泵组匹配发展趋势的分析及研究

作者：崔爱春

来源：《科技资讯》 2013年第23期

翟爱春

(荏原博泵泵业有限公司 山东淄博 255086)

摘 要:结合公司实际,介绍了泵组匹配的几种途径,重点分析研究变频调速控制泵组系统,论证了泵组匹配的发展方向。

关键词:泵组 匹配 电机 节能 经济效益

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)08(b)-0059-01

1 泵类节能实质

对于泵类产品,由流体力学理论可知,流体的流量Q与泵的转速N一次方成正比,扬程与转速的二次方成正比,而轴功率则与转速三次方成正比,转速减小时,电机的功率将以三次方的速度下降,如果流量由100%降到50%,则转速相应降到50%,扬程降到25%,而电机的轴功率降到了12.5%,即节约电能87.5%,所以根据不同工况改变泵的转速,从而改变电机功率是泵类产品节约能源,取得经济效益的的实质。

2 几种调整泵工况的途径

传统的改变流量的方法是用阀门来控制,这种方法虽然结构简单,经济适用,但却浪费能源。还有一种方法是用减速器或者液力耦合器改变泵的转速,达到节能的效果。前者是通过机械齿轮调速来实现的,但由于受到减速比的影响,转速很难达到无级调速,只能达到一个固定转速,无法满足不同工况的不同需要。后者液力耦合器调速是根据费丁格尔原理,以液体为介质,由驱动机产生的机械能转换成泵轮内工作油的动能,驱动经涡轮转换为机械能,调速范围非常广,并且能实现无级调速,能满足泵不同工况需要,但驱动机的机械能由泵轮变成液体的动能,涡轮再将液体的动能转变成机械能,在能量传递过程中,涡轮的转速比泵轮的转速要低,这个转速差叫做滑差。由于滑差的存在,使得损失的能量很大,效率较低。并且液力耦合器调速系统结构复杂,价格较高,适用于复杂工况下,压力非常高,功率非常大的场合。本公司大型电厂配用高压泵因其特殊的工况必须采用此种配置。

对于电机驱动的泵组,通过改变电机转速,从而到达改变泵的转速来满足不同工况,是实现节能,提高经济效益的有效途径。根据电机学理论,异步电动机的转速n与电源频率f、转差率S、电机极对数P有关,即n=60f(1-s)/P。从公式可以看出,改变电机转速可以有以下三种办法:一是改变电机频率f;二是改变电机极对数P;三是改变转差率S。改变频率电机是变频电机,通过和变频器的完美结合可以实现调速,后边将重点介绍。改变极对数电机是多速电机,可以是双速、三速甚至是四速电机,多速电机以其独特的优越性,在很多场合是完全可以满足泵组的需要,本公司许多电厂大型立式泵项目都是采用这种配置,如:浙江浙能六横电厂新建工程(2×1000 MW)超超临界燃煤机组中的循环水泵机组就是采用10 kV高压双速电机,实现了16极373转/分钟时功率为2700 kW,18极332转/分钟时功率为1900 kW。取得了节能的效果。多速电机有不可替代的优越性,但也有缺点,因其绕组特殊性造成了电机制造、工艺成本增加,价格接近于普通电机的2倍,设计上不可避免低速时功率因数较低,给电网造成一定冲击,因其接线的复杂性,维修、维护较普通电机复杂。改变转差率电机最有代表性是转子绕线电机,这种电机能在一定范围内调速,但因其结构复杂,性价比较低,泵组一般不选择这种匹配。

3 变频调速控制泵组系统

近几年,随着变频技术的高速发展,不管是高压还是低压变频器,输入波形越来越好,输入谐波越来越小,对电机的绝缘损坏很小,很多场合普通电机可以取代变频电机,变频技术的成熟,电

机价格趋于普通电机,可靠性和高的性价比等等,综合权衡泵组匹配更趋向于变频调速控制系统。

下面以泵组传统流量控制和变频控制的能耗比较,进一步阐述泵组的变频调速控制。

泵的轴功率P=QH/1000η,其中Q、H、η分别表示流量、出口压力和效率。

如(图1)所示:曲线BD、CE分别为不同转速下水泵的扬程流量关系:曲线BF、AF为不同的管网阻力曲线。系统消耗有功功率的大小反映于管网阻力曲线上的出口压力H和流量Q的乘积,泵的输出功率大小反映于水泵特性曲线上的H和Q的乘积,A为额定工作点,Y1、Y2分别为水泵在转速N1、N2下的效率曲线,水泵的设计原则上是在额定流量时获得最大效率。

当调节阀门开度减小时,受节流影响,管网阻力增加,水泵运行点沿恒转速曲线BD的A点上升到B点,泵扬程升高,流量减少,水泵的工作效率沿曲线Y1从最高点下降到M点,此时耗电量减少不多而效率下降较大,如通过阀门控制流量从100%减到70%时,扬程H从100%上升到110%,效率η由0.98将为0.80,由泵的轴功率公式计算可知,能耗只减少(100%×100%)/0.98-(70%×110%)/0.80=5.8%。

通过变频技术控制流量时,由于阀门全开,只改变水泵转速而不改变管网阻力,当水泵转速减低时,其压力/流量曲线下移,运行点由A点沿恒管网曲线AF下降到C点,即水泵流量减小,扬程降低,同时其效率曲线随转速的改变由Y1移到Y2,水泵始终工作在最大效率附件,其节省能耗如图1阴影部分所示。通过分析可以看出变频控制流量同样从100%减少到70%,扬程降低到55%,总效率基本维持不变,能耗却减少(100%×100%)/0.98-(70%×55%)/0.80=%。

从以上分析可以看出:变频控制调速方式调速范围宽,线性度好,而且损耗低,泵组无论是轻载还是满载都有较高的效率,同时功率因数不会降低,可不必配置功率因数补偿装置,并且可实现电机软启动,避免大的启动电流对电网的冲击。是一种理想的调速方式。

本公司很多项目都采用这种变频控制调速装置,其中包括大型国家级项目南水北调二级坝站、泗洪站的灯泡贯流泵机组,实践证明这种匹配不仅节能,而且便于维护,易于维修,通常投资回报期在2年左右,长期运行将回带来巨大的经济效益。

4 结语

本文详细介绍了泵组匹配的几种途径,并分析了几种的匹配的优点及劣势,重点研究了变频调速控制泵组系统,论证了该种匹配的经济性和实用性,是泵组匹配的发展方向。

参考文献

[1] 阎治安.西安交通大学现代远程教育课程[J].电机学,2006.

[2] 刘应诚,杨乃乔.液力偶合器应用与节能技术[M].北京:化学工业出版社,2006.