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    工業拖動領域中汽電雙驅系統的不同形式探究

    發布時間:2022-06-09 09:51:22 編輯: 瀏覽次數: 打印此文

    工業拖動領域最常用的原動機是各類直流或交流電動機,電動機結構緊湊、系列齊全,易于選用和布置,而且電動機的能源為普遍易得的電力,這些特點促使電動機成為工業拖動中最常用的原動機。在現階段,電力的最主要來源是火力發電廠及核電廠,是化石能源或核能放熱產生蒸汽,并以蒸汽驅動汽輪機帶動發電機發電,發出的電并入電網,供各類用戶使用。通過上述描述可以發現,電動機拖動負載的過程,自發電廠算起,實際上經歷了四個能源轉化過程,即化學能/核能轉化為熱能,熱能轉化為機械能,機械能轉化為電能,電能又轉化為機械能。因為轉化過程中存在損失,造成了能源的浪費。正是基于這個原因,在某些具有合適蒸汽源的單位,會直接采用汽輪機拖動負載,跳過了機械能轉化為電能,電能又轉化為機械能的過程,直接由熱能轉化為機械能來拖動負載,可以大大提高能源轉化的效率。
    此種方案即為純汽拖系統,汽輪機代替電機,作為唯一原動機來拖動負載。純汽拖系統效率較電拖系統高,但是也有一定缺點。若負載的負荷率變化,拖動汽輪機用汽量會跟隨變化,對蒸汽源忍受負荷變動的能力要求較高。
    在一些使用單位,蒸汽源可能是余熱鍋爐產汽,也可能是工藝用汽后的部分富裕蒸汽,這些汽源具有蒸汽量不穩定、隨工藝時時波動的特點。如果采用這類汽源的蒸汽來拖動汽輪機驅動負載,可能造成拖動汽輪機間或出力不夠或者不能跟隨負載調整輸出功率等問題。

    正是基于上述原因,汽電雙驅系統應運而生。汽電雙驅系統是將汽輪機、電機與被拖動的負載同軸連接布置,實現兩種原動機聯合驅動同一負載。該系統原動機既互為備用,又能聯合驅動,對波動汽源也能適應,而且可用電、可發電,可以工頻運行,也可以變頻運行。
    汽電雙驅系統根據不同的分類標準,可進行多種分類。根據筆者的項目經驗,下文中分別從兩個方面進行分類說明,并分析其適用范圍。
    一、根據汽電雙驅系統軸系配置的差別進行分類
    不同項目的蒸汽源情況、負載運行特點、使用單位需求等各不相同,造成了汽電雙驅系統軸系配置的差別,主要分為以下兩類。
    (一)軸系不設置離合器
    汽電雙驅系統的基本形式為汽輪機、電機與被拖動的負載同軸連接布置,三個設備之間通過膜片式聯軸器剛性連接。系統簡圖如下:

    WX20220609-105433@2x.png


    汽電雙驅系統采用此形式,汽輪機、電機、負載之間為剛性連接,必須同時啟停。汽輪機和電機可以共同驅動負載,在因汽源蒸汽量波動造成汽輪機出力變化時,電機可以自動實時補充負載的剩余功率需求,實現兩種原動機共同拖動的目的,減少電機的耗電量。若汽源蒸汽量大,汽輪機輸出功率超過了負載的功率需求,多余的功率可以通過電機使之轉為電能,自動并入電網。此形式的優點是系統配置簡單,投資成本低;缺點是系統內兩臺原動機不能互為備用,汽輪機出現故障停機時,整個系統必須跟隨停機。
    該系統主要適用于以下場合:(1)汽電雙驅系統被拖動的負載存在備用機,此負載允許非計劃停機檢修,如電廠給水泵、化工廠空壓機、采暖循環水泵等;(2)拖動汽輪機的汽源與被拖動的負載沒有直接關聯,負載啟動階段即要保證蒸汽源能正常提供蒸汽,如鋼廠采用轉爐余熱蒸汽拖動空壓機等。
    (二)軸系設置離合器
    相比于第一種系統形式,此種形式在軸系中增加了離合器,系統簡圖如下:

    WX20220609-105442@2x.png


    該種系統形式相較于第一種形式,在汽輪機和電機之間增加了離合器,除具備第一種系統的功能外,更具有靈活性。系統中離合器為超越式離合器,當汽輪機轉速超過電機和負載轉速時,離合器自動嚙合,軸系連接為一體;當汽輪機轉速低于電機和負載轉速時,離合器脫嚙合,汽輪機從軸系中退出。離合器的設置帶來了兩個好處,一是汽輪機非計劃停機時,可以單獨停運汽輪機并進行檢修,不影響電機拖動負載繼續運行;二是系統啟機階段,可以先獨立啟動電機和負載,汽輪機可以在汽源條件具備時再啟動,待汽輪機轉速達到設計值時可以自動并入軸系。該系統投資稍大,但是運行方式更為靈活,適用性更強。
    該系統主要適用于以下場合:(1)汽電雙驅系統被拖動的負載沒有備用機,汽輪機故障不能影響純電拖運行,離合器的設置保證了兩個原動機可互為備用,增加系統的可靠性;(2)拖動汽輪機的汽源與被拖動的負載存在關聯,負載不啟動時,不會產生余熱蒸汽,因此汽輪機無法與電動機和負載同時啟動。上述兩種情況下,必須設置離合器,如燒結余熱蒸汽拖動主抽風機工藝。
    需要說明的是,汽電雙驅系統不論采用上述何種形式,均能實現利用波動汽源、兩種原動機共同驅動、汽輪機多余功率反向發電等功能,有時候存在負載轉速與汽輪機轉速不一致情況,軸系中需增加齒輪箱或變速離合器調整。系統設計的關鍵點是針對使用單位負載特點、蒸汽源特點、項目目標等因素進行針對性的方案設計和設備選型。
    二、根據汽電雙驅系統能否變速運行進行分類
    對于泵或風機等負載,調節負荷的方式一般為閥門(風門)調節或轉速調節,因此根據汽電雙驅系統在運行過程中是否可調節轉速分為以下幾類。
    (一)系統工頻運行不可調速
    此系統最為簡單,整個系統在額定轉速下運行,負載負荷的調節只能采用風門、水閥、氣閥等節流件來實現,能耗較高,經濟性差。
    (二)通過液力耦合器實現負載調速運行
    負載通過調節轉速來調整負荷的方式相較節流件調節更為節能,目前已經普遍采用。純電拖系統可以采用變頻器進行轉速調節,純汽拖系統也可通過汽輪機調速系統進行轉速調節,但是汽電雙驅系統在轉速調節方面存在較大的技術難度,在較長時間內均未能實現。因此出現了此種折中的方法,即在電機與負載之間設置液力耦合器。電機和汽輪機均工頻運行,負載通過液力耦合器調節轉速,達到調負荷的目的。因液力耦合器效率低、故障率高,此方案雖然表面實現了負載的轉速的調節,但節能效果低于預期、系統維護難度增加,使用較少。
    (三)通過電控功能實現汽電雙驅系統真正的變頻調速運行
    我單位經過多年實踐總結、技術研發,已經攻克了汽電雙驅系統變頻調速存在的難題,通過電控系統的綜合匹配、配合機械系統相應調整,可以完美實現汽電雙驅系統變頻調速,并能變頻反送電,目前已在鑌鑫特鋼、億鑫鋼鐵、天柱鋼鐵等單位得到實際運用。
    工業拖動領域采用汽電雙驅系統具有系統靈活多樣、適用范圍廣等優點,同時可以消納廠內余熱蒸汽、工藝富裕蒸汽,在節能降耗的同時可解決全廠的汽水平衡問題,在解決了不能變頻調速難題后,其適用范圍又大大增加,相信該系統必將在工業拖動領域得到更多的應用!
     

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