産業プラントの燃焼空気の安定供給を支えるボイラー強制通風ファン

産業用ボイラーでは、燃焼の安定性はバーナー自体以上のものに依存します。燃焼システムは、ボイラーの負荷が変化した場合でも、必要な圧力で適切な量の空気を受け取る必要があります。ボイラー強制通風ファンは、周囲空気または予熱された空気をバーナー、風箱、火格子、または炉に向かって押し出すことによって、この燃焼空気を提供します。バランスドラフトシステムでは、強制通風ファンが誘起通風ファンと連携してボイラーを通る空気流を制御します。

燃焼用空気の供給が重要な理由

利用可能な酸素が不足すると、燃料は効率的に燃焼できません。同時に、単に空気を供給するだけでは解決策にはなりません。過剰な空気は熱を吸収し、スタックを通して追加の熱を運び出すため、ボイラーの効率が低下する可能性があります。このため、ボイラー強制通風ファンは、単に最大の空気量を生成するだけではなく、動作範囲全体にわたって十分な空気流を提供する必要があります。

たとえば、60% ～ 100% の負荷で動作するバイオマス ボイラーを考えてみましょう。ボイラー負荷に関係なくファンがほぼ全速力で動作すると、システムは低負荷時に過剰な燃焼空気を受け取る可能性があります。より良いアプローチは、システム設計に応じてインレット ダンパー、インレット ガイド ベーン、または VFD を使用して、実際の燃料需要に応じて空気流を制御することです。ボイラーハウスの可変速制御に関する研究では、ファンの動作、過剰空気、ボイラー効率との関係も示しています。 

モーターパワーだけでファンを選ばないでください

ボイラーファンを交換するときに最もよくある間違いの 1 つは、30 kW、45 kW、または 75 kW のモーターを要求し、ファンのメーカーがその数値からすべてを決定すると期待することです。モーター出力はファン選択プロセスの出力であり、主要な選択パラメーターではありません。

ボイラー強制通風ファンの場合、基本情報には次の情報が含まれます。

必要な空気流量（m3/h または CFM など）

必要静圧または全圧

空気入口温度

燃料の種類

ボイラー容量

動作高度

予想される負荷範囲

ダクトおよび機器の圧力損失

バーナーまたは火格子の抵抗

空気予熱器の圧力降下 (取り付けられている場合)

制御方法

モーターの電圧と周波数

ファンの設置配置

回転方向と出口位置

圧力要件は完全な空気経路から計算する必要があります。ダクト、エルボ、ダンパー、フィルター、空気予熱器、ウィンドボックス、バーナーレジスター、およびその他のコンポーネントはすべて抵抗に寄与します。 

ファン選択の実践例

工業用ボイラーが設計動作条件下で静圧 2,200 Pa で 18,000 m3/h の燃焼用空気を必要とすると仮定します。ファンを単純に「18,000 m3/h ファン」として選択しないでください。

まず、エンジニアは 18,000 m3/h が実際に必要な動作風量であるか、または必要な設計マージンがすでに含まれているかを確認する必要があります。次に、ファン入口と炉の間の圧力損失を計算する必要があります。

例えば：

エアダクト損失：300Pa

ダンパー損失：180Pa

空気予熱器損失：450Pa

ウィンドボックスおよびバーナー損失: 700 Pa

その他のシステム損失: 350 Pa

必要マージン：プロジェクト設計に応じて別途評価

ファンの選択は、エアフローだけではなく、結果として得られるデューティ ポイントに照らしてチェックする必要があります。ダクトやバーナーを変更すると実際の動作点が変化する可能性があるため、ボイラー強制通風ファンを既存のユニットの代替品として使用する場合、これは特に重要です。

ファンの圧力とエアフローはボイラーに一致する必要があります

ファンは低圧で大量の空気流を生成しても、必要な空気を炉に供給できない場合があります。逆に、過剰な圧力を選択すると、不必要なスロットルが発生し、動作出力が増加する可能性があります。

このため、ファンのパフォーマンス曲線が重要になります。設計点は、通常のボイラー動作に十分な制御範囲を備えた、ファン曲線の適切な領域内に配置する必要があります。

ボイラー強制通風ファンの場合、通常は少なくとも 3 つの動作点をチェックします。

最小安定ボイラー負荷

通常の運転負荷

最大連続負荷

ボイラーが通常 70 ～ 90% の負荷で動作する場合、ファンは理論上の 100% 点のみに最適化すべきではありません。燃焼用空気の需要は燃料投入量に応じて変化するため、実際の動作範囲が重要になります。

VFD 制御は便利ですが、自動的に最適なソリューションになるわけではありません

ボイラーの負荷に応じてファンの速度を調整できるため、ボイラー強制通風ファンには可変周波数ドライブがよく検討されます。遠心ファンの場合、ファンの法則は、速度変化の影響を理解するための有用な基礎を提供します。つまり、気流はほぼ速度に応じて変化し、圧力はほぼ速度の 2 乗で変化し、出力はほぼ速度の 3 乗で変化します。

これは、速度を比較的わずかに低下させるだけで、ファンの電力が大幅に削減される可能性があることを意味します。

ただし、VFD の選択では、モーター、最低動作速度、制御応答、始動要件、高調波の考慮事項、および必要なエアフロー制御戦略も考慮する必要があります。 VFD は、より効率的であるという理由だけで追加すべきではありません。ボイラー制御システム全体を考慮する必要があります。ファンのサイズが小さすぎると何が起こりますか?ボイラー強制通風ファンのサイズが小さすぎると、低負荷運転時には許容できるように見えますが、ボイラーが全負荷に近づくとボトルネックになります。

典型的な症状は次のとおりです。

最大速度に近い速度で動作するファン

必要なエアフローを実現できない

炉内の酸素が少ない

不安定な燃焼

COの増加

蒸気発生量の減少

燃料消費量の増加

空気システム全体の過度の圧力降下

ダンパー全開のまま

ただし、ファンを交換する前に、技術者は実際に問題がファンの容量にあることを確認する必要があります。フィルターの汚れ、ダクトの詰まり、ダンパーの位置の誤り、空気予熱器の汚れ、またはバーナーの改造により、システムの抵抗が増加し、サイズが小さいファンのような症状が発生する可能性があります。

事例：風量不足のバイオマスボイラー

もともと約 15,000 m3/h の燃焼空気用に設計されたバイオマス ボイラーを考えてみましょう。数年間の稼働後、プラントはより湿潤なバイオマス燃料に切り替えられました。

オペレーターは、ボイラーが高負荷時に以前の燃焼状態を維持できなくなっていることに気づきました。当初の想定は、FD ファンが小さくなりすぎたのではないかということでした。

現場検査により、次の 3 つの重要な条件が見つかりました。

ファンは依然としてほぼ元の設計速度に達していました。

インレットダンパーがほぼ全開になった状態

新しい燃料にはかなり多くの水分が含まれていました。

したがって、エンジニアリング チームは、交換用ファンを決定する前に、燃焼用空気の要件とシステム圧力を確認しました。燃料を変更すると必要な燃焼条件が変わる可能性があるため、これは重要です。ファン サイズを増やすだけでは、根本的なプロセスの問題は解決しない可能性があります。

最終的なファンの選択は、古いモーター定格ではなく、改訂されたエアフローと圧力要件に基づいて行われました。

FDファンとIDファンはセットで検討する必要があります

バランスドラフトボイラーでは、FD ファンが燃焼用空気を供給し、ID ファンが排ガスを除去して必要な炉圧力の維持に役立ちます。これら 2 つのファンは異なる仕事を実行しますが、同じ燃焼プロセスに直接影響を与えます。

システムが除去できる空気を大幅に超える量の空気を FD 側が供給すると、炉の圧力が上昇する可能性があります。流入する燃焼用空気に対して ID 側が強く引っ張られすぎると、過剰な負圧が発生する可能性があります。

したがって、ボイラ強制通風ファンを交換する場合には、既設のIDファンの当量も併せて確認することが有用です。新しい FD ファンは、独立した機器として評価されるのではなく、完全な通風制御システムの動作範囲に適合する必要があります。

気温もファンの選択に影響します

ボイラー強制通風ファンを選択する前に、燃焼空気の温度を指定する必要があります。

ファンが周囲の空気を扱う場合、密度は空気が空気予熱器を通過したシステムとは異なります。空気の温度が上昇すると密度が減少し、体積流量、質量流量、圧力、ファン出力の関係に影響します。

たとえば、2 つのシステムは、実質的に異なる気温で動作しながら、両方とも紙の上で 20,000 m3/h を示す可能性があります。したがって、工学計算では、体積数値を動作条件から独立して扱うのではなく、実際の動作温度と圧力に基づいて確立する必要があります。

これは、空気予熱器やその他の熱回収装置を使用するボイラーでは特に重要になります。

省略してはいけない保守点検

正しく選択されたファンであっても、メンテナンスの問題によりパフォーマンスが低下する可能性があります。ボイラー強制通風ファンの場合、定期検査にはインペラ、ベアリング、シャフト、カップリング、モーター電流、振動、吸気口の状態、ダンパーの位置、ダクト設備が含まれる必要があります。

ファン速度が変わらないまま風量が徐々に減少する場合は、すぐに速度を上げないでください。最初のチェック:

入口フィルターの詰まり

ダンパー開口部

ダクト閉塞

インペラの汚れ

軸受の状態

ベルトまたはカップリングの状態

ファン回転数

システム圧力

バーナーまたはウィンドボックスの抵抗

インペラが塵や堆積物で汚れていると、空力状態が変化し、アンバランスが増大する可能性があります。補償するために速度を上げると、元の問題を解決せずに機械的負荷が増加する可能性があります。ファンのメーカーにどのような情報を送信する必要がありますか?ボイラー強制通風ファンに関する RFQ の場合、有用な技術的な問い合わせには、ボイラーの容量以外の情報も含まれている必要があります。

実際の RFQ には次のものが含まれます。

ボイラー能力: 20 TPH

燃料：バイオマス/石炭/天然ガス/石油

必要な風量: 18,000 m3/h

必要圧力：2,200Pa

気温：40℃

標高：35m

動作周波数：50Hz

モーター電圧: 415 V

コントロール: VFD

設置場所: 屋内

回転：未定

出口方向：要確認

既存のファンを交換する場合は、写真、銘板情報、ファン曲線、モーターデータ、ダクト寸法、実際の動作測定値も非常に役立ちます。

動作データが完全であればあるほど、公称風量のみに基づいてカタログからモデルを選択するのではなく、実際のボイラーの負荷に一致するボイラー強制通風ファンを選択することが容易になります。

最終的な考慮事項

ボイラー強制通風ファンの主な目的は単純明快で、ボイラーが必要とする圧力で安定した制御可能な空気を燃焼システムに提供することです。エンジニアリング上の課題は、ファンの出力、炉の圧力、燃焼条件、機械的信頼性を制御しながら、動作範囲全体にわたって空気の流れを利用できるようにすることです。

新しいボイラー プロジェクトの場合、完全な空気側抵抗計算に基づいてファンを選択する必要があります。交換プロジェクトの場合、問題がファン容量の不足、システム抵抗の増加、または燃焼条件の変化であるかどうかを判断する前に、実際の動作データを元のファン曲線と比較する必要があります。

したがって、適切に選択されたボイラー強制通風ファンは、単なる高風量ファンではありません。ボイラーの燃料、燃焼方式、圧力損失、使用温度、制御方式、想定される負荷範囲に合わせた部品です。これにより、ファンの電力を無駄に浪費することなく、ボイラーは安定した燃焼を維持することができます。