目前在我國各行各業(yè)的各類機械與電氣設備中與風機配套的電機約占全國電機裝機量的60%，耗用電能約占全國發(fā)電總量的三分之一.
特別值得一提的是，大多數(shù)風機在使用過程中都存在大馬拉小車的現(xiàn)象，加之因生產(chǎn)、工藝等方面的變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)氣體的流量、壓力、溫度等；目前，許多單位仍然采用落后的調(diào)節(jié)檔風板或閥門開啟度的方式來調(diào)節(jié)氣體的流量、壓力、溫度等.這實際上是通過人為增加阻力的方式，并以浪費電能和金錢為代價來滿足工藝和工況對氣體流量調(diào)節(jié)的要求.
這種落后的調(diào)節(jié)方式，不僅浪費了寶貴的能源，而且調(diào)節(jié)精度差，很難滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)及服務等方面的要求，負面效應十分嚴重.
1 概述
風機產(chǎn)品的品種分為離心式壓縮機、軸流式壓縮機、離心式鼓風機、羅茨鼓風機、葉式鼓風機、離心風機和軸流風機共七大類.
雖然軸流式壓縮機和離心式壓縮機的功率較大，如國內(nèi)生產(chǎn)的軸流式壓縮機的功率最大可達 38265kW ，離心式壓縮機的最大功率可達 1600 0 kW .但是臺數(shù)很少，以風機分會企業(yè)會員單位 2005 年度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，全年生產(chǎn)的離心式壓縮機為 159 臺，軸流式壓縮機為 90 臺.而全年生產(chǎn)的各類風機總臺數(shù)為 8507 70 臺，各占總臺數(shù)的比例分別為 0.186% 和 0.105% ，可見其比例甚微.
為此，可得出結(jié)論：風機的主要產(chǎn)品應該是量大面廣的通風機.
所以，風機產(chǎn)品的節(jié)能潛力分析和對策，其重點亦放在通風機產(chǎn)品.
1.1 風機在節(jié)能中的地位和作用
據(jù) 1990 年不完全統(tǒng)計，全國風機的擁有量約 400 萬臺，正在使用的約 285 萬臺.這些風機絕大多數(shù)采用電機驅(qū)動，素有“電老虎”之稱，因而風機的節(jié)能具有十分重要的意義.
據(jù) 1982 年原機械工業(yè)部調(diào)查，風機用電約占全國發(fā)電量的 10% ；另據(jù) 1988 年原冶金部的規(guī)劃資料，我國金屬礦山的風機用電量占采礦用電的 30% ；鋼鐵工業(yè)的風機用電量占其生產(chǎn)用電的 20% ；煤炭工業(yè)的風機用電量占全國煤炭工業(yè)用電的 17% .冶金工業(yè)以沈陽冶煉廠為例，風機用電量占該廠用電的 25% .由此可見，風機節(jié)能在國民經(jīng)濟各部門中的地位和作用是舉足輕重的.
1.2 風機節(jié)能的國內(nèi)外現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)風機節(jié)能現(xiàn)狀
1.2.1.1 造成風機電耗過大的因素
�。� 1 ）制造廠的因素
�、亠L機內(nèi)效率低.國內(nèi)風機行業(yè)生產(chǎn)的各類風機，大部分內(nèi)效率較低.
�、陲L機系列型譜不全.由于風機，特別是通風機的系列型譜不全，用戶選用風機時在產(chǎn)品目錄和樣本上找不到適宜的品種和機號，因而被迫選用代用型號的風機，結(jié)果導致了多耗電能.
③風機裝置效率低.一是風機的變速機構(gòu)比較落后，如 V 帶、蝸輪副等還廣泛應用于風機的傳動上，使風機的傳動效率低；二是調(diào)節(jié)方法比較落后，大部分還是采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié).由于上述原因，盡管有的風機內(nèi)效率較高（達 86% ），但其裝置效率并不甚高.
�。�2） 非制造廠的因素
①風機的實際工作點偏離最高效率工況點.例如，由于通風工程設計者對管網(wǎng)阻力計算不準確，選用風機的人員又擔心計算壓力和流量不能滿足工況需 要，故選用過大的安全裕量，或者無適宜性能的風機規(guī)格可選而選用風機的高檔性能或高壓區(qū).結(jié)果，由于層層加碼，造成所選用風機的額定風量遠遠超過工況實需風量.這時風機操作者只好采用插板或調(diào)節(jié)門節(jié)流來增加阻力，以求減少風量，使之符合工況要求.由于人為的阻力增加，致使風機使用效率低，導致浪費電能.
�、陲L機的配套電動機容量選取偏大.由于國產(chǎn)電動機的規(guī)格難以完全滿足風機的配套，采購時往往選取高檔額定功率的電動機，造成大馬拉小車，降低了電動機的負荷率，浪費了電能.
�、酃苈废到y(tǒng)設計不合理，增加了管網(wǎng)阻力，降低了風機使用效率.
④風機使用中采用了不適宜的或效率低的調(diào)節(jié)方法，降低了風機的調(diào)節(jié)效率.
⑤管理不善.無嚴格、科學地開停機規(guī)定及措施，過早開機或過晚停機都將造成電能的浪費.
據(jù)某煤炭公司對 148 臺礦井主通風機的調(diào)查，運行效率在 70% 以上的占 10% 左右；運行效率低于 55% 的竟達 59% .據(jù)某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的調(diào)查，通風機的平均運行效率只有 40% 左右.某發(fā)電廠鍋爐鼓引風機的最高運行效率只有 67.5% ，最低僅為 45.2% .
1.2.1.2 國內(nèi)在風機節(jié)能工作中采取的主要措施
�。� 1 ）推廣使用高效節(jié)能風機.改造低效的舊式風機，開發(fā)高效的系列化的節(jié)能風機，并在國民經(jīng)濟各個領域推廣使用，是風機節(jié)能的根本措施.
�。� 2 ）更換使用中的舊風機.對使用效率低又沒有改造價值的風機，采取逐步淘汰的措施.
�。� 3 ）盡可能地采用經(jīng)濟性好的調(diào)節(jié)方法.
（ 4 ）利用引進技術開發(fā)高效節(jié)能風機.經(jīng)過 20 多年的努力，風機制造企業(yè)對此已做了大量工作. 1.2.2 國外風機節(jié)能現(xiàn)狀
1.2.2.1 礦用通風機節(jié)能
（ 1 ）礦井主通風機節(jié)能.美國煤礦使用的主風機以軸流式為主，目前已大量采用運行中可以改變?nèi)~片角度的液壓式動葉可調(diào)軸流式風機，節(jié)能效果好.
德國以 TLT （ Turbo Lufttechnik ）公司為代表，采用液壓式動葉調(diào)節(jié)的軸流通風機，其運行效率可保持在 83% ～ 88% .
俄羅斯是以使用離心式礦井風機為主的國家.由于致力于改進氣動性能，使其最大靜壓效率從 72% 增加到 88% ，平均靜壓效率從 52% 增至 75% .
�。� 2 ）礦用局部通風機（局扇）節(jié)能.以日本三井三池制作所為代表的低噪聲混流式局部通風機，可通過改變?nèi)~高和葉片安裝角度獲得所需要的性能.該風機的最高效率接近 80% .
1.2.2.2 電廠鍋爐鼓、引風機節(jié)能
國外電廠鍋爐鼓、引風機以軸流式為主，其最低效率為 84% ，最高為 90% .
1.2.2.3 燒結(jié)引風機節(jié)能
日本荏原公司生產(chǎn)的葉輪直徑為 5m 的燒結(jié)引風機，其全壓效率可達 90% ；俄羅斯生產(chǎn)的燒結(jié)引風機最高效率可達 83% .
1.2.2.4 高溫風機節(jié)能
英國 Sirocco 公司生產(chǎn)的高溫風機，采用槳式葉輪（無蓋盤徑向直葉片葉輪），其全壓效率可達 75% .
1.2.2.5 排塵風機節(jié)能
德國的研究結(jié)果表明，為避免積灰，葉片宜采用弧面或斜面，葉片角控制在 38 °～ 58 °之內(nèi).其全壓效率可達 87% .
1.2.2.6 曝氣鼓風機節(jié)能
瑞士蘇爾壽公司生產(chǎn)的超大型離心式曝氣鼓風機，其調(diào)節(jié)范圍為額定流量的 35% ～ 107% ，多變效率達 82% .日本川崎重工株式會社生產(chǎn)的 GM 型齒輪組裝式鼓風機，其調(diào)節(jié)范圍為 65% ～ 100% ，多變效率可達 83% .
1.2.2.7 高爐鼓風機節(jié)能
國外高爐鼓風機用的軸流式壓縮機，多變效率最高達 90% ，采用全靜葉可調(diào)機構(gòu)后使操作范圍擴大到額定流量的 55% ～ 110% .
1.2.2.8 離心式壓縮機節(jié)能
有代表性的多軸組裝式壓縮機是美國英格索蘭公司制造的 Centac 型壓縮機，其等溫效率可達 74% .日本日立公司生產(chǎn)的 DH 型離心壓縮機的等溫效率已達 82% .
日本神戶制鋼所在引進美國 VC 型離心壓縮機的基礎上，經(jīng)過改進制成了大流量半開式三元葉輪，葉輪的絕熱效率為 94% .
1.3 風機節(jié)能技術的發(fā)展趨勢
1.3.1 通風機
通過應用葉輪、蝸殼等元件的研究成果，以及進一步提高制造精度，力求使各種通風機的效率平均提高 5% ～ 10% .有的離心通風機已采用了三元葉輪，效率提高 10% ；大型離心通風機出現(xiàn)了采用較大直徑和較窄寬度葉輪、較高轉(zhuǎn)速的高效結(jié)構(gòu)，其最高效率可達 87% 以上；效率較高的軸流式通風機，最高效率已達 92% .從而使產(chǎn)品本身就是節(jié)能產(chǎn)品.
在運行中的調(diào)節(jié)節(jié)能方面，除了采用較先進的動葉可調(diào)、雙速電動機、液力耦合器及交流電動機的各種方法調(diào)速外，對大型通風機又出現(xiàn)了調(diào)速節(jié)能的新裝置——多級液力變速傳動裝置 MSVD （ Multi Stage Variable Speed Drive ）.
1.3.2 鼓風機
未來將會大力開展節(jié)能型鼓風機的研制工作.如日本對蝸殼及葉輪等通流部分的形狀做了適當改進，有效地防止了渦流及流動分離的產(chǎn)生，其絕熱效率比 原來的鼓風機提高 5% ～ 10% ；瑞士制造的大流量離心式鼓風機，每級均設有進口導葉，其多變效率亦達 82% ；日本制造的多級離心式鼓風機，采用進口導葉連續(xù)自動調(diào)節(jié)后，節(jié)能率達 20% ；高速單級離心式鼓風機采用高周速、高壓比、半開式徑向三元葉輪后，其效率可提高 10% ；還有的在鼓風機主軸的另一端設有尾氣透平，回收尾氣排放時的膨脹功來達到節(jié)能目的.
高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置（ Top Gas Pressure Recovery Turbine ，簡稱 TRT 裝置），是利用高爐爐頂煤氣壓力能經(jīng)透平膨脹做功，驅(qū)動發(fā)電機的能量回收裝置.該裝置既節(jié)能，又符合環(huán)保要求.目前，該裝置發(fā)展最快、水平最高的是日本.
1.3.3 離心式壓縮機
離心式壓縮機將會越來越多地采用三元流動葉輪，使效率平均提高 2% ～ 5% .如美國研制出的管線壓縮機的 3 種大流量三元葉輪，葉輪效率可達 94% ～ 95% ；日本的單軸多級離心壓縮機的效率水平也進一步提高，其首級的大流量半開式三元葉輪的絕熱效率達 94% .
其調(diào)節(jié)方式將會更多地采用汽輪機或燃汽輪機驅(qū)動，以改變轉(zhuǎn)速來達到節(jié)能的目的.
2 風機節(jié)能的途徑與潛力
風機節(jié)能的途徑與潛力總體上可分為兩大類.一類是從產(chǎn)品設計角度來提高風機在設計點和變工況區(qū)的效率，盡量使風機本身就是節(jié)能產(chǎn)品；另一類是從產(chǎn)品現(xiàn)場實際運行的情況來盡可能地提高其實際運行效率（有的稱其為裝置效率）.其總目標都是減少功耗.
從產(chǎn)品設計角度來挖掘風機節(jié)能潛力，其主要承擔者是風機制造廠、與風機專業(yè)有關的大專院校及科研院所.設計人員在設計風機新產(chǎn)品時最注重的性能 指標就是效率（亦即節(jié)能）.從設計方面考慮，提高風機效率的方法有多種，但最主要的措施有如下幾點：（ 1 ）采用三元流動葉輪，可使在同等流量、壓力條件下的風機效率提高 5% ～ 10% ；（ 2 ）新型風機設計好之后，為了驗證其設計效果，需要制造出風機模型進行試驗，若達不到預期效率目標，還要做設計修正、再試驗，直至滿意為止；（ 3 ）計算機技術普及之后，出現(xiàn)了模擬試驗研究的計算流體動力學方法 CFD （ Computation Fl uid Dynamics ），只需重新計算一次即可評估改進設計是否有效.雖然也需要一次性能試驗，則是為了進一步驗證所設計的產(chǎn)品的性能.
設計人員為了提高風機產(chǎn)品效率，哪怕為了提高 1% ～ 2% ，也要絞盡腦汁，想盡各種辦法.但這畢竟是余地很小，真正節(jié)能的巨大潛力還在廣大風機用戶.為此，筆者側(cè)重在用戶使用過程中的節(jié)能潛力分析和對策方面.
風機用戶按風機的運行特征是恒速機組或變速機組分別歸納的節(jié)能措施如下.
�。� 1 ）恒速機組
高效風機替換低效風機；小葉輪換大葉輪；截短葉輪外徑；減少級數(shù)，拆摘葉片減少其數(shù)目；前（中、后）導葉控制，靜葉可調(diào)；改變動葉安裝角，動葉可調(diào)；臺數(shù)組合控制，串 - 并聯(lián)； ON-OFF 開關控制；進口或出口節(jié)流；變?nèi)~片寬度；變擴壓器安裝角；聯(lián)合調(diào)節(jié)及微機控制等.
�。� 2 ）變速機組
變頻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、電磁調(diào)速、變極對數(shù)調(diào)速、串級調(diào)速（或轉(zhuǎn)子串電阻）、無換向器電動機調(diào)速、蒸汽輪機或燃汽輪機等原動機的變速、液力耦合器、液力調(diào)速離合器、機電一體化裝置（如微機控制等）、多級液力變速傳動裝置（ MSVD ）及其它（如三角帶傳動等）.
2.1 管道安裝結(jié)構(gòu)設計與節(jié)能
風機及其系統(tǒng)的節(jié)能取決于風機必須是高效率的節(jié)能型風機；風機的運行工況必須在所預選的高效率工作區(qū)內(nèi).因而，必須精確確定系統(tǒng)的阻力 - 流量關系，為風機給出正確的壓力和流量值.
2.1.1 急變流場對管道截面上速度和壓力分布的影響
在氣流轉(zhuǎn)彎前后，特別是在它的后面內(nèi)側(cè)，出現(xiàn)較大的渦區(qū).流線彎曲受離心力的作用，破壞了緩變流條件，靜壓沿截面不再為常數(shù)，流速沿截面的分布 就不均勻.在轉(zhuǎn)彎處裝設導葉能迫使氣流沿內(nèi)壁流動，從而防止了附面層脫體與渦流的產(chǎn)生.這樣，既可使流速沿截面的分布均勻，又可減少阻力.
2.1.2 急變流場對風機性能的影響
風機使用現(xiàn)場常用的調(diào)節(jié)裝置有閘門、蝶閥等.除全開外，在它們之后都將出現(xiàn)渦區(qū).開度越小，渦區(qū)越大，而且在主流區(qū)沿截面上的流速分布也將出現(xiàn)嚴重地不均勻.
試驗表明，在進氣箱中用調(diào)節(jié)葉片（百葉窗式）調(diào)節(jié)時，風機性能曲線都有以下的共同特點：
�。� 1 ）當調(diào)節(jié)葉片安裝角在 0 °～ 30 °范圍內(nèi)，低風量時，諸壓力曲線與諸功率曲線都較接近；在中、大風量時，才顯示出差別來，但在 0 °～ 20 °間差別仍不大；
�。� 2 ）當調(diào)節(jié)葉片安裝角自 0 °向 30 °變化時，效率曲線略向左移，最高效率略有下降.
所有這些特點都是由于調(diào)節(jié)后葉輪進口處氣流獲得正預旋引起的.
2.2 風機的運行調(diào)節(jié)與節(jié)能
根據(jù)流體力學理論，氣體的流動過程將伴隨著損失.例如，氣體流過節(jié)流裝置后，氣流的壓力會相應減少，也就是它們損失了風機的有用功.由于這一切都是在風機輸送氣體的過程中發(fā)生的，也就是浪費了風機的能量.
風機工況點是風機在某一轉(zhuǎn)速下的性能曲線與管網(wǎng)阻力特性線的交點.風機實際運行時，并非永遠停留在設計工況點上.它將隨用戶的需求或外界條件的 變化而變化，也就是風機實際上處于變工況下工作.要想使風機的風壓或風量達到某一目標值，就需要對風機或管網(wǎng)進行為人為地控制，亦稱調(diào)節(jié).通過有效地調(diào)節(jié)，實現(xiàn)在保證風機能夠穩(wěn)定工作的條件下，既要滿足生產(chǎn)對流量或壓力的要求，又能最大限度地節(jié)能.簡言之，調(diào)節(jié)的目的就是滿足性能要求，擴大（穩(wěn)定）工 況，實現(xiàn)節(jié)能，防止喘振.
風機采用不同的調(diào)節(jié)方式都可達到同一目的，但變頻器節(jié)能效果各不相同.
根據(jù)理論分析及實踐證明，可得出如下 4 個方面的結(jié)論.
（ 1 ）對于鼓風機和壓縮機，出口節(jié)流調(diào)節(jié)方式耗功最多.盡管相對流量 Q r （實際流量 Q 與設計流量 Q 0 之比）減少時，功率亦相應減少.如當 Q =0.65 Q 0 時，所對應的功率減少到原來的 80% 左右，但與其它調(diào)節(jié)方式相比，耗能仍居首位.
�。� 2 ）如果相對流量變化不大時（或稱調(diào)節(jié)深度小時），幾種調(diào)節(jié)方式耗功差別不大.即調(diào)節(jié)方式對節(jié)能效果影響不大，甚至不僅不節(jié)能，反而因調(diào)節(jié)裝置的存在多耗功（如液力耦合器）.
（ 3 ）一般來說，調(diào)節(jié)深度越大，節(jié)能效果越顯著.因此，要慎重選擇調(diào)節(jié)方式，以期獲得最大效益.
�。� 4 ）變速調(diào)節(jié)曲線接近理想曲線.所以，變速調(diào)節(jié)方式優(yōu)越，特別是采用變頻電動機調(diào)速的節(jié)能方案為最佳，但需要增設變頻裝置.對于中小容量的變頻調(diào)速建議積極試用；由于大容量高電壓變頻調(diào)速裝置價格較高，應結(jié)合具體情況，綜合比較，決定取舍.總之，既要考慮調(diào)節(jié)性能，也要考慮設備初投資、可靠性及經(jīng)濟性等，全 面評價調(diào)節(jié)方式的優(yōu)劣.
2.3 管網(wǎng)的合理配置與導流葉片
2.3.1 管網(wǎng)的合理配置
管網(wǎng)配置和節(jié)能息息相關，管網(wǎng)布置得好壞，會直接影響到風機性能的發(fā)揮.現(xiàn)場中，管網(wǎng)配置不合理現(xiàn)象主要表現(xiàn)在以下幾個方面.
�。� 1 ）多余的管件和流場的急變.管網(wǎng)是一個與風機用管件直接相接的管路系統(tǒng)，其中往往存在不少多余的管接頭、彎頭、三通及閥門等管件；在氣流流動中也存在不少不合理的通流截面，如突然擴大、突然縮小、突然分流、變向或急轉(zhuǎn)彎等.
�。� 2 ）漏風.在現(xiàn)場，漏風不僅是毫無意義的浪費，同時也是一個噪聲污染源.漏風的原因多種多樣，有的是工藝本身缺陷所造成的.在通常管網(wǎng)中，泄漏多發(fā)生在節(jié)流閥門（擋板）處、管路連接處以及風機站本身.
�。� 3 ）風機進出口管路布局不合理.由于布局不合理，人為地造成流場畸變，影響風機能力的發(fā)揮.例如，某鍋爐風機因進出口煙風道布置不合理，導致風機效率下降 5% ；更為嚴重的造成效率降低到 50% .造成的原因可能是由于風機制造廠對風機進出口煙風道布置沒有提出明確的要求；也許是設計和安裝人員不大了解進氣流場質(zhì)量對風機性能影響較大；還因為布局的好壞不像“漏風”那樣直觀，不容易引起注意.某電廠對進口布置重新做了合理安排，同時又改進了進口導流葉片，結(jié)果風機進口氣流流場顯著改善，與 300MW 電站配套的風機效率提高了 20% 之多，經(jīng)濟效益非�？捎^.
進口管路不合理主要表現(xiàn)在以下幾個方面.
（ 1 ）進口缺少必要地直管段，或通過漸擴變徑管與進口相連.
�。� 2 ）風機進口與急彎管路直接相連.
（ 3 ）風機進口與突然收縮管相連，或進氣箱結(jié)構(gòu)不合理.
風機出口管路布置不合理表現(xiàn)在：
�。� 1 ）風機出口直接接 90 °彎管或逆向彎管；
�。� 2 ）風機出口直接接分支管路；
�。� 3 ）風機出口直接接突然擴大管.
如果在管網(wǎng)配置工作中注意糾正上述問題，基本上就算是布置合理了.
需要指出的是，管網(wǎng)布置與工藝流程先進與否有關.否則，管網(wǎng)布置盡管十分合理，但生產(chǎn)工藝本身是落后的，這種布置的合理性意義就顯得微不足道 了.例如，金屬礦山通風系統(tǒng)，也可以看成是一個管網(wǎng).由于過去采取集中統(tǒng)一通風系統(tǒng)，其結(jié)果造成管線長、漏風多及通風效果差.現(xiàn)在采用分區(qū)供風、多級機站通風系統(tǒng)，使得管網(wǎng)布置容易做到合理，經(jīng)濟效益更加明顯.如某礦現(xiàn)有東、西、北 3 個采區(qū)，還計劃開采南采區(qū)，各采區(qū)所需風量、風壓相差較大.原計劃采用南、北兩臺礦井主通風機集中通風，電動機功率為 630kW × 2=1260 kW .新設計采用三級機站通風系統(tǒng)，選用 K 系列節(jié)能風機 21 臺， FZ 系列節(jié)能風機 15 臺，裝機總?cè)萘恐恍?530 kW 就足夠了，從而可節(jié)省功率 730 kW
