拆除与保留液耦对于节电率的差别分析

在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等时，液力耦合器的调速效率等于调速比，S为转差率，S = (n_B – n_T)/n_B。
    当风机与水泵由液力耦合器驱动调速工作时，风机或水泵的输入轴与液力耦合器的从动轴相连接，故风机水泵的转速等于液力耦合器涡轮的转速，即n=n_T ，而其轴功率P等于涡轮轴传递的功率，即P=P_T 。根据叶片式风机水泵的比例定律可知，风机水泵的轴功率P与其转速的三次方成正比，即。当液力耦合器在最大转速比时，两式相除得：

为求出最大转差功率损耗时的转速比，可将式（6）的对i求导数，再令导数为零，求出其极值点，即可求出其极大值或极小值：

得出取得极大值得极值点为 i = 2/3 = 0.667。把极大值代入式（6）可求出液力耦合器的最大转差功率损耗为：

    以上通过理论分析，导出了液力耦合器的涡轮传递功率P_T、泵轮传递功率P_B、以及转差功率损失 的计算公式；证明了液力耦合器的最低转差功率损失发生在转速比i = 2/3处。而不是转速越低，  越大。

图1 叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线

由以上推导的结果可以作出叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线，如图1所示。从图1中可以直观地看出：调速效率与转速的一次方成正比，泵轮传递功率P_B与转速的二次方成正比，而涡轮传递功率P_T则与转速的三次方成正比，转差损失功率为泵轮功率减去涡轮功率：＝P_B-P_T，其最大值发生在三分之二转速处，为额定输入功率P_B的15.4-15.7 %。并且随着转速比的减小，液力耦合器泵轮和涡轮所传递的功率也迅速减小，因而当液力耦合器泵轮所传递的功率P_B和涡轮所传递的功率P_T都变得很小时，转差损失功率也就是一个很小的量了；说明在低转速时，用变频器代替液耦虽然有很高的节电率，但是节省的电功率却并不多。

    这里需要特别注意的是：在大多数工程中，电动机、液力耦合器与风机的额定转速相同或十分接近，关于液力耦合器的能耗分析可见以上所述；但是在有些工程中，所选的电动机和风机的转速不一样（风机的额定转速小于电动机的额定转速，而液耦地输入转速一般与电动机相同）时，液耦的能耗分析就不能照搬以上的分析结果了。在这里变成：
    （1）液力耦合器的转速比还是i=涡轮转速/泵轮转速，传送效率还是i；
    （2）液力耦合器额定负载（风机的额定负载）时的转速比已经不再是i_n = 0.97～0.98，而是i_n =n_fe/nd了：等于风机的额定转速/电动机额定转速了；
    （3）液耦的损耗功率＝P_B-P_T = P_fn/i_n-i³/i³_nP_fn = (1/i_n-i³/i³_n)P_fn；
    额定负载时液耦的损耗是_e = (1/i_n-1)P_fn；
    （4）液耦的最大转差功率损耗max＝ 0.148 P_Bn/i²_n = 0.226 P_fn（i_n=0.81）；
    （5）变频代替液耦的节电率还是（1- n/ne）*100% ；
    （6）节省的电功率已经不是P_Tn乘以节电率了，而是P_fn/i_n乘以节电率了。
    例如：电动机额定转速是988r/min，风机的额定转速是800r/min，额定功率是800kW的话，那么当转速控制在600r/m时：
    转速比 i = 60.7% 额定转速；
    传送效率= 60.7%  i_n = 800/988 = 0.81；
    损耗功率＝P_B-P_T = (1-i)*P_fn/i_n = (1-0.607)P_fn/0.81 = 0.485 P_fn；
    节电率=（1- n/ne）*100% = 39.3%；
    节省电功率= 0.393 P_b = 0.485 P_fn；
    与以上的分析相比，节电率还是一样的，但是节省的电功率却增加了，因为在同样的传送P_fn风机额定功率时，液耦的损耗增加了，增加的比例为风机与电动机额定转速比的倒数减1，或称电动机高出风机转速的百分比。
    在这种情况下，电动机和液力耦合器功率选择的原则应该是：风机额定功率除以风机和电动机额定转速之比，这是折算到液力耦合器泵轮也就是电动机输出端的功率，再适当考虑5-10% 的功率余量，就是所选电动机的额定功率。由此可见，这种设计方案对于电动机和液耦容量选择都是不利的，同时也增加了液耦运行时的功率损耗。
    液力耦合器虽然属于低效调速装置，但是当用在像叶片式的风机、水泵类二次方转矩负载时，需要的轴功率与转速的三次方成正比，所以相对于阀门调节来讲也有相当好的节能效果，尤其是在低转速时具有相当高的节电率。
    虽然液力耦合器的调速效率等于调速比，但是当用在风机水泵类负载时由于低转速时的传送功率也很小，实际损耗并不大：其最大损耗发生在2/3额定转速时，可达额定传送功率的15.7%！再加上其固有损耗，最大不会超过额定传送功率的20%而已！
    所以当用变频器取代液力耦合器时，其节电率=（1- n/ne）*100%，或称：“1–调速比！”，尤其是在低转速时具有很高的节电率，但是其节电量即实际节省的电功率并不多，最多不会超过额定传送功率的20%！(因为变频器也有损耗，一般可以与液力耦合器的固有损耗相抵消)。这是因为液力耦合器相对于阀门调节来说，已经节省下了很大的一部分能量了，所以在谈及节能问题时不能简单地和节电率的概念混为一谈！节电率只是一个相对的概念，只有用节电量乘上电价才是节省的电费！对于这一点，应当有一个清醒的认识。

    3拆除和保留液耦对节电率的影响
    液力耦合器除了调速效率的损耗之外，还有两项固有的损耗：
    （1）首先液力耦合器具有约3～5%的丢转率，这不仅意味着其最高转速达不到电动机的额定转速，同时也意味着传送功率的损耗，而液力耦合器的传动效率等于转速比，所以丢转损耗还意味着占传送功率3～5%的功率损耗。
    （2）除了丢转损耗外，液力耦合器的冷却水系统和油泵系统等辅助设备以及液力耦合器的机械损耗和容积损耗等也要消耗一定的功率，约占传送功率3～5%，这两部分损耗加起来就要占到传送功率的6～10%。
    所以当对于原来采用液力耦合器拖动的设备进行变频调速节能改造时，拆除和保留液力耦合器对于节电率的影响如下：
    （1）拆除液力耦合器。在一般的调速范围内，可以将变频器的效率损耗与液力耦合器的容积损耗和摩擦损耗相抵消，而丢转损耗则可以纳入调速效率统一计算，那么节能计算就变得十分简单了：
          节电率=（1- n/ne）*100%，或称：“1–调速比”
    例：一台额定功率为1000kW的风机，当用风门控制风量为50%额定风量时，其消耗的电功率为580kW，采用液力耦合器调速控制所消耗的电功率为260kW，节省电功率320kW，节电率为55.2%；当采用变频器代替液力耦合器调速控制时，其节电率=1-调速比= 50%，但是所节省的电功率仅为130kW！
    （2）保留液力耦合器。就要比拆除液力耦合器多出上面分析的两项损耗：丢转损耗和液耦的固有损耗，这两部分损耗加起来就要占到传送功率的6～10%，就会直接减少6～10个点的节电率。而远不止3个百分点。
    上例中若保留液力耦合器的话，以传送功率260kW的8%计算液耦的两项损耗为20.8kW，变频调速节省电功率为109.2kW，节电率降低为42%。
    笔者曾经亲自在一台1600kW水泥窑高温风机上进行过实测：在保留液力耦合器的情况下节电率为12%；拆除液力耦合器后在同样的工况条件下，测得节电率为19.8%。所以不管你承认不承认，实际的测量结果早已经证明了这一点！

        4结束语
    目前在电动机变频调速节能改造领域，对于原来采用液力耦合器拖动的设备进行变频调速改造时，在保留和拆除液力耦合器对于节电率的影响问题上存在着很大的误区：很多技术人员和企业领导甚至包括所谓的专家，都普遍认为如果保留液力耦合器的话只影响3-5%的节电率，而通过工程实际测量的结果是至少要减少8-10%，有的甚至超过10%！因为他们只看到液力耦合器3-5%的丢转损耗，而忽略了还有占额定传送功率约3-5%的固有损耗（容积损耗和摩擦损耗以及冷却水系统和润滑油系统所消耗的功率）的存在，所以就出现了上述影响节电率3-5%的说法。为了纠正这个错误以正视听，有必要从理论和实践两个方面予以澄清，避免用户尤其是EMC企业在进行节能率估算的时候出现差错，造成不必要的经济损失。  

    作者简介 
    徐甫荣：男，1946年生，1970年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业，国家电力公司西安热工研究院退休教授级高工，长期从事发电厂自动化和辅机节能工作。退休后曾在中山明阳公司，深圳微能公司，深圳科陆变频器公司任高级技术顾问和工程技术总监，在北京国电四维节能技术公司任总工程师。曾在国内外各类刊物上发表论文近百篇；并著有《高压变频调速技术应用实践》和《高压变频调速技术工程实践》两书。

    参考文献 
    [1]徐甫荣:《高压变频调速技术应用实践》,中国电力出版社2007年2月北京.
    [2]徐甫荣:《高压变频调速技术工程实践》,中国电力出版社2012年1月北京.