CN219711598U - 一种汽电双驱联合驱动的调速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种汽电双驱联合驱动的调速系统，电机的两端输出轴分别与汽轮机的输出轴以及负载的动力输入端相连，所述汽轮机采用具有调节汽阀的调速型汽轮机，汽轮机DEH控制模块与PLC模块均与DCS控制模块相连，汽轮机DEH控制模块与汽轮机的调节汽阀相连，四象限变频器与电机相连，DCS控制模块用于接收人工输入的升速或者降速的变速指令，并将变速指令同时传输给PLC模块与汽轮机DEH控制模块，通过PLC模块控制动态调整四象限变频器调频的分辨率，使得四象限变频器进行逐级变频，以及通过汽轮机DEH控制模块调节调节汽阀的开度，并最终实现对所述轴系进行调速。

Description

一种汽电双驱联合驱动的调速系统

技术领域

本实用新型涉及一种汽电双驱联合驱动的调速系统。

背景技术

工业拖动领域最常用的原动机是各类电动机，电动机结构紧凑、系列齐全，易于选用和布置，而且电动机的能源为普遍易得的电力，这些特点促使电动机成为工业拖动中最常用的原动机。在现阶段，电力的最主要来源是火力发电厂及核电厂，是化石能源或核能放热产生蒸汽，并以蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电，发出的电并入电网，供各类用户使用。通过上述描述可以发现，电动机拖动负载的过程，自发电厂算起，实际上经历了四个能源转化过程，即化学能/核能转化为热能，热能转化为机械能，机械能转化为电能，电能又转化为机械能。因为转化过程中存在损失，造成了能源的浪费。正是基于这个原因，在某些具有合适蒸汽源的单位，会直接采用汽轮机拖动负载，跳过了机械能转化为电能，电能又转化为机械能的过程，直接由热能转为机械能来拖动负载，可以大大提高能源转化的效率。此种方案即为纯汽拖系统，汽轮机代替电机，作为唯一原动机来拖动负载。纯汽拖系统效率较电拖系统高，但是也有一定缺点。若负载的负荷变化，拖动汽轮机用汽量会跟随变化，对蒸汽源忍受负荷变动的能力要求较高。

在一些使用单位，蒸汽源可能是余热锅炉产汽，也可能是工艺用汽后的部分富裕蒸汽，这些汽源具有蒸汽量不稳定、随工艺时时波动的特点。如果采用这类汽源的蒸汽来拖动汽轮机驱动负载，可能造成拖动汽轮机间或出力不够或者不能跟随负载调整输出功率等问题。

正是基于上述原因，汽电双驱系统应运而生。汽电双驱系统是将汽轮机、电机与被拖动的负载同轴连接布置，实现两种原动机联合驱动同一负载。该系统原动机既互为备用，又能联合驱动，对波动汽源也能适应。而且该系统可根据汽轮机输出功率与负载消耗功率的差值，实时调整电动的耗电或发电状态，系统灵活性高、稳定性强。

但自汽电双驱系统产生后，一直存在一个无法解决的问题，即该系统不可调速运行。对于旋转设备，如泵、风机、压缩机等各类设备，其负荷的调节方式一般有两种，一是调整设备的转速来调节其负荷，二是在设备转速不变的情况下，调节设备出口或进口处的风门、阀门等节流设备的开度来调节其负荷。虽然两种方式均可达到调节负荷的目的，但是因第二种调节方式在节流设备处存在很大的节流损失，在负载同样负荷的情况下，其功率损耗远大于第一种转速调节方式。

因此，汽电双驱系统只能定速运行、不能变转速调节的问题成为该系统最大的缺点，也是各类用户最希望解决的问题。

发明内容

根据现有技术，电动机直接驱动负载的电拖系统，可设置普通两象限变频器，通过变频器改变电机侧电源频率，从来实现电驱系统的变转速运行。

汽轮机直接驱动负载的汽拖系统，可通过汽轮机DEH控制模块直接调速，从而实现变转速运行。但将电机、汽轮机两种原动机联合起来驱动同一负载，即便设置有普通两象限变频器，汽电双驱系统却无法实现变转速运行。无法实现变转速运行的具体表现为：因为系统存在两个原动机，当系统需要降速时，可以通过汽轮机DEH控制模块降低汽轮机转速，同时通过两象变频器改变输出频率降低电机转速，汽轮机作为机械设备，响应速度慢于电机，结果就是这两个降速操作无论如何匹配，均会造成变频器跳机保护，使电机失电，系统降速失败。

经原理研究，确认变频器跳机的原因是系统降速瞬间，电机定子产生了很大的流向电网的瞬时电流，普通两象限变频器仅能允许电流由电网流向电机，为单向通路，所以此瞬时电流反向冲击变频器时，会使两象限变频器跳机保护。与两象限变频器不同，四象限变频器允许电流双向流动，电流既可以从电网经四象限变频器调整频率后流向电机，也可从电机经四象限变频器调整频率后流向电网。但是即便是允许电流双向流动的四象限变频器，也会在调速瞬间被过大的瞬时电流冲击而发生跳机保护。

因此，要实现汽电双驱系统的调速，关键是要设置四象限变频器，以反向通路允许冲击电流送入电网。但是四象限变频器允许通过的电流大小是有限度的，所以还需要采取措施减小瞬时的冲击电流，以使四象限变频器可以承受，不产生跳机保护。

冲击电流产生的原因是，汽轮机作为机械设备，降速时响应速度慢于电机，如果对两个设备同时调控，电机以较快的响应速率降速，汽轮机相对滞后，汽电双驱轴系上存在因汽轮机响应较慢而突然增大的瞬时扭矩，此扭矩会在电机定子上产生瞬时冲击电流。

基于此原因，通过采取合适的措施，使汽轮机和电机降速时的响应速率尽量接近以减小轴系上瞬时扭矩变化，直至冲击电流能被四象限变频器承受，即可实现系统降速的目的。经理论分析和数据校核，本实用新型设置一种汽电双驱联合驱动的调速系统，本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种汽电双驱联合驱动的调速系统，包括汽轮机、负载和具有两个输出轴的电机，所述电机的两端输出轴分别与汽轮机的输出轴以及负载的动力输入端相连，并共同组成汽电双驱系统的轴系，

还包括DCS控制模块、汽轮机DEH控制模块以及设有PLC模块的四象限变频器，

所述汽轮机采用具有调节汽阀的调速型汽轮机，汽轮机DEH控制模块与PLC模块均与DCS控制模块相连，汽轮机DEH控制模块与汽轮机的调节汽阀相连，四象限变频器与电机相连，

所述DCS控制模块用于接收人工输入的升速或者降速的变速指令，并将变速指令同时传输给PLC模块与汽轮机DEH控制模块，通过PLC模块控制动态调整四象限变频器调频的分辨率，使得四象限变频器进行逐级变频，以及通过汽轮机DEH控制模块调节调节汽阀的开度，并最终实现对所述轴系进行调速。

进一步地，所述四象限变频器每次以0.01Hz~0.03Hz的调频分辨率进行逐级降频或者逐级升频。

进一步地，所述PLC模块还用于实时采集流过电机与四象限变频器的实际电流数值；

DCS控制模块实时比对所述实际电流数值与四象限变频器可承受电流数值，实时向汽轮机DEH控制模块反馈调速型汽轮机的汽阀开度，以及实时向PLC模块反馈四象限变频器变频时的分辨率。

进一步地，所述电机的输出轴与调速型汽轮机的输出轴之间设有变速箱或者离合器。

进一步地，所述调速型汽轮机在2200r/min~3000r/min范围内调速, 转子转动惯量小，调速响应速率快。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型采用精确双控调节（即调速型汽轮机转速调节与四象限变频器频率调节），实时采集轴系上各设备转速、振动数据，以及电机、四象限变频器功率、电流、功率因数参数，在调速瞬间同时对调速型汽轮机和四象限变频器给出调速指令，并实时追踪冲击电流大小，与设定的四象限变频器可承受电流大小进行比对，动态调整汽轮机调节汽门开度和四象限变频器变频速率，保证冲击电流一直在四象限变频器的可承受范围内，本实用新型方案适用于所有变频调速型汽电双驱系统，普适性强。

附图说明

图1为汽电双驱系统的结构图。

图中：1、调速型汽轮机；2、电机；3、负载；4、调节汽阀；5、四象限变频器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1，本实用新型一种汽电双驱联合驱动的调速系统，通过采取以下两方面措施，使汽轮机和电机降速时的响应速率尽量接近以减小轴系上瞬时扭矩，直至冲击电流能被四象限变频器承受，即可实现系统降速的目的。

其一是：采用调速型汽轮机（例如：凝汽式、补汽凝汽式、背压式等各类型汽轮机），该调速型汽轮机在2200r/min~3000r/min范围内调速,转子转动惯量小，调速响应速率快。

其二是：采用双控的电控系统，即汽轮机DEH控制模块控制调速型汽轮机的调节汽阀开度，四象限变频器的PLC模块控制四象限变频器降频或者升频，可实时采集轴系上各设备转速、振动数据，以及电机与四象限变频器的功率、电流、功率因数参数，在调速瞬间同时对调速型汽轮机和电机给出调速指令，并实时追踪冲击电流大小，发出指令动态调整汽轮机调节汽门开度和四象限变频器变频速率，通过动态调控两个原动机调速的分辨率大小，保证冲击电流一直在四象限变频器的可承受范围内。通过采取以上两方面的措施，并正确配置四象限变频器等其他相关设备，即可实现汽电双驱系统的变频调速功能。

本实用新型的系统布置如下：

一种汽电双驱联合驱动的调速系统，包括汽轮机1、负载3、具有两个输出轴的电机2、DCS控制模块、汽轮机DEH控制模块以及设有PLC模块的四象限变频器，电机的两端输出轴分别与调速型汽轮机的输出轴以及负载的动力输入轴相连，并共同组成汽电双驱系统的轴系，汽轮机DEH控制系统与调速型汽轮机中的汽阀相连，电机通过四象限变频器与电网连接，汽轮机DEH控制系统以及四象限变频器内的四象限变频器PLC均与DCS系统相互通讯。

本系统调速应用的具体过程为：

1）先设定汽电双驱系统目标转速的比对对象

将汽电双驱系统中调速型汽轮机转速，或者电机转速，或者负载转速设定为汽电双驱系统的调速比对目标，在实际使用时，一般设定电机的转速为比对对象，即将人工输入的目标转速与电机正在运行的转速进行对比，若输入的目标转速比电机此时运行的转速低，则汽电双驱系统进行降速，反之升速。

2）降速控制

DCS系统是通过分别检测调速型汽轮机、电机以及负载的振动值来判断调速型汽轮机、电机以及负载运行正常后，

DCS系统将人工输入的目标转速指令与所述调速比对目标进行对比，然后向汽轮机DEH控制系统与四象限变频器PLC同时发出降速的指令，汽轮机DEH控制系统接收降速指令后，调控调速型汽轮机的汽阀开度减小，瞬时减小汽轮机出力。四象限变频器PLC接收降速的目标频率后，每次以0.01Hz~0.03Hz的调频分辨率进行逐级降频。

调速型汽轮机调速响应快，出力瞬时减小，汽电双驱系统轴系上瞬时增大的扭矩小，因降速而在电机定子出现的瞬时反向电流安全地通过四象限变频器反馈至电网。

DCS系统通过四象限变频器PLC实时采集流过电机与四象限变频器的电流方向和实际电流数值以及实时采集四象限变频器的功率和功率因数，通过DCS系统动态比对所述实际电流数值与四象限变频器可承受电流，实时向汽轮机DEH控制系统反馈调速型汽轮机的汽阀开度，以及实时向四象限变频器PLC反馈四象限变频器降频时的分辨率，直至汽电双驱系统降速至目标转速，汽电双驱系统恢复稳态运行。

3）升速控制

DCS系统是通过分别检测调速型汽轮机、电机以及负载的振动值来判断调速型汽轮机、电机以及负载运行正常后，DCS系统将人工输入的目标转速指令与所述调速比对目标进行对比，然后向汽轮机DEH控制系统与四象限变频器PLC同时发出升速的指令，汽轮机DEH控制系统接收升速指令后，调控调速型汽轮机的汽阀开度增大。四象限变频器PLC接收降速的目标频率后，每次以0.01Hz~0.03Hz的调频分辨率进行逐级升频。

调速型汽轮机调速响应快，其升速速率大于电机，因此升速时汽轮机拖动负载升速，电机在同步跟随。

DCS控制模块通过PLC模块实时采集流过电机与四象限变频器的电流方向和实际电流数值以及实时采集四象限变频器的功率和功率因数，通过DCS控制模块动态比对所述实际电流数值与四象限变频器可承受电流，实时向汽轮机DEH控制模块反馈调速型汽轮机的汽阀开度，以及实时向PLC模块反馈四象限变频器升频时的分辨率，直至汽电双驱系统提升至目标转速，汽电双驱系统恢复稳态运行。

本实用新型中的电机可采用异步电机或者同步电机。根据调速型汽轮机输出功率和负载消耗功率在不同工况下对比，如果系统存在发电的可能，同步电机的励磁系统应能满足发电工况要求。

本实用新型可实现电机在电动机状态下消耗电能输出功率驱动负载，也可实现电机在发电机状态下消耗汽电双驱轴系上功率发出电能通过四象限变频器返送至电网。具体为：

调速过程中，若调速型汽轮机的输出功率大于负载的耗用功率，则电机的运行处于发电机状态，将调速型汽轮机将多余功率以电能形式反送至电网；

若调速型汽轮机的输出功率小于负载的耗用功率，则电机的运行处于电动机状态，电机耗用电网电能并输出功率，与调速型汽轮机共同驱动负载。

需要说明的是，本实用新型中的所有部件，除调速型汽轮机外，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件。例如PLC模块、汽轮机DEH控制模块、DCS控制模块均为常规产品。汽轮机DEH控制模块仅需具备转速控制功能即可满足本实用新型需求。

另外，汽电双驱系统配置时，可根据负载与调速型汽轮机转速的差异关系以及调速型汽轮机汽源的特点，灵活确定是否需要配置齿轮箱或者离合器，无论轴系中是否配置齿轮箱或离合器，且无论轴系中调速型汽轮机、电机、负载、齿轮箱（若需要）、离合器（若需要）的连接顺序为何种形式，均适用于本实用新型。

根据本实用新型汽电双驱系统的调速方法，已成功投运江苏省镔鑫钢铁集团4号265m²烧结机技改工程主抽风机及汽电双驱系统项目2套调速型主抽风机汽电双驱系统、河北天柱钢铁集团有限公司城市钢厂搬迁改造项目2×318m²烧结机工程4套调速型主抽风机汽电双驱系统、河北津西钢铁集团股份有限公司新建360m²烧结工程配套主抽风机变频反送电汽电双驱系统工程2套调速型主抽风机汽电双驱系统、江苏省镔鑫钢铁集团2号265m²烧结机技改工程主抽风机及汽电双驱系统项目2套调速型主抽风机汽电双驱系统。

上述10套调速型主抽风机汽电双驱系统，投运后经常运行区间为41Hz~46Hz，相较于传统的调节风机风门开度的调节方式，节能效果十分明显——每产1吨成品烧结矿，主抽风机电机能发电约6~10度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种汽电双驱联合驱动的调速系统，包括汽轮机（1）、负载（3）和具有两个输出轴的电机（2），所述电机的两端输出轴分别与汽轮机（1）的输出轴以及负载（3）的动力输入端相连，并共同组成汽电双驱系统的轴系，其特征在于：

还包括DCS控制模块、汽轮机DEH控制模块以及设有PLC模块的四象限变频器，

所述汽轮机（1）采用具有调节汽阀的调速型汽轮机，汽轮机DEH控制模块与PLC模块均与DCS控制模块相连，汽轮机DEH控制模块与汽轮机（1）的调节汽阀相连，四象限变频器与电机（2）相连，

所述DCS控制模块用于接收人工输入的升速或者降速的变速指令，

并将变速指令同时传输给PLC模块与汽轮机DEH控制模块，

通过PLC模块控制动态调整四象限变频器调频的分辨率，使得四象限变频器进行逐级变频，以及通过汽轮机DEH控制模块调节调节汽阀的开度，并最终实现对所述轴系进行调速。

2.如权利要求1所述的汽电双驱联合驱动的调速系统，其特征在于：所述四象限变频器进行逐级变频幅度为0.01Hz~0.03Hz。

3.如权利要求2所述的汽电双驱联合驱动的调速系统，其特征在于：所述PLC模块还用于实时采集流过电机（2）与四象限变频器（5）的实际电流数值；

DCS控制模块实时比对所述实际电流数值与四象限变频器可承受电流，实时向汽轮机DEH控制模块反馈调速型汽轮机的汽阀开度，以及实时向PLC模块反馈四象限变频器变频时的分辨率。

4.如权利要求1所述的汽电双驱联合驱动的调速系统，其特征在于：所述电机的输出轴与调速型汽轮机的输出轴之间设有变速箱或者离合器。