大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析(

2011-05-20 00:13:10来源: 互联网

摘要:指出了发电厂风机水泵调速运行的必要性和巨大的节能潜力;讨论了各种调速方式的优缺点,并作出了详细的技术经济分析。

关键词:风机;水泵;液力耦合器;变频调速;串级调速;无刷双馈电机

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   风机水泵的低效调速节能方案

3.1   液力耦合器

    液力耦合器是一种利用液体(多数为油)的动能来传递能量的叶片式传动机械。安装在定速电动机与风机水泵之间,达到平滑调节转速的目的。

    液力耦合器的调速效率η等于输出功率P2与输入功率P1之比。在忽略各种阻力扭矩时可以近似认为:

    MB=-MT

式中:MB——稳定流动时,泵轮叶片作用于液体的扭矩;

      MT——稳定流动时,液体作用于涡轮的扭矩。

则有:

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

式中:PB——稳定流动时,泵轮叶片作用于液体的功率;

      PT——稳定流动时,液体作用于涡轮的功率;

      ωB——对应于MB的转动角速度;

      ωT——对应于MT的转动角速度;

      nB——对应于ωB的转速;

      nT——对应于ωT的转速。

    即在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等损失时,液力耦合器的调速效率等于转速比。转速比越小,其调速效率也越低,这是液力耦合器的一个重要工作特性。

    当液力耦合器带泵或风机进行调速传动时,泵或风机的转速n等于液力耦合器涡轮的转速nT,即n=nT,而其轴功率P等于涡轮传递的轴功率PT,即P=PT。根据叶片式泵与风机的比例定律,泵与风机的轴功率与其转速n的三次方成正比:

       PT/PTn=(nT/nTmax)3

或改写成:

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

    因为i=PT/PB,即PB=PT/i=PTn(i2/in3),则液力耦合器的转差损失功率:

      ΔP=PB-PT=PTn(i2-i3)/in3    (9)

    为了求出最大转差功率损失处的转速比i,将式(9)对i求导数,再令导数为零,可求出其极值点,即:

    d(ΔP)/di=PTn(2i-3i2)/in3=0

得i=2/3=0.667时

    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,则:

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

    由此证明,液力耦合器带泵或风机进行调速传动时,其最大转差功率损耗ΔPmax发生在转速比i=2/3处,并不是转速越低,耗损越大。

    虽然液力耦合器工作在低速时其调速效率很低(等于转速比),但在带泵与风机调速时,与节流调节相比较,仍具有显著的节能效果。例如某离心风机,当流量Q=190×103m3/h时,风机的轴功率为158kW,当通过节流调节使流量Q=95×103m3/h时,风机的轴功率为115kW。当用液力耦合器调速时,由于流量为原流量的一半,则风机的轴功率应为其1/8。

    158kW×(1/2)3=19.75kW

    再考虑到i=1/2时的液力耦合器的效率η=i=0.5。原动机的输出功率应为19.75kW×2=39.5kW,较之节流调节仍有75.5kW(=115kW-39.5kW)的节电效果,仍是相当可观的。

    液力耦合器的优点是:

    ——无级调速,调速范围大,较之节流调节有显著节能效果;

    ——可空载起动电动机和逐步起动大惯量负荷,降低了起动电流,使起动更为安全可靠;

    ——隔离振动,能减轻负荷冲击,再加之起动电流小,延长了电动机及泵与风机的寿命;

    ——过载保护,保护电动机及风机水泵;

    ——除轴承外无其他摩损部件,因滑差损耗产生的热量均匀地分散到油中,不会引起局部过热,故工作可靠,能长期无检修工作,寿命长;

    ——工作平稳,可以平缓地起动、加速、减速和停车;

    ——便于控制,液力耦合器是无级调速,便于实现自动控制,适合于各种伺服控制系统;

    ——能用于大容量泵与风机的变速调节,目前单台液力耦合器传递的功率已达20MW以上。

    其缺点是:

    ——和节流调节相比,增加了初投资,增加了安装空间,大功率的液力耦合器除本体设备外,还要一套附加的冷油器等辅助设备与管路系统;

    ——由于液力耦合器的最大转速比in=0.97~0.98,因此液力耦合器的输出最大转速要比输入转速低;

    ——调节延迟时间较长,不适应紧急事故的处理,适合于较高转速的泵与风机调速的场合;

    ——调速精度不高,不适宜要求精确转速的场合使用;

    ——因为无直联机构,故液力耦合器一旦发生故障,泵与风机也只能停止工作;

    ——调速效率低(η=i),等于转速比,产生的损耗大,在各种变速装置中属低效调速装置。

3.2   液力调速离合器

    液力调速离合器是一种以油为工作介质,依靠摩擦力传递功率的变速传动装置。它是一种新型的液力无级调速传动装置,既能实现无级调速,又能象普通离合器一样,既可将主动部分与从动部分分离,又可将主动部分与从动部分无相对运动地合在一起,所以称其为液力调速离合器,也称奥米伽离合器。

    其调速特性与液力耦合器基本相似,也属于低效调速装置,但其最大调速比in=1,调速效率η=P2/P1=M2ω2/M1ω1=n2/n1=i,当泵与风机相联、i=2/3时,ΔPmax=0.148PN,体积比液力耦合器较小,投资差不多,但功率较小。

3.3   电磁转差离合器

    电磁转差离合器的功用和液力耦合器及液力调速离合器相同,都是安装在定速电动机与泵或风机之间的一种变速传动装置,使泵与风机可以实现无级调速。

    电磁转差离合器的基本部件为电枢与磁极,这两者之间没有机械联系,各自可以自由旋转。电枢是主动部分,直接与电动机的输出轴连接,并由电动机带动其旋转。电枢通常为圆筒形整块铸钢,在外表面常铸或焊有风扇叶,以提高散热效果。磁极为从动部分,它通过联轴器与泵或风机的输入轴相连。磁极由铁芯和励磁绕组组成,励磁绕组有装设在转子上的,也有固定在机壳上的,前者的励磁电流需通过集电环和电刷引到转子。图5所示为电磁转差离合器的示意图。从图5可见,主动部分(电枢)与从动部分(磁极)之间在机械上是分开的,当中有气隙。当励磁绕组无励磁电 流 通 过 时 , 则 这 两 部 分 互 不 相 干 ; 只 有 在 通 以 励 磁 电 流 时 , 才 能 靠 电 磁 效 应 相 互 联 系 起 来 。


图5   电磁转差离合器示意图

    电磁转差离合器的调速原理是基于电磁感应定律。当励磁绕组通以直流电时,沿气隙圆周面将形成若干对极性交替的磁极,其磁通穿过气隙与电枢相链。当电动机带动电枢旋转时,电枢与磁极之间有相对运动,因感应而产生电势,这一感应电势将在电枢中形成涡流,其方向可由右手定则确定。此涡流又与磁场的磁通相互作用,产生电磁力,其方向可按左手定则确定,这个力作用于电枢一个转矩,其方向与电枢的旋转方向相反,是与带动电枢旋转的拖动转矩相平衡的制动力矩。这个力及力矩也同样作用在磁极上,其方向与电枢旋转方向相同,它使磁极沿电枢旋转方向旋转,并拖动泵或风机旋转。

    电磁转差离合器与硬性联接的普通联轴器传动的不同之处是:电磁转差离合器的磁极转速n2是可以连续调整的,且n2一定小于电枢转速n1。这是因为若n2=n1,则磁极与电枢之间不存在相对运动,即电枢没有切割磁力线,也就不可能在电枢中感应出电势,更谈不上产生力和转矩了。因此,电磁转差离合器的磁极与电枢之间必存在一个转速差Δn=n1-n2,这和异步电动机的原理相似。

磁极转速n2的高低由磁极磁场的强弱而定,亦即由励磁电流的大小而定。当励磁电流大时,n2就高,磁极与电枢之间只要有较小的转差率,就能产生足够大的涡流转矩来带动负载;当励磁电流小时,n2就低,必须

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关键字:风机  水泵  节能  运行

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0520/article_8786.html
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