CN113638776A - 一种抽汽背压式汽轮机热力系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抽汽背压式汽轮机热力系统及其控制方法，该系统中超高压缸与中压缸分别连接至回热系统，高压缸连接至凝汽式汽轮机，汽轮机通过发电电动机、变流器连接至厂用电网，其控制方法包括：锅炉启动，发电电动机作为电动机驱动汽轮机和给水泵轴系运行；汽轮机进入冲转模式后，控制汽轮机调门增大，由汽轮机拖动给水泵运行、发电电动机作为发电机运行；汽轮机冲转完成后，汽轮机和给水泵进入正常运行模式，调节变流器以控制平衡汽轮机与给水泵的出力，进而控制给水泵转速；当变流器和电动发电机故障时，控制汽轮机调门关小、防止汽轮机超速。与现有技术相比，本发明能够解决传热温差大的问题，同时能保证系统可靠运行、提高系统热效率。

Description

一种抽汽背压式汽轮机热力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及火电厂热力系统技术领域，尤其是涉及一种抽汽背压式汽轮机热力系统及其控制方法。
背景技术
火电厂热力系统是用汽、水管道将火电厂热力设备(如锅炉、汽轮机、水泵、热交换装置等)按一定顺序连接起来所组成的整体。目前超超临界二次再热机组普遍的热力系统配置如图1所示：采用10级回热系统，1-4级抽汽分别向1-4号高压加热器供汽，5级抽汽供汽至除氧器、给水泵汽轮机和辅助蒸汽系统，6-10级抽汽分别向6-10号低压加热器供汽；给水系统采用1台100％容量或2台50％容量的汽动给水泵；给水泵汽轮机为凝汽式小汽轮机，其进汽一般为5级抽汽，采用中压缸抽汽，给泵汽轮机有单独的小机凝汽器或其排汽排入主汽轮机凝汽器中。
汽轮机组通过抽汽回热，以提高给水温度来提高蒸汽热力循环的循环效率。然而，在回热加热器中，过热蒸汽的过热度远大于凝水或给水，对应段的传热温差很大，由此容易产生显著的不可逆损失，致使抽汽回热能效降低，高品质蒸汽无法得到合理的利用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抽汽背压式汽轮机热力系统及其控制方法，以解决传热温差大的问题，同时能够保证系统可靠运行、提高系统热效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种抽汽背压式汽轮机热力系统，包括依次连接的超高压缸、高压缸、中压缸、低压缸和发电机，超高压缸与锅炉连接，所述超高压缸与中压缸分别连接至回热系统，所述高压缸连接至凝汽式汽轮机，所述汽轮机分别连接有给水泵、第一负载、第二负载和第三负载，所述汽轮机通过发电电动机、变流器连接至厂用电网，锅炉启动时，所述发电电动机作为电动机驱动汽轮机和给水泵运行，所述汽轮机和给水泵的转速由变流器输出电流控制；
汽轮机高速运行时，汽轮机输出的多余功率通过发电电动机转换成电能，再由变流器整流后输出给厂用电网。
进一步地，所述变流器和汽轮机分别连接至DCS(Distributed Control System，分散控制系统)。
进一步地，所述第一负载具体为加热器，所述第二负载具体为加热器或除氧器，所述第三负载具体为除氧器或加热器。
一种抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，包括以下步骤：
S1、锅炉启动，变流器从厂用电网获取电能、输出电流给发电电动机，发电电动机作为电动机驱动汽轮机和给水泵轴系运行；
S2、实时监测机组蒸汽压力，当机组蒸汽压力达到蒸汽压力阈值时，汽轮机进入冲转模式，此时控制汽轮机调门增大，由汽轮机拖动给水泵运行、发电电动机作为发电机运行；
S3、汽轮机冲转完成后，汽轮机和给水泵进入正常运行模式，此时调节变流器以控制发电电动机的输出功率，以平衡汽轮机与给水泵的出力，进而控制给水泵转速；
当变流器和电动发电机故障时，控制汽轮机调门关小、防止汽轮机超速。
进一步地，所述步骤S1中变流器根据相应指令输出对应的电流，以控制发电电动机的转速，进而控制给水泵转速，其中，变流器相应指令采用PID回路进行调节输出。
进一步地，所述步骤S2的具体过程为：汽轮机正常且进入冲转模式后，根据速度限制，控制汽轮机调门逐渐增大，此时变流器仍然进行PID调节的状态；
随着汽轮机出力的逐渐增大，变流器跟随轴系转速降低输出电流，发电电动机输入功率逐渐减小至0MW，继续开大调门开度，发电电动机自动进入发电运行状态，退出电动机模式；
最终汽轮机调门开大到调门设定阈值，拖动给水泵运行，并拖动电动发电机进行发电。
进一步地，所述调门设定阈值为100％。
进一步地，所述步骤S3的具体过程为：变流器和电动发电机工作正常时，分别对汽轮机进行粗调控制、对变流器进行精调控制，使汽轮机调门始终工作在大的开度，以减小节流损失；
当变流器和电动发电机发生故障时，采用精调控制汽轮机调门快速关小。
进一步地，所述对汽轮机进行粗调控制具体是将汽轮机调门调速设置为预设的高速调整速率以及大范围阀门响应死区；
对汽轮机进行精调控制具体是将汽轮机调门调速设置为预设的小范围控制死区。
进一步地，所述对变流器进行精调控制具体是将变流器设置为预设的低速调整速率以及小范围调整死区。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明提出一种抽汽背压式汽轮机热力系统，其中超高压缸与中压缸分别连接至回热系统，高压缸连接至凝汽式汽轮机，使得回热系统能够利用再热前的蒸汽，驱动抽汽背压汽轮机，从而利用过热度较低的汽轮机抽汽和排气、再通过加热器加热凝结水和给水，由此能够降低蒸汽节流损失、提高热力循环效率；此外，汽轮机通过发电电动机以及变流器连接至厂用电网，由此能够能充分利用汽轮机的出力，通过控制发电电动机的出力来调节给水泵转速，可减少汽轮机入口节流损失，进一步提高汽轮机效率，提高机组热经济性。
二、本发明利用汽轮机抽汽，由于抽汽温度低，也降低了相关抽汽管道、阀门、加热器的材料等级，节约了管道、阀门及设备的制造成本；本发明中汽轮机与高压缸连接，即汽轮机汽源为高压缸排汽，这部分蒸汽将不再进入再热系统，可显著减少进入再热器的蒸汽流量，减少再热器的换热面积，从而降低再热系统的造价。
三、本发明针对抽汽背压式汽轮机热力系统，利用DCS系统分别控制变流器以及汽轮机，使得锅炉启动时，通过控制变流器输出电流，由发电电动机驱动控制汽轮机和给水泵转速；汽轮机进入冲转模式后，快速开大汽轮机调门，有汽轮机拖动给水泵运行、并拖动发电电动机进行发电；汽轮机冲转完成后，分别对变流器进行精调、对汽轮机进行粗调或精调，以保证设备能够可靠运行，同时使汽轮机调门始终工作在全开的位置，减少汽轮机调门的节流，从而提高系统的热效率。
附图说明
图1为传统热力系统结构示意图；
图2为本发明抽汽背压式汽轮机热力系统结构示意图；
图3为本发明中汽轮机驱动给水泵连接结构示意图；
图4为本发明的方法流程示意图；
图5为实施例中汽轮机主汽门控制过程示意图；
图6为实施例中变流器控制过程示意图；
图中标记说明：1、汽轮机，2、变流器，3、发电电动机，4、给水泵，51、第一负载，52、第二负载，53、第三负载。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图2和图3所示，一种抽汽背压式汽轮机热力系统，包括依次连接的超高压缸、高压缸、中压缸、低压缸和发电机，超高压缸与锅炉连接，超高压缸与中压缸分别连接至回热系统，高压缸连接至凝汽式汽轮机1，汽轮机1分别连接有给水泵4、第一负载51、第二负载52和第三负载53，汽轮机1通过发电电动机3、变流器2连接至厂用电网，锅炉启动时，发电电动机3作为电动机驱动汽轮机1和给水泵4运行，汽轮机1和给水泵4的转速由变流器输出电流控制；
汽轮机1高速运行时，汽轮机1输出的多余功率通过发电电动机3转换成电能，再由变流器2整流后输出给厂用电网。
本实施例中，变流器2和汽轮机1分别连接至DCS，第一负载51具体为加热器，第二负载52具体为加热器或除氧器，第三负载53具体为除氧器或加热器。
基于上述系统，本实施例还提供一种抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1、锅炉启动，变流器从厂用电网获取电能、输出电流给发电电动机，发电电动机作为电动机驱动汽轮机和给水泵轴系运行，具体是由变流器根据相应指令输出对应的电流，以控制发电电动机的转速，进而控制给水泵转速，其中，变流器相应指令采用PID回路进行调节输出；
S2、实时监测机组蒸汽压力，当机组蒸汽压力达到蒸汽压力阈值时，汽轮机进入冲转模式，此时控制汽轮机调门增大，由汽轮机拖动给水泵运行、发电电动机作为发电机运行，具体的：
汽轮机正常且进入冲转模式后，根据速度限制，控制汽轮机调门逐渐增大，此时变流器仍然进行PID调节的状态；
随着汽轮机出力的逐渐增大，变流器跟随轴系转速降低输出电流，发电电动机输入功率逐渐减小至0MW，继续开大调门开度，发电电动机自动进入发电运行状态，退出电动机模式；
最终汽轮机调门开大到调门设定阈值(本实施例设定为100％)，拖动给水泵运行，并拖动电动发电机进行发电。；
S3、汽轮机冲转完成后，汽轮机和给水泵进入正常运行模式，此时调节变流器以控制发电电动机的输出功率，以平衡汽轮机与给水泵的出力，进而控制给水泵转速；
当变流器和电动发电机故障时，控制汽轮机调门关小、防止汽轮机超速；
具体的：
变流器和电动发电机工作正常时，分别对汽轮机进行粗调控制(将汽轮机调门调速设置为预设的高速调整速率以及大范围阀门响应死区)、对变流器进行精调控制(将变流器设置为预设的低速调整速率以及小范围调整死区)，使汽轮机调门始终工作在大的开度，以减小节流损失；
当变流器和电动发电机发生故障时，采用精调控制(将汽轮机调门调速设置为预设的小范围控制死区)汽轮机调门快速关小。
综上可知，本发明为解决传统热力系统传热温差大的问题，提出了一种抽汽背压式给水泵汽轮机，配置这种汽轮机的回热系统利用再热前的蒸汽，驱动抽汽背压汽轮机，从汽轮机中抽汽，利用过热度较低的汽轮机抽汽和排汽，通过加热器来加热凝结水和给水，与现有热力系统相比：
1)由于蒸汽节流损失降低，可提高热力循环效率；
2)由于抽汽温度低，也降低了相关抽汽管道、阀门、加热器的材料等级，节约了管道、阀门及设备的制造成本；
3)小汽轮机汽源为高压缸排汽，这部分蒸汽将不再进入再热系统，可显著减少进入再热器的蒸汽流量，减少再热器的换热面积，从而降低再热系统的造价。
此外，抽汽背压式汽轮机配有发电电动机和变流器，启动时，发电电动机可做电动机运行，由变流器进行驱动；但高速运行时，汽轮机拖动给水泵所多余功率可通过发电电动机发电，由变流器进行整流，并挂入厂用电网，由此具有以下优点：
1)能充分利用汽轮机的出力，通过发电电动机多发电，可减少厂用电率、提高电厂的售电收益；
2)通过发电电动机的出力来调节给水泵转速，可减少汽轮机入口节流损失，提高汽轮机效率，提高机组热经济性。
而为了实现整个系统中设备的可靠运行，仅仅控制汽轮机进汽方式是无法满足高效可靠运行要求的，因此，本发明针对该系统对汽轮机和变流器同时进行相应控制，本实施例中，如图5和图6所示：
1)当锅炉启动(点火)时，需要给水泵启动向锅炉供水，但此时汽轮机所需的蒸汽压力和温度未满足要求，汽轮机无法拖动给水泵运行。此时需由发电电动机作为电动机运行进行启动，拖动给水泵及汽轮机轴系运行，发电电动机由变流器输出电流进行启动，变流器根据DCS指令输出控制电流大小，控制发电电动机转速，从而控制给水泵转速。如图6所示，此时发电电动机工作在电动模式下，变流器指令由电动机模式下的PID回路进行控制。
2)当机组的蒸汽压力到达一定值时，可以为汽轮机供汽，汽轮机具备冲转条件后，汽轮机冲转。如图4所示，汽轮机正常且进入冲转模式后，汽轮机调门指令根据速度限制由0％逐渐开大到100％。此时变流器仍然进行PID调节的状态，随着汽轮机出力的逐渐增大，变流器跟随轴系转速降低输出电流，发电电动机输入功率逐渐减小至0MW；继续开大调门开度，发电电动机自动进入发电运行状态，退出电动机模式；最终汽轮机调门开大到100％，拖动给水泵运行，拖动发电电动机进行发电。
3)汽轮机冲转完成后，汽轮机给水泵进入正常运行模式。通过调节发电电动机出口的变流器，以控制发电电动机所发出的功率，从而平衡汽轮机与给水泵的出力，达到控制给水泵转速的目的。变流器和发电电动机工作正常时，在控制策略中将变流器设置为较小的调整速率、较小的调整死区(如图6中F4(x))；汽轮机调门调速设置较大的调整速率、较大的阀门响应死区(如图5中F1(x))，目的是让汽轮机粗调，变流器则精确调整，汽轮机调门始终工作在大的开度、节流损失小。
4)当变流器和发电电动机故障时，则完全由汽轮机进行控制，此时汽轮机调门快速关小，防止甩去发电电动机的发电功率后、发生汽轮机超速。当变流器和发电电动机故障瞬间，记录故障前变流器的指令，计算出对应的调门的开度(如图5中F3(X))，并叠加在小汽轮机调门上，5秒后，叠加指令变到0，由于F(t)的滞后作用，叠加的指令经过15秒逐渐降低到0，转速控制完全由调门PID控制。此时汽轮机调门调速不再按较大的阀门响应死区进行调节，而是按较小的控制死区进行精准调节(如图5中F2(x))。
由此能够使汽轮机调门始终工作在全开的位置，减少了汽轮机调门的节流，提高系统的热效率。

Claims (10)

1.一种抽汽背压式汽轮机热力系统，包括依次连接的超高压缸、高压缸、中压缸、低压缸和发电机，超高压缸与锅炉连接，其特征在于，所述超高压缸与中压缸分别连接至回热系统，所述高压缸连接至凝汽式汽轮机(1)，所述汽轮机(1)分别连接有给水泵(4)、第一负载(51)、第二负载(52)和第三负载(53)，所述汽轮机(1)通过发电电动机(3)、变流器(2)连接至厂用电网，锅炉启动时，所述发电电动机(3)作为电动机驱动汽轮机(1)和给水泵(4)运行，所述汽轮机(1)和给水泵(4)的转速由变流器(2)输出电流控制；
汽轮机(1)高速运行时，汽轮机(1)输出的多余功率通过发电电动机(3)转换成电能，再由变流器(2)整流后输出给厂用电网。
2.根据权利要求1所述的一种抽汽背压式汽轮机热力系统，其特征在于，所述变流器(2)和汽轮机(1)分别连接至DCS。
3.根据权利要求1所述的一种抽汽背压式汽轮机热力系统，其特征在于，所述第一负载(51)具体为加热器，所述第二负载(52)具体为加热器或除氧器，所述第三负载(53)具体为除氧器或加热器。
4.一种应用如权利要求1所述抽汽背压式汽轮机热力系统的抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、锅炉启动，变流器从厂用电网获取电能、输出电流给发电电动机，发电电动机作为电动机驱动汽轮机和给水泵轴系运行；
S2、实时监测机组蒸汽压力，当机组蒸汽压力达到蒸汽压力阈值时，汽轮机进入冲转模式，此时控制汽轮机调门增大，由汽轮机拖动给水泵运行、发电电动机作为发电机运行；
S3、汽轮机冲转完成后，汽轮机和给水泵进入正常运行模式，此时调节变流器以控制发电电动机的输出功率，以平衡汽轮机与给水泵的出力，进而控制给水泵转速；
当变流器和电动发电机故障时，控制汽轮机调门关小、防止汽轮机超速。
5.根据权利要求4所述的一种抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，其特征在于，所述步骤S1中变流器根据相应指令输出对应的电流，以控制发电电动机的转速，进而控制给水泵转速，其中，变流器相应指令采用PID回路进行调节输出。
6.根据权利要求5所述的一种抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程为：汽轮机正常且进入冲转模式后，根据速度限制，控制汽轮机调门逐渐增大，此时变流器仍然进行PID调节的状态；
随着汽轮机出力的逐渐增大，变流器跟随轴系转速降低输出电流，发电电动机输入功率逐渐减小至0MW，继续开大调门开度，发电电动机自动进入发电运行状态，退出电动机模式；
最终汽轮机调门开大到调门设定阈值，拖动给水泵运行，并拖动电动发电机进行发电。
7.根据权利要求6所述的一种抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，其特征在于，所述调门设定阈值为100％。
8.根据权利要求6所述的一种抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：变流器和电动发电机工作正常时，分别对汽轮机进行粗调控制、对变流器进行精调控制，使汽轮机调门始终工作在大的开度，以减小节流损失；
当变流器和电动发电机发生故障时，采用精调控制汽轮机调门快速关小。
9.根据权利要求8所述的一种抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，其特征在于，所述对汽轮机进行粗调控制具体是将汽轮机调门调速设置为预设的高速调整速率以及大范围阀门响应死区；
对汽轮机进行精调控制具体是将汽轮机调门调速设置为预设的小范围控制死区。
10.根据权利要求8所述的一种抽汽背压式汽轮机热力系统控制方法，其特征在于，所述对变流器进行精调控制具体是将变流器设置为预设的低速调整速率以及小范围调整死区。
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