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• 引言

風(fēng)機(jī)是節(jié)能潛力巨大的通用設(shè)備，調(diào)速是其節(jié)能的重要途徑，調(diào)速技術(shù)的選擇事關(guān)投資效益，從性能價(jià)格比的角度出發(fā)，優(yōu)選機(jī)械調(diào)速裝置是較為明智的選擇。

1  風(fēng)機(jī)調(diào)速的意義

風(fēng)機(jī)是使用面廣、耗電量大的設(shè)備，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中普遍地存在的問(wèn)題：（1）設(shè)備陳舊，結(jié)構(gòu)落后，造成單機(jī)運(yùn)行效率低；（2）風(fēng)機(jī)或其配套電機(jī)選型設(shè)計(jì)裕量過(guò)大，形成系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率低。如某鋼鐵公司風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率僅為6％；（3）對(duì)于生產(chǎn)工藝參數(shù)不斷變化時(shí)，多采用落后的管道閘閥節(jié)流進(jìn)行工況調(diào)節(jié)，白白地造成能源浪費(fèi)；（4）輸送管道設(shè)置不盡合理，管道阻力大，以及運(yùn)行管理粗放（如風(fēng)機(jī)放空）造成運(yùn)行中無(wú)效的功率損失等。可見(jiàn)，圍繞風(fēng)機(jī)存在著大量的節(jié)能潛力，而對(duì)于工藝參數(shù)變化大的大中型（50～500kW）風(fēng)機(jī)，其調(diào)速節(jié)能技術(shù)應(yīng)用具有廣闊前景。

風(fēng)機(jī)最大特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此如果在電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間加裝調(diào)速裝置，將電機(jī)輸出的固定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為根據(jù)流量需求的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即當(dāng)生產(chǎn)工藝參數(shù)需要變化時(shí)，采用改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的流量，就可節(jié)約大量的電能。

采用調(diào)速技術(shù)后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能效果的預(yù)測(cè)，如以閥門調(diào)節(jié)作為比較的基準(zhǔn)，當(dāng)流量在0.5～1.0的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)變化時(shí)，不同調(diào)節(jié)方式時(shí)功率消耗與流量的關(guān)系見(jiàn)圖1^[1]。

a——調(diào)節(jié)閥門  b——調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

圖1  風(fēng)機(jī)不同調(diào)節(jié)方式時(shí)功率消耗與流量的關(guān)系

可參照下式預(yù)測(cè)平均節(jié)約功率：

△P＝P_a-P_b≈0.4P₀

式中 P₀——額定功率

即在理想情況下，通過(guò)調(diào)速使風(fēng)機(jī)的流量由50％連續(xù)不斷調(diào)節(jié)至100％時(shí)，調(diào)速調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)可節(jié)省功率約為額定功率的40％。

2  風(fēng)機(jī)調(diào)速技術(shù)類別選擇及方案分析

2.1  風(fēng)機(jī)調(diào)速技術(shù)類別與比較

目前，風(fēng)機(jī)調(diào)速有兩種方式：一種是機(jī)械調(diào)速，最常用的是在電機(jī)和風(fēng)機(jī)間加裝調(diào)速型液力耦合器或液體粘性調(diào)速離合器；另一種是電氣調(diào)速裝置，其方法有串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速、變極調(diào)速等。選擇機(jī)械調(diào)速用于風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行，具有傳動(dòng)效率高、過(guò)載保護(hù)性好、控制反應(yīng)快、成本低、體積小、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)且不受電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓等級(jí)等參數(shù)限制。而我國(guó)200kW以上的交流電機(jī)基本上全是高電壓電機(jī)，如此高等級(jí)電壓的調(diào)速，對(duì)各類電氣調(diào)速方式均難以達(dá)到。故我國(guó)目前高電壓中、大功率（200kW以上）的各類交流電機(jī)調(diào)速裝置均為液力耦合器或液粘調(diào)速離合器。以下針對(duì)液力耦合器和液粘調(diào)速離合器在風(fēng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中的應(yīng)用特性進(jìn)行研究。

2.2  液力調(diào)速傳動(dòng)與液粘調(diào)速傳動(dòng)特性的比較

以上針對(duì)風(fēng)機(jī)調(diào)速選擇進(jìn)行了分析，各有利弊，從性能價(jià)格比的角度出發(fā)，更傾向于機(jī)械調(diào)速裝置的應(yīng)用。調(diào)速型液力耦合器和液粘調(diào)速離合器其原理不同，應(yīng)用上有很多相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。

從原理上講，液力耦合器傳動(dòng)基于歐拉方程，以液體動(dòng)量矩的變化來(lái)傳遞動(dòng)力；液粘調(diào)速離合器傳動(dòng)基于牛頓內(nèi)摩擦定律,以液體的粘性（或油膜剪切力）來(lái)傳遞動(dòng)力。由于基本概念和工作原理的本質(zhì)不同，其調(diào)速裝置的主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯然不同。但工作介質(zhì)都是液體油，工作過(guò)程都有熱量產(chǎn)生，其操作控制系統(tǒng)都需要電控、液體循環(huán)和冷卻。

調(diào)速型液力耦合器和液粘調(diào)速離合器在應(yīng)用特點(diǎn)上異同比較如下^[2-3]：

（1）都能使電機(jī)空載啟動(dòng)，縮短啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊時(shí)間；

（2）都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)節(jié)方便可靠，且易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制；

（3）液粘調(diào)速離合器可實(shí)現(xiàn)同步、調(diào)速和脫離3種工況運(yùn)行，且主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向不影響傳動(dòng)性能。在同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)功率損失，傳動(dòng)效率（理論值）為100％；.

（4）都可以緩和沖擊，衰減扭振，具有過(guò)載保護(hù)功能，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；

（5）液力耦合器相對(duì)維修復(fù)雜，結(jié)構(gòu)偏大，但調(diào)速技術(shù)較成熟可靠，能長(zhǎng)期無(wú)檢修運(yùn)行；液粘調(diào)速離合器結(jié)構(gòu)緊湊合理，在調(diào)速狀態(tài)下效率高于耦合器4％～5%,節(jié)電率高于8％，但在轉(zhuǎn)速比0.9以后至1.0區(qū)域內(nèi)易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，故應(yīng)重視采用合理措施降低不穩(wěn)定區(qū)間或合理操作避開(kāi)不穩(wěn)定區(qū)工作；

（6）都適用與不同等級(jí)的高低電壓、中大容量電機(jī)配用，使電機(jī)始終以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)效率高，功率因數(shù)高，無(wú)諧波影響。

目前，國(guó)產(chǎn)調(diào)速型耦合器輸入轉(zhuǎn)速3000r/min，最大功率可達(dá)6500kW；液粘調(diào)速離合輸入轉(zhuǎn)速3000r/min，功率可達(dá)3200kW。

2.3  兩種機(jī)械調(diào)速節(jié)能裝置選擇方案的有關(guān)注意事項(xiàng)^[1-2]

（1）區(qū)別二者傳動(dòng)特點(diǎn)的異同有針對(duì)地選擇。調(diào)速型液力耦合器與液粘調(diào)速離合器在應(yīng)用特點(diǎn)上有很多相似之處，由于調(diào)速型液力耦合器技術(shù)成熟超前，應(yīng)用相對(duì)普遍；但液粘調(diào)速離合器有更高的傳動(dòng)效率，有1︰1的同步傳動(dòng)，可方便進(jìn)行定速、調(diào)速切換運(yùn)行，寬泛了應(yīng)用范圍，經(jīng)濟(jì)投入也相對(duì)偏低，但其存在調(diào)速不穩(wěn)定區(qū)間是難于避免的，應(yīng)重視在技術(shù)上縮小速度不穩(wěn)定區(qū)，盡力擴(kuò)大轉(zhuǎn)速比的實(shí)際范圍。

（2）調(diào)速節(jié)能的立足點(diǎn)在“調(diào)速”，調(diào)速即調(diào)節(jié)了風(fēng)機(jī)的流量，只有存在流量變化工況需求時(shí)，才適于進(jìn)行調(diào)速。但考慮到風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行的特性因素，應(yīng)有一個(gè)最佳的調(diào)速范圍。通常最低轉(zhuǎn)速不小于額定轉(zhuǎn)速的50％，一般為70％～90％之間。因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)機(jī)本身效率明顯下降，是不經(jīng)濟(jì)的；在額定流量的90％以上變化時(shí)，接近調(diào)速裝置本身效率（90％左右），節(jié)能效果不再明顯，而接近100％流量運(yùn)行時(shí)，反而多耗能。

（3）大中型（50～500kW）的風(fēng)機(jī)最適合采用調(diào)速裝置節(jié)能。小功率風(fēng)機(jī)由于功率小，節(jié)能潛力小，加之小功率風(fēng)機(jī)往往工況參數(shù)變化范圍不大，采用調(diào)速投資的節(jié)能效益不大。

（4）調(diào)速范圍確定時(shí)，應(yīng)注意避開(kāi)機(jī)組的機(jī)械臨界共振轉(zhuǎn)速，否則調(diào)速至該諧振頻率時(shí)，將可能損壞機(jī)組。

3  風(fēng)機(jī)調(diào)速應(yīng)用實(shí)例與節(jié)能效益分析

調(diào)速型液力耦合器或液粘調(diào)速離合器均是風(fēng)機(jī)調(diào)速裝置的最佳選擇。對(duì)于新安裝風(fēng)機(jī)可選型調(diào)速裝置進(jìn)行成套設(shè)計(jì)，對(duì)老設(shè)備改造則需使電機(jī)后退重新制作設(shè)備基礎(chǔ)。

以下舉實(shí)例說(shuō)明機(jī)械調(diào)速裝置的應(yīng)用并分析節(jié)能效益。

3.1  調(diào)速型液力耦合器應(yīng)用舉例

以煉鋼轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)為例。按煉鋼工藝要求，當(dāng)吹氧時(shí)風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，引出煉鋼產(chǎn)生的煤氣回收利用。在非吹煉（出鋼、進(jìn)料）時(shí)間內(nèi)，不需要排煙除塵，但因大型電機(jī)不易頻繁啟停，仍然采用全速運(yùn)行方式，使風(fēng)機(jī)在不需要排煙除塵時(shí)改為抽引大氣而空耗電能。加裝調(diào)速型液力耦合器則可對(duì)風(fēng)機(jī)施以工況變速調(diào)節(jié)，從而大量節(jié)約電能。某鋼廠原來(lái)恒速運(yùn)行的T18t氬氧轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)加裝調(diào)速型液力耦合器后實(shí)現(xiàn)了變速調(diào)節(jié)運(yùn)行，以下分析計(jì)算其節(jié)能效益^[2]。

該轉(zhuǎn)爐吹煉一爐鋼周期為2h，其中吹煉時(shí)間t₁和出鋼進(jìn)料時(shí)間t₂各占1h（圖2）。

在恒速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)高速滿功率運(yùn)行，電機(jī)耗能為

W_d=P₁（t₁+t₂）

采用液力耦合器變速調(diào)節(jié)運(yùn)行后，吹煉時(shí)風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，出鋼、進(jìn)料時(shí)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行。其電機(jī)耗能為

                         W_o=P₁t₁+P₂t₂

式中  P₁——風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)消耗功率，kW

P₂——風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)電機(jī)消耗功率，kW

t₁——轉(zhuǎn)爐吹煉（風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行）時(shí)間，h

 t₂——轉(zhuǎn)爐出鋼、進(jìn)料（風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行）時(shí)間，h；t₁=t₂=1h

變速調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)機(jī)恒速運(yùn)行的節(jié)能量W_J為

W_J=W_d－W_o=P₁（t₁+t₂）－（P₁t₁+P₂t₂）

                      =（P₁－P₂）t₂

在正常生產(chǎn)情況下實(shí)際計(jì)算（數(shù)字過(guò)程略）的年節(jié)電量為637632kW·h，年節(jié)電率為

                 K=36.3%

上例說(shuō)明液力耦合器應(yīng)用于風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行節(jié)電效果明顯，有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

3.2  液粘調(diào)速離合器應(yīng)用舉例

開(kāi)封火電廠1995～1999年先后在3＃鍋爐送風(fēng)機(jī)、4＃鍋爐送風(fēng)機(jī)和吸風(fēng)機(jī)甲乙兩側(cè)安裝了6臺(tái)YT80型液粘調(diào)速離合器成功應(yīng)用至今，年節(jié)電152萬(wàn)kW·h，節(jié)電率為25%。將液粘調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于鍋爐送風(fēng)機(jī)，變擋板調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量為調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量，這在電力系統(tǒng)查無(wú)先例。

4  結(jié)束語(yǔ)

    風(fēng)機(jī)是用量大、耗能大的通用設(shè)備，選擇合理的節(jié)能措施勢(shì)在必行。交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速效率高是主要優(yōu)勢(shì)，但其成本高設(shè)備較復(fù)雜，維護(hù)要求較高，在大容量高電壓時(shí)可靠性尚待進(jìn)一步提高。機(jī)械調(diào)速裝置初始投資小見(jiàn)效快，運(yùn)行可靠性高維修量小，投資回收率高。目前機(jī)械調(diào)速裝置在風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能中得到了較為廣泛的應(yīng)用且發(fā)展前景很好。對(duì)于液力耦合器和液粘調(diào)速離合器來(lái)講，前者應(yīng)用更為成熟廣泛些。雖然液粘調(diào)速技術(shù)起步較晚，但由于其結(jié)構(gòu)合理，性能寬泛，操作維護(hù)簡(jiǎn)易而具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。