關鍵詞：風機；變頻調速；節能計算；誤差分析

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

【中圖分類號】TS737+.1【文獻標識碼】B文章編號1561-0330（2016）03-0000-00

1引言

我經常看到一些變頻器公司或節能公司甚至包括業內一些知名的公司所做的節能計算書，覺得做得很不規范，有的甚至相去甚遠，但是竟敢承諾節電率的計算誤差只有2%，還真敢說。本人退休前一直從事火力發電廠熱工自動化及輔機節能工作，退休后又先后在5個高壓變頻器生產廠家從事變頻調速節能改造工程技術工作近10年之久，在這里想和大家一起聊聊節能計算誤差的問題。

風機水泵壓縮機變頻改造工程的節能計算工作，絕不像做算術題一樣，對了就是對了，錯了就是錯了那么簡單，它不僅牽涉到大量的工程數據，而且關系到所采用的工程計算方法，環節很多，知識面極廣，工作量巨大。我們知道所有的工程數據都是有誤差的，任何一種工程計算方法都有它的誤差范圍，我們的責任是如何對這些數據和方法進行去偽存真、去粗取精的加工改造工作，然后利用它們得出盡量準確的計算結果來。

通過以下的分析可以看出工程數據和工程計算方法的誤差之大，遠遠超出了我們所想象的范圍，絕不可能只有“2%”而已！在經過了一系列謹慎細致的工作之后，能夠將節能計算的誤差控制在5%以內的話，就已經是相當不錯的了。請看下面的分析：

2由風門開度確定風量時的誤差

由圖1可見，開平方法在小風門段的風量要大于查表法，而在大風門段又小于查表法；三角函數法的全程風量都要低于查表法，并且三角函數法的誤差要大于開平方法。其實即使是用查表法得出的數據也是有誤差的，因為用的是典型的離心式風機的特性曲線，與實際風機的特性曲線還是有差別的，最好使用實際風機的特性曲線，與實際的阻力曲線的交點為工作點得出的數據才是最準確的數據，但是實際的阻力曲線是很難繪出的。風機的特性曲線就好像是人的身份證，其中包含了風機所有的信息。但是現場很難找到風機的特性曲線，就只能向風機的制造廠家索取了，而制造廠家所提供的曲線也只是同一型號風機的參考曲線，因為制造廠不可能在每一臺風機出廠前都做性能試驗。實在找不到時就只能用典型的離心式風機的特性曲線作為計算的依據了。

3不同風量和不同控制方式時的風機軸功率計算的誤差

由于現場數據調查表中提供的風機軸功率一般不是風機的額定軸功率，而是電動機的額定輸出功率；而用風機的額定風量、風壓和效率來計算風機的額定軸功率，又因為沒有風機效率數據以及給出的風量和風壓數據明顯有誤，所以也不是風機真正的額定軸功率；即使有風機的額定軸功率數據，由于鍋爐（窯爐）的阻力曲線也不能精確計算，所以當風門全開時的風機軸功率與其額定軸功率也會有出入：如風道的阻力過大，則因為風壓增大，會使風機的軸功率超過其額定軸功率；反之如風道的阻力過小，則因為風壓減小，而會使風機的軸功率低于其額定軸功率等等。因為工程中不乏這樣的案例：有的風機在風門全開運行時，其電動機的電流還遠遠小于額定電流；而有的風機在風門開度尚不到50％時，其電動機就已經因過載而跳閘了。

那么到底應當如何計算當風門全開時的風機軸功率呢？這個數據對于節能計算來說又是至關重要的。很多的節能計算出現較大誤差的原因主要就是不能精確的計算出當風門全開時的風機軸功率。工程上有一種計算方法算出的風門全開時的風機軸功率較為準確，即根據某一風門開度時電動機的實際運行功率來反推風門全開時的風機運行功率。其根據如圖2，圖3所示，由于圖2只是一張定性分析的示意圖而已，誤差較大，不能作為具體風機工程計算的依據。

4節能效果計算的誤差

風機的調速節能效果計算比較簡單，由于風機系統一般不存在反壓，其阻力曲線通過坐標原點，符合相似定律的要求，所以風機調速運行時消耗的電功率可以直接用比例定律求得。注意使用的參照電功率應當是風門開度最大（100%）時的實際運行電功率，而不是風機的額定軸功率或者電動機的額定輸出功率；而工頻運行電功率則應為采用風門調節時對應于某一風門開度的風機實際消耗的電功率，可以通過實測的電壓、電流和功率因數計算得出。

4.1風機參數的采集和利用

關鍵的是要根據現場可以得到的風門開度數據，以及實際的風量和風壓數據，如何準確的測算出風機在調速運行時的轉速來，才能準確算出變頻功率、節省的電功率和節電率來。

（1）如果現場有風量數據，有人就以實際風量與額定風量的比值作為電動機（變頻器）的轉速來計算電功率，看來似乎是最現成也是最簡單的方法了，豈知這樣做的誤差是很大的。因為風機的任何一個工作點都應該是在風機性能曲線和系統阻力曲線的交點，而現實工況的阻力曲線并不一定和風機性能曲線交于額定工況點！那么用實際風量與額定風量之比作為轉速就不對了：

其一，如果系統阻力系數比較小，阻力曲線與風機性能曲線的交點位于額定工況點的右下方時，應當用實際風量與交點處的風量之比作為轉速，而用實際風量與額定風量之比作為轉速就要偏大，據此計算的節電率就會偏低；

其二，如果系統阻力系數比較大，阻力曲線與風機性能曲線的交點位于額定工況點的左上方時，應當用實際風量與交點處的風量之比作為轉速，而用實際風量與額定風量之比作為轉速就要偏小，據此計算的節電率又會偏高。

（2）一般的現場則比較容易得到風壓的數據，這時就有人用實際風壓與額定風壓的比值再開平方作為電動機（變頻器）的轉速，似乎從原理上講也沒有什么錯誤，但是也犯了和以上同樣的錯誤：

其一，如果系統阻力系數比較小，阻力曲線與風機性能曲線的交點位于額定工況點的右下方時，應當用實際風壓與交點處的風壓之比再開平方后作為轉速，而用實際風壓與額定風壓之比的開平方值作為轉速就要偏小，據此計算的節電率就會偏高；

其二，如果系統阻力系數比較大，阻力曲線與風機性能曲線的交點位于額定工況點的左上方時，應當用實際風壓與交點處的風壓之比再開平方后作為轉速，而用實際風壓與額定風壓之比的開平方值作為轉速就要偏大，據此計算的節電率又會偏低。

在工程現場這種情況是太普遍了，所以用風壓開平方的方法不僅是方法的區別，也是造成節能計算誤差的根源；而用風量值直接進行計算，一是實際風量數據一般不可得，就是可得，看來也不是最現成和最簡單的方法了，而是一個陷阱：一個給節能計算造成誤差的陷阱。

更加令人尷尬的是，如果現場既有風量數據也有風壓數據，又同時進行計算的話，就會得出一組自相矛盾的結果：如果系統阻力系數偏小，則用風量數據算出的轉速就會偏高，而用風壓數據算出的轉速又會偏低；反之，如果系統阻力系數偏大的話，則用風量數據算出的轉速就會偏低，而用風壓數據算出的轉速又會偏高。簡直叫人無所適從。

上述錯誤的本質是：風量和風壓與轉速之間的關系必須在同一條相似曲線（阻力曲線）上才能成立，由于實際風機系統的阻力曲線并不通過額定工況點，所以實際工況點與額定工況點不在同一條相似曲線上，因此不能用實際工況點的風量和風壓數據與額定工況點的數據進行計算。應當找出實際工況點的相似工況點（實際阻力曲線與最大風門開度時的風機性能曲線的交點）的數據之間進行計算才是正確的方法。

例如某風機的性能曲線、阻力曲線和各工況點的位置如圖4所示。

圖4某離心式風機的性能曲線、阻力曲線和工作點示意圖

如圖4所示：風機的額定工況點是A點，阻力曲線R，額定風量19800m³/h（5.5m³/s），額定風壓256kPa(表壓力），50%風門開度（45⁰）的工作點是A1，風量16177 m³/h（4.49m³/s），風壓174kPa。其風量是額定風量的81.7%，風壓為額定風壓的68%左右；由風量計算出的轉速為81.7%額定轉速，由風壓計算出的轉速為82.5%額定轉速，其中的誤差包括作圖、讀數和計算的誤差。

若改變阻力(增大)曲線為R1（可以通過改變出口風門開度實現），工作點為B1，測得風量為13900m³/h（3.86m³/s），風壓為235kPa（表壓力）；由阻力曲線R1找出B1的相似工況點B，風量17000m³/h（4.72m³/s），風壓348kPa（表壓力）；由風量計算出的轉速為81.8%額定轉速，由風壓計算出的轉速為82.2%額定轉速，結果與額定工況點基本一致。如果用額定工況點的數據計算，則由風量計算出的轉速為70.2%額定轉速，節電率為51.3%；由風壓計算出的轉速為95.8%額定轉速，節電率為-23.8%。可見由風量計算的轉速變小了，而由風壓計算的數據卻變大了，兩者轉速竟然相差25.6%！而節電率的計算已經失去價值了。

若改變阻力（減小）曲線為R2（可以通過改變出口風門開度實現），工作點為C1，測得風量為18600m³/h（3.86m³/s），風壓為138kPa（表壓力）；由阻力曲線R2找出C1的相似工況點C，風量22770m³/h（4.72m³/s），風壓205kPa（表壓力）；由風量計算出的轉速為81.6%額定轉速，由風壓計算出的轉速為82.0%額定轉速，結果與額定工況點基本一致。如果用額定工況點的數據計算，則由風量計算出的轉速為93.9%額定轉速，節電率為11.1%；由風壓計算出的轉速為73.4%額定轉速，節電率為57.5%。可見由風量計算的轉速變大了，而由風壓計算的數據卻變小了，兩者的轉速相差20.5%。而節電率竟然相差46.4%。附表所示的是3個工況點的計算數據表。

附表3個工況點的計算數據表：

由此可見，如果采用正確的方法，即在用現場風量或風壓數據進行計算時，首先找出其相似工況點，然后進行計算的話，其誤差可以控制在5%以內；如果用額定工況點數據作為參照進行計算的話，結果就會相去甚遠，嚴格地講是沒有任何意義的，因為其計算的方法本身就是錯誤的。

（3）最后就只能根據風門開度數據用查表法、開平方法和函數逼近法算出風量來，而以查表法的結果比其它兩種方法更加接近實際情況。因為入口風門的開度與風機性能曲線是一一對應的，體現的是風機本身的性能，與系統的阻力系數無關。而我們又使用了標幺制數據方法，查出的風量（百分比值）只與最大風量有關，完全避免了系統阻力系數的影響。而開平方法和函數逼近法則是人為設定的擬合算法，缺乏科學依據，且其本身就有很大的誤差。查表法的關鍵是要拿到風機的性能曲線，就可以直接在性能曲線上通過作圖法求出對應于風門開度的百分比風量值來，或者由風機的性能曲線制作出風門開度與風量（百分比值）的對應表格來，再由查表求出風量值。如果沒有風機性能曲線，而采用某典型風機的性能曲線作為參考作出的風門開度與風量對應表格的話，就會帶來一定的誤差。在查出風量數據之后，就可以根據風量與轉速的一次方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比進行計算了。

無論是用哪種方法計算，風門開度的準確性都是致關重要的。其次就是風量的計算方法尤為關鍵，它對計算結果的影響可謂是：“失之毫厘，差以千里”。例如在附表中，開平方法和查表法相比，即使不存在上述造成誤差的原因，在45^O（50％）風門開度時，其風量的數值相差11％。算出的節電率分別為45.9％和16.5％，相差29.4％。而函數法和查表法相比，在40^O（44.4％）風門開度時，其風量的數值相差12.4％。算出的節電率分別為57.4％和27.7％，相差29.7％。這就是不同的計算方法所帶來的誤差。當然這是最大誤差，但是對于節電率來說，就是相差3％～5％都是非常敏感的，更別說是接近30％的誤差了。對節電量和節約電費以及投資回報來講，則更是有天壤之別了。這里說“失之毫厘，差以千里”是一點也不過分的。所以風量的計算一定要慎之又慎。

4.2風門全開時電功率的確定

在算出了轉速（頻率）以后，使用比例定律的參照電功率應當是風門開度最大（100%）時實際運行電功率，而不是額定軸功率或電動機的額定輸出功率。那么這個電功率是怎么算出來的呢？可以首先根據工頻運行時的電壓、電流和功率因數值，算出工頻運行的電功率來，再查表，查出對應風量的功率系數，用工頻運行時的電功率除以功率系數就是最大風門開度時的實際運行電功率。然后用這個電功率乘以轉速的三次方，再除以變頻器效率就是風機變頻運行時所消耗的電功率。因為工頻運行電功率中已經包括了電動機本身的損耗，所以這里不必再除以電動機效率了。如此看來，風量數據的準確性是節能計算的關鍵所在。最后可以畫龍點睛地指出：風門開度值決定節電率的大小，而電動機工頻運行時的電流值（電功率）則決定節電量的多少。切記切記。

5結束語

最后可以歸納起來講，風機節能計算的誤差主要來自以下5個方面：

（1）現場的風門開度機構都是機械式的，其本身的誤差就較大，再加上傳感器和變送器的誤差，估計不會小于5-10%。

（2）采用不同的方法由風門開度數據計算風量時所引起的誤差，最大可達12.4%，由此導致的節電率計算的最大誤差竟接近30%。

（3）由風量或風壓數據計算變頻運行頻率（轉速）引起的誤差，也是一個不小于兩位數的值。由此計算的節電率數據基本就是不可信的。

（4）由風門全開運行電功率計算引起的誤差，如果采用電動機額定功率計算，其誤差也起碼是兩位數的。

（5）在計算節電量和節電率時，不是采用工頻運行功率減去變頻運行功率，而是采用額定軸功率或電動機額定功率減去變頻運行功率引起的誤差同樣也不會小于兩位數。

綜上所述，一般在不掌握正確的計算方法和準確的現場數據的情況下，節電率計算誤差在百分之十幾甚至百分之幾十的現象是很常見的。只有在掌握了正確的計算方法，并且采集到現場準確的數據之后，經過認真計算，才能保證節電率誤差在5%之內。對于2%誤差可是千萬信不得的。

作者簡介

徐甫榮 （1946-） 男  1970年畢業于西安交通大學電機工程系發電廠電力網及電力系統專業，國家電力公司西安熱工研究院退休教授級高工，長期從事發電廠自動化和輔機節能工作。退休后曾在中山明陽公司，深圳微能公司，深圳科陸變頻器公司任高級技術顧問和工程技術總監，在北京國電四維節能技術公司任總工程師。曾在國內外各類刊物上發表論文近百篇；并著有《高壓變頻調速技術應用實踐》和《高壓變頻調速技術工程實踐》兩書。

參考文獻：

       [1]徐甫榮：離心式風機節電率的計算原則和檢驗依據《變頻器世界》2015年第9期.

       [2]徐甫榮：《高壓變頻調速技術工程實踐》中國電力出版社 北京 2012年1月.