＊臧考濤

（晉能控股集團(tuán)大同機(jī)電裝備有限公司 大同力泰機(jī)械有限公司 山西 037003）

焊接及金屬切割煙塵由金屬和非金屬物質(zhì)在焊接過程中過熱蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)氧化和冷凝而成，其中包含著對(duì)人體有害的物質(zhì)。若不進(jìn)行有效的治理，這些有害物質(zhì)會(huì)對(duì)工作人員的身體健康產(chǎn)生影響，如引起焊工錳中毒、矽肺病及癌癥等疾病。金屬煙塵會(huì)污染工作環(huán)境，影響設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)大量粉塵在空氣中聚集，極可能造成爆炸事故[1]。對(duì)于煤礦生產(chǎn)，礦井通風(fēng)工作是安全生產(chǎn)工作中至關(guān)重要的構(gòu)成環(huán)節(jié)[2]，煙塵處理系統(tǒng)也影響鉚焊車間的安全生產(chǎn)。

目前國內(nèi)除塵設(shè)備在技術(shù)創(chuàng)新的加持下取得新發(fā)展，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：超低排放技術(shù)，如高壓供電電源、高效濾料、陶瓷濾管、催化過濾等。節(jié)能降耗技術(shù)，如頂部垂直進(jìn)風(fēng)除塵器、高通量覆膜濾料、低溫脫硝等。智能化技術(shù)，如智能清灰系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能診斷系統(tǒng)等。結(jié)合車間現(xiàn)狀，制造除塵系統(tǒng)的難點(diǎn)在數(shù)控下料老式平臺(tái)無法與合適的除塵設(shè)備匹配，該老式平臺(tái)也不適合改造，需重新設(shè)計(jì)和制作新平臺(tái)，使其既能滿足強(qiáng)度要求，又能有效除塵。另外，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效的運(yùn)作和降低后續(xù)使用成本，也需研究新的智能化技術(shù)并加以利用。

1.除塵方式的確定

車間火焰切割的切割對(duì)象和焊接對(duì)象以鋼板為主，產(chǎn)生的有害煙塵主要為Fe2O3粉塵、MnO粉塵及少量H2S、臭氧、氮氧化物和CO氣體，長(zhǎng)期在該環(huán)境中作業(yè)且不注重防護(hù)，會(huì)引起塵肺病和其他呼吸道疾病。結(jié)合車間現(xiàn)狀及對(duì)市場(chǎng)上主流的除塵設(shè)備進(jìn)行調(diào)研分析，針對(duì)兩臺(tái)龍門式火焰切割機(jī)的除塵設(shè)備宜采用干式雙吸式除塵機(jī)。

但目前使用的切割平臺(tái)不能形成有效風(fēng)道，貿(mào)然上馬設(shè)備往往事倍功半，收效甚微，須先改造數(shù)控切割平臺(tái)，再引進(jìn)配套設(shè)備，才能達(dá)到預(yù)期效果。針對(duì)8臺(tái)CO2氣保焊工位的除塵設(shè)備不適合采用該車間一區(qū)的整體通風(fēng)除塵系統(tǒng)，一是投資及運(yùn)行成本較高，二是該車間二區(qū)只進(jìn)行制新作業(yè)，不進(jìn)行修舊作業(yè)，8個(gè)工位最多有6個(gè)工位投入使用，且并非全年所有工作日投入使用。結(jié)合去年投入使用的焊機(jī)懸臂架，與其配套的除塵方式應(yīng)采用吸氣臂捕捉式除塵器，使用哪臺(tái)焊機(jī)時(shí)打開與其配套的除塵器，將不使用的工位關(guān)閉。

2.數(shù)控切割平臺(tái)的設(shè)計(jì)與改造

舊的數(shù)控切割平臺(tái)方案只有支撐作用，沒有密閉風(fēng)道，無法適應(yīng)除塵原理需求，考慮到強(qiáng)度問題也無法進(jìn)行二次改造。要取得良好的除塵效果，必須讓平臺(tái)在切割時(shí)形成負(fù)壓區(qū)，煙塵被吸入平臺(tái)風(fēng)道，從兩側(cè)負(fù)壓區(qū)抽出再經(jīng)主機(jī)過濾后達(dá)標(biāo)排出。為達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)道要求，滿足最厚100mm的鋼板切割承重需求，設(shè)計(jì)了滿足以上兩個(gè)主要條件的平臺(tái)系統(tǒng)，整個(gè)工作區(qū)域由18組平臺(tái)組成，每組分上平臺(tái)、下平臺(tái)，上下平臺(tái)間的鋼板形成半閉柵格空間，負(fù)壓很好地傳導(dǎo)到所有切割區(qū)域，快速排出切割煙塵。

整體平臺(tái)除塵所需風(fēng)量計(jì)算。由于切割機(jī)在切割時(shí)，切割頭只在兩節(jié)風(fēng)道附近擺動(dòng)，而吸風(fēng)口在3節(jié)風(fēng)道活動(dòng)，所以有效吸塵面積為3節(jié)風(fēng)道上的面積（風(fēng)道長(zhǎng)度為0.25m每節(jié)）。6m跨距的有效切割寬度為5m，吸塵面積為5m×0.75m=3.75m2。火焰切割機(jī)除塵最佳流速為0.9m/s，兩臺(tái)共軌火焰切割除塵系統(tǒng)所需風(fēng)量Q=3.75m2×3600s×0.9m/s×2=24300m3/h。兩臺(tái)切割機(jī)不同時(shí)使用時(shí)，在每個(gè)吸風(fēng)口加裝手動(dòng)風(fēng)閥，對(duì)應(yīng)該臺(tái)切割機(jī)工作情況做出相應(yīng)的開啟與關(guān)閉動(dòng)作。

3.二保焊接煙塵收集設(shè)計(jì)

（1）捕捉方式簡(jiǎn)述。焊接煙塵捕捉通常有三種方式：吸氣臂捕捉，適合小件焊接，特定工位；收集罩捕捉，適合較大工件，不確定位置焊接時(shí)的煙塵捕捉，但易影響工件吊裝；整體通風(fēng)，投資及運(yùn)行成本較高。（2）吸氣臂捕捉方式。在阻尼桿和摩擦片作用下，吸氣臂能在臂長(zhǎng)范圍內(nèi)的空間懸停。利用2018年完成的焊機(jī)工位旋臂實(shí)施安裝，既保證了焊接排煙同步，又整體美觀、節(jié)約成本。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊接工件較大、位置不確定的情況，采用通用加長(zhǎng)吸氣臂配合加大收集口方式，收集口尺寸設(shè)計(jì)為馬蹄形收集罩。（3）捕捉元件設(shè)計(jì)及除塵系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算。選用分組捕集集中處理形式，考慮到員工操作及系統(tǒng)阻力等因素采用長(zhǎng)為3m內(nèi)關(guān)節(jié)式吸氣臂，吸氣臂160mm，收集口加裝手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥，末端加裝自動(dòng)風(fēng)閥，工作人員用按鈕即可控制其開與閉。每個(gè)吸氣臂流量為2000m3/h可達(dá)到理想收集效果，8個(gè)工位系統(tǒng)所需風(fēng)量Q=8×2000m3/h=16000m3/h。

4.除塵主機(jī)風(fēng)量及設(shè)備選型

兩個(gè)區(qū)域計(jì)劃采用管道連接，經(jīng)除塵主機(jī)凈化處理后達(dá)標(biāo)排放。該廢氣屬于大風(fēng)量低粉塵濃度氣體，總系統(tǒng)風(fēng)量Q=24300m3/h+16588m3/h+16000 m3/h=56888m3/h，宜采用濾筒式除塵器，處理風(fēng)量不低于56000m3/h。設(shè)備電機(jī)采用變頻控制，在工作量減小時(shí)功率自動(dòng)降低，節(jié)約運(yùn)行成本，降低能耗。

5.濾筒凈化器工作原理

污濁的空氣從吸塵口進(jìn)入過濾器，通過導(dǎo)流板時(shí)改變了原來的流動(dòng)方向，向上進(jìn)入過濾室，大大降低了氣流對(duì)濾芯的沖擊，同時(shí)提高了濾芯對(duì)粉塵顆粒的捕捉效果。經(jīng)濾筒過濾的潔凈氣體再經(jīng)消聲處理排入外界，過濾完成。粉塵顆粒在濾芯的自動(dòng)反吹功能下，落入粉塵收集器進(jìn)行收集。

6.自動(dòng)反吹清灰系統(tǒng)

除塵系統(tǒng)必須具備良好可靠的反吹凈化能力，否則兩周就需更換濾芯，且對(duì)環(huán)境的二次污染相當(dāng)大，不符合初衷。在系統(tǒng)中安裝壓差傳感器，濾筒的反吹通過由傳感器控制的脈沖氣流噴吹濾筒實(shí)現(xiàn)：凈化系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，細(xì)微煙塵會(huì)不斷吸附在濾筒表面，大大降低濾筒的透氣性。壓差傳感器的兩個(gè)探測(cè)頭一個(gè)安裝在污濁氣體側(cè)、一個(gè)安裝在潔凈氣體側(cè)。當(dāng)壓差超過某一設(shè)定值時(shí)，壓差傳感器輸出信號(hào)，脈沖控制儀啟動(dòng)脈沖反吹閥，潔凈的壓縮空氣從閥口噴出，引射氣流對(duì)濾筒進(jìn)行反吹，直到壓差低于設(shè)定值時(shí)停止反吹。濾筒表面吸附的粉塵在氣流作用下被清除，落在下部集塵斗中，見圖1。

圖1 過濾及反吹清灰

7.變頻控制系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)功能。為減小電機(jī)的啟動(dòng)電流，采用變頻控制啟動(dòng)與星三角啟動(dòng)方式控制風(fēng)機(jī)；為有效保護(hù)電機(jī)的安全性，在控制回路中設(shè)有過載、反向、缺相保護(hù)功能。當(dāng)高效過濾網(wǎng)壓差檢測(cè)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)反吹清灰階段，將按時(shí)序依次接通反吹電磁閥，對(duì)過濾網(wǎng)反吹清灰，如圖2所示。變頻控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：手動(dòng)控制（用于調(diào)試和維護(hù)），也可一鍵開機(jī)自動(dòng)控制；系統(tǒng)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示；風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視；實(shí)時(shí)故障檢測(cè)、報(bào)警與記錄；設(shè)備及其主要部件運(yùn)行時(shí)間記錄；濾筒堵塞清洗提示；設(shè)備維護(hù)更換提示。

圖2 PLC控制流程圖

（2）變頻控制節(jié)能原理。變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，可參考風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線圖，見圖3。

圖3 除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖

當(dāng)風(fēng)量從Q1降至Q2時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)門會(huì)增加整體管網(wǎng)的阻力，導(dǎo)致管網(wǎng)特性曲線上移，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行工況從A點(diǎn)移至B點(diǎn)，軸功率P2與H2×Q2的面積成正比；采用調(diào)速控制法使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降至n2，雖然其管網(wǎng)特性不改變，但風(fēng)機(jī)特性曲線發(fā)生下移，系統(tǒng)運(yùn)行工況由A點(diǎn)移至C點(diǎn)，軸功率P3與HB×Q2的面積成正比。理論上，所節(jié)約的軸功率Delt（P）與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。

根據(jù)風(fēng)機(jī)特性，得出風(fēng)機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系：

風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系：

圖4為軸功率、風(fēng)量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線圖，當(dāng)風(fēng)量降至90%，軸功率降為73%；當(dāng)風(fēng)量降至70%，軸功率降為34%；當(dāng)風(fēng)量降至一半，軸功率為12.5%?？芍?，變頻控制能有效節(jié)約系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

圖4 軸功率、風(fēng)量隨轉(zhuǎn)速變化曲線

（3）變頻控制優(yōu)點(diǎn)。變頻控制所應(yīng)用的是微調(diào)模式，加速PLC控制單元中的能量是變頻控制器能量供給中的主要供給單元，可實(shí)現(xiàn)工頻電能到可調(diào)節(jié)電能的轉(zhuǎn)變[3]。PLC依據(jù)傳感器與開關(guān)信號(hào)的信息反饋，輸出模擬信號(hào)控制變頻器轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，同時(shí)將故障與運(yùn)行狀態(tài)向上位機(jī)反饋，具有以下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，降低起動(dòng)沖擊電流，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速，降低了環(huán)境噪聲污染；具有諸多自動(dòng)保護(hù)功能，保障了穩(wěn)壓及吸塵效果。

除塵器電控裝置為全自動(dòng)控制系統(tǒng)，由集中控制器、流量、風(fēng)流閥和變頻器共同完成系統(tǒng)的自控及保護(hù)；管道裝置上裝有熱電偶真空計(jì)，可預(yù)設(shè)真空度。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)工作時(shí)，電機(jī)將由小功率到大功率運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行達(dá)到預(yù)設(shè)的真空度，真空計(jì)將信號(hào)反饋給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)將發(fā)出指令通過變頻器改變電機(jī)輸出功率?；虍?dāng)吸氣口風(fēng)量變化（打開或關(guān)閉），管網(wǎng)中真空度將發(fā)生變化，裝置上真空檢測(cè)單元也會(huì)將信號(hào)反饋給中央控制系統(tǒng)，使輸出真空度達(dá)到使用要求。

8.結(jié)束語

環(huán)保項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益無法用數(shù)字體現(xiàn)，更多的是社會(huì)效益，可使員工身心健康獲得保障，車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境得以改善。排出空氣經(jīng)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門的監(jiān)控完全符合山西省大氣排放標(biāo)準(zhǔn)。車間自行設(shè)計(jì)和制造的數(shù)控下料上下平臺(tái)與干式雙吸除塵器很好的結(jié)合，既滿足了生產(chǎn)需要的強(qiáng)度，又分隔出負(fù)壓區(qū)域，提高了煙塵的捕捉效果，可節(jié)省約50萬元的購買資金。設(shè)計(jì)和加裝的反吹系統(tǒng)，降低了除塵濾筒的清理難度和清理頻率，方便后續(xù)使用并延長(zhǎng)了濾筒使用壽命，降低更換濾芯的成本。在節(jié)能方面，引入變頻系統(tǒng)的作用明顯，并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓和吸塵的雙重效果。整套除塵系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、節(jié)能，充分結(jié)合車間環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)、現(xiàn)有裝置設(shè)備，盡可能減少了管道對(duì)區(qū)域的影響，從整個(gè)方案的設(shè)計(jì)到局部系統(tǒng)和工裝的設(shè)計(jì)都取得了成功。