最佳負(fù)載

最佳負(fù)載最高工作效率與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

變壓器所帶實(shí)際負(fù)載與其額定出力之比稱為變壓器的負(fù)載系數(shù)。用 β表示。現(xiàn)假定不同負(fù)載下功率因數(shù)(用cosφ表示)近似不變。變壓器運(yùn)行的功耗率為：

顯然，在功率耗率最低時(shí)工作效率便最高。將此狀態(tài)下的負(fù)載系數(shù)稱最佳負(fù)載系數(shù)。這說(shuō)明運(yùn)行中當(dāng)變壓器的實(shí)際銅耗等于鐵耗時(shí)，便是處在最高效率狀態(tài)。對(duì)恒定負(fù)荷或均衡負(fù)荷時(shí)段內(nèi)也便是最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。其設(shè)計(jì)結(jié)果必然使額定負(fù)載下的銅耗比鐵耗大了約 4～7倍。故總有β<1。由于實(shí)際負(fù)載的波動(dòng)，變壓器使用時(shí)β常小于1。這利于取得變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

在最佳負(fù)載系數(shù) β下運(yùn)行時(shí)，功耗率最低。由于在恒定負(fù)荷時(shí)段內(nèi)，功耗表征了每傳遞單位電量時(shí)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(duì)于變壓器投運(yùn)中的每時(shí)每刻都需盡可能爭(zhēng)取處在或十分接近于最高效率狀態(tài)下為最經(jīng)濟(jì)。而對(duì)大量存在的變動(dòng)負(fù)荷，則要求在變動(dòng)負(fù)荷時(shí)段(如年月或日)內(nèi)其能損率最低，始為努力追求的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)。

在 β下運(yùn)行時(shí)變壓器的功損為其空載損耗(近似鐵耗) 的兩倍。故實(shí)踐中推薦采用優(yōu)質(zhì)低耗變壓器對(duì)運(yùn)行極為有利，此為變壓器的理想工作狀態(tài)，也是實(shí)踐中努力爭(zhēng)求的目標(biāo)。若能使變壓器投用過程中，始終處于β(或近于β)狀態(tài)下，則必然能取得最經(jīng)濟(jì)的效果。故實(shí)際工作中所采用的調(diào)整變壓器負(fù)荷等許多技術(shù)措施，也都是為了盡可能實(shí)現(xiàn)或接近β狀態(tài)下的最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

變壓器的功率損失，功耗率(恒載時(shí)段內(nèi)的變電單耗)及工作效率，都是負(fù)載系數(shù)的函數(shù)。在由空載到滿載的閉區(qū)間定義域內(nèi)，它們的典型特性曲線。可見，功率損失為一遞增函數(shù)。隨著負(fù)載增加，實(shí)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(shí)達(dá)最高效率，此后便緩慢下降，但達(dá)滿載時(shí)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(shí)出現(xiàn)最低值，隨著負(fù)載增加而緩慢增高(滿載時(shí)較β₀狀態(tài)下約增大20%左

右)，負(fù)載降低時(shí)則急劇增高。同時(shí)可推求得功耗率與滿載時(shí)相等的β_i值(為P₀/P_k，即變壓時(shí)損失比的倒數(shù)也等于β₀²)。當(dāng)實(shí)際負(fù)載率低于β_j時(shí)，則功率將成幾倍，幾十倍地劇增，此狀態(tài)下運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性極差。故 β₀ 確系為實(shí)現(xiàn)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行而要捕捉并深入探討的關(guān)鍵點(diǎn)。

最佳負(fù)載最佳負(fù)載系數(shù)的實(shí)用性

變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，需順應(yīng) “工作效率最高→功耗率最低→實(shí)耗率最低”的模式來(lái)考慮。只有在盡可能長(zhǎng)時(shí)間地使變壓器工作在最高效率，最低功耗率狀態(tài)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(jīng)濟(jì)性，也才能稱得上屬經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這是由于不講工作效率的能耗最低，事實(shí)上是毫無(wú)實(shí)際意義的。因?yàn)榻^不會(huì)將全年處于空載狀態(tài)下的變壓器算作是最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。故運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的前提必須首先建立在最低功耗率的基礎(chǔ)上。最佳負(fù)載系數(shù)既有理論性，瞬時(shí)性含義，又具現(xiàn)實(shí)性與實(shí)用性意義，它是研究經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)與精髓。其現(xiàn)實(shí)意義可具體在：

1) 對(duì)于已投運(yùn)的變壓器可以據(jù)此判定其是否處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。這類變壓器的額定容量已經(jīng)選定，由其實(shí)際負(fù)載系數(shù)與β ′的差值情況即可認(rèn)定運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)。繼之可采取調(diào)整負(fù)荷或更換合適變壓器等辦法以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?？梢姳?進(jìn)行比較計(jì)算得出論據(jù)。

2) 對(duì)恒定負(fù)荷及負(fù)荷變動(dòng)甚小的變壓器(如鋁電解連繼性用電行業(yè)，三班連續(xù)性生產(chǎn)用變壓器)或其它分段性用電行業(yè)等負(fù)荷及分段負(fù)荷變化很小的變壓器(如地區(qū)或地域性主變壓器及三班制間斷性生產(chǎn)的配變)，在負(fù)荷基本恒定與均衡負(fù)荷時(shí)段內(nèi)，誠(chéng)如前面已指出的功耗率實(shí)質(zhì)上可理解為變電單耗那樣，若實(shí)際負(fù)載系數(shù)近于β′，則單耗最低，運(yùn)行屬最經(jīng)濟(jì)。在上述前提下，同樣可反過來(lái)以此作為選擇變壓器適宜容量的依據(jù)。

3) 明確了 β′ 下變壓器功耗率最低，效率最高這一觀點(diǎn)就可以由此導(dǎo)出及建立變壓器究竟運(yùn)行在何種狀態(tài)下方為經(jīng)濟(jì)的概念。對(duì)于負(fù)荷變動(dòng)較大的地區(qū)或區(qū)域性主變，以及大量農(nóng)村或城市單、雙班生產(chǎn)用配變，則可通過具體反映實(shí)際負(fù)荷曲線不同波動(dòng)性質(zhì)與幅度的 “形狀系數(shù) ”來(lái)溝通與 β′ 的關(guān)系，以求其全年電能損耗率為最低而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4) 通過對(duì)單臺(tái)變壓器所建立的最佳負(fù)載系數(shù)，最低功耗率與能耗率的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行觀點(diǎn)，可進(jìn)一步推出多臺(tái)變壓器并列實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的法則(即何時(shí)并列與何時(shí)切除等)；可據(jù)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”及采用可調(diào)容量的“調(diào)容變”等措施的基本原則。

150℃以下的低溫?zé)崮軓V泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中，如太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?，以及水泥廠、熱力發(fā)電廠和化工廠的工業(yè)余熱，若不加以利用，則是對(duì)能源的巨大浪費(fèi)，因此，安全、可靠、高效地利用這部分熱能的意義重大。與傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相比，有機(jī)物朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率高、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及可靠性高，已成為回收利用低溫?zé)崮艿淖罴堰x擇。國(guó)內(nèi)外關(guān)于ORC系統(tǒng)的理論研究較多，但相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。Gu等通過理論和實(shí)驗(yàn)的方法研究了余熱回收ORC系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)部件中蒸汽發(fā)生器的不可逆損失最大，而且系統(tǒng)的最大熱效率為5.2%；Mathias等搭建了可采用渦旋式或擺線式膨脹機(jī)的有機(jī)物發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其最大輸出功率為2.96kW；Peterson等建立了一個(gè)采用渦旋式膨脹機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其熱源溫度為165～183℃，系統(tǒng)輸出功率為187～256W；Quoilin等通過實(shí)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)理論模型對(duì)渦旋式膨脹機(jī)進(jìn)行了研究，并考慮了膨脹機(jī)的內(nèi)泄漏、漏熱、過膨脹或欠膨脹等損失；Li等搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)并對(duì)回?zé)崾桨l(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；Kang等研究了采用徑流式渦輪膨脹機(jī)的ORC系統(tǒng)，并分析了影響系統(tǒng)性能的因素；Pei等分析了膨脹機(jī)的各項(xiàng)損失對(duì)系統(tǒng)性能的影響及熱電聯(lián)產(chǎn)的相關(guān)問題；Gao等研究了太陽(yáng)能混合工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)。這些研究推動(dòng)了ORC技術(shù)的發(fā)展，但對(duì)膨脹機(jī)－發(fā)電機(jī)－負(fù)載三者的相關(guān)性研究還很少。

最佳負(fù)載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究所用低溫?zé)崮苡袡C(jī)物朗肯循環(huán)發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外觀及結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由有機(jī)物朗肯循環(huán)與熱源循環(huán)2個(gè)環(huán)路組成。有機(jī)物朗肯循環(huán)環(huán)路主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液罐、工質(zhì)泵和膨脹機(jī)；熱源循環(huán)環(huán)路是加熱油爐循環(huán)系統(tǒng)；另外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還包括發(fā)電機(jī)、負(fù)載電阻、背壓閥、球閥、膜片式脈沖阻尼器及干燥過濾器等配件和一整套測(cè)試設(shè)備。

為了減小發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的體積，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試設(shè)備集成在一個(gè)箱體中，并在箱體底部安裝滑輪以便于移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理如下：將蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液罐與工質(zhì)泵用銅管依次連接而形成工質(zhì)循環(huán)的閉路系統(tǒng)；渦旋式膨脹機(jī)通過聯(lián)軸器與永磁交流發(fā)電機(jī)連接；3個(gè)相同的瓷盤變阻器通過三角形接法與發(fā)電機(jī)相連；采用導(dǎo)熱油爐模擬熱源，油泵將高溫導(dǎo)熱油送入蒸發(fā)器中以加熱有機(jī)物工質(zhì)；工質(zhì)冷凝以風(fēng)冷為主；另外，為保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诓煌r下順利進(jìn)行，在冷凝器的散熱盤管上安裝噴霧系統(tǒng)，以便于冷凝負(fù)載較大時(shí)使用。

最佳負(fù)載最佳功率負(fù)載線

圖2示出了當(dāng)熱源溫度為100℃時(shí)實(shí)驗(yàn)所獲功率－轉(zhuǎn)速特性曲線。其中，實(shí)線為相同工質(zhì)流量下渦旋膨脹機(jī)的功率－轉(zhuǎn)速特性曲線，虛線為相同負(fù)載電阻下發(fā)電機(jī)的功率－轉(zhuǎn)速特性曲線，2條曲線的交點(diǎn)即為渦旋式膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)及負(fù)載的耦合工況點(diǎn)，例如電阻為60Ω的發(fā)電機(jī)功率－轉(zhuǎn)速特性曲線上的耦合工況點(diǎn)為A、B和C。

在不同的工質(zhì)流量下，渦旋式膨脹機(jī)均存在一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速與一個(gè)最大輸出功率相對(duì)應(yīng)。將不同工質(zhì)流量下的最佳工況點(diǎn)相連接，則可得到渦旋式膨脹機(jī)的最佳功率轉(zhuǎn)速線。由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速與負(fù)載電阻成正相關(guān)關(guān)系，故在不同工質(zhì)流量下都存在一個(gè)最佳負(fù)載電阻，以使渦旋式膨脹機(jī)工作在最佳工況點(diǎn)，所以渦旋式膨脹機(jī)的最佳功率轉(zhuǎn)速線也即最佳功率負(fù)載線。從理論上講，要想使得膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)及負(fù)載達(dá)到最佳的匹配，就應(yīng)使配套發(fā)電機(jī)的功率－轉(zhuǎn)速曲線與膨脹機(jī)的最佳功率負(fù)載線重合，以使膨脹機(jī)不會(huì)工作在過載和欠載狀態(tài)下。

最佳負(fù)載熱源溫度的影響

由圖3可見，當(dāng)熱源入口溫度不同時(shí)，系統(tǒng)的最佳負(fù)載電阻約為60Ω，但最佳的轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率隨著熱源溫度的增加而增大。發(fā)電效率表示熱源熱能轉(zhuǎn)化為電能的程度，決定了發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，其與發(fā)電功率的比值即為單位質(zhì)量工質(zhì)的發(fā)電量，表示工質(zhì)的做功能力。由圖4可以看出：當(dāng)負(fù)載電阻為60Ω 時(shí)，發(fā)電效率和比發(fā)電功率均達(dá)到最大值。隨著負(fù)載電阻增加，系統(tǒng)的發(fā)電效率呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)，并存在一個(gè)最佳的負(fù)載電阻，使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電效率，而且當(dāng)熱源溫度升高時(shí)，最佳負(fù)載電阻對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率隨著熱源溫度升高而增大；同時(shí)，比發(fā)電功率隨負(fù)載電阻變化的關(guān)系與發(fā)電效率和發(fā)電功率的相似，即存在一個(gè)最佳負(fù)載電阻，以使比發(fā)電功率最大，且在不同溫度下均存在最佳的負(fù)載電阻，熱源溫度越高，最佳負(fù)載電阻對(duì)應(yīng)的最大比發(fā)電功率越大，即最佳負(fù)載電阻不僅使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電功率和發(fā)電效率，而且使得循環(huán)工質(zhì)的比發(fā)電功率最大。因此，合理設(shè)置負(fù)載電阻，能夠使得發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮最佳的性能。

最佳負(fù)載研究結(jié)論

（1）在不同的熱源溫度和工質(zhì)流量條件下，均存在一個(gè)最佳的負(fù)載電阻，使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電功率、比發(fā)電功率及發(fā)電效率。

（2）在設(shè)計(jì)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)為渦旋式膨脹機(jī)選擇合適的永磁發(fā)電機(jī)和負(fù)載電阻，以使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的負(fù)載電阻－功率－轉(zhuǎn)速特性曲線盡可能靠近膨脹機(jī)的最佳功率負(fù)載線，使得系統(tǒng)發(fā)揮最佳的性能。

（3）在熱源溫度不超過120℃ 時(shí)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)系統(tǒng)的最大發(fā)電功率可達(dá)1.05kW，最高發(fā)電效率可達(dá)4.51%，膨脹機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和膨脹比分別可以達(dá)到2922 r/min和3.03。

最佳負(fù)載在變壓器中常用功率因素來(lái)表征，功率因數(shù)的高低，主要與負(fù)載大小有關(guān)。一般電機(jī)空載時(shí)，功率因數(shù)很低，通常小于0.2。電機(jī)帶負(fù)載后，要輸出機(jī)械功率，因此，定子電流中的有功分量增大，功率因數(shù)逐漸提高。在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的功率因數(shù)最高。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，效率高低與負(fù)載大小有關(guān)。一般電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，效率為零。負(fù)載增加時(shí)，效率也增加。當(dāng)負(fù)載為（0.7~1）倍額定負(fù)載時(shí)，效率最高。因此，電機(jī)在接近額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，效率最高，最為經(jīng)濟(jì)。綜上述，電機(jī)最佳的負(fù)載率是在：電機(jī)在額定負(fù)載或接近額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)。

感性負(fù)載：

即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個(gè)相位差時(shí)負(fù)載為感性(如負(fù)載為電動(dòng)機(jī)、變壓器)

容性負(fù)載：

即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流超前負(fù)載電壓一個(gè)相位差時(shí)負(fù)載為容性(如負(fù)載為補(bǔ)償電容)。

阻性負(fù)載：

即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流負(fù)載電壓沒有相位差時(shí)負(fù)載為阻性(如負(fù)載為白熾燈；電爐)。

容性負(fù)載，即具有電容的性質(zhì)，（充放電，電壓不能突變）。

感性負(fù)載，即具有電感的性質(zhì)，（磁場(chǎng)，電流不能突變）。

混聯(lián)電路中容抗比感抗大,電路呈容性反之為感性。

負(fù)載性質(zhì)包括：容性負(fù)載、感性負(fù)載和純電阻負(fù)載。容性負(fù)載：電流相位超前電壓；感性負(fù)載：電流相位滯后電壓；純電阻負(fù)載，電流與電壓相位相同。

負(fù)載特性常見的是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性，其又分為同步電機(jī)和異步電機(jī)，負(fù)載可分為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性以及恒功率負(fù)載特性。