第二節　鼓風機及其操作性能

焦化廠用于煤氣加壓輸送的鼓風機有離心式和容積式兩種。離心式用于大中型焦爐，容積式常用的是羅茨式鼓風機，用于小型焦爐或用于凈焦爐煤氣的壓送。

一、離心式鼓風機

1.離心式鼓風機的構造及工作原理

離心式鼓風機又稱渦輪式或透平式鼓風機，由電動機或汽輪機驅動。其構造如圖3-2所示，離心式鼓風機由導葉輪、外殼和安裝在軸上的三個工作葉輪組成。煤氣由吸入口進入高速旋轉的第一工作葉輪，在離心力的作用下，增加了動能并被甩向葉輪外面的環形空隙，于是在葉輪中心處形成負壓，煤氣即被不斷吸入。由葉輪甩出的煤氣速度很高，當進入環形空隙后速度減小，其部分動能變成靜壓能，并沿導葉輪通道進入第二葉輪，產生與第一葉輪及環隙相同的作用，煤氣的靜壓能再次得到提高，經出口連接管被送入管路中。

煤氣的壓力是在轉子的各個葉輪作用下，并經過能量轉換而得到提高。

顯然，葉輪的轉速越高，煤氣的密度越大，作用于煤氣的離心力越大，則出口煤氣的壓力也就越高。大型離心式鼓風機轉速在5000r/min以上，電動機驅動時，需設增速器以提高轉速。

離心式鼓風機按進口煤氣流量的大小分為150m3/min、300m3/min、750m3/min、900m3/min和1200m3/min等各種規格，產生的總壓頭為29.5～34.3kPa。

2.鼓風機輸氣能力及軸功率的計算

焦化廠所需鼓風機的輸氣能力可根據煤氣發生量按下式計算：

　　 （3-3） 　　

式中　qV——鼓風機前煤氣的實際體積流量，m3/h；

V——每噸干煤的煤氣發生量，m3；

qm——干煤裝入量，t/h；

T——鼓風機前煤氣的熱力學溫度，K；

p——大氣壓力，kPa；

ps——鼓風機前煤氣中的水汽分壓，kPa；

p機前——鼓風機前吸力，kPa；

α——焦爐裝入煤的不均衡系數，取為1.1。

焦化廠鼓風機的輸氣能力及壓頭必須能承受焦爐所發生的最大煤氣量的負荷，所以在確定鼓風機的輸氣能力時，應取在最短結焦時間下每噸干煤的最大煤氣發生量進行計算，并記入焦爐裝煤的不均衡系數。

煤氣鼓風機軸功率NT（kW）可按絕熱壓縮過程所耗的功來計算，即pVK=常數，對理想氣體可導出所需理論軸功率，積分，可得：

　　 （3-4） 　　

式中　p1——鼓風機吸入口的絕對壓力，kPa；

p2——鼓風機出口的絕對壓力，kPa；

——進入鼓風機的煤氣實際體積流量，m3/h；

k——氣體的比定壓熱容cp和比定容熱容cV的比值，即，對于煉焦煤氣k=1.37。

式（3-4）也可寫成：

　　 （3-5） 　　

由于煤氣為非理想氣體需要修正；煤氣進出鼓風機、流過鼓風機（流速大小和方向變化及伴隨這些變化生產的渦流等）產生的阻力；鼓風機壁面散熱，對煤氣溫度的影響；鼓風機本身的機械消耗等因素的影響，需對理論軸功率NT進行校正，引入η（絕熱總效率）作為綜合效率。顯然，η除與煤氣物性有關外，還與鼓風機的設計、制造、安裝水平等多種因素有關，各國不同廠家的η值不同。此處取η=0.786，則鼓風機實際軸功率（簡稱軸功率）為：

　　 （3-6） 　　

將式（3-5）和η值帶入式（3-6）有：

　　 （3-7） 　　

隨著科學技術的發展，中國鼓風機綜合技術水平會不斷提高，η值也會逐步增大。

鼓風機所需原動機功率要大于計算所得軸功率，如以蒸汽透平機為原動機時，需增15％，如為電動機時，需增20％～30％。

由式（3-7）可知，鼓風機軸功率主要取決于鼓風機前的煤氣實際體積。顯然，如初冷器后集合溫度高，將使鼓風機功率消耗顯著增大。

當煤氣初冷器采用串聯流程時，由于阻力增大，鼓風機前吸力增大，煤氣在鼓風機內的壓縮比（p2/p1）較并聯流程增大，因之軸功率也隨之增加。但在串聯流程中，集合溫度降低，進鼓風機的煤氣實際體積相應變小，因而串聯系統的鼓風機功率消耗比并聯流程只增3％左右。另外，為了降低鼓風機的功率消耗，吸氣管的管徑不宜過小和過長，在操作中要防止吸氣管和初冷器的堵塞。

3.煤氣在鼓風機中的溫升

在離心式鼓風機內，煤氣被壓縮所產生的熱量，絕大部分被煤氣吸收，只有小部分熱量散失。因此，煤氣在鼓風機內的壓縮過程可以近似地視為絕熱過程。經壓縮后的煤氣最終溫度，可按下式計算：

　　 （3-8） 　　

式中　T1，T2——氣體壓縮前后的熱力學溫度，K。

將煉焦煤氣的k值代入上式可得：

　　 （3-9） 　　

　　 或煤氣經過鼓風機的溫升： 　　 　　 （3-10）

正如鼓風機軸功率N計算中所述，式（3-10）是由理想氣體絕熱壓縮導出的。實際操作中機殼散熱損失，是Δt減小的因素；但煤氣被鼓風機吸入至排出，需要的軸功率比理想過程的軸功率大，多消耗的功轉變成了熱，則是煤氣Δt升高的因素。在實際生產中，煤氣實際溫升Δt實大于或小于Δt的計算值，要看以上兩因素何者是主導因素。一般而言，Δt=15～25℃是正常的。若Δt大于35℃，則說明功率消耗太大了，應認真分析，查明原因，并采取措施解決。

二、離心式鼓風機的性能與調節

焦化廠中鼓風機操作非常重要，既要輸送煤氣，又要保持炭化室和集氣管的壓力穩定。在正常生產情況下，集氣管壓力用壓力自動調節機調節，但當調節范圍不能滿足生產變化的要求時，即需對鼓風機操作進行必要的調整。

鼓風機在一定轉速下的生產能力與總壓頭之間有一定的關系，可用圖3-3所示鼓風機qV-H特性曲線來表示。

由圖3-3可見，曲線有一最高點B，相應于B點壓頭（最高壓頭）的輸送量稱為臨界輸送量。鼓風機不允許在B點的左側范圍內操作，因在此范圍內鼓風機輸送量波動，并會發生振動，產生“飛動”現象。只有在B點右側延伸的特性曲線范圍內操作才是穩定的。所以，B點右側的特性曲線范圍是鼓風機的穩定工作區，B點的左側為鼓風機的不穩定工作區。

當鼓風機的運行工況改變時，要用調節的手段使鼓風機處于穩定工作區，維護其穩定運行。常用的調節方法有以下幾種。

（1）改變轉速　當改變鼓風機轉速時，流量與性能曲線相應改變。此法調節范圍寬，經濟性好，是離心式鼓風機的最佳調節手段。當鼓風機的轉速由n變為n1（r/min）時，則鼓風機的輸氣能力qV、總壓頭H及軸功率N依下列關系式作相應改變。

　　 輸氣能力 　　 　　 （3-11）

　　 總壓頭 　　 　　 （3-12）

　　 軸功率 　　 　　 （3-13）

在額定轉速的50％～125％范圍內，離心鼓風機的qV-H特性曲線如圖3-4所示。由圖可見，隨轉速的降低，鼓風機的不穩定工作區范圍縮小，即使在煤氣輸送量很小的情況下也不易產生“飛動”現象。

鼓風機允許的最大轉速值稱為額定轉速，鼓風機的運轉速度在一定范圍內，會出現工作不均衡，輸氣量波動，并發生振動等現象，該轉速稱為臨界轉速。

改變轉速適用于汽輪機和變速電動機驅動的鼓風機或安裝有液力耦合器的鼓風機。當用蒸汽透平機帶動鼓風機時，只要改變進入透平機的蒸汽量，即可改變透平機的轉速，亦即改變鼓風機的轉速；當用變頻電動機作原動機時，通過改變電動機的轉速，即可改變鼓風機轉速；液力耦合器是以液體為介質來傳遞功率的傳動裝置，通過改變液力耦合器工作腔內液體的充滿度，在原動機轉速不變的條件下，實現鼓風機的無級變速。調速液力耦合器功能：無級調速、過載保護、減緩沖擊、隔離振動、空載啟動、緩慢加速、高效傳動。

在特性曲線穩定工作區內，可用調節鼓風機前后煤氣閥門開度的方法來改變輸氣量和壓力。對于電動機帶動的鼓風機，由于轉子的轉速一定，最簡單的方法就是用開閉器進行調節。

（2）進口節流　調節鼓風機吸入口的閥門開度時，鼓風機的特性曲線隨之改變。如圖3-5所示，當吸入開閉器的開度變小時，鼓風機的不穩定工作范圍隨之變小，鼓風機的輸送能力及總壓頭也均相應減小。此調節方法簡單，適用于固定轉速機組的調節，但由于鼓風機前吸力增大，會使壓縮比（p2/p1）變大，則鼓風機軸功率消耗及煤氣溫升增高，故較少采用此法。

（3）出口節流　調節鼓風機出口的閥門開度，調節方法簡單，但經濟性差，適用于小功率機組的調節。

電動鼓風機如果用出入口開閉器進行調節時，應特別注意鼓風機電動機電流的變化，一般操作電流不應小于電動機額定電流的60％，以防止發生“飛動”現象。

（4）交通管調節　當煤氣流量減少時，調節交通管的閥門開閉度，使一部分出口煤氣返回吸入口，以維持鼓風機的正常運行。交通管調節有“大循環”和“小循環”兩種方式。

當鼓風機能力較大，而輸送的煤氣量較小時，為保證鼓風機工作穩定，可用如圖3-6所示的小循環管來調節鼓風機的操作。改變調節閥門開度的大小，使由鼓風機壓出的煤氣部分重新回到吸入管，這種方法稱為“小循環”調節。

“小循環”調節方法很方便，但顯然鼓風機能量有一部分白白浪費在循環煤氣上。此外，因為有部分已被壓縮而升溫的煤氣返回鼓風機入口并經再次壓縮，出口煤氣溫升會更高。如某廠用能力為1200m3/min的鼓風機抽送一座焦爐的煤氣發生量為28000m3/h時，采用鼓風機“小循環”調節，曾使煤氣升溫接近90℃，鼓風機軸瓦溫度近70℃，發生了軸瓦損壞事故。所以，“小循環”調節是很有限的。

當焦爐剛開工投產或因故大幅度延長結焦時間時煤氣發生量過少，低于“小循環”調節的限度時，則易采用“大循環”調節方法。

如圖3-7所示，“大循環”調節就是通過“大循環”調節閥門將鼓風機壓出的部分煤氣經煤氣大循環管送到初冷器前的煤氣管道中，經過冷卻后，再回到鼓風機去。根據實際生產經驗獲知，當煤氣量為鼓風機額定能力的1/4～1/3時，就需采用煤氣“大循環”調節措施。顯然“大循環”調節方法可較好地解決煤氣溫升過高的問題，但同樣要增加鼓風機能量的消耗，同時會增加初冷器的負荷及冷卻水的用量。如果進入鼓風機的煤氣量過小時，經過風機多次循環后，鼓風機后煤氣溫度仍會發生升溫過高，這時應適當調整鼓風機煤氣出口開閉器開度，以防軸瓦損壞。

為了擴大離心式鼓風機的穩定工況范圍，上述調節方法可聯合使用。

在實際生產中，隨煤氣進入鼓風機的微小水（油）滴，在離心力作用下，集中在葉輪外圍環形空隙底部，應隨時排出。為保證鼓風機的正常運轉，對冷凝液排出管應按時用蒸汽清掃，保證冷凝液及煤焦油及時排出。

三、羅茨式鼓風機

1.羅茨鼓風機的構造

羅茨鼓風機是利用轉子轉動時的容積變化來吸入和排出煤氣，用電動機驅動，其構造見圖3-8。

羅茨鼓風機有一鑄鐵外殼，殼內裝有兩個“8”字形的用鑄鐵或鑄鋼制成的空心轉子，并將汽缸分成兩個工作室。兩個轉子裝在兩個互相平行的軸上，在這兩個軸上又各裝有一個互相咬合、大小相同的轉子，當電動機經由皮帶輪帶動主軸轉子旋轉時，主軸上的轉子又帶動了從動軸上的轉子，所以兩個轉子做相對反向轉動，此時一個工作室吸入氣體，由轉子推入另一個工作室而將氣體壓出。每個轉子與機殼內壁及與另一個轉子表面均需緊密配合，其間隙一般為0.25～0.40mm。間隙過大即有一定數量的氣體由壓出側漏到吸入側，有時因漏泄量大而使機身發熱：羅茨鼓風機因轉子的中心距及轉子長度的不同，其輸氣能力可以在很大的范圍內變動：在中國中小型焦化廠應用的羅茨鼓風機有多種規格，其生產能力為28～300m3/min，所生成的額定壓頭為19.61～34.32kPa。

羅茨鼓風機具有結構簡單、制造容易、體積小，且在轉速一定時，如壓頭稍有變化，其輸氣量可保持不變，即輸氣量隨著風壓變化幾乎保持一定，可以獲得較高的壓頭，這都是優點。但在使用日久后，間隙因磨損而增大，其效率降低，此種鼓風機只能用循環管調節煤氣量，在壓出管路上需安裝安全閥，以保證安全運轉。此外，羅茨鼓風機的噪聲較大。

2.羅茨鼓風機的計算

羅茨鼓風機的煤氣輸送量qV，可按下式計算：

　　 （3-14） 　　

式中　D——轉子直徑，m；

B——轉子長度，m；

n——轉速，r/min；

η容積——容積效率系數，取0.7～0.8。

羅茨鼓風機所需的軸功率可按下式計算：

　　 （3-15） 　　

式中　qV——煤氣輸送量，m3/min；

H——總壓頭，H=p壓出-p吸入，kPa；

η總——總效率系數，取0.7～0.8。

煤氣在羅茨鼓風機中的溫升較小，為3～5℃。

羅茨鼓風機在轉速一定時，其輸氣能力隨著壓縮比的增高而有所下降，這是由于煤氣通過轉子之間以及轉子與殼體之間漏泄量增多所致。其軸功率則隨總壓頭的增高而增大。

此外，鼓風機轉速變大，所輸送的煤氣量也隨之增多，但一般最大轉速以不超過額定轉速的10％為宜。

冬季因氣溫較低，煤氣中的煤焦油容易粘住轉子，而出現鼓風機啟動困難、運轉負荷加大，甚至破壞轉子平衡等情況。此時從煤氣入口處加入溶劑油或重油進行清洗，可有較好效果。