大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（2）
徐甫荣
(国家电力公司热工研究院，陕西西安710032）
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
中图分类号：TM921文献标识码：A文章编号：0219－2713(2002)1·2－0046－07 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) 或改写成：
PT=PTn(nT/nTmax)=PTn(nT/nB)·(nB/nTmax)=PTni/in2
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(8)
因为i=PT/PB，即PB=PT/i=PTn(i/in)，则液力耦合器的转差损失功率： ΔP=PB－PT=PTn(i－i)/in2
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(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－3i)/in=0 得i=2/3=0.667时
ΔPmax=PTn[(2/3)－(2/3)]/in=（4/27）PTn/in=0.148PTn/in=0.148PBn/in（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。
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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=190×10m/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)=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
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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，必须有大的转差率才能产生带动负载的涡流转矩。所以，改变励磁电流的大小就可达到泵或风机调速的目的。
根据电磁转差离合器的上述工作原理，所以它又被称作涡流联轴器、涡流式电磁转差离合器等。 电磁转差离合器也是一种有转差损耗的低效调速装置，调速效率等于调速比，即：η=n2/n1=i，in=0.83～0.87，当与泵或风机联接调速时，最大调速损耗为： ΔPmax=0.148P2max/in=0.148P1max/in≈(0.23～0.26)P2max 调速的经济性比液力耦合器及液力调速离合器更差。 其优点是：
——可靠性高，只要把绝缘处理好，就能实现长期无检修工作； ——占地面积小，控制功率小，一般仅为电动机额定功率的1％～2％； ——结构简单，加工容易，价格低廉。 其缺点是：
——存在转差损耗，尤其是当in较低时，运行经济性较差； ——容量较大时，需采用空冷或水冷，结构较复杂； ——调速响应时间长； ——噪声较大。
适用于转速不很高、调速范围不很宽的中小容量泵与风机的调速传动。
表4 液力耦合器、液力调速离合器、电磁调速离合器的工作特性比较
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可靠性 可传递的最高转速比n2/n1 最大传动效率 转速比控制范围n2/n1 液力耦合器（HKD） 高 96％～98％ 94％～95％ 0.3～0.97 电磁转差离合器（涡流液力调速离合器（HVD） 联轴器） 高 100％ 99％ 0.3～1.0 高 80％～90％ 78％～95％ 高in:0.3～0.97低in:0.3～0.83