CN114856733A - 一种汽轮机组发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及汽轮机组发电技术领域，具体涉及一种汽轮机组发电系统，包括：蒸汽发生装置，工作介质经过蒸汽发生装置一次加热后驱动高压缸运转，然后回流到蒸汽发生装置二次加热后驱动中压缸运转；冷却蒸汽管路，其一端与中压缸连通，另一端连通有低压缸，冷却蒸汽管路上安装有调节阀；中低压连通管路，与冷却蒸汽管路并联安装在中压缸和低压缸之间，中低压连通管路上安装有蝶阀；高压缸、中压缸和低压缸同轴连接，低压缸上同轴安装有第一发电机。在最小临界负荷以下时，利用调节阀控制低压缸通流容积流量运行范围处于应力驼峰区的左侧，避免汽轮机在颤振高风险区运行，从而实现了汽轮机组在极低负荷下的安全运行。

Description

一种汽轮机组发电系统
技术领域
本发明涉及汽轮机组发电技术领域，具体涉及一种汽轮机组发电系统。
背景技术
近年来，风电、光伏等可再生能源发电的规模和比重大幅提高。然而，可再生能源具有波动性和间歇性等特点，接入电网后，需要其它机组增加调峰、调频等辅助服务的能力。在燃煤发电机组占据主体电源地位，同时大规模不稳定可再生能源亟待并网的双重背景下，我国火电机组负荷调节能力亟待提高。
对于常规燃煤发电汽轮机组，机组发电负荷随蒸汽流量的降低而降低。当蒸汽流量降低到一定程度时，低压缸末级长叶片动应力剧增，存在颤振等安全风险。因此，机组一般都设置低压缸最小安全流量限值，以保证其运行安全性。这就限制了机组发电负荷的进一步降低，使得机组难以在最小临界电负荷以下安全运行，给机组调峰深度带来制约。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的发电汽轮机的调峰能力受限的缺陷，从而提供一种汽轮机组发电系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种汽轮机组发电系统，包括：
蒸汽发生装置，工作介质经过所述蒸汽发生装置一次加热后驱动高压缸运转，然后回流到所述蒸汽发生装置二次加热后驱动中压缸运转；
冷却蒸汽管路，其一端与所述中压缸连通，另一端连通有低压缸，所述冷却蒸汽管路上安装有调节阀；
中低压连通管路，与所述冷却蒸汽管路并联安装在所述中压缸和所述低压缸之间，所述中低压连通管路上安装有蝶阀；
所述高压缸、所述中压缸和所述低压缸同轴连接，所述低压缸上同轴安装有第一发电机。
可选地，还包括蒸汽旁通管路，一端与所述中压缸连通，另一端连通有辅助汽轮机，所述辅助汽轮机与所述第一发电机同轴连接。
可选地，所述辅助汽轮机与所述第一发电机之间安装有离合器。
可选地，还包括蒸汽旁通管路，一端与所述中压缸连通，另一端连通有辅助汽轮机，所述辅助汽轮机上同轴安装有第二发电机，所述第一发电机的出口与所述第二发电机的出口连通。
可选地，还包括凝汽主管路，一端与所述低压缸连通，另一端与蒸汽发生装置连通。
可选地，还包括凝汽支路，一端与所述辅助汽轮机连通，另一端与蒸汽发生装置连通。
可选地，所述凝汽主管路上安装有回热系统，所述回热系统与所述低压缸之间安装有第一凝汽器，所述凝汽支路与所述蒸汽发生装置连通的一端连接在所述第一凝汽器与所述低压缸之间的所述凝汽主管路上。
可选地，所述凝汽主管路上安装有回热系统，所述回热系统与所述低压缸之间安装有第一凝汽器，所述凝汽支路上安装有第二凝汽器，所述凝汽支路与所述蒸汽发生装置连通的一端连接在所述第一凝汽器与所述回热系统之间的所述凝汽主管路上。
可选地，冷却蒸汽管路上安装有流量计。
可选地，所述蒸汽旁通管路上安装有第一阀门。
可选地，所述凝汽支路上安装有第二阀门。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的汽轮机组发电系统，包括：蒸汽发生装置，工作介质经过蒸汽发生装置一次加热后驱动高压缸运转，然后回流到蒸汽发生装置二次加热后驱动中压缸运转；冷却蒸汽管路，其一端与中压缸连通，另一端连通有低压缸，冷却蒸汽管路上安装有调节阀；中低压连通管路，与冷却蒸汽管路并联安装在中压缸和低压缸之间，中低压连通管路上安装有蝶阀；高压缸、中压缸和低压缸同轴连接，低压缸上同轴安装有第一发电机。
在汽轮机组发电系统进行削峰填谷发电运行时，当汽轮机组发电系统的工作负荷不小于最小临界负荷时，汽轮机组发电系统按常规方式运行，调节阀关闭，蝶阀打开，中压缸出口蒸汽由中低压连通管路进入到低压缸做功；当汽轮机组发电系统的工作负荷小于最小临界负荷时，调节阀打开，蝶阀关闭，控制中压缸出口蒸汽少量进入到低于缸做冷却蒸汽。通过调节阀控制进入到低压缸的冷却蒸汽的流量。当低压缸输入的蒸汽容积流量降低到一定程度时，叶片动应力剧增，存在颤振等安全风险。因此，机组一般都设置低压缸最小蒸汽流量，以避免进入颤振危险区。从而导致汽轮机组存在最低安全运行负荷，限制了机组调峰深度。但是，随着流经低压缸长叶片的蒸汽容积流量的降低，叶片动应力是呈现先增加后减小的趋势。当流量降低到一定限值之后，机组动应力水平即恢复正常。本发明提供的汽轮机组发电系统，在最小临界负荷以下时，利用冷却蒸汽管路及调节阀控制低压缸通流容积流量运行范围处于应力驼峰区的左侧，避免汽轮机在颤振高风险区运行，从而实现了汽轮机组在极低负荷下的安全运行。降低了汽轮机组发电系统正常运行的最小负荷，拓宽了汽轮机组发电系统的调峰深度。
2.本发明提供的汽轮机组发电系统，还包括蒸汽旁通管路，一端与中压缸连通，另一端连通有辅助汽轮机，辅助汽轮机与第一发电机同轴连接。通过利用蒸汽旁通管路将中压缸与辅助汽轮机连通。当汽轮机组发电系统的工作负荷不小于最小临界负荷时，辅助汽轮机不工作。当汽轮机组发电系统的工作负荷小于最小临界负荷时，辅助汽轮机工作，中压缸中输出的蒸汽部分通过蒸汽旁通管路进入到辅助汽轮机，通过辅助汽轮机膨胀做功，拖动第一发电机运转；中压缸中输出的蒸汽少部分通过冷却蒸汽管路，输送到低压缸，用于对低压缸的鼓风发热的冷却，利用辅助汽轮机拖动第一发电机小功率运转，使得汽轮机组发电系统能够在最小临界负荷以下负荷正常运行。
3.本发明提供的汽轮机组发电系统，辅助汽轮机与第一发电机之间安装有离合器。汽轮机组发电系统在最小临界负荷以上的负荷运行时，离合器调整到脱开状态，使高压缸、中压缸和低压缸共同同轴带动第一发电机正常进行发电工作；汽轮机组发电系统在最小临界负荷以下的负荷运行时，离合器调整到结合状态，利用汽轮机组拖动第一发电机进行低负荷发电。离合器可选用超越离合器以实现辅助汽轮机与第一发电机之间的自动结合和脱开。
4.本发明提供的汽轮机组发电系统，还包括蒸汽旁通管路，一端与所述中压缸连通，另一端连通有辅助汽轮机，所述辅助汽轮机上同轴安装有第二发电机，所述第一发电机的出口与所述第二发电机的出口连通。通过在辅助汽轮机上安装第二发电机，并将第一发电机的出口和第二发电机的出口连通。汽轮机组发电系统在最小临界负荷以上的负荷运行时，高压缸、中压缸和低压缸共同同轴带动第一发电机正常进行发电工作；汽轮机组发电系统在最小临界负荷以下的负荷运行时，辅助汽轮机带动第二发电机进行小负荷发电工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的实施方式中提供的汽轮机组发电系统的结构示意图。
图2为本发明的另一实施方式中提供的汽轮机组发电系统的结构示意图。
图3为本发明的另一实施方式中提供的汽轮机组发电系统的结构示意图。
附图标记说明：1、蒸汽发生装置；2、高压缸；3、中压缸；4、低压缸；5、第一发电机；6、第一凝汽器；7、回热系统；8、蝶阀；9、冷却蒸汽管路；10、调节阀；11、流量计；12、蒸汽旁通管路；13、第一阀门；14、辅助汽轮机；15、离合器；16、第二阀门；17、第二凝汽器；18、第二发电机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
如图1所示为本实施例提供的一种汽轮机组发电系统，图中的点划线表示设备之间同轴连接。汽轮机组发电系统包括高压缸、中压缸和低压缸，用于拖动第一发电机工作。
工作介质经过蒸汽发生装置1一次加热后驱动高压缸2运转，然后回流到蒸汽发生装置1二次加热后驱动中压缸3运转；本实施例中的工作介质为水和蒸汽，蒸汽发生装置为锅炉。在实际应用中蒸汽发生装置1还可以为储热换热器等用于对工作介质加热的设备。
中压缸3与低压缸4之间连通有冷却蒸汽管路9，冷却蒸汽管路9上安装有调节阀10和流量计11。中低压连通管路冷却蒸汽管路9并联安装在中压缸3和低压缸4之间，中低压连通管路上安装有蝶阀8，用于在低负荷时切断中低压连通管路内的蒸汽。蝶阀8选用可完全密封的液控三偏心密封蝶阀8。高压缸2、中压缸3和低压缸4同轴连接，低压缸4上同轴安装有第一发电机5。
在中压缸3的出口端还连通有蒸汽旁通管路12，蒸汽旁通管路12另一端连通有辅助汽轮机14，本实施例中，辅助汽轮机14与第一发电机5同轴连接，以在系统低负荷运行时利用辅助汽轮机14拖动第一发电机5进行发电工作。辅助汽轮机14与第一发电机5之间安装有作为离合器15的超越离合器，以在系统的工作负荷改变时，实现辅助汽轮机14与第一发电机5之间的自动脱开和结合。
在低压缸4和蒸汽发生装置1之间还安装有凝汽主管路，在辅助汽轮机14与蒸汽发生装置1之间安装有凝汽支路。在凝汽主管路上安装有回热系统7，回热系统7与低压缸4之间安装有第一凝汽器6，凝汽支路与蒸汽发生装置1连通的一端连接在第一凝汽器6与低压缸4之间的凝汽主管路上。为了便于控制管路的通断，在蒸汽旁通管路12上安装有第一阀门13，在凝汽支路上安装有第二阀门16。
蒸汽发生装置1出口的蒸汽进入到高压缸2膨胀做功后，返回到蒸汽发生装置1进行二次加热，升温后进入中压缸3进行再次膨胀做功，中压缸3出口的蒸汽经由中低压连通管路或进入到低压缸4，膨胀做功后低压缸4出口的蒸汽进入到第一凝汽器6冷凝，凝结水进入到回热系统7中，由抽汽梯级加热升温后重新返回到蒸汽发生装置1。高压缸2、中压缸3、低压缸4和第一发电机5之间同轴连接，共同拖动发电机发电。在中压缸3与低压缸4之间增设冷却蒸汽管路9，冷却蒸汽管路9上装设流量计11、调节阀10。冷却蒸汽管路9自中压缸3出口引出，接入低压缸4入口。冷却蒸汽管路9在系统低负荷运行时，向低压缸4引入冷却蒸汽，用于冷却和带走低压缸4末级叶片在极低容积流量条件下运行的鼓风发热量。
冷却蒸汽管路按照低压缸所需冷却蒸汽流量Q冷却进行管径D冷却的选取。
Figure BDA0003650373380000071
其中，Q冷却为冷却蒸汽容积流量，冷却蒸汽容积流量按照低压缸设计最小进汽容积流量Q0的5％取值。即Q冷却＝5％Q0，ω为管道内蒸汽流速，冷却蒸汽管路的ω的推荐值为30m/s－65m/s。
增设蒸汽旁通管路及辅助汽轮机、离合器。蒸汽旁通管路上装设第一阀门。辅助汽轮机、离合器与发电机同轴连接。蒸汽旁通管路用于在系统低负荷运行时，将原应进入低压缸的蒸汽通过蒸汽旁通管路引入到辅助汽轮机，通过辅助汽轮机膨胀做功拖动发电机。离合器可根据系统运行需要，实现辅助汽轮机与发电机的结合或脱开。
蒸汽旁通管路管径按照所需旁通管路蒸汽流量Q旁路进行管径D旁路的选取。
Figure BDA0003650373380000081
其中，蒸汽旁通管路的蒸汽容积流量按照低压缸设计最小进汽容积流量Q0的95％取值，即Q旁路＝95％Q0。蒸汽旁通管路内蒸汽流速ω推荐值为30m/s－65m/s。辅助汽轮机设计进汽流量按照95％Q0选取。最高效率点按照低压缸设计流量的80％选取，以兼顾低负荷段的整体运行效率。辅助汽轮机设计背压与原机组一致，排汽接入第一凝汽器。
设机组设计低压缸最小冷却蒸汽流量为Q0，在低压缸进汽流量为Q0时，机组对应电负荷为E临界。
当外界电负荷需求大于或等于E临界时，机组按照常规方式运行，第一阀门、第二阀门关闭，调节阀关闭，蝶阀打开。中压缸出口蒸汽经由中低压连通管路进入低压缸做功。超越离合器断开，辅助汽轮机不运转。
当外界电负荷需求小于E临界时，第一阀门、第二阀门打开，调节阀打开，蝶阀关闭。中压缸出口蒸汽大部分经由蒸汽旁通管路进入辅助汽轮机做功，小部分进入低压缸做冷却蒸汽。通过调节阀控制进入低压缸的冷却蒸汽流量满足Q冷却＝5％Q0，通过流量计对低压缸冷却蒸汽流量进行监测。超越离合器此时处于结合状态，辅助汽轮机做功拖动发电机发电，排汽进入第一凝汽器冷凝。
低压缸长叶片动应力特性随蒸汽容积流量的关系为：当蒸汽容积流量降低到一定程度时，叶片动应力剧增，存在颤振等安全风险。因此，机组一般都设置低压缸最小蒸汽流量，以避免进入颤振危险区。从而导致汽轮机组存在最低安全运行负荷，限制了机组调峰深度。但是，随着流经低压缸长叶片的蒸汽容积流量的降低，叶片动应力是呈现先增加后减小的趋势。当流量降低到一定限值之后，机组动应力水平即恢复正常。
本实施例提供的汽轮机组发电系统通过配置额外的辅助汽轮机，在临界负荷以下时，将低压缸入口侧的蒸汽引入到辅助汽轮机做功，使得低压缸通流容积流量运行范围处于应力驼峰区的左侧，避免低压缸在颤振高风险区运行，从而实现了汽轮机组发电系统在极低负荷下的安全运行。同时，通过配置低压缸的冷却蒸汽管路，实现低压缸进汽流量的精准控制及低压缸鼓风发热的冷却。通过超越离合器，实现辅助汽轮机与第一发电机的灵活结合与脱开。
以临界负压为330MW的机组为例，设计工况下(即机组330MW发电负荷运行时)，汽轮机低压缸排汽流量为538t/h。机组低压缸最小冷却蒸汽流量限值为180t/h，此时，机组发电负荷为85MW。机组无法实现85MW以下负荷长期安全运行，即最低调峰负荷为85MW。采用本实施例提供的汽轮机组发电系统后，在机组需要在85MW以下负荷运行时，通过调节阀调节进入低压缸的蒸汽流量为30t/h(按照设计容积流量的5％核算，并考虑一定的裕量)，用以带走低压缸末级叶片鼓风发热热量。其余蒸汽通过蒸汽旁通管路进入辅助汽轮机膨胀做功，通过超越离合器将辅助汽轮机与第一发电机连接起来。所配置辅助汽轮机额定功率为40MW。通过该方案，使得机组在78MW以下负荷也可安全运行。
作为替代的实施方式，如图2所示，在低压缸4和蒸汽发生装置1之间还安装有凝汽主管路，在辅助汽轮机14与蒸汽发生装置1之间安装有凝汽支路。凝汽主管路上安装有回热系统7，回热系统7与低压缸4之间安装有第一凝汽器6，凝汽支路上安装有第二凝汽器17，凝汽支路与蒸汽发生装置1连通的一端连接在第一凝汽器6与回热系统7之间的凝汽主管路上。
作为替代的实施方式，如图3所示，在中压缸3的出口端还连通有蒸汽旁通管路12，蒸汽旁通管路12另一端连通有辅助汽轮机14。在本实施例中，辅助汽轮机14上同轴安装有第二发电机18，第一发电机5的出口与第二发电机18的出口连通。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种汽轮机组发电系统，其特征在于，包括：
蒸汽发生装置(1)，工作介质经过所述蒸汽发生装置(1)一次加热后驱动高压缸(2)运转，然后回流到所述蒸汽发生装置(1)二次加热后驱动中压缸(3)运转；
冷却蒸汽管路(9)，其一端与所述中压缸(3)连通，另一端连通有低压缸(4)，所述冷却蒸汽管路(9)上安装有调节阀(10)；
中低压连通管路，与所述冷却蒸汽管路(9)并联安装在所述中压缸(3)和所述低压缸(4)之间，所述中低压连通管路上安装有蝶阀(8)；
所述高压缸(2)、所述中压缸(3)和所述低压缸(4)同轴连接，所述低压缸(4)上同轴安装有第一发电机(5)。
2.根据权利要求1所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，还包括蒸汽旁通管路(12)，一端与所述中压缸(3)连通，另一端连通有辅助汽轮机(14)，所述辅助汽轮机(14)与所述第一发电机(5)同轴连接。
3.根据权利要求2所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，所述辅助汽轮机(14)与所述第一发电机(5)之间安装有离合器(15)。
4.根据权利要求1所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，还包括蒸汽旁通管路(12)，一端与所述中压缸(3)连通，另一端连通有辅助汽轮机(14)，所述辅助汽轮机(14)上同轴安装有第二发电机(18)，所述第一发电机(5)的出口与所述第二发电机(18)的出口连通。
5.根据权利要求2至4任一项所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，还包括凝汽主管路，一端与所述低压缸(4)连通，另一端与蒸汽发生装置(1)连通。
6.根据权利要求5所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，还包括凝汽支路，一端与所述辅助汽轮机(14)连通，另一端与蒸汽发生装置(1)连通。
7.根据权利要求6所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，所述凝汽主管路上安装有回热系统(7)，所述回热系统(7)与所述低压缸(4)之间安装有第一凝汽器(6)，所述凝汽支路与所述蒸汽发生装置(1)连通的一端连接在所述第一凝汽器(6)与所述低压缸(4)之间的所述凝汽主管路上。
8.根据权利要求6所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，所述凝汽主管路上安装有回热系统(7)，所述回热系统(7)与所述低压缸(4)之间安装有第一凝汽器(6)，所述凝汽支路上安装有第二凝汽器(17)，所述凝汽支路与所述蒸汽发生装置(1)连通的一端连接在所述第一凝汽器(6)与所述回热系统(7)之间的所述凝汽主管路上。
9.根据权利要求1至8任一项所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，冷却蒸汽管路(9)上安装有流量计(11)。
10.根据权利要求2至8任一项所述的汽轮机组发电系统，其特征在于，所述蒸汽旁通管路(12)上安装有第一阀门(13)。
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