工業(yè)拖動(dòng)領(lǐng)域中汽電雙驅系統的不同形式探究

工業(yè)拖動(dòng)領(lǐng)域最常用的原動(dòng)機是各類(lèi)直流或交流電動(dòng)機，電動(dòng)機結構緊湊、系列齊全，易于選用和布置，而且電動(dòng)機的能源為普遍易得的電力，這些特點(diǎn)促使電動(dòng)機成為工業(yè)拖動(dòng)中最常用的原動(dòng)機。在現階段，電力的最主要來(lái)源是火力發(fā)電廠(chǎng)及核電廠(chǎng)，是化石能源或核能放熱產(chǎn)生蒸汽，并以蒸汽驅動(dòng)汽輪機帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電并入電網(wǎng)，供各類(lèi)用戶(hù)使用。通過(guò)上述描述可以發(fā)現，電動(dòng)機拖動(dòng)負載的過(guò)程，自發(fā)電廠(chǎng)算起，實(shí)際上經(jīng)歷了四個(gè)能源轉化過(guò)程，即化學(xué)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(guò)程中存在損失，造成了能源的浪費。正是基于這個(gè)原因，在某些具有合適蒸汽源的單位，會(huì )直接采用汽輪機拖動(dòng)負載，跳過(guò)了機械能轉化為電能，電能又轉化為機械能的過(guò)程，直接由熱能轉化為機械能來(lái)拖動(dòng)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(dòng)機來(lái)拖動(dòng)負載。純汽拖系統效率較電拖系統高，但是也有一定缺點(diǎn)。若負載的負荷率變化，拖動(dòng)汽輪機用汽量會(huì )跟隨變化，對蒸汽源忍受負荷變動(dòng)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(chǎn)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(shí)時(shí)波動(dòng)的特點(diǎn)。如果采用這類(lèi)汽源的蒸汽來(lái)拖動(dòng)汽輪機驅動(dòng)負載，可能造成拖動(dòng)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(wèn)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(dòng)的負載同軸連接布置，實(shí)現兩種原動(dòng)機聯(lián)合驅動(dòng)同一負載。該系統原動(dòng)機既互為備用，又能聯(lián)合驅動(dòng)，對波動(dòng)汽源也能適應，而且可用電、可發(fā)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(lèi)標準，可進(jìn)行多種分類(lèi)。根據筆者的項目經(jīng)驗，下文中分別從兩個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)說(shuō)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(jìn)行分類(lèi)
不同項目的蒸汽源情況、負載運行特點(diǎn)、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(lèi)。
（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(dòng)的負載同軸連接布置，三個(gè)設備之間通過(guò)膜片式聯(lián)軸器剛性連接。系統簡(jiǎn)圖如下：

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(shí)啟停。汽輪機和電機可以共同驅動(dòng)負載，在因汽源蒸汽量波動(dòng)造成汽輪機出力變化時(shí)，電機可以自動(dòng)實(shí)時(shí)補充負載的剩余功率需求，實(shí)現兩種原動(dòng)機共同拖動(dòng)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(guò)了負載的功率需求，多余的功率可以通過(guò)電機使之轉為電能，自動(dòng)并入電網(wǎng)。此形式的優(yōu)點(diǎn)是系統配置簡(jiǎn)單，投資成本低；缺點(diǎn)是系統內兩臺原動(dòng)機不能互為備用，汽輪機出現故障停機時(shí)，整個(gè)系統必須跟隨停機。
該系統主要適用于以下場(chǎng)合：（1）汽電雙驅系統被拖動(dòng)的負載存在備用機，此負載允許非計劃停機檢修，如電廠(chǎng)給水泵、化工廠(chǎng)空壓機、采暖循環(huán)水泵等；（2）拖動(dòng)汽輪機的汽源與被拖動(dòng)的負載沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)，負載啟動(dòng)階段即要保證蒸汽源能正常提供蒸汽，如鋼廠(chǎng)采用轉爐余熱蒸汽拖動(dòng)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(jiǎn)圖如下：

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(guò)電機和負載轉速時(shí)，離合器自動(dòng)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(shí)，離合器脫嚙合，汽輪機從軸系中退出。離合器的設置帶來(lái)了兩個(gè)好處，一是汽輪機非計劃停機時(shí)，可以單獨停運汽輪機并進(jìn)行檢修，不影響電機拖動(dòng)負載繼續運行；二是系統啟機階段，可以先獨立啟動(dòng)電機和負載，汽輪機可以在汽源條件具備時(shí)再啟動(dòng)，待汽輪機轉速達到設計值時(shí)可以自動(dòng)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(chǎng)合：（1）汽電雙驅系統被拖動(dòng)的負載沒(méi)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(gè)原動(dòng)機可互為備用，增加系統的可靠性；（2）拖動(dòng)汽輪機的汽源與被拖動(dòng)的負載存在關(guān)聯(lián)，負載不啟動(dòng)時(shí)，不會(huì )產(chǎn)生余熱蒸汽，因此汽輪機無(wú)法與電動(dòng)機和負載同時(shí)啟動(dòng)。上述兩種情況下，必須設置離合器，如燒結余熱蒸汽拖動(dòng)主抽風(fēng)機工藝。
需要說(shuō)明的是，汽電雙驅系統不論采用上述何種形式，均能實(shí)現利用波動(dòng)汽源、兩種原動(dòng)機共同驅動(dòng)、汽輪機多余功率反向發(fā)電等功能，有時(shí)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(guān)鍵點(diǎn)是針對使用單位負載特點(diǎn)、蒸汽源特點(diǎn)、項目目標等因素進(jìn)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(jìn)行分類(lèi)
對于泵或風(fēng)機等負載，調節負荷的方式一般為閥門(mén)（風(fēng)門(mén)）調節或轉速調節，因此根據汽電雙驅系統在運行過(guò)程中是否可調節轉速分為以下幾類(lèi)。
（一）系統工頻運行不可調速
此系統最為簡(jiǎn)單，整個(gè)系統在額定轉速下運行，負載負荷的調節只能采用風(fēng)門(mén)、水閥、氣閥等節流件來(lái)實(shí)現，能耗較高，經(jīng)濟性差。
（二）通過(guò)液力耦合器實(shí)現負載調速運行
負載通過(guò)調節轉速來(lái)調整負荷的方式相較節流件調節更為節能，目前已經(jīng)普遍采用。純電拖系統可以采用變頻器進(jìn)行轉速調節，純汽拖系統也可通過(guò)汽輪機調速系統進(jìn)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(shù)難度，在較長(cháng)時(shí)間內均未能實(shí)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(guò)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(shí)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(guò)電控功能實(shí)現汽電雙驅系統真正的變頻調速運行
我單位經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐總結、技術(shù)研發(fā)，已經(jīng)攻克了汽電雙驅系統變頻調速存在的難題，通過(guò)電控系統的綜合匹配、配合機械系統相應調整，可以完美實(shí)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(shí)際運用。
工業(yè)拖動(dòng)領(lǐng)域采用汽電雙驅系統具有系統靈活多樣、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以消納廠(chǎng)內余熱蒸汽、工藝富裕蒸汽，在節能降耗的同時(shí)可解決全廠(chǎng)的汽水平衡問(wèn)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(yè)拖動(dòng)領(lǐng)域得到更多的應用！