1 引言
在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛；其電能消耗和諸如閥門、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、維修費(fèi)用占到生產(chǎn)成本的7%~25%，是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開支。隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，市場競爭的不斷加��；節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。
目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。它的卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率，延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大而得到充分的體現(xiàn)。
2 風(fēng)機(jī)的參數(shù)及特性
2.1 風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)
(1) 風(fēng)量Q—單位時間流過風(fēng)機(jī)的空氣量(m3/s，m3/min，m3/h)；
(2) 風(fēng)壓H—當(dāng)空氣流過風(fēng)機(jī)時，風(fēng)機(jī)給予每立方米空氣的總能量(kg·m)稱為風(fēng)機(jī)的全壓Ht(kg·m/m3)，其由靜壓Hs和動壓Hd組成。即Ht=Hs+Hd；
(3) 軸功率P—風(fēng)機(jī)工作有效的總功率，又稱空氣功率；
(4) 效率η—風(fēng)機(jī)軸上的功率P除去損失掉的部分功率后剩下的風(fēng)機(jī)內(nèi)功率與風(fēng)機(jī)軸上的功率P之比，稱為風(fēng)機(jī)的效率。
2.2 風(fēng)機(jī)的相似理論
風(fēng)機(jī)的流量，運(yùn)行壓力，軸功率這三個基本參數(shù)與轉(zhuǎn)速間的運(yùn)算公式極其復(fù)雜，同時風(fēng)機(jī)類負(fù)荷隨環(huán)境變化參數(shù)也隨之變化，在工程中一般根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線，進(jìn)行大致的參數(shù)運(yùn)算，稱之為風(fēng)機(jī)相似理論：
Q/Qo=n/no
H/Ho=(n/n0o)2(ρ/ρo)
P/P0=(n/no)3(ρ/ρo)
式中：Q—風(fēng)機(jī)流量；
H—風(fēng)機(jī)全壓；
n—轉(zhuǎn)速；
ρ—介質(zhì)密度；
P— 軸功率。
風(fēng)量Q與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比，Q∝n；風(fēng)壓H與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的平方成正比，H∝n2；軸功率P與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的立方成正比，P∝n3。
2.3 電動機(jī)容量的計算
式中：P—風(fēng)機(jī)電動機(jī)所需的輸出軸功率(kW)；
Q—風(fēng)機(jī)風(fēng)量(m3/s)；
H—風(fēng)機(jī)風(fēng)壓(kg/m2)；
ηr—傳動裝置的效率，直接傳動為1.0，皮帶傳動為0.9~0.98，齒輪傳動為0.96~0.98；
ηF—風(fēng)機(jī)的效率；
102—由kg·m/s變換為kW的單位變換系數(shù)。
3 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)輸出風(fēng)量的方法
3.1 通過改變風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)特性曲線來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量的調(diào)節(jié)
這種辦法是通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開關(guān)程度來實現(xiàn)的，如圖1所示。
圖1 不同管網(wǎng)的特性曲線風(fēng)機(jī)風(fēng)量的特性曲線
風(fēng)機(jī)檔板開度一定時，風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)特性曲線R1工作時，工況點(diǎn)為M1，其風(fēng)量、風(fēng)壓分別為Q1、H1，其輸出流量是Q1。
將風(fēng)機(jī)的擋板關(guān)小，管網(wǎng)特性曲線變?yōu)镽2，工況點(diǎn)移至M2，風(fēng)量、壓力變?yōu)镼2、H2，其輸出流量是Q2。
將風(fēng)機(jī)的擋板再關(guān)小，管網(wǎng)特性曲線變?yōu)镽3，工況點(diǎn)移至M3，風(fēng)量、壓力變?yōu)镼3、H3，其輸出流量是Q3。
從上面的曲線分析，通過調(diào)速風(fēng)機(jī)檔板的開度，管網(wǎng)的特性參數(shù)將發(fā)生變化，輸出流量發(fā)生變化，這樣就達(dá)到了在定速運(yùn)行時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出流量的目標(biāo)。
在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量的過程中，而風(fēng)機(jī)的性能曲線(H-Q曲線)不變，工況點(diǎn)沿著風(fēng)機(jī)的性能曲線(H-Q曲線)由M1移到M2，特性曲線由R1變?yōu)镽2，風(fēng)機(jī)輸出流量由Q1變?yōu)镼2，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，操作容易。目前多數(shù)風(fēng)機(jī)都采用這種方法，但是由于風(fēng)機(jī)的內(nèi)部壓力由H1變?yōu)镠2，這樣，在流量減少的同時，壓力同時上升，在檔板上消耗了大量的無效軸功率，極大地降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，浪費(fèi)了大量的能源。
3.2 通過改變風(fēng)機(jī)葉片的角度來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)
當(dāng)風(fēng)機(jī)管網(wǎng)性能曲線不變時，通過改變風(fēng)機(jī)葉片的角度，使風(fēng)機(jī)的特性曲線(H-Q曲線)改變，工況點(diǎn)將沿著管網(wǎng)特性曲線移動，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。
如圖2所示，風(fēng)機(jī)葉片角度為α1時，M1點(diǎn)是原來工況點(diǎn)，其風(fēng)量、風(fēng)壓分別為Q1、H1；風(fēng)機(jī)葉片角度為α2時，風(fēng)機(jī)性能曲線(H—Q曲線)由α1線變?yōu)棣?線，與管網(wǎng)特性曲線相交于M2，風(fēng)量、風(fēng)壓變?yōu)镼2、H2；風(fēng)機(jī)葉片角度為α3時，風(fēng)機(jī)性能曲線(H—Q曲線)由α2線變?yōu)棣?線，與管網(wǎng)特性曲線相交于M3，風(fēng)量、風(fēng)壓變?yōu)镼3、H3。
圖2 不同風(fēng)機(jī)葉片的角度時風(fēng)機(jī)風(fēng)量的特性曲線
在這種調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法中，管網(wǎng)特性曲線不變，通過風(fēng)機(jī)葉片角度的變化，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)性能(H—Q曲線)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的。
這樣，在調(diào)低流量的同時，風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力也隨之下降，具有很好的節(jié)電效果。但是這種方法使風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)磨損較大。同時，調(diào)節(jié)葉片角度必須停機(jī)進(jìn)行，無法在需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行、連續(xù)調(diào)節(jié)的場合。
3.3 通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)
在風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)特性不變，風(fēng)機(jī)葉片角度不變的情況下，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)的特性曲線(H—Q曲線)平行移動，工況點(diǎn)將沿著管網(wǎng)特性曲線移動，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。如圖3所示。
圖3 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不同時的特性曲線
當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n1時，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線與管網(wǎng)特性曲線R相交于M1點(diǎn)，其風(fēng)量、風(fēng)壓分別為Q1、H1；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n2時，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線與管網(wǎng)特性曲線R相交于M2點(diǎn)，其風(fēng)量、風(fēng)壓分別為Q2、H2。
當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，流量降低的同時，風(fēng)機(jī)的壓力也同時隨之降低，這樣，在調(diào)低流量的同時，風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力也隨之下降，具有極好的節(jié)電效果。這種方法不必對風(fēng)機(jī)本身進(jìn)行改造，轉(zhuǎn)速由外部調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)檔板可處于全開位置保持不變，并能實現(xiàn)無級線性調(diào)節(jié)風(fēng)量，適合于需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，連續(xù)調(diào)節(jié)的場合。
4 轉(zhuǎn)速與采用檔板調(diào)節(jié)流量消耗功率的差值
采用改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和改變管網(wǎng)特性進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)相同風(fēng)量時，其風(fēng)機(jī)的特性曲線(H-Q曲線)變化不同，二種調(diào)節(jié)方法的運(yùn)行工況點(diǎn)也不同，其運(yùn)行的對比如圖4所示。
圖4 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與檔板調(diào)節(jié)的特性曲線對比
4.1 在額定流量Q1時
風(fēng)機(jī)檔板為額定開度，其管網(wǎng)特性曲線為R1，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，其特性曲線為n1，此時風(fēng)機(jī)處于額定出力的狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和檔板調(diào)節(jié)的工況點(diǎn)重合，處于M1點(diǎn)，此時兩種調(diào)節(jié)方式的消耗軸功率是相同的。
4.2 在運(yùn)行中需輸出風(fēng)量Q2時
調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將風(fēng)量調(diào)為Q2，這時風(fēng)機(jī)的特性曲線(H-Q曲線)平行下移，工況點(diǎn)處于M2點(diǎn)，風(fēng)機(jī)壓力變?yōu)镠2，風(fēng)壓風(fēng)量同時下降。其消耗的軸功率為：
調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)檔板改變管網(wǎng)特性，將風(fēng)量調(diào)為Q2，這時風(fēng)機(jī)的特性曲線(H-Q曲線)不變，管網(wǎng)特性曲線由R1變化到R2，與n1時的風(fēng)機(jī)特性曲線相交于M3，此時風(fēng)量為Q2，風(fēng)壓為Hf，在曲線上看出，Hf＞H1，雖然風(fēng)量下降了，但是風(fēng)壓卻上長了，其消耗的軸功率為：
4.3 在輸出風(fēng)量為Q2時，風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與檔板調(diào)節(jié)方式下消耗的軸功率差值
（1) 風(fēng)壓變化幅度
速度調(diào)節(jié)時風(fēng)壓的變化：
H2=H1(n/n0)2(ρ/ρ0 )
檔板調(diào)節(jié)時風(fēng)壓的變化：
Hf＞H1
由于在運(yùn)行時，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量時，H2<
（2) 檔板調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)消耗軸功率的差值：
將H2=H1(n/n0)2(ρ/ρ0 )與Hf≈H1代入上式可得：
△P≈P3 [1-(n/n0)2(ρ/ρ0)]
5 具體事例
湖南華菱漣源鋼鐵集團(tuán)田湖公司活性石灰車間，回轉(zhuǎn)石灰窯配套引風(fēng)機(jī)型號為GW-GR168D，額定壓力8000Pa，配套電機(jī)型號YKK450-2-4，功率500kW，電壓為6kV的三相交流異步電動機(jī)，風(fēng)門采用檔板調(diào)節(jié)，正常時回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的負(fù)壓為100~250Pa，運(yùn)行檔板開度為30%左右。
5.1 工頻運(yùn)行時的測試結(jié)果
2005年2月1日—3月2日回轉(zhuǎn)窯引風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時的測試結(jié)果如表1所示：
表1 回轉(zhuǎn)窯引風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時的測試結(jié)果
5.2 變頻運(yùn)行時的測試結(jié)果
應(yīng)用的JZHICON-1A-06/063高壓變頻器對回轉(zhuǎn)窯風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)，6月17日到6月23日變頻運(yùn)行實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。
表2 變頻運(yùn)行實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計
從表2中可以看出，經(jīng)變頻改造后，在滿足回轉(zhuǎn)窯負(fù)壓的情況下，風(fēng)機(jī)電流明顯減少，由25A～35A降為11A～23.5A變頻器輸入電流則降到6A以下，風(fēng)機(jī)平均電耗也由280.32kW降到54.5kW，節(jié)電率為80.1%。
5.3 對其它設(shè)備的影響
改為變頻調(diào)節(jié)后，對其它設(shè)備的影響有：
(1) 避免了電動機(jī)啟動時對電機(jī)的沖擊損害及對電網(wǎng)的沖擊；
(2) 提高了引風(fēng)機(jī)的自動控制能力；
(3) 減少了引風(fēng)機(jī)和高壓除塵器的振動；
(4) 由于轉(zhuǎn)速的降低，對風(fēng)機(jī)的葉輪、軸承等壽命得以延長。
5.4 節(jié)能效果
石灰車間回轉(zhuǎn)窯引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速工況下長時間運(yùn)行的節(jié)能效果：
(1) 引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時間
石灰車間回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)為十二天一個生產(chǎn)周期，十天進(jìn)行活性石灰生產(chǎn)，二天進(jìn)行修窯。
(2) 引風(fēng)機(jī)月運(yùn)轉(zhuǎn)時間
24h×30天×10天/12天=600h
引風(fēng)機(jī)年運(yùn)轉(zhuǎn)時間：600h×11月=6600h
(3) 變頻運(yùn)行后節(jié)電
引風(fēng)機(jī)運(yùn)行單耗節(jié)約量： 280.32kWh-54.5kWh=225.82kWh
2.2 引風(fēng)機(jī)年節(jié)約電量
225.82×6600=1490412kWh
(4) 經(jīng)濟(jì)效益
石灰車間電價是每花費(fèi)0.57元/kWh
引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行每小時節(jié)約電費(fèi)：225.82×0.57=128.72元
引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行每月節(jié)約電費(fèi)：135492×0.57=77230.44元
引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行年節(jié)約電費(fèi)：1490412×0.57=849534元
5.5 設(shè)備投資回收
JZHICON-1A-06/063高壓變頻器在引風(fēng)機(jī)上投入運(yùn)行后，石灰車間回轉(zhuǎn)窯在滿負(fù)荷生產(chǎn)狀況下，引風(fēng)機(jī)每年節(jié)約電費(fèi)達(dá)85萬元，在一年內(nèi)即可收回投資成本。
6 結(jié)束語
通過以上分析得出，采用轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)風(fēng)量時，比用檔板調(diào)節(jié)風(fēng)量時，節(jié)約軸功率為額定轉(zhuǎn)速與運(yùn)行轉(zhuǎn)速平方值乘以檔板運(yùn)行軸功率消耗值。當(dāng)風(fēng)量調(diào)節(jié)幅度越大，節(jié)電效果越高。對我國風(fēng)機(jī)現(xiàn)有的運(yùn)行狀況調(diào)查，其中大多數(shù)處于大馬拉小車的狀態(tài)，用檔板進(jìn)行運(yùn)行流量的調(diào)節(jié)，極大的浪費(fèi)了電能，若采用調(diào)速方式運(yùn)行，可以大量節(jié)約電能，并能在1至2年內(nèi)收回投資成本。
