CN110671162B - 一种蒸汽压力匹配器及其控制方法 - Google Patents

一种蒸汽压力匹配器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蒸汽压力匹配器及其控制方法，其包括连通的蒸汽涡轮和蒸汽压缩机，所述的蒸汽涡轮一侧外接高压蒸汽；所述的蒸汽涡轮另一侧连通供热联箱，所述的蒸汽压缩机的一侧外接低压蒸汽，所述的蒸汽压缩机另一侧连通供热联箱；所述的供热联箱一侧通过减温减压器和管道连通高压蒸汽，所述的供热联箱另一侧连通去热用户。该蒸汽压力匹配器及其控制方法，将替代蒸汽喷射型压力匹配器，具有广阔的应用场景，以满足国家节能减排的迫切需求；它为解决大型汽轮机组运行安全性和供热需求多样性之间的矛盾，为实现燃煤/燃气电厂的高效热电联产，开辟了一条更宽广的道路。

Description

一种蒸汽压力匹配器及其控制方法
技术领域
本发明涉及蒸汽压力匹配器的技术领域，尤其是一种蒸汽压力匹配器及其控制方法。
背景技术
热电联产可以减少机组发电过程的冷源损失、提高火电厂能源利用率，有效降低机组的发电标煤耗，显著提高机组的热经济性。热电联产实行集中供热，可以取消区域内的分散小锅炉，解决分散燃煤锅炉污染排放，利用电站锅炉大容量、高效率的特点，最终调和了经济发展和环境保护的对立。纯凝/抽汽热电联产机组在实际运行中，机组所抽蒸汽的参数与用户所需蒸汽的参数，很难在机组全工况内完全匹配，如何减少供热过程中存在的节流或能量损失，成为供热机组普遍面临的技术难题之一。科学合理选择纯凝发电机组抽汽供热改造方式，成为热电联产技术的热门课题。目前，已经完成的纯凝/抽凝机组的供热方案，按项目数量的多少排序为：①减温减压器方案，②蒸汽喷射压力匹配器方案，③供热蒸汽小型背压机方案。
减温减压器方案是最简单的供热方式，但蒸汽能量没有实现梯级利用，即存在“高品位”的能量转变为“低品位”的能量的问题，属“粗放型”生产方式。蒸汽喷射压力匹配器方案，选取不同的高压与低压蒸汽汽源，用喷嘴使高压蒸汽加速，产生低静压区，以引射低压蒸汽，扩压后外输，该方案利用高压蒸汽的部分压力能，提高低压蒸汽品位，但是装置内部湍流掺混的
Figure GDA0003155800200000011
损失很大，节能效果较差。供热蒸汽小型背压机方案，通常排汽压力大于大气压的汽轮机称为背压式汽轮机，该方案所抽高压蒸汽先通过小型背压汽轮机(排汽压力为供热蒸汽的压力)，然后再对外供热，实现了蒸汽能量的梯级利用。背压机利用所抽高压蒸汽与供热蒸汽之间的压力差发电或输出机械功，功率由供热负荷决定，即“以热定电”，但是在背压机排汽温度达不到供热蒸汽要求时，就限制了背压机的功率输出，在极端的情况下，可能就无法发电。
综上所述，现有的发电供热装置及其控制方法还存在很大的缺陷，不能满足人们高效快速生产的需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中存在的问题，提供一种蒸汽压力匹配器及其控制方法，将替代蒸汽喷射型压力匹配器，具有广阔的应用场景，以及国家节能减排的迫切需求。在大型纯凝/抽汽供热机组的热电联产领域，技术上更为先进的本发明，将是蒸汽喷射压力匹配器方案和小型背压机方案的替代技术，它为解决大型汽轮机组运行安全性和供热需求多样性之间的矛盾，为实现燃煤/燃气电厂的高效热电联产，开辟了一条更宽广的道路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种蒸汽压力匹配器，包括连通的蒸汽涡轮和蒸汽压缩机，所述的蒸汽涡轮一侧外接高压蒸汽；所述的蒸汽涡轮另一侧连通供热联箱，所述的蒸汽压缩机的一侧外接低压蒸汽，所述的蒸汽压缩机另一侧连通供热联箱；所述的供热联箱一侧通过管道连通高压蒸汽，所述的供热联箱另一侧连通去热用户。
进一步地说明，上述技术方案中，所述的蒸汽涡轮与高压蒸汽连接的支路上还设置涡轮主汽调节阀。
进一步地说明，上述技术方案中，所述的供热联箱与高压蒸汽连接的支路上还依次设置蒸汽压力匹配器旁路减压阀和旁路减压蒸汽减温器。
进一步地说明，上述技术方案中，所述的蒸汽压缩机与低压蒸汽连接支路上还依次设置压缩机可调IGV、低压蒸汽减温器和低压蒸汽源断流止回阀。
进一步地说明，上述技术方案中，所述的蒸汽压缩机与供热联箱连接的支路上还设置涡轮增器停机断流止回阀。
一种蒸汽压力匹配器的控制方法，包括如下步骤：S1、涡轮蒸汽压力匹配器启动控制；S2、涡轮蒸汽压力匹配器对供热联箱压力的闭环控制；S3、汽轮机组深度调峰的供热联箱压力控制，即涡轮蒸汽压力匹配器与旁路减温减压器共同工作控制；S4、压缩机进口温度控制和旁路减温器的温度控制；S5、停机过程可分为正常停机和紧急切断；S6、控制系统的保护功能。
进一步地说明，上述技术方案中，所述的S1中蒸汽压力匹配器启动包括就地启动、手动启动和曲线启动三种方式。
本发明的有益效果是：本发明提出的一种蒸汽压力匹配器及其控制方法，将替代蒸汽喷射型压力匹配器，具有广阔的应用场景，以及国家节能减排的迫切需求。在大型纯凝/抽汽供热机组的热电联产领域，技术上更为先进的本发明，将是蒸汽喷射压力匹配器方案和小型背压机方案的替代技术，它为解决大型汽轮机组运行安全性和供热需求多样性之间的矛盾，为实现燃煤/燃气电厂的高效热电联产，开辟了一条更宽广的道路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是蒸汽涡轮和蒸汽压缩机的特性曲线示意图；
图3是本发明中计算机控制的结构示意图。
附图中的标号为：1、蒸汽涡轮，2、蒸汽压缩机，3、供热联箱，4、涡轮主汽调节阀，5、蒸汽压力匹配器旁路减压阀，6、旁路减压蒸汽减温器，7、压缩机可调IGV，8、低压蒸汽减温器，9、低压蒸汽源断流止回阀，10、涡轮增器停机断流止回阀，11、压缩机泄流阀。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
见图1、图2和图3所示的是一种蒸汽压力匹配器，包括连通的蒸汽涡轮1和蒸汽压缩机2，蒸汽涡轮1一侧外接高压蒸汽；蒸汽涡轮1另一侧连通供热联箱3，蒸汽压缩机2的一侧外接低压蒸汽，蒸汽压缩机2另一侧连通供热联箱3；供热联箱3一侧通过管道连通高压蒸汽，供热联箱3另一侧连通去热用户。
其中，蒸汽涡轮1与高压蒸汽连接的支路上还设置涡轮主汽调节阀4。供热联箱3与高压蒸汽连接的支路上还依次设置蒸汽压力匹配器旁路减压阀5和旁路减压蒸汽减温器6。蒸汽压缩机2与低压蒸汽连接支路上还依次设置压缩机可调IGV 7、低压蒸汽减温器8和低压蒸汽源断流止回阀9。蒸汽压缩机2与供热联箱3连接的支路上还设置涡轮增器停机断流止回阀10。
一种蒸汽压力匹配器的控制方法，包括如下步骤：S1、涡轮蒸汽压力匹配器启动控制；S2、涡轮蒸汽压力匹配器对供热联箱压力的闭环控制；S3、汽轮机组深度调峰的供热联箱压力控制，即涡轮蒸汽压力匹配器与旁路减温减压器共同工作控制；S4、压缩机进口温度控制和旁路减温器的温度控制；S5、停机过程可分为正常停机和紧急切断；S6、控制系统的保护功能。
其中，S1中蒸汽压力匹配器启动包括就地启动、手动启动和曲线启动三种方式。
该蒸汽压力匹配器的控制原理：蒸汽压力匹配器的设备本体控制机构有涡轮主汽调节阀4、压缩机可调IGV 7、压缩机泄流阀11等，仪器仪表有高压蒸汽压力传感器、低压蒸汽压力传感器、涡轮排汽压力传感器、压缩机排汽压力传感器、供热联箱蒸汽温度传感器等。蒸汽增压器工作时，高压蒸汽推动涡轮旋转，涡轮与压缩机同轴联接，带动压缩机旋转，将低压蒸汽增压。
本发明公开了一种用于涡轮蒸汽压力匹配器的控制系统，并提供了调节方法。所述控制系统包括计算机及软件、数据采集及参数测点、数字电液调节系统、紧急保护系统。所述参数测点分布在涡轮蒸汽压力匹配器上，数据采集包括温度传感器、压力传感器和转速传感器等与控制系统的计算机联接。所述控制系统的计算机根据采集的数据判断工况状态和压力匹配器工作状态，经过运算后输出控制信号，控制信号经过电液调节系统放大后直接作用于旁路减压阀5、涡轮主汽调节阀4、压缩机可调IGV7、压缩机泄流阀11。紧急保护系统主要与涡轮主汽调节阀4和压缩机泄流阀11相连。
蒸汽压力匹配器供热时的约束条件
1)能量平衡
蒸汽压力匹配器装置整体对外的机械功输出为零，因此涡轮的输出轴功与压缩机的所耗轴功相等(忽略轴承等机械损失)：
WT＝WC
2)转速相同
涡轮与压缩机同轴联接，因此两者的物理转速相等：
nT＝nC
3)出口压力
涡轮排出的蒸汽与压缩机排出的蒸汽汇流，因此两者的出口压力基本相等：
PT,out＝PC,out＝P供热
高压蒸汽的压力与出口压力之比为涡轮的落压比，出口压力与低压蒸汽的压力之比为压缩机的压比，无论是落压比还是压比都是叶轮机械的重要指标参数。机组负荷的变化直接影响着涡轮的落压比和压缩机的压比。
4)流量耦合
涡轮排汽与压缩机排汽都到供热联箱汇流，然后对外供热，供热联箱还有另外两个“出入接口”——旁路减压流量和压缩机泄流流量，因此四者的蒸汽流量之和应该等于供热蒸汽流量(质量流量)：
Figure GDA0003155800200000061
蒸汽压力匹配器的数学模型
在涡轮和压缩机设计完成以后，两个部件的特性曲线就能够给出功率、转速、压比和流量的关系。
根据图2中的特性曲线可以得到如下的函数关系
Figure GDA0003155800200000071
Figure GDA0003155800200000072
Figure GDA0003155800200000073
Figure GDA0003155800200000074
根据前节的约束条件WT＝WC，
Figure GDA0003155800200000075
nT＝nC(正常情况下可调整
Figure GDA0003155800200000076
)，可得
Figure GDA0003155800200000077
Figure GDA0003155800200000078
Figure GDA0003155800200000079
当涡轮设计完成后
Figure GDA00031558002000000710
和ξT就确定了当压缩机设计完成后，对应每一个IGV角度，有一组确定的
Figure GDA00031558002000000711
和ξC。
当P供热，PT,in，PC,in发生变化时，蒸汽压力匹配器可以通过式(1)自动工作在一个新的转速下，那么式(3)将产生不平衡(表现为供热联箱压力的变化)，通过调整PT,in可以将流量调整平衡，转速将匹配到新值。若转速超出合理范围，那么需要调整IGV，得到一组新的
Figure GDA00031558002000000712
和ξC函数，使式(1)和(3)同时成立。当机组深度调峰时，超出蒸汽蒸汽压力匹配器自身的调节范围时，需要通过式(2)中的
Figure GDA0003155800200000081
和
Figure GDA0003155800200000082
调节。
蒸汽压力匹配器的控制系统是实时性很强的控制系统，若采用PID控制，可以无需建立精确的数学模型。
控制系统的逻辑设计概述：
控制系统总体上由计算机控制部分和EH液压执行机构组成。包括数据采集(DAS)、数字电液调节系统(DEH)、汽机紧急跳闸系统(ETS)和汽轮机监测保护仪表系统(TSI)，控制系统有完善的系统引导，操作员站上电后，系统无需运行人员干预即可正常启动至控制画面，在“操作员自动”情况下，操作员主要通过操作员站的鼠标和键盘，进行各种控制操作和画面操作，启动后可以实现无人值守的自动控制。
蒸汽压力匹配器有能力通过自动匹配转速来适应电厂调峰或热用户需求的变化。为了适应深度调峰的需求，特地设计了4个调节手段(如图1)：1)涡轮主汽调节阀4；2)压缩机可调IGV 7；3)蒸汽压力匹配器旁路减压阀5；4)压缩机泄流阀11。
启停控制：
蒸汽压力匹配器在启动前，由减温减压旁路进行供热，控制系统对高压蒸汽压力、低压蒸汽压力和温度，以及供热联箱3的压力和温度都处于跟踪状态。
蒸汽压力匹配器的升速可有三种方式：就地启动、手动启动和曲线启动。三种启动方式互为闭锁，控制系统挂闸后需要选择启动方式，即只能通过其中一种方式启动。转速控制回路能保证蒸汽压力匹配器自动迅速地冲过临界转速区。
在启动过程中，压缩机泄流阀11保持全开，涡轮主汽调节阀4控制转速，蒸汽压力匹配器旁路减压阀5控制供热联箱3压力，待达到该状态的目标转速后，逐渐关闭压缩机泄流阀11，即给蒸汽压力匹配器加载，涡轮主汽调节阀4随之开度继续增加，以控制目标转速不变，蒸汽压力匹配器旁路减压阀5继续控制供热联箱3压力，该过程直到压缩机泄流阀11完全关闭，启动过程完成。
若在启动过程完成后，蒸汽压力匹配器旁路减压阀5仍未完全关闭，涡轮主汽调节阀4开度继续增加，蒸汽压力匹配器将平衡在新的转速，亦即此时的控制策略转变为涡轮主汽阀4控制供热联箱压力，蒸汽压力匹配器旁路减压阀5主动退出(直至完全关闭)。
停机过程可分为正常停机和紧急切断。正常停机时打开蒸汽压力匹配器旁路减压阀5，用其控制热联箱压力，逐渐打开压缩机泄流阀11，即给蒸汽压力匹配器卸载，逐渐减小涡轮主汽调节阀4的开度，以控制目标转速不变，直到压缩机泄流阀11完全打开，继续减小涡轮主汽调节阀4的开度，直到完全关闭，停机过程完成。紧急切断时，快速将涡轮主汽调节阀4关断，打开压缩机泄流阀11，蒸汽压力匹配器惰走停机，再打开蒸汽压力匹配器旁路减压阀5，用其控制热联箱3的压力。
蒸汽压力匹配器对供热联箱3的压力控制：
正常工作时，蒸汽压力匹配器旁路减压阀5和压缩机泄流阀11都完全关闭，涡轮主汽调节阀4控制供热联箱压力，压缩机可调IGV 7优化蒸汽压力匹配器转速，使设备在该状态下的系统效率最高。
外部扰动出现时，例如高压蒸汽压力、低压蒸汽压力或者供热蒸汽流量的变化，若涡轮主汽调节阀4和压缩机可调IGV 7都不做调整，蒸汽蒸汽压力匹配器的涡轮和压缩机将特性曲线上自动匹配到另一个“共同工作点”，导致供热联箱3压力的变化，此时调节涡轮主汽调节阀4可以将供热联箱压力恢复到目标值，而利用压缩机可调IGV 7可以调整转速。
汽轮机组深度调峰的供热联箱3压力控制：
当汽轮机组深度调峰时，涡轮主汽调节阀4开度达到上限值，蒸汽涡轮1的蒸汽流量不能再增加，蒸汽压缩机2侧的蒸汽流量也不可能再增加，此时需要打开蒸汽压力匹配器旁路减压阀5用以控制供热联箱3的压力。压缩机可调IGV 7逐渐关小角度，以维相应的目标转速，蒸汽压缩机2在进入喘振区之前逐渐打开压缩机泄流阀11，当低压蒸汽源断流止回阀9关闭时，蒸汽压力匹配器进入正常停机程序。
辅助控制回路：
蒸汽压缩机2进口温度控制：
为了减小蒸汽压缩机2的功耗，控制入口蒸汽的过热度，根据低压蒸汽的压力计算饱和蒸汽压力，通过低压蒸汽减温器8控制蒸汽压缩机2入口的蒸汽过热度为20～30℃，此外若供热联箱3的出口温度低于供热过热度的要求，需要减少低压蒸汽减温器8的喷水量，提高蒸汽压缩机2入口的蒸汽过热度。
蒸汽压力匹配器旁路
蒸汽压力匹配器旁路减压后，蒸汽温度有所降低，若仍高于供热过热度的要求，则通过旁路减压蒸汽减温器6控制蒸汽温度。
控制系统的保护功能
蒸汽压缩机2进入喘振：
蒸汽压缩机2进入喘振，首先要关压缩机可调IGV 7，若还不能解决将快速关断涡轮主汽调节阀4，然后打开蒸汽压力匹配器旁路减压阀，控制供热联箱3的压力。
超速保护
蒸汽压力匹配器正常工作时，转速在一定范围内自动匹配(“共同工作点”)，机组调峰或都供热联箱压力变化时，压力匹配器有可能接近最高转速限值，达到第一报警限值时，应当调节压缩机可调IGV 7或关闭压缩机泄流阀11，超过第二报警限值时，直接停机。
该蒸汽压力匹配器的控制方法相对与传统控制方法具有以下有益效果：1、旁路减温减压与涡轮蒸汽压力适配器共同工作；2、压缩机防喘泄流回路的控制方法，压缩机的IGV可以调节蒸汽流量和功率，但泄流回路的存在使压缩机的工作范围更宽；3、涡轮蒸汽压力匹配器，在外部蒸汽参数发生变化时，涡轮的主气阀和压缩机的IGV都可以调整该装饰使其稳定工作，但利用本发明的调节方法，可以找到该装置的最佳运行工作点，实现装置的高效运行。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种蒸汽压力匹配器的控制方法，其特征在于：使用了一种蒸汽压力匹配器：
一种蒸汽压力匹配器，包括：
包括连通的蒸汽涡轮和蒸汽压缩机，所述的蒸汽涡轮一侧外接高压蒸汽；所述的蒸汽涡轮另一侧连通供热联箱，所述的蒸汽压缩机的一侧外接低压蒸汽，所述的蒸汽压缩机另一侧连通供热联箱；所述的供热联箱一侧通过管道连通高压蒸汽，所述的供热联箱另一侧连通去热用户；
所述的蒸汽涡轮与高压蒸汽连接的支路上还设置涡轮主汽调节阀；
所述的供热联箱与高压蒸汽连接的支路上还依次设置蒸汽压力匹配器旁路减压阀和旁路减压蒸汽减温器；
所述的蒸汽压缩机与低压蒸汽连接支路上还依次设置压缩机可调IGV、低压蒸汽减温器和低压蒸汽源断流止回阀；
所述的蒸汽压缩机与供热联箱连接的支路上还设置涡轮增器停机断流止回阀；
一种蒸汽压力匹配器的控制方法，包括如下步骤：
S1、蒸汽压力匹配器启动控制；S2、蒸汽压力匹配器对供热联箱压力的闭环控制；S3、汽轮机组深度调峰的供热联箱压力控制，即蒸汽压力匹配器与旁路减压蒸汽减温器共同工作控制；S4、压缩机进口温度控制和旁路减压蒸汽减温器的温度控制；S5、停机过程可分为正常停机和紧急切断；S6、控制系统的保护功能。
2.如权利要求1所述的一种蒸汽压力匹配器的控制方法，其特征在于：所述的S1中蒸汽压力匹配器启动包括就地启动、手动启动和曲线启动三种方式。
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