摘要：本文介紹了礦漿泵在大流量、高揚程，且流量和揚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)濟等方面的比較。并通過比較兩種調(diào)速方式的優(yōu)缺點，確定經(jīng)濟合理的調(diào)速方式。
關(guān)鍵詞：液力調(diào)速 變頻調(diào)速 尾礦泵

一、前言
羅布泊鉀肥項目是國家西部開發(fā)的重點工程，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程變化范圍大，為了節(jié)約能源，設(shè)計采用調(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、揚程90m、轉(zhuǎn)速980r/min， 最小流量630 m3/h、揚程52m、轉(zhuǎn)速680r/min，配套電機630kW、6極、10kV、IP54、防腐等級F1、絕緣等級F。要求泵通過調(diào)速實現(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)羅布泊鉀肥項目尾礦泵運行的特點，調(diào)速運行是其節(jié)能的最有效途徑。用以驅(qū)動泵的調(diào)速裝置大體上歸納為機械式和電氣式兩大類。機械調(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，用設(shè)定的信號去改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而達到流量的改變，這時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。使原動機的輸出功率隨流量變化而變化，消除了大馬拉小車的缺點，節(jié)約了能源。此外，由于可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)具有軟啟動功能，避免了由于電動機直接啟動引起的電網(wǎng)沖擊和機械沖擊，從而可以防止與此有關(guān)的一系列事故的發(fā)生。例如電動機轉(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，提高了電機運行的可靠性。

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、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。
1.變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的工作原理 
　　電動機采用變頻調(diào)速后，轉(zhuǎn)軸與負載直接相連, 但電動機不再由電網(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機的供電頻率改變電機轉(zhuǎn)速，因此可以在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(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，異步電動機轉(zhuǎn)速n=60f(1-s)/p，其中f為高壓變頻器輸出頻率，s為異步電動機轉(zhuǎn)差率，p為電動機極對數(shù)。
液力偶合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉(zhuǎn)速，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載。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，達到控制負載轉(zhuǎn)速的目的，因此液力偶合器也可以實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié)。如采用液力偶合器調(diào)速，則電動機轉(zhuǎn)軸連接到液力偶合器，而負載連接到液力偶合器，電動機仍由電網(wǎng)供電，電動機仍全速運行。
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 
電動機本身功率損耗除外，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。液力偶合器從電動機輸出軸取得機械能, 通過液力變速后送入負載，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機電樞，其效率也不可能是1。 如液力偶合器額定轉(zhuǎn)速時效率0.95，75%轉(zhuǎn)速時效率約0.72，20%轉(zhuǎn)速時效率約0.19。而高壓變頻器在輸出轉(zhuǎn)速下降時效率仍然較高，如額定轉(zhuǎn)速時效率0.97，75%以上轉(zhuǎn)速時效率大于0.95，20%以上轉(zhuǎn)速時效率大于0.9。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速降低時，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。但用于泵類負載時，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，雖然液力偶合器效率正比下降，但電動機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)改變電動機電樞的電壓和頻率，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)保持較高效率運行。而液力偶合器依靠泵和渦輪傳遞能量，在低速輸出時，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，再考慮電動機效率在低功率時有所下降，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)計共有五臺尾礦泵（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
　　液力耦合器作為尾礦泵的調(diào)速裝置，具有以下特點：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)速達不到電機的額定轉(zhuǎn)速，低速轉(zhuǎn)差損耗大，最高可達額定功率的15%。液力調(diào)速是柔性傳動，具有空載啟動、可控的軟啟動、過載保護、減緩沖擊、隔離扭振、協(xié)調(diào)多機均衡驅(qū)動等功能，能有效地改善傳動品質(zhì)。因效率與速度成正比，低速時效率極低，精度低、線性度差、響應(yīng)慢，啟動電流大，裝置大，必須加裝在設(shè)備與電機之間。耦合器故障時，無法切換運行，維護復(fù)雜、費用大，電機無法實現(xiàn)軟啟動等缺點，不能滿足提高裝置整體自動化水平的需要。
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)進步，目前國產(chǎn)高壓變頻器的性價比已經(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，又可以實現(xiàn)真正的軟啟動，減少對電網(wǎng)的電流沖擊和對設(shè)備的機械沖擊，有效延長設(shè)備的使用壽命，完善的電力電子保護功能，以及易于實現(xiàn)的自動通信功能。變頻調(diào)速除可分級啟動外，基本上不改變傳動品質(zhì)。高壓變頻調(diào)速安裝工期短，運行費用低，可實現(xiàn)閉環(huán)自動控制，技術(shù)含量高且故障率低，可實現(xiàn)一拖二運行并有工頻旁路，因此，運行可靠性高。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效果更佳，設(shè)計推薦高壓變頻器調(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，且輸送距離長，流量大，電機為高壓電機，故確定使用高壓變頻調(diào)速的技術(shù)方案。

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來源：《化工礦物與加工》2007.3