最佳負載:概念,變壓器的最佳負載係數與節能,最高工作效率與經濟性的關係,最佳負載係

變壓器的最佳負載與降損節能的關係十分密切。從分析變壓器的功率損耗出發，提出均衡負荷時段內的變電單耗概念。在考慮各系列變壓器的特性參數，以及在系統中的傳輸後，得出實際運行中各類變壓器的最佳負載係數值及一般約近0.5左右的結論。必須緊緊抓住並深入研究這一充分反映經濟性的關鍵點，溝通與實際負荷曲線間的關係，使全年能損率最低而實現經濟運行，方能使降損節能工作取得更大成效。

基本介紹

中文名：最佳負載
外文名：Best load
描述：負荷較低時的電機功率
套用：變壓器
學科：電機工程

概念,變壓器的最佳負載係數與節能,最高工作效率與經濟性的關係,最佳負載係數的實用性,朗肯循環發電系統的最佳負載特性實驗研究,實驗系統結構,最佳功率負載線,熱源溫度的影響,研究結論,

概念

最佳負載在變壓器中常用功率因素來表征，功率因數的高低，主要與負載大小有關。一般電機空載時，功率因數很低，通常小於0.2。電機帶負載後，要輸出機械功率，因此，定子電流中的有功分量增大，功率因數逐漸提高。在額定負載運行時，電機的功率因數最高。電機運行時，效率高低與負載大小有關。一般電機空載運行時，效率為零。負載增加時，效率也增加。當負載為（0.7~1）倍額定負載時，效率最高。因此，電機在接近額定負載下運行時，效率最高，最為經濟。綜上述，電機最佳的負載率是在：電機在額定負載或接近額定負載下運行時。

變壓器的最佳負載係數與節能

最高工作效率與經濟性的關係

變壓器所帶實際負載與其額定出力之比稱為變壓器的負載係數。用 β表示。現假定不同負載下功率因數(用cosφ表示)近似不變。變壓器運行的功耗率為：

式中：P為實際負載 (kW)；ΔP為功率損耗(包括銅耗與鐵耗， kW)；P₀與P_k分別為變壓器空載損耗與短路損耗(kW)；S_e系變壓器額定容量(kV·A)；cosφ為功率因數。

顯然，在功率耗率最低時工作效率便最高。將此狀態下的負載係數稱最佳負載係數。這說明運行中當變壓器的實際銅耗等於鐵耗時，便是處在最高效率狀態。對恆定負荷或均衡負荷時段內也便是最經濟狀態。其設計結果必然使額定負載下的銅耗比鐵耗大了約 4～7倍。故總有β<1。由於實際負載的波動，變壓器使用時β常小於1。這利於取得變壓器運行的經濟性。

在最佳負載係數 β下運行時，功耗率最低。由於在恆定負荷時段內，功耗表征了每傳遞單位電量時變壓器本身所消耗的電能。故此可理解為 “變電單耗 ”。在此前提下，功耗率最低也便是能耗率最低。對於變壓器投運中的每時每刻都需儘可能爭取處在或十分接近於最高效率狀態下為最經濟。而對大量存在的變動負荷，則要求在變動負荷時段(如年月或日)內其能損率最低，始為努力追求的經濟運行目標。

在 β下運行時變壓器的功損為其空載損耗(近似鐵耗) 的兩倍。故實踐中推薦採用優質低耗變壓器對運行極為有利，此為變壓器的理想工作狀態，也是實踐中努力爭求的目標。若能使變壓器投用過程中，始終處於β(或近於β)狀態下，則必然能取得最經濟的效果。故實際工作中所採用的調整變壓器負荷等許多技術措施，也都是為了儘可能實現或接近β狀態下的最經濟運行。

變壓器的功率損失，功耗率(恆載時段內的變電單耗)及工作效率，都是負載係數的函式。在由空載到滿載的閉區間定義域內，它們的典型特性曲線。可見，功率損失為一遞增函式。隨著負載增加，實際功率損失將逐漸增大；工作效率為一上凹曲線，由0起在β₀。時達最高效率，此後便緩慢下降，但達滿載時其效率也在95%以上；而功耗率變化正相反，是下凹曲線，在β₀時出現最低值，隨著負載增加而緩慢增高(滿載時較β₀狀態下約增大20%左
右)，負載降低時則急劇增高。同時可推求得功耗率與滿載時相等的β_i值(為P₀/P_k，即變壓時損失比的倒數也等於β₀²)。當實際負載率低於β_j時，則功率將成幾倍，幾十倍地劇增，此狀態下運行經濟性極差。故 β₀確係為實現變壓器經濟運行而要捕捉並深入探討的關鍵點。

最佳負載係數的實用性

變壓器運行的經濟性，需順應 “工作效率最高→功耗率最低→實耗率最低”的模式來考慮。只有在儘可能長時間地使變壓器工作在最高效率，最低功耗率狀態下，求得全年、全月或全日變壓器能耗率最低，方可取得最好的經濟性，也才能稱得上屬經濟運行。這是由於不講工作效率的能耗最低，事實上是毫無實際意義的。因為絕不會將全年處於空載狀態下的變壓器算作是最經濟運行。故運行經濟性的前提必須首先建立在最低功耗率的基礎上。最佳負載係數既有理論性，瞬時性含義，又具現實性與實用性意義，它是研究經濟運行的基礎與精髓。其現實意義可具體在：

1) 對於已投運的變壓器可以據此判定其是否處於經濟運行狀態。這類變壓器的額定容量已經選定，由其實際負載係數與β ′的差值情況即可認定運行是否經濟。繼之可採取調整負荷或更換合適變壓器等辦法以實現經濟運行。可見表1進行比較計算得出論據。

2) 對恆定負荷及負荷變動甚小的變壓器(如鋁電解連繼性用電行業，三班連續性生產用變壓器)或其它分段性用電行業等負荷及分段負荷變化很小的變壓器(如地區或地域性主變壓器及三班制間斷性生產的配變)，在負荷基本恆定與均衡負荷時段內，誠如前面已指出的功耗率實質上可理解為變電單耗那樣，若實際負載係數近於β′，則單耗最低，運行屬最經濟。在上述前提下，同樣可反過來以此作為選擇變壓器適宜容量的依據。

3) 明確了 β′ 下變壓器功耗率最低，效率最高這一觀點就可以由此導出及建立變壓器究竟運行在何種狀態下方為經濟的概念。對於負荷變動較大的地區或區域性主變，以及大量農村或城市單、雙班生產用配變，則可通過具體反映實際負荷曲線不同波動性質與幅度的 “形狀係數 ”來溝通與 β′ 的關係，以求其全年電能損耗率為最低而實現經濟運行。

4) 通過對單台變壓器所建立的最佳負載係數，最低功耗率與能耗率的經濟運行觀點，可進一步推出多台變壓器並列實現經濟運行的法則(即何時並列與何時切除等)；可據此提出更換適宜容量的條件與選擇方法，此外，還能由此引申選擇一大一小的“母子變”及採用可調容量的“調容變”等措施的基本原則。

朗肯循環發電系統的最佳負載特性實驗研究

150℃以下的低溫熱能廣泛存在於自然界和工業生產過程中，如太陽能、生物質能、地熱能，以及水泥廠、熱力發電廠和化工廠的工業餘熱，若不加以利用，則是對能源的巨大浪費，因此，安全、可靠、高效地利用這部分熱能的意義重大。與傳統的水蒸氣朗肯循環發電系統相比，有機物朗肯循環（ORC）發電系統的發電效率高、環境友好、結構簡單及可靠性高，已成為回收利用低溫熱能的最佳選擇。國內外關於ORC系統的理論研究較多，但相關的實驗研究相對較少。Gu等通過理論和實驗的方法研究了餘熱回收ORC系統，發現部件中蒸汽發生器的不可逆損失最大，而且系統的最大熱效率為5.2%；Mathias等搭建了可採用渦旋式或擺線式膨脹機的有機物發電實驗台，其最大輸出功率為2.96kW；Peterson等建立了一個採用渦旋式膨脹機的實驗系統，其熱源溫度為165～183℃，系統輸出功率為187～256W；Quoilin等通過實驗和半經驗理論模型對渦旋式膨脹機進行了研究，並考慮了膨脹機的內泄漏、漏熱、過膨脹或欠膨脹等損失；Li等搭建了實驗台並對回熱式發電系統進行實驗研究；Kang等研究了採用徑流式渦輪膨脹機的ORC系統，並分析了影響系統性能的因素；Pei等分析了膨脹機的各項損失對系統性能的影響及熱電聯產的相關問題；Gao等研究了太陽能混合工質發電系統。這些研究推動了ORC技術的發展，但對膨脹機－發電機－負載三者的相關性研究還很少。

實驗系統結構

研究所用低溫熱能有機物朗肯循環發電實驗系統外觀及結構如圖1所示，主要由有機物朗肯循環與熱源循環2個環路組成。有機物朗肯循環環路主要包括蒸發器、冷凝器、儲液罐、工質泵和膨脹機；熱源循環環路是加熱油爐循環系統；另外，實驗系統中還包括發電機、負載電阻、背壓閥、球閥、膜片式脈衝阻尼器及乾燥過濾器等配件和一整套測試設備。

為了減小發電實驗系統的體積，將實驗設備與測試設備集成在一個箱體中，並在箱體底部安裝滑輪以便於移動。實驗系統的工作原理如下：將蒸發器、膨脹機、冷凝器、儲液罐與工質泵用銅管依次連線而形成工質循環的閉路系統；渦旋式膨脹機通過聯軸器與永磁交流發電機連線；3個相同的瓷盤變阻器通過三角形接法與發電機相連；採用導熱油爐模擬熱源，油泵將高溫導熱油送入蒸發器中以加熱有機物工質；工質冷凝以風冷為主；另外，為保證實驗能夠在不同工況下順利進行，在冷凝器的散熱盤管上安裝噴霧系統，以便於冷凝負載較大時使用。

最佳功率負載線

圖2示出了當熱源溫度為100℃時實驗所獲功率－轉速特性曲線。其中，實線為相同工質流量下渦旋膨脹機的功率－轉速特性曲線，虛線為相同負載電阻下發電機的功率－轉速特性曲線，2條曲線的交點即為渦旋式膨脹機、發電機及負載的耦合工況點，例如電阻為60Ω的發電機功率－轉速特性曲線上的耦合工況點為A、B和C。

在不同的工質流量下，渦旋式膨脹機均存在一個最佳轉速與一個最大輸出功率相對應。將不同工質流量下的最佳工況點相連線，則可得到渦旋式膨脹機的最佳功率轉速線。由於聯軸器的轉速與負載電阻成正相關關係，故在不同工質流量下都存在一個最佳負載電阻，以使渦旋式膨脹機工作在最佳工況點，所以渦旋式膨脹機的最佳功率轉速線也即最佳功率負載線。從理論上講，要想使得膨脹機與發電機及負載達到最佳的匹配，就應使配套發電機的功率－轉速曲線與膨脹機的最佳功率負載線重合，以使膨脹機不會工作在過載和欠載狀態下。

熱源溫度的影響

由圖3可見，當熱源入口溫度不同時，系統的最佳負載電阻約為60Ω，但最佳的轉速和發電功率隨著熱源溫度的增加而增大。發電效率表示熱源熱能轉化為電能的程度，決定了發電系統的套用價值，其與發電功率的比值即為單位質量工質的發電量，表示工質的做功能力。由圖4可以看出：當負載電阻為60Ω 時，發電效率和比發電功率均達到最大值。隨著負載電阻增加，系統的發電效率呈現出先增後減的變化趨勢，並存在一個最佳的負載電阻，使得系統具有最大的發電效率，而且當熱源溫度升高時，最佳負載電阻對應的發電效率隨著熱源溫度升高而增大；同時，比發電功率隨負載電阻變化的關係與發電效率和發電功率的相似，即存在一個最佳負載電阻，以使比發電功率最大，且在不同溫度下均存在最佳的負載電阻，熱源溫度越高，最佳負載電阻對應的最大比發電功率越大，即最佳負載電阻不僅使得系統具有最大的發電功率和發電效率，而且使得循環工質的比發電功率最大。因此，合理設定負載電阻，能夠使得發電系統發揮最佳的性能。