» Các chuyên gia từ The New York Blower Company - công ty chuyên thiết kế và sản xuất quạt công nghiệp cho ngành công nghiệp xi măng, phân tích cách lựa chọn thiết kế rôto và cấu hình quạt phù hợp cho từng ứng dụng trong môi trường vận hành đặc thù.
Quạt công nghiệp là thiết bị không thể thiếu trong hầu hết các công đoạn sản xuất trong nhà máy xi măng, từ vận chuyển nguyên vật liệu, kiểm soát khí thải, cấp gió đốt đến thông gió. Việc lựa chọn đúng thiết kế rôto và cấu hình quạt không chỉ bảo đảm hiệu quả vận hành mà còn góp phần giảm tiêu hao năng lượng và chi phí bảo trì. Ba yếu tố thách thức nhất của ngành xi măng là bụi, nhiệt độ và sự biến thiên quy trình, đòi hỏi người vận hành phải xem xét kỹ lưỡng từng thông số trước khi đưa vào sử dụng. Bài viết sau tập trung phân tích các yếu tố đó, giúp nhà máy tối ưu tuổi thọ và hiệu suất của quạt.
Lựa chọn loại rôto quạt
Trong môi trường tải bụi cao, rôto quạt ly tâm có nhiều dạng khác nhau, phân biệt theo biên dạng cánh: thẳng hướng tâm, đầu hướng tâm, cong ngược và khí động dạng airfoil. Mỗi loại phù hợp với một yêu cầu vận hành nhất định.
Thiết kế rôto cánh thẳng hướng tâm.
Thiết kế rôto cánh đầu hướng tâm.
Cánh thẳng hướng tâm có cấu tạo phẳng và kéo dài từ moay-ơ. Đây là thiết kế đơn giản nhất, mang lại áp cao và chịu ứng suất thấp, nhưng hiệu suất không cao. Loại paddle-wheel cũng nằm trong nhóm này. Với nhu cầu lưu lượng lớn hơn, nhà máy thường chọn cánh đầu hướng tâm, có đoạn cuối cánh hướng tâm và phần đầu cong theo chiều quay, cho hiệu quả tốt hơn đôi chút so với cánh thẳng.
Thiết kế rôto cánh cong ngược chiều quay.
Thiết kế rôto dạng cánh khí động.
Cánh cong ngược là lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng cần hiệu suất cao. Biên dạng cong, nghiêng về sau giúp dòng khí đi qua kênh cánh mượt hơn, nhưng kích thước rôto lớn và ứng suất trên cánh cao hơn. Ở mức tối ưu nhất về năng lượng, cánh dạng airfoil được sử dụng nhờ tiết diện khí động rỗng tương tự cánh máy bay. Nhược điểm của nó là nguy cơ mất cân bằng nghiêm trọng nếu bụi lọt vào lòng cánh.
Với các ứng dụng nhiều bụi như quạt ID lò, biên dạng cánh đóng vai trò quyết định. Cánh quá hướng tâm dễ khiến bụi bám vào mặt trước do dòng hạt va đập trực diện. Nếu cánh nghiêng quá nhiều, bụi lại tích tụ ở mặt sau và bị giữ lại bởi lực ly tâm. Giải pháp phù hợp nhất thường nằm ở sự dung hòa, giảm thiểu đồng thời cả hai dạng bám dính.
Ảnh hưởng của tốc độ quay
Tốc độ quay ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước quạt. Với cùng lưu lượng và áp suất, tốc độ cao cho phép quạt nhỏ hơn, chi phí đầu tư và diện tích lắp đặt giảm. Tuy vậy, tốc độ cao làm tăng vận tốc dòng khí, kéo theo tổn thất áp lớn hơn trong hệ thống và mức tiêu thụ điện cao hơn. Độ mài mòn do bụi cũng tăng nhanh theo vận tốc, thường theo cấp số nhân.
Quạt DWDI AR-3 đường kính 96 inch thường dùng cho quạt hút lọc bụi tĩnh điện.
Một yếu tố khác là kết cấu hút gió. Quạt SWSI (Single width single inlet) hút khí từ một phía và phù hợp với quạt nhỏ tới trung bình. Trong khi đó, quạt DWDI (Double width double inlet) hút khí 2 phía, tận dụng cả 2 mặt cánh, tăng gấp đôi lưu lượng và cho tải dọc trục cân bằng hơn, thường dùng cho quạt cỡ lớn.
Kiểu bố trí trục và gối đỡ
Quạt có thể được bố trí theo dạng over-hung hoặc center-hung. Trong cấu hình over-hung, cánh được gắn vào đầu trục theo kiểu console và cả 2 gối đỡ nằm cùng một phía vỏ quạt. Bố trí này phù hợp với quạt cỡ nhỏ và trung bình. Với quạt lớn, center-hung là lựa chọn ổn định hơn vì trục xuyên qua thân quạt và mỗi bên có một gối đỡ, giảm tải đáng kể lên hệ ổ trục.
Vật liệu chế tạo quạt
Rôto trong môi trường xi măng phải chịu ứng suất, mài mòn và nhiệt độ cao. Thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) theo tiêu chuẩn ASTM A514 thường được sử dụng cho nhiệt độ đến khoảng 425°C. Các khu vực chịu mài mòn mạnh của cánh và vỏ quạt cần được lót thêm vật liệu bảo vệ.
Những vị trí chịu mài mòn nặng cần được gia cường bằng vật liệu lót. Thép chống mài mòn (AR steel) là lựa chọn phổ biến với chi phí thấp và độ bền chấp nhận được. Khi yêu cầu cao hơn, lớp phủ chromium carbide (CrC) được dùng vì độ cứng vượt trội so với chi phí. CrC được phủ lên thép nền, rồi cắt tạo hình và hàn vào vị trí chịu mài mòn.
Quạt áp suất AR-4 đường kính 26 inch thường dùng cho quạt làm mát clinker.
Với nhu cầu độ cứng cao hơn nữa và trọng lượng nhẹ, nhà máy có thể chọn tungsten carbide (cacbit vonfram). Dù hiệu quả về cơ học tốt, vật liệu này có giá cao và khó sửa chữa tại chỗ. Ở những ứng dụng mài mòn rất nặng như quạt than, ceramic thường được chọn. Gạch ceramic được dán bằng keo chuyên dụng, nhưng chỉ phù hợp với nhiệt độ thấp do hạn chế của chất kết dính.
Phương pháp điều khiển lưu lượng
Quá trình trong nhà máy luôn biến thiên nên quạt cần được điều chỉnh lưu lượng. Có hai phương pháp: điều tiết bằng damper hoặc điều khiển tốc độ bằng bộ điều khiển tần số (VFD).
Damper là lựa chọn phổ biến vì chi phí thấp, nhưng hiệu suất giảm khi van đóng bớt do tạo thêm tổn thất áp. Dải điều chỉnh cũng bị giới hạn vì nguy cơ mất ổn định khí động như rotating stall, gây dao động áp và có thể ảnh hưởng thiết bị. Trong môi trường bụi, damper mở một phần còn dễ bị mài mòn nhanh.
Điều khiển bằng VFD mang lại hiệu quả năng lượng tốt hơn vì không tạo thêm tổn thất áp và có thể giảm lưu lượng xuống khoảng 10% mà vẫn ổn định. Khi chọn VFD, cần xác định dải tốc độ ngay từ đầu để nhà sản xuất tính toán tránh cộng hưởng rung trong thiết kế cơ khí.
Lựa chọn khớp nối truyền động
Khớp nối truyền động đóng vai trò quan trọng, đặc biệt khi quạt dùng bộ điều khiển tần số. Khi tốc độ thay đổi liên tục, hệ truyền động phải tránh trùng tần số dao động xoắn trong toàn dải tốc độ. Khớp nối elastomeric (loại dùng cao su kỹ thuật) thường được ưu tiên vì khả năng giảm chấn và điều chỉnh tần số tự nhiên tốt hơn. Một phân tích dao động xoắn cho toàn bộ hệ thống là cần thiết giúp bảo đảm lựa chọn đúng.
Chọn loại gối đỡ
Gối đỡ được chọn theo kích thước trục, tải và tốc độ vận hành. Gối đỡ lăn bôi trơn mỡ có chi phí thấp nhất và phù hợp với quạt nhỏ hơn. Khi cần tản nhiệt tốt hơn, hệ bôi trơn dầu tuần hoàn được áp dụng. Với các quạt lớn, gối đỡ thủy động là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng chịu tải cao và độ tin cậy vượt trội dù chi phí đầu tư ban đầu lớn hơn.
Xác định công suất động cơ
Ở môi trường bụi cao của nhà máy xi măng, công suất động cơ phải tính thêm phần tải do khối lượng bụi trong dòng khí. Hệ số tăng thêm có thể lên tới 10% hoặc hơn, tùy nồng độ bụi của từng ứng dụng.
Việc lựa chọn quạt cho nhà máy xi măng đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa nhà cung cấp, vận hành và bảo trì. Chi phí đầu tư thấp không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả vận hành tối ưu. Sự đồng hành của các bên trong suốt quá trình lắp đặt, chạy thử và bảo trì giúp bảo đảm thiết bị hoạt động ổn định, bền bỉ và tiết kiệm chi phí. Hiểu rõ đặc điểm thiết kế rôto và cấu hình quạt ngay từ khâu lựa chọn sẽ mang lại lợi ích lâu dài cho toàn bộ hệ thống.
dịch từ World cement
