CN103398017B - 变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统及方法，该系统包括纯凝式小汽机、风机和变频发电机，其中，纯凝式小汽机、风机和变频发电机同轴相连；通过控制变频发电机的输出，从而控制纯凝式小汽机的转速，从而控制风机的转速。本发明的系统极大地减少了小汽机进汽节流的损失，提高运行效率，并且充分发挥了小汽机的做功能力，增加运行收益。本发明还公开了一种蒸汽发电机组以及调节风机转速的方法。

Description

变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统及方法

技术领域

本发明涉及发电系统的节能技术领域，具体地涉及一种变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统及方法。

背景技术

在大容量高参数汽轮机发电厂中，通常配置有如汽动风机等风机，这些风机通过如纯凝式小汽机来驱动，可以将空气、烟气或燃气等工质的压力提高，供给后续工艺系统。

由于发电机组负荷变化的需要，风机的出力常常发生相应变化，因此通常通过对风机的转速的变化来满足机组负荷变化的需要，而风机的转速是由同轴连接的小汽机的转速决定的。

为了满足夏季发电机组长期满发的需要，因此小汽机的额定出力通常要比风机的额定出力大，而风机的额定出力通常比发电机组额定负荷所需要的出力大，所以小汽机的额定出力有较大裕量，一般在50%以上。在目前的小汽机驱动风机系统中，小汽机配置有进汽调节阀，通过调节阀的开度，可以控制小汽机的转速，从而满足发电机组负荷变化的需要。然而这种配置常常由于小汽机进汽调节阀在大多运行时间下的开度较小，因此容易造成较大的节流损失。

此外，由于发电机组的负荷随电网需求每天都在不断变化，负荷有高有低，因此在低负荷时，小汽机的进汽调节阀的开度会更小，从而造成的节流损失更大。并且由于小汽机的做功的能力不能充分发挥，因此也存在相对较大的经济损失。

因此，如何针对现有纯凝式小汽机驱动风机系统的节流调速问题，开发一种既能有效减少小汽机进汽节流的损失，又能充分利用小汽机出力的驱动风机系统是目前汽轮机发电厂在节能领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节流损失小，小汽机出力利用率高的变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统。

本发明的第一方面提供了一种变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统，所述系统包括纯凝式小汽机、风机和变频发电机，其中，

所述纯凝式小汽机、风机和变频发电机同轴相连；

通过控制所述变频发电机的输出，从而控制所述纯凝式小汽机的转速，从而控制所述风机的转速。

在另一优选例中，所述纯凝式小汽机还包括排汽口。

在另一优选例中，所述排汽口通过排汽管道与凝汽器连接。

在另一优选例中，所述凝汽器为公用或独立配置的凝汽器。

在另一优选例中，所述纯凝式小汽机设有进汽管道，所述进汽管道上设有调节阀。

在另一优选例中，所述调节阀的开度长期保持高开度，开度的范围为70％-100%。

在另一优选例中，所述风机和变频发电机分别与所述纯凝式小汽机两侧的轴端相连。

在另一优选例中，所述系统还包括定速比齿轮箱，所述定速比齿轮箱与所述纯凝式小汽机、风机和变频发电机同轴相连，其中，

所述定速比齿轮箱位于所述纯凝式小汽机和变频发电机之间；和/或

所述定速比齿轮箱位于所述风机和纯凝式小汽机之间。

在另一优选例中，所述定速比齿轮箱具有离合器功能。

在另一优选例中，所述定速比齿轮箱为离合器。

在另一优选例中，所述定速比齿轮箱位于所述纯凝式小汽机和变频发电机之间，并且所述定速比齿轮箱的输入端与所述纯凝式小汽机的一侧的轴端相连，所述风机的输入端与所述纯凝式小汽机的另一侧的轴端相连。

在另一优选例中，所述定速比齿轮箱位于所述风机和纯凝式小汽机之间，并且所述定速比齿轮箱的输入端与所述纯凝式小汽机的一侧的轴端相连，所述变频发电机的输入端与所述纯凝式小汽机的另一侧的轴端相连。

在另一优选例中，所述风机和变频发电机连接于所述纯凝式小汽机的同一轴端。

在另一优选例中，所述变频发电机的输入端与所述纯凝式小汽机的一侧的轴端相连，变频发电机的输出端与所述风机的输入端相连。

在另一优选例中，所述系统还包括定速比齿轮箱，所述定速比齿轮箱与所述纯凝式小汽机、风机和变频发电机同轴相连，其中，

所述定速比齿轮箱位于所述纯凝式小汽机和变频发电机之间；或

所述定速比齿轮箱位于所述风机和变频发电机之间。

在另一优选例中，所述定速比齿轮箱位于所述纯凝式小汽机和变频发电机之间，并且所述定速比齿轮箱的输入端与所述纯凝式小汽机的一侧的轴端相连，所述变频发电机的输出端与所述风机的输入端相连。

在另一优选例中，所述定速比齿轮箱位于所述风机和变频发电机之间，并且所述定速比齿轮箱的输入端与所述变频发电机的输出端相连，所述定速比齿轮箱的输出端与所述风机的输入端相连。

在另一优选例中，所述风机包括：介质为空气或烟气的风机、介质为空气或燃气的压缩机、燃气轮机。

本发明第二方面提供了一种蒸汽发电机组，所述发电机组配置有第一方面所述的系统。

本发明第三方面提供了一种调节纯凝式小汽机驱动风机系统中风机转速的方法，所述系统包括纯凝式小汽机和风机，在所述系统中增设变频发电机，通过调节所述变频发电机的输出，从而控制所述纯凝式小汽机的转速，从而控制所述风机的转速。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为现有的纯凝式小汽机驱动风机系统示意图。

图2为本发明实施例1的系统一种示意图。

图3为本发明实施例1的系统另一种示意图。

图4为本发明实施例2的系统示意图。

图5为本发明实施例3的系统示意图。

具体实施方式

发明人经过深入广泛的研究，发现通过与纯凝式小汽机同轴连接变频发电机，不仅可通过控制变频发电机的出力方式，部分或全部代替调节阀方式，以控制小汽机的转速，从而控制风机的转速，而且可利用变频发电机进行发电，从而充分利用了小汽机的出力。本发明小汽机的调节阀的开度可长期保持高开度（开度范围为70％-100%），大大减少了节流造成的损失，并且充分利用小汽机的出力，使得小汽机的运行效率的提高了8%-20％。在此基础上完成了本发明。

如本文所用，“变频发电机”是指相对于常规发电为固定频率的发电机而言，发电的频率随时在较大范围变化的发电机。

如本文所用，“纯凝式小汽机”、“纯凝式小汽轮机”、“小汽机”和“小汽轮机”可互换使用，是指排汽到低于大气压的凝汽器的汽轮机。

如本文所用，“同轴相连”是指各设备连接在同一转动轴系上。

变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统

本发明的变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统是在大容量高参数汽轮机发电厂中，发电机组所配置的用于将空气、烟气或燃气等工质的压力提高后，供给后续工艺系统所不可缺少的系统之一。

本发明的系统包括：纯凝式小汽机、风机和变频发电机，其中，纯凝式小汽机设有进汽管道、排汽管道和调节阀，进汽管道的蒸汽来自发电机组热力系统的高压蒸汽，排汽管道与公用或独立配置的凝汽器连接，调节阀设置在进汽管道上，用于调节高压蒸汽的通汽量；

本发明的风机包括介质为空气的风机、介质为空气的压缩机、工质为烟气其它风机、介质为燃气的压缩机或燃气轮机等。

变频发电机与风机一起连接于纯凝式小汽机的同一转动轴系上。变频发电机与风机可分别与纯凝式小汽机两侧的轴端相连，也可连接于纯凝式小汽机的同一轴端。

当变频发电机与风机分别位于纯凝式小汽机两侧的轴端时，并且当风机与纯凝式小汽机，或者纯凝式小汽机和变频发电机之间的转速比值较大时，可在纯凝式小汽机和变频发电机之间，和/或在风机和纯凝式小汽机之间的转动轴上设置具有离合器功能定速比齿轮箱或离合器。以调节两者的转速比值，满足发电机组负荷变化的需要。

定速比齿轮箱或离合器位于纯凝式小汽机和变频发电机之间时，定速比齿轮箱或离合器的输入端与纯凝式小汽机的一侧的轴端相连，风机的输入端与纯凝式小汽机的另一侧的轴端相连。

定速比齿轮箱或离合器位于风机和纯凝式小汽机之间时，定速比齿轮箱或离合器的输入端与纯凝式小汽机的一侧的轴端相连，变频发电机的输入端与纯凝式小汽机的另一侧的轴端相连。

当变频发电机与风机位于纯凝式小汽机同一轴端时，变频发电机的输入端与纯凝式小汽机的一侧的轴端相连，变频发电机的输出端与风机的输入端相连。可根据具体需要，在纯凝式小汽机和变频发电机之间，或者在风机和变频发电机之间的转动轴上设置具有离合器功能定速比齿轮箱或离合器。

定速比齿轮箱或离合器位于风机和变频发电机之间时，定速比齿轮箱或离合器的输入端与变频发电机的输出端相连，定速比齿轮箱或离合器的输出端与风机的输入端相连。

定速比齿轮箱或离合器位于纯凝式小汽机和变频发电机之间时，定速比齿轮箱或离合器的输入端与纯凝式小汽机的一侧的轴端相连，变频发电机的输出端与风机的输入端相连。

由于本发明的纯凝式小汽机驱动风机系统通过控制变频发电机的出力调节风机的转速，以满足发电机组负荷变化的需要，因此，在全年大多数的运行时间内，纯凝式小汽机的调节阀的开度可长期保持高开度（开度范围在70％-100%），即使当机组负荷变低时，可通过风机转速的变化，充分利用纯凝式小汽机的出力，通过变频发电机发电，不仅显著减少了节流损失，而且提高了纯凝式小汽机的运行效率，提高电厂的售电收益。

本发明还包括配置有变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统的蒸汽发电机组。

本发明的系统既可通过风机转速的调节以满足发电机组负荷变化的需要，也可通过变频发电机发电以提高电厂的售电收益，变频发电机所发出的变频电可以直接全部或部分供给变频电用户，也可全部或部分通过变流器，变成与电网匹配的变频电，供给厂内或厂外电网。如果变频发电机发出的电与电网之间电压不同，则可以通过设置变压器，将所发的电变压到与电网匹配的电压。

在现有的蒸汽发电机组所配置的纯凝式小汽机驱动风机系统中，全年大多数运行时间，特别是机组低负荷时，小汽轮机出力都未充分利用。例如为了满足机组长年夏季满发的需要，对1台1000MW蒸汽发电机组通常配置2台50%容量的小汽轮机驱动风机系统。风机的额定工况所需功率约为6000kW，而配套的小汽轮机最大出力约为10000kW，每台机组小汽轮机出力裕量为（10000-6000）x2=8000kW。因此每台机组的小汽轮机平均未利用功率为8000kW以上，这种裕量配置存在很大问题。

此外，由于小汽机需要节流，降低出力，与风机（如风机）所需功率匹配，因此小汽机的调节阀开度较小，常见开度在50%以下。存在明显节流损失。影响小汽机运行效率8%以上。

与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：

(1)将目前系统中纯凝式小汽机调节阀的常见开度从50％以下提高至70％-100%，并且能够长期保持高开度水平，显著减少了小汽机因与驱动设备所需功率相匹配而节流所造成的损失。

(2)本发明的纯凝式小汽机的运行效率可提高8%-20％，每台1000MW机组年节约标煤4000吨以上，大幅降低运行成本，并达到减少污染物排放的综合效益。

(3)本发明的系统充分利用小汽机的做功能力，通过变频发电机发电，每台1000MW机组每年可对外多供电6000万千瓦，直接经济收益1200万元以上。

本发明提到的上述特征，或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以任何被提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例1

如图2-3所示，本实施例的变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统包括纯凝式小汽机1、风机2和变频发电机3，其中，纯凝式小汽机1设有进汽管道11、排汽管道12和调节阀13，进汽管道11的蒸汽来自发电机组热力系统的高压蒸汽，排汽管道12与公用或独立配置的凝汽器6连接，调节阀13设置在进汽管道11上，用于调节高压蒸汽的通汽量，在本实施例中，调节阀13的开度长期保持高开度（70%-100％）。

风机2位于纯凝式小汽机1一侧的轴端，根据风机2与纯凝式小汽机1之间的转速比例，在风机2与纯凝式小汽机1之间选择性地设置定速比齿轮箱4，定速比齿轮箱4与纯凝式小汽机1同轴连接，定速比齿轮箱4的输入端与纯凝式小汽机1一侧的轴端相连，定速比齿轮箱4的输出端与风机2的输入端相连。

变频发电机3位于纯凝式小汽机1另一侧的轴端，根据变频发电机3与纯凝式小汽机1之间的转速比例，在变频发电机3与纯凝式小汽机1之间选择性地设置定速比齿轮箱4或离合器5，定速比齿轮箱4或离合器5与纯凝式小汽机1同轴连接，定速比齿轮箱4或离合器5的输入端与纯凝式小汽机1另一侧的轴端相连，定速比齿轮箱4或离合器5的输出端与变频发电机3的输入端相连。

本实施例的系统工作原理如下：

当小汽机正常运行时，小汽机调节阀保持高开度（70%-100%）。高压蒸汽通过进汽管道进入小汽机，做功后的低压蒸汽通过排汽管道排到真空凝汽器。蒸汽推动小汽机转动，从而拖动同轴的风机转动。

纯凝式小汽机的另一轴端拖动变频发电机转动，通过调节变频发电机的输出变大或变小，控制纯凝式小汽机的负载相应地变大或变小，从而使纯凝式小汽机的转速相应地变小或变大，进而控制风机的转速变小或变大，以满足不同的工况要求。

换言之，即通过控制变频发电机的输出（出力），可以部分或全部代替调节阀节流方式，控制小汽机的转速，从而高效满足风机转速控制要求的同时，提高了纯凝式小汽机的运行效率。

实施例2

如图4所示，本实施例的变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统与实施例1的系统不同之处在于：

风机2和变频发电机3位于纯凝式小汽机1的同一轴端，在纯凝式小汽机1和变频发电机3之间,选择性地设置定速比齿轮箱4，定速比齿轮箱4连接于纯凝式小汽机1的同一轴系上。定速比齿轮箱4的输入端与纯凝式小汽机1的一侧的轴端相连。变频发电机3的输入端与定速比齿轮箱4的输出端相连，变频发电机3的输出端与风机2的输入端相连。

本实施例的系统工作原理如下：

当蒸汽推动小汽机转动时，同时拖动同轴连接的风机转动，由于变频发电机与风机位于小汽机的同一轴端，且风机位于变频发电机的外侧。因此通过定速比齿轮箱的调节，小汽机进而驱动变频发电机转动发电。通过调节变频发电机的输出变大或变小，从而控制风机的转速以满足不同的工况要求。

实施例3

如图5所示，本实施例的变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统与实施例2的系统不同之处在于：

在风机2和变频发电机3之间,选择性地设置定速比齿轮箱4，定速比齿轮箱4连接于纯凝式小汽机1的同一轴系上。定速比齿轮箱4的输入端与变频发电机3的输出端相连，定速比齿轮箱4的输出端与风机2的输入端相连。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种变频发电机调速的纯凝式小汽机驱动风机系统，其特征在于，所述系统包括纯凝式小汽机、风机、定速比齿轮箱和变频发电机，其中，

所述纯凝式小汽机、风机和变频发电机同轴相连；

通过控制所述变频发电机的输出，从而控制所述纯凝式小汽机的转速，从而控制所述风机的转速；其中

所述风机和变频发电机连接于所述纯凝式小汽机的同一轴端，所述定速比齿轮箱与所述纯凝式小汽机、风机和变频发电机同轴相连，并且所述定速比齿轮箱位于所述纯凝式小汽机和变频发电机之间；以及

所述纯凝式小汽机设有进汽管道，所述进汽管道上设有调节阀，所述调节阀的开度长期保持高开度，开度的范围为70％-100％。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述风机包括：介质为空气或烟气的风机。

3.一种蒸汽发电机组，其特征在于，所述发电机组配置有权利要求1所述的系统。

4.一种调节纯凝式小汽机驱动风机系统中风机转速的方法，所述系统包括纯凝式小汽机和风机，其特征在于，在所述系统中增设定速比齿轮箱和变频发电机，其中

所述风机和变频发电机连接于所述纯凝式小汽机的同一轴端，所述定速比齿轮箱与所述纯凝式小汽机、风机和变频发电机同轴相连，并且所述定速比齿轮箱位于所述纯凝式小汽机和变频发电机之间；以及

所述纯凝式小汽机设有进汽管道，所述进汽管道上设有调节阀，所述调节阀的开度长期保持高开度，开度的范围为70％-100％；

通过调节所述变频发电机的输出，从而控制所述纯凝式小汽机的转速，从而控制所述风机的转速。