摘要: 發(fā)電廠的輔機(jī)設(shè)備風(fēng)機(jī)、水泵每年要消耗大量的電能，如能采用變頻調(diào)速裝置取代低效的液力偶合器或定速系統(tǒng)，則能獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過對(duì)液力偶合器和變頻器兩種調(diào)速裝置的分析及性能比較，說明在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載推廣使用變頻調(diào)速裝置的重要性。 關(guān)鍵詞: 液力偶合器調(diào)速;變頻調(diào)速;節(jié)能比較 [b][align=center]An Operational Comparison of AC Drive and Hydraulic Fluid Coupling Controller in Power Plant Blower and Pump Application SUN Guo-qin[/align][/b] （Schoolof M echanicalan dA utanationE ngineering,Sh anghaiIn stituteo fT echnology,Sh anghai20 0235,Ch ina） Abstract:Au xiliary equipmentin p owerp lant,su cha sb lowersa ndp umps,co nsumesla rgea mounto fel ectricalen ergy,bu tit c anb eim proveda lo tin t ermso fe nergys avinga nde conomicb enefitsif lo w efficiency hydraulic fluid coupling or constant speed system can be replaced by frequency controlled drive system. The article illustrates the importance of the frequency controlled drive system in blower and pump application by data analysis. Key words: hydraulic fluid coupling speed control; frequency controlled speed; energy saving compariso 在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵是最主要的耗機(jī)和水泵增設(shè)了調(diào)速裝置，但一般采用液力偶合電設(shè)備，而且這些設(shè)備都是長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行或處于器調(diào)速，其運(yùn)行效率較低，節(jié)能效果不明顯。自低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，其節(jié)能潛力則更加巨20世紀(jì)80年代開始，國(guó)外電廠的風(fēng)機(jī)、水泵已紛大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)火力發(fā)電廠配套電動(dòng)機(jī)的總?cè)菁娫鲈O(shè)高壓大功率變頻裝置，20世紀(jì)末國(guó)內(nèi)少數(shù)量為15 000MW，年總用電量為520億kW"h，占電廠采用進(jìn)口高壓變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行改造，全國(guó)火電發(fā)電量的5.8%。發(fā)電廠輔機(jī)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果明顯，但因進(jìn)口高壓變頻器價(jià)格較貴，推經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，直接關(guān)系到用電率的高低。我國(guó)電廠廣使用受到了限制。、進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)產(chǎn)高壓變頻大部分風(fēng)機(jī)和水泵都采用定速驅(qū)動(dòng)，只有少數(shù)風(fēng)器迅速崛起，現(xiàn)正以每年上百臺(tái)的速度占領(lǐng)市場(chǎng)，這對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵的節(jié)能改造無疑起了很大的推動(dòng)作用。 1 變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的工作原理 1.1 液力偶合器調(diào)速原理 液力偶合器是一種利用液體（多數(shù)為油）的動(dòng)能來傳遞能量的葉片式傳動(dòng)機(jī)械，安裝在定速電動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)供電，即全速運(yùn)行）與風(fēng)機(jī)、水泵之間，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)速度的目的。 液力偶合器的核心部件是一對(duì)葉輪，它是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動(dòng)力矩變化來傳遞電動(dòng)機(jī)能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的。電動(dòng)機(jī)通過液力偶合器的輸人軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪（稱泵輪），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)工作輪（稱渦輪），把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載，這樣，可以通過控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩，從而達(dá)到控制負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的。 1.2 變頻調(diào)速原理 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 式中:f[sub]1[/sub]為供電電源的頻率（即變頻器輸出頻率）,Hz;p為異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù);s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。 采用變頻器調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸直接與負(fù)載相連，而電動(dòng)機(jī)由變頻器供電，通過改變變頻器輸出頻率（即改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率）來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于發(fā)電廠風(fēng)機(jī)、水泵的電動(dòng)機(jī)功率都很大，一般采用3k V,6 k V供電，所以必須采用高壓變頻器進(jìn)行調(diào)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 電動(dòng)機(jī)除本身功率損耗外，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，通過液力變送后送人負(fù)載，其間存在功率損耗;變頻器從電網(wǎng)取得電能，通過電動(dòng)機(jī)變送后送人負(fù)載，其間同樣存在功率損耗。在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，兩種調(diào)速方式的效率一轉(zhuǎn)速曲線如圖1所示。 由圖1可見，液力偶合器的效率隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低而降低，額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率為0.95 （ A點(diǎn)）,75%額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率為0.72 （B 點(diǎn)）,20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率為0.19 （C點(diǎn)）;而變頻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)效率仍然較高，額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率為0.97,75%額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于0.95,200x6額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于0.9。由于輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)，液力偶合器的效率下降得快，故變頻調(diào)速的低速性能比液力偶合器要好。 2.1 理論計(jì)算節(jié)能比較 風(fēng)機(jī) 、水泵的一大特點(diǎn)就是通常負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，其流量、壓力、軸功率之間的關(guān)系如式（2）、式（3）,式（4）所示。 例如 : 1 0 00k W風(fēng)機(jī)風(fēng)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%，而負(fù)載功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此負(fù)載功率理論上降為34.3%0電網(wǎng)總輸入功率為 式中: P為負(fù)載功率，kW;η為調(diào)速裝置的效率;η[sub]M[/sub]為電動(dòng)機(jī)的效率;η[sub]P[/sub]為管道系統(tǒng)效率。如果采用變頻（高一高）調(diào)速，其效率按0.95計(jì)算，再考慮電動(dòng)機(jī)效率0.85，管道系統(tǒng)效率0.95，則電網(wǎng)總輸人功率約為 即447.1 kW，節(jié)能55.29 ，全年按300日計(jì)算年節(jié)電398萬度。 如果采用液力偶合器，其效率按0.665計(jì)算，再考慮電動(dòng)機(jī)效率0.85，管道系統(tǒng)效率0.95，則電網(wǎng)總輸人功率約為 即638.7 kW，節(jié)能36.13%，年節(jié)電260萬度，可見變頻調(diào)速每年多節(jié)電138萬度，兩種調(diào)速方法節(jié)電比較如表1所示。 2.2 實(shí)測(cè)節(jié)能比較 以某電力設(shè)計(jì)院實(shí)測(cè)一臺(tái)20萬千瓦機(jī)組風(fēng)機(jī)改造為例，該異步電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為1250 kW,6kV,142 A、額定效率95%、額定轉(zhuǎn)速742 r/min、額定功率因數(shù)0.85。采用液力偶合器調(diào)速及變頻調(diào)速兩種調(diào)節(jié)方式在不同發(fā)電機(jī)負(fù)荷下的輸人電流如表2所示，兩種調(diào)節(jié)方式下的電動(dòng)機(jī)綜合輸人功率如表3所示，兩種調(diào)節(jié)方式下的日耗電量預(yù)計(jì)如表4所示。 按機(jī)組年運(yùn)行300日7200小時(shí)計(jì)算，應(yīng)用變頻調(diào)速較液力偶合器調(diào)速年節(jié)電140萬度（=337萬度-197萬度），雖然電動(dòng)機(jī)功率不一致，但實(shí)測(cè)的節(jié)電比例與理論計(jì)算基本一致。 3 變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速其他性能的比較 3.1起動(dòng)性能 電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)都是不利的。一方面該電流在線路和電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生損耗、引起發(fā)熱從而使絕緣老化，另一方面，起動(dòng)時(shí)的力矩沖擊增加了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠斷條、定子引線開焊等故障隱患的可能。據(jù)統(tǒng)計(jì)約15%的電動(dòng)機(jī)故障由直接起動(dòng)引起。另外，大的起動(dòng)電流使母線電壓偏低，可能造成電動(dòng)機(jī)不能正常起動(dòng)，或影響該母線上其他設(shè)備的正常運(yùn)行。 采用液力偶合器調(diào)速不能直接改善起動(dòng)性能，起動(dòng)電流為額定電流的5一7倍，如為繞線式異步電動(dòng)機(jī)，雖可通過轉(zhuǎn)子回路串電阻來改善起動(dòng)性能，但起動(dòng)電流仍將是額定電流的2倍以上，并且還要增加起動(dòng)裝置。而采用變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，即起動(dòng)電流緩慢增加，起動(dòng)過程比較平滑，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械都沒有沖擊，故可以降低用電配備容量，特別是在新上項(xiàng)目時(shí)，可節(jié)省增容費(fèi)的開支，而且起動(dòng)的全過程可以控制，起動(dòng)點(diǎn)、爬坡時(shí)間均可設(shè)置。 3.2 調(diào)節(jié)及控制性能 液力禍合器是依靠調(diào)節(jié)工作腔油量的大小來改變輸出轉(zhuǎn)速的，因而響應(yīng)速度比較慢，可能跟不上控制的要求，而且其速度調(diào)節(jié)的精度也較低。而變頻調(diào)速的調(diào)速過程可以進(jìn)行得非?？欤⑶也捎脭?shù)字控制后，其穩(wěn)頻精度可達(dá)到0.1%以上，故可實(shí)現(xiàn)精確控制。 3.3 功率因數(shù) 變頻 調(diào) 速 可以在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高功率因數(shù)運(yùn)行（例如20%以上轉(zhuǎn)速時(shí)功率因數(shù)大于0.95），而液力藕合器低速運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)低于電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)，如果在70%以下轉(zhuǎn)速時(shí)，功率因數(shù)將低于0.7。所以采用液力禍合器調(diào)速需提高功率因數(shù)時(shí)，則應(yīng)另加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。 3.4 運(yùn)行可靠性及運(yùn)行維護(hù) 液力 禍 合 器機(jī)械結(jié)構(gòu)和管路系統(tǒng)復(fù)雜，要長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，系統(tǒng)維護(hù)工作量增大，如果出現(xiàn)故障，無法直接定速運(yùn)行，必須停機(jī)檢修。高壓變頻裝置雖然電子線路復(fù)雜，但目前技術(shù)已日趨成熟，尤其是單元串聯(lián)多電平式的高壓變頻裝置具有單元自動(dòng)切換和冗余運(yùn)行特性，在單元故障時(shí)可不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行，可靠性得以保證，而且檢修維護(hù)相當(dāng)容易，只需定期更換風(fēng)濾網(wǎng)即可。 4 結(jié)論 由分析可見，電廠主要輔機(jī)采用高壓變頻調(diào)速，節(jié)電效果明顯。目前，雖然液力藕合器初期投資比變頻調(diào)速低，但變頻調(diào)速節(jié)能效果及其他方面的性能均明顯優(yōu)于液力藕合器，由前述可知:1000 kW電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速比應(yīng)用液力禍合器每年節(jié)電138萬度，如果變頻調(diào)速多投資60萬元，則一年多即可收回投資，第二年起每年便可節(jié)省數(shù)十萬元的運(yùn)行開支，因此總體投資回報(bào)是很高的，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。 參考文獻(xiàn): [1]徐甫榮.高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:中國(guó)電力出版社，2007. 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