【正文】 1 科陸變頻節(jié)能技術(shù)講座 ： 第一講 風(fēng)機 變頻調(diào)速 節(jié)能技術(shù) 目 錄 第一節(jié) 概 論 . 風(fēng)機的主要功能和用途 . 風(fēng)機的性能參數(shù) . 風(fēng)機的性能曲線 . 風(fēng)機拖動系統(tǒng)的主要特點 . 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能改造的發(fā)展和前景 第二節(jié) 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能分析 . 風(fēng)機（水泵）的幾何相似，運動相似和動力相似 . 葉片式風(fēng)機（水泵）的相似定律 . 如何求出幾何相似風(fēng)機（水泵）之間的相似工況點 . 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能改造能效審計參數(shù)調(diào)查表 第三節(jié) 風(fēng)機變頻 調(diào)速節(jié)能效果的計算方法 . 風(fēng)門開度與風(fēng)量的關(guān)系 . 調(diào)速范圍的確定 . 節(jié)能效果的計算 . 軸流式風(fēng)機的 節(jié)能 計算 . 羅茨式風(fēng)機的節(jié)能計算 第四節(jié) 風(fēng)機變頻調(diào)速和液力耦 合器調(diào)速節(jié)能比較 . 液力耦合器的工作原理和主要特性參數(shù) . 液力耦合器在風(fēng)機水泵調(diào)速中的節(jié)能效果 . 風(fēng)機 變頻調(diào)速和液力耦合器調(diào)速對比計算 . 液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速的主要優(yōu)缺點比較 . 結(jié) 論 2 一、 概 論 風(fēng)機與水泵 是用于輸送流體（氣體和液體）的機械設(shè)備。 風(fēng)機與水泵 的作用是把原動機的機械能或其 它能源的能量傳遞給流體，以實現(xiàn)流體的輸送。即流體獲得機械能后，除用于克服輸送過程中的通流阻力外，還可以實現(xiàn)從低壓區(qū)輸送到高壓區(qū)，或從低位區(qū)輸送到高位區(qū)。通常用來輸送氣體的機械設(shè)備稱為風(fēng)機 （壓縮機） ，而輸送液體的機械設(shè)備 則 稱為泵 。 風(fēng)機的主要功能和用途 風(fēng)機按工作原理的不同，可以分為 葉片式 （又稱葉輪式或透平式）和 容積式 （又稱定排量式）兩大類。 葉片式 風(fēng)機又可以分為 離心式風(fēng)機、軸流式風(fēng)機、混流式風(fēng)機和橫流式風(fēng)機 ； 容積式 風(fēng)機又可以分為 往復(fù)式風(fēng)機和回轉(zhuǎn)式風(fēng)機 ，而 回轉(zhuǎn)式風(fēng)機 又可用分為 羅茨風(fēng)機和葉氏風(fēng)機 。 風(fēng)機 除按上述工作原理分類外，還常按其產(chǎn)生全壓的高低來分類： （ 1） 通風(fēng)機 指在設(shè)計條件下，風(fēng)機產(chǎn)生的額定全壓值在 98Pa～ 14700Pa之間的風(fēng)機。在各類風(fēng)機中，通風(fēng)機應(yīng)用最為廣泛，如火力發(fā)電廠 中用的各種風(fēng)機基本上都是通風(fēng)機。 （ 2） 鼓風(fēng)機 指氣體經(jīng)風(fēng)機后的壓力升高在 14700Pa～ 196120Pa 之間的風(fēng)機。 （ 3） 壓縮機 指氣體經(jīng)風(fēng)機后的壓力升高大于 196120Pa，或壓縮比大于 的風(fēng)機。 （ 4） 風(fēng) 扇 指在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，風(fēng)機產(chǎn)生的額定全壓低于 98Pa 的風(fēng)機。這類風(fēng)機無機殼，故又稱自由風(fēng) 扇。 風(fēng)機的性能參數(shù) 風(fēng)機的 基本性能參數(shù)表示風(fēng)機的基本性能， 風(fēng)機的 基本性能參 數(shù)有 流量、全壓、軸功率、效率、轉(zhuǎn)速、比轉(zhuǎn)速 等 6 個。 （ 1） 流量 以字母 Q(q)表示，單位為 （升） l/s、 m3/s、 m3/h 等。 （ 2） 全壓 風(fēng)機的全壓 p 表示空氣經(jīng)風(fēng)機后所獲得的機械能。 風(fēng)機的全壓 p 是指單位體積氣體從風(fēng)機的進(jìn)口截面 1 流經(jīng)葉輪至風(fēng)機的出口截面 2 所獲 3 得的機械能。風(fēng)機全壓的計算式為： 2211222 /)21()21( mNvpvpp ?? ???? 風(fēng)機的全壓等于風(fēng)機的出口全壓（出口靜壓和出口動壓之和）減去風(fēng)機的進(jìn)口全壓（進(jìn) 口靜壓和進(jìn)口動壓之和）。 （ 3） 軸功率 由原動機或傳動裝置傳到風(fēng)機軸上的功率， 稱為風(fēng)機的軸功率，用 P表示，單位為 kW。 frpQP ??.? 式中： Q風(fēng)機風(fēng)量 （ m3/s ） ； p風(fēng)機全壓 ( kPa )； r? －傳動裝置效率； f? －風(fēng)機效率； d? －電動機效率。 電動機容量選擇： dfrpQP ??? .? （ 4） 效率 風(fēng)機的輸出功率（有效功率） Pu 與輸入功率（軸功率） P 之比， 稱為風(fēng)機的效率或全壓效率，以η表示： PpQPPuf .??? （ 5） 轉(zhuǎn)速 風(fēng)機的轉(zhuǎn)速 指風(fēng)機軸旋轉(zhuǎn)的速度，即單位時間內(nèi)風(fēng)機軸的轉(zhuǎn)數(shù)，以 n 表示，單位為 rpm(r/min)或 s1 （ 弧度 /秒）。 （ 6） 比轉(zhuǎn)速 風(fēng)機的比轉(zhuǎn)速 以 ny表示 ，用下式定義： 4/3)(pqnny?? 作為性能參數(shù)的比轉(zhuǎn)速是按風(fēng)機最高效率點對應(yīng)的基本性能參數(shù)計算得出的。對于幾何相似的風(fēng)機，不論其尺寸大小、轉(zhuǎn)速高低，其比轉(zhuǎn)速均是一定的。因此，比轉(zhuǎn)速也是風(fēng)機分類的一種準(zhǔn)則。 4 風(fēng)機的性能曲線 圖 1 所示為 300MW 火電機組離心式一次風(fēng)機性能曲線，該風(fēng)機為進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，圖中 0o 為調(diào)節(jié)門全開位置，負(fù)值為調(diào)節(jié)門向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動的角度；圖中虛線為等效率線。圖 2 所示為 300MW 火電機組動葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機性能曲線，圖中虛線為等效率線， 0o代表設(shè)計安裝角，負(fù)值為動葉片從設(shè)計安裝角向關(guān)閉方向轉(zhuǎn) 動的角度，正值則相反。 圖 1 離心式風(fēng)機的性能曲線 圖 2 動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的性能曲線 5 圖 3 靜葉可調(diào)軸流 引 風(fēng)機的性能曲線 圖 4 動葉可調(diào)軸流 送 風(fēng)機的性能曲線 6 由圖 圖 2 可見， 風(fēng)機性能曲線呈梳狀，隨著風(fēng)門（動葉片）開大，風(fēng)機的出口風(fēng)量和風(fēng)壓都沿阻力曲線增大，其等效率曲線是一組閉合的橢元。這一點是與水泵的性能曲線不同的。 圖 圖 4所示是典型的動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機的性能曲線。由圖 2可見，動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機葉片的安裝角可在最小安裝角到最大安裝角之間從 0～ 100％調(diào)節(jié)，隨著葉片安裝角的增 大，風(fēng)機沿阻力曲線方向風(fēng)量和風(fēng)壓同時增大，反之則同時減小。 100％鍋爐負(fù)荷（ BMCR）時，葉片開度為 70％左右，相對于安裝角＋ 50； 100％汽輪機負(fù)荷（ THB）時，葉片開度為 65％左右，相對于安裝角00；這兩個點應(yīng)在風(fēng)機的最高效率區(qū)內(nèi)。但是在鍋爐設(shè)計時，由于無法精確 計算鍋爐風(fēng)道的阻力曲線（圖 2 中上面一條是雙風(fēng)機運行時的阻力曲線，下 面一條則是單風(fēng)機運行時的阻力曲線），因此所選用的風(fēng)機性能曲線不能保證 BMCR點和 THB點在高效區(qū)內(nèi)， 從而就 降低了風(fēng)機的運行效率，有時甚至可達(dá) 20％～ 30％！軸流式風(fēng)機葉片的安裝 角過大或過 小，都會使風(fēng)機的運行工況點偏離高效點，降低 風(fēng)機的運行效率。 圖 5 定速軸流風(fēng)機和離心風(fēng)機性能曲線重疊 為了將兩種風(fēng)機的性能進(jìn)行比較，圖 5所示為定速軸流風(fēng)機和離心風(fēng)機性能曲線的重疊。由圖 5可見， 離心式風(fēng)機的最高效率在進(jìn)口調(diào)節(jié)門的最大開度處 ，等效率線和鍋爐阻力曲線接近垂直，效率沿阻力線迅速下降。 能滿足 TB點（鍋 7 爐風(fēng)機設(shè)計點），而 100％ MCR 點（鍋爐滿負(fù)荷連續(xù)運行點）在低效率區(qū)，變工況時效率則更低，其平均運行效率比動葉可調(diào)的軸流風(fēng)機要低得多 。 如采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風(fēng)門 開到最大 ，使風(fēng)機 在高效區(qū) 運行 ，而通過改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制風(fēng)量的目的，風(fēng)機將在很大的范圍內(nèi)維持高效運行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 而動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機的等效率線與鍋爐的阻力曲線接近平行，高效率范圍寬，且位置適中，因而調(diào)節(jié)范圍寬。 鍋爐設(shè)計點（ TB）與最大連續(xù)運行工況點（ 100％ MCR）相比，流量約大 15％～ 25％，壓力約高 30％～ 40％。在滿足鍋爐設(shè)計點條件下， 100％ MCR 工況點位于高效區(qū)，平均運行效率高，單風(fēng)機運行時可滿足鍋爐 60％～ 80％負(fù)荷。就運行效率而言， 動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機是除變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)外的風(fēng)機最佳 調(diào)節(jié)方式。 如采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風(fēng)機的安裝角固定在高效區(qū)，而通過改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制風(fēng)量的目的，風(fēng)機將在很大的范圍內(nèi)維持高效運行，從而 達(dá)到節(jié)能的目的， 但是 由于 這時的調(diào)速范圍小，節(jié)能效果 也就 差 。 所以也可以將風(fēng)機的安裝角 調(diào) 到最大，這樣雖然會降低一些運行效率，但是卻大大增加了調(diào)速范圍，而風(fēng)機軸功率的下降是與轉(zhuǎn)速的三次方成正比的 ，所以功率的降低遠(yuǎn)大于效率的下降，采用這種運行方式能取得更大的節(jié)能效果， 詳見下面具體 工 程案例的計算結(jié)果。 風(fēng)機拖動系統(tǒng)的主要特點 葉片式風(fēng)機水泵的負(fù)載特性屬于平方轉(zhuǎn)矩型，即其軸上需 要提供的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比。 風(fēng)機水泵在滿足三個相似條件：幾何相似、運動相似和動力相似的情況下遵循相似定律；對于同一臺風(fēng)機（或水泵），當(dāng)輸送的流體密度 ρ 不變僅轉(zhuǎn)速改變時，其性能參數(shù)的變化遵循 比例定律 ：流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比；揚程（壓力）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；軸功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即： 39。39。 nn? 。 239。39。 )(nnHH ? 239。39。 )(nnpp? 。 339。39。 )(nnPP ? 風(fēng)機與水 泵轉(zhuǎn)速變化時，其本身性能曲線的變化可由比例定律作出，如圖 4所示。因管路阻力曲線不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，故當(dāng)轉(zhuǎn)速由 n 變至 n/ 時，運行工況點將由 M 點變至 M/點。 8 qvPOP q vP q 39。 vnn39。n n 39。MM39。H 揚程HSTOMM39。nn39。n n 39。qv (a) (b) 圖 6 轉(zhuǎn)速變化時風(fēng)機（水泵）裝置運行工況點的變化 （ a）風(fēng)機（當(dāng)管路靜壓 Pst=0 時） (b) 水泵（當(dāng)管路靜揚程 Hst≠ 0 時）， 應(yīng) 該注意的是：風(fēng)機水泵比例定律三大關(guān)系式的使用是有條件的，在實際使用中，風(fēng)機水泵由于受系統(tǒng)參數(shù)和運行工況的限制，并不能簡單地套用比例定律來計算調(diào)速范圍和估算節(jié)能效果。 當(dāng)管路阻力曲線的靜揚程（或靜壓）等于零時，即 HST=0（或 PST=0）時，管路阻力曲線是一條通過坐標(biāo)原點的二次拋物線，它與過 M 點的變轉(zhuǎn)速時的相擬拋物線重合，因此， M 與 M＇ 又都是相似工況點，故可用比例定律直接由 M點的參數(shù)求出 M＇ 點的參數(shù)。 對于風(fēng)機，其管路靜壓一般為零，故可用相似定律直接求出變速后的參數(shù) ；而對于水泵，其管路系統(tǒng)的靜壓一般不為零，故對 于每一個工作點，都要經(jīng)過相似折算后，才能用比例定律的三個公式求出變速后的參數(shù) 。 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能改造的發(fā)展和前景 由于 目前 絕大部分風(fēng)機都采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)流量，造成大量的節(jié)流損耗，所以風(fēng)機若采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有巨大的節(jié)能潛力。直到上世紀(jì)七十年代，都采用 機械調(diào)速或滑差電機調(diào)速 ，但這屬于低效調(diào)速方式，仍有較大的能 量損耗，并且驅(qū)動功率受到限制；到上世紀(jì)八十年代，開始采用液力耦合 器調(diào)速，并且突破了驅(qū)動功率的限制，向大功率方向發(fā)展， 但它與滑差電機調(diào)速一樣，屬于低效調(diào)速方式，仍有較大的能量損耗。直到上世紀(jì)九十年代， 隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器很快占領(lǐng)電動機調(diào)速市場，并向高壓領(lǐng)域發(fā)展，使采用高壓電動機驅(qū)動的風(fēng)機水泵進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造 成為可能。進(jìn)入新世紀(jì)以來，國產(chǎn)高壓變頻器生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般的涌 現(xiàn)， 并且其質(zhì)量和可靠性直迫進(jìn)口產(chǎn)品，且價格低廉，服務(wù)周到，因此在很多領(lǐng)域大有取代進(jìn)口產(chǎn)品的趨勢。風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能改造的發(fā) 展 前景 一片大好。 9 二、 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能分析 . 風(fēng)機（水泵）的幾何相似，運動相似和動力相似 兩臺風(fēng)機（水泵）若幾何相似，就是說它們的形狀完全相同，只是大小不同，其中一臺風(fēng)機（水泵） 相當(dāng)于另一臺風(fēng)機（水泵）按一定比例的放大或縮小。舉個形象的例子：兩張不同比例尺的中國地圖，它是幾何相似的，但大小相差一定的倍數(shù)。應(yīng)該指出的是：本文所說的兩臺風(fēng)機（水泵）幾何相似，是指通流部分的幾何相似，并不是要求兩臺風(fēng)機（水泵）之間的外形輪廓也必須幾何相似。 兩臺風(fēng)機（水泵）的運動相似是指兩臺幾何相似的風(fēng)機（水泵）通流部分各對應(yīng)點的速度三角形相似。顯然，只有當(dāng)兩臺風(fēng)機（水泵）的通流部分幾何相似，才有可能運動相似，但滿足幾何相似條件的，不一定滿足運動相似的條件，只有當(dāng)兩臺幾何相似的風(fēng)機（水泵）都在對應(yīng)的工況點 運行時（例如：都運行在最高效率工況點時），才是運動相似，所以運動相似又稱工況相似。 兩臺風(fēng)機（水泵）的動力相似則是指作用于兩臺風(fēng)機（水泵）內(nèi)各對應(yīng)點上力的方向相同，大小成比例。作用于風(fēng)機（水泵）內(nèi)流體的力主要有慣性力、粘性力的總壓力。因此，為使風(fēng)機（水泵）中的動力相似，必須對應(yīng)點上的慣性力與彈性力（或壓力與密度）之比相等，慣性力與粘性力之比相等。 葉片式風(fēng)機（水泵）的相似定律 葉片式風(fēng)機與水泵的相似定律是兩臺風(fēng)機（水泵）在滿足幾何相似和運動相似的前提下導(dǎo)出的。它給出幾何相似的風(fēng)機（水泵）在對應(yīng)工況 點的流量之間、揚程（或全壓）之間、功率之間的相互關(guān)系為： qv/q’v=(D2/D’2)3 n/n’η v/η ’v （ 21） H/H’=(D2/D’2)2 (n/n’)2η h/η ’h