，，

(1.中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源工程與科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

隨著電網(wǎng)容量的不斷增加，用電峰谷差也逐步增大，需要機組調(diào)峰幅度相應(yīng)增加，相應(yīng)的鍋爐給水泵的流量調(diào)節(jié)范圍也隨之增加。變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是最節(jié)能的給水泵流量調(diào)節(jié)方法，目前常用的變轉(zhuǎn)速裝置有調(diào)速型液力偶合器、變頻器等[1]。

液力機械調(diào)速系統(tǒng)原理簡圖如圖1所示，該調(diào)速系統(tǒng)主要由可調(diào)式液力變矩器和行星輪系等裝置構(gòu)成。電機轉(zhuǎn)速基本不變，通過導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)液力變矩器的輸出渦輪力矩轉(zhuǎn)速特性，液力機械調(diào)速系統(tǒng)的大部分功率經(jīng)過行星齒輪傳遞，少部分通過液力變矩器，與偶合器相比高效范圍寬，節(jié)能效果顯著；與變頻器比具有壽命長、工作穩(wěn)定可靠、占地面積小等特點。

關(guān)于液力機械調(diào)速系統(tǒng)用于鍋爐給水泵的研究文獻較少，文獻[2]介紹了主要技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用情況。本文通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了液力機械調(diào)速系統(tǒng)的原理、特性和節(jié)能效果。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

圖1為系統(tǒng)的原理簡圖。電機輸出功率分成兩路，一路驅(qū)動行星輪系(速比α2)的齒圈，另一路驅(qū)動變矩器的泵輪，變矩器渦輪輸出經(jīng)過定軸輪系(速比α1)減速后驅(qū)動行星輪系的行星架，疊加后經(jīng)太陽輪輸出驅(qū)動給水泵。

圖1 給水泵液力機械調(diào)速系統(tǒng)簡圖

對行星輪系，運動方程、能量守恒和力矩平衡方程為

na+α2nb-nH(1+α2)=0

(1)

Mana+Mbnb+MHnH=0

(2)

Ma+Mb+MH=0

(3)

電機輸出功率

Mdnd=MBnB+Mbnb

(4)

可調(diào)式變矩器的渦輪輸出力矩和效率與導(dǎo)葉開度δ和轉(zhuǎn)速比iTB有關(guān)

MT=f1(δ,iTB);ηBJQ=f2(δ,iTB)

(5)

轉(zhuǎn)速比iTB=nT/nB，對LB46型變矩器，特性曲線見文獻[4]。

式中n——轉(zhuǎn)速;

M——力矩，角標(biāo)對應(yīng)的部件見圖1。

對固定輪系，渦輪輸出到行星架的力矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系為

(6)

某5 000 kW給水泵功率、效率特性曲線如圖2所示，轉(zhuǎn)速5 557 r/min，變轉(zhuǎn)速運行時的特性可用比例定律計算。

圖2 給水泵特性

2 主要參數(shù)設(shè)計方法

2.1 行星輪系速比

行星輪系速比α2是系統(tǒng)的重要參數(shù)，需要考慮結(jié)構(gòu)和性能綜合確定。一般大功率電機轉(zhuǎn)速為nd=nb=1 490 r/min，對圖2的給水泵特性，額定輸出轉(zhuǎn)速可取為na=5 500 r/min左右，代入運動方程(1)可得

(7)

系桿轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

多約束條件費用模型在節(jié)水中的實踐與運用…………………………………………………張浩明，邵圓媛（1.10）

(8)

根據(jù)(7)、(8)兩式，考慮結(jié)構(gòu)合理性選取相關(guān)參數(shù)。對本例可取α2=2.75、α1=4，計算變矩器轉(zhuǎn)速比iTB=1，與LB46變矩器基本一致。

2.2 變矩器循環(huán)圓直徑設(shè)計

根據(jù)給水泵特性，確定計算工況系統(tǒng)輸出力矩為Ma=8 685 N·m，計算渦輪力矩為

根據(jù)變矩器特性[3]，選取計算相對開度0.85，則變矩系數(shù)k=0.84，泵輪力矩系數(shù)λB=1.418×10-6，變矩器循環(huán)圓直徑為

可取D=820 m。

3 系統(tǒng)特性和節(jié)能分析

系統(tǒng)特性計算方法為

(1)已知電機轉(zhuǎn)速nb，給定輸出轉(zhuǎn)速na，根據(jù)給水泵特性計算輸出力矩Ma。根據(jù)行星輪系三個方程(1)、(2)、(3)求出齒圈力矩Mb、行星架力矩MH和轉(zhuǎn)速nH；

(2)按(8)求出變矩器轉(zhuǎn)速比，計算渦輪力矩，根據(jù)變矩器特性求出開度，即可求出變矩器的效率和泵輪功率；

圖3是作用在行星輪系三個齒輪上的功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。變矩器渦輪輸出功率PH作用在行星輪系的行星架上，電機輸出功率Pb作用在齒圈上，合成后功率Pa經(jīng)太陽輪輸出。在高轉(zhuǎn)速時功率主要經(jīng)過行星傳動輸出，效率較低的變矩器功率較小，因此系統(tǒng)效率高。隨著輸出轉(zhuǎn)速下降，變矩器渦輪輸出功率占比增加，變矩器效率也下降，因此系統(tǒng)效率下降。

圖3 行星輪系三個齒輪上的功率

在轉(zhuǎn)速較高時，不考慮齒輪傳動效率，則系統(tǒng)效率為

(9)

式中PB——變矩器泵輪功率，PB=PHηB;

ηB——變矩器效率，根據(jù)渦輪力矩和轉(zhuǎn)速比，可在變矩器效率特性曲線上查出變矩器效率。

圖4 效率轉(zhuǎn)速特性

圖4是系統(tǒng)效率特性曲線，在給水泵額定轉(zhuǎn)速5 557 r/min時系統(tǒng)效率96%，考慮機械傳動效率應(yīng)為95%。在額定轉(zhuǎn)速75%工況，系統(tǒng)效率為85%，與調(diào)速型液力偶合器相比可節(jié)能10%。

4 結(jié)論

通過對液力機械調(diào)速系統(tǒng)的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)液力機械調(diào)速系統(tǒng)的效率在額定工況點附近很高，偏離額定工況點后效率下降，因此適合于調(diào)速范圍要求不大的離心泵、風(fēng)機和離心壓縮機等大功率設(shè)備的變轉(zhuǎn)速運行。此類設(shè)備功率大約正比于轉(zhuǎn)速的3次方，在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速80%時功率即下降約一半，此時系統(tǒng)效率約90%以上。

如需要更大范圍的調(diào)速，可用雙液力變矩器等裝置擴大高效范圍。

(2)與調(diào)速型液力偶合器相比，低轉(zhuǎn)速工況可節(jié)能10%以上，節(jié)能效果明顯。

(3)使用一個可調(diào)式液力變矩器的系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速工況的效率低于變頻調(diào)速，但液力機械調(diào)速系統(tǒng)具有可靠性高、壽命長、占地面積小等優(yōu)點，作為機械產(chǎn)品也便于維修，與大功率變頻調(diào)速相比各有優(yōu)勢。

[1]張樹生，趙瑞平,王海林.600 MW機組給水泵節(jié)能改造技術(shù)探討[J].化工管理.2016(36):90-9.

[2]趙恩嬋.調(diào)速之星在600 MW級空冷機組給水泵中應(yīng)用分析[J].節(jié)能技術(shù).2008，26(149):264-266.

[3]趙力.電廠給水泵變頻改造研究[D]北京：華北電力大學(xué)，2014.6.

[4]閆國軍,董泳.風(fēng)力發(fā)電液力機械傳動裝置的特性及設(shè)計[J].太陽能學(xué)報,2012,33(4):571-576.