CN103711532A - 具有蒸汽涡轮机抽汽控制的蒸汽发电设备 - Google Patents

Abstract

在此提供了一种发电设备及其运行方法。这种发电设备包括：一个用于加热多种过程流体的锅炉（10）；以及一个多级式第一蒸汽涡轮机（14），该多级式第一蒸汽涡轮机具有穿过该锅炉（10）的一个输出管线（15）。该输出管线（15）包括一个抽汽管线（141），该抽汽管线被配置并且安排成用于从该第一蒸汽涡轮机（14）的一个中间级中抽取蒸汽并且对这些过程流体中的至少一种进行加热。

Description

具有蒸汽涡轮机抽汽控制的蒸汽发电设备

技术领域

           本发明总体上涉及用于控制蒸汽发电设备的方法和系统并且更确切地涉及使用抽汽作用来控制发电设备的蒸汽发生器的热的再热器温度，特别是在低涡轮机负荷下。 

背景技术

            如美国专利号5,605,118中所描述的，现代的蒸汽发生器可以包括不同热单元和液压单元的复杂构型，以用于预热和蒸发水并且产生过热蒸汽。此类单元典型地被设计成用于确保在使颗粒和气态污染物的排放量最小的情况下完全且有效的燃料燃烧，在所希望的压力、温度和流速下产生蒸汽，并且使燃料燃烧时产生的热量的回收最大化。 

            蒸汽发生器典型地形成蒸汽设备的一部分，该蒸汽设备进一步包括一系列从来自蒸汽发生器的蒸汽中抽取功的蒸汽涡轮机以及一个凝集液返回系统，在该返回系统中经凝集的蒸汽被返回至该蒸汽发生器。如在PCT专利申请2011/057881 A1中所描述的，蒸汽可以从这个系列的最后一个蒸汽涡轮机的中间级中抽出并且被用于在凝集液进入一个蒸汽发生器之前将其预加热。如在PCT申请号2011/141942 A1中所讨论的，中间级抽汽也可以用于在有机兰金循环中对工作流体进行再生。 

            现代蒸汽发生器的再热器和过热器典型地具有特殊设计的管束，这些管束能够将饱和蒸汽的温度升高至特定的蒸汽输出温度，同时确保金属温度不会变得太热并且使蒸汽流压力损失最小化。实质上，这些再热器和过热器是单相热交换器，它们包括多个管道，这些管道供蒸汽从中流过、并且供燃烧或燃料气体横跨经过。 

            典型地，再热器和过热器管束是由高温合金钢制造的。 

            这种再热器典型地为一个第二蒸汽涡轮机提供蒸汽，该第二蒸汽涡轮机流体地跟随一个第一蒸汽涡轮机，该第一蒸汽涡轮机典型地是从穿过该蒸汽发生器的一个进水循环被直接供水的。关于对应的膨胀状态，该第一蒸汽涡轮机典型地被称为高压或HP蒸汽涡轮机而该第二蒸汽涡轮机或蒸汽涡轮机群被称为中压或IP蒸汽涡轮机/蒸汽涡轮机群。 

            对于碳质燃料锅炉-涡轮机发电设备而言，可能重要的是由加热率和循环效率在窄的限度内对再热器蒸汽温度进行调节和控制，以便确保热的再热温度被保持为接近标称水平。当发电设备在低负荷下运行时（例如在再热部分的压力非常低时进行启动的过程中），这可能是特别具有挑战性的。取决于蒸汽发生器或锅炉的类型，在此类情况下，可能无法实现在主要持续定额（MCR）条件下所需要的再热器输出温度（RHO）。其结果是，该IP蒸汽涡轮机将不会接收被加热至最佳工作温度的蒸汽，因此要求采取控制措施。 

            在再热器表面被维持在有助于对流传热式热传递的条件下的一些设计中，一种用于控制再热器温度的已知方法涉及增加或减少流过再热器部分的烟道气体，以此来利用对流传热式热传递系数的变化。这种方法最常用于墙式燃烧单元，其中锅炉的第二通道被划分为直至省煤器和再热器的两个平行路径。典型地，此类设计确保了在低温过热器与再热器之间实现流动面积的三分之一比三分之二的比率。对于此类安排，可以将多个阻尼器定位在烟道气体通道的底部，在此这些阻尼器可以用于优化烟道气体的流动。有利地，这些阻尼器可以定位在较大的流动面积内，这样使得关闭这些阻尼器将会使烟道气体转向较小的流动面积，再热器表面位于这个较小的流动面积中。这增大了再热器蒸汽的热吸收并且因此升高了再热器的输出温度。作为替代方案，通过打开在另一个平行路径中的阻尼器来减小流动将会减小穿过再热器部分的烟道气体流速并且因此减小再热器蒸汽的输出温度。即使这个设计的逻辑是简单的，在煤和低等级燃料系统中使用此类系统可能造成构造和维护方面的挑战。 

            控制再热蒸汽温度的另一种方法涉及使锅炉中的燃烧器火焰移位。这特别适用于切向燃烧式锅炉。在这种方法中，多个燃烧器被定位在拐角处并且一致地向上或向下倾斜以便增加去向再热器表面的辐射热，以此影响过热器的热吸收。这种燃烧器倾斜机构被设计成使得在所有拐角处的所有燃烧器都基于再热器输出蒸汽温度而向上或向下倾斜。如果不将燃烧器协调性地移动则该倾斜机构具有卡住的趋势，这已经是使用低等级煤的一些运营商的经验。这种方法的第二个问题是，在低负荷运行过程中，燃烧倾斜的效果也许不足以防止这种热的再热温度下降得多于新蒸汽温度。 

            德国专利申请号44 47 044 C1披露了另一种调整再热器温度的方法，该方法涉及在一个第一高压蒸汽涡轮机的上游进行抽汽并且在排出蒸汽被再加热之前将这些所抽取的蒸汽添加至该高压蒸汽涡轮机的排出蒸汽中。 

            还存在着用于减小再热蒸汽温度的其他替代方法。例如，可以向进入再热器的流体引入水喷雾，也称之为直接式接触调和或解除过热。这种方案的一个问题是，它可能对循环效率具有负面影响。另一种方法是使用供应给锅炉的过量空气来控制再热器蒸汽温度。这种方法也可能对锅炉效率具有负面影响。其他方案包括从过热器和/或再热器中抽出蒸汽，然而遗留的问题是为所抽取的蒸汽寻找处置出路。所有这些替代方法的一个另外的缺点是，它们仅可以用于降低再热器温度并且因此当再热温度优选地需要被升高时不是有效的。 

            鉴于现有技术，看来本发明的一个目的是提供用于控制再热器温度的更有效的装置和方法，尤其是蒸汽路径中低的（即，小于工作性的）负荷或压力下。 

发明内容

            在此披露了一种发电设备，该发电设备可以在低负荷下有效运行。该发电设备通过这些独立权利要求的主题来着手解决低负荷下的低效率问题。在从属权利要求中给出了多个优选的实施例。 

            一个方面提供了一种发电设备，该发电设备具有一个用于加热多种过程流体的锅炉以及一个多级式第一蒸汽涡轮机，该多级式第一蒸汽涡轮机具有穿过该锅炉的一个输出管线。该输出管线包括一个抽汽管线，该抽汽管线被配置并且安排成用于从该蒸汽涡轮机的一个中间级中抽取蒸汽并且将此蒸汽用于对这些过程流体中的至少一种进行加热。 

            一个方面进一步提供了一个控制系统，该控制系统包括位于该抽汽管线中的一个控制阀，用于调制穿过该抽汽管线的流速。该控制系统进一步包括：一个温度测量装置，该温度测量装置被配置并安排成用于测量该输出管线中的过程流体的温度；以及一个控制装置，该控制装置被配置并安排成用于依据该温度测量来调制该控制阀。 

            另一个方面提供的是，该抽汽管线是连接至该锅炉上游的输出管线上。 

            该发电设备的另一个方面包括穿过该锅炉的一个锅炉给水管线以及位于该锅炉上游的锅炉给水管线中的一个第一预热器。一个蒸汽管线将该锅炉上游的输出管线流体性连接到该第一预热器上，以便能够对锅炉给水进行预加热。 

            另一个方面提供的是，该抽汽管线是连接至该蒸汽管线上游的输出管线上。 

            另一个方面提供的是，该抽汽管线是连接至在该锅炉与该蒸汽管线之间的输出管线（称为冷的再热管线）上。 

            另一个方面提供的是，该抽汽管线是连接至该蒸汽管线上。 

            一个方面进一步包括一个阀，该阀位于该蒸汽管线中、在该抽汽管线的连接点的任一侧上，该连接点将该抽汽管线流体性地并且选择性地连接到该输出管线或该第一预热器上。 

            一个方面进一步提供了在该第一预热器下游的锅炉给水管线中的一个第二预热器，其中该涡轮机抽汽管线被流体性连接至该第二预热器上以便能够用所抽取的蒸汽对锅炉给水进行预加热。 

            一个方面提供了一种运行发电设备的方法，该发电设备包括一个用于加热多种过程流体的锅炉以及一个多级式第一蒸汽涡轮机，该多级式第一蒸汽涡轮机具有穿过该锅炉的一个输出管线。该方法包括以下步骤：监测该第一蒸汽涡轮机输出管线的温度、从该第一蒸汽涡轮机的一个中间级中抽取蒸汽、并且使用所抽取的蒸汽来加热这些过程流体中的至少一种以便控制所监测的温度。 

            另一个方面提供的是，该加热步骤包括对在该锅炉与该第一蒸汽涡轮机之间的输出管线中的过程流体进行加热。 

            一个方面进一步提供了对该锅炉供给锅炉给水，其中该加热步骤的过程流体包括该锅炉给水。 

            本发明的另一个目的是要克服或者至少改善现有技术的缺点和缺陷、或者提供一种有用的替代方案。 

            结合通过举例来展示本发明的示例性实施例的附图，从以下说明中，本披露的其他方面和优点将变得清楚。 

附图说明

            通过举例，以下参考这些附图更全面描述了本披露的一个实施例，在附图中： 

            图1是结合了本披露若干优选实施例的一个发电设备的示意图；并且 

            图2是结合了本披露若干进一步优选实施例的另一个发电设备的示意图。 

参考数字 

10            锅炉 

11             锅炉给水管线 

111, 112  锅炉给水预热器 

12             过热器部分 

13             主蒸汽/管线/管道 

14             第一（HP）蒸汽涡轮机 

141           抽汽管线 

142           抽汽控制阀 

15             第一蒸汽涡轮机输出管线 

151           冷的再热（CRH）管线 

16             蒸汽管线 

161           阀 

17             热的再热（HRH）管线 

18             第二（IP）蒸汽涡轮机 

19             转子 

20             控制器 

T1             冷的再热（CRH）蒸汽温度 

T2             旁通蒸汽温度 

T3             再热输入温度 

T4             热的/输出再热（HRH）蒸汽温度 

T5             主/新蒸汽温度。

具体实施方式

            现在参考附图来描述本披露的多个示例性实施例，其中通篇使用同样的参考数字来指代同样的要素。在以下说明中，出于解释的目的给出了众多具体细节以提供对本披露的透彻理解。然而，可以实施本披露而没有这些具体细节，并且本披露不局限于在此披露的这些示例性实施例。 

            图1示出了被设计用于向公共电网提供电力的蒸汽发电设备的一个部分的示意图。该设备包括用于从锅炉给水过程流体流来产生蒸汽的一个锅炉10。如图1中所示，锅炉给水通过一个锅炉给水管线11穿过一个任选的预热器111、然后进一步穿过该锅炉10。在不同的示例性实施例中，锅炉10是直接通过化石燃料例如煤或天然气而燃烧的、或是通过二次热交换循环形式的非对流热源或本行业中已知的其他方式而燃烧的。 

            新蒸汽是在锅炉10中包含的多个热交换器的级联中产生的，然后离开锅炉10。主蒸汽管线起到进料管13的作用，该进料管通向一个第一蒸汽涡轮机14的入口中。在一个示例性实施例中，该第一蒸汽涡轮机14是具有多个涡轮机级的一个高压（HP）蒸汽涡轮机。在该HP蒸汽涡轮机14的出口处，部分膨胀的过程流体（在此情况下为蒸汽）通过一个输出管线15返回至锅炉10以便再加热。输出管线15在高压蒸汽涡轮机14（它是在该蒸汽涡轮机的最后一级之后）的排放口与锅炉10之间延伸的部分限定了该输出管线15的一个冷的再热管线151的部分。 

            在连接到一个第二蒸汽涡轮机18上之前，该输出管线15穿过了锅炉10。输出管线15的从锅炉到第二蒸汽涡轮机18的最后部分限定了一个热再热管线17的部分。在一个示例性实施例中，第二蒸汽涡轮机18是一个中压（IP）蒸汽涡轮机。在图1所示的实施例中，第一和第二蒸汽涡轮机14、18共用一个单一转子19，该转子驱动一个（未示出）发电机。在其他未示出的示例性实施例中，蒸汽涡轮机14、18具有分开的轴。在另一个补充的示例性实施例中，该发电设备包括一个额外的IP蒸汽涡轮机和/或可以具有额外再加热回路的一个或多个低压（LP）蒸汽涡轮机。从以下说明中清楚的是，本发明的原理可以应用于这些蒸汽发电设备构型中的任何一种。 

            如图1所示的发电设备进一步包括从该第一蒸汽涡轮机14的一个中间级中抽取蒸汽的一个抽汽管线141。在这一背景中，中间级被定义为流体性位于蒸汽涡轮机14的第一级或入口/输入级与蒸汽涡轮机14的最后一级或出口/排出级之间的一种桨叶/叶片组合。 

            在图1和图2所示的不同示例性实施例中并且如下文中描述的，所抽取的蒸汽被用于对进入锅炉10的过程流体进行加热，其目的是在例如低设备负荷期间升高或维持该热的再热管线17的温度T4，以便防止热的再热温度T4下降以及所造成的效率损失。这些不同的示例性实施例可以独立地应用或附加于已知的控制热的再热温度T4的方法之上而应用。 

            在图1所示的示例性实施例中，所抽取的蒸汽通过抽汽管线141被导入冷的再热管线151中以便升高流入锅炉10中的蒸汽的输入温度T3。如果对锅炉10施加恒定或类似的热输入，则从抽汽管线141添加蒸汽将导致再热器输出（RHO）蒸汽温度T4的升高。 

            在图1所述的示例性实施例中，抽汽管线141中的一个抽汽阀142被配置成用于调制从高压蒸汽涡轮机14中获取的抽取蒸汽的量值，其目的是通过将抽取蒸汽导入冷的再热器（CRH）15中来控制热的再热温度T4。热的再热温度T4被定义为热的再热管线17中的蒸汽的温度。这个实施例可以进一步包括一个控制系统，该控制系统包括一个抽汽阀142和一个已知类型的控制器20，用于对穿过输出管线15的蒸汽的温度进行自动控制。 

            取决于该抽汽控制阀142的设计和工作参数，该抽取蒸汽可具有的温度T2高于从HP蒸汽涡轮机中排出的冷的再热蒸汽的温度T1。通过将来自抽汽管线141的蒸汽与冷的再热管线15中的HP排出蒸汽进行混合，再热器进口处的蒸汽温度T3升高。其结果是，热的再热温度T4可以维持在IP蒸汽涡轮机18的最佳运行水平上，即使在低负荷下。 

            如图1中所示，一个示例性实施例包括位于锅炉给水管线11中的一个第一预热器111。该预热器的目的是在锅炉给水进入锅炉10中时升高该锅炉给水的温度，因此对于给定的锅炉负荷而言影响了主/新蒸汽温度T5、冷的再热温度T3以及热的再热温度T4的相对温度。在一个示例性实施例中，冷的再热蒸汽的一部分通过一个蒸汽管线16被导入该第一预热器111中。 

            图1所示的一个示例性实施例进一步包括在一个点的上游注入抽取蒸汽，在这个点处预热器111、112的一个蒸汽管线16从第一蒸汽涡轮机输出管线15分支出。这升高了冷的再热蒸汽在进入预热器111、112之前的温度。其结果是，需要较少质量的蒸汽来在预热器111、112中进行相同量的预加热。 

            在图1所示的另一个示例性实施例中，除了流入冷的再热管线151中的抽取蒸汽之外或代替该蒸汽，该抽取蒸汽被导入位于锅炉给水管线11中的一个第二预热器112中。该第二预热器112可以串联地位于第一预热器的下游（如图1所示）、或者另外可以取代该第一预热器111。这种安排能够实现新蒸汽T5与热的再热蒸汽T4的平衡，这是通过使得抽取蒸汽能够替代地仅导向该第二预热器112、仅导向冷的再热管线151、同时导向第二预热器及冷的再热管线151二者、或者既不导向第二预热器也不导向冷的再热管线151。这种运行灵活性简化了发电设备的温度优化并且因此使得该发电设备能够以更高的平均效率来运行。 

            在图2所示的一个示例性实施例中，取代将抽汽管线141连接至冷的再热管线151上，抽汽管线141是在冷的再热管线151与第一预热器111之间的一个点处连接至蒸汽管线16上。通过在这个连接点的每一侧上均定位阀161，这有可能将抽取蒸汽选择性地导入冷的再热管线151或导入第一预热器111。这种安排对于图1所示的替代安排可能是优选的，以用于改造原先没有被配置成用于蒸汽抽取的设备。 

            虽然本披露在此是以被认为是最实际的示例性实施例来进行图示和描述，但应当认识到本披露可以按其他具体形式来实施。因此，在此披露的这些实施例在所有方面都被认为是说明性的而并非限制性的。因此，本披露的范围是由所附权利要求而不是以上说明来指明的，并且进入其含义、区域以及等效物之内的所有变更都旨在被包含于其中。

Claims (11)

1.一种发电设备，包括： 

    锅炉（10），该锅炉用于加热多种过程流体； 

    多级式第一蒸汽涡轮机（14），该多级式第一蒸汽涡轮机具有穿过该锅炉（10）的输出管线（15），该输出管线（15）包括抽汽管线（141），该抽汽管线被配置并且安排成用于从该第一蒸汽涡轮机（14）的中间级中抽取蒸汽并且对这些过程流体中的至少一种进行加热； 

    控制系统，该控制系统包括： 

       抽汽控制阀（142），该抽汽控制阀位于该抽汽管线（141）中用于调制穿过该抽汽管线（141）的流速； 

       温度测量装置，该温度测量装置被配置并安排成用于测量在该输出管线（15）中的过程流体的温度（T3）；以及 

       控制器（20），该控制器被配置并安排成用于依据该温度测量来调制该抽汽控制阀（142）。

2. 如权利要求1所述的发电设备，其中，该抽汽管线（141）是连接至该锅炉（10）上游的输出管线（15）上。

3. 如权利要求1所述的发电设备，进一步包括： 

    锅炉给水管线（11），该锅炉给水管线穿过该锅炉（10）； 

    第一预热器（111），该第一预热器位于该锅炉（10）上游的锅炉给水管线（11）中； 

    蒸汽管线（16），该蒸汽管线将该锅炉（10）上游的输出管线（15）流体性连接到该第一预热器（111）上，以便能够对穿过该锅炉给水管线（11）的锅炉给水进行预加热。

4. 如权利要求3所述的发电设备，其中，该抽汽管线（141）是连接至该蒸汽管线（16）上游的输出管线（15）上。

5. 如权利要求3所述的发电设备，其中，该抽汽管线（141）是连接在该锅炉（10）与该蒸汽管线（16）之间的输出管线（15）上。

6. 如权利要求3所述的发电设备，其中，该抽汽管线（141）是在一连接点处连接至该蒸汽管线（16）上。

7. 如权利要求6所述的发电设备，进一步包括阀（161），该阀位于该蒸汽管线（16）中、在该连接点的任一侧上以便将该抽汽管线（141）流体性地并且选择性地连接到该输出管线（15）或该第一预热器（111）上。

8. 如权利要求3或5所述的发电设备，进一步包括： 

    位于该第一预热器（111）下游的锅炉给水管线（11）中的第二预热器（112）； 

    其中该抽汽管线（141）被流体性连接至该第二预热器（112）上从而能够用所抽取的蒸汽对穿过该锅炉给水管线（11）的锅炉给水进行预加热。

9. 一种用于运行发电设备的方法，该方法包括： 

    用于加热多种过程流体的锅炉（10）；以及 

    多级式第一蒸汽涡轮机（14），该多级式第一蒸汽涡轮机具有该穿过该锅炉（10）的输出管线（15）， 

该方法包括以下步骤 

    监测该输出管线（15）的温度（T1，T3，T4）; 

    从该第一蒸汽涡轮机（14）的中间级中抽取蒸汽；并且 

    使用所抽取的蒸汽来加热这些过程流体中的至少一种从而控制所监测的温度（T1，T3，T4）。

10. 如权利要求9所述的方法，其中，该加热步骤包括对该锅炉（10）与该第一蒸汽涡轮机（14）之间的输出管线（15）中的过程流体进行加热。

11. 如权利要求9或10所述的方法，进一步包括对该锅炉（10）供应锅炉给水，其中该加热步骤的过程流体包括该锅炉给水。

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