風機與泵類電動機及電氣傳動系統的選擇探討

(內蒙古城市規劃市政設計研究院有限公司, 內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

供熱工程中,風機與泵是被廣泛使用的通用機械。為響應國家節能號召,降低風機與泵能耗,在工程設計階段就必須正確選擇風機與泵類電動機及電氣傳動系統。風機與泵類電動機及電氣傳動系統的選擇,在勘察設計領域屬于工藝專業與電氣專業交叉設計的結果,也是綜合性的技術成果。

為提高電能利用率,本文探討了供熱工程設計過程中風機與泵類電動機及電氣傳動系統選擇的建議,為實現風機與泵的節能打下基礎。

1 電動機類型

GB 50055—2011《通用用電設備配電設計規范》[1]第2.1.2-4條規定:“變負載運行的風機和泵類等機械,當技術經濟上合理時,應采用調速裝置,并選用相應類型的電動機”;文獻[2]第2.4.1節中將風機和泵作為電動機中單獨的一類[2];查詢變頻器廠家的產品手冊,任何一家變頻器廠的變頻器都分為通用型、風機與泵型。

供熱工程中廣泛應用的風機與泵均屬于流體機械,是把機械能轉變為流體(氣體與液體)的動能和勢能的一種動力設備。風機與泵類電動機隨著葉輪的轉動,空氣、水、油對葉片的阻力在一定轉速范圍內大致與轉速的二次方成正比。在額定轉速附近,較小的轉速變化將引起機械出力的較大變化。這就是風機與泵類電動機區別于其他恒轉矩、恒功率負載的主要原因。另外,風機與泵類電動機一般屬于平穩負載,即負載轉矩長時間不變或變化不大。因此,風機與泵類電動機多數均為交流異步電動機。

風機與泵根據工作原理的不同,通常分為如下三大類[3]:

(1) 葉片式風機與泵。其中葉片式風機與泵根據流體流過葉輪時的方向不同,又分為離心式風機與泵,如供熱工程中的循環水泵、補水泵、引風機等,這類泵在供熱工程中應用最為廣泛,適用于小流量和較高壓頭的場合;軸流式風機與泵,如通風用軸流風機、消防用軸流風機等,適用于大流量和較低壓頭的場合;混(斜)流式風機與泵。

(2) 容積式風機與泵。根據工作室容積改變的方式不同,分為往復式風機與泵,如活塞泵等;回轉式風機與泵,如齒輪泵、羅茨風機等。

(3) 其他類型風機與泵。包括射流泵、真空泵等,如供熱工程中的脫硫設備皮帶真空泵。

風機與泵的輸出功率(有效功率)Ne,單位為W或kW,其表達式為

Ne=ρgQH=pQ

(1)

式中:ρ—— 流體密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

Q——流量,m3/s;

H——泵的揚程,m;

p——風機全壓,Pa。

由于流體通過風機或泵時要產生一系列的損失,如輪阻損失、流動損失、泄漏損失和機械傳動損失等,所以風機與泵的輸出功率或有效功率必然小于軸功率N;再考慮軸傳動損失,選用電動機的輸入功率NM應在軸功率的基礎上留有一定的功率儲備:

NM=KN

(2)

式中:K——電動機容量儲備系數,取1.1～1.5。

因此,工藝專業選擇的風機與泵類電動機無論從生產角度考慮最大風量或流量,還是從設計選型考慮,都留有較大的裕量,而實際運行中不要那么大,就需要調速來改變速度而控制風量和流量。

前些年的做法是用擋板調節風量或流量,通過阻力改變速度,能量利用率很低,但設備投資小。近年來,為取得最佳經濟運行效果和實現節能,常采用變頻器調速,但設備投資大。

在項目設計階段,工藝專業在給電氣專業提變頻器配置時,只需提出有調速要求的風機與泵,而沒有調速要求的風機與泵采用全壓起動還是變頻起動由電氣專業負責選配相應設備,不一定非得采用變頻器起動,如星-三角降壓起動、軟起動器起動、自耦變壓器降壓起動、變壓器-電動機組起動、電抗器降壓起動都是常用的電動機起動方式。其中星-三角降壓起動、軟起動器起動適用于低壓電機,電抗器降壓起動適用于高壓電機,自耦變壓器降壓起動、變壓器-電動機組起動適用于高、低壓電機。

在工程實際設計工作中經常遇到以下情況:由工藝專業提供給電氣專業的設備材料表中,大于22 kW的電動機都備注需要配置變頻器。因此,電氣設計人員要進行判斷,不是所有設備都可以變頻起動,如消防設備(依據JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》[4]第13.9.6條“消防設備的控制回路不得采用變頻調速器作為控制裝置”);不是所有的設備都需要變頻調速,這需要結合該工程的工藝控制流程分析確定;變頻器不是大功率電動機起動的唯一選擇,也不是最經濟的選擇。

2 電壓等級

在選擇風機與泵類電動機電壓等級時,常遇到如下問題:由工藝專業提供給電氣專業的設備材料表中,200 kW以上的電動機都選擇高壓電機。其實,電動機電壓等級的確定要綜合考慮各種因素,最好由電氣專業綜合比較后再返提給工藝專業,而只用功率作為選擇高壓還是低壓電動機的依據并不合理,也不符合節能要求。

電動機電壓等級的確定應從以下方面考慮:

(1) 電流。風機與泵類電動機的額定電流(滿載電流)IrM,其表達式為[5]:

IrM=PrM/(1.732UrMηrcosφr)

(3)

式中:PrM——電動機的額定功率,kW;

UrM——電動機的額定電壓,kV;

ηr——電動機的滿載時效率;

cosφr——電動機的滿載時功率因數。

從式(3)可以看出,電流與電壓成反比關系。同等功率的電動機,0.38 kV的低壓電動機要比10 kV的高壓電動機的額定電流大(約26.3倍)。而電動機的起動電流一般是額定電流的6～7倍。這就需要了解項目所在地供電部門對大沖擊電流有沒有限制要求,如果滿足供電質量要求,建議選擇低壓電動機,從經濟、安全、繼電保護角度都合理。

(2) 功率。交流異步電動機分為籠型電動機和繞線轉子電動機。依據參考文獻[5]第12.1.3.2節“低壓配電設計中籠型電動機全壓起動的判斷條件可簡化為:電動機起動時配電母線的電壓不低于系統標稱電壓的85%。通常,只要電動機額定功率不超過電源變壓器額定容量的30%,即可全壓起動”,低壓籠型電動機均可全壓起動。因此,供熱工程中首先要確定整個工程的用電負荷,再確定供電負荷等級,并選擇相應的變壓器,比較電動機功率與變壓器容量,只要不超過變壓器額定容量的30%,選擇低壓電動機最經濟、合理。如超過變壓器額定容量的30%,則可以采用降壓起動方式,從經濟方面考慮應盡量選擇低壓電動機。

如工藝專業提出需要配置變頻器實現風機與泵類電動機的調速,因為低壓變頻器和高壓變頻器在功率為500 kW以內時,價格相差數倍;而功率>500 kW時,價格相差不明顯。所以,功率500 kW可以作為低壓電動機和高壓電動機選擇的分界線,功率<500 kW時建議選擇低壓電動機,功率>500 kW時建議選擇高壓電動機。

要注意的是,500 kW分界線并不是絕對的。如某些大功率設備無法采用高壓電動機時,可以選用低壓電動機;如功率為200～500 kW的設備起動時導致母線壓降影響其他重要設備工作,可以選用高壓電動機[6-7]。綜上,實際項目中設備電壓等級的選擇涉及很多因素,應綜合考慮。

3 轉 速

風機與泵類電動機的轉速n(單位r/min)與其他參數存在如下關系:

(4)

式中:Q——流量,m3/s;

H——揚程,m;

T——轉矩,N·m;

p——壓力,Pa;

P——功率,kW。

因此,應由風機與泵要求的轉速及配套傳動設備的要求校核電動機額定轉速的選擇。

4 電動機防護型式

電動機外殼結構型式分開啟式、防護式、防滴防濺式、封閉式、防爆式、密閉式6種[8]。

在項目設計階段,電動機防護型式應由工藝專業提出,再由電氣專業根據使用環境復核,最終確定。

(1) 在采暖的干燥廠房內,建議采用開啟式、防護式電動機。

(2) 在不采暖的干燥廠房內,或潮濕而無潮氣凝結的廠房內,建議采用能耐潮絕緣的開啟式、防護式電動機。

(3) 在特別潮濕的廠房內,建議采用能耐潮絕緣的防滴式、防濺式或封閉式電動機。

(4) 在無導電灰塵或灰塵易除掉的廠房內,建議采用開啟式、防護式電動機。

(5) 在有導電灰塵或灰塵不易除掉的廠房內,建議采用封閉式電動機。

(6) 在有腐蝕性蒸汽或氣體的廠房內,建議采用密閉式電動機。

(7) 在有著火危險的廠房內,建議采用防護式電動機。

(8) 在存在爆炸危險環境0區、1區的廠房內,應采用防爆式電動機。

(9) 在存在爆炸危險環境2區的廠房內,如通風良好,可以降低爆炸危險區域的等級,建議采用防護式或密閉式電動機;如通風不良,應提高爆炸危險區域的等級,建議采用防爆式電動機。

(10) 露天安裝的電動機建議采用封閉式電動機。

5 結 語

供熱工程中選擇風機與泵類電動機及電氣傳動系統時,工藝專業與電氣專業應緊密配合,經過技術、經濟、安全、生產條件、運行經驗等多種因素綜合比較后確定。只有掌握風機與泵類電動機的負載特性,配置適當的電氣傳動系統,按照風量、風壓、流量、揚程等調節電動機的轉速,從而改變電動機的輸出轉矩和輸出功率,達到節能的效果。

[1]通用用電設備配電設計規范:GB50055—2011[S].

[2]天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].3版.北京:機械工業出版社,2011.

[3]教材出版中心.工程流體力學泵與風機[M].北京:化學工業出版社,2010.

[4]民用建筑電氣設計規范:JGJ16—2008[S].

[5]中國航空規劃設計研究總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊[M].4版.北京:中國電力出版社,2016.

[6]爆炸危險環境電力裝置設計規范GB50058—2014[S].

[7]建筑設計防火規范:GB50016—2014[S].

[8]沈良紅.風機/水泵變頻調速及示范工程節能分析[J].當代建設,2010(1):53-54.