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风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座


风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座( 风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座(三)
风机变频调速节能技术( 第一讲 风机变频调速节能技术(三)
国家电力公司热工研究院自动化所 徐甫荣

三、风机变频调速节能效果的计算方法
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 1、图 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 8 所示。 就拿离心式风机来说, 可以在图 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 1,不同风门开度与风量之间的关系则画于图 8。根据图 3、图 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、表 3,曲线画于图 8。 由图 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 4,表 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 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(°) 风门开度(%) 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° 50° 55° 11.1% 16.7% 22.2% 27.7% 33.3% 38.9% 44.4% 50.0% 55.6% 61.1% 风量(%) 25.0% 35.0% 45.0% 55.0% 61.7% 68.3% 76.7% 81.7% 83.3% 85.5%
1

风压(%) 10.0% 15.0% 22.0% 32.0% 42.0% 50.0% 60.0% 68.0% 75.0% 80.0%

节电率(%) 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 16% 13%

60° 65° 70° 75° 80° 85° 90°

66.7% 72.2% 77.8% 83.3% 88.9% 94.4% 100.0 %

88.3% 90.8% 93.1% 95.1% 96.7% 98.8% 100.0%

84.0% 87.3% 90.4% 93.3% 95.8% 98.0% 100.0%

10% 7% 5% 3% 2% 0% -4%

表 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 -70° -65° -60° -55° -50° -45° -40° -35° -30° -25° -20° -15° -10° -5° 0° +5° +10° +15° +20° +25° +30° 叶片角度 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% 全风量 18.6% 26.7% 36.4% 42.9% 49.4% 56.6% 61.5% 66.3% 71.2% 74.4% 76.9% 79.3% 81.7% 84.1% 86.6% 89.3% 92.2% 94.8% 96.8% 98.5% 100% 额定风量 21.5% 30.8% 41.9% 49.5% 57.0% 65.4% 71.0% 76.6% 82.2% 85.9% 88.8% 91.6% 94.3% 97.1% 100% 风压 5.35% 6.86% 8.54% 10.8% 12.9% 15.2% 17.9% 23.3% 29.0% 35.6% 41.9% 48.7% 54.8% 60.2% 65.8% 73.5% 80.6% 85.1% 89.0% 94.3% 100.0% 节电率 90% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 46% 43% 38% 34% 30.8% 26.4% 21.6% 15.3% 10.8% 6.9% 4.3% 1.8% -4%

表 3 动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 -32° -28° -24° -20° -16° -12° -8° -4° 0° 叶片角度 0% 8% 16% 23% 31% 38% 46% 53% 60% 全风量 8.3% 16.7% 25.0% 33.3% 42.0% 50.7% 58.7% 66.7% 73.3% 额定风量 11.3% 22.8% 34.1% 45.4% 57.3% 69.2% 80.1% 91.0% 100.0%
2

风压 1.0% 5.35% 10.8% 17.9% 29.0% 41.9% 52.8% 62.7% 71.4%

节电率 90% 80% 70% 64.5% 57.3% 49.8% 42.7% 33.5% 27.4%

+4° +8° +12° +16° +20°

68% 76% 84% 92% 100%

79.3% 85.3% 90.7% 95.7% 100.0%

80.6% 86.5% 91.0% 96.3% 100.0%

21.6% 14.2% 8.8% 2.3% -4%

图 8 不同类型的风机的风门开度(叶片角度)与风量之间的关系 由于大多数风机为离心式风机, 所以我们把离心式风机作为重点来讨论。 在知道了不同 工况的风门开度时,就可以用查表的方法求出风量和风压值,并以此作为节能计算的依据。 因为查表的方法比较麻烦,所以也常常用函数逼近的方法来计算,但同时也带来了误差。常 用的函数逼近方法有开平方法、 三角函数法等。 开平方法是将风门开度和风量数据都标么化 为 0~1(0~100%) ,再将风门开度数据开平方,即可得到风量数据的标么值(0~100%) ; 0 0 三角函数法则先将风门开度数据标么化为 a= 0 ~90 ,风量数据标么化为 0~1(0~100%) , 再用三角函数 Q=sina 求出对应的风量标么值。离心式风机采用不同的拟合法时风门开度与 风量的关系数据见表 4,查表法和函数逼近法算出的风门开度/风量的关系均画于图 9。 由图 9 可见,开平方法在小风门段的风量要大于查表法,而在大风门段又小于查表法; 三角函数法的全程风量都要低于查表法, 并且三角函数法的误差要大于开平方法。 其实即使 是用查表法得出的数据也是有误差的, 因为用的是典型的离心式风机的特性曲线, 与实际风 机的特性曲线还是有差别的, 最好使用实际风机的特性曲线, 与实际的阻力曲线的交点为工 作点得出的数据才是最准确的数据, 但是实际的阻力曲线是很难绘出的。 风机的特性曲线就 好像是人的身份证,其中包含了风机的所有的信息!但是现场很难找到风机的特性曲线,就 只能向风机的制造厂家索取了, 实在找不到时就只能用典型的离心式风机的特性曲线作为计 算的依据了。 表 4 离心式风机采用不同的拟合法时风门开度与风量的关系
3

风门开度(°) 风门开度(%) 0° 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° 50° 55° 60° 65° 70° 75° 80° 85° 90° 0.0% 5.5% 11.1% 16.7% 22.2% 27.7% 33.3% 38.9% 44.4% 50.0% 55.6% 61.1% 66.7% 72.2% 77.8% 83.3% 88.9% 94.4% 100.0%

风量(查表) 3.6% 14.5% 25.0% 35.0% 45.0% 55.0% 61.7% 68.3% 76.7% 81.7% 83.3% 85.5% 88.3% 90.8% 93.1% 95.1% 96.7% 98.8% 100.0%

风量(开方) 0.0% 23.6% 33.3% 40.8% 47.1% 52.6% 57.7% 62.4% 66.6% 70.7% 74.6% 78.2% 81.6% 85.0% 88.2% 91.3% 94.2% 97.2% 100.0%

风量(sin a) 0.0% 8.7% 17.4% 25.9% 34.2% 42.3% 50.0% 57.4% 64.3% 70.7% 76.6% 81.9% 86.6% 90.6% 94.0% 96.6% 98.5% 99.6% 100.0%

图 9 离心式风机使用不同的逼近方法时的风门开度与风量的关系曲线

2 不同风量和不同控制方式时的轴功率
由于现场数据调查表中提供的风机轴功率一般不是风机的额定轴功率, 而是电动机的额
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定输出功率;而用风机的额定风量、风压和效率来计算风机的额定轴功率,又因为没有风机 效率数据以及给出的风量和风压数据明显有误, 所以也不是风机真正的额定轴功率; 即使有 风机的额定轴功率数据,由于锅炉(窑炉)的阻力曲线也不能精确计算,所以当风门全开时 的风机轴功率与其额定轴功率也会有出入:如风道的阻力过大,则因为风压增大,会使风机 的轴功率超过其额定轴功率;反之如风道的阻力过小,则因为风压减小,而会使风机的轴功 率低于其额定轴功率等等!因为工程中不乏这样的案例:有的风机在风门全开运行时,其电 动机的电流还远远小于额定电流;而有的风机在风门开度尚不到 50%时,其电动机已因过 载而跳闸了。 那么到底应当如何计算当风门全开时的风机轴功率呢?这个数据对于节能计算来说又 是至关重要的! 很多的节能计算出现较大误差的原因主要就是不能精确的计算出当风门全开 时的风机轴功率。 工程上有一种计算方法算出的风门全开时的风机轴功率较为准确, 即根据 某一风门开度时的电动机运行功率来反推风门全开时的风机运行功率 (包括电动机的损耗) 。 其根据见图 10(左) ,并有根据图 10(左)上查出的表 5,以及表 6。

图 10

离心式风机在不同调节方式时的轴功率和效率曲线

表 5 离心式风机系统在不同风量(风门开度)和不同控制方式时的轴功率 风门开度(%) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 风 量(%Qe) 23 33 42 51 58 65 71 77 82 83 入口门控制(%Pe) 52% 54% 56% 58% 60% 63% 65% 68% 71% 73% 出口门控制(%Pe) 60% 67% 74% 81% 85% 89% 91% 93% 94% 95%

5

60 65 70 75 80 85 90 95 100 表6

85 87 89 91 93 95 97 99 100

75% 78% 80% 83% 86% 90% 95% 98% 100 %

96% 97% 97.5% 98% 98.5% 99% 99.5% 99.8% 100%

轴流式风机系统在不同风量(叶片角度)和不同控制方式时的轴功率 风 量(%Qe) 18.1 24.3 29.2 35.9 41.7 46.9 52.3 57.8 63.9 68.7 73.6 78.4 83.3 86.8 89.2 92.3 95.1 97.6 100.0 静叶调节(%Pe) 46% 48% 50% 53% 56% 59% 63% 67% 70% 72% 75% 78% 80% 83% 86% 90% 95% 98% 100% 动叶调节(%Pe) 34% 35% 36% 38% 41% 44% 47% 50% 54% 58% 62% 66% 70% 74% 79% 84% 90% 97% 100% 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

叶片角度(%)

3 调速范围的确定
当风机采用转速调节时, 其风量和风压可用比例定律计算, 在确定调速范围时应兼顾风 量和风压的要求, 一般这时将风门开到最大, 仅用转速来调节风量, 并留有一定的风压裕量。 所以一定要知道生产工艺所要求的最小风压,作为确定最低转速的根据。当然,当最小风压 要求低于最小风量要求时,可以风量要求为准。 注意:这只是最低转速,不能作为节能计算的转速依据;节能计算时应以中心调节频 率为准, 中心调节频率则为最低频率和额定频率 (50Hz) 的中心值。 如最低调速频率为 30Hz, 则中心调节频率为 40Hz,为额定转速的 80%。

4 节能效果的计算
风机的调速节能效果计算比较简单,由于风机系统一般不存在反压,所以风机调速运

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行时消耗的电功率可以直接用比例定律求得。 注意使用的工频运行电功率应为采用风门调节 时风机实际消耗的电功率, 而不是电动机的额定电功率。 而转速也应为中心调节频率 (转速) , 而不是最低(频率)转速。 关键的是要根据风门开度数据测算出准确的风量数据,才能准确算出节电率来。最准 确的是根据各种工况下的风量、 风压和电动机电流数据进行计算; 其次是根据风机的特性曲 线以及风门开度和电流数据进行计算, 风门开度决定节电率, 而电动机电流的大小则决定节 电量; 最后就只能根据风门开度数据用查表法和函数逼近法算出风量来, 然后根据风量与转 速的一次方成正比,轴功率与转速的三次方成正比进行计算了。不论用哪种方法计算,风门 开度的准确性都是致关重要的! 其次就是风量的计算尤为关键, 它对计算结果的影响可谓是: O “失之毫厘,差以千里” !例如在表 4 中,开平方法和查表法相比,在 45 (50%)风门开度 时,其风量的数值相差 11%!算出的节电率分别为 45.9%和 16.5%,相差 29.4%!而函数 O 法和查表法相比,在 40 (44.4%)风门开度时,其风量的数值相差 12.4%!算出的节电率 分别为 57.4%和 27.7%,相差 29.7%!当然这是最大误差,但是对于节电率来说,就是相 差 3%~5%都是非常敏感的,更别说是 30%了!对节电量和节约电费以及投资回报来讲, 则更是有天壤之别了。所以说“失之毫厘,差以千里”是一点也不过分的。 所以风量的计算一定要慎之又慎! 例 4 某电站锅炉为 75t/h 循环流化床锅炉,其送风机(一次风机)为离心式风机,设 计裕量较大, 在满负荷时入口风门开度仅为 70% (出口风门全开) 每天运行时间为 8h; , 80% 负荷时风门开度为 55%,每天运行时间为 10h;60%负荷时风门开度为 45%(低于 44%开 度时风压报警) ,每天运行时间为 6h。试计算变频调速节能改造后的节能效果。 风机参数:额定风压:22000Pa,运行风压:≥10000Pa,≤10000Pa 报警; 3 3 额定风量:66000m /h,满负荷运行风量:55000m /h。 电动机参数:额定功率:560kW, 额定电压:6000V; 额定电流:65.4A, 满负荷运行电流:42A; 额定转速:1486r/min 。 功率因数:0.85; 额定效率:95%。 解:首先确定调速范围,风机采用变频调速时,风门全开,全速运行时输出额定风压 22000Pa,根据比例定律,为保证最低风压 10000Pa 时的转速为额定转速的 67.49%,为了 留有风压裕量,最低转速取额定转速的 70%(1036 r/min) , 变频器的最低输出频率为 35Hz。 (a)满负荷时风门开度为 70%,由表 1 可查得风量约为 90%,变频调节时可在 90%转 速下(45Hz)运行,此时的风压为 17820Pa,满足最低风压要求。由表 5 可查得此时的电动 机功率为全风量功率的 80%。 风机在满负荷时的运行电流为 42A,电动机的功率为: Pd=1.732×6000×42×0.85= 371kW; 当风机在 94%转速运行时,其消耗的电功率为: 3 Pb=371kW/0.80×0.90 /0.96=352kW, 节省电功率:ΔP=Pd-Pb=371kW-352kW=19kW 节电率为:ΔP/Pd=5.12%。 (b)80%负荷时风门开度为 55%,由表 1 可查出风量约为 83%,变频调节时可在 83% 转速(41.5Hz)下运行,此时的风压为 15150Pa,满足最低风压要求。由表 5 可查得此时的 电动机功率为全风量功率的 73%。 风机在 80%负荷时的运行电流为 40A,电动机的功率为: Pd=1.732×6000×40×0.85=353kW;

7

当风机在 87%转速运行时,其消耗的电功率为: 3 Pb=353kW/0.73×0.83 /0.96=288kW; 节省电功率:ΔP=Pd-Pb=353kW-288kW=65kW; 节电率为:65kW/353kW=18.4%。 (c)60%负荷时风门开度为 45%,由表 1 可查出风量约为 77%,变频调节时可在 77% 转速(38.5Hz)下运行,此时的风压为 13000Pa,满足最低风压要求。由表 5 可查得此时的 电动机功率为全风量功率的 68%。 风机在 60%负荷时的运行电流为 38A,电动机的功率为: Pd=1.732×6000×38×0.85=335.6kW; 当风机在 83%转速运行时,其消耗的电功率为: 3 Pb=335.6kW/0.68×0.77 /0.96=234.7kW; 节省电功率:ΔP=Pd-Pb=335.6kW-234.7kW=100.9kW; 节电率为:100.9kW/335.6kW=30.06%。 日节电量为: (19kW×8h+65kW×10h+100.9kW×6h)=1407.4kW.h。 年节电量为:1407.4kW.h×330 天=46.44 万 kW.h。

作者简介
徐甫荣(1946-)男 1970 年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业, 后在西安电子科技大学攻读硕士研究生。 毕业后国家电力公司热工研究院自动化所工作, 任 总工程师,教授级高工,现为深圳市科陆变频器公司工程技术总监,享受国家特殊津贴的专 家。 主要从事火电厂热工自动化和交直流电机调速拖动及节能技术的研究工作, 在国内外各 类学术刊物上发表论文五十余篇,专著“高压变频调速技术应用实践”等两本。

参考文献( 参考文献(略)

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