何晶晶

（中鋼集團天澄環(huán)保科技股份有限公司 武漢 430205）

0 引言

在環(huán)保工程項目中經(jīng)常會用到引風(fēng)機、增壓風(fēng)機等機械設(shè)備，根據(jù)項目需求，越來越多的風(fēng)機都選用了離心風(fēng)機。但在風(fēng)機的選型上一般僅會關(guān)注“風(fēng)機全壓”、“體積流量”等關(guān)鍵的參數(shù)是否滿足工程應(yīng)用要求，而很少關(guān)注風(fēng)機“轉(zhuǎn)動慣量”這個參數(shù)，因此引起了很多問題。電機作為風(fēng)機的驅(qū)動力核心提供者，擔(dān)負著與之相匹配的重要任務(wù)，若風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量與其它常規(guī)負載相比有較大增加時，風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量與電機轉(zhuǎn)矩不匹配，便會造成風(fēng)機無法啟動或啟動困難，甚至可能會對電機及供電系統(tǒng)帶來損傷。

1 事例分析

“轉(zhuǎn)動慣量”在風(fēng)機選型的諸多參數(shù)中往往被忽視，但所造成的影響卻不容小覷，下面舉兩個工程事例加以說明。

事例一，成都某熱電廠2×150 t CFB爐外煙氣脫硫治理項目中選用兩臺雙吸離心變頻風(fēng)機作為燃煤鍋爐與環(huán)保脫硫設(shè)施的引風(fēng)機。風(fēng)機電機功率為1 400 kW，電壓等級為6.3 kV。風(fēng)機廠家選型參數(shù)中，TB點的全壓升為7 900 Pa，體積流量為113.96 m3/s，風(fēng)機的選型完全滿足工程設(shè)計需求，并留有20%的余量。B-MCR工況下，風(fēng)機軸功率為676.7 kW，在TB工況下，風(fēng)機軸功率為1 205 kW，根據(jù)電機與風(fēng)機軸功率的的選配安全系數(shù)要求，一般≥1.1即可，1 205 kW×1.1=1 325.5 kW，電機功率為1 400 kW，電機的額定功率選擇能滿足風(fēng)機最大工況下軸功率的使用要求，現(xiàn)場調(diào)試過程中使用高壓變頻器調(diào)壓啟動時也一切正常。但業(yè)主方基于系統(tǒng)安全和運行持續(xù)性的考慮，要求風(fēng)機全壓直接啟動，經(jīng)嘗試風(fēng)機的啟動電流6.5倍Ie，啟動持續(xù)時間25 s后，由于供電高壓柜內(nèi)的綜合保護繼電器過電流動作導(dǎo)致高壓開關(guān)跳閘而失敗。

事后分析原因時發(fā)現(xiàn)，此風(fēng)機葉輪的轉(zhuǎn)動慣量為3 168 kg·m2（GD2/4），電機轉(zhuǎn)速為980 r/min，據(jù)此核算電機在空載情況下，25 s內(nèi)完成啟動所需的最小轉(zhuǎn)矩為：

此電機現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩：

風(fēng)機空載啟動所需轉(zhuǎn)矩和電機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩相差無幾，考慮到風(fēng)機擋板門多少存在漏風(fēng)情況，可以斷定此時電機轉(zhuǎn)矩已無余量。

通常情況下，風(fēng)機的起動阻力矩曲線有兩條，一條為風(fēng)機閥門全開的曲線，阻力矩較大；另一條為風(fēng)機閥門全閉的曲線，阻力矩較??；大轉(zhuǎn)動慣量風(fēng)機的啟動較為困難，一般采用風(fēng)機閥門全閉啟動，待風(fēng)機完全啟動后再打開閥門［2］。離心風(fēng)機在關(guān)閉風(fēng)門啟動時可視為恒轉(zhuǎn)矩工作模式，啟動速度越快，所需電機輸出功率越大，反之延長風(fēng)機啟動時間又會導(dǎo)致電動機溫升甚至燒毀。同時風(fēng)機在啟動時，電機還需要輸出一部分扭矩來克服風(fēng)機的氣動力矩。由上述情況可知，在目前情況下，以現(xiàn)有電機的轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足風(fēng)機工頻直接啟動的要求。

在同風(fēng)機廠家反復(fù)溝通協(xié)調(diào)下，將電機啟動時間調(diào)節(jié)為35 s，此狀況風(fēng)機啟動至少需要的轉(zhuǎn)矩為：

此狀態(tài)下所需轉(zhuǎn)矩遠小于電機能力，理論上啟動沒問題，實際電機也是直接啟動成功了。

雖然加長電機啟動時間，風(fēng)機直接啟動成功，但是啟動時間增長，電機有燒毀的風(fēng)險，并且電流過大，會造成對風(fēng)機供電系統(tǒng)的沖擊。之后風(fēng)機在系統(tǒng)運行中，均維持變頻啟動，不再直接啟動。

事例二，青島經(jīng)濟開發(fā)區(qū)某熱電公司168 MW熱水循環(huán)流化床鍋爐超低排放改造工程中，所用一臺1 400 kW、10 kV離心變頻風(fēng)機，經(jīng)改造后，同樣能提供的足夠的壓頭、流量，關(guān)鍵參數(shù)均滿足工藝設(shè)計要求，但在實際調(diào)試過程中并不順利。最初通過變頻器啟動風(fēng)機，當(dāng)電機頻率到45 Hz時，變頻器反饋的電機電流已經(jīng)達到額定電流，再進一步提高運行頻率，變頻器報重故障。在斷電檢查后發(fā)現(xiàn)變頻器所有的功率模塊均被擊穿。在更換了元器件后變頻器可以正常啟動，但電機工頻運行時，風(fēng)機進口風(fēng)門導(dǎo)葉僅開到22℃時，電機電流就已達到額定值。之后通過高壓固態(tài)軟啟動嘗試啟動風(fēng)機（軟啟動為高壓電抗器式，電抗器提供多組抽頭），其中3.2Ie和4Ie兩組抽頭降壓65%和80%均無法正常啟動風(fēng)機。查看風(fēng)機的隨機附件資料，風(fēng)機葉輪的轉(zhuǎn)動慣量已達（GD2/4）4 108 kg·m2，電機轉(zhuǎn)速為980 r/min。

對風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量與電機轉(zhuǎn)矩參數(shù)核算如下：

1）現(xiàn)場綜保裝置設(shè)置的起動時間暫定為25 s。

2）風(fēng)機（空載情況下）在25 s時間內(nèi)完成啟動所需的轉(zhuǎn)矩為：

此電機現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩：

即表示在空載條件下，電機現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩不能克服風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量，更無法保證風(fēng)機在25 s內(nèi)啟動成功。

更換了軟啟動抽頭在6.3Ie、45 s的條件下，電機才勉強啟動成功，但是明顯此條件并不合理，較長的啟動時間和較大的啟動電流長此以往對電機會造成一定的損壞，且啟動電流大易使電機過熱，燒壞電機，對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊而影響其他用電設(shè)備的正常運行。

事后分析得知，上述問題是由多種原因共同作用造成。首先該風(fēng)機改造后存在漏風(fēng)率較大的問題，通過軟啟動器降壓啟動過程中前期轉(zhuǎn)矩小，不足以驅(qū)動風(fēng)機完成啟動過程；再則風(fēng)機改造后所配電機余量嚴(yán)重不足。離心風(fēng)機這種平方轉(zhuǎn)矩型負載，隨著風(fēng)機轉(zhuǎn)速的提高，所需轉(zhuǎn)矩成平方關(guān)系增加，與軸功率成三次方關(guān)系增加。當(dāng)電機頻率到45 Hz時，轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的90%，電網(wǎng)的理論輸入功率（Pa）=0.9×0.9×0.9（Pn）＝72.9（Pn）=1 020.6（kW），實際電機趨近于滿功率。

由此可見，在選擇電機時，需要核算風(fēng)機的啟動轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)動慣量作為影響風(fēng)機啟動轉(zhuǎn)矩的最重要因素之一，在風(fēng)機電機選型時尤為重要。

2 風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量過大的原因分析

風(fēng)機勻速運行狀態(tài)下，一般轉(zhuǎn)矩恒定，電機輸出主要用于克服風(fēng)機氣動力產(chǎn)生的阻力和一些機械摩擦力（恒定），所以只要電機軸功率大于上述阻力之和，風(fēng)機就能正常運轉(zhuǎn)。風(fēng)機在直接啟動時，進口風(fēng)門全關(guān)，電機所輸出的扭矩是啟動扭矩，不同于額定扭矩，另外要克服轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和由泄漏產(chǎn)生的氣動力矩，兩者存在著本質(zhì)區(qū)別［3］。由此可以得出初步結(jié)論：風(fēng)機啟動時所需的電機扭矩與正常運行時的扭矩是不一樣的。因此，風(fēng)機選型時，單單以運行時所需軸功率選定風(fēng)機型號大小往往考慮不周，最終造成上述事例的結(jié)果。

轉(zhuǎn)動慣量對于風(fēng)機選型不可忽略，且同時同規(guī)格的風(fēng)機的轉(zhuǎn)動慣量會有很大的個體差別。究其原因，同功率電機的配套風(fēng)機轉(zhuǎn)子質(zhì)量有差異，理論上說，風(fēng)機轉(zhuǎn)子質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量成正比，但在上述事例中，同樣是配套1 400 kW的電機，但不同風(fēng)機轉(zhuǎn)子質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量的大小并不成正比（見表1事例中的風(fēng)機主要參數(shù)）。轉(zhuǎn)子質(zhì)量大的，轉(zhuǎn)動慣量反而要小一些，因此可見葉輪結(jié)構(gòu)形式的影響遠大于質(zhì)量上的差異。根據(jù)離心風(fēng)機的原理，即利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速，然后在風(fēng)機殼體內(nèi)減速、改變流向，氣體在旋轉(zhuǎn)葉輪的作用下，獲得壓力和流速的增加。電機轉(zhuǎn)動帶動風(fēng)機葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，氣體在離心力的作用下沿切線方向甩出并改變流向，動能轉(zhuǎn)換為壓力能，從出風(fēng)口排出。轉(zhuǎn)速一定的情況下，葉輪直徑越大所帶來的氣流速度越大，進而動能越大，風(fēng)機相應(yīng)所能提供的壓頭越大。但在葉輪直徑一定的情況下，通過表2離心風(fēng)機葉片數(shù)量試驗數(shù)據(jù)［4］可知，葉片數(shù)量越多所需要拖動的電機功率越大。葉片數(shù)量在某一范圍內(nèi)，可以通過增加葉片來增加送風(fēng)量，但葉片數(shù)量增加到某一特定值后，進風(fēng)口會因葉片密集而引起進風(fēng)量減小，造成風(fēng)機能力下降。

表1 事例中的風(fēng)機主要參數(shù)

表2 離心風(fēng)機葉片數(shù)量試驗數(shù)據(jù)［4］

由表1可知，第一臺風(fēng)機的葉片形式采用的是20×1單級式葉輪，而第二臺風(fēng)機采用的是16×2雙級式葉輪，更多的葉輪葉片數(shù)量導(dǎo)致了迎風(fēng)面積總和變大，所以事例二的風(fēng)機在轉(zhuǎn)子質(zhì)量更輕一些的情況下，但轉(zhuǎn)動慣量要比事例一的風(fēng)機大。轉(zhuǎn)動慣量大，導(dǎo)致所配套電機負擔(dān)進一步加大，造成直接啟動困難或者不能啟動。

通過葉片數(shù)目的改變，對離心風(fēng)機進行分析可知，隨著葉片數(shù)目的增多，離心風(fēng)機的總壓和效率有明顯的的提升，并且使葉片內(nèi)的靜壓有所降低，葉片數(shù)目的增多可以在一定程度上優(yōu)化離心風(fēng)機的總壓和效率［5］。因此，在合適范圍內(nèi)，風(fēng)機增加風(fēng)量最直接的手段就是增加葉片數(shù)量，風(fēng)機選型最主要的性能考量就是TB工況和B-MCR工況下的能力與效率，但風(fēng)機配套的電機功率并沒有考慮過多余量，僅僅夠用。由此直接造成風(fēng)機無法啟動或啟動困難，再則啟動電機電流過大、啟動時間過長，甚至對電機和供電系統(tǒng)帶來損傷。

3 結(jié)語

風(fēng)機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量對轉(zhuǎn)動慣量大小的影響并不大，風(fēng)機葉輪結(jié)構(gòu)形式是影響轉(zhuǎn)動慣量的最主要因素。風(fēng)機的轉(zhuǎn)動慣量對風(fēng)機電機選擇以及風(fēng)量、風(fēng)壓均有影響，作用不容忽視。風(fēng)機的轉(zhuǎn)動慣量與電機轉(zhuǎn)矩不匹配時，會造成風(fēng)機無法啟動。大慣量的風(fēng)機啟動時，應(yīng)盡量避免風(fēng)機工頻直接啟動，而采用變頻或液力耦合器啟動。在投資預(yù)算充足的前提下，可增加風(fēng)機的電機容量。