第二节　鼓风机及其操作性能

焦化厂用于煤气加压输送的鼓风机有离心式和容积式两种。离心式用于大中型焦炉，容积式常用的是罗茨式鼓风机，用于小型焦炉或用于净焦炉煤气的压送。

一、离心式鼓风机

1.离心式鼓风机的构造及工作原理

离心式鼓风机又称涡轮式或透平式鼓风机，由电动机或汽轮机驱动。其构造如图3-2所示，离心式鼓风机由导叶轮、外壳和安装在轴上的三个工作叶轮组成。煤气由吸入口进入高速旋转的第一工作叶轮，在离心力的作用下，增加了动能并被甩向叶轮外面的环形空隙，于是在叶轮中心处形成负压，煤气即被不断吸入。由叶轮甩出的煤气速度很高，当进入环形空隙后速度减小，其部分动能变成静压能，并沿导叶轮通道进入第二叶轮，产生与第一叶轮及环隙相同的作用，煤气的静压能再次得到提高，经出口连接管被送入管路中。

煤气的压力是在转子的各个叶轮作用下，并经过能量转换而得到提高。

显然，叶轮的转速越高，煤气的密度越大，作用于煤气的离心力越大，则出口煤气的压力也就越高。大型离心式鼓风机转速在5000r/min以上，电动机驱动时，需设增速器以提高转速。

离心式鼓风机按进口煤气流量的大小分为150m3/min、300m3/min、750m3/min、900m3/min和1200m3/min等各种规格，产生的总压头为29.5～34.3kPa。

2.鼓风机输气能力及轴功率的计算

焦化厂所需鼓风机的输气能力可根据煤气发生量按下式计算：

　　 （3-3） 　　

式中　qV——鼓风机前煤气的实际体积流量，m3/h；

V——每吨干煤的煤气发生量，m3；

qm——干煤装入量，t/h；

T——鼓风机前煤气的热力学温度，K；

p——大气压力，kPa；

ps——鼓风机前煤气中的水汽分压，kPa；

p机前——鼓风机前吸力，kPa；

α——焦炉装入煤的不均衡系数，取为1.1。

焦化厂鼓风机的输气能力及压头必须能承受焦炉所发生的最大煤气量的负荷，所以在确定鼓风机的输气能力时，应取在最短结焦时间下每吨干煤的最大煤气发生量进行计算，并记入焦炉装煤的不均衡系数。

煤气鼓风机轴功率NT（kW）可按绝热压缩过程所耗的功来计算，即pVK=常数，对理想气体可导出所需理论轴功率，积分，可得：

　　 （3-4） 　　

式中　p1——鼓风机吸入口的绝对压力，kPa；

p2——鼓风机出口的绝对压力，kPa；

——进入鼓风机的煤气实际体积流量，m3/h；

k——气体的比定压热容cp和比定容热容cV的比值，即，对于炼焦煤气k=1.37。

式（3-4）也可写成：

　　 （3-5） 　　

由于煤气为非理想气体需要修正；煤气进出鼓风机、流过鼓风机（流速大小和方向变化及伴随这些变化生产的涡流等）产生的阻力；鼓风机壁面散热，对煤气温度的影响；鼓风机本身的机械消耗等因素的影响，需对理论轴功率NT进行校正，引入η（绝热总效率）作为综合效率。显然，η除与煤气物性有关外，还与鼓风机的设计、制造、安装水平等多种因素有关，各国不同厂家的η值不同。此处取η=0.786，则鼓风机实际轴功率（简称轴功率）为：

　　 （3-6） 　　

将式（3-5）和η值带入式（3-6）有：

　　 （3-7） 　　

随着科学技术的发展，中国鼓风机综合技术水平会不断提高，η值也会逐步增大。

鼓风机所需原动机功率要大于计算所得轴功率，如以蒸汽透平机为原动机时，需增15％，如为电动机时，需增20％～30％。

由式（3-7）可知，鼓风机轴功率主要取决于鼓风机前的煤气实际体积。显然，如初冷器后集合温度高，将使鼓风机功率消耗显著增大。

当煤气初冷器采用串联流程时，由于阻力增大，鼓风机前吸力增大，煤气在鼓风机内的压缩比（p2/p1）较并联流程增大，因之轴功率也随之增加。但在串联流程中，集合温度降低，进鼓风机的煤气实际体积相应变小，因而串联系统的鼓风机功率消耗比并联流程只增3％左右。另外，为了降低鼓风机的功率消耗，吸气管的管径不宜过小和过长，在操作中要防止吸气管和初冷器的堵塞。

3.煤气在鼓风机中的温升

在离心式鼓风机内，煤气被压缩所产生的热量，绝大部分被煤气吸收，只有小部分热量散失。因此，煤气在鼓风机内的压缩过程可以近似地视为绝热过程。经压缩后的煤气最终温度，可按下式计算：

　　 （3-8） 　　

式中　T1，T2——气体压缩前后的热力学温度，K。

将炼焦煤气的k值代入上式可得：

　　 （3-9） 　　

　　 或煤气经过鼓风机的温升： 　　 　　 （3-10）

正如鼓风机轴功率N计算中所述，式（3-10）是由理想气体绝热压缩导出的。实际操作中机壳散热损失，是Δt减小的因素；但煤气被鼓风机吸入至排出，需要的轴功率比理想过程的轴功率大，多消耗的功转变成了热，则是煤气Δt升高的因素。在实际生产中，煤气实际温升Δt实大于或小于Δt的计算值，要看以上两因素何者是主导因素。一般而言，Δt=15～25℃是正常的。若Δt大于35℃，则说明功率消耗太大了，应认真分析，查明原因，并采取措施解决。

二、离心式鼓风机的性能与调节

焦化厂中鼓风机操作非常重要，既要输送煤气，又要保持炭化室和集气管的压力稳定。在正常生产情况下，集气管压力用压力自动调节机调节，但当调节范围不能满足生产变化的要求时，即需对鼓风机操作进行必要的调整。

鼓风机在一定转速下的生产能力与总压头之间有一定的关系，可用图3-3所示鼓风机qV-H特性曲线来表示。

由图3-3可见，曲线有一最高点B，相应于B点压头（最高压头）的输送量称为临界输送量。鼓风机不允许在B点的左侧范围内操作，因在此范围内鼓风机输送量波动，并会发生振动，产生“飞动”现象。只有在B点右侧延伸的特性曲线范围内操作才是稳定的。所以，B点右侧的特性曲线范围是鼓风机的稳定工作区，B点的左侧为鼓风机的不稳定工作区。

当鼓风机的运行工况改变时，要用调节的手段使鼓风机处于稳定工作区，维护其稳定运行。常用的调节方法有以下几种。

（1）改变转速　当改变鼓风机转速时，流量与性能曲线相应改变。此法调节范围宽，经济性好，是离心式鼓风机的最佳调节手段。当鼓风机的转速由n变为n1（r/min）时，则鼓风机的输气能力qV、总压头H及轴功率N依下列关系式作相应改变。

　　 输气能力 　　 　　 （3-11）

　　 总压头 　　 　　 （3-12）

　　 轴功率 　　 　　 （3-13）

在额定转速的50％～125％范围内，离心鼓风机的qV-H特性曲线如图3-4所示。由图可见，随转速的降低，鼓风机的不稳定工作区范围缩小，即使在煤气输送量很小的情况下也不易产生“飞动”现象。

鼓风机允许的最大转速值称为额定转速，鼓风机的运转速度在一定范围内，会出现工作不均衡，输气量波动，并发生振动等现象，该转速称为临界转速。

改变转速适用于汽轮机和变速电动机驱动的鼓风机或安装有液力耦合器的鼓风机。当用蒸汽透平机带动鼓风机时，只要改变进入透平机的蒸汽量，即可改变透平机的转速，亦即改变鼓风机的转速；当用变频电动机作原动机时，通过改变电动机的转速，即可改变鼓风机转速；液力耦合器是以液体为介质来传递功率的传动装置，通过改变液力耦合器工作腔内液体的充满度，在原动机转速不变的条件下，实现鼓风机的无级变速。调速液力耦合器功能：无级调速、过载保护、减缓冲击、隔离振动、空载启动、缓慢加速、高效传动。

在特性曲线稳定工作区内，可用调节鼓风机前后煤气阀门开度的方法来改变输气量和压力。对于电动机带动的鼓风机，由于转子的转速一定，最简单的方法就是用开闭器进行调节。

（2）进口节流　调节鼓风机吸入口的阀门开度时，鼓风机的特性曲线随之改变。如图3-5所示，当吸入开闭器的开度变小时，鼓风机的不稳定工作范围随之变小，鼓风机的输送能力及总压头也均相应减小。此调节方法简单，适用于固定转速机组的调节，但由于鼓风机前吸力增大，会使压缩比（p2/p1）变大，则鼓风机轴功率消耗及煤气温升增高，故较少采用此法。

（3）出口节流　调节鼓风机出口的阀门开度，调节方法简单，但经济性差，适用于小功率机组的调节。

电动鼓风机如果用出入口开闭器进行调节时，应特别注意鼓风机电动机电流的变化，一般操作电流不应小于电动机额定电流的60％，以防止发生“飞动”现象。

（4）交通管调节　当煤气流量减少时，调节交通管的阀门开闭度，使一部分出口煤气返回吸入口，以维持鼓风机的正常运行。交通管调节有“大循环”和“小循环”两种方式。

当鼓风机能力较大，而输送的煤气量较小时，为保证鼓风机工作稳定，可用如图3-6所示的小循环管来调节鼓风机的操作。改变调节阀门开度的大小，使由鼓风机压出的煤气部分重新回到吸入管，这种方法称为“小循环”调节。

“小循环”调节方法很方便，但显然鼓风机能量有一部分白白浪费在循环煤气上。此外，因为有部分已被压缩而升温的煤气返回鼓风机入口并经再次压缩，出口煤气温升会更高。如某厂用能力为1200m3/min的鼓风机抽送一座焦炉的煤气发生量为28000m3/h时，采用鼓风机“小循环”调节，曾使煤气升温接近90℃，鼓风机轴瓦温度近70℃，发生了轴瓦损坏事故。所以，“小循环”调节是很有限的。

当焦炉刚开工投产或因故大幅度延长结焦时间时煤气发生量过少，低于“小循环”调节的限度时，则易采用“大循环”调节方法。

如图3-7所示，“大循环”调节就是通过“大循环”调节阀门将鼓风机压出的部分煤气经煤气大循环管送到初冷器前的煤气管道中，经过冷却后，再回到鼓风机去。根据实际生产经验获知，当煤气量为鼓风机额定能力的1/4～1/3时，就需采用煤气“大循环”调节措施。显然“大循环”调节方法可较好地解决煤气温升过高的问题，但同样要增加鼓风机能量的消耗，同时会增加初冷器的负荷及冷却水的用量。如果进入鼓风机的煤气量过小时，经过风机多次循环后，鼓风机后煤气温度仍会发生升温过高，这时应适当调整鼓风机煤气出口开闭器开度，以防轴瓦损坏。

为了扩大离心式鼓风机的稳定工况范围，上述调节方法可联合使用。

在实际生产中，随煤气进入鼓风机的微小水（油）滴，在离心力作用下，集中在叶轮外围环形空隙底部，应随时排出。为保证鼓风机的正常运转，对冷凝液排出管应按时用蒸汽清扫，保证冷凝液及煤焦油及时排出。

三、罗茨式鼓风机

1.罗茨鼓风机的构造

罗茨鼓风机是利用转子转动时的容积变化来吸入和排出煤气，用电动机驱动，其构造见图3-8。

罗茨鼓风机有一铸铁外壳，壳内装有两个“8”字形的用铸铁或铸钢制成的空心转子，并将汽缸分成两个工作室。两个转子装在两个互相平行的轴上，在这两个轴上又各装有一个互相咬合、大小相同的转子，当电动机经由皮带轮带动主轴转子旋转时，主轴上的转子又带动了从动轴上的转子，所以两个转子做相对反向转动，此时一个工作室吸入气体，由转子推入另一个工作室而将气体压出。每个转子与机壳内壁及与另一个转子表面均需紧密配合，其间隙一般为0.25～0.40mm。间隙过大即有一定数量的气体由压出侧漏到吸入侧，有时因漏泄量大而使机身发热：罗茨鼓风机因转子的中心距及转子长度的不同，其输气能力可以在很大的范围内变动：在中国中小型焦化厂应用的罗茨鼓风机有多种规格，其生产能力为28～300m3/min，所生成的额定压头为19.61～34.32kPa。

罗茨鼓风机具有结构简单、制造容易、体积小，且在转速一定时，如压头稍有变化，其输气量可保持不变，即输气量随着风压变化几乎保持一定，可以获得较高的压头，这都是优点。但在使用日久后，间隙因磨损而增大，其效率降低，此种鼓风机只能用循环管调节煤气量，在压出管路上需安装安全阀，以保证安全运转。此外，罗茨鼓风机的噪声较大。

2.罗茨鼓风机的计算

罗茨鼓风机的煤气输送量qV，可按下式计算：

　　 （3-14） 　　

式中　D——转子直径，m；

B——转子长度，m；

n——转速，r/min；

η容积——容积效率系数，取0.7～0.8。

罗茨鼓风机所需的轴功率可按下式计算：

　　 （3-15） 　　

式中　qV——煤气输送量，m3/min；

H——总压头，H=p压出-p吸入，kPa；

η总——总效率系数，取0.7～0.8。

煤气在罗茨鼓风机中的温升较小，为3～5℃。

罗茨鼓风机在转速一定时，其输气能力随着压缩比的增高而有所下降，这是由于煤气通过转子之间以及转子与壳体之间漏泄量增多所致。其轴功率则随总压头的增高而增大。

此外，鼓风机转速变大，所输送的煤气量也随之增多，但一般最大转速以不超过额定转速的10％为宜。

冬季因气温较低，煤气中的煤焦油容易粘住转子，而出现鼓风机启动困难、运转负荷加大，甚至破坏转子平衡等情况。此时从煤气入口处加入溶剂油或重油进行清洗，可有较好效果。