Wentylatory z wymuszonym ciągiem kotłowym wspierają stabilny dopływ powietrza do spalania w zakładach przemysłowych

W kotle przemysłowym stabilność spalania zależy nie tylko od samego palnika. Układ spalania musi otrzymać odpowiednią ilość powietrza pod wymaganym ciśnieniem, nawet przy zmianie obciążenia kotła. Wentylatory z wymuszonym ciągiem kotła dostarczają to powietrze do spalania, wypychając powietrze z otoczenia lub podgrzane w kierunku palnika, skrzynki wiatrowej, rusztu lub pieca. W systemach o zrównoważonym ciągu wentylator nadmuchowy współpracuje z wentylatorem naciągowym, regulując przepływ powietrza przez kocioł.

Dlaczego dopływ powietrza do spalania ma znaczenie

Paliwo nie może spalać się wydajnie, jeśli dostępny tlen jest niewystarczający. Jednocześnie samo dostarczenie większej ilości powietrza nie jest rozwiązaniem. Nadmiar powietrza pochłania ciepło i odprowadza dodatkowe ciepło przez komin, co może obniżyć wydajność kotła. Z tego powodu wentylatory nadmuchowe kotła muszą zapewniać wystarczający przepływ powietrza w całym zakresie roboczym, a nie po prostu wytwarzać maksymalną możliwą objętość powietrza.

Rozważmy na przykład kocioł na biomasę pracujący przy obciążeniu od 60% do 100%. Jeżeli wentylator pracuje na prawie pełnych obrotach niezależnie od obciążenia kotła, do systemu może docierać nadmiar powietrza do spalania przy niskim obciążeniu. Lepszym podejściem jest kontrolowanie przepływu powietrza zgodnie z rzeczywistym zapotrzebowaniem na paliwo za pomocą przepustnicy wlotowej, łopatki kierującej wlotu lub VFD, w zależności od projektu systemu. Badania nad regulacją prędkości obrotowej kotłowni wykazały również związek pomiędzy pracą wentylatorów, nadmiarem powietrza i wydajnością kotła. 

Nie wybieraj wentylatora wyłącznie na podstawie mocy silnika

Jednym z najczęstszych błędów przy wymianie wentylatora kotła jest żądanie silnika o mocy 30 kW, 45 kW lub 75 kW i oczekiwanie, że producent wentylatora wszystko określi na podstawie tej liczby. Moc silnika jest wynikiem procesu doboru wentylatora, a nie głównym parametrem wyboru.

W przypadku wentylatorów nadmuchowych kotła podstawowe informacje powinny obejmować:

Wymagany przepływ powietrza, np. m³/h lub CFM

Wymagane ciśnienie statyczne lub ciśnienie całkowite

Temperatura powietrza na wlocie

Rodzaj paliwa

Pojemność kotła

Wysokość operacyjna

Oczekiwany zakres obciążenia

Straty ciśnienia w kanałach i urządzeniach

Opór palnika lub rusztu

Spadek ciśnienia w podgrzewaczu powietrza, jeśli jest zainstalowany

Metoda kontroli

Napięcie i częstotliwość silnika

Układ instalacji wentylatora

Kierunek obrotu i położenie wylotu

Wymagane ciśnienie należy obliczyć na podstawie całej ścieżki powietrza. Kanały, kolanka, przepustnice, filtry, podgrzewacze powietrza, skrzynki wiatrowe, rejestry palników i inne elementy przyczyniają się do oporu. 

Praktyczny przykład doboru wentylatorów

Załóżmy, że kocioł przemysłowy wymaga 18 000 m³/h powietrza do spalania przy ciśnieniu statycznym 2200 Pa w projektowych warunkach pracy. Wentylator nie powinien być wybierany po prostu jako „wentylator 18 000 m³/h”.

W pierwszej kolejności inżynier powinien sprawdzić, czy 18 000 m³/h to faktycznie wymagany roboczy przepływ powietrza, czy też uwzględnia już wymagany margines projektowy. Następnie należy obliczyć straty ciśnienia pomiędzy wlotem wentylatora a piecem.

Na przykład:

Straty w kanale powietrznym: 300 Pa

Strata amortyzatora: 180 Pa

Strata podgrzewacza powietrza: 450 Pa

Skrzynia wiatrowa i strata palnika: 700 Pa

Inne straty systemowe: 350 Pa

Wymagany margines: wyceniany osobno zgodnie z projektem projektu

Następnie należy sprawdzić dobór wentylatora pod kątem wynikającego z tego punktu pracy, a nie samego przepływu powietrza. Jest to szczególnie ważne, gdy wentylatory nadmuchowe kotła są używane jako zamienniki istniejącej jednostki, ponieważ zmiany w kanałach lub palniku mogą przesunąć rzeczywisty punkt pracy.

Ciśnienie wentylatora i przepływ powietrza muszą odpowiadać kotłowi

Wentylator może wytwarzać duży przepływ powietrza przy niskim ciśnieniu, a mimo to nie dostarczać wymaganego powietrza do pieca. I odwrotnie, wybranie nadmiernego ciśnienia może skutkować niepotrzebnym dławieniem i wyższą mocą roboczą.

Dlatego ważna jest krzywa wydajności wentylatora. Punkt projektowy powinien znajdować się w odpowiednim obszarze krzywej wentylatora, z wystarczającym zakresem regulacji dla normalnej pracy kotła.

W przypadku wentylatorów z wymuszonym ciągiem kotłowym zwykle sprawdzałbym co najmniej trzy punkty pracy:

Minimalne stabilne obciążenie kotła

Normalne obciążenie robocze

Maksymalne obciążenie ciągłe

Jeżeli kocioł normalnie pracuje na obciążeniu 70-90% to nie należy optymalizować wentylatora tylko na teoretyczne 100%. Rzeczywisty zasięg pracy ma znaczenie, ponieważ zapotrzebowanie na powietrze do spalania zmienia się wraz z dopływem paliwa.

Sterowanie VFD może być przydatne, ale nie jest automatycznie najlepszym rozwiązaniem

W przypadku wentylatorów z wymuszonym ciągiem kotłowym często rozważa się napędy o zmiennej częstotliwości, ponieważ prędkość wentylatora można regulować w zależności od obciążenia kotła. W przypadku wentylatorów odśrodkowych prawa pracy wentylatorów stanowią użyteczną podstawę do zrozumienia wpływu zmian prędkości: przepływ powietrza zmienia się w przybliżeniu z prędkością, ciśnienie zmienia się w przybliżeniu z kwadratem prędkości, a moc zmienia się w przybliżeniu z sześcianem prędkości.

Oznacza to, że stosunkowo niewielkie zmniejszenie prędkości może spowodować znaczące zmniejszenie mocy wentylatora.

Jednakże przy wyborze VFD należy również wziąć pod uwagę silnik, minimalną prędkość roboczą, reakcję sterowania, wymagania dotyczące rozruchu, względy harmoniczne i wymaganą strategię kontroli przepływu powietrza. Nie należy po prostu dodawać VFD, ponieważ brzmi to bardziej efektywnie. Należy wziąć pod uwagę cały system sterowania kotłem. Co się stanie, gdy wentylator będzie za mały? Niewymiarowy wentylator z wymuszonym ciągiem kotła może wydawać się akceptowalny podczas pracy przy niskim obciążeniu, ale staje się wąskim gardłem, gdy kocioł zbliża się do pełnego obciążenia.

Typowe objawy obejmują:

Wentylator pracuje z prędkością zbliżoną do maksymalnej

Niemożność osiągnięcia wymaganego przepływu powietrza

Niski poziom tlenu w piecu

Niestabilne spalanie

Zwiększanie CO

Zmniejszona produkcja pary

Wyższe zużycie paliwa

Nadmierny spadek ciśnienia w układzie powietrznym

Przepustnica pozostaje całkowicie otwarta

Jednak przed wymianą wentylatora technicy powinni potwierdzić, że problem faktycznie leży w wydajności wentylatora. Brudny filtr, zablokowany kanał, nieprawidłowo ustawiona przepustnica, zanieczyszczony podgrzewacz powietrza lub zmodyfikowany palnik mogą zwiększyć opór systemu i wywołać objawy przypominające zbyt mały wentylator.

Przykład przypadku: Kocioł na biomasę z niewystarczającym przepływem powietrza

Rozważmy kocioł na biomasę pierwotnie zaprojektowany na około 15 000 m3/h powietrza do spalania. Po kilku latach eksploatacji zakład przeszedł na bardziej wilgotne paliwo z biomasy.

Operator zauważył, że przy dużym obciążeniu kocioł nie był już w stanie utrzymać dotychczasowych warunków spalania. Początkowe założenie było takie, że wentylator FD stał się za mały.

Kontrola na miejscu wykazała trzy ważne warunki:

Wentylator nadal osiągał w przybliżeniu swoją pierwotną prędkość projektową.

Przepustnica wlotowa była prawie całkowicie otwarta

Nowe paliwo zawierało znacznie więcej wilgoci.

Dlatego zespół inżynierów sprawdził zapotrzebowanie na powietrze do spalania i ciśnienie w układzie przed podjęciem decyzji o wymianie wentylatora. Jest to ważne, ponieważ zmiana paliwa może zmienić wymagane warunki spalania; zwykłe zwiększenie rozmiaru wentylatora może nie rozwiązać podstawowego problemu procesowego.

Ostatecznego wyboru wentylatora dokonano w oparciu o zmienione wymagania dotyczące przepływu powietrza i ciśnienia, a nie o parametry starego silnika.

Wentylator FD i wentylator ID należy rozpatrywać łącznie

W kotle równoważonym wentylator FD dostarcza powietrze do spalania, natomiast wentylator ID usuwa spaliny i pomaga utrzymać wymagane ciśnienie w piecu. Te dwa wentylatory wykonują różne zadania, ale bezpośrednio wpływają na ten sam proces spalania.

Jeśli strona FD dostarcza znacznie więcej powietrza, niż system może usunąć, ciśnienie w piecu może wzrosnąć. Jeśli strona ID będzie zbyt mocno ciągnąć w stosunku do dopływającego powietrza do spalania, może powstać nadmierne podciśnienie.

Dlatego przy wymianie wentylatorów nadmuchowych kotła warto sprawdzić również wydajność istniejącego wentylatora ID. Nowy wentylator FD powinien pasować do zakresu roboczego całego systemu kontroli ciągu, a nie być oceniany jako izolowany element wyposażenia.

Temperatura powietrza wpływa również na wybór wentylatora

Temperaturę powietrza do spalania należy określić przed wyborem wentylatorów nadmuchowych kotła.

Jeśli wentylator obsługuje powietrze z otoczenia, gęstość jest inna niż w systemie, w którym powietrze przeszło przez podgrzewacz powietrza. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza maleje jego gęstość, co wpływa na zależność pomiędzy przepływem objętościowym, masowym, ciśnieniem i mocą wentylatora.

Na przykład dwa systemy mogą wykazywać na papierze wydajność 20 000 m3/h podczas pracy w zasadniczo różnych temperaturach powietrza. Dlatego w obliczeniach technicznych należy ustalić rzeczywistą temperaturę i ciśnienie robocze, a nie traktować liczbę objętości jako niezależną od warunków pracy.

Staje się to szczególnie ważne w przypadku kotłów wykorzystujących podgrzewacze powietrza lub inne urządzenia do odzyskiwania ciepła.

Kontrole konserwacyjne, których nie należy pomijać

Nawet prawidłowo dobrany wentylator może stracić wydajność z powodu problemów konserwacyjnych. W przypadku wentylatorów z ciągiem wymuszonym kotła rutynowa kontrola powinna obejmować wirnik, łożyska, wał, sprzęgło, prąd silnika, wibracje, stan wlotu, położenie przepustnicy i przewody.

Jeśli przepływ powietrza stopniowo maleje, a prędkość wentylatora pozostaje niezmieniona, nie zwiększaj natychmiast prędkości. Pierwsza kontrola:

Zablokowanie filtra wlotowego

Otwarcie przepustnicy

Niedrożność kanału

Zanieczyszczenie wirnika

Stan łożyska

Stan paska lub sprzęgła

Obrót wentylatora

Ciśnienie systemowe

Opór palnika lub skrzyni wiatrowej

Wirnik zanieczyszczony kurzem lub osadami może zmienić warunki aerodynamiczne i zwiększyć niewyważenie. Zwiększanie prędkości w celu kompensacji może zwiększyć obciążenie mechaniczne bez rozwiązania pierwotnego problemu. Jakie informacje należy wysłać do producenta wentylatorów? W przypadku zapytania ofertowego dotyczącego wentylatorów z wymuszonym ciągiem kotła, przydatne zapytanie techniczne powinno obejmować znacznie więcej niż pojemność kotła.

Praktyczne zapytanie ofertowe może obejmować:

Wydajność kotła: 20 TPH

Paliwo: biomasa / węgiel / gaz ziemny / ropa naftowa

Wymagany przepływ powietrza: 18 000 m³/h

Wymagane ciśnienie: 2200 Pa

Temperatura powietrza: 40°C

Wysokość: 35 m

Częstotliwość robocza: 50 Hz

Napięcie silnika: 415 V

Sterowanie: VFD

Instalacja: Wewnątrz

Rotacja: do potwierdzenia

Kierunek wylotu: Do potwierdzenia

W przypadku wymiany istniejącego wentylatora niezwykle przydatne są również zdjęcia, informacje z tabliczki znamionowej, krzywa wentylatora, dane silnika, wymiary kanałów i rzeczywiste pomiary operacyjne.

Im pełniejsze dane eksploatacyjne, tym łatwiej jest wybrać wentylatory nadmuchowe kotła, które odpowiadają rzeczywistej pracy kotła, zamiast wybierać model z katalogu opartego wyłącznie na nominalnym przepływie powietrza.

Uwagi końcowe

Główny cel wentylatorów nadmuchowych kotła jest prosty: zapewnić systemowi spalania stabilne, kontrolowane powietrze pod ciśnieniem wymaganym przez kocioł. Wyzwaniem inżynieryjnym jest zapewnienie takiego przepływu powietrza w całym zakresie roboczym, przy jednoczesnym utrzymaniu pod kontrolą mocy wentylatora, ciśnienia w piecu, warunków spalania i niezawodności mechanicznej.

W przypadku nowego projektu kotła wentylator należy dobrać na podstawie pełnych obliczeń oporów po stronie powietrza. W przypadku projektu zamiennego należy porównać rzeczywiste dane eksploatacyjne z pierwotną krzywą wentylatora przed podjęciem decyzji, czy problemem jest niewystarczająca wydajność wentylatora, zwiększony opór układu, czy też zmiana warunków spalania.

Dlatego dobrze dobrany wentylator nadmuchowy kotła nie jest po prostu wentylatorem o dużym przepływie powietrza. Jest to element dobrany do paliwa kotła, układu spalania, strat ciśnienia, temperatury pracy, sposobu sterowania i oczekiwanego zakresu obciążenia. Dzięki temu kocioł utrzymuje stabilne spalanie bez niepotrzebnego marnowania mocy wentylatora.