離心風機調節方式改造的節能分析

葉亞蘭，江文豪，韋紅旗

(1. 江蘇海事職業技術學院，南京 211170；2.中冶華天工程技術有限公司，南京 210000；3. 東南大學，南京 210096)

風機是工業生產過程中的重要輔機，如電廠鍋爐中的送風機、引風機、一次風機、密封風機等。目前，在大中型工廠的風機配置中，離心風機最為常見。離心風機具有壓頭高、流量大、價格低廉等特點，因而得到廣泛應用。

入口導流器是大型離心風機的重要組成部分(又稱為前導葉或入口導葉)，改變其角度可實現風機的流量調節[1]。該調節方式具有性能穩定、維護量少、效率比節流調節高等優點，因此在風機實際運行中也是常用的流量調節手段之一。目前大多新建工廠在設備選型時將大功率風機設計為變速調節方式(主要通過變頻器或液為耦合器實現)，配建工廠也在運行一段時間后改為變速調節。

對于改造工程，改造方案的經濟效益分析是其可行性研究的重要內容，目前研究離心風機節能改造和經濟性對比的實例分析[2-4]，針對入口導流器調節的改造比較少見。

本文以離心風機為研究對象對入口導流器調節和變速調節的經濟性進行對比，對離心機變速改造效果進行分析，為變速調節時的定量分析與節能評價做參考。

1 入口導流器調節原理

1.1 原理概述

對于離心風機，入口導流器調節是在風機進口集流器前加裝導流器(如軸向導流器、簡易導流器等)，通過調整導流器葉片角度，產生不同強度的強制預旋，從而改變通風機的性能曲線并進而改變通風機的工作點[5]，其調節原理如圖1所示。

圖1 離心風機入口導流器調節原理圖

圖1中給出了導流器在最大開度基礎上關小0°、20°、40°、60°、80°時的風機能頭性能曲線。假如管路特性曲線如圖1中的pc0所示，則通風機的最大工作流量為qvB，當需要減少流量時，可以逐漸關小進口導流器(增加了導流器的流動阻力，同時引起葉輪進口氣流的預旋)，此時工作點沿pc0曲線向小流量方向移動，管路系統中沒有額外的節流損失，由于pc0曲線穿越通風機的最高效率區域，在調整風量過程中，風機的工作效率相對較高。

1.2 調節誤區

在實際生產中，有的運行人員采用增大管路阻力的方法來使風機在高效工作點運行，但這種方法并不一定是經濟的，反而可能影響風機的運行可靠性。假如管路特性曲線變為圖1所示的pc1，則風機的最大工作流量減小為qvA，如果風機能頭曲線具有“駝峰”，此時就更接近不穩定工作區。由于pc1曲線容易偏離通風機的高效區，同時在滿足一定通風量的條件下還需要較高的風壓，因此風機的功耗就明顯提高。假如通過一些技術措施，減小管路的阻力系數，管路特性曲線變為圖1所示的pc2，則風機的最大工作流量增大為qvC。盡管pc2曲線偏離了風機的高效率區域，但與管路特性曲線pc0相比，在滿足一定通風量(如qvC)的條件下，通風機所需全壓明顯降低，風機的耗功一般反而較低。因此，沒有必要刻意增大管路阻力來提高風機的工作點效率。

2 變速調節原理

根據相似定律，在相似工況條件下風機轉速由n1變為n2時，風機流量、全壓、軸功率均發生變化，變化前后各性能參數與轉速的關系如下：

qv1/qv2=n1/n2

(1)

p1/p2=(n1/n2)2

(2)

psh1/psh2=(n1/n2)3

(3)

式中qv1、p1、psh1——風機在n1轉速時的流量、全壓、軸功率；qv2、p2、psh2——風機在n2轉速時的流量、全壓、軸功率。

由式(1)～式(3)可知，在相似工況條件下，風機的轉速與流量成正比，與全壓成平方比，與軸功率成立方比，而效率保持不變。因此，風機可一直在高效率下運行。

當管路靜能頭為零(即管路特性曲線是通過原點的二次拋物線)時，在管路不變的條件下改變風機轉速所得到的工況都是相似工況。但在實際的風機系統中，管路靜能頭并不一定等于零，此時變速運行的工作點不是相似工況點，對比風機變速前后的性能參數時不能直接使用相似定律。這時可先求出變速調節各工作點在額定轉速、導流器全開時的相似工況點，再使用相似定律進行計算分析。

3 兩種調節方式的經濟性對比

3.1 管路及風機性能曲線

現以某離心風機為例，對變速調節與進口導流器調節的經濟性進行定量分析。

圖2 風機管路特性與全壓性能曲線圖

為分析管路對節能效果的影響，考慮到管路靜能頭和管路阻力系數兩大因素，分別對系統靜能頭均為零、阻力系數不同的管路1和管路2，以及系統靜能頭均不為零、阻力系數不同的管路3和管路4進行討論，4種管路的特性曲線如圖2所示，風機的性能曲線如圖3～圖4所示。

圖3 風機軸功率性能曲線圖

圖4 風機效率性能曲線圖

參數管路1管路2流量/(m3·s-1)160.9151.1143.2133.9123.7119.7115.8112.9108.2102.188.0相對流量/%100.093.989.083.276.9100.096.894.390.485.373.5風壓/Pa18541639148113011110275525692434223119951514導流器調節軸功率/kW397.8366.8336.3312.7295.7383.6358.8347.7324.8307.7264.1效率0.750.680.630.560.460.860.830.790.740.660.50變速調節軸功率/kW397.8330.4282.9232.4183.1383.6346.1319.6280.8236.9154.9效率0.750.750.750.750.750.860.860.860.860.860.86經濟性對比變速調節節省軸功率/kW036.4253.3680.33112.63012.7028.1044.0070.80109.30變速調節節能率/%09.9315.8725.6838.0803.548.0913.5523.0141.36變速調節提高效率值00.070.120.190.2900.030.070.120.200.36效率相對變化值/%09.9315.8725.6838.0803.548.0913.5523.0141.36

注：變速調節節能率為變速調節和導流器調節下風機的軸功率之差與導流器調節下風機軸功率之比。

這兩種調節方式均是通過改變泵與風機本身性能曲線來改變工作點(進口導流器調節時在導流器中產生的額外流動損失為風機內部損失)，而管路特性曲線保持不變，因此風機的工作點都是相同的。為了提高系統運行效率，變速運行時進口導流器保持全開。

3.2 系統靜能頭為零的管路

當管路系統靜能頭為零時，由于變速運行中的不同工作點為相似工況點，因此變速運行中不同工作點參數之間的關系可以直接采用相似定律計算。如變速運行時，靜能頭隨流量的平方變化，軸功率隨流量的三次方變化，效率近似認為不變。考慮到管路阻力系數對兩種調節方式經濟性的影響，分別對如圖2中管1和管2進行分析，最終計算結果如表1所示。

由表1可以得到如下幾點：

(1)對于靜能頭為零的管路，離心風機采用變速調節與采用入口導流器調節相比，風機的效率更高、耗功更小、經濟性更好。

(2)對于同一管路，隨著流量調節深度的增大(即隨著流量減小)，變速調節的節能率迅速增大。這是因為變速調節下風機效率近似不變，一直維持在較高的水平上，而進口導流器調節下風機效率隨流量減小迅速下降。

(3)變速調節的節能率等于兩種調節方式下的效率相對變化率。這是由于在這兩種調節方式下，風機的運行工作點相同。

3.3 系統靜能頭不為零的管路

對于系統靜能頭中不等于零的管路，管路特性曲線不是相似拋物線，變速運行的工作點不是相似工況點。此時根據相似定律，可以得出變速調節各工作點在額定轉速、導流器全開時的相似工況點，并認為相似工況效率相等。

對于離心風機，如果風機在如圖2所示的管路3和管路4中工作(這兩個管路的系統靜能頭為2 000 Pa)，則進口導流器調節、變速調節的經濟性對比如表2所示。

由表2中數據可以得到如下幾點。

(1)同一管路，隨著流量調節深度的增大(即隨著流量減小)，變速調節的節能率在增大。這是因為，變速調節能保持較高的效率，而進口導流器調節的效率逐漸下降。

表2 非零靜能頭管路中變速調節與入口導流器調節的經濟性對比

(2)變速運行時，與系統靜能頭等于零的管路不同，風機在系統靜能頭不為零的管路中的效率是變化的，但變化幅度不大。

(3)與靜能頭為零的管路一樣，靜能頭不為零的管路中變速調節的節能率也等于兩種調節方式下的效率相對變化率。

為更直觀地分析管路對兩種調節方式經濟性差異的影響，繪制4種管路下的變速調節節能率對比圖見圖5。

圖5 變速調節相對導流器調節的節能率

由圖5可以得到如下幾點。

(1)變速調節相對導流器調節的節能率與流量近似呈線性反比例關系。

(2)對比管路1和管路2、管路3和管路4的節能率可知，等靜能頭的不同管路，雖然兩種管路的阻力系數有較大差別，但變速調節相對進口導流器調節的節能率曲線近似一致。因此，管路阻力系數對節能率影響不大。

(3)管路3、4與管路1、2相比，變速調節節能率的分布趨勢明顯減緩，即相同相對流量時的節能率較低。管路3、4與管路1、2的區別在于管路系統靜能頭。因此，變速調節的節能率主要受系統靜能頭影響。

4 結語

以某離心風機為例，定量分析了入口導流器調節和變速調節的經濟性對比，并分析了管路對調節效果的影響。

(1)變速調節對比入口導流器調節的節能效果與流量和管路有關，流量越小，節能效果越明顯；管路系統靜能頭越小，節能效果越明顯。

(2)管路對變速調節節能率的影響因素中，系統靜能頭起主要作用，管路阻力系數對節能率的影響很小。

因此，將離心風機從定速運行下的入口導流器調節改為變速調節，節能效果與風機負荷和管路特性中的系統靜能頭有關。

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