尾礦泵調(diào)速方式探討

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摘要：本文介紹了礦漿泵在大流量、高揚(yáng)程，且流量和揚(yáng)程變化范圍大的情況下，液力調(diào)速與變頻調(diào)速兩種調(diào)速方式在節(jié)能和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的比較。并通過比較兩種調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定經(jīng)濟(jì)合理的調(diào)速方式。

關(guān)鍵詞：液力調(diào)速 變頻調(diào)速 尾礦泵   一、前言 　　羅布泊鉀肥項(xiàng)目是國家西部開發(fā)的重點(diǎn)工程，隨著120萬t/a采輸鹵和鹽田工程的建設(shè)完工，加工廠的建設(shè)正在全面鋪開。加工廠的尾礦輸送流量和揚(yáng)程變化范圍大，為了節(jié)約能源，設(shè)計(jì)采用調(diào)速的方式來滿足輸送流量變化的要求。尾礦泵最大流量1000m3/h、揚(yáng)程90m、轉(zhuǎn)速980r/min， 最小流量630 m3/h、揚(yáng)程52m、轉(zhuǎn)速680r/min，配套電機(jī)630kW、6極、10kV、IP54、防腐等級(jí)F1、絕緣等級(jí)F。要求泵通過調(diào)速實(shí)現(xiàn)在最大流量和最小流量間變化。   二、水泵調(diào)速節(jié)能方式簡述 　　根據(jù)羅布泊鉀肥項(xiàng)目尾礦泵運(yùn)行的特點(diǎn)，調(diào)速運(yùn)行是其節(jié)能的最有效途徑。用以驅(qū)動(dòng)泵的調(diào)速裝置大體上歸納為機(jī)械式和電氣式兩大類。機(jī)械調(diào)速裝置主要為液力偶合器，電氣調(diào)速裝置包括變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速、變電壓調(diào)速、調(diào)電阻調(diào)速和電磁滑差調(diào)速電機(jī)等6種。其中性能最好，應(yīng)用面最廣的為變頻調(diào)速。 　　加入調(diào)速裝置后，當(dāng)需要改變流量時(shí)，用設(shè)定的信號(hào)去改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到流量的改變，這時(shí)水泵的軸功率也大幅度改變, 從而避免了用閥門改變流量，引起的節(jié)流損失。使原動(dòng)機(jī)的輸出功率隨流量變化而變化，消除了大馬拉小車的缺點(diǎn)，節(jié)約了能源。此外，由于可調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)功能，避免了由于電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)引起的電網(wǎng)沖擊和機(jī)械沖擊，從而可以防止與此有關(guān)的一系列事故的發(fā)生。例如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠條的疲勞斷裂，定子端部繞組絕緣損壞擊穿等重大事故，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。   三、調(diào)速設(shè)備方案比較 　　液力調(diào)速與變頻調(diào)速是當(dāng)前風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)能常用的兩種技術(shù)。液力調(diào)速技術(shù)已被國家列為成熟可靠的調(diào)速技術(shù)加以推廣，而隨著變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，再加之近幾年我國高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)的突破性發(fā)展，引起了人們的普遍關(guān)注，兩種調(diào)速技術(shù)相比，各有其優(yōu)點(diǎn)。 1.變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的工作原理  　　電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速后，轉(zhuǎn)軸與負(fù)載直接相連, 但電動(dòng)機(jī)不再由電網(wǎng)直接供電，而是由高壓變頻器供電，高壓變頻器通過改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此可以在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，而且在全范圍內(nèi)具有優(yōu)異的效率和功率因素特性。采用變頻調(diào)速后，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f(1-s)/p，其中f為高壓變頻器輸出頻率，s為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 　　液力偶合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動(dòng)量矩變化，來傳遞電動(dòng)機(jī)能量并改變輸出轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)通過液力偶合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪，對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動(dòng)液力偶合器的從動(dòng)工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載。通過控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩，達(dá)到控制負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的，因此液力偶合器也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)節(jié)。如采用液力偶合器調(diào)速，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸連接到液力偶合器，而負(fù)載連接到液力偶合器，電動(dòng)機(jī)仍由電網(wǎng)供電，電動(dòng)機(jī)仍全速運(yùn)行。 2.變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的節(jié)能比較  （1）功率損耗的原因  　　電動(dòng)機(jī)本身功率損耗除外，無論是變頻調(diào)速還是液力偶合器調(diào)速，均存在額外的功率損耗。液力偶合器從電動(dòng)機(jī)輸出軸取得機(jī)械能, 通過液力變速后送入負(fù)載，其效率不可能為1；高壓變頻器從電網(wǎng)獲得電能，通過逆變后送入電動(dòng)機(jī)電樞，其效率也不可能是1。 如液力偶合器額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率0.95，75%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約0.72，20%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約0.19。而高壓變頻器在輸出轉(zhuǎn)速下降時(shí)效率仍然較高，如額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率0.97，75%以上轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于0.95，20%以上轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于0.9。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)，液力偶合器的效率比變頻調(diào)速的效率下降快得多，因此變頻調(diào)速的低速特性比液力耦合器要好。但用于泵類負(fù)載時(shí)，由于其軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，雖然液力偶合器效率正比下降，但電動(dòng)機(jī)綜合軸功率還是隨著轉(zhuǎn)速的下降成2次方比例下降，因此也能起到節(jié)能作用。 　　變頻調(diào)速通過電力電子整流和脈寬調(diào)制逆變技術(shù)改變電動(dòng)機(jī)電樞的電壓和頻率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不變外，電力電子器件的損耗基本上與輸出功率成正比。因此變頻調(diào)速可以在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較高效率運(yùn)行。而液力偶合器依靠泵和渦輪傳遞能量，在低速輸出時(shí)，泵和渦輪的效率均下降，因此綜合效率隨轉(zhuǎn)速下降而下降。  （2）節(jié)能比較  　　羅布泊鉀肥項(xiàng)目加工廠在生產(chǎn)的前幾年，尾礦輸送流量約為泵的額定流量的70%。一臺(tái)630 kW的尾礦泵的流量從100%降低到70%，由于流量與轉(zhuǎn)速一次方成正比，因此轉(zhuǎn)速可以降低70%，負(fù)載功率理論上降為34.3%。如果直接采用高壓變頻調(diào)速，其效率按0.95算，再考慮電動(dòng)機(jī)效率在低功率時(shí)有所下降，和管道系統(tǒng)效率有所下降，電網(wǎng)總輸入功率約34.3%/0.95/0.85/0.95=44.71%，即281.67 kW，節(jié)能55.29%。全年按300日計(jì)算，年節(jié)電348.3 kW?h。如果采用液力偶合器，其效率按0.665計(jì)算，電網(wǎng)總輸入功率約34.3%/0.665/0.85/0.95=63.87%，即402.38 kW，節(jié)能36.13%，年節(jié)電227.6萬kW?h。因此單臺(tái)尾礦泵采用變頻調(diào)速每年比采用液力偶合器多節(jié)電120.7萬kW?h，本次設(shè)計(jì)共有五臺(tái)尾礦泵（3用2備），每年就多節(jié)電362.1萬kW?h。 3.液力偶合器調(diào)速與變頻器調(diào)速方案比較（表1） 表1：液力偶合器調(diào)速與變頻器調(diào)速方案比較   注：a.各方案相同部分不參加比較。 b.自備電廠發(fā)電電費(fèi)按0.482元/kWh。 4.變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn) 　　液力耦合器作為尾礦泵的調(diào)速裝置，具有以下特點(diǎn)：初投資較少，能吸收沖擊和隔離扭振，撓性聯(lián)接，允許主、從動(dòng)軸之間有較大的安裝誤差。但它的調(diào)速范圍有限，調(diào)速范圍為1/5，高速丟轉(zhuǎn)約5%-10%，即水泵的最高轉(zhuǎn)速達(dá)不到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，低速轉(zhuǎn)差損耗大，最高可達(dá)額定功率的15%。液力調(diào)速是柔性傳動(dòng)，具有空載啟動(dòng)、可控的軟啟動(dòng)、過載保護(hù)、減緩沖擊、隔離扭振、協(xié)調(diào)多機(jī)均衡驅(qū)動(dòng)等功能，能有效地改善傳動(dòng)品質(zhì)。因效率與速度成正比，低速時(shí)效率極低，精度低、線性度差、響應(yīng)慢，啟動(dòng)電流大，裝置大，必須加裝在設(shè)備與電機(jī)之間。耦合器故障時(shí)，無法切換運(yùn)行，維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用大，電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)等缺點(diǎn)，不能滿足提高裝置整體自動(dòng)化水平的需要。 　　高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，其技術(shù)和性能勝過其它任何一種調(diào)速方式。隨著國內(nèi)廠家的不斷技術(shù)進(jìn)步，目前國產(chǎn)高壓變頻器的性價(jià)比已經(jīng)相當(dāng)高，并具有節(jié)能效益顯著、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬（1/20）、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，又可以實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，減少對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊和對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊，有效延長設(shè)備的使用壽命，完善的電力電子保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能。變頻調(diào)速除可分級(jí)啟動(dòng)外，基本上不改變傳動(dòng)品質(zhì)。高壓變頻調(diào)速安裝工期短，運(yùn)行費(fèi)用低，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制，技術(shù)含量高且故障率低，可實(shí)現(xiàn)一拖二運(yùn)行并有工頻旁路，因此，運(yùn)行可靠性高。但這一方案初期投資高。   四、結(jié)束語 　　由以上比較可知，高壓變頻器方案比液力耦合器方案約晚3年多收回投資，3年過后變頻調(diào)速比液力耦合器的年經(jīng)營費(fèi)少幾十或上百萬元，因此高壓變頻器方案比液力耦合器方案的總體投資回報(bào)效果更佳，設(shè)計(jì)推薦高壓變頻器調(diào)速方案。由于尾礦輸送的流量和距離在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，且輸送距離長，流量大，電機(jī)為高壓電機(jī)，故確定使用高壓變頻調(diào)速的技術(shù)方案。   參考文獻(xiàn)： 　　［1］　吳強(qiáng)民. 泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社，1998. 　　［2］　王汝武.節(jié)能技術(shù)及工程實(shí)例[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006，130~163。 　?。?］　錢桂華，曹晰. 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