风机变频调速节能计算误差分析

关键词：风机；变频调速；节能计算；误差分析

Abstract: Any engineering calculation method has its error range, our responsibility is how these data and calculation methods works Quweicunzhen Qucuqujing processing transformation, and then use them to try to come to an accurate calculation result. As can be seen from the following analysis of the large fan energy calculation error, far beyond the scope of our imagination, can never be only "2%" it! After a series of careful and meticulous work after saving calculation error can be controlLED within 5%, then it is already quite good.

Key words: Fan; Frequency Control;Energy-efficient computing; Error analysis

【中图分类号】TS737+.1【文献标识码】B文章编号1561-0330（2016）03-0000-00

1引言

我经常看到一些变频器公司或节能公司甚至包括业内一些知名的公司所做的节能计算书，觉得做得很不规范，有的甚至相去甚远，但是竟敢承诺节电率的计算误差只有2%，还真敢说。本人退休前一直从事火力发电厂热工自动化及辅机节能工作，退休后又先后在5个高压变频器生产厂家从事变频调速节能改造工程技术工作近10年之久，在这里想和大家一起聊聊节能计算误差的问题。

风机水泵压缩机变频改造工程的节能计算工作，绝不像做算术题一样，对了就是对了，错了就是错了那么简单，它不仅牵涉到大量的工程数据，而且关系到所采用的工程计算方法，环节很多，知识面极广，工作量巨大。我们知道所有的工程数据都是有误差的，任何一种工程计算方法都有它的误差范围，我们的责任是如何对这些数据和方法进行去伪存真、去粗取精的加工改造工作，然后利用它们得出尽量准确的计算结果来。

通过以下的分析可以看出工程数据和工程计算方法的误差之大，远远超出了我们所想象的范围，绝不可能只有“2%”而已！在经过了一系列谨慎细致的工作之后，能够将节能计算的误差控制在5%以内的话，就已经是相当不错的了。请看下面的分析：

2由风门开度确定风量时的误差

由图1可见，开平方法在小风门段的风量要大于查表法，而在大风门段又小于查表法；三角函数法的全程风量都要低于查表法，并且三角函数法的误差要大于开平方法。其实即使是用查表法得出的数据也是有误差的，因为用的是典型的离心式风机的特性曲线，与实际风机的特性曲线还是有差别的，最好使用实际风机的特性曲线，与实际的阻力曲线的交点为工作点得出的数据才是最准确的数据，但是实际的阻力曲线是很难绘出的。风机的特性曲线就好像是人的身份证，其中包含了风机所有的信息。但是现场很难找到风机的特性曲线，就只能向风机的制造厂家索取了，而制造厂家所提供的曲线也只是同一型号风机的参考曲线，因为制造厂不可能在每一台风机出厂前都做性能试验。实在找不到时就只能用典型的离心式风机的特性曲线作为计算的依据了。

3不同风量和不同控制方式时的风机轴功率计算的误差

由于现场数据调查表中提供的风机轴功率一般不是风机的额定轴功率，而是电动机的额定输出功率；而用风机的额定风量、风压和效率来计算风机的额定轴功率，又因为没有风机效率数据以及给出的风量和风压数据明显有误，所以也不是风机真正的额定轴功率；即使有风机的额定轴功率数据，由于锅炉（窑炉）的阻力曲线也不能精确计算，所以当风门全开时的风机轴功率与其额定轴功率也会有出入：如风道的阻力过大，则因为风压增大，会使风机的轴功率超过其额定轴功率；反之如风道的阻力过小，则因为风压减小，而会使风机的轴功率低于其额定轴功率等等。因为工程中不乏这样的案例：有的风机在风门全开运行时，其电动机的电流还远远小于额定电流；而有的风机在风门开度尚不到50％时，其电动机就已经因过载而跳闸了。

那么到底应当如何计算当风门全开时的风机轴功率呢？这个数据对于节能计算来说又是至关重要的。很多的节能计算出现较大误差的原因主要就是不能精确的计算出当风门全开时的风机轴功率。工程上有一种计算方法算出的风门全开时的风机轴功率较为准确，即根据某一风门开度时电动机的实际运行功率来反推风门全开时的风机运行功率。其根据如图2，图3所示，由于图2只是一张定性分析的示意图而已，误差较大，不能作为具体风机工程计算的依据。

4节能效果计算的误差

风机的调速节能效果计算比较简单，由于风机系统一般不存在反压，其阻力曲线通过坐标原点，符合相似定律的要求，所以风机调速运行时消耗的电功率可以直接用比例定律求得。注意使用的参照电功率应当是风门开度最大（100%）时的实际运行电功率，而不是风机的额定轴功率或者电动机的额定输出功率；而工频运行电功率则应为采用风门调节时对应于某一风门开度的风机实际消耗的电功率，可以通过实测的电压、电流和功率因数计算得出。

4.1风机参数的采集和利用

关键的是要根据现场可以得到的风门开度数据，以及实际的风量和风压数据，如何准确的测算出风机在调速运行时的转速来，才能准确算出变频功率、节省的电功率和节电率来。

（1）如果现场有风量数据，有人就以实际风量与额定风量的比值作为电动机（变频器）的转速来计算电功率，看来似乎是最现成也是最简单的方法了，岂知这样做的误差是很大的。因为风机的任何一个工作点都应该是在风机性能曲线和系统阻力曲线的交点，而现实工况的阻力曲线并不一定和风机性能曲线交于额定工况点！那么用实际风量与额定风量之比作为转速就不对了：

其一，如果系统阻力系数比较小，阻力曲线与风机性能曲线的交点位于额定工况点的右下方时，应当用实际风量与交点处的风量之比作为转速，而用实际风量与额定风量之比作为转速就要偏大，据此计算的节电率就会偏低；

其二，如果系统阻力系数比较大，阻力曲线与风机性能曲线的交点位于额定工况点的左上方时，应当用实际风量与交点处的风量之比作为转速，而用实际风量与额定风量之比作为转速就要偏小，据此计算的节电率又会偏高。

（2）一般的现场则比较容易得到风压的数据，这时就有人用实际风压与额定风压的比值再开平方作为电动机（变频器）的转速，似乎从原理上讲也没有什么错误，但是也犯了和以上同样的错误：

其一，如果系统阻力系数比较小，阻力曲线与风机性能曲线的交点位于额定工况点的右下方时，应当用实际风压与交点处的风压之比再开平方后作为转速，而用实际风压与额定风压之比的开平方值作为转速就要偏小，据此计算的节电率就会偏高；

其二，如果系统阻力系数比较大，阻力曲线与风机性能曲线的交点位于额定工况点的左上方时，应当用实际风压与交点处的风压之比再开平方后作为转速，而用实际风压与额定风压之比的开平方值作为转速就要偏大，据此计算的节电率又会偏低。

在工程现场这种情况是太普遍了，所以用风压开平方的方法不仅是方法的区别，也是造成节能计算误差的根源；而用风量值直接进行计算，一是实际风量数据一般不可得，就是可得，看来也不是最现成和最简单的方法了，而是一个陷阱：一个给节能计算造成误差的陷阱。

更加令人尴尬的是，如果现场既有风量数据也有风压数据，又同时进行计算的话，就会得出一组自相矛盾的结果：如果系统阻力系数偏小，则用风量数据算出的转速就会偏高，而用风压数据算出的转速又会偏低；反之，如果系统阻力系数偏大的话，则用风量数据算出的转速就会偏低，而用风压数据算出的转速又会偏高。简直叫人无所适从。

上述错误的本质是：风量和风压与转速之间的关系必须在同一条相似曲线（阻力曲线）上才能成立，由于实际风机系统的阻力曲线并不通过额定工况点，所以实际工况点与额定工况点不在同一条相似曲线上，因此不能用实际工况点的风量和风压数据与额定工况点的数据进行计算。应当找出实际工况点的相似工况点（实际阻力曲线与最大风门开度时的风机性能曲线的交点）的数据之间进行计算才是正确的方法。

例如某风机的性能曲线、阻力曲线和各工况点的位置如图4所示。

图4某离心式风机的性能曲线、阻力曲线和工作点示意图

如图4所示：风机的额定工况点是A点，阻力曲线R，额定风量19800m³/h（5.5m³/s），额定风压256kPa(表压力），50%风门开度（45⁰）的工作点是A1，风量16177 m³/h（4.49m³/s），风压174kPa。其风量是额定风量的81.7%，风压为额定风压的68%左右；由风量计算出的转速为81.7%额定转速，由风压计算出的转速为82.5%额定转速，其中的误差包括作图、读数和计算的误差。

若改变阻力(增大)曲线为R1（可以通过改变出口风门开度实现），工作点为B1，测得风量为13900m³/h（3.86m³/s），风压为235kPa（表压力）；由阻力曲线R1找出B1的相似工况点B，风量17000m³/h（4.72m³/s），风压348kPa（表压力）；由风量计算出的转速为81.8%额定转速，由风压计算出的转速为82.2%额定转速，结果与额定工况点基本一致。如果用额定工况点的数据计算，则由风量计算出的转速为70.2%额定转速，节电率为51.3%；由风压计算出的转速为95.8%额定转速，节电率为-23.8%。可见由风量计算的转速变小了，而由风压计算的数据却变大了，两者转速竟然相差25.6%！而节电率的计算已经失去价值了。

若改变阻力（减小）曲线为R2（可以通过改变出口风门开度实现），工作点为C1，测得风量为18600m³/h（3.86m³/s），风压为138kPa（表压力）；由阻力曲线R2找出C1的相似工况点C，风量22770m³/h（4.72m³/s），风压205kPa（表压力）；由风量计算出的转速为81.6%额定转速，由风压计算出的转速为82.0%额定转速，结果与额定工况点基本一致。如果用额定工况点的数据计算，则由风量计算出的转速为93.9%额定转速，节电率为11.1%；由风压计算出的转速为73.4%额定转速，节电率为57.5%。可见由风量计算的转速变大了，而由风压计算的数据却变小了，两者的转速相差20.5%。而节电率竟然相差46.4%。附表所示的是3个工况点的计算数据表。

附表3个工况点的计算数据表：

由此可见，如果采用正确的方法，即在用现场风量或风压数据进行计算时，首先找出其相似工况点，然后进行计算的话，其误差可以控制在5%以内；如果用额定工况点数据作为参照进行计算的话，结果就会相去甚远，严格地讲是没有任何意义的，因为其计算的方法本身就是错误的。

（3）最后就只能根据风门开度数据用查表法、开平方法和函数逼近法算出风量来，而以查表法的结果比其它两种方法更加接近实际情况。因为入口风门的开度与风机性能曲线是一一对应的，体现的是风机本身的性能，与系统的阻力系数无关。而我们又使用了标幺制数据方法，查出的风量（百分比值）只与最大风量有关，完全避免了系统阻力系数的影响。而开平方法和函数逼近法则是人为设定的拟合算法，缺乏科学依据，且其本身就有很大的误差。查表法的关键是要拿到风机的性能曲线，就可以直接在性能曲线上通过作图法求出对应于风门开度的百分比风量值来，或者由风机的性能曲线制作出风门开度与风量（百分比值）的对应表格来，再由查表求出风量值。如果没有风机性能曲线，而采用某典型风机的性能曲线作为参考作出的风门开度与风量对应表格的话，就会带来一定的误差。在查出风量数据之后，就可以根据风量与转速的一次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比进行计算了。

无论是用哪种方法计算，风门开度的准确性都是致关重要的。其次就是风量的计算方法尤为关键，它对计算结果的影响可谓是：“失之毫厘，差以千里”。例如在附表中，开平方法和查表法相比，即使不存在上述造成误差的原因，在45^O（50％）风门开度时，其风量的数值相差11％。算出的节电率分别为45.9％和16.5％，相差29.4％。而函数法和查表法相比，在40^O（44.4％）风门开度时，其风量的数值相差12.4％。算出的节电率分别为57.4％和27.7％，相差29.7％。这就是不同的计算方法所带来的误差。当然这是最大误差，但是对于节电率来说，就是相差3％～5％都是非常敏感的，更别说是接近30％的误差了。对节电量和节约电费以及投资回报来讲，则更是有天壤之别了。这里说“失之毫厘，差以千里”是一点也不过分的。所以风量的计算一定要慎之又慎。

4.2风门全开时电功率的确定

在算出了转速（频率）以后，使用比例定律的参照电功率应当是风门开度最大（100%）时实际运行电功率，而不是额定轴功率或电动机的额定输出功率。那么这个电功率是怎么算出来的呢？可以首先根据工频运行时的电压、电流和功率因数值，算出工频运行的电功率来，再查表，查出对应风量的功率系数，用工频运行时的电功率除以功率系数就是最大风门开度时的实际运行电功率。然后用这个电功率乘以转速的三次方，再除以变频器效率就是风机变频运行时所消耗的电功率。因为工频运行电功率中已经包括了电动机本身的损耗，所以这里不必再除以电动机效率了。如此看来，风量数据的准确性是节能计算的关键所在。最后可以画龙点睛地指出：风门开度值决定节电率的大小，而电动机工频运行时的电流值（电功率）则决定节电量的多少。切记切记。

5结束语

最后可以归纳起来讲，风机节能计算的误差主要来自以下5个方面：

（1）现场的风门开度机构都是机械式的，其本身的误差就较大，再加上传感器和变送器的误差，估计不会小于5-10%。

（2）采用不同的方法由风门开度数据计算风量时所引起的误差，最大可达12.4%，由此导致的节电率计算的最大误差竟接近30%。

（3）由风量或风压数据计算变频运行频率（转速）引起的误差，也是一个不小于两位数的值。由此计算的节电率数据基本就是不可信的。

（4）由风门全开运行电功率计算引起的误差，如果采用电动机额定功率计算，其误差也起码是两位数的。

（5）在计算节电量和节电率时，不是采用工频运行功率减去变频运行功率，而是采用额定轴功率或电动机额定功率减去变频运行功率引起的误差同样也不会小于两位数。

综上所述，一般在不掌握正确的计算方法和准确的现场数据的情况下，节电率计算误差在百分之十几甚至百分之几十的现象是很常见的。只有在掌握了正确的计算方法，并且采集到现场准确的数据之后，经过认真计算，才能保证节电率误差在5%之内。对于2%误差可是千万信不得的。

作者简介

徐甫荣 （1946-） 男  1970年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业，国家电力公司西安热工研究院退休教授级高工，长期从事发电厂自动化和辅机节能工作。退休后曾在中山明阳公司，深圳微能公司，深圳科陆变频器公司任高级技术顾问和工程技术总监，在北京国电四维节能技术公司任总工程师。曾在国内外各类刊物上发表论文近百篇；并著有《高压变频调速技术应用实践》和《高压变频调速技术工程实践》两书。

参考文献：

       [1]徐甫荣：离心式风机节电率的计算原则和检验依据《变频器世界》2015年第9期.

       [2]徐甫荣：《高压变频调速技术工程实践》中国电力出版社 北京 2012年1月.