CN106655625A - 一种带前置泵的广义变频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带前置泵的广义变频系统，它至少包括转速可调的汽轮机、给水泵、前置泵、变频发电机和齿轮箱；随着机组负荷变化，进入该汽轮机的抽汽量及参数会相应变化，该汽轮机转速同步变化，从而一方面改变给水泵、前置泵转速，一方面改变发电机输出的交流电的频率。本发明通过齿轮箱来间接机械式的驱动前置泵，实现前置泵的变转速运行，既提高前置泵的运行经济性，又提高系统安全可靠性。

Description

一种带前置泵的广义变频系统

技术领域

本发明应用于发电领域，尤其涉及一种带前置泵的广义变频系统。

背景技术

在发电厂的生产过程中，水在锅炉中受热变成蒸汽，然后利用蒸汽推动汽轮机旋转，带动发电机旋转，将燃料的化学能最终转换成电能。在发电的过程中，发电厂配备的大量泵与风机等旋转辅机需要消耗大量电能。目前的一般做法是通过厂用变压器，将所发的电引出一部分供厂用辅机使用。

发电厂在工程设计时，一般按最大需求并加上一定的余量来选取辅机的容量，因而在实际运行中的辅机会有较大的裕量。而当定速运行的辅机不在满负荷下运行、特别是在低负荷运行时，其工作效率会急剧下降，这造成电能的严重浪费。如果采用变频调速技术，则可使辅机的工作点尽可能靠近高效区，并最大限度地降低风机挡板、阀门的节流损失，大大降低设备运行时的能耗，延长设备的使用寿命。以离心风机为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比，当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，变速运行的节能效果非常可观。

变频调速技术是当今节能减排、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段。变频调速以其优异的调速和启制动性能、高效率、高功率因素和节电效果等优点而被国内外认为最有发展前途的调速方式。目前电厂主要是通过加装变频器以达到水泵或者风机电机频率，从而改变水泵或者风机的转速，提高其运行效率，达到节能减排目的。

现在调频方式主要有可控硅调频、液力耦合变频和磁力耦合变频。在这三种变频方式中，液力耦合变频功率大，可靠性低、成本低，其效率与转速的一次方成正比，调节精度低。磁力耦合变频可靠性高，成本最高，其效率与转速的平方成正比，在转速低的时候，效率低，另外安装磁力耦合装置需要改变电机或者是设备的安装位置，拆除原先的土建基础。可控硅变频效率最高，而且其效率不受负载变化的影响，响应最快，调节精度最高。在这三种变频方法中，可控硅变频成本居中。从成本和效率的角度考虑，发电厂较多的采用可控硅变频技术。

由于发电厂对设备可靠性要求较高，所采用的转动设备，如循环水泵、送风机等设备功率大，电压等级高，因而对用于发电厂的变频器要求也极高。目前电厂中所采用变频设备主要采用可控硅技术，而可控硅变频技术的最大缺点是电压等级越高，其设备可靠性越低，而且变频设备占地面积大，其变频谐波对电网以及电机都有影响。因此，在发电厂中可控硅变频技术推广应用比较缓慢。随着技术的发展，目前已有部分产品能够较好的解决上述问题，但由于这些产品价格高昂，阻碍了其进一步推广。

为此，专利“ZL2012 1 0006442.8”提出了一种用于火力发电厂的变频总电源系统。该系统不须借助其他变频器就可以获得所需频率的交流电。但是不足之处在于，该系统需要额外配置一个小汽轮机和一个发电机，以及其他配套的设备，如凝汽器、油系统等。

因此，专利“ZL 2014 2 0245755.3”进一步提出了一种用于火力发电厂的新型变频系统。即小汽轮机一侧直接连接给水泵，另一侧通过减速齿轮箱与变频发电机相连，实现了两套系统合二为一。该系统的不足之处在于，由于高转速给水泵汽轮机的功率相对较大，现有的制造工艺一般难以满足要求。

为此，专利“ZL 2016 2 0307455.2”又进一步提出了一种用于汽轮机发电机组的广义变频系统，即给水泵汽轮机通过增速齿轮箱连接给水泵，提高了机组的经济性，同时克服了变频汽轮机与给水泵之间转速较难匹配的问题。但其不足之处在于，其前置泵若采用常规布置方式，通过工频电源驱动，不仅低负荷经济性较差，且电气故障率较大，影响整个系统的安全性。

鉴于现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种高性能、高可靠性的带前置泵的广义变频系统。

发明内容

本发明提供了一种带前置泵的广义变频系统，它至少包括转速可调的汽轮机、给水泵、前置泵、齿轮箱和变频发电机，其特征在于，所述汽轮机通过所述齿轮箱同时驱动所述给水泵及所述前置泵，所述汽轮机与所述发电机连接，拖动所述发电机发电。。

若未设励磁机，则需采用“他励方式”，也可设置励磁机，所述励磁机与所述变频发电机连接。

可选地，所述汽轮机与所述前置泵、所述给水泵之间的齿轮箱为一个复合齿轮箱，所述给水泵与所述前置泵为并联连接。

可选地，所述汽轮机与所述给水泵通过一个增速齿轮箱串联连接，所述给水泵与所述前置泵通过一个减速齿轮箱串联连接。

本发明提供的一种带前置泵的广义变频系统，还包括逆向离合器及变频电动机，所述逆向离合器设置在所述汽轮机与所述变频发电机之间，若采用“他励方式”，即无励磁机，则所述变频电动机与所述变频发电机连接；若设置励磁机，则将所述励磁机设置在所述变频电动机与所述变频发电机之间。

进一步地，还可包括正向离合器，若采用“他励方式”，即无励磁机，则所述正向离合器设置在所述变频电动机与所述变频发电机之间；若设置励磁机，则将所述正向离合器设置在所述变频电动机与所述励磁机之间。

本发明提供的一种带前置泵的广义变频系统主要具有如下优点：

本发明将前置泵纳入广义变频系统范围内，通过齿轮箱机械式间接驱动前置泵，在不采用任何形式的电子电力变频器，就可实现前置泵的变转速运行，同时由于机械式驱动本身可靠性高，因此可避免常规“工频驱动前置泵”方式而带来的诸如低负荷工况下运行效率低、工频驱动本身电气故障风险高等问题。

需注意的是，本发明根据励磁方式的不同、汽轮机与给水泵、前置泵之间齿轮箱连接方式的不同、以及是否带有逆向离合器和正向离合器等，具有多种组合方式。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12是本发明的具体实施例的系统示意图；

图中标记：

1：给水泵；2：增速齿轮箱；3：汽轮机；4：逆向离合器系统；5：变频发电机； 6：正向离合器系统；7：变频电动机；8前置泵；9：复合齿轮箱；10：减速齿轮箱；11：励磁机。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、增速齿轮箱2、减速齿轮箱10和励磁机11。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

本方案将前置泵纳入广义变频系统。本实施例中的前置泵通过设置一个减速齿轮箱串联在给水泵一端。因此，在低负荷工况下，相比较常规工频驱动布置方式，该方案不仅可以实现前置泵始终处于相对高效区运作，提高其运行经济性，而且大大降低工频电源带来的电气故障风险，提高了系统运行的可靠性。需注意的是，前置泵的负荷需要通过给水泵的轴来传递，因此通常还需对给水泵轴作变型设计，另外，可将前置泵及与其连接的减速齿轮箱设置成可移动式底板，以便于给水泵“抽芯包”等检修工作。

实施例2

如图2所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、励磁机11和复合齿轮箱9。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过复合齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

与实施例1相比，该实施例通过“一输入两输出”方式的复合齿轮箱将前置泵与给水泵并联，即：输入端连接汽轮机，两输出端分别并联连接给水泵和前置泵。该实施例相对实施例1，不存在给水泵轴传递前置泵功率的问题，同时将两个齿轮箱合二为一，可相应降低一定的投资，此外，给水泵“抽芯包”等检修工作也相对较为便利。

实施例3

如图3所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、逆向离合器4；励磁机11、变频电动机7、增速齿轮箱2和减速齿轮箱10。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

与实施例1相比，该实施例在汽轮机与发电机之间加装一个逆向离合器4，以及发电机输出端加装一个变频电动机7。

本系统工作基本原理：当汽轮机运转，需要带动变频发电机时，首先启动变频电动机，带动变频发电机，直至逆向离合器靠近发电机侧的转速超过靠近汽轮机侧的转速，此时，逆向离合器仍处分离状态，然后变频电动逐步降速，直至逆向离合器两侧的转速一致，该逆向离合器啮合，然后汽轮机带动发电机同时转动，完成发电机在线投入，反之，若需断开发电机，则利用变频电动机进一步带动变频发电机，使逆向离合器靠近发电机侧的转速超过靠近汽轮机侧的转速，这样逆向离合器便处于分离状态。

本实施例可实现运行过程中一旦发生异常工况，如出现要求变频发电机必须停运的异常工况时，可直接通过逆向离合器系统断开变频发电机，转为汽轮机只带动给水泵运行状态，大大提高了广义变频系统轴系及主汽轮发电机组运行的可靠性。需注意的是，该变频电动机在完成发电机在线投入后，需随系统一块运转。

需注意的是，本实施例需将变频电动机与励磁机进行连接，由于目前一般的励磁机转轴相对较细，因此还需对励磁机转轴作变型设计。

实施例4

如图4所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、逆向离合器4、励磁机11、变频电动机7、复合齿轮箱9。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

与实施例2相比，该实施例在汽轮机与发电机之间加装一个逆向离合器4，以及发电机输出端加装一个变频电动机7。但该实施例的运行原理同实施例3，此处不再赘述，与实施例3的主要区别在于通过“一输入两输出”方式的复合齿轮箱将前置泵与给水泵并联，因此不存在给水泵轴传递前置泵功率的问题，同时将两个齿轮箱合二为一，可相应降低一定的投资，此外，给水泵“抽芯包”等检修工作也相对较为便利。

实施例5

如图5所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、正向离合器6、逆向离合器4；励磁机11、变频电动机7、增速齿轮箱2和减速齿轮箱10。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

与实施例3相比，该实施例在变频电动机与发电机之间加装一个正向离合器6。本系统工作基本原理：当汽轮机运转，需要带动变频发电机时，首先启动变频电动机，由于发电机及励磁机的轴为静止，因而一旦启动变频电动机，正向离合器便啮合，后续便带动变频发电机，直至逆向离合器靠近发电机侧的转速超过靠近汽轮机侧的转速，此时，逆向离合器仍处分离状态，然后变频电动逐步降速，直至逆向离合器两侧的转速一致，该逆向离合器啮合，然后汽轮机带动发电机同时转动，完成发电机在线投入，反之，若需断开发电机，则利用变频电动机先啮合正向离合器，然后进一步带动变频发电机，使逆向离合器靠近发电机侧的转速超过靠近汽轮机侧的转速，这样逆向离合器便处于分离状态，随后，变频电动机停止，正向离合器便分离。

该实施例由于增设了一个正向离合器6，因此变频电动机在完成变频发电机投运后，不需跟随系统一块运转。

实施例6

如图6所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、正向离合器6、逆向离合器4、励磁机11、变频电动机7、复合齿轮箱9。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

与实施例5相比，该实施例系统工作基本原理一致，此处不再赘述，唯一区别在于汽轮机是通过一个复合齿轮箱与给水泵、前置泵连接。

实施例7

如图7所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、逆向离合器4、变频发电机5、变频电动机7、增速齿轮箱2、减速齿轮箱10。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

与实施例3相比，该实施例未设与发电机连接的励磁机，而是采用“他励方式”。由于发电机的轴相对较粗，因此，变频电动机可与发电机直接相连更为便利，避免了励磁机转轴的变型设计。

实施例8

如图8所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、逆向离合器4、变频电动机7和复合齿轮箱9。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

该实施例与实施例7唯一区别在于汽轮机是通过一个复合齿轮箱与给水泵、前置泵连接。其余均一致，此处不再赘述。

实施例9

如图9所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、正向离合器6、逆向离合器4、变频电动机7、增速齿轮箱2和减速齿轮箱10。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

与实施例7相比，该实施例在变频电动机与发电机之间加装一个正向离合器6。因此变频电动机在完成变频发电机投运后，不必跟随系统运转，其余和实施例7一致，此处不再赘述。

实施例10

如图10所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、正向离合器6、逆向离合器4、变频电动机7、复合齿轮箱9。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

与实施例8相比，区别在于变频电动机与发电机之间加装了一个正向离合器6。与实施例9相比，区别在于汽轮机是通过一个复合齿轮箱与给水泵、前置泵连接。其余均一致，此处不再赘述。

实施例11

如图11所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5、增速齿轮箱2和减速齿轮箱10。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

该实施例未设独立的励磁机，而是采用“他励方式”，并且未设置任何离合器系统，因而不具备在线切断发电机功能，但系统简单、投资相对少。

实施例12

如图12所示，本发明的一种带前置泵的广义变频系统的另一具体实施例，它包括给水泵1、前置泵8、汽轮机3、变频发电机5和和复合齿轮箱9。随着机组负荷变化，相应调节（改变）进入该汽轮机的蒸汽参数及抽汽量，使该汽轮机转速相应变化，从而一方面通过齿轮箱间接改变给水泵和前置泵转速，另一方面直接改变发电机输出的交流电的频率。

该实施例同样也未设独立的励磁机，而是采用“他励方式”，并且也未设置任何离合器系统，因而不具备在线切断发电机功能，与实施例11的区别在于汽轮机是通过一个复合齿轮箱与给水泵、前置泵连接。其余均一致，此处不再赘述。

以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种带前置泵的广义变频系统，它至少包括转速可调的汽轮机、给水泵、前置泵、齿轮箱和变频发电机，其特征在于，所述汽轮机通过所述齿轮箱同时驱动所述给水泵及所述前置泵，所述汽轮机与所述发电机连接，拖动所述发电机发电。

2.如权利要求1所述的带前置泵的广义变频系统，其特征在于，所述汽轮机与所述前置泵、所述给水泵之间的所述齿轮箱为一个复合齿轮箱，所述给水泵与所述前置泵为并联连接。

3.如权利要求1所述的带前置泵的广义变频系统，其特征在于，所述汽轮机与所述给水泵通过一个增速齿轮箱串联连接，所述给水泵与所述前置泵通过一个减速齿轮箱串联连接。

4.如权利要求2或3所述的带前置泵的广义变频系统，其特征在于，还包括逆向离合器及变频电动机，所述逆向离合器设置在所述汽轮机与所述变频发电机之间，所述变频电动机与所述变频发电机连接。

5.如权利要求4所述的带前置泵的广义变频系统，其特征在于，还包括正向离合器，所述正向离合器设置在所述变频电动机与所述变频发电机之间。

6.如权利要求1-3中任一项所述的带前置泵的广义变频系统，其特征在于，还包括励磁机，所述励磁机与所述变频发电机连接。

7.如权利要求4所述的带前置泵的广义变频系统，其特征在于，还包括励磁机，所述励磁机设置在所述变频电动机与所述变频发电机之间。

8.如权利要求5所述的带前置泵的广义变频系统，其特征在于，还包括励磁机，所述励磁机设置在所述正向离合器与所述变频发电机之间。