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涓涓细流新技术 节能减排大成效——西安交大李景银科研团队与熙诚集团齐思共研新型风机

   2023-05-19 中国网1167
核心提示:流体机械应用广泛、设备种类繁多。
 

李景银教授

流体机械,是以气体或液体为工作介质来转换能量的机械,其通常隐身在大型工程之中,但在国家重大机械装备中的地位却举足轻重,是中国机械工业重要的组成部分。1984年,李景银考入西安交通大学,开始了他在流体机械专业的求学和科研之路。时光匆匆间,与流体机械产业的高速发展共振同频,李景银也从对未来满怀憧憬的年轻人成长为我国流体机械及工程领域的知名学者。

流体机械应用广泛、设备种类繁多。大到石化、冶金企业所需的轴流压缩机和离心压缩机等核心动力设备,小到我们平时用的空调风机和冷却塔风扇,都属于流体机械及工程学科研究领域。深耕这一领域多年,李景银对产业有着自己独到的见解。他将流体机械设备的特点形象地总结为“三多”:一是种类多,如石化领域的大型透平压缩机、冶金领域的大型轴流鼓风机、电厂需要的大型离心和轴流通风机,以及各行各业所需的大批量通风设备;二是特殊要求多,如处理气固两相流动的烧结风机、介质含水的纺织空调用轴流风机、易燃易爆的氧气压缩机和氢气压缩机、处理腐蚀性气体的防腐风机等;三是耗能多,因为风机保有量大,且多长期连续运行,因此,风机的电耗在整个工业领域中所占比重名列前茅,比如,我国电站锅炉的送风机、引风机、一次风机和增压风机的风机耗电占电厂总发电量2%以上,占电厂自用电30%以上,其他领域的风机也大多如此,是不折不扣的“耗电大户”。

从事流体机械科研工作以来,李景银先后主持、参与几十项科研项目,包括流体机械方向的国家自然科学基金项目、国家重点研发项目、重大专项基础研究项目、“863”项目和众多的企业横向课题,与风机企业和用户建立了紧密的技术合作。

随着我国国民经济的快速发展,各行各业对工作环境和环保的要求越发严格,大大促进了废气处理技术的发展。工业废气多为酸性腐蚀性气体,需开发相应的防腐风机。当一心钻研流体机械的李景银教授和十分热衷技术开发的熙诚集团公司孟大雪总经理碰面,双方一拍即合,踏上了长达十多年的产学研开发之路,在防腐风机和水泵的设计开发与应用这一细分领域展开了一系列技术攻关。

针对当时该行业风机的高耗低效问题,孟大雪带领企业技术人员进行了深入的设备需求梳理和市场调研,并不断更新加工技术;李景银科研团队则利用最新的优化设计技术,对传统风机进行升级换代开发。合作过程中,他们不断迭代优化,相继开发出高效两元离心风机、高效低噪三元离心风机、高效大流量斜流和轴流风机、新型定流量通风阀和新型通风柜等一系列产品,蹚出了一条产品更高效、质量更上乘、价格优势更突出的高质量发展之路。

在喷淋塔风机和实验室风柜风机开发进程中,李景银教授团队组织了多个设计研发小组,以确保产品开发的及时性和领先性。他们从最开始的两元叶轮开始,不断总结大流量离心风机优化设计规律。孟大雪则带领公司技术人员开发设计更先进的加工工艺,先后将两元叶轮升级为三元叶轮、从工程塑料叶轮研发到玻璃钢叶轮、从矩形蜗壳开发到圆形蜗壳、从单一定流量风阀进阶到多种规格和形式的风阀、从高扬程小流量低效水泵迭代为高效大流量水泵,取得丰硕成果。

在高效离心风机的开发中,他们从市场出发,不仅重视产品规格的系列化,而且借助加工工艺的改进,改两元风机叶轮为三元注塑叶轮。与工业风机不同,注塑工艺可以在不增加成本的基础上将蜗壳流道截面形状设计为圆形,从而可以进一步提高风机气动效率。经过以上设计方法和加工工艺的改进,高比转数三元离心风机效率大幅度提高。

为了保证叶轮的比转速和压力系数在合适范围,团队和公司合作,重点开发了永磁电机、永磁电机控制软件和控制器,从而破解工业风机受三相异步电动机转速限制的难题,为高效离心风机的开发奠定了基础。谈到永磁电机的开发及其与通风机的配合使用时,“我国稀土资源丰富,开发永磁电机具有得天独厚的优势,而永磁电机在风机领域的大规模应用将彻底改变通风机的运行模式和开发方式。”李景银如是说,“通风设备基本采用电机提供动能,受限于过去异步电动机的转速,风机设计的比转速范围经常落在最优效率之外;此外,风机变工况运行时的效率降低很快,也极大影响能量的高效利用;第三,对于在空调通风行业得到广泛使用的多翼风机和高压前向风机,变工况的耗功巨大变化,导致电机需要很大的功率储备,甚至不得不按运行区间选择两台电机。”

从风机设计上讲,永磁电机的推广与使用或改良风机传统设计方法。“通风机的变工况运行常采用定转速,这种方式可以保证其在设计点上高效运行,但在小流量、大压力变化条件下风机性能下降变化很快,设计者在设计时不得不在高效率与高工作范围上进行衡量与取舍,经常顾此失彼。”李景银介绍道,“永磁电机方便快捷的变转速功能为通风机在不同工况下采用不同转速运行提供了可行路线,这也让设计者们改变设计方法以使风机实现最佳比转数的追踪,即通过实时变转速以保持最大效率运行,从而设计出效率高、性能好、工作范围更广的风机。”同时李景银表示:“永磁电机转子无需励磁,减小了电机的铜损和铁损,也避免了集电环和电刷摩擦和故障带来的效率上的损失,其本身的高效性更有益‘节能’大目标的实现。”

对于团队致力于开发的三元离心风机,“三元离心风机的制造工艺改进,结合永磁电机驱动器控制转速,可使风机的效率得到显著提高,同时制造成本可控,便于推广使用。”李景银补充道。

站在应用端的角度,首先是电机的选型上,李景银表示,“在实际应用中,对于行业常用的通风机搭配三相异步电机的形式,使用者更偏向于选择功率偏大的电机以保证运行安全,这样就常造成‘大马拉小车’的情况。但对于永磁电机“限功率限转速”的特点,其搭配通风机使用时,可以做到精准选型不浪费。同时,对于普遍应用的前向风机,驱动器可以控制电机限功率运行,也将从根本上解决配套电机过大和安全运行问题。”其次在实际运行中,“永磁电机与通风机直连,可大范围调整转速而无需皮带轮调整,既免去了皮带轮故障带来的维修成本,也提高了效率。”李景银解释道,“同时,永磁电机可以保证负载在大范围内高效稳定运行,避免了异步电机变频30Hz以下不能长时间运行的缺陷,使得用户使用更灵活、方便。”而且,“由于驱动器的芯片仍有一定的富余算力,可以进一步接入压力和温度等传感器,结合集成通讯模块,实现风机远程智能控制,增加风机的核心竞争力。”李景银指出。

在制造企业最关心的成本问题上,李景银团队也做了充分的调研。李景银表示:“永磁电机的成本集中在钕铁硼的永磁体上,但相对的,永磁电机可以节省约三分之二的硅钢片和二分之一的铜片。且永磁电机体积小、重量轻,在承重没要求的情况下可以小一到两个机号,甚至可以把电机安装在轴承箱上实现硬连接直接输出动力。通风机用永磁电机发热小、温升低,无需过度担心退磁问题,同时这样也使得电机的冷却系统结构简单,降低了整体成本。”

目前李景银研究团队正大力开展4个关键技术研究,如高效运行模式的研究和新型流量监测阀门的研制等。

轴流风机则是在矿山、实验室、车间等地得到广泛的应用。李景银研究团队与熙诚集团通力合作,采用最优控制理论优化设计叶轮,结合2500R永磁电机,显著提高风机效率和调节性能,进一步满足对轴流风机的大流量、尺寸紧凑的要求。

高效防腐离心水泵是双方“产学研”成果的又一典型案例。水泵行业和风机行业类似,“一泵多用”、“大马拉小车”和“运行工况偏离”的现象很常见。新型水泵的开发,首先从改进早期产品的结构入手,提高“防腐”能力;其次,优化产品系列,同时优化设计相应的新叶轮,提高叶轮做功能力和效率;对于蜗壳,通过改进和重新优化设计大弧度整体注塑弯头,有效避免了早期产品的回流现象,降低叶轮出水阻力、提高效率。孜孜不倦地努力,换来了新一代高效系列化水泵的广泛使用和市场占有。

近年来,双方又针对实验室的关键设备-通风柜,开展了深入的开发研究。通风柜是排出实验有毒有害气体、保障人员安全的重要设备。李景银研究团队针对通风柜内部气流不均匀、抽风不彻底等早期设备缺陷,对通风柜整体流场和导流系统进行详细的实验和计算分析,对导流板形状位置和尺寸、通风柜内部气流的输送情况进行了优化,并获得预期效果。

通风柜的关键配套产品是通风管道的流量控制。早期的流量阀要么简陋,要么是精度高但体积大、成本高的文丘里流量计阀门。针对这一痛点,双方开展了工艺改进和流场分析及测试,利用非线性控制器,开发了尺寸紧凑但控制精度高、流动阻力小的通风阀门,大大降低了制造成本、减少了安装空间。

“双碳”目标宏伟雄大、节能道路任重道远,西安交通大学李景银研究团队与江苏熙诚环保科技有限公司将持续开展深入合作,结合行业发展需求,依托现代设计和加工技术的进步,放眼高效风机的设计、安装、运维及元件匹配全流程,纵览风机的全生命周期,以降本增效为目标,锐意创新,在产品设计方法上不断探索突破,在流体机械的道路上续写“绿色”佳话。

 
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