离心式风机节电技术探讨

离心式风机节电技术探讨摘要针对离心风机的特点，结合烧结厂的实际应用，对风机的节能特点及效果进行了论述，降低了电量消耗，取得了较好的经济效益。关键词风机节能1前言能源是国民经济发展的基础资源，节约能源不但可以保护国家资源，缓解能源供需矛盾，改善环境质量，还可以大大降低企业成本，提高产品竞争力。对于采用机上冷却工艺的首钢矿业公司烧结厂而言，冷热风机的耗电量占全厂总耗电量的70%以上，因此风机的节能，对企业的节能是非常重要的。2风机节能的原理和方法对一台离心式风机而言，其原动机输入的轴功率P可以用下式表示：P=QH/（1000ηF）。其中P为轴功率，单位kW；Q为流量，单位m3/s（实际应用中一般采用m3/h或m3/min）；H为离心式风机的全压，单位为Pa；ηF为离心式风机的效率。将离心式风机在某一转速下的流量Q、全压H、轴功率P、效率ηF之间的关系用一组曲线表示，称这组曲线为离心式风机在该转速下的性能曲线，如图-1所示。图-1离心式风机性能曲线从图-1看出，在转速一定的条件下，轴功率P随着流量Q的增大而增大；全压H随着流量Q的增加而降低；而效率ηF曲线随着流量Q的增大呈山峰形状，有一个最大点。对于现场的离心式风机而言，它总是要与管网配合工作的。当气体通过管网时，要克服管网的通风阻力h，管网阻力h与气体流量Q之间存在如下关系：h=RQ2，式中R称为管网的风阻系数（R值越大，相同流量下的管网阻力越高）。h、R、Q之间的关系用图形表示如图-2所示：ηFHPQ（m3/h）h（Pa）RQ（m3/h）图-2管网风阻特性曲线离心式风机工作时，气体在离心式风机中获得能量，其全压H和流量Q按照离心式风机的性能曲线工作；气体通过管网时，通风阻力h与流量Q又要按照管网风阻特性曲线工作，因此离心式风机要工作在两条曲线的交点上。在实际应用中，离心式风机的风量一般按最大值进行选取，同时留有一定的备用量。为了解决不同工艺参数下需要不同风量的要求，一般在进口处都装有控制风量的碟阀，当需要较大的风量时，蝶阀角度开大，当需要较小的风量时，减小碟阀的角度，即截流调节。通过截流调节，可以控制流量，减少部分输入功率，但大部分能量损失在调节阀上，对节能是非常不利的。图—3为离心式风机节能示意图。曲线H1为离心式风机在额定转速ne下的全压曲线，曲线H2为离心式风机在转速n2下的全压曲线（ne＞n2）；R1为离心式风机蝶阀全开情况下的风阻特性曲线，R2为离心式风机蝶阀减小情况下的风阻特性曲线（R2＞R1）。当碟阀角度为全开时，离心式风机按曲线H1工作，与曲线R1相交于B点，离心式风机工作在B点，流量为QB，全压为HB，管网风阻系数为R1。为了减少风量，将碟阀开度减小，则风阻系数增大，由R1变为R2，离心式风机工作在A点，流量为QA，全压为HA。由轴功率P的计算公式可知：在B点的轴功率PB=QBHB/（1000ηF），在A点的轴功率PA=QAHA/（1000ηF）。从图-3看出，由于QA＜QB，而HA＞HB，因此PA与PB相差不大，节能效果不明显。为了最大限度地节约电能，在减小流量的同时，如果能将全压同步减小，则轴功CHAHBHCH1H2R2R1Q（m3/h）ABQAQB图—3离心式风机节能示意图率将明显降低。为了达到这样的目的，可以对离心式风机进行调速。在图-3中，通过调速，使离心式风机由额定转速ne下降到转速n2运行，全压曲线由H1变为H2，由于离心式风机蝶阀角度不变，则风阻特性曲线仍然为R1，H2与曲线R1相交于C点，此时流量仍然为QA，全压为HC，则轴功率PC=QAHC/（1000ηF）。由于QA＜QB，而HC＜HB，因此PC＜PB，因此节能效果非常明显。对于离心式风机而言，在效率不变的前提下，流量Q与转速n成正比关系，而轴功率P与转速的立方n3成正比关系，因此，在需要调节流量的时候，采用调速运行是非常节能的。在实际应用中，调速可分为高效调速和低效调速两大类。高效调速是指在调速过程中没有转差损耗或对转差损耗可以进行回收的调速，如变极电动机调速、变频调速、串极调速等。低效调速是指在调速过程中有转差损耗的调速，如电磁调速电机调速、调压调速、液力偶合器调速等。高效调速方法在调速过程中转差变化很小，但为了实现调速，在系统中需要增加相应的调速装置，如变频调速中的变频器及其控制装置，串极调速中的整流装置、逆变装置、变压器等，它们都要消耗电能，但这些装置大都是电力电子元件，本身功耗很低，效率很高，一般90%——95%左右，但调速运行时，离心式风机的轴功率按转速的3次方下降，因此采用调速运行可以节约电能。应当指出的是，虽然高效调速装置本身的效率较高，但电动机的效率随负载的降低而下降，而离心式风机类负载与转速的3次方成正比，因此电动机本身的效率下降较多，造成整个系统在低速运行时效率下降。对于低效调速方法，由于存在转差，系统的效率会下降。效率η与电动机的转差率S之间存在如下关系：η=（1-S）×100%。对于离心式风机类负载，在调速运行时，节电效果主要与流量变化大小有关，当流量在额定容量的90%以上变化时，一般不采用变速调节；因为调速装置本身的效率在90%左右，即便调速，也不会产生较大的节能效果。当流量在90%以下变化时，可以采用变速调节，特别是大容量离心式风机，采用变速调节后，节能效果是非常明显的。在调速运行过程中，容量大的离心式风机，节电的实际效果也大，但调速装置本身的投资也大，应做综合比较。一般可按如下方法进行选择：1）电动机功率在10kW以下的，一般不采用调速装置。2）电动机功率在10kW~55kW之间的，应首先考虑投资较少的调速装置。在流量变化大的场合，可以采用多速电机。3）电动机功率在55kW~100kW之间的，若流量在80%——90%之间变化，一般采用低效调速；若流量在80%以下，一般采用高效调速。4）电动机功率在100kW以上的，尽可能采用高效调速方法。5）对一些重要场合，应选择可靠性能高的调速方法，如变频调速、液力偶合器等。当离心式风机工作的实际流量变化范围较大时，采用调速运行可以节约大量的电能；但有些情况下，由于设计或其它方面的原因，离心式风机的实际运行工况与其额定工况偏差较大或离心式风机的容量偏大，同时实际运行的风量又基本保持稳定，此时可以对离心式风机进行改造，达到节能的目的。当流量和全压都偏高时，可以通过切削叶轮直径的办法，达到节能的目的。具体方法是：已知离心式风机的实际使用流量为Q’，按公式Q’/Q=（D’/D）2（D’：切削后的叶轮直径、Q’：离心式风机的实际流量、D：原来的叶轮直径、Q：离心式风机的额定流量）计算出切削后的叶轮直径，然后进行切削，实现离心式风机的节能。当离心式风机的叶轮变小后，叶轮与外壳之间的间隙增大，叶轮与外壳之间的回流损失增大。一般情况下，其最大允许切削量控制在原直径的0.15%以内，否则风机的效率将下降。以首钢矿业公司烧结厂的抽风机为例，原风机设计流量为9000m3/min，设计风机进口负压为12.5kPa，烟气温度150℃，风机叶轮的直径为2700mm；实际运行过程中，需要的风量为8000m3/min，风机进口负压为8kPa左右，烟气温度为85℃左右，因此一直采取减小风机进口蝶阀角度的办法进行控制；后来，对风机叶轮进行了改造，将叶轮直径减小了100mm，风机效率略有下降，但节电效果非常明显，平均每小时节电300kWh，为节能降耗作出了贡献。需要说明的是，切削叶片的方法只适应于叶片形式为板式叶片的离心式风机。对于机翼型叶片，需要重新制作叶片，然后进行焊接。叶轮改造前，还要对风机本身的振动特性进行分析，防止改造后的风机工作在振荡区。对于全压合适而流量偏大的离心式风机，可以采用减小叶片宽度的办法，按公式b’/b=Q’/Q（b’：减小后的叶片宽度、Q’：离心式风机的实际流量、b：原来的叶轮宽度、Q：离心式风机的额定流量）计算出叶片宽度，然后进行改造,从而达到节能的目的。但切割的叶片宽度应控制在原宽度的15%—20%的范围内。除了调速运行和叶轮改造的方法外，对离心式风机而言，加强检修质量，合理调整进气口与叶轮的间隙，也能提高风机效率，减少电能损耗。以首钢矿业公司烧结厂的9000m3/min抽风机为例，经过一段时间的运行后，风机进口导流板出现了较大的磨损。结合检修，对风机进口导流板进行更换，减小了导流板与叶轮之间的间隙，在烧结机工况相同的情况下，每小时平均节电100kWh，对节能降耗作出了贡献。对于漏风率比较高的离心式风机系统——如烧结机的冷热风机（漏风率一般在50%左右）——通过加强操作，也可以达到节能的目的。以图-3为例，假如离心式风机在额定状态下运行，按曲线H1运行于A点，当烧结机运行稳定、透气性比较好时，烟道内的负压降低，相当与管网阻力减小，由R2变为R1，离心式风机由A点转向B点工作，流量从QA增大为QB；同时，由于负压降低，漏风量减少，实际烧结机上的风量将增大，此时可以适当减低风机运行速度或降低蝶阀角度，将风量调整到原来的数值，从而达到节能的目的（对于抽风机而言，由于漏风温度为空气温度，低于烟气温度，因此漏风少时，进入离心式风机的废气温度将上升）。相反，当烧结机的透气性下降，则负压升高、废气温度下降，同等风量情况下所需的电能将会上升。因此通过加强操作，提高烧结机的透气性，就可以达到节能的目的。以首钢矿业公司烧结厂的冷热风机为例，通过控制废气温度、负压等参数，保证风机负荷基本稳定，由于采用同步电机进行拖动，功率因数基本控制在1，因此采用控制电机电流的方法进行负荷调整，使得电耗水平有了明显的下降。对于一些大型的离心式风机，一般采用滑动轴承，轴承内部实行强制润滑，而润滑油质量的好坏，对风机能耗的影响也是很大的。以首钢矿业公司烧结厂的热风机为例，额定风量为9000m3/min，额定风压12.5kPa，额定转速1500rpm，配用电机为3200kW的10kV同步电动机，轴承形式为滑动轴承，原来采用的润滑油为普通气轮机润滑油，后改为LE6401型润滑油，轴瓦温度有所下降，在烧结机工况相同的情况下，节电效果达到了2.5%；同时由于油膜质量的提高，减少了轴瓦磨损，延长的设备的使用寿命，减少了检修费用。除了上述几种节能方法之外，还可以采用以下方法，达到节能的目的：1）一些没有改造价值或新建项目，可以采用新型高效节能离心式风机，一般可以得到较好的效果。2）提高检修质量，保证内部导流部件的表面光滑，改进各部密封等，都可以收到一定的节能效果。3）对离心风机的进口集流器进行改造，尽量减小集流器与风机叶轮前端盖之间的间隙，减少内部泄露损失，也可以保证风机在高效下运行。3结束语在实际的工作中，只要认真研究，结合实际情况，采取合理的应对方法，离心式风机的效率一般可以提高3%以上，特别是大容量的风机，其节电效果是非常明显的。参考书目[1]金哲主编.节能技术与节电工程.中国电力出版社.134～176