工业拖动领域中汽电双驱系统的不同形式探究

工业拖动领域最常用的原动机是各类直流或交流电动机，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，直接由热能转化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。若负载的负荷率变化，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，而且可用电、可发电，可以工频运行，也可以变频运行。
汽电双驱系统根据不同的分类标准，可进行多种分类。根据笔者的项目经验，下文中分别从两个方面进行分类说明，并分析其适用范围。
一、根据汽电双驱系统轴系配置的差别进行分类
不同项目的蒸汽源情况、负载运行特点、使用单位需求等各不相同，造成了汽电双驱系统轴系配置的差别，主要分为以下两类。
（一）轴系不设置离合器
汽电双驱系统的基本形式为汽轮机、电机与被拖动的负载同轴连接布置，三个设备之间通过膜片式联轴器刚性连接。系统简图如下：

汽电双驱系统采用此形式，汽轮机、电机、负载之间为刚性连接，必须同时启停。汽轮机和电机可以共同驱动负载，在因汽源蒸汽量波动造成汽轮机出力变化时，电机可以自动实时补充负载的剩余功率需求，实现两种原动机共同拖动的目的，减少电机的耗电量。若汽源蒸汽量大，汽轮机输出功率超过了负载的功率需求，多余的功率可以通过电机使之转为电能，自动并入电网。此形式的优点是系统配置简单，投资成本低；缺点是系统内两台原动机不能互为备用，汽轮机出现故障停机时，整个系统必须跟随停机。
该系统主要适用于以下场合：（1）汽电双驱系统被拖动的负载存在备用机，此负载允许非计划停机检修，如电厂给水泵、化工厂空压机、采暖循环水泵等；（2）拖动汽轮机的汽源与被拖动的负载没有直接关联，负载启动阶段即要保证蒸汽源能正常提供蒸汽，如钢厂采用转炉余热蒸汽拖动空压机等。
（二）轴系设置离合器
相比于第一种系统形式，此种形式在轴系中增加了离合器，系统简图如下：

该种系统形式相较于第一种形式，在汽轮机和电机之间增加了离合器，除具备第一种系统的功能外，更具有灵活性。系统中离合器为超越式离合器，当汽轮机转速超过电机和负载转速时，离合器自动啮合，轴系连接为一体；当汽轮机转速低于电机和负载转速时，离合器脱啮合，汽轮机从轴系中退出。离合器的设置带来了两个好处，一是汽轮机非计划停机时，可以单独停运汽轮机并进行检修，不影响电机拖动负载继续运行；二是系统启机阶段，可以先独立启动电机和负载，汽轮机可以在汽源条件具备时再启动，待汽轮机转速达到设计值时可以自动并入轴系。该系统投资稍大，但是运行方式更为灵活，适用性更强。
该系统主要适用于以下场合：（1）汽电双驱系统被拖动的负载没有备用机，汽轮机故障不能影响纯电拖运行，离合器的设置保证了两个原动机可互为备用，增加系统的可靠性；（2）拖动汽轮机的汽源与被拖动的负载存在关联，负载不启动时，不会产生余热蒸汽，因此汽轮机无法与电动机和负载同时启动。上述两种情况下，必须设置离合器，如烧结余热蒸汽拖动主抽风机工艺。
需要说明的是，汽电双驱系统不论采用上述何种形式，均能实现利用波动汽源、两种原动机共同驱动、汽轮机多余功率反向发电等功能，有时候存在负载转速与汽轮机转速不一致情况，轴系中需增加齿轮箱或变速离合器调整。系统设计的关键点是针对使用单位负载特点、蒸汽源特点、项目目标等因素进行针对性的方案设计和设备选型。
二、根据汽电双驱系统能否变速运行进行分类
对于泵或风机等负载，调节负荷的方式一般为阀门（风门）调节或转速调节，因此根据汽电双驱系统在运行过程中是否可调节转速分为以下几类。
（一）系统工频运行不可调速
此系统最为简单，整个系统在额定转速下运行，负载负荷的调节只能采用风门、水阀、气阀等节流件来实现，能耗较高，经济性差。
（二）通过液力耦合器实现负载调速运行
负载通过调节转速来调整负荷的方式相较节流件调节更为节能，目前已经普遍采用。纯电拖系统可以采用变频器进行转速调节，纯汽拖系统也可通过汽轮机调速系统进行转速调节，但是汽电双驱系统在转速调节方面存在较大的技术难度，在较长时间内均未能实现。因此出现了此种折中的方法，即在电机与负载之间设置液力耦合器。电机和汽轮机均工频运行，负载通过液力耦合器调节转速，达到调负荷的目的。因液力耦合器效率低、故障率高，此方案虽然表面实现了负载的转速的调节，但节能效果低于预期、系统维护难度增加，使用较少。
（三）通过电控功能实现汽电双驱系统真正的变频调速运行
我单位经过多年实践总结、技术研发，已经攻克了汽电双驱系统变频调速存在的难题，通过电控系统的综合匹配、配合机械系统相应调整，可以完美实现汽电双驱系统变频调速，并能变频反送电，目前已在镔鑫特钢、亿鑫钢铁、天柱钢铁等单位得到实际运用。
工业拖动领域采用汽电双驱系统具有系统灵活多样、适用范围广等优点，同时可以消纳厂内余热蒸汽、工艺富裕蒸汽，在节能降耗的同时可解决全厂的汽水平衡问题，在解决了不能变频调速难题后，其适用范围又大大增加，相信该系统必将在工业拖动领域得到更多的应用！