风机定压控制中调节方法的选择

风机定压控制中调节方法的选择
摘要本文对风机的工况调节方法进行分析，提出在加热炉风机在定压控制时，采用进口导叶调节比变速调节具有更好的调节效果和节能效果。

关键字风机；进口导叶调节；变速调节
在轧钢加热炉中，助燃用的空气一般采用离心风机，为保证燃烧的稳定，一般对助燃风机的压力进行控制，来确保助燃空气压力的稳定。

在线材加热炉风机的改造中，曾有人提出采用变频调速方法，来达到节能的效果。

目前线材加热炉风机采用的是进口导叶方式来进行调节，可以在压力基本不变的情况下，对流量进行大幅的调节。

采用变频调速真的能达到进口导叶调节达到的要求，并进一步节能吗？这需要从风机的调节方式开始进行分析。

一、风机的工况调节方法
离心风机的调节方式较多，按调节方式分为三种类型: 改变系统管道特性曲线; 改变风机特性曲线; 同时改变管道特性曲线及风机特性曲线。

改变系统管道特性的有出口节流调节，改变风机特性曲线的有进口导叶调节、变速调节，改变管道特性曲线及风机特性曲线的有风机进口节流。

下面先对各种调节方法进行分析。

1、风机出口端节流调节
风机出口端节流调节是通过调节风机出口的阀门开度, 也就是改变出口管道上的压力损失, 从而改变管道的特性曲线, 以适应系统对流量或压力的特定要求,但风机特性曲线不变。

如图1所示。

A
M3(Q2,H3)
图1 风机出口节流特性曲线
曲线A为风机特性曲线, 当阀门全开时, 管道特性曲线为曲线I, 其工况点为点M1。

当流量要求减少时，出口阀门关小，这时，阀门的阻力增加，管道特性曲线变为II，此时风机的工况点就移动到M2。

从图中可以看出，阀门关小后, 风机产生的压力虽然增加了, 但是有一部分是消耗在克服阀门所增加的阻力上。

其减小风量附加的节流损失为∆hw=H2-H3。

其中H3表示按管道特性曲线I,风量为Q2时管的阻损。

相应风机多消耗的附加节流损失功率为: N=∆hw⨯Q2。

这种调节方式人为地增加了管道阻力, 浪费了能量。

所以出口端节流调节方式只适用于一些小功率的风机、简单的管道系统中。

2、风机进口端节流调节
风机进口端节流调节是通过风机进口的阀门开度来调节风机风量的。

这样不仅改变了管道的特性曲线, 同时也改变了风机的特性曲线。

这是因为气体进入风机前, 由于经过节流部件,致使流体压力下降, 使风机的性能曲线发生变化, 如图2所示。

图2 风机进口节流性能曲线
阀门全开时, 风机特性曲线为曲线A, 管道特性曲线为曲线I, 其工况点为点M1。

当风量需要减小时, 进口阀门关小,压力损失增加, 管道特性曲线变为曲线II, 风机特性曲线变为曲线B, 从而工况点移到点M2。

减小风量后的附加节流损失为: ∆hw=H2-H3
其中H3表示按管道特性曲线I,风量为Q2时管的阻损。

相应风机多消耗的附加节流损失功率为: N=∆hw⨯Q2。

从图2还可以看出, 假定在满足同一流量Q2的前题下, 将进口端调节改变为出口端调节,此时风机的特性曲线为I,因此其工况点为点M4,附加压力损失为
∆hw’=H4-H3.可以看出，∆hw’>∆hw,即进口端节流调节比出口端节流调节经济。

3、进口端导流器调节
进口端导流器调节是将导流器安装在风口进口处进行调节。

导流器有可转动的导向叶片,气流经导向叶片进入风机。

改变导向叶片角度,可以改变气流进入风机时的速度大小和方向。

导流器使空气进入风机前的气流产生预旋, 从而使气流圆周分速度加大, 压力降低, 导向叶片转动角度越大, 风量越小, 气流产生的预旋越强烈, 压力降低也越大, 所以风机特性曲线越陡直。

进口导流器调节主要是改变风机特性曲线,如图3所示。

图3进口导叶调节特性曲线
风机原特性曲线为曲线A, 随导流器导向叶片向风机旋转方向的转角增加, 曲线变为B。

这种调节方式与进口端节流调节方式基本相同, 但导流器造成的节流损失更小, 也更为经济, 并且有较高的调节范围和好的经济性, 可实现自动
调节, 也为通风机所广泛使用。

4、变速调节
变速调节是通过改变风机转速来改变风量进行调节的。

从空气动力学理论来讲, 改变转速调节是最合理的。

由流体力学知道, 风量Q 与转速n 的一次方成正比, 风压H与转速n 的平方成正比, 轴功率N 与转速n 的三次方成正比。

当风机在管网阻力与流量平方成正比例的管网中工作时, 虽然转速降低, 但是风机的效率保持不变, 而风机的功率则由于流量和压力降低而显著下降, 如图4所示。

图4 变速调节工况点
管道特性曲线为曲线I, 风机原有转速n1时的特性曲线为曲线A, 工况点为M1, 其风量为Q 1, 压力为H 1。

当需要减小风量时, 则把风机转速降为n2, 此时风机特性曲线由A 变为B, 工况点为M2, 相应风量为Q 2, 压力为H 2。

管道中阻力由于风量减小而自行下降, 无附加压力损失。

因而这种调节方法风机无额外多消耗的功率, 风机所耗功率是根据实际需要而改变。

二、风机工况调节方式的对比分析
以上简要介绍了几种最常用的风机调节方式, 并进行了简单的分析。

为了进一步说明风机的工况调节重要性, 现将几种调节方式在相同条件下的功率曲线绘在一张图上(见图5) 以便分析比较。

图5 各种调节方法功率曲线对比
图中a—出口端节流调节功率曲线，b—进口端节流调节功率曲线，c—进口
端导流器节流调节功率曲线，d —变速调节功率曲线。

从图5中可以形象的看出, 在同一要求风量条件下, 变速调节所消耗的功率最小, 风机的运行节能效果最
显著, 其次为进口导流器调节, 进口端节流调节, 而出口端节流调节消耗能量
最大, 节能效果也最差。

三、风机定压控制中变速调节与进口导叶调节的比较
在上述的分析中，我们都没有考虑背压，即假设背压都为零。

但在实际情况时，一般均存在背压，如在加热炉风机的控制中，均要求风机压力保持在某一稳定值。

1、变速调节与进口导叶调节的适用性分析
在加热炉风机的定压调节中，风机流量的变化比较大。

在加热炉空炉状态或保温状态时，需要的流量很小，但在冷坯加热时，需要的空气流量就很大，二者的流量相差3～4倍。

在采用风机进口导叶调节方式时，能较好地满足定压控制及大流量变化的要求，见图6.
图6 采用进口导叶调节的定压控制
在采用变速调节时，由于风机的压力与转速的平方成正比，流量与风机的转速成正比，因此在定压控制时，风机的转速并不能根据所需的流量来确定，否则将会造成风机压力达不到要求。

在加热炉风机的所需的压力条件下，有一个最小转速要求，小于这个转速，风机压力就不能达到要求。

在一般情况下，这个最小转速大约为额定转速的80%左右。

在这种情况下，光依靠变速调节来满足要求的压力和流量，并不现实。

在助燃空气流量的一定的情况下，由于系统的管路特性变化较小，压力将会变得调节性很差，会产生压力偏高的情况。

2、变速调节与进口导叶调节的节能效果分析
在无背压情况下，变速调节的节能效果肯定要好于进口导叶调节，这在图5中已经进行了说明。

但随着背压的增大，二者的差别将越来越小。

根据研究，在风机背压达到设计值的80%左右时，考虑到变速调节的效率，变速调节的优势将会丧失。

而加热炉风机的压力一般是控制在风机设计压力的85%左右。

特别时在小流量的情况下，变速调节时在最少转速及流量的二重影响下，风机压力会较要求高。

由于功率是和风机压力和流量成正比，额外高出的压力将会造成功率的浪费。

因此在小流量区域，变速调节的功率反而会大于进口导叶调节的功率。

四、结论
在加热炉风机采用定压控制的条件下，采用进口导叶调节比采用变速调节具有更好的调节性能和节能性能。

Q
参考文献
1、杨俊玲，风机工况调节，管道技术与设备，1998年第4期，40～42
2、符永正，管路特性对泵与风机变速调节节能效益的影响，中国给排水，1999
年第9期，26～28
3、周明光，风机各种调节方式的经济性分析，热力发电，1994年第6期，
18～23。