CN106640224A - 一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统及方法，包括：主汽轮机与主发电机同轴布置，所述主汽轮机的输出轴连接主发电机的输入轴；在主汽轮机机头侧出轴，连接调速装置，所述调速装置连接变频发电机；调速装置将主汽轮机一部分功率输入至变频发电机，调节变频发电机的转速，用于变频供电。本发明有益效果：利用电厂主汽轮机直接驱动变频发电机，省去了小汽轮机及其附属系统，可以大大简化系统，减少占地及系统维护费用，降低系统故障率，进而降低投资造价及运行费用。

Description

一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统及方法

技术领域

本发明属于电厂变频动力源技术领域，特别涉及一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统及方法。

背景技术

一般火(热)电厂机组，无论调峰或带基本负荷的机组，在运行中都要进行负荷调节，部分设备如风机、水泵，其流量相应调节，其输出功率也相应变化。若采用普通的节流调节方式，在低负荷阶段，实际运行效率会很低，所驱动电机出现大马拉小车情况，造成能源的浪费。变频动力源方案即设置一个变频发电中心，主要耗电辅机变频供电，进而实现集中变频调节控制。

火力发电技术一直在持续进步，变频技术从无到有，再到各种可能的方案探索、应用，最早采用静止式高压变频器对电厂内负荷调节比较频繁，功率较高的设备提供变频电源以提高此类设备在低负荷时的效率，提高全厂的经济性。近二十年来，受益于电力电子器件的制造技术、电力变换技术、微电子技术和控制技术的突飞猛进，交流变频调速技术有了日新月异的发展，静止式变频器在设备的大容量化、控制技术全数字化、高可靠性和制造成本不断下降等诸多方面取得了长足的进步，成为现代工业驱动的中枢。但电子变频器也有不足之处，譬如电子变频装置技术复杂，装置占用空间大，造价高，故障率高，维护检修困难等，使其可靠性降低。

随着技术的进步，近年来，工程设计人员以及电厂运行人员认识到也可以采用变频发电机直接提供变频电源的方式来替代电子变频器方案。采用变频发电机变频除了具备电子变频器调速节能的优势外，还具有以下突出优点：1)过载能力强；2)结构简单，在调频范围内运行可靠；3)转速可调范围更广；4)利用真空动平衡室设备，对发电机转子进行变频范围内的全程平衡，保证产品能够安全稳定的变频运行。

目前采用变频发电机变频方案，动力源均为在电厂内主汽轮机之外单独设置一台凝汽式小汽轮机，拖动一台变频发电机作为变频中心动力源，需要增加复杂的小汽轮机本体及附属系统、冷却水系统、凝汽器抽真空系统、润滑油系统、凝结水输送系统，各系统都需要进行定期维护，增加系统故障率以及维护工作量。并且，设置小汽轮机的方式，受到小汽轮机机座以及其附属系统的限制，占地面积大，有时需要增加主厂房尺寸或者增设变频中心厂房。另外，由于小汽轮机效率明显比主汽轮机的效率低，因此，节能效果一般，容易造成资源的浪费。

采用独立小汽机作为动力源的变频中心方案刚刚发展起来，本身应用业绩不多，还处于推广阶段，还没有涉及到考虑其他动力源方案。同时囿于设计习惯，以及涉及到汽轮机主机本体改造及主机系统改动的困难，无法从电厂设计之初就从整体上考虑整体热力循环系统以及变频电源系统，因此，对主汽轮机本体进行改造，由主汽轮机直接作为变频驱动的动力源方案目前并不为本领域技术人员所考虑。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统及方法，该系统及方法不专门设置小汽轮机，而是直接采用主汽轮机作为变频动力源，通过在主汽轮机机头前或发电机尾部设置调速装置，拖动变频发电机。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统，包括：主汽轮机与主发电机同轴布置，所述主汽轮机的输出轴连接主发电机的输入轴；在主汽轮机机头侧出轴，连接调速装置，所述调速装置连接变频发电机；

所述调速装置将主汽轮机一部分功率输入至变频发电机，调节变频发电机的转速，用于变频供电。

进一步地，所述调速装置采用行星齿轮调速装置、机械调速装置或者液力调速装置。

一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统，包括：主汽轮机与主发电机同轴布置，所述主汽轮机的输出轴连接主发电机的输入轴；在主发电机尾端出轴，连接调速装置，所述调速装置连接变频发电机；

所述主汽轮机的一部分功率通过主发电机输送至调速装置，所述调速装置调节变频发电机的转速，用于变频供电。

进一步地，所述调速装置采用行星齿轮调速装置、机械调速装置或者液力调速装置。

一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统的工作方法，包括；

主汽轮机将一部分功率直接输入调速装置，通过所述调速装置调节变频发电机的转速。

一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统的工作方法，包括：

主汽轮机的输出功率送入主发电机；所述主发电机将一部分功率输入至调速装置，通过所述调速装置调节变频发电机的转速。

本发明的有益效果是：

1、本发明系统利用电厂主汽轮机直接驱动变频发电机，省去了小汽轮机及其附属系统，可以大大简化系统，减少占地及系统维护费用，降低系统故障率，进而降低投资造价及运行费用。

2、本发明由于采用电厂主汽轮机直接驱动变频发电机，极大地节约了能耗。

3、本发明通过调速装置调节变频发电机的转速，系统结构简单，维护方便，故障率明显降低。

附图说明

图1为本发明电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统结构示意图一；

图2为本发明电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统结构示意图二；

图3为本发明实施例汽轮机组机组纵剖面图；

图4为本发明实施例滑销系统图；

图5为本发明实施例同轴机组前箱的结构示意图；

图6(a)为本发明实施例行星齿轮组内进行功率的矢量叠加原理图；

图6(b)为本发明实施例行星齿轮组内进行功率的矢量叠加图；

图7为本发明实施例行星齿轮组进行速度矢量叠加原理图；

其中，1.主发电机，2.主汽轮机，3.调速装置，4.变频发电机。

具体实施方式：

下面结合附图与实施方法对本发明做进一步说明：

本发明公开了一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统，该系统不专门设置小汽轮机，而是在主汽轮机2机头前或发电机尾部，通过设置调速装置3拖动一台变频发电机4，作为电厂变频动力源。

本发明给出了电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统的两种具体实施方式，包括：

实施例一：

如图1所示，电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统包括：主汽轮机2与主发电机1同轴布置，主汽轮机2的输出轴连接主发电机1的输入轴；

在主汽轮机2机头侧出轴，连接调速装置3，调速装置3连接变频发电机4；

调速装置3将主汽轮机2一部分功率输入至变频发电机4，调节变频发电机4的转速，用于变频供电。

本实施例中，对于变频发电机4的转速，按照变频中心设定的供电频率进行调节。

调速装置3的型式可以采用行星齿轮调速装置、其他机械调速系统或者液力调速装置；对于液力调速装置，也可以选用液力耦合器、液力变矩器等类似原理的调速系统。

实施例二：

如图2所示，电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统包括：主汽轮机2与主发电机1同轴布置，主汽轮机2的输出轴连接主发电机1的输入轴；

在主发电机1尾端出轴，连接调速装置3，调速装置3连接变频发电机4；

主汽轮机2的输出功率送入主发电机1；主发电机1将一部分功率输入至调速装置3，通过调速装置3调节变频发电机4的转速，用于变频供电。

本实施例中，对于变频发电机4的转速，按照变频中心设定的供电频率进行调节。

调速装置3的型式可以采用行星齿轮调速装置、其他机械调速系统或者液力调速装置；对于液力调速装置，也可以选用液力耦合器、液力变矩器等类似原理的调速系统。

另外，上述两种实施方式中，为了满足变频发电机4的变频要求，对调速装置3的最大输出转速范围进行调整，将调速装置3的最大输出转速由原来的4000-6000rpm降低至2400-3000rpm。

本发明电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源方案相比常规电厂变频中心动力源方案，可以大大简化系统，减少占地及系统维护费用，减低系统故障率，进而降低投资造价及运行费用。

下面以调速装置为行星齿轮调速装置、主机采用某汽轮机厂生产的1000MW机组为边界条件时，简要介绍技术实现过程，采用其他机械式、液力原理调速装置与之类似。下列介绍不限制本技术在不同功率不同类型汽轮机上的应用。

(1)主机直驱变频供电系统对汽轮机本体的影响及应对措施

A、主汽轮机整体布置及膨胀系统

如图3所示，某汽机厂生产的1000MW超超临界二次再热汽轮机，为两次中间再热、单轴、五缸四排汽、湿冷凝汽式，超高、高、中压通流采用反动式设计，低压采用冲动式设计。

该汽轮机依次由一个单流超高压缸、一个单流高压缸、一个双分流中压缸和两个双分流低压缸组成，各汽缸串联、单轴布置。机组轴系由超高压、高压、中压、低压、发电机共6根转子组成，采用成熟双支撑结构，转子均采用大刚度设计理念；转子间通过紧配液压螺栓刚性联接。

采用成熟可靠的多死点滑销系统。如图4所示，三个绝对死点分别位于A低压缸、B低压缸中心附近、中低轴承箱底部横向定位键与纵向导向键的交点处；汽轮机相对死点——推力轴承布置在超高压缸与高压缸之间的轴承箱上。

B、主机直驱变频供电系统对主汽轮机轴系的影响

根据主机厂计算，主机轴头热膨胀量为100mm，汽轮发电机主轴与MTV调速装置之间的联接方式应能有效吸收主机轴系的热膨胀，需要进行联轴器的合理选型。汽轮发电机组与MTV行星齿轮调速装置之间通过齿形联轴器联接，该联轴器具备一定的吸收中心线偏差能力，同时具备较强的吸收轴向膨胀的能力。而且齿形联轴器可减轻主汽轮机与同轴驱动设备间振动传递，减少轴系联接后两转子临界转速的相互影响。

经主机厂计算，主汽轮机为成熟系统，轴系对数衰减率低，稳定性满足设计要求。而联轴器后的MTV行星齿轮调速装置以及变频发电机系统对主汽轮机轴系的影响非常小，可达到不计入汽轮机主轴稳定性复核的要求。根据初步配合以及以往给水泵同轴驱动系统的配合经验，同轴驱动的变频中心设备部分的轴系可通过合理设计，满足稳定性的要求。

C、主机直驱变频供电系统对轴系安装的影响

主机直驱变频设备与汽轮机本体联接成套工作，相关设备的安装问题需要解决。直驱变频设备的安装过程中需要对轴系中心进行找中。“对中顺序”、“对中方法”、“轴系对中精度要求”等跟主机是紧密相关的。

“对中顺序”：先MTV行星齿轮调速装置与变频发电机对中，然后是主汽轮机与MTV行星齿轮调速装置对中。

“对中方法”：采用专用的激光对中设备。对中过程需对一些参数进行测量。测量装置为两个分开的测量装置，被分别固定在两个要对中的设备的轴或壳体上。在9点、12点、3点的时钟位置取读数。根据轴系安装曲线，系统计算高度、角度和径向的位移偏差，并计算出需在同轴驱动设备壳体下加多厚垫片，用来调整轴承标高，使轴系联成光滑的曲线，保证机组运行平稳。

D、主机直驱变频供电系统对主汽轮机前轴承箱的结构和布置影响

如图5所示，前轴承箱取消主油泵及相关油管路，对前箱中原有的测速、振动、胀差传感器位置也做出相应的调整。在保证轴承箱稳定性的前提下，可适当缩短前轴承箱轴向长度。

E、主机直驱变频供电系统对主汽轮机保安调节控制系统影响

主汽轮机机头端主轴直接驱动MTV行星齿轮调速装置及变频发电机时，机组不能配置机械式危急遮断器等机械危急保安系统，而是采用电子超速保护装置，即机组的超速保护系统由TSI超速保护系统、DEH超速保护系统共同完成。

F、主机直驱变频供电系统对主汽轮机润滑油系统影响

采用主机直驱变频技术，汽轮机润滑油系统采用电动油泵系统，系统配置2台交流油泵和1台直流油泵。MTV行星齿轮调速装置与变频发电机采用独立的润滑油系统，与主汽轮机的润滑油系统无影响。

(2)变频发电机配置及选型

变频发电机根据其负载电动机调速要求，其运行频率和电压是变化的。变频发电机供电的电动机频率特性应接近。

国内常规发电机运行频率50Hz，发电机在额定功率因数下当电压偏差±5％，频率偏差±2％时，能长期输出额定功率。如运行需要进一步扩大电压和频率的偏差范围或离额定偏差还要扩大，应由供需双方协商，以保证发电机各部件温升或温度在允许范围内，避免发电机使用寿命因温升或温度影响缩短。

针对发电机变频运行的特点，通过合理设计风扇解决变频运行状态下风量匹配，保证在每个工作点都能达到发电机的通风冷却要求。在3个频率的工作点(40Hz、45Hz、50Hz)，把通风计算的结果作为变量移植到电磁计算程序之中，进行电磁计算。由于发电机冷却风扇安装在转子上，在低速状态下运行时，风扇的风压、风量会急剧降低。为此，应进行产品结构优化，重新设计风路系统，改进定子端部绑扎，优化转子结构，使其在满足变频运行要求的基础上降低损耗，提高效率。

变频发电机冷却方式为空冷，额定电压为10.5kV，功率因数0.8，运行频率定为40～50Hz。

以纳入集中变频的电机功率为例：

项目	单位	引风机TB点
			电机功率	kW	8800
台数		2
			电机功率	kW	17600

可见，变频发电机额定功率≥17600kW即可，初步确定选用20MW容量的变频发电机，效率为97.6％，无刷或静态励磁。

(3)MTV行星齿轮调速装置配置(根据工程需要，也可以采用其他机械式、液力原理调速装置)

A、调速装置配置

行星齿轮调速装置采用优化的设计，整个系统中除了输出轴是高速轴外，其他部件都在低转速运行，整体的可靠性比常规的液力偶合器更高，大修期达到7-8年。同时，采用了功率分流原理，大部分的功率通过机械方式直接传递，只利用小部分功率进行液力调速，大大降低了液力损失，整体传递效率大大提高，高效区更加宽。

如图6(a)和图6(b)所示，小部分功率(大约25％)通过行星齿轮调速装置内部的液力变矩器传递，到达行星齿轮组的行星轮，而大部分功率(大约75％)通过行星齿轮调速装置的主轴以纯机械的方式传递至行星齿轮副的外齿圈，最后在行星齿轮组内进行功率的矢量叠加，叠加的结果通过太阳轮向变频电机主轴输出。

如图7所示，行星齿轮组当中的外齿圈与输入轴机械连接，保持固定的转速和转向。通过调整变矩器中的导流片的开度，变矩器的输出转速可以根据用户指定进行调节，该速度输出在行星齿轮组中的行星齿轮，这样，外齿圈与几个行星轮间进行速度的矢量叠加，使得太阳轮的输出速度改变(降低或增加)，太阳轮与变频电机的输入轴相连，由此实现对变频电机调速的目的。

(3)主机直驱变频供电系统启停过程

调速装置设备设置PLC控制系统，与电厂DCS之间通过4-20mA标准信号通信。PLC系统完成对调速装置所有动作的控制。

主机直驱变频系统启动前，需启动调速装置辅助润滑油泵，给各轴承，齿轮及控制阀门，离合器，液力刹车等系统供油，同时变频发电机冷却系统投入运行，当油、水系统参数达到要求后，可以启动。此时行星齿轮调速装置输入转速3000rpm，输出轴由刹车系统控制，对变频电机没有功率输出。当需要启动变频系统时，可以脱开刹车，启动调速装置的第一工作区间：通过对液力偶合器供油量的增加，调节变频电机出力。当负荷达到第二工作区间时，给液力变矩器充油，合上离合器，此时调速装置工作在液力变矩器工作区间，可以满足机组满负荷运行要求；

当机组负荷降低时，首先通过液力变矩器调节负荷，当负荷下降到一定值时，脱开离合器，停止液力变矩器供油，进入液力偶合器调节范围区间。

当变频电机发生故障时，亦可以脱开离合器，调速装置输入与输出之间只有液力连接。如果继续减少液力偶合器供油量至零，可以通过液力刹车降低输出轴转速，并用机械刹车锁住输出轴，可以拆解调速装置与变频电机之间的联轴器，对变频电机系统进行检修。

(4)基座设计研究

增加主机直驱变频设备后，基础在机头前加长。鉴于该基座形式新颖，与传统机组的基座在长度和布置上存在诸多差异，为保证其先进性的同时具有可靠性，厂家提供完整的设计资料和准确的边界条件之后，进行详细的计算研究并进行物模试验，优化基座的各项动力参数，保证基础的振动控制满足设备的正常运行要求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统，其特征是，包括：主汽轮机与主发电机同轴布置，所述主汽轮机的输出轴连接主发电机的输入轴；在主汽轮机机头侧出轴，连接调速装置，所述调速装置连接变频发电机；

所述调速装置将主汽轮机一部分功率输入至变频发电机，调节变频发电机的转速，用于变频供电。

2.如权利要求1所述的一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统，其特征是，所述调速装置采用行星齿轮调速装置、机械调速装置或者液力调速装置。

3.一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统，其特征是，包括：主汽轮机与主发电机同轴布置，所述主汽轮机的输出轴连接主发电机的输入轴；在主发电机尾端出轴，连接调速装置，所述调速装置连接变频发电机；

所述主汽轮机的一部分功率通过主发电机输送至调速装置，所述调速装置调节变频发电机的转速，用于变频供电。

4.如权利要求3所述的一种电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统，其特征是，所述调速装置采用行星齿轮调速装置、机械调速装置或者液力调速装置。

5.一种如权利要求1所述的电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统的工作方法，其特征是，包括；

主汽轮机将一部分功率直接输入调速装置，通过所述调速装置调节变频发电机的转速。

6.一种如权利要求3所述的电厂主汽轮机直驱变频发电机变频动力源系统的工作方法，其特征是，包括：

主汽轮机的输出功率送入主发电机；所述主发电机将一部分功率输入至调速装置，通过所述调速装置调节变频发电机的转速。