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          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(

          作者: 時(shí)間:2011-05-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          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


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