風機水泵應用轉差調速設備節能效果分析

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 鎮江 212009)

0 引言

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

1 風機、水泵調速的必要性

風機、水泵的運行曲線如圖1所示[2],當所需流量從Q1減小到Q2時,如果采用調節閥門的辦法,管網阻力將會增加,管網特性曲線上移,系統的運行工況點從A點變到B點,所需軸功率P2與面積H1×Q2成正比;如果采用調速方式,負載轉速由n1下降到n2,其管網特性并不發生改變,但負載的特性曲線將下移。因此其運行工況點由A點移至C點,此時所需軸功率P3與面積H3×Q2成正比。從理論上分析,所節約的軸功率ΔP與(H2-H3)×(Q1-Q2)的面積成正比[3]。

圖1 離心式負載的運行曲線

文中所涉風機、水泵符合《GB12497三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南的要求,設備符合以下計算公式:

流量變化與轉速變化成正比:

Q1/Q2=n1/n2

(1)

壓力變化與轉速變化平方成正比:

H1/H2=(n1/n2)2

(2)

功率變化與轉速變化立方成正比:

P1/P2=(n1/n2)3

(3)

風機和水泵類負載屬平方轉矩負載,在不同轉速n下的流量Q、壓力(揚程)H和功率P符合相似定律。

2 轉差調速設備工作原理及主要參數定義

2.1 轉差調速設備工作原理

液力偶合調速器、渦流永磁調速器及繞組永磁調速器都屬于轉差調速設備,可定義為以特定介質將原動機的動力傳遞給工作機械,并在一定范圍內實現輸出轉速的無級調節的機械調速裝置,各自工作原理介紹如下。

1)液力偶合調速器

液力偶合調速器是一種以液體為工作介質、利用液體動能傳遞能量的一種葉片式傳動機械。液力偶合器主要由泵輪、渦輪、旋轉外套和勺管組成。泵輪驅動工作油旋轉時把電機的機械能轉化為工作油的動能和壓力勢能,工作油在進入渦輪后由其所攜帶的動能和壓力勢能推動渦輪旋轉。通過勺管改變工作腔內工作油的充滿度,就可以改變液力偶合器輸出的轉矩和轉速,從而實現電機定速旋轉情況下對風機或泵的無級變速。雖然液力藕合器用于風機水泵調速時具有顯著的節能效果,但是由于液力偶合器的調速效率不大于轉速比,產生的轉差損耗還是較大的,因此液力偶合器仍屬低效調速裝置[2]。

2)渦流永磁調速器

渦流永磁調速器由導體轉子、永磁轉子、調節器三部分組成。導體轉子安裝在電機側,永磁轉子安裝在負載側,與導體轉子相對,并由氣隙分開。當導體轉子旋轉時,切割永磁轉子的磁力線,在導體轉子上產生渦流,渦流產生感應磁場與永磁場相互作用,從而帶動永磁轉子旋轉,最終帶動負載運行。通過調節器調節導體轉子和永磁轉子之間的相對位置,就可以控制傳遞轉矩的大小,實現負載轉速的變化[3]。永磁渦流調速器的傳遞效率只與主動盤與從動盤之間的轉速差有關,轉速差越小,效率越高。永磁渦流調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)繞組永磁調速器

繞組永磁調速器是一種轉差調速設備,由調速器和控制器兩部分組成。調速器由永磁轉子和繞組轉子組成。驅動電機驅動調速器永磁轉子旋轉產生旋轉磁場,線圈繞組切割旋轉磁場磁力線產生感應電流,進而產生感應磁場。該感應磁場與旋轉磁場相互作用傳遞轉矩,通過控制器控制繞組轉子的感應電流大小來控制其傳遞轉矩的大小以適應轉速要求,實現軟起動和調速功能。繞組永磁偶合調速器在傳遞動力和調速的同時,將轉差功率通過集電環和碳刷引出,經整流、逆變后回饋至電機電源端再利用,從而達到節約電能消耗的目的,同時還解決了轉差損耗帶來的溫升問題[5]。

2.2 轉差調速設備參數定義

轉差調速設備的特性參數主要有轉矩T、轉速比i、轉差率S和調速效率η。

1)轉矩T

轉差類調速設備在忽略風磨損耗下,輸入轉矩T1等于傳遞給負載的轉矩Tf,即T1=Tf。

2)轉速比i

轉差類調速設備運行時其輸出轉速n2與輸入轉速n1之比,稱為轉速比i,其轉速比i必然小于1。因為若i=1,就意味著輸入與輸出之間不存在轉速差,轉速比i是設備性能的一個重要指標。

3)轉差率S

轉差調速設備工作時,輸入轉子與輸出轉子轉速差與輸入轉速之比的百分數稱為轉差率,即

(4)

轉差率除表示相對轉速差的大小外,還表示在調速設備功率的傳動損失率。在忽略風磨損耗下,輸入轉矩T1等于傳遞給負載的轉矩Tf,可得:

(5)

4)調速效率η

調速效率又稱為傳動效率。它等于調速設備的輸出功率P2與輸入功率P1之比,因轉矩T1等于傳遞給負載的轉矩Tf,故有:

(6)

η+S=1

(7)

由上述公式可看出在忽略調速器的機械損失和容積損失等時,轉差類設備的調速效率η等于調速百分比i。工作時的轉速比i越小,其調速效率也越低,這是不可回收轉差調速設備的一個重要工作特性[2]。

3 轉差調速設備在風機水泵調速中的功率損耗計算

因離心式風機符合二次方轉矩負載特性[6],根據式(1)—式(3),可得出不同調速n轉速下的風機軸功率Pn及風機軸轉矩Tn。設風機額定功率為PN,風機額定轉速為nN,則Pn=(nn/nN)3×PN。

同時根據功率、轉速、轉矩關系可得:Pn=Tn×nn。

綜上可得在調速n轉速下轉差功率為

額定轉速下的調速比i=nn÷nN×100%,所以在調速n下的轉差功率:

△P=(i2-i3)×PN

(8)

為求出最大轉差功率損耗時的轉速比,可將式(8)的△P對i求導數,再令導數為0,求出其極值點,即可求出其極大值或極小值:

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

以上通過理論分析,推導出風機水泵應用轉差調速設備進行調速時,最大轉差功率發生在轉速比i=2/3處。據此做出風機、水泵在采用轉差調速設備進行調速運行時的調速效率、轉差損失功率與轉速比的關系曲線,如圖2所示。

圖2 轉差調速設備調速效率、功率與調速比關系曲線

從圖2中可以看出隨著轉速比的減小,效率較高,轉差損失功率△P也相應變小,調速比越大,調速器的傳遞功率也迅速減小,相應的轉差損失功率△P也相應變小。呈現出△P隨調速比兩端逐步減小的現象。

上述推導過程顯示轉差調速設備在調速運行過程中必然存在轉差功率,在實際應用中渦流永磁調速器與液力偶合調速器都是以發熱形式將其散發浪費,調速效率較為低下。繞組永磁調速則可以將轉差功率△P通過集電環和碳刷引出,經整流、逆變后回饋至電機電源端再利用,從而達到節約電能消耗的目的,避免轉差損耗帶來的溫升問題。

4 風機采用不同轉差調速設備的節能數據比較

為檢測各設備的節能情況,下面以某鋼廠的在3臺不同風機設備上應用的三類不同轉差調速設備為例,委托第三方檢測應用不同轉差調速設備的風機在額定轉速及調速模式下的耗電情況。評估測試方法如下。

1)風機風門全開,調速器最高輸出轉速為額定轉速nN。

2)最高輸出轉速工況下有功功率值P1為基準有功耗電功率。

3)依次將風機轉速調整至90%nN、85%nN、80%nN、75%nN、70%nN、65%nN并穩定運行,分別記錄風機轉速瞬時有功功率P。

4)測試數據顯示如表1—表3,表中計算公式及說明如下:

表1 評估檢測數據

表2 不同調速比下三類調速設備的耗電率 單位:%

表3 不同調速比下相關調整設備節電率 單位:%

轉速百分比為風機轉速n2與電機額定轉速nN之比的百分數,電機額定轉速為995r/min。

耗電比為調速工況運行功率P與P1之比。

相對節電率為1與耗電比之差的百分數。

節電率(A相對B)為A耗電率與B耗電率的差值與A耗電率之比的百分數。

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

本文檢測評估數據是離心式風機負載,但是應該注意的是對于離心式水泵,其靜揚程一般都比較大,所以調速前后的流量比不一定完全等于調速比,往往是流量比大于調速比。因為調速比變化小,所以功率減小量也少。因此水泵的調速節能效果要比風機差些。

5 結語

風機、水泵采用調速方式運行可提高系統的效率,節約大量能源,符合我國節能減排政策的必然趨勢,特別是在使用較多風機水泵類負載的大型高能耗的電力、鋼鐵、冶煉石化、水泥行業更應采用先進的節能設備。目前調速節能技術種類較多,液力偶合器由于其較低的效率和較高的維護費用,正逐漸被市場淘汰;渦流永磁調速技術是近幾年發展起來的技術,可靠性高、維護費用低、傳動性能好、環境適應能力強,但同屬轉差調速設備,轉差功率均以發熱方式進行消耗,大功率需外加冷卻裝置;繞組永磁調速器成熟度及認可度正逐步提高,且調節精度和效率高,雖初始投資略大,但節電優勢明顯。

在選擇調速節能設備時要充分考慮負載的調速運行情況、現場的安裝條件、投資回報周期等因素,在保證系統能夠長期穩定運行的同時,達到降本增效的目的。