風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)及電氣傳動系統(tǒng)的選擇探討

(內(nèi)蒙古城市規(guī)劃市政設(shè)計(jì)研究院有限公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

供熱工程中,風(fēng)機(jī)與泵是被廣泛使用的通用機(jī)械。為響應(yīng)國家節(jié)能號召,降低風(fēng)機(jī)與泵能耗,在工程設(shè)計(jì)階段就必須正確選擇風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)及電氣傳動系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)及電氣傳動系統(tǒng)的選擇,在勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)儆诠に噷I(yè)與電氣專業(yè)交叉設(shè)計(jì)的結(jié)果,也是綜合性的技術(shù)成果。

為提高電能利用率,本文探討了供熱工程設(shè)計(jì)過程中風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)及電氣傳動系統(tǒng)選擇的建議,為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)與泵的節(jié)能打下基礎(chǔ)。

1 電動機(jī)類型

GB 50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第2.1.2-4條規(guī)定:“變負(fù)載運(yùn)行的風(fēng)機(jī)和泵類等機(jī)械,當(dāng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)上合理時(shí),應(yīng)采用調(diào)速裝置,并選用相應(yīng)類型的電動機(jī)”;文獻(xiàn)[2]第2.4.1節(jié)中將風(fēng)機(jī)和泵作為電動機(jī)中單獨(dú)的一類[2];查詢變頻器廠家的產(chǎn)品手冊,任何一家變頻器廠的變頻器都分為通用型、風(fēng)機(jī)與泵型。

供熱工程中廣泛應(yīng)用的風(fēng)機(jī)與泵均屬于流體機(jī)械,是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w(氣體與液體)的動能和勢能的一種動力設(shè)備。風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)隨著葉輪的轉(zhuǎn)動,空氣、水、油對葉片的阻力在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大致與轉(zhuǎn)速的二次方成正比。在額定轉(zhuǎn)速附近,較小的轉(zhuǎn)速變化將引起機(jī)械出力的較大變化。這就是風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)區(qū)別于其他恒轉(zhuǎn)矩、恒功率負(fù)載的主要原因。另外,風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)一般屬于平穩(wěn)負(fù)載,即負(fù)載轉(zhuǎn)矩長時(shí)間不變或變化不大。因此,風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)多數(shù)均為交流異步電動機(jī)。

風(fēng)機(jī)與泵根據(jù)工作原理的不同,通常分為如下三大類[3]:

(1) 葉片式風(fēng)機(jī)與泵。其中葉片式風(fēng)機(jī)與泵根據(jù)流體流過葉輪時(shí)的方向不同,又分為離心式風(fēng)機(jī)與泵,如供熱工程中的循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵、引風(fēng)機(jī)等,這類泵在供熱工程中應(yīng)用最為廣泛,適用于小流量和較高壓頭的場合;軸流式風(fēng)機(jī)與泵,如通風(fēng)用軸流風(fēng)機(jī)、消防用軸流風(fēng)機(jī)等,適用于大流量和較低壓頭的場合;混(斜)流式風(fēng)機(jī)與泵。

(2) 容積式風(fēng)機(jī)與泵。根據(jù)工作室容積改變的方式不同,分為往復(fù)式風(fēng)機(jī)與泵,如活塞泵等;回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)與泵,如齒輪泵、羅茨風(fēng)機(jī)等。

(3) 其他類型風(fēng)機(jī)與泵。包括射流泵、真空泵等,如供熱工程中的脫硫設(shè)備皮帶真空泵。

風(fēng)機(jī)與泵的輸出功率(有效功率)Ne,單位為W或kW,其表達(dá)式為

Ne=ρgQH=pQ

(1)

式中:ρ—— 流體密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

Q——流量,m3/s;

H——泵的揚(yáng)程,m;

p——風(fēng)機(jī)全壓,Pa。

由于流體通過風(fēng)機(jī)或泵時(shí)要產(chǎn)生一系列的損失,如輪阻損失、流動損失、泄漏損失和機(jī)械傳動損失等,所以風(fēng)機(jī)與泵的輸出功率或有效功率必然小于軸功率N;再考慮軸傳動損失,選用電動機(jī)的輸入功率NM應(yīng)在軸功率的基礎(chǔ)上留有一定的功率儲備:

NM=KN

(2)

式中:K——電動機(jī)容量儲備系數(shù),取1.1～1.5。

因此,工藝專業(yè)選擇的風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)無論從生產(chǎn)角度考慮最大風(fēng)量或流量,還是從設(shè)計(jì)選型考慮,都留有較大的裕量,而實(shí)際運(yùn)行中不要那么大,就需要調(diào)速來改變速度而控制風(fēng)量和流量。

前些年的做法是用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量,通過阻力改變速度,能量利用率很低,但設(shè)備投資小。近年來,為取得最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果和實(shí)現(xiàn)節(jié)能,常采用變頻器調(diào)速,但設(shè)備投資大。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段,工藝專業(yè)在給電氣專業(yè)提變頻器配置時(shí),只需提出有調(diào)速要求的風(fēng)機(jī)與泵,而沒有調(diào)速要求的風(fēng)機(jī)與泵采用全壓起動還是變頻起動由電氣專業(yè)負(fù)責(zé)選配相應(yīng)設(shè)備,不一定非得采用變頻器起動,如星-三角降壓起動、軟起動器起動、自耦變壓器降壓起動、變壓器-電動機(jī)組起動、電抗器降壓起動都是常用的電動機(jī)起動方式。其中星-三角降壓起動、軟起動器起動適用于低壓電機(jī),電抗器降壓起動適用于高壓電機(jī),自耦變壓器降壓起動、變壓器-電動機(jī)組起動適用于高、低壓電機(jī)。

在工程實(shí)際設(shè)計(jì)工作中經(jīng)常遇到以下情況:由工藝專業(yè)提供給電氣專業(yè)的設(shè)備材料表中,大于22 kW的電動機(jī)都備注需要配置變頻器。因此,電氣設(shè)計(jì)人員要進(jìn)行判斷,不是所有設(shè)備都可以變頻起動,如消防設(shè)備(依據(jù)JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第13.9.6條“消防設(shè)備的控制回路不得采用變頻調(diào)速器作為控制裝置”);不是所有的設(shè)備都需要變頻調(diào)速,這需要結(jié)合該工程的工藝控制流程分析確定;變頻器不是大功率電動機(jī)起動的唯一選擇,也不是最經(jīng)濟(jì)的選擇。

2 電壓等級

在選擇風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)電壓等級時(shí),常遇到如下問題:由工藝專業(yè)提供給電氣專業(yè)的設(shè)備材料表中,200 kW以上的電動機(jī)都選擇高壓電機(jī)。其實(shí),電動機(jī)電壓等級的確定要綜合考慮各種因素,最好由電氣專業(yè)綜合比較后再返提給工藝專業(yè),而只用功率作為選擇高壓還是低壓電動機(jī)的依據(jù)并不合理,也不符合節(jié)能要求。

電動機(jī)電壓等級的確定應(yīng)從以下方面考慮:

(1) 電流。風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)的額定電流(滿載電流)IrM,其表達(dá)式為[5]:

IrM=PrM/(1.732UrMηrcosφr)

(3)

式中:PrM——電動機(jī)的額定功率,kW;

UrM——電動機(jī)的額定電壓,kV;

ηr——電動機(jī)的滿載時(shí)效率;

cosφr——電動機(jī)的滿載時(shí)功率因數(shù)。

從式(3)可以看出,電流與電壓成反比關(guān)系。同等功率的電動機(jī),0.38 kV的低壓電動機(jī)要比10 kV的高壓電動機(jī)的額定電流大(約26.3倍)。而電動機(jī)的起動電流一般是額定電流的6～7倍。這就需要了解項(xiàng)目所在地供電部門對大沖擊電流有沒有限制要求,如果滿足供電質(zhì)量要求,建議選擇低壓電動機(jī),從經(jīng)濟(jì)、安全、繼電保護(hù)角度都合理。

(2) 功率。交流異步電動機(jī)分為籠型電動機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)。依據(jù)參考文獻(xiàn)[5]第12.1.3.2節(jié)“低壓配電設(shè)計(jì)中籠型電動機(jī)全壓起動的判斷條件可簡化為:電動機(jī)起動時(shí)配電母線的電壓不低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的85%。通常,只要電動機(jī)額定功率不超過電源變壓器額定容量的30%,即可全壓起動”,低壓籠型電動機(jī)均可全壓起動。因此,供熱工程中首先要確定整個(gè)工程的用電負(fù)荷,再確定供電負(fù)荷等級,并選擇相應(yīng)的變壓器,比較電動機(jī)功率與變壓器容量,只要不超過變壓器額定容量的30%,選擇低壓電動機(jī)最經(jīng)濟(jì)、合理。如超過變壓器額定容量的30%,則可以采用降壓起動方式,從經(jīng)濟(jì)方面考慮應(yīng)盡量選擇低壓電動機(jī)。

如工藝專業(yè)提出需要配置變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)的調(diào)速,因?yàn)榈蛪鹤冾l器和高壓變頻器在功率為500 kW以內(nèi)時(shí),價(jià)格相差數(shù)倍;而功率>500 kW時(shí),價(jià)格相差不明顯。所以,功率500 kW可以作為低壓電動機(jī)和高壓電動機(jī)選擇的分界線,功率<500 kW時(shí)建議選擇低壓電動機(jī),功率>500 kW時(shí)建議選擇高壓電動機(jī)。

要注意的是,500 kW分界線并不是絕對的。如某些大功率設(shè)備無法采用高壓電動機(jī)時(shí),可以選用低壓電動機(jī);如功率為200～500 kW的設(shè)備起動時(shí)導(dǎo)致母線壓降影響其他重要設(shè)備工作,可以選用高壓電動機(jī)[6-7]。綜上,實(shí)際項(xiàng)目中設(shè)備電壓等級的選擇涉及很多因素,應(yīng)綜合考慮。

3 轉(zhuǎn) 速

風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n(單位r/min)與其他參數(shù)存在如下關(guān)系:

(4)

式中:Q——流量,m3/s;

H——揚(yáng)程,m;

T——轉(zhuǎn)矩,N·m;

p——壓力,Pa;

P——功率,kW。

因此,應(yīng)由風(fēng)機(jī)與泵要求的轉(zhuǎn)速及配套傳動設(shè)備的要求校核電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇。

4 電動機(jī)防護(hù)型式

電動機(jī)外殼結(jié)構(gòu)型式分開啟式、防護(hù)式、防滴防濺式、封閉式、防爆式、密閉式6種[8]。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段,電動機(jī)防護(hù)型式應(yīng)由工藝專業(yè)提出,再由電氣專業(yè)根據(jù)使用環(huán)境復(fù)核,最終確定。

(1) 在采暖的干燥廠房內(nèi),建議采用開啟式、防護(hù)式電動機(jī)。

(2) 在不采暖的干燥廠房內(nèi),或潮濕而無潮氣凝結(jié)的廠房內(nèi),建議采用能耐潮絕緣的開啟式、防護(hù)式電動機(jī)。

(3) 在特別潮濕的廠房內(nèi),建議采用能耐潮絕緣的防滴式、防濺式或封閉式電動機(jī)。

(4) 在無導(dǎo)電灰塵或灰塵易除掉的廠房內(nèi),建議采用開啟式、防護(hù)式電動機(jī)。

(5) 在有導(dǎo)電灰塵或灰塵不易除掉的廠房內(nèi),建議采用封閉式電動機(jī)。

(6) 在有腐蝕性蒸汽或氣體的廠房內(nèi),建議采用密閉式電動機(jī)。

(7) 在有著火危險(xiǎn)的廠房內(nèi),建議采用防護(hù)式電動機(jī)。

(8) 在存在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境0區(qū)、1區(qū)的廠房內(nèi),應(yīng)采用防爆式電動機(jī)。

(9) 在存在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境2區(qū)的廠房內(nèi),如通風(fēng)良好,可以降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的等級,建議采用防護(hù)式或密閉式電動機(jī);如通風(fēng)不良,應(yīng)提高爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的等級,建議采用防爆式電動機(jī)。

(10) 露天安裝的電動機(jī)建議采用封閉式電動機(jī)。

5 結(jié) 語

供熱工程中選擇風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)及電氣傳動系統(tǒng)時(shí),工藝專業(yè)與電氣專業(yè)應(yīng)緊密配合,經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、生產(chǎn)條件、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等多種因素綜合比較后確定。只有掌握風(fēng)機(jī)與泵類電動機(jī)的負(fù)載特性,配置適當(dāng)?shù)碾姎鈧鲃酉到y(tǒng),按照風(fēng)量、風(fēng)壓、流量、揚(yáng)程等調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率,達(dá)到節(jié)能的效果。

[1]通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50055—2011[S].

[2]天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]教材出版中心.工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[4]民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范:JGJ16—2008[S].

[5]中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊[M].4版.北京:中國電力出版社,2016.

[6]爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范GB50058—2014[S].

[7]建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范:GB50016—2014[S].

[8]沈良紅.風(fēng)機(jī)/水泵變頻調(diào)速及示范工程節(jié)能分析[J].當(dāng)代建設(shè),2010(1):53-54.