离心风机调节方式改造的节能分析

叶亚兰，江文豪，韦红旗

(1. 江苏海事职业技术学院，南京 211170；2.中冶华天工程技术有限公司，南京 210000；3. 东南大学，南京 210096)

风机是工业生产过程中的重要辅机，如电厂锅炉中的送风机、引风机、一次风机、密封风机等。目前，在大中型工厂的风机配置中，离心风机最为常见。离心风机具有压头高、流量大、价格低廉等特点，因而得到广泛应用。

入口导流器是大型离心风机的重要组成部分(又称为前导叶或入口导叶)，改变其角度可实现风机的流量调节[1]。该调节方式具有性能稳定、维护量少、效率比节流调节高等优点，因此在风机实际运行中也是常用的流量调节手段之一。目前大多新建工厂在设备选型时将大功率风机设计为变速调节方式(主要通过变频器或液为耦合器实现)，配建工厂也在运行一段时间后改为变速调节。

对于改造工程，改造方案的经济效益分析是其可行性研究的重要内容，目前研究离心风机节能改造和经济性对比的实例分析[2-4]，针对入口导流器调节的改造比较少见。

本文以离心风机为研究对象对入口导流器调节和变速调节的经济性进行对比，对离心机变速改造效果进行分析，为变速调节时的定量分析与节能评价做参考。

1 入口导流器调节原理

1.1 原理概述

对于离心风机，入口导流器调节是在风机进口集流器前加装导流器(如轴向导流器、简易导流器等)，通过调整导流器叶片角度，产生不同强度的强制预旋，从而改变通风机的性能曲线并进而改变通风机的工作点[5]，其调节原理如图1所示。

图1 离心风机入口导流器调节原理图

图1中给出了导流器在最大开度基础上关小0°、20°、40°、60°、80°时的风机能头性能曲线。假如管路特性曲线如图1中的pc0所示，则通风机的最大工作流量为qvB，当需要减少流量时，可以逐渐关小进口导流器(增加了导流器的流动阻力，同时引起叶轮进口气流的预旋)，此时工作点沿pc0曲线向小流量方向移动，管路系统中没有额外的节流损失，由于pc0曲线穿越通风机的最高效率区域，在调整风量过程中，风机的工作效率相对较高。

1.2 调节误区

在实际生产中，有的运行人员采用增大管路阻力的方法来使风机在高效工作点运行，但这种方法并不一定是经济的，反而可能影响风机的运行可靠性。假如管路特性曲线变为图1所示的pc1，则风机的最大工作流量减小为qvA，如果风机能头曲线具有“驼峰”，此时就更接近不稳定工作区。由于pc1曲线容易偏离通风机的高效区，同时在满足一定通风量的条件下还需要较高的风压，因此风机的功耗就明显提高。假如通过一些技术措施，减小管路的阻力系数，管路特性曲线变为图1所示的pc2，则风机的最大工作流量增大为qvC。尽管pc2曲线偏离了风机的高效率区域，但与管路特性曲线pc0相比，在满足一定通风量(如qvC)的条件下，通风机所需全压明显降低，风机的耗功一般反而较低。因此，没有必要刻意增大管路阻力来提高风机的工作点效率。

2 变速调节原理

根据相似定律，在相似工况条件下风机转速由n1变为n2时，风机流量、全压、轴功率均发生变化，变化前后各性能参数与转速的关系如下：

qv1/qv2=n1/n2

(1)

p1/p2=(n1/n2)2

(2)

psh1/psh2=(n1/n2)3

(3)

式中qv1、p1、psh1——风机在n1转速时的流量、全压、轴功率；qv2、p2、psh2——风机在n2转速时的流量、全压、轴功率。

由式(1)～式(3)可知，在相似工况条件下，风机的转速与流量成正比，与全压成平方比，与轴功率成立方比，而效率保持不变。因此，风机可一直在高效率下运行。

当管路静能头为零(即管路特性曲线是通过原点的二次抛物线)时，在管路不变的条件下改变风机转速所得到的工况都是相似工况。但在实际的风机系统中，管路静能头并不一定等于零，此时变速运行的工作点不是相似工况点，对比风机变速前后的性能参数时不能直接使用相似定律。这时可先求出变速调节各工作点在额定转速、导流器全开时的相似工况点，再使用相似定律进行计算分析。

3 两种调节方式的经济性对比

3.1 管路及风机性能曲线

现以某离心风机为例，对变速调节与进口导流器调节的经济性进行定量分析。

图2 风机管路特性与全压性能曲线图

为分析管路对节能效果的影响，考虑到管路静能头和管路阻力系数两大因素，分别对系统静能头均为零、阻力系数不同的管路1和管路2，以及系统静能头均不为零、阻力系数不同的管路3和管路4进行讨论，4种管路的特性曲线如图2所示，风机的性能曲线如图3～图4所示。

图3 风机轴功率性能曲线图

图4 风机效率性能曲线图

参数管路1管路2流量/(m3·s-1)160.9151.1143.2133.9123.7119.7115.8112.9108.2102.188.0相对流量/%100.093.989.083.276.9100.096.894.390.485.373.5风压/Pa18541639148113011110275525692434223119951514导流器调节轴功率/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变速调节轴功率/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经济性对比变速调节节省轴功率/kW036.4253.3680.33112.63012.7028.1044.0070.80109.30变速调节节能率/%09.9315.8725.6838.0803.548.0913.5523.0141.36变速调节提高效率值00.070.120.190.2900.030.070.120.200.36效率相对变化值/%09.9315.8725.6838.0803.548.0913.5523.0141.36

注：变速调节节能率为变速调节和导流器调节下风机的轴功率之差与导流器调节下风机轴功率之比。

这两种调节方式均是通过改变泵与风机本身性能曲线来改变工作点(进口导流器调节时在导流器中产生的额外流动损失为风机内部损失)，而管路特性曲线保持不变，因此风机的工作点都是相同的。为了提高系统运行效率，变速运行时进口导流器保持全开。

3.2 系统静能头为零的管路

当管路系统静能头为零时，由于变速运行中的不同工作点为相似工况点，因此变速运行中不同工作点参数之间的关系可以直接采用相似定律计算。如变速运行时，静能头随流量的平方变化，轴功率随流量的三次方变化，效率近似认为不变。考虑到管路阻力系数对两种调节方式经济性的影响，分别对如图2中管1和管2进行分析，最终计算结果如表1所示。

由表1可以得到如下几点：

(1)对于静能头为零的管路，离心风机采用变速调节与采用入口导流器调节相比，风机的效率更高、耗功更小、经济性更好。

(2)对于同一管路，随着流量调节深度的增大(即随着流量减小)，变速调节的节能率迅速增大。这是因为变速调节下风机效率近似不变，一直维持在较高的水平上，而进口导流器调节下风机效率随流量减小迅速下降。

(3)变速调节的节能率等于两种调节方式下的效率相对变化率。这是由于在这两种调节方式下，风机的运行工作点相同。

3.3 系统静能头不为零的管路

对于系统静能头中不等于零的管路，管路特性曲线不是相似抛物线，变速运行的工作点不是相似工况点。此时根据相似定律，可以得出变速调节各工作点在额定转速、导流器全开时的相似工况点，并认为相似工况效率相等。

对于离心风机，如果风机在如图2所示的管路3和管路4中工作(这两个管路的系统静能头为2 000 Pa)，则进口导流器调节、变速调节的经济性对比如表2所示。

由表2中数据可以得到如下几点。

(1)同一管路，随着流量调节深度的增大(即随着流量减小)，变速调节的节能率在增大。这是因为，变速调节能保持较高的效率，而进口导流器调节的效率逐渐下降。

表2 非零静能头管路中变速调节与入口导流器调节的经济性对比

(2)变速运行时，与系统静能头等于零的管路不同，风机在系统静能头不为零的管路中的效率是变化的，但变化幅度不大。

(3)与静能头为零的管路一样，静能头不为零的管路中变速调节的节能率也等于两种调节方式下的效率相对变化率。

为更直观地分析管路对两种调节方式经济性差异的影响，绘制4种管路下的变速调节节能率对比图见图5。

图5 变速调节相对导流器调节的节能率

由图5可以得到如下几点。

(1)变速调节相对导流器调节的节能率与流量近似呈线性反比例关系。

(2)对比管路1和管路2、管路3和管路4的节能率可知，等静能头的不同管路，虽然两种管路的阻力系数有较大差别，但变速调节相对进口导流器调节的节能率曲线近似一致。因此，管路阻力系数对节能率影响不大。

(3)管路3、4与管路1、2相比，变速调节节能率的分布趋势明显减缓，即相同相对流量时的节能率较低。管路3、4与管路1、2的区别在于管路系统静能头。因此，变速调节的节能率主要受系统静能头影响。

4 结语

以某离心风机为例，定量分析了入口导流器调节和变速调节的经济性对比，并分析了管路对调节效果的影响。

(1)变速调节对比入口导流器调节的节能效果与流量和管路有关，流量越小，节能效果越明显；管路系统静能头越小，节能效果越明显。

(2)管路对变速调节节能率的影响因素中，系统静能头起主要作用，管路阻力系数对节能率的影响很小。

因此，将离心风机从定速运行下的入口导流器调节改为变速调节，节能效果与风机负荷和管路特性中的系统静能头有关。

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