锅炉给水泵液力机械调速系统特性和节能分析

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(1.中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078；2.哈尔滨工业大学 能源工程与科学学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

随着电网容量的不断增加，用电峰谷差也逐步增大，需要机组调峰幅度相应增加，相应的锅炉给水泵的流量调节范围也随之增加。变转速调节是最节能的给水泵流量调节方法，目前常用的变转速装置有调速型液力偶合器、变频器等[1]。

液力机械调速系统原理简图如图1所示，该调速系统主要由可调式液力变矩器和行星轮系等装置构成。电机转速基本不变，通过导叶开度调节液力变矩器的输出涡轮力矩转速特性，液力机械调速系统的大部分功率经过行星齿轮传递，少部分通过液力变矩器，与偶合器相比高效范围宽，节能效果显著；与变频器比具有寿命长、工作稳定可靠、占地面积小等特点。

关于液力机械调速系统用于锅炉给水泵的研究文献较少，文献[2]介绍了主要技术参数和应用情况。本文通过建立系统的数学模型，分析了液力机械调速系统的原理、特性和节能效果。

1 数学模型的建立

图1为系统的原理简图。电机输出功率分成两路，一路驱动行星轮系(速比α2)的齿圈，另一路驱动变矩器的泵轮，变矩器涡轮输出经过定轴轮系(速比α1)减速后驱动行星轮系的行星架，叠加后经太阳轮输出驱动给水泵。

图1 给水泵液力机械调速系统简图

对行星轮系，运动方程、能量守恒和力矩平衡方程为

na+α2nb-nH(1+α2)=0

(1)

Mana+Mbnb+MHnH=0

(2)

Ma+Mb+MH=0

(3)

电机输出功率

Mdnd=MBnB+Mbnb

(4)

可调式变矩器的涡轮输出力矩和效率与导叶开度δ和转速比iTB有关

MT=f1(δ,iTB);ηBJQ=f2(δ,iTB)

(5)

转速比iTB=nT/nB，对LB46型变矩器，特性曲线见文献[4]。

式中n——转速;

M——力矩，角标对应的部件见图1。

对固定轮系，涡轮输出到行星架的力矩、转速关系为

(6)

某5 000 kW给水泵功率、效率特性曲线如图2所示，转速5 557 r/min，变转速运行时的特性可用比例定律计算。

图2 给水泵特性

2 主要参数设计方法

2.1 行星轮系速比

行星轮系速比α2是系统的重要参数，需要考虑结构和性能综合确定。一般大功率电机转速为nd=nb=1 490 r/min，对图2的给水泵特性，额定输出转速可取为na=5 500 r/min左右，代入运动方程(1)可得

(7)

系杆转速和输入转速之间的关系为

多约束条件费用模型在节水中的实践与运用…………………………………………………张浩明，邵圆媛（1.10）

(8)

根据(7)、(8)两式，考虑结构合理性选取相关参数。对本例可取α2=2.75、α1=4，计算变矩器转速比iTB=1，与LB46变矩器基本一致。

2.2 变矩器循环圆直径设计

根据给水泵特性，确定计算工况系统输出力矩为Ma=8 685 N·m，计算涡轮力矩为

根据变矩器特性[3]，选取计算相对开度0.85，则变矩系数k=0.84，泵轮力矩系数λB=1.418×10-6，变矩器循环圆直径为

可取D=820 m。

3 系统特性和节能分析

系统特性计算方法为

(1)已知电机转速nb，给定输出转速na，根据给水泵特性计算输出力矩Ma。根据行星轮系三个方程(1)、(2)、(3)求出齿圈力矩Mb、行星架力矩MH和转速nH；

(2)按(8)求出变矩器转速比，计算涡轮力矩，根据变矩器特性求出开度，即可求出变矩器的效率和泵轮功率；

图3是作用在行星轮系三个齿轮上的功率随转速的变化曲线。变矩器涡轮输出功率PH作用在行星轮系的行星架上，电机输出功率Pb作用在齿圈上，合成后功率Pa经太阳轮输出。在高转速时功率主要经过行星传动输出，效率较低的变矩器功率较小，因此系统效率高。随着输出转速下降，变矩器涡轮输出功率占比增加，变矩器效率也下降，因此系统效率下降。

图3 行星轮系三个齿轮上的功率

在转速较高时，不考虑齿轮传动效率，则系统效率为

(9)

式中PB——变矩器泵轮功率，PB=PHηB;

ηB——变矩器效率，根据涡轮力矩和转速比，可在变矩器效率特性曲线上查出变矩器效率。

图4 效率转速特性

图4是系统效率特性曲线，在给水泵额定转速5 557 r/min时系统效率96%，考虑机械传动效率应为95%。在额定转速75%工况，系统效率为85%，与调速型液力偶合器相比可节能10%。

4 结论

通过对液力机械调速系统的分析，可以得到以下结论：

(1)液力机械调速系统的效率在额定工况点附近很高，偏离额定工况点后效率下降，因此适合于调速范围要求不大的离心泵、风机和离心压缩机等大功率设备的变转速运行。此类设备功率大约正比于转速的3次方，在转速为额定转速80%时功率即下降约一半，此时系统效率约90%以上。

如需要更大范围的调速，可用双液力变矩器等装置扩大高效范围。

(2)与调速型液力偶合器相比，低转速工况可节能10%以上，节能效果明显。

(3)使用一个可调式液力变矩器的系统低转速工况的效率低于变频调速，但液力机械调速系统具有可靠性高、寿命长、占地面积小等优点，作为机械产品也便于维修，与大功率变频调速相比各有优势。

[1]张树生，赵瑞平,王海林.600 MW机组给水泵节能改造技术探讨[J].化工管理.2016(36):90-9.

[2]赵恩婵.调速之星在600 MW级空冷机组给水泵中应用分析[J].节能技术.2008，26(149):264-266.

[3]赵力.电厂给水泵变频改造研究[D]北京：华北电力大学，2014.6.

[4]闫国军,董泳.风力发电液力机械传动装置的特性及设计[J].太阳能学报,2012,33(4):571-576.