鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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車間負壓風機_風機技術礦用通風機噪聲研究控制
1 引言
離心式引風機是我公司電解生產(chǎn)過程中用來給輸送氧化鋁的風動溜槽供應高壓風的主要設備。全公司3個電解廠共36臺功率為37kW的離心式引風機，都是長時間滿負荷運行，要消耗巨大的電能。本文簡要地從無功就地補償原理出發(fā)，分析了離心式引風機節(jié)能效果及為公司節(jié)能創(chuàng)匯帶來的效益。
2 離心式引風機的工作原理
離心式引風機的驅(qū)動電動機型號：Y160L-237kW，電壓：380V ，風機所產(chǎn)生的高壓風通過管道進入風動溜槽風室。它為鋁電解生產(chǎn)過程中輸送氧化鋁的風動溜槽提供高壓風，保證電解槽生產(chǎn)過程中氧化鋁的供應，風動溜槽分為走料室和風室，中間通過帆布作為隔層，只要風室內(nèi)通有高壓風，氧化鋁就會被高壓風吹起沸騰，并順著風向向前沸騰流動，就可完成氧化鋁輸送任務。
3 無功就地補償器的特點
無功就地補償器系采用日本指月株式會社和ABB電氣公司制造的自愈式金屬化并聯(lián)電容器組裝而成，每個電容器都有獨特的保險裝置。具有如下特點：
�。�1）體積小、質(zhì)量輕、容量大，適合各種場合的0.4kV、3kV、6kV、10kV各種高低壓電動機安裝，起到終端補償?shù)淖罴研Ч?br> �。�2）質(zhì)量可靠，各種性能指標均符合GB3483-89電氣標準；
�。�3）安全措施齊全，內(nèi)裝放電電阻和獨特的保險裝置，并具有自愈功能；
（4）整機可按需要的容量組合，以達到最佳的補償狀態(tài)；
�。�5）無投切裝置和運轉器件，安裝簡便易行,廠房通風，不影響生產(chǎn)。
4 電動機無功就地補償原理
4.1 基本原理
無功功率是感性電氣設備運行中，與電源間往返交換以建立交變磁場，保證電能轉換為其它形式的能或傳遞的不直接做功的電能。按功率三角形S2＝P2+Q2，式中S為視在功率；P為有功功率；Q為無功功率。P/Q＝cosφ，cosφ為功率因數(shù)。
電動機功率因數(shù)高低是影響其電流大小及電源索取電能多少的決定因素。而無功功率的多少又直接決定功率因數(shù)的高低。在電源變壓器的高壓或低壓側安裝集中補償器，主要是解決電網(wǎng)的無功，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，用電單位內(nèi)部的電動機和輸電線路的無功并沒有從集中補償?shù)玫接行У慕鉀Q。因此，給電動機加裝無功就地補償器很有必要，如圖1所示。該無功就地補償器是由并聯(lián)電容器組成，它與電動機繞組并聯(lián)同時投切，以改善電動機和用電線路、設備的功率因數(shù)，降低線路電流，減少無功消耗，提高電源變壓器負載率
4.2 選型
根據(jù)補償后的要求，將功率因數(shù)提高的百分數(shù)折算成降低無功功率的百分數(shù)，就可以確定補償器的容量值，根據(jù)我公司的要求選定補償器的容量是16kvar。
4.3 功率因數(shù)與線損的關系
流經(jīng)供電線路的電流I包括有功分量（IP）和無功電流分量（IQ），I2＝IP2+ IQ2
線路功率損耗：△P＝3 I2R＝3（IP2+ IQ2）R＝3 IP2R+ 3IQ2R，當降低功率因數(shù)時，無功電流IQ增加，線路損耗也隨之增加。功率因數(shù)升高時,車間通風，無功電流IQ減少，線路損耗也隨之減少。所以，提高用電的功率因數(shù)對節(jié)電有重要的意義。功率因數(shù)升高或降低與功率損耗的增減關系如表1和表2所示。
基于上述分析，決定首先對風機側做平衡。平衡后各軸承的振動都明顯改善（見表3）。
5 節(jié)能分析
根據(jù)電力部門出版的相關資料介紹，無功經(jīng)濟當量是每kvar時節(jié)電0.08～0.16kW/h，取最低值0.08kW/h，以單臺全年300天計算：三班制：7200h×0.08×16kvar＝9216kW·h。電價按0.4元/ kW·h計算，可節(jié)約：9216×0.4＝3686.4元，36臺每年可節(jié)約：36×3686.4＝132710元。這只是帶來的直觀效益，它對電氣方面的益處也是非常可觀的。
6 效果分析
（1）改善設備的功率因數(shù)，使之提高到92％～97％，降低無功損耗50％～80％，平均節(jié)電10％～15％。
�。�2）提高變壓器負載率，經(jīng)過補償可以使變壓器增容20％～30％。
（3）減小用電單位內(nèi)部線損，改善電壓質(zhì)量。
�。�4）可減少輸電導線截面積，平均減小線徑40％。
�。�5）延長相關電氣的使用壽命，降低維修費用。
�。�6）一般每kvar補償器一年可以節(jié)電300～500 kW·h ，僅以節(jié)電的電費計算，半年至一年即可收回投資。
煤礦安全形勢嚴峻，瓦斯爆炸事故時有發(fā)生。我國煤炭消耗占世界的35% ，中國煤炭百萬噸死亡率是美國的100倍；全國煤礦特重大事故中有 90% 是瓦斯爆炸事故。我國礦用風機面對安全節(jié)能降耗和減排噪聲壓力，為抑制“兩高一資” ( 高污染、高能耗、資源型 ) 。研究和控制及評價考核礦用風機的噪聲，是關系我國煤礦安全節(jié)能降耗，減排噪聲污染和環(huán)保的大事。
1 礦用風機噪聲的危害
風機是一種通用機械，產(chǎn)量大、用途廣、噪聲高。目前已成為污染城市、礦山及煤礦的主要噪聲源。它不但嚴重污染環(huán)境、影響生產(chǎn)安全和工作效率，還損害健康并造成工傷事故。
2 礦用風機噪聲標準
工礦企業(yè)噪聲標準又稱聽力保護標準，對聽力保護有決定影響的物理參量是：噪聲級、頻率和工作時間。試驗表明：噪聲級在85dB(A)以下，對85%的人的聽覺及人體沒有影響。高頻噪聲 ( 尤其風機高頻的離散聲 ) 比低中頻噪聲對人體的危害更大，這是因為人耳對1000～6000Hz的噪聲反應最敏感，通常講：最“刺耳”。
噪聲的作用時間，是指操作工人在噪聲環(huán)境下工作的時間，對聽覺和人體的影響關系極大。允許的噪聲是指在工人耳朵位置的穩(wěn)態(tài)A聲級或間斷噪聲級的等效連續(xù)A聲級。在允許的噪聲級中[若以85dB(A)] 每提高3dB，工作時間減半。也就是說，允許的噪聲為85dB(A)時，每日接觸噪聲時間為 8h，而88dB(A)則為4h，依此類推�！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：作業(yè)場所的噪聲，不應超過85dB(A)。
3 礦用風機噪聲和性能的關系
由相似理論可知，通風機流量、壓力、所需功率具有如下關系：
流量 ∝ D 3n ，即流量與直徑的立方、轉速的一次冪成正比；
壓力 ∝ D 2n 2ρ ，即壓力與直徑的平方、轉速的平方和密度的一次冪成正比；
功率 ∝ D 5n 3ρ ，即所需功率與直徑的5次方、轉速的立方、密度的一次冪成正比。
也就是說，直徑不同、轉速相同的兩臺相似通風機，其流量與直徑的立方、壓力與直徑的平方、所需功率與直徑的5次方成正比；反之，如果直徑相同轉速不同，流量、壓力、所需功率則分別與轉速的1次方、2次方、3次方成正比。通風機的性能與直徑、轉速的這種相互關系，也就是通常所說的通風機的比例法則。
通風機的噪聲與性能的關系，可按Madison 和Graham提出的噪聲法則：LA2 = LA1 +70lg（D2/D1）+50lg（n2/n1）進行計算；
全國集中測試本體 ( 級 ) 對旋 YBDF500-2局扇， Q1=4.21m3/s ， p1=2195.89Pa ， P1=9.5kW ，n1=2900r/min，LA1=117.5dB(A) 。則FD №8/2×55的 LA2 =117.5+70 lg(0.8/0.498)+50 lg(2970/2900)=117.5+14.41+0.5=132.41dB（A）
通過計算得知：FD № 8/2×55的本體 ( 級 ) 噪聲為132.41dB（A），經(jīng)消聲器消聲后FD
№8/2×55的裝置噪聲LSA小于16dB( 公開值 ) 。根椐其風量：660～950m3/min ，風壓7100～ 1500Pa ，按 LSA = LA － 10lg( Qp2 )+19.8 公式計算結果： FD №8/2×55其本體 ( 級 ) 比 A聲級在46.99 ～ 58.91dB 之間。
4 礦用風機噪聲評價
聲壓級相同而頻率不同的聲音作用于人耳，人們感覺的聲音大小是不相同的。也就是說，聲音的大小 ( 響度 ) 是由人們的聽感決定的。即響度是人們對聲音強弱的主觀度量。
聲級計所測得的噪聲級稱為總噪聲級�？傇肼暭� LA 的大小反映了人耳對噪聲響度級的感覺，所以一般用來作為評價噪聲的允許標準。
《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：作業(yè)場所的噪聲，不應超過 85dB(A) 。 MT222 、 MT755 和 JB/T9100－1999 及 MT754 小型煤礦地面用抽出式軸流通風機技術條件、標準均規(guī)定，風機噪聲以比A聲級評價考核，其表達式為 LSA= LA－10lg（Qp2）+19.8 。 A聲級噪聲LA是應用聲級計按規(guī)定測量位置直接測量的值，而比A聲級 LSA 是取決于風量和壓力大小的計算值。目前，在國內(nèi)外常用A聲級評價工礦噪聲，然而因?qū)πL機級噪聲太高，開發(fā)者采用比A聲級LSA考核評價噪聲大小，這顯然是錯誤的。因為， JB/T8690-1998 《工業(yè)通風機 噪聲限值》標準的適用范圍只是一般型式的離心和軸流通風機；而該標準不適用于“特殊高壓等型式 ( 一般只適用于≤ 1000Pa) 和對噪聲有特殊要求的通風機” [ 對旋局扇壓力 11500Pa ，主扇 5951Pa 算高壓。煤礦作業(yè)場所的噪聲，不應超過 85dB(A) 的特殊要求 ] 。 然而MT222 、MT755 和 JB/T9100-1999 及MT754標準均采用了比A聲級噪聲的限值評價考核風機噪聲，顯然是錯誤的。結果導致： (1) 對旋高噪聲反而變成低噪聲，出現(xiàn)對旋噪聲 (LSA) 小到－0.92dB 和 8dB ； (2) 國內(nèi)外曾大量使用的節(jié)能低噪省材的所有單級局扇，因LSA不達標而在我國全部被淘汰，如 JBT51-2(5.5kW) ， A聲級比JBT52-2(11kW)還小 5dB(A) ，而比A聲級LSA卻反高出 10.8dB 。造成我國局扇全部取消單級，均采用多級高壓系列局扇 (對旋和 YBT 系列) 及對旋主扇，威脅煤礦安全節(jié)能降耗減排噪聲污染和環(huán)保約束的實現(xiàn)，浪費了大量能源資源還造成環(huán)境噪聲的污染。
5 礦用軸流通風機噪聲的測定
根據(jù) GB/T2888-1991 《風機和羅茨鼓風噪聲測量方法》，對礦用風機進口或出口噪聲，需要測量A聲級和主要測點的63 、125 、250 、500 、1k 、2k 、4k 、8kHz8個倍頻帶聲壓級。并規(guī)定了風機進口和出口測點位置，測量風機由進氣口輻射的噪聲，是在進氣口中心軸線上，距離進氣口中心為標準長度的位置上，即出氣試驗時。對于抽出式風機的排氣放空，都需要在出口進行噪聲測量。測點選在與出氣口軸線45°方向，距離出氣口中心為標準長度的位置上，即進氣試驗時。然而對旋開發(fā)者，為達到人為地改變局扇總長度達到提高效率和降低噪聲目的，把壓入式局扇按標準規(guī)定應做出氣試驗，而改為進氣試驗。又因在0≤l/d ≤1范圍內(nèi)，l/d 越大時， p2就越小，壓力偏高值△ p = pa－p2 就越大。因此對旋就成為所謂的“高效率、高風壓和低噪聲”的風機。A聲級 LA未按 GB2888 標準規(guī)定的測點位置測量，而相反在非工作狀態(tài)位置測量，導致測量值和實際噪聲相差很大，加上消聲器玻璃棉粉塵附著失效，噪聲值大大超過規(guī)定值 85dB(A) 。
6 礦用風機噪聲產(chǎn)生的原因及控制
礦用風機有主扇、輔扇和局扇。軸流通風機的圓周速度為離心式圓周速度的2倍。但效率較高，選用礦用風機主要原則是安全可靠、噪聲低、效率高和成本低以及體積小、質(zhì)量輕。對于高效率和低噪聲的關系，目前存在一些模糊概念。因為一般說來，采用較小輪轂比的軸流式風機，容易得到高效率和低噪聲，但其壓力系數(shù)較低。因此，要達到同樣壓力，就要提高工作輪圓周速度。礦用風機噪聲以氣動噪聲為主，氣動噪聲又分旋轉噪聲和渦流噪聲，前者與工作輪圓周速度的10次方成比例；后者是6次方成正比。因此，風機周速越高，其噪聲也就越大。由此看來，似乎風機高效率與低噪聲互相矛盾。但實際情況并非完全如此 ，風機的噪聲不但取決于葉輪圓周速度，即葉輪直徑，而且還受其他氣動及結構參數(shù)，如葉片安裝角、葉間氣流速度、葉片氣動負荷等因素的影響，最顯著的是，當葉片安裝角增大至一定值后，噪聲將急劇增大。以我國礦用對旋 FBD № 6.0/2×15低噪聲對旋式局部通風機為例，為提高風機壓力和結構上需要，選擇了較大的輪轂比 390/600=0.65 ，但其出口轂比高達 0.65 ，使風機有效全壓效率大大下降，而噪聲級高達120dB(A) 。比老局扇 JBT(28kW) 級噪聲還高。 較小的工作輪直徑、葉型安裝角、轂比和葉片數(shù)，對軸流風機來講，可以期望獲得比較良好的聲學特性，但也許由于對旋風機的兩級葉輪靠得很近，而且又相對高速 (2950r/min)反方向旋轉，相對線速度很大，大大惡化了風機的噪聲特性，噪聲很高。因此對旋風機的噪聲特性及其控制很值得研究。當葉片安裝角大于普通雙級通風機時，壓力曲線很陡，且噪聲更高。因此，對旋風機是效率最低、噪聲最高的豬舍通風設備。
然而，為了滿足對局扇運行性能的要求，必須選擇合理的風機型式及結構參數(shù)，但無論選擇何種型式風機，當壓力要求較高時，都存在相當嚴重的噪聲問題。因此，國外局扇廠家大多配套生產(chǎn)消聲器，但由于對旋風機本體 ( 級 ) 噪聲很高，致使需要結構非常龐大的消聲器 ( 擴散塔 ) 才能獲得要求的消聲量。如我國生產(chǎn)的機號為№46/2×1500的 FBCDZ 地面用防爆抽出式對旋軸流通風機 ( 帶擴散筒、消聲器和擴散塔 ) ，長達53.38m ，其工作輪圓周速度118m／s( 達上限 ) 。在使用時,車間負壓風機，由于超細玻璃棉粉塵附著，吸聲材料在一年，甚至幾個月內(nèi)便會失效。因此，對礦用風機本身噪聲的控制已成為礦用風機設計的基本要求。
在噪聲防護方面，德國 KKK 公司做了試驗研究，研究結果表明：降低噪聲的最有效途徑就是降低周速，并提出低噪聲風機的設計方案，采用強烈扭曲的寬葉片 ( 增加弦長 ) ，增加葉片數(shù) (4 ～ 8 片葉片 ) 。這種風機在不降低氣動效率的前提下，將周速限定在35～55m/s ，比老式風機噪聲降低2倍。其聲功率級為
Lw ≤ 80+10lgPe [dB(A)]
式中 Pe 為通風機功率， kW 。
國外降低聲源的降噪經(jīng)驗值得借鑒。
風機噪聲以氣動噪聲為主，它又分渦流噪聲和旋轉噪聲，風機的氣動噪聲就是這兩種噪聲相互混雜的結果。一般說來，渦流噪聲主要是由于附面層產(chǎn)生旋渦脫離使繞葉柵環(huán)量發(fā)生改變而使升力變化造成的，而旋轉噪聲則主要是由于多級葉柵排的相互擾動所致。
關于葉柵排相互擾動產(chǎn)生的離散聲特性及其控制。礦用風機由于要求壓力較高，流量較大，因而不可避免地產(chǎn)生很高的噪聲，其中又以高頻的離散聲影響最為顯著。因此，局扇噪聲的控制應重點放在減小令人討厭的離散聲上。
多年來，對軸流式透平機械內(nèi)噪聲源性質(zhì)的深入研究，使離散聲產(chǎn)生的機理得到充分的認識。研究表明：離散聲主要是由于上流葉柵形成的尾跡對下流葉柵 ( 靜葉和動葉 ) 的撞擊而產(chǎn)生的脈動力，因而在下流葉柵排中的每一個葉片產(chǎn)生一個偶極子聲源。對噪聲產(chǎn)生機理的認識，使得能對相互擾動產(chǎn)生的噪聲得到研究，以下一些有效的減噪方法亦得以發(fā)現(xiàn)。
�。�1）動葉及導葉葉片數(shù)的最佳選擇
有人通過建立合適的聲源分布的聲學模型，研究指出：分布聲源的輻射效率與每排葉柵的數(shù)目有關，也就是說，軸流風機和壓縮機產(chǎn)生的離散聲取決于動、靜葉葉柵的相對數(shù)目。
（2）工作輪葉片的不均勻分布
工作輪葉片分布不均勻程度較小，目的在于將葉柵排的擾動錯開，以將離散聲擴散至較大的頻率范圍里去，而不是集中于某一頻率上。顯然這種聲域擴散的方法并不能將聲輻射能量減小，而是將某一頻率上的聲能攤開，使離散聲峰值減小，這樣的頻譜特性是人們主觀感受可以接受的。
（3）后導葉葉柵的不均勻分布
導葉的不均勻分布可以是周向的，也可以是軸向的。
① 周向不均勻分布，這種方法對于動、靜葉數(shù)目很難得到合理的選擇時比較有效，特別是將這種方法應用于動葉前裝置有支柱的場合非常有效。但由于靜葉錯開角度較大，對氣動性能的影響也較大，因比，這種方法受到限制。
② 軸向不均勻分布，這種軸向錯開的不均勻分布也是將靜葉排合成兩組，兩組葉列對應的葉片安裝位置在軸向有所錯開。研究分析表明：存在一個使離散聲最小的最佳錯位距離。將前述風機的后導葉在軸向彼此錯開 4.2mm 時，離散聲最小，減噪量達 7.5dB ，而氣動性能基本與均勻分布時差不多。因此，這種方法具有較大的應用價值。
（4）采用傾斜后導葉，這種方法與上述的不均勻分布具有相似作用，但它是在葉片展向上將擾動錯開的。選擇合適的傾斜角度可使離散聲減小，而又能具有較好的氣動性能，因此，這種方法得到廣泛的應用。
7 結論
對旋式礦用風機 ( 主、局扇 ) 是低效率，高噪聲，結構復雜，價高質(zhì)差，耗能耗材設備。為實現(xiàn)“十一五”規(guī)劃中十大節(jié)能工程之一：“在煤炭等行業(yè)進行電動機拖動風機、水泵系統(tǒng)優(yōu)化改造”。要淘汰“兩高一資”產(chǎn)品。大力發(fā)展低噪節(jié)能可“按需供風”的調(diào)角或調(diào)速斜流式、子午加速式及以單級為主雙級為輔的普通軸流式和對旋，以滿足短、中、長距離通風需要。
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