风机节能潜力分析及主要对策

1、风机节能潜力分析及主要对策(一)徐常武 彭秀蔓/ 沈阳鼓风机（集团）有限公司石雪松/ 中国通用机械工业协会风机分会摘要：阐述了风机在节能中的地位和作用、风机节能的国内外现状、风机节能技术的发展趋势；重点介绍了风机节能的途径与潜力、风机的选型与节能、节能风机的研制与应用；最后提出了风机节能的潜力与主要对策。关键词：风机；节能；对策中图分类号：TE08 文献标识码：A文章编号：1006-8155（2008）01-0063-07The Potential Analysis and Main Countermeasures for Energy-saving of Fan Abstract: This

2、 paper consists of three parts. The first part specifies the status and functions of fan on energy-saving, the domestic and overseas current situation of fan on energy-saving and the developing trend of energy-saving technique for fan. The second part introduces the means and potentials for energy-s

3、aving, the selection and energy-saving for fan, the research and application for energy-saving of fan. At last, the paper points out the potentials and main countermeasures for energy-saving of fan. Key words: fan; energy-saving; countermeasure 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

4、流式通风机共七大类。虽然轴流式压缩机和离心式压缩机的功率较大，如国内生产的轴流式压缩机的功率最大可达38265kW，离心式压缩机的最大功率可达16000 kW。但是台数很少，以风机分会企业会员单位2005年度的统计数据为例，全年生产的离心式压缩机为159台，轴流式压缩机为90台。而全年生产的各类风机总台数为850770台，各占总台数的比例分别为0.186%和0.105%，可见其比例甚微。为此，可得出结论：风机的主要产品应该是量大面广的通风机。所以，风机产品的节能潜力分析和对策，其重点亦放在通风机产品。1.1 风机在节能中的地位和作用据1990年不完全统计，全国风机的拥有量约400万台，正在使用

5、的约285万台。这些风机绝大多数采用电机驱动，素有“电老虎”之称，因而风机的节能具有十分重要的意义。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%。冶金工业以沈阳冶炼厂为例，风机用电量占该厂用电的25%。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）制造厂的因素风机内效率低。国内风机行业生产的各类风机，大部分内效率较低。风机系列型谱不全。由于风机，特别是通风机的系

6、列型谱不全，用户选用风机时在产品目录和样本上找不到适宜的品种和机号，因而被迫选用代用型号的风机，结果导致了多耗电能。风机装置效率低。一是风机的变速机构比较落后，如V带、蜗轮副等还广泛应用于风机的传动上，使风机的传动效率低；二是调节方法比较落后，大部分还是采用调节门调节。由于上述原因，尽管有的风机内效率较高（达86%），但其装置效率并不甚高。(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。例如，由于通风工程设计者对管网阻力计算不准确，选用风机的人员又担心计算压力和流量不能满足工况需要，故选用过大的安全裕量，或者无适宜性能的风机规格可选而选用风机的高档性能或高压区。结果，由于层层加码，

7、造成所选用风机的额定风量远远超过工况实需风量。这时风机操作者只好采用插板或调节门节流来增加阻力，以求减少风量，使之符合工况要求。由于人为的阻力增加，致使风机使用效率低，导致浪费电能。风机的配套电动机容量选取偏大。由于国产电动机的规格难以完全满足风机的配套，采购时往往选取高档额定功率的电动机，造成大马拉小车，降低了电动机的负荷率，浪费了电能。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。无严格、科学地开停机规定及措施，过早开机或过晚停机都将造成电能的浪费。据某煤炭公司对148台矿井主通风机的调查，运行效率在70

8、%以上的占10%左右；运行效率低于55%的竟达59%。据某钢铁联合企业的调查，通风机的平均运行效率只有40%左右。某发电厂锅炉鼓引风机的最高运行效率只有67.5%，最低仅为45.2%。 （1）推广使用高效节能风机。改造低效的旧式风机，开发高效的系列化的节能风机，并在国民经济各个领域推广使用，是风机节能的根本措施。 （2）更换使用中的旧风机。对使用效率低又没有改造价值的风机，采取逐步淘汰的措施。 （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。经过20多年的努力，风机制造企业对此已做了大量工作。例如，上海鼓风机厂和沈阳鼓风机厂分别引进了德国TLT公司和丹麦诺文科公司的

9、动叶可调轴流通风机技术；成都电力机械厂和沈阳鼓风机厂引进了德国KKK公司的静叶可调轴流通风机技术；武汉鼓风机厂引进了日本三菱重工的动叶可调轴流通风机技术；广州风机厂引进了丹麦诺文科通风设备有限公司的轴流和离心通风机技术；石家庄风机厂引进了日本荏原滨田送风机株式会社NEW3S 4个系列离心通风机产品技术及加工工艺技术；沈阳鼓风机厂引进了意大利新比隆公司MCL、BCL、PCL 3个系列的离心压缩机及日本日立公司DH型离心压缩机技术；陕西鼓风机厂引进了瑞士苏尔寿公司的轴流压缩机技术；长沙鼓风机厂引进了日本大晃机械工业株式会社的罗茨鼓风机技术。 （1）矿井主通风机节能。美国煤矿使用的主风机以轴流式为主

10、，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（Turbo Lufttechnik）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%。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%。 （2）矿用局部通风机（局扇）节能。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%。 国外电厂锅炉鼓、引风机以轴流式为主，其最低效率为84%，最高为90%。日本荏原公司生产的叶轮直径为

11、5m的烧结引风机，其全压效率可达90%；俄罗斯生产的烧结引风机最高效率可达83%。英国Sirocco公司生产的高温风机，采用桨式叶轮（无盖盘径向直叶片叶轮），其全压效率可达75%。德国的研究结果表明，为避免积灰，叶片宜采用弧面或斜面，叶片角控制在38°58°之内。其全压效率可达87%。 瑞士苏尔寿公司生产的超大型离心式曝气鼓风机，其调节范围为额定流量的35%107%，多变效率达82%。日本川崎重工株式会社生产的GM型齿轮组装式鼓风机，其调节范围为65%100%，多变效率可达83%。 国外高炉鼓风机用的轴流式压缩机，多变效率最高达90%，采用全静叶可调机构后使操作范围扩大到额

12、定流量的55%110%。 有代表性的多轴组装式压缩机是美国英格索兰公司制造的Centac型压缩机，其等温效率可达74%。日本日立公司生产的DH型离心压缩机的等温效率已达82%。 日本神户制钢所在引进美国VC型离心压缩机的基础上，经过改进制成了大流量半开式三元叶轮，叶轮的绝热效率为94%。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

13、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）。 未来将会大力开展节能型鼓风机的研制工作。如日本对蜗壳及叶轮等通流部分的形状做了适当改进，有效地防止了涡流及流动分离的产生，其绝热效率比原来的鼓风机提高5%10%；瑞士制造的大流量离心式鼓风机，每级均设有进口导叶，其多变效率亦达82%；日本制造的多级离心式鼓风机，采用进口导叶连续自动调节后，节能率达20%；高速单级离心式鼓风

14、机采用高周速、高压比、半开式径向三元叶轮后，其效率可提高10%；还有的在鼓风机主轴的另一端设有尾气透平，回收尾气排放时的膨胀功来达到节能目的。 高炉煤气余压回收透平发电装置（Top Gas Pressure Recovery Turbine，简称TRT装置），是利用高炉炉顶煤气压力能经透平膨胀做功，驱动发电机的能量回收装置。该装置既节能，又符合环保要求。目前，该装置发展最快、水平最高的是日本。 离心式压缩机将会越来越多地采用三元流动叶轮，使效率平均提高2%5%。如美国研制出的管线压缩机的3种大流量三元叶轮，叶轮效率可达94%95%；日本的单轴多级离心压缩机的效率水平也进一步提高，其首级的大流量

15、半开式三元叶轮的绝热效率达94%。 其调节方式将会更多地采用汽轮机或燃汽轮机驱动，以改变转速来达到节能的目的。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。 从产品设计角度来挖掘风机节能潜力，其主要承担者是风机制造厂、与风机专业有关的大专院校及科研院所。设计人员在设计风机新产品时最注重的性能指标就是效率（亦即节能）。从设计方面考虑，提高风机效率的方法有多种，但最主要的措施有如下几点：（1

16、）采用三元流动叶轮，可使在同等流量、压力条件下的风机效率提高5%10%；（2）新型风机设计好之后，为了验证其设计效果，需要制造出风机模型进行试验，若达不到预期效率目标，还要做设计修正、再试验，直至满意为止；（3）计算机技术普及之后，出现了模拟试验研究的计算流体动力学方法CFD（Computation Fluid Dynamics），只需重新计算一次即可评估改进设计是否有效。虽然也需要一次性能试验，则是为了进一步验证所设计的产品的性能。 设计人员为了提高风机产品效率，哪怕为了提高1%2%，也要绞尽脑汁，想尽各种办法。但这毕竟是余地很小，真正节能的巨大潜力还在广大风机用户。为此，笔者侧重在用户使用

17、过程中的节能潜力分析和对策方面。 风机用户按风机的运行特征是恒速机组或变速机组分别归纳的节能措施如下。（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）

18、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。 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。 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

19、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 根据流体力学理论，气体的流动过程将伴随着损失。例如，气体流过节流装置后，气流的压力会相应减少，也就

20、是它们损失了风机的有用功。由于这一切都是在风机输送气体的过程中发生的，也就是浪费了风机的能量。 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。风机采用不同的调节方式都可达到同一目的，但节能效果各不相同。根

21、据理论分析及实践证明，可得出如下4个方面的结论。 （1）对于鼓风机和压缩机，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=0.65 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。即调节方式对节能效果影响不大，甚至不仅不节能，反而因调节装置的存在多耗功（如液力耦合器）。 （3）一般来说，调节深度越大，节能效果越显著。因此，要慎重选择调节方式，以期获得最大效益。 （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

22、变频电动机调速的节能方案为最佳，但需要增设变频装置。对于中小容量的变频调速建议积极试用；由于大容量高电压变频调速装置价格较高，应结合具体情况，综合比较，决定取舍。总之，既要考虑调节性能，也要考虑设备初投资、可靠性及经济性等，全面评价调节方式的优劣。2.3 管网的合理配置与导流叶片 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。管网是一个与风机用管件直接相接的管路系统，其中往往存在不少多余的管接头、弯头、三通及阀门等管件；在气流流动中也存在不少不合理的通流截面，如突然扩大、突然缩小、突然分流、

23、变向或急转弯等。 （2）漏风。在现场，漏风不仅是毫无意义的浪费，同时也是一个噪声污染源。漏风的原因多种多样，有的是工艺本身缺陷所造成的。在通常管网中，泄漏多发生在节流阀门（挡板）处、管路连接处以及风机站本身。（3）风机进出口管路布局不合理。由于布局不合理，人为地造成流场畸变，影响风机能力的发挥。例如，某锅炉风机因进出口烟风道布置不合理，导致风机效率下降5%；更为严重的造成效率降低到50%。造成的原因可能是由于风机制造厂对风机进出口烟风道布置没有提出明确的要求；也许是设计和安装人员不大了解进气流场质量对风机性能影响较大；还因为布局的好坏不像“漏风”那样直观，不容易引起注意。某电厂对进口布置重新做

24、了合理安排，同时又改进了进口导流叶片，结果风机进口气流流场显著改善，与300MW电站配套的风机效率提高了20%之多，经济效益非常可观。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。 如果在管网配置工作中注意纠正上述问题，基本上就算是布置合理了。需要指出的是，管网布置与工艺流程先进与否有关。否则，管网布置尽管

25、十分合理，但生产工艺本身是落后的，这种布置的合理性意义就显得微不足道了。例如，金属矿山通风系统，也可以看成是一个管网。由于过去采取集中统一通风系统，其结果造成管线长、漏风多及通风效果差。现在采用分区供风、多级机站通风系统，使得管网布置容易做到合理，经济效益更加明显。如某矿现有东、西、北3个采区，还计划开采南采区，各采区所需风量、风压相差较大。原计划采用南、北两台矿井主通风机集中通风，电动机功率为630kW×2=1260 kW。新设计采用三级机站通风系统，选用K系列节能风机21台，FZ系列节能风机15台，装机总容量只需530 kW就足够了，从而可节省功率730 kW。有关合理布置的主要

26、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。在现场改造风机时，如果自制集流器有困难，加一小段小于15°的收敛管亦行。如果受到条件限制，风机进口直管长度不能满足L

27、02.5De，可在管路中加装分流板、均风板或整流网（栅）。如果无法甩掉进口弯管，则管的曲率半径宜加大或加装导流叶片。导流叶片与整流栅等均能消除或削弱涡流，起到使其进口气流均匀化的功效。 （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L02.5De。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。 为减少弯曲管路中的流动损失，采用导流叶

28、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

29、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。 (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。 根据公式求出容量系数。式中N为工作负荷率（%）；T为运行时间比（%）。若90%就划入高流量

30、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。 选择风机的同时，还应考虑调节。 （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

31、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。因此，选风机时首先要确定主次。通常，对于功率大的风机要特别重视节能和高效，高效让位于节能；对于功率虽不大，但数量多的风机，选型时应注意高效风机；对于功率很小却要求环境宁静的，应优先考虑低噪声。在特殊场合，如医院、影剧院及家庭中，低噪声为主要指标，虽然也希望高效，但属于次要地位。 （4）按环境、输送介质及特殊要求选型。例如，矿井风机中的主扇要求满足“反风”的特殊要求；烧结鼓风机要求耐磨；输送具有腐蚀性及潮湿气体的风机需要防

32、腐；锅炉引风机需要较大的调节深度；在易燃易爆环境中运行的风机要选防爆型等。此外，还要注意地域条件。如在高原地区使用，需要对风机性能参数进行换算，以确认是否满足要求等。 自70年代以来，国内已推出一批新型高效节能风机，但面临全社会多样化的要求，远未满足和适应。另一方面，从我国国情出发，在短时间内要想使所有风机都用高效节能风机所取代，无论从人力、物力、财力及技术上都是不可能的。因此，结合实际情况，恰当地进行现场风机的技术改造是必然的，而且是合理的。事实上，使用单位早已进行了大量尝试，取得了不少宝贵经验和经济、社会效益。实践证明，现场风机技术改造是风机节能工作行之有效的方法之一。 （1）新轮换旧轮：

33、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。例如，用4-72系列风机叶轮取代旧式9-57系列风机叶轮，会产生表1所示的节能效果。表1 新轮换旧轮效果风机型号 效率/% 输入功率/kW 转速/(r/min)9-57 59 117 5764-72 89 73 797 （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。例如，鞍山钢铁公司曾将除尘风机G4-7320风机叶轮换成18叶轮，既满足了生产的要求，又获得每年每台风机节电50万kW·h的可观效益。 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