冷卻塔風機調速與調角的效率優化

陳建平，王 偉，趙春曉

（天津科技大學 機械工程學院，天津 300222）

0 引言

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

1 風機額定工況的確定

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

風機效率計算公式：

式中：pa為風機全壓；Q為流量；P為軸功率。

風機的工況點由風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。通常情況下風機出廠時將額定轉速的工況點設為最高效率。每臺風機出廠時都配有它的性能曲線圖，包含了風機在一定轉速下全壓、軸功率、效率等與流量之間的關系。在冷卻塔內由送風管道和其他部件等產生的全部空氣動力阻力決定了風機的送風量，這一阻力等于風機的全壓，決定了風機的管路特性曲線。當風機裝配到冷卻塔內后，需使阻力與流量相適應的，即風機全壓與流量需相適應，使風機能滿足工作需求并工作在最大效率處[3]。

根據空氣動力計算，風機的特性可用下式表示：

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

冷卻塔內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之和。

式中：

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

2 風機效率優化

由于風機出廠時調整為效率最高，風機調速和調角都會造成風機效率的下降。分別研究風機調速，調角對效率的作用規律，將兩者結合使風機重新在高效率下工作[4]。

2.1 變頻調速下的效率變化

風機轉速調節是通過變頻器對電機變頻實現的，風機電源頻率與電機轉速的關系式為：

可見電機轉速n與電源頻率f成一次正比關系[5]。減速機內齒比關系不變，即風機轉速與電源頻率的關系為一次正比。

對于不同轉速下風機的工況點則根據相似定律確定。風機的流量、風壓、功率與轉速的關系為：

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

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

2.2 葉片調角下的效率變化

具體項目中通常改變風機葉片安裝角度，以增加風量，滿足工況需求。如某石化企業冷卻塔風機（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°，產生風量增加，冷卻效果增強。但是改變風機葉片安裝角一定會使其效率下降。由圖1知，13.5°葉片角風機額定轉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機性能曲線

2.3 調速調角下的效率優化

變頻器改變風機轉速，使風機節能，為了保證效率，風機的風量一般不低于額定風量的70%，根據式(6)和式(9)，風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變頻對風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。

改造后的風機大多數都是工作在50Hz頻率以下。我們使已經增加了葉片角的風機進行變頻，那么風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。因為增加風機的葉片安裝角度使風機特性曲線上移，變低頻時風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使風機盡可能長時間的保持在這個最大效率點附近。

某化工企業冷卻塔風機進行了上述變頻和調角改造。風機葉片由12.5°變為13.5°后，風機運行的最高效率點由原來的額定頻率（50Hz）變為50Hz與45Hz之間的某點。如圖2所示，風機在50Hz和45Hz頻率運行下效率最佳，而風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%，提高了風機整體的運行效率，滿足理論上將風機運行盡可能長時間保持在高效率區的期望。

圖2 13.5°葉片安裝角下風機性能曲線

經計算，風機葉片改為13.5°后，風機工作的最大效率點在47.7Hz。據統計，風機大部分時間是在額定頻率以下的頻率工作的，所以改變風機葉片角度把風機的最高效率點設計在非額定頻率下的是合適的。這樣風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更直觀的反應了風機工作頻率與效率間的關系。風機葉片角在12.5°時，如圖3(a)所示，效率η在額定頻率50Hz處最大，改變風機葉片角為13.5°時，如圖3(b)所示，風機的最高效率落在50Hz~45Hz區 間內。

圖3 不同葉片安裝角度下頻率與效率的關系

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

表1 不同葉片角風機能力對比

3 結論

分析風機調速與調角各自影響風機效率的規律，得到風機運行最高效率點。使風機運行頻率長時間保持在高效率點附近，有效地提高了風機的效率，對風機的節能降耗具有明顯作用。經在某化工企業4.7m風機的實際應用，合適的變頻區間與葉片角度使風機的冷卻效果增強，效率提高。

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

[2] 郭立軍,何川.泵與風機[M].3版.北京：中國電力出版社,2004：53-54,88-91.

[3] 格拉特柯夫,阿列菲耶夫,波諾馬林科.機械通風冷卻塔[M].施建中,譯.北京：化學工業出版社,1981：13-33.

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

[5] 鄧星鐘.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社,2007：51-55.

[6] 胡連江,趙新華,王敬.冷卻塔風機的調速節能探討[J].中國給水排水,2009,25(6)：102-104.

[7] 全國風機標準化技術委員會.GB3235-82通風機基本型式、尺寸參數及性能曲線[S].北京：中國標準出版社,1992.