CN1119508C - 具有一个汽轮机和一个用于发电的工作机械的汽轮机发电机组 - Google Patents

具有一个汽轮机和一个用于发电的工作机械的汽轮机发电机组 Download PDF

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Abstract

一种汽轮机发电机组，其具有一个汽轮机和一个用于发电的工作机械，该汽轮机发电机组具有一根公共的用于一个汽轮机(20)和一个带有一个发电机(30)的工作机械的轴(4)，在该发电机(30)之后连接有一个变频器(5)，通过该变频器可向一用电电网提供预定频率的电流。这根公共轴(4)的轴承(6)用水来冷却和润滑。由于缺少需要冷却和润滑的减速传动机构，且蒸汽调节阀(221)也可被无油驱动，从而避免了被油污染的危险及油着火的危险。

Description

具有一个汽轮机和一个用于发电的 工作机械的汽轮机发电机组
本发明涉及一种汽轮机发电机组，其具有一个汽轮机单元和一个与之连接的用于发电的工作机械单元。
透平机组通常用于向频率为50赫兹或60赫兹的电网馈电。在高的发电功率(大于等于约30MVA)时，比较经济的做法是，通过采用双极发电机使汽轮机以3000或3600转/分钟的速度运行。对于较低的功率，汽轮机(视具体的发电功率)以大于3000-16000转/分钟的转速运行则比较经济。在此，必需借助减速传动装置在高转速汽轮机和以所期望的电流频率转动的发电机之间实现减速传动。
这样就产生了对轴承和减速传动装置进行润滑和冷却的特殊问题。
在减速传动装置中，不仅仅需要对减速传动装置的轴承进行特殊润滑，尤其还必须对减速传动齿轮相互啮合而承受强大载荷的齿面细心地进行润滑和冷却。高转速和负荷均要求选择一种适合的冷却和润滑剂，而到目前为止只有油可供选择。
传统的汽轮机发电机组一般具有一个油循环回路，它主要要完成三项任务：
首先，油用作汽轮机和发电机的轴承的润滑剂和冷却剂。其次，汽轮机的调节阀需要借助油液压调节缸来工作。最后，油要用于冷却和润滑减速传动装置。由此所产生的损耗热量排放到油循环回路中，并排放到油/水换热器中。为完成上述三项任务总体上需要相对较大的油量。其中，润滑油∶控制用油∶减速传动用油的比例约为1∶6∶2。
这样大的油量可能会导致许多问题。例如在油循环回路发生漏泄时，要担心漏泄油对环境造成污染。这要求采取一些预防措施，例如为油箱配备集油槽或砌砖防止漏泄。此外，漏泄油会真正增大着火的危险性。当漏泄油与汽轮机的温度高达500℃的高温构件接触时，被点燃的概率很大。作为另一种选择可采用的难于点燃的液体大多却有毒。为了防止油漏泄到汽轮机的排汽流中，尤其对轴流式汽轮机发电机组的汽轮机轴的轴承需要采取一些难度大且昂贵的措施。否则，蒸汽循环回路会被异类介质污染并导致多种故障。
虽然通过放弃采用油液压调节缸并转换成采用另一种介质(该介质需要一个自己的循环回路)或另一种用于调节阀的驱动原理(例如直线驱动装置，它在某些情况下同样需要冷却)能显著减小油循环回路内的油量。但这并不能避免汽轮机漏泄出的轴承油对排汽流造成污染或油漏泄到外界环境中去。为此，就象许多专利申请(例如EP 0 306 634，WO 94/01713和DE 19606088.5)所披露的那样，必需采取一些高技术措施。通过磁性支承的轴(例如参见DE-PS 42 27 280或DE 31 46 354 C2)或通过其它具有永久磁性和/或超导元件(参见DE-A-44 44 587)的磁性轴承就能解决所述问题。然而这同样意味着更多的费用和投入。对于减速传动装置还没有公开可望行之有效的无需冷却剂就能工作的替代方案。
本发明的目的在于，在一个具有一个汽轮机和一个工作机械的汽轮机发电机组中，避免因润滑剂和/或冷却剂所引起的所述困难。
本发明首先是基于控制或调节蒸汽输入的阀所用的水液压调节缸或其它无油工作的调节元件能避免因油引起的危险和困难。发电机或驱动机械单元中的机组(发电机，泵，压缩机等)的无油支承也同样能避免因油引起的危险和困难。按照本发明，尤其可采用直线发动机作为阀的调节驱动装置。只要润滑和冷却所需水量以足够的压力馈入轴承中，水冷式轴承就能顺当地适用于工作机械单元。
此外，本发明还基于只有要在由汽轮机驱动的轴上减速或变速时，才需要一个减速传动装置。但是当汽轮机和工作机械能以同样的转速运行时，就可以取消减速传动装置，也不会再产生与冷却减速传动装置相关的问题。为了保证将预定频率的电流馈入电网中或馈给用户，要通过一个与发电机连接的变频器使发电机转速(即高速旋转汽轮机的转速)与电流或电网的较低频率适配。如果工作机械单元包含了泵，压缩机或其它机器并且当这些相应的机器设计成能以汽轮机的高速运转，则同样不再需要减速传动装置。此时，汽轮机单元的汽轮机和工作机械单元的发电机尤其能通过离合器或法兰相互联接起来。
最后本发明还基于在汽轮机单元中可采用水作为润滑剂和冷却剂，这样因采用油所引起的着火危险和因油漏泄污染环境的危险从而能得以避免。在整个汽轮机发电机组中，因此实际上可放弃采用油等类似物。当轴承位于轴向汽流通路上，而且润滑和冷却用水是从汽轮机发电站的水循环回路中取出时，异类介质也不会渗漏到汽轮机的排汽流中。
因此，本发明的目的是通过具有权利要求1所述特征的方法或具有权利要求4所述特征的汽轮机发电机组来实现的。本发明其它有利的改进设计由从属权利要求给出。
按照本发明，一个汽轮机发电机组具有一个汽轮机单元和一个包括一发电机在内的工作机械单元，其中，这些单元没有减速传动装置地相互连接。由汽轮机驱动的轴部件和由发电机驱动的轴部件作为在这些单元之间区域内的轴段例如通过一个法兰盘直接相互联接以构成一根共同轴或构成一根刚性轴(例如为一体轴)，此时在汽轮机和工作机械之间的两个轴承可由一个轴承来替代。
为润滑和冷却汽轮机单元中的轴承，采用一个无油的循环回路，即一个水循环回路。即便为将轴支承在工作机械单元中，也只采用无油的轴承。在此，设置一个能产生具有所期望频率的电流的发电机。为此，在该发电机之后连接一个变频器。为了操纵汽轮机的调节阀，尤其可以采用一个直线驱动器或一个类似的在任何情况下都无油工作的驱动单元，并且尤其可结合一个电气或电子控制装置使用。
所述汽轮机单元可进行不同设计，例如它可包括一个或多个汽轮机，这些汽轮机具有向上或向下(通常沿侧向)的蒸汽排汽口或沿轴向的排汽口。通常在水平放置汽轮机和发电机(以及例如还串联有一燃气轮机)时，需要一轴向排汽口。此时发电机连接在蒸汽流入侧。
因此，在整个汽轮机发电机组内的油或其它润滑剂可用水来替代。汽轮机发电机组优选只包括无油工作的部件，因为也可用其它介质(例如空气或水)来冷却固定的部件(例如变频器)。
为了冷却和润滑轴承，尤其设有一个(或多个)水循环回路，从该水循环回路中引出通向各轴承的水流通道。也可以将多个轴部件和/或轴承设置在汽轮机单元中，并用一共同的水循环回路来给它们供水。通过排水通道，作为冷却和润滑剂的水有利地从轴承回流到水循环回路中。利用该水循环回路能同时优选地运行一发电机单元或另一工作机械单元的冷却系统，并使蒸汽输往汽轮机单元。这对于一个变频器来说也同样适用，只要设置了这样一种变频器，并且它也需要冷却。只要用于操作汽轮机调节阀的直线驱动装置也需要冷却，也可由水循环回路来提供水。因而可由唯一一个水循环回路来承担将汽轮机发电机组的所有损耗热量排走的任务。传给循环水的热能优选通过一个热交换器来取走。该热交换器通过一个开放的水循环回路来运行，但它也可以是一个风冷式热交换器。
由于水具有相对较大的热容量，各冷却部件可设计得相对较小。此外还可以采用更小尺寸的部件，因为迄今为止所采用的控制用油，即控制用于汽轮机调节阀的液压调节缸的油，以及减速传动装置所用油所占据的容积可以被节省下来。因此总体上也可减少循环介质的用量。这不但对管道和冷却器的尺寸，而且对泵系统驱动水循环回路所需的功率都会造成有利影响。在该水循环回路中，水损耗优选用本身在发电站内就配备有的备用水来补偿，以便将蒸汽馈入所需用水导入在一相应的循环回路中的汽轮机中。
由于润滑和冷却剂循环与汽轮机采用相同的介质来运行，所需的循环水也可从发电站的蒸汽/水循环中吸取。比较有利的是同时配备有循环水。例如可能由轴承产生的磨损颗粒或其它杂质被滤出。
由于不但采用相同的介质作为轴承所用冷却和润滑剂，而且还用于汽轮机产生蒸汽，这样尤其在轴流式汽轮机中，可在汽轮机的排汽流中设置一个轴承，而不必担心在轴封发生漏泄时有异类介质污染蒸汽循环的危险。
下面借助附图所示汽轮机发电机组的两个实施例对本发明予以详细说明，该汽轮机发电机组以水作为润滑和冷却剂而无油运行，附图中：
图1示出一个以水作为润滑和冷却剂而无油运行的汽轮机发电机组，它带有侧向(即向下的)排汽口；
图2示出一个以水作为润滑和冷却剂而无油运行的汽轮机发电机组，它带有轴向排汽口。
在图1中，简略地示出了一个汽轮机发电机组，该汽轮机发电机组用符号1来表示，它包含一个汽轮机单元2和作为其它工作机械单元的一个发电机单元3。所述单元2和3通过一根轴4相互连接。该轴由多个以相同转速旋转的轴部件(两个轴段41，42)组成。轴段41穿过汽轮机单元2。在汽轮机20内，其动叶片211安设在轴段41上，其中为视图清晰起见，在附图中只示出两片动叶片。在动叶片211之间，在汽轮机20的透平机壁上还设有导向叶片212，其中为视图清晰起见也同样只示出两片导向叶片。轴段42穿过发电机30，其上安设有发电机30的电枢31。发电机30的定子32沿圆周方向环绕电枢31并位于发电机30的壳体内。轴4的两个轴段41、42通过法兰43相互连接。由发电机30产生的电流通过导线51传输给变频器5，该变频器5将发电机电流由轴4的转速和极数确定的输出频率转换成与待馈入电网的电网频率相符合的频率。发电电流在此通过导线52输入电网中。
驱动汽轮机20的蒸汽通过蒸汽入口22输入。通过调节阀221可调节蒸汽输入，而调节阀221则通过一个或多个线性驱动器222和电气调节器223来运行。
汽轮机蒸汽在本实施例中通过一个朝向下方的蒸汽出口23排出。这种在一侧向下排出蒸汽相对于轴向排出蒸汽(参见图2)有其优点，亦即轴4在蒸汽排出装置23内不需要支承。
轴4用轴承6来支承。图中所示为滑动轴承。作为轴承6的润滑和冷却剂的水由一个输水管70和一个回水管71提供。水循环通过一个泵80保持工作。作为冷却和润滑剂的循环水通过从水循环管71引出的输水通道72输往轴承6。在轴承6处循环水作为冷却和润滑剂。在轴承6处因滑动摩擦产生的热量被循环水带走。循环水从轴承6处通过排水通道73输入回水管71中。
比较有利的是，水循环(70、71)的循环水能承担对汽轮机发电机组的其它部件的冷却任务。在图1所示实施例中，循环水同样用于冷却发电机30。循环水通过一个输水通道74馈入发电机30的冷却系统中，从此处又通过一个排水通道75输入回水管71中。以这种同样的方法，亦即通过一个输水通道76将循环水输入直线驱动器222，并通过一个排水通道77将其输入回水管71中，就能实现有时候需要的对直线驱动器222的冷却。以同样有利的方式也可以对变频器5进行冷却。循环水通过一个输水通道78输入变频器5的冷却系统(图中未示出)中，并通过一个排水通道79输入回水管71中。
循环水(70、71)的冷却借助一个传热器8通过将循环水的热量传递给一个开放的换热水循环81来实现。也可选择通过一个风冷传热器9，或与上述方法相结合来冷却循环水。
按照比较有利的方式，冷却水可以从相应发电厂(未示出)的水循环中提取，该水循环还为产生汽轮机用蒸汽提供水。这种方案的特别优点在于，循环水在这样的情形下与蒸汽循环用水一起制备好。
图2所示实施形式是一个以水作为润滑和冷却剂而无油运行的汽轮机发电机组，其中蒸汽流为轴向排出。与图1所示实施形式中相同的部件具有相同的附图标记。尤其是汽轮机发电机组同样采用附图标记1。汽轮机单元2此处也通过一根轴4(亦即两个轴段41、42)与发电机单元3相联接。两个轴段41、42通过一个法兰43直接相互耦接。轴段42在发电机30内承载有一个电枢31。与之相对毗邻的是同样包含在发电机30内的定子32。发电机30产生的电流通过导线51输入一个变频器5，该变频器5在改变电流的频率后通过导线52将电流馈入一个电网中。在汽轮机20内，轴段41具有动叶片211。在动叶片211之间的间隙内，在汽轮机20的静止部件上装有导向叶片212。
与图1所示实施例相反，汽轮机20在本实施例中具有一个将蒸汽轴向排出的排汽装置23′。尤其在汽轮机与发电机平面安置时(例如发电机的一相线还与一个燃气轮机相连接)需要这种轴向排汽。如图2所示，发电机30与汽轮机20的蒸汽入口22一侧相联接。在排汽装置23′上通常连接有一个冷凝器(图中未示出)或一个背压接管(图中同样未示出)。与向下或向侧面排汽的汽轮机实施形式相反，轴向排汽的汽轮机要求轴承设置在蒸气流中。这种布置可在图2的右半部看出。一个围绕轴4的轴承6位于排汽装置23′内。这种布置存在着轴承6的冷却和润滑剂流入蒸汽循环的显著危险。但由于采用输水管70中的循环水来润滑和冷却轴承6，蒸汽循环介质被位于排汽装置23′内的轴承6所用的异类冷却和润滑剂污染的可能性实际上不存在。
循环水通过输水通道72提供给轴承6。通过排水通道73，循环水可进入回水管71中。就象图1所示实施形式那样，比较有利的还有，通过一个输水通道74和一个排水通道75向发电机30的冷却系统33提供循环水。同样比较有利的是，采用水循环(70/71)中的循环水来冷却直线驱动器222(如果需要的话)和变频器5(如果需要的话)。
当然，在上述两个实施形式中，也可以用一根一体轴来替代图示的两段轴4。

Claims (10)

1.一种运行汽轮机发电机组(1)的方法，该汽轮机发电机组(1)具有一个汽轮机单元(2)和一个包含用于发电的一个发电机(30)在内的工作机械单元(3)，其中蒸汽借助无油驱动的阀(221)输入该汽轮机单元(2)，一根轴(4)的支承在汽轮机单元(2)中的一个轴承(6)上的轴段(41)借助一个汽轮机(20)产生旋转，该轴的相同旋转运动借助一个无油地支承在工作机械单元(3)中的轴段(42)，且中间无减速传动机构地传递给发电机(30)，作为冷却和润滑剂的水提供给所述轴承(6)，来自所述发电机的电流通过一个电变频器(5)被馈入一个具有额定电网频率的用电电网(52)中。
2.如权利要求1所述的方法，其中所有转动部件的轴承(6)都用一个水循环(70/71)中的水来润滑和冷却。
3.如权利要求2所述的方法，其中，从所述水循环中提取水来产生汽轮机用蒸汽。
4.一种汽轮机发电机组(1)，其具有一个汽轮机单元(2)和另一个工作机械单元(3)，其中，蒸汽通过调节阀(221)可输入一个汽轮机(20)中，利用该蒸汽，汽轮机单元(2)中的一根具有一个支承在一轴承(6)上的轴段(41)的轴(4)产生旋转运动，并由该轴(4)可驱动工作机械单元(3)的一个发电机(30)，其中，设有一个将水作为润滑和冷却剂提供给轴承(6)的水循环(70/71)、发电机(30)的一个中间无减速传动机构直接由汽轮机(20)驱动的且无油支承的轴段(42)以及一些用于调节阀(221)的无油驱动器，在所述发电机(30)之后连接一个用于产生所需频率的电流并将其馈入一用电电网中的变频器(5)。
5.如权利要求4所述的汽轮机发电机组(1)，其中，所述轴(4)由汽轮机单元(2)的轴段(41)、工作机械单元的轴段(42)和这两个轴段的一刚性联轴器(43)构成。
6.如权利要求4或5所述的汽轮机发电机组(1)，其中，所述包括汽轮机单元(2)的轴段(41)和工作机械(30)的轴段(42)在内的轴(4)为一体件，且仅支承在轴承(6)上。
7.如权利要求6所述的汽轮机发电机组(1)，其中，所述汽轮机单元(2)具有一个轴向排汽口，且所述轴承(6)设置在该排汽口中。
8.如权利要求7所述的汽轮机发电机组(1)，其中，水作为润滑和冷却剂被供给工作机械单元(3)的至少一个用于被驱动轴段(42)的轴承。
9.如权利要求8所述的汽轮机发电机组(1)，其中，所述调节阀(221)具有无油的直线驱动器(222、223)。
10.如权利要求9所述的汽轮机发电机组(1)，其中，由为汽轮机单元(2)提供蒸汽的水循环向所述水循环(70/71)提供用水。
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