Kotlové ventilátory s nuceným tahem podporují stabilní přívod spalovacího vzduchu v průmyslových závodech

V průmyslovém kotli závisí stabilita spalování na více než na samotném hořáku. Spalovací systém musí přijímat správné množství vzduchu o požadovaném tlaku i při změně zatížení kotle. Ventilátory s nuceným tahem kotle poskytují tento spalovací vzduch tlačením okolního nebo předehřátého vzduchu směrem k hořáku, větrné skříni, roštu nebo topeništi. V systémech s vyváženým tahem ventilátor s nuceným tahem pracuje společně s ventilátorem s indukovaným tahem k řízení průtoku vzduchu kotlem.

Proč záleží na přívodu spalovacího vzduchu

Palivo nemůže účinně spalovat, pokud je k dispozici nedostatek kyslíku. Pouhý přívod více vzduchu přitom není řešením. Přebytečný vzduch absorbuje teplo a odvádí další teplo ven komínem, což může snížit účinnost kotle. Z tohoto důvodu musí kotlové ventilátory s nuceným tahem poskytovat dostatečné proudění vzduchu v celém provozním rozsahu, spíše než pouze produkovat maximální možný objem vzduchu.

Uvažujme například kotel na biomasu pracující mezi 60% a 100% zatížením. Pokud ventilátor běží téměř na plné otáčky bez ohledu na zatížení kotle, může systém při nízkém zatížení přijímat nadměrné množství spalovacího vzduchu. Lepším přístupem je řídit průtok vzduchu podle aktuální potřeby paliva pomocí vstupní klapky, vstupní vodicí lopatky nebo VFD v závislosti na konstrukci systému. Výzkum v oblasti regulace otáček kotelny také ukázal vztah mezi provozem ventilátoru, přebytkem vzduchu a účinností kotle. 

Nevybírejte ventilátor ze samotného napájení motoru

Jednou z nejčastějších chyb při výměně ventilátoru kotle je dotazování se na motor o výkonu 30 kW, 45 kW nebo 75 kW a očekávání, že výrobce ventilátoru vše určí z tohoto čísla. Výkon motoru je výstupem procesu výběru ventilátoru, nikoli primárním parametrem výběru.

U ventilátorů s nuceným tahem kotle by základní informace měly obsahovat:

Požadovaný průtok vzduchu, například m³/h nebo CFM

Požadovaný statický tlak nebo celkový tlak

Teplota vstupního vzduchu

Druh paliva

Kapacita kotle

Provozní výška

Předpokládaný rozsah zatížení

Tlakové ztráty potrubí a zařízení

Odolnost hořáku nebo roštu

Pokles tlaku předehřívače vzduchu, pokud je nainstalován

Způsob ovládání

Napětí a frekvence motoru

Uspořádání instalace ventilátoru

Směr otáčení a poloha výstupu

Požadavek na tlak by se měl vypočítat z celé dráhy vzduchu. Potrubí, kolena, tlumiče, filtry, předehřívače vzduchu, větrné skříně, registry hořáků a další součásti přispívají k odporu. 

Praktický příklad výběru ventilátoru

Předpokládejme, že průmyslový kotel vyžaduje 18 000 m³/h spalovacího vzduchu při statickém tlaku 2 200 Pa za projektovaných provozních podmínek. Ventilátor by neměl být zvolen jednoduše jako „18 000 m³/h ventilátor“.

Nejprve by měl technik potvrdit, zda je 18 000 m³/h skutečně požadovaný provozní průtok vzduchu nebo zda již zahrnuje požadovanou návrhovou rezervu. Dále je třeba vypočítat tlakové ztráty mezi vstupem ventilátoru a pecí.

Například:

Ztráta vzduchovodu: 300 Pa

Ztráta tlumiče: 180 Pa

Ztráta předehřívače vzduchu: 450 Pa

Ztráta větrné skříně a hořáku: 700 Pa

Ostatní ztráty systému: 350 Pa

Požadovaná marže: hodnocena samostatně podle návrhu projektu

Výběr ventilátoru by pak měl být kontrolován podle výsledného provozního bodu spíše než podle samotného proudění vzduchu. To je zvláště důležité, když se ventilátory s nuceným tahem kotle používají jako náhrada za stávající jednotku, protože změny na potrubí nebo hořáku mohou posunout skutečný provozní bod.

Tlak ventilátoru a průtok vzduchu musí odpovídat kotli

Ventilátor může vytvářet velký proud vzduchu při nízkém tlaku a přesto nedodává požadovaný vzduch do pece. Naopak volba nadměrného tlaku může mít za následek zbytečné škrcení a vyšší provozní výkon.

Proto je důležitá křivka výkonu ventilátoru. Návrhový bod by měl být umístěn ve vhodné oblasti křivky ventilátoru s dostatečným regulačním rozsahem pro normální provoz kotle.

U ventilátorů s nuceným tahem kotle bych normálně zkontroloval alespoň tři provozní body:

Minimální stabilní zatížení kotle

Normální provozní zatížení

Maximální nepřetržité zatížení

Pokud kotel běžně pracuje na 70–90% zatížení, neměl by být ventilátor optimalizován pouze na teoretický 100% bod. Skutečný provozní rozsah je důležitý, protože potřeba spalovacího vzduchu se mění se vstupem paliva.

Řízení VFD může být užitečné, ale není automaticky nejlepším řešením

U kotlových ventilátorů s nuceným tahem se často zvažují pohony s proměnnou frekvencí, protože rychlost ventilátoru lze upravit podle zatížení kotle. U odstředivých ventilátorů poskytují zákony ventilátoru užitečný základ pro pochopení vlivu změn rychlosti: proudění vzduchu se mění přibližně s rychlostí, tlak se mění přibližně s druhou mocninou rychlosti a výkon se mění přibližně s třetí mocninou rychlosti.

To znamená, že relativně malé snížení rychlosti může způsobit významné snížení výkonu ventilátoru.

Výběr VFD by však měl také vzít v úvahu motor, minimální provozní rychlost, odezvu řízení, požadavky na spouštění, harmonické aspekty a požadovanou strategii řízení průtoku vzduchu. VFD by se nemělo jednoduše přidat, protože to zní efektivněji. Je třeba zvážit celý řídicí systém kotle. Co se stane, když je ventilátor poddimenzovaný? Poddimenzovaný ventilátor s nuceným tahem kotle se může zdát přijatelný během provozu s nízkou zátěží, ale stane se překážkou, když se kotel blíží plné zátěži.

Mezi typické příznaky patří:

Ventilátor běží blízko maximální rychlosti

Neschopnost dosáhnout požadovaného proudění vzduchu

Nízkopecní kyslík

Nestabilní spalování

Zvyšování CO

Snížená produkce páry

Vyšší spotřeba paliva

Nadměrný pokles tlaku ve vzduchovém systému

Klapka zůstává plně otevřená

Před výměnou ventilátoru by však měli technici potvrdit, že problémem je skutečně kapacita ventilátoru. Znečištěný filtr, ucpané potrubí, nesprávně umístěná klapka, znečištěný předehřívač vzduchu nebo upravený hořák mohou zvýšit odpor systému a způsobit příznaky, které vypadají jako poddimenzovaný ventilátor.

Příklad případu: Kotel na biomasu s nedostatečným průtokem vzduchu

Uvažujme kotel na biomasu původně navržený pro přibližně 15 000 m³/h spalovacího vzduchu. Po několika letech provozu se zařízení změnilo na vlhčí palivo z biomasy.

Obsluha si všimla, že kotel již nemůže při vysokém zatížení udržet předchozí stav spalování. Původním předpokladem bylo, že ventilátor FD je příliš malý.

Inspekce na místě zjistila tři důležité podmínky:

Ventilátor stále dosahoval přibližně původní konstrukční rychlosti.

Vstupní klapka byla téměř úplně otevřená

Nové palivo obsahovalo podstatně více vlhkosti.

Inženýrský tým proto před rozhodnutím o výměně ventilátoru zkontroloval požadavky na spalovací vzduch a tlak v systému. To je důležité, protože změna paliva může změnit požadované podmínky spalování; pouhé zvýšení velikosti ventilátoru nemusí vyřešit základní problém procesu.

Konečný výběr ventilátoru byl založen na revidovaných požadavcích na proudění vzduchu a tlak spíše než na staré jmenovité hodnotě motoru.

Ventilátor FD a ventilátor ID musí být zvažovány společně

U kotle s vyváženým tahem dodává ventilátor FD spalovací vzduch, zatímco ventilátor ID odvádí spaliny a pomáhá udržovat požadovaný tlak v peci. Tyto dva ventilátory vykonávají různé úkoly, ale přímo ovlivňují stejný proces spalování.

Pokud strana FD dodává podstatně více vzduchu, než může systém odstranit, tlak v peci se může zvýšit. Pokud vnitřní strana táhne příliš silně vzhledem k přiváděnému spalovacímu vzduchu, může vzniknout nadměrný podtlak.

Proto je při výměně kotlových ventilátorů s nuceným tahem užitečné zkontrolovat také stávající výkon ventilátoru ID. Nový ventilátor FD by měl vyhovovat provoznímu rozsahu celého systému řízení tahu a neměl by být hodnocen jako izolované zařízení.

Teplota vzduchu také ovlivňuje výběr ventilátoru

Teplota spalovacího vzduchu by měla být specifikována před výběrem Boiler Forced Draft Fans.

Pokud ventilátor zpracovává okolní vzduch, je hustota jiná než u systému, kde vzduch prošel předehřívačem vzduchu. S rostoucí teplotou vzduchu klesá jeho hustota, což ovlivňuje vztah mezi objemovým průtokem, hmotnostním průtokem, tlakem a výkonem ventilátoru.

Například dva systémy mohou oba ukazovat 20 000 m³/h na papíře při provozu při podstatně odlišných teplotách vzduchu. Technický výpočet proto potřebuje stanovit skutečnou provozní teplotu a tlak, spíše než považovat objemové číslo za nezávislé na provozních podmínkách.

To je zvláště důležité u kotlů využívajících předehřívače vzduchu nebo jiných zařízení na rekuperaci tepla.

Kontroly údržby, které by se neměly přeskočit

I správně zvolený ventilátor může ztratit výkon kvůli problémům s údržbou. U kotlových ventilátorů s nuceným tahem by běžná kontrola měla zahrnovat oběžné kolo, ložiska, hřídel, spojku, proud motoru, vibrace, stav sání, polohu klapky a potrubí.

Pokud se průtok vzduchu postupně snižuje, zatímco rychlost ventilátoru zůstává nezměněna, nezvyšujte okamžitě rychlost. První kontrola:

Ucpání vstupního filtru

Otevření klapky

Ucpání potrubí

Znečištění oběžného kola

Stav ložiska

Stav řemene nebo spojky

Rotace ventilátoru

Systémový tlak

Odolnost hořáku nebo větrné skříně

Oběžné kolo znečištěné prachem nebo usazeninami může změnit aerodynamický stav a zvýšit nevyváženost. Zvýšení rychlosti za účelem kompenzace může zvýšit mechanické zatížení, aniž by se vyřešil původní problém. Jaké informace by měly být zaslány výrobci ventilátorů? U RFQ zahrnujících ventilátory s nuceným tahem kotle by užitečný technický dotaz měl obsahovat mnohem více než jen kapacitu kotle.

Praktický RFQ může zahrnovat:

Výkon kotle: 20 TPH

Palivo: biomasa / uhlí / zemní plyn / ropa

Požadovaný průtok vzduchu: 18 000 m³/h

Požadovaný tlak: 2 200 Pa

Teplota vzduchu: 40°C

Nadmořská výška: 35m

Pracovní frekvence: 50 Hz

Napětí motoru: 415V

Ovládání: VFD

Instalace: Vnitřní

Rotace: Bude potvrzeno

Směr výstupu: Bude potvrzeno

Při výměně stávajícího ventilátoru jsou mimořádně užitečné také fotografie, informace na typovém štítku, křivka ventilátoru, údaje o motoru, rozměry potrubí a skutečné provozní rozměry.

Čím úplnější jsou provozní údaje, tím snazší je vybrat kotlové ventilátory s nuceným tahem, které odpovídají skutečnému provozu kotle, namísto výběru modelu z katalogu pouze na základě jmenovitého průtoku vzduchu.

Závěrečné úvahy

Hlavní účel kotlových ventilátorů s nuceným tahem je přímočarý: poskytnout spalovacímu systému stabilní, regulovatelný vzduch o tlaku požadovaném kotlem. Technickou výzvou je zpřístupnit toto proudění vzduchu v celém provozním rozsahu a zároveň udržet pod kontrolou výkon ventilátoru, tlak v peci, podmínky spalování a mechanickou spolehlivost.

U nového projektu kotle by měl být ventilátor vybrán z kompletního výpočtu odporu na straně vzduchu. U náhradního projektu by měly být skutečné provozní údaje porovnány s původní křivkou ventilátoru, než se rozhodne, zda je problémem nedostatečná kapacita ventilátoru, zvýšený odpor systému nebo změna podmínek spalování.

Dobře zvolený Boiler Forced Draft Fan proto není jen ventilátor s vysokým průtokem vzduchu. Jedná se o součást přizpůsobenou palivu kotle, spalovacímu systému, tlakovým ztrátám, provozní teplotě, způsobu regulace a očekávanému rozsahu zatížení. To umožňuje kotli udržovat stabilní spalování bez zbytečného plýtvání výkonem ventilátoru.