风机效率测量的研究进展

王 伟， 胡 婷

（1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074；2.华中科技大学武昌分校，湖北 武汉 430064）

0 引 言

当今社会，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，节能减排已成为一项国策。国家要求风机的运行效率不得低于70%，而目前风机的平均运行效率却只有40%～60%，因此，风机节能运行的研究就显得十分必要。

效率是风机最基本的特征参数，是衡量风机技术先进性、安全经济运行的重要指标。风机用户最为关心运行效率和运行特性，如何通过风机效率的测量监视风机的运行状态以及指导风机用户进行节能降耗改造一直是风机行业关注的技术之一。本文对目前风机效率测量方法中应用研究较多的常规法、热力学法以及新型传感器测量法等进行综述。

1 风机效率测量方法

风机效率为风机的输出功率和输入功率之比。一般来说，风机输出功率可通过风量的测量间接求出，而风机的输入功率则为电动机传动到风机轴上的功率。电动机的轴输出功率一般采用转矩转速测量法或铭牌参数法测定，转矩转速测量法虽然精度较高，但是现场实施困难，铭牌参数法误差很大，难以满足对风机性能评价的要求。因此，通常将电动机与风机整体考虑来计算风机效率，即风机效率为风机的输出功率和电动机输入功率之比。

1.1 常规法

常规法按照GB/T 15913-2009《风机机组与管网系统节能监测》建立测量程序，能够真实、准确地测量风机的效率。

（1）风机全压的测量。测量风机的输出功率必须首先采用毕托管和微压计测量各测点的静压和动压，根据静压和动压计算风机的全压。由于管道截面内的压力分布存在非线性，因此需要多点测量求平均值的方法计算风压，测点数目和位置随管道的形状和大小而不同，根据国标规定[1]进行布置。

设风机出入口的平均静压为Pj2、Pj1，平均动压为Pd2、Pd1，风机全压为 P，则：

式中：m——测量截面上的测点数目。

（2）流量测试点处气体密度的测量。用大气压表和温度计测出大气压力和气体温度，则：

式中：ρ0——标准状态下的气体密度，（空气取1.29，烟气取1.30）；

t——测点截面处的气体温度；

Ph——测量时当地大气压；

Pj——流量测试点处的平均静压。

（3）风机流量的测算。风机流量按式（5）计算：

式中：Q——风机实际流量；

μ——毕托管测压修正值，标准毕托管μ=1；

F——流量测点处测量的截面面积；

Pd——流量测点处的平均动压；

ρ——流量测点处气体密度。

（4）风机机组电能利用率的测算。风机机组电能利用率按式（6）计算：

式中：Hj——风机机组电能利用率，以百分数表示；

PyP——风机机组有效输出功率，PyP=Q×P

P1——电动机输入功率。

任仁良[2]采用该方法研制了风机效率测试仪，经过软件校正后综合误差＜1%。但是在测量现场，由于电动机的配电柜距离风机进出口较远，大多数风机的电动机输入参数和压力参数不能同时测量；因此，采用先测量风机压力参数，再测量电动机输入功率，最后计算出风机效率。但这种测量方法必须在风机工况基本相同的条件下进行，否则会产生一些误差。

1.2 热力学法

根据热力学原理，在理想状态下，气体在风机内可视为可逆绝热压缩过程，即等熵压缩过程，气体获得能量、温度升高。实际上，气体在风机内是一个不可逆压缩过程，气体在获得能量、温度升高的同时，还伴随着各种损失，如流动损失和机械摩擦损失等。这些损失转换为热能，并且绝大部分热能会传递给风机所输送的气体，使其温度进一步升高。因此只需要测量风机进、出口的温度和全压，即可求得风机效率。

由热力学能量守恒方程、稳定流能量方程可以得出风机效率的计算模型为

式中：h1、h2——风机进、出口实际气体焓；

h2s——按理想定熵压缩过程出口气体焓；

项目运作方式合规。项目不得为缺少实质性运营环节而仅涉及工程建设的 BT 模式。社会资本方须有相关运营经验。

c1、c2——风机进、出口气体的平均速度；

z1、z2——风机进、出口处的高度；

Δe′——风机损失转化为热能中未能被气体吸收的部分。

在实际风机系统中，风机的进、出口位置高度和流速基本相同，因此，式（7）可简化为

式（8）为热力学法测量风机效率的基本模型。该式中各物理量不能直接测得，需要进一步推导以便于实际应用的效率计算式。

金相均[3]等利用热工学原理推导了通风机效率的测量方法，在试验的基础上提出了效率修正系数的范围，将扭矩法与热工测量法进行了对比试验，与扭矩法比较，其相对误差＜2.25%。

李春曦等[5]为了提高风机效率计算模型的精确度，对损失项Δe′进行了详细考虑，得出风机效率的计算模型为

式中：a、b、c——分别为考虑风机轴承、轴封摩擦损失、泄露损失和风机壳散热3项损失后的修正系数，通过比较计算结果，该测量模型具有更高的精度。

王娟等[6]不仅考虑了损失的修正，同时考虑了比热的微小变化，采用变比热计算。通过定比热不考虑损失、定比热考虑损失以及变比热考虑损失3种模型的对比试验，说明采用变比热提高了模型的精度，是否考虑外摩擦与机壳散热损失对模型精度影响较大，而如何考虑该损失又是决定模型精确度的重要因素。

1.3 新型传感器测量法

由于常规法系统复杂、安装调试困难，热力学法需要高精确的温度传感器以获取较为准确的温度参数，周东等[7]研制了一种新型风机效率的测试装置。其基本原理为：对于均匀工作的旋转机械必然承受与主轴转矩作用方向相反的平衡力矩，因此测量出平衡力矩就可得知被测转矩的大小。设计方案仅考虑了风筒周向受剪切力作用产生的扭转变形，对称布置4个测量传感器，测量环内径与风筒内径一致，系统转矩为4个传感器测量转矩之和。通过测量环测量剪切力转矩，可实现风机功率及效率的测量。

通过与全功能通风机性能试验装置进行对比，基于新型传感器测量法进行风机效率测量方案可行，特别对小型风机较为适用，可获得较高的测量精度。由于该方法安装调试简单，对设计、生产厂家获得可靠准确的效率数据具有重要的工程应用价值。

2 结束语

风机的能效水平直接关系到国家的能源节约和环境保护，因此风机效率的准确测量具有重要意义。常规法按照GB/T 15913-2009建立测量程序，可较真实地获得风机的效率及特性曲线，但系统构成复杂，安装调试较为困难；热力学法只需要测量风机进、出口的温度和风机全压即可计算出风机效率，系统简单，该方法成为风机效率测量研究中的一个重要方向，但是需要高精度的仪表进行温度测量以及合适的损失模型；近年出现的新型传感器测量法虽然目前仅应用于实验室环境，但是安装调试简单，值得进一步研究，使其能够工程实用化。

随着国家节能减排的深入以及合同能源管理在我国的推广，风机效率的准确测量关系到风机改造的节能评估。研究一种行之有效的在线式风机效率测量装置，提高风机效率测量的实时性和准确性将是下一阶段研究的重点。

[1]GB/T 15913—2009风机机组与管网系统节能监测[S].北京：中国标准出版社，2010.

[2]任仁良.风机效率测试仪的研制[J].仪器仪表学报，2001，22（3）：309-311.

[3]金相均，孙旭光，马安昌.通风机效率的热工测量法[J].风机技术，1989（6）：16-19.

[4]徐兆康，郑跃伟.测试风机效率的应用分析[J].风机技术，2003（5）：19-22.

[5]李春曦，王松岭，胡立峰.基于热力学法的风机效率和流量监测模型[J].华北电力大学学报，2006，33（1）：55-59.

[6]王娟，李春曦.基于热力学法的风机效率数学模型与应用[J].煤矿机械，2009，30（12）：184-186.

[7]周东，孙勇.一种新型风机输出效率测试装置的研制[J].中国测试，2010，36（1）：61-63.