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，因而經濟增長的質量和效益不高，且環境問題日益嚴重。大量的調查表明我國存在巨大的節能潛力，總節能潛力約為目前能源消費總量的30%～40%，各行各業都存在大量的技術上和企業財力上都可行的節能項目，但絕大多數至今還沒有實施。
我國經濟持續高速增長了30年。經濟總量已達到世界第三位，國內生產總值、工業增長速度、固定資產投資都在高速增長。我國經濟持續高速發展帶動了能源工業的發展，而能源工業的發展，又成為經濟發展的動力，是經濟發展的基礎。但是也帶來了日益嚴重的環境問題，在世界144個國家和地區的“環境可持續發展指數”排序中，我國被排在133位，我國以煤碳為主的能源結構問題嚴重。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、綠地的生態環境。能源的消耗帶來了嚴重的環境問題。
圖1 某300mw機組離心式一次風機的性能曲線
圖2 某300mw機組動葉可調軸流式送風機的性能曲線
我國是“氣候變化框架公約”的重要簽約國，肩負著全球環境方面的責任，節能既解決能源緊張，相當于建設了能效電廠，又減少了污染，保護了環境，在降低能耗的同時，使我國的經濟由粗放型向節約型轉變，進而促進了經濟的發展，既節能又促進、優化了經濟、能源、環境。經濟（economics）、能源（energy）、環境（environment）、節能（energy saving）是國民經濟發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。國民經濟的發展要求能源相應發展，能源工業的發展促進了經濟的發展，經濟的發展、能源的消耗又導致大量的co2、so2、氮氧化物排放到大氣層中，形成酸雨，溫室效應。除了建立電廠以外（熱電、水電、核電、風電、太陽能等，主要是熱電），節能是能源開發的最好補充，相當于建設了能效電廠。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“開發和節約并重”的能源方針。
電動機系統節能工程是節能的重點工程之一。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達國家低10%～30%。用電量占全國的總用電量的60%左右?！笆晃濉逼陂g重點推廣高效節能電動機、稀土永磁電動機；在煤炭、電力、有色、石化等行業采用高效節能電動機，實施對風機、水泵、壓縮機系統的優化改造，推廣變頻調速、自動化系統控制技術，使運行效率提高2個百分點，年節電200億kw·h。
圖3 某600mw機組靜葉可調軸流引風機的性能曲線
圖4 某660mw機組動葉可調軸流式送送風機的性能曲線
電動機系統變頻調速節能工程中，又首推負載為葉片式風機、水泵、壓縮機的調速節能技術，因為葉片式風機、水泵、壓縮機屬于平方轉矩型負載，即其軸上需要提供的轉矩與轉速的二次方成正比。風機、水泵、壓縮機在滿足流體力學的三個相似條件：即幾何相似、運動相似和動力相似的情況下遵循相似定律；對于同一臺風機（或水泵），當輸送的流體密度ρ不變，而僅轉速改變時，其性能參數的變化遵循比例定律：即流量與轉速的一次方成正比；揚程（壓力）與轉速的二次方成正比；軸功率則與轉速的三次方成正比。即：
；；
；
由于目前絕大部分風機水泵（壓縮機）都采用風門擋板（閥門）調節流量，造成大量的節流損耗，若采用轉速調節，具有巨大的節能潛力。直到上世紀七十年代，都采用機械調速或滑差電機調速，但這屬于低效調速方式，仍有較大的能量損耗，并且驅動功率受到限制；到上世紀80年代，開始采用液力耦合器調速，并且突破了驅動功率的限制，向大功率方向發展，但它與滑差電機調速一樣，屬于低效調速方式，仍有較大的能量損耗。直到上世紀90年代，隨著電力電子技術和計算機控制技術的發展，變頻器很快占領電動機調速市場，并向高壓、大容量領域發展，使采用高壓電動機驅動的風機、水泵、壓縮機進行變頻調速節能改造成為可能。進入新世紀以來，國產高壓變頻器生產企業如雨后春筍般的涌現，并且其質量和可靠性直逼進口產品，且價格低廉，服務周到，因此在很多領域大有取代進口產品的趨勢。風機、水泵、壓縮機變頻調速節能改造的發展前景一片大好。
隨著節能減排指標的層層落實，工業設備的節能改造已成為企業的自覺行動。為了幫助企業在確定節能改造項目時做到心中有數，使有限的改造資金取得最大的經濟效益，改造前根據設備參數和運行工藝數據進行的節能估算（能效審計）就顯得尤為重要；尤其是目前為了推動節能減排工作的全面推廣，國家鼓勵采用“合同能源管理”的模式實施節能改造工程，那么改造前的節能估算（能效審計）工作就成為重中之重了：因為它直接關系到“合同能源管理”實施企業的經濟利益，甚至關系到“合同能源管理”項目的成敗！
目前見到的變頻調速節能改造項目的節能計算多有偏頗不實之處，這主要是缺乏理論指導和實踐經驗，而教科書上又缺乏系統的內容，致使大家各行其是，無所適從。當然也不排斥有些節能廠商為了推廣其節能產品而誤導用戶，故意夸大節能效果；但是更多的則是由于沒有掌握節能計算方法。
所以，根據長期以來從事風機、水泵、壓縮機變頻調速節能工程的實踐，有責任將其總結成文，作為用戶在節能改造時參考；同時也希望引起大家的討論，以便形成共識。
圖5 定速軸流風機和離心風機性能曲線重疊比較
(a)風機（當管路靜壓pst=0時）
(b)水泵（當管路靜揚程hst≠0時）
圖6 轉速變化時風機(水泵)裝置運行工況點的變化
第一講 風機變頻調速節能技術
1 概論
風機與水泵是用于輸送流體（氣體和液體）的機械設備。風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，還可以實現從低壓區輸送到高壓區，或從低位區輸送到高位區。通常用來輸送氣體的機械設備稱為風機(壓縮機)，而輸送液體的機械設備則稱為泵。
2 風機的主要功能和用途
風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。葉片式風機又可以分為離心式風機、軸流式風機、混流式風機和橫流式風機；容積式風機又可以分為往復式風機和回轉式風機，而回轉式風機又可用分為羅茨風機和葉氏風機。
風機除按上述工作原理分類外，還常按其產生全壓的高低來分類：
(1)通風機：指在設計條件下，風機產生的額定全壓值在98pa～14700pa之間的風機。在各類風機中，通風機應用最為廣泛，如火力發電廠中用的各種風機基本上都是通風機。
(2)鼓風機：指氣體經風機后的壓力升高在14700pa～196120pa之間的風機。
(3)壓縮機：指氣體經風機后的壓力升高大于196120pa以上，或壓縮比大于3.5的風機。
(4)風扇：指在標準狀況下，風機產生的額定全壓低于98pa的風機。這類風機無機殼，故又稱自由風扇。
3 風機的性能參數
風機的基本性能參數表示風機的基本性能，風機的基本性能參數有流量、全壓、軸功率、效率、轉速、比轉速等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：風機的全壓p表示空氣經風機后所獲得的機械能。風機的全壓p是指單位體積氣體從風機的進口截面1流經葉輪至風機的出口截面2所獲得的機械能。風機全壓的計算式為：
風機的全壓等于風機的出口全壓（出口靜壓和出口動壓之和）減去風機的進口全壓（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機軸上的功率，稱為風機的軸功率，用p表示，單位為kw。
式中：
q——風機風量（m3/s）；
p——風機全壓 (kpa)；
ηr——傳動裝置效率；
ηf——風機效率；
ηd——電動機效率。
電動機容量選擇：
(4)效率：風機的輸出功率（有效功率）pu與輸入功率（軸功率）p之比，稱為風機的效率或全壓效率，以η表示：
(5)轉速：風機的轉速指風機軸旋轉的速度，即單位時間內風機軸的轉數，以n表示，單位為r/min（rpm）或s-1（弧度/秒）。
(6)比轉速：風機的比轉速以ny表示，用下式定義：
作為性能參數的比轉速是按風機最高效率點對應的基本性能參數計算得出的。對于幾何相似的風機，不論其尺寸大小、轉速高低，其比轉速均是一定的。因此，比轉速也是風機分類的一種準則。
4 風機的性能曲線
圖1所示為300mw火電機組離心式一次風機性能曲線，該風機為進口導葉調節，圖中0o 為調節門全開位置，負值為調節門向關閉方向轉動的角度；圖中虛線為等效率線。圖2所示為300mw火電機組動葉可調軸流式送風機性能曲線，圖中虛線為等效率線，0o代表設計安裝角，負值為動葉片從設計安裝角向關閉方向轉動的角度，正值則相反。
由圖1、圖2可見，風機性能曲線呈梳狀，隨著風門（動葉片）開大，風機的出口風量和風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軸流式風機的性能曲線。由圖2可見，動葉可調軸流式風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%調節，隨著葉片安裝角的增大，風機沿阻力曲線方向風量和風壓同時增大，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；這兩個點應在風機的最高效率區內。但是在鍋爐設計時，由于無法精確計算鍋爐風道的阻力曲線（圖2中上面一條是雙風機運行時的阻力曲線，下面一條則是單風機運行時的阻力曲線），因此所選用的風機性能曲線不能保證b-mcr點和thb點在高效區內，從而就降低了風機的運行效率，有時甚至可達20%～30%！軸流式風機葉片的安裝角過大或過小，都會使風機的運行工況點偏離高效點，降低風機的運行效率。
為了將兩種風機的性能進行比較，圖5所示為定速軸流風機和離心風機性能曲線的重疊。由圖5可見，離心式風機的最高效率在進口調節門的最大開度處，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（鍋爐風機設計點），而100%mcr點（鍋爐滿負荷連續運行點）在低效率區，變工況時效率則更低，其平均運行效率比動葉可調的軸流風機要低得多。如采用轉速調節，可將風門開到最大，使風機在高效區運行，而通過改變風機的轉速達到控制風量的目的，風機將在很大的范圍內維持高效運行，從而達到節能的目的。
而動葉可調的軸流式風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，因而調節范圍寬。鍋爐設計點（tb）與最大連續運行工況點（100%mcr）相比，流量約大15%～25%，壓力約高30%～40%。在滿足鍋爐設計點條件下，100%mcr工況點位于高效區，平均運行效率高，單風機運行時可滿足鍋爐60%～80%負荷。就運行效率而言，動葉可調的軸流式風機是除變轉速調節外的風機最佳調節方式。
如采用轉速調節，可將風機的安裝角固定在高效區，而通過改變風機的轉速達到控制風量的目的，風機將在很大的范圍內維持高效運行，從而達到節能的目的，但是由于這時的調速范圍小，節能效果也就差。所以也可以將風機的安裝角調到最大，這樣雖然會降低一些運行效率，但是卻大大增加了調速范圍，而風機軸功率的下降是與轉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能效果，詳見下面具體工程案例的計算結果。
5 風機拖動系統的主要特點
葉片式風機水泵的負載特性屬于平方轉矩型，即其軸上需要提供的轉矩與轉速的二次方成正比。風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；對于同一臺風機（或水泵），當輸送的流體密度ρ不變僅轉速改變時，其性能參數的變化遵循比例定律：流量與轉速的一次方成正比；揚程(壓力)與轉速的二次方成正比；軸功率則與轉速的三次方成正比。即：
風機與水泵轉速變化時，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速變化而變化，故當轉速由n變至n＇時，運行工況點將由m點變至m＇點。
應該注意的是：風機水泵比例定律三大關系式的使用是有條件的，在實際使用中，風機水泵由于受系統參數和運行工況的限制，并不能簡單地套用比例定律來計算調速范圍和估算節能效果。
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點的參數求出m＇點的參數。對于風機，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；而對于水泵，其管路系統的靜壓一般不為零，故對于每一個工作點，都要經過相似折算后，才能用比例定律的三個公式求出變速后的參數。
作者簡介
徐甫榮（1946-） 男，1970年畢業于西安交通大學電機工程系發電廠電力網及電力系統專業，后在西安電子科技大學攻讀碩士研究生。畢業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，現為深圳市科陸變頻器公司工程技術總監，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速拖動及節能技術的研究工作，在國內外各類學術刊物上發表論文五十余篇，專著“高壓變頻調速技術應用實踐”等兩本。
參考文獻(略)
（未完待續）
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
