摘要：本文介紹了礦漿泵在大流量、高揚程，且流量和揚程變化范圍大的情況下，液力調速與變頻調速兩種調速方式在節能和技術、經濟等方面的比較。并通過比較兩種調速方式的優缺點，確定經濟合理的調速方式。
關鍵詞：液力調速 變頻調速 尾礦泵

一、前言
羅布泊鉀肥項目是國家西部開發的重點工程，隨著120萬t/a采輸鹵和鹽田工程的建設完工，加工廠的建設正在全面鋪開。加工廠的尾礦輸送流量和揚程變化范圍大，為了節約能源，設計采用調速的方式來滿足輸送流量變化的要求。尾礦泵最大流量1000m3/h、揚程90m、轉速980r/min， 最小流量630 m3/h、揚程52m、轉速680r/min，配套電機630kW、6極、10kV、IP54、防腐等級F1、絕緣等級F。要求泵通過調速實現在最大流量和最小流量間變化。

二、水泵調速節能方式簡述
根據羅布泊鉀肥項目尾礦泵運行的特點，調速運行是其節能的最有效途徑。用以驅動泵的調速裝置大體上歸納為機械式和電氣式兩大類。機械調速裝置主要為液力偶合器，電氣調速裝置包括變極調速、串級調速、變頻調速、變電壓調速、調電阻調速和電磁滑差調速電機等6種。其中性能最好，應用面最廣的為變頻調速。
加入調速裝置后，當需要改變流量時，用設定的信號去改變水泵的轉速，從而達到流量的改變，這時水泵的軸功率也大幅度改變, 從而避免了用閥門改變流量，引起的節流損失。使原動機的輸出功率隨流量變化而變化，消除了大馬拉小車的缺點，節約了能源。此外，由于可調速驅動系統具有軟啟動功能，避免了由于電動機直接啟動引起的電網沖擊和機械沖擊，從而可以防止與此有關的一系列事故的發生。例如電動機轉子籠條的疲勞斷裂，定子端部繞組絕緣損壞擊穿等重大事故，提高了電機運行的可靠性。

三、調速設備方案比較
液力調速與變頻調速是當前風機、水泵調速節能常用的兩種技術。液力調速技術已被國家列為成熟可靠的調速技術加以推廣，而隨著變頻調速技術的廣泛應用，再加之近幾年我國高壓大容量變頻調速技術的突破性發展，引起了人們的普遍關注，兩種調速技術相比，各有其優點。
1.變頻調速與液力偶合器調速的工作原理 
　　電動機采用變頻調速后，轉軸與負載直接相連, 但電動機不再由電網直接供電，而是由高壓變頻器供電，高壓變頻器通過改變電動機的供電頻率改變電機轉速，因此可以在相當寬的頻率范圍內實現無級調速，而且在全范圍內具有優異的效率和功率因素特性。采用變頻調速后，異步電動機轉速n=60f(1-s)/p，其中f為高壓變頻器輸出頻率，s為異步電動機轉差率，p為電動機極對數。
液力偶合器是通過控制工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉速，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載。通過控制工作腔內參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩，達到控制負載轉速的目的，因此液力偶合器也可以實現負載轉速無級調節。如采用液力偶合器調速，則電動機轉軸連接到液力偶合器，而負載連接到液力偶合器，電動機仍由電網供電，電動機仍全速運行。
2.變頻調速與液力偶合器調速的節能比較 
（1）功率損耗的原因 
電動機本身功率損耗除外，無論是變頻調速還是液力偶合器調速，均存在額外的功率損耗。液力偶合器從電動機輸出軸取得機械能, 通過液力變速后送入負載，其效率不可能為1；高壓變頻器從電網獲得電能，通過逆變后送入電動機電樞，其效率也不可能是1。 如液力偶合器額定轉速時效率0.95，75%轉速時效率約0.72，20%轉速時效率約0.19。而高壓變頻器在輸出轉速下降時效率仍然較高，如額定轉速時效率0.97，75%以上轉速時效率大于0.95，20%以上轉速時效率大于0.9。當輸出轉速降低時，液力偶合器的效率比變頻調速的效率下降快得多，因此變頻調速的低速特性比液力耦合器要好。但用于泵類負載時，由于其軸功率與轉速的3次方成正比，當轉速下降時，雖然液力偶合器效率正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉速的下降成2次方比例下降，因此也能起到節能作用。
變頻調速通過電力電子整流和脈寬調制逆變技術改變電動機電樞的電壓和頻率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不變外，電力電子器件的損耗基本上與輸出功率成正比。因此變頻調速可以在全轉速范圍內保持較高效率運行。而液力偶合器依靠泵和渦輪傳遞能量，在低速輸出時，泵和渦輪的效率均下降，因此綜合效率隨轉速下降而下降。 
（2）節能比較 
　　羅布泊鉀肥項目加工廠在生產的前幾年，尾礦輸送流量約為泵的額定流量的70%。一臺630 kW的尾礦泵的流量從100%降低到70%，由于流量與轉速一次方成正比，因此轉速可以降低70%，負載功率理論上降為34.3%。如果直接采用高壓變頻調速，其效率按0.95算，再考慮電動機效率在低功率時有所下降，和管道系統效率有所下降，電網總輸入功率約34.3%/0.95/0.85/0.95=44.71%，即281.67 kW，節能55.29%。全年按300日計算，年節電348.3 kW?h。如果采用液力偶合器，其效率按0.665計算，電網總輸入功率約34.3%/0.665/0.85/0.95=63.87%，即402.38 kW，節能36.13%，年節電227.6萬kW?h。因此單臺尾礦泵采用變頻調速每年比采用液力偶合器多節電120.7萬kW?h，本次設計共有五臺尾礦泵（3用2備），每年就多節電362.1萬kW?h。
3.液力偶合器調速與變頻器調速方案比較（表1）
表1：液力偶合器調速與變頻器調速方案比較
 

注：a.各方案相同部分不參加比較。
b.自備電廠發電電費按0.482元/kWh。
4.變頻調速與液力偶合器調速的優缺點
　　液力耦合器作為尾礦泵的調速裝置，具有以下特點：初投資較少，能吸收沖擊和隔離扭振，撓性聯接，允許主、從動軸之間有較大的安裝誤差。但它的調速范圍有限，調速范圍為1/5，高速丟轉約5%-10%，即水泵的最高轉速達不到電機的額定轉速，低速轉差損耗大，最高可達額定功率的15%。液力調速是柔性傳動，具有空載啟動、可控的軟啟動、過載保護、減緩沖擊、隔離扭振、協調多機均衡驅動等功能，能有效地改善傳動品質。因效率與速度成正比，低速時效率極低，精度低、線性度差、響應慢，啟動電流大，裝置大，必須加裝在設備與電機之間。耦合器故障時，無法切換運行，維護復雜、費用大，電機無法實現軟啟動等缺點，不能滿足提高裝置整體自動化水平的需要。
高壓交流變頻調速技術是90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，其技術和性能勝過其它任何一種調速方式。隨著國內廠家的不斷技術進步，目前國產高壓變頻器的性價比已經相當高，并具有節能效益顯著、調速精度高、調速范圍寬（1/20）、功率因數高等優點，又可以實現真正的軟啟動，減少對電網的電流沖擊和對設備的機械沖擊，有效延長設備的使用壽命，完善的電力電子保護功能，以及易于實現的自動通信功能。變頻調速除可分級啟動外，基本上不改變傳動品質。高壓變頻調速安裝工期短，運行費用低，可實現閉環自動控制，技術含量高且故障率低，可實現一拖二運行并有工頻旁路，因此，運行可靠性高。但這一方案初期投資高。

四、結束語
由以上比較可知，高壓變頻器方案比液力耦合器方案約晚3年多收回投資，3年過后變頻調速比液力耦合器的年經營費少幾十或上百萬元，因此高壓變頻器方案比液力耦合器方案的總體投資回報效果更佳，設計推薦高壓變頻器調速方案。由于尾礦輸送的流量和距離在一定范圍內變動，且輸送距離長，流量大，電機為高壓電機，故確定使用高壓變頻調速的技術方案。

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來源：《化工礦物與加工》2007.3