大功率風機水泵調速節能運行的技術經濟分析（

摘要：指出了發電廠風機水泵調速運行的必要性和巨大的節能潛力；討論了各種調速方式的優缺點，并作出了詳細的技術經濟分析。

關鍵詞：風機；水泵；液力耦合器；變頻調速；串級調速；無刷雙饋電機

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 風機水泵的低效調速節能方案

3．1 液力耦合器

液力耦合器是一種利用液體（多數為油）的動能來傳遞能量的葉片式傳動機械。安裝在定速電動機與風機水泵之間，達到平滑調節轉速的目的。

液力耦合器的調速效率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可以近似認為：

MB=－MT

式中：MB——穩定流動時，泵輪葉片作用于液體的扭矩；

MT——穩定流動時，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——穩定流動時，泵輪葉片作用于液體的功率；

PT——穩定流動時，液體作用于渦輪的功率；

ωB——對應于MB的轉動角速度；

ωT——對應于MT的轉動角速度；

nB——對應于ωB的轉速；

nT——對應于ωT的轉速。

即在忽略液力耦合器的機械損失和容積損失等損失時，液力耦合器的調速效率等于轉速比。轉速比越小，其調速效率也越低，這是液力耦合器的一個重要工作特性。

當液力耦合器帶泵或風機進行調速傳動時，泵或風機的轉速n等于液力耦合器渦輪的轉速nT，即n=nT，而其軸功率P等于渦輪傳遞的軸功率PT，即P=PT。根據葉片式泵與風機的比例定律，泵與風機的軸功率與其轉速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)

因為i=PT/PB，即PB=PT/i=PTn(i2/in3)，則液力耦合器的轉差損失功率：

ΔP=PB－PT=PTn(i2－i3)/in3 (9)

為了求出最大轉差功率損失處的轉速比i，將式（9）對i求導數，再令導數為零，可求出其極值點，即：

d(ΔP)/di=PTn(2i－3i2)/in3=0

得i=2/3=0.667時

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機進行調速傳動時，其最大轉差功率損耗ΔPmax發生在轉速比i=2/3處，并不是轉速越低，耗損越大。

雖然液力耦合器工作在低速時其調速效率很低（等于轉速比），但在帶泵與風機調速時，與節流調節相比較，仍具有顯著的節能效果。例如某離心風機，當流量Q=190×103m3/h時，風機的軸功率為158kW，當通過節流調節使流量Q=95×103m3/h時，風機的軸功率為115kW。當用液力耦合器調速時，由于流量為原流量的一半，則風機的軸功率應為其1／8。

158kW×(1/2)3=19.75kW

再考慮到i=1/2時的液力耦合器的效率η=i=0．5。原動機的輸出功率應為19．75kW×2=39.5kW，較之節流調節仍有75.5kW（=115kW－39.5kW)的節電效果，仍是相當可觀的。

液力耦合器的優點是：

——無級調速，調速范圍大，較之節流調節有顯著節能效果；

——可空載起動電動機和逐步起動大慣量負荷，降低了起動電流，使起動更為安全可靠；

——隔離振動，能減輕負荷沖擊，再加之起動電流小，延長了電動機及泵與風機的壽命；

——過載保護，保護電動機及風機水泵；

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

——工作平穩，可以平緩地起動、加速、減速和停車；

——便于控制，液力耦合器是無級調速，便于實現自動控制，適合于各種伺服控制系統；

——能用于大容量泵與風機的變速調節，目前單臺液力耦合器傳遞的功率已達20MW以上。

其缺點是：

——和節流調節相比，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備外，還要一套附加的冷油器等輔助設備與管路系統；

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

——調節延遲時間較長，不適應緊急事故的處理，適合于較高轉速的泵與風機調速的場合；

——調速精度不高，不適宜要求精確轉速的場合使用；

——因為無直聯機構，故液力耦合器一旦發生故障，泵與風機也只能停止工作；

——調速效率低（η=i），等于轉速比，產生的損耗大，在各種變速裝置中屬低效調速裝置。

3．2 液力調速離合器

液力調速離合器是一種以油為工作介質，依靠摩擦力傳遞功率的變速傳動裝置。它是一種新型的液力無級調速傳動裝置，既能實現無級調速，又能象普通離合器一樣，既可將主動部分與從動部分分離，又可將主動部分與從動部分無相對運動地合在一起，所以稱其為液力調速離合器，也稱奧米伽離合器。

其調速特性與液力耦合器基本相似，也屬于低效調速裝置，但其最大調速比in=1，調速效率η=P2/P1=M2ω2/M1ω1=n2/n1=i，當泵與風機相聯、i=2/3時，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 電磁轉差離合器

電磁轉差離合器的功用和液力耦合器及液力調速離合器相同，都是安裝在定速電動機與泵或風機之間的一種變速傳動裝置，使泵與風機可以實現無級調速。

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

圖5 電磁轉差離合器示意圖

電磁轉差離合器的調速原理是基于電磁感應定律。當勵磁繞組通以直流電時，沿氣隙圓周面將形成若干對極性交替的磁極，其磁通穿過氣隙與電樞相鏈。當電動機帶動電樞旋轉時，電樞與磁極之間有相對運動，因感應而產生電勢，這一感應電勢將在電樞中形成渦流，其方向可由右手定則確定。此渦流又與磁場的磁通相互作用，產生電磁力，其方向可按左手定則確定，這個力作用于電樞一個轉矩，其方向與電樞的旋轉方向相反，是與帶動電樞旋轉的拖動轉矩相平衡的制動力矩。這個力及力矩也同樣作用在磁極上，其方向與電樞旋轉方向相同，它使磁極沿電樞旋轉方向旋轉，并拖動泵或風機旋轉。

電磁轉差離合器與硬性聯接的普通聯軸器傳動的不同之處是：電磁轉差離合器的磁極轉速n2是可以連續調整的，且n2一定小于電樞轉速n1。這是因為若n2=n1，則磁極與電樞之間不存在相對運動，即電樞沒有切割磁力線，也就不可能在電樞中感應出電勢，更談不上產生力和轉矩了。因此，電磁轉差離合器的磁極與電樞之間必存