風機效率測量的研究進展

王 偉， 胡 婷

（1.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學武昌分校，湖北 武漢 430064）

0 引 言

當今社會，經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳，節(jié)能減排已成為一項國策。國家要求風機的運行效率不得低于70%，而目前風機的平均運行效率卻只有40%～60%，因此，風機節(jié)能運行的研究就顯得十分必要。

效率是風機最基本的特征參數(shù)，是衡量風機技術先進性、安全經(jīng)濟運行的重要指標。風機用戶最為關心運行效率和運行特性，如何通過風機效率的測量監(jiān)視風機的運行狀態(tài)以及指導風機用戶進行節(jié)能降耗改造一直是風機行業(yè)關注的技術之一。本文對目前風機效率測量方法中應用研究較多的常規(guī)法、熱力學法以及新型傳感器測量法等進行綜述。

1 風機效率測量方法

風機效率為風機的輸出功率和輸入功率之比。一般來說，風機輸出功率可通過風量的測量間接求出，而風機的輸入功率則為電動機傳動到風機軸上的功率。電動機的軸輸出功率一般采用轉矩轉速測量法或銘牌參數(shù)法測定，轉矩轉速測量法雖然精度較高，但是現(xiàn)場實施困難，銘牌參數(shù)法誤差很大，難以滿足對風機性能評價的要求。因此，通常將電動機與風機整體考慮來計算風機效率，即風機效率為風機的輸出功率和電動機輸入功率之比。

1.1 常規(guī)法

常規(guī)法按照GB/T 15913-2009《風機機組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》建立測量程序，能夠真實、準確地測量風機的效率。

（1）風機全壓的測量。測量風機的輸出功率必須首先采用畢托管和微壓計測量各測點的靜壓和動壓，根據(jù)靜壓和動壓計算風機的全壓。由于管道截面內(nèi)的壓力分布存在非線性，因此需要多點測量求平均值的方法計算風壓，測點數(shù)目和位置隨管道的形狀和大小而不同，根據(jù)國標規(guī)定[1]進行布置。

設風機出入口的平均靜壓為Pj2、Pj1，平均動壓為Pd2、Pd1，風機全壓為 P，則：

式中：m——測量截面上的測點數(shù)目。

（2）流量測試點處氣體密度的測量。用大氣壓表和溫度計測出大氣壓力和氣體溫度，則：

式中：ρ0——標準狀態(tài)下的氣體密度，（空氣取1.29，煙氣取1.30）；

t——測點截面處的氣體溫度；

Ph——測量時當?shù)卮髿鈮海?/p>

Pj——流量測試點處的平均靜壓。

（3）風機流量的測算。風機流量按式（5）計算：

式中：Q——風機實際流量；

μ——畢托管測壓修正值，標準畢托管μ=1；

F——流量測點處測量的截面面積；

Pd——流量測點處的平均動壓；

ρ——流量測點處氣體密度。

（4）風機機組電能利用率的測算。風機機組電能利用率按式（6）計算：

式中：Hj——風機機組電能利用率，以百分數(shù)表示；

PyP——風機機組有效輸出功率，PyP=Q×P

P1——電動機輸入功率。

任仁良[2]采用該方法研制了風機效率測試儀，經(jīng)過軟件校正后綜合誤差＜1%。但是在測量現(xiàn)場，由于電動機的配電柜距離風機進出口較遠，大多數(shù)風機的電動機輸入?yún)?shù)和壓力參數(shù)不能同時測量；因此，采用先測量風機壓力參數(shù)，再測量電動機輸入功率，最后計算出風機效率。但這種測量方法必須在風機工況基本相同的條件下進行，否則會產(chǎn)生一些誤差。

1.2 熱力學法

根據(jù)熱力學原理，在理想狀態(tài)下，氣體在風機內(nèi)可視為可逆絕熱壓縮過程，即等熵壓縮過程，氣體獲得能量、溫度升高。實際上，氣體在風機內(nèi)是一個不可逆壓縮過程，氣體在獲得能量、溫度升高的同時，還伴隨著各種損失，如流動損失和機械摩擦損失等。這些損失轉換為熱能，并且絕大部分熱能會傳遞給風機所輸送的氣體，使其溫度進一步升高。因此只需要測量風機進、出口的溫度和全壓，即可求得風機效率。

由熱力學能量守恒方程、穩(wěn)定流能量方程可以得出風機效率的計算模型為

式中：h1、h2——風機進、出口實際氣體焓；

h2s——按理想定熵壓縮過程出口氣體焓；

項目運作方式合規(guī)。項目不得為缺少實質(zhì)性運營環(huán)節(jié)而僅涉及工程建設的 BT 模式。社會資本方須有相關運營經(jīng)驗。

c1、c2——風機進、出口氣體的平均速度；

z1、z2——風機進、出口處的高度；

Δe′——風機損失轉化為熱能中未能被氣體吸收的部分。

在實際風機系統(tǒng)中，風機的進、出口位置高度和流速基本相同，因此，式（7）可簡化為

式（8）為熱力學法測量風機效率的基本模型。該式中各物理量不能直接測得，需要進一步推導以便于實際應用的效率計算式。

金相均[3]等利用熱工學原理推導了通風機效率的測量方法，在試驗的基礎上提出了效率修正系數(shù)的范圍，將扭矩法與熱工測量法進行了對比試驗，與扭矩法比較，其相對誤差＜2.25%。

李春曦等[5]為了提高風機效率計算模型的精確度，對損失項Δe′進行了詳細考慮，得出風機效率的計算模型為

式中：a、b、c——分別為考慮風機軸承、軸封摩擦損失、泄露損失和風機殼散熱3項損失后的修正系數(shù)，通過比較計算結果，該測量模型具有更高的精度。

王娟等[6]不僅考慮了損失的修正，同時考慮了比熱的微小變化，采用變比熱計算。通過定比熱不考慮損失、定比熱考慮損失以及變比熱考慮損失3種模型的對比試驗，說明采用變比熱提高了模型的精度，是否考慮外摩擦與機殼散熱損失對模型精度影響較大，而如何考慮該損失又是決定模型精確度的重要因素。

1.3 新型傳感器測量法

由于常規(guī)法系統(tǒng)復雜、安裝調(diào)試困難，熱力學法需要高精確的溫度傳感器以獲取較為準確的溫度參數(shù)，周東等[7]研制了一種新型風機效率的測試裝置。其基本原理為：對于均勻工作的旋轉機械必然承受與主軸轉矩作用方向相反的平衡力矩，因此測量出平衡力矩就可得知被測轉矩的大小。設計方案僅考慮了風筒周向受剪切力作用產(chǎn)生的扭轉變形，對稱布置4個測量傳感器，測量環(huán)內(nèi)徑與風筒內(nèi)徑一致，系統(tǒng)轉矩為4個傳感器測量轉矩之和。通過測量環(huán)測量剪切力轉矩，可實現(xiàn)風機功率及效率的測量。

通過與全功能通風機性能試驗裝置進行對比，基于新型傳感器測量法進行風機效率測量方案可行，特別對小型風機較為適用，可獲得較高的測量精度。由于該方法安裝調(diào)試簡單，對設計、生產(chǎn)廠家獲得可靠準確的效率數(shù)據(jù)具有重要的工程應用價值。

2 結束語

風機的能效水平直接關系到國家的能源節(jié)約和環(huán)境保護，因此風機效率的準確測量具有重要意義。常規(guī)法按照GB/T 15913-2009建立測量程序，可較真實地獲得風機的效率及特性曲線，但系統(tǒng)構成復雜，安裝調(diào)試較為困難；熱力學法只需要測量風機進、出口的溫度和風機全壓即可計算出風機效率，系統(tǒng)簡單，該方法成為風機效率測量研究中的一個重要方向，但是需要高精度的儀表進行溫度測量以及合適的損失模型；近年出現(xiàn)的新型傳感器測量法雖然目前僅應用于實驗室環(huán)境，但是安裝調(diào)試簡單，值得進一步研究，使其能夠工程實用化。

隨著國家節(jié)能減排的深入以及合同能源管理在我國的推廣，風機效率的準確測量關系到風機改造的節(jié)能評估。研究一種行之有效的在線式風機效率測量裝置，提高風機效率測量的實時性和準確性將是下一階段研究的重點。

[1]GB/T 15913—2009風機機組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測[S].北京：中國標準出版社，2010.

[2]任仁良.風機效率測試儀的研制[J].儀器儀表學報，2001，22（3）：309-311.

[3]金相均，孫旭光，馬安昌.通風機效率的熱工測量法[J].風機技術，1989（6）：16-19.

[4]徐兆康，鄭躍偉.測試風機效率的應用分析[J].風機技術，2003（5）：19-22.

[5]李春曦，王松嶺，胡立峰.基于熱力學法的風機效率和流量監(jiān)測模型[J].華北電力大學學報，2006，33（1）：55-59.

[6]王娟，李春曦.基于熱力學法的風機效率數(shù)學模型與應用[J].煤礦機械，2009，30（12）：184-186.

[7]周東，孫勇.一種新型風機輸出效率測試裝置的研制[J].中國測試，2010，36（1）：61-63.