王 偉， 胡 婷

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué)武昌分校，湖北 武漢 430064）

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳，節(jié)能減排已成為一項(xiàng)國(guó)策。國(guó)家要求風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率不得低于70%，而目前風(fēng)機(jī)的平均運(yùn)行效率卻只有40%～60%，因此，風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行的研究就顯得十分必要。

效率是風(fēng)機(jī)最基本的特征參數(shù)，是衡量風(fēng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)性、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)。風(fēng)機(jī)用戶(hù)最為關(guān)心運(yùn)行效率和運(yùn)行特性，如何通過(guò)風(fēng)機(jī)效率的測(cè)量監(jiān)視風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及指導(dǎo)風(fēng)機(jī)用戶(hù)進(jìn)行節(jié)能降耗改造一直是風(fēng)機(jī)行業(yè)關(guān)注的技術(shù)之一。本文對(duì)目前風(fēng)機(jī)效率測(cè)量方法中應(yīng)用研究較多的常規(guī)法、熱力學(xué)法以及新型傳感器測(cè)量法等進(jìn)行綜述。

1 風(fēng)機(jī)效率測(cè)量方法

風(fēng)機(jī)效率為風(fēng)機(jī)的輸出功率和輸入功率之比。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)機(jī)輸出功率可通過(guò)風(fēng)量的測(cè)量間接求出，而風(fēng)機(jī)的輸入功率則為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到風(fēng)機(jī)軸上的功率。電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率一般采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量法或銘牌參數(shù)法測(cè)定，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量法雖然精度較高，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施困難，銘牌參數(shù)法誤差很大，難以滿(mǎn)足對(duì)風(fēng)機(jī)性能評(píng)價(jià)的要求。因此，通常將電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)整體考慮來(lái)計(jì)算風(fēng)機(jī)效率，即風(fēng)機(jī)效率為風(fēng)機(jī)的輸出功率和電動(dòng)機(jī)輸入功率之比。

1.1 常規(guī)法

常規(guī)法按照GB/T 15913-2009《風(fēng)機(jī)機(jī)組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)》建立測(cè)量程序，能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量風(fēng)機(jī)的效率。

（1）風(fēng)機(jī)全壓的測(cè)量。測(cè)量風(fēng)機(jī)的輸出功率必須首先采用畢托管和微壓計(jì)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的靜壓和動(dòng)壓，根據(jù)靜壓和動(dòng)壓計(jì)算風(fēng)機(jī)的全壓。由于管道截面內(nèi)的壓力分布存在非線(xiàn)性，因此需要多點(diǎn)測(cè)量求平均值的方法計(jì)算風(fēng)壓，測(cè)點(diǎn)數(shù)目和位置隨管道的形狀和大小而不同，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定[1]進(jìn)行布置。

設(shè)風(fēng)機(jī)出入口的平均靜壓為Pj2、Pj1，平均動(dòng)壓為Pd2、Pd1，風(fēng)機(jī)全壓為 P，則：

式中：m——測(cè)量截面上的測(cè)點(diǎn)數(shù)目。

（2）流量測(cè)試點(diǎn)處氣體密度的測(cè)量。用大氣壓表和溫度計(jì)測(cè)出大氣壓力和氣體溫度，則：

式中：ρ0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度，（空氣取1.29，煙氣取1.30）；

t——測(cè)點(diǎn)截面處的氣體溫度；

Ph——測(cè)量時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮海?/p>

Pj——流量測(cè)試點(diǎn)處的平均靜壓。

（3）風(fēng)機(jī)流量的測(cè)算。風(fēng)機(jī)流量按式（5）計(jì)算：

式中：Q——風(fēng)機(jī)實(shí)際流量；

μ——畢托管測(cè)壓修正值，標(biāo)準(zhǔn)畢托管μ=1；

F——流量測(cè)點(diǎn)處測(cè)量的截面面積；

Pd——流量測(cè)點(diǎn)處的平均動(dòng)壓；

ρ——流量測(cè)點(diǎn)處氣體密度。

（4）風(fēng)機(jī)機(jī)組電能利用率的測(cè)算。風(fēng)機(jī)機(jī)組電能利用率按式（6）計(jì)算：

式中：Hj——風(fēng)機(jī)機(jī)組電能利用率，以百分?jǐn)?shù)表示；

PyP——風(fēng)機(jī)機(jī)組有效輸出功率，PyP=Q×P

P1——電動(dòng)機(jī)輸入功率。

任仁良[2]采用該方法研制了風(fēng)機(jī)效率測(cè)試儀，經(jīng)過(guò)軟件校正后綜合誤差＜1%。但是在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，由于電動(dòng)機(jī)的配電柜距離風(fēng)機(jī)進(jìn)出口較遠(yuǎn)，大多數(shù)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)輸入?yún)?shù)和壓力參數(shù)不能同時(shí)測(cè)量；因此，采用先測(cè)量風(fēng)機(jī)壓力參數(shù)，再測(cè)量電動(dòng)機(jī)輸入功率，最后計(jì)算出風(fēng)機(jī)效率。但這種測(cè)量方法必須在風(fēng)機(jī)工況基本相同的條件下進(jìn)行，否則會(huì)產(chǎn)生一些誤差。

1.2 熱力學(xué)法

根據(jù)熱力學(xué)原理，在理想狀態(tài)下，氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)可視為可逆絕熱壓縮過(guò)程，即等熵壓縮過(guò)程，氣體獲得能量、溫度升高。實(shí)際上，氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)是一個(gè)不可逆壓縮過(guò)程，氣體在獲得能量、溫度升高的同時(shí)，還伴隨著各種損失，如流動(dòng)損失和機(jī)械摩擦損失等。這些損失轉(zhuǎn)換為熱能，并且絕大部分熱能會(huì)傳遞給風(fēng)機(jī)所輸送的氣體，使其溫度進(jìn)一步升高。因此只需要測(cè)量風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口的溫度和全壓，即可求得風(fēng)機(jī)效率。

由熱力學(xué)能量守恒方程、穩(wěn)定流能量方程可以得出風(fēng)機(jī)效率的計(jì)算模型為

式中：h1、h2——風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口實(shí)際氣體焓；

h2s——按理想定熵壓縮過(guò)程出口氣體焓；

項(xiàng)目運(yùn)作方式合規(guī)。項(xiàng)目不得為缺少實(shí)質(zhì)性運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)而僅涉及工程建設(shè)的 BT 模式。社會(huì)資本方須有相關(guān)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。

c1、c2——風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口氣體的平均速度；

z1、z2——風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口處的高度；

Δe′——風(fēng)機(jī)損失轉(zhuǎn)化為熱能中未能被氣體吸收的部分。

在實(shí)際風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的進(jìn)、出口位置高度和流速基本相同，因此，式（7）可簡(jiǎn)化為

式（8）為熱力學(xué)法測(cè)量風(fēng)機(jī)效率的基本模型。該式中各物理量不能直接測(cè)得，需要進(jìn)一步推導(dǎo)以便于實(shí)際應(yīng)用的效率計(jì)算式。

金相均[3]等利用熱工學(xué)原理推導(dǎo)了通風(fēng)機(jī)效率的測(cè)量方法，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了效率修正系數(shù)的范圍，將扭矩法與熱工測(cè)量法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，與扭矩法比較，其相對(duì)誤差＜2.25%。

李春曦等[5]為了提高風(fēng)機(jī)效率計(jì)算模型的精確度，對(duì)損失項(xiàng)Δe′進(jìn)行了詳細(xì)考慮，得出風(fēng)機(jī)效率的計(jì)算模型為

式中：a、b、c——分別為考慮風(fēng)機(jī)軸承、軸封摩擦損失、泄露損失和風(fēng)機(jī)殼散熱3項(xiàng)損失后的修正系數(shù)，通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果，該測(cè)量模型具有更高的精度。

王娟等[6]不僅考慮了損失的修正，同時(shí)考慮了比熱的微小變化，采用變比熱計(jì)算。通過(guò)定比熱不考慮損失、定比熱考慮損失以及變比熱考慮損失3種模型的對(duì)比試驗(yàn)，說(shuō)明采用變比熱提高了模型的精度，是否考慮外摩擦與機(jī)殼散熱損失對(duì)模型精度影響較大，而如何考慮該損失又是決定模型精確度的重要因素。

1.3 新型傳感器測(cè)量法

由于常規(guī)法系統(tǒng)復(fù)雜、安裝調(diào)試?yán)щy，熱力學(xué)法需要高精確的溫度傳感器以獲取較為準(zhǔn)確的溫度參數(shù)，周東等[7]研制了一種新型風(fēng)機(jī)效率的測(cè)試裝置。其基本原理為：對(duì)于均勻工作的旋轉(zhuǎn)機(jī)械必然承受與主軸轉(zhuǎn)矩作用方向相反的平衡力矩，因此測(cè)量出平衡力矩就可得知被測(cè)轉(zhuǎn)矩的大小。設(shè)計(jì)方案僅考慮了風(fēng)筒周向受剪切力作用產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)測(cè)量傳感器，測(cè)量環(huán)內(nèi)徑與風(fēng)筒內(nèi)徑一致，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩為4個(gè)傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩之和。通過(guò)測(cè)量環(huán)測(cè)量剪切力轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)功率及效率的測(cè)量。

通過(guò)與全功能通風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)比，基于新型傳感器測(cè)量法進(jìn)行風(fēng)機(jī)效率測(cè)量方案可行，特別對(duì)小型風(fēng)機(jī)較為適用，可獲得較高的測(cè)量精度。由于該方法安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)廠家獲得可靠準(zhǔn)確的效率數(shù)據(jù)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)機(jī)的能效水平直接關(guān)系到國(guó)家的能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)，因此風(fēng)機(jī)效率的準(zhǔn)確測(cè)量具有重要意義。常規(guī)法按照GB/T 15913-2009建立測(cè)量程序，可較真實(shí)地獲得風(fēng)機(jī)的效率及特性曲線(xiàn)，但系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，安裝調(diào)試較為困難；熱力學(xué)法只需要測(cè)量風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口的溫度和風(fēng)機(jī)全壓即可計(jì)算出風(fēng)機(jī)效率，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，該方法成為風(fēng)機(jī)效率測(cè)量研究中的一個(gè)重要方向，但是需要高精度的儀表進(jìn)行溫度測(cè)量以及合適的損失模型；近年出現(xiàn)的新型傳感器測(cè)量法雖然目前僅應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，但是安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，值得進(jìn)一步研究，使其能夠工程實(shí)用化。

隨著國(guó)家節(jié)能減排的深入以及合同能源管理在我國(guó)的推廣，風(fēng)機(jī)效率的準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)系到風(fēng)機(jī)改造的節(jié)能評(píng)估。研究一種行之有效的在線(xiàn)式風(fēng)機(jī)效率測(cè)量裝置，提高風(fēng)機(jī)效率測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性將是下一階段研究的重點(diǎn)。

[1]GB/T 15913—2009風(fēng)機(jī)機(jī)組與管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

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[5]李春曦，王松嶺，胡立峰.基于熱力學(xué)法的風(fēng)機(jī)效率和流量監(jiān)測(cè)模型[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（1）：55-59.

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