第一讲 风机变频调速节能技术
目 录
第一节 概 论
1.1. 风机的主要功能和用途 1.2. 风机的性能参数 1.3. 风机的性能曲线
1.4. 风机拖动系统的主要特点
1.5. 风机变频调速节能改造的发展和前景
第二节 风机变频调速节能分析
2.1. 风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似 2.2. 叶片式风机（水泵）的相似定律
2.3. 如何求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点 2.4. 风机变频调速节能改造能效审计参数调查表
第三节 风机变频调速节能效果的计算方法
3.1. 风门开度与风量的关系 3.2. 调速范围的确定
3.3. 节能效果的计算 3.4. 轴流式风机的节能计算 3.5. 罗茨式风机的节能计算
第四节 风机变频调速和液力耦合器调速节能比较
4.1. 液力耦合器的工作原理和主要特性参数 4.2. 液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果 4.3. 风机变频调速和液力耦合器调速对比计算 4.4. 液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比较 4.5. 结 论
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一、 概 论
风机与水泵是用于输送流体（气体和液体）的机械设备。风机与水泵的作
用是把原动机的机械能或其它能源的能量传递给流体，以实现流体的输送。即流体获得机械能后，除用于克服输送过程中的通流阻力外，还可以实现从低压区输送到高压区，或从低位区输送到高位区。通常用来输送气体的机械设备称为风机（压缩机），而输送液体的机械设备则称为泵。
1.1 风机的主要功能和用途
风机按工作原理的不同，可以分为叶片式（又称叶轮式或透平式）和容积式（又称定排量式）两大类。叶片式风机又可以分为离心式风机、轴流式风机、混流式风机和横流式风机；容积式风机又可以分为往复式风机和回转式风机，而回转式风机又可用分为罗茨风机和叶氏风机。
风机除按上述工作原理分类外，还常按其产生全压的高低来分类： （1） 通风机 指在设计条件下，风机产生的额定全压值在98Pa～14700Pa之间的风机。在各类风机中，通风机应用最为广泛，如火力发电厂中用的各种风机基本上都是通风机。
（2） 鼓风机 指气体经风机后的压力升高在14700Pa～196120Pa之间的风机。
（3） 压缩机 指气体经风机后的压力升高大于196120Pa，或压缩比大于3.5的风机。
（4） 风 扇 指在标准状况下，风机产生的额定全压低于98Pa的风机。这类风机无机壳，故又称自由风扇。
1.2 风机的性能参数
风机的基本性能参数表示风机的基本性能，风机的基本性能参数有流量、全压、轴功率、效率、转速、比转速等6个。
（1） 流量 以字母Q(q)表示，单位为（升）l/s、m3/s、m3/h 等。 （2） 全压 风机的全压p表示空气经风机后所获得的机械能。风机的全压p是指单位体积气体从风机的进口截面1流经叶轮至风机的出口截面2所获
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得的机械能。风机全压的计算式为：
p=(p2+
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ρv22)−(p1+ρv12)N/m2 22
风机的全压等于风机的出口全压（出口静压和出口动压之和）减去风机的进口全压（进口静压和进口动压之和）。
（3） 轴功率 由原动机或传动装置传到风机轴上的功率，称为风机的轴功率，用P表示，单位为kW。
P=
3
Q.p
ηrηf
； 式中：Q---风机风量 （ m/s ） p---风机全压 ( kPa )； ηr－传动装置效率； ηf－风机效率； ηd－电动机效率。 电动机容量选择： P=
Q.p
ηrηfηd
（4） 效率 风机的输出功率（有效功率）Pu与输入功率（轴功率）P之比，称为风机的效率或全压效率，以η表示：
ηf=
PuQ.p
=
PP
（5） 转速 风机的转速指风机轴旋转的速度，即单位时间内风机轴的转数，以n表示，单位为rpm(r/min)或s-1 （弧度/秒）。
（6） 比转速 风机的比转速以ny表示，用下式定义：
ny=
5.54nq
1.23/4(p)
ρ 作为性能参数的比转速是按风机最高效率点对应的基本性能参数计算得出的。对于几何相似的风机，不论其尺寸大小、转速高低，其比转速均是一定的。因此，比转速也是风机分类的一种准则。
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1.3 风机的性能曲线
图1所示为300MW火电机组离心式一次风机性能曲线，该风机为进口导叶调节，图中0o 为调节门全开位置，负值为调节门向关闭方向转动的角度；图中虚线为等效率线。图2所示为300MW火电机组动叶可调轴流式送风机性能曲线，图中虚线为等效率线，0o代表设计安装角，负值为动叶片从设计安装角向关闭方向转动的角度，正值则相反。
图1 离心式风机的性能曲线
图2 动叶可调轴流风机的性能曲线
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图3 静叶可调轴流引风机的性能曲线
图4 动叶可调轴流送风机的性能曲线
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由图1、图2可见，风机性能曲线呈梳状，随着风门（动叶片）开大，风机的出口风量和风压都沿阻力曲线增大，其等效率曲线是一组闭合的椭元。这一点是与水泵的性能曲线不同的。
图2、图4所示是典型的动叶可调轴流式风机的性能曲线。由图2可见，动叶可调轴流式风机叶片的安装角可在最小安装角到最大安装角之间从0～100％调节，随着叶片安装角的增大，风机沿阻力曲线方向风量和风压同时增大，反之则同时减小。100％锅炉负荷（B-MCR）时，叶片开度为70％左右，相对于安装角＋50；100％汽轮机负荷（THB）时，叶片开度为65％左右，相对于安装角00；这两个点应在风机的最高效率区内。但是在锅炉设计时，由于无法精确计算锅炉风道的阻力曲线（图2中上面一条是双风机运行时的阻力曲线，下面一条则是单风机运行时的阻力曲线），因此所选用的风机性能曲线不能保证B-MCR点和THB点在高效区内，从而就降低了风机的运行效率，有时甚至可达20％～30％！轴流式风机叶片的安装角过大或过小，都会使风机的运行工况点偏离高效点，降低风机的运行效率。
图5 定速轴流风机和离心风机性能曲线重叠
为了将两种风机的性能进行比较，图5所示为定速轴流风机和离心风机性能曲线的重叠。由图5可见，离心式风机的最高效率在进口调节门的最大开度处，等效率线和锅炉阻力曲线接近垂直，效率沿阻力线迅速下降。能满足TB点（锅
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炉风机设计点），而100％MCR点（锅炉满负荷连续运行点）在低效率区，变工况时效率则更低，其平均运行效率比动叶可调的轴流风机要低得多。如采用转速调节，可将风门开到最大，使风机在高效区运行，而通过改变风机的转速达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目的。
而动叶可调的轴流式风机的等效率线与锅炉的阻力曲线接**行，高效率范围宽，且位置适中，因而调节范围宽。锅炉设计点（TB）与最大连续运行工况点（100％MCR）相比，流量约大15％～25％，压力约高30％～40％。在满足锅炉设计点条件下，100％MCR工况点位于高效区，平均运行效率高，单风机运行时可满足锅炉60％～80％负荷。就运行效率而言，动叶可调的轴流式风机是除变转速调节外的风机最佳调节方式。
如采用转速调节，可将风机的安装角固定在高效区，而通过改变风机的转速达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目的，但是由于这时的调速范围小，节能效果也就差。所以也可以将风机的安装角调到最大，这样虽然会降低一些运行效率，但是却大大增加了调速范围，而风机轴功率的下降是与转速的三次方成正比的，所以功率的降低远大于效率的下降，采用这种运行方式能取得更大的节能效果，详见下面具体工程案例的计算结果。
1.4 风机拖动系统的主要特点
叶片式风机水泵的负载特性属于平方转矩型，即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。风机水泵在满足三个相似条件：几何相似、运动相似和动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机（或水泵），当输送的流体密度ρ不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：流量与转速的一次方成正比；扬程（压力）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。即：
n2Qnn3pn2H P ; ; =()()() ===
n'H'P'n'Q'n'p'n'
风机与水泵转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图4所示。因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当转速由n变至n/ 时，运行工况点将由M点变至M/点。
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PH扬程P-qvP-q'vM'nMMM'nn'HSTn>n'n'n>n'OqvOqv
(a) (b)
图6 转速变化时风机（水泵）装置运行工况点的变化
（a）风机（当管路静压Pst=0时） (b) 水泵（当管路静扬程Hst≠0时），
应该注意的是：风机水泵比例定律三大关系式的使用是有条件的，在实际使用中，风机水泵由于受系统参数和运行工况的限制，并不能简单地套用比例定律来计算调速范围和估算节能效果。
当管路阻力曲线的静扬程（或静压）等于零时，即HST=0（或PST=0）时，管路阻力曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过M点的变转速时的相
＇
拟抛物线重合，因此，M与M又都是相似工况点，故可用比例定律直接由M
点的参数求出M＇点的参数。对于风机，其管路静压一般为零，故可用相似定律直接求出变速后的参数；而对于水泵，其管路系统的静压一般不为零，故对于每一个工作点，都要经过相似折算后，才能用比例定律的三个公式求出变速后的参数。
1.5 风机变频调速节能改造的发展和前景
由于目前绝大部分风机都采用风门挡板调节流量，造成大量的节流损耗，所以风机若采用转速调节，具有巨大的节能潜力。直到上世纪七十年代，都采用机械调速或滑差电机调速，但这属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗，并且驱动功率受到限制；到上世纪八十年代，开始采用液力耦合器调速，并且突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但它与滑差电机调速一样，属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗。直到上世纪九十年代，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，并向高压领域发展，使采用高压电动机驱动的风机水泵进行变频调速节能改造成为可能。进入新世纪以来，国产高压变频器生产企业如雨后春笋般的涌现，并且其质量和可靠性直迫进口产品，且价格低廉，服务周到，因此在很多领域大有取代进口产品的趋势。风机变频调速节能改造的发展前景一片大好。
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二、 风机变频调速节能分析
2.1. 风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似
两台风机（水泵）若几何相似，就是说它们的形状完全相同，只是大小不同，其中一台风机（水泵）相当于另一台风机（水泵）按一定比例的放大或缩小。举个形象的例子：两张不同比例尺的中国地图，它是几何相似的，但大小相差一定的倍数。应该指出的是：本文所说的两台风机（水泵）几何相似，是指通流部分的几何相似，并不是要求两台风机（水泵）之间的外形轮廓也必须几何相似。
两台风机（水泵）的运动相似是指两台几何相似的风机（水泵）通流部分各对应点的速度三角形相似。显然，只有当两台风机（水泵）的通流部分几何相似，才有可能运动相似，但满足几何相似条件的，不一定满足运动相似的条件，只有当两台几何相似的风机（水泵）都在对应的工况点运行时（例如：都运行在最高效率工况点时），才是运动相似，所以运动相似又称工况相似。
两台风机（水泵）的动力相似则是指作用于两台风机（水泵）内各对应点上力的方向相同，大小成比例。作用于风机（水泵）内流体的力主要有惯性力、粘性力的总压力。因此，为使风机（水泵）中的动力相似，必须对应点上的惯性力与弹性力（或压力与密度）之比相等，惯性力与粘性力之比相等。 2.2 叶片式风机（水泵）的相似定律
叶片式风机与水泵的相似定律是两台风机（水泵）在满足几何相似和运动相似的前提下导出的。它给出几何相似的风机（水泵）在对应工况点的流量之间、扬程（或全压）之间、功率之间的相互关系为：
qv/q’v=(D2/D’2)3·n/n’·ηv/η’v （2-1） H/H’=(D2/D’2)2·(n/n’)2·ηh/η’h （2-2）
p/p’=(D2/D’2)2·(n/n’)2·ρ/ρ’·ηh/η’h （2-2a） P/P’=(D2/D’2)5·(n/n’)3·ρ/ρ’·ηm/η’m (2-3)
式中带“＇”与不带“＇”分别表示两台相似的风机（水泵）各自的参数。ηv、ηh、ηm分别表示风机（水泵）的容积效率、流动效率和机械效率。
式(2-1)~式(2-3)即为叶片式泵与风机的相似定律。由于式中的ηv与η＇v、η
h
与η＇h、ηm与η＇m常是未知数，故上述各式应用有困难。实践证明，若两台
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几何相似的风机（水泵）的线性尺寸D2与D＇2相差不很大（例如当D2(大)/D’2(小)≤3）时，且转速n与n＇也相差不大（例如当 ≤1.2）时，则可近似认为在对应工况点ηv=η＇v、ηh=η＇h、ηm=η＇m。这时，式（2-1）~式（2-3）可简化表示为： qv/q’v=(D2/D’2)3·n/n’ (2-4)
H/H’=(D2/D’2)2·(n/n’)2 (2-5) p/p’=(D2/D’2)2·(n/n’)2·ρ/ρ’ (2-5a) P/P’=(D2/D’2)5·(n/n’)3·ρ/ρ’
(2-6)
式（2-4）~式（2-6）为工程实际中应用的相似定律，但它们应用于D2(大)/D’-2(小)≥3
或n2(高)/n’2(低)≥1.2时存在一定误差。对于同一台风机（水泵），当输
送的流体密度ρ不变而仅转速变化时，性能参数的变化关系式可由式（2-4）~式（2-6）简化得出:
qv/qv=n/n
＇＇
＇
＇
＇
(2-7)
H/H=( n/n)2，p/p=( n/n)2 (2-8)
＇
P/P=( n/n)3 (2-9)
＇
＇
式（2-7）~式（2-9）称为比例定律。
例2-1 两台几何相似的离心泵，其D2/D＇2 =2，且n=n＇，求此两台泵在对应工况点的流量比、扬程比和轴功率各为多少。
解 由相似定律式（2-4）~式（2-6）得:
qv/q’v=(D2/D’2)3 = 8 4 H/H’=(D2/D’2)2 = 32 P/P’=(D2/D’2)5 =
即把泵的线性尺寸几何相似地均放大一倍时，对应工况点的流量、扬程、轴功率将各增到原来的8倍、4倍和32倍。
例2-2 某台离心式风机采用变速调节方式，当其转速降低到原来额定转速的一半时，其对应工况点的流量、全压、轴功率各降到原额定转速时的多少倍？（设气体密度不变）
解 由比例定律式（2-7）~式（2-9）得:
qv/qv=n/n=1/2
＇
＇
p/p=( n/n)2=1/4
＇
＇
P/P=( n/n)3=1/8
＇
＇
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即当风机的转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、全压、轴功率各下降到原来的1/2、1/4和1/8，换句话说，用变速调节方式调节流量可使轴功率值大大下降，这也就是变速调节方式可以大幅度节电的原因。
应该指出的是本题中的n＇/n=2＞1.3，所以计算的结果可能会有一定误差。 例2-3 已知Y4-73No28型锅炉引风机在抽送140oC的烟气时所需的轴功率为600kW，试问若用以输送20oC的空气时所需的轴功率为多少？已知烟气在140oC时的密度为0.85kg/m3，空气在20oC时的密度为1.2kg/m3。
解 由相似定律（2-8）得出在抽送20oC的空气时风机所消耗的轴功率P为:
P=P·ρ/ρ’ =600*1.2/0.85=847(kW)
故在考虑锅炉引风机和水泥旋窑高温风机的电动机和变频器的功率时，应注意到风机在冷态起动时所需的轴功率值。
2.3 如何求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点
相似定律只适用于几何相似的风机（水泵）对应工况点之间的关系，因此，在应用相似定律之前，需要先找到对应工况点关系。对应工况点又称相似工况点，可以通过下面两种方法求几何相似的风机（水泵）的相似工况点。
（1）根据相似工况点的效率相等求相似工况点间的关系。相似定律式（2-4）~式（2-6）是在假设相似工况点各效率对应相等的前提下得出的，这就是说，对应工况点的效率必相等。下面根据这一思路求相似工况点间的关系。两台几何相似的风机（水泵）的最高效率是相等的，且每台风机（水泵）都只有一个最高效率点，所以各几何相似的风机（水泵）的最高效率点是相似工况点；进一步看，在各几何相似的风机（水泵）的性能曲线上最高效率点的右侧（大流量侧）也彼此有一个效率相等的工况点，它们也都是对应工况点，同理在最高效率的左侧（小流量侧），又可找到彼此效率相等的对应工况点。
（2）求出各相似工况点的连接曲线——相似抛物线。下面以求同一台泵在转速变化时的相似抛物线为例说明。若某泵在额定转速n下某工况点的流量为 q＇v，扬程为H＇，需要求当转速变化时，与其对应的各相似工况点。设与工况点（q＇v,H＇）对应各相似工况点的流量为qv，扬程H，qv与H随着转速的变化而
＇＇改变。因为相似工况点间都满足相似定律和比例定律，故由式（2-7）qv/qv=n/n
与式（2-8）H/H＇=（n/n＇）2联立求解，消去转速比n/n＇项得：
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H=H'·qv2 /(q'v)2 (2-10)
式（2-10）即为一条经坐标原点和额定转速n时某工况点（q＇v ,H＇）的相似抛物线。其上各点为变转速时的各相似工况点。如图7所示，当转速为n1、n2……时，对应的相似工况点为（qv1,H1）、（qv2,H2）······。
H扬程H=H'/(q'v)·qv22H'H1H2H3nn1n2n3O＇
＇
Q流量qv3qv2qv1qv
图7 过（qv,H）点的相似抛物线.
同理，（通）风机变转速时，过（q＇v,p＇）点的相似抛物为:
p=p'.qv/(q'v) (2-11)
2
2
2.4. 风机变频调速节能改造能效审计参数调查表
风机变频调速节能改造能效审计参数调查表
----------年 ————月 -------日
单位名称 联系人 地 址 邮 箱
设 备 基 本 参 数
电 动 机 参 数
电动机型号/ 额定功率（kW） 额定电压（kV） 额定电流（A） 额定效率 额定功率因数
风机型号 风机类型 额定全压 (kPa) 额定转速 (r/min)额定效率
风 机 参 数
负载类型联系电话邮政编码
额定流量 (m3/s) 额定转速(r/min) 额定轴功率（kW）
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转子开路电压 转子短路电流
进口压力 (kPa) 出口压力 (kPa)
电机动类别：□同步式 □鼠笼式 □绕线式
起动方式： □直接起动 □转子串水电阻起动 □定子串水电阻起动 □其 它
设 备 运 行 参 数
电 动 机 参 数
运行电压 (kV) 运行电流 (A) 无功功率 (kVar) 实际转速 (rpm) 功率因数
锅炉负荷（t/h） 发电量（MW）
风 机 参 数 进口风门开度(%) 出口风门开度(%) 出口风量(m3/s) 出口风压（kPa） 风机转速（rpm）
工 艺 流 程 参 数
工艺数据 实际工况、工艺流程描述 电动机的其它有关描述 对变频系统的要求及欲实现的功能与效果
注：1、如果工艺上没有此项，可以不填；
2、工艺数据是指此工况下能满足工艺要求的最小数值； 3、实际工况、工艺流程描述尽量详细清楚；
4、电动机的其它有关描述一般是指何种类型的电机、起动方式，有无液力耦合器等。 注意：1. 在填写风机的额定风压和实际运行风压时，一定要注明是绝（对）压力还是表压
力，他们相差一个大气压；
2. 这里所说的“压力”，是一种习惯的叫法，实际指的是“压强”：也就是单位面积
上的压力。
投料量（t/h） 日产量（t/h）
回流流量 (m3/s) 有功功率（kW.h）
三、风机变频调速节能效果的计算方法
3.1 风门开度与风量的关系
风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系是非线性的，不同类型的风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系也是不一样的。从图1、图2可
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以看出：离心式风机在不同风门开度时的特性曲线之间的间隔是不均匀的，也就是说其线性度很差；而轴流式风机在不同叶片角度时的特性曲线之间的间隔是比较均匀的，也就是说其线性度较好；不同类型的风机在相同的风门开度（叶片角度）（％）时的风量（％）也是不一样的。见图8所示。
就拿离心式风机来说，可以在图3上画一条阻力曲线，与不同风门开度的特性曲线的交点即为不同风门开度时的工作点，由各个工作点读出的风门开度、风量及风压的关系数据列于表1，不同风门开度与风量之间的关系则画于图8。根据图3、图4，用同样的方法可以作出静叶可调和动叶可调的轴流式风机不同叶片角度与风量之间的关系，其数据列于表2、表3，曲线画于图8。
由图8可以看出，离心式风机的风门开度—风量曲线的线性度最差：小风门时，随着风门的开大，风量增大很快；当风门开度大到50％以上时，风量增大的速度明显放慢，当风门开度大到75％以上时，风量增大已不太明显了。而静叶可调轴流风机的叶片角度—风量曲线就要显得平坦一些了，动叶可调轴流风机的叶片角度—风量曲线就接近线性了。并且可以看出，在相同的风门开度（叶片角度）％时，离心式风机的风量最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的风量最小。因此，在相同的风门开度（叶片角度）％时，离心式风机的节电率最小，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的节电率最大。而在相同的风量时，由于三种风机的轴功率不同（见表4，表5）：离心式风机的轴功率最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的轴功率最小；所以离心式风机的节电率最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的节电率最小。
表1. 离心式风机风门开度与风量、风压和节电率的关系：
风门开度（o） 风门开度（％）
10 o 15 o 20 o 25 o 30 o 35 o 40 o
11.1 ％ 16.7 ％ 22.2 ％ 27.7 ％ 33.3 ％ 38.9 ％ 44.4 ％
风 量（％） 25.0 ％ 35.0 ％ 45.0 ％ 55.0 ％ 61.7 ％ 68.3 ％ 76.7 ％
风 压（％） 10.0 ％ 15.0 ％ 22.0 ％ 32.0 ％ 42.0 ％ 50.0 ％ 60.0 ％
节电率（％） 95 ％ 90 ％ 80 ％ 70 ％ 60 ％ 48 ％ 31 ％
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45 o 50 o 55 o 60 o 65 o 70 o 75 o 80 o 85 o 90 o
50.0 ％ 55.6 ％ 61.1 ％ 66.7 ％ 72.2 ％ 77.8 ％ 83.3 ％ 88.9 ％ 94.4 ％ 100.0 ％
81.7 ％ 83.3 ％ 85.5 ％ 88.3 ％ 90.8 ％ 93.1 ％ 95.1 ％ 96.7 ％ 98.8 ％ 100.0 ％
68.0 ％ 75.0 ％ 80.0 ％ 84.0 ％ 87.3 ％ 90.4 ％ 93.3 ％ 95.8 ％ 98.0 ％ 100.0 ％
20 ％ 16 ％ 13 ％ 10 ％ 7 ％ 5 ％ 3 ％ 2 ％ 0 ％
－4 ％
表2 静叶可调轴流风机的叶片角度和风量、风压及节电率的关系：
叶片角度
叶片角度
全 风 量
额定风量
风 压
节 电 率
－70 o 0 ％ 18.6 ％ 21.5 ％ 5.35 ％ 98％ －65 o 5 ％ 26.7 ％ 30.8 ％ 6.86 ％ 96％ －60o 10 ％ 36.4 ％ 41.9 ％ 8.54 ％ 95％ －55 o 15 ％ 42.9 ％ 49.5 ％ 10.8 ％ 94.0％ －50 o 20 ％ 49.4 ％ 57.0 ％ 12.9 ％ 92.2％ －45 o 25 ％ 56.6 ％ 65.4 ％ 15.2 ％ 87.9％ －40 o 30 ％ 61.5 ％ 71.0 ％ 17.9 ％ 83.6％ －35 o 35 ％ 66.3 ％ 76.6 ％ 23.3 ％ 79.2％ －30 o 40 ％ 71.2 ％ 82.2 ％ 29.0 ％ 74.6％ －25 o 45 ％ 74.4 ％ 85.9 ％ 35.6 ％ 67.3％ －20 o 50 ％ 76.9 ％ 88.8 ％ 41.9 ％ 55.8％ －15 o 55 ％ 79.3 ％ 91.6 ％ 48.7 ％ 44.3％ －10 o 60 ％ 81.7 ％ 94.3 ％ 54.8 ％ 35.8％ － 5 o 65 ％ 84.1 ％ 97.1 ％ 60.2 ％ 28.4％ 0 o 70 ％ 86.6 ％ 100 ％
65.8 ％ 21.6％
＋5 o 75 ％ 89.3 ％ 73.5 ％ 15.3％ ＋10 o 80 ％ 92.2 ％ 80.6 ％ 10.8％ ＋15 o 85 ％ 94.8 ％ 85.1 ％ 6.9％ ＋20 o 90 ％ 96.8 ％ 89.0 ％ 4.3％ ＋25 o 95 ％ 98.5 ％ 94.3 ％ 1.8％ ＋30 o 100 ％
100 ％ 100.0 ％ －4％
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表3： 动叶可调轴流风机的叶片角度和风量、风压及节电率的关系：
叶片角度 －32o －28 o －24 o －16 o －12o －8 o 0o ＋4 o
叶片角度 0 ％
全 风 量
额定风量
风 压 1.0 ％
节 电 率 96.0％ 89.9％ 80.6％ 66.1％ 57.3％ 42.7％ 27.4％ 21.6％ 14.2％ 2.3％ －4 ％
8.3 ％ 11.3 ％
8 ％ 16.7 ％ 22.8 ％ 5.35 ％ 16 ％ 25.0 ％ 34.1 ％ 10.8 ％ 31 ％ 42.0 ％ 57.3 ％ 29.0 ％ 46 ％ 58.7 ％ 80.1 ％ 52.8 ％ 60 ％
73.3 ％ 100.0 ％
71.4 ％ 80.6 ％ 86.5 ％ 96.3 ％ 100.0 ％
－20 o 23 ％ 33.3 ％ 45.4 ％ 17.9 ％
38 ％ 50.7 ％ 69.2 ％ 41.9 ％ 49.8％
－4 o 53 ％ 66.7 ％ 91.0 ％ 62.7 ％ 33.5％
68 ％ 79.3 ％ ＋8 o 76 ％ 85.3 ％ ＋12 o 84 ％ 90.7 ％ ＋16 o 92 ％ 95.7 ％ ＋20 o 100 ％ 100.0 ％ 91.0 ％ 8.8％
图8 不同类型的风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系
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由于大多数风机为离心式风机，所以我们把离心式风机作为重点来讨论。在知道了不同工况的风门开度时，就可以用查表的方法求出风量和风压值，并以此作为节能计算的依据。因为查表的方法比较麻烦，所以也常常用函数逼近的方法来计算，但同时也带来了误差。常用的函数逼近方法有开平方法、三角函数法等。开平方法是将风门开度和风量数据都标么化为0～1（0～100％），再将风门开度数据开平方，即可得到风量数据的标么值（0～100％）；三角函数法则先将风门开度数据标么化为a = 00～900，风量数据标么化为0～1（0～100％），再用三角函数Q = sin a 求出对应的风量标么值。离心式风机采用不同的拟合法时风门开度与风量的关系数据见表4，查表法和函数逼近法算出的风门开度/风量的关系均画于图9。
由图9可见，开平方法在小风门段的风量要大于查表法，而在大风门段又小于查表法；三角函数法的全程风量都要低于查表法，并且三角函数法的误差要大于开平方法。其实即使是用查表法得出的数据也是有误差的，因为用的是典型的离心式风机的特性曲线，与实际风机的特性曲线还是有差别的，最好使用实际风机的特性曲线，与实际的阻力曲线的交点为工作点得出的数据才是最准确的数据，但是实际的阻力曲线是很难绘出的。风机的特性曲线就好像是人的身份证，其中包含了风机的所有的信息！但是现场很难找到风机的特性曲线，就只能向风机的制造厂家索取了，实在找不到时就只能用典型的离心式风机的特性曲线作为计算的依据了。
表4. 离心式风机采用不同的拟合法时风门开度与风量的关系：
风门开度（o） 风门开度（％）
0 o 5 o 10 o 15 o 20 o 25 o 30 o 35 o 40 o 45 o 50 o
0.0 ％ 5.5 ％ 11.1 ％ 16.7 ％ 22.2 ％ 27.7 ％ 33.3 ％ 38.9 ％ 44.4 ％ 50.0 ％ 55.6 ％
风 量（查表） 14.5 ％ 25.0 ％ 35.0 ％ 45.0 ％ 55.0 ％ 61.7 ％ 68.3 ％ 76.7 ％ 81.7 ％ 83.3 ％
风 量（开方）
风 量（sin a）
3.6 ％ 0.0 ％ 0.0 ％
23.6 ％ 8.7 ％ 33.3 ％ 40.8 ％ 47.1 ％ 52.6 ％ 57.7 ％ 62.4 ％ 66.6 ％ 70.7 ％ 74.6 ％
17.4 ％ 25.9 ％ 34.2 ％ 42.3 ％ 50.0 ％ 57.4 ％ 64.3 ％ 70.7 ％ 76.6 ％
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55 o 60 o 65 o 70 o 75 o 80 o 85 o 90 o
61.1 ％ 66.7 ％ 72.2 ％ 77.8 ％ 83.3 ％ 88.9 ％ 94.4 ％ 100.0 ％
85.5 ％ 88.3 ％ 90.8 ％ 93.1 ％ 95.1 ％ 96.7 ％ 98.8 ％ 100.0 ％
78.2 ％ 81.6 ％ 85.0 ％ 88.2 ％ 91.3 ％ 94.2 ％ 97.2 ％
81.9 ％ 86.6 ％ 90.6 ％ 94.0 ％ 96.6 ％ 98.5 ％ 99.6 ％
100.0 ％ 100.0 ％
图9 离心式风机使用不同的逼近方法时的风门开度与风量的关系曲线
3.2 不同风量和不同控制方式时的轴功率：
由于现场数据调查表中提供的风机轴功率一般不是风机的额定轴功率，而是电动机的额定输出功率；而用风机的额定风量、风压和效率来计算风机的额定轴功率，又因为没有风机效率数据以及给出的风量和风压数据明显有误，所以也不是风机真正的额定轴功率；即使有风机的额定轴功率数据，由于锅炉（窑
18
炉）的阻力曲线也不能精确计算，所以当风门全开时的风机轴功率与其额定轴功率也会有出入：如风道的阻力过大，则因为风压增大，会使风机的轴功率超过其额定轴功率；反之如风道的阻力过小，则因为风压减小，而会使风机的轴功率低于其额定轴功率等等！因为工程中不乏这样的案例：有的风机在风门全开运行时，其电动机的电流还远远小于额定电流；而有的风机在风门开度尚不到50％时，其电动机已因过载而跳闸了。
那么到底应当如何计算当风门全开时的风机轴功率呢？这个数据对于节能计算来说又是至关重要的！很多的节能计算出现较大误差的原因主要就是不能精确的计算出当风门全开时的风机轴功率。工程上有一种计算方法算出的风门全开时的风机轴功率较为准确，即根据某一风门开度时的电动机运行功率来反推风门全开时的风机运行功率（包括电动机的损耗）。其根据见图10（左），并有根据图10（左）上查出的表4，以及表5：
图10 离心式风机在不同调节方式时的轴功率和效率曲线
表5．离心式风机系统在不同风量（风门开度）和不同控制方式时的轴功率：
风门开度（％） 10 15 20 25
风 量（％Qe） 23 33 42 51
入口门控制（％Pe） 52 ％ 54 ％ 56 ％ 58 ％
出口门控制（％Pe） 60 ％ 67 ％ 74 ％ 81 ％
19
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
58 65 71 77 82 83 85 87 89 91 93 95 97 99 100
60 ％ 63 ％ 65 ％ 68 ％ 71 ％ 73 ％ 75 ％ 78 ％ 80 ％ 83 ％ 86 ％ 90 ％ 95 ％ 98 ％ 100 ％
85 ％ 89 ％ 91 ％ 93 ％ 94 ％ 95 ％ 96 ％ 97 ％ 97.5％ 98 ％ 98.5％ 99 ％ 99.5％ 99.8％ 100 ％
表6．轴流式风机系统在不同风量（叶片角度）和不同控制方式时的轴功率：
叶片角度（％） 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
风 量（％Qe） 18.1 24.3 29.2 35.9 41.7 46.9 52.3 57.8 63.9 68.7 73.6 78.4 83.3 86.8 89.2 92.3 95.1 97.6 100.0
静叶调节（％Pe） 46 ％ 48 ％ 50 ％ 53 ％ 56 ％ 59 ％ 63 ％ 67 ％ 70 ％ 72 ％ 75 ％ 78 ％ 80 ％ 83 ％ 86 ％ 90 ％ 95 ％ 98 ％ 100 ％
动叶调节（％Pe） 34 ％ 35 ％ 36 ％ 38 ％ 41 ％ 44 ％ 47 ％ 50 ％ 54 ％ 58 ％ 62 ％ 66 ％ 70 ％ 74 ％ 79 ％ 84 ％ 90 ％ 97 ％ 100 ％
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3.3 调速范围的确定
当风机采用转速调节时，其风量和风压可用比例定律计算，在确定调速范围时应兼顾风量和风压的要求，一般这时将风门开到最大，仅用转速来调节风量，并留有一定的风压裕量。所以一定要知道生产工艺所要求的最小风压，作为确定最低转速的根据。当然，当最小风压要求低于最小风量要求时，可以风量要求为准。
注意：这只是最低转速，不能作为节能计算的转速依据；节能计算时应以中心调节频率为准，中心调节频率则为最低频率和额定频率（50Hz）的中心值。如最低调速频率为30Hz，则中心调节频率为40Hz，为额定转速的80％。 3.4 节能效果的计算
风机的调速节能效果计算比较简单，由于风机系统一般不存在反压，所以风机调速运行时消耗的电功率可以直接用比例定律求得。注意使用的工频运行电功率应为采用风门调节时风机实际消耗的电功率，而不是电动机的额定电功率。而转速也应为中心调节频率（转速），而不是最低（频率）转速。
关键的是要根据风门开度数据测算出准确的风量数据，才能准确算出节电率来。最准确的是根据各种工况下的风量、风压和电动机电流数据进行计算；其次是根据风机的特性曲线以及风门开度和电流数据进行计算，风门开度决定节电率，而电动机电流的大小则决定节电量；最后就只能根据风门开度数据用查表法和函数逼近法算出风量来，然后根据风量与转速的一次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比进行计算了。不论用哪种方法计算，风门开度的准确性都是致关重要的！其次就是风量的计算尤为关键，它对计算结果的影响可谓是：“失之毫厘，差以千里” ！例如在表4中，开平方法和查表法相比，在45
O
（50％）风门开度时，其风量的数值相差11％！算出的节电率分别为45.9％和 16.5％，相差29.4％！而函数法和查表法相比，在40O（44.4％）风门开度时，其风量的数值相差12.4％！算出的节电率分别为57.4％和27.7％，相差29.7％！当然这是最大误差，但是对于节电率来说，就是相差3％～5％都是非常敏感的，更别说是30％了！对节电量和节约电费以及投资回报来讲，则更是有天壤之别了。所以说“失之毫厘，差以千里”是一点也不过分的。 风量的计算一定要慎之又慎！
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例3－1：某电站锅炉为75T/h循环流化床锅炉，其送风机（一次风机）为离心式风机，设计裕量较大，在满负荷时入口风门开度仅为70％（出口风门全开），每天运行时间为8小时；80％负荷时风门开度为55％，每天运行时间为10小时；60％负荷时风门开度为45％（低于44％开度时风压报警），每天运行时间为6小时。试计算变频调速节能改造后的节能效果。
风机参数：额定风压：22000 Pa, 运行风压： ≥10000 Pa，≤10000 Pa报警；
额定风量：66000 m3/h, 满负荷运行风量：55000 m3/h。
电动机参数：额定功率： 560 kW, 额定电压： 6000 V；
额定电流： 65.4 A, 满负荷运行电流：42 A； 额定转速： 1486 rpm 。 功率因数： 0.85； 额定效率： 95％。
解：首先确定调速范围，风机采用变频调速时，风门全开，全速运行时输出额定风压22000Pa，根据比例定律，为保证最低风压10000Pa时的转速为额定转速的67.49％，为了留有风压裕量，最低转速取额定转速的70％（1036 rpm）， 变频器的最低输出频率为35Hz。
a) 满负荷时风门开度为70％，由表1可查得风量约为90％，变频调节时
可在90％转速下（45Hz）运行，此时的风压为17820Pa，满足最低风压要求。由表4可查得此时的电动机功率为全风量功率的80％。 风机在满负荷时的运行电流为42A，电动机的功率为：
Pd = 1.732×6000×42×0.85= 371 kW；
当风机在90％转速运行时，其消耗的电功率为：
Pb = 371kW/0.80×0.903 /0.96 = 352 kW，
节省电功率: ΔP = Pd－Pb = 371 kW – 352 kW = 19 kW 节电率为 : ΔP / Pd = 5.12 ％。
b）80％负荷时风门开度为55％，由表1可查出风量约为83％，变频调节时可在83％转速（41.5Hz）下运行，此时的风压为15150Pa，满足最低风压要求。由表4可查得此时的电动机功率为全风量功率的73％。
风机在80％负荷时的运行电流为40A，电动机的功率为：
Pd = 1.732×6000×40×0.85 = 353 kW；
当风机在87％转速运行时，其消耗的电功率为：
Pb = 353 kW/0.73×0.83 /0.96 = 288 kW；
22
3
节省电功率：ΔP = Pd－Pb = 353 kW – 288 kW = 65 kW； 节电率为： 65 kW / 353 kW = 18.4％。
c）60％负荷时风门开度为45％，由表1可查出风量约为77％，变频调节时可在77％转速（38.5Hz）下运行，此时的风压为13000Pa，满足最低风压要求。由表4可查得此时的电动机功率为全风量功率的68％。
风机在60％负荷时的运行电流为38A，电动机的功率为：
Pd = 1.732×6000×38×0.85 = 335.6 kW；
当风机在83％转速运行时，其消耗的电功率为：
Pb = 335.6 kW/0.68×0.773 /0.96 = 234.7 kW；
节省电功率：ΔP = Pd－Pb = 335.6 kW –234.7 kW = 100.9 kW； 节电率为： 100.9 kW / 335.6 kW = 30.06％。
日节电量为：（19 kW×8h＋65 kW×10h＋100.9 kW×6h） = 1407.4 kW.h。 年节电量为：1407.4 kW.h×330天 = 46.44 万度。 3.5. 轴流式风机的节能计算
轴流式风机是采用叶片（静叶或动叶）的安装角来调节风量的，静叶调节的角度调节范围较大（例如－70O～+30O），而动叶调节的角度调节范围较小（例如－30O～+20O）。叶片调节范围一般是以0～100％的百分比开度表示的，应折算成实际的叶片角度后，再在阻力曲线上查到工作点，就可以查到风机的效率了。 3.5.1 动叶可调轴流式风机的节能计算
例3－2：某动叶可调轴流式一次风机参数如下，试计算其节能效果。 一次风机及电动机参数： 一次风机型号 （型式） 动叶调节范围 轴功率 风量 全压 额定转速 效率 数量
PAF 19－14－2 动叶可调轴流式 100～550 1878 kW 100.83 m3/s 17126 Pa 1470r/min 86.21% 4台
匹配电机型号 （产地） 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 功率因数 额定效率 防护等级
YKK710-4G-W 上海电机厂 2400kW 6000V 266 A 1491r/min 0.86
94.5 %
IP54
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一次风机运行参数及节能计算：
机组负荷（％） 100 ％ 90 ％ 80 ％ 70 ％ 60 ％ 叶片开度（％） 53 ％ 50 ％ 47 ％ 43 ％ 39 ％ 电动机电流（A） 125 A
118 A
112 A
108 A
105 A
电动机功率（kW） 2234 kW 2110 kW 2002 kW 1930 kW 1876 kW 变频功率（kW） 2192 kW 1922 kW 1636 kW 1406 kW 1126 kW 节约电功率（kW） 42 kW 188 kW 366 kW 524 kW 750 kW 节电率（％） 节电率（％）
1.9 ％ 8.9 ％ 18.3 ％ 27.2 ％ 40.0 ％ 46.7 ％ 50.9 ％ 56.7 ％ 64.6 ％ 68.8 ％
由一次风机性能曲线可以看出，一次风机在锅炉设计工况（B-MCR）点运行，叶片角度为＋00（开度60％）运行时效率最高，可达88％。通过变频器调速运行，以满足锅炉风量的要求。
下面是将风机的叶片角度固定为＋00（开度60％）时，调速运行的节能计算：
a) 机组在额定负荷（600MW）运行时，一次风机叶片开度为53％，由表2.3可查得风量为额定风量的91.0％，电动机电流为125A，功率约为额定风量时的80％，此时一次风机转速为91.0％额定转速，频率为45.5 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×125×0.86 ＝ 1117 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.80)× 0.913/0.96 ＝ 1096 kW
节约的电功率为：1117－1096 ＝ 21 kW 节电率为: 21 kW/1117 kW ＝ 1.9 ％；
b) 机组在90％额定负荷（540MW）运行时，一次风机叶片开度为50％，由表2.3可查得风量为额定风量的86.5％，电动机电流为118A，功率约为额定风量时的74％，此时一次风机转速为86.5％额定转速，频率为43.3 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×118×0.86 ＝ 1055 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.74)× 0.865/0.96 ＝ 961 kW
节约的电功率为：1055－961 ＝ 94 kW 节电率为: 94 kW/1055 kW ＝ 8.9 ％；
c) 机组在80％额定负荷（480MW）运行时，一次风机叶片开度为47％，由
24
3
表2.3可查得风量为额定风量的81.5％，电动机电流为112A，功率约为额定风量时的69％，此时一次风机转速为81.5％额定转速，频率为40.8 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×112×0.86 ＝ 1001 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.69)× 0.8153/0.96 ＝ 818 kW
节约的电功率为：1001－818 ＝ 183 kW 节电率为: 183 kW/1001 kW ＝ 18.3 ％；
d) 机组在70％额定负荷（420MW）运行时，一次风机叶片开度为43％，由表2.3可查得风量为额定风量的76.5％，电动机电流为108A，功率约为额定风量时的64％，此时一次风机转速为76.5％额定转速，频率为38.3 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×108×0.86 ＝ 965 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.64)× 0.7653/0.96 ＝ 703 kW
节约的电功率为：965－703 ＝ 262 kW 节电率为: 262 kW/965 kW ＝ 27.2 ％；
e) 机组在60％额定负荷（360MW）运行时，一次风机叶片开度为39％，由表2.3可查得风量为额定风量的70.2％，电动机电流为105A，功率约为额定风量时的60％，此时一次风机转速为70.2％额定转速，频率为35.1 Hz，则：工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×105×0.86 ＝ 938 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝ （Pd1/0.60）× 0.702/0.96 ＝ 563 kW
节约的电功率为：938--563 ＝ 375 kW 节电率为: 375 kW/938 kW ＝ 40.0 ％；
若机组的平均负荷以75％额定负荷（450MW）计算，平均节电率按20％计算，两台一次风机可节约电功率420kW；年运行时间以7000小时计算，可节约电能294万kW.h,以上网电价0.35元/kW.h计算：
每年可节约电费103万元，不到三年就可以收回全部改造投资。 为了获得较高的节能效果，可将叶片角度开到最大（+200），虽然会使风机的效率有所降低（约12 ％）， 通过变频器调速运行可获得较大的节电率，并满足锅炉风量的要求。
a) 机组在额定负荷（600MW）运行时，一次风机叶片开度为53％，由表2.3
25
3
可查得风量为额定风量的66.7％，电动机电流为125A，功率约为最大风量时的58％，此时一次风机转速为66.7％额定转速，频率为33.4 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×125×0.86 ＝ 1117 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.58)× 0.6673/0.96 ＝ 595 kW
节约的电功率为：1117－595 ＝ 522 kW 节电率为: 522 kW/1117 kW ＝ 46.7 ％；
b) 机组在90％额定负荷（540MW）运行时，一次风机叶片开度为50％，由表2.3可查得风量为额定风量的63％，电动机电流为118A，功率约为最大风量时的53％，此时一次风机转速为63％额定转速，频率为31.5 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×118×0.86 ＝ 1055 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.53)× 0.633/0.96 ＝ 518 kW
节约的电功率为：1055－518 ＝ 537 kW 节电率为: 537 kW/1055 kW ＝ 50.9 ％；
c) 机组在80％额定负荷（480MW）运行时，一次风机叶片开度为47％，由表2.3可查得风量为额定风量的60％，电动机电流为112A，功率约为最大风量时的52％，此时一次风机转速为60％额定转速，频率为30 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×112×0.86 ＝ 1001 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.52)× 0.60/0.96 ＝ 433 kW
节约的电功率为：1001－433 ＝ 568 kW 节电率为: 568 kW/1001 kW ＝ 56.7 ％；
d) 机组在70％额定负荷（420MW）运行时，一次风机叶片开度为43％，由表2.3可查得风量为额定风量的55％，电动机电流为108A，功率约为最大风量时的49％，此时一次风机转速为55％额定转速，频率为27.5 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×108×0.86 ＝ 965 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.49)× 0.553/0.96 ＝ 341.3 kW
节约的电功率为：965－341 ＝ 624 kW
3
26
节电率为: 624 kW/965 kW ＝ 64.6 ％；
e) 机组在60％额定负荷（360MW）运行时，一次风机叶片开度为39％，由表2.3可查得风量为额定风量的52％，电动机电流为105A，功率约为额定风量时的47％，此时一次风机转速为52％额定转速，频率为26 Hz，则：工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×105×0.86 ＝ 938 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝ （Pd1/0.60）× 0.7023/0.96 ＝ 292 kW
节约的电功率为：938--292 ＝ 646 kW 节电率为: 646 kW/938 kW ＝ 68.8 ％；
若机组的平均负荷以75％额定负荷（450MW）计算，平均节电率按50％计算，两台一次风机可节约电功率1060kW；年运行时间以7000小时计算，可节约电能742万kW.h,以上网电价0.35元/kW.h计算：
每年可节约电费260万元，不到二年就可以收回全部改造投资。 3.5.2 静叶可调轴流式风机的节能计算
例3－3：某静叶可调轴流式引风机参数如下，试计算其节能效果。 引风机及电动机设备参数： 引风机型号 （型式） 静叶调节范围 额定轴功率 额定风量 额定全压 额定转速 额定效率 数量
AN40e6(V13＋40 )静叶可调轴流式 －750～＋300 3600 kW 618.021 m3/s 5347 Pa 590 r/min 88.78% 8台
匹配电机型号 （产地） 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 功率因数 额定效率 防护等级
YKK900-10G-W 上海电机厂 4000kW 6000V 474A 595 r/min 0.83
95.0%
IP54
引风机运行参数及节能计算：
机组负荷（％）100％（双）90％（双风）80％（双风）70％（双风） 60％（单风）叶片角度（％） 58％ 电动机电流（A） 284 A
52％ 262 A
47％ 244 A
42％ 228 A
68％ 316 A
电动机功率（kW） 4900 kW 4520 kW 4210 kW 3933 kW 2726 kW
27
变频功率（kW） 4540 kW 3906 kW 3462 kW 2992 kW 1052 kW 节约电功率（kW） 360 kW 614 kW 748 kW 940 kW 1618 kW 节电率（％） 7.35 ％ 13.6 ％ 17.8 ％ 23.9 ％ 59.4 ％ 节电率（％） 29.9 ％ 36.6 ％ 40.9 ％ 46.4 ％ 59.4 ％ 由引风机运行参数可以看出，机组在额定负荷运行时，两台引风机工作，叶片开度已接近60％，角度为－10，尚未达到设计高效点。 若采用变频调速，调整叶片开度为70％（角度为0O），维持引风机高效运行，通过变频器调速运行，以满足锅炉风量的要求。
下面是将风机的叶片角度固定为＋00（开度70％）时，调速运行的节能计算：
a) 机组在额定负荷（600MW）运行时，引风机叶片开度为58％，由表1.3可查得风量为额定风量的93.2％，电动机电流为284A，功率约为额定风量时的91％，此时引风机转速为93.2％额定转速，频率为46.6 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×284×0.83 ＝ 2450 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.91)× 0.9323/0.96 ＝ 2270 kW
节约的电功率为：2450－2270 ＝ 180 kW 节电率为: 180 kW/2450 kW ＝ 7.35 ％；
b) 机组在90％额定负荷（540MW）运行时，引风机叶片开度为52％，由表1.3可查得风量为额定风量的89.7％，电动机电流为262A，功率约为额定风量时的87％，此时引风机转速为89.7％额定转速，频率为44.9 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×262×0.83 ＝ 2260 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.87)× 0.8973/0.96 ＝ 1953 kW
节约的电功率为：2260－1953 ＝ 307 kW 节电率为: 307 kW/2260 kW ＝ 13.6 ％；
c) 机组在80％额定负荷（480MW）运行时，引风机叶片开度为47％，由表1.3可查得风量为额定风量的87.2％，电动机电流为244A，功率约为额定风量时的84％，此时引风机转速为87.2％额定转速，频率为43.6 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×244×0.83 ＝ 2105 kW
变频运行时的电动机功率为：
28
O
Pb1 ＝( Pd1/0.84)× 0.8723/0.96 ＝ 1731 kW
节约的电功率为：2105－1731 ＝ 374 kW 节电率为: 374 kW/2105 kW ＝ 17.8 ％；
d) 机组在70％额定负荷（420MW）运行时，引风机叶片开度为42％，由表1.3可查得风量为额定风量的83.6％，电动机电流为228A，功率约为额定风量时的80％，此时引风机转速为83.6％额定转速，频率为41.8 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×228×0.83 ＝ 1966 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.80)× 0.8363/0.96 ＝ 1496 kW
节约的电功率为：1966－1496 ＝ 470 kW 节电率为: 470 kW/1966 kW ＝ 23.9 ％；
e) 机组在60％额定负荷（360MW）运行时，单引风机工作，叶片开度为68％，由表1.3可查得风量为额定风量的98.8％，此时采用单引风机变频运行已无意义，不但达不到节能效果，可能反而会费能。电动机电流为316A，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×316×0.83 ＝ 2726 kW
如果采用双引风机变频运行，满足100％风量要求时，叶片开度为20％，单台风机的风量为57％，两台的风量为114％，完全能满足要求。引风机转速为57％额定转速，频率为28.5 Hz，则：
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝ (Pd1/0.95)× 0.573/0.96 ×2 ＝ 1108 kW
节约的电功率为：2726－1108 ＝ 1618 kW 节电率为: 1674 kW/2726 kW ＝ 59.4 ％；
由于机组在低负荷运行时稳定性较差，采用双引风机变频运行，可以增强机组应对突发事故的能力，提高机组低负荷运行的稳定性，同时还可以取得明显的节能效果。
若机组的平均负荷以75％额定负荷（450MW）计算，平均节电率按20％计算，两台引风机可节约电功率900kW；年运行时间以7000小时计算，可节约电能630万kW.h,以上网电价0.35元/kW.h计算：
每年可节约电费220万元，不到二年就可以收回全部改造投资。 为了获得较高的节能效果，可将叶片角度开到最大（+300），虽然会使风机的效率有所降低（约4 ％）， 通过变频器调速运行可获得较大的节电率，并满足锅炉风量的要求。
29
a) 机组在额定负荷（600MW）运行时，引风机叶片开度为58％，由表1.3可查得风量为额定风量的81％，电动机电流为284A，功率约为最大风量时的79％，此时引风机转速为81％额定转速，频率为40.5 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×284×0.83 ＝ 2450 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.79)× 0.813/0.96 ＝ 1717 kW
节约的电功率为：2450－1717 ＝ 733 kW 节电率为: 733 kW/2450 kW ＝ 29.9 ％；
b) 机组在90％额定负荷（540MW）运行时，引风机叶片开度为52％，由表1.3可查得风量为额定风量的78％，电动机电流为262A，功率约为最大风量时的78％，此时引风机转速为78％额定转速，频率为39 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×262×0.83 ＝ 2260 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.78)× 0.783/0.96 ＝ 1553 kW
节约的电功率为：2260－1553 ＝ 707 kW 节电率为: 707 kW/2260 kW ＝ 36.6 ％；
c) 机组在80％额定负荷（480MW）运行时，引风机叶片开度为47％，由表1.3可查得风量为额定风量的75.5％，电动机电流为244A，功率约为最大风量时的76％，此时引风机转速为75.5％额定转速，频率为37.8 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×244×0.83 ＝ 2105 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.76)× 0.7553/0.96 ＝ 1245 kW
节约的电功率为：2105－1245 ＝ 860 kW 节电率为: 860 kW/2105 kW ＝ 40.8 ％；
d) 机组在70％额定负荷（420MW）运行时，引风机叶片开度为42％，由表1.3可查得风量为额定风量的72.5％，电动机电流为228A，功率约为最大风量时的74％，此时引风机转速为72.5％额定转速，频率为36.3 Hz，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×228×0.83 ＝ 1966 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝( Pd1/0.74)× 0.725/0.96 ＝ 1054 kW
3
30
节约的电功率为：1966－1054 ＝ 912 kW 节电率为: 912 kW/1966 kW ＝ 46.4 ％；
e) 机组在60％额定负荷（360MW）运行时，单引风机工作，叶片开度为68％，由表1.3可查得风量为最大风量的50％，此时采用单引风机变频运行已无意义，不但达不到节能效果，可能反而会费能，因此必须双风机变频运行。电动机电流为316A，则：
工频运行时的电动机功率为：
Pd1 ＝ 1.732×6×316×0.83 ＝ 2726 kW
如果采用双引风机变频运行，满足100％风量要求时，叶片开度为20％，单台风机的风量最大风量的为57％，两台的风量为114％，完全能满足要求。引风机转速为57％额定转速，频率为28.5 Hz，则：
变频运行时的电动机功率为：
Pb1 ＝ (Pd1/0.95)× 0.573/0.96 ×2 ＝ 1108 kW
节约的电功率为：2726－1108 ＝ 1618 kW 节电率为: 1674 kW/2726 kW ＝ 59.4 ％；
由于机组在低负荷运行时稳定性较差，采用双引风机变频运行，可以增强机组应对突发事故的能力，提高机组低负荷运行的稳定性，同时还可以取得明显的节能效果。
若机组的平均负荷以75％额定负荷（750MW）计算，平均节电率按40％计算，两台引风机可节约电功率1500kW；年运行时间以7000小时计算，可节约电能1050万kW.h,以上网电价0.35元/kW.h计算：
每年可节约电费365万元，不到一年就可以收回全部改造投资。 3.5.3 矿山通风机的节能计算
矿山通风机很多采用对旋式静叶可调轴流风机，目的是采用低转速的电（风）机，而产生高的风压，以满足矿山通风的要求。一般高压风机必须由高速电动机拖动，而高速运转的机械其轴承容易磨损，增大了维护成本；采用对旋式轴流风机，可采用低转速的电（风）机，而产生高的风压，从而避免了机械磨损，延长了检修周期，降低了维护成本，提高了设备运行的可靠性。
对旋式轴流风机是装在同一个风筒内的两台旋向相反的轴流风机，也可以拆开单独运行。采用不同的旋向主要是使风机出口的气流沿着轴向运动，从而减小阻力。对旋式轴流风机是用两倍的轴功率产生两倍的风压，而风量不变，就像是两级压缩机一样。
对旋式轴流风机在工频运行时要求延时启动，目的是减小电动机启动电流
31
对电网的影响。在采用变频器拖动时，由于启动时没有过电流，所以不需要延时启动，两台风机可以同起同落；而往往对旋式轴流风机的电动机功率都不大， 所以可以采用“一拖二”的拖动方式：即用一台变频器同时拖动两台风机运行，并且同起同落，同频（速）运行，因为变频器在运行中是不允许投切负载的。
矿山通风机的节能计算可以按照上述静叶可调轴流式风机的方法进行。 3.6. 罗茨风机的节能计算 3.6.1 罗茨风机的工作原理
罗茨风机是利用两个叶轮转子在气缸内作相对运动来压缩和输送气体的回转压缩机。这种压缩机靠转子轴端的同步齿轮使两转子保持啮合。转子上每一凹入的曲面部分与气缸内壁组成工作容积，在转子回转过程中从吸气口带走气体，当移到排气口附近与排气口相连通的瞬时，因有较高压力的气体回流，这时工作容积中的压力突然升高，然后将气体输送到排气通道。两转子依次交替工作，因此，它的流量与转速成正比。两转子互不接触，它们之间靠严密控制的间隙实现密封，故排出的气体不受润滑油污染。这种鼓风机结构简单，制造方便，适用于中低压力状态下的气力输送泵和曝气设备，也当作真空泵使用。
罗茨风机为容积式风机，输送的风量与转数成比例，三叶型叶轮每转动一次由 2 个叶轮进行 3 次吸、排气。与二叶型相比，气体脉动性小，振动也小，噪声低。风机 2 根轴上的叶轮与椭圆形壳体内孔面，叶轮端面和风机前后端盖之间及风机叶轮之间者始终保持微小的间隙，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧。风机内腔不需要润滑油，结构简单，运转平稳，性能稳定，适应多种用途，已运用于广泛的领域。
图11 罗茨风机示意图
32
3.5.2 罗茨风机的特性
由于采用了三叶转子结构形式及合理的壳体内进出风口处的结构，所以风机振动小，噪声低。
叶轮和轴为整体结构且无磨损，风机性能持久不变，可以长期连续运转。 风机容积利用率大，容积效率高，且结构紧凑，安装方式灵活多变。 轴承的选用较为合理，各轴承的使用寿命均匀，从而延长了风机的寿命！ 风机油封选用进口氟橡胶材料，耐高温，耐磨，使用寿命长。 机种齐全，可满足不同用户不同用途的需要。 3.5.3 罗茨风机的工频运行方式
罗茨风机的工频运行方式是电机工频全速运行，依靠出口放风阀来调节所需风量大小。通过出口放风阀门调节风量的方式存在如下弊端：
1）出口放风阀调节反应滞后，调节速度慢，调节精度低，往往对现场所需风量控制不到位，不能满足现场的生产工艺要求。
2）出口放风阀调节不经济，浪费资源，采用放风阀调节虽然结构简单，投资少，但是由于采用出口放风阀调节，人为的放掉了风道的风压和风量，大量的能源白白浪费被放风阀放出，在能源日益紧缺的今天，显然已经不能适应经济发展的需要，节能改造势在必行。
3）电机工频全速运行时，电机轴承等机械部位磨损严重，另外，由于是转子绕线式异步电机，转子高速运转时，其滑环上的碳刷磨损也相当严重，更换周期短，设备维护量大。
4）启动过程复杂，转子串联电阻启动方式附带了很多二次回路，维护量大，使用效率却不高，然而却不可缺少，启动方式属于落后工艺。
综上所述，要想彻底的改变现有工艺，就必须从源头改进，即通过改变电机转速来调节风机转速，从而达到调节风量的目的，以此来满足现场工艺要求。
3.5.4
罗茨风机的负载特性
由于罗茨风机为容积式风机，其负载特性与螺杆式压缩机相似，罗茨风机的负载特性属于周期性冲击负载，也可以说是“平均恒转矩负载”，轴功率与转速的一次方成正比。在变频调速节能计算时可按恒转矩负载计算。转速的改变只改变风量，而不改变出口压力。
33
3.5.5 罗茨风机的节能计算
由于罗茨风机的工频运行方式是电机工频全速运行，依靠出口放风阀来调节所需风量大小，所以其消耗的电功率基本与风量的大小无关，始终维持在较高的水平；既然罗茨风机的负载特性属恒转矩性负载，其轴功率与转速的一次方成正比，其节电率的计算与采用液力耦合器调速相似，即：
节电率 == 变频器效率 — 转速比。
四、 风机变频调速和液力耦合器调速节能比较
交流异步笼型电动机以其优异的性能和环境适应能力而获得了广泛的应用，但是其调速技术却一直困扰着工程界。在变频技术发明以前，人们只能采用电磁转差离合器调速，而电磁转差离合器调速又不适合大功率电机；继而又发明了液力耦合器，解决了大功率电动机的调速问题，并获得了广泛的应用。但是，它们都属于低效调速方式，其调速效率等于调速比。即便如此，当其用在风机水泵的调速时，与采用挡板和阀门的节流调节相比，也具有显著的节能效果。
在已经采用液力耦合器调速的场合，进行变频调速节能改造时，一定要认识到这一点，对其节能潜力有一个正确的估计，以免达不到预期的效果。不要以节能效果作为评价其经济性的唯一指标，而要与进行变频调速节能改造后带来的其它好处一起综合评价其经济效益，比如改善启动性能、提高调速精度、满足工艺控制要求、提高产品质量、增加生产效率、延长设备寿命、减少维修费用和降低噪声水平……等等。
4.1 液力耦合器的工作原理和主要特性参数 4.1.1 液力耦合器的工作原理
液力耦合器是一种以液体（多数为油）为工作介质、利用液体动能传递能量的一种叶片式传动机械。按应用场合不同可分为普通型（标准型或离合型）、限矩型（安全型）、牵引型和调速型四类。用于风机水泵调速节能的为调速型，这里讨论的仅限于调速型。
调速型液力耦合器主要由泵轮、涡轮、旋转外套和勺管组成，泵轮和涡轮均为具有径向叶轮的工作轮，泵轮与主动轴固定连接，涡轮与从动轴固定连
34
接；主动轴与电动机连接，而从动轴则与风机或水泵连接。泵轮与涡轮之间无固体的部件联系，为相对布置，两者的端面之间保持一定的间隙。由泵轮的内腔P和涡轮的内腔T共同形成的圆环状的空腔称为工作腔。若在工作腔内充以油等工作介质，则当主动轴带着泵轮高速旋转时，泵轮上的叶片将驱动工作油高速旋转，对工作油做功，使油获得能量（旋转动能）。同时高速旋转的工作油在惯性离心力的作用下，被甩向泵轮的外圆周侧，并流入涡轮的径向进口流道，其高速旋转的旋转动能将推动涡轮作旋转运动，对涡轮做功，将工作油的旋转动能转化为涡轮的旋转动能。工作油对涡轮做功后，能量减少，流出涡轮后再流入泵轮的径向进口流道，在泵轮中重新获得能量。如此周而复始的重复，形成了工作油在泵轮和涡轮中的循环流动。在这个过程中，泵轮驱动工作油旋转时就把原动机的机械能转化为工作油的动能和压力势能，这个原理与叶片式泵的叶轮相同，故称此轮为泵轮；而工作油在进入涡轮后由其所携带的动能和压力势能在推动涡轮旋转时对涡轮做功，又转化为涡轮输出轴上的机械能，这个原理与水轮机叶轮的作用相同，故称此轮为涡轮。涡轮的输出轴又与风机或水泵相联接，因此输出轴又把机械能传给风机或水泵，驱动风机水泵旋转。这样就实现了电动机轴功率的柔性传递。
只要改变工作腔内工作油的充满度，亦即改变循环圆内的循环油量，就可以改变液力耦合器所传递的转矩和输出轴的转速，从而实现了电动机在定速旋转的情况下对风机或水泵的无级变速。工作油油量的变化是通过一根可移动的勺管（导流管）位置的改变而实现的：勺管可以把其管口以下的循环油抽走，当勺管往上推移时，在旋转外套中的油将被抽吸，使工作腔内的工作油量减少，涡轮减速，从而使风机或水泵减速；反之，当勺管往下推移时，风机或水泵将升速。
4.1.2 液力耦合器的主要特性参数
表示液力耦合器性能的特性参数主要有转矩M、转速比i、转差率S、转矩系数λ、和调速效率ηv等。
（1）转矩M
当忽略液力耦合器的轴承及鼓风损失时，其输入转矩M1等于传递给泵轮的转矩MB，即M1=MB。其输出转矩M2与涡轮的阻力矩大小相等，方向相反，即M2=-MT。
35
若忽略工作液体的容积损失等，则由动量矩定律及作用力与反作用力定律可以证明MB=-MT，因此有M1=M2。着就是说，液力耦合器不能改变其所传递的力矩，其输出力矩M2等于其输入力矩M1。
（2）转速比i
液力耦合器运行时其涡轮转速nT与泵轮转速nB之比，称为液力耦合器的转速比i，即： i = nT / nB
液力耦合器在正常工作时，其转速比i必然小于1。因为若i=1，就意味着泵轮与涡轮之间不存在转速差，两者同步转动，而当泵轮与涡轮同步转动时，工作油的旋转动能是不能对涡轮作功的，也就不能传递功率。
液力耦合器在设计工况点的转速比in是表示液力耦合器性能的一个重要指标，in表示涡轮转速为最大值时的转速比，通常 in ＝ 0.97～0.98。从液力耦合器的调速效率特性可知，in表示了液力耦合器调速效率的最高值。
液力耦合器在工作时，其转速比一般在0.4～0.98 之内，当其小于0.4时，由于转速比小，工作腔内充油量少，工作油升温很快，工作腔内气体量大，这时工作中常会出现不稳定状况。
（3）转差率S
液力耦合器工作时，其泵轮与涡轮的转速差与泵轮转速之比的百分数，称为转差率，即：
S=
nB−nT
×100% （2－1） nB
液力耦合器的转差率除表示相对转速差的大小外，还表示在液力耦合器中
功率的传动损失率。由液力耦合器的输入、输出力矩相等，即M1=M2，可得：
S=
nB−nTϖB−ϖTM1ϖB−M2ϖTPB−PTΔP
==== （2－2） nBϖBM1ϖBPBPB即： S=1−
PTΔP
=1−ην= （2－3） PBPB
（4）转矩系数λ
转矩系数λ是液力耦合器得一个重要技术指标，它表示液力耦合器通流部分的完善程度。转矩系数λ越大，表示液力耦合器得动力储存也越大，亦即其
36
传递功率和转矩得能力越大。转矩系数λ的值主要是由液力耦合器工作腔的几何尺寸及形状、以及工作腔流道表面的粗糙度等因素所决定的。
对于已确定工作腔尺寸和形状的液力耦合器，转矩系数λ仅随转速比而变，即λ＝f(i)，在额定工况点的转速比in时，液力耦合器的转矩系数λ值约为（0.8～2.0）×10－6 min2/m，GB5837-86 规定，调速型液力耦合器的转矩系
2
数值因满足 λ≥1.7×10−6min/m 。
（5）调速效率ην （液力耦合器效率）
液力耦合器的调速效率又称为传动效率。它等于液力耦合器的输出功率P2与输入功率P1之比，因为MB=-MT，故有：
ην=
P2PT−MTϖT−MTnTn≈===TB=i P1PBMBϖBMBnBn
nT
=i=1−S （ην+S=1） （2－4） Bn
即： ην==
在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等时，液力耦合器的调速效率等于调速比。当液力耦合器工作时的转速比越小，其调速效率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。
4.2 液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果 4.2.1 液力耦合器在风机水泵调速中的功率损耗
由上可知，液力耦合器的调速效率等于调速比，所以液力耦合器属低效调速装置。液力耦合器在带动恒转矩负载调速工作时，转速比越小，其调速效率越低，转差功率损耗也越大；但是在带动叶片式风机水泵类平方转矩负载调速工作时，情况就不是这样了。这是因为叶片式风机水泵的轴功率与转速的三次方成正比，这时液力耦合器所传递的功率也迅速减小，转差功率损耗ΔP也就是一个很小的量了。
当风机与水泵由液力耦合器驱动调速工作时，风机或水泵的输入轴与液力耦合器的从动轴相连接，故风机水泵的转速等于液力耦合器涡轮的转速，即n=nT ,
而其轴功率P等于涡轮轴传递的功率，即P=PT 。根据叶片式风机水泵的比 例定律可知，风机水泵的轴功率P与其转速的三次方成正比，即P=kn3T。当液力耦合器在最大转速比 i=in时，PT=PTn=kn3T,max 两式相除得：
37
PT⎛nT
=⎜PTn⎜⎝nT,max
⎛nT
或改写成： PT=PTn⎜⎜n
⎝T,max
3
⎞
⎟ （2－5） ⎟⎠
⎞⎟⎟⎠
3
3
⎞⎛n⎟=PTn⎜T
⎜n⎟
⎝B⎠⎛nB
⎜⎜n⎝T,max⎞
⎟ （2－6） ⎟⎠
3
nT,max⎛i3
⎜i即： PT=PTn3 ……… ⎜B=
nBin⎝因为 i=
⎞
⎟⎟ （2－7） ⎠
PTP
， 即 PB=T 代入式（2－7）得： PBi
i2
PB=PTn3 （2－8）
in
由式（2－7）和式（2－8）可求出液力耦合器得转差功率损失ΔP与转速比的关系为：
ΔP=PB−PT=PTn
(i
2
−i3)3n
i
（2－9）
为求出最大转差功率损耗时的转速比，可将式（2－9）的ΔP对i求导数，再令导数为零，求出其极值点，即可求出其极大值或极小值：
d(ΔP)PTn
=32i−3i2=0 diin
()得出取得极大值得极值点为 i = 2/3 = 0.667 。把极大值代入式（2－9）可求出液力耦合器的最大转差功率损耗ΔPmax为： ΔPmax
P=3Tn
in
⎡⎛2⎞2⎛2⎞3⎤4PTnP
=0.1483Tn （2－10） ⎢⎜⎟−⎜⎟⎥=3in⎢⎣⎝3⎠⎝3⎠⎥⎦27in
注意：式（2－10）中的PTn为 nT=nT,max时液力耦合器涡轮所传递的功率，等于风机或水泵在最高转速时的轴功率。ΔPmax 亦可用相应的液力耦合器泵轮传递的功率PBn（等于风机或水泵最高转速时电动机的输出功率）表示，由PTn/PBn=in得：
ΔPmax=0.148
PTnPBninPBn
=0.148=0.148 （2－11） 332ininin
38
通常，液力耦合器的 in = 0.97～0.98 ,代入式（2－100及式（2－11）得： ΔPmax＝（0.157～0.162）PTn = (0.154～0.157) PBn (2-12) 以上通过理论分析，导出了液力耦合器的涡轮传递功率PT、泵轮传递功率PB、以及转差功率损失ΔP的计算公式；证明了液力耦合器的最低转差功率损失 ΔPmax发生再转速比i = 2/3处。而不是转速越低，ΔPmax越大。
由以上推导的公式可以作出叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线，如图12所示。
图12. 叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、
涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线
从图中可以直观地看出：随着转速比的减小，液力耦合器泵轮和涡轮所传递的功率也迅速减小，而转差损失功率ΔP＝PB-PT，因而当液力耦合器泵轮所传转差损失功率ΔP也是一个很递的功率PB和涡轮所传递的功率PT都变得很小时，小的量了。
4.2.2 液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果
下面通过一个具体的例子来说明叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速，即使工作在低转速比时，尽管其调速效率很低，但与节流调节相比，也还具有显著的节能效果。
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图13 某离心式通风机的性能曲线
图13所示为某离心式通风机的性能曲线，设此风机系统在未经节流调节和液力耦合器调节时，管路性能曲线经过最高效率点，即Q = 190×103m3/h，p = 280×9.81Pa；由于管路静压pst=0，管路性能曲线经过坐标原点，故此管路性能曲线与经过最高效率点的相似抛物线相重合（因为它们都是经过坐标原点和最佳工况点的二次抛物线）。下面分析比较将流量调节到风机额定流量的50％时，即95×103m3/h时，采用节流调节和液力耦合器调节时各自所需的原动机功率。
先看节流调节，从图13可直接读出：当Q = 190×103m3/h时，风机的轴功 率为158 kW，当通过节流调节使Q = 95×10m/h时，风机的轴功率为115 kW。而通过液力耦合器调速时，风机的性能曲线要发生变化，但管路性能曲线不变，故变速前后的运行工况点均位于管路性能曲线上，而管路性能曲线上的各点又都是相似工况点，相互之间的参数关系遵守比例定律：
Hn2n3Qnpn2 P ; ; ==()()() ==''''''''
HnPnQnpn
3
3
故当流量下降到额定值的50％时，转速应下降到额定转速的50％，降速后风机所需的轴功率为：
⎛Q'⎞⎛n'⎞⎛1⎞
⎟P'=P⎜⎟=P⎜=158kW×⎜⎟=19.75kW ⎜Q⎟n⎝⎠⎝2⎠⎝⎠
40
3
3
3
若再考虑到液力耦合器的损耗功率，就得到实际所需的原动机功率。由式（2－4）可知，液力耦合器的调速效率等于调速比，当转速比i=0.5时，调速效率也等于0.5，这就意味着从液力耦合器输入的功率只有一半为有效功率，而另一半则要损耗掉！因此，原动机的输出功率应为19.75+19.75=39.5kW。可见，当把风量调节到额定风量的50％时，尽管在液力耦合器中要产生较大的损耗，但它较之节流调节来说，所损耗的原动机功率仍然要少得多，比节流调节少消耗115-39.5=75.5kW，其节约的功率还是相当可观的，节电率达65.7%。当然，这只是粗略的计算，实际上液力耦合器的冷却水系统和油泵系统等辅助设备以及液力耦合器的机械损失和容积损失也要消耗一定的功率（一般为额定传动功率的3％～4％），故实际节约的功率比上述计算结果要少一些，约在70kW左右，实际节电率约为60%。
4.3 风机变频调速和液力耦合器调速对比计算
根据上述分析可知：液力耦合器的调速效率等于调速比，其转差损耗变成油温的升高散发掉了，加上液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传动功率的3％～4％（取3.6%），所以液力耦合器属于低效的调速方式。
从图13中可以直观地看出：随着转速比的减小，液力耦合器泵轮和涡轮所传递的功率也迅速减小，而转差损失功率ΔP＝PB-PT，因而当液力耦合器泵轮所传递的功率PB和涡轮所传递的功率PT都变得很小时，转差损失功率ΔP也是一个很小的量了。
由于液力耦合器的调速效率等于调速比，而变频器的效率在94％～97％，所以用变频器代替液力耦合器的节电率的计算就变得十分简单了：
节电率 == 1--变频器损耗—调速比＋液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传动功率的3％～4％（取3.6%）/调速比。也就是“节电率 == 变频器效率— 调速比 + 3.6% Pec/调速比” ！ 一般可以认为变频器的损耗和液力耦合器的机械损失和容积损失相当，则节电率的计算可以简化为：
节电率 == 100％ — 调速比
如果要保留液力耦合器的话，节电率 == 变频器效率 — 调速比 — 液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传送功率的3％～4％（取3.6%）/调速比 -- 液力耦合器因为丢转而损失的效率约3％～4％/调速比。为了与上式有可比性，均按实际传送功率的4～5％计算的话，则节电率的计算也可以简化为：
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节电率 == 100％ — 调速比 －（12～15％）！
以上的简化或近似在工程中是完全允许的。可见，去不去掉液力耦合器的节电率的差别，若“液力耦合器的机械损失和容积损失”一加一减以及“液力耦合器因为丢转而损失的效率”均按实际传送功率的4～5％计算的话，其节电率相差12～15％！所以当采用变频器取代液力耦合器进行节能改造时，为了取得
最大的经济效益， 应当去掉液力耦合器 ！
变频器和液力耦合器的节能计算对比结果列于下表：
流量百分
比
变速调节理论轴功率（％）
节流调节轴功
液力耦合器调
液力耦合器节电率
变频调速轴功
变频调速节电
两种调速节电
变频器相对液耦的节电率（％）
（％） 率（％） 节轴功率（％）率（％）率之差
（％）
率（％）（％）
100 90 80 60 50 40
100 72.9 51.2 21.6 12.5 6.4
100 87 74 65 61 58 56
106 84.6 67.6 47.9 39.6 28.6 19.6
- 6 2.8 8.6 26.3 35.1 50.7 65.0
103 75.94 53.33 31.12 22.71 13.16 6.95
- 3 12.7 27.9 52.1 62.8 77.3 87.6
3 9.9 19.3 25.8 27.7 26.6 22.6
2.8 10.2 21.1 35.0 42.7 54.0 64.5
66.67 29.6
由上表可见，对于风机（静压Pst=0）来说，液力耦合器调速也有显著的节电效果；在液力耦合器调速的基础上进行变频调速节能改造，尽管在低转速时也有很高的节电率，但是因为在低速时，由于传递功率也已经变得很小了，所以其最大节电量也不会超过额定传送功率 (Pec)的18％（发生在三分之二额定转速时）。所以我们在进行变频调速节能改造工程的节能计算时，一定要把这两个容易混肴的概念区别开来！
值得注意的是：
A) 在进行有关液力耦合器调速的节能计算时，要用液力耦合器的实际输出转速进行计算，而不能用液力耦合器的转速设定值进行计算。因为液力耦合器的转速设定值（勺管油位）表示液力耦合器工作腔内油量的多少，它与液力耦合器的输出转速不存在固定的线性关系，只是表示一种趋势：即工作腔内油位升高，输出转速增加，而它们之间具体的数量关系，每一台液力耦合器都不同。
42
下表是某实际工程中液力耦合器的勺管油位给定值和实际转速:
负载名称
额定功率 额定电流
额定转速
实际转速
调 速 比
勺管给定 54 ％ 35 ％ 50 ％ 24 ％ 43 ％
1#甲引风机 630kW 46.1A 990rpm 920rpm 93.0％ 44 ％ 1#乙引风机 630kW 46.1A 990rpm 905rpm 91.4％ 1#甲一次风机 560kW 39.3A 1#乙一次风机 560kW 39.3A
1490rpm1490rpm
1140rpm1140rpm
76.5％ 76.5％
1#二次风机 450kW 32.6A 1490rpm785rpm 52.7％
2#甲引风机 630kW 46.1A 990rpm 870rpm 87.9％ 40.2 ％ 2#乙引风机 630kW 46.1A 990rpm 890rpm 89.9％ 2#甲一次风机 560kW 39.3A 2#乙一次风机 560kW 39.3A
1490rpm1490rpm
1150rpm1140rpm
77.2％ 41.3 ％ 76.5％ 35.8 ％
2#二次风机 450kW 32.6A 1490rpm755rpm 50.7％ 22.5 ％
3#甲引风机 630kW 45.9A 993rpm 560rpm 56.4％ 23.3 ％ 3#乙引风机 630kW 45.9A 993rpm 660rpm 66.5％ 19.9 ％ 3#甲送风机 630kW 45.2A 1489rpm3#乙送风机 630kW 45.2A 1489rpm3#甲排粉风机 560kW 40A 3#乙排粉风机 560kW 40A
1200rpm1200rpm1017rpm1032rpm
80.6％ 23.4 ％ 80.6％ 41.1 ％ 68.2％ 25.1 ％ 69.2％ 34.1 ％
1491rpm1491rpm
B) 设计采用液力耦合器调速的风机，在设备配套选型时，往往采用不同额定转速的电动机和风机配套，其原因是采用液力耦合器调速时不必采用额定转速相同（或接近）的电动机和风机配套，因为在启动时，可以先启动电动机，然后再由液力耦合器“挂档”，并根据不同的工艺要求，使风机在不同的转速下运行。当采用变频器代替液力耦合器时，一旦因变频器故障而退出运行，为了使生产不受影响，需要将风机切换到工频运行，但是由于电动机和风机的额定转速不同，因此不能直接投工频运行。如果系统有备用设备时，可以将备用设备投入使用，以保证生产的正常进行。
4.4 液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比较 4.4.1 液力耦合器调速的主要优缺点
液力耦合器用于叶片式风机水泵的变速调节时，具有以下优点：
（1）可实现无级调速。在液力耦合器输入转速不变的情况下，可以输出无级连续变化的、且变化范围很宽的转速。当转速变化较大时，与节流调节相比较，
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有显著的节能效果。
（2）可实现电动机的空载启动，降低启动电流。因而可选用容量较小的电动机及电控设备，减少设备的投资。
（3）可隔离震动。液力耦合器的泵轮和涡轮之间没有机械联系，转矩通过工作液体传递，是柔性连接。当主动轴有周期性的震动（如扭震等）时，不会传到从动轴上，具有良好的隔震效果。能减缓冲击负荷，延长电动机和风机水泵的机械寿命。
（4）过载保护。由于液力耦合器是柔性传动，其泵轮和涡轮之间有转速差，故当从动轴阻力矩突然增加时，转速差增大，甚至当风机或水泵等负载机器制动时，原动机或电动机仍能继续运转而不致被烧毁，风机与水泵也可受到保护。同时装在液力耦合器上的易熔放油塞还能及时地把流道热油自动排空，切断转矩的传递。
（5） 除轴承外无其它磨损部件，故工作可靠，能长期无检修运行，寿命长。 （6）工作平稳，可以和缓地启动、加速、减速和停车。
（7）便于控制。液力耦合器是无级调速，便于实现自动控制，适用于各种伺服系统控制。
（8）能用于大容量风机与水泵的变速调节，目前单台液力耦合器传递的功率已达20MW以上。
液力耦合器的主要缺点是：
（1）和节流调节相比，增加了初投资，增加了设备安装空间。大功率的液力耦合器除本体设备外，还要一套诸如冷油器等辅助设备和管路系统。 （2）由于液力耦合器的最大转速比为in = 0.97～0.98，故液力耦合器输出的最大转速要比输入转速低。因此在选择风机与水泵时，要按照液力耦合器的最大输出转速确定其容量，而不能用电动机的额定转速来确定风机与水泵的容量。此外考虑到液力耦合器的转差损失（2％～3％）、升速齿轮损失（1.5％～3％）、机械损失和容积损失及油泵功率消耗（总计小于1％）等因素，电动机的容量亦要稍增大些。
（3）当液力耦合器的转矩一定而转速比较低时，不仅液力耦合器的体积和重量将增加，而且调速的延迟时间增大，反应变慢，当转速比小于0.4时，还会使工作不稳定，因此液力耦合器最适用于较高转速的风机水泵调速的场合。 （4）液力耦合器在运转中随着负载的变化，其输出转速也要相应的变化，所
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以不能保持精确的转速比，因此不适用于要求精确转速的场合。 （5）液力耦合器一旦发生故障，被拖动的负载也就不能工作。
（6）虽然液力耦合器用于风机水泵调速时具有显著的节能效果，但是由于液力耦合器的调速效率等于转速比，特别是在低速段产生的转差损耗还是很大的，因此液力耦合器仍属低效调速装置。 4.4.2 变频调速的主要优缺点 变频调速的主要优点是：
（1）可实现平滑的无级调速，且调速精度高，转速（频率）分辩率高。 （2）调速效率高。变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。所以变频调速是一种高效调速方式。 （3）调速范围宽，一般可达10∶1（50～5Hz）或20∶1（50～2.5Hz）。并在整个调速范围内均具有较高的调速装置效率ηV。所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。
（4）功率因数高，可以降低变压器和输电线路的容量，减少线损，节省投资。 或在同样的电源容量下，可以多装风机或水泵负载。
（5）变频装置故障时可以退出运行，改由电网直接供电（工频旁路）。这对于泵或风机的安全经济运行是很有利的。如万一变频装置发生故障，就退出运行，不影响泵与风机的继续运行；又如在接近额定频率（50Hz）范围工作时，由变频装置调速的经济性并不高，变频装置可退出运行，由电网直接供电，改用节流等常规的调节方式。
（6）变频装置可以兼作软起动设备，通过变频器可将电动机从零速起动连续平滑加速直致全速运行。变频软起动是目前最好的软起动方式，变频器是目前最好的软起动设备。 变频调速的主要缺点是：
（1）目前，变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要问题有两个：一个是我国大功率电动机供电电压高（3～10KV），而功率开关器件耐压水平不够，造成电压匹配上的问题；二是高压大功率变频调速装置技术含量高、难度大，因而投入也高（尤其是对于200kW～500kW），而一般风机水泵节能改造都要求低投入，高回报，从而造成经济效益上的问题。这两个问题是它应用于风机
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水泵调速节能的主要障碍。
（2） 因电流型变频器输出电流的波形和电压型变频器输出电压的波形均为非正弦波形而产生的高次谐波，对电动机和供电电源会产生种种不良影响。如使电动机附加损耗增加、温升增高，从而使电动机的效率和功率因数下降，出力受到限制，噪声增大以及对无线电通信干扰增大等。同时，高次谐波会引起电动机转矩产生脉动，其脉动频率为6kf(k=1，2，3…)。当转矩脉动频率较低并接近装置系统的固有频率时，可能产生共振现象。因此，装置系统必须注意避免在共振点附近运行。如采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型和电压型变频器，其输出波形大为改善，高次谐波大大减少，所以这个问题可以得到大大的改善。 4.5 结 论
液力耦合器虽然属于低效调速方式，但是当用在风机水泵类平方转矩型负载的调速时，相对于节流调节方式而言，也有明显的节能效果。且因其投资少，见效快，资金回收周期短，在老设备的改造中，容易收到明显的节能效益。
变频调速因其调速效率高，力能指标（功率因数）高，调速范围宽，调速精度高等优势，又可以实现软起动，减少电网的电流冲击及设备的机械冲击，延长设备使用寿命，对于大部分采用笼型异步电动机拖动的风机水泵，变频调速不失为目前最理想的调速方案。
在实际的节能改造项目中，应根据用户的经济实力、节能指标和设备的运行要求综合考量，选择切实可行的改造方案。对于已经采用液力耦合器调速的设备，如果不是因为液力耦合器的问题而影响生产的话，一般不要强行进行变频调速节能改造，因为其节能潜力毕竟有限（最大不超过18％Pec），投资回收期较长，还要改动基础。如果是因为液力耦合器故障很多，影响正常生产，那就又另当别论了。
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