风机节能潜力分析及主要对策

风机节能潜力分析及主要对策1概述风机产品的品种分为离心式压缩机、轴流式压缩机、离心式鼓风机、罗茨鼓风机、叶式鼓风机、离心式通风机和轴流式通风机共七大类。1.1风机在节能中的地位和作用据1982年原机械工业部调查,风机用电约占全国发电量的10%;另据1988年原冶金部的规划资料,我国金属矿山的风机用电量占采矿用电的30%;钢铁工业的风机用电量占其生产用电的20%;煤炭工业的风机用电量占全国煤炭工业用电的17%。由此可见,风机节能在国民经济各部门中的地位和作用是举足轻重的。1.2风机节能的国内外现状(1)制造厂的因素①风机内效率低。②风机系列型谱不全。③风机装置效率低。(2)非制造厂的因素①风机的实际工作点偏离最高效率工况点。②风机的配套电动机容量选取偏大。③管路系统设计不合理,增加了管网阻力,降低了风机使用效率。④风机使用中采用了不适宜的或效率低的调节方法,降低了风机的调节效率。⑤管理不善。国内在风机节能工作中采取的主要措施(1)推广使用高效节能风机。(2)更换使用中的旧风机。(3)尽可能地采用经济性好的调节方法。(4)利用引进技术开发高效节能风机。国外矿用风机节能现状美国煤矿使用的主风机以轴流式为主,目前已大量采用运行中可以改变叶片角度的液压式动叶可调轴流式风机,节能效果好。德国以TLT(TurboLufttechnik)公司为代表,采用液压式动叶调节的轴流通风机,其运行效率可保持在83%～88%。国外矿用风机节能现状俄罗斯是以使用离心式矿井风机为主的国家。由于致力于改进气动性能,使其最大静压效率从72%增加到88%,平均静压效率从52%增至75%。以日本三井三池制作所为代表的低噪声混流式局部通风机,可通过改变叶高和叶片安装角度获得所需要的性能。该风机的最高效率接近80%。1.3风机节能技术的发展趋势通过应用叶轮、蜗壳等元件的研究成果,以及进一步提高制造精度,力求使各种通风机的效率平均提高5%～10%。有的离心通风机已采用了三元叶轮,效率提高10%;大型离心通风机出现了采用较大直径和较窄宽度叶轮、较高转速的高效结构,其最高效率可达87%以上;效率较高的轴流式通风机,最高效率已达92%。从而使产品本身就是节能产品。在运行中的调节节能方面,除了采用较先进的动叶可调、双速电动机、液力耦合器及交流电动机的各种方法调速外,对大型通风机又出现了调速节能的新装置———多级液力变速传动装置MSVD(MultiStageVariableSpeedDrive)。2风机节能的途径与潜力风机节能的途径与潜力总体上可分为两大类。一类是从产品设计角度来提高风机在设计点和变工况区的效率,尽量使风机本身就是节能产品;另一类是从产品现场实际运行的情况来尽可能地提高其实际运行效率(有的称其为装置效率)。其总目标都是减少功耗。风机按风机的运行特征的节能措施(1)恒速机组高效风机替换低效风机;小叶轮换大叶轮;截短叶轮外径;减少级数,拆摘叶片减少其数目;前(中、后)导叶控制,静叶可调;改变动叶安装角,动叶可调;台数组合控制,串-并联;ON-OFF开关控制;进口或出口节流;变叶片宽度;变扩压器安装角;联合调节及微机控制等。(2)变速机组变频调速、调压调速、电磁调速、变极对数调速、串级调速(或转子串电阻)、无换向器电动机调速、蒸汽轮机或燃汽轮机等原动机的变速、液力耦合器、液力调速离合器、机电一体化装置(如微机控制等)、多级液力变速传动装置(MSVD)及其它(如三角带传动等)。2.1管道安装结构设计与节能风机及其系统的节能取决于风机必须是高效率的节能型风机;风机的运行工况必须在所预选的高效率工作区内。因而,必须精确确定系统的阻力-流量关系,为风机给出正确的压力和流量值。急变流场对管道截面上速度和压力分布的影响在气流转弯前后,特别是在它的后面内侧,出现较大的涡区。流线弯曲受离心力的作用,破坏了缓变流条件,静压沿截面不再为常数,流速沿截面的分布就不均匀。在转弯处装设导叶能迫使气流沿内壁流动,从而防止了附面层脱体与涡流的产生。这样,既可使流速沿截面的分布均匀,又可减少阻力。急变流场对风机性能的影响风机使用现场常用的调节装置有闸门、蝶阀等。除全开外,在它们之后都将出现涡区。开度越小,涡区越大,而且在主流区沿截面上的流速分布也将出现严重地不均匀。试验表明,在进气箱中用调节叶片(百叶窗式)调节时,风机性能曲线都有以下的共同特点:(1)当调节叶片安装角在0°～30°范围内,低风量时,诸压力曲线与诸功率曲线都较接近;在中、大风量时,才显示出差别来,但在0°～20°间差别仍不大;(2)当调节叶片安装角自0°向30°变化时,效率曲线略向左移,最高效率略有下降。所有这些特点都是由于调节后叶轮进口处气流获得正预旋引起的。2.2风机的运行调节与节能风机工况点是风机在某一转速下的性能曲线与管网阻力特性线的交点。风机实际运行时,并非永远停留在设计工况点上。它将随用户的需求或外界条件的变化而变化,也就是风机实际上处于变工况下工作。要想使风机的风压或风量达到某一目标值,就需要对风机或管网进行为人为地控制,亦称调节。通过有效地调节,实现在保证风机能够稳定工作的条件下,既要满足生产对流量或压力的要求,又能最大限度地节能。简言之,调节的目的就是满足性能要求,扩大(稳定)工况,实现节能,防止喘振。风机节能结论(1)出口节流调节方式耗功最多。尽管相对流量Qr(实际流量Q与设计流量Q0之比)减少时,功率亦相应减少。如当Q=0.65Q0时,所对应的功率减少到原来的80%左右,但与其它调节方式相比,耗能仍居首位。(2)如果相对流量变化不大时(或称调节深度小时),几种调节方式耗功差别不大。(3)一般来说,调节深度越大,节能效果越显著。(4)变速调节曲线接近理想曲线。所以,变速调节方式优越,特别是采用变频电动机调速的节能方案为最佳,但需要增设变频装置。对2.3管网的合理配置管网配置和节能息息相关,管网布置得好坏,会直接影响到风机性能的发挥。现场中,管网配置不合理现象主要表现在以下几个方面。(1)多余的管件和流场的急变。(2)漏风。(3)风机进出口管路布局不合理。进口管路不合理主要表现在以下几个方面(1)进口缺少必要地直管段,或通过渐扩变径管与进口相连。(2)风机进口与急弯管路直接相连。(3)风机进口与突然收缩管相连,或进气箱结构不合理。风机出口管路布置不合理表现在:(1)风机出口直接接90°弯管或逆向弯管;(2)风机出口直接接分支管路;(3)风机出口直接接突然扩大管。有关合理布置的主要措施有以下几个方面(1)风机进口处要求流速比较均匀,无涡区。在风机进口前面若不接管道,空间也比较开阔,且邻近无障碍物,就可以认为合理,达到了要求;如果接管道,则要求风机进口前有一段直管段,其长度L0不小于2.5De(De为进口当量直径),而且通常是等直径的或略带收敛的,不宜采用扩压形状。尽量避免在进口前存在急转弯,就是转小弯的弯头也不应离进口太近。如果非用不可,应采用双吸入风机进气箱的结构。通常,风机在出厂时,如果是直接吸入式都已装有进口集流器,可使损失显著减少。有关合理布置的主要措施有以下几个方面(2)改善风机出口条件的最好办法,亦是接一段直管段,其长度仍为L0≥2.5De。如果不得不接弯管,则在其中加装导流叶片是一个好方法。(3)在管路上,应尽量少用管件;应选用合适的密封技术,把漏风减少到最低限度。(4)尽量减少沿程和局部阻力。为此,应力求使管网布置最简单,管线尽量短、管内流速接近经济流速,以减少沿程损失。另一方面,截面不宜突变。若必须扩大截面,则采取渐扩管。2.4导流叶片为减少弯曲管路中的流动损失,采用导流叶片是一种行之有效的方法。因为弯管内壁与气流分离及涡区产生、发展的关系较外壁密切,所以内壁附近对减少阻力及流场均匀化影响大。因此,在导流叶片的布置上,靠内壁附近密一些,外侧则稀一些。利用内密外疏的导流叶片布置方式不仅减少了阻力,还可以收到减少叶片数的效果。由于导流叶片的作用,在弯管中的气流趋向内壁。若导流叶片尺寸、数量及安装角选择合理,可以削弱甚至防止气流的分离和涡区的生产。导流的结果使转过弯管的气流流场得到改善,随之减少了压力损失。3风机的选型与节能3.1风机的选型选型即用户根据使用要求在已有的风机系列产品中选择一种适用的风机。风机一旦选定,它将在生产和生活中运行若干年。选型合理会带来方便和效益;选型不当则会造成浪费和烦恼。所以,风机选型是一项非常重要的慎重的工作。通风机的选型原则(1)要满足系统的使用风压和风量。系统使用的风压和风量,必须经过比较准确的分析和计算。如有可能,最好以实测值为基础。如属新建,可借鉴同类或相近系统的实际运行数值。最好使计算数据与实际运行值相差不超过10%。在此范围内,风机可以在高效区工作。除此之外,还需掌握系统可能使用的最大值与最小值,以便调节。(2)根据负荷类型确定调节方案。因为负荷类型对风机调节的经济性影响很大,所以首先需要明确所选风机的负荷属于哪一种类型。通风机的选型原则根据公式φ=∑NT求出容量系数。式中N为工作负荷率(%);T为运行时间比(%)。若φ90%就划入高流量型。这种类型不必采用变频调速装置,因为调速装置本身效率也不过90%左右,况且还要付出一笔可观的初投资;倘若φ接近100%,采用了不但不节能,而且多耗功。对于这种类型,首先要选好风机,使其工况点落在最高效率点附近;其次可采用进口节流或串级调速等作为辅助调节。选择风机的同时,还应考虑调节。通风机的选型原则(3)按高效、节能及低噪的主次选型。通常,高效风机都称为节能风机,然而选用了高效风机并不等于就是节能。因为还要看实际运行的工况是否处在风机性能曲线的最高效率点附近,如果运行中工况是变化的,还要看实际工况是否全部或大部分落入风机性能曲线的高效区域中;就是同一台高效风机,若采用两种不同的调节方式实现相同的目标,实际节能效果也可能差异很大。或者说,即使在同一高效风机系列中,为达到同一目标,可以存在两个或两个以上型号的风机,但在实际运行中节能效果亦大不相同,其中效率高者不一定就是节能最多的(4)按环境、输送介质及特殊要求选型。现场风机的技术改造与节能更换叶轮法(1)新轮换旧轮:叶轮是风机的核心部件,直接影响风机性能的优劣。只要机壳等部件完好,以新型高效叶轮取代气动性能差的旧式叶轮,会有良好的效果。(2)大轮换小轮:由于选型不当或其它原因造成风机实际流量比所需流量大得多,而风机又是新型的,若采用调节的办法又存在设备投资和经济性等问题,此时就可考虑采取小轮换大轮的方法。改变叶片长度法截短或加长叶片是对风机的局部改造,严格来讲,是不能用相似原理来计算改造后的参数的,但现场实践证明,当尺寸变化小于原叶轮直径的15%时,叶片的出口角和效率变化不大,可认为改造前后仍满足几何相似。于是,可借助相似原理估算风机性能,或者反过来根据需要计算叶片被截短或加长的尺寸。叶片形状的改进将轴流式通风机的直叶片换成扭曲叶片效率可以提高2%～3%。这种方法在纺织及矿山用风机改造中都取得了良好的效果。改善径向间隙法在轴流式通风机中,径向间隙与轴向间隙相比,对风机性能影响较大。径向间隙与二次流损失直接相关。通常用相对径向间隙δr=δr/l来表示对性能的影响程度。式中δr为径向间隙;l为叶片高度。当δr(0.5～1.0)%时,可以忽略径向间隙对性能的影响;当δr(0.5～1.0)%时,效率下降值Δη=2.8×[(δr/l)-0.01]。可见,相对径向间隙增加1%,效率将下降2.8%。这种方法无需任何投资,只要在保证安全运转的条件下,适当减少径向间隙,即可收到节能效果。通常,轴流式通风机较为合理的径向间隙可参下表。改变动叶数量法改变风机的结构参数,如叶片数、叶轮级数及叶片安装角等,使之与管网阻力特性合理匹配,可提高效率和最大限度地节能。改变动叶叶片数量法(或称卸叶法)就是其中一种可行的方法。如矿井主通风机在初期运行时所需的风压往往较低,因此,可将两级的轴流通风机中的第一级动叶全部卸掉