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罗布泊钾肥项目尾矿泵调速方式探讨
 
文/中南林业科技大学电子与信息工程学院 夏国荣 化工部长沙设计研究院 江梅


摘要:本文介绍了矿浆泵在大流量、高扬程,且流量和扬程变化范围大的情况下,液力调速与变频调速两种调速方式在节能和技术、经济等方面的比较。并通过比较两种调速方式的优缺点,确定经济合理的调速方式。
关键词:液力调速 变频调速 尾矿泵

一、前言
  罗布泊钾肥项目是国家西部开发的重点工程,随着120万t/a采输卤和盐田工程的建设完工,加工厂的建设正在全面铺开。加工厂的尾矿输送流量和扬程变化范围大,为了节约能源,设计采用调速的方式来满足输送流量变化的要求。尾矿泵最大流量1000m3/h、扬程90m、转速980r/min, 最小流量630 m3/h、扬程52m、转速680r/min,配套电机630kW、6极、10kV、IP54、防腐等级F1、绝缘等级F。要求泵通过调速实现在最大流量和最小流量间变化。

二、水泵调速节能方式简述
  根据罗布泊钾肥项目尾矿泵运行的特点,调速运行是其节能的最有效途径。用以驱动泵的调速装置大体上归纳为机械式和电气式两大类。机械调速装置主要为液力偶合器,电气调速装置包括变极调速、串级调速、变频调速、变电压调速、调电阻调速和电磁滑差调速电机等6种。其中性能最好,应用面最广的为变频调速。
  加入调速装置后,当需要改变流量时,用设定的信号去改变水泵的转速,从而达到流量的改变,这时水泵的轴功率也大幅度改变, 从而避免了用阀门改变流量,引起的节流损失。使原动机的输出功率随流量变化而变化,消除了大马拉小车的缺点,节约了能源。此外,由于可调速驱动系统具有软启动功能,避免了由于电动机直接启动引起的电网冲击和机械冲击,从而可以防止与此有关的一系列事故的发生。例如电动机转子笼条的疲劳断裂,定子端部绕组绝缘损坏击穿等重大事故,提高了电机运行的可靠性。

三、调速设备方案比较
  液力调速与变频调速是当前风机、水泵调速节能常用的两种技术。液力调速技术已被国家列为成熟可靠的调速技术加以推广,而随着变频调速技术的广泛应用,再加之近几年我国高压大容量变频调速技术的突破性发展,引起了人们的普遍关注,两种调速技术相比,各有其优点。
1.变频调速与液力偶合器调速的工作原理
  电动机采用变频调速后,转轴与负载直接相连, 但电动机不再由电网直接供电,而是由高压变频器供电,高压变频器通过改变电动机的供电频率改变电机转速,因此可以在相当宽的频率范围内实现无级调速,而且在全范围内具有优异的效率和功率因素特性。采用变频调速后,异步电动机转速n=60f(1-s)/p,其中f为高压变频器输出频率,s为异步电动机转差率,p为电动机极对数。
  液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化,来传递电动机能量并改变输出转速,电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮,对工作油进行加速,被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮,把能量传递到输出轴和负载。通过控制工作腔内参与能量传递的工作油多少来控制输出轴的力矩,达到控制负载转速的目的,因此液力偶合器也可以实现负载转速无级调节。如采用液力偶合器调速,则电动机转轴连接到液力偶合器,而负载连接到液力偶合器,电动机仍由电网供电,电动机仍全速运行。
2.变频调速与液力偶合器调速的节能比较
(1)功率损耗的原因
  电动机本身功率损耗除外,无论是变频调速还是液力偶合器调速,均存在额外的功率损耗。液力偶合器从电动机输出轴取得机械能, 通过液力变速后送入负载,其效率不可能为1;高压变频器从电网获得电能,通过逆变后送入电动机电枢,其效率也不可能是1。 如液力偶合器额定转速时效率0.95,75%转速时效率约0.72,20%转速时效率约0.19。而高压变频器在输出转速下降时效率仍然较高,如额定转速时效率0.97,75%以上转速时效率大于0.95,20%以上转速时效率大于0.9。当输出转速降低时,液力偶合器的效率比变频调速的效率下降快得多,因此变频调速的低速特性比液力耦合器要好。但用于泵类负载时,由于其轴功率与转速的3次方成正比,当转速下降时,虽然液力偶合器效率正比下降,但电动机综合轴功率还是随着转速的下降成2次方比例下降,因此也能起到节能作用。
  变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率,除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不变外,电力电子器件的损耗基本上与输出功率成正比。因此变频调速可以在全转速范围内保持较高效率运行。而液力偶合器依靠泵和涡轮传递能量,在低速输出时,泵和涡轮的效率均下降,因此综合效率随转速下降而下降。
(2)节能比较
  罗布泊钾肥项目加工厂在生产的前几年,尾矿输送流量约为泵的额定流量的70%。一台630 kW的尾矿泵的流量从100%降低到70%,由于流量与转速一次方成正比,因此转速可以降低70%,负载功率理论上降为34.3%。如果直接采用高压变频调速,其效率按0.95算,再考虑电动机效率在低功率时有所下降,和管道系统效率有所下降,电网总输入功率约34.3%/0.95/0.85/0.95=44.71%,即281.67 kW,节能55.29%。全年按300日计算,年节电348.3 kW?h。如果采用液力偶合器,其效率按0.665计算,电网总输入功率约34.3%/0.665/0.85/0.95=63.87%,即402.38 kW,节能36.13%,年节电227.6万kW?h。因此单台尾矿泵采用变频调速每年比采用液力偶合器多节电120.7万kW?h,本次设计共有五台尾矿泵(3用2备),每年就多节电362.1万kW?h。
3.液力偶合器调速与变频器调速方案比较(表1)
表1:液力偶合器调速与变频器调速方案比较

项目 液力偶合器调速 变频器调速
方案特征及技术比较 调速范围 无级调速 无级调速
调速装置效率 随转速下降而降低:
额定转速ne时,效率0.95;
70%转速时,效率0.66
随转速下降稍降低:
额定转速ne时,效率0.95;
70%转速时,效率0.95
调速装置出现故障时 停机检修,泵不能运行 旁路检修,泵可以运行
调速装置日常维修量 较大,每2个月清洗一次油路 简单,更换进风滤网
调速装置可操作性 复杂 简单
调速装置占地面积 大,另加液压站
技术可靠性 成熟、可靠 渐趋成熟、可靠
可比投资 设备投资/万元/台套 18 90
调速装置配备台数/台 5(尾矿泵为3用2备) 3(尾矿泵为3用2备)
调速装置投资/万元 90 270
设备安装费(10%)/万元 9 27
调速装置投资差额/万元   198
可比年经营费 3年内每年耗电/万kW·h 1207.14 845.01
3年内每年电费/万元 581.84 407.29
年节约电费差额/万元 174.55 0
维修费(2.5%)/万元 2.25 6.75
可比年经营费/万元 584.09 414.04
可比年经营费差额 170.05 0
综合比较 费用现值(3年)/ 万元 537.83 608.07
费用现值差(3年) 0 70.24

注:a.各方案相同部分不参加比较。
b.自备电厂发电电费按0.482元/kWh。

4.变频调速与液力偶合器调速的优缺点
  液力耦合器作为尾矿泵的调速装置,具有以下特点:初投资较少,能吸收冲击和隔离扭振,挠性联接,允许主、从动轴之间有较大的安装误差。但它的调速范围有限,调速范围为1/5,高速丢转约5%-10%,即水泵的最高转速达不到电机的额定转速,低速转差损耗大,最高可达额定功率的15%。液力调速是柔性传动,具有空载启动、可控的软启动、过载保护、减缓冲击、隔离扭振、协调多机均衡驱动等功能,能有效地改善传动品质。因效率与速度成正比,低速时效率极低,精度低、线性度差、响应慢,启动电流大,装置大,必须加装在设备与电机之间。耦合器故障时,无法切换运行,维护复杂、费用大,电机无法实现软启动等缺点,不能满足提高装置整体自动化水平的需要。
  高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术,其技术和性能胜过其它任何一种调速方式。随着国内厂家的不断技术进步,目前国产高压变频器的性价比已经相当高,并具有节能效益显著、调速精度高、调速范围宽(1/20)、功率因数高等优点,又可以实现真正的软启动,减少对电网的电流冲击和对设备的机械冲击,有效延长设备的使用寿命,完善的电力电子保护功能,以及易于实现的自动通信功能。变频调速除可分级启动外,基本上不改变传动品质。高压变频调速安装工期短,运行费用低,可实现闭环自动控制,技术含量高且故障率低,可实现一拖二运行并有工频旁路,因此,运行可靠性高。但这一方案初期投资高。

四、结束语
  由以上比较可知,高压变频器方案比液力耦合器方案约晚3年多收回投资,3年过后变频调速比液力耦合器的年经营费少几十或上百万元,因此高压变频器方案比液力耦合器方案的总体投资回报效果更佳,设计推荐高压变频器调速方案。由于尾矿输送的流量和距离在一定范围内变动,且输送距离长,流量大,电机为高压电机,故确定使用高压变频调速的技术方案。

参考文献:
  [1] 吴强民. 泵与风机节能技术问答[M].北京:中国电力出版社,1998.
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  [3] 钱桂华,曹晰. 浆体管道输送设备实用选型手册[M]. 北京:冶金工业出版社,1995,253~265。
  [4] 周德贤,等.变频调速应用实例分析[J]. 变频器世界,2002,6(2).

来源:《化工矿物与加工》2007.3

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