大功率風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（

摘要：指出了發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速運(yùn)行的必要性和巨大的節(jié)能潛力；討論了各種調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并作出了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；水泵；液力耦合器；變頻調(diào)速；串級(jí)調(diào)速；無刷雙饋電機(jī)

Techno- economics Analysis of Energy Saving for

Adjusting Speed of Blower and Water Pump in Power Plant

XU Fu- rong

Abstract:This paper introduces the necessity of adjusting speed saving energy of blower and water pump in the power plant and the large latent capacity of saving energy; It also introduces the advantages and disadvantages of various methods for adjusting speed and make a detail techno? economics analysis.

Keywords:Blower; Water pump;Fluid coupler;Variable frequeney adjusting speed;Cascade adjusting speed;Brushless double-fed machine

3 風(fēng)機(jī)水泵的低效調(diào)速節(jié)能方案

3．1 液力耦合器

液力耦合器是一種利用液體（多數(shù)為油）的動(dòng)能來傳遞能量的葉片式傳動(dòng)機(jī)械。安裝在定速電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)水泵之間，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

液力耦合器的調(diào)速效率η等于輸出功率P2與輸入功率P1之比。在忽略各種阻力扭矩時(shí)可以近似認(rèn)為：

MB=－MT

式中：MB——穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，泵輪葉片作用于液體的扭矩；

MT——穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，液體作用于渦輪的扭矩。

則有：

η=P2/P1≈PT/PB=－MTωT/MBωB=－MTnT/MBnB=nT/nB=i （7）

式中：PB——穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，泵輪葉片作用于液體的功率；

PT——穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，液體作用于渦輪的功率；

ωB——對(duì)應(yīng)于MB的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

ωT——對(duì)應(yīng)于MT的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

nB——對(duì)應(yīng)于ωB的轉(zhuǎn)速；

nT——對(duì)應(yīng)于ωT的轉(zhuǎn)速。

即在忽略液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等損失時(shí)，液力耦合器的調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比。轉(zhuǎn)速比越小，其調(diào)速效率也越低，這是液力耦合器的一個(gè)重要工作特性。

當(dāng)液力耦合器帶泵或風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速傳動(dòng)時(shí)，泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n等于液力耦合器渦輪的轉(zhuǎn)速nT，即n=nT，而其軸功率P等于渦輪傳遞的軸功率PT，即P=PT。根據(jù)葉片式泵與風(fēng)機(jī)的比例定律，泵與風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比：

PT/PTn=(nT/nTmax)3

或改寫成：

PT=PTn(nT/nTmax)3=PTn(nT/nB)3·(nB/nTmax)3=PTni3/in3 (8)

因?yàn)閕=PT/PB，即PB=PT/i=PTn(i2/in3)，則液力耦合器的轉(zhuǎn)差損失功率：

ΔP=PB－PT=PTn(i2－i3)/in3 (9)

為了求出最大轉(zhuǎn)差功率損失處的轉(zhuǎn)速比i，將式（9）對(duì)i求導(dǎo)數(shù)，再令導(dǎo)數(shù)為零，可求出其極值點(diǎn)，即：

d(ΔP)/di=PTn(2i－3i2)/in3=0

得i=2/3=0.667時(shí)

ΔPmax=PTn[(2/3)2－(2/3)3]/in3=（4/27）PTn/in3=0.148PTn/in3=0.148PBn/in2（10）

通常，液力耦合器的in=0.97～0.98，則：

ΔPmax=(0.157～0.162)PTn=(0.154～0.157)PBn （11）

由此證明，液力耦合器帶泵或風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速傳動(dòng)時(shí)，其最大轉(zhuǎn)差功率損耗ΔPmax發(fā)生在轉(zhuǎn)速比i=2/3處，并不是轉(zhuǎn)速越低，耗損越大。

雖然液力耦合器工作在低速時(shí)其調(diào)速效率很低（等于轉(zhuǎn)速比），但在帶泵與風(fēng)機(jī)調(diào)速時(shí)，與節(jié)流調(diào)節(jié)相比較，仍具有顯著的節(jié)能效果。例如某離心風(fēng)機(jī)，當(dāng)流量Q=190×103m3/h時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率為158kW，當(dāng)通過節(jié)流調(diào)節(jié)使流量Q=95×103m3/h時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率為115kW。當(dāng)用液力耦合器調(diào)速時(shí)，由于流量為原流量的一半，則風(fēng)機(jī)的軸功率應(yīng)為其1／8。

158kW×(1/2)3=19.75kW

再考慮到i=1/2時(shí)的液力耦合器的效率η=i=0．5。原動(dòng)機(jī)的輸出功率應(yīng)為19．75kW×2=39.5kW，較之節(jié)流調(diào)節(jié)仍有75.5kW（=115kW－39.5kW)的節(jié)電效果，仍是相當(dāng)可觀的。

液力耦合器的優(yōu)點(diǎn)是：

——無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大，較之節(jié)流調(diào)節(jié)有顯著節(jié)能效果；

——可空載起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和逐步起動(dòng)大慣量負(fù)荷，降低了起動(dòng)電流，使起動(dòng)更為安全可靠；

——隔離振動(dòng)，能減輕負(fù)荷沖擊，再加之起動(dòng)電流小，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)及泵與風(fēng)機(jī)的壽命；

——過載保護(hù)，保護(hù)電動(dòng)機(jī)及風(fēng)機(jī)水泵；

——除軸承外無其他摩損部件，因滑差損耗產(chǎn)生的熱量均勻地分散到油中，不會(huì)引起局部過熱，故工作可靠，能長(zhǎng)期無檢修工作，壽命長(zhǎng)；

——工作平穩(wěn)，可以平緩地起動(dòng)、加速、減速和停車；

——便于控制，液力耦合器是無級(jí)調(diào)速，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，適合于各種伺服控制系統(tǒng)；

——能用于大容量泵與風(fēng)機(jī)的變速調(diào)節(jié)，目前單臺(tái)液力耦合器傳遞的功率已達(dá)20MW以上。

其缺點(diǎn)是：

——和節(jié)流調(diào)節(jié)相比，增加了初投資，增加了安裝空間，大功率的液力耦合器除本體設(shè)備外，還要一套附加的冷油器等輔助設(shè)備與管路系統(tǒng)；

——由于液力耦合器的最大轉(zhuǎn)速比in=0.97～0.98，因此液力耦合器的輸出最大轉(zhuǎn)速要比輸入轉(zhuǎn)速低；

——調(diào)節(jié)延遲時(shí)間較長(zhǎng)，不適應(yīng)緊急事故的處理，適合于較高轉(zhuǎn)速的泵與風(fēng)機(jī)調(diào)速的場(chǎng)合；

——調(diào)速精度不高，不適宜要求精確轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合使用；

——因?yàn)闊o直聯(lián)機(jī)構(gòu)，故液力耦合器一旦發(fā)生故障，泵與風(fēng)機(jī)也只能停止工作；

——調(diào)速效率低（η=i），等于轉(zhuǎn)速比，產(chǎn)生的損耗大，在各種變速裝置中屬低效調(diào)速裝置。

3．2 液力調(diào)速離合器

液力調(diào)速離合器是一種以油為工作介質(zhì)，依靠摩擦力傳遞功率的變速傳動(dòng)裝置。它是一種新型的液力無級(jí)調(diào)速傳動(dòng)裝置，既能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，又能象普通離合器一樣，既可將主動(dòng)部分與從動(dòng)部分分離，又可將主動(dòng)部分與從動(dòng)部分無相對(duì)運(yùn)動(dòng)地合在一起，所以稱其為液力調(diào)速離合器，也稱奧米伽離合器。

其調(diào)速特性與液力耦合器基本相似，也屬于低效調(diào)速裝置，但其最大調(diào)速比in=1，調(diào)速效率η=P2/P1=M2ω2/M1ω1=n2/n1=i，當(dāng)泵與風(fēng)機(jī)相聯(lián)、i=2/3時(shí)，ΔPmax=0.148PN，體積比液力耦合器較小，投資差不多，但功率較小。

3．3 電磁轉(zhuǎn)差離合器

電磁轉(zhuǎn)差離合器的功用和液力耦合器及液力調(diào)速離合器相同，都是安裝在定速電動(dòng)機(jī)與泵或風(fēng)機(jī)之間的一種變速傳動(dòng)裝置，使泵與風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

電磁轉(zhuǎn)差離合器的基本部件為電樞與磁極，這兩者之間沒有機(jī)械聯(lián)系，各自可以自由旋轉(zhuǎn)。電樞是主動(dòng)部分，直接與電動(dòng)機(jī)的輸出軸連接，并由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。電樞通常為圓筒形整塊鑄鋼，在外表面常鑄或焊有風(fēng)扇葉，以提高散熱效果。磁極為從動(dòng)部分，它通過聯(lián)軸器與泵或風(fēng)機(jī)的輸入軸相連。磁極由鐵芯和勵(lì)磁繞組組成，勵(lì)磁繞組有裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上的，也有固定在機(jī)殼上的，前者的勵(lì)磁電流需通過集電環(huán)和電刷引到轉(zhuǎn)子。圖5所示為電磁轉(zhuǎn)差離合器的示意圖。從圖5可見，主動(dòng)部分（電樞）與從動(dòng)部分（磁極）之間在機(jī)械上是分開的，當(dāng)中有氣隙。當(dāng)勵(lì)磁繞組無勵(lì)磁電 流 通 過 時(shí) ， 則 這 兩 部 分 互 不 相 干 ； 只 有 在 通 以 勵(lì) 磁 電 流 時(shí) ， 才 能 靠 電 磁 效 應(yīng) 相 互 聯(lián) 系 起 來 。

圖5 電磁轉(zhuǎn)差離合器示意圖

電磁轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速原理是基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電時(shí)，沿氣隙圓周面將形成若干對(duì)極性交替的磁極，其磁通穿過氣隙與電樞相鏈。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞與磁極之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因感應(yīng)而產(chǎn)生電勢(shì)，這一感應(yīng)電勢(shì)將在電樞中形成渦流，其方向可由右手定則確定。此渦流又與磁場(chǎng)的磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力，其方向可按左手定則確定，這個(gè)力作用于電樞一個(gè)轉(zhuǎn)矩，其方向與電樞的旋轉(zhuǎn)方向相反，是與帶動(dòng)電樞旋轉(zhuǎn)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡的制動(dòng)力矩。這個(gè)力及力矩也同樣作用在磁極上，其方向與電樞旋轉(zhuǎn)方向相同，它使磁極沿電樞旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，并拖動(dòng)泵或風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

電磁轉(zhuǎn)差離合器與硬性聯(lián)接的普通聯(lián)軸器傳動(dòng)的不同之處是：電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極轉(zhuǎn)速n2是可以連續(xù)調(diào)整的，且n2一定小于電樞轉(zhuǎn)速n1。這是因?yàn)槿鬾2=n1，則磁極與電樞之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即電樞沒有切割磁力線，也就不可能在電樞中感應(yīng)出電勢(shì)，更談不上產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩了。因此，電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極與電樞之間必存