CN115478923B - 变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及给水泵汽轮机系统技术领域，具体为变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，包括：主汽轮机、小汽轮机、第二发电机、变流器、给水泵、汽前泵；小汽轮机的汽源来自于主汽轮机排汽；小汽轮机驱动第二发电机、给水泵及汽前泵，水源通过汽前泵增压后进入给水泵；变流器用于调节第二发电机的制动转矩。变流器采用级联多电平四象限方案。第二发电机为高速同步电动发电机，机组启动时，第二发电机工作在电动机状态，驱动给水泵。本发明解决了当前驱动给水泵的BEST汽轮机通过进汽阀门节流调节运行，给水泵汽轮机进汽阀门的开度较小，节流损失大的问题。

Description

变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统

技术领域

本发明涉及给水泵汽轮机系统技术领域，特别涉及变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统。

背景技术

随着我国经济的高速增长，我国能源和资源短缺、环境不断恶化等方面的制约因素逐步体现出来。所以如何进一步提高燃煤电站效率和减少CO2排放成为全社会越来越关注且亟待解决的问题。而发展洁净煤发电技术是解决这些问题的关键，主要可以通过两个方法得以实现：其一是开发利用新的高效发电技术，如整体煤气化联合循环(IGCC)发电等；其二是基于常规的发电系统，提高机组的蒸汽参数，发展高经济性、高效率的高参数大容量机组。但是随着蒸汽参数的提高，回热抽汽过热度增大，回热系统加热器内汽侧和水侧换热不可逆损失增加，削弱了蒸汽参数升高带来的收益，同时管道、阀门和加热器设备的制造成本要提高。蒸汽参数越高，这一矛盾越突出。对于这一问题，目前常规的解决办法是，通过在再热后的部分回热抽汽增设外置式蒸汽冷却器，来降低回热抽汽的过热度。

现有技术基本采用主机抽汽回热系统，高压加热器抽汽来至高压缸、中压缸抽汽，低压加热器来至低压缸抽汽。其中高压加热器为高能级蒸汽，过热度偏大造成能量损失较大。部分机组型号需要增加前置蒸汽冷却器，高压缸抽汽进入高压缸前需要进入前置蒸汽冷却器，降低蒸汽过热度，提高高压给水温度。随着机组压力、温度等参数越来越高，常规方案的回热蒸汽过热度、温度随着参数的增高而增高。如果继续采用常规的回热系统，能级损失增大的同时，抽汽温度过高，抽汽管道、换热器管道等设备需要使用镍基材料，导致设备成本大幅度增加。

常规方案中给水泵汽轮机和给水泵组相比，其轴功率有着7%~12.9%的裕量，也就是说机组运行时，如果不采用调节手段，会出现“大马拉小车”的情况，通常，电厂都通过调整给水泵汽轮机进汽口调节阀的开度，来确保其出力和给水泵组所需值相匹配。理论上，在机组额定负荷时，给水泵汽轮机进汽调节阀开度可以全开，但是由于给水泵汽轮机轴功率大于给水泵组的轴功率，所以实际机组在运行时，给水泵汽轮机进汽阀的开度较小给水泵汽轮机进汽阀门开度在25%~68%之间，节流损失很大。

发明内容

本发明提供变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，用以解决上述背景技术提出的：当前驱动给水泵的BEST汽轮机通过进汽阀门节流调节运行，给水泵汽轮机进汽阀门的开度较小，节流损失大的问题。

为解决上述技术问题，本发明公开了变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，包括：主汽轮机、小汽轮机、第二发电机、变流器、给水泵、汽前泵；

所述小汽轮机的汽源来自于主汽轮机排汽；

所述小汽轮机驱动第二发电机、给水泵及汽前泵，水源通过汽前泵增压后进入给水泵；

所述变流器用于调节第二发电机的制动转矩。

优选的，所述主汽轮机包括：超高压缸、高压缸、中压缸、号低压缸、号低压缸，超高压缸内的超高压缸转子、高压缸内的高压缸转子、中压缸内的中压缸转子、号低压缸内的号低压缸转子、号低压缸内的号低压缸转子顺序相连，主蒸汽、一次高温再热蒸汽、二次高温再热蒸汽分别一一对应的进入超高压缸、高压缸、中压缸内推动各缸转子转动，中压缸排汽进入低压缸推动低压缸转子转动最终一起推动第一发电机转动，产生电能；

小汽轮机汽源为超高压缸排汽，为一次低温再热蒸汽，小汽轮机进汽管路上设有进汽调节阀。

主汽轮机连接有回热循环系统；回热循环系统采用12级回热抽汽系统，包括：5台高压加热器、1台除氧器、6台低压加热器，5台高压加热器依次命名为1号高压加热器、2号高压加热器、3号高压加热器、4号高压加热器、5号高压加热器；6台低压加热器依次命名为1号低压加热器、2号低压加热器、3号低压加热器、4号低压加热器、5号低压加热器、6号低压加热器；

1号高压加热器的汽源来自于超高压缸排汽；小汽轮机中间级设有5个抽汽口，依次命名为第1段-第5段抽汽，其中第1段-第4段抽汽分别对应为2号高压加热器、3号高压加热器、4号高压加热器、5号高压加热器汽源来源；除氧器汽源来至于小汽轮机第5段抽汽；1号低压加热器汽源来自于小汽轮机排汽，2号低压加热器汽源来自于中压缸排汽，3号低压加热器、4号低压加热器汽源分别来自于1号低压缸、2号低压缸中间级抽汽，5号低压加热器、6号低压加热器汽源分别来自于1号低压缸、2号低压缸排汽。

优选的，回热循环系统的回热单元水为凝结水，依次经过6号低压加热器、5号低压加热器、4号低压加热器、3号低压加热器、2号低压加热器、1号低压加热器后进入除氧器，经过汽前泵增压进入给水泵后，依次经过5号高压加热器、4号高压加热器、3号高压加热器、2号高压加热器、1号高压加热器进入锅炉受热面；

回热循环系统各段抽汽经过加热给水后在各自的加热器内产生疏水，1号高压加热器疏水至5号高压加热器疏水采用逐级自流的方式由1号高压加热器逐级流向下一级高压加热器，最后5号高压加热器疏水流入除氧器；1号低压加热器至4号低压加热器疏水采用逐级自流的方式，4号低压加热器疏水通过疏水泵打入4号低压加热器凝结水出口管道，5号低压加热器、6号低压加热器疏水直接排向凝汽器。

优选的，还包括：给水泵转速检测模块，用于检测给水泵转速；

控制系统，控制系统与所述变流器、给水泵转速检测模块电连接，所述控制系统还电连接锅炉给水检测模块，锅炉给水检测模块用于检测锅炉给水信息，锅炉给水信息包括锅炉给水流量；

所述变流器采用级联多电平四象限方案；

所述第二发电机为高速同步电动发电机，机组启动时，所述第二发电机工作在电动机状态，驱动所述给水泵。

优选的，小汽轮机、第二发电机、给水泵及汽前泵同轴布置。

优选的，还包括小汽轮机评估装置，所述小汽轮机评估装置包括：

数据集建立模块，用于采集小汽轮机的历史关键运行参数，建立历史关键运行参数数据集；

检测模块，用于每隔预设时间检测小汽轮机的实时关键运行参数，所述实时关键运行参数包括实时关键部件的运行参数，实时关键运行参数对应有小汽轮机的工作策略，所述工作策略包括：小汽轮机的工作模式以及用户的用能参数；

第一计算模块，用于计算每类历史关键运行参数的均值和标准差；

第二计算模块，用于计算每类实时关键运行参数与对应的每类标准关键运行参数的第一偏差，以及用于计算每类标准关键运行参数与对应的每类历史关键运行参数的均值的第二偏差；

判断模块，基于每类历史关键运行参数的均值、标准差、第一偏差和第二偏差，判断对应的每类关键运行参数为正常运行参数或异常运行参数，并基于工作策略及小汽轮机实际的工作效率判断每类关键运行参数的异常等级；

第一评估单元，用于根据异常运行参数对应的关键部件的关联的其他实时关键运行参数、以及异常运行参数的异常等级，评估所述关键部件的健康状态；

第二评估单元，用于根据关键部件的健康状态及各关键部件的关联关系，评估小汽轮机的健康状态以及健康等级。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的系统的整体示意图；

图2为本发明系统的局部示意图；

图3为本发明中，小汽轮机的转速由其进汽主阀门进行闭环反馈控制的控制回路图；

图4为现有技术中，小汽轮机的转速由其进汽主阀门进行闭环反馈控制的控制回路图；

图5为本发明的级联多电平四象限变流系统主电路拓扑原理；

图6为本发明的网侧变换器的控制策略；

图7为本发明的机侧变换器控制策略；

图8为本发明显示装置的一种实施例的结构示意图。

图中：1、第一发电机；2、疏水泵；3、显示装置；4、固定座；5、转动箱；61、1号高压加热器；62、2号高压加热器；63、3号高压加热器；64、4号高压加热器；65、5号高压加热器；71、超高压缸；72、高压缸；73、中压缸；74、1号低压缸；75、2号低压缸；8、锅炉；9、进汽调节阀；10、除氧器；11、第二发电机；12、小汽轮机；13、给水泵；14、汽前泵；151、1号低压加热器；152、2号低压加热器；153、3号低压加热器；154、4号低压加热器；155、5号低压加热器；156、6号低压加热器；161、第一凹槽；162、第二凹槽；163、第一转动杆；164、安装板；165、第二转动杆；166、移动座；167、第二伸缩驱动件；168、升降板；169、驱动杆；1610、限位块；1611、第一导电体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案以及技术特征可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1：本发明公开了变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，如图1-2所示，包括：主汽轮机、小汽轮机12、第二发电机11、变流器、给水泵13、汽前泵14；所述小汽轮机12的汽源来自于主汽轮机排汽；

所述小汽轮机12驱动第二发电机11、给水泵13及汽前泵14（如图1，小小汽轮机12一侧连接第二发电机11，另一侧连续连接给水泵13及汽前泵14；具体的，小汽轮机12通过可拆卸联接段直接连接第二发电机11（高速电机，(最高转速约为5500rpm；优选的，小汽轮机12、第二发电机11、给水泵13及汽前泵14同轴布置）；小汽轮机12带有一个小发电机（第二发电机11），用于平衡小汽轮机12和给水泵组（给水泵13及汽前泵14）之间多余的功率。即通过控制变频发电机的出力来调节给水泵13转速以减少小汽轮机12入口节流损失，提高小机效率的同时达到减少发电机出口厂用电消耗的效果。小汽轮机12与给水泵13之间通过膜片式联轴器连接，膜片式联轴器可允许量转子有较大的中心偏差，安装时对中要求低，可消除或减弱振动的传递，同时可以补偿给水泵13端转子冷热态的轴向位移。给水泵13与汽前泵14之间使用变速齿轮箱相连以达到流量平衡的目的（可通过设定减速比来控制汽泵前置泵与给水泵流量平衡）。水源通过汽前泵14增压后进入给水泵13；

所述变流器用于调节第二发电机11的制动转矩。

其中，汽泵前置泵（汽前泵）为给水泵提供带有一定压头的水源，防止给水泵汽蚀。给水泵用于给锅炉提供高压给水。小汽轮机为利用主汽轮机抽汽为动力来驱动给水泵的汽轮机装置。变流器用于对小发电机进行转矩闭环控制，调节小发电机的制动转矩。汽轮机：利用蒸汽推动转子工作，带动发电机转动的设备。

优选的，所述主汽轮机包括：超高压缸71、高压缸72、中压缸73、1号低压缸74、2号低压缸75，超高压缸71内的超高压缸71转子、高压缸72内的高压缸转子、中压缸73内的中压缸转子、1号低压缸74内的1号低压缸转子、2号低压缸75内的2号低压缸转子顺序相连，主蒸汽、一次高温再热蒸汽、二次高温再热蒸汽分别一一对应的进入超高压缸71、高压缸72、中压缸73内推动各缸转子转动，中压缸73排汽进入低压缸推动低压缸转子转动最终一起推动第一发电机1转动，产生电能；小汽轮机12汽源为超高压缸71排汽，为一次低温再热蒸汽，小汽轮机12进汽管路上设有进汽调节阀9。可通过调节阀开度控制进入小汽轮机蒸汽流量以达到控制小汽轮机负荷的目的。利用再热前的蒸汽（超高压缸排汽），驱动背压式小汽轮机，从小汽轮机中抽汽，利用过热度较低的小汽轮机抽汽和排汽，通过加热器来加热凝结水和给水。

优选的，主汽轮机连接有回热循环系统；回热循环系统采用12级回热抽汽系统，包括：5台高压加热器、1台除氧器10、6台低压加热器，5台高压加热器依次命名为1号高压加热器61、2号高压加热器62、3号高压加热器63、4号高压加热器64、5号高压加热器65（其中1—4号高加为立式蛇形高加布置在17米层5号高加为卧式蛇形管高加）；6台低压加热器依次命名为1号低压加热器151、2号低压加热器152、3号低压加热器153、4号低压加热器154、5号低压加热器155、6号低压加热器156；

1号高压加热器61的汽源来自于超高压缸71排汽；小汽轮机12中间级设有5个抽汽口，依次命名为第1段-第5段抽汽，其中第1段-第4段抽汽分别对应为2号高压加热器62、3号高压加热器63、4号高压加热器64、5号高压加热器65汽源来源；除氧器10汽源来至于小汽轮机12第5段抽汽；1号低压加热器151汽源来自于小汽轮机12排汽，2号低压加热器152汽源来自于中压缸73排汽，3号低压加热器153、4号低压加热器154汽源分别来自于1号低压缸74、2号低压缸75中间级抽汽，5号低压加热器155、6号低压加热器156汽源分别来自于1号低压缸74、2号低压缸75排汽；回热系统除1号高压加热器61抽汽来至超高压缸71排汽排外，其余换热汽抽汽来自小汽轮机中间级低参数蒸汽。

回热循环系统的回热单元水为凝结水，依次经过6号低压加热器156、5号低压加热器155、4号低压加热器154、3号低压加热器153、2号低压加热器152、1号低压加热器151后进入除氧器10，经过汽前泵14增压进入给水泵13后，依次经过5号高压加热器65、4号高压加热器64、3号高压加热器63、2号高压加热器62、1号高压加热器进入锅炉8受热面；

回热循环系统各段抽汽经过加热给水后在各自的加热器内产生疏水，1号高压加热器61疏水至5号高压加热器65疏水采用逐级自流的方式由1号高压加热器61逐级流向下一级高压加热器（2号高压加热器），最后5号高压加热器65疏水流入除氧器10；1号低压加热器151至4号低压加热器154疏水采用逐级自流的方式，4号低压加热器154疏水通过疏水泵2打入4号低压加热器154凝结水出口管道，5号低压加热器155、6号低压加热器156疏水直接排向凝汽器。

优选的，所述主汽轮机为超超临界、二次中间再热、单轴、五缸四排汽、凝汽式汽轮机（优选的，型号可为N1000-31/605/622/620），所述小汽轮机为单缸、单流、反动式、全周进汽、抽汽背压式(5抽1排)汽轮机（优选的，型号可为B57-12.26/0.8/448.9）。汽源为主汽轮机超高压缸排汽，最大连续功率57MW。

优选的，所述变流器采用级联多电平四象限方案。如可采用由荣信汇科电气股份有限公司生产的四象限21MVA变流器（国产最大容量电压源型四象限变流器），基于二象限运行大容量变频装置，将整流不可控二极管器件，更换为与逆变相同的全控IEGT器件，以此来实现四象限运行的大功率变频调速装置。技术成熟、可靠，因采用大电流IEGT器件，很容易实现大功率四象限变流器，无需器件或变流器的并联。选用21MVA变流器，采用H桥多电平级联拓扑方案在生产能力上可以达到单台21MVA要求。

级联多电平四象限变流系统主电路拓扑原理如下图3所示；变流系统采用级联多电平四象限方案，A、B、C三相共配置12级H桥功率单元，每相采用四级H桥功率单元级联，实现相电压9电平、线电压17电平的多电平输出，以匹配10kV电压等级需求。每个功率单元包含网侧变换器GSC和机侧变换器MSC，网侧变换器GSC和机侧变换器MSC均能实现四象限运行，以满足小发电机的电动启动和发电运行工况需求。移相整流变压器T为双器身结构，即两台独立变压器并联且封装为一个整体。其中一个原边绕组通过充电阻尼开关S31、网侧开关/网侧主电路开关S11与10kV母线A段相连，另一个原边绕组通过充电阻尼开关S32、网侧主电路开关S12与10kV母线B段相连，两个原边绕组也可合并后与一段10kV母线相连。移相整流变压器T副边绕组(12组)分别与12级功率单元的网侧变换器(GSC1~GSC12)相连，用于实现12级功率单元的网侧变换器(GSC1~GSC12)三相交流电压等级与10kV电网电压等级的匹配以及网侧移相整流。发电机(G，同步电机)通过机侧主电路开关(S2)与机侧变换器(MSCs)相连，发电运行时将所发出的电能传递给机侧变换器(MSCs)，电动启动时从机侧变换器(MSCs)吸收变频变压的电能。网侧变换器(GSCs，GSC1~GSC2)与机侧变换器(MSCs，MSC1~MSC2)通过直流侧相连，即每个功率单元中间直流侧配置直流侧支撑电容C。网侧变换器(GSCs，GSC1~GSC2)与移相整流变压器T构成网侧移相整流，用于降低网侧谐波。机侧变换器(MSCs，MSC1~MSC2)通过级联实现相电压9电平、线电压17电平的多电平输出，以匹配10kV电压等级需求同时降低输出谐波与dv/dt。在发电运行工况时，变流器将发电机G所发出的电能经变频变压后转换为与电网同频的电能，并通过移相整流变压器T升压后流向电网。在电动工况时，变流器通过移相整流变压器T从电网吸收能量，将50Hz三相交流电能变换成发电机G所需要的变频变压的电能，驱动电机运行在设定转速。

网侧变换器采用基于直流电压/无功功率外环—电流内环的双闭环矢量控制策略，如图6所示，通过直流电压外环及有功电流内环控制功率单元直流侧电压，实现对网侧变换器的有功控制，即电动工况时网侧变换器工作于整流状态，发电工况时网侧变换器工作于逆变状态，实现能量双向流动。通过无功外环及无功电流内环实现对网侧无功功率的控制，满足网侧功率因数与无功功率要求。机侧变换器采用基于转速(功率)外环—电流内环的双闭环矢量控制策略，支持有速度或无速度传感器控制，如图7所示。

采用四象限变流器对给水泵转速进行闭环调节，以实现小机(小汽轮机)的进汽门基本处于全开或维持在某个开度，小机的出力随着大机(主汽轮机)的负荷变化，小机和泵组之间的剩余功率由小发电机进行平衡。通过调节 BEST 小汽机与回馈到电网功率的出力平衡达到对给水泵转速控制的目的，既能实现给水泵随发电负荷调节转速运转，又能将多余的能量通过BEST机组发电回馈厂用电网，降低厂用电，增加发电收益。

优选的，所述第二发电机为高速同步电动发电机（优选的，型号可为TZW19000-2，最大电功率19MW，调速范围2350～5252r/min，效率97.5%），机组启动时，所述第二发电机工作在电动机状态，驱动所述给水泵，方便机组的启动。发电机整机采用完全自主技术开发，关键技术和创新点如下：采用隐极实心转子，结合交流励磁的异步励磁机，实现了同步发电机在启动阶段以电动机模式运行，并平稳过渡到发电机状态。在发电机状态时，实现可调速运行，最终通过变流器输出50Hz工频电源，实现并网发电。具体的：电动工况：通过转速外环及转矩电流内环控制电机转速，实现对启动工况拖动给水泵的工况需求。通过磁链外环及励磁电流内环实现对励磁系统励磁电流的控制，从而满足对同步电机转子励磁的工况需求。发电工况：通过有功外环及有功电流内环控制回馈到电网的有功功率，即通过调节BEST小汽机与回馈到电网功率的出力平衡达到对给水泵转速控制的目的。通过磁链外环及励磁电流内环实现对励磁系统励磁电流的控制，从而满足对同步电机转子励磁的工况需求。

正常调速运行时，小汽轮机滑压运行，四象限变流器驱动高速电动发电机实现调速，既减少了节流损失，提升力系统率，达到节能减排的目的，同时处于电驱调速模式，相比于汽驱调速，具有更快的动态响应和更高的调速精度；异常与事故时汽驱与电驱协调控制，保证轴系转速的平稳，并且汽驱与电驱冗余互备，汽驱故障时，进入纯电驱模式，电驱故障时，进入纯汽驱模式，提升系统可靠性。

针对大容量四象限变流器高效率、低谐波的研制目标进行研究，为提升效率，避免额外配置滤波装置引入系统损耗，特采用无额外滤波装置设计，同时采用低开关频率的压接器功率器件，进一步降低系统损耗，提升系统效率；为满足低谐波的需求，综合利用移相变压器脉波整流技术、级联拓扑特性、特殊调制技术等实现系统整体谐波控制。

本次研制变频发电及回热一体化小机系统，突破了由于BEST汽轮机功率与给水泵功率不平衡需进行节流调节导致能耗高的限制，采用变频发电机调节给水泵的输入功率，变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统无需节流调节可持续高效运行，从而提升机组的整体效率。本次研发自主知识产权的变频发电及回热一体化小机系统设备，包括变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统汽轮机、发电机和变流器，并在华能秦煤瑞金发电有限责任公司二期扩建工程中实际安装使用，为煤电领域超超临界二次再热百万机组首台套变频发电及回热一体化小机系统设备。

通过采用变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统技术方案，在THA工况下机组设计热耗率降低20kJ/kWh，设计标煤耗率降低约0.72g/kWh；如综合考虑实际运行的偏差，实际运行热耗率可降低30 kJ/kWh以上，标煤耗率降低1.2g/kWh以上；并且每台机组通过小发电机最大可增加发电量16.58MW用于厂用电消耗。技术方案具有较好的经济性。

优选的，给水泵13转速检测模块，用于检测给水泵13转速；

控制系统，控制系统与所述变流器、给水泵13转速检测模块电连接，所述控制系统还电连接锅炉8给水检测模块，锅炉8给水检测模块用于检测锅炉8给水信息，锅炉8给水信息包括锅炉8给水流量；MEH控制：根据锅炉给水流量的要求通过控制小汽轮机进汽调门的开度来控制小汽轮机转速以达到给水流量控制的要求。（汽轮机自带控制方式）变频发电及回热一体化小机系统具有MEH控制和变流器控制两种控制方式，之间可互相切换。MEH控制时发电机空转不发电，通过控制小汽轮机进汽调门开度来控制给水泵转速。变流器控制时小汽轮机进汽调门全开，通过控制发电机发电量来平衡小汽轮机剩余功率。

变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统中，可以通过小发电机发电的方式来平衡给水泵汽轮机和给水泵组之间多余的功率，小汽轮机的进汽阀理论上可以全开，可很大程度上减少节流损失。即小汽轮机除了给给水泵提供动力外还向汽前泵、小发电机提供能量，可在不同符合阶段保证小汽轮机进汽调节阀9保持全开，减少节流损失。在小汽轮机驱动给水泵组时，可以把小汽轮机进汽阀全开或维持在较大的开度，在接收到锅炉给水流量或转速信号后，通过给定指定的速度给变流器。变流器对小发电机进行转矩闭环控制，调节小发电机的制动转矩。给水泵的转速在闭环控制下，结合变流器自身对反馈转速的计算(或通过速度传感器)以及结合系统DCS 转矩进行综合计算，给变流器一个转矩给定来进行电机转速的调节，使系统的转速趋向系统的速度给定。这种控制方式下，系统速度始终跟随系统给定，从而达到系统速度调节的功能。同时小发电机的制动功率抵消由BEST机（小汽轮机）和给水泵组之间的剩余功率，由于变流器产生的是反向转矩，变流器内部的电流反向流动至变流器输入端，从而实现能量反馈的功能。

具体的，关于转速控制：常规工程中，正常运行时，给水泵汽轮机的转速由其进汽主阀门（主调门）进行闭环反馈控制，控制回路如图4所示。

本发明的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统有别于常规的给水泵汽轮机，高加、除氧器等投切时对转速的影响较大，转速控制器需要快速响应，维持给水流量的稳定。转速控制器采用带前馈的PID运算，响应速度更快，如图3所示。小汽轮机启动时，变流器尚未运行，MEH中设定暖机转速(800rpm)为目标转速，由小汽轮机主阀门进行转速控制。暖机完成后，MEH将给水泵最低工作转速设定为目标转速，依然通过小汽轮机主阀门进行转速控制，直至升速到给水泵最低工作转速。MEH将小汽轮机转速控制切换至自动控制模式。此时，锅炉仍然处于湿态运行，锅炉给水流量通过锅炉给水旁路调节阀进行流量控制，给水泵转速通过小汽轮机主调阀的调节维持在3000rpm附近。

当机组负荷逐渐上升，直至锅炉完全转为干态运行(负荷暂定为330MW)时，锅炉给水旁路退出，锅炉给水切换为主管运行，即通过给水泵的转速来进行调节。此时，投入变流器，以给定的升速率(暂定200rpm/min)逐步开大小汽轮机主阀门，同时增加发电机的发电出力，直至小汽轮机主调阀达到最大开度，跟随主汽轮机滑压运行。此后，给水泵的转速完全切换为由小发电机-变流器组控制。由于主汽轮机负荷与小汽轮机机剩余功率存在一定的相关性，给水泵汽轮机厂家提供一条主汽轮机负荷-小汽轮机剩余功率曲线(以下简称剩余功率曲线)，所以小发电机接受来自机组协调控制系统给定的主汽轮机负荷指令，并通过这条剩余功率曲线计算出小发电机的功率设定值，此设定值再通过PID运算输出给变流器来实现BEST小发电机功率的控制，最终实现给水泵转速的闭环控制。BEST小发电机输出功率控制回路示意图如图3所示。

上述技术方案的有益效果为：（1）通过控制小发电机的出力来调节给水泵转速，可减少小汽轮机入口节流损失（可以把小汽轮机进汽阀全开或维持在较大的开度），提高小汽轮机效率，提高热力循环效率，从而提高机组整体热经济性。（2）能充分利用小汽轮机的出力，通过小发电机多发电，可减少厂用电率提高电厂的售电收益。（3）由于回热系统抽汽温度较低，可降低相关抽汽管道、阀门、加热器的材料等级，可节约管道、阀门及设备的制造成本；（4）小汽轮机汽源为超高压缸排汽，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。

本发明的变频发电及回热一体化小机系统技术方案适用于大容量高参数燃煤火电机组，尤其适用于我国煤电领域目前大力发展的超超临界二次再热机组，有着较为广阔的应用前景。

本发明解决了：当前驱动给水泵的BEST汽轮机通过进汽阀门节流调节运行，给水泵汽轮机进汽阀门的开度较小，节流损失大的问题。

实施例2

在实施例1的基础上，还包括小汽轮机评估装置，所述小汽轮机评估装置包括：数据集建立模块，用于采集小汽轮机的历史关键运行参数，建立历史关键运行参数数据集；检测模块，用于每隔预设时间检测小汽轮机的实时关键运行参数，所述实时关键运行参数包括实时关键部件的运行参数（可包括小汽轮机的进气口的流量、气压等，以及小汽轮机的喷嘴的流量、气压等），实时关键运行参数对应有小汽轮机的工作策略，所述工作策略包括：小汽轮机的工作模式以及用户的用能参数；第一计算模块，用于计算每类历史关键运行参数的均值和标准差；第二计算模块，用于计算每类实时关键运行参数与对应的每类标准关键运行参数的第一偏差，以及用于计算每类标准关键运行参数与对应的每类历史关键运行参数的均值的第二偏差；判断模块，基于每类历史关键运行参数的均值、标准差、第一偏差和第二偏差，判断对应的每类关键运行参数为正常运行参数或异常运行参数，并基于工作策略及小汽轮机实际的工作效率判断每类关键运行参数的异常等级；第一评估单元，用于根据异常运行参数对应的关键部件的关联的其他实时关键运行参数、以及异常运行参数的异常等级，评估所述关键部件的健康状态；第二评估单元，用于根据关键部件的健康状态及各关键部件的关联关系，评估小汽轮机的健康状态以及健康等级。

上述技术方案的有益效果为：建立历史关键运行参数数据集，以及每隔预设时间检测小汽轮机的实时关键运行参数，实时关键运行参数对应有小汽轮机的工作策略，所述工作策略包括：小汽轮机的工作模式以及用户的用能参数（如发电机的用能参数以及给水泵的用能参数，工作模式还对应有小汽轮的进能参数），以获取小汽轮机的实时工作模式以及其进能与用能状态对应的实时运行状态（实时关键运行参数），然后将其与历史关键运行参数进行比较；

具体的，计算每类实时关键运行参数与对应的每类标准关键运行参数的第一偏差，以及用于计算每类标准关键运行参数与对应的每类历史关键运行参数的均值的第二偏差；由于小汽轮机的已经使用状态不同，其历史关键运行参数可能会偏离标准关键运行参数，通过计算标准状态与实际历史运行状态的偏差，可便于了解小汽轮机的第一方面的发展趋势，以及通过计算均值和标准差，可便于了解历史参数的第二方面的发展趋势，基于上述发展趋势进行评估，评估更加可靠，即基于每类历史关键运行参数的均值、标准差、第一偏差和第二偏差，判断对应的每类关键运行参数为正常运行参数或异常运行参数，并基于工作策略及小汽轮机实际的工作效率判断每类关键运行参数的异常等级。

最终，根据异常运行参数对应的关键部件的关联的其他实时关键运行参数、以及异常运行参数的异常等级，评估所述关键部件的健康状态，可获取每个关键部件的健康状态，根据关键部件的健康状态及各关键部件的关联关系，评估小汽轮机的健康状态以及健康等级，从而根据小汽轮机的健康状态以及健康等级制定对小汽轮机的维修或维护策略，便于保证系统可靠运行。

实施例3

在实施例1-2中任一项的基础上，如图8所示，还包括显示装置3，所述显示装置3包括：固定座4，所述固定座4上端转动连接有转动箱5，所述固定座4上设置用于驱动所述转动箱5旋转的第二驱动装置，所述固定座4上端中部和转动箱5下端中部对应设置第一凹槽161，所述转动箱5下部设置有第二凹槽162，所述第二凹槽162与第一凹槽161连通、且第二凹槽162横截面积大于第一凹槽161；第一转动杆163，中部通过前后方向的转轴与所述转动箱5上端转动连接，所述第一转动杆163的一端与第二转动杆165的一端转动连接；安装板164，中部与所述转动箱5上端左侧转动连接，所述第二转动杆165的另一端与所述安装板164上部转动连接，所述安装板164用于安装显示器；移动座166，沿左右方向滑动连接在所述转动箱5内；第二伸缩驱动件167，设置在所述转动箱5内，所述第二伸缩驱动件167用于驱动所述第二伸缩驱动件167左右滑动；升降板168，上下滑动连接在所述移动座166内，所述升降板168下端设置有驱动杆169，所述驱动杆169下端为第一弧面，所述驱动杆169位于所述第二凹槽162内；限位块1610，上下滑动连接在所述第一凹槽161内，所述限位块1610与固定座4上的第一凹槽161内壁之间固定连接有第五连接弹簧，所述限位块1610上端设置第二弧面，所述第一弧面可与第二弧面接触；第一导电体1611，固定连接在所述第二凹槽162上端内壁；第二导电体，固定连接在所述驱动杆169上，所述第一导电体1611与第二导电体接触导通后，使得控制装置与显示器电连接。其中，控制装置可为整个系统的控制装置，可与主汽轮机、小汽轮机12、第二发电机11、变流器、给水泵13、汽前泵14电连接；可控制主汽轮机、小汽轮机12、第二发电机11、变流器、给水泵13、汽前泵14及控制显示器工作。

上述技术方案的有益效果为：上述固定座4可安装到主汽轮机、小汽轮机、发电机、变流器任一设备上，或者安装到一个单独的显示支撑架上，可用于显示整个系统的工作参数等，也可仅仅显示系统中某个装置的工作参数（如变流器、给水泵等）；显示器安装到安装板164上后，当需要调整显示器的水平朝向时（显示器安装到整个系统的不同装置时，由于安装空间以及观看方便等因素的影响需要调整显示器的朝向），首先，控制第二伸缩驱动件167收缩，带动移动座166向右移动，该过程中第一转动杆163绕其转轴旋转，第一转动杆163下端带动升降板168带动驱动杆169向下移动，驱动杆169下端的第一弧面与上述第二弧面接触，驱动杆169下压所述限位块1610，从而使得限位块1610脱离转动箱5的第一凹槽161，从而使得转动箱5可在固定座4上旋转，通过第二驱动装置驱动转动箱5旋转，可调整转动箱5上的安装板164的水平朝向，即调整显示器的水平朝向；当调整完毕后，控制第二伸缩驱动件167回位，可使得限位块1610继续卡入转动箱5上的第一凹槽161内，实现对转动箱5的限位，且控制调整第二伸缩驱动件167的伸缩长度，可调整升降板168的下降距离，从而可调节第一转动杆163即第二转动杆165的位置，实现对安装板164倾角的微调；当限位块1610脱离转动箱5的第一凹槽161，第一导电体1611遇到第二导电体完全脱离，实现了，对控制装置与显示器的断连，避免在调整显示器位置的过程中控制装置控制显示器工作，可能影响显示器的性能。

实施例4

在实施例1-3中任一项的基础上，所述主汽轮机中，主汽轮机的进气口通过进气通道与主汽轮机的喷嘴连通；所述的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统还包括：主汽轮机评估装置，所述主汽轮机评估装置包括：第一流量检测装置，设置在所述主汽轮机的进气口，用于检测其所在处流量；第一气压传感器，设置在所述主汽轮机的进气口，用于检测其所在处气压；第二气压传感器，设置在所述进气通道的出气口，用于检测其所在处气压；若干第二流量检测装置，沿着进气通道间隔设置，进气通道的每个拐点至少设置一个第二流量检测装置，第二流量检测装置用于检测其所在处流量；密度检测装置，设置在所述主汽轮机的进气口，用于检测其所在处气体密度；第三流量检测装置，设置在所述喷嘴的出口，用于检测其所在处流量；控制器、第一报警器、第二报警器，所述控制器与所述第一流量检测装置、第一气压传感器、第二气压传感器、第二流量检测装置、密度检测装置、第三流量检测装置、第一报警器、第二报警器电连接，所述控制器基于所述第一流量检测装置、第一气压传感器、第二气压传感器、第二流量检测装置、密度检测装置、第三流量检测装置控制第一报警器及第二报警器报警；

基于公式（1）、第一流量检测装置、第一气压传感器、第二流量检测装置、密度检测装置计算进气通道内压力损失率M；

其中，为进气通道的粗糙度，为所述第一流量检测装置检测值，为第二流量检测装置的总数量，为第个第二流量检测装置检测值，为密度检测装置检测值，为进气通道的平均内径，为第一气压传感器检测值，为第二气压传感器检测值，为所述进气通道的长度；为进气通道的拐点的数量，为弧度，为第个拐点连接的相邻管段的夹角，为第个拐点的曲率半径；为自然对数；

比较公式（1）计算的所述压力损失率与预设压力损失率，当公式（1）计算的所述压力损失率大于等于预设压力损失率，所述控制器控制第一报警器报警，当公式（1）计算的所述压力损失率小于预设压力损失率，基于公式（2）、密度检测装置、第二气压传感器计算喷嘴的理论喷出流量Q；

D为所述喷嘴的流量系数，E为喷嘴的过流面积，为第二气压传感器检测值，为密度检测装置检测值，为喷嘴的效率系数，为喷嘴的允许堵塞系数，e为自然常数，取值为2.72；为所述喷嘴的额定寿命，为所述喷嘴的已经使用寿命；

比较公式（2）计算的喷嘴的理论喷出流量与第三流量检测装置检测值，当所述第三流量检测装置检测值小于公式（2）计算的喷嘴的理论喷出流量，所述控制器控制第二报警器报警。

上述技术方案的有益效果为：设置：第一流量检测装置用于检测主汽轮机的进气口处流量，第一气压传感器于检测主汽轮机的进气口处气压，第二气压传感器用于检测进气通道的出气口处气压，若干第二流量检测装置，沿着进气通道间隔设置，进气通道的每个拐点至少设置一个第二流量检测装置，第二流量检测装置用于检测其所在处流量；密度检测装置，用于检测主汽轮机的进气口处气体密度；第三流量检测装置，用于检测喷嘴的出口处流量；

首先：基于公式（1）、第一流量检测装置、第一气压传感器、第二流量检测装置、密度检测装置计算进气通道内压力损失率，即基于主汽轮机的进气口处流量、气压、气体密度计算进气通道内理论压力损失状态，该公式中考虑到进气通道的不规则性导致的内部流量不均，通过设置若干第二流量检测装置进行检测，使得计算更加可靠，然后将其与实际的进气通道两端的气压差进行比较，并且考虑进气通道的不规则性对气压损失的影响，设置修正系数，最终计算进气通道内压力损失率，当进气通道内压力损失异常时，通过第一报警器进行报警，以便于提示对进气通道的更换或维修，以保证后续的部件（如喷嘴）的运行，排除由于进气通道异常导致的下述喷嘴流量异常；当进气通道正常时，基于公式（2）、密度检测装置、第二气压传感器计算喷嘴的理论喷出流量，其中，公式（2）中基于喷嘴的寿命状态（喷嘴的额定寿命与已经使用寿命的比较)、允许堵塞系数、喷嘴的效率系数对理论喷出流量进行进一步修正，使得计算可靠；比较公式（2）计算的喷嘴的理论喷出流量与第三流量检测装置检测值（即喷嘴的实际喷出流量），当所述第三流量检测装置检测值小于公式（2）计算的喷嘴的理论喷出流量，所述控制器控制第二报警器报警，实现喷嘴异常进行报警。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，其特征在于，包括：

主汽轮机、小汽轮机(12)、第二发电机(11)、变流器、给水泵(13)、汽前泵(14)；

所述小汽轮机(12)的汽源来自于主汽轮机排汽；

所述小汽轮机(12)驱动第二发电机(11)、给水泵(13)及汽前泵(14)，水源通过汽前泵(14)增压后进入给水泵(13)；

所述变流器用于调节第二发电机(11)的制动转矩；

所述主汽轮机中，主汽轮机的进气口通过进气通道与主汽轮机的喷嘴连通；所述的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统还包括：主汽轮机评估装置，所述主汽轮机评估装置包括：

第一流量检测装置，设置在所述主汽轮机的进气口，用于检测其所在处流量；

第一气压传感器，设置在所述主汽轮机的进气口，用于检测其所在处气压；

第二气压传感器，设置在所述进气通道的出气口，用于检测其所在处气压；

若干第二流量检测装置，沿着进气通道间隔设置，进气通道的每个拐点至少设置一个第二流量检测装置，第二流量检测装置用于检测其所在处流量；

密度检测装置，设置在所述主汽轮机的进气口，用于检测其所在处气体密度；

第三流量检测装置，设置在所述喷嘴的出口，用于检测其所在处流量；

控制器、第一报警器、第二报警器，所述控制器与所述第一流量检测装置、第一气压传感器、第二气压传感器、第二流量检测装置、密度检测装置、第三流量检测装置、第一报警器、第二报警器电连接，所述控制器基于所述第一流量检测装置、第一气压传感器、第二气压传感器、第二流量检测装置、密度检测装置、第三流量检测装置控制第一报警器及第二报警器报警；

基于公式（1）、第一流量检测装置、第一气压传感器、第二流量检测装置、密度检测装置计算进气通道内压力损失率M；

其中，为进气通道的粗糙度，为所述第一流量检测装置检测值，为第二流量检测装置的总数量，为第个第二流量检测装置检测值，为密度检测装置检测值，为进气通道的平均内径，为第一气压传感器检测值，为第二气压传感器检测值，为所述进气通道的长度；为进气通道的拐点的数量，为弧度，为第个拐点连接的相邻管段的夹角，为第个拐点的曲率半径；为自然对数；

比较公式（1）计算的所述压力损失率与预设压力损失率，当公式（1）计算的所述压力损失率大于等于预设压力损失率，所述控制器控制第一报警器报警，当公式（1）计算的所述压力损失率小于预设压力损失率，基于公式（2）、密度检测装置、第二气压传感器计算喷嘴的理论喷出流量Q；

D为所述喷嘴的流量系数，E为喷嘴的过流面积，为第二气压传感器检测值，为密度检测装置检测值，为喷嘴的效率系数，为喷嘴的允许堵塞系数，e为自然常数，取值为2.72；为所述喷嘴的额定寿命，为所述喷嘴的已经使用寿命；

比较公式（2）计算的喷嘴的理论喷出流量与第三流量检测装置检测值，当所述第三流量检测装置检测值小于公式（2）计算的喷嘴的理论喷出流量，所述控制器控制第二报警器报警。

2.根据权利要求1所述的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，其特征在于，

所述主汽轮机包括：超高压缸(71)、高压缸(72)、中压缸(73)、1号低压缸(74)、2号低压缸(75)，超高压缸(71)内的超高压缸(71)转子、高压缸(72)内的高压缸(72)转子、中压缸(73)内的中压缸(73)转子、1号低压缸(74)内的1号低压缸(74)转子、2号低压缸(75)内的2号低压缸(75)转子顺序相连，主蒸汽、一次高温再热蒸汽、二次高温再热蒸汽分别一一对应的进入超高压缸(71)、高压缸(72)、中压缸(73)内推动各缸转子转动，中压缸(73)排汽进入低压缸推动低压缸转子转动最终一起推动第一发电机(1)转动，产生电能；

小汽轮机(12)汽源为超高压缸(71)排汽，为一次低温再热蒸汽，小汽轮机(12)进汽管路上设有进汽调节阀(9)。

3.根据权利要求1所述的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，其特征在于，

主汽轮机连接有回热循环系统；回热循环系统采用12级回热抽汽系统，包括：5台高压加热器、1台除氧器(10)、6台低压加热器，5台高压加热器依次命名为1号高压加热器(61)、2号高压加热器(62)、3号高压加热器(63)、4号高压加热器(64)、5号高压加热器(65)；6台低压加热器依次命名为1号低压加热器(151)、2号低压加热器(152)、3号低压加热器(153)、4号低压加热器(154)、5号低压加热器(155)、6号低压加热器(156)；

1号高压加热器(61)的汽源来自于超高压缸(71)排汽；小汽轮机(12)中间级设有5个抽汽口，依次命名为第1段-第5段抽汽，其中第1段-第4段抽汽分别对应为2号高压加热器(62)、3号高压加热器(63)、4号高压加热器(64)、5号高压加热器(65)汽源来源；除氧器(10)汽源来至于小汽轮机(12)第5段抽汽；1号低压加热器(151)汽源来自于小汽轮机(12)排汽，2号低压加热器(152)汽源来自于中压缸(73)排汽，3号低压加热器(153)、4号低压加热器(154)汽源分别来自于1号低压缸(74)、2号低压缸(75)中间级抽汽，5号低压加热器(155)、6号低压加热器(156)汽源分别来自于1号低压缸(74)、2号低压缸(75)排汽。

4.根据权利要求3所述的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，其特征在于，回热循环系统的回热单元水为凝结水，依次经过6号低压加热器(156)、5号低压加热器(155)、4号低压加热器(154)、3号低压加热器(153)、2号低压加热器(152)、1号低压加热器(151)后进入除氧器(10)，经过汽前泵(14)增压进入给水泵(13)后，依次经过5号高压加热器(65)、4号高压加热器(64)、3号高压加热器(63)、2号高压加热器(62)、1号高压加热器进入锅炉(8)受热面；

回热循环系统各段抽汽经过加热给水后在各自的加热器内产生疏水，1号高压加热器(61)疏水至5号高压加热器(65)疏水采用逐级自流的方式由1号高压加热器(61)逐级流向下一级高压加热器，最后5号高压加热器(65)疏水流入除氧器(10)；1号低压加热器(151)至4号低压加热器(154)疏水采用逐级自流的方式，4号低压加热器(154)疏水通过疏水泵2打入4号低压加热器(154)凝结水出口管道，5号低压加热器(155)、6号低压加热器(156)疏水直接排向凝汽器。

5.根据权利要求1所述的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，其特征在于，还包括：

给水泵(13)转速检测模块，用于检测给水泵(13)转速；

控制系统，控制系统与所述变流器、给水泵(13)转速检测模块电连接，所述控制系统还电连接锅炉(8)给水检测模块，锅炉(8)给水检测模块用于检测锅炉(8)给水信息，锅炉(8)给水信息包括锅炉(8)给水流量；

所述变流器采用级联多电平四象限方案；

所述第二发电机(11)为高速同步电动发电机，机组启动时，所述第二发电机(11)工作在电动机状态，驱动所述给水泵(13)。

6.根据权利要求1所述的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，其特征在于，小汽轮机(12)、第二发电机(11)、给水泵(13)及汽前泵(14)同轴布置。

7.根据权利要求1所述的变频发电及回热一体化给水泵汽轮机系统，其特征在于，还包括小汽轮机(12)评估装置，所述小汽轮机(12)评估装置包括：

数据集建立模块，用于采集小汽轮机(12)的历史关键运行参数，建立历史关键运行参数数据集；

检测模块，用于每隔预设时间检测小汽轮机(12)的实时关键运行参数，所述实时关键运行参数包括实时关键部件的运行参数，实时关键运行参数对应有小汽轮机(12)的工作策略，所述工作策略包括：小汽轮机(12)的工作模式以及用户的用能参数；

第一计算模块，用于计算每类历史关键运行参数的均值和标准差；

第二计算模块，用于计算每类实时关键运行参数与对应的每类标准关键运行参数的第一偏差，以及用于计算每类标准关键运行参数与对应的每类历史关键运行参数的均值的第二偏差；

判断模块，基于每类历史关键运行参数的均值、标准差、第一偏差和第二偏差，判断对应的每类关键运行参数为正常运行参数或异常运行参数，并基于工作策略及小汽轮机(12)实际的工作效率判断每类关键运行参数的异常等级；

第一评估单元，用于根据异常运行参数对应的关键部件的关联的其他实时关键运行参数、以及异常运行参数的异常等级，评估所述关键部件的健康状态；

第二评估单元，用于根据关键部件的健康状态及各关键部件的关联关系，评估小汽轮机(12)的健康状态以及健康等级。

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