冷却塔风机调速与调角的效率优化

2015-09-13陈建平赵春晓

制造业自动化 2015年17期

陈建平，王伟，赵春晓

（天津科技大学机械工程学院，天津 300222）

0 引言

风机作为机械通风冷却塔中的重要设备，广泛应用于石油、化工、电力等行业。风机的耗电量占全国总用电量的9%，因此风机的变频节能运行以及叶片调角使风机在较高效率下运行对节能降耗尤为必要[1]。风机变频带来的节能效果非常显著，但变频使风机转速降低又造成风机效率的下降。本文通过风机变频调速与叶片调角结合的方式来提高风机运行效率，使风机尽可能长时间的在较高效率下运行，从而减少损耗，达到更大限度的节能。

1 风机额定工况的确定

风机的总效率由三部分构成：原动机效率、机械传动效率、风机效率。其中风机效率直接影响风机的有效功率，风机的有效功率是指单位时间内风机运行使流体具备的机械能[2]。本文只对风机效率分析对效率进行优化。

风机效率计算公式：

式中：pa为风机全压；Q为流量；P为轴功率。

风机的工况点由风机的性能曲线与冷却塔管路特性曲线确定，即两条曲线的交点。通常情况下风机出厂时将额定转速的工况点设为最高效率。每台风机出厂时都配有它的性能曲线图，包含了风机在一定转速下全压、轴功率、效率等与流量之间的关系。在冷却塔内由送风管道和其他部件等产生的全部空气动力阻力决定了风机的送风量，这一阻力等于风机的全压，决定了风机的管路特性曲线。当风机装配到冷却塔内后，需使阻力与流量相适应的，即风机全压与流量需相适应，使风机能满足工作需求并工作在最大效率处[3]。

根据空气动力计算，风机的特性可用下式表示：

式中：pa为风机的全压，帕；Q为流量，米3/秒；L、M、d1L为常数，不同型号的风机常数值查表可得。

冷却塔内空气流量也可按冷却塔的空气动力阻力确定，阻力可由下式计算：

式中：ρm为冷却塔中空气的平均密度，公斤/米3；fs为冷却塔中淋水装置的横截面积，米2； Σζ为空气动力阻力系数之和。

式中：

以上确定了风机的额定工况，即额定转速下风机工作时的状态。该工况点为最大效率点。

2 风机效率优化

由于风机出厂时调整为效率最高，风机调速和调角都会造成风机效率的下降。分别研究风机调速，调角对效率的作用规律，将两者结合使风机重新在高效率下工作[4]。

2.1 变频调速下的效率变化

风机转速调节是通过变频器对电机变频实现的，风机电源频率与电机转速的关系式为：

可见电机转速n与电源频率f成一次正比关系[5]。减速机内齿比关系不变，即风机转速与电源频率的关系为一次正比。

对于不同转速下风机的工况点则根据相似定律确定。风机的流量、风压、功率与转速的关系为：

式(6)～式(8)可确定不同转速下风机性能曲线，由式(1)知这样得出的风机效率相等。但实践证明，只有当风机转速变化很小时，以上结论才是正确的。当转速较低或变速范围较大时，由于转速效应，等效曲线会偏离相似抛物线而形成椭圆形[2]。

根据风机的通用性能曲线知，风机转速高于或低于额定转速时都会造成效率的下降，所以风机变频必定造成风机效率的下降，且变化规律是风机转速改变的幅度越大，效率越低。即电源频率变化越大，风机的效率越低[6]。

2.2 叶片调角下的效率变化

具体项目中通常改变风机叶片安装角度，以增加风量，满足工况需求。如某石化企业冷却塔风机（叶片直径4.7m）的叶片安装角度由出厂时的12.5°增加到13.5°，产生风量增加，冷却效果增强。但是改变风机叶片安装角一定会使其效率下降。由图1知，13.5°叶片角风机额定转速下的工况点已偏离最大效率点。

图1 不同叶片安装角度下风机性能曲线

2.3 调速调角下的效率优化

变频器改变风机转速，使风机节能，为了保证效率，风机的风量一般不低于额定风量的70%，根据式(6)和式(9)，风机变频最低频率定为35Hz，变频方式采用台阶式变频，选取5Hz的步长，则使风机只在频率为35Hz、40Hz、45Hz和50Hz这几个点工作。这样的变频方式有效降低反复变频对风机减速器造成的损害，减少检修成本，同时也延长了变频器的寿命。

改造后的风机大多数都是工作在50Hz频率以下。我们使已经增加了叶片角的风机进行变频，那么风机特性曲线与管路特性曲线的交点即工况点又有可能回到最高效率处。因为增加风机的叶片安装角度使风机特性曲线上移，变低频时风机的特性曲线又会下移，由于管路曲线不变，增加叶片角度后的风机变低频时一定有一个最大效率点。实际中，在能满足工况需求的条件下应使风机尽可能长时间的保持在这个最大效率点附近。

某化工企业冷却塔风机进行了上述变频和调角改造。风机叶片由12.5°变为13.5°后，风机运行的最高效率点由原来的额定频率（50Hz）变为50Hz与45Hz之间的某点。如图2所示，风机在50Hz和45Hz频率运行下效率最佳，而风机运行时处在这两个频率点的时间最长，其他频率的点效率也会比改造叶片角度前的效率高3%~5%，提高了风机整体的运行效率，满足理论上将风机运行尽可能长时间保持在高效率区的期望。

图2 13.5°叶片安装角下风机性能曲线

经计算，风机叶片改为13.5°后，风机工作的最大效率点在47.7Hz。据统计，风机大部分时间是在额定频率以下的频率工作的，所以改变风机叶片角度把风机的最高效率点设计在非额定频率下的是合适的。这样风机在围绕最高效率点的某一频率段下变频就可以长时间保持高效率。图3更直观的反应了风机工作频率与效率间的关系。风机叶片角在12.5°时，如图3(a)所示，效率η在额定频率50Hz处最大，改变风机叶片角为13.5°时，如图3(b)所示，风机的最高效率落在50Hz~45Hz区间内。