摘要:从上世纪80年代迄今,国内先后投入运行的液力耦合器近4000台,功率大多为300~3200kW,每年节电20亿kWh以上,为国家创造了较高的经济效益。但是,其转差损耗不可忽视。通过分析说明用大功率变频装置取代液力耦合器,则节能效果更高。
关键词:低效调速系统;液力耦合器;国产高压变频器;投资回收期
1 低效调速系统分析
不改变异步电机同步转速n0的交流调速系统称为有转差调速系统,如调压调速,电磁滑差调速,液力耦合器调速等。存在有转差调速的系统,对于平方转矩的负载(如风机、水泵等),调速后所节约功率标幺值为
G(s)=1-(n/n0)2 (1)
式中:n为电机运行转速;
n0为电机同步转速。
采用液力耦合器等调速装置则需增加转差损耗ΔPs,其大小随s变化而变化,具体见图1所示。
图1 不同负载时ΔPs和G(s)与n/n0的关系
在转速为n时,忽略不计电机本身损耗的情况下,输入功率P1=(1-s)P10≈(1-s)P20,故转差损耗标幺值为
ΔPs*=≈=(1-s)3=s(1-s)2
求其极值dΔPs*/ds=0,得(1-s)(1-3s)=0
即s=1(极小值),s=1/3(极大值)。
将s=1/3代入ΔPs*得ΔPsmax*=(1/3)(1-1/3)2=4/27=0.148,说明对于离心式风机,水泵、转差损耗ΔPs在2/3额定转速时为最大。不同s时ΔPs*数值,见表1。
表1 负载转矩M与n2成正比例时的ΔPs*
s | n/n0 | ΔPs* |
---|---|---|
0 | 1 | 0 |
0.1 | 0.9 | 0.061 |
0.2 | 0.8 | 0.128 |
0.3 | 0.7 | 0.147 |
0.33 | 0.6667 | 0.148 |
0.4 | 0.6 | 0.144 |
0.5 | 0.5 | 0.125 |
0.6 | 0.4 | 0.096 |
0.7 | 0.3 | 0.063 |
0.8 | 0.2 | 0.032 |
0.9 | 0.1 | 0.009 |
1.0 | 0 | 0 |
2 用国产变频器替代大功率液力耦合器调速势在必行
20多年前盛行采用液力耦合器对水厂供水泵 及 电 厂 引 风 机 等 进 行 调 速 节 能 。 受 当 时 条 件 所 限 , 变 频 调 速 技 术 不 成 熟 且 无 法 提 供 高 压 大 功 率 变 频 装 置 , 而 液 力 耦 合 器 投 资 便 宜 。 如 今 , 若 采 用 进 口 变 频 器2 000~ 2 500元 /kW, 投 资 回 收 期 过 长 ( 达 5~ 6年 ) , 而 近 年 来 国 产 高 压 大 功 率 变 频 技 术 趋 向 成 熟 , 价 格 1 200~ 1 500元 /kW, 预 计 不 久 将 来 会 下 降 到 1 000元 /kW左 右 , 比 传 统 的 液 力 耦 合 器 贵 4~ 5倍 。
表2列 出 了 采 用 变 频 器 取 代 液 力 耦 合 器 的 投 资 回 收 期 对 比 , 从 表 2可 以 看 出 变 频 器 的 投 资 按 企 业 所 节 约 电 费 计 算 , 2~ 3年 就 可 收 回 。
表2 投资回收期对比*
功率/kW | 轴功率/kW | 变频器/万元 | 液力耦合器/万元 | 投资差价/万元 | 耗电量(kW·h/年) | 多耗电费(万元/年) | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
ΔPs*=14% | 电厂 | 企业 | |||||
250 | 150 | 25 | 6.7 | 18.3 | 14.7 | 3.23 | 8 |
315 | 189 | 30 | 6.7 | 23.3 | 18.55 | 4 | 10 |
360 | 216 | 35 | 7.7 | 27.3 | 21.14 | 4.65 | 11.4 |
440 | 264 | 44 | 7.8 | 36.2 | 25.34 | 5.57 | 13.7 |
500 | 300 | 50 | 7.8 | 42.2 | 29.4 | 6.5 | 15.8 |
680 | 408 | 70 | 9.9 | 60.1 | 40 | 8.8 | 21.6 |
850 | 510 | 85 | 12 | 73 | 50 | 11 | 27 |
1050 | 630 | 100 | 15.5 | 84.5 | 61.7 | 13.6 | 33.3 |
1500 | 900 | 150 | 24 | 126 | 88.2 | 19.4 | 47.6 |
2000 | 1200 | 200 | 46 | 154 | 117.6 | 25.7 | 63.5 |
3000 | 1800 | 250 | 78 | 172 | 176.4 | 38.7 | 92.9 |
华北某电厂引风机采用三种调节方式的测试数据如下:
该异步电机额定值PN=1250kW,UN=6kV,cosφN=0.85,ηN=95%,nN=742r/min,3种调节方式在不同发电负荷时的电动机输入电流,综合功率损耗分别如图2和图3所示,日耗电量见表3所列。
图2 电动机输入电流
图3 综合功率损耗
表3 3种调节方式的引风机日耗电量
日发电负荷/MW | 挡板 | 液力耦合器 | 变频器 |
---|---|---|---|
/kW·h | |||
3469(周五,1998.11.27) | 17575 | 8920 | 5134 |
2667(周六,1998.11.28) | 15743 | 6696 | 2738 |
2910(周日,1998.11.29) | 16474 | 7437 | 3499 |
按机组年运行7200h(300d),应用变频调速年节电350万kW·h,而使用液力耦合器年节电约100万多kW·h,两者相差250万kW·h。
投资对比如表4所列,从表4可知投资回收期约为2年3个月。
表4 1250kW设备投资对比万元
设备 | 价格 | 年节电费 |
---|---|---|
液力耦合器 | 0.125×400=50 | 100×0.22=22 |
变频器(进口) | 0.125×1000=125 | 350×0.22=77 |
差价 | -75 | +55 |
3 结语
综合上述分析可知,从节能考虑国内大容量风机、水泵采用国产变频器调速更合理。
作者简介
周德贤(1936-),男,高级工程师。上海电机工程学会电气传动专委会主任委员,上海电力电子学会常务理事,上海电器集团公司理事。合编《风机水泵交流调速节能技术》、《风机水泵调速节能设计手册》等,发表论文26篇。