风机是造风、送风的机械设备。风有自然风和人造风之别。风的能量和它的威力都很大。 大风,可以将树连根拔起，大风在几秒钟内制造的功率，可达到几百万千瓦之多。1978年4月10日，在中国新疆哈密西部的红柳车站，一阵大风使三节重4．4万公斤的货车，在一声巨响中，玩具似的翻滚下了路基。至于沿海地区年年发生的台风，它的威力和给人们造成的伤害就更大了。自然风是大气层中空气对流的一种现象，由于空气的温度和密度发生了变化，而产生压力差，即是压力高的空气向低压力区域流动而来的。风含有的能量，叫做“风能&dquo;。风能和天然气、石油、煤炭、水力、海洋能、太阳能、地热一样，也是能源中的一种。计算风能大小的标杆是“风压&dquo;，风压的大小与风速的平方成正比，风速大，风压亦大，风速小，风压亦小。英国人蒲福于1905年，以风速的大小做标准，把“风&dquo;分成以0～12级的13个等级，称为“蒲福风级&dquo;，每个风级取有名字从低到高，即：静风、软风、轻风、微风、和风、劲风、强风、大风、烈风、狂风、暴风、飓风。该风力等级很方便人们识别风的大小，静风的风速低于0．2m/s，飓风的风速在32．7～36．9m/s，这级风有着非常大的摧毁力。1946年以来，风力等级又增加到18个等级、从13～17级的风速是可以用仪器测量。17级的风速为36.1～61.2m/s。对于风机来说，只要测出它的风速是多少，就可计算这个风机能造出几级风了。 一般三级自然风就可推动风车发出电来。科学家预测了一个数字：地球表面上所接受的太阳能中大约有1.5%～2.5％变成为大气层中的风力，在整个大气层中的总风力约为3亿亿kw，即全年大约有26万亿亿kw&middo;h的能量。可以用来发电的风能又至少有10～100亿kw之多，比全世界可利用的水力发电资源还要大出4倍；全世界每年燃烧煤所获得的能量，也只有风力在年内所提供能量的三千分之一。 那么，人造风的能力又如何呢?这就是本文要谈的中心内容。至于造风的风机又是怎样产出和发展的呢?下面就来追踪溯源。 在商代、西周之前，我国人民就发明了一种强制送风的工具，名叫风箱，主要用于冶铸业。4800年以前，我国就能制造青铜器——铜刀；商代早期的铜爵，有的壁厚仅2mm；商代中期已使用锡青铜和铅青铜两种合金,能铸造重80kg的大鼎.商代后期，青铜冶铸业臻于鼎盛.我国早在春秋时代就已发明了铸铁技术。公元前14至前11世纪的殷代时期，已开始运用了退火处理的热处理技术。在商代中朝，公元前14世纪，我国用陨铁制造武器，已采用了加热锻造工艺，所有这些工艺技术的发明、创造和用之于生产，都和送风工具风箱分不开的。 洛阳出土的西周铸炉壁残块上已发现有通风口，依时代不同，风箱的部件结构也不尽相同。早期是用牛皮或马皮制成的一种皮囊，古时称之为橐。外接风管，利用皮囊的胀缩来实现鼓风。最初是单囊作业，在山东滕县出土的汉代冶铁画像中可看出它的操作情形。 在战国时期或者更早些时，我国出现了多橐并联或串联的装置，汉代称之为“排橐&dquo;。北宁时期又发明了木风扇。从元代王祯于1313年所著《农书》中的卧式水排图和《熬波图》来看，它的外形好像一个木箱，是利甩箱盖启闭来实现鼓风的。 明代宋应星的科技名著《天工开物》中记载有木风箱，它是古老的活塞式鼓风机，一直沿用至今，可称之为现代往复式压缩机的鼻祖。木风箱两端各设有一个进风口，口上设有活瓣。箱侧设有一风道，风道侧端各设一个出风口，口上亦装有活瓣。通过伸出箱外的杆，驱动活塞往复运动，促使活瓣一启一闭，以达到鼓风的目的。木风箱的动力有人力和水力等。 “水排&dquo;是古代以水力推动的冶铸鼓风装置。相传是东汉(公元25～221年)初年南阳太守杜诗所发明的。在他之前，像冶铸炉鼓风的动力主要是人力和畜力。水排工作部件随着时代的不同经历了皮囊、木风扇、木风箱阶段。元代水排分卧轮式和主轮式两种，是依靠连把旋转运动变成直线往复运动的一种机器。 欧洲水力鼓风机大约发明于12世纪，对14世纪欧洲生铁的出现起到了促进作用. 中国发明的简单的木制砻谷风车，在南方沿用至今。它有一个等宽像现代多叶离心通风机机壳那样的木板风箱，上面有可放进谷子的方形口，左水平前面有方口，木轮子置于风箱中，轮子木轴伸出，装有摇把，靠摇把下侧设有斜口，轮子前后与风箱均有空隙可进空气。当手摇动轮子时，将谷子由上口倒进，由于轮子对由轮子与风箱之空隙进去的空气做功，提高了气体压力，将谷壳和稻草末由前方口吹送出去，谷子因为比重大，就由左下侧斜口流到谷袋里。这种木质砻谷风车也就是现代离心通风机、鼓风机和压缩机的鼻祖。 还有，螺旋桨式风车在我国古代也早有创造和应用，它又是轴流式风机的鼻祖。 欧洲工业革命时期，蒸汽机车的出现，钢铁工业、煤炭工业的突飞猛进，通风机、鼓风机、压缩机也就随波逐流地发展起来了。有的国家的风机产品随着钢铁产量的起落而起落；有的国家的风机产品则又随着石油、石油化工产品的产量的升降而升降。 1862年，英国圭贝尔发明了离心通风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片,效率为40％左右，主要用于矿山通风。1880年，设计出用于矿井排送风的蜗形机壳和后向弯曲叶片的离心通风机，结构比较完善。1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机，并为各国广泛采用。19世纪，轴流通风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但压力仅为100～300Pa，效率仅为15%～25％。这种通风机，直到20世纪40年代以后才得到较快的发展。1935年，德国首先采用轴流等压通风机作为锅炉通风机和引风机。1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流通风机。对旋轴流通风机、子午加速轴流通风机、斜流通风机和横流通风机也都获得发展。 离心式压缩机是在离心通风机的基础上发展起来的，20世纪出现了压力比为4.5的离心压缩机。50年代开始，离心压缩机制造业在欧美的工业发达国家得到发展。1963年，美国生产出第一台合成氨厂用的14.7MPa高压离心压缩机，采用筒型机壳代替水平剖分型机壳，又称筒型压缩机，它能承受10MPa以上的压力。70年代，美国、意大利和德国先后制成60～70MPa高压筒型压缩机，筒体壁厚280mm。80年代初排气压力已达80MPa。离心压缩机的转速一般为每分钟几千转以上，有的已达到25000转以上。所需功率可达几万千瓦，流量已达10000m3/min。离心压缩机的常规叶轮是以一维流动理论为基础设计的，60年代开始应用三维流动理论设计空间扭曲叶片，以改善叶轮级的性能。 轴流压缩机也是在欧洲首先出现的。19世纪末，英国人帕森斯让多级反动式汽轮机反向旋转，作为试验用轴流压缩，但由于效率很低而不能实用。20世纪初，英国制造出第一台轴流压缩机，效率仍不高。一直到30年代，由于航空事业的发展，开展了对轴流压缩机气体动力学理论研究和试验研究，效率才有显著提高。亚音速级(气流速度低于声速)中压力比不大，一般不超过1．3。为了提高级的压力比和增大流量，人们研究跨声速和超声速压缩机，并已广泛应用于喷气发动机等设备。

异步电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p的关系由下式决定[1]n=60fp（1-s）。可以看出，转速n与电源频率f成正比，即改变f就可改变n.基于这一原理，要实现变频调速可用变频器作为变频电源来调节电动机的转速。 　　节能原理 　　由风机的基本理论可知，风机风量qV与转速n的一次方成正比，风压p与转速n的平方成正比，轴功率P与转速n的三次方成正比，即qV1=qV2n1n2，p1=p2n1n2，P1=P2n1n23。 　　因此，当系统需减少风量时，调低转速可使风机功率快速降低。例如，当风量与转速均下降到额定值的80时，风机功率降低到额定功率的51；当风量与转速均下降到额定值的60时，风机功率降低到额定功率的21. 　　变频调速控制风量与调节风门控制风量的节电原理可通过进行比较说明。图中曲线1为风机在恒速下的风压-风量特性曲线，曲线2为恒速下功率-风量特性曲线，曲线3为风门全开时的管网风阻特性曲线。风机轴功率正比于管网阻力曲线上的点对应的风压值p与风量值qV的乘积。点A为额定工作点，此时输出风量qV1为100，效率最高，轴功率P1正比于p1与qV1的乘积，相当于图中Ap1OqV1的面积。根据生产的需要，当风量从qV1减少到qV2时，若减小风门开度，则管网阻力增加，管网阻力特性曲线变为曲线4，工况点A移至新的工况点B.可以看出，风量降低，风压增加，轴功率P2（正比于p2与qV2的乘积，相当于图中Bp2OqV2面积）和轴功率P1相比减少不多。如果通过变频调速技术来控制风量，由于风门全开，只改变风机转速而不改变管网阻力，风机风量由qV1变到qV2时，风机转速由n1降到n2，风压-风量曲线下移，如图中曲线5所示，工况点A沿管网阻力曲线3移至工况点C，即风量减少时风压p2降低明显，轴功率P3（正比于p3与qV2的乘积，相当于图中面积Cp3OqV2）和轴功率P1相比显著减少，节省的功耗P正比于p（p=p2-p3）与qV2的乘积，相当于图中面积Bp2p3C. 　　变频调速技术的特点及评价特点 　　变频调速具有以下特点：（1）调速范围广。可应用于异步电动机实现无级调速；高压大容量变频器可以做到在0100额定转速范围内任意调节。 　　（2）调节精度高、效率高，没有附加损耗，在正常调速范围内，变频装置的总效率在93以上，功率因数超过0.95. 　　风机的特性曲线（3）可实现真正的软启动，并且启动转矩大、启动电流小。 　　（4）设备发生故障时可随时切换以保持运转，适用于不允许停机的场合。 　　（5）容易实现生产过程的自动控制及远程控制。 　　（6）变频器预留有控制接口，能为机组实现计算机优化控制提供方便。 　　评价 　　应用变频调速控制技术节能效果明显、调节性能稳定、调节范围大、调节响应速度快，并能实现自动化控制。 　　当然，变频调速技术也有其不足之处：一是我国电站中大功率电动机供电电压高，而变频器开关器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题；二是高压大功率变频调速技术的技术含量高、难度大、成本高，配置低压变频器为800元/kW，而配置高电压电动机变频器为2000元/kW，配置高压电动机变频器的投资为液力偶合器的68倍，但是一般风机的节能改造都要求低投入高回报，从而造成经济上的难题。 　　随着变频装置国产化工作的加强，不久的将来国内可望能生产出技术先进、性能可靠、价格合理的产品，满足国内对变频装置日益增长的需求。 　　节能效益分析 　　目前200MW以下火电机组的风机最常用的调节方式是阀门或挡板节流调节，这种调节方式虽然简单，但能耗很高。据测试，当风机的风量由100降至50时，电机功率则降至额定功率的64，而此时风机的轴功率理论计算值应为额定功率的12.5，可见，大部分功率损失在了节流调节中。 　　为3种调节方式下，风机电动机的耗电特性表。从中可知，在风机高负荷时，变频调速技术在节能方面并没有优越性，但在负荷低于80下时，节能效果非常明显。由于电网峰谷差不断增大的原因，200MW以下火电机组的引、送风机常年运行在70额定负荷左右，变频器与风机结合的综合评价,所以，电站锅炉风机应用变频调速技术有许多节能潜力可挖。 　　国产125MW机组锅炉配置了2台送风机和2台引风机，电动机容量分别为550kW和700kW.采用变频调速技术后，根据测试和计算，与定速风机采用进口导向器调节相比，全年按工作7000h计算，节能效果如下： 　　（1）机组负荷为120MW运行时，每年节电80万kWh. 　　（2）机组负荷为90MW运行时，每年节电201万kWh. 　　（3）若按全年1/3时间在8090MW低谷运行，2/3时间在120MW高峰运行，则平均年节电120.3万kWh，以电费0.6元/（kWh）计算，则年节约电费72.2万元。 　　（4）若配用2台西门子ECOO1-500K/3变频器和2台西门子ECOO1-800K/3变频器，设备总价170万，热工仪表及自动控制仪表费用2万元，其他费用1万元，则总投入173万元，需要2年5个月收回投资。从价格方面看，一般情况下，液力偶合器的投资可以在半年到一年的时间内，通过节省的电费得到收回，而相同功率的变频调速器的投资，大约需要一年半到三年的时间。如果是高-高变频，则需要的时间会更长。 　　某电站结合风机调速改造，对原设备进行了优化配置，取得了相当可观的节能效果，改造前后节电测试数据如2所示：（1）风机采用变频器调速后，当负荷为410/h，节电率26.5；当负荷为370/h，节电率30.5；当负荷为290/h，节电率48.5. 　　（2）由于对风机进行了优化配置，加之采用变频调速技术，避免了大马拉小车！现象，使风机运行效率大为提高，这也是节电的一个主要原因。 　　（3）近年来，工业发达国家已逐步用交流电机变频调速取代直流电机调速。交流变频调速在频率范围、动态响应、工作效益、精度要求、输出特性及使用方便等方面比以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、液力偶合器调速等均较为优越，也取得了良好的经济效益。 　　结论 　　变频调速控制技术在电站风机节能应用中，具有其他调节方式不可比拟的优势。在风机耗电量占有巨大比例的电站中，利用变频调速技术，既可提高设备效率，又满足了生产工艺的要求，大大减少了设备维护、维修费用，经济效益十分明显，在电力工业和整个国民经济的发展中，具有广阔的应用前景。