新型紡織車間多風機送風系統運行優化

王聰民 周義德 楚建保

（1.中原工學院，河南鄭州，450007；2.河南省紡織建筑設計院有限公司，河南鄭州，450007）

新型紡織車間以設備自動化、高速化、規模大型化為代表，單個車間設計規模動輒8 萬錠～10 萬錠，甚至更多，致使車間橫向寬度更寬，每條支風道的送風量更大，送風距離更長。傳統的單風機空調送風系統由于風機性能、風量平衡等因素，已不能滿足需要，多風機送風的形式應運而生。由于對紡織車間多風機并聯運行的特性分析研究較少，較多采用了新型高效軸流風機進行臺數疊加、多風道并聯、變頻調速等設計運行方法，在某些情況下會使風機不能充分發揮其性能，運行效率受到影響。根據風機在管網中運行理論分析可知，送風管網的性能直接影響風機的風壓、風量和運行效率，甚至會起到決定性作用。因此，在設計多風機送風系統的同時，需要利用流體力學泵與風機和流體輸配的基本原理，優化設計風機和管網送風系統，保證所有風機運行工況正常，這對提高整個送風系統的效率、實現空調送風系統整體節能至關重要。

1 風機及管網運行特性

1.1 軸流風機性能曲線

軸流風機運行曲線如圖1 所示。圖中N、Q、P、η分別表示風機的功率、流量、壓力、效率。根據軸流風機的性能曲線分析可知，風機的壓力和流量關系曲線呈馬鞍形，效率最高點左側ac段稱為不穩定工作區，當風機節流時，流量減少，很容易進入不穩定區，風機流量減小，壓力會反復變化，功率反而增大。在設計轉速運行狀態下，當流量為零時，功率達到最大值，會引起振動。右側de段為穩定工作區，此時風機壓力和流量接近線性變化，效率在可接受范圍內。

圖1 軸流風機性能曲線

從圖1 風機效率曲線可以看出，軸流風機的壓力流量曲線穩定段較短，并且工作時很容易進入右側的低效率工作段和左側的不穩定工作段。因此在風機設計選型時，應高度重視風機的性能曲線規律，選擇運行效率高、高效工作段寬的風機，并使風機的運行風量、風壓在高效工作段內。

1.2 并聯風機在管網中的運行特性

圖2 表示兩臺同型號軸流風機在不同阻力特性管網中的并聯工作特性曲線圖。其中Ⅰ、Ⅱ分別表示單臺、兩臺同型號風機并聯后的特性曲線，系統1、系統2 分別表示從低到高的不同阻力特性的管網性能曲線。正常情況下，兩臺風機并聯后的工況點應在P1點，對應的單臺風機工作點在E1點，此時風機效率較高。從圖2 中可以看出，與單臺風機在系統1 運行工況點P4相比，兩臺風機并聯后，單臺風機的運行壓力升高，流量減少。管網阻力越大，壓力升高越多，流量減少越多。在系統阻力特性達到系統2 時，并聯風機的工況點進入了不穩定工作區，并聯風機的工況點可能在P2點，兩臺風機在相同工況點E2工作。但系統的工況點也可能在P2、P3之間轉換，造成兩臺風機分別在E2、E3和E3a工況點交替工作，出現兩臺風機的“搶風”現象，并且相互轉換，運行極不穩定，甚至會造成系統的振蕩［1］。

圖2 兩臺同型號軸流風機并聯運行曲線

圖3 表示同型號兩臺或三臺風機并聯運行的曲線圖。曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示一臺風機單獨運行和同型號兩臺、三臺風機并聯運行的特性曲線，系統1、2、3 分別表示中、高、低管網阻力特性曲線，在中阻力管網系統1 中，單臺運行工況點在AⅠ1點，不能滿足管網風量和壓力的要求，需要兩臺或三臺風機并聯運行。兩臺并聯、三臺并聯運行的工況點分別為AⅡ1點、AⅢ1點，根據同壓力流量疊加的原則［2］，此時每臺風機的實際工況點分別為A12點、A13點。假設AⅡ1點對應的單臺風機工況點A12為風機效率最高工況點，可以看出，隨著并聯臺數的增加，單臺風機運行的壓力越高，流量越小；由軸流風機的特性曲線可知，風機會接近不穩定工作區，效率也會降低。管網阻力越大，特性曲線越陡，如系統2，風機并聯臺數越多，會使并聯后單臺風機的實際工況點越接近不穩定區域，效率下降。管網阻力減小，如系統3，并聯風機的臺數越多，風機并聯后每臺風機的工況點流量增加越多，對應三臺的工況點為AⅢ3，單臺風機實際工況點為A31，可以看出，風機的效率也會下降。但在三臺風機并聯性能曲線Ⅲ上，在AⅢ1和AⅢ3之間仍有一點AⅢ3′會使風機的實際運行工況點達到A12點，每個風機仍保持高效運行，此時對應的管網阻力特性為系統3′，說明在兩臺風機風量不能滿足管網系統要求時，在一定的阻力特性曲線下，可以采用三臺或更多同型號較小風量的風機并聯運行；但管網特性曲線偏離阻力特性曲線系統3′后，隨著并聯臺數增多，風機的效率降低，系統的穩定性下降。這就要求在采用兩臺或超過兩臺風機并聯時，要核對管網最大流量時的阻力特性曲線以及并聯風機性能曲線的交點，以滿足單臺風機的高效運行，否則隨著并聯風機臺數的增多，都會使風機的效率下降。

圖3 同型號兩臺或三臺風機并聯運行曲線

研究證明，超過兩臺不同型號風機進行并聯工作時，聯合工作的曲線更為復雜，在一定的管網中，每臺風機比單獨工作時的實際壓力增加值、流量減少值更多［3］。在管網阻力特性較高時，可能會出現一臺風機工作、一臺風機不工作的情況，甚至出現并聯后系統的工作風量比大型號風機單獨在該管網特性曲線下運行的風量還小，失去并聯意義，系統更容易出現運行不穩定的狀況［4］。

兩臺風機并聯變頻運行時，性能曲線如圖4所示。根據并聯風機變頻性能曲線可知，隨著運行頻率的降低，風機運行特性曲線會向左下方平移，如圖中的Ⅰ50、Ⅰ45、Ⅰ40、Ⅰ35。并聯風機運行工況點特性曲線為Ⅱ50、Ⅱ45、Ⅱ40、Ⅱ35，和系統1 的交點為AⅡ50、AⅡ45、AⅡ40、AⅡ35，對應每臺風機的實際工況點為AⅠ50、AⅠ45、AⅠ40、AⅠ35。可以看出，風機實際的運行工況點會逐步下移，偏離最高效率工況點，風機的效率會有所下降［5］。并聯風機調節時要求同步調節，否則會成為不同型號風機并聯的情況。

圖4 兩臺風機并聯變頻運行性能曲線

因此在需要多臺風機并聯運行時，風機的臺數盡量要少，型號、轉速一定要相同，管網的阻力要小，運行調節時要保證并聯風機的運行頻率同步調節，以保證并聯風機均運行在穩定工作段。

2 新型紡織車間多風機系統

新型紡織車間由于規模增大，車間裝機功率更高、發熱量大、工藝生產對車間環境要求更高，這些都使得新型紡織車間空調系統的送風量更大、送風距離更長，采用多風機送風的空調系統越來越多。因此，需要認真研究新型紡織車間空調系統布置和運行特點，設計優化多風機送風系統，以達到系統的高效運行。

2.1 兩臺風機并聯運行系統

紡織廠兩臺風機并聯運行系統示意圖如圖5所示。根據送風的需要，每臺風機負擔車間2 條～3 條送風管道，由送風機出口進入車間后，采用三通分流至支風道，然后送入車間設備上方。這種送風方式的特點是主風機臺數較少，并聯后性能穩定，運行管理方便。

圖5 紡織廠兩臺風機送風示意圖

在這種情況下，由于出風口處風機的流量很大、風速很高，要精確設計優化風機出口處天方地圓變徑管、矩形分流三通、彎頭等配件的參數，減少風機出風口的阻力，有利于提高風機運行效率。風管局部阻力計算公式如式（1）所示。

式中：ΔPj為風管局部阻力（Pa）；γ為局部阻力系數；V為風管配件壓力損失計算風速（m/s）；ρ為空氣密度（kg/m3）。

以14#風機為例，風機出風口流量30 m3/s、全壓529 Pa、空氣密度1.2 kg/m3，風機出口處天方地圓、分流三通、彎頭等配件進出口尺寸，按照通常的設計情況適當變化，根據局部阻力計算公式（1）計算各配件局部阻力，如表1 所示。

從表1 可以看出，方案1、方案2 和方案3 的局部阻力合計分別為69.90 Pa、81.37 Pa 和105.07 Pa。對于相同的風機參數，出風口管道配件的不同參數設計對該段局部阻力的影響較大，最小時能占到風機全壓的13.2%，最大時能占到風機全壓的19.8%，同時也對風機的運行壓力損失、各支風道的送風均勻性影響較大。因此，在風機出口處三通、彎頭等配件較多時，應該利用管道水力計算方法對配件尺寸進行優化，減少因出風口處局部阻力損失造成的風機壓力降低，平衡各支風道的壓力損失。

表1 風機出口局部阻力計算表

2.2 多臺風機并聯運行系統

多臺風機并聯運行系統示意圖如圖6 所示。根據送風的需要，每臺風機負擔車間一條送風管道，由送風機出口直接進入車間支風道送入車間上方。這種送風方式減少了風機出口處三通和彎頭的設置，對風機的壓力影響較小，車間的送風量有保證。但由于采用了多機臺風機并聯運行的方式，風機的相互干擾情況會增加，需要高度重視風機并聯對風機性能的影響。

圖6 紡織廠多臺風機送風示意圖

由于需要在每條支風道上安裝送風機，車間支風道需根據車間設備和送風量要求布置，送風機臺數大于等于4 臺，各臺送風機距離噴淋室出風口的距離相差較大，會造成公用回路的壓力損失差別較大，管網阻力特性曲線對風機的運行效率影響增大。需要嚴格控制噴淋段的阻力、主風道的風速和風機入口處氣流速度場，使各風機入口氣流場分布基本平衡。

2.3 影響風機并聯運行的因素

紡織空調多風機并聯運行，雖然不屬于嚴格意義上的多風機并聯系統，形式有一定的差別，但也符合風機并聯運行的基本理論。為了減輕風機并聯運行后造成風機流量、壓力、效率的損失，需要從以下幾個方面進行控制。

2.3.1 風機性能的選擇

由于軸流風機特性曲線存在馬鞍形的特點，風機選擇時應核查風機性能曲線的形狀，使風機滿負荷運行時位于效率較高的平滑段曲線上，并核算運行的最高風壓離開不穩定狀態點一定距離，保證系統調節變化時，管網阻力升高，風機不會進入不穩定工作區。工作段應盡量平緩，接近線性，以利于正常生產中風機頻率的變化調節。近年來生產的機翼形、槳翼形大風量節能紡織軸流風機的主要特點是特性曲線平緩，調速狀態下效率高，風量有保證，并配備YE3 系列高效節能寬頻電機，使得風機的調頻性能適應范圍更寬，較適用于紡織空調多風機變頻調速條件下大風量、高能效比、低噪聲的性能要求［6］。

2.3.2 風機的型號、規格、轉速及臺數

從風機并聯在管網中運行的理論分析可知，超過兩臺不同型號風機進行并聯工作時，聯合工作的曲線更為復雜，甚至會出現系統的工作風量小于大型號風機的流量。因此要求并聯風機的型號、規格、轉速盡可能相同，才能取得較好的并聯工作效果。

從風機調速性能曲線的規律可知，風機型號、規格相同，在進行調速運行時，在一定的速度下，其性能曲線呈平行狀態變化。在管網阻力特性一定的管網中，保證各風機維持在高效工作段運行。由于風機變頻減速運行后風機性能曲線平行下移，聯合運行工況點沿管網曲線向左下方偏移，此時管網運行曲線變緩、運行阻力降低、能耗降低，但效率會有所下降。所以風機并聯后，降速下運行不會出現工頻時容易偏離風機高效運行區的問題。因此，設計時應主要考慮并聯風機高速運行時的工況點，避免出現高速運行時風機進入不穩定工作區，出現“喘振”“搶風”現象。降速運行時，不能將頻率降至很低，以免使風機效率下降較多。所以，在多風機并聯運行設計選用風機時，要保證并聯風機型號相同，盡量采用相同的規格和轉速，運行時要采用同步頻率變化進行調速，最低運行頻率不小于35 Hz，才能保證運行風機的效率和穩定性。

由于風機并聯臺數越多，并聯運行曲線和管網阻力曲線擬合條件要求越高，系統運行穩定性會變差，在有條件的情況下，并聯風機的臺數不宜過多。

2.3.3 公用回路阻力

公共回路阻力要小。為使系統穩定，并聯風機公用回路上消耗的風壓，不得超過多風機并聯送風中最小風機風壓的30%［7］。對新型紡織多風機送風系統而言，其公用回路主要阻力發生在空調室噴淋段。夏季送風量最大，空氣全部通過噴淋室洗滌，該段的阻力一定很大，噴淋段的阻力主要由導流板、噴淋排管、擋水板產生。因此要控制噴淋室最大設計風速不大于6 m/s，并應采用阻力小的擋水板結構，在高速噴淋室（4.5 m/s 以上）時，應設計采用中間排水槽的擋水板，及時排除空氣中的水分，保持擋水板斷面風速穩定。噴淋段的總阻力宜控制在100 Pa～150 Pa 之間，使噴淋段最大風量時阻力值不大于風機全壓的30%。對不需要全部經過噴淋室的空氣，應設置二次回風通道（如圖6 所示），減少噴淋室通過的空氣量，降低風速，減小噴淋段的空氣阻力，從而減小公用回路阻力［8］。

公用回路阻力要盡量相等或相近。多風機送風系統，送風機均安裝在二樓和車間風管等高位置，由于支風管的安裝位置等原因，風機安裝位置距離空調室出風口有差異。要盡量使各風機相對空調室出風口距離相等或相近，使風機入口的速度場、溫濕度場相近，減少風機送風量和送風參數的差異，維護車間溫濕度的一致性。風機安裝位置較遠時，由于風機入口的局部風速高、擾動大，速度場對風機性能影響的范圍大。因此，二層的主風道尺寸要大，主風道內的風速宜不大于4 m/s，并應過渡平滑，無阻擋，避免凹凸不平的拐角等。風道表面要處理光滑，減少沿程阻力造成的阻力不均勻情況。

2.3.4 支風道設計

在每個支風道設置送風機的多臺風機并聯運行情況下，由于風機距離噴淋室出風口的距離有差異，造成了公用回路的壓力不平衡，這就要求各支風道送風阻力盡可能相等，減少因并聯風機實際運行時的壓力差過大而增加風機并聯運轉的不穩定因素。

支風道送風口設置時，風機出口處的風管應在4 m 之內不要開設風口，因為風機出口的外邊沿風速高達20 m/s，此位置開口，會造成倒吸風，風口也會產生很大的局部阻力，導致支風道能耗增加。支風道送風口必須帶有動靜壓轉換裝置和靈活的調節裝置，由于風機直接吹到支風道中，支風道前段風速高、靜壓低，送風口出風量就會很少，甚至倒吸風，所以必須采用適用于高風速下的動靜壓轉換勻流風口，并且便于調節，保持各風口送風量均勻。

多風機送風系統中，支風道的送風速度不能過高，設計風速宜為4 m/s～6 m/s，最大風速不宜大于8 m/s。支風道的變徑依據以支風道各送風口的靜壓差不超過15%以內為宜［9］，使整個支風道回路阻力之和不大于風機全壓的60%。同時做好各風機支風道水力計算，保證各送風回路壓力損失之和的差異要小于10%［10］，確保送風的均勻性。

2.4 系統安裝和調節

2.4.1 多風機的安裝

由于多風機送風系統送風機高位安裝，安裝風機的墻體必須鋼筋混凝土澆筑，或采用鋼結構加固處理，保證風機安裝牢固，運行平穩。風機安裝結構應與主體鋼結構分開，避免由于風機運行造成墻體和房屋振動，加速風機的損壞，并影響房屋安全。

風機電機溫度監測：多風機系統中，由于風機葉輪、電機均在風道中，運行時看不到運行狀態，所以電機內部需要安裝鉑電阻，監測線圈內溫度，監控風機運行狀態。

2.4.2 系統調節

試運行調試。由于風機的性能、安裝位置、管道制作、調節閥門等初始情況均存在差異，空調系統安裝完成后，在正式投入生產運行前，應該對系統進行初調試。很多企業空調系統直接投入運行，系統安裝過程中存在的問題一直存在，沒有發揮系統應有的效率。研究證明，在風機效率已經很難再提高的情況下，空調系統的良好調試和運行調節，對系統運行節能效益高達15%以上，節能效益可觀。運行調試包括風機的轉向、振動、噪聲情況，以及電機電流、各風機出口風量、風壓等參數，并通過車間送風口進行風量調節，保證車間送風量均勻，維護車間溫濕度參數均勻一致。

運行調節。由于車間負荷變動和室外空氣參數的變化，空調系統需要對風機不斷地進行變頻調速運行調節。關于調速頻率的控制，由風機的性能關系分析可知，風機功率和轉速的三次方呈正比。在轉速降低至工頻時的70%（35 Hz）時，風機風量約為滿負荷時的70%，壓力為滿負荷時的49%，所耗功率僅為滿負荷時功率的34.3%，已完全能夠滿足降速節能的要求。一味地降低風機運行頻率，會造成風量呈比例下降，風壓呈平方關系下降，造成車間送風不均勻，影響車間空氣環境。風機調頻范圍以35 Hz～50 Hz 較適宜［11］，并要保證同一公用回路中的風機轉速同步調節。

3 結論

（1）新型紡織車間多風機送風系統，并聯風機臺數更多，設計時需要核對風機并聯性能曲線和管網性能曲線的交點和工況點，合理選擇并聯風機的參數和臺數，使風機運行在高效、安全的參數范圍內。并聯風機臺數越多越需要重視，否則會出現風機效率下降的問題。

（2）并聯風機的型號、規格、頻率應保持一致，公用回路阻力應保證在并聯風機中最低風機全壓的30%以內。各風機送風回路阻力損失之和的差異要小于10%，以保證各風機運行壓力、流量設計參數，保持風機運行穩定。

（3）多風機并聯試運行調試是保證空調系統設計送風量、均勻度及車間溫濕度參數的重要環節，關系著系統的高效運行，必須重點關注。