風(fēng)機的節能技術(shù)

第8卷第1期漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報Vol 8 No. 1年1月Journal of Zhangzhou Technical InstituteJan.2006風(fēng)機的節能技術(shù)黃玉山(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建漳州3630000摘要:本文從實(shí)際運行工況入手,結合風(fēng)機和風(fēng)道特性,探討風(fēng)機的節能技術(shù),以流量調節為基礎,分析各種調節方法的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)調査研究的經(jīng)濟測算,選用具有領(lǐng)先水平的交流變頻調速裝置來(lái)控制風(fēng)機運行,節能效果較顯著(zhù)。關(guān)鍵詞:風(fēng)機;節能技術(shù)中圖分類(lèi)號:TU8344文獻標識碼:A章編號:1673-1417(2006)010030051引言風(fēng)機是國民經(jīng)濟各部門(mén)中應用量大,使用面廣的通用機械,廣泛裝備在冶金、石油、化工、紡織、電力、輕工等工礦企業(yè),用以對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中散發(fā)出的大量的熱、濕、工業(yè)粉塵以及有害氣體和蒸汽采取有效防護和凈化處理,回收利用,化害為利,防止大氣污染的有效措施,創(chuàng )造良好的勞動(dòng)條件保障人身安全、保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要設備之改革開(kāi)放以來(lái),隨著(zhù)國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,人民生活水平的提高,采暖通風(fēng),空氣調節已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù),特別是高層智能建筑、寫(xiě)字樓、商場(chǎng)、影劇院等較大規模旳活動(dòng)場(chǎng)所,集中式、冷暖型的通風(fēng)系統、空調系統成為衡量這些建筑品位檔次的內容。但是,風(fēng)機的電耗大,效率低是工業(yè)通風(fēng)和建筑通風(fēng)共同遇到的實(shí)際問(wèn)題,例如,就空調系統而言,利用風(fēng)機的手動(dòng)或自動(dòng)調節來(lái)控制新風(fēng)與回風(fēng)、冷風(fēng)和熱風(fēng)、一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合比。其用于空調上的能耗占建筑總能耗的比例很大。因此,近年來(lái)空調設備、系統和自動(dòng)控制裝置方面的發(fā)展是以節能為中心,各種國際空調會(huì )議皆突出“節能”的內容。所以對風(fēng)機的控制技術(shù)和節能措施已經(jīng)越來(lái)越被人們的重視和接受。2風(fēng)機的基本特性和流量調節方法般在工業(yè)通風(fēng)系統和建筑通風(fēng)系統中,使用較多的是軸流式風(fēng)機和離心式風(fēng)機。軸流式風(fēng)機是依靠葉輪的推動(dòng)力作用促使氣流流動(dòng),氣流的方向與機軸相平行。所以,它產(chǎn)生的全壓較小,只能用于無(wú)需設置風(fēng)道的場(chǎng)合或者風(fēng)道阻力較小的系統,多用在炎熱的車(chē)間作為扇風(fēng)散熱設備。離心式風(fēng)機的葉輪在電動(dòng)機帶動(dòng)下隨軸一起高速旋轉,使氣體獲得壓力和動(dòng)能,葉片間的氣體在離心力的作用下由徑向甩出,同時(shí)在葉輪的吸氣口形成負壓區,外界氣體在大氣壓力作用下補吸入葉輪內,以補充排出的氣體;由葉輪甩出的氣體由于受到離心力的作用進(jìn)入蝸牛狀機殼補壓排向風(fēng)道,從而構成了連續的氣體吸排和加壓過(guò)程。H下面以離心式風(fēng)機為對象來(lái)分析風(fēng)機的運行性能和節能技術(shù)問(wèn)題。離心式風(fēng)機一般都與風(fēng)道相聯(lián),以獲取所需的風(fēng)量、風(fēng)壓,所以它們必然要受到風(fēng)道因Qa QA圖1風(fēng)機節流調節的特性曲線(xiàn)收稿日期:2005-09-26作者簡(jiǎn)介:黃玉山(1945-),男,福建平和人,高工,本科.中國煤化工CNMHG第1期黃玉山:風(fēng)機的節能技術(shù)素的制約。在研究風(fēng)機的運行情況(即運行工作點(diǎn))時(shí),除了考慮風(fēng)機的特性外,還應考慮風(fēng)道系統(包括介質(zhì))的特性,圖1是離心式風(fēng)機部分與風(fēng)道系統的HQ特性曲線(xiàn)圖。交叉點(diǎn)A和B分別表示處在兩種不同風(fēng)道狀態(tài)(曲線(xiàn)Ⅰ和Ⅱ)下的系統的工作點(diǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中,一般是利用調節風(fēng)機的流量來(lái)實(shí)現某一設定的工作狀態(tài)的,其調節方法大致有:調節出口閥門(mén)(檔板)調節節流閥(檔板)(風(fēng)道節流調節法)調節入口閥門(mén)(檔板)不調速狀態(tài)調節風(fēng)機入口導向器葉片:(風(fēng)機本體調節法)風(fēng)機流量調節電磁調速繞線(xiàn)式電機轉子串電阻調速有轉差損耗調速)定子調壓調速液力耦合器調速(機械調速)調速狀態(tài)繞線(xiàn)式電機串級調速高效調速變極調速變頻調速由上可知,風(fēng)機的風(fēng)量調節可以從風(fēng)道系統或者設備本體兩個(gè)方面來(lái)采取措施:(1)屬于風(fēng)道系統的方法是采用節流調節法,即在電源電壓和電動(dòng)機轉速不變的情況下,于風(fēng)機的進(jìn)口(或出囗)風(fēng)道中安裝節流閥或檔板,來(lái)改變風(fēng)道中的流量。(2)屬于調節設備本體的方法則是在不變動(dòng)風(fēng)道系統的情況下,只在風(fēng)機設備本身加以改造,如在風(fēng)機的進(jìn)風(fēng)口處裝設導向器或者對電動(dòng)機采用變速調節控制法不同的調節方法,所體現岀的運行工況是各不相同的。下面分別就各種調節流量的方法進(jìn)行分析2.1節流調節法ny>n>n所謂節流調節是在不改變風(fēng)機本身特性情況下,通過(guò)改變節流檔板的開(kāi)度(比如用檔板關(guān)小風(fēng)機出口的風(fēng)門(mén)),也即改變節流阻力來(lái)控制氣體的流量。改變后,圖1中風(fēng)道特性曲kk線(xiàn)從Ⅰ變動(dòng)到Ⅱ,工作點(diǎn)便由A變到B,流量從Q減小到QB,風(fēng)道阻力卻由HA增加到HB3?？梢?jiàn)這種調節方法會(huì )造成很大的節流壓頭損失,并且容易使風(fēng)機的工作點(diǎn)偏離高效率區,是很不經(jīng)濟的表1為某熱電廠(chǎng)一臺65t/h鍋爐送風(fēng)機的運行記錄數據圖2風(fēng)機變速調節特性曲線(xiàn)風(fēng)機型號G4-73-11.12D配用電動(dòng)機JS-115-4135KW。風(fēng)機由檔板控制風(fēng)機的進(jìn)口開(kāi)度,出口無(wú)調節檔板?？梢?jiàn),在電動(dòng)機轉速和電源電壓不變的情況下,擋板開(kāi)度增大,電機的電流隨之增大,風(fēng)道阻力也增大,節流損失增大,風(fēng)機消耗的功率也增大表1#1鍋爐在用送風(fēng)機運行記錄表(摘錄)檔板開(kāi)度(%電流(A)電壓(V)風(fēng)道壓力(mmH2O)35055170380中國煤化工CNMHG32漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報2006年380380風(fēng)道的阻力為(1)式中Hz:風(fēng)道阻力(mmH2O),Kz:風(fēng)道阻力常數,即單位流量時(shí)的阻力,Q:風(fēng)量(m/h)。風(fēng)道阻力常數Kz不一樣時(shí),風(fēng)道的工作點(diǎn)就不同(圖2中的交點(diǎn)A和B),這就有可能使工作點(diǎn)越出風(fēng)機的高效率區,導致工作經(jīng)濟性低劣,從節能的角度來(lái)說(shuō)是最不理想22導向器的調節法導向器的調節主要是在不改變風(fēng)道特性的情況下,依靠裝在風(fēng)機進(jìn)口處的導向器來(lái)改變氣流進(jìn)入風(fēng)機葉輪時(shí)的方向流,具有預旋作用,從而改變風(fēng)機的工作特性,它的調節經(jīng)濟性要比節流調節法高得多。當風(fēng)機在50-60%負荷下運行時(shí),采用導向器調節法可節約電耗約30-35%。而且導向器的結構較簡(jiǎn)單,所以得到較廣泛的應用。AI I2.3風(fēng)機調速法圖3為在風(fēng)道系統不變的情況下B(曲線(xiàn)Ⅰ),改變風(fēng)機轉速的運行特性。當風(fēng)機轉速為(n)時(shí),工作點(diǎn)在A(yíng)點(diǎn),流量為QA;轉速為(n)時(shí),工作點(diǎn)n為B,流量為Q3?？梢?jiàn),改變風(fēng)機運行轉速時(shí),同樣可以調節風(fēng)機的流量,而且隨著(zhù)轉速的減少,流量和風(fēng)道阻力同時(shí)減少。如圖中轉速從(n)降到圖3風(fēng)機節流調節與變速調節能耗比較(n2)時(shí),工作點(diǎn)￠的流量和風(fēng)道阻力比工作點(diǎn)A時(shí)都相應地減少。風(fēng)機在低流量運行時(shí),風(fēng)道阻力隨著(zhù)減小,功耗減少,顯示出節能的優(yōu)勢。下面從能耗的角度來(lái)分析比較:在以風(fēng)機的流量都一樣的前提下,如果把調節檔板的節流法與用變速調節方法所消耗功率做一比較,結果將是怎樣呢?1)選定轉速不變(選用曲線(xiàn)n)當用調節檔板的方法來(lái)調節流量時(shí),使流量保持為Q不變,此時(shí)風(fēng)道曲線(xiàn)便由I→Ⅱ,風(fēng)機工作點(diǎn)從A→B,B點(diǎn)的流量為Q1、風(fēng)壓為HB。根據軸功率公式P=Q*H/n得,用調節節流法調節后風(fēng)機的軸功率為P=Q*H/η,忽略效率η后則得圖中矩形面積 OQBBH0。2)保持風(fēng)道不改變(選用曲線(xiàn)I)采用調節轉速法來(lái)調節同樣的流量Q1,此時(shí)工作點(diǎn)C為Q1與曲線(xiàn)I的交點(diǎn),C點(diǎn)的轉速為n2(轉速由n→n2)、風(fēng)壓為Hc。P=Q1*H/η,忽略效率η后則得矩形面積0QCH0將1)的面積與2)的面積做比較得:面積0QBH0一面積0QCHC0==面積 HCC BHBH該面積則是風(fēng)機用調速法比用節流法所節省的功率,其量值為:=QH/n(2)式中:n為風(fēng)機的效率根據比例定律,離心式風(fēng)機的流量與轉速的一次方成正比(Q∝n);風(fēng)壓或負載轉矩與轉速的平方成正比(H∝n2;M∝n2);而軸功率與轉速的三次方成正比(P∝n3)。因此轉速減少時(shí),流量減少,風(fēng)杋所消耗的軸功率減少很多。由此可以得岀:采用變速技術(shù)來(lái)調節風(fēng)杋的流量是風(fēng)機節能降耗的理想途徑。H中國煤化工CNMHG第1期黃玉山:風(fēng)機的節能技術(shù)3離心式風(fēng)機的調速方式如上所述,變速調節方法可以達到節能效果,但是,電動(dòng)機的調速方式有好幾種方式,哪種最佳呢?從感應式電動(dòng)機轉速公式可知n=(1-S)60f1/P式中,n:電動(dòng)機的轉速(轉分),f1:電動(dòng)機端電壓的頻率(Hz),S:電動(dòng)機的轉差率P:電動(dòng)機定子繞組的極對數。要改變轉速,可以分別考慮以f1、S、P為變量來(lái)討論。對于鼠籠式異步電動(dòng)機,常用的交流調速方法有調壓調速法、電磁調速法、變極調速變頻調速等。3.1調壓調速法異步電動(dòng)機的電磁轉矩M正比于電源電壓U1的平方(M∝U12),而且額定轉矩MN與轉速成反比關(guān)系(M∝I/n),因此,改變電源電壓即改變電磁轉矩,便改變電動(dòng)機的轉速。這種方法由于電動(dòng)機運行于大轉差(S)下,在調速過(guò)程中的轉差功率以熱能形式損耗在轉子中,必須采用特殊的籠型電動(dòng)機,避免在低轉速時(shí)產(chǎn)生大電流而發(fā)熱。這種調速方法效率低,其自然機械特性較軟。要想得到穩定轉速,必須采用反饋法,一般適應30KW以下的電機中。3.2電磁調速法(滑差電動(dòng)機調速)電磁調速系統由電磁轉差離合器(電樞與電動(dòng)機同軸,激磁線(xiàn)圈與輸岀端同軸)、籠型電動(dòng)機和控制器三部分組成的。這種調速法的電機渦流損耗大,速度損耗也大,轉差玏率以熱能形式損耗,同樣存在效率低,機楲特性軟的缺點(diǎn)。當控制器故障時(shí),負載無(wú)法切換至額定轉速運行,因此,多適應于100KW以下的電動(dòng)機中,3.3變極調速法變極調速是電動(dòng)機定子繞組的極對數P,以改變旋轉磁場(chǎng)和轉子轉速的方法,這種方法雖然具有能調節轉速無(wú)附加轉差損耗的優(yōu)點(diǎn),但由于電杋的極對數只能整數,因此屬于跳躍性的有級變速,須與電磁式調速系統配合才能平滑調速,而且電機外接線(xiàn)多,必須使用專(zhuān)用電動(dòng)機,很不方便。34變頻調速法從式(3)可知,如果保持電動(dòng)機的極對數P和轉差率S不變,改變電動(dòng)機定子的供電頻率f,也可改變電動(dòng)機的轉速n。因為U1≈E1=444KN1f1φm為了保持在調速時(shí)電動(dòng)機的最大轉矩不變,就需要維持電機的磁通不變,即要求Uf1=常數,也就是電動(dòng)機的端電壓U1應隨f作相應的變化現在市面上為風(fēng)機的變頻調速提供了許多專(zhuān)用變頻器,如1PM、1GBT或AMB-G7等高性能風(fēng)機專(zhuān)用數字式變頻調速器。采用數字鍵盤(pán),模擬電位器,觸摸面板控制應用開(kāi)環(huán)U1控制方式和閉環(huán)PID控制方式實(shí)現壓力控制、流量控制、溫度控制等程序運行,控制方式靈活。同時(shí),應用優(yōu)化空間矢量PwM控制,輸岀電流平穩,具有電流限幅,過(guò)壓失速,回升制動(dòng),轉速跟蹤,平滑再啟動(dòng)性能。變頻調速法旳調速范圍大,精度高,運行中,只要改變電源頻率f,就能得到與之相對應的不同的風(fēng)機機械特性,實(shí)現無(wú)級調速同時(shí)能使電動(dòng)機軟啟動(dòng),減少啟動(dòng)損耗,對于大、中型風(fēng)機,能避免對電網(wǎng)的電流沖擊,以及故障時(shí)可以不停車(chē)投入工頻狀態(tài)運行等優(yōu)點(diǎn)。其節能方面具有世界領(lǐng)先的技術(shù)。4調查與經(jīng)濟測算福州二化廠(chǎng)是將變頻調速技術(shù)應用于風(fēng)機運行比較早的單位,他們對5#鍋爐的引風(fēng)機電機采用變頻調速裝置。引風(fēng)機型號為Y4-73-1INO12D,配置JO292-4電機,功率100KW。改造前采用調節風(fēng)門(mén)擋板調節風(fēng)量。改造時(shí)選用104KVA變頻器,取得了節電70.1%顯著(zhù)效益。表3是該廠(chǎng)5#爐技改前后分別測試的運行記錄。中國煤化工CNMHG34漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報2006年表3改造前運行記錄(調節擋板方法)項目產(chǎn)氣量表壓電壓電流風(fēng)門(mén)開(kāi)頻率功率因實(shí)用電噸汽耗節電率時(shí)間(t)(Ma)((A(比)數量(Kw電M(%22日616.40.6138285全速0.981340.12.17423日602.40.63808720全速0.981294.22.14824日60240.65380全速0.9812422148改造后運行記錄(變頻調速方法)項目產(chǎn)氣量表壓電壓電流風(fēng)門(mén)開(kāi)頻率功率因實(shí)用電噸汽耗節電率時(shí)間(tMPa)(V)度(H2)數量(%)(KW)KWh29日49770.7537526全開(kāi)260.993318.60.6430日640.5070374全開(kāi)270.99242570.665日592405937528全開(kāi)270.99245450762注:經(jīng)測算后,節電率可達70.0%,按當年的電價(jià)及總投資計算,219天便可收回5幾點(diǎn)看法5.1我國能源政策是開(kāi)發(fā)與節能并重,節能的重要措施是盡可能地采用先進(jìn)技術(shù)。從工業(yè)通風(fēng)情況看,風(fēng)機的耗電量是比較大的,目前還有相當數量的設備是較陳舊,而且仍采用節流調節的傳統方法,所以從對其進(jìn)行技改,其節能潛力很大52對于流量調節幅度大,低負荷下運行時(shí)間長(cháng)的風(fēng)機調速系統,變頻變壓調速法的節能效益和提高自動(dòng)化程度更為突出。因此,伴隨高科技的進(jìn)步,高新技術(shù)、新設備不斷涌現,風(fēng)機的調速方面推薦多采用變頻調速法。53隨著(zhù)人們生活水平的提高,產(chǎn)品質(zhì)量對生產(chǎn)環(huán)境的嚴格要求,創(chuàng )造能綜合滿(mǎn)足人們感覺(jué)舒適的室內環(huán)境,將對智能建筑的暖通、空調技術(shù)的發(fā)展和應用技術(shù)提岀更高的要求。風(fēng)機的節能技術(shù)問(wèn)題必須引起足夠的重視,一要注意風(fēng)機等設備選用節能型,盡量避免“大馬拉小車(chē)”現象;二要從設計、安裝施工中注意風(fēng)道、節流環(huán)節的合理性,以減小節流損失。盡量使風(fēng)機旳運行風(fēng)壓和流量接近于額定壓力和流量,使運行工作點(diǎn)長(cháng)時(shí)間地保持在高效率區。54如果是繞線(xiàn)式電動(dòng)機拖動(dòng)的風(fēng)機,采用串級調速裝置,其節能效果也很顯著(zhù)。5.5采用調速方法調節時(shí),應注意避開(kāi)機組的機械臨界共振轉速。參考文獻:沈鴻主編電機工程手冊[M]北京:機械工業(yè)出版社2]上海經(jīng)委節能辦公室風(fēng)機水泵調速節能手冊[M北京:機械工業(yè)出版社「3]宋容卿,王慶修主編建筑工程水電設備[M]北京:中國環(huán)境科學(xué)出版.The energy conservation technology of FanHUANG Yu-san(Zhangzhou institute of Technology, Zhangzhou 363000, China)Abstract: This article starts with discussing the practical operating situations, and combining the characteristicsof fans and air ducts, it probes into the energy conservation technology of fans. Based on the flow regulation, thisarticle analyses the characteristics of different regulating methods. Though economical calculations, the selectionof using leading level A.C. frequency converter speed regulating devices to control fans'operating would bringelatively remarkable energy conservation effectsKey words: fan, energy conservation technology中國煤化工CNMHG