第一章 電力行業(yè)
第六節(jié) 軸流式風(fēng)機的調(diào)速控制和節(jié)能計算
1 前言
在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機和水泵也是最主要的耗電輔機設(shè)備，且容量大、耗電多。加上
由于軸流式風(fēng)機比起離心式風(fēng)機具有優(yōu)越的氣動性能，電站風(fēng)機越來越多的采用軸流式風(fēng)機。特別是2000年以后，電站送風(fēng)機和一次風(fēng)機采用動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機的設(shè)計方式幾乎成了發(fā)電廠的標(biāo)配，因而數(shù)量巨大；另一方面設(shè)計院為了安全起見，設(shè)計時留有較大余量，這就為動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機的調(diào)速改造留下了較大的節(jié)能空間。動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機由于其運行能耗低，所以號稱是除了調(diào)速風(fēng)機以外最節(jié)能的風(fēng)機。在電站風(fēng)機節(jié)能改造的前期，動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機被認(rèn)為調(diào)速節(jié)能改造的空間不明顯而不受重視。隨著我國煤電機組綜合升級改造逐步深入，低投入高回報的項目越來越少，跟液力耦合器調(diào)速的電動給水泵和“引增合一”大風(fēng)機節(jié)能改造一樣，動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機的調(diào)速改造逐漸成為電廠節(jié)能改造的主戰(zhàn)場之一，所謂的“蒼蠅腿也是肉” ，盡管都面臨著改造投資和節(jié)能效益之間的嚴(yán)峻考量，但是在今天降低廠用電率的強烈需求下也勢在必行了。
2 軸流式風(fēng)機靜葉調(diào)節(jié)和動葉調(diào)節(jié)的差別
軸流式風(fēng)機有兩種：靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機和動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機。兩者目的相同：都是調(diào)節(jié)風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓使之適應(yīng)負(fù)荷變化的要求；只是調(diào)節(jié)方式不同：靜葉可調(diào)是改變?nèi)肟趯?dǎo)流葉片的方向，使出口氣流方向改變，從而實現(xiàn)風(fēng)量、風(fēng)壓的調(diào)節(jié)。動 葉 可 調(diào) 則 是 改 變 動 葉 的 安 裝 角 度，實 現(xiàn) 風(fēng) 量、風(fēng) 壓 的 調(diào) 節(jié)。調(diào)節(jié)機 構(gòu) 相 對 要 復(fù) 雜 一 些 ，它 是 通過液壓調(diào)節(jié)油站、調(diào)節(jié)臂、液壓缸及葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)等帶動動葉轉(zhuǎn)動的。這兩種風(fēng)機簡單概括起來有區(qū)別的地方是：
靜葉可調(diào)式風(fēng)機與動葉可調(diào)式風(fēng)機的本質(zhì)區(qū)別就在于可以起調(diào)節(jié)風(fēng)機工況作用的葉片是可以隨傳動軸轉(zhuǎn)動與不轉(zhuǎn)動上。動葉可調(diào)式風(fēng)機的風(fēng)葉是可以轉(zhuǎn)動的，其風(fēng)葉既能隨傳動軸轉(zhuǎn)動充當(dāng)做功的角色，也可以通過調(diào)節(jié)葉片的安裝角度的大小來達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機工況的目的；靜葉可調(diào)式風(fēng)機做功的風(fēng)葉是固定在軸上不可調(diào)的，即只能隨傳動軸轉(zhuǎn)動，風(fēng)葉本身則是不可調(diào)的，它是通過調(diào)節(jié)風(fēng)機入口處的導(dǎo)葉的開合大小來達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機工況的目的的，就像離心式風(fēng)機的入口風(fēng)門一樣，它的可調(diào)靜葉片是不隨風(fēng)機的傳動軸轉(zhuǎn)動的！所謂的“靜”和“動”并不是說工作葉片的絕對的靜和動，而是指葉片隨傳動軸的轉(zhuǎn)動與否。
靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機對塵粒的適應(yīng)性優(yōu)于動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機。靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機對含塵量的適應(yīng)性一般不大于400mg/Nm3，而動葉可調(diào)軸流風(fēng)機一般則只能承受不大于150mg/Nm3的含塵量。引風(fēng)機是輸送含塵量大且溫度較高的煙氣的，工作條件較差，主要考慮靜葉調(diào)節(jié)風(fēng)機的耐磨性能強于動葉調(diào)節(jié)風(fēng)機。從目前國內(nèi)大型機組引風(fēng)機的配套及生產(chǎn)情況來看，動、靜葉調(diào)節(jié)的軸流風(fēng)機均可選用。
動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機的優(yōu)點是負(fù)荷調(diào)節(jié)性能較好，效率高，能耗低，是除調(diào)速風(fēng)機之外最節(jié)能的風(fēng)機。其缺點是價格較高，葉片對煙氣的含塵量較為敏感。
具體選擇動葉可調(diào)與靜葉可調(diào)與風(fēng)機參數(shù)如風(fēng)壓風(fēng)量等要求有關(guān)，一般靜葉可調(diào)范圍較小，投資也較少，但能耗較大。動葉可調(diào)風(fēng)機調(diào)節(jié)范圍大，節(jié)能效果較好，但投資較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差一點。
3 軸流式風(fēng)機的調(diào)節(jié)性能
動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機在運行中可以調(diào)節(jié)葉片的安裝角，其工況范圍不是一條直線，而是一個面，風(fēng)機的等效率運行區(qū)寬，等效率曲線與系統(tǒng)阻力曲線接近平行，所以風(fēng)機保持高效率運行的范圍相當(dāng)寬，在滿足鍋爐設(shè)計點條件下，100％MCR工況點位于高效區(qū)，平均運行效率高，單風(fēng)機運行時可滿足鍋爐60％～80％負(fù)荷。就運行效率而言，動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機是除調(diào)速風(fēng)機外最節(jié)能的風(fēng)機。如圖1所示。
圖1所示為某300MW火電機組動葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機性能曲線，圖中虛線為等效率線，0°代表最高效率點的設(shè)計安裝角，負(fù)值為動葉片從設(shè)計安裝角向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動的角度，正值則相反。在最高效率區(qū)的上下都有相當(dāng)大的調(diào)節(jié)范圍。當(dāng)風(fēng)機變負(fù)荷尤其是低負(fù)荷運行時，它的經(jīng)濟性就顯示出來了。因此動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的優(yōu)點是調(diào)節(jié)效率很高，風(fēng)機始終在高效區(qū)運行，節(jié)能效果顯著。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造 成 本 較 高 ，調(diào) 節(jié) 部 分 容 易 生 銹 ，轉(zhuǎn) 動 部 件 多 ，動 葉 調(diào) 節(jié)機 構(gòu) 復(fù) 雜 而 精 密，需 要 另設(shè)油站，維護(hù)費用高，而且葉片磨損比較嚴(yán)重。風(fēng)機價格是靜葉可調(diào)子午加速軸流風(fēng)機的1.5～2倍。對于發(fā)電廠來說，送風(fēng)機和一次風(fēng)機用的比較多，引風(fēng)機也有使用。
動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機葉片的安裝角可在最小安裝角到最大安裝角之間從0～100％調(diào)節(jié)，隨著葉片安裝角的增大，風(fēng)機沿阻力曲線方向風(fēng)量和風(fēng)壓同時增大，反之則同時減小。100％鍋爐負(fù)荷（B-MCR）時，葉片開度為70％左右，相對于安裝角＋5°；100％汽輪機負(fù)荷（THB）時，葉片開度為65％左右，相對于安裝角0°；這兩個點應(yīng)在風(fēng)機的最高效率區(qū)內(nèi)。但是在鍋爐設(shè)計時，由于無法精確計算鍋爐風(fēng)道的阻力曲線（圖1中上面一條是雙風(fēng)機運行時的阻力曲線，下面一條則是單風(fēng)機運行時的阻力曲線），因此所選用的風(fēng)機性能曲線不能保證B-MCR點和THB點在高效區(qū)內(nèi)，從而就降低了風(fēng)機的運行效率，有時甚至可達(dá)20％～30％！軸流式風(fēng)機葉片的安裝角過大或過小，都會使風(fēng)機的運行工況點偏離高效點，降低風(fēng)機的運行效率。
靜葉可調(diào)子午加速軸流式風(fēng)機在氣動性能上介于離心式和動葉可調(diào)軸流風(fēng)機之間。可輸送含有灰分或腐蝕性的大流量氣體，具有優(yōu)良的氣動性能，高效節(jié)能，磨損小，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，安裝維修方便，具有良好的調(diào)節(jié)性能。在相同的選型條件下可獲得比單吸式離心風(fēng)機和動葉可調(diào)軸流風(fēng)機低一擋的工作轉(zhuǎn)速。
4 動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機的變頻調(diào)速改造
軸流式風(fēng)機在進(jìn)行變頻調(diào)速改造時，無論是靜葉可調(diào)風(fēng)機還是動葉可調(diào)風(fēng)機都應(yīng)該將風(fēng)機的葉片角度固定在效率最高的位置運行，以獲得最高的運行效率。而通過改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風(fēng)量及風(fēng)壓控制，風(fēng)機將在很大的范圍內(nèi)維持高效率運行，實質(zhì)上風(fēng)機是通過調(diào)速提高了本身的運行效率而達(dá)到節(jié)能目的的。但是由于沒有風(fēng)機準(zhǔn)確的性能曲線，并且同類風(fēng)機的性能差別也很大，所以其高效率點不能預(yù)先加以設(shè)定，而要在運行調(diào)試時通過反復(fù)的尋優(yōu)試驗來確定，這就大大增加了現(xiàn)場調(diào)試的難度和工作量。
如果將風(fēng)機的葉片角度開得過大，一方面風(fēng)機效率將下降，同時也會使電動機過載。對于動葉可調(diào)的風(fēng)機來說，葉片角度開得過大時還容易發(fā)生“失速”現(xiàn)象，影響風(fēng)機的安全運行。所以在進(jìn)行變頻調(diào)速改造時，可將葉片角度固定在風(fēng)機效率最大處運行。只有在風(fēng)量和風(fēng)壓不滿足工況要求時，才允許適當(dāng)開大葉片角度，如流化床鍋爐的一次風(fēng)機在進(jìn)行冷態(tài)流化試驗時，但也要注意不能使電動機過載。
例1：某電廠350MW機組動葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機改造前后的運行數(shù)據(jù)如下：
電動機額定功率為1400 kW。
當(dāng)機組負(fù)荷為185 MW時，一次風(fēng)機功率為685.8 kW，效率為34.7％；
當(dāng)機組負(fù)荷為260 MW時，一次風(fēng)機功率為830.0 kW，效率為37.0％；
當(dāng)機組負(fù)荷為351 MW時，一次風(fēng)機功率為1064 kW，效率為40.3％；
實現(xiàn)了變頻調(diào)速改造后風(fēng)機和變頻器的整體效率可以提高到83％，提高了一倍多，按每天185 MW負(fù)荷運行10小時，260 MW負(fù)荷運行8小時，350 MW負(fù)荷運行6小時，按平均節(jié)省電功率448 kW，機組年運行5000小時，上網(wǎng)電價0.3元/度計算：448 kW×5000h×0.3元/度=67.2萬元。二年就可以收回投資成本。送風(fēng)機的情況也一樣，一般2～3年就可以收回投資成本。
5 軸流式風(fēng)機的節(jié)能計算
軸流式風(fēng)機是采用葉片（靜葉或動葉）的安裝角度來調(diào)節(jié)風(fēng)量的，靜葉調(diào)節(jié)的角度調(diào)節(jié)范圍較大（例如－70o～+30o），而動葉調(diào)節(jié)的角度調(diào)節(jié)范圍較小（例如－30o～+20o）。葉片調(diào)節(jié)范圍一般是以0～100％的百分比開度表示的，應(yīng)折算成實際的葉片角度后，再在阻力曲線上找到工作點，就可以查到風(fēng)機工作點的風(fēng)量、風(fēng)壓和效率數(shù)據(jù)了，據(jù)此就可以計算出風(fēng)機的軸功率，并進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能計算和節(jié)能效果的檢驗。
例2：某電廠600MW機組動葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機的參數(shù)如下，試計算其節(jié)能效果。送風(fēng)機及電動機參數(shù)如表1所示。
表1 送風(fēng)機及電動機參數(shù)
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送風(fēng)機型號 （型式） |
PAF 19-14-2 動葉可調(diào)軸流式 |
匹配電機型號 （產(chǎn)地） |
YKK710-4G-W 上海電機廠 |
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動葉調(diào)節(jié)范圍 |
10o～55o |
額定功率 |
2400kW |
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軸功率 |
1878 kW |
額定電壓 |
6000V |
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風(fēng)量 |
100.83 m3/s |
額定電流 |
266 A |
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全壓 |
17126 Pa |
額定轉(zhuǎn)速 |
1491r/min |
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額定轉(zhuǎn)速 |
1470r/min |
功率因數(shù) |
0.86 |
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效率 |
86.21% |
額定效率 |
94.5 % |
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數(shù)量 |
4臺 |
防護(hù)等級 |
IP54 |
送風(fēng)機運行參數(shù)及節(jié)能計算結(jié)果如表2所示。
表2 送風(fēng)機運行參數(shù)及節(jié)能計算結(jié)果
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機組負(fù)荷（％） |
100％ |
90％ |
80％ |
70％ |
60％雙 |
60％單 |
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葉片開度（％） |
53％ |
50％ |
47％ |
43％ |
39％ |
63％ |
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電動機電流（A） |
125A |
118A |
112A |
108A |
105A |
158A |
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電動機功率（kW） |
2234kW |
2110kW |
2002kW |
1930 kW |
1876kW |
1363kW |
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變頻功率（kW） |
2192kW |
1922kW |
1636kW |
1406 kW |
1196 kW |
1196kW |
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節(jié)約電功率（kW） |
42kW |
188kW |
366kW |
524 kW |
680 kW |
167kW |
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節(jié)電率（％） |
1.9％ |
8.9％ |
18.3％ |
27.2％ |
36.3％ |
12.3％ |
由送風(fēng)機性能曲線可以看出，送風(fēng)機在鍋爐設(shè)計工況（B-MCR）點運行，葉片角度為＋5o（開度65％）運行時效率最高可達(dá)87％。通過變頻器調(diào)速運行，以滿足鍋爐風(fēng)量的要求。下面是將風(fēng)機的葉片角度固定為＋5o（開度60％）時，變頻調(diào)速運行的節(jié)能計算：
（1）機組在額定負(fù)荷（600MW）運行時，送風(fēng)機葉片開度為53％，風(fēng)量約為額定風(fēng)量的91.0％，電動機電流為125A，工頻運行電功率約為額定風(fēng)量時的80％，此時送風(fēng)機轉(zhuǎn)速為91.0％額定轉(zhuǎn)速，頻率為45.5 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×125×0.86＝1117 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝( Pd1/0.80)× 0.913/0.96＝1096 kW
節(jié)約的電功率為：1117－1096＝21 kW
節(jié)電率為: 21 kW/1117 kW＝1.9％；
（2）機組在90％額定負(fù)荷（540MW）運行時，送風(fēng)機葉片開度為50％，風(fēng)量約為額定風(fēng)量的86.5％，電動機電流為118A，工頻運行電功率約為額定風(fēng)量時的74％，此時送風(fēng)機轉(zhuǎn)速為86.5％額定轉(zhuǎn)速，頻率為43.3 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×118×0.86＝1055 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝( Pd1/0.74)× 0.8653/0.96＝961 kW
節(jié)約的電功率為：1055－961＝94 kW
節(jié)電率為: 94 kW/1055 kW＝8.9％；
（3）機組在80％額定負(fù)荷（480MW）運行時，送風(fēng)機葉片開度為47％，風(fēng)量約為額定風(fēng)量的81.5％，電動機電流為112A，工頻運行電功率約為額定風(fēng)量時的69％，此時送風(fēng)機轉(zhuǎn)速為81.5％額定轉(zhuǎn)速，頻率為40.8 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×112×0.86＝1001 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝( Pd1/0.69)× 0.8153/0.96＝818 kW
節(jié)約的電功率為：1001－818＝183 kW
節(jié)電率為: 183 kW/1001 kW＝18.3％；
（4）機組在70％額定負(fù)荷（420MW）運行時，送風(fēng)機葉片開度為43％，風(fēng)量約為額定風(fēng)量的76.5％，電動機電流為108A，工頻運行電功率約為額定風(fēng)量時的64％，此時送風(fēng)機轉(zhuǎn)速為76.5％額定轉(zhuǎn)速，頻率為38.3 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×108×0.86＝965 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝( Pd1/0.64)× 0.7653/0.96＝703 kW
節(jié)約的電功率為：965－703＝262 kW
節(jié)電率為: 262 kW/965 kW＝27.2％；
（5）機組在60％額定負(fù)荷（360MW）運行時，雙送風(fēng)機工作，葉片開度為39％，風(fēng)量約為額定風(fēng)量的71.6％，電動機電流為105A，工頻運行電功率約為額定風(fēng)量時的60％，此時送風(fēng)機轉(zhuǎn)速為71.6％額定轉(zhuǎn)速，頻率為35.8 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×105×0.86＝938 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝（Pd1/0.60）× 0.7163/0.96＝598 kW
節(jié)約的電功率為：938－598＝ 340 kW
節(jié)電率為: 340 kW/938 kW＝36.3％；
一般機組在65％以下負(fù)荷運行時，可以單風(fēng)機運行。下面就來分析一下工頻單風(fēng)機運行而變頻則雙風(fēng)機運行時的節(jié)能情況：
（6）機組在60％額定負(fù)荷（360MW）運行時，工頻單送風(fēng)機工作，葉片開度為63％（如果是雙風(fēng)機運行的話，在此角度時的風(fēng)量約為額定風(fēng)量的98.8％，已經(jīng)十分接近額定風(fēng)量了）。當(dāng)單風(fēng)機運行時，由圖2可見，工作點從阻力曲線R1移到R2，對于工作風(fēng)機來說，相當(dāng)于體積擴大一倍，風(fēng)壓就會減小一半，所以風(fēng)量增加到√2倍，約為140％額定風(fēng)量。（由阻力曲線R1、R2得：P1=kQ12=4kQe2，P2=kQ22=P1/2=2kQe2，則Q2=√2Qe=1.4142Qe）。這時因為壓力下降了一半，定速風(fēng)機的有用功率（等于壓力和流量的乘積）卻反而減小了，只有額定軸功率的約70%左右（140%*50%=70%），但是由于風(fēng)機效率下降了接近30%，所以軸功率卻基本保持不變（70%/(0.57/0.87)=106.8%），甚至還略有增加。電動機電流為158 A，電動機功率為1363 kW。
此時若采用單風(fēng)機變頻運行已經(jīng)毫無意義，不但達(dá)不到節(jié)能目的，可能反而還會費能。如果采用雙風(fēng)機變頻運行，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速將風(fēng)量開到額定風(fēng)量時的71.6％，兩臺風(fēng)機總風(fēng)量超過140％額定風(fēng)量，完全可以滿足鍋爐燃燒要求。則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×158×0.83＝1363 kW
如果采用雙引風(fēng)機變頻運行，由上述e）已經(jīng)算出單臺風(fēng)機變頻運行的功率為598 kW，兩臺風(fēng)機變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝598 kW ×2＝1196 kW
節(jié)約的電功率為：1363－1196＝167 kW
節(jié)電率為: 167 kW/1363 kW＝12.3％；
由于機組在低負(fù)荷單風(fēng)機運行時穩(wěn)定性較差，采用雙風(fēng)機變頻運行，可以增強機組應(yīng)對突發(fā)事故的能力，提高機組低負(fù)荷運行時的穩(wěn)定性，同時還可以取得明顯的節(jié)能效果。所以電站鍋爐即使在低負(fù)荷時也應(yīng)該采用雙風(fēng)機變頻運行。
若機組的平均負(fù)荷以75％額定負(fù)荷（450MW）計算，平均節(jié)電率按20％計算，兩臺送風(fēng)機約可節(jié)約電功率900kW；年運行時間以7000小時計算，可節(jié)約電能630萬kW.h,以上網(wǎng)電價0.35元/kW.h計算：每年可節(jié)約電費220萬元，不到二年就可以收回全部改造投資。計算數(shù)據(jù)列于上表，由表中數(shù)據(jù)可以看出，機組不同負(fù)荷時的節(jié)電率基本上是與風(fēng)機運行效率的提高相一致的。
6 結(jié)論
隨著風(fēng)機水泵壓縮機變頻調(diào)速節(jié)能改造工作的深入廣泛開展，調(diào)速節(jié)能效果最好的離心式風(fēng)機已經(jīng)基本上都進(jìn)行了調(diào)速節(jié)能改造；接著大量通過液力耦合器調(diào)速的風(fēng)機水泵也在進(jìn)行改造；現(xiàn)在到了“動刀”號稱除了調(diào)速風(fēng)機之外最節(jié)能風(fēng)機的動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機的時候了！由于動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機的等效率線與鍋爐的阻力曲線接近平行，高效率范圍寬，且位置適中，因而調(diào)節(jié)范圍寬。如果采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風(fēng)機的安裝角固定在高效區(qū)，通過改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速達(dá)到控制風(fēng)量從而達(dá)到節(jié)能目的。但是由于調(diào)速范圍有限，所取得的節(jié)能效果有限，與離心式風(fēng)機的調(diào)速節(jié)能效果是無法相比的。即使在低負(fù)荷區(qū)也有較高的節(jié)電率，但是由于動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機本身的能耗就較低，所以節(jié)省的電功率和節(jié)電量是很有限的，在進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造之前一定要認(rèn)真做好投資規(guī)模與節(jié)能效益之間的嚴(yán)格考量，確保節(jié)能改造工程的經(jīng)濟效益。
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