CN112968638B - 给水泵汽轮机系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种给水泵汽轮机系统，包括：给水泵汽轮机的控制输入端接收携带有需求负荷的外部指令，并通过其第一控制输出端输出第一转速和第一负荷，通过其第二控制输出端输出第一转速和第二负荷；给水泵的控制端与给水泵汽轮机的第一控制输出端连接，并根据第一控制输出端输出的第一转速和第一负荷向其给水输出端供水；调速器的控制端连接到给水泵汽轮机的第二控制输出端，将第二控制输出端输出的第一转速调整为恒定的第二转速，并向其负载端输出第二转速和第二负荷；发电机的控制端连接到调速器的负载端，并根据负载端输出的第二转速和第二负荷，向其功率输出端输出电量。本申请可以有效提高给水泵汽轮机系统的节能效率。

Description

给水泵汽轮机系统

技术领域

本说明书涉及火力发电领域，尤其涉及一种给水泵汽轮机系统。

背景技术

为了增加火力发电厂回热抽汽级数并降低各回热抽汽过热度，提高机组循环热效率，目前在超临界机组开始尝试用背压/背抽式给水泵汽轮机给高压加热器供汽，这种给水泵汽轮机除了带动给水泵外还配置一台小发电机，排汽排入除氧器。给水泵与包括大发电机组的给水系统连接，小发电机与外部供电设备连接，例如并入厂网来降低厂用电率，来达到节能效果。

厂网的电网频率为固定频率，给水泵汽轮机的转速会随着机组负荷升降而变化，导致给水泵汽轮机提供给小发电机的转速也为变转速，如此使得小发电机的转速与固定的电网频率不匹配。现有方案是在小发电机与外部供电设备之间设置四相线变频器，使得小发电机输出的变转速经过变频后，转换为与外部供电设备的电网频率同频，实现节能。

然而，四相线变频器体积非常大，需要很大的功率，导致成本高，且可靠性低。因此，给水泵汽轮机系统节能效率不高。

发明内容

本申请实施例提供一种给水泵汽轮机系统，以解决现有给水泵汽轮机系统节能效率不高的问题。

为了解决上述技术问题，本说明书是这样实现的：

第一方面，本说明书实施例提供了一种给水泵汽轮机系统，包括：

给水泵汽轮机，包括控制输入端、第一控制输出端、第二控制输出端，其中，所述控制输入端接收携带有需求负荷的外部指令，并通过所述第一控制输出端输出第一转速和第一负荷，通过所述第二控制输出端输出所述第一转速和第二负荷，所述第一转速根据所述需求负荷确定，所述第一负荷根据所述第一转速确定，所述第二负荷为所述需求负荷与所述第一负荷的差值；

给水泵，包括控制端和给水输出端，控制端与所述给水泵汽轮机的第一控制输出端连接，并根据所述第一控制输出端输出的第一转速和第一负荷向所述给水输出端供水；

调速器，包括控制端和负载端，控制端连接到所述给水泵汽轮机的第二控制输出端，将所述第二控制输出端输出的第一转速调整为恒定的第二转速，并向所述负载端输出所述第二转速和所述第二负荷；

发电机，包括控制端和功率输出端，所述控制端连接到所述调速器的负载端，并根据所述负载端输出的第二转速和第二负荷，向所述功率输出端输出电量。

可选的，所述调速器为液力耦合调速器或永磁耦合调速器。

可选的，所述永磁耦合调速器包括：

永磁外转子和绕组转子；

所述永磁外转子的第一轴与所述给水泵汽轮机的第二控制输出端连接，并根据所述第二控制输出端输出的第一转速进行旋转；

所述绕组转子的第二轴与所述发电机的控制端连接，并根据调整后的所述第二转速进行旋转；

控制单元，设置在所述第二轴上，用于根据所述第一轴的所述第一转速与所述第二轴的所述第二转速，控制所述绕组转子中对应绕组产生的感应电动势大小，以使得所述负载端向所述发电机输出恒定的所述第二转速。

可选的，所述控制单元根据所述第一轴的所述第一转速与所述第二轴的所述第二转速，控制所述绕组转子中对应绕组产生的感应电动势大小，以使得所述负载端向所述发电机输出恒定的所述第二转速，包括以下至少一项：

确定所述第一转速与所述第二转速的转速差值，在所述转速差值变大时，控制所述绕组产生的所述感应电动势减小，以减小所述第二轴向所述发电机传递的扭矩，使得所述负载端根据所述传递扭矩输出的转速为所述第二转速；

确定所述第一转速与所述第二转速的转速差值，在所述转速差值变小时，控制所述绕组产生的所述感应电动势增大，以增大所述第二轴向所述发电机传递的扭矩，使得所述负载端根据所述传递扭矩输出的转速为所述第二转速。

可选的，所述控制单元控制所述绕组产生的所述感应电动势减小，具体包括：通过将外部电气元件连接到所述绕组上进行电流充电，控制减小所述绕组产生的感应电流以减小所述感应电动势；

所述控制单元控制所述绕组产生的所述感应电动势增大，具体包括：通过将所述外部电气元件连接到所述绕组上进行电流放电，控制增大所述绕组产生的感应电流以增大所述感应电动势。

可选的，所述调速器的调速范围与所述给水泵发电机根据所述需求负荷输出的所述第一转速的波动范围对应。

可选的，所述控制单元的容量与所述转速波动范围对应，所述转速波动范围为所述发电机的额度转速的0-30％。

可选的，所述发电机的额度转速小于所述给水泵汽轮机的最低转速。

可选的，根据所述需求负荷确定所述第一转速，具体包括：根据所述需求负荷和所述给水泵汽轮机的转速-负荷特性曲线，确定所述需求负荷对应的所述第一转速；根据所述第一转速确定所述第一负荷，具体包括：根据所述第一转速和所述给水泵的转速-负荷特性曲线，确定所述第一转速对应的所述第一负荷。

可选的，所述发电机根据所述负载端输出的第二转速和第二负荷，向功率输出端输出电量，具体包括：

根据所述第二负荷将所述第二转速对应产生的动能转换为电能；

根据所述电能向所述功率输出端输出电量。

本申请的给水泵汽轮机系统通过调速器将变转速设备的给水泵汽轮机输出的转速转化为恒定输出，可以低成本和高可靠性地实现发电机电能反馈，从而有效提高系统节能的效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本说明书的进一步理解，构成本说明书的一部分，本说明书的示意性实施例及其说明用于解释本说明书，并不构成对本说明书的不当限定。在附图中：

图1为本说明书实施例的给水泵汽轮机的结构示意图。

图2为本说明书实施例的调速器的结构示意图。

具体实施方式

为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本说明书技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本说明书保护的范围。

以下结合附图，详细说明本说明书各实施例提供的技术方案。

参考图1，图1为本说明书实施例的给水泵汽轮机的结构示意图。

如图1所示，给水泵汽轮机系统10包括：给水泵汽轮机12、给水泵14、调速器16和发电机18。

这里，给水泵汽轮机12可以称作小汽轮机，为带动10兆瓦级别厂网供电设备的汽轮机，以区别可带动千兆瓦级别的大发电机组的大汽轮机。

给水泵汽轮机12包括控制输入端、第一控制输出端、第二控制输出端，其中，控制输入端接收携带有需求负荷的外部指令，并通过第一控制输出端输出第一转速和第一负荷，通过第二控制输出端输出第一转速和第二负荷，第一转速根据所述需求负荷确定，第一负荷根据第一转速确定，第二负荷为需求负荷与第一负荷的差值。

具体而言，外部指令为远程电网中心发出的所需电量大小的指令，需求负荷即为需要发电机组提供的电量，这里发电机组为大发电机组。第一转速为给水泵汽轮机的转速，可选的，在一个实施例中，给水泵汽轮机12根据需求负荷和自身的转速-负荷特性曲线，确定需求负荷对应的第一转速。给水泵汽轮机的特性曲线是该设备的固有特性曲线，在设备出厂时即设定好。特性曲线设定了负荷-进汽量-转速-功率之间的映射关系。因此当外部指令要求需求负荷时，给水泵汽轮机根据需求负荷打开进汽调门，确定对应的进汽量，进而调节给水泵汽轮机的转速与进汽量匹配，在此转速下配置需求负荷所需的功率。

给水泵14包括控制端和给水输出端，控制端与给水泵汽轮机12的第一控制输出端连接，并根据第一控制输出端输出的第一转速和第一负荷向给水输出端供水。

给水泵汽轮机12通过第一控制输出端，向给水泵14输出第一转速和第一负荷。给水泵14与给水泵汽轮机12为刚性连接，因此，给水泵汽轮机的转速即为给水泵14的转速。第一负荷为给水泵汽轮机12根据需求负荷向给水泵分配的负荷，可选的，在一个实施例中，给水泵汽轮机12根据第一转速和给水泵的转速-负荷特性曲线，确定第一转速对应的第一负荷。

给水泵的特性曲线也是该设备的固有特性曲线，设置了转速-负荷-功率之间的映射关系，因此与给水泵汽轮机刚性连接的给水泵的转速确定后，给水泵所能承载的负荷即确定。由此，给水泵14在此转速下根据第一负荷对应的所需功率，向与给水泵连接的给水系统提供给水量，并由给水系统及后续连接的锅炉、大发电机组等发电系统一起产生对应的电量，以响应远程电网中心发出的外部指令。

通常，给水泵汽轮机根据第一转速向给水泵分配的第一负荷小于外部指令的需求负荷，因此会存在富裕负荷。给水泵汽轮机通过第二控制输出端输出的第二负荷，为需求负荷与第一负荷的差值。第二负荷会分配给发电机18，由发电机18来根据该第二负荷产生对应的电量，下文中会展开说明。

由于给水泵汽轮机输出的第一转速会随着外部指令的需求负荷变化而变化，例如外部指令为升负荷或降负荷时，给水泵汽轮机的进汽调门调整使得进汽量对应增大或减小，相应的第一转速也随着进汽量的变化而变化。因此，给水泵的第一转速也随之变化，导致给水泵所承载的负荷也相应地变化。第二负荷为需求负荷与第一负荷的差值，但是并不会与给水泵汽轮机的转速有对应的映射关系，如果给水泵的特征能够承载所有的需求负荷，则剩余的第二负荷就很小。

在给水泵汽轮机将第一转速和第二负荷传输给发电机18之前，首先经过调速器16。调速器16连接在给水泵汽轮机12与发电机18之间，包括控制端和负载端，控制端连接到给水泵汽轮机的第二控制输出端，将第二控制输出端输出的第一转速调整为恒定的第二转速，并向负载端输出第二转速和第二负荷。

也就是，给水泵汽轮机的第二控制输出端作为调速器16的输入控制端，调速器16的负载端接发电机18。其中，发电机18的额度转速必须小于给水泵汽轮机12的最低转速，调速器将变转速的第一转速转化为恒定速度输出。在一个实施例中，调速器为液力耦合调速器或永磁耦合调速器。

图2为本说明书实施例的调速器的结构示意图，该实施例中调速器为永磁耦合调速器。如图2所示，永磁耦合调速器包括：永磁外转子1604、绕组转子1606和控制单元1608。

永磁外转子1604的第一轴与给水泵汽轮机的第二控制输出端连接，并根据第二控制输出端输出的第一转速进行旋转。绕组转子1606的第二轴与发电机的控制端连接，并根据调整后的第二转速进行旋转。控制单元1608设置在绕组转子1606的第二轴上，用于根据永磁外转子1604的第一轴的第一转速与第二轴的第二转速，控制绕组转子1606中对应线圈绕组1607产生的感应电动势大小，以使得负载端向发电机输出恒定的第二转速。

如图2所示，永磁耦合调速器由绕组转子1606和永磁外转子1604的内、外两个转子组成，与永磁外转子1604相连的第一轴作为驱动端连接动力源给水泵汽轮机，与内转子(即，绕组转子1606)相连的第二轴连接负载的发电机，第一轴以第一转速带动永磁体1602进行切割旋转。线圈绕组1607由第二轴以第二转速带动进行切割旋转。当第一轴的驱动端与第二轴的负载端存在转速差值时，在线圈绕组1607中就会产生感应电动势，线圈绕组1607接通控制单元1608连接的外部电气元件，就可以形成感应电流回路。线圈绕组1607中的感应电流产生电磁场与第一轴的永磁体1602产生的磁场相互作用来传递扭矩。

在一个实施例中，控制单元根据所述第一轴的所述第一转速与所述第二轴的所述第二转速，控制所述绕组转子中对应绕组产生的感应电动势大小，以使得所述负载端向所述发电机输出恒定的所述第二转速，包括以下至少一项：

确定所述第一转速与所述第二转速的转速差值，在所述转速差值变大时，控制所述绕组产生的所述感应电动势减小，以减小所述第二轴向所述发电机传递的扭矩，使得所述负载端根据所述传递扭矩输出的转速为所述第二转速；

确定所述第一转速与所述第二转速的转速差值，在所述转速差值变小时，控制所述绕组产生的所述感应电动势增大，以增大所述第二轴向所述发电机传递的扭矩，使得所述负载端根据所述传递扭矩输出的转速为所述第二转速。

在一个实施例中，所述控制单元控制所述绕组产生的所述感应电动势减小，具体包括：通过将外部电气元件连接到所述绕组上进行电流充电，控制减小所述绕组产生的感应电流以减小所述感应电动势；所述控制单元控制所述绕组产生的所述感应电动势增大，具体包括：通过将所述外部电气元件连接到所述绕组上进行电流放电，控制增大所述绕组产生的感应电流以增大所述感应电动势。

线圈绕组1607产生感应电动势，感应电动势产生感应磁场，感应磁场和永磁体的切割磁场相互作用，第二轴也跟随第一轴旋转。第一轴的第一转速一直大于第二轴的第二转速，且需要保持第二转速一直恒定不变。因此，当给水泵汽轮机随着需求负荷的升高，第一转速增大时，第二转速与第一转速的转速差越大，由此会带动第二轴也向着增大的趋势，为了维持第二转速不变，控制单元可以通过外部电气元件对线圈绕组进行电流放电，控制增大线圈绕组产生的感应电流以增大感应电动势，从而将第二轴输出的第二转速降下来，维持原恒定值的第二转速。反之亦然。

控制单元1608通过外部电气元件进行充、放电，控制线圈绕组中感应电流大小来控制电磁场的磁力大小，即控制了永磁耦合调速器向发电机传递扭矩的大小，从而使得输出给发电机的第二转速恒定。

外部电气元件可以是串联和并联的电阻和电容器，或者外部负载用户。当控制单元通过外部负载用户对线圈绕组进行电流放电时，该放电电流还可以反馈给外部负载用户，达到节电效果。

在一个实施例中，调速器的调速范围与所述给水泵发电机根据需求负荷输出的第一转速的波动范围对应。控制单元的容量与所述转速波动范围对应，所述转速波动范围为发电机的额度转速的0-30％。

发电机18包括控制端和功率输出端，控制端连接到调速器16的负载端，并根据负载端输出的第二转速和第二负荷，向功率输出端输出电量。

如上文所述，发电机的控制端接收的转速为调速器输出的恒定第二转速，如此发电机根据给水泵汽轮机分配的第二负荷，将第二转速对应产生的动能转换为电能，并根据所述电能向功率输出端输出电量。

发电机的功率输出端的输出频率与发电机接入的外部供电设备的电网频率确定，一般与外部电网同频。例如，电网频率为60赫兹，通过调速器调整为定速输出后，发电机的恒定转速为3000转/分，和60赫兹的电网频率匹配，从而实现给水泵汽轮机的变速输出富裕功率到发电机，由发电机将富裕功率并入厂网来降低厂用电率，达到节能效果。

此外，为保持给水泵汽轮机最大高效，给水泵汽轮机进汽调门保持全开，通过分配给水泵与发电机的负荷来调节给水泵汽轮机转速。发电机所发电量直接输入到电网，由于电网的容量足够大，在电网频率的作用下，因此发电机转速3000转/分恒定不变，给水泵汽轮机通过永磁耦合调速器将扭矩传递给发电机，同时被动改变自身转速。通过永磁耦合调速器中控制单元控制电流，来控制传递扭矩的大小，在发电机转速不变情况下，由于给水泵汽轮机调门全开，发电机扭矩减小时给水泵汽轮机转速被动升高，由此给水泵对应的负荷增加，反之同理。

永磁耦合调速器的控制单元通过外部电气元件对线圈绕组充、放电，来控制感应电流，进而调整调速器中的感应电动势，以控制传递扭矩的大小。控制器通过外部电气元件导出感应电流，减小感应电动势，从而减小第一轴与第二轴之间的传递扭矩。传递扭矩减小，给水泵汽轮机的第一转速被动升高。

控制器通过外部电气元件引入感应电流，增大感应电动势，从而增大传递扭矩。传递扭矩增大，给水泵汽轮机的第一转速被动降低。

具体而言，在给水泵汽轮机进汽调门全开的工况下，没有节流损失，效果最高，进气量恒定，给水泵汽轮机的负荷也恒定。通过调整发电机的负荷，改变给水泵的负荷。如果发电机的负荷减小，由于给水泵汽轮机的负荷恒定，因此给水泵汽轮机分配到给水泵的负荷增加，由此给水泵汽轮机和给水泵的转速都会被动上升。如此，通过永磁耦合调速器中控制单元来控制传递扭矩的大小，在发电机转速不变情况下，发电机可以反向调节给水泵对应的负荷增减。

本申请的给水泵汽轮机系统通过调速器将变转速设备的给水泵汽轮机输出的转速转化为恒定输出，可以低成本和高可靠性地实现发电机电能反馈，从而有效提高系统节能的效率。

此外，整个过程采用电控调节，具有很高的调节速率和控制精度，简化了系统，减少运行维护量，实现了系统效率和设备可靠性的统一。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种给水泵汽轮机系统，其特征在于，包括：

给水泵汽轮机，包括控制输入端、第一控制输出端、第二控制输出端，其中，所述控制输入端接收携带有需求负荷的外部指令，并通过所述第一控制输出端输出第一转速和第一负荷，通过所述第二控制输出端输出所述第一转速和第二负荷，所述第一转速根据所述需求负荷确定，所述第一负荷根据所述第一转速确定，所述第二负荷为所述需求负荷与所述第一负荷的差值；

给水泵，包括控制端和给水输出端，控制端与所述给水泵汽轮机的第一控制输出端连接，并根据所述第一控制输出端输出的第一转速和第一负荷向所述给水输出端供水；

调速器，包括控制端和负载端，控制端连接到所述给水泵汽轮机的第二控制输出端，将所述第二控制输出端输出的第一转速调整为恒定的第二转速，并向所述负载端输出所述第二转速和所述第二负荷；

发电机，包括控制端和功率输出端，所述控制端连接到所述调速器的负载端，并根据所述负载端输出的第二转速和第二负荷，向所述功率输出端输出电量；

所述调速器为永磁耦合调速器；

所述永磁耦合调速器包括：

永磁外转子和绕组转子；

所述永磁外转子的第一轴与所述给水泵汽轮机的第二控制输出端连接，并根据所述第二控制输出端输出的第一转速进行旋转；

所述绕组转子的第二轴与所述发电机的控制端连接，并根据调整后的所述第二转速进行旋转；

控制单元，设置在所述第二轴上，用于根据所述第一轴的所述第一转速与所述第二轴的所述第二转速，控制所述绕组转子中对应绕组产生的感应电动势大小，以使得所述负载端向所述发电机输出恒定的所述第二转速；

所述控制单元根据所述第一轴的所述第一转速与所述第二轴的所述第二转速，控制所述绕组转子中对应绕组产生的感应电动势大小，以使得所述负载端向所述发电机输出恒定的所述第二转速，包括以下至少一项：

确定所述第一转速与所述第二转速的转速差值，在所述转速差值变大时，控制所述绕组产生的所述感应电动势减小，以减小所述第二轴向所述发电机传递的扭矩，使得所述负载端根据所述传递扭矩输出的转速为所述第二转速；

确定所述第一转速与所述第二转速的转速差值，在所述转速差值变小时，控制所述绕组产生的所述感应电动势增大，以增大所述第二轴向所述发电机传递的扭矩，使得所述负载端根据所述传递扭矩输出的转速为所述第二转速。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述控制单元控制所述绕组产生的所述感应电动势减小，具体包括：通过将外部电气元件连接到所述绕组上进行电流充电，控制减小所述绕组产生的感应电流以减小所述感应电动势；

所述控制单元控制所述绕组产生的所述感应电动势增大，具体包括：通过将所述外部电气元件连接到所述绕组上进行电流放电，控制增大所述绕组产生的感应电流以增大所述感应电动势。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调速器的调速范围与所述给水泵发电机根据所述需求负荷输出的所述第一转速的波动范围对应。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制单元的容量与所述第一转速的波动范围对应，所述第一转速的波动范围为所述发电机的额度转速的0-30％。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述发电机的额度转速小于所述给水泵汽轮机的最低转速。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

根据所述需求负荷确定所述第一转速，具体包括：根据所述需求负荷和所述给水泵汽轮机的转速-负荷特性曲线，确定所述需求负荷对应的所述第一转速；

根据所述第一转速确定所述第一负荷，具体包括：根据所述第一转速和所述给水泵的转速-负荷特性曲线，确定所述第一转速对应的所述第一负荷。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发电机根据所述负载端输出的第二转速和第二负荷，向功率输出端输出电量，具体包括：

根据所述第二负荷将所述第二转速对应产生的动能转换为电能；

根据所述电能向所述功率输出端输出电量。

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