第二章 风机变频调速节能技术.docx

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第二章风机变频调速节能技术

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一、概论

风机与水泵是用于输送流体（气体和液体）的机械设备。

风机与水泵的作用是把原动机的机械能或其它能源的能量传递给流体，以实现流体的输送。

即流体获得机械能后，除用于克服输送过程中的通流阻力外，还可以实现从低压区输送到高压区，或从低位区输送到高位区。

通常用来输送气体的机械设备称为风机（压缩机），而输送液体的机械设备则称为泵。

1.1风机的主要功能和用途

风机按工作原理的不同，可以分为叶片式（又称叶轮式或透平式）和容积式（又称定排量式）两大类。

叶片式风机又可以分为离心式风机、轴流式风机、混流式风机和横流式风机；容积式风机又可以分为往复式风机和回转式风机，而回转式风机又可用分为罗茨风机和叶氏风机。

风机除按上述工作原理分类外，还常按其产生全压的高低来分类：

（1）通风机指在设计条件下，风机产生的额定全压值在98Pa～14700Pa之间的风机。

在各类风机中，通风机应用最为广泛，如火力发电厂中用的各种风机基本上都是通风机。

（2）鼓风机指气体经风机后的压力升高在14700Pa～196120Pa之间的风机。

（3）压缩机指气体经风机后的压力升高大于196120Pa，或压缩比大于3.5的风机。

（4）风扇指在标准状况下，风机产生的额定全压低于98Pa的风机。

这类风机无机壳，故又称自由风扇。

1.2风机的性能参数

风机的基本性能参数表示风机的基本性能，风机的基本性能参数有流量、全压、轴功率、效率、转速、比转速等6个。

（1）流量以字母Q（q）表示，单位为（升）l/s、m3/s、m3/h等。

（2）全压风机的全压p表示空气经风机后所获得的机械能。

风机的全压p是指单位体积气体从风机的进口截面1流经叶轮至风机的出口截面2所获得的机械能。

风机全压的计算式为：

风机的全压等于风机的出口全压（出口静压和出口动压之和）减去风机的进口全压（进口静压和进口动压之和）。

（3）轴功率由原动机或传动装置传到风机轴上的功率，称为风机的轴功率，用P表示，单位为kW。

式中：

Q---风机风量（m3/s，Nm3/s）；

p---风机全压（kg/m2）；

－风机效率；

“1/102”=g/1000----由kg.m/s变换为kW的单位变换系数。

－传动装置效率；

1）若风量的单位用“m3/h”，风压的单位用“kg/m2”的话，则还要除以3600：

2）若风量的单位用“m3/s”，风压的单位用“MPa”的话，则：

3）若风量的单位用“m3/h”，风压的单位用“MPa”的话，则还要除以3600：

4）若风量的单位用“m3/s”，风压的单位用“kPa”的话，则:

电动机容量选择：

（式中：

－电动机效率。

）

即：

（4）效率风机的输出功率（有效功率）Pu与输入功率（轴功率）P之比，称为风机的效率或全压效率，以η表示：

（5）转速风机的转速指风机轴旋转的速度，即单位时间内风机轴的转数，以n表示，单位为rpm（r/min）或s-1（弧度/秒）。

（6）比转速风机的比转速以ny表示，用下式定义：

作为性能参数的比转速是按风机最高效率点对应的基本性能参数计算得出的。

对于几何相似的风机，不论其尺寸大小、转速高低，其比转速均是一定的。

因此，比转速也是风机分类的一种准则。

1.3风机的性能曲线

图2-1所示为某300MW火电机组离心式一次风机性能曲线，该风机为进口导叶调节，图中0o为调节门全开位置，负值为调节门向关闭方向转动的角度；图中虚线为等效率线。

图2-2所示为某300MW火电机组动叶可调轴流式送风机性能曲线，图中虚线为等效率线，0o代表设计安装角，负值为动叶片从设计安装角向关闭方向转动的角度，正值则相反。

图2-3所示则为某600MW火电机组静叶可调轴流式引风机性能曲线，图2-4所示为某600MW火电机组动叶可调轴流式送风机性能曲线，

图2-1某300MW火电机组离心式一次风机的性能曲线

图2-2某300MW火电机组动叶可调轴流式送风机的性能曲线

图2-3某600MW火电机组静叶可调轴流式引风机的性能曲线

图2-4某660MW火电机组动叶可调轴流式送风机的性能曲线

由图2-1、图2-2可见，风机性能曲线呈梳状，随着风门（动叶片）开大，风机的出口风量和风压都沿阻力曲线增大，其等效率曲线是一组闭合的椭元。

这一点是与水泵的性能曲线不同的。

图2-2、图2-4所示是典型的动叶可调轴流式风机的性能曲线。

由图2-2可见，动叶可调轴流式风机叶片的安装角可在最小安装角到最大安装角之间从0～100％调节，随着叶片安装角的增大，风机沿阻力曲线方向风量和风压同时增大，反之则同时减小。

100％锅炉负荷（B-MCR）时，叶片开度为70％左右，相对于安装角＋50；100％汽轮机负荷（THB）时，叶片开度为65％左右，相对于安装角00；这两个点应在风机的最高效率区内。

但是在锅炉设计时，由于无法精确计算锅炉风道的阻力曲线（图2-2中上面一条是双风机运行时的阻力曲线，下面一条则是单风机运行时的阻力曲线），因此所选用的风机性能曲线不能保证B-MCR点和THB点在高效区内，从而就降低了风机的运行效率，有时甚至可达20％～30％！

轴流式风机叶片的安装角过大或过小，都会使风机的运行工况点偏离高效点，降低风机的运行效率。

图2-5定速轴流风机和离心风机性能曲线重叠比较

为了将两种风机的性能进行比较，图2-5所示为定速轴流风机和离心风机性能曲线的重叠。

由图2-5可见，离心式风机的最高效率在进口调节门的最大开度处，等效率线和锅炉阻力曲线接近垂直，效率沿阻力线迅速下降。

能满足TB点（锅炉风机设计点），而100％MCR点（锅炉满负荷连续运行点）在低效率区，变工况时效率则更低，其平均运行效率比动叶可调的轴流风机要低得多。

如采用转速调节，可将风门开到最大，使风机在高效区运行，而通过改变风机的转速达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目的。

而动叶可调的轴流式风机的等效率线与锅炉的阻力曲线接近平行，高效率范围宽，且位置适中，因而调节范围宽。

锅炉设计点（TB）与最大连续运行工况点（100％MCR）相比，流量约大15％～25％，压力约高30％～40％。

在满足锅炉设计点条件下，100％MCR工况点位于高效区，平均运行效率高，单风机运行时可满足锅炉60％～80％负荷。

就运行效率而言，动叶可调的轴流式风机是除转速调节外的风机最佳调节方式。

如采用转速调节，可将风机的安装角固定在高效区，而通过改变风机的转速达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目的，但是由于这时的调速范围小，节能效果也就差。

所以也可以将风机的安装角调到最大，这样虽然会降低一些运行效率，但是却大大增加了调速范围，而风机轴功率的下降是与转速的三次方成正比的，所以功率的降低远大于效率的下降，采用这种运行方式能取得更大的节能效果，详见下面具体工程案例的计算结果。

1.4风机拖动系统的主要特点

叶片式风机水泵的负载特性属于平方转矩型，即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。

风机水泵在满足三个相似条件：

几何相似、运动相似和动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机（或水泵），当输送的流体密度ρ不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：

流量与转速的一次方成正比；扬程（压力）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。

即：

;

;

风机与水泵转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图2-6所示。

因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当转速由n变至n/时，运行工况点将由M点变至M/点。

（a）（b）

图2-6转速变化时风机（水泵）装置运行工况点的变化

（a）风机（当管路静压Pst=0时）（b）水泵（当管路静扬程Hst≠0时），

应该注意的是：

风机水泵比例定律三大关系式的使用是有条件的，在实际使用中，风机水泵由于受系统参数和运行工况的限制，并不能简单地套用比例定律来计算调速范围和估算节能效果。

当管路阻力曲线的静扬程（或静压）等于零时，即HST=0（或PST=0）时，管路阻力曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过M点的变转速时的相拟抛物线重合，因此，M与M＇又都是相似工况点，故可用比例定律直接由M点的参数求出M＇点的参数。

对于风机，其管路静压一般为零，故可用相似定律直接求出变速后的参数；而对于水泵，其管路系统的静压（静扬程）一般不为零，故对于每一个工作点，都要经过相似折算后，才能用比例定律的三个公式求出变速后的参数。

1.5风机变频调速节能改造的发展和前景

由于目前绝大部分风机都采用风门挡板调节流量，造成大量的节流损耗，所以风机若采用转速调节，具有巨大的节能潜力。

直到上世纪七十年代，都采用机械调速或滑差电机调速，但这属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗，并且驱动功率受到限制；到上世纪八十年代，开始采用液力耦合器调速，并且突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但它与滑差电机调速一样，属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗。

直到上世纪九十年代，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，并向高压领域发展，使采用高压电动机驱动的风机水泵进行变频调速节能改造成为可能。

进入新世纪以来，国产高压变频器生产企业如雨后春笋般的涌现，并且其质量和可靠性直迫进口产品，且价格低廉，服务周到，因此在很多领域大有取代进口产品的趋势。

风机变频调速节能改造的发展前景一片大好。

二、风机变频调速节能分析

2.1.风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似

两台风机（水泵）若几何相似，就是说它们的形状完全相同，只是大小不同，其中一台风机（水泵）相当于另一台风机（水泵）按一定比例的放大或缩小。

举个形象的例子：

两张不同比例尺的中国地图，它是几何相似的，但大小相差一定的倍数。

应该指出的是：

本文所说的两台风机（水泵）几何相似，是指通流部分的几何相似，并不是要求两台风机（水泵）之间的外形轮廓也必须几何相似。

两台风机（水泵）的运动相似是指两台几何相似的风机（水泵）通流部分各对应点的速度三角形相似。

显然，只有当两台风机（水泵）的通流部分几何相似，才有可能运动相似，但满足几何相似条件的，不一定满足运动相似的条件，只有当两台几何相似的风机（水泵）都在对应的工况点运行时（例如：

都运行在最高效率工况点时），才是运动相似，所以运动相似又称工况相似。

两台风机（水泵）的动力相似则是指作用于两台风机（水泵）内各对应点上力的方向相同，大小成比例。

作用于风机（水泵）内流体的力主要有惯性力、粘性力的总压力。

因此，为使风机（水泵）中的动力相似，必须对应点上的惯性力与弹性力（或压力与密度）之比相等，惯性力与粘性力之比相等。

2.2叶片式风机（水泵）的相似定律

叶片式风机与水泵的相似定律是两台风机（水泵）在满足几何相似和运动相似的前提下导出的。

它给出几何相似的风机（水泵）在对应工况点的流量之间、扬程（或全压）之间、功率之间的相互关系为：

qv/q’v=（D2/D’2）3·n/n’·ηv/η’v（2-1）

H/H’=（D2/D’2）2·（n/n’）2·ηh/η’h（2-2）

p/p’=（D2/D’2）2·（n/n’）2·ρ/ρ’·ηh/η’h（2-2a）

P/P’=（D2/D’2）5·（n/n’）3·ρ/ρ’·ηm/η’m（2-3）

式中带“＇”与不带“＇”分别表示两台相似的风机（水泵）各自的参数。

ηv、ηh、ηm分别表示风机（水泵）的容积效率、流动效率和机械效率。

式（2-1）~式（2-3）即为叶片式泵与风机的相似定律。

由于式中的ηv与η＇v、ηh与η＇h、ηm与η＇m常是未知数，故上述各式应用有困难。

实践证明，若两台几何相似的风机（水泵）的线性尺寸D2与D＇2相差不很大（例如当D2（大）/D’2（小）≤3）时，且转速n与n1＇也相差不大（例如当n1/n≤1.2）时，则可近似认为在对应工况点ηv=ηv、ηh=ηh、ηm=ηm。

这时，式（2-1）~式（2-3）可简化表示为：

qv/q’v=（D2/D’2）3·n/n’（2-4）

H/H’=（D2/D’2）2·（n/n’）2（2-5）

p/p’=（D2/D’2）2·（n/n’）2·ρ/ρ’（2-5a）

P/P’=（D2/D’2）5·（n/n’）3·ρ/ρ’（2-6）

式（2-4）~式（2-6）为工程实际中应用的相似定律，但它们应用于D2（大）/D’2（小）≥3或n2（高）/n’2（低）≥1.2时存在一定误差。

对于同一台风机（水泵），当输送的流体密度ρ不变而仅转速变化时，性能参数的变化关系式可由式（2-4）~式（2-6）简化得出:

qv/q＇v=n/n＇　　（2-7）

H/H＇=（n/n＇）2，p/p＇=（n/n＇）2（2-8）

P/P＇=（n/n＇）3　（2-9）

式（2-7）~式（2-9）称为比例定律。

例2-1两台几何相似的离心泵，其D2/D＇2=2，且n=n＇，求此两台泵在对应工况点的流量比、扬程比和轴功率各为多少。

解由相似定律式（2-4）~式（2-6）得:

qv/q’v=（D2/D’2）3=8

H/H’=（D2/D’2）2=4

P/P’=（D2/D’2）5=32

即把泵的线性尺寸几何相似地均放大一倍时，对应工况点的流量、扬程、轴功率将各增到原来的8倍、4倍和32倍。

例2-2某台离心式风机采用变速调节方式，当其转速降低到原来额定转速的一半时，其对应工况点的流量、全压、轴功率各降到原额定转速时的多少倍？

（设气体密度不变）

解由比例定律式（2-7）~式（2-9）得:

qv/q＇v=n/n＇=1/2

p/p＇=（n/n＇）2=1/4

P/P＇=（n/n＇）3=1/8

即当风机的转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、全压、轴功率各下降到原来的1/2、1/4和1/8，换句话说，用变速调节方式调节流量可使轴功率值大大下降，这也就是变速调节方式可以大幅度节电的原因。

应该指出的是本题中的n＇/n=2＞1.3，所以计算的结果可能会有一定误差。

例2-3已知Y4-73No28型锅炉引风机在抽送140oC的烟气时所需的轴功率为600kW，试问若用以输送20oC的空气时所需的轴功率为多少？

已知烟气在140oC时的密度为0.85kg/m3，空气在20oC时的密度为1.2kg/m3。

解由相似定律（2-8）得出在抽送20oC的空气时风机所消耗的轴功率P为:

P=P·ρ/ρ’=600*1.2/0.85=847（kW）

故在考虑锅炉引风机和水泥旋窑高温风机的电动机和变频器的功率时，应注意到风机在冷态起动时所需的轴功率值，当然对于水泥旋窑高温风机则还要考虑因“塌料”引起的过电流冲击。

2.3如何求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点

相似定律只适用于几何相似的风机（水泵）对应工况点之间的关系，因此，在应用相似定律之前，需要先找到对应工况点关系。

对应工况点又称相似工况点，可以通过下面两种方法求几何相似的风机（水泵）的相似工况点。

（1）根据相似工况点的效率相等求相似工况点间的关系。

相似定律式（2-4）~式（2-6）是在假设相似工况点各效率对应相等的前提下得出的，这就是说，对应工况点的效率必相等。

下面根据这一思路求相似工况点间的关系。

两台几何相似的风机（水泵）的最高效率是相等的，且每台风机（水泵）都只有一个最高效率点，所以各几何相似的风机（水泵）的最高效率点是相似工况点；进一步看，在各几何相似的风机（水泵）的性能曲线上最高效率点的右侧（大流量侧）也彼此有一个效率相等的工况点，它们也都是对应工况点，同理在最高效率的左侧（小流量侧），又可找到彼此效率相等的对应工况点。

（2）求出各相似工况点的连接曲线——相似抛物线。

下面以求同一台泵在转速变化时的相似抛物线为例说明。

若某泵在额定转速n下某工况点的流量为

q＇v，扬程为H＇，需要求当转速变化时，与其对应的各相似工况点。

设与工况点（q＇v,H＇）对应各相似工况点的流量为qv，扬程H，qv与H随着转速的变化而改变。

因为相似工况点间都满足相似定律和比例定律，故由式（2-7）qv/q＇v=n/n＇与式（2-8）H/H＇=（n/n＇）2联立求解，消去转速比n/n＇项得：

H=H'·qv2/（q'v）2（2-10）

式（2-10）即为一条经坐标原点和额定转速n时某工况点（q＇v,H＇）的相似抛物线。

其上各点为变转速时的各相似工况点。

如图2-7所示，当转速为n1、n2……时，对应的相似工况点为（qv1,H1）、（qv2,H2）······。

图2-7过（q＇v,H＇）点的相似抛物线.

同理，（通）风机变转速时，过（q＇v,p＇）点的相似抛物为:

p=p'.qv2/（q'v）2（2-11）

2.4.风机变频调速节能改造能效审计参数调查表

单位名称

负载类型

联系人

联系电话

地址

邮政编码

邮箱

设备基本参数

电动机参数

风机参数

电动机型号/

风机型号

额定功率（kW）

风机类型

额定电压（kV）

额定流量（m3/s）

额定电流（A）

额定全压（kPa）

额定转速（r/min）

额定转速（r/min）

额定效率

额定效率

额定功率因数

额定轴功率（kW）

转子开路电压

进口压力（kPa）

转子短路电流

出口压力（kPa）

电机动类别：

□同步式□鼠笼式□绕线式

起动方式：

□直接起动□转子串水电阻起动□定子串水电阻起动□其它

设备运行参数

电动机参数

风机参数

运行电压（kV）

进口风门开度（%）

运行电流（A）

出口风门开度（%）

有功功率（kW.h）

出口风量（m3/s）

无功功率（kVar）

出口风压（kPa）

实际转速（rpm）

回流流量（m3/s）

功率因数

风机转速（rpm）

工艺流程参数

工艺数据

锅炉负荷（t/h）

投料量（t/h）

发电量（MW）

日产量（t/h）

实际工况、工艺流程描述

电动机的其它有关描述

对变频系统的要求及欲实现的功能与效果

注：

1）如果工艺上没有此项，可以不填；

2）工艺数据是指此工况下能满足工艺要求的最小数值；

3）实际工况、工艺流程描述尽量详细清楚；

4）电动机的其它有关描述一般是指何种类型的电机、起动方式，有无液力耦合器等。

5）在填写风机的额定风压和实际运行风压时，一定要注明是绝（对）压力还是表压力，他们相差一个大气压；这里所说的“压力”，是一种习惯的叫法，实际指的是“压强”：

也就是单位面积上的压力。

三、风机变频调速节能效果的计算方法

3.1风门开度与风量的关系

风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系是非线性的，不同类型的风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系也是不一样的。

从图2-1、图2-2可以看出：

离心式风机在不同风门开度时的特性曲线之间的间隔是不均匀的，也就是说其线性度很差；而轴流式风机在不同叶片角度时的特性曲线之间的间隔是比较均匀的，也就是说其线性度较好；不同类型的风机在相同的风门开度（叶片角度）（％）时的风量（％）也是不一样的。

见图2-8所示。

就拿离心式风机来说，可以在图2-3上画一条阻力曲线，与不同风门开度的特性曲线的交点即为不同风门开度时的工作点，由各个工作点读出的风门开度、风量及风压的关系数据列于表2-1，不同风门开度与风量之间的关系则画于图2-8。

根据图2-3、图2-4，用同样的方法可以作出静叶可调和动叶可调的轴流式风机不同叶片角度与风量之间的关系，其数据列于表2-2、表2-3，曲线画于图2-8。

由图2-8可以看出，离心式风机的风门开度—风量曲线的线性度最差：

小风门时，随着风门的开大，风量增大很快；当风门开度大到50％以上时，风量增大的速度明显放慢，当风门开度大到75％以上时，风量增大已不太明显了。

而静叶可调轴流风机的叶片角度—风量曲线就要显得平坦一些了，动叶可调轴流风机的叶片角度—风量曲线就接近线性了。

并且可以看出，在相同的风门开度（叶片角度）％时，离心式风机的风量最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的风量最小。

因此，在相同的风门开度（叶片角度）％时，离心式风机的节电率最小，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的节电率最大。

而在相同的风量时，由于三种风机的轴功率不同（见表2-4，表2-5）：

离心式风机的轴功率最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的轴功率最小；所以离心式风机的节电率最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的节电率最小。

表2-1.离心式风机风门开度与风量、风压和节电率的关系：

风门开度（o）

风门开度（％）

风量（％）

风压（％）

节电率（％）

10o

11.1％

25.0％

10.0％

90％

15o

16.7％

35.0％

15.0％

80％

20o

22.2％

45.0％

22.0％

70％

25o

27.7％

55.0％

32.0％

60％

30o

33.3％

61.7％

42.0％

50％

35o

38.9％

68.3％

50.0％

40％

40o

44.4％

76.7％

60.0％

30％

45o

50.0％

81.7％

68.0％

20％

50o

55.6％

83.3％

75.0％

16％

55o

61.1％

85.5％

80.0％

13％

60o

66.7％

88.3％

84.0％

10％

65o

72.2％

90.8％

87.3％

7％

70o

77.8％

93.1％

90.4％

5％

75o

83.3％

95.1％

93.3％

3％

80o

88.9％

96.7％

95.8％

2％

85o

94.4％

98.8％

98.0％

0％

90o

100.0％

100.0％

100.0％

－4％

表2-2静叶可调轴流风机的叶片角度和风量、风压及节电率的关系：

叶片角度

叶片角度

全风量

额定风量

风压

节电率

－70o

0％

18.6％

21.5％

5.35％

90％

－65o

5％

26.7％

30.8％

6.86％

80％

－60o

10％

36.4％

41.9％

8.54％

75％

－55o

15％

42.9％

49.5％

10.8％

70％

－50o

20％

49.4％

57.0％

12.9％

65％

－45o

25％

56.6％

65.4％

15.2％

60