CN104975887B - 一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火力发电厂锅炉给水泵驱动汽轮机及回热系统，具体为一种用于火力发电厂的给水泵复合式汽轮机驱动系统，包括抽汽凝汽式小汽轮机、抽凝小机6′号低压加热器、抽凝小机7′号低压加热器和凝结水流量调节阀，抽汽凝汽式小汽轮机的输出端和锅炉给水泵连接，抽凝小机6′号低压加热器和抽凝小机7′号低压加热器都分别通过抽汽管道与抽汽凝汽式小汽轮机连接，抽凝小机6′号低压加热器通过凝结水管道和抽凝小机7′号低压加热器、凝结水流量调节阀串联，且串联形成的凝结管路并联在主机6号低压加热器、主机7号低压加热器和主机凝结水流量调节阀串联形成的凝结管路两端，解决目前困扰直接空冷机组的给水泵配置方式和能耗偏高的问题。

Description

一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统

技术领域

本发明涉及火力发电厂锅炉给水泵驱动汽轮机及回热系统，具体为一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统。

背景技术

直接空冷机组中主汽轮机（简称主机）抽汽及给水泵热力系统如图1所示，其中来自锅炉的主蒸汽进入主机高压缸HP做功后回到锅炉BR进行再热，来自锅炉BR的再热蒸汽进入主机中压缸IP做功后排入主机低压缸LP继续做功，乏汽最后排入排气装置E凝结后形成凝结水，凝结水由凝结水泵C依此通过主机7、6、5号低压加热器，分别利用主机7、6、5段抽汽加热后，进入除氧器4，凝结水在除氧器4由主机4段抽汽加热除氧后，由给水泵P依此通过主机3、2、1号高压加热器，分别利用主机3、2、1段抽汽加热，给水最终进入锅炉BR，加热成为过热蒸汽，锅炉给水泵P通过凝汽式小汽轮机（简称纯凝小机）T驱动，纯凝小机汽源来自主机4段抽汽，纯凝小机通常还配置有间接空冷系统。

给水泵是火力发电厂功率最大的辅机，大容量直接空冷机组的锅炉给水泵配置受制约因素较多，目前是一个比较棘手的问题。湿冷机组的给水泵大多采用纯凝小机驱动的方式，是一种成熟可靠的配置方式，间接空冷机组一般也采用这种方式，直接空冷机组采用这样方式通常需要单独为纯凝小机设置间接空冷系统，会导致系统复杂、占地面积和造价增加。纯凝小机排汽直接排入主机排汽装置的方式仅少量工程采用，且对机组安全性和效率均有一定程度影响，而主机直接驱动锅炉给水泵的方式，在国内还处在方案研究阶段。

空冷机组夏季背压一般高于设计背压15kPa以上，而湿冷机组夏季背压与设计背压的差值仅6kPa左右，由于背压变化范围较大，空冷机组给水泵的设计工况点与经常运行工况点的偏差要明显大于湿冷机组，驱动给水泵的纯凝小机在夏季背压下为满足驱动给水泵的需求，纯凝小机的设计通流能力进一步加大。如果直接空冷机组采用纯凝小机排汽直接排入主机排汽装置的方式，还需要进一步考虑夏季因大风引起的背压突降工况，纯凝小机还需要再增加设计裕量，设计裕量层层叠加，导致纯凝小机运行效率低下。

另外，随着机组向高参数的方向发展，超超临界机组再热蒸汽温度已达620℃,并向700℃方向发展，主机3段抽汽（中压缸第1级抽汽）的温度和过热度不断提高，即使在设置外置蒸汽冷却器的情况下，3段抽汽的高品质能量仍得不到更合理的利用，影响机组回热循环效率。

发明内容

本发明为了解决目前困扰直接空冷机组的给水泵配置方式和能耗偏高的问题，提供了一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，并适用于间接空冷和湿冷机组，且有助于提高机组循环效率。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，包括抽汽凝汽式小汽轮机（简称抽凝小机）、抽凝小机6′号低压加热器、抽凝小机7′号低压加热器和抽凝小机凝结水流量调节阀，抽凝小机的输出端和锅炉给水泵连接，抽凝小机6′号低压加热器和抽凝小机7′号低压加热器都分别通过抽汽管道与抽凝小机连接，抽凝小机6′号低压加热器通过凝结水管道和抽凝小机7′号低压加热器、抽凝小机凝结水流量调节阀串联，且串联形成的凝结水管路并联在主机6号低压加热器、主机7号低压加热器和主机凝结水流量调节阀串联形成的凝结管路两端。

抽凝小机汽源来自主汽轮机4段抽汽，排汽排至主机的排汽装置，抽汽排入抽凝小机6′号低压加热器、抽凝小机7′号低压加热器，抽汽口数量可以优化选择，抽汽通过分流部分主机的凝结水来凝结，这部分凝结水被加热后，视温度情况，汇入主机凝结水系统适当的位置。在主机运行背压正常时，抽凝小机的6′号低压加热器、7′号低压加热器正常投入，当主机在较高背压工况运行时，可通过抽凝小机凝结水流量调节阀逐步减小流过抽凝小机6′号低压加热器、抽凝小机7′号低压加热器的凝结水量，从而减少抽凝小机的抽汽量，以提高抽凝小机的出力，满足所驱动给水泵的功率需求，视主机背压情况，直至将抽汽流量减到零，这样就避免了采用现有技术的纯凝小机造成裕量过大、运行效率较低的问题，而且抽凝小机的排汽可以排入主机排汽装置，而不必要单独设置间接空冷系统。

上述的一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，还包括背压式小汽轮机（简称背压小机）和离合器，背压小机的驱动端通过离合器和抽凝小机的输入端连接，主机3号高压加热器通过蒸汽管道与背压小机的排汽管道连接，主机3号高压加热器通过给水管道和主机2号高压加热器连接。

背压小机和抽凝小机也可以通过变速离合器（即一体化的齿轮箱加离合器）相连接，设计时可以分别灵活选择各自的设计转速，有助于各自效率的提高，对锅炉给水泵的调节通过抽凝小机的进汽调节阀完成，而背压小机进汽阀门则保持全开，不做调节，轴功率通过离合器（或变速离合器）传递给抽凝小机，这样不仅使背压小机保持高效运行，而且还避免了因进汽阀门调节引起蒸汽流量变化，造成其所接带的高压加热器水位波动或调节困难。

当主机高压加热器系统故障，主给水切换至旁路运行，高压加热器退出运行时，背压小机可以通过离合器从轴系中切出，退出运行，而不会影响到给水泵运行，根据抽凝小机能满足给水泵轴功率的情况，机组仅需要限制部分出力即可。

上述的一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，主机3号高压加热器可被替代为主机3a号高压加热器和主机3b号高压加热器，背压小机被替代为抽汽背压式小汽轮机（简称抽背小机），主机3a号高压加热器与抽背小机的抽汽管道连接，主机3b号高压加热器则与抽背小机的排汽管道连接。整体优化包括主机1号高压加热器、主机2号高压加热器在内的全部高压给水系统的各台高压加热器的温升，可以使给水回热系统更加合理，并有助于提高抽背小机的效率。

本发明的有益效果是：

1）现有技术的纯凝小机，要满足夏季背压及背压突降工况的轴功率需求，需要较大的设计蒸汽通流量，这就意味着在正常运行工况，纯凝小机负荷率较低，会长期偏离设计工况运行，导致效率较低。纯凝小机较大的蒸汽通流量，则需要的排汽面积也较大，就需要选择较长的末级叶片，但较长的末级叶片在夏季高背压工况下运行，会导致较严重的鼓风损失，尤其是在给水泵轴功率偏低的情况下，严重影响纯凝小机效率；若选择较短的末级叶片，虽然能满足夏季高背压工况的需要，但纯凝小机的阻塞背压会相应升高，影响在正常背压下运行的效率，即夏季要求大的进汽量和小的排汽面积，冬季要求相对较小的进汽量和较大的排汽面积，使空冷小机在设计上陷入两难境地。本发明所述的复合式给水泵汽轮机中的抽凝小机的通流设计可以很好的满足机组THA（热耗考核工况）、VWO（阀门全开工况）、TRL（能力工况，即夏季背压满出力工况）等运行工况，在现有纯凝小机的基础上，增加可调节抽汽，根据工况的需要，适时调节抽汽量，在满足给水泵轴功率的情况下，使小机的排汽量和背压、通流量和轴功率得到了合理的匹配，也有效解决了进汽量同排汽量之间的矛盾。

2）现有技术的背压小机（或抽背小机）曾在美国盛行了一个时期，也用于给水泵驱动，由于在机组运行中给水泵要进行给水流量动态调节，背压小机（或抽背小机）的抽汽或排汽分别排入高压加热器或除氧器，会引起其水位波动，因而，不利于机组负荷快速响应，另外，背压小机（或抽背小机）的内效率要低于相同功率纯凝小机，后来逐步被纯凝小机所取代。而且，背压小机（或抽背小机）的效率也无法与主机中压缸效率相比，背压小机（或抽背小机）的汽源取自主机高压缸排汽，其焓值相对较低，背压小机（或抽背小机）承担全部给水泵轴功率需要较大的蒸汽流量，因而进入锅炉再热器的蒸汽流量就会显著减少，对再热循环削弱较多，虽然提高了回热循环效率，但机组整体热耗收益不大。本发明所述的复合式给水泵汽轮机中的背压小机（或抽背小机）不单独驱动给水泵，而是通过离合器（或变速离合器）与抽凝小机相连，负荷调节由抽凝小机完成，背压小机（或抽背小机）始终保持阀门全开工况运行，不做调节，一方面可以使所接带的高加水位控制比较容易，同时也使背压小机（或抽背小机）始终在设计效率点附近运行，在相同技术条件下，效率高于现有参与负荷调节的背压小机（或抽背小机）。另外，背压小机（或抽背小机）的蒸汽流量仅限于满足机组回热系统的需要，只承担给水泵的所需的部分轴功率，而不同于现有技术全部承担给水泵轴功率的做法，对机组热再蒸汽流量影响比较小，也就对机组再热循环效率影响较小，对于600MW级超超临界高效型以上容量和参数的机组来说，提高回热循环效率的作用要大于削弱的再热循环的作用，整机效率提高。

3）本发明所述的复合式给水泵汽轮机中的抽凝小机的排汽可以直接排入主机排汽装置，在主机背压大范围变化时，不会对抽凝小机的效率造成影响，对于直接空冷机组，不必要为抽凝小机专门设置间接空冷系统，可简化系统、减少占地，降低直接空冷机组的工程造价。

4）本发明所述的复合式给水泵汽轮机可以整体实施，也可以单独实施抽凝小机部分，整体实施时，为了尽可能提高背压小机（或抽背小机）效率，优先选择单列布置（1×100%容量），单独实施抽凝小机部分时，可根据工程需要，灵活选择单列或双列布置（2×50%容量）。

附图说明

图1为主机抽汽及给水泵热力系统示意图。

图2为背压小机与抽凝小机复合驱动给水泵及主机热力系统图。

图3为抽背小机与抽凝小机复合驱动给水泵及主机热力系统图。

图中：B-背压式小汽轮机，CN-抽汽凝汽式小汽轮机，S-离合器，P-锅炉给水泵，CB-抽汽背压式小汽轮机，1-主机1号高压加热器，2-主机2号高压加热器，3-主机3号高压加热器，4-除氧器，5-主机5号低压加热器，6-主机6号低压加热器，7-主机7号低压加热器，8-主机凝结水流量调节阀，6′-抽凝小机6′号低压加热器，7′-抽凝小机7′号低压加热器，8′-抽凝小机凝结水流量调节阀，3a-主机3a号高压加热器，3b-主机3b号高压加热器，BR-锅炉，HP-主机高压缸，IP-主机中压缸，LP-主机低压缸，G-发电机，E-排汽装置，C-凝结水泵，T-纯凝小机。

具体实施方式

如图2、图3所示，一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，包括抽汽凝汽式小汽轮机CN、抽凝小机6′号低压加热器6′、抽凝小机7′号低压加热器7′和抽凝小机凝结水流量调节阀8′，抽汽凝汽式小汽轮机CN的输出端和锅炉给水泵P连接，抽凝小机6′号低压加热器6′和抽凝小机7′号低压加热器7′都分别通过抽汽管道与抽汽凝汽式小汽轮机CN连接，抽凝小机6′号低压加热器6′通过凝结水管道和抽凝小机7′号低压加热器7′、抽凝小机凝结水流量调节阀8′串联，且串联形成的凝结水管路并联在主机6号低压加热器6、主机7号低压加热器7和主机凝结水流量调节阀8串联形成的凝结管路两端。

如图2所示，上述的一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，还包括背压式小汽轮机B和离合器S，背压式小汽轮机B的驱动端通过离合器S和抽汽凝汽式小汽轮机CN的输入端连接，主机3号高压加热器3通过蒸汽管道与背压式小汽轮机B的排汽管道连接，主机3号高压加热器3通过给水管道和主机2号高压加热器连接。

如图3所示，上述的一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，主机3号高压加热器可被替代为主机3a号高压加热器（3a）和主机3b号高压加热器3b，背压式小汽轮机B被替代为抽汽背压式小汽轮机CB，主机3a号高压加热器3a与抽汽背压式小汽轮机CB的抽汽管道连接，主机3b号高压加热器3b则与抽汽背压式小汽轮机CB的排汽管道连接。

空冷机组在设计背压下运行时，抽凝小机的排汽比容较大，来自凝结水泵的主凝结水的一部分通过抽凝小机凝结水流量调节阀流过抽凝小机6′号低压加热器、抽凝小机7′号低压加热器，抽凝小机的抽汽通过抽汽管道排入抽凝小机6′号低压加热器、抽凝小机7′号低压加热器，这样就减小了抽凝小机的排汽质量流量和容积流量，使末级的余速损失和鼓风损失均较小；当空冷机组在TRL（能力工况，即夏季背压满出力工况）工况运行时，流过抽凝小机低压加热器的凝结水流量减到零，抽汽流量为零，在该工况下，由于背压较高，虽然抽凝小机进入纯凝工况运行，排汽质量流量增加，但排汽比容较小，排汽的容积流量仍然可以与排汽面积相适应，末级余速损失和鼓风损失均可保持较小状态；根据机组背压的变化，适当调节流过抽凝小机低压加热器的凝结水流量，以改变抽凝小机的抽汽量，最终使抽凝小机在不同工况下，排汽量与背压均相适应，抽凝小机可以在较大的背压范围内均保持高效运行。

以660MW超超临界高效型机组为例，采用现有3段抽汽加热给水的方案，3段抽汽温度约520℃，过热度约285℃，换热熵增很大；即使设置了3号高压加热器的外置蒸汽冷却器，也仅仅是把过大的换热温差从3号高压加热器转移到了其外置蒸汽冷却器，机组热耗有所收益，但熵增依然很大，3段抽汽的高品质热能得不到最合理的利用。而抽背小机的抽汽和排汽分别排入3a、3b高压加热器，抽背小机的汽源来自主机高压缸排汽，不再经过锅炉再热器，在抽背小机中做功后，抽汽的过热度约60℃，排汽的过热度约40℃，已大大降低，换热温差和熵增明显减小。

抽背小机由于蒸汽压力相对较高，蒸汽比容相对较小，效率相对低于纯凝小机，但本发明中，抽背小机不做调节，运行中通过离合器（或变速离合器）将轴功率传递给抽凝小机，给水泵的轴功率调节通过抽凝小机完成，抽背小机保持阀门全开运行，从运行和设计角度还能使抽背小机较现有参与调节的方式效率有所提高。当抽背小机故障跳闸时，通过离合器（或变速离合器）切除，给水泵单独由抽凝小机驱动，功率不足时，可通过主机降负荷满足运行工况。

Claims (2)

1.一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，其特征在于包括抽汽凝汽式小汽轮机（CN）、抽凝小机六号低压加热器（6′）、抽凝小机七号低压加热器（7′）和抽凝小机凝结水流量调节阀（8′），抽汽凝汽式小汽轮机（CN）的输出端和锅炉给水泵（P）连接，抽凝小机六号低压加热器（6′）和抽凝小机七号低压加热器（7′）都分别通过抽汽管道与抽汽凝汽式小汽轮机（CN）连接，抽凝小机六号低压加热器（6′）通过凝结水管道和抽凝小机七号低压加热器（7′）、抽凝小机凝结水流量调节阀（8′）串联，且串联形成的凝结水管路并联在主机六号低压加热器（6）、主机七号低压加热器（7）和主机凝结水流量调节阀（8）串联形成的凝结管路两端，还包括背压式小汽轮机（B）和离合器（S），背压式小汽轮机（B）的驱动端通过离合器（S）和抽汽凝汽式小汽轮机（CN）的输入端连接，主机三号高压加热器（3）通过蒸汽管道与背压式小汽轮机（B）的排汽管道连接，主机三号高压加热器（3）通过给水管道和主机二号高压加热器（2）连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于火力发电厂的复合式给水泵汽轮机及热力系统，其特征在于主机三号高压加热器可被替代为主机三号第一高压加热器（3a）和主机三号第二高压加热器（3b），背压式小汽轮机（B）被替代为抽汽背压式小汽轮机（CB），主机三号第一高压加热器（3a）与抽汽背压式小汽轮机（CB）的抽汽管道连接，主机三号第二高压加热器（3b）则与抽汽背压式小汽轮机（CB）的排汽管道连接。