节能原理及节能计算

节能原理及计算方法
一、节能原理
风机和水泵，前者工作介质为液体，均属于流体机械设备。

下面以风机为例说明它们的工作特性。

特别是离心式风机及水泵，工作特性基本相同。

以下就以风机为例说明他们的调速工作原理。

风机的工作特性图如下：
风机的工作特性图
由上图可以看出，风机工作的位置，即风机的风量是由风机特性曲线（风压特性）和管网特性曲线（风阻特性）决定的，无论是改变风机的特性曲线，或者是改变管网特性曲线，都可以达到改变风量的目的。

图中：风机特性曲线 H
A =kQ
1
2
K——风机特性系数；
管网特性曲线 H
A =Hc-λQ
1
2
λ——管网特性系数。

（一）工频工作方式
工频工作方式是指泵的特性曲线保持不变，而改变管网特性曲线。

通常采取的方式是保持风机的特性曲线不变，即不改变风机的转速，而用调节挡板改变出
风口的大小，达到改变风量的目的。

如下图所示：
工频工作方式时风机的工作特性图
从图中可以看出，风机工作在A点时，风量为Q
1，风压为H
1。

保持风机的转
速不变，用挡板将风量调节为Q
2时，风压将上升到H
2
，风机工作点变为B点。

由于挡板的节流作用，风道的阻力曲线变为OB。

风机工作在A点时，其功率为P
A ＝H
1
×Q
1
/102；
风机工作在B点时，其功率为P
B ＝H
2
×Q
2
/102。

虽然Q
2<Q
1
，但H
3
>H
1
，所以P
A
与为P
B
的值变化不大，说明采用工频工作方式
时，改变风机的风量，风机的轴功率减小有限。

（二）变频工作方式
变频工作方式是指管网特性曲线保持不变，而改变风机的特性曲线。

通常采取的方式是保持管网特性曲线不变，即不改变风机出口的大小，而改变风机的特性曲线，即改变风机的转速，达到改变风量的目的。

如下图所示：
风机工作在A点时，其功率为P
A ＝H
1
×Q
1
/102；
风机工作在B点时，其功率为P
B ＝H
2
×Q
2
/102。

Q 2<Q
1
，而且 H2>H
1
，所以P
A
与为P
B
的值变化较大，说明采用变工频工作方式
时，改变风机的风量，风机的轴功率减小很大，节能效果显著。

由流体力学的原理可知，电机转速与流量、压力、耗能的关系如下：
输出流量Q与转速n成正比;
Q1/Q2=n1/n2 （1）
输出压力H与转速n2正比:
H1/H2=(n1/n2)2 （2）
输出轴功率P与转速n3正比:
P1/P2=(n1/n2)3 （3）
如果说，100%转速-100%流量-100%压力-100%输出功率
而，80%转速- 80%流量- 64%压力- 51%输出功率
就是说，通过调速方式改变风机风量，风量下降20%时，风机轴功率将下降49%。

这也是为什么变频调速在风机应用上节能十分显著的原因。

变频调速在水泵应用上和风机有所区别。

在很多场合，负载管路特性的改变是用户用水量减少（即用户人为关阀）造成的。

不满足负载特性不变的条件，所以相似定理并不成立。

水泵在调速过程中还往往要求压力恒定，这时水泵的工作点变化将如下图所示：
流量由Q
1变为Q
2
时，如果水泵定速运行，工作点将由A变为B点，压
力将升高，威胁管网安全；如果通过调速方式，水泵工作点将由A变为C点，在提供需要的流量的同时，保持压力不变。

水泵在B、C两点的输出功率差为：
P B －P
C
＝（H
3
－H
2
）×Q
2。

在A、C两点，尽管水泵速度不同，但由于在两种情况下水泵所承担的流量不同，其出口压力和外管网压力仍然保持平衡。

由于压力平衡的需要，水泵并联运行时，调速水泵的速度不能低于N
3
，否则将出现根本不对外出水的现象。

非但不节能，还出现水泵空转耗能的现象。

如果在管网特性不变的系统中进行水泵调速，并且对水压没有要求，这种情况就和前面提到的风机调速类似，节能效益比恒压供水要显著得多。

二、节能计算
（一）工频运行方式时的功率计算
1、方法一
一般可以得到用户电机的铭牌参数，在铭牌上可以得到电机的下列参数：U——额定功率；
I——额定电流；
cosφ——电机功率因素；
η——电机效率；
Pd——电动机功率。

从电气原理得知：
Pd =1.732×U ×I ×cos φ×η 2、方法二 P ——负载的功率； ηd ——负载的效率。

则：Pd =——
（二）变频运行方式时的功率计算 1、泵类设备
泵功率与压力、流量之间的关系：
式中：P ˊ——泵功率； λ——管网特性系数；
q ——泵出口流量； H ——泵出口流量。

变频运行下的网侧功率：
式中：Pb ——变频运行下的网侧功率； η——泵效率；
ηd ——电动机效率； ηf ——变频器实际效率；
P
ηd
2、风机类设备
由流体力学公式：Q ∝n ，H ∝n2，P ∝n3可知：
式中：P ˊ——风机实际功率； H ˊ——风机实际出口压力；
P 0 ——风机额定功率； H 0——风机额定出口压力。

该公式适用于变压变流量的控制工艺流程。

（三）节能计算 1、年耗电量的计算 Cd=T ×∑(Pd ×δ) 式中：Cd ——年耗电量值；
T ——年运行时间； ； Pd ——单负荷下电动机功率；
δ——单负荷运行时间百分比。

d ：单位电价。

2、节电率的计算：
节电率=————×100% 式中：Pd ——工频运行时单负荷下电动机功率； Pb ——变频运行时单负荷下电动机功率； 3、年节电量的计算 △C=Cd-Cb
式中：Cd ——工频运行时年耗电量值； C b ——变频运行时年耗电量值； 4、节约电费的计算
Pd
Pd- Pb
D=△C ×d 式中：d ——单位电价。

四、计算实例
由于不同的用户使用工况不尽相同，在进行实际的节能推算过程中，就需要我们利用现有的数据，采用灵活多变的技术手段进行数据的二次加工处理。

下面总结的是几种常见设备的节能计算方法，在实际计算过程中可参考应用。

（一）电厂常见设备节能测算实例一
送、引风机在运行中属变压、变流运行工况，因此可依照出口母管的压力值H ，以及挡板全开情况下的风压Hmax 和电动机工作电流Imax 进行变频节能计算。

1、由P =1.732×U × Imax ×cos φ可得实际运行功耗P max 。

2、将运行工况值代入P ’/P max =(H ’/H max )1.5计算求得各工况下的变频状态电动机功耗。

3、变频器典型效率η =0.96。

将P ’依次代入P b =P ’/η公式求得变频运行状态下的网侧功耗。

4、根据现场提供的电流值计算实际工频状态下的电耗P d 。

5、节电率=————×100%
（二）电厂常见设备节能测算实例二
一次风机在锅炉运行中属定压、变流运行工况，因此应依照出口母管的流量值Q 和工作压力H 进行变频状态下的风机功耗计算。

1、将风机的额定压力、流量值代入P =λ×H ×Q ，可求得λ 值。

2、将各运行工况的Q 、H 值代入P ’=λ×H ×Q 求得风机轴功率。

3、利用P b ＝P ’/(η×ηd ×ηf )求得变频状态下的网侧功耗。

4、根据现场提供的电流值计算实际工频状态下的电耗P d 。

5、节电率=————×100%
（三）电厂常见设备节能测算实例三
凝结泵在机组运行中属变压、变流运行工况，通常，用户不能够提供理论计算所需的完全现场数据，比如说，只有流量Q 或者只有压力值H 。

但是作为泵类节能测算来讲，必须提供泵出入口静压差以及泵出口环境压力值。

这样，才能够
Pd Pd- Pb
Pd- Pb
Pd
得知管网特性曲线的Hst ，进行下一步的计算值推导。

不同生产工艺的Hst 取值不同，例如：
（四）给排水行业节能测算实例
给排水行业的是水泵应用比较集中的行业之一。

因此，了解设备的运行工况和运行工艺参数是进行此类节能计算的关键。

两台或以上并联泵运行，其中一台变频运行时，其它泵会因为管路工作点的改变功耗发生相应变化。

（五）钢铁行业节能测算实例
除尘风机是钢铁行业应用较为广泛的高压动力设备之一。

生产工艺具有基本一致性，即：它的运行工况与吹炼工艺同步周期性变化。

因此，着重了解吹炼工艺周期的风量变化情况是节能测算准确度的关键所在。

《完》。