风机的节能技术

第8卷第1期漳州职业技术学院学报Vol 8 No. 1年1月Journal of Zhangzhou Technical InstituteJan.2006风机的节能技术黄玉山(漳州职业技术学院,福建漳州3630000摘要:本文从实际运行工况入手,结合风机和风道特性,探讨风机的节能技术,以流量调节为基础,分析各种调节方法的特点。经过调査研究的经济测算,选用具有领先水平的交流变频调速装置来控制风机运行,节能效果较显著。关键词:风机;节能技术中图分类号:TU8344文献标识码:A章编号:1673-1417(2006)010030051引言风机是国民经济各部门中应用量大,使用面广的通用机械,广泛装备在冶金、石油、化工、纺织、电力、轻工等工矿企业,用以对工业生产过程中散发出的大量的热、湿、工业粉尘以及有害气体和蒸汽采取有效防护和净化处理,回收利用,化害为利,防止大气污染的有效措施,创造良好的劳动条件保障人身安全、保证产品质量的重要设备之改革开放以来,随着国民经济的飞速发展,人民生活水平的提高,采暖通风,空气调节已经进入千家万户,特别是高层智能建筑、写字楼、商场、影剧院等较大规模旳活动场所,集中式、冷暖型的通风系统、空调系统成为衡量这些建筑品位档次的内容。但是,风机的电耗大,效率低是工业通风和建筑通风共同遇到的实际问题,例如,就空调系统而言,利用风机的手动或自动调节来控制新风与回风、冷风和热风、一次风与二次风的混合比。其用于空调上的能耗占建筑总能耗的比例很大。因此,近年来空调设备、系统和自动控制裝置方面的发展是以节能为中心,各种国际空调会议皆突出“节能”的内容。所以对风机的控制技术和节能措施已经越来越被人们的重视和接受。2风机的基本特性和流量调节方法般在工业通风系统和建筑通风系统中,使用较多的是轴流式风机和离心式风机。轴流式风机是依靠叶轮的推动力作用促使气流流动,气流的方向与机轴相平行。所以,它产生的全压较小,只能用于无需设置风道的场合或者风道阻力较小的系统,多用在炎热的车间作为扇风散热设备。离心式风机的叶轮在电动机带动下随轴一起高速旋转,使气体获得压力和动能,叶片间的气体在离心力的作用下由径向甩出,同时在叶轮的吸气口形成负压区,外界气体在大气压力作用下补吸入叶轮内,以补充排出的气体;由叶轮甩出的气体由于受到离心力的作用进入蜗牛状机壳补压排向风道,从而构成了连续的气体吸排和加压过程。H下面以离心式风机为对象来分析风机的运行性能和节能技术问题。离心式风机一般都与风道相联,以获取所需的风量、风压,所以它们必然要受到风道因Qa QA图1风机节流调节的特性曲线收稿日期:2005-09-26作者简介:黄玉山(1945-),男,福建平和人,高工,本科.中国煤化工CNMHG第1期黄玉山:风机的节能技术素的制约。在研究风机的运行情况(即运行工作点)时,除了考虑风机的特性外,还应考虑风道系统(包括介质)的特性,图1是离心式风机部分与风道系统的HQ特性曲线图。交叉点A和B分别表示处在两种不同风道状态(曲线Ⅰ和Ⅱ)下的系统的工作点。在生产过程中,一般是利用调节风机的流量来实现某一设定的工作状态的,其调节方法大致有:调节出口阀门(档板)调节节流阀(档板)(风道节流调节法)调节入口阀门(档板)不调速状态调节风机入口导向器叶片:(风机本体调节法)风机流量调节电磁调速绕线式电机转子串电阻调速有转差损耗调速)定子调压调速液力耦合器调速(机械调速)调速状态绕线式电机串级调速高效调速变极调速变频调速由上可知,风机的风量调节可以从风道系统或者设备本体两个方面来采取措施:(1)属于风道系统的方法是采用节流调节法,即在电源电压和电动机转速不变的情况下,于风机的进口(或出囗)风道中安裝节流阀或档板,来改变风道中的流量。(2)属于调节设备本体的方法则是在不变动风道系统的情况下,只在风机设备本身加以改造,如在风机的进风口处裝设导向器或者对电动机采用变速调节控制法不同的调节方法,所体现岀的运行工况是各不相同的。下面分别就各种调节流量的方法进行分析2.1节流调节法ny>n>n所谓节流调节是在不改变风机本身特性情况下,通过改变节流档板的开度(比如用档板关小风机出口的风门),也即改变节流阻力来控制气体的流量。改变后,图1中风道特性曲kk线从Ⅰ变动到Ⅱ,工作点便由A变到B,流量从Q减小到QB,风道阻力却由HA增加到HB3。可见这种调节方法会造成很大的节流压头损失,并且容易使风机的工作点偏离高效率区,是很不经济的表1为某热电厂一台65t/h锅炉送风机的运行记录数据图2风机变速调节特性曲线风机型号G4-73-11.12D配用电动机JS-115-4135KW。风机由档板控制风机的进口开度,出口无调节档板。可见,在电动机转速和电源电压不变的情况下,挡板开度增大,电机的电流随之增大,风道阻力也增大,节流损失增大,风机消耗的功率也增大表1#1锅炉在用送风机运行记录表(摘录)档板开度(%电流(A)电压(V)风道压力(mmH2O)35055170380中国煤化工CNMHG32漳州职业技术学院学报2006年380380风道的阻力为(1)式中Hz:风道阻力(mmH2O),Kz:风道阻力常数,即单位流量时的阻力,Q:风量(m/h)。风道阻力常数Kz不一样时,风道的工作点就不同(图2中的交点A和B),这就有可能使工作点越出风机的高效率区,导致工作经济性低劣,从节能的角度来说是最不理想22导向器的调节法导向器的调节主要是在不改变风道特性的情况下,依靠装在风机进口处的导向器来改变气流进入风机叶轮时的方向流,具有预旋作用,从而改变风机的工作特性,它的调节经济性要比节流调节法高得多。当风机在50-60%负荷下运行时,采用导向器调节法可节约电耗约30-35%。而且导向器的结构较简单,所以得到较广泛的应用。AI I2.3风机调速法图3为在风道系统不变的情况下B(曲线Ⅰ),改变风机转速的运行特性。当风机转速为(n)时,工作点在A点,流量为QA;转速为(n)时,工作点n为B,流量为Q3。可见,改变风机运行转速时,同样可以调节风机的流量,而且随着转速的减少,流量和风道阻力同时减少。如图中转速从(n)降到图3风机节流调节与变速调节能耗比较(n2)时,工作点￠的流量和风道阻力比工作点A时都相应地減少。风机在低流量运行时,风道阻力随着减小,功耗减少,显示出节能的优势。下面从能耗的角度来分析比较:在以风机的流量都一样的前提下,如果把调节档板的节流法与用变速调节方法所消耗功率做一比较,结果将是怎样呢?1)选定转速不变(选用曲线n)当用调节档板的方法来调节流量时,使流量保持为Q不变,此时风道曲线便由I→Ⅱ,风机工作点从A→B,B点的流量为Q1、风压为HB。根据轴功率公式P=Q*H/n得,用调节节流法调节后风机的轴功率为P=Q*H/η,忽略效率η后则得图中矩形面积 OQBBH0。2)保持风道不改变(选用曲线I)采用调节转速法来调节同样的流量Q1,此时工作点C为Q1与曲线I的交点,C点的转速为n2(转速由n→n2)、风压为Hc。P=Q1*H/η,忽略效率η后则得矩形面积0QCH0将1)的面积与2)的面积做比较得:面积0QBH0一面积0QCHC0==面积 HCC BHBH该面积则是风机用调速法比用节流法所节省的功率,其量值为:=QH/n(2)式中:n为风机的效率根据比例定律,离心式风机的流量与转速的一次方成正比(Q∝n);风压或负载转矩与转速的平方成正比(H∝n2;M∝n2);而轴功率与转速的三次方成正比(P∝n3)。因此转速减少时,流量减少,风杋所消耗的轴功率减少很多。由此可以得岀:采用变速技术来调节风杋的流量是风机节能降耗的理想途径。H中国煤化工CNMHG第1期黄玉山:风机的节能技术3离心式风机的调速方式如上所述,变速调节方法可以达到节能效果,但是,电动机的调速方式有好几种方式,哪种最佳呢?从感应式电动机转速公式可知n=(1-S)60f1/P式中,n:电动机的转速(转分),f1:电动机端电压的频率(Hz),S:电动机的转差率P:电动机定子绕组的极对数。要改变转速,可以分别考虑以f1、S、P为变量来讨论。对于鼠笼式异步电动机,常用的交流调速方法有调压调速法、电磁调速法、变极调速变频调速等。3.1调压调速法异步电动机的电磁转矩M正比于电源电压U1的平方(M∝U12),而且额定转矩MN与转速成反比关系(M∝I/n),因此,改变电源电压即改变电磁转矩,便改变电动机的转速。这种方法由于电动机运行于大转差(S)下,在调速过程中的转差功率以热能形式损耗在转子中,必须采用特殊的笼型电动机,避免在低转速时产生大电流而发热。这种调速方法效率低,其自然机械特性较软。要想得到稳定转速,必须采用反馈法,一般适应30KW以下的电机中。3.2电磁调速法(滑差电动机调速)电磁调速系统由电磁转差离合器(电枢与电动机同轴,激磁线圈与输岀端同轴)、笼型电动机和控制器三部分组成的。这种调速法的电机涡流损耗大,速度损耗也大,转差玏率以热能形式损耗,同样存在效率低,机楲特性软的缺点。当控制器故障时,负载无法切换至额定转速运行,因此,多适应于100KW以下的电动机中,3.3变极调速法变极调速是电动机定子绕组的极对数P,以改变旋转磁场和转子转速的方法,这种方法虽然具有能调节转速无附加转差损耗的优点,但由于电杋的极对数只能整数,因此属于跳跃性的有级变速,须与电磁式调速系统配合才能平滑调速,而且电机外接线多,必须使用专用电动机,很不方便。34变频调速法从式(3)可知,如果保持电动机的极对数P和转差率S不变,改变电动机定子的供电频率f,也可改变电动机的转速n。因为U1≈E1=444KN1f1φm为了保持在调速时电动机的最大转矩不变,就需要维持电机的磁通不变,即要求Uf1=常数,也就是电动机的端电压U1应随f作相应的变化现在市面上为风机的变频调速提供了许多专用变频器,如1PM、1GBT或AMB-G7等高性能风机专用数字式变频调速器。采用数字鍵盘,模拟电位器,触摸面板控制应用开环U1控制方式和闭环PID控制方式实现压力控制、流量控制、温度控制等程序运行,控制方式灵活。同时,应用优化空间矢量PwM控制,输岀电流平稳,具有电流限幅,过压失速,回升制动,转速跟踪,平滑再启动性能。变频调速法旳调速范围大,精度高,运行中,只要改变电源频率f,就能得到与之相对应的不同的风机机械特性,实现无级调速同时能使电动机软启动,减少启动损耗,对于大、中型风机,能避免对电网的电流冲击,以及故障时可以不停车投入工频状态运行等优点。其节能方面具有世界领先的技术。4调查与经济测算福州二化厂是将变频调速技术应用于风机运行比较早的单位,他们对5#锅炉的引风机电机采用变频调速裝置。引风机型号为Y4-73-1INO12D,配置JO292-4电机,功率100KW。改造前采用调节风门挡板调节风量。改造时选用104KVA变频器,取得了节电70.1%显著效益。表3是该厂5#炉技改前后分别测试的运行记录。中国煤化工CNMHG34漳州职业技术学院学报2006年表3改造前运行记录(调节挡板方法)项目产气量表压电压电流风门开频率功率因实用电吨汽耗节电率时间(t)(Ma)((A(比)数量(Kw电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改造后运行记录(变频调速方法)项目产气量表压电压电流风门开频率功率因实用电吨汽耗节电率时间(tMPa)(V)度(H2)数量(%)(KW)KWh29日49770.7537526全开260.993318.60.6430日640.5070374全开270.99242570.665日592405937528全开270.99245450762注:经测算后,节电率可达70.0%,按当年的电价及总投资计算,219天便可收回5几点看法5.1我国能源政策是开发与节能并重,节能的重要措施是尽可能地采用先进技术。从工业通风情况看,风机的耗电量是比较大的,目前还有相当数量的设备是较陈旧,而且仍采用节流调节的传统方法,所以从对其进行技改,其节能潜力很大52对于流量调节幅度大,低负荷下运行时间长的风机调速系统,变频变压调速法的节能效益和提高自动化程度更为突出。因此,伴随高科技的进步,高新技术、新设备不断涌现,风机的调速方面推荐多采用变频调速法。53随着人们生活水平的提高,产品质量对生产环境的严格要求,创造能综合满足人们感觉舒适的室內环境,将对智能建筑的暖通、空调技术的发展和应用技术提岀更高的要求。风机的节能技术问题必须引起足够的重视,一要注意风机等设备选用节能型,尽量避免“大马拉小车”现象;二要从设计、安装施工中注意风道、节流环节的合理性,以减小节流损失。尽量使风机旳运行风压和流量接近于额定压力和流量,使运行工作点长时间地保持在高效率区。54如果是绕线式电动机拖动的风机,采用串级调速装置,其节能效果也很显著。5.5采用调速方法调节时,应注意避开机组的机械临界共振转速。参考文献:沈鸿主编电机工程手册[M]北京:机械工业出版社2]上海经委节能办公室风机水泵调速节能手册[M北京:机械工业出版社「3]宋容卿,王庆修主编建筑工程水电设备[M]北京:中国环境科学出版.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中国煤化工CNMHG