风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座（一）

风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座（一）作 者：国家电力公司热工研究院自动化所 徐甫荣前言我国是能源消费和生产大国，一方面是资源相对不足，尤其是石油、天然气资源匮乏；另一方面是能源利用效率低，且浪费严重，因而经济增长的质量和效益不高，且环境问题日益严重。大量的调查表明我国存在巨大的节能潜力，总节能潜力约为目前能源消费总量的30%40%，各行各业都存在大量的技术上和企业财力上都可行的节能项目，但绝大多数至今还没有实施。我国经济持续高速增长了 30 年。经济总量已达到世界第三位，国内生产总值、工业增长速度、固定资产投资都在高速增长。我国经济持续高速发展带动了能源工业的发展，而能源工业的发展，又成为经济发展的动力，是经济发展的基础。但是也带来了日益严重的环境问题，在世界 144 个国家和地区的“ 环境可持续发展指数”排序中，我国被排在 133 位，我国以煤碳为主的能源结构问题严重。由于向大气层中排放 co2、so2 、氮氧化物，有时阴霾，有时下些酸雨，离开了蓝天、白云、碧水、绿地的生态环境。能源的消耗带来了严重的环境问题。图 1 某 300mw 机组离心式一次风机的性能曲线图 2 某 300mw 机组动叶可调轴流式送风机的性能曲线我国是“气候变化框架公约”的重要签约国，肩负着全球环境方面的责任，节能既解决能源紧张，相当于建设了能效电厂，又减少了污染，保护了环境，在降低能耗的同时，使我国的经济由粗放型向节约型转变，进而促进了经济的发展，既节能又促进、优化了经济、能源、环境。经济（economics）、能源（energy）、环境（environment）、节能（energy saving）是国民经济发展的四个重要的方面，称作 4e。四者之间相互依存、相互需求、相互支持、相互制约，要求一个好的平衡。国民经济的发展要求能源相应发展，能源工业的发展促进了经济的发展，经济的发展、能源的消耗又导致大量的 co2、so2 、氮氧化物排放到大气层中，形成酸雨，温室效应。除了建立电厂以外（热电、水电、核电、风电、太阳能等，主要是热电），节能是能源开发的最好补充，相当于建设了能效电厂。对比热电，它洁净，又不需要煤，不需要运力，不排放 co2、so2、氮氧化物等，因而我国政府确立了“开发和节约并重”的能源方针。电动机系统节能工程是节能的重点工程之一。目前，我国各类电动机总装机容量约 4.2 亿kw，实际运行效率比国外发达国家低 10%30%。用电量占全国的总用电量的 60%左右。“十一五” 期间重点推广高效节能电动机、稀土永磁电动机；在煤炭、电力、有色、石化等行业采用高效节能电动机，实施对风机、水泵、压缩机系统的优化改造，推广变频调速、自动化系统控制技术，使运行效率提高 2 个百分点，年节电 200 亿 kwh。图 3 某 600mw 机组静叶可调轴流引风机的性能曲线图 4 某 660mw 机组动叶可调轴流式送送风机的性能曲线电动机系统变频调速节能工程中，又首推负载为叶片式风机、水泵、压缩机的调速节能技术，因为叶片式风机、水泵、压缩机属于平方转矩型负载，即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。风机、水泵、压缩机在满足流体力学的三个相似条件：即几何相似、运动相似和动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机（或水泵），当输送的流体密度 不变，而仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：即流量与转速的一次方成正比；扬程（压力）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。即：；由于目前绝大部分风机水泵（压缩机）都采用风门挡板（阀门）调节流量，造成大量的节流损耗，若采用转速调节，具有巨大的节能潜力。直到上世纪七十年代，都采用机械调速或滑差电机调速，但这属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗，并且驱动功率受到限制；到上世纪 80 年代，开始采用液力耦合器调速，并且突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但它与滑差电机调速一样，属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗。直到上世纪 90 年代，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，并向高压、大容量领域发展，使采用高压电动机驱动的风机、水泵、压缩机进行变频调速节能改造成为可能。进入新世纪以来，国产高压变频器生产企业如雨后春笋般的涌现，并且其质量和可靠性直逼进口产品，且价格低廉，服务周到，因此在很多领域大有取代进口产品的趋势。风机、水泵、压缩机变频调速节能改造的发展前景一片大好。随着节能减排指标的层层落实，工业设备的节能改造已成为企业的自觉行动。为了帮助企业在确定节能改造项目时做到心中有数，使有限的改造资金取得最大的经济效益，改造前根据设备参数和运行工艺数据进行的节能估算（能效审计）就显得尤为重要；尤其是目前为了推动节能减排工作的全面推广，国家鼓励采用“合同能源管理” 的模式实施节能改造工程，那么改造前的节能估算（能效审计）工作就成为重中之重了：因为它直接关系到“合同能源管理”实施企业的经济利益，甚至关系到 “合同能源管理 ”项目的成败！目前见到的变频调速节能改造项目的节能计算多有偏颇不实之处，这主要是缺乏理论指导和实践经验，而教科书上又缺乏系统的内容，致使大家各行其是，无所适从。当然也不排斥有些节能厂商为了推广其节能产品而误导用户，故意夸大节能效果；但是更多的则是由于没有掌握节能计算方法。所以，根据长期以来从事风机、水泵、压缩机变频调速节能工程的实践，有责任将其总结成文，作为用户在节能改造时参考；同时也希望引起大家的讨论，以便形成共识。图 5 定速轴流风机和离心风机性能曲线重叠比较(a)风机（当管路静压 pst=0 时） (b)水泵（当管路静扬程 hst0 时）图 6 转速变化时风机 (水泵)装置运行工况点的变化第一讲 风机变频调速节能技术1 概论风机与水泵是用于输送流体（气体和液体）的机械设备。风机与水泵的作用是把原动机的机械能或其它能源的能量传递给流体，以实现流体的输送。即流体获得机械能后，除用于克服输送过程中的通流阻力外，还可以实现从低压区输送到高压区，或从低位区输送到高位区。通常用来输送气体的机械设备称为风机(压缩机) ，而输送液体的机械设备则称为泵。2 风机的主要功能和用途 风机按工作原理的不同，可以分为叶片式（又称叶轮式或透平式）和容积式（又称定排量式）两大类。叶片式风机又可以分为离心式风机、轴流式风机、混流式风机和横流式风机；容积式风机又可以分为往复式风机和回转式风机，而回转式风机又可用分为罗茨风机和叶氏风机。风机除按上述工作原理分类外，还常按其产生全压的高低来分类：(1)通风机：指在设计条件下，风机产生的额定全压值在 98pa14700pa 之间的风机。在各类风机中，通风机应用最为广泛，如火力发电厂中用的各种风机基本上都是通风机。(2)鼓风机：指气体经风机后的压力升高在 14700pa196120pa 之间的风机。(3)压缩机：指气体经风机后的压力升高大于 196120pa 以上，或压缩比大于 3.5 的风机。(4)风扇：指在标准状况下，风机产生的额定全压低于 98pa 的风机。这类风机无机壳，故又称自由风扇。3 风机的性能参数风机的基本性能参数表示风机的基本性能，风机的基本性能参数有流量、全压、轴功率、效率、转速、比转速等 6 个。(1)流量：以字母 q(q)表示，单位为（升）l/s、m3/s 、m3/h 等。(2)全压：风机的全压 p 表示空气经风机后所获得的机械能。风机的全压 p 是指单位体积气体从风机的进口截面 1 流经叶轮至风机的出口截面 2 所获得的机械能。风机全压的计算式为：风机的全压等于风机的出口全压（出口静压和出口动压之和）减去风机的进口全压（进口静压和进口动压之和）。(3)轴功率：由原动机或传动装置传到风机轴上的功率，称为风机的轴功率，用 p 表示，单位为 kw。式中：q风机风量（m3/s ）；p风机全压 (kpa)；r传动装置效率；f风机效率；d电动机效率。电动机容量选择：(4)效率：风机的输出功率（有效功率） pu 与输入功率（轴功率）p 之比，称为风机的效率或全压效率，以 表示：(5)转速：风机的转速指风机轴旋转的速度，即单位时间内风机轴的转数，以 n 表示，单位为 r/min（rpm）或 s-1（弧度/秒）。(6)比转速：风机的比转速以 ny 表示，用下式定义：作为性能参数的比转速是按风机最高效率点对应的基本性能参数计算得出的。对于几何相似的风机，不论其尺寸大小、转速高低，其比转速均是一定的。因此，比转速也是风机分类的一种准则。4 风机的性能曲线图 1 所示为 300mw 火电机组离心式一次风机性能曲线，该风机为进口导叶调节，图中 0o 为调节门全开位置，负值为调节门向关闭方向转动的角度；图中虚线为等效率线。图 2 所示为 300mw 火电机组动叶可调轴流式送风机性能曲线，图中虚线为等效率线，0o 代表设计安装角，负值为动叶片从设计安装角向关闭方向转动的角度，正值则相反。由图 1、图 2 可见，风机性能曲线呈梳状，随着风门（动叶片）开大，风机的出口风量和风压都沿阻力曲线增大，其等效率曲线是一组闭合的椭元。这一点是与水泵的性能曲线不同的。图 2、图 4 所示是典型的动叶可调轴流式风机的性能曲线。由图 2 可见，动叶可调轴流式风机叶片的安装角可在最小安装角到最大安装角之间从 0100%调节，随着叶片安装角的增大，风机沿阻力曲线方向风量和风压同时增大，反之则同时减小。100%锅炉负荷（b-mcr）时，叶片开度为 70%左右，相对于安装角50；100汽轮机负荷（thb）时，叶片开度为 65%左右，相对于安装角 00；这两个点应在风机的最高效率区内。但是在锅炉设计时，由于无法精确计算锅炉风道的阻力曲线（图 2 中上面一条是双风机运行时的阻力曲线，下面一条则是单风机运行时的阻力曲线），因此所选用的风机性能曲线不能保证 b-mcr点和 thb 点在高效区内，从而就降低了风机的运行效率，有时甚至可达 20%30% ！轴流式风机叶片的安装角过大或过小，都会使风机的运行工况点偏离高效点，降低风机的运行效率。为了将两种风机的性能进行比较，图 5 所示为定速轴流风机和离心风机性能曲线的重叠。由图 5 可见，离心式风机的最高效率在进口调节门的最大开度处，等效率线和锅炉阻力曲线接近垂直，效率沿阻力线迅速下降。能满足 tb 点（锅炉风机设计点），而 100%mcr 点（锅炉满负荷连续运行点）在低效率区，变工况时效率则更低，其平均运行效率比动叶可调的轴流风机要低得多。如采用转速调节，可将风门开到最大，使风机在高效区运行，而通过改变风机的转速达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目的。而动叶可调的轴流式风机的等效率线与锅炉的阻力曲线接近平行，高效率范围宽，且位置适中，因而调节范围宽。锅炉设计点（tb）与最大连续运行工况点（ 100%mcr）相比，流量约大 15%25%，压力约高 30%40%。在满足锅炉设计点条件下，100%mcr 工况点位于高效区，平均运行效率高，单风机运行时可满足锅炉 60%80% 负荷。就运行效率而言，动叶可调的轴流式风机是除变转速调节外的风机最佳调节方式。如采用转速调节，可将风机的安装角固定在高效区，而通过改变风机的转速达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目的，但是由于这时的调速范围小，节能效果也就差。所以也可以将风机的安装角调到最大，这样虽然会降低一些运行效率，但是却大大增加了调速范围，而风机轴功率的下降是与转速的三次方成正比的，所以功率的降低远大于效率的下降，采用这种运行方式能取得更大的节能效果，详见下面具体工程案例的计算结果。5 风机拖动系统的主要特点叶片式风机水泵的负载特性属于平方转矩型，即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。风机水泵在满足三个相似条件：几何相似、运动相似和动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机（或水泵），当输送的流体密度 不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：流量与转速的一次方成正比；扬程(压力) 与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。即：风机与水泵转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图 6 所示。因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当转速由 n 变至 n时，运行工况点将由 m 点变至 m点。应该注意的是：风机水泵比例定律三大关系式的使用是有条件的，在实际使用中，风机水泵由于受系统参数和运行工况的限制，并不能简单地套用比例定律来计算调速范围和估算节能效果。当管路阻力曲线的静扬程（或静压）等于零时，即 hst=0（或 pst=0）时，管路阻力曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过 m 点的变转速时的相拟抛物线重合，因此，m与 m又都是相似工况点，故可用比例定律直接由 m 点的参数求出 m点的参数。对于风机，其管路静压一般为零，故可用相似定律直接求出变速后的参数；而对