泵与风机的性能分析及其节能技术

　　湖南有色金属泵与风机的性能分析及其节能技术张频（江西铜业公司德兴铜矿，江西德兴系统，就其节能的选择方面，详述了各种调速方式的优劣，并以实例分析了变频调速优良的节能效果，同时说明了变频调速也有负面作用。

　　江西铜业集团德兴铜矿是亚洲大斑岩铜矿，其所属的选矿厂、精尾厂、水厂等都大量使用各种风机、砂泵、水泵，其容量约占到全矿总装机容量的20，该矿在电能平衡测试中，通过对各种泵和风机的测试，发现运行效率低于58的风机约占51，运行效率低于50的泵约占56.根据国家有关规定，风机的实际使用效率低于70，离心泵的实际使用效率低于60的应分期分批予以更新或改造，以减少大量的能源浪费。

　　1泵和风机的性能泵和风机的主要性能参数包括流量Q、压头H（泵为扬程，风机为全风压）、功率N、效率n转速n这些参数反映了泵或风机的整体性能。泵和风机的性能非常相似。

　　1.1泵的闸阀节流分析离心泵闸阀的特性曲线如所示，Q―H图给出了泵的转轴功率与流量之间的关系。

　　中Qa、Qh、Qc分别为阀门开度由大到小的3个管道特性曲线，A、B、C分别为3个工况点。当调节阀门开度由大到小时，表现为管道阻力由小到大，管道特性曲线变陡，因此泵的工况点自A移到C，流量减少的同时，转轴的功率相应减少，但其幅度不1.2调速节流分析离心泵调速节流特性曲线如所示，中的Q *Hnl、卩一卩一丹‘分别对应于不同转速时的流量扬程特性曲线，其中转速2>*3-Q―性曲线，Qa、Qb分别为阀门开度不同的2条管道特性曲线，A、B、C、D、E、F分别为各工况点，由流体力学理论可知它们存在如下关系：~（4）可知，当转速调节由大到小时，流量、杨程、轴功率分别按1、2、3次方关系下降。可见，调速对轴功率的影响大。如果再以出口阀门的开度配合调整，就可以找到泵的佳工况点，既保证运行在稳定区，又使泵工作在流量大而功率低的工况点。如所示，当降低转速运行至Q为Qb这时，泵运行至工况点E流量超过了工况点C而转轴功率N5则低于N3. 1.3风机的调速节能风机的H―Q曲线如所示，风机工作的有效总功率为：从可以看出，曲线Q―Hni为风机恒速时风压H与风量Q的特性曲线，曲线Qa、Qb为管网风阻特性曲线。假设风机在A点工作效率高，输出风量Qi为100此时，轴功率N为OQiAHi面积的V102如果生产工艺要求风量从Qi减少到Q2，若用阀门调节风量，使风机工作于B点，此时轴功率N为OQ2AH2面积的i/i02显然OQ2AH2的面积与OQiAHi的面积相差不多，风机轴功率变化不大。如果采用调速的方法，风机的速度从ni降到m，则在n2转速下的的风压、风量关系如曲线Q*Hn2，可见在满足同样风量Q2的情况下，风压大幅下降，OQ2AH3的面积与OQiAHi的面积相比显著减少，节能效果十分明显。

　　2调速系统的分析基于阀门节流与调速节流分析可知，调节泵与风机的转速，可以达到加流量、降低轴功率的双重作用。目前交流调速有电磁离合器调速、转差调速、液力偶合器调速、变频调速等多种调速方式。

　　2i电动机电磁离合器调速电磁离合器调速系统包括笼型异步电动机、涡流式电磁离合器、调速装置、测速发电机等部分组成。离合器本身有较大转差存在，输出轴的高转速仅为电动机轴转速的85左右，速度损失大，转差功率以热能形式损失（铁损），故效率低，电磁离合器及其控制装置发生故障时，只能停机，其结构也较为复杂，对其轴承的清洗、加油都较为困难，但作为整体更换还是较为简单，价格也便宜，操作也简单，在中小容量电机调速系统中多有应用。

　　22转差调速调速原理是在绕线电机的转子绕组电路中接入调速变阻器，加转子电阻来减小转子电流，使转子转矩下降，从而转速下降，转差大。该调速技术简单易于撑握，调速设备便宜，但调速过程损失的转差功率以热能的形式消耗于调速电阻上，因此效率也较低，且绕线型电机售价也较高。

　　23液力偶合器调速液力偶合器是一种液力传动装置，由泵轮和涡轮组成，其中充有一定量的机械油液，靠工作液（油液）传递转矩，泵轮是主动件；涡轮与泵轮相对，是从动件。其特点是结构简单使用简单，工作可靠，可以实现无级调速。但液力偶合器本身存在转差，转差功率以热能的形式损耗，因而效率较低。效率分析表明，液力偶合器能量损失主要体现在油液循环时的液体流动损失以及轴承密封造成的机械损失等，其效率约为84. 24变频调速随着无线电半导体技术的飞速发展，变频调速己在诸多领或里有着广泛的应用，新建项目里，只要涉及到交流调速的，变频调速便是。有关变频调速的研究文章也很多，变频调速可以节电i0以上也己成为共识，其保护功能完善、工作稳定可靠、使用方便也是电气工作者喜欢应用的原因之一。

　　3变频调速改造实例为例，泵为12/10ST*AH不变，改造前由于砂泵和管道的特性不匹配（在泵的选型过程中，不可能选择到完全与管路特性匹配的砂泵）在不同的实际运行工况下，需通过液力偶合器来调节流量，效率低功耗高，机械、液压维修量大，对生产影响大。而变频装置保护功能完善，负载大小直接反映在电机的负载电流上，能较好地保证砂泵的安全运行。

　　电耗状况在同台效的情况下，做了如下测试和比较，初始条件列于表1，运行对比结果列于表2.液力偶合器输入变频输入流量电压电流功率/V因素电机功率/kW电流功率电机功/A因素率/kWZ表2变频改造前后运行数据对比时间电机电电机电压/V流/A频率转速日耗电/kWh年耗电/万kWOi节电率/年3月年5月562元/度计，以年运行340d计算变频装置年节约9.47万元，变频改造的投资回收期仅3 ~4a其直接经济效益是十分可观的。

　　但很多变频器的研究文章都是说变频调速一好百好，本着科学的态度思考，变频调速用于改造项目给普通异步电动机带来的问题也不可忽视。其一，电动机的效率和温升的问题。不论何种形式的变频器，在工作中均会不同程度地产生谐波电压和谐波电流，从而使异步电动机在非正弦波电压、电流下运行。在高次谐波引起的损耗中，影响为显著的是转子铜耗。对于普通异步电动机如果运行在非正弦波的电压、电流下，其温升的加值约为10~20，谐波电压和谐波电流对电源会造成严重的污染；其二，电动机的绝缘承受较高的冲击电压。目前的中小容量变频器，绝大多数采用的是PWM控制方式，其采用的载波频率己由几千赫发展到几十千赫这就使得电动机定子绕阻承受着很高的du/dt值，电机绕阻的匝间绝缘承受着较高的电应力。另外PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压会叠加在电机运行电压上，由此产生的电压峰值会对电机的对地绝缘形成威胁，加速电机绝缘老化；其三，低速时的冷却存在问题。普通异步电动机是自带风扇的冷却方式，用于变频调速时，在转速降低的情况下冷却风量与转速的三次方成比例地减小，电能损耗加而散热困难，这必将使电机低速时的温升急剧加，使之无法实现恒转矩输出，同时加快电机绝缘的老化。因此，有条件的单位还是应使用变频电机；其四，对一些特定的生产工艺的影响较大，如大山选矿厂的砂泵改用变频调速后，旋流器的分级效率降低，对生产的稳定性有负面影响。因此在旧设备的改造前，应多做科学的分析，权衡利弊，作出合理的决策。

　　4结语以上仅介绍了泵与风机的流量调节原理，也阐明了泵与风机采用不同的调速系统达到既满足生产工艺及控制要求，又能达到节能降耗的作用。其中，变频调速以其的节电性能获得了广泛的应用，但如果用于老设备、老系统的改造，除多做科学的分析，合理进行系统设计外，应尽量将原电机更换为变频电机，才能获得更大效益，尽可能地缩短投资回收期。