维护保养特别重要，必须同时配套单独的润滑油站，使得风机结构复杂，故障点增加。

多级离心鼓风机（效率约75%）

Howden单级高速离心鼓风机（效率85-90%）
三、罗茨鼓风机、多级离心鼓风机和单级离心鼓风机的在实际工程应用中的比较
脱硫氧化风机因其压头高，风量大等特点，目前行业内大都采用罗茨风机，而离心式氧化风机国内脱硫行业相对较少，尤其是单级离心鼓风机，也是近几年才逐步推广和使用，从使用情况看，效率高、噪音低、维护成本低，是未来升级换代的主要趋势。罗茨风机、单机和多级离心鼓风机在应用中，几点体会如下：
1、效率方面。为了提高离心风机的出口压力，满足脱硫氧化风的需要，离心鼓风机采用多级形式（D型系列），可以形象地认为三台风机串联，该多级鼓风机与二级罗茨风机不同，二级罗茨风机实际上就是两台罗茨风机串联，而多级鼓风机是一台风机，其内部叶片是同轴多级叶片，和汽轮发电机的形式近似。各级叶轮对流道内气体做功，在离心力的作用下，产生压力和动能。一份资料上说气体压力2/3由叶轮产生，1/3由扩压器定子产生。不论是多级离心风机还是二级罗茨风机，都存在效率低的问题，为何效率偏低，可以简单理解为：气体在不同压力等级之间传递时会有能量损失。采用单级高速离心鼓风机，可以大大提高效率。单级高速风机采用一级叶轮，叶轮采用三元流设计，在使用中的风量大小可根据使用工况变化在较大范围内调节，效率在80%左右最高可接近90%（如Howden的高速离心鼓风机多方效率可达85-90%）；多级离心鼓风机采用多级叶轮，传递过程中效率有损失，一般在75%左右；罗茨鼓风机为容积式风机，通过气腔体积变化实现压力的升高，其效率在70％左右。因此在相同工况下选型时，各种风机的轴功率有一定差异。单级高速离心鼓风机要比相应的多级离心鼓风机节能10%左右，比相应的罗茨鼓风机节能15%左右。 效率较低的风机，由于能量损耗，气体温升相对较高，这也是不少罗茨鼓风机都存在出口空气温度高的原因之一，当然有些也存在系统选型设计的原因。不论是罗茨风机还是多级离心风机，都存在效率不高的问题，就效率而言，多级离心风机高于罗茨风机，而单级离心风机高于多级离心风机。即便是进口多级离心风机，如HIBON、Spencer等，效率并不高，约75%，国产的罗茨风机效率约70%。

2、噪声方面
为了保证风量和压力，单级离心鼓风机其转速比一般风机转速要高的多，被称为高速鼓风机，为了实现高速加设增速器，使其转速达到6-7000转，有的甚至达到10000转以上，变速器以固定的传动比满足鼓风机运行转速。由于转速高，对轴承、叶轮、润滑系统等提出了更高的要求。所以在选择时应特别注意这些转动部件的可靠性，在可能的条件下尽量采用进口部件，目前国产的质量和进口相比还有差距。离心鼓风机其噪声水平在95dB(A)内（未经消声处理），且属高频段噪声。而罗茨鼓风机噪声本来较高（达110 dB(A)以上），且为低频段噪声。高频噪声稍加消音措施，容易达到降噪效果，而罗茨鼓风机的低频噪声很难处理，噪声传播远，且会让人的听觉感到非常难受。
从理论上而言，单级鼓风机比罗茨风机和多级鼓风机噪音要低，但实际有些厂家制造的单级高速鼓风机仍有较大噪音，原因大致有：叶轮设计不合理、动平衡不好、安装问题等等。在设备选型、设计、制造、安装过程中要注意这些问题，尽量选择口碑较好的厂家。
3、风机结构方面
罗茨鼓风机采用皮带传动，总体运行比较稳定，但安装或维护不当时，皮带易打滑。高速单级离心鼓风机采用增速齿轮箱+联轴器传动，轴承采用高速轴斜垫式自定位滑动轴承，自带油润滑系统，确保了高速旋转时轴承运转稳定，但整套系统较为复杂，对保护系统要求较高，应优先考虑可靠度较高的产品。目前出现的新型单机高速离心鼓风机，这种风机转速高、噪音低、效率高、通过特殊的叶形和材料，在极高转速下获得高压头，是替代罗茨风机和多级离心风机的理想更新换代产品。一般采用新型的高压头叶片，不仅运行可靠，噪音低，完全满足流量风压要求，还有更高的运行效率。目前，不少电厂倾向于对氧化风机进行改造或更新设备，单机离心鼓风机可能是未来比较普遍采用的一种氧化风机形式。
4、设备造价方面
由于离心鼓风机高转速带来诸多部件如叶片等磨损较大，对风机轴承要求较高。因此，单级离心鼓风机叶片材料需选用合金钢，并且采用整体铣制工艺，导致离心鼓风机整体价格较昂贵。目前在市场上的价格，单级离心高速风机价格大约是罗茨鼓风机的3倍甚至更高。但从长远考虑，由于罗茨风机效率低、噪音大，还是采用更高效的质量可靠的单级离心鼓风机是未来的发展趋势。目前具有高速单级离心鼓风机技术和产品业绩的厂家主要有豪顿华、金通灵和沈鼓。相比较而言，豪顿华的高速单级离心风机质量最好，在业内有较好的口碑，但价格较贵，金通灵、沈鼓也具有设计、制造该产品的能力，并也有部分业绩。我做了一些对比，发现他们的主要区别在于：
轴承、叶片等转动件结构设计、制造水平不同，豪顿华的重要部件均采用进口，但价格较贵。
叶形不同。对风机而言，最负责和技术含量最高的部分其实是叶形的设计。可能各厂家的技术来源不同，研发途径也不一样，各公司都有自己的不同叶形。叶形决定了风机性能。豪顿华的气流导向后弯风机叶形更加合理（据说Howden采用最先进的应用于航天技术有限元算法软件），无过载动力特性，效率更高，效率达85%-90%。

四 结论
总体来说， 总而言之，随着节能减排要求的提高，未来几年，在脱硫设备改造和新上脱硫项目中，单级高速离心鼓风机势必取代罗茨风机、多级离心风机成为脱硫氧化风机的主流。罗茨鼓风机相对于离心鼓风机的最大优势是价格；而离心鼓风机相对于罗茨鼓风机的最大优势是风机效率,尤其是单级高速离心风机，无疑是未来发展趋势，不少电厂在升级改造中开始采用。

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