作 者：國家電力公司熱工研究院自動化所 徐甫榮

前言
我國是能源消費和生產(chǎn)大國，一方面是資源相對不足，尤其是石油、天然氣資源匱乏；另一方面是能源利用效率低，且浪費嚴重，因而經(jīng)濟增長的質(zhì)量和效益不高，且環(huán)境問題日益嚴重。大量的調(diào)查表明我國存在巨大的節(jié)能潛力，總節(jié)能潛力約為目前能源消費總量的30%～40%，各行各業(yè)都存在大量的技術(shù)上和企業(yè)財力上都可行的節(jié)能項目，但絕大多數(shù)至今還沒有實施。
我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長了30年。經(jīng)濟總量已達到世界第三位，國內(nèi)生產(chǎn)總值、工業(yè)增長速度、固定資產(chǎn)投資都在高速增長。我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展帶動了能源工業(yè)的發(fā)展，而能源工業(yè)的發(fā)展，又成為經(jīng)濟發(fā)展的動力，是經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)。但是也帶來了日益嚴重的環(huán)境問題，在世界144個國家和地區(qū)的“環(huán)境可持續(xù)發(fā)展指數(shù)”排序中，我國被排在133位，我國以煤碳為主的能源結(jié)構(gòu)問題嚴重。由于向大氣層中排放co2、so2、氮氧化物，有時陰霾，有時下些酸雨，離開了藍天、白云、碧水、綠地的生態(tài)環(huán)境。能源的消耗帶來了嚴重的環(huán)境問題。

圖1 某300mw機組離心式一次風(fēng)機的性能曲線

圖2 某300mw機組動葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機的性能曲線

我國是“氣候變化框架公約”的重要簽約國，肩負著全球環(huán)境方面的責(zé)任，節(jié)能既解決能源緊張，相當于建設(shè)了能效電廠，又減少了污染，保護了環(huán)境，在降低能耗的同時，使我國的經(jīng)濟由粗放型向節(jié)約型轉(zhuǎn)變，進而促進了經(jīng)濟的發(fā)展，既節(jié)能又促進、優(yōu)化了經(jīng)濟、能源、環(huán)境。經(jīng)濟（economics）、能源（energy）、環(huán)境（environment）、節(jié)能（energy saving）是國民經(jīng)濟發(fā)展的四個重要的方面，稱作4e。四者之間相互依存、相互需求、相互支持、相互制約，要求一個好的平衡。國民經(jīng)濟的發(fā)展要求能源相應(yīng)發(fā)展，能源工業(yè)的發(fā)展促進了經(jīng)濟的發(fā)展，經(jīng)濟的發(fā)展、能源的消耗又導(dǎo)致大量的co2、so2、氮氧化物排放到大氣層中，形成酸雨，溫室效應(yīng)。除了建立電廠以外（熱電、水電、核電、風(fēng)電、太陽能等，主要是熱電），節(jié)能是能源開發(fā)的最好補充，相當于建設(shè)了能效電廠。對比熱電，它潔凈，又不需要煤，不需要運力，不排放co2、so2、氮氧化物等，因而我國政府確立了“開發(fā)和節(jié)約并重”的能源方針。
電動機系統(tǒng)節(jié)能工程是節(jié)能的重點工程之一。目前，我國各類電動機總裝機容量約4.2億kw，實際運行效率比國外發(fā)達國家低10%～30%。用電量占全國的總用電量的60%左右。“十一五”期間重點推廣高效節(jié)能電動機、稀土永磁電動機；在煤炭、電力、有色、石化等行業(yè)采用高效節(jié)能電動機，實施對風(fēng)機、水泵、壓縮機系統(tǒng)的優(yōu)化改造，推廣變頻調(diào)速、自動化系統(tǒng)控制技術(shù)，使運行效率提高2個百分點，年節(jié)電200億kw·h。

圖3 某600mw機組靜葉可調(diào)軸流引風(fēng)機的性能曲線

圖4 某660mw機組動葉可調(diào)軸流式送送風(fēng)機的性能曲線

電動機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能工程中，又首推負載為葉片式風(fēng)機、水泵、壓縮機的調(diào)速節(jié)能技術(shù)，因為葉片式風(fēng)機、水泵、壓縮機屬于平方轉(zhuǎn)矩型負載，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、壓縮機在滿足流體力學(xué)的三個相似條件：即幾何相似、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），當輸送的流體密度ρ不變，而僅轉(zhuǎn)速改變時，其性能參數(shù)的變化遵循比例定律：即流量與轉(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：
；；
；
由于目前絕大部分風(fēng)機水泵（壓縮機）都采用風(fēng)門擋板（閥門）調(diào)節(jié)流量，造成大量的節(jié)流損耗，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80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90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、大容量領(lǐng)域發(fā)展，使采用高壓電動機驅(qū)動的風(fēng)機、水泵、壓縮機進行變頻調(diào)速節(jié)能改造成為可能。進入新世紀以來，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)量和可靠性直逼進口產(chǎn)品，且價格低廉，服務(wù)周到，因此在很多領(lǐng)域大有取代進口產(chǎn)品的趨勢。風(fēng)機、水泵、壓縮機變頻調(diào)速節(jié)能改造的發(fā)展前景一片大好。

　　隨著節(jié)能減排指標的層層落實，工業(yè)設(shè)備的節(jié)能改造已成為企業(yè)的自覺行動。為了幫助企業(yè)在確定節(jié)能改造項目時做到心中有數(shù)，使有限的改造資金取得最大的經(jīng)濟效益，改造前根據(jù)設(shè)備參數(shù)和運行工藝數(shù)據(jù)進行的節(jié)能估算（能效審計）就顯得尤為重要；尤其是目前為了推動節(jié)能減排工作的全面推廣，國家鼓勵采用“合同能源管理”的模式實施節(jié)能改造工程，那么改造前的節(jié)能估算（能效審計）工作就成為重中之重了：因為它直接關(guān)系到“合同能源管理”實施企業(yè)的經(jīng)濟利益，甚至關(guān)系到“合同能源管理”項目的成敗！
目前見到的變頻調(diào)速節(jié)能改造項目的節(jié)能計算多有偏頗不實之處，這主要是缺乏理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗，而教科書上又缺乏系統(tǒng)的內(nèi)容，致使大家各行其是，無所適從。當然也不排斥有些節(jié)能廠商為了推廣其節(jié)能產(chǎn)品而誤導(dǎo)用戶，故意夸大節(jié)能效果；但是更多的則是由于沒有掌握節(jié)能計算方法。
　　所以，根據(jù)長期以來從事風(fēng)機、水泵、壓縮機變頻調(diào)速節(jié)能工程的實踐，有責(zé)任將其總結(jié)成文，作為用戶在節(jié)能改造時參考；同時也希望引起大家的討論，以便形成共識。

圖5 定速軸流風(fēng)機和離心風(fēng)機性能曲線重疊比較

(a)風(fēng)機（當管路靜壓pst=0時）

(b)水泵（當管路靜揚程hst≠0時）
圖6 轉(zhuǎn)速變化時風(fēng)機(水泵)裝置運行工況點的變化

第一講 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)

1 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。

2 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以上，或壓縮比大于3.5的風(fēng)機。
(4)風(fēng)扇：指在標準狀況下，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。

3 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)機的進口截面1流經(jīng)葉輪至風(fēng)機的出口截面2所獲得的機械能。風(fēng)機全壓的計算式為：

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)機的進口全壓（進口靜壓和進口動壓之和）。
(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。

式中：
q——風(fēng)機風(fēng)量（m3/s）；
p——風(fēng)機全壓 (kpa)；
ηr——傳動裝置效率；
ηf——風(fēng)機效率；
ηd——電動機效率。
電動機容量選擇：
(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：

(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r/min（rpm）或s-1（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：

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)機為進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，圖中0o 為調(diào)節(jié)門全開位置，負值為調(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。
由圖1、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2、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%鍋爐負荷（b-mcr）時，葉片開度為70%左右，相對于安裝角＋50；100％汽輪機負荷（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b-mcr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。
為了將兩種風(fēng)機的性能進行比較，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（鍋爐風(fēng)機設(shè)計點），而100%mcr點（鍋爐滿負荷連續(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。

5 風(fēng)機拖動系統(tǒng)的主要特點
葉片式風(fēng)機水泵的負載特性屬于平方轉(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：

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6所示。因管路阻力曲線不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，故當轉(zhuǎn)速由n變至n＇時，運行工況點將由m點變至m＇點。
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)。

作者簡介
徐甫榮（1946-） 男，1970年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電機工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè)，后在西安電子科技大學(xué)攻讀碩士研究生。畢業(yè)后在國家電力公司熱工研究院自動化所工作，任總工程師，教授級高工，現(xiàn)為深圳市科陸變頻器公司工程技術(shù)總監(jiān)，享受國家特殊津貼的專家。主要從事火電廠熱工自動化和交直流電機調(diào)速拖動及節(jié)能技術(shù)的研究工作，在國內(nèi)外各類學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文五十余篇，專著“高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用實踐”等兩本。

參考文獻(略)
（未完待續(xù)）