CN108278131A - 一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统及方法，利用依次同轴布设的给水泵汽轮机、离合器、发电机、调速装置和给水泵，实现给水泵汽轮机与发电机对给水泵的双驱动；发电机在电动状态与发电状态之间切换，当给水泵汽轮机转速超过离合器设定转速时或其他变量超过设定值时作为发电机，将给水泵汽轮机输出功率的一部分或全部，转换为电功率输出。在给水泵汽轮机的输出转速低于设定数值后或其他变量低于设定数值后以电动机模式运行，驱动给水泵。本发明应用于双机回热热力系统中回热式驱动给水泵汽轮机系统时，能够简化高压加热器及附属阀门及管道系统，减少故障点，降低管道阻力，能够起到备用给水泵的作用。

Description

一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统及方法

技术领域

本发明属于电厂锅炉给水泵驱动技术领域，尤其涉及一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统及方法。

背景技术

一般火(热)电厂机组，给水泵采用电动机驱动或者采用小汽轮机驱动，特别对双机回热系统来说，给水泵是采用双机回热小汽轮机来驱动，同时，双机回热小汽轮机还拖动一台小发电机，本文称之为功率平衡发电机。

所谓双机回热系统，即在热力系统中主汽轮机之外，设置一台能够提供若干级回热抽汽替代主汽轮机若干级回热抽汽来逐级加热给水的热力系统。通常该独立于主汽轮机的回热式汽轮机还用于拖动给水泵及功率平衡发电机，称之为回热式驱动汽轮机。

随着材料高温性能的持续提升，燃煤发电机组的蒸汽参数不断提高以获得更高的循环效率，进一步降低机组的煤耗，减少温室气体和其它污染物排放。20世纪90年代末期和21世纪初，欧盟、美国和日本先后启动了700℃及以上的先进超超临界(USC)发电技术研究计划，为下一代火电装备的更新提供技术。欧盟于1998年1月启动的“AD700”先进超超临界发电计划，其目标是建立500MW、700℃/720℃/35MPa等级的示范电站，结合烟气余热利用、降低背压、降低管道阻力、提高给水温度等技术措施，使机组效率达到50％以上。2010年7月23日，国家能源局成立“国家超超临界燃煤发电技术创新联盟”，标志着我国正式启动相关技术研发。

作为技术过渡，汽轮机参数为35MPa/615℃/630℃/630℃，是现阶段可实现的最高的汽轮机设计参数，顺应了世界范围内高参数汽轮机组的发展趋势。

随着蒸汽参数的提高，回热抽汽过热度增大，回热加热器内汽侧和水侧换热不可逆损失增加，削弱了提高蒸汽参数带来的收益。蒸汽参数越高，这一矛盾越突出。对于这一问题，目前常规的解决办法是，通过在再热后的部分回热抽汽增设外置式蒸汽冷却器，来降低回热抽汽的过热度。另一种办法就是采用特殊的热力系统结构—双机回热系统，此方法理论上能够大幅降低再热后所有回热抽汽的换热过热度，可以大幅提高回热抽汽能级利用效率。给水泵汽轮机设计为背压机，并通过在该小汽轮机上抽汽带一个或多个回热加热器。针对初参数较低的汽轮机，该系统并没有什么明显优势，特别是在再热蒸汽温度不是特别高的情况下，再热对回热的削弱作用不明显，直接从主汽轮机抽汽回热成为优选方案。而对于高参数的百万二次再热机组，采用双机回热系统相比增设外置式蒸汽冷却器方案更高效。目前，国内外针对双机回热热力系统的工程应用研究刚刚开展，属于火力发电技术的前沿。

以某35MPa/615℃/630℃/630℃百万二次再热热力系统为例。汽轮机具有十二级非调整抽汽，由主汽轮机和回热式驱动小汽轮机共同提供。一～六级抽汽分别向六级高压加热器供汽；一段抽汽及回热式驱动小汽机进汽来自主汽轮机超高压缸冷段排汽；二、三、四、五、六段抽汽来自回热式驱动小汽机各级抽汽；七级回热抽汽来自回热式驱动小汽机抽汽，为除氧器提供加热蒸汽；八级回热抽汽来自回热式驱动小汽机背压排汽及主汽轮机中压缸排汽，为8号混合式加热器提供加热蒸汽，并设置有溢流至九级低加的排汽管道；九、十、十一、十二级抽汽来自主汽轮机低压缸，分别向四台低压加热器供汽。如说明书附图2所示。

对于双机回热热力系统，在正常运行工况下，回热小汽机进汽流量是由回热加热器自平衡抽汽决定，而给水泵出力是由某工况下给水流量及给水压头决定，故各工况下给水泵出力与小机进汽流量(即小机出力)之间不可能完全匹配，针对这种情况，在THA工况下将小机设计为调门全开，此时小机具有最高的效率，同时合理设计小机的通流能力，使得在THA工况下，除带给水泵外，多余的轴功率可以带小发电机来平衡功率输出，在不同负荷工况下，通过小发电机的电负荷来协调给水泵的出力。在部分负荷工况下，小机进汽压力滑低，进汽量减少，给水泵的效率下降，给水流量和压头均减小，综合效果为整个给水泵组出力减小，在全负荷工况下，为了提高经济性，力求小机调门不参与调节，只能通过小机带的功率平衡发电机来匹配轴功率，在各工况下发电功率并不相同，基本在10MW～30MW之间。

由于回热汽轮机驱动给水泵及功率平衡小发电机的同时，还提供1-6级高压加热器加热蒸汽。如果高压加热器故障解列，将对回热汽轮机的安全运行构成影响，根据高压加热器是单列还是双列，分析如下：

如果高压加热器采用“单列布置、故障时逐个切除”模式，当中间某台高压加热器发生事故，该高压加热器将被解列。此时，前一级高压加热器将承担解列高加的热负荷，其抽汽量增加至原来的2倍左右，高加热负荷显著增大，不仅对小汽机运行影响较大，还需每个高加均设置旁路，旁路阀门数量多，造价高，给水管道阻力增大，系统过于复杂。

而若高压加热器采用“双列布置、故障时某列切除”模式，某台高压加热器发生事故，该列高压加热器所在列6台高加全部解列，还有另一列6台高压加热器运行。此时，高压加热器抽汽量减小约50％；对应各抽口抽汽量等比例减小，对通流的扰动较小；两列高加给水侧均采用50％大旁路，系统运行控制较简单。但该方案明显缺点是高压加热器数量过多，增加设备投资及土建费用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统及方法，本发明将回热式驱动汽轮机拖动的功率平衡发电机同时作为电动机，在回热式汽轮机不能投入时自动由“发电机”模式调整为“电动机”模式，作为电动机来驱动给水泵，即便将所有高加同时切除、回热式汽轮机自身故障切除，也能够保证给水泵的稳定运行，保障锅炉给水的安全性，本发明能够解决高加故障对给水系统安全运行的影响。

本发明的第一目的是提出一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，本系统设置至少一台小汽轮机拖动至少一台给水泵外，还同轴设置至少一台发电机，发电机同时具备电动机功能，能够在小汽轮机不能驱动给水泵时，能够及时切入，作为电动机来驱动给水泵。

本发明的另一目的是提出一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵控制方法，该方法基于上述驱动系统，使发电机同时作为电动机，在回热式汽轮机或其他形式小汽轮机不能投入时自动由“发电机”模式调整为“电动机”模式，作为电动机来驱动给水泵，则即使将所有高加同时切除、或回热式汽轮机自身故障切除，也能够保证给水泵的稳定运行，保障锅炉给水的安全性。

同时，上述驱动系统与控制方法不仅仅局限于双机回热热力系统、回热式驱动汽轮机所驱动的给水系统，也可以应用于常规热力系统、普通给水泵汽轮机所驱动的给水系统，在汽动给水泵拖动给水泵时，额外增加一台同轴驱动电动机，当汽动给水泵不能投入时，紧急投入以保证给水泵的安全运行。这些均属于适用的给水系统的变化而进行的简单调整，因此，这些简单变化均应属于本发明的保护范围。

应当指出的是，本系统及方法所提及的发电机或电动机，均是概念上的称谓，根据发电机或电动机可逆原理，两种概念实际上是统一的，当试图以设备概念上所称谓的发电机或电动机修改本系统和方法时，仍属于侵权行为。本系统及方法所提及的发电机，也可以初始为电动机。

另外，该电动机或发电机可以根据具体工程具体系统的需求而确定，可以仅仅作为电动机，也可以同时具备发电机功能，且连接方式与驱动方法的简单改动，均属于本领域技术人员在本发明的工作原理的启示下进行的简单替换，均应属于本发明的保护范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，包括依次同轴布设的给水泵汽轮机、离合器、发电机、调速装置和给水泵，所述给水泵汽轮机的输出轴连接离合器的输入轴，离合器的输出轴连接发电机的输入轴，发电机的输出轴连接调速装置的输入轴，调速装置的输出轴连接给水泵，调节给水泵的转速，实现给水泵汽轮机与发电机在电动机模式下对给水泵的双驱动；

所述发电机在电动状态与发电状态之间切换，当给水泵汽轮机转速超过离合器设定转速时或其他变量超过设定值时作为发电机，将给水泵汽轮机输出功率的一部分或全部，转换为电功率输出。在给水泵汽轮机的输出转速低于设定数值后或其他变量低于设定数值后以电动机模式运行，驱动给水泵。

所述离合器在给水泵汽轮机的输出转速高于设定数值后或其他变量高于设定数值后自动将处于电动状态的发电机与给水泵汽轮机连接。在给水泵汽轮机的输出转速低于设定数值后或其他变量低于设定数值后自动将处于发电状态的发电机与给水泵汽轮机脱开。

发电机在发电模式与电动模式之间的切换也可以采用手动切换模式。省去自动切换功能或相关自动切换装置也在本专利保护范围内。

所述调速装置将给水泵所需要的功率由电动机输出端输入，并依据给水系统的需要调节给水泵的转速。

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原理调速装置。

所述调速装置以行星齿轮调速装置为例，一部分功率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，剩下的部分功率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给水泵主轴输出。

所述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，变矩器的输出转速根据设定指令值进行调节，该速度输出在行星齿轮组中的行星齿轮，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，太阳轮与给水泵的输入轴相连，实现对给水泵调速。

进一步地，所述电动机可以为异步电动机，所述异步电动机由原动机拖动，异步电动机转子转速超过同步转速时，转子导体与旋转磁场的相对运动方向与电动状态相反，转子电流与旋转磁场相互作用产生的电磁力矩与转子旋转方向相反，电动机变为发电运行状态。

进一步地，所述给水泵汽轮机，可以为回热式汽轮机、背压式汽轮机、抽汽凝汽式汽轮机、凝汽式汽轮机等一切可作为拖动的汽轮机形式，但也不仅仅局限于汽动形式，也包括其他动力源及动力原理机器，如柴油机、电动机、内燃机等等。

一种基于上述驱动系统的控制方法，利用同轴布设的给水泵汽轮机、发电机，在给水泵汽轮机的输出转速超过一定数值后或输出功率低至一定数值后自动将处于电动状态的发电机与给水泵汽轮机连接并将给水泵汽轮机的输出功率传递给电动机，使发电机同时作为电动机，在回热式汽轮机不能投入时自动由发电模式调整为电动模式，作为电动机来驱动给水泵。

本发明的有益效果为：

1、本发明系统当应用于双机回热热力系统中回热式驱动给水泵汽轮机系统时，能够简化高压加热器及附属阀门及管道系统，大大降低投资，减少故障点，降低管道阻力，同时能够起到备用给水泵的作用。

2、双机回热系统高压加热器可以采用常规高压加热器旁路模式，任何一台高加切除，均不影响给水泵的安全运行。

3、机组的启动阶段，电动机模式下，能够作为电动启动给水泵使用，省去电厂通常设置的电动启动给水泵及系统，进一步降低投资。

附图说明

图1为本发明功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统及方法结构示意图；

图2为本发明实施例双机回热原则性热力系统示意图；

图3(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3(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4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.给水泵驱动汽轮机，2.离合器，3.发电机，4.调速装置，5.给水泵。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明公开了一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统及方法，该系统及方法除设置至少一台小汽轮机拖动至少一台给水泵外，还设置至少一台功率平衡发电机，该发电机可以同时具备电动机功能，能够在小汽轮机不能驱动给水泵时，及时切入，作为电动机来驱动给水泵。

本发明给出了功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统及方法的具体实施方式，包括：

实施例：

如图1所示，功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统包括：给水泵汽轮机1、发电机3同轴布置，驱动给水泵5，所述给水泵汽轮机1的输出轴连接离合器2的输入轴；离合器2的输出轴连接发电机3的输入轴；发电机3的输出轴连接调速装置4的输入轴；调速装置4的输出轴连接给水泵5。各序号设备轴之间的连接，根据需要可以采用联轴器连接，也可以采用直接连接，具体根据连接轴的性质在机械详细设计阶段确定。

本发明系统当应用于双机回热热力系统中回热式驱动给水泵汽轮机系统时，能够简化高压加热器及附属阀门及管道系统，大大降低投资，减少故障点，降低管道阻力，同时能够起到备用给水泵的作用。双机回热系统高压加热器可以采用常规高压加热器旁路模式，任何一台高加切除，均不影响给水泵的安全运行。机组的启动阶段，电动机模式下，能够作为电动启动给水泵使用，省去电厂通常设置的电动启动给水泵及系统，进一步降低投资。

下面以电动机为异步发电机、调速装置为MTV行星齿轮调速装置、离合器为超越离合器、某1000MW高参数二次再热回热式驱动汽轮机上的应用作为例子，对其中关键技术点加以简要说明。本例子并不限制在其他类型调速装置、其他类似功能离合器、其他发电机形式、其他容量或回热形式机组上应用。

(1)MTV行星齿轮调速装置

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3(a)和图3(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给水泵主轴输出。

如图4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)，太阳轮与给水泵的输入轴相连，由此实现对给水泵调速的目的。

(2)异步发电机

异步电机与直流电机、同步电机一样其工作原理也是可逆的，它既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。一台正在运行的异步电动机，若用一台原动机拖动，使转子转速n超过同步转速n0，转子导体与旋转磁场的相对运动方向与电动状态相反，转子电流与旋转磁场相互作用产生的电磁力矩与转子旋转方向相反，电动机变为发电运行状态。

(3)超越离合器

超越离合器是随着机电一体化产品的发展而出现的基础件，它是用于原动机和工作机之间或机器内部主动轴与从动轴之间动力传递与分离功能的重要部件。它是利用主、从动部分的速度变化或旋转方向的变换具有自行离合功能的装置。

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 (10)

1.一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，其特征是：包括依次同轴布设的给水泵汽轮机、离合器、发电机、调速装置和给水泵，所述给水泵汽轮机的输出轴连接离合器的输入轴，离合器的输出轴连接发电机的输入轴，发电机的输出轴连接调速装置的输入轴，调速装置的输出轴连接给水泵，调节给水泵的转速，实现给水泵汽轮机与发电机在电动机模式下对给水泵的双驱动；

所述发电机在电动状态与发电状态之间切换，当给水泵汽轮机转速超过离合器设定转速时或其他变量超过设定值时作为发电机，将给水泵汽轮机输出功率的一部分或全部，转换为电功率输出，在给水泵汽轮机的输出转速低于设定数值后或其他变量低于设定数值后以电动机模式运行，驱动给水泵；

所述离合器在给水泵汽轮机的输出转速高于设定数值后或其他变量高于设定数值后自动将处于电动状态的发电机与给水泵汽轮机连接，在给水泵汽轮机的输出转速低于设定数值后或其他变量低于设定数值后自动将处于发电状态的发电机与给水泵汽轮机脱开。

2.如权利要求1所述的一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，其特征是：所述调速装置将给水泵所需要的功率由发电机输出端输入，并依据给水系统的需要调节给水泵的转速。

3.如权利要求1所述的一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，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原理调速装置。

4.如权利要求1所述的一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，其特征是：所述给水泵汽轮机，为回热式汽轮机、背压式汽轮机、抽汽凝汽式汽轮机或凝汽式汽轮机等一切可作为拖动的汽轮机形式，也包括其他动力源及动力原理机器。

5.如权利要求1所述的一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，其特征是：发电机在发电模式与电动模式之间的切换采用手动切换模式。

6.如权利要求1所述的一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，其特征是：所述调速装置为行星齿轮调速装置，一部分功率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，剩下的部分功率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给水泵主轴输出。

7.如权利要求6所述的一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，其特征是：所述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。

8.如权利要求6所述的一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，其特征是：通过调整变矩器中的导流片的开度，变矩器的输出转速根据设定指令值进行调节，该速度输出在行星齿轮组中的行星齿轮，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，太阳轮与给水泵的输入轴相连，实现对给水泵调速。

9.如权利要求1所述的一种功率平衡发电汽电同轴双驱给水泵系统，其特征是：所述电动机为异步电动机，所述异步电动机由原动机拖动，异步电动机转子转速超过同步转速时，转子导体与旋转磁场的相对运动方向与电动状态相反，转子电流与旋转磁场相互作用产生的电磁力矩与转子旋转方向相反，电动机变为发电运行状态。

10.一种基于如权利要求1-9中任一项所述的驱动系统的控制方法，其特征是：利用同轴布设的给水泵汽轮机、发电机，在给水泵汽轮机的输出转速超过一定数值后或输出功率低至一定数值后自动将处于电动状态的发电机与给水泵汽轮机连接并将给水泵汽轮机的输出功率传递给电动机，使发电机同时作为电动机，在回热式汽轮机不能投入时自动由发电模式调整为电动模式，作为电动机来驱动给水泵。