CN113202580A - 基于旁路调控的热电解耦系统 - Google Patents

基于旁路调控的热电解耦系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于旁路调控的热电解耦系统，属于供热设备技术领域，包括汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和与发电机相连的汽轮机低压缸，汽轮机中压缸与汽轮机低压缸之间的中低压连通管一侧设置旁路管，中低压连通管上设置密封供热蝶阀，旁路管上设置旁路蒸汽调节阀；汽轮机低压缸的蒸汽经凝汽器及冷却机组冷却后排至大气中；汽轮机中压缸的中排抽汽管与热网加热器相连，热网循环水经压缩式热泵初级加热后进入热网加热器进行二级加热。通过降低汽轮机低压缸的运行背压，进而降低最小通流质量流量，提高汽轮机中压缸的中排抽汽量，用于增加供热负荷；同时进入汽轮机低压缸的蒸汽量减少，发电机的发电功率下降，达到热电解耦的目的。

Description

基于旁路调控的热电解耦系统
技术领域
本发明属于发电设备技术领域，尤其涉及一种基于旁路调控的热电解耦系统。
背景技术
随着风、光等新能源高速发展，风电在能源供给比重逐渐加大，因其发电功率受气候条件影响较大，要求电网有足够的调峰能力；另外风电保障性收购政策也在一定程度上对火电机组提出深度调峰要求。尤其是东北地区，由于燃煤热电比例高，调峰电源建设条件差，冬季供暖期调峰困难，弃风弃光问题严重，电力系统的新能源消纳能力制约了东北可再生能源发展，已经引起国家的高度重视。 北方地区的火电企业多为热电联产机组，尤其是东北地区热电装机容量占比较高，受社会供热负荷逐年增长需求的限制，冬季热电机组通常采取以热定电的方式运行，机组调峰能力较纯凝工况大幅降低，甚至没有能力提供深调峰服务，东北电网在冬季的采暖期面临调峰缺额较大的困境。
当前火力发电机组进行热电解耦的主要方式有以下几种，且均存在不同程度的缺陷：
1、汽机侧改造：如高背压改造、低压缸光轴改造，此类改造需要对汽轮机本体进行较大改造，而且采暖期及非采暖期切换时需停机检修，不够灵活，汽轮机发电能力受一定影响，改造费用较高。尤其是高背压技术无法适应机组低负荷运行，低负荷运行时易发生鼓风现象。
2、储热技术方式：目前，有较大规模工程实际应用的储热技术主要有显热储热技术与潜热储热技术。显热储热中最普遍的技术就是热水储热系统，热水灌储热，缺点是工程造价较高，储热温度较低，占地大，而且储热水罐为了适应峰谷周期储热必然带来储热损失，一个峰谷周期可能会损失储热量的5%甚至更多；潜热储热技术中有代表性的为熔盐储罐，该技术缺点是造价非常昂贵，该技术运行中也有储热损失。
3、旁路改造：缺点是有再热器超控制温，汽轮机推力变化等问题出现，影响机组安全性，而且改造后相当于直接采用锅炉主蒸汽高品位蒸汽减温减压供热，机组运行经济性差，且现在旁路流量控制性能较差，参与热电解耦调节精度无法保障，当前旁路热电解耦系统的控制系统及方法较少。
4、电锅炉：缺点时进行灵活性改造需要较大功率电锅炉，造价较高，相对汽轮机抽汽供热不节能。
发明内容
本发明提供一种基于旁路调控的热电解耦系统，旨在解决现有技术中供热设备改造投资大、维护量大、经济性较差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于旁路调控的热电解耦系统，包括锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和与发电机相连的汽轮机低压缸，锅炉给水管对锅炉供水后输出的高压蒸汽经主蒸汽管进入汽轮机高压缸做功，所述汽轮机高压缸的排汽进入锅炉再次加热后经再热蒸汽管进入汽轮机中压缸做功，所述汽轮机中压缸的排汽一部分经中低压连通管进入汽轮机低压缸做功、另一部分经中压缸排汽抽汽管进入热网换热器供热，所述汽轮机低压缸驱动发电机发电，所述汽轮机低压缸的排汽进入凝汽器凝结；
所述主蒸汽管及再热蒸汽管分别通过旁路抽汽热力系统的降温减压，实现系统内部的热电自动解耦。
优选的，所述旁路抽汽热力系统包括高压旁路管及低压旁路管；所述主蒸汽管通过高压旁路管与锅炉相连，所述高压旁路管上设有降温减压组件一；所述再热蒸汽管通过低压旁路管与热网换热器相连，所述低压旁路管上设有降温减压组件二；所述中低压连通管上设有中低压连通管供热阀，用于调节进入汽轮机低压缸及热网换热器的蒸汽分配量。
优选的，所述降温减压组件一包括高压旁路调节阀及高压旁路降温减压器，所述高压旁路降温减压器与至高压旁路减温水管相连；所述降温减压组件二包括低压旁路调节阀及低压旁路降温减压器，所述低压旁路降温减压器与至低压旁路减温水管相连。
优选的，所述中低压连通管供热阀为供热蝶阀。
优选的，所述高压旁路调节阀及低压旁路调节阀均为液压控制调节阀。
优选的，所述低压旁路管上低压旁路降温减压器通过支管一与热网换热器相连，所述支管一上设有低压旁路至热网加热器调节阀
优选的，所述低压旁路降温减压器还通过支管二与凝汽器相连，所述支管二上设有节流阀。
优选的，所述锅炉给水管与汽轮机回热系统相连，所述凝汽器内蒸汽凝结后进入回热系统，实现水循环。
采用上述基于旁路调控的热电解耦系统，进行热电解耦的控制方法如下：由汽轮机热力计算书计算得到机组旁路热力系统的耦合系数Kxy，用于反映汽轮机组经高低压旁路抽汽供热后，旁路抽汽量增减引起主蒸汽量的增减从而导致发电机机组电功率的变化，体现汽轮机组旁路抽汽热力系统的耦合；
对Kxy系数进行解耦处理，进而计算得到高低压旁路抽汽量的解耦系数Cxy；通过发电机机组电功率、旁路汽量的给定经过解耦矩阵和耦合矩阵后得到直接线性控制各自的变量，实现高低压旁路供热抽汽和机组发电功率调节互不影响。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过降低汽轮机低压缸的运行背压，进而降低汽轮机低压缸的最小流通量，进而提高汽轮机中压缸的中排抽汽量，能够增加供热负荷。利用压缩式热泵对热网循环水进行初级加热后进入热网加热器，利用中排抽汽进行二级加热，增加机组供热能力；同时进入汽轮机低压缸的蒸汽量减少，发电机的发电功率下降，达到热电解耦的目的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例提供的一种基于旁路调控的热电解耦系统的结构示意图；
图2是本发明的控制原理图；
图中：101-锅炉，102-汽轮机高压缸，103-汽轮机中压缸，104-汽轮机低压缸，105-发电机， 106-凝汽器，107-热网换热器，108-中低压连通管供热阀，109-高压旁路减温减压器，110-高压旁路调节阀，111-低压旁路调节阀，112-低压旁路减温减压器，113-节流阀，114-低压旁路至热网加热器调节阀；
201-锅炉给水管，202-主蒸汽管，203-再热蒸汽管，204-高压旁路管，205-低压旁路管，206-中压缸排汽抽汽管，207-低压旁路至热网换热器管，208-至高压旁路减温水管，209-至低压旁路减温水管管；
Q0为高低压旁路供热抽汽量初值，Q为高低压旁路供热抽汽量，N0为机组电功率初值，N为机组电功率值，Cxy为高低压旁路抽汽量的解耦系数，Kxy为机组旁路热力系统的耦合系数。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种基于旁路调控的热电解耦系统，包括锅炉101、汽轮机高压缸102、汽轮机中压缸103和与发电机105相连的汽轮机低压缸104，锅炉给水管201对锅炉101供水后输出的高压蒸汽经主蒸汽管202进入汽轮机高压缸102做功，所述汽轮机高压缸102的排汽进入锅炉101再次加热后经再热蒸汽管203进入汽轮机中压缸103做功，所述汽轮机中压缸103的排汽一部分经中低压连通管进入汽轮机低压缸104做功、另一部分经中压缸排汽抽汽管206进入热网换热器107供热，所述汽轮机低压缸104驱动发电机105发电，所述汽轮机低压缸104的排汽进入凝汽器106凝结。
所述主蒸汽管202及再热蒸汽管203分别通过旁路抽汽热力系统的降温减压，实现系统内部的热电自动解耦。
在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述旁路抽汽热力系统包括高压旁路管204及低压旁路管205；所述主蒸汽管202通过高压旁路管204与锅炉101相连，所述高压旁路管204上设有降温减压组件一；所述再热蒸汽管203通过低压旁路管205与热网换热器107相连，所述低压旁路管205上设有降温减压组件二；所述中低压连通管上设有中低压连通管供热阀108，用于调节进入汽轮机低压缸104及热网换热器107的蒸汽分配量。其中，所述降温减压组件一包括高压旁路调节阀110及高压旁路降温减压器109，所述高压旁路降温减压器109与至高压旁路减温水管208相连；所述降温减压组件二包括低压旁路调节阀111及低压旁路降温减压器112，所述低压旁路降温减压器112与至低压旁路减温水管209相连。具体制作时，所述中低压连通管供热阀108为供热蝶阀。
进一步优化上述技术方案，所述高压旁路调节阀110及低压旁路调节阀111均为液压控制调节阀。鉴于液压调节阀具有线性调节性能，根据实际需要从市场上购买相应规格即可。此种液压调节阀由调节油动机与调节阀组成，油动机安装在调节阀的边上，并且通过一对铰链把油动机活塞杆与调节阀运行杆相连接，连杆绕支点转动，向上运动则打开阀门。高压油经截止阀、金属筛滤油器、伺服阀进入油动机，该高压油由伺服阀控制。阀门开大或关小信号由伺服阀放大器放大后，在电液转换器—伺服阀中将电气信号转换成液压信号，使伺服阀移动，并将液压信号放大后控制高压油的通道，使高压油进入油动机活塞下腔，油动机活塞向上移动，经杠杆带动汽阀使之开启，或者是使压力油自活塞下腔泄出，借弹簧力使活塞下移关闭汽阀。油动机活塞移动时，同时带动两个线性位移传感器（LVDT），将油动机活塞的机械位移转换成电气信号，作为负反馈信号与前面计算机处理送来的信号相加，由于两者极性相反，实际上是相减，只有在原输入信号与反馈信号相加，使输入伺服阀放大器的信号为零后，这时伺服阀的主阀回到中间位置，不再有高压油通向油动机活塞下腔或使压力油自油动机活塞下腔泄出，此时汽阀便停止移动，并保持在一个新的工作位置。
具体设计时，所述低压旁路管205上低压旁路降温减压器111通过支管一与热网换热器107相连，所述支管一上设有低压旁路至热网加热器调节阀114；低压旁路降温减压器112还通过支管二与凝汽器106相连，所述支管二上设有节流阀113。另外，锅炉给水管201与汽轮机回热系统相连，所述凝汽器106内蒸汽凝结后进入回热系统，实现水循环。
本发明的工艺流程有以下两种：
（1）系统不进行热电解耦时的工艺流程如下：
经过汽轮机回热系统加热的给水进入锅炉101被加热成为高温高压的主蒸汽，主蒸汽通过主蒸汽管202进入汽轮机高压缸102做功，汽轮机高压缸排汽进入锅炉101被再次加热后经过再热蒸汽管203进入汽轮机中压缸103做功，中压缸做完功的蒸汽分两路，一路进入汽轮机低压缸104做功，一路通过中压缸排汽抽汽管206进入热网换热器107供热，两路蒸汽量的分配靠中低压连通管供热蝶阀108控制，汽轮机低压缸做完功的蒸汽进入凝汽器106凝结后进入回热系统，完成循环，汽轮机拖动发电机105发电。
（2）系统进行热电解耦时的工艺流程如下：
经过汽轮机回热系统加热的给水进入锅炉101被加热成为高温高压的主蒸汽，主蒸汽分两路，一路主蒸汽通过高压旁路管204经高压旁路减温减压器109减温后至蒸汽冷段管道与汽轮机高压缸排汽混合进入锅炉再加热，进入高压旁路管204的蒸汽流量通过高压旁路液压控制调节阀110调节控制，另一路主蒸汽通过主蒸汽管202进入汽轮机高压缸102做功，汽轮机高压缸排汽与高压旁路减温后的蒸汽混合后进入锅炉101被再次加热后成为再热蒸汽；再热蒸汽管203内蒸汽分两路，一路再热蒸汽通过低压旁路管205经过低压旁路减温减压器112减温减压至热网换热器107需用参数后加热热网循环水供热，进入低压旁路的蒸汽流量通过低压旁路液压控制调节阀111调节控制，另一路再热蒸汽经过再热蒸汽管203进入汽轮机中压缸103做功；汽轮机中压缸做完功的蒸汽分两路，一路进入汽轮机低压缸104做功、一路通过中压缸排汽抽汽管206进入热网换热器107供热，两路蒸汽量的分配靠中低压连通管供热蝶阀108控制，汽轮机低压缸做完功的蒸汽进入凝汽器106凝结后进入回热系统，完成循环，汽轮机拖动发电机105发电。
本发明还提供一种基于旁路调控的热电解耦系统的控制方法，采用上述热电解耦系统，旁路抽汽与机组功率解耦控制的原理如图2所示，由汽轮机热力计算书计算得到机组旁路热力系统的耦合系数Kxy，用于反映汽轮机组经高低压旁路抽汽供热后，旁路抽汽量增减引起主蒸汽量的增减从而导致发电机机组电功率的变化，体现汽轮机组旁路抽汽热力系统的耦合。
对Kxy系数进行解耦处理，进而计算得到高低压旁路抽汽量的解耦系数Cxy；通过发电机机组电功率、旁路汽量的给定经过解耦矩阵和耦合矩阵后得到直接线性控制各自的变量，实现高低压旁路供热抽汽和机组发电功率调节互不影响。
以下为应用本发明的一个具体实施例：
某电厂1台CC250/N300-16.67/537/537/0.981/0.39型亚临界、一次中间再热、两缸两排汽、单轴、抽汽冷凝汽轮机，额定供热抽汽量500t/h，额定供热负荷330MW，目前承担供热面积约660万平方米，采暖热指标50W/m2。
供热高峰期，机组承担热负荷达到额定供热负荷330MW，抽汽量500t/h，为保证汽轮机低压缸最小通流量及机组运行安全，此时机组电负荷最低约229.3MW，而由于该电厂所处区域风、光等新能源比重较大，新能源发电功率受气候条件影响较大，要求电网有足够的调峰能力，根据国家政策及电网公司要求，该厂需在不影响机组供热负荷的前提下，将机组最小电负荷降低至50%额定功率，即150MW，根据该厂当前情况再不进行任何改造情况下无法满足运行需求。
按照本发明提供的液压多调门控制的旁路解耦系统与控制方法进行改造后，具体情况如下：
将机组原高压旁路以及低压旁路调节阀更换为具有线性调节性能的液动调节阀，低压旁路减温减压器后至凝汽器管路上增加支管至热网加热器并加装调节阀以控制进入热网换热器的蒸汽流量，对机组DCS进行必要逻辑改造，将本发明提到的旁路抽汽与机组功率解耦控制系统逻辑添加到机组DEH逻辑中，使得DEH控制内部实现自动解耦。
改造后机组供热负荷仍为330MW不变，其中最大196MW热负荷可由高低压旁路抽汽直接承担，其余134MW热负荷继续由中排抽汽承担，机组最低负荷可降至135MW，完全负荷当前改造要求。
综上所述，采用本发明进行热电解耦改造，电站改动工程量小，不对汽轮机本体进行任何改造，容易工程实；改造工程相对汽机侧改造、储热技术方式、电锅炉技术改造费用低，投资回收期短；本发明通过采用多个液压调节阀，调节精度更高，通过旁路抽汽与机组功率实现解耦控制。
在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本发明不受上面公开的具体实施例的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，这些变化、修改、替换和变型也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于旁路调控的热电解耦系统，其特征在于：包括锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和与发电机相连的汽轮机低压缸，锅炉给水管对锅炉供水后输出的高压蒸汽经主蒸汽管进入汽轮机高压缸做功，所述汽轮机高压缸的排汽进入锅炉再次加热后经再热蒸汽管进入汽轮机中压缸做功，所述汽轮机中压缸的排汽一部分经中低压连通管进入汽轮机低压缸做功、另一部分经中压缸排汽抽汽管进入热网换热器供热，所述汽轮机低压缸驱动发电机发电，所述汽轮机低压缸的排汽进入凝汽器凝结；
所述主蒸汽管及再热蒸汽管分别通过旁路抽汽热力系统的降温减压，实现系统内部的热电自动解耦。
2.根据权利要求1所述的基于旁路调控的热电解耦系统，其特征在于：所述旁路抽汽热力系统包括高压旁路管及低压旁路管；所述主蒸汽管通过高压旁路管与锅炉相连，所述高压旁路管上设有降温减压组件一；所述再热蒸汽管通过低压旁路管与热网换热器相连，所述低压旁路管上设有降温减压组件二；所述中低压连通管上设有中低压连通管供热阀，用于调节进入汽轮机低压缸及热网换热器的蒸汽分配量。
3.根据权利要求2所述的基于旁路调控的热电解耦系统，其特征在于：所述降温减压组件一包括高压旁路调节阀及高压旁路降温减压器，所述高压旁路降温减压器与至高压旁路减温水管相连；所述降温减压组件二包括低压旁路调节阀及低压旁路降温减压器，所述低压旁路降温减压器与至低压旁路减温水管相连。
4.根据权利要求2所述的基于旁路调控的热电解耦系统，其特征在于：所述中低压连通管供热阀为供热蝶阀。
5.根据权利要求3所述的基于旁路调控的热电解耦系统，其特征在于：所述高压旁路调节阀及低压旁路调节阀均为液压控制调节阀。
6.根据权利要求2所述的基于旁路调控的热电解耦系统，其特征在于：所述低压旁路管上低压旁路降温减压器通过支管一与热网换热器相连，所述支管一上设有低压旁路至热网加热器调节阀。
7.根据权利要求6所述的基于旁路调控的热电解耦系统，其特征在于：所述低压旁路降温减压器还通过支管二与凝汽器相连，所述支管二上设有节流阀。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于旁路调控的热电解耦系统，其特征在于：所述锅炉给水管与汽轮机回热系统相连，所述凝汽器内蒸汽凝结后进入回热系统，实现水循环。
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