第一讲风机变频调速节能技术.docx
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第一讲风机变频调速节能技术
科陆变频节能技术讲座:
第一讲风机变频调速节能技术
第一节概论
1.1.风机的主要功能和用途
1.2.风机的性能参数
1.3.风机的性能曲线
1.4.风机拖动系统的主要特点
1.5.风机变频调速节能改造的发展和前景
第二节风机变频调速节能分析
2.1.风机(水泵)的几何相似,运动相似和动力相似
2.2.叶片式风机(水泵)的相似定律
2.3.如何求出几何相似风机(水泵)之间的相似工况点
2.4.风机变频调速节能改造能效审计参数调查表
第三节风机变频调速节能效果的计算方法
3.1.风门开度与风量的关系
3.2.调速范围的确定
3.3.节能效果的计算
3.4.轴流式风机的节能计算
3.5.罗茨式风机的节能计算
第四节风机变频调速和液力耦合器调速节能比较
4.1.液力耦合器的工作原理和主要特性参数
4.2.液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果
4.3.风机变频调速和液力耦合器调速对比计算
4.4.液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比较
4.5.结论
一、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。
1.1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98Pa~14700Pa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14700Pa~196120Pa之间的风机。
(3)压缩机指气体经风机后的压力升高大于196120Pa,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。
1.2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);
-传动装置效率;
-风机效率;
-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η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rpm(r/min)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。
1.3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。
图1离心式风机的性能曲线
图2动叶可调轴流风机的性能曲线
图3静叶可调轴流引风机的性能曲线
图4动叶可调轴流送风机的性能曲线
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0~100%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。
图5定速轴流风机和离心风机性能曲线重叠
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。
1.4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ρ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4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。
(a)(b)
图6转速变化时风机(水泵)装置运行工况点的变化
(a)风机(当管路静压Pst=0时)(b)水泵(当管路静扬程Hst≠0时),
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;而对于水泵,其管路系统的静压一般不为零,故对于每一个工作点,都要经过相似折算后,才能用比例定律的三个公式求出变速后的参数。
1.5风机变频调速节能改造的发展和前景
由于目前绝大部分风机都采用风门挡板调节流量,造成大量的节流损耗,所以风机若采用转速调节,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;到上世纪八十年代,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。
直到上世纪九十年代,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,并向高压领域发展,使采用高压电动机驱动的风机水泵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迫进口产品,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。
风机变频调速节能改造的发展前景一片大好。
二、风机变频调速节能分析
2.1.风机(水泵)的几何相似,运动相似和动力相似
两台风机(水泵)若几何相似,就是说它们的形状完全相同,只是大小不同,其中一台风机(水泵)相当于另一台风机(水泵)按一定比例的放大或缩小。
举个形象的例子:
两张不同比例尺的中国地图,它是几何相似的,但大小相差一定的倍数。
应该指出的是:
本文所说的两台风机(水泵)几何相似,是指通流部分的几何相似,并不是要求两台风机(水泵)之间的外形轮廓也必须几何相似。
两台风机(水泵)的运动相似是指两台几何相似的风机(水泵)通流部分各对应点的速度三角形相似。
显然,只有当两台风机(水泵)的通流部分几何相似,才有可能运动相似,但满足几何相似条件的,不一定满足运动相似的条件,只有当两台几何相似的风机(水泵)都在对应的工况点运行时(例如:
都运行在最高效率工况点时),才是运动相似,所以运动相似又称工况相似。
两台风机(水泵)的动力相似则是指作用于两台风机(水泵)内各对应点上力的方向相同,大小成比例。
作用于风机(水泵)内流体的力主要有惯性力、粘性力的总压力。
因此,为使风机(水泵)中的动力相似,必须对应点上的惯性力与弹性力(或压力与密度)之比相等,惯性力与粘性力之比相等。
2.2叶片式风机(水泵)的相似定律
叶片式风机与水泵的相似定律是两台风机(水泵)在满足几何相似和运动相似的前提下导出的。
它给出几何相似的风机(水泵)在对应工况点的流量之间、扬程(或全压)之间、功率之间的相互关系为:
qv/q’v=(D2/D’2)3·n/n’·ηv/η’v(2-1)
H/H’=(D2/D’2)2·(n/n’)2·ηh/η’h(2-2)
p/p’=(D2/D’2)2·(n/n’)2·ρ/ρ’·ηh/η’h(2-2a)
P/P’=(D2/D’2)5·(n/n’)3·ρ/ρ’·ηm/η’m(2-3)
式中带“'”与不带“'”分别表示两台相似的风机(水泵)各自的参数。
ηv、ηh、ηm分别表示风机(水泵)的容积效率、流动效率和机械效率。
式(
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