1汽輪機(jī)與電機(jī)拖動(dòng)現(xiàn)狀分析
電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在已是生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備,它以工作運(yùn)行平穩(wěn)、啟??刂坪?jiǎn)單、技術(shù)含量低、維修成本價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)覆蓋了各行各業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié);但大型電機(jī)(額定功率較大)在起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)容量要求較高,很容易影響周?chē)O(shè)備正常運(yùn)行;其設(shè)備技術(shù)含量高、控制方式及調(diào)速方式復(fù)雜、維修成本及價(jià)格較高。
汽輪機(jī)目前已廣泛應(yīng)用于電力、化工、石油、冶金、建材、環(huán)保、紡織、造紙等工業(yè)領(lǐng)域,并因性能優(yōu)越,節(jié)能效益好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得到了廣泛好評(píng)。
2空氣壓縮機(jī)采用電機(jī)拖動(dòng)的初設(shè)及投資分析
空氣壓縮機(jī)是制氧機(jī)設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備,又稱(chēng)原料壓縮機(jī)。由于40 000 m3/h制氧機(jī)所需220 000m 3/h的0. 45 M Pa 0. 5 M Pa的空氣量,所以空氣壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸功率為18 500 kW.
首先在沒(méi)有工廠設(shè)計(jì)之前,筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)與空壓機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行技術(shù)交流,空壓機(jī)配套拖動(dòng)設(shè)備如選用電機(jī)拖動(dòng),額定電壓為10 kV,電機(jī)功率為19 800 kW;國(guó)內(nèi)無(wú)法生產(chǎn),只有采用進(jìn)口ABB或西門(mén)子電機(jī);電機(jī)的采購(gòu)費(fèi)用較高,交貨周期為18個(gè)月。
2. 1空壓機(jī)電機(jī)拖動(dòng)設(shè)計(jì)及分析
同等工藝條件下空壓機(jī)配套電機(jī)參數(shù):電壓為10 kV;功率為19 800 kW;電流為1 283 A;功率因數(shù)為0. 9.由于空壓機(jī)直接起動(dòng)時(shí)扭矩過(guò)大,起動(dòng)電流是額定電流的6倍,母線的壓降也很大(要求不能大于15% ),所以采用特殊的起動(dòng)方式:
?。?1)采用變壓器-電動(dòng)機(jī)組起動(dòng)。
如采用這種起動(dòng)方式,則需新建一座3 25 MVA、35 /10 kV變電所為3臺(tái)空壓機(jī)電機(jī)供電。3臺(tái)20 MW空壓機(jī)電機(jī)采用變壓器-電動(dòng)機(jī)組供電方式。
根據(jù)35 kV母線*小短路容量S m in= 632 MVA計(jì)算可得出實(shí)際起動(dòng)電流I q = 4 697. 446 A.
計(jì)算電機(jī)起動(dòng)時(shí)間為:
電機(jī)起動(dòng)時(shí)間= ( GD)2 N r2 /< 365Prm( Uqm2M qp- M j) > = 8. 000 1 470. 000 2 /< 365 20 000. 000( 0. 610 2 1. 100- 0. 300) > = 21. 664計(jì)算得到35 kV母線壓降為12%,但35 kV變電站占地面積較大,而且35 kV母線壓降超過(guò)熱軋機(jī)組變頻器對(duì)電壓波動(dòng)的要求,將對(duì)其它在線機(jī)組變頻器運(yùn)行產(chǎn)生影響,會(huì)造成變頻器跳停。
?。?2)采用熱變電阻降壓起動(dòng)。
如采用這種起動(dòng)方式,則需新建一座3 50 MVA、35 /10 kV制氧變電所為3 40 000 m 3 /h制氧機(jī)供電,3路35 kV供電電源引自鋼東變< 4>。
根據(jù)35 kV母線*小短路容量S m in = 632 MVA計(jì)算出10 kV側(cè)*小短路容量為S min = 299. 4 MVA.
根據(jù)計(jì)算出的10 kV母線*小短路容量,又因熱變電阻降壓起動(dòng)可以將電流控制在2 4倍以內(nèi),滿足起動(dòng)要求;然而采用熱變電阻降壓起動(dòng),本身占地面積較大,液阻隨溫度變化劇烈,導(dǎo)致起動(dòng)過(guò)程中電流、時(shí)間不好控制,不能恒定某一個(gè)值,相對(duì)危險(xiǎn)性較大;對(duì)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不良的影響。
?。?3)采用高壓變頻器起動(dòng)。
根據(jù)10 kV母線*小短路容量可知滿足起動(dòng)條件,起動(dòng)平穩(wěn),對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊;但投資費(fèi)用較高,國(guó)內(nèi)無(wú)法生產(chǎn),國(guó)外采購(gòu)周期很長(zhǎng),會(huì)影響施工進(jìn)度及投產(chǎn)日期。
投資分析。綜合分析可知:保證上級(jí)變電站提前改擴(kuò)建完成是制氧項(xiàng)目投產(chǎn)的前提,根據(jù)以上的計(jì)算分析,為避免影響系統(tǒng)內(nèi)其他單位的供電,筆者建議采用高壓變頻起動(dòng)方式,但結(jié)合項(xiàng)目的投產(chǎn)日期,因而以上都不能滿足要求。
2. 2空壓機(jī)的運(yùn)行成本分析
?。?1) 3 40 000 m 3 /h制氧機(jī)組1臺(tái)空壓機(jī)年耗電量:
年平均運(yùn)行功率: 19 800 kW 0. 9;平均電價(jià): 0. 4元/kWh;年運(yùn)行小時(shí): 350天24小時(shí)= 8 400小時(shí);年電費(fèi): 19 800 kW 0. 9 8 400小時(shí)0. 4元/ kWh= 59 875 200元。
( 2)其中不含每次起動(dòng)時(shí)的電費(fèi)和日常維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
3空氣壓縮機(jī)采用汽輪機(jī)拖動(dòng)的初設(shè)及投資分析
鍋爐所產(chǎn)生的初次蒸汽,溫度高、壓力大,可以很好地利用到汽輪機(jī)上,利用汽輪機(jī)拖動(dòng)壓縮機(jī)做功。
針對(duì)此種情況,其可取代電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)做功,以節(jié)省企業(yè)電能。根據(jù)以上空分配套壓縮機(jī)所需的重要參數(shù),可選4. 5 M Pa, 450 , 19 800 kW的飽和蒸汽汽輪機(jī),相當(dāng)于替代19 800 kW的電動(dòng)。利用汽輪機(jī)來(lái)拖動(dòng)空壓機(jī)這種形式,不但控制簡(jiǎn)單、成本低,并且運(yùn)行能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行所耗的電能,為企業(yè)連續(xù)地創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。
3. 1空壓機(jī)汽輪機(jī)拖動(dòng)設(shè)計(jì)及分析
按同等工藝條件下配套為4. 5 MPa, 450 ,19 800 kW的飽和蒸汽汽輪機(jī)。為了滿足汽輪機(jī)所需要的70 t/h蒸汽量,綜合考慮后,需新建2臺(tái)220 t/h的鍋爐,建設(shè)周期較短,可在制氧項(xiàng)目投產(chǎn)前完成。
新建的鍋爐采用純燒煤氣的運(yùn)行方式,煤氣由煉鐵高爐產(chǎn)出;這樣不但有效地利用了能源,而且還環(huán)保,使成本大大降低;其次根據(jù)地區(qū)發(fā)展的綜合考慮新建2臺(tái)220 t/h的鍋爐不但解決廠區(qū)、生活區(qū)供熱問(wèn)題,還可以取締、拆除小鍋爐以達(dá)到環(huán)保要求。
3. 2空壓機(jī)的運(yùn)行成本分析
?。?1) 3 40 000 m 3 /h制氧1臺(tái)空壓機(jī)年耗蒸汽量:平均蒸汽價(jià)格: 64元/T;每小時(shí)用量: 64元/T 70 = 4 480元/小時(shí);年運(yùn)行小時(shí): 350天24小時(shí)= 8 400小時(shí);年消耗費(fèi)用: 70 8 400小時(shí)64元/T= 37 632 000元。
?。?2)不含日常維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
4運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、可靠性分析
蒸汽汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力一般為4. 5 M Pa, 450 ,功率19 800 kW,排氣- 0. 09 M Pa,轉(zhuǎn)速4 550 r/m in,在布置方式上,將汽輪機(jī)的油站布置在汽機(jī)本體的下部,在其上方直接安裝汽機(jī)本體、調(diào)速器及水泵,占地面積小,安裝使用方便。機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)采用電-液調(diào)節(jié)方式,并使用美國(guó)ICS TC3000控制系統(tǒng),通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度以達(dá)到調(diào)速目的。
電機(jī)拖動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行,由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高,所以壓縮機(jī)與電機(jī)之間必須安裝變速箱連接才能滿足實(shí)際運(yùn)行需要;如所示,電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載起動(dòng)時(shí)為了達(dá)到額定轉(zhuǎn)速需要克服很大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,而這樣對(duì)電網(wǎng)造成的影響也很大。
而利用汽輪機(jī)取代電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載,控制好汽輪機(jī)的高速調(diào)節(jié)閥可使轉(zhuǎn)速緩慢的增加,直到額定轉(zhuǎn)速,這樣起動(dòng)不但相對(duì)線性,轉(zhuǎn)速逐漸上升,克服的力矩相對(duì)較小,而且運(yùn)行平穩(wěn)可靠。
5投資成本
本研究選用電機(jī)拖動(dòng)和配套高壓變頻裝置及變電站建設(shè)費(fèi)用共計(jì)6 500萬(wàn)元( 1臺(tái));選用上述汽輪機(jī)拖動(dòng)需一臺(tái)蒸汽汽輪機(jī)和輔助設(shè)備及鍋爐,共投資8 000萬(wàn)元左右。
6運(yùn)行成本
若用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),按一年滿負(fù)荷運(yùn)行8 400小時(shí)計(jì)算,每年需電費(fèi)大約59 875 200元。而用上述蒸汽汽輪機(jī)機(jī)組驅(qū)動(dòng),消耗的蒸汽成本需費(fèi)用37 632 000元左右,相對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng),每年可節(jié)省成本為22 243 200元。
結(jié)合不同拖動(dòng)方式的綜合比較分析(如所示),雖然使用汽輪機(jī)拖動(dòng)要比使用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的投資成本高,但運(yùn)行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者;一年(運(yùn)行8 400小時(shí))為企業(yè)節(jié)約2 224. 32萬(wàn)元,投資汽輪機(jī)可很快收回成本。
7結(jié)語(yǔ)
在具備飽和蒸汽的條件下,都可以利用蒸汽汽輪機(jī),作為動(dòng)力源取代電機(jī),避免直接排空或不合理的資源浪費(fèi)。
隨著化工煉油石油化工冶金輕工和紡織等工業(yè)的發(fā)展,以及節(jié)約能源的需要,工業(yè)汽輪機(jī)將得到更廣泛的應(yīng)用。隨著石油化工等生產(chǎn)流程系統(tǒng)向大型高效方向發(fā)展,工業(yè)汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)和功率等級(jí)范圍也將相應(yīng)地提高。為了更好地節(jié)約能源,合理利用品位較低的余熱,開(kāi)發(fā)利用蒸汽或其它工質(zhì)的小型工業(yè)汽輪機(jī)將會(huì)日益受到重視。
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