變頻器方式和液力偶合器方式在高壓電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用比較

林家偉

摘 要：在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵是主要的耗能設(shè)備，通常情況下其輸入能量的15%～20%被電機(jī)和風(fēng)機(jī)或水泵所消耗，35%～50%的輸入能量被擋板或節(jié)流閥所消耗，因此對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行節(jié)能改造具有很大的潛力。本文首先簡(jiǎn)要介紹了比較常見(jiàn)的兩種調(diào)速技術(shù)，變頻器和液力耦合器兩種調(diào)速技術(shù)，然后通過(guò)在電廠應(yīng)用的實(shí)例，對(duì)兩種調(diào)速方式的優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)行比較和分析，用實(shí)踐證明，高壓變頻器在實(shí)現(xiàn)大功率電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定調(diào)整、運(yùn)行可靠和高效節(jié)能有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，每年因使用變頻產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益也非?？捎^，節(jié)電率在50%左右，大大縮短了投資回報(bào)期，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：調(diào)速技術(shù);變頻器;液力耦合器;節(jié)電率

據(jù)中國(guó)電監(jiān)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止2014年底，我國(guó)電網(wǎng)總裝機(jī)容量為136019萬(wàn)kW，工業(yè)用電就占了全國(guó)總發(fā)電量的70%，電動(dòng)機(jī)負(fù)載占總發(fā)電量的50%，而泵和風(fēng)機(jī)則消耗40%，是主要的耗電大戶(hù)，國(guó)家發(fā)改委提出的十大重點(diǎn)節(jié)能工程中第五項(xiàng)就是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程，鼓勵(lì)推廣調(diào)速節(jié)能技術(shù)，“十一五”規(guī)劃中明確提出了能耗比十五期間降低20%的硬性指標(biāo)，這一系列政策的出臺(tái)，既順應(yīng)了國(guó)家節(jié)能的現(xiàn)實(shí)需要，也大大促進(jìn)了調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。

選擇何種調(diào)速技術(shù)取決于一個(gè)企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略，企業(yè)經(jīng)營(yíng)者也不斷的在探索適合本企業(yè)的節(jié)能技術(shù)，在這種情況下，各種調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展起來(lái)。本文將從變頻調(diào)速和液力耦合調(diào)速方式的節(jié)能原理入手，分析比較它們?cè)诩夹g(shù)及經(jīng)濟(jì)等方面都有哪些優(yōu)勢(shì)和不足。

1 兩種調(diào)速技術(shù)的節(jié)能原理

依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論可知功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)電機(jī)耗能將以其三次方的速率下降，而交流異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由下式確定：n=60f（1—s）/p （1）

式中n——電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速;f——輸入的電源頻率;s——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率;p——電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由公式（1）可知，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機(jī)的極對(duì)數(shù)有關(guān)系，因而交流電動(dòng)機(jī)的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速（調(diào)整p）、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級(jí)調(diào)速或內(nèi)反饋電機(jī)（調(diào)整s）和變頻調(diào)速（調(diào)整f）等。

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速器從電網(wǎng)接收工頻50Hz的交流電，通過(guò)變流裝置，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出到交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行。

將工頻交流電變換成為可變頻的交流電輸出的變換方法主要有兩種：一種稱(chēng)為直接變換方式，又稱(chēng)為交—交變頻方式，它是通過(guò)可控整流和可控逆變的方式，將輸入的工頻電直接強(qiáng)制成為需要頻率的交流輸出，因而稱(chēng)其為交流—交流的變頻方式。另一種稱(chēng)為間接變換方式，又稱(chēng)為交-直-交變頻方式，它是先將輸入的工頻交流電通過(guò)全控/半控/不控整流變換為直流電，再將直流電通過(guò)逆變單元變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出。

本調(diào)速技術(shù)適用于繞線式電機(jī)和鼠籠式電機(jī)，廣泛的應(yīng)用于水工業(yè)、石油、發(fā)電、煤炭、水泥、冶金、鋼鐵、化工、艦船等，在低、中、高壓大容量的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)上均有運(yùn)用，技術(shù)也較為成熟。

1.2 液力耦合器

以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性聯(lián)軸器，又稱(chēng)液力聯(lián)軸器。結(jié)構(gòu)上液力耦合器的泵輪和渦輪組成一個(gè)可使液體循環(huán)流動(dòng)的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上。動(dòng)力機(jī)（內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)等）帶動(dòng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體被離心式泵輪甩出。這種高速液體進(jìn)入渦輪后即推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸。最后液體返回泵輪，形成周而復(fù)始的流動(dòng)。液力耦合器靠液體與泵輪、渦輪的葉片相互作用產(chǎn)生動(dòng)量矩的變化來(lái)傳遞扭矩。它的輸出扭矩等于輸入扭矩減去摩擦力矩，所以它的輸出扭矩恒小于輸入扭矩。液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體聯(lián)系，工作構(gòu)件間不存在剛性聯(lián)接。

2 兩種調(diào)速方式的技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)特點(diǎn)

可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速慢慢升高，啟動(dòng)時(shí)最大電流可按需要限制在一定范圍內(nèi);調(diào)速平滑，減少了對(duì)機(jī)械負(fù)載的沖擊，變頻器可以實(shí)現(xiàn)零頻率到50Hz輸出，甚至可達(dá)數(shù)百赫茲，具有很寬的調(diào)速范圍，且線性度可達(dá)0.99;降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，節(jié)電率可在20%～40%之間;由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低使各種機(jī)械磨損降低，減輕震蕩，降低了軸承溫度，增加了設(shè)備的使用壽命，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用周期，降低了維修成本;利用變頻器內(nèi)部PI模擬的功能，在不增加控制器的條件下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，同時(shí)可與機(jī)組DCS聯(lián)接，完成控制任務(wù);具有過(guò)負(fù)載、缺相、短路、欠壓、過(guò)壓、三相電流不平衡、三相電壓不平衡等多種保護(hù)功能，并且能隨時(shí)檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行電流、電壓、轉(zhuǎn)速頻率等數(shù)值，大大提高了電機(jī)運(yùn)行可靠性;采用變頻調(diào)速，輸出三相交流電源直接接到電機(jī)上，就能方便、快捷地啟動(dòng)電機(jī);具有無(wú)功就地補(bǔ)償功能，提高功率因數(shù)到0.98以上;操作簡(jiǎn)便，改善操作環(huán)境、降低工人作業(yè)強(qiáng)度。

本調(diào)速技術(shù)適用于繞線式電機(jī)和鼠籠式電機(jī)，廣泛的應(yīng)用于水工業(yè)、石油、發(fā)電、煤炭、水泥、冶金、鋼鐵、化工、艦船等，在低、中、高壓大容量的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)上均有運(yùn)用，技術(shù)也很成熟。

2.2 液力耦合器技術(shù)的特點(diǎn)

由原理可知，這是一種機(jī)械調(diào)速;調(diào)速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)從零調(diào)節(jié);沒(méi)有電氣連接，可以工作在危險(xiǎn)場(chǎng)合，對(duì)環(huán)境要求不高;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便;故障率低，要求精度低;能量轉(zhuǎn)換效率低。

本調(diào)速技術(shù)適用于大功率電機(jī)，可以應(yīng)用于石油、發(fā)電、煤炭、冶金、鋼鐵、化工、艦船等，由于液力耦合器是一種耗能型機(jī)械調(diào)速，所以調(diào)速越深（轉(zhuǎn)速越低）耗能越大，而且液力耦合器出現(xiàn)故障后需要停機(jī)維修，影響正常生產(chǎn)，在運(yùn)行一段時(shí)間后還要對(duì)液壓油進(jìn)行更換。

3 節(jié)能分析

筆者收集凝泵、給水泵等設(shè)備的節(jié)能改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計(jì)算，列出兩種調(diào)速技術(shù)實(shí)際運(yùn)行比較的結(jié)果。

3.1 變頻調(diào)速技術(shù)

某發(fā)電廠300MW機(jī)組2B凝結(jié)水泵系統(tǒng)配套電機(jī)型號(hào)TIKE-DCNW，額定功率2750kW，額定電壓為6kV，額定頻率為50HZ，轉(zhuǎn)速為590r/min，三相交流異步電動(dòng)機(jī)。為比較分析凝結(jié)水泵變頻改造后的節(jié)能效果，選取了各負(fù)荷階段凝結(jié)水泵工頻、變頻運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了比較。

表1 2B凝結(jié)水泵工、變頻運(yùn)行時(shí)測(cè)試結(jié)果

機(jī)組負(fù)荷 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180MW ? ? ? ? ? ? ? ?200MW ? ? ? ? ? ? ? ?250MW ? ? ? ? ? ? ? ?300MW

運(yùn)行方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻

電流/ A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?88 ? ? ? ? ?28 ? ? ? ? ? 92 ? ? ? ? ?29 ? ? ? ? ? ?98 ? ? ? ? 36 ? ? ? ? ? 105 ? ? ? ? 52

機(jī)組負(fù)荷 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180MW ? ? ? ? ? ? ? ?200MW ? ? ? ? ? ? ? ? 250MW ? ? ? ? ? ? ? 300MW

運(yùn)行方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻

凝結(jié)水泵出口壓力/ MPa ? ?3.33 ? ? ? 1.32 ? ? ? ? 3.28 ? ? ?1.32 ? ? ? ? 3.16 ? ? ?1.37 ? ? ? ? 3.07 ? ? ?1.67

節(jié)電率/ % ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 63.65 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?64.41 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 59.03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 45.2

3.2 液力耦合器

某發(fā)電廠300MW機(jī)組高壓水泵配套電機(jī)型號(hào)YK4000-2，額定功率4000kw，額定轉(zhuǎn)速為2990r/min，額定電壓為6kV，額定電流437A。

表2給水泵不同負(fù)荷改造前后耗能比較

機(jī)組負(fù)荷 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 80MW ? ? ? ? ? ? ? ?100MW ? ? ? ? ? ? ? ? 135MW

改造前給水泵電機(jī)電流/ A ? ? ? ?260.5 ? ? ? ? ? ?355.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 400.2

改造后給水泵電機(jī)電流/ A ? ? ? ?211.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 311.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 365.4

節(jié)電率/ % ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 18.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?8.7

由以技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍及實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)可知，變頻器無(wú)論是在可靠性、穩(wěn)定性和節(jié)能方面都有著明顯優(yōu)勢(shì)，雖然前期投入較大，但由于節(jié)能效果高，它的投資回報(bào)期也相對(duì)較短，從筆者調(diào)研的幾個(gè)單位看，平均回報(bào)期為二年，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，變頻器的節(jié)能效果還是相當(dāng)可觀的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析以及實(shí)際的比較可知，變頻器調(diào)速節(jié)電率在不同的負(fù)荷段均表現(xiàn)出絕對(duì)的領(lǐng)先率最高達(dá)60%，最低也高達(dá)40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)液力耦合器的節(jié)電率。在節(jié)能領(lǐng)域，無(wú)論從當(dāng)前的應(yīng)用還是發(fā)展前景來(lái)看，變頻器都具有很大的推廣空間，變頻器發(fā)展的更為迅速，它的系列覆蓋高、中、低容量的各種電機(jī)，在工業(yè)生產(chǎn)中有舉足輕重的作用，也帶動(dòng)了與之相適應(yīng)的各種技術(shù)的發(fā)展。

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