CN203374332U - 带有自启停控制系统的燃气－蒸汽联合循环机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种带有自启停控制系统的燃气－蒸汽联合循环机组，包括2台燃气轮机、2台余热锅炉和1台汽轮机，该机组设有控制各个设备/工艺系统的启动或停止的自启停控制系统；所述自启停控制系统包括相互独立的第一控制系统和第二控制系统；所述第一控制系统与第二控制系统通过OPC服务器进行通讯。本实用新型可以实现燃气轮机和汽轮机的自动启动和停止，同时还可以完成整个机组包括余热锅炉等其它设备的自动启停任务，明显提高了电厂的管理与自动化水平，减少了人员直接操作设备的次数，降低了运行风险及机组在启动过程中的机械损耗。

Description

带有自启停控制系统的燃气-蒸汽联合循环机组

技术领域

本实用新型涉及机电领域，尤其涉及二拖一燃气-蒸汽联合循环机组。 

背景技术

在热电领域，燃气-蒸汽联合循环系统，以其供电效率高、运行启停快、建设周期短、占地少、对环境污染极小等明显优势，逐步代替燃煤供热机组,成为现在发达国家的发展趋势。 

燃气-蒸汽联合循环，是把燃气轮机和汽轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的装置，有时也简称为联合循环。燃气-蒸汽联合循环发电机组是利用高温燃气和蒸汽为工质膨胀做功，从而带动发电机发电，燃气轮机和汽轮机可以单独带发电机，也可一起驱动同一台发电机，不同的驱动方式就形成了联合循不发电机组轴系配置的不同形式。按轴系布置,联合循环发电机组可分为单轴和多轴联合循环。 

所谓燃气-蒸汽联合循环发电机组主要包括燃气轮机、余热锅炉和汽轮机等设备。其中，单轴联合循环发电机组是由1台燃气轮机、1台汽轮机、1台余热锅炉和1台发电机组成，燃气轮机和汽轮机同轴(或靠变速齿轮联结)驱动发电机工作。多轴联合循环发电机组是指燃气轮机和汽轮机分别带动各自发电机的联合循环，可以是“二拖一”、“三拖一”、“四拖一”等。 

燃气-蒸汽联合循环发电机组的启停方式可分为手动启停和自动启停，而启动中、启动后及停止前的调节方式可分为手动调节和自动调节。目前，大多数的燃气-蒸汽联合循环机组在电网中基本处于早启晚停的运行方式，在机组运行特别是启、停设备的操作过程中，如果只靠运行人员手动进行，则需要大量准确的操作才能保证机组顺利启动和停止，频繁的启停操作给运行人员带来了繁重的工作量，同时也大大增加了误操作的可能性。机组自启停控制系统APS（POWER PLANT AUTOMATIC START UP AND SHUTDOWN）可以使机组按照规定的程序进行设备的启停操作，不仅大大简化了运行人员的工作，减少了出现误操作的可能，提高了机组的安全性能。同时它缩短了机组启动时间，提高了机组的经济效益。因此有必要深入研究机组自启停技术的研究，特别是机组自启停技术在二拖一燃气-蒸汽机组联合循环机组上的应用。 

实用新型内容

本实用新型还提供一种二拖一燃气-蒸汽联合循环机组，通过设置自启停控制系统 以解决二拖一燃气-蒸汽联合循环机组的安全运行问题。 

进一步，本实用新型还可以解决同一台汽机可实现纯凝、抽凝和背压三种不同工况运行的难题，从而提高总热效率。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案： 

一种带有自启停控制系统的燃气－蒸汽联合循环机组，包括2台燃气轮机、2台余热锅炉和1台汽轮机，其特征在于，该机组设有控制各个设备/工艺系统的启动、停止的自启停控制系统；所述自启停控制系统包括相互独立的第一控制系统和第二控制系统；所述第一控制系统与第二控制系统通过OPC服务器进行通讯； 

所述第一控制系统，主要用于对所述燃气轮机和汽轮机的全自动启动和停止的控制，其还通过硬接线与所述第二控制系统的APS接口连接，以完成所述APS接口的启动和停止的控制指令的发出； 

所述第二控制系统，主要用于对余热锅炉、公用热力系统、辅助外围系统的执行顺序、启动和停止控制。 

所述工艺系统至少主要包括余热锅炉顺序控制系统、燃气轮机控制系统、汽轮机控制系统、模拟量自动调节控制系统、协调控制系统、汽轮机旁路控制系统、汽包全程给水控制系统和主气压力控制系统等。 

进一步地，所述公用热力系统主要包括汽水系统等。 

进一步地，所述辅助外围系统主要包括电气控制系统和电压自动调节系统等。 

进一步地，所述第一控制系统采用DCS分布式控制系统。 

进一步地，所述第二控制系统采用DIASYS Netmation控制系统，第一控制系统采用Ovation控制系统。 

为了解决同一台汽轮机实现纯凝、抽凝和背压三种不同工况运行，本实用新型特别设计一个方案，即所述汽轮机的高中压缸和低压缸之间加装具有同步自换挡功能的SSS离合器。 

其中，所述高中压缸的高中压转子与SSS离合器的输出端相连接，所述低压缸的低压转子与SSS离合器的输入端相连接。 

该机组中还设有发电机，该发电机设置设在所述高压缸一侧。 

上述燃气－蒸汽联合循环机组在运行过程中，将根据电、热负荷需要改变运行模式，使所述汽轮机在纯凝、抽凝和背压三种不同模式下切换；其中，该机组在冬季供热工况时切换成纯背压运行方式，通过SSS离合器将所述低压缸解列，所述汽轮机的中压缸的全部排汽及低压主汽全部用于加热热网加热器，向热力外网管线供热；在热负荷较低或 非供热工况时，所述高中压缸和低压缸通过所述SSS离合器连成一个轴，汽轮机改为抽凝或纯凝运行方式。 

具体来说，上述纯凝运行模式具体为：当非供热工况时，所述汽轮机的高、中压转子与低压转子通过离合器连成一个轴，由闭锁装置将SSS离合器锁定，至热网的所述蒸汽阀门关闭、所述低压缸导气管上的蒸汽阀门全开；蒸汽进所述低压缸做功，做功后的乏汽排到凝汽器，此时汽轮机为纯凝运行模式。 

背压运行模式具体为：当冬季供热需求量大，要求所述机组带最大供热量时，将所述SSS离合器闭锁装置切至解锁状态，关闭至所述低压缸导汽管上的蒸汽阀门，停止向所述低压缸进汽，所述低压缸就会停止作功，当低压转子低于高、中压转子的转速后，所述SSS离合器就会自动将低压转子脱开解列，此时所述汽轮机为背压运行模式；至热网抽汽的蒸汽阀门控制所述高中压缸排汽压力，高中压缸排汽及低压主汽全部用于加热热网加热器，以取得更大的供热能力以及更高的热效率。 

当部分热负荷工况时，汽轮机可采用抽凝方式运行，只要向低压缸进汽，低压转子就会增速，当转速略高于高、中压缸的转速后，SSS离合器就会自动将低压转子并列开始作功，以实现热负荷和电负荷的比例达到目标值。 

当所述抽凝方式最大供热工况运行时，至所述低压缸导汽管上的蒸汽阀门要保证有一个最小开度，既防止低压转子鼓风而造成低压缸温度升高的最小蒸汽流量。 

本实用新型具有如下优点和效果： 

1、在二拖一燃气-蒸汽联合循环机组上采用了自启停控制系统，可以实现燃气轮机和汽轮机的自动启动和停止，同时还可以完成整个机组包括余热锅炉等其它设备的自动启停任务。 

2、本实用新型的使用，提高了电厂的管理与自动化水平，减少人员直接操作设备的次数，降低机组在启动过程中的机械损耗。 

3、本实用新型中的自启停控制系统，可以保证整个机组主辅设备的启停过程严格遵守运行规程，增强设备运行的安全性，充分缩短了机组的启停时间，降低启停过程中的燃料消耗和蒸汽损耗。 

4、与现有技术相比，本实用新型提供的汽轮机可以使汽轮机的低压缸独立与高中压缸停止运行或启动运行，使汽轮机可以在不同工况下采用纯凝、抽凝和背压三种不同模式运行，为提高整个机组的热效率创造了条件。 

5、本实用新型提供的燃气－蒸汽联合循环机组由于可以按照需要在不同的工况下采用不同的模式运行，可以提高整个机组的热效率。 

附图说明

图1为本实用新型二拖一燃气－蒸汽联合循环机组的设备连接结构示意图； 

图2为本实用新型的自启停控制系统的方框图； 

图3为本实用新型的汽轮机的结构示意图； 

图4为本实用新型的燃气－蒸汽联合循环机组的一个实施例框图。 

图中所示，RH蒸汽是指再热蒸汽、HP蒸汽是指高压主蒸汽、LP蒸汽是指低压主蒸汽。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明，但不作为对本实用新型的限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 

参见图1，本实用新型提供一种燃气－蒸汽联合循环机组，该机组采用的是2GTG&HRSG（燃气轮机和余热锅炉）+1STG（汽轮机）的联合循环机组配置形式，使用两台燃气机通过余热锅炉驱动一台汽轮机，即“二拖一”形式的机组。具体到本实施例，包括1台汽轮机1、2台燃气轮机2、2台余热锅炉3、3台发电机4等主要设备，另外，还需要凝汽器6、以及其它必要的电气设备、控制设备及配套设施，该必要设备或配套设施为现有技术，作为本领域技术人员可以根据生产需要自行选择。 

为了实现整个机组的全自动启停功能，该机组设有控制各个设备/工艺系统的启动或停止的自启停控制系统。如图2所示，所述自启停控制系统包括相互独立的第一控制系统10和第二控制系统20；所述第一控制系统与第二控制系统通过OPC（OLE For ProcessControl）服务器30进行通讯；其中，第一控制系统10，主要用于对所述燃气轮机2和汽轮机1的全自动启动和停止的控制，其还通过硬接线与所述第二控制系统20的APS接口40连接，以完成所述APS接口40的启动和停止的控制指令的发出；所述第二控制系统20，主要用于对余热锅炉3、公用热力系统、辅助外围系统等的执行顺序、启动和停止的控制。 

其中机组中涉及工艺系统主要包括余热锅炉顺序控制系统、燃气轮机控制系统、汽轮机控制系统、模拟量自动调节控制系统、协调控制系统、汽轮机旁路控制系统、汽包全程给水控制系统和主气压力控制系统。公用热力系统包括汽水系统，助外围系统包括电气控制系统和电动自动调节系统等，这些工艺系统，现有技术中均对其在运行参数和运行顺序等方面有相应的工艺要求，在此不再赘述。 

在本实施例中，第一控制系统10选择三菱公司的DIASYS Netmation控制系统，完 成对燃气轮机2、汽轮机1等系统的全自动启动和停止控制。第二控制系统20采用DCS（Distributed Control System）分布式控制系统，DCS系统是一个较为成熟的技术，在本实施例中，第二控制系统20采用现有的艾默生（EMERSON）Ovation控制系统，以完成对余热锅炉、公用热力系统和辅助外围系统的控制。由于第一控制系统10和第二控制系统20相互独立，则需要用OPC服务器配上相应的软件将二者密切整合起来，完成二拖一整套机组启停的控制，由第一、二控制系统10、20发出的机组启停控制指令，按预设的逻辑对燃气轮机2、汽轮机1等设备进行全程自动控制，实现该机组全部的自启停控制功能，不需要人为干预。其中，在启动和停止过程中，自启停控制系统按规定好的程序发出各个设备/系统的启动或停运命令，能够根据预定参数和进程条件调动机组各工艺系统中的顺序控制系统，并通过调节参数来协调各个系统，包括余热锅炉顺序控制系统（SCS）、燃汽轮机控制系统（GTCS）、汽轮机控制系统（STCS）、模拟量自动调节控制系统（MCS）、协调控制系统（CCS）、汽轮机旁路控制系统（BPC）、汽包全程给水控制系统等及其它控制系统（如ECS电气控制系统、AVR电压自动调节系统等），以最终实现发电机组的自动启动或自动停运。 

进一步，还可以在上述Ovation控制系统中集成监视功能，使得运行人员在集控室通过画面即可实现对整套联合循环机组的监控,实现了工厂一体化的设计。 

如前所述，该机组的通讯主要分为OPC通讯和硬接线两种方式。第一控制系统10和第二控制系统20的网络通讯系统是连接各个过程控制装置之间、过程控制装置和操作站之间、操作员与工程师站以及历史记录站之间的通讯网络以实现设备之间的信息交换。OPC服务器30上装载的软件，可以采用现有技术，根据需求编制，在此不做任何限定。 

如图3所示，作为一个优选实施方式，上述机组中的汽轮机1包括高中压缸101、低压缸102及同步自换挡（SSS，SYNCHRO SELF SHIFTING)离合器103。 

SSS离合器，是指具有同步自换挡功能（也可以称为同步自脱功能）的离合器，同步自换挡功能是指当SSS离合器输入端的转速倾向超过输出端时，离合器啮合，输出端被驱动；当SSS离合器输入端转速倾向相对于输出端减少时，产生反向力矩，离合器脱开。 

如图3所示，SSS离合器103布置在汽轮机高中压缸101与低压缸102之间，汽轮机高中压缸101的高中压转子1011与低压缸102的低压转子1021通过SSS离合器103相连接。具体来说，SSS离合器103的输出端1031与汽轮机的高中压转子1011相连接，SSS离合器103的输入端1032与汽轮机的低压转子1021相连接。上述的高中压缸101是高压缸和中压缸的合缸结构。发电机4置在高压缸101一侧，可以单独由高中压转子1011带动，也可以由通过SSS离合器103啮合在一起低压转子1021和高中压转子1011共同带动。 

当汽轮机1在处于高中压缸101和低压缸102共同运行状态时，汽轮机的高中压转子1011和低压转子1021通过SSS离合器103自动啮合，共同带动发电机。 

当汽轮机低压缸102退出运行时，在低压转子1021低于高中压转子1011的转速后，SSS离合器103就会自动将低压转子1021脱开解列，使汽轮机的低压缸102能独立于汽轮机的高压缸101单独停止运行，由高压转子1011单独带动发电机。 

当低压缸102从不运行状态投入运行时，低压转子1021会随着低压缸102的运行逐渐增速，当低压转子1021的转速略高于高中压转子1011的转速后，SSS离合器103就会自动将低压转子1021与高中压转子1011进行啮合，共同带动发电机，从而将汽轮机的运行状态保持在高中压缸和低压缸102共同运行状态。 

在低压缸102退出运行时，只有在将SSS离合器103闭锁装置切至解锁状态时，SSS离合器103才能将高中压转子1011和低压转子1021脱开解列，将低压缸102退出运行，为SSS离合器103加装闭锁装置可以防止在运行过程中由于外界条件影响或低压缸102运行出现波动而造成SSS离合器103在不该脱开解列时，将高中压转子1011和低压转子1021脱开解列。 

如图4所示，燃气－蒸汽联合循环机组的汽轮机的高中压缸201与热网通过热网抽汽管道204连接，热网抽汽管道204用于高中压缸201向热网排汽，所述热网抽汽管道204上设置有热网抽汽调节阀（ELCV）206；高中压缸201与低压缸202通过导汽管道205连接，中低压导汽管道205用于高中压缸201向低压缸202排汽，所述低压导汽管道205上设置有蒸汽截止阀\蒸汽阀门207（MESV\MECV）。该机组的高中压缸201和低压缸202之间通过加装SSS离合器103连接，可使汽轮机在纯凝、抽凝、背压3种模式下切换，使得机组在冬季可切换按照背压机运行方式，通过SSS离合器将低压缸202解列，高中压缸的全部排汽及低压主汽全部用于加热热网加热器，向热力外网管线供热，提高机组的供热能力，在热负荷较低或非供热工况时，汽轮机改为抽凝或纯凝运行方式，使机组有很好的发电量和发电效率。 

具体来说，当机组处于非供热工况时，高中压转子与低压转子通过离合器连成一个轴，由闭锁装置将SSS离合器203锁定，高中压缸201排汽至热网的热网抽汽管道204上的ELCV206关闭，高中压缸201排汽至低压缸202的中低压导汽管道205上的MESV\MECV207全开，蒸汽进低压缸202做功，做功后的乏汽排到凝汽器6，此时汽轮机为纯凝运行模式。 

当供热初、末期及供热需求量在逐渐增减过程，及机组处于部分热负荷工况时，汽轮机可采用抽凝方式运行，以实现热负荷和电负荷的比例达到目标值，抽凝方式最大供热工况运行时，高中压缸201排汽至低压缸202的中低压导汽管道205上的MECV207要 保证有一个最小开度，该开度根据机组及运行状况的不同进行设定，既防止低压缸温度升高的最小蒸汽流量，此时汽轮机为抽凝运行模式，也是目前一般供热电厂常采用的供热模式。 

当冬季供热需求量大，要求机组带最大供热量时，将机组切换到背压方式，即，将SSS离合器203闭锁装置切至解锁状态，关闭高中压缸201排汽至低压缸202的中低压导汽管道205上的MESV\MECV207，停止向低压缸202进汽，低压202就会停止作功，当低压转子低于高、中压转子的转速后，SSS离合器203就会自动将低压转子脱开解列，此时汽轮机为背压运行模式，至热网的热网抽汽管道204上的ELCV206控制高中压缸汽压力，高中压缸201的排汽及低压主汽全部用于加热热网加热器，以取得更大的供热能力以及更高的热效率。 

当需要切换到抽凝运行模式时，只要打开高中压缸201排汽至低压缸202的中低压导汽管道205上的MESV\MECV207，低压缸202投入工作，低压转子就会逐渐增速，转速略高于高、中转子的转速后，SSS离合器203就会自动将低压转子并列开始作功。此时可以使用锁定装置将SSS离合器203进行锁定。 

机组背压模式运行时，凝汽器6维持低真空，循环水系统切换到冬季循环水泵运行，热网疏水全部回到凝汽器。 

值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可以对上述各种零部件的结构进行等效的改进。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含在本实用新型所涵盖的范围内。 

Claims (10)

1.一种带有自启停控制系统的燃气－蒸汽联合循环机组，包括2台燃气轮机、2台余热锅炉和1台汽轮机，其特征在于，该机组设有控制各个设备/工艺系统的启动、停止的自启停控制系统；所述自启停控制系统包括相互独立的第一控制系统和第二控制系统；所述第一控制系统与第二控制系统通过OPC服务器进行通讯；

所述第一控制系统，主要用于对所述燃气轮机和汽轮机的全自动启动和停止的控制，其还通过硬接线与所述第二控制系统的APS接口连接，以完成所述APS接口的启动和停止的控制指令的发出；

所述第二控制系统，主要用于对余热锅炉、公用热力系统、辅助外围系统的执行顺序、启动和停止控制。

2.如权利要求1所述的联合循环机组，其特征在于，所述公用热力系统包括汽水系统。

3.如权利要求1所述的联合循环机组，其特征在于，所述辅助外围系统包括电气控制系统和电压自动调节系统。

4.如权利要求1-3中任一所述的联合循环机组，其特征在于，所述第二控制系统采用DCS分布式控制系统。

5.如权利要求1-3中任一所述的联合循环机组，其特征在于，所述第二控制系统采用DIASYS Netmation控制系统。

6.如权利要求1-3中任一所述的联合循环机组，其特征在于，所述第一控制系统采用Ovation控制系统。

7.如权利要求1所述的联合循环机组，其特征在于，所述工艺系统至少包括余热锅炉顺序控制系统、燃气轮机控制系统、汽轮机控制系统、模拟量自动调节控制系统、协调控制系统、汽轮机旁路控制系统、汽包全程给水控制系统和主气压力控制系统。

8.如权利要求1-3中任一所述的联合循环机组，其特征在于，所述汽轮机的高中压缸和低压缸之间加装具有同步自换挡功能的SSS离合器。

9.如权利要求8所述的联合循环机组，其特征在于，所述高中压缸的高中压转子与SSS离合器的输出端相连接，所述低压缸的低压转子与SSS离合器的输入端相连接。

10.如权利要求9的联合循环机组，其特征在于，还包括发电机，所述发电机设置设在所述高压缸一侧。

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