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当今世界，环境污染日益加剧，环境保护已成为国民经济可持续发展的重要组成部分。临沂市是鲁西南重要的商贸枢纽，近几年来，随着商贸批发市场规模的发展，城市人口迅速增加。相应的城市生活垃圾的数量也在急剧增加，据统计，现在每天产生城市生活垃圾约600吨左右，并以每年平均10%增长率递增。临沂市政府把垃圾处理列为99年度市政府“为民十大工程”之一，决定投资5000万元，在临沂市城西北36公里处征地1500亩，用于城市生活垃圾的填埋。一期工程先征地500亩，现在正在进行勘探、水文调查、基础处理等前期工作。
城市生活垃圾的处理方法主要有填埋、堆肥、焚烧等。填埋法方便易行，处理量大，是现在城市垃圾处理的一种主要方法，但是易造成二次污染，特别是垃圾中的一些有毒有害物质填埋腐烂后，渗透到地下，引起地下水的污染；同时产生的一些有害气体
造成环境的二次污染，并且需占用大量的土地。焚烧法是最有效的方法，使城市垃圾处理基本上达到了减容化、无害化和能源化的目的。垃圾焚烧后，一般体积可减少90%以上，重量减轻80%以上；高温焚烧后还能消除垃圾中大量有害病菌和有毒物质，可有效地控制二次污染。垃圾焚烧后产生的热能可用于发电供热，实现了能源的综合利用。
2垃圾发电供热技术的可行性分析
城市生活垃圾焚烧发电技术在国外已有四十多年的历史，最先利用垃圾发电的是德国和法国，近几十年来，美国和日本在垃圾发电方面的发展也相当迅速。目前，日本拥有垃圾发电厂一百多座，发电总容量在320MW以上，单台设备最大处理垃圾能力为552吨/日。
我国垃圾焚烧发电供热技术起步较晚，现在还处于研究开发阶段。现已建立的部分垃圾发电站，基本上是引进国外的设备和技术。我国第一座垃圾发电站是在深圳，引进的是日本三菱重工生产的两台炉排式垃圾焚烧炉，日处理垃圾150吨，配置500kW的汽轮发电机组来发电供热。1992年又上了一台杭州锅炉厂(引进日本三菱重工技术)制造的垃圾焚烧炉，日处理垃圾150吨，配置1500kW汽轮发电机组。在上海、天津等城市也相继与法国、澳大利亚等国家合作建设垃圾发电厂。引进的这些垃圾锅炉基本上都是炉排炉，价格昂贵，而且在燃用低热值、高水份的垃圾时，为了保证锅炉的正常燃烧，达到需要的工艺参数，必须添加燃料油，运行成本较高，经济效益差。发展适合我国国情的垃圾焚烧炉，实现设备国产化，达到低污染和高效燃烧是众多科研单位和生产厂家正在研究开发的课题。
流化床燃烧技术是本世纪六十年代迅速发展起来的一种新型清洁燃烧技术。他利用炉内燃料的充分流动、混合，达到高效燃烧。我国在利用流化床燃烧技术燃用低热值燃料方面处于国际领先水平。特别是浙江大学热能工程研究所多年来进行废弃物(如洗煤泥、煤矸石、城市生活垃圾等)的研究开发和应用。成功开发出异重流化床城市生活垃圾焚烧技术，可实现高效清洁燃烧。采用流化燃烧技术焚烧垃圾的优点主要表现在以下几个方面：
a操作方便，运行稳定。由于流化床床料为石英沙或炉渣，蓄热量大，因而避免了床的急冷急热现象，燃烧稳定。垃圾的干燥、着火、燃烧几乎同时进行，无需复杂的调整，燃烧控制容易，易于实现自动化和连续燃烧。
b设备寿命长。炉内没有机械运动部件，使用寿命长。
c可采用全面的防二次污染的措施。对焚烧时产生的有害物质进行处理，在不增加太多投资的前提下，可将NOX、SO2等气体排放控制在国家标准以下，炉渣呈干态排出，便于炉渣的综合利用。
d流化床焚烧炉由于炉内燃烧强度和传热强度高，相同垃圾处理量的流化床焚烧炉和炉排炉相比体积要小，故而投资小，适应于大型化发展。
e燃料适应性广，可燃烧高水分、低热值、高灰分的垃圾，床内混合均匀，燃尽度高，使垃圾容积大大减少，特别适应于垃圾热值随季节变化很大的特点。
因此，流化床垃圾焚烧是一种综合性能优越的焚烧方式，尤其适合我国垃圾热值低、成分比较复杂的国情。随着我国人民生活水平的提高，城市生活垃圾中无机物含量将大幅度下降，有机物、纸、塑料等高热值废弃物成份逐渐上升，使之具备了能源化利用的可能。当城市生活垃圾随着季节变化或影响过低时，为保证供电或供热，可将垃圾与辅助燃料(如原煤、废油等)在同一炉内混烧。
目前，城市生活垃圾流化床焚烧发电新技术已应用到商业化运营的热电项目上。1998年浙江大学热能研究所与杭州锦江集团将联合开发的此项技术应用到余杭热电厂，把余杭热电厂原有的一台35t/h链条锅炉改造为垃圾流化床焚烧炉，燃用杭州市部分地区的城市生活垃圾。锅炉经改造后，单台炉日处理垃圾150～250吨，同时补充部分辅助燃料--原煤，以保证热电厂的正常供热和发电。
余杭热电厂的垃圾焚烧炉至今已运行十个月，运行状况良好。其运行情况如下：垃圾焚烧炉运行稳定，各项技术参数和指标均达到了设计要求，保证了发电机组的正常运行；最长连续运行时间超过一个月；平均每小时焚烧垃圾约7吨，最大量可达到11吨/小时；对垃圾成分、热值随季节性变化和适应性好。
通过以上的分析说明，在我国发展垃圾发电，在技术上已经有了很大的突破，特别是近几年来循环流化床燃烧技术发展迅速，为垃圾焚烧技术的发展创造了有利的条件。目前，我国各地热电厂循环流化床锅炉的数量正在大幅度上升，并向大型化发展，运行操作和管理水平在不断提高，并趋于成熟，对垃圾流化床焚烧炉的推广应用又创造了较好的环境。
3方案的选择
垃圾焚烧发电项目建设方案的确定，应从本地的实际情况出发，结合城市发展水平而定。国外的技术比较成熟，但设备的价格昂贵，投资太大，一般中小城市难以承受。采用国内的技术和设备，投资小，很适合我国的国情。一般来说，在一个城市是新建一座垃圾焚烧发电厂，还是利用现有的热电厂进行改造，应进行可靠的分析和研究。笔者认为，利用现有的小热电厂进行改造将比新建一座更有利，分析如下：
王云翠等：开发垃圾发电技术实现热电持续发展
热电技术2000年第1期(总第65期)
a新建一座垃圾发电厂，在整体布局和结构上可能合理些，但投资较大，如新建一座日处理垃圾300～500吨中型垃圾发电厂，要建3×35t/h锅炉+2×6MW汽轮发电机组，需投资1.4～1.5亿元。投资大，产出低，项目经济效益低下。
b热电厂在现有的基础上进行改造，可以利用原有的生活办公设施及生产厂区和配套设备，节省投资，见效快。同时，进行改造也可以有两个方案；一是在热电厂厂地允许的情况下，建新的垃圾焚烧炉和发电机组，那样机组分布较合理，但在目前电力需求趋于饱和的情况下，新机组发电并网比较困难；原有的锅炉进行改造，配套热电厂现有的机组，比较容易操作，可以节省大量的投资，实施容易，能起到事半功倍的效果。
临沂热电厂位于临沂市西南部的工业区内。现有3×35t/h链条锅炉+1×75t/h循环流化床锅炉和1×C6+1×B6+1×C12中温中压汽轮发电机组。供热主管线长20余公里，主要为50余家工业生产用户和机关宾馆居民采暖供热。现有的两台35t/h链条炉需要燃用优质烟煤，虽经几次改造，但是效果不大。锅炉效率低，经测试锅炉热效率为78%，面临着被淘汰的可能。如果把链条炉改造成流化床垃圾焚烧炉，可以解决临沂市的垃圾处理问题，同时提高锅炉的热效率，适应时代的发展，对我厂经济效益将有很大的改观。因此，我们选择了利用原有锅炉进行改造的方案。
4锅炉改造方案
4.1锅炉本体改造
锅炉改造维持原炉膛中上部及尾部烟道不变，将炉膛下部炉排及渣斗拆除，使炉下部改为流化床密相燃烧区，密相区内布置倾斜埋管。埋管采用加装鳍片和喷涂方式防止磨损。炉体水冷壁内侧敷有耐火层，防止磨损。锅炉本体外部的汽水管道系统不变。增加了流化风室及布风板、风帽，阻力大大增加，原有风机压头不能满足要求，所以选用高压头送风机。引风机也需改型。在炉膛出口设置分离器和返料器，经分离器分离下的颗粒可实现炉内循环，增加其停留时间，这样大大提高燃烧效率，且尾部受热面的磨损程序大大减轻。
4.2垃圾处理系统
生活垃圾由汽车运至厂内垃圾储存仓，在厂内渣场位置建一座半地下的全密封的垃圾库。
与现在的输煤栈桥并行建一条密封的耐腐蚀的垃圾输送皮带。垃圾储存仓内设有破碎机，单梁吊车。并设有电磁去铁器、污水泵等。垃圾运至库内，经垃圾炉前处理系统送入炉内。预处理系统一方面可打碎特大垃圾及塑料袋、木板、玻璃瓶、砖块石块等杂物，同时也可使垃圾均匀入炉，破碎后的垃圾用吊车抓到输送带上，送到炉前，经往复式给料机送入炉内。
采用吸风管将垃圾坑内散发的臭气吸至炉内，进行燃烧脱臭，不让垃圾臭气弥散。垃圾中的污水收集在坑底废液池内，然后经泵喷射至炉内流化床段上方焚烧，使其充分裂解，减少污染。
4.3焚烧系统
因垃圾焚烧炉是链条炉改造的，用石英砂或炉渣作床料。每小时燃烧垃圾6～9吨。垃圾进入焚烧炉后，与炽热的床料混合焚烧，由于流化床良好的横向混合特性，可确保床内焚烧能保持稳定运行。焚烧炉内设计温度和烟气停留时间分别为850℃和3秒左右，并保持强烈混合，使有害成分在炉膛内充分裂解和破坏。高温烟气从炉膛出口至过热器、省煤器、空气预热器、烟气处理装置和电除尘器，最后经烟囱排入大气。
由于垃圾热值受来源、气候、季节等因素的影响很大，为达到高效低污染焚烧的目的，用煤充当辅助燃料。
点火采用床下自动点火系统，经预燃室进入风室，关入炉膛。
整个除灰系统处于干式密封状态，因此避免了厂区内粉尘污染和污水污染，排出的灰渣可综合利用。
4.4热工控制系统
焚烧炉采集了较全面的运行参数，供垃圾焚烧炉运行调节、操作与检测，主要参数有各主要部分的温度显示与记录，各主要部分的压力显示，主要管路的流量，炉膛含氧量。另外控制系统除含有常规温度、压力、流量、远控、报警等功能外，还配套垃圾预处理及焚烧炉内重要部位的实时工业电视监视。考虑到垃圾的脏臭等特殊性，绝大多数的调节手段均集中于主控室内，使运行人员工作强度降低，提高了工作效率。
4.5锅炉厂用电系统
本期工程厂用电采用380伏电压，利用原有的厂用电系统。本期工程不再增加低压厂用变压器。
4.6环保措施
垃圾流化床锅炉是城市解决环保问题的重要设施，对保护环境、减少污染起到了很大的作用。垃圾处理实现了减量化、资源化、无害化，解决了困扰城市发展的一大难题，保护了人民身心健康，美化了城市环境，提高了人民的生活质量。垃圾流化床锅炉本身亦采取了一系列措施来解决产生的污染问题。
4.6.1建立全密封的垃圾库。将垃圾存放在垃圾库中，并用吸风管将垃圾坑内散发的恶气送入炉内做二次风，运行燃烧脱臭；垃圾底部设有一废液池，收集污水，当达到一定量后，把污水喷射到炉内流化床段上方焚烧，使用充分分解，减少污染。
4.6.2垃圾在垃圾库中经简单破碎后，经一条全密封的皮带送入炉内。炉内设计温度为850℃左右，烟气停留时间为3秒左右，炉内床料并保持充分混合，使有害成分在炉膛内充分裂解、破坏、焚烧。
4.6.3采取较全面的防止二次污染的措施，对焚烧时产生的有害的物质进行了处理，可将NOX、SO2及HCl等气体控制在国家标准之下。为进一步净化尾气，在尾部安装了脱除有害气体的烟气处理装置。炉渣呈干态排出，无渣坑废水，亦不需处理重金属污水的设备。
当处理含硫或含氯高的垃圾时，基于流化床燃烧方式的优点，采用炉内加石灰石可脱除SO2和HCl。
4.6.4由焚烧炉尾部排出的飞灰经过电除尘器，飞灰浓度低于国家标准，排出烟囱。整个系统处于干式密闭状况，因此避免了厂区内的粉尘污染和污水污染，排出的灰渣可综合利用。
5垃圾焚烧发电项目的经济性分析
热电厂现有的三台35t/h链条炉改造为流化床垃圾焚烧炉后，日处理垃圾能达到600吨，配置一台C12MW的汽轮发电机组，原热力系统、汽水系统、输煤系统不变，新建垃圾处理系统。项目经济性分析如下：
整个改造工程需要投资4800万元左右；
销售收入按设备的容量计算，销售电、汽年收入约5360万元；
年运行费用约4100万元；
年销售税金及附加费约350万元；
年获利润约900万元(包括所得税)；
项目投资回收期约5.5年；
总投资利率约18.8%；
总投资利税率约26.2%；
该项目在财务上是可行的。
垃圾焚烧发电供热项目是一项社会公益事业，主要体现了社会效益。同时热电厂通过技术改造，设备更新换代，取得了一定的经济效益，找到了新的经济增长点，实现了热电厂的可持续发展。
6结束语
6.1结论
6.1.1城市生活垃圾焚烧发电供热属一项新兴的产业，它解决了城市垃圾造成的污染。与填埋、堆肥相比节省了大量土地，减少了二次污染，同时充分利用了再生能源，达到了对垃圾处理的减容化、无害化、资源化的目的，社会效益显著。
6.1.2城市生活垃圾焚烧技术已日渐成熟，已实现了垃圾焚烧炉设备全部国产化，并有示范工程，而且已显示出它的可靠性、稳定性。我国的垃圾焚烧发电供热事业已初露端倪，并已纳入产业化轨道，其发展势头迅猛。据有关部门资料介绍，北京、天津、武汉、长沙、南京、温州、汕头、珠海、中山等城市都有发展规划。至2000年，全国将建有大中型垃圾发电厂3～5座，小型工厂10～15座，至2010年，各地将建有各类垃圾能源工厂150～200座。我省已有荷泽、平度、枣庄等市垃圾发电厂已立项及设备订货。
6.1.3热电厂的原有锅炉设备特别是35t/h链条炉效率低，要求煤种好，需要进行更新改造。改为垃圾焚烧锅炉后，技术水平高，是一条优化组合资产，节能降耗，提高经济效益的开拓之路。
6.2建议
城市生活垃圾焚烧发电供热工程是一个社会公益和环保事业，它体现出巨大的社会环保效益，并且又是一个投资高，技术密集型的企业。就其性质来讲，它属于综合利用高新技术产业项目。它的发展需得到各级政府及有关行业的支持配合，国家应加大力度，研究落实扶持政策，促进该项目顺利运行。它应该享受有关的优惠政策。
6.2.1按照国家有关规定，该项目银行应优先安排基本建设贷款，并给予一定比例的财政贴息。
6.2.2垃圾发电的电量应全部上网，电力主管部门不安排该项目机组作调峰运行。
6.2.3垃圾发电供热机组的并网运行电价、供热热价在还款期内应实行“生产成本+本付息+合理利润”的定价原则。
6.2.4该项目企业所得税、增值税要按照资源综合利用企业和高新技术企业的规定执行。
人口是影响能耗的重要因素，全球人口的增加将造成能耗增加，导致大气层中二氧化碳浓度上升，使气温上升，全球变暖。
在发电领域减少二氧化碳产生的途径包括：提高发电效率减少燃耗；采用原子能发电；使用再生(天然)能源。每单位发电量二氧化碳的产生，以矿物燃料发电最高，特别是烧煤电厂。再生能源发电虽然设施的建造会产生二氧化碳，但发电本身不会产生二氧化碳。因此，增加使用再生能源发电和有效使用矿物燃料，是抑制产生二氧化碳的有效方法。
再生能源发电技术可分为水力发电；风力发电；太阳能发电(太阳─热发电和光伏发电)；海洋发电(海洋-热能转换、潮汐、洋流、海波)；地热发电。
水力发电
水力发电是目前发电技术中每单位发电量产生二氧化碳最低的。它不会产生破坏环境的物质；在径流式水电站的情况下，也不需要水库，对保护环境最为有利。在水库型和抽水储能型电站情况下，必须考虑水库建造对环境的影响。
风力发电
欧洲和美洲在风力涡轮的发展上处于领先地位，随着在美国公用事业管理政策条例(PURPA)的制定和加州减免赋税，它们的实际应用迅速取得进展。三菱重工(MHI)已在美国加州安装了660台275千瓦级的风力涡轮。实际应用的这些涡轮机，其输出功率范围从100千瓦到600千瓦，而兆瓦级的风力涡轮目前正处于中试阶段。在日本，迄今输出功率最高为300-400千瓦，但MHI开发的500千瓦级的涡轮在1996年10月已成功运转。
太阳-热发电
太阳能发电技术可分为太阳-热发电和光伏发电。在前一种情况下，通过搜集的太阳热能，用水或低沸点流体直接或间接产生的蒸汽驱动汽轮发电机；在后一种情况下，通过p-型和n-型半导体的组合，将阳光直接转换为电。太阳-热发电又分为直接和间接(二元循环)型发电系统。在前一种情况下，使用一台冷凝器，通过直接产生的蒸汽驱动汽轮机；而在后一种情况下，是在主系统使用一种沸点高于水的熔盐或液态钠，通过热交换加热辅助系统内的工作流体-水或低沸点流体产生蒸汽。虽然前一种系统简单，但热效率低于后者，难以在高温下取得蒸汽，需要辅助燃料点火。
在日本已建成输出功率1000千瓦的中试装置，应用了塔型和曲线-直线型冷凝器，用热水蓄热设施予以补充。美国在1982年开始对10兆瓦级的发电机进行研究，随后建成了实际应用输出功率超过30兆瓦的装置。
再生能源发电尚有一些问题需研究解决：
(1)由于日光能量密度低(在白天，最高每平方米1千瓦)，要放置太阳热能收集器需要巨大的空间。
(2)太阳辐射的强度变化大，因发电取决于时间和天气，所以不能实现稳定发电。
(3)由于难以通过热积累把蒸汽的温度提高到一个高水平，所以不能实现高效率的兰金循环(总效率10%～15%)。
为减少成本，实现电力的稳定供应和提高效率，要解决的问题(1)必须改善抛物面反向镜型和定日镜塔型系统的热收集效率；(2)必须应用一补充锅炉或蓄热系统；(3)需使用一个二元循环提高温度，并通过应用低沸点混合液体改善兰金循环。
光伏发电
应用光伏发电所产生的二氧化碳量仅次于水力发电技术，也不会产生污染环境的物质，是一种理想的干净发电技术。为发电提供能量的日光是无限的。假定在白天太阳辐射的最高强度是每平方米1千瓦，发电效率为10%，整个地面上每年可能的发电量为1.4亿亿度，大约相当于全世界能耗量的100倍。这意味着如果把太阳电池放置于不到全球陆地面积的1/100，或其沙漠面积的1/20，所发电量就足以满足全世界能量的需求。
这种再生能源每单位面积的输出功率密度低，所需要的面积大约为烧煤电站的20倍。在美国和印度，沙漠面积巨大，目前正在进行的计划是建造188兆瓦(美国)或50兆瓦(印度)的光伏发电厂。由于世界上有许多地区适用于大规模光伏发电，作为新日照计划的一部分，发展一种全球性的干净能源系统，即世界能源网(WENET)正在进行中，该计划的目的是，在这些地区实现中央光伏发电，用所发出的电使水分解产生氢，氢既可用做能源，又可用做蓄能和输能介质。从保护全球环境和能量生产角度看，实现这一计划很重要。
地热发电
可供发电的地热资源可粗分为蒸汽、蒸汽和热水二相流、热水。地热蒸汽可不加处理直接引入汽轮机；而二相流被分为热水和蒸汽，热水通过闪蒸器变为蒸汽，引入汽轮机的低压侧。在热水情况下，可采用上述的二元系统(通过使用主系统一侧的热水使辅助侧的低沸点液体蒸发，并通过低沸点液体驱动涡轮)。
自从1966和1967年9.5兆瓦、11兆瓦的电站(由日本三菱重工安装)分别投入运行以来，目前在日本正在运行的装置有18台，约生产530兆瓦的电。以间歇泉电站的容量最高，为151兆瓦。美国目前正在运行的间歇泉电站，功率在100万千瓦以上。
日本三菱重工的技术得到高度评价，它通过单级或双级闪蒸系统，将热水变为蒸汽并将蒸汽引入涡轮的中压或低压段，这样，双相流热资源就得到了有效应用。
这种双级闪蒸系统于1977年投入商用，目前用在60多台发电装置。
从有效使用小规模地热资源观点看，预计未来会发展小型(便携式)发热发电装置。
洋能发电
PAFC技术开发的现状与动向：
日本自实施月光计划以来，作为国家级项目，正在实施5000千瓦级加压型和1000千瓦级常压型电厂实证运行。目前，磷酸型燃料电池的发电效率为30％～40％，如果将热利用考虑进去，综合效率可高达60％～80％。
除日本外，目前世界约有60台PAFC发电设备在运转，总输出功率约为4.1万千瓦。按国别和地区划分日本为2.9万千瓦，美国8000千瓦，欧洲3000千瓦，亚洲900千瓦。运转中的发电设备除3台(日本2台，意大利1台)为加压型外，其他均为常压型。磷酸型燃料电池的制造厂家目前主要为日本和美国，设备主要销往欧、亚。
美国已完成基础研究，200千瓦级电厂用电池近期有望商品化，但大容量电厂用电池处于停滞状态。德国已引进美国200千瓦级电厂用电池进行试验运行。另外，瑞典、意大利、瑞士等国也引进日、美的电池进行试运行。
2.熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)
日本对MCFC发电系统的技术开发始于1981年度的月光计划，该计划围绕开发1千瓦级发电机组这个目标展开了对MCFC燃料、电极等的开发。该开发研究进展顺利，从1984年开始，进而对10千瓦级发电机组进行研究开发。1986年，日立、东芝、富士电机、三菱电机、IHI分别对5台10千瓦级机组进行发电试验，其结果是输出功率为10千瓦，初期性能为电池电压0.75伏，电流密度150毫安/平方厘米。
1987年起，日本在对1000千瓦级实验电场(外部改质型)进行主要开发的同时，对100千瓦级发电机组以及1000千瓦级机组的设备的开发研究也取得了进展。1993年度，日立、IHI的2台100千瓦级外部改质型机组和三菱电机的1台30千瓦级内部改质型机组开始试验发电运行。其试验结果以及1994年度进行的5-25千瓦级机组的试验结果表明，电池电压0.8伏，电流密度达15毫安/平方厘米，单位时间内的劣化率小于1％。
在此基础上，1994年度起开始着手开发1000千瓦级试验工厂。1995年10月在中部电力(株)川越发电所开始建厂，确立了1000千瓦级实用化发电系统试验工厂的基本系统，对现有的事业用燃料电池电厂的运行进行评价，计划1999年开始试验运行，其目标为：燃料利用率为80％，千小时电池的劣化率小于1％，初期性能为：电池电压大于0.8伏，电流密度1500毫安/平方厘米，计划试验运行5000小时。
为使电池实用化，在上述研究开发的基础上，还进行了机组长寿命化研究，计划连续实验运行4万小时，每千小时单位劣化率小于0.25％。除此之外，还在开发200千瓦级内部改质型燃料电池发电系统。
美国能源部和美国电力研究所，正在积极开发MCFC。美国ERC公司开发的2兆瓦级内部改质型机组发电系统于1996年5月在圣克拉拉开始试验运行。MC－power公司开发的250千瓦级外部改质型机组发电系统，1997年2月起在圣迭戈开始试运行。
在欧洲，MCFC作为共同项目正在研究开发，取得了一些进展，其主要项目如下：
①高级DIC－MCFC发展计划(1996-1998年)。荷兰、英、法、瑞典等国参加研究，欧洲在市场分析、系统开发以及内部改质型机组的开发等方面取得进展。
②ARGE项目(1990年起计划10年内完成)。德、丹麦参加，并在内部改质型发电系统的开发上取得进展。
③MOLCARE。由意、西班牙参加，并在外部改质型发电系统开发上取得进展。
韩国从1993年起开始开发MCFC，1997年以开发100千瓦外部改质型发电系统为目标，开始了第二阶段研究开发工作。
3.固体电解质型燃料电池(SOFC)
作为SOFC开发的基础科学离子学，其开发历史很长，日、美、德等国已有30多年的开发史。日本工业技术院电子技术综合研究所从1974年起就开始研究SOFC，1984年进行了500瓦发电试验(最大输出功率为1.2千瓦)。美国西屋公司从1960年起开始开发SOFC，1987年该公司与日本东京煤气、大阪煤气共同开发出3千瓦热自立型电池模块，在国内外掀起了开发SOFC的。
日本新阳光计划中，以产业技术综合开发机构(NEDO)，为首，从1989年起开始开发基础制造技术，对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年起，富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究开发数千瓦级平板型模块基础上，还组织了7个研究机构积极开发高性能、长寿命的SOFC材料及其基础技术。
除此之外，三菱重工神户造船所与中部电力合作，共同开发平板型SOFC，1996年创造了5千瓦级模块成功运行的先例。同时，在圆筒横缟型电池领域中，1995年三菱重工长崎造船所在电源开发共同研究中，采用圆筒横缟型电池，开发出10千瓦级模块，成功地进行了500小时试运行，之后又于1996年开发了2.5千瓦模块，并试运行1000小时。TOTO与九州电力共同开发全湿式圆筒纵缟型电池，1996年起，开始开发1千瓦级模块。同时，在日本以大学与国立研究所为首的许多研究机构在积极开发SOFC。
美国西屋公司在能源部的支持下，开始开发圆筒纵缟型电池。东京煤气和大阪煤气对25千瓦级发电及余热供暖系统进行的共同测试表明，截至1997年3月，已成功运行了约1.3万小时，其间已经过11次启动与停机，千小时单位电池的劣化率小于0.1％，可见其技术已非常成熟。西屋公司除计划在1998年与荷兰、丹麦共同进行100千瓦级模块运行外，为降低制造成本，还在研究开发湿式电池制造技术。美国Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正对1千瓦级模块进行试运行。
在欧洲，德国西门子公司在开发采用合金系列分离器的平板型SOFC，1995年开发出10千瓦(利用氧化剂中的氧，若在空气中则为5千瓦)模块，1996年开发出7.2千瓦模块(利用氧化剂中的空气)。
奔驰汽车制造公司在开发陶瓷系列分离器式平板型SOFC上取得进展，1996年对2.2千瓦模块试运行6000小时。瑞士的萨尔泽尔公司在积极开发家庭用SOFC，目前已开发出1千瓦级模块。今后，德国还计划在特蒙德市进行7千瓦级发电及余热供暖系统现场测试。
在此基础研究上，以英、法、荷等国的大学和国立研究所为中心的研究机构，正在积极研究开发低温型(小于800℃)SOFC材料。
4.固体高分子型燃料电池(PEFC)
日本开发固体高分子膜的单位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，开发改质器以及电极催化媒体的机构有田中贵金属、大阪煤气等。在开发汽车燃料电池方面，丰田制造出甲醇改质型燃料电池汽车(1997年)，同时三菱电机、马自达也在着手开发汽车燃料电池。
在供电及余热供暖系统方面，PEFC排热温度较低，为70℃左右，在热利用上有所限制，与其他类型燃料电池相比，目前只开发小型系统。东芝(30千瓦)、三洋电机(数千瓦)、三菱重工和东京煤气(5千瓦)、富士电机和关西电力(5千瓦)等公司在开发以天然气和甲醇为燃料的电池系统，同时，三洋电机在开发1千瓦级氢燃料便携式商品化电源，三菱重工在开发特殊用途(无人潜水艇用)燃料电池。
PEFC主要作为汽车动力电源在开发。但在汽车上燃料的搭载方式各种各样，有高压氢、液化氢和甲醇等。这些燃料各具长短，目前还未能确定最适方式。
德国奔驰与加拿大BPS在进行共同开发，它们开发的搭载氢燃料、小底盘汽车在试运行。除此之外它们还共同开发甲醇燃料电池汽车。若在降低成本、提高运行性能等方面再取得一些进展，电池汽车就有望走向市场。
美国克莱斯勒、通用、福特三公司协力合作，计划到2000年开发出输出50千瓦、输出密度1千瓦/公斤的燃料电池。另外，BMW、Rover和西门子三家公司也在开展共同开发。
关键词：电力电子技术；开关电源
现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。
当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。
1.电力电子技术的发展
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
1.1整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2.现代电力电子的应用领域
2.1计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日"能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
2.3直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
2.4不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。
2.7大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
2.8电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓"电力公害",例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3.高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为"开关变换类电源",其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。3.3数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。
总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
参考文献：
[1]林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992。
1、整定计算的条件
以往的整定计算软件在开发的时候，我国的大多数110kV电网还是环网运行，这些软件充分考虑了220kV电网同110kV环网之间电磁环的存在对保护整定的影响，并因此增加了软件的复杂程度，降低了其灵活性。这些软件对于110kV电网保护的整定不规范、失配点多、非常规整定多的问题没有重视，大大降低了计算出的结果的实用价值。另外受软件开发平台的限制，开发者在人机界面的方便程度考虑较少，使得人工干预非常烦琐，费时费力，不得不弃而不用。
准专家系统模式的计算机整定计算能够解决以往的软件应用到110kV电网时所遇到的问题，其主要依据有两点：110kV电网结构的变化和计算机技术的发展。
1.1、110kV电网形成单电源的辐射结构，简化了整定计算
随着220kV的主输电网络的形成，原来的110kV环网得以解环运行，从而形成了以220kV变电站为中心电源的辐射型结构的分区网络，使得110kV的电网结构大大地简化。由于不再考虑电磁环，也使得110kV电网的整定计算软件的开发思路发生了重大改变。解环运行之后，分区网络的规模较以前减少了许多，各电力元件之间的保护配合关系变得非常简单，如果仍沿用节点方程的方法进行整定计算，一方面将简单问题复杂化，另一方面仍不能解决短线群、T接线、小电源的问题。准专家模式是将电力元件的所有的整定配合关系归纳为相应的用计算公式表示的规则（由于不存在电磁环，这些规则的数目及复杂程度都大大降低），然后由整定人选择所整定的电力元件的整定规则。这种模式简单、直观，对整定计算全过程可进行有效的控制。
1.2、计算机技术的发展为新模式提供强大的技术支持
最早进行整定计算软件的开发大约是在七八十年代，现在计算机软硬件的技术水平同当时相比不可同日而语。当时编制软件最先要考虑的是软件的运行速度以及数据的存储容量，其次才是用户界面，而以目前的计算机技术水平，对于编制这种规模的软件，其运算速度及数据存储容量可以不予考虑，因此其重点应该是良好的用户界面。准专家系统模式完全在系统一次图形界面上完成参数数据的输入、计算过程的控制、计算结果的输出，大大降低了使用者掌握软件的难度，不经培训就可以方便地使用。
2、整定计算的实施方案
2.1、方案总体设计
该方案由以下几个模块组成：电网拓扑绘图模块、参数数据输入模块、短路电流计算模块、整定计算规则模块、整定计算模块、ODBC接口模块。
由图1可以看出，整定计算的全过程都是在系统一次图形的界面下完成，不需要使用者对底层进行操作。在专用的电网拓扑绘图模块下，一次图一旦绘好，网络数据的拓扑结构就建成，结构中各单元同系统各元件一一对应，这种对应是由软件完成，毋需人工干预；参数数据库、短路电流数据库、规则库都是整定计算的数据源，其中参数数据库、短路电流数据库与系统一次结构紧密相关，当系统一次结构变化后，这两个数据库的内容相应修改。整定规则库则完全独立，其修改、补充等操作单独进行。
2.2、功能模块介绍
2.2.1、电网拓扑绘图模块
电网拓扑绘图模块是一个面向对象的电网绘图工具，能够支持全屏幕动态缩放、屏幕漫游，以基本图元（如线路、断路器、变压器等）为绘图单位，进行系统一次网络图的绘制，各图元通过定义形成网络拓扑结构，性能优良且操作方便。除了具有图形编辑软件的一般功能外，它的最大特点在于可以无隙地嵌入数据库和保护整定计算模块。因此，该模块实际上充当了本系统的用户交互界面，用户在图上即可进行数据库操作并可启动线路或变压器的保护整定计算。
2.2.2、参数数据输入模块
在系统一次图上，在定义好的图元上输入参数数据，经过计算机处理后形成参数数据库，并同网络拓扑结构一一对应。参数数据能够在系统一次图上打印出来。
2.2.3、短路电流计算模块
利用已形成的网络拓扑结果及参数数据库，以各母线为故障点，计算大小运行方式下三相短路、两相短路、单相接地、两相短路接地的故障电流，形成短路电流数据库，并能够以一定格式输出打印。
2.2.4、整定计算规则模块
以单电源辐射型网络为主要整定对象，充分考虑短线群、T接线、小电源对整定计算的影响，将各种保护的整定方法总结、归纳，形成标准化、公式化的规则库。
2.2.5、整定计算模块
模块分为整定设置、线路保护整定及元件保护整定三部分。整定计算所需的有关系数要求，例如灵敏系数、可靠系数、配合系数、整定原则等，整定前在整定设置菜单下填入。
线路保护整定计算分三种方式：
1）全自动方式：所有整定步骤由计算机完成，没有人工干预；
2）半自动方式：由人工指定失配点及失配参数，计算机完成后面的工作；
3）全人工方式：全部整定步骤采用问答式，由整定人逐步完成，每一步的计算结果均在屏幕显示。
保护整定均在系统网络界面上进行，根据用户在系统一次图上选定的电力元件，直接启动相应保护的整定计算模块，通过调用参数数据库、短路电流数据库、规则库的内容进行计算，计算过程可人工干预。
所有的计算结果均以整定计算书的形式输出。
2.2.6、ODBC接口模块
整定计算是在一次图形界面上完成的，要通过ODBC（OpenDataBaseConnectivity，开放数据库互联）将参数数据、短路电流数据以及网络拓扑结构参数结合起来，完成相应的计算。
2.3、方案的特点
该方案具有以下特点：
1）数学模型简单
由于以单电源辐射型网络作为整定计算的对象，大大简化了整定计算的数学模型，从而使整定计算的复杂程度大大降低。
2）人机界面友好
数学模型简单使开发者在开发平台的选择上有很大的余地，不用对平台的数学计算能力有太高要求，因此可以充分利用近年来推出的优秀商业软件，从用户角度开发出具有直观、简单、灵活的人机界面的软件。
3）输入输出设计灵活
参数的输入完全在系统一次图形界面上完成，彻底摈弃了过去需要用户做节点编号、做数据文件的方法，大大降低了工作量。计算结果的输出有两种方式，一是在屏幕输出，这样可以让整定人监视整定计算的每一个步骤，这对于整定计算的审核十分有利；第二种方式是以整定计算书的形式输出，可以文本格式进行编辑，由于目前微机保护的许多小定值不是计算的结果，而是运行方式的一些具体要求，因此对整定计算书进行必要的编辑，一方面使计算书更加完整，另一方面对无纸化办公也有一定的意义。
3、开发软件的选择
3.1、软件运行平台：中文Windows95
中文Windows95是一个32位的操作系统，它是专门为中国大陆的用户而设计的，因此它具有内置的双字节汉字内核，无需再外挂中文平台即可显示汉字，极大地方便了国内用户。Windows95与Windows3.X以及DOS相比较，有操作容易、支持抢先式多任务、运行稳定等优点。
3.2、数据库接口工具：MicrosoftODBC2.0
MicrosoftODBC2.0是一个由微软公司在90年代初提出的开放式数据库互连的标准，发展到现在在技术上已相当成熟，几乎所有主要的数据库开发商都提供了相应的ODBC驱动程序。ODBC的优点在于它使程序员无须关心他所要存取的数据源的类型、位置和格式等。他只需调用相同的API函数来和ODBC接口打交道即可，直接和某个特定的数据库交互则由ODBC来完成。这样，一方面使程序员的工作量大为减轻，另一方面使得程序更加灵活，因为当低层数据库发生变化（如数据库由DBASE变为ACCESS）时，庆用程序不须做较大的改动可适应新的数据源。
3.3、数据库开发软件：MicrosoftAccess97中文版
MicrosoftAccess97中文版是微软公司在1997年推出的最新的数据库开发及管理软件，它在小型的数据库应用中具有许多优点。它是一个台式的关系型数据库，但同时又可被应用到客户／服务器数据库前端机的开发应用中。它生成的数据库仅由一个文件组成，极易管理。而且，它的开发平台是基于Windows95的，能充分利用其稳定、多任务的优势，并给开发人员一个良好的开发界面，操作相当容易。它具有以下特点：
（1）Access支持多种数据形式，可以从FoxPro，Paradox3.X，Lotus1-2-3.X，Dbase，Lotus1-2-3，MicrosoftExcel和Betrieve中引入数据。
（2）提供一整套极富特色的集成窗口式菜单开发环境，所有对象的属性采用窗口式表达，大大减少了编程语言，使得建立、编辑和调试一个应用程序既轻松又快速。
（3）Access本身并不是一个面向对象的数据库系统（OODBMS），但它是一个面向对象的开发环境。超级秘书网
（4）Access引入了SQL数据库标准查询语言，用户可能直接在程序中嵌入SQL语言，从而使Access成为比较完善的关系数据库系统。
（5）在Access中，可使用WindowsAPI函数，支持OLE和DDE.
（6）Access中的数据库安全控制机制也是传统的数据库无法比拟的。
3.4、编程语言：MicrosoftVisualC++5.0
MicrosoftVisualC++5.0是微软公司最新推出的应用程序开发工具。较之其他同类产品（如BorlandC++5.0，WatcomC++等），功能更加强大。它支持Windows平台上几乎所有技术标准的开发，其编译器支持增量编译，每次编译只将修改过的部分重编译一遍，而其他部分不动，大大加快了编译速度，缩短了开发时间。在VisualC++5.0中，ClassWizard的功能大为增强，可以为开发人员自动生成许多代码，使开发人员能够把精力集中于程序所要实现的特定功能上，不必为一些细节浪费时间。
关键词机电一体化技术应用
1机电一体化技术发展
机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。
1.1数字化
微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。
1.2智能化
即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。
1.3模块化
由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。
1.4网络化
由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。
1.5人性化
机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
1.6微型化
微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(MicroElectronicMechanicalSystems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。
1.7集成化
集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。
1.8带源化
是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。
1.9绿色化
科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。
2机电一体化技术在钢铁企业中应用
在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面：
2.1智能化控制技术(IC)
由于钢铁工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等，智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢———连铸———轧钢综合调度系统、冷连轧等。
2.2分布式控制系统(DCS)
分布式控制系统采用一台中央计算机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的发展，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。DCS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。DCS是监视集中控制分散，故障影响面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。
2.3开放式控制系统(OCS)
开放控制系统(OpenControlSystem)是目前计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。
2.4计算机集成制造系统(CIMS)
钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的经济效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化。
2.5现场总线技术(FBT)
现场总线技术(FiedBusTechnology)是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术(如4～20mA，DC直流传输)就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致DCS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化PLC(ProgrammableLogicController)和现场就地控制站等的发展。
2.6交流传动技术
传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。
参考文献
1杨自厚．人工智能技术及其在钢铁工业中的应用[J]．冶金自动化，1994（5）
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5林行辛．钢铁工业自动化的进展与展望[J]．河北冶金，1998（1）
关键词：大型水轮发电机；定子铁芯；推力轴承
中图分类号：TM312 文献标识码：A
中国有着丰富的水资源，是水电行业发展的基础。随着诸多大型水利工程的建成，有效的推进了我国水电发展，对应的水电机组不断的朝向大型及超大型发展。根据国内水利发电工程学会相关统计资料显示，到2020年，国内的700MW水轮发电机数目将会超出150台。大型水轮发电机具备非正常停机损失大、定转子额定电压较高以及发电机定子绕组的中性点引出方法极多等自身特点。
一、大型水轮发电机技术问题分析
如图1所示，定子铁芯受力简示图。
1 定子铁芯热膨胀
随着国际科学技术的不断发展，对应技术较为先进的国家，水轮发电机单机容量逐渐扩大，其对应定子铁芯的直径也是持续增加，由最初的几米持续发展至十几米，或者说还有超过20m的。相对直径在成倍的提高，紧接着其铁芯温升所产生的对应径向尺寸的膨胀量是在飞速提升，铁芯以及机座之间的温差所出现的径向尺寸过量也随之提升。水轮发电机定子铁芯，其铁芯的温度升至为50℃时，那么铁芯径向膨胀就会达到11mm，铁芯以及机座温差是20℃时，那么其铁芯以及机座的半径方向过盈量就大概会是2mm，进而促使定子铁芯因为其受到了机座径向压力而存在极大的切向应力。
2 定子铁芯压紧质量
在实际运作过程中，大型水轮发电机尽管其机座能够自由伸缩膨胀，对应的铁芯轴向单位相关面积压力会大幅度下降，对应的定子铁芯就会出现翘曲的情况。要是其机座并不是全部膨胀，其对应的单位压力面积承受压力会保持在10kgf/cmZ之下，这时其对应定子铁芯也还是会极有可能存在翘曲情况。
3 定子铁芯分瓣
定子铁芯的结构是分瓣状的，关于定子铁芯的装配，应重视其铁芯合缝位置会受到分布不均匀以及很难预测的对应挤压力，该挤压力对定子铁芯会造成不良的影响，这样就在很大的程度上加剧了翘曲情况的出现。导致定子铁芯在受到相关的力之后出现形变以及振动、损坏等。
4 转子支架刚度及圆盘形结构
水轮发电机转子对应支架的结构形式一般是根据其发电机容量以及转速和尺寸、运输条件等相关条件来合理选定。通常在中型及小型或者是高速水轮发电机上利用较为简单的圆盘式或者是无支架转子结构。对于大型水轮发电机来讲，其因为会受到相关运输条件的制约，一般会利用中心体以及支臂装配组合形成支臂式的转子支臂。关于其对应容量以及尺寸非常大的水轮发电机，近年来，国内通常使用的发电站装配以及拼焊，大多都是多层圆盘式转子支架。
二、大型水轮发电机关键技术改善
1 水轮机模型转轮水力设计
水轮机的最关键部件就是转轮，其相关性能直接关系着对应发电机运作经济性以及安全性、稳定性。关于水轮机模型转轮水力性能设计，国内外的研究差距很大，很多有关项目对应转轮是使用国外引进的相关技术，其自开发转轮效率大约是95%，国外所引进的转轮效率能够达到94%以上。国内很多较大型工程有效的引进了三维粘性流体数据库为其最主要的基础，再合理运用其对应实验技术以及相关模型制造水平的不断提升，国内在很短的时间内关于模型转轮水力设计，跟上了世界的先进水平。
2 大型水轮发电机推力轴承技术
大型发电机最关键的构成部分就是推力轴承，其对应的设计以及制造技术是不是最优化会直接关联到水轮发电机的安全可靠运作。想要合理的对其进行优化，就应该注重其结构以及性能参数，以便于有效提升运作的可靠性。有关企业对其投入了大量的人力物力进行全方位的分析研究。自主开发水轮发电机推力轴承的热弹性流体动力的性能相关计算分析软件，构建了三万吨的对应推力轴承试验台，该实验是现今世界上相关运作中最大推力轴承试验台。相关的实验室研究结果也在很多较大的水电站对应推力轴承运作实测过程中展开了一定程度的对比，以便于有效健全和提升推力轴承设计以及制作技术和测试技术。这些相关的工作也为水轮发电机的推力轴承设计以及制作工艺积累了相当的经验。
3 大型水轮发电机转子接地保护方式
大型水轮发电机组的额定转子电压通常是较高的，可以超出500V，在强励时是最高的，并且还伴随着非常显著的交流分量，这时直接性的将其取出的危险性极高，并且其对应电缆更不好选择。我国的很多较大型水电机组在进行工程设计时大都是利用转子接地保护和失磁保护，并运用转子电压测量对应附件再就地安装在相关的励磁体系之内，把较大功率的电阻安置在相关励磁体系屏柜之内，其对应转子电阻在分压之后会长距离的接进发电机的保护屏柜中，这时转子的接地保护功能就会在发电机的屏柜之内很好的实现。
大型水轮发电机的机组转子接地保护应该合理的就地安置在对应励磁体系室内，其失磁保护需要的相关电压最好是通过变送器之后再接进发电机的保护设备上，这样能够合理避免掉其高压电缆存在长距离引线，在很大程度上简化了励磁回路并节约了长距离进行高压控制的电缆费用。
4 大型水轮发电机定子绕组主绝缘技术
有关公司关于定子绕组的地主绝缘是应用了F级的桐马环氧玻璃粉云母系统，其电机的主绝缘结构以及防晕结构和对应绕组槽部、端部的相关固定结构与各类绝缘材料，总体上来讲均是都实现了国产化，并且国产的相关绝缘材料性能均是达到了国际化水平。线棒是多胶带连接式包扎以及其外包防晕带绝缘结构，运用对应加热横压来进行固化，以致其能够一次成型，其对应线棒的尺寸应该是统一的，且要具备较好的互换性。该F级桐马环氧玻璃粉云母带的绝缘运作经验极为丰富以及对应水电站不同电压等级的较大型水轮发电机和其相关的出口机组之上。
5 大型水电机组结构刚强度分析技术
经过国内外诸多企业的相关设计，其关键器件刚强度性能展开大量有限元分析以及比对，也找出了不同企业对于同一个器件的设计差异。关于其结构拓扑以及几何形状和板厚尺寸等展开了系统化的分析，找出其关联机组器件刚强度的关键因素，对部件的设计进行的全方位的深刻认识，形成了一定的结构模式，再运用其对应参数来实现建模，有效达到结构的优化及分析过程自动化。其对应的运用变量分析技术定量分析出对应主参数，并给设计师所需要的相关设计曲线，进而给结构改善及创新提供参考。运用尺寸以及形状充分结合优化技术，能够合理的找出板厚的配置以及几何形状均是合理化的最优化结构。诸多水电机组结构器件优化设计均采用了相关研究成果，并得到了显著的效果。
结语
水轮机正常的运作状态下，其对应的定子铁芯会承受切向电磁扭矩以及相关轴向重力，还有在水轮机快速运作时其对应定子铁芯会存在一定程度的发热，机座以及铁芯均是不一样的运作情况，所以在温度不一样的状态下就会存在温差，对应的高温铁芯会出现膨胀以及其座机的制约，座机对于铁芯具备一个径向压力，和相关铁芯膨胀力刚好是相反的；以及其对应的定子铁芯会受到转子所具备的径向磁拉力，和分瓣定子会被拼为整圆形态以配合其铁芯共同进行运作。水轮机在运作时其铁芯会受到一定的热膨胀，致使总体铁芯对应缝合面会受到不一样方向所带来的挤压力，这样会导致铁芯出现损失的情况。因此，对大型水轮发电机关键技术问题进行详细分析研究是势在必行的。
参考文献
[1]王初铭.大型水轮发电机几个关键技术问题的分析[J].大电机技，2013（02）.
