CN108386238B - 一种电机-小汽轮机变转速双驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火力发电领域，具体为一种电机‑小汽轮机变转速双驱动系统。电机‑小汽轮机变转速双驱动系统，可以实现整个轴系在变转速运行条件下，通过调节电机功率，从而改变被驱动设备的转速，而小汽轮机可以在进汽阀门全开方式下运行，不进行调节，使小机的进汽、抽汽（BEST小机）、排汽流量保持稳定。由于BEST小机的抽汽排入高加，其蒸汽流量的稳定，可以使双机回热系统在机组变负荷运行时，不会因高加水位控制问题，而影响到机组变负荷速率；由于小机阀门全开，小机得以始终工作在接近设计工况，也可以使机组（包括传统回热机组和双机回热机组）在全负荷范围内，使辅机驱动效率均保持在较高水平。

Description

一种电机-小汽轮机变转速双驱动系统

技术领域

本发明涉及火力发电领域，具体为一种电机-小汽轮机变转速双驱动系统，尤其适用于超（超）临界机组EC-BEST( Echelon Cycle-Backpressure Extraction SteamTurbine )双机回热系统（以下简称“双机回热系统”）的锅炉给水泵驱动，也适用于传统回热系统的机组，其不限于锅炉给水泵的驱动，也可适用于离心式风机、静叶可调轴流式风机等变转速、变工况运行设备的驱动，可以提高机组效率和双机回热机组的负荷响应速率，电机-小汽轮机也可以是其他定速-变速动力设备的组合。

背景技术

由于节能减排要求的日益提高，火电机组追求更高的效率，提高蒸汽参数是提高火电机组发电效率的重要手段，目前国内已投运的超超临界机组再热蒸汽温度已达620℃，并向更高参数发展，随之带来了汽轮机回热抽汽过热度不断提高，换热熵增不断增大的情况，对二次再热机组的影响比一次再热机组更为严重，影响机组效率进一步提升。为解决这一问题，进一步提高机组效率，近年来国内开发了超超临界机组EC-BEST双机回热系统，相似的系统实际上国外在上世纪六十年代有较多的应用，但后来由于纯凝小机的发展，用于给水泵驱动的BEST小汽轮机（背压-抽汽回热小汽轮机，以下简称“BEST小机”）逐渐被凝汽式小汽轮机（以下简称“纯凝小机”）取代，且双机回热系统机组变负荷速率慢，双机回热系统逐渐退出历史舞台。目前得益于BEST小机通流设计水平的提高，在同等条件下，采用BEST小机的热力系统热耗已低于采用纯凝小机的传统回热系统，因此，近年来，双机回热系统引起广泛关注，但由于BEST小机的抽汽接带主汽轮机（以下简称“主机”）的高压加热器（以下简称“高加”），机组变负荷或异常工况给水流量大幅度波动时，高加的水位难以控制，而且BEST小机直接调节给水泵转速（功率），又会降低BEST小机的效率，目前尚无工程投运的案例证实已解决了BEST小机的控制问题。

另外，随着电网峰谷差的增大，以及大量新能源接入电网，火力发电厂日益承担繁重的调峰和调频任务，导致辅机更多时间偏离设计工况运行，且频繁波动，效率降低，尤其是给水泵、风机等大型辅机的能耗水平对机组的效率影响较大，也需要有新的驱动方式提高辅机驱动效率。

发明内容

本发明提供了一种电机-小汽轮机变转速双驱动系统，可以实现整个轴系在变转速运行条件下，通过调节电机功率，从而改变被驱动设备（给水泵）的转速（功率），而小汽轮机（包含BEST小机和纯凝小机，以下简称“小机”）可以在进汽阀门全开方式下运行，不进行调节，使小机的进汽、抽汽（BEST小机）、排汽流量保持稳定。由于BEST小机的抽汽排入高加，其蒸汽流量的稳定，可以使双机回热系统在机组变负荷运行时，不会因高加水位控制问题，而影响到机组变负荷速率；由于小机阀门全开，小机得以始终工作在接近设计工况，也可以使机组（包括传统回热机组和双机回热机组）在全负荷范围内，使辅机驱动效率均保持在较高水平。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种电机-小汽轮机变转速双驱动系统，包括电机、调速行星齿轮箱（以下简称“行星齿轮箱”）、绕组式永磁调速器（包括绕组转子和永磁转子，以下简称“调速器”）、传扭中间轴、分轴齿轮箱、小机，其中电机、行星齿轮箱、分轴齿轮箱、小机依次连接，电机接入高压厂用电系统，并设有软启动装置，调速器的绕组通过两象限变频器接入高压厂用电系统，行星齿轮箱包括主行星机构和小行星机构，分轴齿轮箱通过传扭中间轴与行星齿轮箱的主行星机构的太阳轮连接，分轴齿轮箱还与调速器连接，调速器与小行星机构的太阳轮连接，小行星机构的行星架和主行星机构的行星架通过各自与其同轴的齿轮经中继齿轮啮合，小行星机构的内齿圈和主行星机构的内齿圈通过各自与其同轴的齿轮啮合，主行星机构的内齿圈和电机连接。在设备尺寸允许的情况下，行星齿轮箱、调速器、传扭中间轴、分轴齿轮箱可以设计集成为一个整体，更便于安装布置。

工作原理：机组正常运行中，小机的后轴伸驱动被驱动设备（给水泵），由于小机阀门全开，不做调节，小机的前轴伸将富余功率通过电机，以及调速器的绕组馈电返送至厂用电系统，小机和电机之间功率的传递是通过布置在两者之间的机械机构完成的，而功率的调节是通过两个（一个或多个）调速器完成的。小机前轴伸的输出功率输入分轴齿轮箱的中间齿轮，中间齿轮把大部分功率直接传递给传扭中间轴，另外一部分功率通过分轴齿轮减速后，传递给两个调速器。传扭中间轴把功率输入行星齿轮箱的主行星机构的太阳轮，调速器把功率输入行星齿轮箱的小行星机构的太阳轮，小行星机构的行星架和主行星机构的行星架通过齿轮啮合，进行功率传递，小行星机构的内齿圈和主行星机构的内齿圈通过齿轮啮合，进行功率传递，主行星机构的内齿圈最终把功率传递给电机，电机功率与调速器绕组馈电功率之和等于小机前轴伸功率。通过调节调速器，来调节行星齿轮箱的速比，以达到调节通过电机和调速器绕组反馈到厂用电系统的富余功率大小的目的，即控制了被驱动设备的功率，因此，通过控制调速器而最终达到了控制轴系中转子转速（功率）的目的。轴系中驱动设备和被驱动设备的轴功率平衡关系是这样的：被驱动设备（给水泵）的轴功率与其转速和给水管路阻力特性有关，小机轴功率与其进汽阀门开度和阀门前蒸汽参数（温度、压力）有关，而蒸汽参数与主机的负荷有关，电机的轴功率与其承担的负载有关，而在任一时刻，轴系中所有设备的功率必然处于平衡状态，小机和被驱动设备（给水泵）轴功率的差额由电机（以及调速器绕组）承担，只要这个轴功率差值不超出电机铭牌功率，轴系就可以安全稳定运行，即使遇到小机或被驱动设备（给水泵）功率突变等工况，上述调节过程仍然成立。

本发明还可以采用如下技术方案实现：一种电机-小汽轮机变转速双驱动系统，包括电机、分轴齿轮箱、调速器、传扭中间轴、行星齿轮箱、小机，其中电机、分轴齿轮箱、行星齿轮箱、小机依次连接，电机接入高压厂用电系统，并设有软启动装置（优先选择基于变频原理的软启动装置），调速器的绕组通过四象限变频器接入高压厂用电系统，行星齿轮箱为单行星机构，分轴齿轮箱通过传扭中间轴与行星齿轮箱的内齿圈连接，分轴齿轮箱还与调速器连接，调速器与行星齿轮箱的行星架通过各自与其同轴的齿轮经中继齿轮啮合，行星齿轮箱的太阳轮和小机连接。在设备尺寸允许的情况下，分轴齿轮箱、调速器、传扭中间轴、行星齿轮箱可以设计集成为一个整体，更便于安装布置。

工作原理：机组正常运行中，小机的后轴伸驱动被驱动设备（给水泵），由于小机阀门全开，不做调节，小机的前轴伸将富余功率通过电机返送至厂用电系统，调速器的绕组通过四象限变频器接入高压厂用电系统，在不同工况下，功率与厂用电系统双向交换，小机和电机之间功率的传递是通过布置在两者之间的机械机构完成的，而功率的调节是通过两个（一个或多个）调速器完成的。小机前轴伸的输出功率输入行星齿轮箱的太阳轮，太阳轮把功率再传递给内齿圈和行星架，内齿圈的功率传递给传扭中间轴，行星架的功率由齿轮传递给调速器。传扭中间轴把功率直接输入分轴齿轮箱的中间齿轮，调速器把功率输入分轴齿轮箱的分轴齿轮，分轴齿轮再把功率传递给中间齿轮，中间齿轮最终把功率传递给电机。通过调节调速器，来调节行星齿轮箱的速比，以达到调节通过电机和调速器绕组反馈到厂用电系统的富余功率大小的目的，即控制了被驱动设备的功率，因此，通过控制调速器而最终达到了控制轴系中转子转速（功率）的目的。轴系中驱动设备和被驱动设备的轴功率平衡关系是这样的：被驱动设备（给水泵）的轴功率与其转速和给水管路阻力特性有关，小机轴功率与其进汽阀门开度和阀门前蒸汽参数（温度、压力）有关，而蒸汽参数与主机的负荷有关，电机的轴功率与其承担的负载有关，而在任一时刻，轴系中所有设备的功率必然处于平衡状态，小机和被驱动设备（给水泵）轴功率的差额由电机（以及调速器绕组）承担，只要这个轴功率差值不超出电机铭牌功率，轴系就可以安全稳定运行，即使遇到小机或被驱动设备（给水泵）功率突变等工况，上述调节过程仍然成立。

本发明的有益效果是：

1）现有技术的辅机驱动一般采用单一动力，驱动设备要有一定裕量，以火电厂给水泵为例，直流锅炉的给水泵设计要满足机组105%BMCR（汽包炉为110%BMCR）工况的需求，而驱动给水泵的小机相对于给水泵还要有一定裕量，而机组满负荷运行时，给水泵轴功率约为设计工况的80%左右，机组在50%负荷运行时，给水泵轴功率不足设计工况的20%，而小机也要保持与此相适应的轴功率，严重偏离设计工况，对效率影响很大。按照本发明的技术方案，小机可以保持阀门全开运行，在机组全负荷范围内，始终保持接近设计工况运行，保持较高的运行效率，给水泵转速的调节是通过调节调速器完成的。

2）现有技术的给水泵系统，一般需要设置启动泵或启动备用泵，而本发明的技术方案不需要设置启动泵或启备泵，机组启动时，由电机以电动机工况运行，驱动给水泵，小机抽真空，转子随轴系同步旋转，完成机组启动过程。当机组达到一定负荷，能够提供足够汽源的时候，小机汽源投入，小机开始输出功率，随着主机负荷的变化，当小机轴功率大于给水泵所需轴功率时，电机处于发电状态，反之，处于电动状态。

3）本发明尤其适用于双机回热系统采用，BEST小机，由于接带了主机高加，由于现有技术方案中，小机单独驱动给水泵，工况变化较为剧烈，高加水位难以控制，因而，主机变负荷速率，即调峰能力受到削弱，而本发明的技术方案，小机不需要调节（进汽阀门全开），因此，不会影响机组的调峰能力，而且还能提高机组效率。

4）本发明的技术方案中，只有一台电机，而且是工频电机定速运行，运行时直接并入厂用电系统，富余功率直接回馈到厂用电系统，电机本身不需要控制，也不需要全容量大功率变频器，系统、设备简单可靠。

附图说明

图1为本发明多行星方案的原理框图。

图2为本发明多行星方案齿轮箱的内部原理示意图。

图3为本发明单行星方案的原理框图。

图4为本发明单行星方案齿轮箱的内部原理示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1、图2所示，采用本发明方案设计，具体参数可以根据工程需要灵活选择，如需求给水泵设计转速范围为2800～4767rpm（调速器的绕组由两象限变频器进行电流控制）。

给水泵启动时，先将调速器绕组置于短路方式（调速器最小转速差状态），电机在软启动方式下启动，逐渐定速，此时功率从主行星机构的内齿圈传递给太阳轮和行星架，太阳轮再通过传扭中间轴和分轴齿轮箱，把功率传递给小机，主行星架的功率通过小行星机构的太阳轮传递给调速器（此时调速器的功率是反向传递），调速器再通过分轴齿轮箱把功率传递给小机，电机功率经过一系列传递后，最终驱动给水泵运行，机组启动阶段，给水泵保持2800rpm定速运行，小机保持空转（BEST小机只需要抽真空即可，纯凝小机根据叶片鼓风情况，视情况需要设置冷却蒸汽系统，通入冷却蒸汽）。

小机满足进汽条件后，小机开阀门进汽，随着小机进汽量增大，小机出力逐渐增加，直至小机阀门全开，随着主机负荷增加，给水泵需要增加转速时，小机转入转速控制模式，此时调速器的绕组由短路模式转入电流控制模式，通过控制电流的大小，来控制调速器传递功率的大小，从而控制行星机构的太阳轮和行星架的功率分流比，最终控制通过电机和调速器绕组向厂用电系统返送电或用电功率的大小。当小机出力大于给水泵所需出力时，电机就转入发电状态，向厂用电系统馈电，反之，小机出力不足以提供给水泵所需功率时，电机就处于电动状态，厂用电系统向电机供电。

实施例2：如图3、图4所示，采用本发明方案设计，具体参数可以根据工程需要灵活选择，如需求给水泵设计转速范围为2800～4767rpm（调速器的绕组由四象限变频器进行频率控制）。

给水泵启动时，电机在软启动方式下启动，软启动装置的变频器输出频率从0Hz逐步增加到50Hz，然后软启动装置切除，电机直接并入厂用电系统，同时调速器的四象限变频器绕组侧频率也从0Hz同步升高至最高频率(如90Hz)，此时调速器的绕组转子（连接分轴齿轮箱）定速，永磁转子反向旋转至最大转速（此时行星架与内齿圈同向旋转），则给水泵转速从0rpm升速至2800rpm，完成给水泵的启动过程。此时电机功率传递给分轴齿轮箱，分轴齿轮箱把功率传递给传扭中间轴和调速器的绕组转子，传扭中间轴把功率传递给行星机构的内齿圈，内齿圈把功率传递给太阳轮和行星架，由太阳轮驱动小机和给水泵，行星架把功率传递给调速器的永磁转子，此时调速器的绕组转子和永磁转子保持最大转速差反向旋转，调速器绕组中感应的电能通过四象限变频器回馈到厂用电系统，即不考虑损失的情况下，电机功率减去回馈到厂用电系统的功率，就是驱动给水泵的功率。机组启动阶段，给水泵保持2800rpm定速运行，小机保持空转（BEST小机只需要抽真空即可，纯凝小机根据叶片鼓风情况，视情况需要设置冷却蒸汽系统，通入冷却蒸汽）。

小机满足进汽条件后，小机开阀门进汽，随着小机进汽量增大，小机出力逐渐增加，直至小机阀门全开，随着主机负荷增加，给水泵需要增加转速时，逐渐减小调速器的四象限变频器绕组侧频率，当频率降低至50Hz时，调速器永磁转子保持0rpm（此时行星架转速也为0rpm），当需要进一步提高转速时，继续降低四象限变频器绕组侧频率，调速器的永磁转子和绕组转子就会保持同向旋转（此时行星架与内齿圈反向旋转），且绕组频率越低，永磁转子的转速就越高，给水泵转速就会越高，直至最高转速（变频器绕组侧频率约10Hz）。当小机出力大于给水泵所需出力时，电机就转入发电状态，向厂用电系统馈电，反之，小机出力不足以提供给水泵所需功率时，电机就处于电动状态，厂用电系统向电机供电。而控制调速器绕组的四象限变频器的功率流向，与轴系的功率流有关，当功率从小机传递给行星齿轮箱，即电机处于发电状态时，则变频器的功率流向是从厂用电系统流向调速器绕组，即用电；当电机处于电动状态，功率从行星齿轮箱传递给小机时，则变频器的功率流向是从调速器绕组流向厂用电系统，即馈电。

当给水泵停运，小机需要盘车时，小机可不设置盘车装置，利用本方案设计即可实现盘车功能，具体方式为，电机停运，并用锁轴装置闭锁，从0Hz反相逐步增加调速器的变频器的输出频率，小机会从0rpm逐步正向旋转，直至达到小机所需的盘车转速。

本发明所述小机也可以是其他类型的动力设备，被驱动设备可以是给水泵，也可以是风机等其他变转速控制的设备，也可适用于其他行业类似需求的设备。

Claims (2)

1.一种电机-小汽轮机变转速双驱动系统，其特征在于包括电机、行星齿轮箱、绕组式永磁调速器、传扭中间轴、分轴齿轮箱和小汽轮机，其中电机、行星齿轮箱、分轴齿轮箱、小汽轮机依次连接，分轴齿轮箱的中间齿轮连接小汽轮机的前轴伸，小汽轮机的后轴伸连接被驱设备，电机接入高压厂用电系统，并设有软启动装置，调速器通过两象限变频器接入高压厂用电系统，行星齿轮箱包括主行星机构和小行星机构，分轴齿轮箱通过传扭中间轴与行星齿轮箱的主行星机构的太阳轮连接，分轴齿轮箱还与绕组式永磁调速器连接，绕组式永磁调速器与小行星机构的太阳轮连接，小行星机构的行星架和主行星机构的行星架通过各自与其同轴的齿轮经中继齿轮连接，小行星机构的内齿圈和主行星机构的内齿圈通过各自与其同轴的齿轮连接，主行星机构的内齿圈和电机连接。

2.一种电机-小汽轮机变转速双驱动系统，其特征在于包括电机、分轴齿轮箱、绕组式永磁调速器、传扭中间轴、行星齿轮箱和小汽轮机，其中电机、分轴齿轮箱、行星齿轮箱、小汽轮机依次连接，小汽轮机的后轴伸连接被驱设备，电机接入高压厂用电系统，并设有软启动装置，调速器通过四象限变频器接入高压厂用电系统，行星齿轮箱为单行星机构，分轴齿轮箱通过传扭中间轴与行星齿轮箱的内齿圈连接，分轴齿轮箱还与绕组式永磁调速器连接，绕组式永磁调速器和行星齿轮箱的行星架通过各自与其同轴的齿轮经中继齿轮连接，行星齿轮箱的太阳轮和小汽轮机连接。