風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備節(jié)能效果分析

楊可銀,徐俊峰,黃海,薛勇,劉麗

(江蘇磁谷科技股份有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

0 引言

目前,風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載設(shè)備具有平方轉(zhuǎn)矩特性,目前公認(rèn)調(diào)速運(yùn)行是最佳的節(jié)能方式[1]。風(fēng)機(jī)與水泵常見的調(diào)速方式有液力偶合調(diào)速、變頻調(diào)速和永磁調(diào)速等,其中液力偶合調(diào)速的發(fā)展已經(jīng)有上百年的歷史,技術(shù)已經(jīng)比較成熟。變頻調(diào)速從20世紀(jì)70年代出現(xiàn),其功能越來越全面,調(diào)速精度也越來越高。雖然液力偶合與變頻調(diào)速都有很多的優(yōu)點(diǎn),但其固有的缺點(diǎn)也是顯而易見的。液力偶合器調(diào)速精度差、響應(yīng)慢、轉(zhuǎn)差損耗較大;變頻器電子元器件眾多、高壓大功率變頻調(diào)速裝置技術(shù)含量高、難度大、電力諧波等問題都很難解決[2]。而新型的永磁調(diào)速技術(shù)越來越受歡迎。永磁調(diào)速器按照轉(zhuǎn)差功率的處理方式分為兩類,一類是將轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式消耗的渦流永磁調(diào)速器,另一類是將轉(zhuǎn)差功率進(jìn)行回收的繞組永磁調(diào)速器,兩者在調(diào)速節(jié)能效果上有著較大的差別。本文通過對轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備調(diào)速節(jié)能原理及節(jié)能效果的闡述與計(jì)算,完成風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備節(jié)能效果分析。

1 風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速的必要性

風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)行曲線如圖1所示[2],當(dāng)所需流量從Q1減小到Q2時(shí),如果采用調(diào)節(jié)閥門的辦法,管網(wǎng)阻力將會增加,管網(wǎng)特性曲線上移,系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)變到B點(diǎn),所需軸功率P2與面積H1×Q2成正比;如果采用調(diào)速方式,負(fù)載轉(zhuǎn)速由n1下降到n2,其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變,但負(fù)載的特性曲線將下移。因此其運(yùn)行工況點(diǎn)由A點(diǎn)移至C點(diǎn),此時(shí)所需軸功率P3與面積H3×Q2成正比。從理論上分析,所節(jié)約的軸功率ΔP與(H2-H3)×(Q1-Q2)的面積成正比[3]。

圖1 離心式負(fù)載的運(yùn)行曲線

文中所涉風(fēng)機(jī)、水泵符合《GB12497三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南的要求,設(shè)備符合以下計(jì)算公式:

流量變化與轉(zhuǎn)速變化成正比:

Q1/Q2=n1/n2

(1)

壓力變化與轉(zhuǎn)速變化平方成正比:

H1/H2=(n1/n2)2

(2)

功率變化與轉(zhuǎn)速變化立方成正比:

P1/P2=(n1/n2)3

(3)

風(fēng)機(jī)和水泵類負(fù)載屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載,在不同轉(zhuǎn)速n下的流量Q、壓力(揚(yáng)程)H和功率P符合相似定律。

2 轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備工作原理及主要參數(shù)定義

2.1 轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備工作原理

液力偶合調(diào)速器、渦流永磁調(diào)速器及繞組永磁調(diào)速器都屬于轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備,可定義為以特定介質(zhì)將原動機(jī)的動力傳遞給工作機(jī)械,并在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)的機(jī)械調(diào)速裝置,各自工作原理介紹如下。

1)液力偶合調(diào)速器

液力偶合調(diào)速器是一種以液體為工作介質(zhì)、利用液體動能傳遞能量的一種葉片式傳動機(jī)械。液力偶合器主要由泵輪、渦輪、旋轉(zhuǎn)外套和勺管組成。泵輪驅(qū)動工作油旋轉(zhuǎn)時(shí)把電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工作油的動能和壓力勢能,工作油在進(jìn)入渦輪后由其所攜帶的動能和壓力勢能推動渦輪旋轉(zhuǎn)。通過勺管改變工作腔內(nèi)工作油的充滿度,就可以改變液力偶合器輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)定速旋轉(zhuǎn)情況下對風(fēng)機(jī)或泵的無級變速。雖然液力藕合器用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速時(shí)具有顯著的節(jié)能效果,但是由于液力偶合器的調(diào)速效率不大于轉(zhuǎn)速比,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差損耗還是較大的,因此液力偶合器仍屬低效調(diào)速裝置[2]。

2)渦流永磁調(diào)速器

渦流永磁調(diào)速器由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)器三部分組成。導(dǎo)體轉(zhuǎn)子安裝在電機(jī)側(cè),永磁轉(zhuǎn)子安裝在負(fù)載側(cè),與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子相對,并由氣隙分開。當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),切割永磁轉(zhuǎn)子的磁力線,在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流,渦流產(chǎn)生感應(yīng)磁場與永磁場相互作用,從而帶動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),最終帶動負(fù)載運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間的相對位置,就可以控制傳遞轉(zhuǎn)矩的大小,實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化[3]。永磁渦流調(diào)速器的傳遞效率只與主動盤與從動盤之間的轉(zhuǎn)速差有關(guān),轉(zhuǎn)速差越小,效率越高。永磁渦流調(diào)速器功耗與傳遞功耗成正比,傳遞功耗大,自身能耗也大[4]。

3)繞組永磁調(diào)速器

繞組永磁調(diào)速器是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備,由調(diào)速器和控制器兩部分組成。調(diào)速器由永磁轉(zhuǎn)子和繞組轉(zhuǎn)子組成。驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動調(diào)速器永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,線圈繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流,進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)磁場。該感應(yīng)磁場與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用傳遞轉(zhuǎn)矩,通過控制器控制繞組轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流大小來控制其傳遞轉(zhuǎn)矩的大小以適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求,實(shí)現(xiàn)軟起動和調(diào)速功能。繞組永磁偶合調(diào)速器在傳遞動力和調(diào)速的同時(shí),將轉(zhuǎn)差功率通過集電環(huán)和碳刷引出,經(jīng)整流、逆變后回饋至電機(jī)電源端再利用,從而達(dá)到節(jié)約電能消耗的目的,同時(shí)還解決了轉(zhuǎn)差損耗帶來的溫升問題[5]。

2.2 轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備參數(shù)定義

轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備的特性參數(shù)主要有轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速比i、轉(zhuǎn)差率S和調(diào)速效率η。

1)轉(zhuǎn)矩T

轉(zhuǎn)差類調(diào)速設(shè)備在忽略風(fēng)磨損耗下,輸入轉(zhuǎn)矩T1等于傳遞給負(fù)載的轉(zhuǎn)矩Tf,即T1=Tf。

2)轉(zhuǎn)速比i

轉(zhuǎn)差類調(diào)速設(shè)備運(yùn)行時(shí)其輸出轉(zhuǎn)速n2與輸入轉(zhuǎn)速n1之比,稱為轉(zhuǎn)速比i,其轉(zhuǎn)速比i必然小于1。因?yàn)槿鬷=1,就意味著輸入與輸出之間不存在轉(zhuǎn)速差,轉(zhuǎn)速比i是設(shè)備性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

3)轉(zhuǎn)差率S

轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備工作時(shí),輸入轉(zhuǎn)子與輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差與輸入轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)稱為轉(zhuǎn)差率,即

(4)

轉(zhuǎn)差率除表示相對轉(zhuǎn)速差的大小外,還表示在調(diào)速設(shè)備功率的傳動損失率。在忽略風(fēng)磨損耗下,輸入轉(zhuǎn)矩T1等于傳遞給負(fù)載的轉(zhuǎn)矩Tf,可得:

(5)

4)調(diào)速效率η

調(diào)速效率又稱為傳動效率。它等于調(diào)速設(shè)備的輸出功率P2與輸入功率P1之比,因轉(zhuǎn)矩T1等于傳遞給負(fù)載的轉(zhuǎn)矩Tf,故有:

(6)

η+S=1

(7)

由上述公式可看出在忽略調(diào)速器的機(jī)械損失和容積損失等時(shí),轉(zhuǎn)差類設(shè)備的調(diào)速效率η等于調(diào)速百分比i。工作時(shí)的轉(zhuǎn)速比i越小,其調(diào)速效率也越低,這是不可回收轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備的一個(gè)重要工作特性[2]。

3 轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備在風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速中的功率損耗計(jì)算

因離心式風(fēng)機(jī)符合二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性[6],根據(jù)式(1)—式(3),可得出不同調(diào)速n轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)軸功率Pn及風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩Tn。設(shè)風(fēng)機(jī)額定功率為PN,風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN,則Pn=(nn/nN)3×PN。

同時(shí)根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系可得:Pn=Tn×nn。

綜上可得在調(diào)速n轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)差功率為

額定轉(zhuǎn)速下的調(diào)速比i=nn÷nN×100%,所以在調(diào)速n下的轉(zhuǎn)差功率:

△P=(i2-i3)×PN

(8)

為求出最大轉(zhuǎn)差功率損耗時(shí)的轉(zhuǎn)速比,可將式(8)的△P對i求導(dǎo)數(shù),再令導(dǎo)數(shù)為0,求出其極值點(diǎn),即可求出其極大值或極小值:

得出取得極大值的極值點(diǎn)為i=2/3=0.667。把極大值代入式(8)可求出轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備的最大轉(zhuǎn)差功率損耗為0.148PN。

以上通過理論分析,推導(dǎo)出風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備進(jìn)行調(diào)速時(shí),最大轉(zhuǎn)差功率發(fā)生在轉(zhuǎn)速比i=2/3處。據(jù)此做出風(fēng)機(jī)、水泵在采用轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行時(shí)的調(diào)速效率、轉(zhuǎn)差損失功率與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系曲線,如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備調(diào)速效率、功率與調(diào)速比關(guān)系曲線

從圖2中可以看出隨著轉(zhuǎn)速比的減小,效率較高,轉(zhuǎn)差損失功率△P也相應(yīng)變小,調(diào)速比越大,調(diào)速器的傳遞功率也迅速減小,相應(yīng)的轉(zhuǎn)差損失功率△P也相應(yīng)變小。呈現(xiàn)出△P隨調(diào)速比兩端逐步減小的現(xiàn)象。

上述推導(dǎo)過程顯示轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備在調(diào)速運(yùn)行過程中必然存在轉(zhuǎn)差功率,在實(shí)際應(yīng)用中渦流永磁調(diào)速器與液力偶合調(diào)速器都是以發(fā)熱形式將其散發(fā)浪費(fèi),調(diào)速效率較為低下。繞組永磁調(diào)速則可以將轉(zhuǎn)差功率△P通過集電環(huán)和碳刷引出,經(jīng)整流、逆變后回饋至電機(jī)電源端再利用,從而達(dá)到節(jié)約電能消耗的目的,避免轉(zhuǎn)差損耗帶來的溫升問題。

4 風(fēng)機(jī)采用不同轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備的節(jié)能數(shù)據(jù)比較

為檢測各設(shè)備的節(jié)能情況,下面以某鋼廠的在3臺不同風(fēng)機(jī)設(shè)備上應(yīng)用的三類不同轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備為例,委托第三方檢測應(yīng)用不同轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備的風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速及調(diào)速模式下的耗電情況。評估測試方法如下。

1)風(fēng)機(jī)風(fēng)門全開,調(diào)速器最高輸出轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速nN。

2)最高輸出轉(zhuǎn)速工況下有功功率值P1為基準(zhǔn)有功耗電功率。

3)依次將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至90%nN、85%nN、80%nN、75%nN、70%nN、65%nN并穩(wěn)定運(yùn)行,分別記錄風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬時(shí)有功功率P。

4)測試數(shù)據(jù)顯示如表1—表3,表中計(jì)算公式及說明如下:

表1 評估檢測數(shù)據(jù)

表2 不同調(diào)速比下三類調(diào)速設(shè)備的耗電率 單位:%

表3 不同調(diào)速比下相關(guān)調(diào)整設(shè)備節(jié)電率 單位:%

轉(zhuǎn)速百分比為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n2與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN之比的百分?jǐn)?shù),電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為995r/min。

耗電比為調(diào)速工況運(yùn)行功率P與P1之比。

相對節(jié)電率為1與耗電比之差的百分?jǐn)?shù)。

節(jié)電率(A相對B)為A耗電率與B耗電率的差值與A耗電率之比的百分?jǐn)?shù)。

檢測評估數(shù)據(jù)顯示渦流永磁調(diào)速器與液力偶合調(diào)速器的耗電率基本一致,繞組永磁調(diào)速器相對于其他兩種調(diào)速設(shè)備具有更高的節(jié)電效果,這得益于繞組永磁調(diào)速器將轉(zhuǎn)差功率ΔP回收重新利用。

本文檢測評估數(shù)據(jù)是離心式風(fēng)機(jī)負(fù)載,但是應(yīng)該注意的是對于離心式水泵,其靜揚(yáng)程一般都比較大,所以調(diào)速前后的流量比不一定完全等于調(diào)速比,往往是流量比大于調(diào)速比。因?yàn)檎{(diào)速比變化小,所以功率減小量也少。因此水泵的調(diào)速節(jié)能效果要比風(fēng)機(jī)差些。

5 結(jié)語

風(fēng)機(jī)、水泵采用調(diào)速方式運(yùn)行可提高系統(tǒng)的效率,節(jié)約大量能源,符合我國節(jié)能減排政策的必然趨勢,特別是在使用較多風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載的大型高能耗的電力、鋼鐵、冶煉石化、水泥行業(yè)更應(yīng)采用先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備。目前調(diào)速節(jié)能技術(shù)種類較多,液力偶合器由于其較低的效率和較高的維護(hù)費(fèi)用,正逐漸被市場淘汰;渦流永磁調(diào)速技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的技術(shù),可靠性高、維護(hù)費(fèi)用低、傳動性能好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),但同屬轉(zhuǎn)差調(diào)速設(shè)備,轉(zhuǎn)差功率均以發(fā)熱方式進(jìn)行消耗,大功率需外加冷卻裝置;繞組永磁調(diào)速器成熟度及認(rèn)可度正逐步提高,且調(diào)節(jié)精度和效率高,雖初始投資略大,但節(jié)電優(yōu)勢明顯。

在選擇調(diào)速節(jié)能設(shè)備時(shí)要充分考慮負(fù)載的調(diào)速運(yùn)行情況、現(xiàn)場的安裝條件、投資回報(bào)周期等因素,在保證系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí),達(dá)到降本增效的目的。