冷卻塔風(fēng)機調(diào)速與調(diào)角的效率優(yōu)化

陳建平，王 偉，趙春曉

（天津科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300222）

0 引言

風(fēng)機作為機械通風(fēng)冷卻塔中的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等行業(yè)。風(fēng)機的耗電量占全國總用電量的9%，因此風(fēng)機的變頻節(jié)能運行以及葉片調(diào)角使風(fēng)機在較高效率下運行對節(jié)能降耗尤為必要[1]。風(fēng)機變頻帶來的節(jié)能效果非常顯著，但變頻使風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低又造成風(fēng)機效率的下降。本文通過風(fēng)機變頻調(diào)速與葉片調(diào)角結(jié)合的方式來提高風(fēng)機運行效率，使風(fēng)機盡可能長時間的在較高效率下運行，從而減少損耗，達(dá)到更大限度的節(jié)能。

1 風(fēng)機額定工況的確定

風(fēng)機的總效率由三部分構(gòu)成：原動機效率、機械傳動效率、風(fēng)機效率。其中風(fēng)機效率直接影響風(fēng)機的有效功率，風(fēng)機的有效功率是指單位時間內(nèi)風(fēng)機運行使流體具備的機械能[2]。本文只對風(fēng)機效率分析對效率進(jìn)行優(yōu)化。

風(fēng)機效率計算公式：

式中：pa為風(fēng)機全壓；Q為流量；P為軸功率。

風(fēng)機的工況點由風(fēng)機的性能曲線與冷卻塔管路特性曲線確定，即兩條曲線的交點。通常情況下風(fēng)機出廠時將額定轉(zhuǎn)速的工況點設(shè)為最高效率。每臺風(fēng)機出廠時都配有它的性能曲線圖，包含了風(fēng)機在一定轉(zhuǎn)速下全壓、軸功率、效率等與流量之間的關(guān)系。在冷卻塔內(nèi)由送風(fēng)管道和其他部件等產(chǎn)生的全部空氣動力阻力決定了風(fēng)機的送風(fēng)量，這一阻力等于風(fēng)機的全壓，決定了風(fēng)機的管路特性曲線。當(dāng)風(fēng)機裝配到冷卻塔內(nèi)后，需使阻力與流量相適應(yīng)的，即風(fēng)機全壓與流量需相適應(yīng)，使風(fēng)機能滿足工作需求并工作在最大效率處[3]。

根據(jù)空氣動力計算，風(fēng)機的特性可用下式表示：

式中：pa為風(fēng)機的全壓，帕；Q為流量，米3/秒；L、M、d1L為常數(shù)，不同型號的風(fēng)機常數(shù)值查表可得。

冷卻塔內(nèi)空氣流量也可按冷卻塔的空氣動力阻力確定，阻力可由下式計算：

式中：ρm為冷卻塔中空氣的平均密度，公斤/米3；fs為冷卻塔中淋水裝置的橫截面積，米2； Σζ為空氣動力阻力系數(shù)之和。

式中：

以上確定了風(fēng)機的額定工況，即額定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機工作時的狀態(tài)。該工況點為最大效率點。

2 風(fēng)機效率優(yōu)化

由于風(fēng)機出廠時調(diào)整為效率最高，風(fēng)機調(diào)速和調(diào)角都會造成風(fēng)機效率的下降。分別研究風(fēng)機調(diào)速，調(diào)角對效率的作用規(guī)律，將兩者結(jié)合使風(fēng)機重新在高效率下工作[4]。

2.1 變頻調(diào)速下的效率變化

風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過變頻器對電機變頻實現(xiàn)的，風(fēng)機電源頻率與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：

可見電機轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成一次正比關(guān)系[5]。減速機內(nèi)齒比關(guān)系不變，即風(fēng)機轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系為一次正比。

對于不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機的工況點則根據(jù)相似定律確定。風(fēng)機的流量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

式(6)～式(8)可確定不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機性能曲線，由式(1)知這樣得出的風(fēng)機效率相等。但實踐證明，只有當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化很小時，以上結(jié)論才是正確的。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低或變速范圍較大時，由于轉(zhuǎn)速效應(yīng)，等效曲線會偏離相似拋物線而形成橢圓形[2]。

根據(jù)風(fēng)機的通用性能曲線知，風(fēng)機轉(zhuǎn)速高于或低于額定轉(zhuǎn)速時都會造成效率的下降，所以風(fēng)機變頻必定造成風(fēng)機效率的下降，且變化規(guī)律是風(fēng)機轉(zhuǎn)速改變的幅度越大，效率越低。即電源頻率變化越大，風(fēng)機的效率越低[6]。

2.2 葉片調(diào)角下的效率變化

具體項目中通常改變風(fēng)機葉片安裝角度，以增加風(fēng)量，滿足工況需求。如某石化企業(yè)冷卻塔風(fēng)機（葉片直徑4.7m）的葉片安裝角度由出廠時的12.5°增加到13.5°，產(chǎn)生風(fēng)量增加，冷卻效果增強。但是改變風(fēng)機葉片安裝角一定會使其效率下降。由圖1知，13.5°葉片角風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速下的工況點已偏離最大效率點。

圖1 不同葉片安裝角度下風(fēng)機性能曲線

2.3 調(diào)速調(diào)角下的效率優(yōu)化

變頻器改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機節(jié)能，為了保證效率，風(fēng)機的風(fēng)量一般不低于額定風(fēng)量的70%，根據(jù)式(6)和式(9)，風(fēng)機變頻最低頻率定為35Hz，變頻方式采用臺階式變頻，選取5Hz的步長，則使風(fēng)機只在頻率為35Hz、40Hz、45Hz和50Hz這幾個點工作。這樣的變頻方式有效降低反復(fù)變頻對風(fēng)機減速器造成的損害，減少檢修成本，同時也延長了變頻器的壽命。

改造后的風(fēng)機大多數(shù)都是工作在50Hz頻率以下。我們使已經(jīng)增加了葉片角的風(fēng)機進(jìn)行變頻，那么風(fēng)機特性曲線與管路特性曲線的交點即工況點又有可能回到最高效率處。因為增加風(fēng)機的葉片安裝角度使風(fēng)機特性曲線上移，變低頻時風(fēng)機的特性曲線又會下移，由于管路曲線不變，增加葉片角度后的風(fēng)機變低頻時一定有一個最大效率點。實際中，在能滿足工況需求的條件下應(yīng)使風(fēng)機盡可能長時間的保持在這個最大效率點附近。

某化工企業(yè)冷卻塔風(fēng)機進(jìn)行了上述變頻和調(diào)角改造。風(fēng)機葉片由12.5°變?yōu)?3.5°后，風(fēng)機運行的最高效率點由原來的額定頻率（50Hz）變?yōu)?0Hz與45Hz之間的某點。如圖2所示，風(fēng)機在50Hz和45Hz頻率運行下效率最佳，而風(fēng)機運行時處在這兩個頻率點的時間最長，其他頻率的點效率也會比改造葉片角度前的效率高3%~5%，提高了風(fēng)機整體的運行效率，滿足理論上將風(fēng)機運行盡可能長時間保持在高效率區(qū)的期望。

圖2 13.5°葉片安裝角下風(fēng)機性能曲線

經(jīng)計算，風(fēng)機葉片改為13.5°后，風(fēng)機工作的最大效率點在47.7Hz。據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)機大部分時間是在額定頻率以下的頻率工作的，所以改變風(fēng)機葉片角度把風(fēng)機的最高效率點設(shè)計在非額定頻率下的是合適的。這樣風(fēng)機在圍繞最高效率點的某一頻率段下變頻就可以長時間保持高效率。圖3更直觀的反應(yīng)了風(fēng)機工作頻率與效率間的關(guān)系。風(fēng)機葉片角在12.5°時，如圖3(a)所示，效率η在額定頻率50Hz處最大，改變風(fēng)機葉片角為13.5°時，如圖3(b)所示，風(fēng)機的最高效率落在50Hz~45Hz區(qū) 間內(nèi)。

圖3 不同葉片安裝角度下頻率與效率的關(guān)系

通過風(fēng)機變頻與調(diào)角提高風(fēng)機效率的效果是顯著的。表1為風(fēng)機葉片分別在12.5°與13.5°運行時的各項數(shù)據(jù)。經(jīng)計算，葉片角度改變后平均冷卻效果增加了5.9%，且風(fēng)機效率整體提高了2%~3%。

表1 不同葉片角風(fēng)機能力對比

3 結(jié)論

分析風(fēng)機調(diào)速與調(diào)角各自影響風(fēng)機效率的規(guī)律，得到風(fēng)機運行最高效率點。使風(fēng)機運行頻率長時間保持在高效率點附近，有效地提高了風(fēng)機的效率，對風(fēng)機的節(jié)能降耗具有明顯作用。經(jīng)在某化工企業(yè)4.7m風(fēng)機的實際應(yīng)用，合適的變頻區(qū)間與葉片角度使風(fēng)機的冷卻效果增強，效率提高。

[1] 吳秉禮.國內(nèi)外冷卻塔風(fēng)機綜述[J].流體工程,1993,21(4)：35-38.

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[4] Stout Jr M R,Leach J W.Cooling tower fan control for energy efficiency[J].Energy engineering,2002,99(1)：7-31.

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[7] 全國風(fēng)機標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB3235-82通風(fēng)機基本型式、尺寸參數(shù)及性能曲線[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1992.