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• 引言

風機是節(jié)能潛力巨大的通用設備，調速是其節(jié)能的重要途徑，調速技術的選擇事關投資效益，從性能價格比的角度出發(fā)，優(yōu)選機械調速裝置是較為明智的選擇。

1  風機調速的意義

風機是使用面廣、耗電量大的設備，風機在運行中普遍地存在的問題：（1）設備陳舊，結構落后，造成單機運行效率低；（2）風機或其配套電機選型設計裕量過大，形成系統(tǒng)實際運行效率低。如某鋼鐵公司風機實際運行效率僅為6％；（3）對于生產(chǎn)工藝參數(shù)不斷變化時，多采用落后的管道閘閥節(jié)流進行工況調節(jié)，白白地造成能源浪費；（4）輸送管道設置不盡合理，管道阻力大，以及運行管理粗放（如風機放空）造成運行中無效的功率損失等?？梢?，圍繞風機存在著大量的節(jié)能潛力，而對于工藝參數(shù)變化大的大中型（50～500kW）風機，其調速節(jié)能技術應用具有廣闊前景。

風機最大特點是負載轉矩與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比，因此如果在電機與風機之間加裝調速裝置，將電機輸出的固定轉速調節(jié)為根據(jù)流量需求的風機轉速，即當生產(chǎn)工藝參數(shù)需要變化時，采用改變風機轉速來調節(jié)風機的流量，就可節(jié)約大量的電能。

采用調速技術后，風機運行節(jié)能效果的預測，如以閥門調節(jié)作為比較的基準，當流量在0.5～1.0的范圍內調節(jié)變化時，不同調節(jié)方式時功率消耗與流量的關系見圖1^[1]。

可參照下式預測平均節(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，通過調速使風機的流量由50％連續(xù)不斷調節(jié)至100％時，調速調節(jié)比閥門調節(jié)可節(jié)省功率約為額定功率的40％。

2  風機調速技術類別選擇及方案分析

2.1  風機調速技術類別與比較

目前，風機調速有兩種方式：一種是機械調速，最常用的是在電機和風機間加裝調速型液力耦合器或液體粘性調速離合器；另一種是電氣調速裝置，其方法有串級調速、變頻調速、變極調速等。選擇機械調速用于風機調速運行，具有傳動效率高、過載保護性好、控制反應快、成本低、體積小、易維護等優(yōu)點且不受電機轉速、電壓等級等參數(shù)限制。而我國200kW以上的交流電機基本上全是高電壓電機，如此高等級電壓的調速，對各類電氣調速方式均難以達到。故我國目前高電壓中、大功率（200kW以上）的各類交流電機調速裝置均為液力耦合器或液粘調速離合器。以下針對液力耦合器和液粘調速離合器在風機調速領域中的應用特性進行研究。

2.2  液力調速傳動與液粘調速傳動特性的比較

以上針對風機調速選擇進行了分析，各有利弊，從性能價格比的角度出發(fā)，更傾向于機械調速裝置的應用。調速型液力耦合器和液粘調速離合器其原理不同，應用上有很多相同點，也有不同點。

從原理上講，液力耦合器傳動基于歐拉方程，以液體動量矩的變化來傳遞動力；液粘調速離合器傳動基于牛頓內摩擦定律,以液體的粘性（或油膜剪切力）來傳遞動力。由于基本概念和工作原理的本質不同，其調速裝置的主機結構設計顯然不同。但工作介質都是液體油，工作過程都有熱量產(chǎn)生，其操作控制系統(tǒng)都需要電控、液體循環(huán)和冷卻。

調速型液力耦合器和液粘調速離合器在應用特點上異同比較如下^[2-3]：

（1）都能使電機空載啟動，縮短啟動電流對電網(wǎng)的沖擊時間；

（2）都可以實現(xiàn)無級調速，調節(jié)方便可靠，且易于實現(xiàn)遠程控制和自動控制；

（3）液粘調速離合器可實現(xiàn)同步、調速和脫離3種工況運行，且主動軸轉動方向不影響傳動性能。在同步轉動時無功率損失，傳動效率（理論值）為100％；.

（4）都可以緩和沖擊，衰減扭振，具有過載保護功能，延長設備使用壽命；

（5）液力耦合器相對維修復雜，結構偏大，但調速技術較成熟可靠，能長期無檢修運行；液粘調速離合器結構緊湊合理，在調速狀態(tài)下效率高于耦合器4％～5%,節(jié)電率高于8％，但在轉速比0.9以后至1.0區(qū)域內易出現(xiàn)轉速波動，故應重視采用合理措施降低不穩(wěn)定區(qū)間或合理操作避開不穩(wěn)定區(qū)工作；

（6）都適用與不同等級的高低電壓、中大容量電機配用，使電機始終以額定轉速運轉，電機效率高，功率因數(shù)高，無諧波影響。

目前，國產(chǎn)調速型耦合器輸入轉速3000r/min，最大功率可達6500kW；液粘調速離合輸入轉速3000r/min，功率可達3200kW。

2.3  兩種機械調速節(jié)能裝置選擇方案的有關注意事項^[1-2]

（1）區(qū)別二者傳動特點的異同有針對地選擇。調速型液力耦合器與液粘調速離合器在應用特點上有很多相似之處，由于調速型液力耦合器技術成熟超前，應用相對普遍；但液粘調速離合器有更高的傳動效率，有1︰1的同步傳動，可方便進行定速、調速切換運行，寬泛了應用范圍，經(jīng)濟投入也相對偏低，但其存在調速不穩(wěn)定區(qū)間是難于避免的，應重視在技術上縮小速度不穩(wěn)定區(qū)，盡力擴大轉速比的實際范圍。

（2）調速節(jié)能的立足點在“調速”，調速即調節(jié)了風機的流量，只有存在流量變化工況需求時，才適于進行調速。但考慮到風機自身運行的特性因素，應有一個最佳的調速范圍。通常最低轉速不小于額定轉速的50％，一般為70％～90％之間。因為低轉速時，風機本身效率明顯下降，是不經(jīng)濟的；在額定流量的90％以上變化時，接近調速裝置本身效率（90％左右），節(jié)能效果不再明顯，而接近100％流量運行時，反而多耗能。

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

（4）調速范圍確定時，應注意避開機組的機械臨界共振轉速，否則調速至該諧振頻率時，將可能損壞機組。

3  風機調速應用實例與節(jié)能效益分析

調速型液力耦合器或液粘調速離合器均是風機調速裝置的最佳選擇。對于新安裝風機可選型調速裝置進行成套設計，對老設備改造則需使電機后退重新制作設備基礎。

以下舉實例說明機械調速裝置的應用并分析節(jié)能效益。

3.1  調速型液力耦合器應用舉例

以煉鋼轉爐除塵風機為例。按煉鋼工藝要求，當吹氧時風機全速運行，引出煉鋼產(chǎn)生的煤氣回收利用。在非吹煉（出鋼、進料）時間內，不需要排煙除塵，但因大型電機不易頻繁啟停，仍然采用全速運行方式，使風機在不需要排煙除塵時改為抽引大氣而空耗電能。加裝調速型液力耦合器則可對風機施以工況變速調節(jié)，從而大量節(jié)約電能。某鋼廠原來恒速運行的T18t氬氧轉爐除塵風機加裝調速型液力耦合器后實現(xiàn)了變速調節(jié)運行，以下分析計算其節(jié)能效益^[2]。

該轉爐吹煉一爐鋼周期為2h，其中吹煉時間t₁和出鋼進料時間t₂各占1h（圖2）。

在恒速運行時，電機高速滿功率運行，電機耗能為

W_d=P₁（t₁+t₂）

采用液力耦合器變速調節(jié)運行后，吹煉時風機高速運行，出鋼、進料時風機低速運行。其電機耗能為

                         W_o=P₁t₁+P₂t₂

式中  P₁——風機高速運行時電機消耗功率，kW

P₂——風機低速運行時電機消耗功率，kW

t₁——轉爐吹煉（風機高速運行）時間，h

 t₂——轉爐出鋼、進料（風機低速運行）時間，h；t₁=t₂=1h

變速調節(jié)對風機恒速運行的節(jié)能量W_J為

W_J=W_d－W_o=P₁（t₁+t₂）－（P₁t₁+P₂t₂）

                      =（P₁－P₂）t₂

式中（P₁－P₂）t₂是節(jié)省的能量，亦即圖2中的斜線部分。

3.2  液粘調速離合器應用舉例

開封火電廠1995～1999年先后在3＃鍋爐送風機、4＃鍋爐送風機和吸風機甲乙兩側安裝了6臺YT80型液粘調速離合器成功應用至今，年節(jié)電152萬kW·h，節(jié)電率為25%。將液粘調速技術應用于鍋爐送風機，變擋板調節(jié)風機流量為調速調節(jié)風機流量，這在電力系統(tǒng)查無先例。

4  結束語

    風機是用量大、耗能大的通用設備，選擇合理的節(jié)能措施勢在必行。交流電動機調速效率高是主要優(yōu)勢，但其成本高設備較復雜，維護要求較高，在大容量高電壓時可靠性尚待進一步提高。機械調速裝置初始投資小見效快，運行可靠性高維修量小，投資回收率高。目前機械調速裝置在風機調速節(jié)能中得到了較為廣泛的應用且發(fā)展前景很好。對于液力耦合器和液粘調速離合器來講，前者應用更為成熟廣泛些。雖然液粘調速技術起步較晚，但由于其結構合理，性能寬泛，操作維護簡易而具有較強的競爭優(yōu)勢。