時(shí)間：2022-05-26 23:05:35
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當(dāng)今世界，環(huán)境污染日益加劇，環(huán)境保護(hù)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。臨沂市是魯西南重要的商貿(mào)樞紐，近幾年來，隨著商貿(mào)批發(fā)市場(chǎng)規(guī)模的發(fā)展，城市人口迅速增加。相應(yīng)的城市生活垃圾的數(shù)量也在急劇增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在每天產(chǎn)生城市生活垃圾約600噸左右，并以每年平均10%增長(zhǎng)率遞增。臨沂市政府把垃圾處理列為99年度市政府“為民十大工程”之一，決定投資5000萬元，在臨沂市城西北36公里處征地1500畝，用于城市生活垃圾的填埋。一期工程先征地500畝，現(xiàn)在正在進(jìn)行勘探、水文調(diào)查、基礎(chǔ)處理等前期工作。
城市生活垃圾的處理方法主要有填埋、堆肥、焚燒等。填埋法方便易行，處理量大，是現(xiàn)在城市垃圾處理的一種主要方法，但是易造成二次污染，特別是垃圾中的一些有毒有害物質(zhì)填埋腐爛后，滲透到地下，引起地下水的污染；同時(shí)產(chǎn)生的一些有害氣體
造成環(huán)境的二次污染，并且需占用大量的土地。焚燒法是最有效的方法，使城市垃圾處理基本上達(dá)到了減容化、無害化和能源化的目的。垃圾焚燒后，一般體積可減少90%以上，重量減輕80%以上；高溫焚燒后還能消除垃圾中大量有害病菌和有毒物質(zhì)，可有效地控制二次污染。垃圾焚燒后產(chǎn)生的熱能可用于發(fā)電供熱，實(shí)現(xiàn)了能源的綜合利用。
2垃圾發(fā)電供熱技術(shù)的可行性分析
城市生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)在國(guó)外已有四十多年的歷史，最先利用垃圾發(fā)電的是德國(guó)和法國(guó)，近幾十年來，美國(guó)和日本在垃圾發(fā)電方面的發(fā)展也相當(dāng)迅速。目前，日本擁有垃圾發(fā)電廠一百多座，發(fā)電總?cè)萘吭?20MW以上，單臺(tái)設(shè)備最大處理垃圾能力為552噸/日。
我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電供熱技術(shù)起步較晚，現(xiàn)在還處于研究開發(fā)階段。現(xiàn)已建立的部分垃圾發(fā)電站，基本上是引進(jìn)國(guó)外的設(shè)備和技術(shù)。我國(guó)第一座垃圾發(fā)電站是在深圳，引進(jìn)的是日本三菱重工生產(chǎn)的兩臺(tái)爐排式垃圾焚燒爐，日處理垃圾150噸，配置500kW的汽輪發(fā)電機(jī)組來發(fā)電供熱。1992年又上了一臺(tái)杭州鍋爐廠(引進(jìn)日本三菱重工技術(shù))制造的垃圾焚燒爐，日處理垃圾150噸，配置1500kW汽輪發(fā)電機(jī)組。在上海、天津等城市也相繼與法國(guó)、澳大利亞等國(guó)家合作建設(shè)垃圾發(fā)電廠。引進(jìn)的這些垃圾鍋爐基本上都是爐排爐，價(jià)格昂貴，而且在燃用低熱值、高水份的垃圾時(shí)，為了保證鍋爐的正常燃燒，達(dá)到需要的工藝參數(shù)，必須添加燃料油，運(yùn)行成本較高，經(jīng)濟(jì)效益差。發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的垃圾焚燒爐，實(shí)現(xiàn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，達(dá)到低污染和高效燃燒是眾多科研單位和生產(chǎn)廠家正在研究開發(fā)的課題。
流化床燃燒技術(shù)是本世紀(jì)六十年代迅速發(fā)展起來的一種新型清潔燃燒技術(shù)。他利用爐內(nèi)燃料的充分流動(dòng)、混合，達(dá)到高效燃燒。我國(guó)在利用流化床燃燒技術(shù)燃用低熱值燃料方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。特別是浙江大學(xué)熱能工程研究所多年來進(jìn)行廢棄物(如洗煤泥、煤矸石、城市生活垃圾等)的研究開發(fā)和應(yīng)用。成功開發(fā)出異重流化床城市生活垃圾焚燒技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒。采用流化燃燒技術(shù)焚燒垃圾的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
a操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定。由于流化床床料為石英沙或爐渣，蓄熱量大，因而避免了床的急冷急熱現(xiàn)象，燃燒穩(wěn)定。垃圾的干燥、著火、燃燒幾乎同時(shí)進(jìn)行，無需復(fù)雜的調(diào)整，燃燒控制容易，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)燃燒。
b設(shè)備壽命長(zhǎng)。爐內(nèi)沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)。
c可采用全面的防二次污染的措施。對(duì)焚燒時(shí)產(chǎn)生的有害物質(zhì)進(jìn)行處理，在不增加太多投資的前提下，可將NOX、SO2等氣體排放控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以下，爐渣呈干態(tài)排出，便于爐渣的綜合利用。
d流化床焚燒爐由于爐內(nèi)燃燒強(qiáng)度和傳熱強(qiáng)度高，相同垃圾處理量的流化床焚燒爐和爐排爐相比體積要小，故而投資小，適應(yīng)于大型化發(fā)展。
e燃料適應(yīng)性廣，可燃燒高水分、低熱值、高灰分的垃圾，床內(nèi)混合均勻，燃盡度高，使垃圾容積大大減少，特別適應(yīng)于垃圾熱值隨季節(jié)變化很大的特點(diǎn)。
因此，流化床垃圾焚燒是一種綜合性能優(yōu)越的焚燒方式，尤其適合我國(guó)垃圾熱值低、成分比較復(fù)雜的國(guó)情。隨著我國(guó)人民生活水平的提高，城市生活垃圾中無機(jī)物含量將大幅度下降，有機(jī)物、紙、塑料等高熱值廢棄物成份逐漸上升，使之具備了能源化利用的可能。當(dāng)城市生活垃圾隨著季節(jié)變化或影響過低時(shí)，為保證供電或供熱，可將垃圾與輔助燃料(如原煤、廢油等)在同一爐內(nèi)混燒。
目前，城市生活垃圾流化床焚燒發(fā)電新技術(shù)已應(yīng)用到商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的熱電項(xiàng)目上。1998年浙江大學(xué)熱能研究所與杭州錦江集團(tuán)將聯(lián)合開發(fā)的此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到余杭熱電廠，把余杭熱電廠原有的一臺(tái)35t/h鏈條鍋爐改造為垃圾流化床焚燒爐，燃用杭州市部分地區(qū)的城市生活垃圾。鍋爐經(jīng)改造后，單臺(tái)爐日處理垃圾150～250噸，同時(shí)補(bǔ)充部分輔助燃料--原煤，以保證熱電廠的正常供熱和發(fā)電。
余杭熱電廠的垃圾焚燒爐至今已運(yùn)行十個(gè)月，運(yùn)行狀況良好。其運(yùn)行情況如下：垃圾焚燒爐運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，保證了發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行；最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過一個(gè)月；平均每小時(shí)焚燒垃圾約7噸，最大量可達(dá)到11噸/小時(shí)；對(duì)垃圾成分、熱值隨季節(jié)性變化和適應(yīng)性好。
通過以上的分析說明，在我國(guó)發(fā)展垃圾發(fā)電，在技術(shù)上已經(jīng)有了很大的突破，特別是近幾年來循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展迅速，為垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。目前，我國(guó)各地?zé)犭姀S循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)量正在大幅度上升，并向大型化發(fā)展，運(yùn)行操作和管理水平在不斷提高，并趨于成熟，對(duì)垃圾流化床焚燒爐的推廣應(yīng)用又創(chuàng)造了較好的環(huán)境。
3方案的選擇
垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)方案的確定，應(yīng)從本地的實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合城市發(fā)展水平而定。國(guó)外的技術(shù)比較成熟，但設(shè)備的價(jià)格昂貴，投資太大，一般中小城市難以承受。采用國(guó)內(nèi)的技術(shù)和設(shè)備，投資小，很適合我國(guó)的國(guó)情。一般來說，在一個(gè)城市是新建一座垃圾焚燒發(fā)電廠，還是利用現(xiàn)有的熱電廠進(jìn)行改造，應(yīng)進(jìn)行可靠的分析和研究。筆者認(rèn)為，利用現(xiàn)有的小熱電廠進(jìn)行改造將比新建一座更有利，分析如下：
王云翠等：開發(fā)垃圾發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱電持續(xù)發(fā)展
熱電技術(shù)2000年第1期(總第65期)
a新建一座垃圾發(fā)電廠，在整體布局和結(jié)構(gòu)上可能合理些，但投資較大，如新建一座日處理垃圾300～500噸中型垃圾發(fā)電廠，要建3×35t/h鍋爐+2×6MW汽輪發(fā)電機(jī)組，需投資1.4～1.5億元。投資大，產(chǎn)出低，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益低下。
b熱電廠在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，可以利用原有的生活辦公設(shè)施及生產(chǎn)廠區(qū)和配套設(shè)備，節(jié)省投資，見效快。同時(shí)，進(jìn)行改造也可以有兩個(gè)方案；一是在熱電廠廠地允許的情況下，建新的垃圾焚燒爐和發(fā)電機(jī)組，那樣機(jī)組分布較合理，但在目前電力需求趨于飽和的情況下，新機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)比較困難；原有的鍋爐進(jìn)行改造，配套熱電廠現(xiàn)有的機(jī)組，比較容易操作，可以節(jié)省大量的投資，實(shí)施容易，能起到事半功倍的效果。
臨沂熱電廠位于臨沂市西南部的工業(yè)區(qū)內(nèi)?，F(xiàn)有3×35t/h鏈條鍋爐+1×75t/h循環(huán)流化床鍋爐和1×C6+1×B6+1×C12中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組。供熱主管線長(zhǎng)20余公里，主要為50余家工業(yè)生產(chǎn)用戶和機(jī)關(guān)賓館居民采暖供熱?，F(xiàn)有的兩臺(tái)35t/h鏈條爐需要燃用優(yōu)質(zhì)煙煤，雖經(jīng)幾次改造，但是效果不大。鍋爐效率低，經(jīng)測(cè)試鍋爐熱效率為78%，面臨著被淘汰的可能。如果把鏈條爐改造成流化床垃圾焚燒爐，可以解決臨沂市的垃圾處理問題，同時(shí)提高鍋爐的熱效率，適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，對(duì)我廠經(jīng)濟(jì)效益將有很大的改觀。因此，我們選擇了利用原有鍋爐進(jìn)行改造的方案。
4鍋爐改造方案
4.1鍋爐本體改造
鍋爐改造維持原爐膛中上部及尾部煙道不變，將爐膛下部爐排及渣斗拆除，使?fàn)t下部改為流化床密相燃燒區(qū)，密相區(qū)內(nèi)布置傾斜埋管。埋管采用加裝鰭片和噴涂方式防止磨損。爐體水冷壁內(nèi)側(cè)敷有耐火層，防止磨損。鍋爐本體外部的汽水管道系統(tǒng)不變。增加了流化風(fēng)室及布風(fēng)板、風(fēng)帽，阻力大大增加，原有風(fēng)機(jī)壓頭不能滿足要求，所以選用高壓頭送風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)也需改型。在爐膛出口設(shè)置分離器和返料器，經(jīng)分離器分離下的顆?？蓪?shí)現(xiàn)爐內(nèi)循環(huán)，增加其停留時(shí)間，這樣大大提高燃燒效率，且尾部受熱面的磨損程序大大減輕。
4.2垃圾處理系統(tǒng)
生活垃圾由汽車運(yùn)至廠內(nèi)垃圾儲(chǔ)存?zhèn)}，在廠內(nèi)渣場(chǎng)位置建一座半地下的全密封的垃圾庫(kù)。
與現(xiàn)在的輸煤棧橋并行建一條密封的耐腐蝕的垃圾輸送皮帶。垃圾儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)設(shè)有破碎機(jī)，單梁吊車。并設(shè)有電磁去鐵器、污水泵等。垃圾運(yùn)至庫(kù)內(nèi)，經(jīng)垃圾爐前處理系統(tǒng)送入爐內(nèi)。預(yù)處理系統(tǒng)一方面可打碎特大垃圾及塑料袋、木板、玻璃瓶、磚塊石塊等雜物，同時(shí)也可使垃圾均勻入爐，破碎后的垃圾用吊車抓到輸送帶上，送到爐前，經(jīng)往復(fù)式給料機(jī)送入爐內(nèi)。
采用吸風(fēng)管將垃圾坑內(nèi)散發(fā)的臭氣吸至爐內(nèi)，進(jìn)行燃燒脫臭，不讓垃圾臭氣彌散。垃圾中的污水收集在坑底廢液池內(nèi)，然后經(jīng)泵噴射至爐內(nèi)流化床段上方焚燒，使其充分裂解，減少污染。
4.3焚燒系統(tǒng)
因垃圾焚燒爐是鏈條爐改造的，用石英砂或爐渣作床料。每小時(shí)燃燒垃圾6～9噸。垃圾進(jìn)入焚燒爐后，與熾熱的床料混合焚燒，由于流化床良好的橫向混合特性，可確保床內(nèi)焚燒能保持穩(wěn)定運(yùn)行。焚燒爐內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和煙氣停留時(shí)間分別為850℃和3秒左右，并保持強(qiáng)烈混合，使有害成分在爐膛內(nèi)充分裂解和破壞。高溫?zé)煔鈴臓t膛出口至過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、煙氣處理裝置和電除塵器，最后經(jīng)煙囪排入大氣。
由于垃圾熱值受來源、氣候、季節(jié)等因素的影響很大，為達(dá)到高效低污染焚燒的目的，用煤充當(dāng)輔助燃料。
點(diǎn)火采用床下自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，經(jīng)預(yù)燃室進(jìn)入風(fēng)室，關(guān)入爐膛。
整個(gè)除灰系統(tǒng)處于干式密封狀態(tài)，因此避免了廠區(qū)內(nèi)粉塵污染和污水污染，排出的灰渣可綜合利用。
4.4熱工控制系統(tǒng)
焚燒爐采集了較全面的運(yùn)行參數(shù)，供垃圾焚燒爐運(yùn)行調(diào)節(jié)、操作與檢測(cè)，主要參數(shù)有各主要部分的溫度顯示與記錄，各主要部分的壓力顯示，主要管路的流量，爐膛含氧量。另外控制系統(tǒng)除含有常規(guī)溫度、壓力、流量、遠(yuǎn)控、報(bào)警等功能外，還配套垃圾預(yù)處理及焚燒爐內(nèi)重要部位的實(shí)時(shí)工業(yè)電視監(jiān)視?？紤]到垃圾的臟臭等特殊性，絕大多數(shù)的調(diào)節(jié)手段均集中于主控室內(nèi)，使運(yùn)行人員工作強(qiáng)度降低，提高了工作效率。
4.5鍋爐廠用電系統(tǒng)
本期工程廠用電采用380伏電壓，利用原有的廠用電系統(tǒng)。本期工程不再增加低壓廠用變壓器。
4.6環(huán)保措施
垃圾流化床鍋爐是城市解決環(huán)保問題的重要設(shè)施，對(duì)保護(hù)環(huán)境、減少污染起到了很大的作用。垃圾處理實(shí)現(xiàn)了減量化、資源化、無害化，解決了困擾城市發(fā)展的一大難題，保護(hù)了人民身心健康，美化了城市環(huán)境，提高了人民的生活質(zhì)量。垃圾流化床鍋爐本身亦采取了一系列措施來解決產(chǎn)生的污染問題。
4.6.1建立全密封的垃圾庫(kù)。將垃圾存放在垃圾庫(kù)中，并用吸風(fēng)管將垃圾坑內(nèi)散發(fā)的惡氣送入爐內(nèi)做二次風(fēng)，運(yùn)行燃燒脫臭；垃圾底部設(shè)有一廢液池，收集污水，當(dāng)達(dá)到一定量后，把污水噴射到爐內(nèi)流化床段上方焚燒，使用充分分解，減少污染。
4.6.2垃圾在垃圾庫(kù)中經(jīng)簡(jiǎn)單破碎后，經(jīng)一條全密封的皮帶送入爐內(nèi)。爐內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為850℃左右，煙氣停留時(shí)間為3秒左右，爐內(nèi)床料并保持充分混合，使有害成分在爐膛內(nèi)充分裂解、破壞、焚燒。
4.6.3采取較全面的防止二次污染的措施，對(duì)焚燒時(shí)產(chǎn)生的有害的物質(zhì)進(jìn)行了處理，可將NOX、SO2及HCl等氣體控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之下。為進(jìn)一步凈化尾氣，在尾部安裝了脫除有害氣體的煙氣處理裝置。爐渣呈干態(tài)排出，無渣坑廢水，亦不需處理重金屬污水的設(shè)備。
當(dāng)處理含硫或含氯高的垃圾時(shí)，基于流化床燃燒方式的優(yōu)點(diǎn)，采用爐內(nèi)加石灰石可脫除SO2和HCl。
4.6.4由焚燒爐尾部排出的飛灰經(jīng)過電除塵器，飛灰濃度低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，排出煙囪。整個(gè)系統(tǒng)處于干式密閉狀況，因此避免了廠區(qū)內(nèi)的粉塵污染和污水污染，排出的灰渣可綜合利用。
5垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性分析
熱電廠現(xiàn)有的三臺(tái)35t/h鏈條爐改造為流化床垃圾焚燒爐后，日處理垃圾能達(dá)到600噸，配置一臺(tái)C12MW的汽輪發(fā)電機(jī)組，原熱力系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)不變，新建垃圾處理系統(tǒng)。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析如下：
整個(gè)改造工程需要投資4800萬元左右；
銷售收入按設(shè)備的容量計(jì)算，銷售電、汽年收入約5360萬元；
年運(yùn)行費(fèi)用約4100萬元；
年銷售稅金及附加費(fèi)約350萬元；
年獲利潤(rùn)約900萬元(包括所得稅)；
項(xiàng)目投資回收期約5.5年；
總投資利率約18.8%；
總投資利稅率約26.2%；
該項(xiàng)目在財(cái)務(wù)上是可行的。
垃圾焚燒發(fā)電供熱項(xiàng)目是一項(xiàng)社會(huì)公益事業(yè)，主要體現(xiàn)了社會(huì)效益。同時(shí)熱電廠通過技術(shù)改造，設(shè)備更新?lián)Q代，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，找到了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了熱電廠的可持續(xù)發(fā)展。
6結(jié)束語
6.1結(jié)論
6.1.1城市生活垃圾焚燒發(fā)電供熱屬一項(xiàng)新興的產(chǎn)業(yè)，它解決了城市垃圾造成的污染。與填埋、堆肥相比節(jié)省了大量土地，減少了二次污染，同時(shí)充分利用了再生能源，達(dá)到了對(duì)垃圾處理的減容化、無害化、資源化的目的，社會(huì)效益顯著。
6.1.2城市生活垃圾焚燒技術(shù)已日漸成熟，已實(shí)現(xiàn)了垃圾焚燒爐設(shè)備全部國(guó)產(chǎn)化，并有示范工程，而且已顯示出它的可靠性、穩(wěn)定性。我國(guó)的垃圾焚燒發(fā)電供熱事業(yè)已初露端倪，并已納入產(chǎn)業(yè)化軌道，其發(fā)展勢(shì)頭迅猛。據(jù)有關(guān)部門資料介紹，北京、天津、武漢、長(zhǎng)沙、南京、溫州、汕頭、珠海、中山等城市都有發(fā)展規(guī)劃。至2000年，全國(guó)將建有大中型垃圾發(fā)電廠3～5座，小型工廠10～15座，至2010年，各地將建有各類垃圾能源工廠150～200座。我省已有荷澤、平度、棗莊等市垃圾發(fā)電廠已立項(xiàng)及設(shè)備訂貨。
6.1.3熱電廠的原有鍋爐設(shè)備特別是35t/h鏈條爐效率低，要求煤種好，需要進(jìn)行更新改造。改為垃圾焚燒鍋爐后，技術(shù)水平高，是一條優(yōu)化組合資產(chǎn)，節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的開拓之路。
6.2建議
城市生活垃圾焚燒發(fā)電供熱工程是一個(gè)社會(huì)公益和環(huán)保事業(yè)，它體現(xiàn)出巨大的社會(huì)環(huán)保效益，并且又是一個(gè)投資高，技術(shù)密集型的企業(yè)。就其性質(zhì)來講，它屬于綜合利用高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。它的發(fā)展需得到各級(jí)政府及有關(guān)行業(yè)的支持配合，國(guó)家應(yīng)加大力度，研究落實(shí)扶持政策，促進(jìn)該項(xiàng)目順利運(yùn)行。它應(yīng)該享受有關(guān)的優(yōu)惠政策。
6.2.1按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定，該項(xiàng)目銀行應(yīng)優(yōu)先安排基本建設(shè)貸款，并給予一定比例的財(cái)政貼息。
6.2.2垃圾發(fā)電的電量應(yīng)全部上網(wǎng)，電力主管部門不安排該項(xiàng)目機(jī)組作調(diào)峰運(yùn)行。
6.2.3垃圾發(fā)電供熱機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行電價(jià)、供熱熱價(jià)在還款期內(nèi)應(yīng)實(shí)行“生產(chǎn)成本+本付息+合理利潤(rùn)”的定價(jià)原則。
6.2.4該項(xiàng)目企業(yè)所得稅、增值稅要按照資源綜合利用企業(yè)和高新技術(shù)企業(yè)的規(guī)定執(zhí)行。
人口是影響能耗的重要因素，全球人口的增加將造成能耗增加，導(dǎo)致大氣層中二氧化碳濃度上升，使氣溫上升，全球變暖。
在發(fā)電領(lǐng)域減少二氧化碳產(chǎn)生的途徑包括：提高發(fā)電效率減少燃耗；采用原子能發(fā)電；使用再生(天然)能源。每單位發(fā)電量二氧化碳的產(chǎn)生，以礦物燃料發(fā)電最高，特別是燒煤電廠。再生能源發(fā)電雖然設(shè)施的建造會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，但發(fā)電本身不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。因此，增加使用再生能源發(fā)電和有效使用礦物燃料，是抑制產(chǎn)生二氧化碳的有效方法。
再生能源發(fā)電技術(shù)可分為水力發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電；太陽能發(fā)電(太陽─熱發(fā)電和光伏發(fā)電)；海洋發(fā)電(海洋-熱能轉(zhuǎn)換、潮汐、洋流、海波)；地?zé)岚l(fā)電。
水力發(fā)電
水力發(fā)電是目前發(fā)電技術(shù)中每單位發(fā)電量產(chǎn)生二氧化碳最低的。它不會(huì)產(chǎn)生破壞環(huán)境的物質(zhì)；在徑流式水電站的情況下，也不需要水庫(kù)，對(duì)保護(hù)環(huán)境最為有利。在水庫(kù)型和抽水儲(chǔ)能型電站情況下，必須考慮水庫(kù)建造對(duì)環(huán)境的影響。
風(fēng)力發(fā)電
歐洲和美洲在風(fēng)力渦輪的發(fā)展上處于領(lǐng)先地位，隨著在美國(guó)公用事業(yè)管理政策條例(PURPA)的制定和加州減免賦稅，它們的實(shí)際應(yīng)用迅速取得進(jìn)展。三菱重工(MHI)已在美國(guó)加州安裝了660臺(tái)275千瓦級(jí)的風(fēng)力渦輪。實(shí)際應(yīng)用的這些渦輪機(jī)，其輸出功率范圍從100千瓦到600千瓦，而兆瓦級(jí)的風(fēng)力渦輪目前正處于中試階段。在日本，迄今輸出功率最高為300-400千瓦，但MHI開發(fā)的500千瓦級(jí)的渦輪在1996年10月已成功運(yùn)轉(zhuǎn)。
太陽-熱發(fā)電
太陽能發(fā)電技術(shù)可分為太陽-熱發(fā)電和光伏發(fā)電。在前一種情況下，通過搜集的太陽熱能，用水或低沸點(diǎn)流體直接或間接產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)；在后一種情況下，通過p-型和n-型半導(dǎo)體的組合，將陽光直接轉(zhuǎn)換為電。太陽-熱發(fā)電又分為直接和間接(二元循環(huán))型發(fā)電系統(tǒng)。在前一種情況下，使用一臺(tái)冷凝器，通過直接產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)；而在后一種情況下，是在主系統(tǒng)使用一種沸點(diǎn)高于水的熔鹽或液態(tài)鈉，通過熱交換加熱輔助系統(tǒng)內(nèi)的工作流體-水或低沸點(diǎn)流體產(chǎn)生蒸汽。雖然前一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但熱效率低于后者，難以在高溫下取得蒸汽，需要輔助燃料點(diǎn)火。
在日本已建成輸出功率1000千瓦的中試裝置，應(yīng)用了塔型和曲線-直線型冷凝器，用熱水蓄熱設(shè)施予以補(bǔ)充。美國(guó)在1982年開始對(duì)10兆瓦級(jí)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，隨后建成了實(shí)際應(yīng)用輸出功率超過30兆瓦的裝置。
再生能源發(fā)電尚有一些問題需研究解決：
(1)由于日光能量密度低(在白天，最高每平方米1千瓦)，要放置太陽熱能收集器需要巨大的空間。
(2)太陽輻射的強(qiáng)度變化大，因發(fā)電取決于時(shí)間和天氣，所以不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。
(3)由于難以通過熱積累把蒸汽的溫度提高到一個(gè)高水平，所以不能實(shí)現(xiàn)高效率的蘭金循環(huán)(總效率10%～15%)。
為減少成本，實(shí)現(xiàn)電力的穩(wěn)定供應(yīng)和提高效率，要解決的問題(1)必須改善拋物面反向鏡型和定日鏡塔型系統(tǒng)的熱收集效率；(2)必須應(yīng)用一補(bǔ)充鍋爐或蓄熱系統(tǒng)；(3)需使用一個(gè)二元循環(huán)提高溫度，并通過應(yīng)用低沸點(diǎn)混合液體改善蘭金循環(huán)。
光伏發(fā)電
應(yīng)用光伏發(fā)電所產(chǎn)生的二氧化碳量?jī)H次于水力發(fā)電技術(shù)，也不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，是一種理想的干凈發(fā)電技術(shù)。為發(fā)電提供能量的日光是無限的。假定在白天太陽輻射的最高強(qiáng)度是每平方米1千瓦，發(fā)電效率為10%，整個(gè)地面上每年可能的發(fā)電量為1.4億億度，大約相當(dāng)于全世界能耗量的100倍。這意味著如果把太陽電池放置于不到全球陸地面積的1/100，或其沙漠面積的1/20，所發(fā)電量就足以滿足全世界能量的需求。
這種再生能源每單位面積的輸出功率密度低，所需要的面積大約為燒煤電站的20倍。在美國(guó)和印度，沙漠面積巨大，目前正在進(jìn)行的計(jì)劃是建造188兆瓦(美國(guó))或50兆瓦(印度)的光伏發(fā)電廠。由于世界上有許多地區(qū)適用于大規(guī)模光伏發(fā)電，作為新日照計(jì)劃的一部分，發(fā)展一種全球性的干凈能源系統(tǒng)，即世界能源網(wǎng)(WENET)正在進(jìn)行中，該計(jì)劃的目的是，在這些地區(qū)實(shí)現(xiàn)中央光伏發(fā)電，用所發(fā)出的電使水分解產(chǎn)生氫，氫既可用做能源，又可用做蓄能和輸能介質(zhì)。從保護(hù)全球環(huán)境和能量生產(chǎn)角度看，實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃很重要。
地?zé)岚l(fā)電
可供發(fā)電的地?zé)豳Y源可粗分為蒸汽、蒸汽和熱水二相流、熱水。地?zé)嵴羝刹患犹幚碇苯右肫啓C(jī)；而二相流被分為熱水和蒸汽，熱水通過閃蒸器變?yōu)檎羝?，引入汽輪機(jī)的低壓側(cè)。在熱水情況下，可采用上述的二元系統(tǒng)(通過使用主系統(tǒng)一側(cè)的熱水使輔助側(cè)的低沸點(diǎn)液體蒸發(fā)，并通過低沸點(diǎn)液體驅(qū)動(dòng)渦輪)。
自從1966和1967年9.5兆瓦、11兆瓦的電站(由日本三菱重工安裝)分別投入運(yùn)行以來，目前在日本正在運(yùn)行的裝置有18臺(tái)，約生產(chǎn)530兆瓦的電。以間歇泉電站的容量最高，為151兆瓦。美國(guó)目前正在運(yùn)行的間歇泉電站，功率在100萬千瓦以上。
日本三菱重工的技術(shù)得到高度評(píng)價(jià)，它通過單級(jí)或雙級(jí)閃蒸系統(tǒng)，將熱水變?yōu)檎羝⒄羝霚u輪的中壓或低壓段，這樣，雙相流熱資源就得到了有效應(yīng)用。
這種雙級(jí)閃蒸系統(tǒng)于1977年投入商用，目前用在60多臺(tái)發(fā)電裝置。
從有效使用小規(guī)模地?zé)豳Y源觀點(diǎn)看，預(yù)計(jì)未來會(huì)發(fā)展小型(便攜式)發(fā)熱發(fā)電裝置。
洋能發(fā)電
PAFC技術(shù)開發(fā)的現(xiàn)狀與動(dòng)向：
日本自實(shí)施月光計(jì)劃以來，作為國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，正在實(shí)施5000千瓦級(jí)加壓型和1000千瓦級(jí)常壓型電廠實(shí)證運(yùn)行。目前，磷酸型燃料電池的發(fā)電效率為30％～40％，如果將熱利用考慮進(jìn)去，綜合效率可高達(dá)60％～80％。
除日本外，目前世界約有60臺(tái)PAFC發(fā)電設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)，總輸出功率約為4.1萬千瓦。按國(guó)別和地區(qū)劃分日本為2.9萬千瓦，美國(guó)8000千瓦，歐洲3000千瓦，亞洲900千瓦。運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備除3臺(tái)(日本2臺(tái)，意大利1臺(tái))為加壓型外，其他均為常壓型。磷酸型燃料電池的制造廠家目前主要為日本和美國(guó)，設(shè)備主要銷往歐、亞。
美國(guó)已完成基礎(chǔ)研究，200千瓦級(jí)電廠用電池近期有望商品化，但大容量電廠用電池處于停滯狀態(tài)。德國(guó)已引進(jìn)美國(guó)200千瓦級(jí)電廠用電池進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行。另外，瑞典、意大利、瑞士等國(guó)也引進(jìn)日、美的電池進(jìn)行試運(yùn)行。
2.熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)
日本對(duì)MCFC發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)始于1981年度的月光計(jì)劃，該計(jì)劃圍繞開發(fā)1千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組這個(gè)目標(biāo)展開了對(duì)MCFC燃料、電極等的開發(fā)。該開發(fā)研究進(jìn)展順利，從1984年開始，進(jìn)而對(duì)10千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行研究開發(fā)。1986年，日立、東芝、富士電機(jī)、三菱電機(jī)、IHI分別對(duì)5臺(tái)10千瓦級(jí)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電試驗(yàn)，其結(jié)果是輸出功率為10千瓦，初期性能為電池電壓0.75伏，電流密度150毫安/平方厘米。
1987年起，日本在對(duì)1000千瓦級(jí)實(shí)驗(yàn)電場(chǎng)(外部改質(zhì)型)進(jìn)行主要開發(fā)的同時(shí)，對(duì)100千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組以及1000千瓦級(jí)機(jī)組的設(shè)備的開發(fā)研究也取得了進(jìn)展。1993年度，日立、IHI的2臺(tái)100千瓦級(jí)外部改質(zhì)型機(jī)組和三菱電機(jī)的1臺(tái)30千瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組開始試驗(yàn)發(fā)電運(yùn)行。其試驗(yàn)結(jié)果以及1994年度進(jìn)行的5-25千瓦級(jí)機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果表明，電池電壓0.8伏，電流密度達(dá)15毫安/平方厘米，單位時(shí)間內(nèi)的劣化率小于1％。
在此基礎(chǔ)上，1994年度起開始著手開發(fā)1000千瓦級(jí)試驗(yàn)工廠。1995年10月在中部電力(株)川越發(fā)電所開始建廠，確立了1000千瓦級(jí)實(shí)用化發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)工廠的基本系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的事業(yè)用燃料電池電廠的運(yùn)行進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)劃1999年開始試驗(yàn)運(yùn)行，其目標(biāo)為：燃料利用率為80％，千小時(shí)電池的劣化率小于1％，初期性能為：電池電壓大于0.8伏，電流密度1500毫安/平方厘米，計(jì)劃試驗(yàn)運(yùn)行5000小時(shí)。
為使電池實(shí)用化，在上述研究開發(fā)的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了機(jī)組長(zhǎng)壽命化研究，計(jì)劃連續(xù)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行4萬小時(shí)，每千小時(shí)單位劣化率小于0.25％。除此之外，還在開發(fā)200千瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
美國(guó)能源部和美國(guó)電力研究所，正在積極開發(fā)MCFC。美國(guó)ERC公司開發(fā)的2兆瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)于1996年5月在圣克拉拉開始試驗(yàn)運(yùn)行。MC－power公司開發(fā)的250千瓦級(jí)外部改質(zhì)型機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)，1997年2月起在圣迭戈開始試運(yùn)行。
在歐洲，MCFC作為共同項(xiàng)目正在研究開發(fā)，取得了一些進(jìn)展，其主要項(xiàng)目如下：
①高級(jí)DIC－MCFC發(fā)展計(jì)劃(1996-1998年)。荷蘭、英、法、瑞典等國(guó)參加研究，歐洲在市場(chǎng)分析、系統(tǒng)開發(fā)以及內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組的開發(fā)等方面取得進(jìn)展。
②ARGE項(xiàng)目(1990年起計(jì)劃10年內(nèi)完成)。德、丹麥參加，并在內(nèi)部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)上取得進(jìn)展。
③MOLCARE。由意、西班牙參加，并在外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)上取得進(jìn)展。
韓國(guó)從1993年起開始開發(fā)MCFC，1997年以開發(fā)100千瓦外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)為目標(biāo)，開始了第二階段研究開發(fā)工作。
3.固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)
作為SOFC開發(fā)的基礎(chǔ)科學(xué)離子學(xué)，其開發(fā)歷史很長(zhǎng)，日、美、德等國(guó)已有30多年的開發(fā)史。日本工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所從1974年起就開始研究SOFC，1984年進(jìn)行了500瓦發(fā)電試驗(yàn)(最大輸出功率為1.2千瓦)。美國(guó)西屋公司從1960年起開始開發(fā)SOFC，1987年該公司與日本東京煤氣、大阪煤氣共同開發(fā)出3千瓦熱自立型電池模塊，在國(guó)內(nèi)外掀起了開發(fā)SOFC的。
日本新陽光計(jì)劃中，以產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)，為首，從1989年起開始開發(fā)基礎(chǔ)制造技術(shù)，對(duì)數(shù)百千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測(cè)試。1992年起，富士電機(jī)綜合研究所和三洋電機(jī)在共同研究開發(fā)數(shù)千瓦級(jí)平板型模塊基礎(chǔ)上，還組織了7個(gè)研究機(jī)構(gòu)積極開發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命的SOFC材料及其基礎(chǔ)技術(shù)。
除此之外，三菱重工神戶造船所與中部電力合作，共同開發(fā)平板型SOFC，1996年創(chuàng)造了5千瓦級(jí)模塊成功運(yùn)行的先例。同時(shí)，在圓筒橫縞型電池領(lǐng)域中，1995年三菱重工長(zhǎng)崎造船所在電源開發(fā)共同研究中，采用圓筒橫縞型電池，開發(fā)出10千瓦級(jí)模塊，成功地進(jìn)行了500小時(shí)試運(yùn)行，之后又于1996年開發(fā)了2.5千瓦模塊，并試運(yùn)行1000小時(shí)。TOTO與九州電力共同開發(fā)全濕式圓筒縱縞型電池，1996年起，開始開發(fā)1千瓦級(jí)模塊。同時(shí)，在日本以大學(xué)與國(guó)立研究所為首的許多研究機(jī)構(gòu)在積極開發(fā)SOFC。
美國(guó)西屋公司在能源部的支持下，開始開發(fā)圓筒縱縞型電池。東京煤氣和大阪煤氣對(duì)25千瓦級(jí)發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)進(jìn)行的共同測(cè)試表明，截至1997年3月，已成功運(yùn)行了約1.3萬小時(shí)，其間已經(jīng)過11次啟動(dòng)與停機(jī)，千小時(shí)單位電池的劣化率小于0.1％，可見其技術(shù)已非常成熟。西屋公司除計(jì)劃在1998年與荷蘭、丹麥共同進(jìn)行100千瓦級(jí)模塊運(yùn)行外，為降低制造成本，還在研究開發(fā)濕式電池制造技術(shù)。美國(guó)Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在開發(fā)平板型SOFC上取得進(jìn)展，目前正對(duì)1千瓦級(jí)模塊進(jìn)行試運(yùn)行。
在歐洲，德國(guó)西門子公司在開發(fā)采用合金系列分離器的平板型SOFC，1995年開發(fā)出10千瓦(利用氧化劑中的氧，若在空氣中則為5千瓦)模塊，1996年開發(fā)出7.2千瓦模塊(利用氧化劑中的空氣)。
奔馳汽車制造公司在開發(fā)陶瓷系列分離器式平板型SOFC上取得進(jìn)展，1996年對(duì)2.2千瓦模塊試運(yùn)行6000小時(shí)。瑞士的薩爾澤爾公司在積極開發(fā)家庭用SOFC，目前已開發(fā)出1千瓦級(jí)模塊。今后，德國(guó)還計(jì)劃在特蒙德市進(jìn)行7千瓦級(jí)發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
在此基礎(chǔ)研究上，以英、法、荷等國(guó)的大學(xué)和國(guó)立研究所為中心的研究機(jī)構(gòu)，正在積極研究開發(fā)低溫型(小于800℃)SOFC材料。
4.固體高分子型燃料電池(PEFC)
日本開發(fā)固體高分子膜的單位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，開發(fā)改質(zhì)器以及電極催化媒體的機(jī)構(gòu)有田中貴金屬、大阪煤氣等。在開發(fā)汽車燃料電池方面，豐田制造出甲醇改質(zhì)型燃料電池汽車(1997年)，同時(shí)三菱電機(jī)、馬自達(dá)也在著手開發(fā)汽車燃料電池。
在供電及余熱供暖系統(tǒng)方面，PEFC排熱溫度較低，為70℃左右，在熱利用上有所限制，與其他類型燃料電池相比，目前只開發(fā)小型系統(tǒng)。東芝(30千瓦)、三洋電機(jī)(數(shù)千瓦)、三菱重工和東京煤氣(5千瓦)、富士電機(jī)和關(guān)西電力(5千瓦)等公司在開發(fā)以天然氣和甲醇為燃料的電池系統(tǒng)，同時(shí)，三洋電機(jī)在開發(fā)1千瓦級(jí)氫燃料便攜式商品化電源，三菱重工在開發(fā)特殊用途(無人潛水艇用)燃料電池。
PEFC主要作為汽車動(dòng)力電源在開發(fā)。但在汽車上燃料的搭載方式各種各樣，有高壓氫、液化氫和甲醇等。這些燃料各具長(zhǎng)短，目前還未能確定最適方式。
德國(guó)奔馳與加拿大BPS在進(jìn)行共同開發(fā)，它們開發(fā)的搭載氫燃料、小底盤汽車在試運(yùn)行。除此之外它們還共同開發(fā)甲醇燃料電池汽車。若在降低成本、提高運(yùn)行性能等方面再取得一些進(jìn)展，電池汽車就有望走向市場(chǎng)。
美國(guó)克萊斯勒、通用、福特三公司協(xié)力合作，計(jì)劃到2000年開發(fā)出輸出50千瓦、輸出密度1千瓦/公斤的燃料電池。另外，BMW、Rover和西門子三家公司也在開展共同開發(fā)。
關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；開關(guān)電源
現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交又技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。
當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1.電力電子技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。
1.1整流器時(shí)代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國(guó)大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
1.2逆變器時(shí)代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取＿@時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時(shí)代
進(jìn)入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上已達(dá)到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實(shí)現(xiàn)小型輕量化,機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1計(jì)算機(jī)高效率綠色電源
高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日"能源之星"計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對(duì)二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的智能化管理,進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速,其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
國(guó)際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機(jī)電源
高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對(duì)多參數(shù)、多信息的提取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國(guó)外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,功率可達(dá)100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國(guó)西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。
國(guó)內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。
2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對(duì)分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國(guó)際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對(duì)于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。
3.1高頻化
理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5~l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為"開關(guān)變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于"標(biāo)準(zhǔn)"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機(jī)的體積,更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重,對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機(jī)體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對(duì)于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識(shí),但是對(duì)于智能化的開關(guān)電源,需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí),數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。
總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國(guó)內(nèi)有20多億人民幣的市場(chǎng)需求,吸引了國(guó)內(nèi)外一大批科技人員對(duì)其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢(shì)所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻(xiàn)：
[1]林渭勛:淺談半導(dǎo)體高頻電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)選編,浙江大學(xué),384-390,1992。
1、整定計(jì)算的條件
以往的整定計(jì)算軟件在開發(fā)的時(shí)候，我國(guó)的大多數(shù)110kV電網(wǎng)還是環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，這些軟件充分考慮了220kV電網(wǎng)同110kV環(huán)網(wǎng)之間電磁環(huán)的存在對(duì)保護(hù)整定的影響，并因此增加了軟件的復(fù)雜程度，降低了其靈活性。這些軟件對(duì)于110kV電網(wǎng)保護(hù)的整定不規(guī)范、失配點(diǎn)多、非常規(guī)整定多的問題沒有重視，大大降低了計(jì)算出的結(jié)果的實(shí)用價(jià)值。另外受軟件開發(fā)平臺(tái)的限制，開發(fā)者在人機(jī)界面的方便程度考慮較少，使得人工干預(yù)非常煩瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不得不棄而不用。
準(zhǔn)專家系統(tǒng)模式的計(jì)算機(jī)整定計(jì)算能夠解決以往的軟件應(yīng)用到110kV電網(wǎng)時(shí)所遇到的問題，其主要依據(jù)有兩點(diǎn)：110kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。
1.1、110kV電網(wǎng)形成單電源的輻射結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了整定計(jì)算
隨著220kV的主輸電網(wǎng)絡(luò)的形成，原來的110kV環(huán)網(wǎng)得以解環(huán)運(yùn)行，從而形成了以220kV變電站為中心電源的輻射型結(jié)構(gòu)的分區(qū)網(wǎng)絡(luò)，使得110kV的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)大大地簡(jiǎn)化。由于不再考慮電磁環(huán)，也使得110kV電網(wǎng)的整定計(jì)算軟件的開發(fā)思路發(fā)生了重大改變。解環(huán)運(yùn)行之后，分區(qū)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較以前減少了許多，各電力元件之間的保護(hù)配合關(guān)系變得非常簡(jiǎn)單，如果仍沿用節(jié)點(diǎn)方程的方法進(jìn)行整定計(jì)算，一方面將簡(jiǎn)單問題復(fù)雜化，另一方面仍不能解決短線群、T接線、小電源的問題。準(zhǔn)專家模式是將電力元件的所有的整定配合關(guān)系歸納為相應(yīng)的用計(jì)算公式表示的規(guī)則（由于不存在電磁環(huán)，這些規(guī)則的數(shù)目及復(fù)雜程度都大大降低），然后由整定人選擇所整定的電力元件的整定規(guī)則。這種模式簡(jiǎn)單、直觀，對(duì)整定計(jì)算全過程可進(jìn)行有效的控制。
1.2、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為新模式提供強(qiáng)大的技術(shù)支持
最早進(jìn)行整定計(jì)算軟件的開發(fā)大約是在七八十年代，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟硬件的技術(shù)水平同當(dāng)時(shí)相比不可同日而語。當(dāng)時(shí)編制軟件最先要考慮的是軟件的運(yùn)行速度以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量，其次才是用戶界面，而以目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)水平，對(duì)于編制這種規(guī)模的軟件，其運(yùn)算速度及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量可以不予考慮，因此其重點(diǎn)應(yīng)該是良好的用戶界面。準(zhǔn)專家系統(tǒng)模式完全在系統(tǒng)一次圖形界面上完成參數(shù)數(shù)據(jù)的輸入、計(jì)算過程的控制、計(jì)算結(jié)果的輸出，大大降低了使用者掌握軟件的難度，不經(jīng)培訓(xùn)就可以方便地使用。
2、整定計(jì)算的實(shí)施方案
2.1、方案總體設(shè)計(jì)
該方案由以下幾個(gè)模塊組成：電網(wǎng)拓?fù)淅L圖模塊、參數(shù)數(shù)據(jù)輸入模塊、短路電流計(jì)算模塊、整定計(jì)算規(guī)則模塊、整定計(jì)算模塊、ODBC接口模塊。
由圖1可以看出，整定計(jì)算的全過程都是在系統(tǒng)一次圖形的界面下完成，不需要使用者對(duì)底層進(jìn)行操作。在專用的電網(wǎng)拓?fù)淅L圖模塊下，一次圖一旦繪好，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就建成，結(jié)構(gòu)中各單元同系統(tǒng)各元件一一對(duì)應(yīng)，這種對(duì)應(yīng)是由軟件完成，毋需人工干預(yù)；參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、短路電流數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)都是整定計(jì)算的數(shù)據(jù)源，其中參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、短路電流數(shù)據(jù)庫(kù)與系統(tǒng)一次結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)一次結(jié)構(gòu)變化后，這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容相應(yīng)修改。整定規(guī)則庫(kù)則完全獨(dú)立，其修改、補(bǔ)充等操作單獨(dú)進(jìn)行。
2.2、功能模塊介紹
2.2.1、電網(wǎng)拓?fù)淅L圖模塊
電網(wǎng)拓?fù)淅L圖模塊是一個(gè)面向?qū)ο蟮碾娋W(wǎng)繪圖工具，能夠支持全屏幕動(dòng)態(tài)縮放、屏幕漫游，以基本圖元（如線路、斷路器、變壓器等）為繪圖單位，進(jìn)行系統(tǒng)一次網(wǎng)絡(luò)圖的繪制，各圖元通過定義形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，性能優(yōu)良且操作方便。除了具有圖形編輯軟件的一般功能外，它的最大特點(diǎn)在于可以無隙地嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)和保護(hù)整定計(jì)算模塊。因此，該模塊實(shí)際上充當(dāng)了本系統(tǒng)的用戶交互界面，用戶在圖上即可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作并可啟動(dòng)線路或變壓器的保護(hù)整定計(jì)算。
2.2.2、參數(shù)數(shù)據(jù)輸入模塊
在系統(tǒng)一次圖上，在定義好的圖元上輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后形成參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)。參數(shù)數(shù)據(jù)能夠在系統(tǒng)一次圖上打印出來。
2.2.3、短路電流計(jì)算模塊
利用已形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果及參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，以各母線為故障點(diǎn)，計(jì)算大小運(yùn)行方式下三相短路、兩相短路、單相接地、兩相短路接地的故障電流，形成短路電流數(shù)據(jù)庫(kù)，并能夠以一定格式輸出打印。
2.2.4、整定計(jì)算規(guī)則模塊
以單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)為主要整定對(duì)象，充分考慮短線群、T接線、小電源對(duì)整定計(jì)算的影響，將各種保護(hù)的整定方法總結(jié)、歸納，形成標(biāo)準(zhǔn)化、公式化的規(guī)則庫(kù)。
2.2.5、整定計(jì)算模塊
模塊分為整定設(shè)置、線路保護(hù)整定及元件保護(hù)整定三部分。整定計(jì)算所需的有關(guān)系數(shù)要求，例如靈敏系數(shù)、可靠系數(shù)、配合系數(shù)、整定原則等，整定前在整定設(shè)置菜單下填入。
線路保護(hù)整定計(jì)算分三種方式：
1）全自動(dòng)方式：所有整定步驟由計(jì)算機(jī)完成，沒有人工干預(yù)；
2）半自動(dòng)方式：由人工指定失配點(diǎn)及失配參數(shù)，計(jì)算機(jī)完成后面的工作；
3）全人工方式：全部整定步驟采用問答式，由整定人逐步完成，每一步的計(jì)算結(jié)果均在屏幕顯示。
保護(hù)整定均在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)界面上進(jìn)行，根據(jù)用戶在系統(tǒng)一次圖上選定的電力元件，直接啟動(dòng)相應(yīng)保護(hù)的整定計(jì)算模塊，通過調(diào)用參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、短路電流數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程可人工干預(yù)。
所有的計(jì)算結(jié)果均以整定計(jì)算書的形式輸出。
2.2.6、ODBC接口模塊
整定計(jì)算是在一次圖形界面上完成的，要通過ODBC（OpenDataBaseConnectivity，開放數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)）將參數(shù)數(shù)據(jù)、短路電流數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合起來，完成相應(yīng)的計(jì)算。
2.3、方案的特點(diǎn)
該方案具有以下特點(diǎn)：
1）數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單
由于以單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)作為整定計(jì)算的對(duì)象，大大簡(jiǎn)化了整定計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，從而使整定計(jì)算的復(fù)雜程度大大降低。
2）人機(jī)界面友好
數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單使開發(fā)者在開發(fā)平臺(tái)的選擇上有很大的余地，不用對(duì)平臺(tái)的數(shù)學(xué)計(jì)算能力有太高要求，因此可以充分利用近年來推出的優(yōu)秀商業(yè)軟件，從用戶角度開發(fā)出具有直觀、簡(jiǎn)單、靈活的人機(jī)界面的軟件。
3）輸入輸出設(shè)計(jì)靈活
參數(shù)的輸入完全在系統(tǒng)一次圖形界面上完成，徹底擯棄了過去需要用戶做節(jié)點(diǎn)編號(hào)、做數(shù)據(jù)文件的方法，大大降低了工作量。計(jì)算結(jié)果的輸出有兩種方式，一是在屏幕輸出，這樣可以讓整定人監(jiān)視整定計(jì)算的每一個(gè)步驟，這對(duì)于整定計(jì)算的審核十分有利；第二種方式是以整定計(jì)算書的形式輸出，可以文本格式進(jìn)行編輯，由于目前微機(jī)保護(hù)的許多小定值不是計(jì)算的結(jié)果，而是運(yùn)行方式的一些具體要求，因此對(duì)整定計(jì)算書進(jìn)行必要的編輯，一方面使計(jì)算書更加完整，另一方面對(duì)無紙化辦公也有一定的意義。
3、開發(fā)軟件的選擇
3.1、軟件運(yùn)行平臺(tái)：中文Windows95
中文Windows95是一個(gè)32位的操作系統(tǒng)，它是專門為中國(guó)大陸的用戶而設(shè)計(jì)的，因此它具有內(nèi)置的雙字節(jié)漢字內(nèi)核，無需再外掛中文平臺(tái)即可顯示漢字，極大地方便了國(guó)內(nèi)用戶。Windows95與Windows3.X以及DOS相比較，有操作容易、支持搶先式多任務(wù)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
3.2、數(shù)據(jù)庫(kù)接口工具：MicrosoftODBC2.0
MicrosoftODBC2.0是一個(gè)由微軟公司在90年代初提出的開放式數(shù)據(jù)庫(kù)互連的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展到現(xiàn)在在技術(shù)上已相當(dāng)成熟，幾乎所有主要的數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)商都提供了相應(yīng)的ODBC驅(qū)動(dòng)程序。ODBC的優(yōu)點(diǎn)在于它使程序員無須關(guān)心他所要存取的數(shù)據(jù)源的類型、位置和格式等。他只需調(diào)用相同的API函數(shù)來和ODBC接口打交道即可，直接和某個(gè)特定的數(shù)據(jù)庫(kù)交互則由ODBC來完成。這樣，一方面使程序員的工作量大為減輕，另一方面使得程序更加靈活，因?yàn)楫?dāng)?shù)蛯訑?shù)據(jù)庫(kù)發(fā)生變化（如數(shù)據(jù)庫(kù)由DBASE變?yōu)锳CCESS）時(shí)，慶用程序不須做較大的改動(dòng)可適應(yīng)新的數(shù)據(jù)源。
3.3、數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)軟件：MicrosoftAccess97中文版
MicrosoftAccess97中文版是微軟公司在1997年推出的最新的數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)及管理軟件，它在小型的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用中具有許多優(yōu)點(diǎn)。它是一個(gè)臺(tái)式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，但同時(shí)又可被應(yīng)用到客戶／服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)前端機(jī)的開發(fā)應(yīng)用中。它生成的數(shù)據(jù)庫(kù)僅由一個(gè)文件組成，極易管理。而且，它的開發(fā)平臺(tái)是基于Windows95的，能充分利用其穩(wěn)定、多任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，并給開發(fā)人員一個(gè)良好的開發(fā)界面，操作相當(dāng)容易。它具有以下特點(diǎn)：
（1）Access支持多種數(shù)據(jù)形式，可以從FoxPro，Paradox3.X，Lotus1-2-3.X，Dbase，Lotus1-2-3，MicrosoftExcel和Betrieve中引入數(shù)據(jù)。
（2）提供一整套極富特色的集成窗口式菜單開發(fā)環(huán)境，所有對(duì)象的屬性采用窗口式表達(dá)，大大減少了編程語言，使得建立、編輯和調(diào)試一個(gè)應(yīng)用程序既輕松又快速。
（3）Access本身并不是一個(gè)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（OODBMS），但它是一個(gè)面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境。超級(jí)秘書網(wǎng)
（4）Access引入了SQL數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)查詢語言，用戶可能直接在程序中嵌入SQL語言，從而使Access成為比較完善的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。
（5）在Access中，可使用WindowsAPI函數(shù)，支持OLE和DDE.
（6）Access中的數(shù)據(jù)庫(kù)安全控制機(jī)制也是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)無法比擬的。
3.4、編程語言：MicrosoftVisualC++5.0
MicrosoftVisualC++5.0是微軟公司最新推出的應(yīng)用程序開發(fā)工具。較之其他同類產(chǎn)品（如BorlandC++5.0，WatcomC++等），功能更加強(qiáng)大。它支持Windows平臺(tái)上幾乎所有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)，其編譯器支持增量編譯，每次編譯只將修改過的部分重編譯一遍，而其他部分不動(dòng)，大大加快了編譯速度，縮短了開發(fā)時(shí)間。在VisualC++5.0中，ClassWizard的功能大為增強(qiáng)，可以為開發(fā)人員自動(dòng)生成許多代碼，使開發(fā)人員能夠把精力集中于程序所要實(shí)現(xiàn)的特定功能上，不必為一些細(xì)節(jié)浪費(fèi)時(shí)間。
關(guān)鍵詞機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用
1機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展
機(jī)電一體化是機(jī)械、微電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息處理等多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展和進(jìn)步有賴于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。
1.1數(shù)字化
微控制器及其發(fā)展奠定了機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎(chǔ)，如不斷發(fā)展的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人；而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造鋪平了道路，如虛擬設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)集成制造等。數(shù)字化要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護(hù)性、自診斷能力以及友好人機(jī)界面。數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)將便于遠(yuǎn)程操作、診斷和修復(fù)。
1.2智能化
即要求機(jī)電產(chǎn)品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數(shù)控機(jī)床上增加人機(jī)對(duì)話功能，設(shè)置智能I/O接口和智能工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，會(huì)給使用、操作和維護(hù)帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊天地。
1.3模塊化
由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項(xiàng)復(fù)雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調(diào)速電機(jī)一體的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元；具有視覺、圖像處理、識(shí)別和測(cè)距等功能的電機(jī)一體控制單元等。這樣，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用這些標(biāo)準(zhǔn)模塊化單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品。
1.4網(wǎng)絡(luò)化
由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾。而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡(luò)把各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家用電器系統(tǒng)，使人們?cè)诩依锟沙浞窒硎芨鞣N高技術(shù)帶來的好處，因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑應(yīng)朝網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
1.5人性化
機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對(duì)象是人，如何給機(jī)電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機(jī)電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調(diào)，使用這些產(chǎn)品，對(duì)人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機(jī)器人的最高境界就是人機(jī)一體化。
1.6微型化
微型化是精細(xì)加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectronicMechanicalSystems，簡(jiǎn)稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國(guó)斯坦福大學(xué)研制出第一個(gè)醫(yī)用微探針，1988年美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校研制出第一個(gè)微電機(jī)以來，國(guó)內(nèi)外在MEMS工藝、材料以及微觀機(jī)理研究方面取得了很大進(jìn)展，開發(fā)出各種MEMS器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計(jì)、微觸覺傳感器），各種微構(gòu)件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機(jī)器人等）。
1.7集成化
集成化既包含各種技術(shù)的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復(fù)合，又包含在生產(chǎn)過程中同時(shí)處理加工、裝配、檢測(cè)、管理等多種工序。為了實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化與高效率，應(yīng)使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調(diào)而又安全地運(yùn)轉(zhuǎn)，然后再通過軟、硬件將各個(gè)層次有機(jī)地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強(qiáng)。
1.8帶源化
是指機(jī)電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場(chǎng)合無法使用電能，因而對(duì)于運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，自帶動(dòng)力源具有獨(dú)特的好處。帶源化是機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。
1.9綠色化
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時(shí)也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護(hù)環(huán)境，回歸自然，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲中應(yīng)運(yùn)而生。綠色產(chǎn)品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調(diào)而可再生利用的產(chǎn)品。在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀時(shí)應(yīng)符合環(huán)保和人類健康的要求，機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指在其使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時(shí)，產(chǎn)品可分解和再生利用。
2機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中應(yīng)用
在鋼鐵企業(yè)中，機(jī)電一體化系統(tǒng)是以微處理機(jī)為核心，把微機(jī)、工控機(jī)、數(shù)據(jù)通訊、顯示裝置、儀表等技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，采用組裝合并方式，為實(shí)現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合一體化創(chuàng)造有力條件，增強(qiáng)系統(tǒng)控制精度、質(zhì)量和可靠性。機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：
2.1智能化控制技術(shù)(IC)
由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制技術(shù)遇到了難以克服的困難，因此非常有必要采用智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，智能控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、控制、設(shè)備與產(chǎn)品質(zhì)量診斷等各個(gè)方面，如高爐控制系統(tǒng)、電爐和連鑄車間、軋鋼系統(tǒng)、煉鋼———連鑄———軋鋼綜合調(diào)度系統(tǒng)、冷連軋等。
2.2分布式控制系統(tǒng)(DCS)
分布式控制系統(tǒng)采用一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)指揮若干臺(tái)面向控制的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控計(jì)算機(jī)和智能控制單元。分布式控制系統(tǒng)可以是兩級(jí)的、三級(jí)的或更多級(jí)的。利用計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)的功能越來越多。不僅可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制，而且還可以實(shí)現(xiàn)在線最優(yōu)化、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)調(diào)度、生產(chǎn)計(jì)劃統(tǒng)計(jì)管理功能，成為一種測(cè)、控、管一體化的綜合系統(tǒng)。DCS具有特點(diǎn)控制功能多樣化、操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)可以擴(kuò)展、維護(hù)方便、可靠性高等特點(diǎn)。DCS是監(jiān)視集中控制分散，故障影響面小，而且系統(tǒng)具有連鎖保護(hù)功能，采用了系統(tǒng)故障人工手動(dòng)控制操作措施，使系統(tǒng)可靠性高。分布式控制系統(tǒng)與集中型控制系統(tǒng)相比，其功能更強(qiáng)，具有更高的安全性。是當(dāng)前大型機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要潮流。
2.3開放式控制系統(tǒng)(OCS)
開放控制系統(tǒng)(OpenControlSystem)是目前計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展所引出的新的結(jié)構(gòu)體系概念?！伴_放”意味著對(duì)一種標(biāo)準(zhǔn)的信息交換規(guī)程的共識(shí)和支持，按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統(tǒng)通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)使各種控制設(shè)備、管理計(jì)算機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)控制與經(jīng)營(yíng)、管理、決策的集成，通過現(xiàn)場(chǎng)總線使現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室的控制設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制一體化。
2.4計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)
鋼鐵企業(yè)的CIMS是將人與生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)管理以及過程控制連成一體，用以實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)廠，生產(chǎn)加工到產(chǎn)品發(fā)貨的整個(gè)生產(chǎn)過程全局和過程一體化控制。目前鋼鐵企業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)了過程自動(dòng)化，但這種“自動(dòng)化孤島”式的單機(jī)自動(dòng)化缺乏信息資源的共享和生產(chǎn)過程的統(tǒng)一管理，難以適應(yīng)現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的要求。未來鋼鐵企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)是多品種、小批量生產(chǎn)，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，及時(shí)交貨。為了提高生產(chǎn)率、節(jié)能降耗、減少人員及現(xiàn)有庫(kù)存，加速資金周轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理整體優(yōu)化，關(guān)鍵就是加強(qiáng)管理，獲取必須的經(jīng)濟(jì)效益，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。美國(guó)、日本等一些大型鋼鐵企業(yè)在20世紀(jì)80年代已廣泛實(shí)現(xiàn)CIMS化。
2.5現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(FBT)
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(FiedBusTechnology)是連接設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)的儀表與設(shè)置在控制室內(nèi)的控制設(shè)備之間的數(shù)字式、雙向、多站通信鏈路。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)取代現(xiàn)行的信號(hào)傳輸技術(shù)(如4～20mA，DC直流傳輸)就能使更多的信息在智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表裝置與更高一級(jí)的控制系統(tǒng)之間在共同的通信媒體上進(jìn)行雙向傳送。通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接可省去66%或更多的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接導(dǎo)線。現(xiàn)場(chǎng)總線的引入導(dǎo)致DCS的變革和新一代圍繞開放自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線化儀表，如智能變送器、智能執(zhí)行器、現(xiàn)場(chǎng)總線化檢測(cè)儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線化PLC(ProgrammableLogicController)和現(xiàn)場(chǎng)就地控制站等的發(fā)展。
2.6交流傳動(dòng)技術(shù)
傳動(dòng)技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中起作至關(guān)重要的作用。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展非常迅速。由于交流傳動(dòng)的優(yōu)越性，電氣傳動(dòng)技術(shù)在不久的將來由交流傳動(dòng)全面取代直流傳動(dòng)，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，使復(fù)雜的矢量控制技術(shù)實(shí)用化得以實(shí)現(xiàn)，交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能已達(dá)到和超過直流調(diào)速水平?，F(xiàn)在無論大容量電機(jī)或中小容量電機(jī)都可以使用同步電機(jī)或異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆平滑調(diào)速。交流傳動(dòng)系統(tǒng)在軋鋼生產(chǎn)中一出現(xiàn)就受到用戶的歡迎，應(yīng)用不斷擴(kuò)大。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：大型水輪發(fā)電機(jī)；定子鐵芯；推力軸承
中圖分類號(hào)：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
中國(guó)有著豐富的水資源，是水電行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著諸多大型水利工程的建成，有效的推進(jìn)了我國(guó)水電發(fā)展，對(duì)應(yīng)的水電機(jī)組不斷的朝向大型及超大型發(fā)展。根據(jù)國(guó)內(nèi)水利發(fā)電工程學(xué)會(huì)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，到2020年，國(guó)內(nèi)的700MW水輪發(fā)電機(jī)數(shù)目將會(huì)超出150臺(tái)。大型水輪發(fā)電機(jī)具備非正常停機(jī)損失大、定轉(zhuǎn)子額定電壓較高以及發(fā)電機(jī)定子繞組的中性點(diǎn)引出方法極多等自身特點(diǎn)。
一、大型水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)問題分析
如圖1所示，定子鐵芯受力簡(jiǎn)示圖。
1 定子鐵芯熱膨脹
隨著國(guó)際科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)應(yīng)技術(shù)較為先進(jìn)的國(guó)家，水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量逐漸擴(kuò)大，其對(duì)應(yīng)定子鐵芯的直徑也是持續(xù)增加，由最初的幾米持續(xù)發(fā)展至十幾米，或者說還有超過20m的。相對(duì)直徑在成倍的提高，緊接著其鐵芯溫升所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)徑向尺寸的膨脹量是在飛速提升，鐵芯以及機(jī)座之間的溫差所出現(xiàn)的徑向尺寸過量也隨之提升。水輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯，其鐵芯的溫度升至為50℃時(shí)，那么鐵芯徑向膨脹就會(huì)達(dá)到11mm，鐵芯以及機(jī)座溫差是20℃時(shí)，那么其鐵芯以及機(jī)座的半徑方向過盈量就大概會(huì)是2mm，進(jìn)而促使定子鐵芯因?yàn)槠涫艿搅藱C(jī)座徑向壓力而存在極大的切向應(yīng)力。
2 定子鐵芯壓緊質(zhì)量
在實(shí)際運(yùn)作過程中，大型水輪發(fā)電機(jī)盡管其機(jī)座能夠自由伸縮膨脹，對(duì)應(yīng)的鐵芯軸向單位相關(guān)面積壓力會(huì)大幅度下降，對(duì)應(yīng)的定子鐵芯就會(huì)出現(xiàn)翹曲的情況。要是其機(jī)座并不是全部膨脹，其對(duì)應(yīng)的單位壓力面積承受壓力會(huì)保持在10kgf/cmZ之下，這時(shí)其對(duì)應(yīng)定子鐵芯也還是會(huì)極有可能存在翹曲情況。
3 定子鐵芯分瓣
定子鐵芯的結(jié)構(gòu)是分瓣?duì)畹?，關(guān)于定子鐵芯的裝配，應(yīng)重視其鐵芯合縫位置會(huì)受到分布不均勻以及很難預(yù)測(cè)的對(duì)應(yīng)擠壓力，該擠壓力對(duì)定子鐵芯會(huì)造成不良的影響，這樣就在很大的程度上加劇了翹曲情況的出現(xiàn)。導(dǎo)致定子鐵芯在受到相關(guān)的力之后出現(xiàn)形變以及振動(dòng)、損壞等。
4 轉(zhuǎn)子支架剛度及圓盤形結(jié)構(gòu)
水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)支架的結(jié)構(gòu)形式一般是根據(jù)其發(fā)電機(jī)容量以及轉(zhuǎn)速和尺寸、運(yùn)輸條件等相關(guān)條件來合理選定。通常在中型及小型或者是高速水輪發(fā)電機(jī)上利用較為簡(jiǎn)單的圓盤式或者是無支架轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)來講，其因?yàn)闀?huì)受到相關(guān)運(yùn)輸條件的制約，一般會(huì)利用中心體以及支臂裝配組合形成支臂式的轉(zhuǎn)子支臂。關(guān)于其對(duì)應(yīng)容量以及尺寸非常大的水輪發(fā)電機(jī)，近年來，國(guó)內(nèi)通常使用的發(fā)電站裝配以及拼焊，大多都是多層圓盤式轉(zhuǎn)子支架。
二、大型水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)改善
1 水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)
水輪機(jī)的最關(guān)鍵部件就是轉(zhuǎn)輪，其相關(guān)性能直接關(guān)系著對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)作經(jīng)濟(jì)性以及安全性、穩(wěn)定性。關(guān)于水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪水力性能設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外的研究差距很大，很多有關(guān)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)輪是使用國(guó)外引進(jìn)的相關(guān)技術(shù)，其自開發(fā)轉(zhuǎn)輪效率大約是95%，國(guó)外所引進(jìn)的轉(zhuǎn)輪效率能夠達(dá)到94%以上。國(guó)內(nèi)很多較大型工程有效的引進(jìn)了三維粘性流體數(shù)據(jù)庫(kù)為其最主要的基礎(chǔ)，再合理運(yùn)用其對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及相關(guān)模型制造水平的不斷提升，國(guó)內(nèi)在很短的時(shí)間內(nèi)關(guān)于模型轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)，跟上了世界的先進(jìn)水平。
2 大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承技術(shù)
大型發(fā)電機(jī)最關(guān)鍵的構(gòu)成部分就是推力軸承，其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)以及制造技術(shù)是不是最優(yōu)化會(huì)直接關(guān)聯(lián)到水輪發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)作。想要合理的對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，就應(yīng)該注重其結(jié)構(gòu)以及性能參數(shù)，以便于有效提升運(yùn)作的可靠性。有關(guān)企業(yè)對(duì)其投入了大量的人力物力進(jìn)行全方位的分析研究。自主開發(fā)水輪發(fā)電機(jī)推力軸承的熱彈性流體動(dòng)力的性能相關(guān)計(jì)算分析軟件，構(gòu)建了三萬噸的對(duì)應(yīng)推力軸承試驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)今世界上相關(guān)運(yùn)作中最大推力軸承試驗(yàn)臺(tái)。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果也在很多較大的水電站對(duì)應(yīng)推力軸承運(yùn)作實(shí)測(cè)過程中展開了一定程度的對(duì)比，以便于有效健全和提升推力軸承設(shè)計(jì)以及制作技術(shù)和測(cè)試技術(shù)。這些相關(guān)的工作也為水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承設(shè)計(jì)以及制作工藝積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。
3 大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)方式
大型水輪發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)子電壓通常是較高的，可以超出500V，在強(qiáng)勵(lì)時(shí)是最高的，并且還伴隨著非常顯著的交流分量，這時(shí)直接性的將其取出的危險(xiǎn)性極高，并且其對(duì)應(yīng)電纜更不好選擇。我國(guó)的很多較大型水電機(jī)組在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)大都是利用轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和失磁保護(hù)，并運(yùn)用轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量對(duì)應(yīng)附件再就地安裝在相關(guān)的勵(lì)磁體系之內(nèi)，把較大功率的電阻安置在相關(guān)勵(lì)磁體系屏柜之內(nèi)，其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子電阻在分壓之后會(huì)長(zhǎng)距離的接進(jìn)發(fā)電機(jī)的保護(hù)屏柜中，這時(shí)轉(zhuǎn)子的接地保護(hù)功能就會(huì)在發(fā)電機(jī)的屏柜之內(nèi)很好的實(shí)現(xiàn)。
大型水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)組轉(zhuǎn)子接地保護(hù)應(yīng)該合理的就地安置在對(duì)應(yīng)勵(lì)磁體系室內(nèi)，其失磁保護(hù)需要的相關(guān)電壓最好是通過變送器之后再接進(jìn)發(fā)電機(jī)的保護(hù)設(shè)備上，這樣能夠合理避免掉其高壓電纜存在長(zhǎng)距離引線，在很大程度上簡(jiǎn)化了勵(lì)磁回路并節(jié)約了長(zhǎng)距離進(jìn)行高壓控制的電纜費(fèi)用。
4 大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組主絕緣技術(shù)
有關(guān)公司關(guān)于定子繞組的地主絕緣是應(yīng)用了F級(jí)的桐馬環(huán)氧玻璃粉云母系統(tǒng)，其電機(jī)的主絕緣結(jié)構(gòu)以及防暈結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)繞組槽部、端部的相關(guān)固定結(jié)構(gòu)與各類絕緣材料，總體上來講均是都實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，并且國(guó)產(chǎn)的相關(guān)絕緣材料性能均是達(dá)到了國(guó)際化水平。線棒是多膠帶連接式包扎以及其外包防暈帶絕緣結(jié)構(gòu)，運(yùn)用對(duì)應(yīng)加熱橫壓來進(jìn)行固化，以致其能夠一次成型，其對(duì)應(yīng)線棒的尺寸應(yīng)該是統(tǒng)一的，且要具備較好的互換性。該F級(jí)桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶的絕緣運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)極為豐富以及對(duì)應(yīng)水電站不同電壓等級(jí)的較大型水輪發(fā)電機(jī)和其相關(guān)的出口機(jī)組之上。
5 大型水電機(jī)組結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析技術(shù)
經(jīng)過國(guó)內(nèi)外諸多企業(yè)的相關(guān)設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵器件剛強(qiáng)度性能展開大量有限元分析以及比對(duì)，也找出了不同企業(yè)對(duì)于同一個(gè)器件的設(shè)計(jì)差異。關(guān)于其結(jié)構(gòu)拓?fù)湟约皫缀涡螤詈桶搴癯叽绲日归_了系統(tǒng)化的分析，找出其關(guān)聯(lián)機(jī)組器件剛強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，對(duì)部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行的全方位的深刻認(rèn)識(shí)，形成了一定的結(jié)構(gòu)模式，再運(yùn)用其對(duì)應(yīng)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)建模，有效達(dá)到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及分析過程自動(dòng)化。其對(duì)應(yīng)的運(yùn)用變量分析技術(shù)定量分析出對(duì)應(yīng)主參數(shù)，并給設(shè)計(jì)師所需要的相關(guān)設(shè)計(jì)曲線，進(jìn)而給結(jié)構(gòu)改善及創(chuàng)新提供參考。運(yùn)用尺寸以及形狀充分結(jié)合優(yōu)化技術(shù)，能夠合理的找出板厚的配置以及幾何形狀均是合理化的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。諸多水電機(jī)組結(jié)構(gòu)器件優(yōu)化設(shè)計(jì)均采用了相關(guān)研究成果，并得到了顯著的效果。
結(jié)語
水輪機(jī)正常的運(yùn)作狀態(tài)下，其對(duì)應(yīng)的定子鐵芯會(huì)承受切向電磁扭矩以及相關(guān)軸向重力，還有在水輪機(jī)快速運(yùn)作時(shí)其對(duì)應(yīng)定子鐵芯會(huì)存在一定程度的發(fā)熱，機(jī)座以及鐵芯均是不一樣的運(yùn)作情況，所以在溫度不一樣的狀態(tài)下就會(huì)存在溫差，對(duì)應(yīng)的高溫鐵芯會(huì)出現(xiàn)膨脹以及其座機(jī)的制約，座機(jī)對(duì)于鐵芯具備一個(gè)徑向壓力，和相關(guān)鐵芯膨脹力剛好是相反的；以及其對(duì)應(yīng)的定子鐵芯會(huì)受到轉(zhuǎn)子所具備的徑向磁拉力，和分瓣定子會(huì)被拼為整圓形態(tài)以配合其鐵芯共同進(jìn)行運(yùn)作。水輪機(jī)在運(yùn)作時(shí)其鐵芯會(huì)受到一定的熱膨脹，致使總體鐵芯對(duì)應(yīng)縫合面會(huì)受到不一樣方向所帶來的擠壓力，這樣會(huì)導(dǎo)致鐵芯出現(xiàn)損失的情況。因此，對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行詳細(xì)分析研究是勢(shì)在必行的。
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