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科陆变频节能技术讲座： 科陆变频节能技术讲座： 第一讲 风机变频调速节能技术 第一讲 风机变频调速节能技术 目 录 第一节 概 论 第一节 概 论 1.1. 风机的主要功能和用途 1.2. 风机的性能参数 1.3. 风机的性能曲线 1.4. 风机拖动系统的主要特点 1.5. 风机变频调速节能改造的发展和前景 1.1. 风机的主要功能和用途 1.2. 风机的性能参数 1.3. 风机的性能曲线 1.4. 风机拖动系统的主要特点 1.5. 风机变频调速节能改造的发展和前景 第二节 风机变频调速节能分析 第二节 风机变频调速节能分析 2.1. 风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似 2.2. 叶片式风机（水泵）的相似定律 2.3. 如何求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点 2.4. 风机变频调速节能改造能效审计参数调查表 2.1. 风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似 2.2. 叶片式风机（水泵）的相似定律 2.3. 如何求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点 2.4. 风机变频调速节能改造能效审计参数调查表 第三节 风机变频调速节能效果的计算方法 第三节 风机变频调速节能效果的计算方法 3.1. 风门开度与风量的关系 3.2. 调速范围的确定 3.3. 节能效果的计算 3.4. 轴流式风机的节能计算 3.5. 罗茨式风机的节能计算 3.1. 风门开度与风量的关系 3.2. 调速范围的确定 3.3. 节能效果的计算 3.4. 轴流式风机的节能计算 3.5. 罗茨式风机的节能计算 第四节 风机变频调速和液力耦合器调速节能比较 第四节 风机变频调速和液力耦合器调速节能比较 4.1.4.1. 液力耦合器的工作原理和主要特性参数 4.2. 液力耦合器的工作原理和主要特性参数 4.2. 液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果 4.3. 液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果 4.3. 风机变频调速和液力耦合器调速对比计算 4.4. 风机变频调速和液力耦合器调速对比计算 4.4. 液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比较 4.5. 液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比较 4.5. 结 论 结 论 1 一、 概 论 一、 概 论 风机与水泵是用于输送流体（气体和液体）的机械设备。风机与水泵的作 用是把原动机的机械能或其它能源的能量传递给流体，以实现流体的输送。即 流体获得机械能后，除用于克服输送过程中的通流阻力外，还可以实现从低压 区输送到高压区，或从低位区输送到高位区。通常用来输送气体的机械设备称 为风机（压缩机） ，而输送液体的机械设备则称为泵。 1.1 风机的主要功能和用途 风机按工作原理的不同，可以分为 风机与水泵是用于输送流体（气体和液体）的机械设备。风机与水泵的作 用是把原动机的机械能或其它能源的能量传递给流体，以实现流体的输送。即 流体获得机械能后，除用于克服输送过程中的通流阻力外，还可以实现从低压 区输送到高压区，或从低位区输送到高位区。通常用来输送气体的机械设备称 为风机（压缩机） ，而输送液体的机械设备则称为泵。 1.1 风机的主要功能和用途 风机按工作原理的不同，可以分为叶片式叶片式（又称叶轮式或透平式）和（又称叶轮式或透平式）和容积 式 容积 式（又称定排量式）两大类。（又称定排量式）两大类。叶片式叶片式风机又可以分为风机又可以分为离心式风机、轴流式风机、 混流式风机和横流式风机 离心式风机、轴流式风机、 混流式风机和横流式风机；容积式容积式风机又可以分为风机又可以分为往复式风机和回转式风机往复式风机和回转式风机， 而 ， 而回转式风机回转式风机又可用分为又可用分为罗茨风机和叶氏风机罗茨风机和叶氏风机。 风机除按上述工作原理分类外，还常按其产生全压的高低来分类： （1） 通风机 指在设计条件下，风机产生的额定全压值在 98Pa14700Pa 之间的风机。在各类风机中，通风机应用最为广泛，如火力发电厂中用的各种 风机基本上都是通风机。 （2） 鼓风机 指气体经风机后的压力升高在 14700Pa196120Pa 之间的 风机。 （3） 压缩机 指气体经风机后的压力升高大于 196120Pa，或压缩比大于 3.5 的风机。 （4） 风 扇 指在标准状况下，风机产生的额定全压低于 98Pa 的风机。 这类风机无机壳，故又称自由风扇。 1.2 风机的性能参数 风机的基本性能参数表示风机的基本性能，风机的基本性能参数有 。 风机除按上述工作原理分类外，还常按其产生全压的高低来分类： （1） 通风机 指在设计条件下，风机产生的额定全压值在 98Pa14700Pa 之间的风机。在各类风机中，通风机应用最为广泛，如火力发电厂中用的各种 风机基本上都是通风机。 （2） 鼓风机 指气体经风机后的压力升高在 14700Pa196120Pa 之间的 风机。 （3） 压缩机 指气体经风机后的压力升高大于 196120Pa，或压缩比大于 3.5 的风机。 （4） 风 扇 指在标准状况下，风机产生的额定全压低于 98Pa 的风机。 这类风机无机壳，故又称自由风扇。 1.2 风机的性能参数 风机的基本性能参数表示风机的基本性能，风机的基本性能参数有流量、 全压、轴功率、效率、转速、比转速 流量、 全压、轴功率、效率、转速、比转速等 6 个。 （1） 流量 以字母 Q(q)表示，单位为（升） 等 6 个。 （1） 流量 以字母 Q(q)表示，单位为（升）l/s、ml/s、m 3 3/s、m /s、m 3 3/h /h 等。 （2） 全压 风机的全压 p 表示空气经风机后所获得的机械能。风机的全 压 p 是指单位体积气体从风机的进口截面 1 流经叶轮至风机的出口截面 2 所获 等。 （2） 全压 风机的全压 p 表示空气经风机后所获得的机械能。风机的全 压 p 是指单位体积气体从风机的进口截面 1 流经叶轮至风机的出口截面 2 所获 2 得的机械能。风机全压的计算式为： 得的机械能。风机全压的计算式为： 2 2 11 2 22 /) 2 1 () 2 1 (mNvpvpp+= 风机的全压等于风机的出口全压（出口静压和出口动压之和）减去风机的进口 全压（进口静压和进口动压之和） 。 （3） 轴功率 由原动机或传动装置传到风机轴上的功率，称为风机的轴 功率，用 P 表示，单位为 kW。 风机的全压等于风机的出口全压（出口静压和出口动压之和）减去风机的进口 全压（进口静压和进口动压之和） 。 （3） 轴功率 由原动机或传动装置传到风机轴上的功率，称为风机的轴 功率，用 P 表示，单位为 kW。 fr pQ P . = 式中：Q-风机风量 （ m 式中：Q-风机风量 （ m 3 3/s ） ； p-风机全压 ( kPa )； /s ） ； p-风机全压 ( kPa )； r 传动装置效率； 传动装置效率； f 风机效率； 风机效率； d 电动机效率。 电动机容量选择： 电动机效率。 电动机容量选择： dfr pQ P . = （4） 效率 风机的输出功率（有效功率）Pu 与输入功率（轴功率）P 之 比，称为风机的效率或全压效率，以表示： （4） 效率 风机的输出功率（有效功率）Pu 与输入功率（轴功率）P 之 比，称为风机的效率或全压效率，以表示： P pQ P Pu f . = （5） 转速 风机的转速指风机轴旋转的速度，即单位时间内风机轴的转 数，以 n 表示，单位为 rpm(r/min)或 s （5） 转速 风机的转速指风机轴旋转的速度，即单位时间内风机轴的转 数，以 n 表示，单位为 rpm(r/min)或 s -1 -1 （弧度/秒） 。 （6） 比转速 风机的比转速以 n （弧度/秒） 。 （6） 比转速 风机的比转速以 ny y表示，用下式定义： 表示，用下式定义： 4/3 ) 2 . 1 ( 54. 5 p qn ny = 作为性能参数的比转速是按风机最高效率点对应的基本性能参数计算得出 的。对于几何相似的风机，不论其尺寸大小、转速高低，其比转速均是一定的。 因此，比转速也是风机分类的一种准则。 作为性能参数的比转速是按风机最高效率点对应的基本性能参数计算得出 的。对于几何相似的风机，不论其尺寸大小、转速高低，其比转速均是一定的。 因此，比转速也是风机分类的一种准则。 3 1.3 风机的性能曲线 图 1 所示为 300MW 火电机组离心式一次风机性能曲线， 该风机为进口导叶调 节，图中 0 1.3 风机的性能曲线 图 1 所示为 300MW 火电机组离心式一次风机性能曲线， 该风机为进口导叶调 节，图中 0 o o 为调节门全开位置，负值为调节门向关闭方向转动的角度；图中虚 线为等效率线。图 2 所示为 300MW 火电机组动叶可调轴流式送风机性能曲线， 图中虚线为等效率线， 0 为调节门全开位置，负值为调节门向关闭方向转动的角度；图中虚 线为等效率线。图 2 所示为 300MW 火电机组动叶可调轴流式送风机性能曲线， 图中虚线为等效率线， 0 o o代表设计安装角，负值为动叶片从设计安装角向关闭方 向转动的角度，正值则相反。 代表设计安装角，负值为动叶片从设计安装角向关闭方 向转动的角度，正值则相反。 图 1 离心式风机的性能曲线 图 1 离心式风机的性能曲线 图 2 动叶可调轴流风机的性能曲线 图 2 动叶可调轴流风机的性能曲线 4 图 3 静叶可调轴流引风机的性能曲线 图 3 静叶可调轴流引风机的性能曲线 图 4 动叶可调轴流送风机的性能曲线 图 4 动叶可调轴流送风机的性能曲线 5 由图 1、图 2 可见，由图 1、图 2 可见，风机性能曲线呈梳状，随着风门（动叶片）开大，风机 的出口风量和风压都沿阻力曲线增大，其等效率曲线是一组闭合的椭元。这一 点是与水泵的性能曲线不同的。 风机性能曲线呈梳状，随着风门（动叶片）开大，风机 的出口风量和风压都沿阻力曲线增大，其等效率曲线是一组闭合的椭元。这一 点是与水泵的性能曲线不同的。 图 2、图 4 所示是典型的动叶可调轴流式风机的性能曲线。由图 2 可见，动 叶可调轴流式风机叶片的安装角可在最小安装角到最大安装角之间从 0100 调节 图 2、图 4 所示是典型的动叶可调轴流式风机的性能曲线。由图 2 可见，动 叶可调轴流式风机叶片的安装角可在最小安装角到最大安装角之间从 0100 调节，随着叶片安装角的增大，风机沿阻力曲线方向风量和风压同时增大，反 之则同时减小。 ，随着叶片安装角的增大，风机沿阻力曲线方向风量和风压同时增大，反 之则同时减小。100锅炉负荷（B-MCR）时，叶片开度为 70左右，相对于安 装角5 100锅炉负荷（B-MCR）时，叶片开度为 70左右，相对于安 装角5 0 0；100汽轮机负荷（THB）时，叶片开度为 65左右，相对于安装角 0 ；100汽轮机负荷（THB）时，叶片开度为 65左右，相对于安装角 0 0 0；这两个点应在风机的最高效率区内。但是在锅炉设计时，由于无法精确计算 锅炉风道的阻力曲线（图 2 中上面一条是双风机运行时的阻力曲线，下面一条 则是单风机运行时的阻力曲线） ，因此所选用的风机性能曲线不能保证 B-MCR 点 和THB点在高效区内， 从而就降低了风机的运行效率， 有时甚至可达2030！ 轴流式风机叶片的安装角过大或过小，都会使风机的运行工况点偏离高效点， 降低风机的运行效率。 ；这两个点应在风机的最高效率区内。但是在锅炉设计时，由于无法精确计算 锅炉风道的阻力曲线（图 2 中上面一条是双风机运行时的阻力曲线，下面一条 则是单风机运行时的阻力曲线） ，因此所选用的风机性能曲线不能保证 B-MCR 点 和THB点在高效区内， 从而就降低了风机的运行效率， 有时甚至可达2030！ 轴流式风机叶片的安装角过大或过小，都会使风机的运行工况点偏离高效点， 降低风机的运行效率。 图 5 定速轴流风机和离心风机性能曲线重叠 图 5 定速轴流风机和离心风机性能曲线重叠 为了将两种风机的性能进行比较， 图 5 所示为定速轴流风机和离心风机性能 曲线的重叠。由图 5 可见， 为了将两种风机的性能进行比较， 图 5 所示为定速轴流风机和离心风机性能 曲线的重叠。由图 5 可见，离心式风机的最高效率在进口调节门的最大开度处离心式风机的最高效率在进口调节门的最大开度处， 等效率线和锅炉阻力曲线接近垂直，效率沿阻力线迅速下降。等效率线和锅炉阻力曲线接近垂直，效率沿阻力线迅速下降。能满足 TB 点（锅能满足 TB 点（锅 6 炉风机设计点） ，而 100MCR 点（锅炉满负荷连续运行点）在低效率区，变工 况时效率则更低，其平均运行效率比动叶可调的轴流风机要低得多。 炉风机设计点） ，而 100MCR 点（锅炉满负荷连续运行点）在低效率区，变工 况时效率则更低，其平均运行效率比动叶可调的轴流风机要低得多。如采用转 速调节，可将风门开到最大，使风机在高效区运行，而通过改变风机的转速达 到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目 的。 如采用转 速调节，可将风门开到最大，使风机在高效区运行，而通过改变风机的转速达 到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目 的。 而动叶可调的轴流式风机的等效率线与锅炉的阻力曲线接近平行， 高效率范 围宽，且位置适中，因而调节范围宽。 而动叶可调的轴流式风机的等效率线与锅炉的阻力曲线接近平行， 高效率范 围宽，且位置适中，因而调节范围宽。锅炉设计点（TB）与最大连续运行工况 点（100MCR）相比，流量约大 1525，压力约高 3040。在满足锅 炉设计点条件下，100MCR 工况点位于高效区，平均运行效率高，单风机运行 时可满足锅炉 6080负荷。就运行效率而言， 锅炉设计点（TB）与最大连续运行工况 点（100MCR）相比，流量约大 1525，压力约高 3040。在满足锅 炉设计点条件下，100MCR 工况点位于高效区，平均运行效率高，单风机运行 时可满足锅炉 6080负荷。就运行效率而言，动叶可调的轴流式风机是除 变转速调节外的风机最佳调节方式。 动叶可调的轴流式风机是除 变转速调节外的风机最佳调节方式。 如采用转速调节， 可将风机的安装角固定在高效区， 而通过改变风机的转速 达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的 目的，但是由于这时的调速范围小，节能效果也就差。所以也可以将风机的安 装角调到最大，这样虽然会降低一些运行效率，但是却大大增加了调速范围， 而风机轴功率的下降是与转速的三次方成正比的，所以功率的降低远大于效率 的下降，采用这种运行方式能取得更大的节能效果， 如采用转速调节， 可将风机的安装角固定在高效区， 而通过改变风机的转速 达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的 目的，但是由于这时的调速范围小，节能效果也就差。所以也可以将风机的安 装角调到最大，这样虽然会降低一些运行效率，但是却大大增加了调速范围， 而风机轴功率的下降是与转速的三次方成正比的，所以功率的降低远大于效率 的下降，采用这种运行方式能取得更大的节能效果，详见下面具体工程案例的 计算结果。 1.4 风机拖动系统的主要特点 详见下面具体工程案例的 计算结果。 1.4 风机拖动系统的主要特点 叶片式风机水泵的负载特性属于平方转矩型，即其轴上需要提供的转矩与 转速的二次方成正比。 叶片式风机水泵的负载特性属于平方转矩型，即其轴上需要提供的转矩与 转速的二次方成正比。风机水泵在满足三个相似条件：几何相似、运动相似和 动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机（或水泵） ，当输送的流体密 度 风机水泵在满足三个相似条件：几何相似、运动相似和 动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机（或水泵） ，当输送的流体密 度 不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律比例定律：流量与转速的一次 方成正比；扬程（压力）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成 正比。即： ：流量与转速的一次 方成正比；扬程（压力）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成 正比。即： n n Q Q = ; 2 )( n n H H = 2 )( n n p p = ; 3 )( n n P P = 风机与水泵转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图风机与水泵转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图 4 所示。因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当转速由所示。因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当转速由 n 变至变至 n/ 时，运行工 况点将由 时，运行工 况点将由 M 点变至点变至 M/点。点。 7 qv P O P-qv P-qv n n nn M M H扬程 HST O M M n n nn qv (a) (b) 图图 6 转速变化时风机（水泵）装置运行工况点的变化转速变化时风机（水泵）装置运行工况点的变化 （a）风机（当管路静压）风机（当管路静压 Pst=0 时）时） (b) 水泵（当管路静扬程水泵（当管路静扬程 Hst0 时） ，时） ， 应该注意的是：风机水泵比例定律三大关系式的使用是有条件的，在实际 使用中，风机水泵由于受系统参数和运行工况的限制，并不能简单地套用比例 定律来计算调速范围和估算节能效果。 应该注意的是：风机水泵比例定律三大关系式的使用是有条件的，在实际 使用中，风机水泵由于受系统参数和运行工况的限制，并不能简单地套用比例 定律来计算调速范围和估算节能效果。 当管路阻力曲线的静扬程（或静压）等于零时，即当管路阻力曲线的静扬程（或静压）等于零时，即 HST=0（或（或 PST=0）时， 管路阻力曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过 ）时， 管路阻力曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过 M 点的变转速时的相 拟抛物线重合，因此， 点的变转速时的相 拟抛物线重合，因此，M 与与 M 又都是相似工况点，故可用比例定律直接由 又都是相似工况点，故可用比例定律直接由 M 点的参数求出点的参数求出 M 点的参数。 点的参数。对于风机，其管路静压一般为零，故可用相似定律 直接求出变速后的参数；而对于水泵，其管路系统的静压一般不为零，故对于 每一个工作点，都要经过相似折算后，才能用比例定律的三个公式求出变速后 的参数。 对于风机，其管路静压一般为零，故可用相似定律 直接求出变速后的参数；而对于水泵，其管路系统的静压一般不为零，故对于 每一个工作点，都要经过相似折算后，才能用比例定律的三个公式求出变速后 的参数。 1.5 风机变频调速节能改造的发展和前景 由于目前绝大部分风机都采用风门挡板调节流量，造成大量的节流损耗， 所以风机若采用转速调节，具有巨大的节能潜力。直到上世纪七十年代，都采 用 1.5 风机变频调速节能改造的发展和前景 由于目前绝大部分风机都采用风门挡板调节流量，造成大量的节流损耗， 所以风机若采用转速调节，具有巨大的节能潜力。直到上世纪七十年代，都采 用机械调速或滑差电机调速机械调速或滑差电机调速，但这属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗， 并且驱动功率受到限制；到上世纪八十年代，开始采用液力耦合器调速，并且 突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但它与滑差电机调速一样，属于 低效调速方式，仍有较大的能量损耗。直到上世纪九十年代，随着电力电子技 术和计算机控制技术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，并向高压领域 发展，使采用高压电动机驱动的风机水泵进行变频调速节能改造成为可能。进 入新世纪以来，国产高压变频器生产企业如雨后春笋般的涌现，并且其质量和 可靠性直迫进口产品，且价格低廉，服务周到，因此在很多领域大有取代进口 产品的趋势。风机变频调速节能改造的发展前景一片大好。 ，但这属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗， 并且驱动功率受到限制；到上世纪八十年代，开始采用液力耦合器调速，并且 突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但它与滑差电机调速一样，属于 低效调速方式，仍有较大的能量损耗。直到上世纪九十年代，随着电力电子技 术和计算机控制技术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，并向高压领域 发展，使采用高压电动机驱动的风机水泵进行变频调速节能改造成为可能。进 入新世纪以来，国产高压变频器生产企业如雨后春笋般的涌现，并且其质量和 可靠性直迫进口产品，且价格低廉，服务周到，因此在很多领域大有取代进口 产品的趋势。风机变频调速节能改造的发展前景一片大好。 8 二、 风机变频调速节能分析 二、 风机变频调速节能分析 2.1. 风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似 两台风机（水泵）若 2.1. 风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似 两台风机（水泵）若几何相似几何相似，就是说它们的形状完全相同，只是大小不 同，其中一台风机（水泵）相当于另一台风机（水泵）按一定比例的放大或缩 小。举个形象的例子：两张不同比例尺的中国地图，它是几何相似的，但大小 相差一定的倍数。应该指出的是： ，就是说它们的形状完全相同，只是大小不 同，其中一台风机（水泵）相当于另一台风机（水泵）按一定比例的放大或缩 小。举个形象的例子：两张不同比例尺的中国地图，它是几何相似的，但大小 相差一定的倍数。应该指出的是：本文所说的两台风机（水泵）几何相似，是 指通流部分的几何相似，并不是要求两台风机（水泵）之间的外形轮廓也必须 几何相似。 本文所说的两台风机（水泵）几何相似，是 指通流部分的几何相似，并不是要求两台风机（水泵）之间的外形轮廓也必须 几何相似。 两台风机（水泵）的两台风机（水泵）的运动相似运动相似是指两台几何相似的风机（水泵）通流部分 各对应点的速度三角形相似。显然，只有当两台风机（水泵）的通流部分几何 相似，才有可能运动相似，但满足几何相似条件的，不一定满足运动相似的条 件， 是指两台几何相似的风机（水泵）通流部分 各对应点的速度三角形相似。显然，只有当两台风机（水泵）的通流部分几何 相似，才有可能运动相似，但满足几何相似条件的，不一定满足运动相似的条 件，只有当两台几何相似的风机（水泵）都在对应的工况点运行时（例如：都 运行在最高效率工况点时） ，才是运动相似，所以运动相似又称工况相似。 只有当两台几何相似的风机（水泵）都在对应的工况点运行时（例如：都 运行在最高效率工况点时） ，才是运动相似，所以运动相似又称工况相似。 两台风机（水泵）的两台风机（水泵）的动力相似动力相似则是指作用于两台风机（水泵）内各对应点 上力的方向相同，大小成比例。作用于风机（水泵）内流体的力主要有惯性力、 粘性力的总压力。因此，为使风机（水泵）中的动力相似，必须对应点上的惯 性力与弹性力（或压力与密度）之比相等，惯性力与粘性力之比相等。 则是指作用于两台风机（水泵）内各对应点 上力的方向相同，大小成比例。作用于风机（水泵）内流体的力主要有惯性力、 粘性力的总压力。因此，为使风机（水泵）中的动力相似，必须对应点上的惯 性力与弹性力（或压力与密度）之比相等，惯性力与粘性力之比相等。 2.2 叶片式风机（水泵）的相似定律 叶片式风机与水泵的相似定律是两台风机（水泵）在满足几何相似和运动 相似的前提下导出的。它给出几何相似的风机（水泵）在对应工况点的流量之 间、扬程（或全压）之间、功率之间的相互关系为： 2.2 叶片式风机（水泵）的相似定律 叶片式风机与水泵的相似定律是两台风机（水泵）在满足几何相似和运动 相似的前提下导出的。它给出几何相似的风机（水泵）在对应工况点的流量之 间、扬程（或全压）之间、功率之间的相互关系为： qv/qv=(D2/D2)3n/nv/v （2-1） H/H=(D2/D2)2(n/n)2h/h （2-2） p/p=(D2/D2)2(n/n)2/h/h （2-2a） P/P=(D2/D2)5(n/n)3/m/m (2-3) 式中带“式中带“ ”与不带“ 与不带“ ”分别表示两台相似的风机（水泵）各自的参数。”分别表示两台相似的风机（水泵）各自的参数。v、 、 h、m分别表示风机（水泵）的容积效率、流动效率和机械效率。分别表示风机（水泵）的容积效率、流动效率和机械效率。 式式(2-1)式式(2-3)即为叶片式泵与风机的相似定律。由于式中的即为叶片式泵与风机的相似定律。由于式中的v与与 v、 、 h与 与 h、 、m与与 m常是未知数，故上述各式应用有困难。 常是未知数，故上述各式应用有困难。实践证明，若两台实践证明，若两台 9 几何相似的风机 （水泵） 的线性尺寸几何相似的风机 （水泵） 的线性尺寸 D2与与 D 2相差不很大 （例如当 相差不很大 （例如当 D2(大大)/D2(小小) 3）时，且转速）时，且转速 n 与与 n 也相差不大（例如当 也相差不大（例如当 1.2）时，则可近似认为在对 应工况点 ）时，则可近似认为在对 应工况点v= v、 、h= h、 、m= m。 。这时，式（这时，式（2-1）式（式（2-3）可简化表 示为： ）可简化表 示为： qv/qv=(D2/D2)3n/n (2-4) H/H=(D2/D2)2(n/n)2 (2-5) p/p=(D2/D2)2(n/n)2/ (2-5a) P/P=(D2/D2)5(n/n)3/ (2-6) 式 （式 （2-4） 式 （式 （2-6） 为工程实际中应用的相似定律， 但它们应用于） 为工程实际中应用的相似定律， 但它们应用于 D2(大大)/D- 2(小 小)3 或或 n2(高高)/n2(低低)1.2 时存在一定误差。对于同一台风机（水泵） ，当输 送的流体密度不变而仅转速变化时，性能参数的变化关系式可由式（ 时存在一定误差。对于同一台风机（水泵） ，当输 送的流体密度不变而仅转速变化时，性能参数的变化关系式可由式（2-4） 式（式（2-6）简化得出）简化得出: qv/q v=n/n (2-7) H/H =( n/n)2， ，p/p =( n/n)2 (2-8) P/P =( n/n)3 (2-9) 式（式（2-7）式（式（2-9）称为比例定律。）称为比例定律。 例例 2-1 两台几何相似的离心泵，其两台几何相似的离心泵，其 D2/D 2 =2，且 ，且 n=n ，求此两台泵在对应 工况点的流量比、扬程比和轴功率各为多少。 ，求此两台泵在对应 工况点的流量比、扬程比和轴功率各为多少。 解解 由相似定律式（由相似定律式（2-4）式（式（2-6）得）得: qv/qv=(D2/D2)3 = 8 H/H=(D2/D2)2 = 4 P/P=(D2/D2)5 = 32 即把泵的线性尺寸几何相似地均放大一倍时，对应工况点的流量、扬程、 轴功率将各增到原来的 即把泵的线性尺寸几何相似地均放大一倍时，对应工况点的流量、扬程、 轴功率将各增到原来的 8 倍、倍、4 倍和倍和 32 倍。倍。 例例 2-2 某台离心式风机采用变速调节方式，当其转速降低到原来额定转速 的一半时，其对应工况点的流量、全压、轴功率各降到原额定转速时的多少倍？ （设气体密度不变） 某台离心式风机采用变速调节方式，当其转速降低到原来额定转速 的一半时，其对应工况点的流量、全压、轴功率各降到原额定转速时的多少倍？ （设气体密度不变） 解解 由比例定律式（由比例定律式（2-7）式（式（2-9）得）得: qv/q v=n/n =1/2 p/p =( n/n)2=1/4 P/P =( n/n)3=1/8 10 即当风机的转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、全压、 轴功率各下降到原来的 即当风机的转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、全压、 轴功率各下降到原来的 1/2、1/4 和和 1/8，换句话说，换句话说，用变速调节方式调节流量可 使轴功率值大大下降，这也就是变速调节方式可以大幅度节电的原因 用变速调节方式调节流量可 使轴功率值大大下降，这也就是变速调节方式可以大幅度节电的原因。 应该指出的是本题中的应该指出的是本题中的 n /n=2 1.3，所以计算的结果可能会有一定误差。，所以计算的结果可能会有一定误差。 例例 2-3 已知已知Y4-73No28 型锅炉引风机在抽送型锅炉引风机在抽送 140oC的烟气时所需的轴功率为的烟气时所需的轴功率为 600kW， 试问若用以输送， 试问若用以输送20oC的空气时所需的轴功率为多少？已知烟气在的空气时所需的轴功率为多少？已知烟气在140oC 时的密度为时的密度为 0.85kg/m3，空气在，空气在 20oC时的密度为时的密度为 1.2kg/m3。 解解 由相似定律（由相似定律（2-8）得出在抽送）得出在抽送 20oC 的空气时风机所消耗的轴功率的空气时风机所消耗的轴功率 P 为为: P=P/ =600*1.2/0.85=847(kW) 故在考虑锅炉引风机和水泥旋窑高温风机的电动机和变频器的功率时，应 注意到风机在冷态起动时所需的轴功率值。 故在考虑锅炉引风机和水泥旋窑高温风机的电动机和变频器的功率时，应 注意到风机在冷态起动时所需的轴功率值。 2.3 如何求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点 相似定律只适用于几何相似的风机（水泵）对应工况点之间的关系，因此， 在应用相似定律之前，需要先找到对应工况点关系。对应工况点又称相似工况 点，可以通过下面两种方法求几何相似的风机（水泵）的相似工况点。 2.3 如何求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点 相似定律只适用于几何相似的风机（水泵）对应工况点之间的关系，因此， 在应用相似定律之前，需要先找到对应工况点关系。对应工况点又称相似工况 点，可以通过下面两种方法求几何相似的风机（水泵）的相似工况点。 （1） 根据相似工况点的效率相等求相似工况点间的关系。 相似定律式 （） 根据相似工况点的效率相等求相似工况点间的关系。 相似定律式 （2-4） 式（式（2-6）是在假设相似工况点各效率对应相等的前提下得出的，这就是说，对 应工况点的效率必相等。下面根据这一思路求相似工况点间的关系。两台几何 相似的风机（水泵）的最高效率是相等的，且每台风机（水泵）都只有一个最 高效率点，所以各几何相似的风机（水泵）的最高效率点是相似工况点；进一 步看，在各几何相似的风机（水泵）的性能曲线上最高效率点的右侧（大流量 侧）也彼此有一个效率相等的工况点，它们也都是对应工况点，同理在最高效 率的左侧（小流量侧） ，又可找到彼此效率相等的对应工况点。 ）是在假设相似工况点各效率对应相等的前提下得出的，这就是说，对 应工况点的效率必相等。下面根据这一思路求相似工况点间的关系。两台几何 相似的风机（水泵）的最高效率是相等的，且每台风机（水泵）都只有一个最 高效率点，所以各几何相似的风机（水泵）的最高效率点是相似工况点；进一 步看，在各几何相似的风机（水泵）的性能曲线上最高效率点的右侧（大流量 侧）也彼此有一个效率相等的工况点，它们也都是对应工况点，同理在最高效 率的左侧（小流量侧） ，又可找到彼此效率相等的对应工况点。 （2）求出各相似工况点的连接曲线相似抛物线。下面以求同一台泵在 转速变化时的相似抛物线为例说明。若某泵在额定转速 ）求出各相似工况点的连接曲线相似抛物线。下面以求同一台泵在 转速变化时的相似抛物线为例说明。若某泵在额定转速 n 下某工况点的流量为下某工况点的流量为 q v，扬程为 ，扬程为 H ，需要求当转速变化时，与其对应的各相似工况点。设与工况点 （ ，需要求当转速变化时，与其对应的各相似工况点。设与工况点 （q v,H ）对应各相似工况点的流量为）对应各相似工况点的流量为 qv，扬程，扬程 H，qv与与 H 随着转速的变化而 改变。因为相似工况点间都满足相似定律和比例定律，故由式（ 随着转速的变化而 改变。因为相似工况点间都满足相似定律和比例定律，故由式（2-7）qv/q v=n/n 与式（与式（2-8）H/H =（ （n/n ）2联立求解，消去转速比联立求解，消去转速比 n/n 项得： 项得： 11 H=Hqv H=Hqv 2 2 /(qv) /(qv) 2 2 (2-10) 式（式（2-10）即为一条经坐标原点和额定转速）即为一条经坐标原点和额定转速 n 时某工况点（时某工况点（q v ,H ）的相似 抛物线。 其上各点为变转速时的各相似工况点。 如图 ）的相似 抛物线。 其上各点为变转速时的各相似工况点。 如图 7 所示， 当转速为所示， 当转速为 n1、 n2 时，对应的相似工况点为（ 时，对应的相似工况点为（qv1,H1） 、 （） 、 （qv2,H2） 。） 。 Q流量 H扬程 H O H1 H2 H3 n n1 n2 n3 qv 3qv 2q v 1 qv H=H/(q )q vv 22 图图 7 过（过（q v,H ）点的相似抛物线）点的相似抛物线. 同理， （通）风机变转速时，过（同理， （通）风机变转速时，过（q v,p ）点的相似抛物为）点的相似抛物为: p=p.qv.qv 2 2/(qv) /(qv) 2 2 (2-11) 2.4. 风机变频调速节能改造能效审计参数调查表风机变频调速节能改造能效审计参数调查表 风机变频调速节能改造能效审计参数调查表 风机变频调速节能改造能效审计参数调查表 -年 月 -日 单位名称 -年 月 -日 单位名称 负载类型负载类型 联系人联系人 联系电话联系电话 地地 址址 邮政编码邮政编码 邮邮 箱箱 设设 备备 基基 本本 参参 数数 电电 动动 机机 参参 数数 风风 机机 参参 数数 电动机型号电动机型号/ 风机型号风机型号 额定功率（额定功率（kW） 风机类型风机类型 额定电压（额定电压（kV） 额定流量额定流量 (m3/s) 额定电流（额定电流（A） 额定全压额定全压 (kPa) 额定转速额定转速(r/min) 额定转速额定转速 (r/min) 额定效率额定效率 额定效率额定效率 额定功率因数额定功率因数 额定轴功率（额定轴功率（kW） 12 转子开路电压转子开路电压 进口压力进口压力 (kPa) 转子短路电流转子短路电流 出口压力出口压力 (kPa) 电机动类别：同步式电机动类别：同步式 鼠笼式鼠笼式 绕线式绕线式 起动方式：起动方式： 直接起动直接起动 转子串水电阻起动转子串水电阻起动 定子串水电阻起动定子串水电阻起动 其其 它它 设设 备备 运运 行行 参参 数数 电电 动动 机机 参参 数数 风风 机机 参参 数数 运行电压运行电压 (kV) 进口风门开度进口风门开度(%) 运行电流运行电流 (A) 出口风门开度出口风门开度(%) 有功功率（有功功率（kW.h） 出口风量出口风量(m3/s) 无功功率无功功率 (kVar) 出口风压（出口风压（kPa） 实际转速实际转速 (rpm) 回流流量回流流量 (m3/s) 功率因数功率因数 风机转速（风机转速（rpm） 工工 艺艺 流流 程程 参参 数数 工艺数据工艺数据 锅炉负荷（锅炉负荷（t/h） 投料量（投料量（t/h） 发电量（发电量（MW） 日产量（日产量（t/h） 实际工况、工艺 流程描述 实际工况、工艺 流程描述 电动机的其它 有关描述 电动机的其它 有关描述 对变频系统的 要求及欲实现 的功能与效果 对变频系统的 要求及欲实现 的功能与效果 注：注：1、如果工艺上没有此项，可以不填；、如果工艺上没有此项，可以不填； 2、工艺数据是指此工况下能满足工艺要求的最小数值；、工艺数据是指此工况下能满足工艺要求的最小数值； 3、实际工况、工艺流程描述尽量详细清楚；、实际工况、工艺流程描述尽量详细清楚； 4、电动机的其它有关描述一般是指何种类型的电机、起动方式，有无液力耦合器等。、电动机的其它有关描述一般是指何种类型的电机、起动方式，有无液力耦合器等。 注意：注意：1. 在填写风机的额定风压和实际运行风压时，一定要注明是绝（对）压力还是表压 力，他们相差一个大气压； 在填写风机的额定风压和实际运行风压时，一定要注明是绝（对）压力还是表压 力，他们相差一个大气压； 2. 这里所说的“压力” ，是一种习惯的叫法，实际指的是“压强” ：也就是单位面积 上的压力。 这里所说的“压力” ，是一种习惯的叫法，实际指的是“压强” ：也就是单位面积 上的压力。 三、风机变频调速节能效果的计算方法 三、风机变频调速节能效果的计算方法 3.1 风门开度与风量的关系 风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系是非线性的，不同类型的 风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系也是不一样的。从图 1、图 2 可 3.1 风门开度与风量的关系 风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系是非线性的，不同类型的 风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系也是不一样的。从图 1、图 2 可 13 以看出：以看出：离心式风机在不同风门开度时的特性曲线之间的间隔是不均匀的，也 就是说其线性度很差；而轴流式风机在不同叶片角度时的特性曲线之间的间隔 是比较均匀的，也就是说其线性度较好；不同类型的风机在相同的风门开度（叶 片角度） （）时的风量（）也是不一样的。 离心式风机在不同风门开度时的特性曲线之间的间隔是不均匀的，也 就是说其线性度很差；而轴流式风机在不同叶片角度时的特性曲线之间的间隔 是比较均匀的，也就是说其线性度较好；不同类型的风机在相同的风门开度（叶 片角度） （）时的风量（）也是不一样的。见图 8 所示。 就拿离心式风机来说， 可以在图 3 上画一条阻力曲线， 与不同风门开度的特 性曲线的交点即为不同风门开度时的工作点，由各个工作点读出的风门开度、 风量及风压的关系数据列于表 1，不同风门开度与风量之间的关系则画于图 8。 根据图 3、图 4，用同样的方法可以作出静叶可调和动叶可调的轴流式风机不同 叶片角度与风量之间的关系，其数据列于表 2、表 3，曲线画于图 8。 由图 8 可以看出， 离心式风机的风门开度风量曲线的线性度最差： 小风门 时，随着风门的开大，风量增大很快；当风门开度大到 50以上时，风量增大 的速度明显放慢，当风门开度大到 75以上时，风量增大已不太明显了。而静 叶可调轴流风机的叶片角度风量曲线就要显得平坦一些了，动叶可调轴流风 见图 8 所示。 就拿离心式风机来说， 可以在图 3 上画一条阻力曲线， 与不同风门开度的特 性曲线的交点即为不同风门开度时的工作点，由各个工作点读出的风门开度、 风量及风压的关系数据列于表 1，不同风门开度与风量之间的关系则画于图 8。 根据图 3、图 4，用同样的方法可以作出静叶可调和动叶可调的轴流式风机不同 叶片角度与风量之间的关系，其数据列于表 2、表 3，曲线画于图 8。 由图 8 可以看出， 离心式风机的风门开度风量曲线的线性度最差： 小风门 时，随着风门的开大，风量增大很快；当风门开度大到 50以上时，风量增大 的速度明显放慢，当风门开度大到 75以上时，风量增大已不太明显了。而静 叶可调轴流风机的叶片角度风量曲线就要显得平坦一些了，动叶可调轴流风 机