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1、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风机节能的国内外现状(1)制造厂的因素 风机内效
2、率低。风机系列型谱不全。风机装置效率低。(2)非制造厂的因素 风机的实际工作点偏离最高效率工况点。风机的配套电动机容量选取偏大。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。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。管理不善。国内在风机节能工作中采取的主要措施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l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。l德国以 T
3、L T(Turbo Luf t technik)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国外矿用风机节能现状l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%。l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风机节能技术的发展趋势l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
4、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(Multi Stage Variable Speed Drive)。2 风机节能的途径与潜力风机节能的途径与潜力l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
5、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
6、、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管道安装结构设计与节能l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急变流场对管道截面上速度和压力分布的影响l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
7、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急变流场对风机性能的影响l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。l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 030 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 020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。l所有
8、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的运行调节与节能l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。风机节能结论风机节能结论(1)出口节流调节方式耗功最多
9、。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=0.65 Q0 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的合理配置l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
10、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。l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
11、求;如果接管道,则要求风机进口前有一段直管段,其长度 L 0 不小于 2.5 De(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 L 0 2.5 De。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
12、,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 导流叶片导流叶片l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
13、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 风机的选型与节能风机的选型与节能l3.1 风机的选型l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。l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
14、,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。通风机的选型原则通风机的选型原则l根据公式=N T 求出容量系数。式中N 为工作负荷率(%);T 为运行时间比(%)。若 90%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
15、择风机的同时,还应考虑调节。通风机的选型原则通风机的选型原则(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
16、造与节能现场风机的技术改造与节能l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。改变叶片长度法改变叶片长度法l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
17、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。叶片形状的改进叶片形状的改进l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。l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r=r/l 来表示对性能的影响程度。式中r 为径向间隙;l 为叶片高度。当r(0.51.0)%时,效率下降值=2.8 (r/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
18、果。l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动叶数量法l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,或者在每个叶轮上对称地卸下 4 或 8 个叶片,以满足初期运行的需要,并达到节省功率的目的。降低排气动能法l某矿井主通风机的出口动压达200Pa,占风机全压的 40%。出口安装扩压器后,动压降至60Pa。仅此一项,风机的能耗就减少20%左右。3.2 调速设
19、备的应用调速设备的应用l变速调节与节能 在保持管网阻力特性不变的条件下,通过改变风机转速使风机性能曲线相应变化的调节方式称为变速调节。由于该调节方式无附加压力损失,所以是一种高效的调节方法,节能效益最佳。值得注意的是:如果调速是增速,则应验算风机的强度、振动及其转子的临界转速,以及电动机是否超载、噪声是否允许等。液力耦合器变速调节液力耦合器变速调节l液力耦合器的主要技术参数是功率、转速及调速范围等。在选择时,除必须满足用户要求的技术参数之外,还要考虑结构简单、运行可靠及价格便宜等因素。液力耦合器铭牌上注明的是和电动机直联的参数,并非真实反映用户要求的参数。在选用调速液力耦合器时,应注意的是:即
20、使耦合器处于满负荷工作时,也存在小于 3%的转差功率损失,因此选配电动机时应留有合理的裕量;其次要注意投资规模和回收效益,对于老设备改造应尽量利用原有的电动机,选用规格适当的液力耦合器。调压调速调压调速l当转差率 S 一定时,异步电动机电磁转矩TU2,所以可以通过调整定子端电压实现调速,这种调速方法称为调压调速。供电电源大都直接取自电网,频率为50Hz,电压为 380V 保持不变。通常使用的笼型交流电动机是三相的,因此欲调压亦需三相调压器。由于晶闸管(SCR)几乎不消耗铜铁材料、体积小、价廉及控制方便,故已成为交流调压器的主要型式。该调压器主要是从额定电压向低电压调节。l该方法的优点是线路简单
21、,调压装置体积小、价格低及使用维护方便。缺点是低速运行时转差功率大,效率低及调速特性软。如需提高调速精度,需要采用转速反馈的闭环控制系统。电磁调速电动机调速电磁调速电动机调速l电磁调速电动机由恒速笼型电动机和靠励磁电流调速的电磁离合器组成。笼型电动机作为主动机,带动电磁离合器,为主动部分;其从动部分与负载连接,且与主动部分只有磁路联系而无机械联系。通过控制励磁电流改变磁路磁通,使离合器产生可控涡流转矩,实现调速目的。l电磁调速电动机又称滑差电机或 VS 电机,国内已成系列,功率范围 0.4500 kW。该调速方法的优点:结构及控制线路简单,加工方便,运行可靠,价格便宜,易于维修及对电网无谐波影
22、响。在闭环控制时,调速范围大于 10:1,调速精度约 2%。适用于中小功率电动机。缺点是:本身低速效率低,高速特性软(但对风机的负载特性影响不大),输出最大转速只有空载转速 n0 的 80%90%,损失较大。变极对数调速变极对数调速l当电网频率保持 50Hz 恒定时,根据 n0=60 f/P,只要改变极对数 P,即可方便地得到3000r/min、1500r/min,等不同的同步转速。由于没有附加转差功率损耗,所以这是一种高效型的调速方法。由于 P 都是正整数,因此调速不能做到连续平滑,只能是有级调速。要求风机改变转速 n0 后,工作时间尽量长,越长节能效益越显著。这种方法采用的变极对数笼型电动
23、机称多速电动机。倘若它与调压调速或电磁调速结合起来,既可以减少转差损耗,又可在很大范围内保持高效率工作。国内已有双速、三速及四速的多速电动机。变极对数调速变极对数调速l该法属于高效型调速方法,其优点主要是控制简单、初投资少、维护方便、可分段启动和减速,节能效果好。双速电动机驱动风机的节电效果见表 3。缺点是只能有级调速,改造时原电动机需要被多速电动机所取代。变频调速变频调速l由于同步转速与电源频率 f 1 成正比,所以只要能连续改变 f 1 就可以实现无级调速。变频调速不存在人为地附加转差损失,故该法已成为现代交流调速的基础和主力,也是风机比较理想且有发展前途的调速方法。l变频器可分成交流 直
24、流 交流(简称交-直-交)变频器和交流 交流(简称交-交)变频器两大类。前者又称带直流环节的间接式变频器;后者又称直接式变频器。l简言之,以改变异步电动机定子端输入电源的频率来改变电动机转速的方式称为变频调速。在风机上经常使用的变频调速装置主要有交-直-交式中的电压型、电流型及脉冲宽度调制型(PWM)3 种。变频调速变频调速l变频调速的优点是效率高,不存在因调频而带来的附加转差损耗;调速范围宽,一般可达20:1;特性硬,调速精度高,易实现无级调速。由于多数变频器可以做到能量回馈,启动又相当于分级启动,所以启、制动能耗少。旧设备改造时,由于可以利用原笼型电动机,对减少初投资特别有利。变频调速可以
25、根据不同负载要求赋予不同的协调控制方式。它特别适宜调节深度大的运行或启动频繁(如开关控制)的风机。此时可选比电动机功率小的调速装置,进行节能运行。l主要缺点是变频器复杂,不仅初投资大,而且要求使用维护及管理技术水平高。同步电动机调速控制同步电动机调速控制l同步电动机的转速与交流电网频率间保持严格关系,即 n=60 f/P。也就是说,同步电动机调速只有唯一的改变电源频率的方法。连续地改变电源频率的大小,就可以方便地实现无级调速。加设这种变频装置的同步电动机可以发展成无换向器电动机,或称晶闸管电动机,它可分为直流式和交流式两类。直流式由同步电动机和晶闸管逆变器组成。通常采用交-直-交变频器,即先用
26、晶闸管整流器将交流电变为直流电,然后再通过晶闸管逆变器供电给电动机定绕组。交流式由同步电动机和频率变换器组成。电动机定子绕组由自控式工作的交-交变频器供电。4 风机节能的潜力与主要对策风机节能的潜力与主要对策l风机制造厂的潜力与对策l据不完全统计,目前全国风机行业制造厂的年产量约为 200 万台,如在设计制造方面设法使每台风机的效率提高 1%,平均每台按20kW、年工作时间按 3000h 计算,则可年节电1200 亿 kW h。对于风机行业的高精尖产品(主要指离心式压缩机和轴流式压缩机),主要是发挥引进技术的作用。l对于风机行业的量大面广的产品(主要指通风机),主要采取组织有关院所、高校与企业
27、相结合,研制开发节能风机产品。(1)研制开发矿用风机。研制中、小型煤矿用轴流和离心式通风机,每台可节电7500kW h。(2)研制新型高效局部通风机。每台可节电1.2 万 kW h,年产量可达 930 台左右,可节电共 1116 万 kW h。(3)研制各种锅炉用高效节能风机。年产量可达 2 万台,可节电 1 亿 kW h。4.1 风机用户的潜力与对策风机用户的潜力与对策l提高风机本身的效率当然是基本的、重要的。风机研究单位和风机制造厂努力于搞三元流动叶轮设计,CAD/CAM 一体化等项目,为使风机效率提高 1%3%而绞尽脑汁;可是,现场使用中很多风机效率丢失 10%30%却没有引起广泛的重视
28、。也就是说,风机使用单位的节能潜力更大。设计、制造单位与用户结合,找出风机使用中存在的问题,是发掘风机节能潜力最有效的途径。4.2 风机使用中经常存在的主要问题风机使用中经常存在的主要问题(1)风机选型不当。一是对所需要的风量与压力层层加码。出现这种现象有技术问题,有人为问题,也有现行设计规范和其它方面的问题。如一些非专业人员选择风机时缺少计算,缺乏调查分析,只靠手头已有的样本。有的设计主管人员保守求稳,计算风量、风压偏大,忽略经济性分析。更多的是管路系统设计安装质量差,维护管理水平低,难以考虑的因素多,这也给设计人员带来困难;二是风压选择过大或过小。风压选择过大将导致实际风量增大,会引起功率
29、加大,耗能增加,初投资上升,尺寸及质量增加等一系列后果;风压选择过小会导致风量不足,不能满足生产需要。另外,电动机长期处于低负荷运转,效率低。风机使用中经常存在的主要问题风机使用中经常存在的主要问题(2)风机不检测、无调节或调节不完善。很大一部分风机处于非满负荷工作,如果不进行适时必要的调节,就会造成风机、电动机低效运行,浪费能源。据对某钢铁公司的调查结果发现,除烧结厂的烧结鼓风机、发电厂的锅炉鼓、引风机配有较好的调节装置外,其余几乎无调节或只采用出口或进口挡板节流调节。就其数量而言,约 90%的风机无调节,检测就更谈不上了。有些风机本身虽配有调节装置,但弃之不用,这并不是个别现象。l由于现场
30、对风压、风量的需要不够明确,再加上缺少必要的调节,即使选择了高效风机也无济于事,即所谓高效风机低效运行。风机使用中经常存在的主要问题风机使用中经常存在的主要问题(3)风机管网布置不合理。(4)科学管理水平低。有相当数量的风机在现场处于无人管理或有名无实的管理状态中。有的风机长期处于不合理运行,某些现场人员只求可靠运行却不问节能与否。l此外,对节能的重要意义认识不足,基础资料不完整,管理机构不健全,规章制度不完善,也是管理水平低的一些表现。l总之,我国风机节能潜力很大。国家能源短缺,特别是全世界的原油价格居高不下,煤炭价格上扬,从而导致电价上涨,一方面要开发能源,另一方面也要大力节能。把节能视为第三能源,则是节能工作的最高准则。