提高直接空冷系統電機輸出傳遞效率的方法及系統的製作方法
2023-05-21 11:06:16 2
專利名稱：：提高直接空冷系統電機輸出傳遞效率的方法及系統的製作方法
技術領域：
：本發明屬於發電
技術領域：
，涉及電站直接空冷系統，尤其涉及一種提高直接空冷系統的電機輸出傳遞效率的方法，以及提高電機輸出傳遞效率的冷卻系統。
背景技術：
：冷卻系統是電力生產過程中的一個重要環節，做過功的汽輪機乏汽需要在凝汽器中冷卻凝結，然後重新開始循環。電站的冷卻系統分為水冷和空冷兩種方式，兩者的主要區別在於冷卻系統，採用空冷系統的發電機組是以環境空氣而不是以水作為汽輪機排汽的冷卻介質。電站空冷系統包括兩大類，一是間接空冷系統，又可以分為混合式空氣冷卻系統和表面式空氣冷卻系統；在間接空冷系統中，從汽輪機表面式凝汽器來的冷卻水在冷卻塔中得到冷卻。二是直接空冷系統(ACC)，直接空冷是汽輪機的排汽直接用空氣來冷卻，空氣與蒸氣間進行熱交換。直接空冷系統有效地解決了富煤貧水的矛盾，代表了未來空冷系統的發展方向(參見TawneyR,KhanZ,ZacharyJ.Economicandperformanceevaluationofheatsinkoptionsincombinedcycleapplications[A],proceedingofTurboExpo[C].ASME/IGTITurboExpo，Atlanta,Georgia,UAS,2003)。世界上第一臺1500KW直接空冷機組於1938年在德國一個坑口電站投運。目前，直接空冷技術德國和美國居於領先地位，現有的直接空冷系統包括德國的單排管、雙排管系統，美國的單排管、三排管系統。採用直接空冷系統的電站運行原理如圖1所示，泵將水送至鍋爐，通過燃燒燃料(煤、油、天燃氣或煤氣等)將水加熱到過熱狀態，用管道將過熱蒸汽送至汽輪機，由汽輪機帶動發電機發電。做完功的蒸汽壓力和溫度降低到5Kpa(千帕斯卡)50KPa、3038°C，由管道輸送到直接空冷散熱器內，在散熱器內由冷卻風機由下向上流動的空氣將蒸汽的熱量帶走，將蒸汽冷卻成水，冷卻後的水經收集後再由泵被送至鍋爐加熱，形成循環。我國近年來也從國外引進了該技術，應用於發電行業。比如大同第二發電廠(2x600MW(1000千瓦)機組)引進德國的單排管直接空冷系統，大同雲岡發電廠(2x200MW機組)引進德國的雙排管直接空冷系統系統，和榆社發電廠(2x300MW機組)引進的美國三排管直接空冷系統。目前，在國內已經運行的直接空冷發電機組己經超過百臺，而且，都是大型機組(單機300MW以上)。直接空冷發電機組的裝機容量與間接空冷發電機組的裝機容量之比巳超過9:1。直接空冷系統中的核心部分在於風機冷卻系統，如圖2所示，風機冷卻系統的核心設備有變壓器、變頻器、電纜、變頻電機、減速機和風機。變壓器、變頻器、電纜為變頻電機提供了需要的電源，再由電機驅動減速機，減速機帶動風機旋轉，推動空氣由下向上流動，流動的空氣經過散熱器時，形成對流換熱，將蒸汽的熱量帶走，實現蒸汽被冷卻的目的。直接空冷系統在國內尚處於起步階段，在設計和運行上均缺乏經驗。電廠業主更關注的是空冷系統的安全性，而非空冷系統設計優化的經濟性(請參見中國工控網2008年11月10日發布的《電站空冷系統簡介》)。大型電站空冷系統自主設計和自主成套己成為我國重大技術裝備國產化的重要工作之一。在溫度最高的夏季，為保證機組的正常運行，使散熱系統中的凝汽器壓力維持在正常的水平，就需要提高環境空氣和汽輪機排汽之間的傳熱能力。提高散熱器的散熱能力，最有效的方法就是提高冷卻空氣的流速，即提高空冷散熱器的迎面風速，這就需要提高風機的轉速(請參見"直接空冷機組空冷系統運行問題分析及對策"，楊立軍，杜小澤，楊勇平，劉登瀛，郭躍年，《現代電力》第23巻第2期，2006年4月)。如圖2所示，現有的電站直接空冷系統的風機冷卻系統在達到最大輸出能力時的運行參數為變壓器接入電壓(a):6KV(千伏)或10KV，輸出電壓為380V(伏)；變頻器輸出頻率(d):55HZ(赫茲)；電機工作頻率頻率(f):55HZ;減速機速比(g):55HZ時電機的轉速/110。/。風機額定轉速。但普遍存在的現象是夏季高溫時，直接空冷系統出力和效率遠達不到設計要求，嚴重影響了電廠經濟效益。tableseeoriginaldocumentpage6
發明內容本發明目的在於提供一種提高直接空冷系統的電機輸出傳遞效率的方法。本發明的另一目的在於提供一種提高電機輸出傳遞效率的冷卻系統。本發明的方法，其步驟包括1.由冷卻系統中的變壓器接入電網電壓，向電機輸出電壓；2.由冷卻系統中的變頻器向電機輸出頻率；3.電機通過減速機按照40-47HZ頻率下的轉速/110-130%風機額定轉速的速比帶動風機轉動；4.轉動的風機迎面向散熱器輸送冷卻風。所述電機的工作電壓為380-390V，工作頻率為40-47HZ。本發明在變頻器與電機之間設置輸出電抗器，抑制諧波對電機的幹擾。本發明還在變壓器和變頻器之間設置輸入電抗器，抑制諧波對電網的幹擾。所述輸入電抗器壓降範圍在1%-5%之間。所述輸出電抗器電感值在30-50pH之間。所述變壓器接入電網的10KV或6KV電壓，轉換成400V電壓；所述輸入電抗器接入上述400V電壓，輸出395-398V電壓給變頻器；變頻器運行於40-47HZ頻率，輸出395-398V電壓給輸出電抗器；接入上述395-398V電壓的輸出電抗器通過電纜輸出385-395V電壓；電機運行於380-390V電壓和40-47HZ頻率。冷卻系統各設備的長期工作耐壓分別為變壓器420V;變頻器480V;電機400V。本發明的冷卻系統，包括通過電纜電連接的變壓器，變頻器、電機、減速機和風機，其中變壓器接入電網電壓，通過變頻器向電機輸出電壓，變頻器向電機輸出頻率，所述減速機的速比為電機在40-47HZ頻率下的轉速/110-130%風機額定轉速。所述電機輸入端電壓380-390V，電機接入的頻率為40-47HZ。上述系統還包括設置於變壓器與變頻器之間的輸入電抗器。上述系統還包括設置於變頻器和電機之間的輸出電抗器。如圖3所示，系統的冷卻能力直接與風速有關，圖中表示的是散熱器風速與換熱係數K和散熱器壓力降的關係曲線，從圖中可以看出，K是隨著風速的增加而增加的，也就是說，風速越大，換熱性能越好。提高風機轉速理論上可以通過提高電機轉速來實現，即通過變頻器無限地提高電機轉速來提高風機轉速。但受電機特性的限制，電機在50HZ是特性的轉折點，在該值以下是恆力矩輸出，在該值以上就是恆功率輸出了。因此，用改變電機轉速來提高風機轉速的辦法在50HZ以上就不可行了。在上述前提下，為提高風速，有兩種途徑，一是提高電機的最大輸出能力；二是提高電機輸出能力傳遞給風機的效率，將電機輸出的扭矩高效地傳遞給風機。本發明的首要目的就在於提高電機輸出能力傳遞給風機的效率。因為為將系統的輸出力矩放大，在系統中設置了減速機，減速機的速比選取直接影響了風機能力的發揮。風機風速的大小，是由風機的鼓風量來決定的。為了提高風機風速，必須提高風機的風量。風機的風量為Q=K*n，其中Q:風量；K:比例常數；n:風機轉速。風機的軸功率為P=D*n3=(nN*TN)/9550，其中P:風機軸功率；D:比例常數。從上面兩個計算公式可以看出，在其它條件不變的前提下，改變風機的轉速可以提高風機的流量，但是，風機需要的軸功率也需要提高。此時，風機與電機的功率匹配關係為P=Pn*i\電機*il減速機，其中i\電機電機效率；il減速機減速機效率。電機轉速與風機的轉速關係應該滿足的關係為ni=X*n2，其中n1:電機轉速；n2:風機轉速；X:減速機速比。由於系統在能量傳遞過程中是遵照能量守恆的原理進行的，因此，無論電機和風機之間存在什麼，電機的輸出功率和風機輸入軸功率之間在忽略傳遞效率後都存在如下關係pN:=p，其中Pn:電機輸出功率。在上述基礎上，就有(m*Ti)/955(K一T)/9550，其中T1:電機輸出能力點力矩；n1:電機轉速；T:風機輸入力矩。由此得入，/nU-m承K/Q。從上述可以看出，減速機在系統中起到了力矩放大的作用，放大係數就是減速機的速比。考慮到希望風機工作在預定設計的理想狀態下，減速機的速比理論上為電機最大輸出能力時的轉速/風機最大風量時的轉速，現有系統選用的實際速比為電機額定轉速/110%風機額定轉速，也就是電機工作在55HZ時的轉速與110%風機額定轉速之比。由於電機存在製造誤差、設計誤差等因素，上述理論數據與實際電機特性還有一定的距離。如圖4所示為實際電機在實際負載情況下的性能曲線，可以看出，實際工作的電機在47HZ左右時就已經達到性能轉變的臨界點了。從該曲線可知，在47HZ以下，隨著電機轉速的提高，可以實現輸出功率的增加，在47HZ以上，不論如何增加電機轉速，都不會增加輸出力矩了。如圖4所示，當電源在55HZ時，電機將損失20%以上的輸出扭矩，嚴重影響了整個系統的出力。導致現有系統採用的減速機的速比嚴重降低了電機輸出能力傳遞給風機的效率，電機會發生空轉現象而無法有效帶動風機。另一方面，現有技術選取風機在110%額定轉速沒有考慮到風機的裕量。在考慮到自然風的影響後，為增強冷卻風能夠抵抗橫切風的影響，速比還應再降低一些。因此，本發明也考慮風機裕量和環境風的影響，速比選為電機在40-47HZ頻率時的轉速/風機在110%-130%額定轉速，具體值因環境風的大小而定。在設定減速機的速比，提高電機輸出能力傳遞給風機的效率後，可以進一步提高電機的最大輸出能力，這可以通過改變系統運行的參數來實現。電機的輸出扭矩為TN=9550*PN/nN;其中TN:扭矩；PN:電機功率；nN:電機轉速；PN二3U^I,cos0=(nN*TN)/9550，其中U1:電機輸入電壓；I1:電機輸入電流；9:相位角。由上述可見，當電機輸入電壓一定時，改變輸入電流將改變電機輸出功率(同時也改變了輸出扭矩)。同樣，當電機輸入電流一定時，改變輸入電壓也將改變電機輸出功率(同時也改變了輸出扭矩)。但是，在實際應用中，電壓的改變直接影響到電流的變化。因此，在實際工程中，如果能夠保證電機輸入電壓，就基本上為電機輸出能力提供了保障。現有的電站直接空冷系統的風機冷卻系統在達到最大輸出能力時的運行參數為變壓器接入電壓(a):6KV或10KV，輸出電壓為380V;變頻器輸出頻率(d):55HZ;電機工作頻率頻率(f):55HZ。從圖5可以看出，通過實際工作的電機工作參數的測量和實驗室試驗數據分析，電機是沒有在55HZ時達到設計的額定電壓380KV的。當電動機在大約40-47HZ(為統計數據)工作時，獲得的電壓最大，但是，僅僅為額定電壓的9095%。而且，發生改變的不僅僅是電動機的工作電壓，電動機的工作點也發生了改變，從55HZ變到了40-47HZ(為統計數據)左右。因此，為使電動機輸出能力獲得很好的發揮，必須根據實際情況重新確定電動機的工作點，並為電動機正常工作電壓提供保證。通過實際測量，系統中的電壓降低主要發生在電抗器、電纜兩個地方。圖6為變頻器輸出電壓曲線，通過圖5與圖6的比較可以證明，電壓降主要發生在電抗器和電纜兩個地方。因為壓降原因，各部件設備實際的工作參數為變壓器接入電壓(a):6KV或10KV輸入電抗器輸入端電壓(b):380V;變頻器輸入端電壓(c):370-375V;變頻器輸出端電壓及頻率(d):370-375V、55HZ;輸出電抗器輸入端電壓及頻率(e):370-375V、55HZ;電機輸入端電壓及頻率(f):360-365V、55HZ。另一方面，電機的輸出扭矩與電源頻率的關係如圖4所示，當電源在55HZ時，電機將損失20%以上的輸出扭矩，嚴重影響了整個系統的出力。本發明考慮上述因素，提高變壓器的輸出電壓，將其由現有的380V提高到400V，這樣，即便有壓降因素的存在，電機的輸入端電壓仍可達到380-3卯V。本發明還根據電機輸出扭矩與電源頻率的關係，將變頻器的輸出頻率由原來的55HZ降低到40-47HZ，使電極工作在能達到最大輸出扭矩和工作電壓的範圍內。本發明與現有技術的冷卻系統可以通過表2所示的運行參數和所達到的效果來進行對比。表2本發明與現有技術在達到最大輸出能力時的對比一覽表tableseeoriginaldocumentpage11圖1直接空冷系統結構圖圖2直接空冷系統冷卻系統構成圖圖3散熱器風速與換熱係數K和散熱器壓力降的關係示意圖圖4電機輸出扭矩與頻率關係示意圖圖5電機電壓與頻率關係示意圖圖6變頻器電壓與頻率關係示意圖具體實施例方式本發明用於改造夏季高溫時出力達不到設計要求的直接空冷系統的冷卻系統，也適合新建直接空冷電站的設計。影響直接空冷換熱效果的主要因素為風機吹向散熱器的迎面風速。迎面風速是系統面積計算的一個關鍵參數，理論表明，一臺300MW機組，迎面風速提高0.1米/秒，可以將換熱面積減少大約一萬平方米。本發明的直接空冷系統的冷卻系統如圖2所示，包含了下列設備，變壓器，變頻器，電機，減速機和風機，圖中所示的抗電器是為了抑制諧波對電機和電網的幹擾而設置的，可以不設，也可以替換為濾波器。本發明減速機的速比應設為電機在40-47HZ時的轉速/110%風機額定轉速。考慮到環境中橫切風的影響，風機的流量裕量不應低於30%，減速機的速比應設為電機在40-47HZ時的轉速/110-130%風機額定轉速，具體數值根據環境風的大小來設定。如圖2所示，電源從高電壓(10KV或6KV)經由變壓器降至400V，經由變頻器實現調頻供電到電機，再由電機驅動減速機，減速機帶動風機旋轉為系統提供冷卻空氣。變壓器通常選用乾式，高壓端電壓通常設計為10KV或6KV，低壓端為400V(低壓端的具體數值已使電機的工作電壓達到380-390V為準，400V是考慮到經統計後的系統壓降而選用的數值)。對於現有系統，需要將變壓器輸出電壓調整到400V，這通過調整高壓端的接線開關來完成。對於現有系統的變壓器的調整過程如下1.變壓器投入運行前，根據變壓器銘牌和分接指示牌將分接片調整到合適位置。2.無激磁調壓的變壓器，在完全脫離電網(高、低壓側均斷開)的情況下，用戶根據當時電網電壓的高低按分接位置進行三相同時調節。3.有載調壓變壓器，通過自動控制器或電動、手動操作來改變線圈匝數。對於變頻器，根據現有的標準，通過電機的軸功率，對減速機效率、電機效率、電機溫度降容係數、長電纜降容係數、輸出電抗器降容係數、諧波降容係數、變頻器溫度降容係數折算到變頻器輸入側計算出變頻器容量。變頻器向電機輸出40-47HZ頻率。輸入電抗器一般選擇壓降範圍為1-5%的電抗器，使抑制諧波對電網的幹擾程度保持在國家標準範圍內。輸出電抗器選用電感值在30-50nH之間的電抗器，有效抑制諧波對電機的千擾。在達到最大輸出能力時，電機的工作電壓在380-390V，工作頻率在40-47HZ。為保證本發明系統的安全穩定運行，冷卻系統各設備的工作耐壓可以分別設置為變壓器420V;變頻器480V;電機400V。本發明的冷卻系統的一個實際運行實例為變壓器接入電網的6KV電壓，轉換成400V電壓；所述輸入電抗器接入上述400V電壓，輸出395V電壓給變頻器；變頻器運行於42HZ頻率，輸出395V電壓給輸出電抗器；接入上述395V電壓的輸出電抗器通過電纜輸出380V電壓；電機運行於380V電壓和42HZ頻率。環境風速在2米/秒左右，減速機按照電機在42HZ時的轉速/115%風機額定轉速的速比帶動風機，迎面吹向散熱器，此時，風速提高8%。本發明的另一實際運行的系統變壓器接入電網的6KV電壓，轉換成400V電壓；所述輸入電抗器接入上述400V電壓，輸出396V電壓給變頻器；變頻器運行於40HZ頻率，輸出396V電壓給輸出電抗器；接入上述396V電壓的輸出電抗器通過電纜輸出382V電壓；電機運行於382V電壓和40HZ頻率。環境風速在1米/秒左右，減速機按照電機在40HZ時的轉速/110%風機額定轉速的速比帶動風機，迎面吹向散熱器，此時，風速提高12%。本發明的另一實際運行的系統變壓器接入電網的10KV電壓，轉換成400V電壓；所述輸入電抗器接入上述400V電壓，輸出398V電壓給變頻器；變頻器運行於47HZ頻率，輸出398V電壓給輸出電抗器；接入上述398V電壓的輸出電抗器通過電纜輸出390V電壓；電機運行於390V電壓和40HZ頻率。環境風速在6米/秒左右，減速機按照電機在47HZ時的轉速/130%風機額定轉速的速比帶動風機，迎面吹向散熱器，此時，風速提高14%。本發明的系統在一臺300MW直接空冷機組夏季高氣溫時，在有額定負荷的前提下將有30%發電量量損失，用上述方法能避免電量損失卯MW/H。權利要求1.一種提高直接空冷系統的電機輸出傳遞效率的方法，其步驟包括1)由冷卻系統中的變壓器接入電網電壓，向電機輸出電壓；2)由冷卻系統中的變頻器向電機輸出頻率；3)電機通過減速機按照40-47HZ頻率下的轉速/110-130％風機額定轉速的速比帶動風機轉動；4)轉動的風機迎面向散熱器輸送冷卻風。2.如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述電機的輸入端電壓為380-390V，變頻器向電機輸出的頻率為40-47HZ。3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於在所述變頻器與電機之間設置輸出電抗器，抑制諧波對電機的幹擾。4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於所述輸出電抗器電感值在30-5(VH之間。5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於在所述變壓器和變頻器之間設置輸入電抗器，抑制諧波對電網的幹擾。6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於所述輸入電抗器壓降範圍在1%-5%之間。7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於所述變壓器接入電網的10KV或6KV電壓，轉換成400V電壓；所述輸入電抗器接入上述400V電壓，輸出395-398V電壓給變頻器；變頻器運行於40-47HZ頻率，輸出395-398V電壓給輸出電抗器；接入上述395-398V電壓的輸出電抗器通過電纜輸出385-395V電壓；電機運行於380-390V電壓和40-47HZ頻率。8.如權利要求l-7任一所述的方法，其特徵在於所述變壓器工作耐壓為420V;變頻器工作耐壓為480V;電機工作耐壓為400V。9.一種提高電機輸出傳遞效率的冷卻系統，其特徵在於，包括通過電纜電連接的變壓器，變頻器、電機、減速機和風機，其中變壓器接入電網電壓，通過變頻器向電機輸出電壓，變頻器向電機輸出頻率，所述減速機的速比為電機在40-47HZ頻率下的轉速/110-130%風機額定轉速。10.如權利要求9所述的系統，其特徵在於所述電機的輸入端電壓380-390V，變頻器輸出的頻率為40-47HZ。11.如權利要求io所述的系統，其特徵在於在所述變頻器與電機之間設置輸出電抗器。12.如權利要求11所述的系統，其特徵在於所述輸出電抗器電感值在30-5(HiH之間。13.如權利要求11所述的系統，其特徵在於在所述變壓器和變頻器之間設置輸入電抗器。14.如權利要求13所述的系統，其特徵在於所述輸入電抗器壓降範圍在1%-5%之間。15.如權利要求9-14任一所述的系統，其特徵在於所述變壓器工作耐壓為420V;變頻器工作耐壓為480V;電機工作耐壓為400V。16.如權利要求15所述的系統，其特徵在於所述變壓器為乾式變壓器。全文摘要本發明屬於發電
技術領域：
，涉及一種提高直接空冷系統電機輸出傳遞效率的方法及系統。本發明由冷卻系統中的變壓器接入電網電壓，向電機輸出電壓；由冷卻系統中的變頻器向電機輸出頻率；電機通過減速機按照電機在40-47HZ頻率下的轉速/110-130％風機額定轉速的速比帶動風機轉動，轉動的風機迎面向散熱器輸送冷卻風。本發明一方面將電機輸出的扭矩高效地傳遞給風機；另一方面保證電機能夠將能力最大輸出。本發明將電機輸出扭矩提高20％以上，將風機調節範圍擴大30％以上，極大地提高了直接空冷系統的冷卻能力。可廣泛應用於現有直接空冷機組的改造，或新電站直接空冷系統的設計。文檔編號F28B11/00GK101430167SQ20081022767公開日2009年5月13日申請日期2008年11月28日優先權日2008年11月28日發明者鵬郭,韓春江,龔宇洋申請人:中國大唐集團科技工程有限公司