風機系統(tǒng)基本特性及節(jié)能措施

王 濤

(黑龍江省節(jié)能監(jiān)測中心，哈爾濱 150001)

0 引 言

風機是輸送氣體、提高氣體壓力的生產(chǎn)設(shè)備，把外界輸入能量轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w勢能和動能，提高氣體能量。

按工作原理不同，風機分為葉輪式和容積式兩大類，前者包括離心式、軸流式風機，后者包括活塞式、旋轉(zhuǎn)式風機。按排氣壓力高低，風機分為通風機壓力在0.15個大氣壓力以下、鼓風機壓力在0.15～3個大氣壓力之間、壓縮機壓力在3個大氣壓力以上等三類。

由于風機構(gòu)造、排氣壓力不同，各種類型風機效率和測試方法亦不相同。本文主要分析離心式、軸流式通風機，壓力比不大于1.15的風機電能利用率情況。

1 通風機用電系統(tǒng)構(gòu)成

工廠企業(yè)中通風機大部分由電動機拖動，通風機用電系統(tǒng)采用能源串聯(lián)方式，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)能源串聯(lián)圖

元件1～3分別為電動機、聯(lián)軸器、通風機。通風機總電能利用率η為：

式中,Wyx為用電系統(tǒng)有效電能，kWh;Wgg為用電系統(tǒng)供給電能，kWh。

η另一種表達式為：

η=ηd×ηl×ηf

式中，ηd為電動機電能利用率即電動機效率；ηl為聯(lián)軸器電能利用率即傳動效率；ηf為通風機電能利用率即通風機效率。

2 風機的基本參數(shù)

(1)流量

氣體在單位時間內(nèi)通過風機的體積稱為體積流量，用Q表示，單位為m3/s、m3/h，也可用重量流量G表示，單位為kg/s、t/h。體積流量Q與重量流量G的關(guān)系如下：

G=ρQ

式中，ρ為氣體密度，kg/m3,當大氣壓力為760 mm汞柱，溫度20 ℃時，空氣密度取1.2 kg/m3。

(2)全壓

全壓為單位體積氣體經(jīng)過風機后能量增加值，用P表示，單位為Pa、mmH2O、kgf/m2。全壓P為：

P=P2-P1

式中，P1為風機入口處總壓，Pa；P2為風機出口處總壓，Pa。

氣體全壓包括靜壓Ps、動壓Pd，即：

P1=Ps1+Pd1

P2=Ps2+Pd2

靜壓為氣體流動過程中所體現(xiàn)出來的一種狀態(tài)，動壓與速度平方成正比，即：Pd=0.5ρv2。

故風機全壓P為：

P2=(Ps2+Pd2)-(Ps1+Pd1)=

(Ps2-Ps1)+(Pd2-Pd1)

(3)轉(zhuǎn)速

風機葉輪每分鐘轉(zhuǎn)動次數(shù)為風機轉(zhuǎn)速，用n表示，單位為rpm。

(4)有效功率、軸功率

氣體單位時間內(nèi)從通風機中所獲得的總能量，為有效功率(或理論功率)，用Ne表示，單位為kW。

Ne=PQ

式中，P為風機全壓，Pa；Q為風機體積流量，m3/s。氣體通過風機時存在一系列損失，如流動損失、泄漏損失和機械摩擦損失，原動機驅(qū)動風機軸功率N應大于有效功率Ne。

(5)風機效率

風機有效功率與軸功率之比稱為風機效率，用Nf表示，即：

Nf=Ne/N×100%

3 風機系統(tǒng)的節(jié)能措施

(1)高效風機置換技術(shù)

大部分高效離心風機，主板一般采用輕型鋼板，外緣折邊強化結(jié)構(gòu)，輪轂輕量化、側(cè)蓋板流線型設(shè)計，以旋壓方式制作風機入風口，增加進口端長度改善風機進口流場和葉輪流道，提高風機效率，降低電能損耗。大中型軸流風機，葉片采用可裝卸式，葉片角度按需調(diào)節(jié)，不同系統(tǒng)采用不同葉型和不同材質(zhì)葉輪。

高效風機置換技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)工況點、風機特性曲線，校核風機運行效率，進行風機置換改造。以高效率、低能耗風機來置換運行效率差、高能耗風機，達到節(jié)能目的。

高效風機額定效率一般為80%以上，扣除傳動以及系統(tǒng)損失等原因，置換改造后節(jié)能率約在20%以上。高效風機置換主要針對中央空調(diào)系統(tǒng)、系統(tǒng)管網(wǎng)比較復雜的煤礦通風系統(tǒng)、鍋爐鼓風機系統(tǒng)等。

(2)風機變頻節(jié)能技術(shù)

當風機負載經(jīng)常性或季節(jié)性變化時，可采用調(diào)速調(diào)節(jié)，如多速電機、變頻器調(diào)速技術(shù)等。調(diào)速是風機技術(shù)改造中廣泛應用的一種方法，通過調(diào)速調(diào)整風機性能曲線移動，適應負荷變化，調(diào)整風機運行處于高效區(qū)域，減少節(jié)流損失。變頻器調(diào)速技術(shù)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能，對轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，同時，可實現(xiàn)大電機起停，避免啟動電壓沖擊，同時降低對電網(wǎng)容量要求和無功損耗，為目前主流調(diào)速技術(shù)。

(3)風機葉型和結(jié)構(gòu)改造技術(shù)

隨著風機生產(chǎn)工藝進步，對風機本體改造技術(shù)逐漸完善。

①近年來風機設(shè)計、工藝制造、原材料使用等技術(shù)提升較快，如機翼型4-72通風機效率90%以上，比低效風機效率提高較大。風機改造可采用高效葉輪替代低效葉輪，原有風機外殼和電機仍可使用。

②風機結(jié)構(gòu)改造可改善風機氣流流動狀態(tài)，提高效率。如采用對數(shù)螺旋形外殼，控制蝸殼舌部與葉輪之間的間隙，保持一定擴散角等技術(shù)。改進進氣室結(jié)構(gòu)，采用流線型集流器替代一般圓柱形集流器，效率提高8%左右；軸流風機加裝集流罩、整流罩，效率可提高8%～10%。

③軸流風機可更改葉片角度，滿足變工況要求。

(4)風機系統(tǒng)集中控制技術(shù)

造紙、石化等對通風要求較高的行業(yè)和工藝場所，風機以群配置。如果系統(tǒng)負荷不穩(wěn)定，負荷變化較大時，可應用風機系統(tǒng)集中控制技術(shù)。風機系統(tǒng)集中控制技術(shù)，考慮工藝實時工況，根據(jù)末端對風量和風壓實際需求，設(shè)定運行周期，實時調(diào)整風機開啟臺數(shù)以及風機工況，使系統(tǒng)處于高效區(qū)運行，提高系統(tǒng)效率，降低風機功耗。

(5)送風管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)

通過對管網(wǎng)系統(tǒng)綜合評估，對管網(wǎng)進行優(yōu)化，減少送風過程能耗，降低系統(tǒng)設(shè)備能耗，達到節(jié)能目的。具體包括：風管泄漏改造、風管保溫改造、風管管網(wǎng)局部阻力改造、風管清洗等。

送風管網(wǎng)改造對象一般為中央空調(diào)通風系統(tǒng)、工廠通風系統(tǒng)、鍋爐風系統(tǒng)等。