Ventilatorji industrijskih kotlov se prilagajajo vse večjim zahtevam po zanesljivem pretoku zraka za zgorevanje

Industrijski kotlovni sistemi postajajo zahtevnejši, saj elektrarne poskušajo vzdrževati stabilno zgorevanje, hkrati pa nadzorovati porabo goriva, emisije in obratovalne stroške. V tem okolju se ventilatorji za industrijske kotle ne izbirajo več zgolj glede na kapaciteto kotla ali moč motorja. Dejanska obremenitev ventilatorja je odvisna od potreb po zgorevalnem zraku, odpornosti sistema, lastnosti goriva, delovne temperature in variacije obremenitve.

Za inženirje prvo vprašanje ne bi smelo biti "Koliko kW naj ima motor ventilatorja?" Moralo bi biti "Kakšen pretok zraka in tlak sta potrebna na dejanski delovni točki?" To razlikovanje je pomembno, ker morajo biti tako ventilatorji s prisilnim vlekom (FD) kot ventilatorji z induciranim vlekom (ID) usklajeni s celotnim kotlovnim sistemom in ne izbrani kot neodvisni deli opreme. Začnite s pretokom zraka in tlakom, ne z močjo motorja

Pri izbiri industrijskih kotlovskih ventilatorjev je treba najprej določiti dva osnovna parametra: potreben pretok zraka in zahtevan tlak.

Pri ventilatorju FD je pretok zraka povezan s hitrostjo kurjenja kotla, vrsto goriva, konstrukcijo gorilnika ali rešetke in zahtevano stopnjo presežka zraka. Tlak ventilatorja mora premagati upor dovoda zraka, filtra, lopute, cevovoda, predgrelnika zraka, vetrovnika in registra gorilnika.

Za ljubitelja ID je izračun drugačen. Ventilator mora odsesati zahtevano prostornino dimnih plinov, medtem ko premaguje upor plinskih kanalov kotla, ekonomizatorja, predgrelnika zraka, zbiralnika prahu, pralnika, kanalov, loput in dimnika.

Praktična specifikacija mora zato vključevati vsaj:

Potreben pretok zraka: m³/h ali CFM

Statični ali skupni tlak: Pa, kPa ali mmWG

Temperatura zraka ali plina

Vrsta goriva

Koncentracija prahu

Sestava plina, kjer je primerno

Delovna višina

Normalna in največja obremenitev

Hitrost ventilatorja ali območje VFD

Napetost in frekvenca motorja

Ureditev namestitve

Ta pristop prepreči običajno napako pri nakupu: izbiro ventilatorja samo na podlagi obstoječe moči motorja. Motor s 160 kW, na primer, proizvajalcu ne pove, kakšen pretok zraka ali pritisk mora ventilator dejansko zagotavljati.

Oboževalec FD in oboževalec ID imata različni službi

Vsi industrijski kotlovni ventilatorji ne opravljajo enake funkcije.

Ventilator s prisilnim vlekom dovaja zrak za zgorevanje v peč. Običajno deluje s sorazmerno čistim zunanjim ali predhodno ogretim zrakom in deluje na strani zgorevalnega sistema s pozitivnim tlakom.

Ventilator z indukcijskim vlekom deluje na izpušni strani. Potegne dimne pline skozi kotel in nadaljnjo opremo, hkrati pa pomaga vzdrževati potreben vlek v peči. Odvisno od goriva in postopka lahko plin vsebuje pepel, prah, vlago, jedke spojine in druge onesnaževalce.

Ta razlika neposredno vpliva na konstrukcijo ventilatorja.

Na primer, ventilator FD za plinski kotel lahko zahteva predvsem stabilen pretok zraka, učinkovito delovanje in natančen nadzor. Ventilator ID za kotel na biomaso ali premog lahko zahteva dodatno obravnavo obrabe, kopičenja prahu, visokotemperaturnega plina, hlajenja gredi, razporeditve ležajev in obrabe rotorja.

Zato preprosto povedati proizvajalcu "Potrebujem kotlovski ventilator za 20-tonski kotel" ni dovolj za pravilno izbiro opreme.

Sistemski upor pogosto določa končno velikost ventilatorja

Ena najpomembnejših praktičnih točk pri določanju ventilatorjev za industrijske kotle je, da ventilator ne deluje samo proti kotlu. Deluje proti uporu celotnega sistema zraka ali dimnih plinov.

Pri sistemu FD lahko izgube tlaka izvirajo iz:

Dovod zraka → filter → dušilec zvoka → kanal → loputa → predgrelnik zraka → vetrovnik → gorilnik

Za ID sistem je lahko pot:

Kotel → ekonomizator → zbiralnik prahu → pralnik → kanal → ID ventilator → dimnik

Vsaka komponenta prispeva k izgubi tlaka. Umazan vrečasti filter ali delno zamašen kanal lahko znatno poveča odpornost sistema, ne da bi prišlo do mehanskih težav znotraj ventilatorja.

Zato morajo tehniki pred menjavo ventilatorja primerjati trenutne podatke o delovanju z originalnimi podatki o zagonu. Če hitrost ventilatorja ostane približno konstantna, medtem ko pretok zraka upade in tlak naraste, je treba raziskati povečan upor sistema, preden domnevamo, da je ventilator sam izgubil zmogljivost. 

Presežek zraka je še ena pomembna kontrolna točka

Zgorevanje potrebuje dovolj zraka, vendar preprosto dovajanje več zraka ne izboljša samodejno učinkovitosti kotla.

Teoretična količina zraka, ki je potrebna za zgorevanje, je odvisna od goriva. Med dejanskim delovanjem se dovaja dodaten zrak, ker je težko doseči popolno mešanje goriva in zraka. To je znano kot presežek zraka.

Praktična težava se pojavi, ko kotel deluje pri delni obremenitvi. Če ventilator še naprej deluje s polno hitrostjo in je pretok zraka nadzorovan predvsem z zapiranjem lopute, lahko ventilator porabi precej električne energije, medtem ko je večina razpoložljivega pretoka zraka omejena.

Nadzor spremenljive hitrosti lahko zmanjša to težavo. Raziskave o krmiljenju ventilatorja v kotlovnici so pokazale, da lahko nadzor pretoka zraka s hitrostjo ventilatorja namesto zanašanja le na lopute zagotovi znatne prihranke energije med delovanjem z delno obremenitvijo.

Zaradi tega so sodobni industrijski kotlovni ventilatorji vedno bolj opremljeni z VFD krmiljenjem, ko ima kotel širok razpon obremenitve.

Ključ pa ni le v namestitvi VFD. Nadzorni sistem mora uskladiti hitrost ventilatorja s pretokom goriva, tlakom v peči, zahtevami zgorevanja in mejami delovanja. Nenadzorovano povečanje hitrosti ventilatorja lahko povzroči čezmeren pretok zraka, nepotrebno porabo energije ali nestabilne pogoje v peči.

Praktični primer: Izbira ventilatorja kotla na biomaso

Razmislite o kotlu na biomaso, kjer je obrat prvotno uporabljal obstoječi centrifugalni ventilator. Upravljavec je poročal, da je zgorevanje postalo nestabilno vsakič, ko se je kotel približal največji obremenitvi.

Prva reakcija je bila sum na nezadostno zmogljivost ventilatorja.

Namesto da bi nemudoma zamenjali ventilator, je vzdrževalna ekipa zabeležila:

RPM ventilatorja

Pretok zraka

Tlak ventilatorja

Tok motorja

Tlak v peči

Stopnja dovajanja goriva

Temperatura zraka

Položaj blažilnika

Meritve so pokazale, da je ventilator že deloval blizu nazivne hitrosti. Vendar je bil dejanski pretok zraka pod prvotno projektirano vrednostjo.

Ekipa je nato pregledala zračno pot in odkrila prevelik upor pri predgrelniku zraka in delno omejenih odsekih kanala.

To je bilo pomembno: težava ni bila nujno v tem, da so bili ventilatorji za industrijske kotle premajhni. Sistem je preprečil, da bi obstoječi ventilator dosegel predvideno delovno točko.

Ko so bile omejitve odpravljene, se je pretok zraka povečal brez zamenjave motorja ali ventilatorja.

Ta vrsta diagnoze lahko prihrani precej več denarja kot preprosta namestitev večjega ventilatorja.

Ne prezrite temperature in gostote plina

Temperatura je še posebej pomembna pri izbiri ventilatorjev za industrijske kotle za stran dimnih plinov.

Ko se temperatura plina poveča, se gostota plina zmanjša. Zato ventilatorja za vroče dimne pline ni mogoče vedno izbrati z neposredno uporabo enakih vrednosti volumna in tlaka, ki veljajo za zunanji zrak.

Na primer, ventilator ID, ki skrbi za dimne pline pri 180 °C, in ventilator FD, ki deluje pri temperaturi okolice pri 20 °C, imata lahko popolnoma različne pogoje gostote, tudi če so njune volumetrične vrednosti pretoka zraka podobne.

Proizvajalec bi zato moral prejeti dejansko delovno temperaturo in ne splošno izjavo, kot je "uporaba pri visokih temperaturah".

Za ventilatorja ID bi morali inženirji običajno zagotoviti:

Normalna temperatura + najvišja temperatura + pretok zraka pri določeni osnovi temperature + tlaka

Če se lahko temperatura med zagonom in zaustavitvijo močno spreminja, je treba upoštevati tudi te pogoje.

Temperatura, koncentracija prahu, vlaga in sestava jedkih plinov lahko dodatno vplivajo na izbiro materiala in mehansko zasnovo. 

Izbira ventilatorja mora vključevati dejansko delovno točko

Pri ocenjevanju ventilatorjev za industrijske kotle je krivulja ventilatorja bolj uporabna kot ploščica z imenom ventilatorja.

Recimo, da je naloga načrtovanja:

Pretok zraka: 30.000 m³/h

Statični tlak: 2.500 Pa

Temperatura plina: 150°C

Hitrost delovanja: 1.450 vrt/min

Proizvajalec mora preveriti, kje na predlagani krivulji delovanja ventilatorja leži ta delovna točka.

Če lahko izbrani ventilator teoretično proizvede 30.000 m³/h, vendar le pri tlaku, bistveno nižjem od 2.500 Pa, ventilator ne bo zadostil dejanskim zahtevam sistema.

Nasprotno pa lahko izbira pretirano velikega ventilatorja potisne sistem k nepotrebnemu dušenju. Motor lahko tudi porabi več energije, kot je potrebno, odvisno od načina krmiljenja in delovne točke.

Cilj torej ni izbrati največjega razpoložljivega ventilatorja. Cilj je postaviti normalno delovno točko v ustrezno območje krivulje ventilatorja, hkrati pa omogočiti razumno rezervo delovanja.

Zasnova rotorja je pomembna pri aplikacijah kotlov s prahom

Tekač je še eno področje, kjer ventilatorji industrijskih kotlov potrebujejo inženiring, specifičen za aplikacijo.

Čist zgorevalni zrak omogoča razmeroma preprosto izbiro rotorja. Dimni plin, ki vsebuje abrazivni pepel, je drugačen.

Če prah nenehno udarja v rotor, se lahko sprednji robovi rezila postopoma obrabijo. Kopičenje materiala lahko povzroči tudi neravnovesje. Pri nekaterih aplikacijah za biomaso se lahko zaradi lastnosti vlage in pepela kopičijo lepljive usedline hitreje, kot je bilo pričakovano.

Praktični vzdrževalni pregled bi zato moral vključevati:

Zaustavite in izolirajte ventilator.

Preverite, ali je rotor obrabljen.

Preverite neenakomerne usedline na rezilih.

Izmerite ali preverite stanje gredi in ležaja.

Preglejte sklopko ali jermenski pogon.

Preverite temelj in sidrne vijake.

Izvedite uravnoteženje, če ugotovite znatno neravnovesje.

Pri aplikacijah s hudo obrabo lahko zasnova ventilatorja zahteva konstrukcijo, odporno proti obrabi, ali zamenljive obrabljive komponente, namesto da bi se zanašal le na debelejše standardne lopatice.

Kako izboljšati energetsko učinkovitost

Energijsko učinkovitost je treba upoštevati pri začetni izbiri ventilatorjev za industrijske kotle, ne pa potem, ko je ventilator že nameščen.

Tri področja si zaslužijo posebno pozornost.

Najprej se izogibajte nepotrebnemu pritisku.

Če sistem zahteva 2.000 Pa, vendar je ventilator izbran in deluje tako, da ustvarja bistveno večji tlak, se lahko presežni tlak preprosto razprši z loputami ali drugimi omejitvami.

Drugič, uskladite zmogljivost ventilatorja z dejanskim območjem delovanja.

Če kotel večino časa obratuje pri 50–70 % obremenitvi, ventilatorja ne bi smeli optimizirati samo za teoretično 100 % obremenitev.

Tretjič, upoštevajte nadzor hitrosti.

Za sisteme s spremenljivo obremenitvijo je zmanjšanje hitrosti ventilatorja lahko učinkovitejše od vzdrževanja polne hitrosti in dušenja pretoka zraka z loputo. To je še posebej pomembno, ker se moč ventilatorja močno spreminja s hitrostjo v razmerju afiniteta-zakon.

Ventilatorski sistem kotla je zato treba oceniti na podlagi letnih obratovalnih ur, profila obremenitve, načina krmiljenja in stroškov električne energije – ne le na začetni nakupni ceni.

Kaj morajo inženirji poslati, preden zahtevajo ponudbo za ventilator kotla

Pred nakupom industrijskih kotlovskih ventilatorjev priporočam, da pripravite tehnični list, namesto da pošljete samo zmogljivost kotla.

Uporaben RFQ mora vsebovati:

Informacije o kotlu

Kapaciteta kotla

Vrsta goriva

Način žganja

Normalna in največja obremenitev

Oboževalska dolžnost

Potreben pretok zraka

Statični ali skupni tlak

Normalna in najvišja delovna točka

Delovna temperatura

Informacije o sistemu

Velikost kanala in približna postavitev

Vrsta zbiralnika prahu

Predgrelnik zraka

Čiščenje, če je primerno

Informacije o dimniku

Ocenjena odpornost sistema

Mehanske zahteve

Vrtenje ventilatorja

Izhodna smer

Ureditev pogona

Moč in napetost motorja

Razporeditev ležajev

VFD ali nadzor blažilnikov

Pogoji spletnega mesta

Nadmorska višina namestitve

Temperatura okolja

Notranja ali zunanja montaža

Neprekinjeno ali občasno delovanje

Te informacije dajejo proizvajalcu dovolj podatkov za pravilno oceno krivulje ventilatorja, moči motorja, zasnove rotorja, materialov in načina krmiljenja.

Končne misli

Povpraševanje po industrijskih kotlovnih ventilatorjih je vedno bolj povezano z več kot zgolj z dovajanjem zraka za zgorevanje ali odvodom dimnih plinov. Sodobni kotlovni sistemi zahtevajo stabilen pretok zraka pri spreminjajočih se obremenitvah, natančen nadzor tlaka v peči, nižjo porabo pomožne energije in zanesljivo delovanje pri zahtevnih temperaturnih in prašnih pogojih.

Za nov projekt je najboljše izhodišče celoten sistem: pretok zraka + tlak + temperatura + gorivo + sistemski upor + delovno območje. Pri obstoječem kotlu je treba pred zamenjavo ventilatorja podatke o delovanju primerjati z izvirno konstrukcijsko točko.

V mnogih primerih rešitev za slabo delovanje kotla ni le večji motor ali večji ventilator. Pravilen sistemski upor, delovna točka ventilatorja, nadzor hitrosti, stanje rotorja in nadzor tlaka v peči lahko veliko bolj vplivajo na dejansko delovanje.