王聰民 周義德 楚建保

（1.中原工學院，河南鄭州，450007；2.河南省紡織建筑設(shè)計院有限公司，河南鄭州，450007）

新型紡織車間以設(shè)備自動化、高速化、規(guī)模大型化為代表，單個車間設(shè)計規(guī)模動輒8 萬錠～10 萬錠，甚至更多，致使車間橫向?qū)挾雀鼘?，每條支風道的送風量更大，送風距離更長。傳統(tǒng)的單風機空調(diào)送風系統(tǒng)由于風機性能、風量平衡等因素，已不能滿足需要，多風機送風的形式應(yīng)運而生。由于對紡織車間多風機并聯(lián)運行的特性分析研究較少，較多采用了新型高效軸流風機進行臺數(shù)疊加、多風道并聯(lián)、變頻調(diào)速等設(shè)計運行方法，在某些情況下會使風機不能充分發(fā)揮其性能，運行效率受到影響。根據(jù)風機在管網(wǎng)中運行理論分析可知，送風管網(wǎng)的性能直接影響風機的風壓、風量和運行效率，甚至會起到?jīng)Q定性作用。因此，在設(shè)計多風機送風系統(tǒng)的同時，需要利用流體力學泵與風機和流體輸配的基本原理，優(yōu)化設(shè)計風機和管網(wǎng)送風系統(tǒng)，保證所有風機運行工況正常，這對提高整個送風系統(tǒng)的效率、實現(xiàn)空調(diào)送風系統(tǒng)整體節(jié)能至關(guān)重要。

1 風機及管網(wǎng)運行特性

1.1 軸流風機性能曲線

軸流風機運行曲線如圖1 所示。圖中N、Q、P、η分別表示風機的功率、流量、壓力、效率。根據(jù)軸流風機的性能曲線分析可知，風機的壓力和流量關(guān)系曲線呈馬鞍形，效率最高點左側(cè)ac段稱為不穩(wěn)定工作區(qū)，當風機節(jié)流時，流量減少，很容易進入不穩(wěn)定區(qū)，風機流量減小，壓力會反復(fù)變化，功率反而增大。在設(shè)計轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)下，當流量為零時，功率達到最大值，會引起振動。右側(cè)de段為穩(wěn)定工作區(qū)，此時風機壓力和流量接近線性變化，效率在可接受范圍內(nèi)。

圖1 軸流風機性能曲線

從圖1 風機效率曲線可以看出，軸流風機的壓力流量曲線穩(wěn)定段較短，并且工作時很容易進入右側(cè)的低效率工作段和左側(cè)的不穩(wěn)定工作段。因此在風機設(shè)計選型時，應(yīng)高度重視風機的性能曲線規(guī)律，選擇運行效率高、高效工作段寬的風機，并使風機的運行風量、風壓在高效工作段內(nèi)。

1.2 并聯(lián)風機在管網(wǎng)中的運行特性

圖2 表示兩臺同型號軸流風機在不同阻力特性管網(wǎng)中的并聯(lián)工作特性曲線圖。其中Ⅰ、Ⅱ分別表示單臺、兩臺同型號風機并聯(lián)后的特性曲線，系統(tǒng)1、系統(tǒng)2 分別表示從低到高的不同阻力特性的管網(wǎng)性能曲線。正常情況下，兩臺風機并聯(lián)后的工況點應(yīng)在P1點，對應(yīng)的單臺風機工作點在E1點，此時風機效率較高。從圖2 中可以看出，與單臺風機在系統(tǒng)1 運行工況點P4相比，兩臺風機并聯(lián)后，單臺風機的運行壓力升高，流量減少。管網(wǎng)阻力越大，壓力升高越多，流量減少越多。在系統(tǒng)阻力特性達到系統(tǒng)2 時，并聯(lián)風機的工況點進入了不穩(wěn)定工作區(qū)，并聯(lián)風機的工況點可能在P2點，兩臺風機在相同工況點E2工作。但系統(tǒng)的工況點也可能在P2、P3之間轉(zhuǎn)換，造成兩臺風機分別在E2、E3和E3a工況點交替工作，出現(xiàn)兩臺風機的“搶風”現(xiàn)象，并且相互轉(zhuǎn)換，運行極不穩(wěn)定，甚至會造成系統(tǒng)的振蕩［1］。

圖2 兩臺同型號軸流風機并聯(lián)運行曲線

圖3 表示同型號兩臺或三臺風機并聯(lián)運行的曲線圖。曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示一臺風機單獨運行和同型號兩臺、三臺風機并聯(lián)運行的特性曲線，系統(tǒng)1、2、3 分別表示中、高、低管網(wǎng)阻力特性曲線，在中阻力管網(wǎng)系統(tǒng)1 中，單臺運行工況點在AⅠ1點，不能滿足管網(wǎng)風量和壓力的要求，需要兩臺或三臺風機并聯(lián)運行。兩臺并聯(lián)、三臺并聯(lián)運行的工況點分別為AⅡ1點、AⅢ1點，根據(jù)同壓力流量疊加的原則［2］，此時每臺風機的實際工況點分別為A12點、A13點。假設(shè)AⅡ1點對應(yīng)的單臺風機工況點A12為風機效率最高工況點，可以看出，隨著并聯(lián)臺數(shù)的增加，單臺風機運行的壓力越高，流量越??；由軸流風機的特性曲線可知，風機會接近不穩(wěn)定工作區(qū)，效率也會降低。管網(wǎng)阻力越大，特性曲線越陡，如系統(tǒng)2，風機并聯(lián)臺數(shù)越多，會使并聯(lián)后單臺風機的實際工況點越接近不穩(wěn)定區(qū)域，效率下降。管網(wǎng)阻力減小，如系統(tǒng)3，并聯(lián)風機的臺數(shù)越多，風機并聯(lián)后每臺風機的工況點流量增加越多，對應(yīng)三臺的工況點為AⅢ3，單臺風機實際工況點為A31，可以看出，風機的效率也會下降。但在三臺風機并聯(lián)性能曲線Ⅲ上，在AⅢ1和AⅢ3之間仍有一點AⅢ3′會使風機的實際運行工況點達到A12點，每個風機仍保持高效運行，此時對應(yīng)的管網(wǎng)阻力特性為系統(tǒng)3′，說明在兩臺風機風量不能滿足管網(wǎng)系統(tǒng)要求時，在一定的阻力特性曲線下，可以采用三臺或更多同型號較小風量的風機并聯(lián)運行；但管網(wǎng)特性曲線偏離阻力特性曲線系統(tǒng)3′后，隨著并聯(lián)臺數(shù)增多，風機的效率降低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。這就要求在采用兩臺或超過兩臺風機并聯(lián)時，要核對管網(wǎng)最大流量時的阻力特性曲線以及并聯(lián)風機性能曲線的交點，以滿足單臺風機的高效運行，否則隨著并聯(lián)風機臺數(shù)的增多，都會使風機的效率下降。

圖3 同型號兩臺或三臺風機并聯(lián)運行曲線

研究證明，超過兩臺不同型號風機進行并聯(lián)工作時，聯(lián)合工作的曲線更為復(fù)雜，在一定的管網(wǎng)中，每臺風機比單獨工作時的實際壓力增加值、流量減少值更多［3］。在管網(wǎng)阻力特性較高時，可能會出現(xiàn)一臺風機工作、一臺風機不工作的情況，甚至出現(xiàn)并聯(lián)后系統(tǒng)的工作風量比大型號風機單獨在該管網(wǎng)特性曲線下運行的風量還小，失去并聯(lián)意義，系統(tǒng)更容易出現(xiàn)運行不穩(wěn)定的狀況［4］。

兩臺風機并聯(lián)變頻運行時，性能曲線如圖4所示。根據(jù)并聯(lián)風機變頻性能曲線可知，隨著運行頻率的降低，風機運行特性曲線會向左下方平移，如圖中的Ⅰ50、Ⅰ45、Ⅰ40、Ⅰ35。并聯(lián)風機運行工況點特性曲線為Ⅱ50、Ⅱ45、Ⅱ40、Ⅱ35，和系統(tǒng)1 的交點為AⅡ50、AⅡ45、AⅡ40、AⅡ35，對應(yīng)每臺風機的實際工況點為AⅠ50、AⅠ45、AⅠ40、AⅠ35?？梢钥闯?，風機實際的運行工況點會逐步下移，偏離最高效率工況點，風機的效率會有所下降［5］。并聯(lián)風機調(diào)節(jié)時要求同步調(diào)節(jié)，否則會成為不同型號風機并聯(lián)的情況。

圖4 兩臺風機并聯(lián)變頻運行性能曲線

因此在需要多臺風機并聯(lián)運行時，風機的臺數(shù)盡量要少，型號、轉(zhuǎn)速一定要相同，管網(wǎng)的阻力要小，運行調(diào)節(jié)時要保證并聯(lián)風機的運行頻率同步調(diào)節(jié)，以保證并聯(lián)風機均運行在穩(wěn)定工作段。

2 新型紡織車間多風機系統(tǒng)

新型紡織車間由于規(guī)模增大，車間裝機功率更高、發(fā)熱量大、工藝生產(chǎn)對車間環(huán)境要求更高，這些都使得新型紡織車間空調(diào)系統(tǒng)的送風量更大、送風距離更長，采用多風機送風的空調(diào)系統(tǒng)越來越多。因此，需要認真研究新型紡織車間空調(diào)系統(tǒng)布置和運行特點，設(shè)計優(yōu)化多風機送風系統(tǒng)，以達到系統(tǒng)的高效運行。

2.1 兩臺風機并聯(lián)運行系統(tǒng)

紡織廠兩臺風機并聯(lián)運行系統(tǒng)示意圖如圖5所示。根據(jù)送風的需要，每臺風機負擔車間2 條～3 條送風管道，由送風機出口進入車間后，采用三通分流至支風道，然后送入車間設(shè)備上方。這種送風方式的特點是主風機臺數(shù)較少，并聯(lián)后性能穩(wěn)定，運行管理方便。

圖5 紡織廠兩臺風機送風示意圖

在這種情況下，由于出風口處風機的流量很大、風速很高，要精確設(shè)計優(yōu)化風機出口處天方地圓變徑管、矩形分流三通、彎頭等配件的參數(shù)，減少風機出風口的阻力，有利于提高風機運行效率。風管局部阻力計算公式如式（1）所示。

式中：ΔPj為風管局部阻力（Pa）；γ為局部阻力系數(shù)；V為風管配件壓力損失計算風速（m/s）；ρ為空氣密度（kg/m3）。

以14#風機為例，風機出風口流量30 m3/s、全壓529 Pa、空氣密度1.2 kg/m3，風機出口處天方地圓、分流三通、彎頭等配件進出口尺寸，按照通常的設(shè)計情況適當變化，根據(jù)局部阻力計算公式（1）計算各配件局部阻力，如表1 所示。

從表1 可以看出，方案1、方案2 和方案3 的局部阻力合計分別為69.90 Pa、81.37 Pa 和105.07 Pa。對于相同的風機參數(shù)，出風口管道配件的不同參數(shù)設(shè)計對該段局部阻力的影響較大，最小時能占到風機全壓的13.2%，最大時能占到風機全壓的19.8%，同時也對風機的運行壓力損失、各支風道的送風均勻性影響較大。因此，在風機出口處三通、彎頭等配件較多時，應(yīng)該利用管道水力計算方法對配件尺寸進行優(yōu)化，減少因出風口處局部阻力損失造成的風機壓力降低，平衡各支風道的壓力損失。

表1 風機出口局部阻力計算表

2.2 多臺風機并聯(lián)運行系統(tǒng)

多臺風機并聯(lián)運行系統(tǒng)示意圖如圖6 所示。根據(jù)送風的需要，每臺風機負擔車間一條送風管道，由送風機出口直接進入車間支風道送入車間上方。這種送風方式減少了風機出口處三通和彎頭的設(shè)置，對風機的壓力影響較小，車間的送風量有保證。但由于采用了多機臺風機并聯(lián)運行的方式，風機的相互干擾情況會增加，需要高度重視風機并聯(lián)對風機性能的影響。

圖6 紡織廠多臺風機送風示意圖

由于需要在每條支風道上安裝送風機，車間支風道需根據(jù)車間設(shè)備和送風量要求布置，送風機臺數(shù)大于等于4 臺，各臺送風機距離噴淋室出風口的距離相差較大，會造成公用回路的壓力損失差別較大，管網(wǎng)阻力特性曲線對風機的運行效率影響增大。需要嚴格控制噴淋段的阻力、主風道的風速和風機入口處氣流速度場，使各風機入口氣流場分布基本平衡。

2.3 影響風機并聯(lián)運行的因素

紡織空調(diào)多風機并聯(lián)運行，雖然不屬于嚴格意義上的多風機并聯(lián)系統(tǒng)，形式有一定的差別，但也符合風機并聯(lián)運行的基本理論。為了減輕風機并聯(lián)運行后造成風機流量、壓力、效率的損失，需要從以下幾個方面進行控制。

2.3.1 風機性能的選擇

由于軸流風機特性曲線存在馬鞍形的特點，風機選擇時應(yīng)核查風機性能曲線的形狀，使風機滿負荷運行時位于效率較高的平滑段曲線上，并核算運行的最高風壓離開不穩(wěn)定狀態(tài)點一定距離，保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)變化時，管網(wǎng)阻力升高，風機不會進入不穩(wěn)定工作區(qū)。工作段應(yīng)盡量平緩，接近線性，以利于正常生產(chǎn)中風機頻率的變化調(diào)節(jié)。近年來生產(chǎn)的機翼形、槳翼形大風量節(jié)能紡織軸流風機的主要特點是特性曲線平緩，調(diào)速狀態(tài)下效率高，風量有保證，并配備YE3 系列高效節(jié)能寬頻電機，使得風機的調(diào)頻性能適應(yīng)范圍更寬，較適用于紡織空調(diào)多風機變頻調(diào)速條件下大風量、高能效比、低噪聲的性能要求［6］。

2.3.2 風機的型號、規(guī)格、轉(zhuǎn)速及臺數(shù)

從風機并聯(lián)在管網(wǎng)中運行的理論分析可知，超過兩臺不同型號風機進行并聯(lián)工作時，聯(lián)合工作的曲線更為復(fù)雜，甚至會出現(xiàn)系統(tǒng)的工作風量小于大型號風機的流量。因此要求并聯(lián)風機的型號、規(guī)格、轉(zhuǎn)速盡可能相同，才能取得較好的并聯(lián)工作效果。

從風機調(diào)速性能曲線的規(guī)律可知，風機型號、規(guī)格相同，在進行調(diào)速運行時，在一定的速度下，其性能曲線呈平行狀態(tài)變化。在管網(wǎng)阻力特性一定的管網(wǎng)中，保證各風機維持在高效工作段運行。由于風機變頻減速運行后風機性能曲線平行下移，聯(lián)合運行工況點沿管網(wǎng)曲線向左下方偏移，此時管網(wǎng)運行曲線變緩、運行阻力降低、能耗降低，但效率會有所下降。所以風機并聯(lián)后，降速下運行不會出現(xiàn)工頻時容易偏離風機高效運行區(qū)的問題。因此，設(shè)計時應(yīng)主要考慮并聯(lián)風機高速運行時的工況點，避免出現(xiàn)高速運行時風機進入不穩(wěn)定工作區(qū)，出現(xiàn)“喘振”“搶風”現(xiàn)象。降速運行時，不能將頻率降至很低，以免使風機效率下降較多。所以，在多風機并聯(lián)運行設(shè)計選用風機時，要保證并聯(lián)風機型號相同，盡量采用相同的規(guī)格和轉(zhuǎn)速，運行時要采用同步頻率變化進行調(diào)速，最低運行頻率不小于35 Hz，才能保證運行風機的效率和穩(wěn)定性。

由于風機并聯(lián)臺數(shù)越多，并聯(lián)運行曲線和管網(wǎng)阻力曲線擬合條件要求越高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性會變差，在有條件的情況下，并聯(lián)風機的臺數(shù)不宜過多。

2.3.3 公用回路阻力

公共回路阻力要小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，并聯(lián)風機公用回路上消耗的風壓，不得超過多風機并聯(lián)送風中最小風機風壓的30%［7］。對新型紡織多風機送風系統(tǒng)而言，其公用回路主要阻力發(fā)生在空調(diào)室噴淋段。夏季送風量最大，空氣全部通過噴淋室洗滌，該段的阻力一定很大，噴淋段的阻力主要由導(dǎo)流板、噴淋排管、擋水板產(chǎn)生。因此要控制噴淋室最大設(shè)計風速不大于6 m/s，并應(yīng)采用阻力小的擋水板結(jié)構(gòu)，在高速噴淋室（4.5 m/s 以上）時，應(yīng)設(shè)計采用中間排水槽的擋水板，及時排除空氣中的水分，保持擋水板斷面風速穩(wěn)定。噴淋段的總阻力宜控制在100 Pa～150 Pa 之間，使噴淋段最大風量時阻力值不大于風機全壓的30%。對不需要全部經(jīng)過噴淋室的空氣，應(yīng)設(shè)置二次回風通道（如圖6 所示），減少噴淋室通過的空氣量，降低風速，減小噴淋段的空氣阻力，從而減小公用回路阻力［8］。

公用回路阻力要盡量相等或相近。多風機送風系統(tǒng)，送風機均安裝在二樓和車間風管等高位置，由于支風管的安裝位置等原因，風機安裝位置距離空調(diào)室出風口有差異。要盡量使各風機相對空調(diào)室出風口距離相等或相近，使風機入口的速度場、溫濕度場相近，減少風機送風量和送風參數(shù)的差異，維護車間溫濕度的一致性。風機安裝位置較遠時，由于風機入口的局部風速高、擾動大，速度場對風機性能影響的范圍大。因此，二層的主風道尺寸要大，主風道內(nèi)的風速宜不大于4 m/s，并應(yīng)過渡平滑，無阻擋，避免凹凸不平的拐角等。風道表面要處理光滑，減少沿程阻力造成的阻力不均勻情況。

2.3.4 支風道設(shè)計

在每個支風道設(shè)置送風機的多臺風機并聯(lián)運行情況下，由于風機距離噴淋室出風口的距離有差異，造成了公用回路的壓力不平衡，這就要求各支風道送風阻力盡可能相等，減少因并聯(lián)風機實際運行時的壓力差過大而增加風機并聯(lián)運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定因素。

支風道送風口設(shè)置時，風機出口處的風管應(yīng)在4 m 之內(nèi)不要開設(shè)風口，因為風機出口的外邊沿風速高達20 m/s，此位置開口，會造成倒吸風，風口也會產(chǎn)生很大的局部阻力，導(dǎo)致支風道能耗增加。支風道送風口必須帶有動靜壓轉(zhuǎn)換裝置和靈活的調(diào)節(jié)裝置，由于風機直接吹到支風道中，支風道前段風速高、靜壓低，送風口出風量就會很少，甚至倒吸風，所以必須采用適用于高風速下的動靜壓轉(zhuǎn)換勻流風口，并且便于調(diào)節(jié)，保持各風口送風量均勻。

多風機送風系統(tǒng)中，支風道的送風速度不能過高，設(shè)計風速宜為4 m/s～6 m/s，最大風速不宜大于8 m/s。支風道的變徑依據(jù)以支風道各送風口的靜壓差不超過15%以內(nèi)為宜［9］，使整個支風道回路阻力之和不大于風機全壓的60%。同時做好各風機支風道水力計算，保證各送風回路壓力損失之和的差異要小于10%［10］，確保送風的均勻性。

2.4 系統(tǒng)安裝和調(diào)節(jié)

2.4.1 多風機的安裝

由于多風機送風系統(tǒng)送風機高位安裝，安裝風機的墻體必須鋼筋混凝土澆筑，或采用鋼結(jié)構(gòu)加固處理，保證風機安裝牢固，運行平穩(wěn)。風機安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)與主體鋼結(jié)構(gòu)分開，避免由于風機運行造成墻體和房屋振動，加速風機的損壞，并影響房屋安全。

風機電機溫度監(jiān)測：多風機系統(tǒng)中，由于風機葉輪、電機均在風道中，運行時看不到運行狀態(tài)，所以電機內(nèi)部需要安裝鉑電阻，監(jiān)測線圈內(nèi)溫度，監(jiān)控風機運行狀態(tài)。

2.4.2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)

試運行調(diào)試。由于風機的性能、安裝位置、管道制作、調(diào)節(jié)閥門等初始情況均存在差異，空調(diào)系統(tǒng)安裝完成后，在正式投入生產(chǎn)運行前，應(yīng)該對系統(tǒng)進行初調(diào)試。很多企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)直接投入運行，系統(tǒng)安裝過程中存在的問題一直存在，沒有發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)有的效率。研究證明，在風機效率已經(jīng)很難再提高的情況下，空調(diào)系統(tǒng)的良好調(diào)試和運行調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)運行節(jié)能效益高達15%以上，節(jié)能效益可觀。運行調(diào)試包括風機的轉(zhuǎn)向、振動、噪聲情況，以及電機電流、各風機出口風量、風壓等參數(shù)，并通過車間送風口進行風量調(diào)節(jié)，保證車間送風量均勻，維護車間溫濕度參數(shù)均勻一致。

運行調(diào)節(jié)。由于車間負荷變動和室外空氣參數(shù)的變化，空調(diào)系統(tǒng)需要對風機不斷地進行變頻調(diào)速運行調(diào)節(jié)。關(guān)于調(diào)速頻率的控制，由風機的性能關(guān)系分析可知，風機功率和轉(zhuǎn)速的三次方呈正比。在轉(zhuǎn)速降低至工頻時的70%（35 Hz）時，風機風量約為滿負荷時的70%，壓力為滿負荷時的49%，所耗功率僅為滿負荷時功率的34.3%，已完全能夠滿足降速節(jié)能的要求。一味地降低風機運行頻率，會造成風量呈比例下降，風壓呈平方關(guān)系下降，造成車間送風不均勻，影響車間空氣環(huán)境。風機調(diào)頻范圍以35 Hz～50 Hz 較適宜［11］，并要保證同一公用回路中的風機轉(zhuǎn)速同步調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

（1）新型紡織車間多風機送風系統(tǒng)，并聯(lián)風機臺數(shù)更多，設(shè)計時需要核對風機并聯(lián)性能曲線和管網(wǎng)性能曲線的交點和工況點，合理選擇并聯(lián)風機的參數(shù)和臺數(shù)，使風機運行在高效、安全的參數(shù)范圍內(nèi)。并聯(lián)風機臺數(shù)越多越需要重視，否則會出現(xiàn)風機效率下降的問題。

（2）并聯(lián)風機的型號、規(guī)格、頻率應(yīng)保持一致，公用回路阻力應(yīng)保證在并聯(lián)風機中最低風機全壓的30%以內(nèi)。各風機送風回路阻力損失之和的差異要小于10%，以保證各風機運行壓力、流量設(shè)計參數(shù)，保持風機運行穩(wěn)定。

（3）多風機并聯(lián)試運行調(diào)試是保證空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計送風量、均勻度及車間溫濕度參數(shù)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著系統(tǒng)的高效運行，必須重點關(guān)注。