浅谈风机喘振的预防

何 雁，牛志杰， 赵东铭， 刘 波

（1.中国汽车工业工程有限公司，天津 300113；2.烟台通用东岳汽车有限公司，山东烟台 264006）

浅谈风机喘振的预防

何 雁1，牛志杰1， 赵东铭2， 刘 波2

（1.中国汽车工业工程有限公司，天津 300113；2.烟台通用东岳汽车有限公司，山东烟台 264006）

结合通风除尘改造工程实例，对风机喘振问题进行分析，并提出了解决风机喘振问题的办法。其解决风机喘振的经验和做法，可供通风除尘系统工程设计和通风除尘系统改造项目参考。

通风除尘；风机喘振；设计改造

1　问题提出

通用东岳汽车铸铁厂清理生产线的除尘系统采用滤筒式除尘器除尘，滤筒式除尘器前未设置预除尘器，因铸件打磨粉尘的磨嘬能力强，滤筒除尘器的滤筒很快被磨穿。为此，通用东岳汽车铸铁厂委托某环保工程公司对该除尘系统进行改造，在除尘系统的滤筒除尘器前增加低阻旋风除尘器，对打磨粉尘废气进行预处理，去除打磨粉尘废气中磨嘬能力强的粗粒子，延长滤筒式除尘器滤筒的使用周期。

除尘系统改造后，整个除尘系统发生振动，使除尘系统不能正常运行：①系统除尘风机后增加的排气筒集风箱出现间歇振动或持续振动现象；②系统除尘风机出现间歇振动或持续振动现象；③滤筒除尘器前的低阻旋风除尘器和车间内除尘风管出现间歇振动或持续振动现象。

因除尘系统改造后不能正常运行，为不影响生产，在增加的低阻旋风除尘器前添加三通管，三通管分流大部分粉尘废气直接进入滤筒式除尘器，仅有少量粉尘废气经三通管分流至低阻旋风除尘器预除尘后进入滤筒式除尘。除尘器滤筒被打磨粉尘粗粒子很快磨穿的问题依然存在，除尘系统改造未达到预期设想的效果。

受通用东岳汽车铸铁厂邀请，我们实地调查了该除尘系统改造前和改造后的运行情况，并与相关人员共同分析和探讨了该除尘系统的振动问题及其解决办法。现总结如下，供同行参考借鉴。

2　问题分析

2.1 原除尘系统简介

原除尘系统粉尘废气净化处理工艺流程如下：

各产尘设备→吸尘罩→风管→滤筒式除尘器→手动启动调节阀→风机→风管→消声器→排气筒（φ2 300 mm，顶标高约8 m）。

除尘系统选用通风机：G4-73-11，№20D，L=193 660～210 080 m3/h，P=3 060～2 853 Pa，n=730 r/min，N=250 kW。

现场历年环保监测的该除尘系统排风量为160 000～170 000 m3/h（因清理生产线工艺设备改进，取消了部分清理工位，除尘系统实际运行风量小于设计风量）；经核算，原除尘系统设备及管网的阻力约为3 000 Pa，原除尘系统选用通风机的压头略微偏小，但基本满足使用要求。

2.2除尘系统改造后简介

除尘系统改造后粉尘废气净化处理工艺流程如下：

各产尘设备→吸尘罩→风管→组合式低阻旋风除尘器→滤筒式除尘器→手动启动调节阀→风机→风管→消声器→风管→排气筒集风箱→组合式排气筒（3×φ1 400 mm，顶标高21.6 m）。

除尘系统改造后，仍使用原系统除尘通风机：G4-73-11，№20D。n=730 r/min，N=250 kW。为直连安装方式。

除尘系统改造后，增加了组合式低阻旋风除尘器、排气筒集风箱、组合式排气筒（排气筒加高至21.6 m）等，经核算，改造后除尘系统设备及管网的阻力约为4 000 Pa，显而易见，除尘系统仍使用原风机是不合适的。

除尘系统改造完成后，包括风机在内的整个除尘系统出现间歇振动或持续振动现象，除尘系统无法正常开启运行。为维持正常生产要求，紧接着又对除尘系统管路系统进行临时性二次改造，在组合式低阻旋风除尘器前增加临时三通管，分流粉尘废气直接进入滤筒式除尘器后（仅有少量粉尘废气进入组合式低阻旋风除尘器），除尘系统才能正常开启运行，二次改造后的粉尘废气净化处理工艺流程如下：

可见，除尘系统二次改造后，大部分粉尘废气仍直接进入滤筒式除尘器，只有少量粉尘废气经三通管分流至低阻旋风除尘器预后进入滤筒式除尘，除尘器滤筒被很快磨穿的问题依然存在。

2.3除尘系统间歇振动或持续振动原因分析

经分析，可能有以下因素和原因造成该除尘系统排气筒集风箱、通风机、除尘系统管路等出现间歇振动或持续振动：

①原除尘系统通风机的压头偏小，相对于原除尘系统风管和滤筒除尘器的阻力来说勉强能够满足。改造后增加的组合式低阻旋风除尘器等阻力估计为800 Pa以上，增加组合式低阻旋风除尘器等后使系统阻力增大，通风机偏离了风机曲线的稳定区而进入喘振区。

②除尘系统通风机在一定的风量下所产生的不均匀气流振动引起风机进出口管道的振动，特别是管道的薄弱管段处易振动，管道内不均匀气流振动的频率，可能与管道振动的频率相同而引发共振，从而使排气筒集风箱和通风机出现间歇振动或持续振动现象。

以上第一条应该是引起除尘系统发生间歇振动或持续振动的主要原因。

下面结合铸铁厂清理生产线除尘系统改造工程实例，重点分析通风机发生喘振现象的原因。

图1 通风机和管网L-P的联合曲线示意图

图1为通风机和管网L-P的联合曲线示意图。其中，(L-P)1曲线为除尘系统原有通风机的流量(L)-全压(P)曲线，(L-P)1曲线上Ak点对应的是原有通风机的驼峰流量LAk。我们知道：当通风机的实际流量＞驼峰流量LAk时，通风机工作是稳定的；当通风机的实际流量＜驼峰流量LAk时，通风机工作是不稳定的，并将会发生喘振（其原因这里就不赘述了）。

原有通风机的驼峰流量LAk，也就是原有通风机的喘振临界流量。驼峰流量的右侧区域为稳定工作区域，驼峰流量的左侧区域为不稳定工作区域。当管网增加阻力时（关小调风阀、关闭调风阀、系统串联增加设备等），管网的P-L曲线就会陡立向左偏移，从而会使通风机驼峰右侧的工作点向驼峰点Ak靠近，工作点越靠近驼峰点Ak，通风机就越会出现不稳定工作的可能性。

图1中O-A曲线为原除尘系统管网的流量-压力曲线，它与原有风机(L-P)1曲线相交于点A1，A1点为原除尘系统的工作状态点，A1点位于驼峰点Ak右侧，故原除尘系统工作是稳定的。通俗点解释，就是当通风在 A1点运行时，风机启动后随着通风机的运行，其出口压力随着流量的增加而减小。同时管网内的压力随着流量的增加而增大，直到通风机的内部压力与管网的内部压力相等，即达到一个平衡点，从而使通风机达到一种稳定的运行状态。

图1中O-B曲线为除尘系统改造后管网的流量-压力曲线，它与原有风机(L-P)1曲线相交于点A2，A2点为除尘系统改造后的工作状态点，A2点位于驼峰点Ak左侧，故除尘系统改造后工作是不稳定的，原有通风机发生喘振，带来整个除尘系统各设备及管网的间歇振动或持续振动。通俗点解释，就是当通风机在 A2点运行时，风机启动后随着通风机的运行，其出口压力随着流量的增加而增大。同时管网内的压力随着流量的增加也同步增大，这样，通风机的内部压力与管网的内部压力不会达到一个平衡点。因而，通风机是一种非稳定的运行状态，风机将会发生“喘振”现象。

根据上述分析，显而易见，具有驼峰型流量-压力曲线通风机不恰当的选型（选用驼峰曲线很明显的风机），除尘系统管网不恰当的设计（系统管网阻力设计偏大），除尘系统管网不恰当的改造（增加系统阻力的管网改造）等，只要使通风机的工作流量小于其驼峰流量，就会导致通风机发生喘振，并引发整个除尘系统管网的振动。

3　问题解决

3.1通风机发生喘振的危害

当通风机发生喘振时，其噪声和振动异常增大，风机出口压力急剧波动，电机电流上下波动，风机的流量周期性的反复，并在很大范围内变化，表现为零流量甚至出现负流量（气体倒流）。风机流量的这种正负剧烈的波动，就像哮喘病人发作时的呼吸困难一样。由于气流波动很大而发生气流的猛烈撞击，使风机本身产生剧烈振动.同时风机工作的噪声加剧。大容量的高压头风机产生喘振时的危害更大，由于振动强烈，轴承液体润滑条件会遭到破坏，轴瓦会烧坏，甚至传动轴会扭断，转子与定子会产生磨擦、碰撞，密封元件也将会严重破坏，最终导致通风设备损坏。

通风机发生喘振与其输送的气体流量、压力、管网容量和管网阻力特性等有关，管网容积越大，喘振的频率越低，振幅越大。通风机发生喘振后，通过气流的传递作用，还会使除尘系统管网周期性剧烈振动，并伴有周期性的“呼嚓、呼嚓”喘气吼叫声，将会对通风除尘系统管网有一定的损害。

通风机喘振，轻则风机管网振动，重则毁坏通风设备。总之，通风机一旦发生喘振，通风除尘系统就无法正常运行。

3.2通风机发生喘振的预防措施

①通风除尘系统设计选用设备时，尽量选用（L-P）特性曲线没有驼峰的通风机；如果通风机的（L-P）特性曲线有驼峰，则应使通风机—直保持在稳定区(即L-P曲线下降段)工作，即保证通风机的排除流量恒定大于其喘振临界流量（驼峰流量Lk）。（与管网的设计有关，见下条。）

②通风除尘系统设计管网时，要防止通风机入口管网的“卡脖子”和通风机出口管网的“憋闷”现象，避免管网设计阻力过大，使通风机排风量小于或接近其喘振临界流量（驼峰流量Lk）。即要仔细核算通风除尘系统的总阻力。通风除尘系统管网考虑系统运行后增加的总阻力，应于通风机提供的压头相匹配。

③对通风机为恒定转速的系统，如果其运行过程中需要周期性变小流量，且流量小于或接近其喘振临界流量（驼峰流量Lk）时，可以设置再循环管路（防喘回流措施：风机出口与风机入口间设连接风管，并在风管上设切换调节阀，风机的出风回流至风机的进风）、或自动补风阀（风机直接从环境进风）、或自动排风阀（防喘放空措施：降低管网压力），从而保证通风机的排除流量恒定大于其喘振临界流量（驼峰流量Lk）。

④调整通风机转速，可以改善或消除喘振情况，获得稳定的运行工况，但前提是管路性能曲线不能通过风机性能曲线的坐标原点。否则风机在各个转速下的工作点都是相似工作点，在风机喘振的情况下，改变转速也无法获得稳定运行工况。

3.3东岳汽车铸铁厂清理生产线除尘系统风机喘振解决办法

由以上通风机喘振的原因分析，并考虑防止通风机发生喘振的预防措施，铸铁厂清理生产线除尘系统风机喘振解决的最好办法是更换新的通风机，即根据改造后的除尘系统实际总风量和除尘系统管网总阻力，重新选择通风机，满足改造后的除尘系统的使用要求。

下面结合图1，说明除尘系统增加组合式低阻旋风除尘器等后，更换原有通风机，避免风机喘振的原理。

图1中的(L-P)2曲线为除尘系统更换通风机的流量(L)-全压(P)曲线，(L-P)2曲线上Bk点对应的是更换通风机的驼峰流量LBk（喘振临界流量）。

图1中O-B曲线为除尘系统改造后管网的流量-压力曲线，它与更换通风机的流量-全压曲线(L-P)2相交于点B1，B1点为除尘系统改造后的工作状态点。可见，更换通风机的实际流量LB1＞更换通风机的驼峰流量LBk，更换通风机工作是稳定的。

共有2个解决方案供选择。

①方案一。更换新的通风机，新选通风机为：G4-73-11，№18D，L=154 160～169 910 m3/h，P=4 639～ 4 518 Pa，n=960 r/min，N=315 kW（国产风机）。

（为便于比较，在此列出原通风机的型号：G4-73-11，№20D，L=193 660～210 080 m3/h，P=3 060～ 2 853 Pa，n=730 r/min，N=250 kW。）

②方案二。对原通风机心脏进行“外科手术”，仅保留原通风机的外壳，拆除原通风机的叶轮、轴承箱、电机等，安装新选通风机G4-73-11 №18D的叶轮、轴承箱、电机等。这样原通风机就改进成了G4-73-11 №20风机的外壳、G4-73-11 №18风机的心脏了！方案二应征询通风机供应商的意见。（方案二主要考虑通风机更换和改造实施时间限制。）

综合各方面因素，我们建议按第一方案实施。

考虑到除尘系统是第三次改造和用户的高标准要求，决定选用国外优质品牌通风机。经多方比较，选用德国原装莱茨（REITZ）离心通风机，选用的通风机型号及参数为：离心通风机KXE050-280010-00，L=2 800 m3/min（168 000 m3/h），P=5 000 Pa，n=980 r/min，N=315 kW。该通风机为直连风机。

取消除尘系统上的临时三通管，清理打磨粉尘废气全部进入预处理旋风除尘器，更换德国莱茨（REITZ）离心通风机，取消风机出口的消声器，以上整改安装工作完成后，开启除尘系统通风机。通风机和整个除尘系统运行平稳，除尘系统再次改造获得成功。

至今，该除尘系统再次改造后已安全正常运行近4年。

最终改造后的清理打磨粉尘废气净化处理工艺流程如下：

各产尘设备→吸尘罩→风管→组合式低阻旋风除尘器→滤筒式除尘器→新更换电动启动调节阀→新更换通风机（德国原装REITZ离心通风机）→风管→排气筒集风箱→组合式排气筒（3×φ1 400 mm，顶标高21.6 m）。

3.4其它改造设计细节

(1)通风机前启动调节阀

在更换的新通风机的入口前，增加电动启动调节阀，代替原通风机前的手动启动调节阀。新的通风机功率315 kW，比原通风机功率增加65 kW，在通风机前增加电动启动调节阀，有利于通风的启动控制，减少通风机启动电流对现有车间电网的冲击。新增电动启动调节阀的阀板为瓣叶式，其旋向与通风机的旋向一致，输送气体经启动调节阀的瓣叶后，以旋转气流的方式进入通风机，具有一定的节能效果。

(2)通风机整体减振支架

新的通风机带整体减振钢座架，消声减震并易于安装。更换新的通风机工作，需在“十·一”假期的八天内完成，风机采用整体减振钢座架，可简化安装工作，从而节约安装时间，保证节后除尘系统正常运行。

(3)更换新通风机基础

原风机（G4-73-11，№20D）地面上基础为1.5 m高的阶梯型混凝土基础（依次为机壳基础、轴承箱基础、电机基础），查原风机基础图，原风机的混凝土基础深入地面下1.5 m。

更换新通风机顺序。拆除旧风机、拆除旧风机基础、浇注新风机基础、安装新风机。

以上工作要在“十·一”假期内完成。其中拆除风机旧基础和浇注新风机基础占据时间长，是项目改造的时间关键节点。

经权衡利弊分析，决定将原风机地面上的基础部分和地面下基础的0至-0.25 m部分拆除，而保留原风机地面下-0.25至-1.5 m的基础。在0至-0.25 m浇注新的通风机基础。

新基础内预埋通风机减振座架的工字钢底座（采用№20工字钢制作），采用地角螺栓将工字钢底座固定在原风机的地下基础上，地角螺栓的螺杆长度500 mm，在原风机地下基础上钻孔，螺杆二次灌浆固定，工字钢底座下设田字形网状基础钢筋网。新的通风机基础采用高强度速凝水泥砂浆浇注而成。

工字钢底座侧面焊接支耳，新通风机减振座架的减震器安装在支耳上，新通风机基础的结构及做法见图2。

图2　新通风机基础的结构

（4）通风机出口消声器

除尘系统原排气筒出口高度约8 m，风机出口装设有消声器。除尘系统改造后，风机出口增加了水平风管20多米，排气筒出口加高至21.6 m。增加的风机出口风管和排气筒均可使通风机噪声有一定的衰减，故取消了原风机出口的消声器。

（5）除尘系统电气改造

更换新的通风机安装功率315 kW，比原风机安装功率大65 kW；本次改造还将原手动风机入口阀改换为电动风机入口阀。除尘系统的电气控制也做相应改造，并同期施工。除尘系统的电气控制改造部分，由用户相关电气专业人员负责，本文不详述。

4　通风除尘系统设计与风机喘振问题

4.1通风除尘系统设计应注意的风机喘振问题

合理设计通风除尘系统管网，正确选择通风机，保证通风机的排除流量恒定大于其喘振临界流量（驼峰流量Lk），避免出现通风除尘系统发生喘振的设计失误。

4.2通风除尘系统改造应注意的风机喘振问题

通风除尘系统改造时，特别是要在通风除尘系统上增加阻力负荷时（如上述除尘系统增加低阻旋风除尘器等），应核算通风除尘系统管网的阻力，并详细调查了解原系统的风机参数。系统改造后增加的阻力，必须在系统原风机压力的余量范围内，避免通风除尘系统发生喘振事故。

［1］ 关光森. 对风机进出口管道布置影响因素的研究［J］. 铸造机械,1984（4）.

［2］ 季若庸. 罗茨风机风压和电机功率的选择［J］.中国铸造装备与技术,1996（6）.

［3］ 黄昌跃. 高压离心风机在热风冲天炉上应用［J］.中国铸造装备与技术,1998（5）.

Discussion on prevention of fan surge

HE Yan1，NIU ZhiJie1， ZHAO DongMing2，LIU Bo2
（1. China automobile industry engineering Co.， LTD.， Tianjin 300113，China；2. Yantai general dongyue automobile Co.， LTD， Yantai 264006， Shandong，China ）

Combined with a practical apply in the reconstruction project of ventilation and dust removal system， the reason of surge occurred in fans is analyzed in this article， and the anti-surge method to solve such problem is proposed. The anti-surge practice and experience provide a reference for design or reconstruction projects of ventilation and dust removal system.

Ventilation And Dust Removal； Fan Surge； Reconstruction

TG234+.6；

A；

1006-9658（2015）06-0045-05

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.013

2015-07-20

稿件编号:1507-1000

何雁（1956—），男，高级工程师，主要从事大气污染物治理工程的设计、施工安装和调试工作.