CN104895820B - 一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，是一种在不改变风机工作运行点的情况下，利用风机的变频器，使风机运行在通过节能评估计算方法得出的风机在变速运行时对应的风机转速值和风机的动叶安装角度，并且当风机的负荷发生变化时，通过节能优化控制方法，风机变频器能够通过该优化控制方法重新计算风机变速运行转速值及风机的动叶安装角开度值，与风机的上位控制系统一起实现风机的自适应调节过程，保证动叶可调轴流式风机在不同负荷段下始终安全、稳定运行在高效率区，使其既能达到节能降耗的目的，同时也能提高动叶可调轴流式风机系统整体运行的安全性及可靠性。

Description

一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法

技术领域

本发明涉及机电结合节能调速领域，特别是涉及一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法。

背景技术

目前国内的大多数高耗能企业（如火力发电行业、化工行业、大型钢铁行业等）普及使用动叶可调轴流式风机，尤其以火力发电行业为主，新建或者在用火力发电燃煤机组的锅炉配套风机系统大多数采用的是动叶可调轴流式风机（如动叶可调轴流式风机FAF系列、SAF系列等），其主要通过改变动叶可调轴流式风机动叶安装角的开度来实现对动叶可调轴流式风机的输出风量、风压的控制及改变以适应火电燃煤机组发电负荷调整、变化的需要。从目前国内在役火电燃煤机组锅炉配套动叶可调轴流式风机的实际运行情况及火力发电厂设计技术规范两个层面来看，一般在对锅炉配套风机容量进行设计时，从发电机组运行的安全性考虑出发，单侧风机运行时，需具备带75%负荷运行的能力，这样一来，当双侧风机同时运行，即便机组带到额定负荷，实现满负荷发电时，其动叶可调轴流式风机的设计余量一般在20%~30%左右（若遇当地煤质情况较差或其他原因将会导致风机的设计余量更大），那么动叶可调轴流式风机的动叶安装角的整体开度一般处于在30%~100%这个区间内，但是主要以集中在50%~60%范围内居多；由此可见锅炉配套动叶可调轴流式风机并未处于其风机设计之初的最佳经济运行工作点运行。在用火力发电机组运行中，由于电网负荷的需要，火力发电机组往往是需要根据电网公司的要求机组实现调峰运行，从动叶可调轴流式风机的流量-压力曲线及效率曲线上可以得出，当负荷降低时对应风机的效率将会出现下降。机组负荷率经常处于50%~75%之间（甚至更低），这样使得绝大多数锅炉配套轴流式风机更加偏离其设计的最佳经济运行工作点运行。

基于以上两种情况，可以得出目前在大多数火力发电厂中，其配套的动叶可调轴流式风机的运行方式是不经济的，而且对其实施变频改造实现节能降耗是可行的，其潜在的节电空间一般在20%甚至更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，通过该方法可对现有动叶可调轴流式风机的变频改造进行准确、有效的节能诊断评估，并在后期风机实现变频调速运行时，保证动叶可调轴流式风机在整个运行区间内始终处于最高或者较高效率点工作，

为解决以上技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，所述系统包括电源断路器、变频器、电动机、DCS系统以及动叶可调轴流式风机，变频器两端分别与电源断路器、电动机相连，电动机与动叶可调轴流式风机相连，DCS系统分别与变频器、动叶可调轴流式风机相连，所述节能优化控制方法的步骤依次包括：

所述系统的节能评估计算方法，用于所述风机在实施变频改造前的节能评估，得到评估结果及控制计算依据，其步骤如下：

a）采集不同负荷工作点下风机实际运行参数以及获取风机厂家提供的风机在工频定速运行的不同动叶安装角开度对应的流量-压力特性曲线及效率曲线图；

b）根据采集的风机工频运行在各个负荷工作点下对应的运行参数，确定风机变频调速运行时对应的动叶安装角的开度值及该开度值所对应的流量-压力特性曲线；

c）根据现场风机实际运行的不同负荷工作点，在已确定的流量-压力特性曲线上取若干点，将这些点对应的压力值、流量值、及效率值作为风机变频调速运行在额定转速时对应的初始数值；即通过步骤b）选取的动叶安装角开度值结合步骤a）中的曲线图，确定该动叶安装角开度所对应的流量-压力特性曲线，将该曲线作为风机在实现变频调速运行在额定转速时对应的流量-压力特性曲线；根据现场实际情况，在该曲线上选取若干点，并标注及记录这些点所对应的流量值、压力值以及效率值，且将这些点对应的流量值、压力值以及效率值作为风机变频调速运行在额定转速下的初始数据；

d）在0~额定转速内选取风机在不同负荷工作点下所对应的转速值；

e）利用步骤c）得到的初始数值以及步骤d）得到的转速值计算风机在步骤b）确定的动叶安装角开度下，风机实现变频调速运行下，不同转速所对应的流量值、压力值及得到对应的效率值；并利用曲线生成软件或工具得到对应的流量-压力特性曲线及效率曲线图；所述曲线生成软件或工具包括MATLAB、Excel、Abstract Curve等，且采用上述曲线生成软件或工具得到相关曲线属于本领域的现有技术；

f）比较风机工频实际运行负荷工作点和步骤e）得到的流量-压力特性曲线及效率曲线图的关系，判断风机是否可实施变频改造；如可实施改造，则计算出每个负荷工作点下风机运行的转速值；

所述系统的节能优化控制方法，利用所述系统的节能评估计算方法提供的评估结果及控制计算依据，实现优化运行参数组合的设置和自动切换，其步骤如下：

g）分别设置变频器搜索频率范围区间、风机动叶安装角开度搜索范围区间；

h）变频器与DCS系统一起协调完成风机在频率及动叶安装角开度设置区间内，不同工作负荷点下对应风机的转速值及动叶安装角开度值搜索过程，变频器自动计算及存储多组风机转速值及动叶安装角开度值组合；

i）根据计算及存储的多组风机转速值及动叶安装角开度值组合，DCS系统和变频器根据用户负荷指令自动选择最优动叶安装角开度值、风机转速值组合，当负荷指令发生变化后，动叶安装角开度值、风机转速值组合自动进行切换。

所述风机运行参数包括流量、压力、效率、介质密度、介质温度、发电负荷、运行电压及运行电流。

进一步的，所述步骤b）即：根据采集的实际运行参数将不同负荷的流量值和压力值所对应的负荷工作点标注在步骤a）获取的曲线图中，根据实际最大运行负荷的流量值和压力值确定所对应的动叶安装角的开度值，以及在该动叶安装角开度值所对应的最大流量值，选取大于或等于该动叶安装角的开度值作为所述风机在变频调速运行时的动叶安装角开度值；并通过选取的动叶安装角开度值结合步骤a）获取的曲线图，确定该动叶安装角开度所对应的流量-压力特性曲线。

进一步的，所述步骤d）中转速值的选取方式为：以该风机的额定转速为初始转速，对该额定转速进行A等分，分别计算出各个转速的数值:

n_转速1= n_额定- n_额定/A

n_转速2= n_额定- 2*n_额定/A

n_转速3= n_额定- 3*n_额定/A

n_转速4= n_额定- 4*n_额定/A

……

n_转速A-1= n_额定- (A-1)*n_额定/A

其中,n_{转速1…A-1}为对应的风机转速值，n_额定为对应的风机额定转速值，A为等分值，A值的取值取决于风机实际运行负荷的个数。

进一步的，所述步骤e）中，根据下式分别计算出A等分额定转速下，不同转速值对应的输出的流量值、压力值，

Q_转速1=（Q_额定*n_转速1）/（n_额定）

H_转速1=（n_转速1∧2*H_额定）/（n_额定∧2）

Q_转速2=（Q_额定*n_转速2）/（n_额定）

H_转速2=（n_转速2∧2*H_额定）/（n_额定∧2）

Q_转速3=（Q_额定*n_转速3）/(n_额定）

H_转速3=（n_转速3∧2*H_额定）/(n_额定∧2)

……

Q_转速A-1=（Q_额定*n_转速A-1）/(n_额定）

H_转速A-1=（n_转速A-1∧2*H_额定）/(n_额定∧2）

其中

Q_额定：额定转速下对应的流量，

H_额定：额定转速下对应的压力，

n_额定：额定转速，

Q_{转速1…A-1}：对应的该转速下对应的流量值，

H_{转速1…A-1}：对应的该转速下对应的压力值，

n_{转速1…A-1}：对应的风机转速值。

进一步的，步骤f）即：将步骤b）获取的当风机在工频定速运行时，不同负荷工作点的风机流量值和压力值，标注在通过步骤e）所获得的曲线图中，当不同负荷工作点落在步骤e）所获得的曲线图内部，则说明找到了合适的所述风机的动叶安装角的开度值及风机的运行转速值，若没有落在步骤e）所获得的曲线图内部，则重复步骤a）-f），直至找到合适的所述风机的动叶安装角的开度值及风机的运行转速值；

从上述变频调速运行下的流量-压力特性曲线及效率曲线中读出不同负荷工作点对应的流量值和压力值，所述不同负荷工作点的转速值分别由下式计算：

Nb=(Na*Qb)/Qa

Nb为变频调速下不同负荷工作点的转速值，

Na为变频调速不同负荷工作点对应的额定转速，

Qb为变频调速下不同负荷工作点的流量值，

Qa为变频调速不同负荷工作点对应的额定流量。

进一步的，所述步骤g）即：将步骤f）所述风机变频调速运行在不同负荷工作点对应的动叶安装角开度值以及转速值对应的频率值作为基准值，分别以此基准值在风机动叶安装角0-100%开度范围内及0-额定转速对应频率范围内设置动叶安装角开度值及频率的范围区间，并将上述范围区间值作为风机开始自适应搜索的预设初值组输入变频器。

进一步的，所述步骤h）即：

（1）将a）步骤中风机工频定速运行时搜集的不同负荷工作点对应的运行参数作为风机自适应搜索程序的预设参考初值参数手动输入变频器，DCS系统在风机变频调速时获得的实时实际运行参数自动输入变频器；

（2）将风机的动叶安装角固定在步骤g）所确定被搜寻的当前负荷对应的区间范围的任意值，启动变频器，变频器按照特定步长完成整个频率设置范围内的搜索，并实时采集变频器的输出电流、输出电压，按下式计算系统功率：

其中，U为输出电压，I为输出电流，λ为功率因数；

（3）当动叶安装角固定在设置范围内某一值，按照特定步长，变频器完成设置频率区间的搜索，变频器实时将风机的实际运行参数中的流量值、压力值与上述通过手动输入的预设参考初值参数进行比较，找到与当前被搜索负荷工作点最接近的一组运行参数，自动记录该负荷工作点下对应的转速值及输出功率值，降频完成后，变频器在已经记录下的数据中，选取最小输出功率值及对应的转速值、流量值、压力值以及动叶安装角开度值；

（4）按照特定步长，在步骤g）设置的动叶安装角区间范围内通过DCS系统逐步改变动叶安装角的开度，重复步骤（2）、步骤（3），直至完成当前被搜索负荷工作点通过步骤g）设置的动叶安装角区间范围搜索测试，最终存储下系统功率依次最小的N个对应转速值及动叶安装角的开度值，其中N>=2，N值可通过变频器进行参数设置进行改变；

（5）依次按步骤（2）-步骤（4）依次进行其他负荷工作点的测试，并存储下其他负荷工作点下的系统功率依次最小的N个对应转速值及动叶安装角的开度值，其中N>=2，N通过变频器进行参数设置进行改变，并且将所得到的每个负荷工作点对应的N个转速值及动叶安装角的开度值分别上传至DCS系统，供用户根据风机系统实际运行情况，选取最优或次优的风机转速值和动叶安装角开度值组合，待用户选定后，将不同负荷工作点对应的最优、次优的风机转速值和动叶安装角开度值通过参数设置的方式输入变频器。

对于频率及动叶安装角开度的设定步长可根据实际需要进行设定及调整，且在频率设置范围及动叶安装角设置范围内的搜索方式可以以递减搜索方式、递增搜索方式或者两者相结合的搜索方式执行。

进一步的，所述变频器包括输出端的电压互感器和电流互感器、PWM调制模块、频率搜索模块、比较存储模块及输出功率计算模块；

所述频率搜索模块用于检测变频器的实时输出频率值，并将检测到的变频器实时输出频率数值输入至比较存储模块；所述PWM调制模块用于逐步递减变频器的输出频率至要搜寻当前负荷工作点对应频率区间范围的下限值，实现变频器输出频率的控制功能；所述比较存储模块用于实时记录在变频器的降频过程中，DCS系统输入的满足当前搜索负荷工作点要求的流量、压力情况下的转速值以及此时对应的输出功率值，并存储最小功率数值及对应的转速值、流量值、压力值及动叶安装角开度值；所述电压互感器和电流互感器分别安装在变频器的输出端，用于实时采集变频器的输出电压值、输出电流值并将其采集的数据送往输出功率计算模块；所述输出功率计算模块根据在不同负荷工作点，变频器的降频过程中，将由电压互感器和电流互感器采集到的变频器输出电压值、输出电流值进行系统实时有功功率计算，并将计算结果输送至比较存储模块。

进一步的，所述系统还包括工频旁路系统，所述工频旁路系统、变频器并联于电源断路器和电动机之间。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

利用该节能评估计算方法能够准确地分析，当现有动叶可调轴流式风机工频运行在机组负荷实际工作点时对应的风机运行效率，同时通过该算法，可以计算出动叶可调轴流式风机变频调速运行时的流量-压力-效率曲线，通过该曲线能够准确分析动叶可调轴流式风机在相同的负荷的工作点下，工频运行与变频运行之间的存在的能耗差值，并且合适地寻找到当风机处于变频调速运行时的动叶安装角的开度，保证风机在较宽的调速范围内实现安全、稳定运行。

附图说明

图1为本发明涉及的动叶可调轴流式风机变频节能系统结构图。

图2为动叶可调轴流式风机工频定速运行时，不同动叶安装角开度对应的流量-压力特性曲线及效率曲线。

图3为动叶可调轴流式风机实现变频调速运行时，固定动叶可调轴流式风机的动叶安装角开度值，不同转速对应的流量-压力特性曲线及效率曲线。

图4为本发明涉及的动叶可调轴流式风机的节能评估计算方法图。

图5为本发明涉及的动叶可调轴流式风机的节能优化控制系统图。

图6为本发明涉及的动叶可调轴流式风机的节能控制方法图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法进行进一步描述。文中所述DCS系统全称：Distributed Control System（中文：分散控制系统），是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。以下所述动叶可调轴流式风机简称“风机”，所述动叶可调轴流式风机专用高压大功率变频器简称“变频器”。

如图1所示，本发明所涉及的动叶可调轴流式风机变频节能系统即在电源断路器与电动机之间，安装动叶可调式引风机变频节能系统，若选配工频旁路系统，通过工频、变频切换使风机具备四种运行方式，第一种运行方式是工频定速输入时，通过该节能系统的工频旁路系统，利用调整风机的动叶安装角开度实现风机输出风量的控制以达到系统运行要求；第二种方式是将变频器以固定频率输出，通过调节动叶安装角开度实现风机输出风量的控制已达到系统运行要求；第三种运行方式是变频调速输入时，固定风机的叶片开度，通过风机专用高压大功率变频器驱动风机，利用调整其运行转速实现对引风机输出风量、输出风压的控制达到系统运行要求；第四种运行方式是为两者同时工作，即是通过变频器调节风机转速的同时，再通过对风机的动叶安装角开度的调整一并实现对风机输出风量及输出风压调节的运行方式，这四种运行方式可实现相互切换，互为备用。

当应用动叶可调轴流式风机变频节能系统对风机实现变频调速驱动时，既可以使风机的叶片开度固定在通过计算及流体模型仿真确定的开度值，使得风机处于最高效率或者较高效率工作点，通过变频器改变风机运行转速来控制风机的输出风量、输出风压；也可以通过该系统利用变频器改变风机转速和改变风机叶片开度同时作用控制风机的输出风量、输出风压。其对应的风机效率值处于风机高效率区，远远高于工频定速输入时，单独通过调整叶片开度改变引风机输出风量时的对应引风机效率值。

第一种方式即风机退出变频调速运行时，利用该系统的工频旁路系统可以切换到原有传统风机单独通过调节其动叶开度来实现对风量、风压的控制的工频定速运行。

第二种方式是将变频器作为电动机的变频电源使用，根据风机实际运行的工况，根据风机在不同机组负荷下的数据（如不同负荷下，风机运行时叶片开度调整范围，对应的风量、风压数值等），描绘出风机在工频定速实际运行中的实际负荷曲线，找出引风机实际运行工作点，再对比风机厂家所提供的风机的性能曲线，在保证风机出力足够，满足实际工况需求的情况下计算出变频器输出的固定频率，并设置变频器输出这一频率的电压驱动风机运行，根据风机变频改造现场实际运行数据，其改造后的变频器通常在20Hz~60Hz的频率值运行节能效果较佳，通过调节动叶可调式风机动叶安装角的开度来调节风机输出风量、输出风压，并确保叶可调轴流式风机在整个叶片开度调整范围始终处于一个较高的工作效率区间。

第三种方式是基于现有动叶可调轴流式风机的实际运行工况数据，风机系统管网特性，分析风机在实际运行时的工况，根据动叶可调轴流式风机在不同机组负荷工作点下的数据（如在不同负荷下，风机运行时，动叶安装角开度调整范围，对应的风量、风压数值等），描绘出动叶可调轴流式风机在工频定速实际运行中的实际负荷曲线，找出风机实际运行工作点，再对比风机厂家所提供的该动叶可调轴流式风机工频定速运行时（通过调整动叶安装角开度）的压力-流量-效率性能曲线，通过动叶可调轴流式风机变频节能评估计算方法确定在系统配置动叶可调轴流式风机变频节能系统后，变频器调速运行时的动叶安装角的固定开度，使风机在变频调速下稳定运行，且对应能够满足在不同机组负荷工作点情况下，原有风机工频定速运行时系统需求的风量、风压等要求，并且风机的工作效率一直处于高效率点，在实际运行过程中有可能会根据现场实际运行情况再对叶片的固定开度进行修正及调整。

第四种方式利用该系统变频驱动动叶可调轴流式风机运行时，在风机系统不同负荷工作点下，变频器通过动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制算法与上位DCS控制系统配合，共同自动完成对风机变频调速运行在在不同负荷工作点下，风机对应运行频率及动叶安装角开度值的搜索功能，并将通过搜索过程中获取的风机负荷工作点对应的N（N≥2，且N值可以通过变频器的参数设置进行调整）组运行频率值及动叶安装角开度值组合，上位DCS系统根据风机系统实际运行情况，选取不同负荷工作点下，风机对应的最优或次优的风机转速值和动叶安装角开度值组合，使风机处于最佳工作点运行，即在满足工况所需风量、风压的同时，使得风机处于最高效率变频运行。

本发明所述的一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法主要是针对第二、第三以及第四种方式的优化及调整。

图2为动叶可调轴流式风机工频定速运行时，不同动叶安装角开度对应的流量-压力特性曲线及效率曲线，其中动叶可调轴流式风机的运行频率固定在工频50Hz，横坐标为风机的输出流量数值（单位为m3/s），纵坐标为风机输出压力数值（单位为Nm/kg，当压力单位为Pa时，需要对其进行单位转换为Nm/kg），环形的曲线为效率曲线，与横坐标“垂直相交”的曲线簇为风机在不同动叶安装角开度下所对应的流量—压力特性曲线。

在得到该曲线后，将通过现场风机实际运行数据的采集（可由DCS系统提供的数据运行报表直接获得；可针对不同运行参数分别设置测试点测试获得），风机不同负荷工作点的实际运行参数（流量值和压力值）标注在该曲线图中，记录在不同负荷工作点下风机对应的运行效率值，并根据风机实际最大运行负荷工作点下对应的流量值和压力值确定所对应的动叶安装角的开度值，以及在该动叶安装角开度值下所对应的最大流量值，选取大于或等于该动叶安装角的开度值作为所述风机在变频调速运行时的动叶安装角开度值。

在确定风机变频调速运行时的对应动叶安装角开度后，确定该动叶安装角开度所对应的流量-压力特性曲线。根据风机现场实际运行情况，在该曲线上选取若干点，并标注及记录这些点所对应的流量值、压力值以及效率值，且将这些点对应的流量值、压力值以及效率值作为风机变频调速运行在额定转速下的初始数据。

图3为动叶可调轴流式风机实现变频调速运行时，不同转速对应的流量—压力特性曲线及效率曲线，其中动叶可调轴流式风机的动叶安装角开度为固定某一数值，横坐标为风机的输出流量数值（单位为m3/s），纵坐标为风机输出压力数值（单位为Nm/kg，当压力单位为Pa时，需要对其进行单位转换），图中呈抛物线状的曲线簇为效率曲线，图中呈右下倾斜的曲线簇为风机在不同转速下所对应的压力—流量特性曲线。在得到该曲线后，将通过DCS系统的记录运行报表，采集到的风机在工频定速运行时，不同负荷工作点的实际运行参数（流量值和压力值）标注在该曲线图中，记录此时在不同负荷工作点下风机对应的运行效率值，若此时所有负荷工作点均落入此曲线内，即能找到一个合适的风机转速与动叶安装角开度值的组合，使其风机在此动叶安装角开度及转速运行时，能够满足对应负荷工作点所需的风量及压力，风机在此两种运行方式下，不同的运行效率之差即为风机在相同流量、压力需求时对应的轴功率之差。若采集到的风机在工频定速运行时，不同负荷工作点并没有落入该曲线范围内，那么在此动叶安装角开度并不能找到合适的转速值，使风机满足该对应负荷工作点所需要的流量及压力要求，故需要重新选定动叶安装角的开度值，重新对该动叶可调轴流式风机变频调速运行流量-压力特性曲线及效率曲线进行计算，直至其对应的负荷工作点全部落入该计算的曲线内。待所有负荷工作点均落入重新计算出来的风机变频调速运行对应流量-压力特性曲线内时，按照以下的计算公式计算出每个负荷工况点多对应的风机运行转速数值：风机变频调速运行下的流量-压力特性曲线及效率曲线中读出不同负荷工作点对应的流量值和压力值，所述不同负荷工作点的转速值分别由下式计算： Nb=(Na*Qb)/Qa Nb为变频调速下不同负荷工作点的转速值， Na为变频调速不同负荷工作点对应的额定转速， Qb为变频调速下不同负荷工作点的流量值， Qa为变频调速不同负荷工作点对应的额定流量。每个负荷工作点对应的风机的运行转速及动叶安装角开度值的组合，作为动叶可调轴流式风机进行节能优化控制过程的初始值。

图4为计算该动叶可调轴流式风机变频调速运行时，不同转速对应的流量-压力特性曲线及效率曲线的方法的实施框图，具体如下：

通过现场风机实际运行数据的采集（可由DCS系统提供的数据运行报表直接获得；可针对不同运行参数分别设置测试点测试获得），以及获取风机在工频定速运行的不同动叶安装角开度对应的流量-压力特性曲线及效率曲线图；将通过现场风机实际运行数据的采集（可由DCS系统提供的数据运行报表直接获得；可针对不同运行参数分别设置测试点测试获得），的风机在工频定速运行时，不同负荷工作点的实际运行参数（流量值和压力值）标注在该曲线图中，记录此时风机不同负荷工作点下风机对应的运行效率值，并根据风机实际最大运行负荷工作点下对应的流量值和压力值确定所对应的动叶安装角的开度值，以及在该动叶安装角开度值下所对应的最大流量值，选取大于或等于该动叶安装角的开度值作为所述风机在变频调速运行时的动叶安装角开度值。

在确定风机变频调速运行时的对应动叶安装角开度后，将该曲线作为风机在实现变频调速运行在额定转速时对应的流量-压力特性曲线。根据现场实际情况，在该曲线上选取若干点，并标注及记录这些点所对应的流量值、压力值以及效率值，且将这些点对应的流量值、压力值以及效率值作为风机变频调速运行在额定转速下的初始数据；

对该额定转速进行A等分，分别计算出各个转速的数值:

n_转速1= n_额定- n_额定/A

n_转速2= n_额定- 2*n_额定/A

n_转速3= n_额定- 3*n_额定/A

n_转速4= n_额定- 4*n_额定/A

……

n_转速A-1= n_额定- (A-1)*n_额定/A

其中,n_{转速1…A-1}为对应的风机转速值，n_额定为对应的风机额定转速值，A为等分值，A值的取值取决于风机实际运行负荷的个数。

将在风机工频定速运行时，不同动叶安装角开度对应的风机流量-压力特性曲线及效率曲线图中，通过标注风机在不同负荷工作点对应的流量值及压力值所确定的风机变频调速运行时对应动叶安装角开度所对应的流量-压力特性曲线与的效率曲线的交点，所对应的流量值、压力值及获得的各个转速值分别带入下列公式，分别计算出A等分额定转速下，不同转速值对应的输出的流量值、压力值及效率值：

Q_转速1=（Q_额定*n_转速1）/（n_额定）

H_转速1=（n_转速1∧2*H_额定）/（n_额定∧2）

Q_转速2=（Q_额定*n_转速2）/（n_额定）

H_转速2=（n_转速2∧2*H_额定）/（n_额定∧2）

Q_转速3=（Q_额定*n_转速3）/(n_额定）

H_转速3=（n_转速3∧2*H_额定）/(n_额定∧2)

……

Q_转速A-1=（Q_额定*n_转速A-1）/(n_额定）

H_转速A-1=（n_转速A-1∧2*H_额定）/(n_额定∧2）

其中

Q_额定：额定转速下对应的流量

H_额定：额定转速下对应的压力

n_额定：额定转速

Q_{转速1…A-1}：对应的该转速下对应的流量值

H_{转速1…A-1}：对应的该转速下对应的压力值

n_{转速1…A-1}：对应的风机转速值

将通过以上步骤所计算出来的数据利用曲线生成软件或工具（如MATLAB、Excel、Abstract Curve等），以曲线的形式进行表示，所得出的曲线即为：所述风机动叶安装角固定在通过步骤b）所选取的动叶安装角开度时，风机变频调速运行时的流量-压力特性曲线及效率曲线图；

将通过DCS系统的记录运行报表采集到的，当风机在工频定速运行下不同负荷工作点的风机流量值和压力值，标注在通过当风机动叶安装角固定在所选取的动叶安装角开度时，变频调速运行下的流量-压力特性曲线及效率曲线图，当不同负荷工作点落在该曲线图内部，则说明找到了合适的所述风机的动叶安装角的开度值及风机的运行转速值，若没有落在该曲线图内部，则要重新选取动叶安装角的开度值并重新计算其对应的变频调速运行时的流量-压力特性曲线及效率曲线，直至找到合适的所述风机的动叶安装角的开度值及风机的运行转速值；

根据风机特性：当风机由一个工作点通过转速改变的方式调整至另一个工作点时，风机的运行效率将不会发生变化，两点的运行效率保持一致；

从上述变频调速运行下的流量-压力特性曲线及效率曲线中读出不同负荷工作点对应的流量值和压力值，所述不同负荷工作点的转速值分别由下式计算：

Nb=(Na*Qb)/Qa

Nb为变频调速下不同负荷工作点的转速值，

Na为变频调速不同负荷工作点对应的额定转速，

Qb为变频调速下不同负荷工作点的流量值，

Qa为变频调速不同负荷工作点对应的额定流量。

如图5所示，为动叶可调轴流式风机的节能优化控制系统构成，包括变频器输出端的电压互感器和电流互感器、PWM调制模块、频率搜索模块、比较存储模块及输出功率计算模块；

所述频率搜索模块用于检测变频器的实时输出频率值，并将检测到的变频器实时输出频率数值输入至比较存储模块；所述PWM调制模块用于逐步递减变频器的输出频率至要搜寻当前负荷工作点对应频率区间范围的下限值，实现变频器输出频率的控制功能；所述比较存储模块用于实时记录在变频器的降频过程中，DCS系统输入的满足当前搜索负荷工作点要求的流量、压力情况下的转速值以及此时对应的输出功率值，并存储最小功率数值及对应的转速值、流量值、压力值及动叶安装角开度值；所述电压互感器和电流互感器分别安装与变频器的输出端，用于实时采集变频器的输出电压值、输出电流值并将其采集的数据送往输出功率计算模块。

如图6所示，为动叶可调轴流式风机的节能优化控制算法流程，具体如下：

通过动叶可调轴流式风机节能评估方法得到的风机变频调速运行在不同负荷工作点对应的动叶安装角开度值以及转速值对应的频率作为基准值，分别以此基准值在风机动叶安装角0-100%开度范围内及0-额定转速对应频率范围内设置动叶安装角开度值及频率的范围区间，并将上述范围区间值作为风机开始自适应搜索的预设初值组输入变频器；

将通过现场采集到的风机工频定速运行时搜集的不同负荷工作点对应的运行参数作为风机自适应搜索程序的预设参考初值参数手动输入变频器，DCS系统在风机变频调速下获得的实际运行参数自动输入变频器；

将风机的动叶安装角开度固定在所确定被搜寻的当前负荷对应的区间范围的任意数值，启动变频器，按照变频器特定步长完成整个频率设置范围内的搜索，并实时采集变频器的输出电流、输出电压，按下式计算系统功率：

其中，U为输出电压，I为输出电流，λ为功率因数；

通过变频器按照设定步长降频过程中，变频器实时将风机的实际运行参数中的流量值、压力值与通过手动输入变频器的风机工频定速在该负荷工作点时对应的运行参数进行比较，找到与当前被搜索负荷工作点最接近的一组运行参数，自动记录该负荷工作点下对应的变频器输出转速值及输出功率值，搜索完成后，变频器在已经记录下的数据中，选取最小输出功率值及对应的转速值、流量值、压力值以及动叶安装角开度值；

按照特定步长，在针对当前搜索负荷工作点所设置的动叶安装角区间范围内通过DCS系统逐步改变动叶安装角的开度，重复变频器的降频搜索过程、计算输出功率过程、与输入变频器的风机工频定速运行在该负荷工作点时对应的运行参数的比较过程及记录下与之最为接近的一组运行参数所对应的负荷工作点对应的变频器输出转速值及输出功率值，直至完成当前被搜索负荷工作点所设置的整个动叶安装角区间范围搜索测试，最终存储下系统功率依次最小的N个对应转速值及动叶安装角的开度值，其中N>=2，N值可通过变频器进行参数设置进行改变；

按照以上步骤，依次进行其他负荷工作点的测试步骤，并存储下其他负荷工作点下的系统功率依次最小的N个对应转速值及动叶安装角的开度值，其中N>=2，A值可通过变频器进行参数设置进行改变，并且将所得到的每个负荷工作点对应的N个转速值及动叶安装角的开度值分别上传至上位DCS系统，供用户根据风机系统实际运行情况，选取最优或次优的风机转速值和动叶安装角开度值组合，待用户选定后，将不同负荷工作点对应的最优、次优的风机转速值和动叶安装角开度值通过参数设置的方式输入变频器；

动叶可调轴流式风机系统实际运行时，上位DCS系统和变频器根据用户负荷指令自动选择最优动叶安装角开度值、风机转速值组合，当负荷指令发生变化后，动叶安装角开度值、风机转速值组合自动进行切换。

对于频率及动叶安装角开度的设定步长可根据实际需要进行设定及调整，且在频率设置范围及动叶安装角设置范围内的搜索方式可以以递减搜索方式、递增搜索方式或者两者相结合的搜索方式执行。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，所述系统包括电源断路器、变频器、电动机、DCS系统以及动叶可调轴流式风机，变频器两端分别与电源断路器、电动机相连，电动机与动叶可调轴流式风机相连，DCS系统分别与变频器、动叶可调轴流式风机相连，其特征在于：所述节能优化控制方法的步骤依次包括：

所述系统的节能评估计算方法，用于所述风机在实施变频改造前的节能评估，得到评估结果及控制计算依据，其步骤如下：

a）采集不同负荷工作点下风机实际运行参数以及获取风机厂家提供的风机在工频定速运行的不同动叶安装角开度值对应的流量-压力特性曲线及效率曲线图；

b）根据采集的风机工频运行在各个负荷工作点下对应的运行参数，确定风机变频调速运行时对应的动叶安装角开度值及该开度值所对应的流量-压力特性曲线；

c）根据现场风机实际运行的不同负荷工作点，在已确定的流量-压力特性曲线上取若干点，将这些点对应的压力值、流量值、及效率值作为风机变频调速运行在额定转速时对应的初始数值；

d）在0~额定转速内选取风机在不同负荷工作点下所对应的转速值；

e）利用步骤c）得到的初始数值以及步骤d）得到的转速值计算风机在步骤b）确定的动叶安装角开度值下，风机实现变频调速运行下，不同转速所对应的流量值、压力值及得到对应的效率值；并利用曲线生成软件或工具得到对应的流量-压力特性曲线及效率曲线图；

f）比较风机工频实际运行负荷工作点和步骤e）得到的流量-压力特性曲线及效率曲线图的关系，判断风机是否可实施变频改造；如可实施改造，则计算出每个负荷工作点下风机运行的转速值；

所述系统的节能优化控制方法，利用所述系统的节能评估计算方法提供的评估结果及控制计算依据，实现优化运行参数组合的设置和自动切换，其步骤如下：

g）分别设置变频器搜索频率范围区间、风机动叶安装角开度值搜索范围区间；

h）变频器与DCS系统一起协调完成风机在频率及动叶安装角开度值设置区间内，不同工作负荷点下对应风机的转速值及动叶安装角开度值搜索过程，变频器自动计算及存储多组风机转速值及动叶安装角开度值组合；

i）根据计算及存储的多组风机转速值及动叶安装角开度值组合，DCS系统和变频器根据用户负荷指令自动选择最优动叶安装角开度值、风机转速值组合，当负荷指令发生变化后，动叶安装角开度值、风机转速值组合自动进行切换。

2.根据权利要求1所述的一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，其特征在于，所述步骤b）即：

根据采集的实际运行参数将不同负荷的流量值和压力值所对应的负荷工作点标注在步骤a）获取的曲线图中，根据实际最大运行负荷的流量值和压力值确定所对应的动叶安装角开度值，以及在该动叶安装角开度值所对应的最大流量值，选取大于或等于该动叶安装角开度值作为所述风机在变频调速运行时的动叶安装角开度值；并通过选取的动叶安装角开度值结合步骤a）获取的曲线图，确定该动叶安装角开度值所对应的流量-压力特性曲线。

3.根据权利要求1所述的一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，其特征在于，所述步骤d）中转速值的选取方式为：以该风机的额定转速为初始转速，对该额定转速进行A等分，分别计算出各个转速的数值:

n_转速1= n_额定- n_额定/A

n_转速2= n_额定- 2*n_额定/A

n_转速3= n_额定- 3*n_额定/A

n_转速4= n_额定- 4*n_额定/A

……

n_转速A-1= n_额定- (A-1)*n_额定/A

其中,n_{转速1…A-1}为对应的风机转速值，n_额定为对应的风机额定转速值，A为等分值，A值的取值取决于风机实际运行负荷的个数。

4.根据权利要求1所述的一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，其特征在于：

所述步骤e）中，根据下式分别计算出A等分额定转速下，不同转速值对应的输出的流量值、压力值，

Q_转速1=（Q_额定*n_转速1）/（n_额定）

H_转速1=（n_转速1∧2*H_额定）/（n_额定∧2）

Q_转速2=（Q_额定*n_转速2）/（n_额定）

H_转速2=（n_转速2∧2*H_额定）/（n_额定∧2）

Q_转速3=（Q_额定*n_转速3）/(n_额定）

H_转速3=（n_转速3∧2*H_额定）/(n_额定∧2)

……

Q_转速A-1=（Q_额定*n_转速A-1）/(n_额定）

H_转速A-1=（n_转速A-1∧2*H_额定）/(n_额定∧2）

其中

Q_额定：额定转速下对应的流量，

H_额定：额定转速下对应的压力，

n_额定：额定转速，

Q_{转速1…A-1}：对应的该转速下对应的流量值，

H_{转速1…A-1}：对应的该转速下对应的压力值，

n_{转速1…A-1}：对应的风机转速值。

5.根据权利要求1所述的一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，其特征在于：步骤f）即：将步骤b）获取的当风机在工频定速运行时，不同负荷工作点的风机流量值和压力值，标注在通过步骤e）所获得的曲线图中，当不同负荷工作点落在步骤e）所获得的曲线图内部，则说明找到了合适的所述风机的动叶安装角的开度值及风机的运行转速值，若没有落在步骤e）所获得的曲线图内部，则重复步骤a）-f），直至找到合适的所述风机的动叶安装角开度值及风机的运行转速值；

从上述变频调速运行下的流量-压力特性曲线及效率曲线中读出不同负荷工作点对应的流量值和压力值，所述不同负荷工作点的转速值分别由下式计算：

Nb=(Na*Qb)/Qa

Nb为变频调速下不同负荷工作点的转速值，

Na为变频调速不同负荷工作点对应的额定转速，

Qb为变频调速下不同负荷工作点的流量值，

Qa为变频调速不同负荷工作点对应的额定流量。

6.根据权利要求1所述的一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述步骤g）即：将步骤f）所述风机变频调速运行在不同负荷工作点对应的动叶安装角开度值以及转速值对应的频率值作为基准值，分别以此基准值在风机动叶安装角0-100%开度范围内及0-额定转速对应频率范围内设置动叶安装角开度值及频率的范围区间，并将上述范围区间值作为风机开始自适应搜索的预设初值组输入变频器。

7.根据权利要求1所述的一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述步骤h）即：

（1）将a）步骤中风机工频定速运行时搜集的不同负荷工作点对应的运行参数作为风机自适应搜索程序的预设参考初值参数手动输入变频器，DCS系统在风机变频调速时获得的实时实际运行参数自动输入变频器；

（2）将风机的动叶安装角固定在步骤g）所确定被搜寻的当前负荷对应的区间范围的任意值，启动变频器，变频器按照特定步长完成整个频率设置范围内的搜索，并实时采集变频器的输出电流、输出电压，按下式计算系统功率：

其中，U为输出电压，I为输出电流，λ为功率因数；

（3）当动叶安装角固定在设置范围内某一值，按照特定步长，变频器完成设置频率区间的搜索，变频器实时将风机的实际运行参数中的流量值、压力值与上述通过手动输入的预设参考初值参数进行比较，找到与当前被搜索负荷工作点最接近的一组运行参数，自动记录该负荷工作点下对应的转速值及输出功率值，降频完成后，变频器在已经记录下的数据中，选取最小输出功率值及对应的转速值、流量值、压力值以及动叶安装角开度值；

（4）按照特定步长，在步骤g）设置的动叶安装角区间范围内通过DCS系统逐步改变动叶安装角开度值，重复步骤（2）、步骤（3），直至完成当前被搜索负荷工作点通过步骤g）设置的动叶安装角区间范围搜索测试，最终存储下系统功率依次最小的N个对应转速值及动叶安装角开度值，其中N>=2，N值可通过变频器进行参数设置进行改变；

（5）依次按步骤（2）-步骤（4）依次进行其他负荷工作点的测试，并存储下其他负荷工作点下的系统功率依次最小的N个对应转速值及动叶安装角开度值，其中N>=2，N通过变频器进行参数设置进行改变，并且将所得到的每个负荷工作点对应的N个转速值及动叶安装角开度值分别上传至DCS系统，供用户根据风机系统实际运行情况，选取最优或次优的风机转速值和动叶安装角开度值组合，待用户选定后，将不同负荷工作点对应的最优、次优的风机转速值和动叶安装角开度值通过参数设置的方式输入变频器。

8.根据权利要求1-7所述的任一一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，其特征在于：

所述变频器包括输出端的电压互感器和电流互感器、PWM调制模块、频率搜索模块、比较存储模块及输出功率计算模块；

所述频率搜索模块用于检测变频器的实时输出频率值，并将检测到的变频器实时输出频率数值输入至比较存储模块；所述PWM调制模块用于逐步递减变频器的输出频率至要搜寻当前负荷工作点对应频率区间范围的下限值，实现变频器输出频率的控制功能；所述比较存储模块用于实时记录在变频器的降频过程中，DCS系统输入的满足当前搜索负荷工作点要求的流量、压力情况下的转速值以及此时对应的输出功率值，并存储最小功率数值及对应的转速值、流量值、压力值及动叶安装角开度值；所述电压互感器和电流互感器分别安装在变频器的输出端，用于实时采集变频器的输出电压值、输出电流值并将其采集的数据送往输出功率计算模块；所述输出功率计算模块根据在不同负荷工作点，变频器的降频过程中，将由电压互感器和电流互感器采集到的变频器输出电压值、输出电流值进行系统实时有功功率计算，并将计算结果输送至比较存储模块。

9.根据权利要求1-7所述的任一一种动叶可调轴流式风机变频节能系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述系统还包括工频旁路系统，所述工频旁路系统、变频器并联于电源断路器和电动机之间。