CN206190331U - 一种同轴布置的汽轮机优化配置系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种同轴布置的汽轮机优化配置系统，所述系统至少包括同轴布置的前置低压缸、连接装置、低压缸和发电机，以及连接低压缸进汽端以及前置低压缸进汽端的联通管，所述低压缸以及所述发电机布置在所述连接装置的一侧，所述前置低压缸布置在所述连接装置的另一侧，根据机组负荷、背压以及前置低压缸的配置数量，通过控制投运或切除前置低压缸的个数，可实现机组冬季工况，尤其是高负荷工况保持较低的阻塞背压，而在机组夏季工况，尤其是低负荷运行时，又能保持低压缸较低的余速损失，实现全季节、全负荷运行工况的最优，达到节能降耗的目的。

Description

一种同轴布置的汽轮机优化配置系统

技术领域

本发明涉及一种同轴布置的汽轮机优化配置系统，属于火力发电领域。

背景技术

近年来，我国国民用电总量迅速增长，且用户负荷的多样性较为明显，致使电网峰谷差急剧增大，为了保证电网的安全供电和电能质量，在电力系统总装机容量中占比较高的燃煤火电机组不得不担当起调峰的主力，且大型火电机组处于较低负荷阶段运行已为常态。

一般汽轮机在设计工况下，汽轮机的通流能保持最佳效率，而一旦偏离设计工况，例如夏季工况，由于循环水温度高，机组背压高，低压缸排汽的体积流量显著下降，导致余速损失上升。尤其是机组又处于低负荷运行工况，则实际低压缸排汽的体积流量相对设计工况来说严重偏少，从而导致低压缸的排汽余速损失相对大幅上升，效率显著下降。同样的，在冬季工况，往往机组高负荷运行时，低压缸的排汽面积又不足，引起背压阻塞问题，导致低压缸有效焓降不足，从而影响机组的经济性。现有大型火力发电汽轮机的设计，往往为兼顾全年的平均性能，其设计工况均是按照平均的背压来进行设计，而偏离设计工况的夏季和冬季也就不得不牺牲一定经济性，否则，若按冬季工况设计，则会导致夏季工况运行更加严重偏离最佳工况，效率更低；同理，若按夏季工况设计，则低压缸到冬季工况就会严重阻塞，严重影响低背压的有效利用。

目前，现有大型机组配置的低压缸一般为1~3个，机组容量越大或设计背压越低，低压缸的数量也会越多，这是由于受制于现有低压缸末级叶片长度，为增加低压缸排汽面积，也就会采用更多的低压缸，对于目前汽轮机制造厂来说，通常轴系按照高、中、低压缸的顺序布置，以两个低压缸为例，典型布置如图1所示，若缸的数量较多，依然采取单轴设计，通流部分动静之间的胀差过大则成为一个重要障碍，因此，目前大多数汽轮机制造厂，当低压缸数量较多时，轴系较长时，为了避免胀差过大这个问题，就只能采取双轴设计，当然这又会带来投资的上升以及其它问题。

考虑到上述现有汽轮机设计为确保设计工况的最优而难以兼顾其它工况，例如夏季机组低负荷运行工况或冬季机组满负荷运行工况，以及多缸汽轮机采用常规的轴系布置所带来的差胀过大等问题，因此，本领域的技术人员致力于开发一种汽轮机优化配置的系统及方法，可使得低压缸动静之间的间隙可做得更小，从而在现有单轴设计技术条件下，使得大型机组多个缸单轴设计可行或更合理，并且还可因此获得更高的汽缸效率，同时还可实现在冬季机组高负荷工况能保持较低的阻塞背压，而在夏季机组低负荷运行工况时，又能保持较高的运行效率，实现全季节、全负荷运行工况的最优，达到节能降耗的目的。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种同轴布置的汽轮机优化配置系统，其特征在于，所述系统包括同轴布置的前置低压缸、连接装置、低压缸和发电机，以及连接所述低压缸进汽端以及所述前置低压缸进汽端的联通管，所述低压缸布置在所述连接装置的一侧，所述前置低压缸布置在所述连接装置的另一侧。

其中，所述连接装置可为离合器系统（所述离合器系统，可为单独的安全联轴器，或单独的离合器，或安全联轴器与离合器相结合的方式等）或联轴器。

进一步地，还包括中压缸，所述中压缸与所述低压缸及所述发电机布置在同侧。

进一步地，还包括高压缸，所述高压缸与所述中压缸、所述低压缸及所述发电机布置在同侧。

可选地，还包括高压缸，所述高压缸与所述中压缸组合成高、中压合缸，所述高、中压合缸与所述低压缸、所述发电机布置在同侧。

进一步地，所述系统还包括阀门，所述前置低压缸进汽端的所述联通管上布置至少一个阀门。

当所述前置低压缸为1个时，对应的所述连接装置为1个，所述连接装置的一端连接所述前置低压缸，所述连接装置的另一端则连接至少包括所述低压缸以及所述发电机。进一步地，连接所述前置低压缸进汽端的所述联通管上布置至少一个阀门。当具有中压缸时，则所述中压缸和所述低压缸以及所述发电机布置在同侧。

当所述前置低压缸为多个时，对应的所述连接装置也为多个。轴系最外侧所述连接装置对应最外侧所述前置低压缸，最内侧所述连接装置的另一端则连接至少包括所述低压缸以及所述发电机。进一步地，连接所述前置低压缸进汽端的所述联通管上布置至少一个阀门。当具有中压缸时，则所述中压缸和所述低压缸以及所述发电机布置在同侧。

当具有高压缸时，所述高压缸和所述中压缸、所述低压缸、所述发电机布置在同侧，并且还包括高压缸与中压缸合缸的形式。

需说明的是，根据中压缸数量、低压缸数量、前置低压缸数量、高中压是否合缸、连接装置形式等具有多种排列组合方式，任何基于上述设备而进行的不同排列组合方式，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

根据机组实时运行负荷可确定具体的低压缸总排汽质量流量，结合机组实时运行背压，可得到低压缸实时总排汽容积流量，然后根据机组前置低压缸的配置数量，比较全部投入前置低压缸、切除一个前置低压缸以及切除多个前置低压缸下的机组经济性，按照机组经济性最优工况进行选择。

当低压缸实时总排汽容积流量小于等于“第一阈值”（第一阈值是根据低压缸及前置低压缸的配置数量以及实时的低压缸总排汽容积流量，当切除最外侧的一个前置低压缸时，机组热耗最佳）时，则关闭连接其中轴系最外侧的一个所述前置低压缸的所述阀门，同时利用对应的最外侧所述连接装置切除对应的所述最外侧前置低压缸；

当低压缸实时总排汽容积流量小于等于“第二阈值”（第二阈值小于第一阈值，第二阈值是根据低压缸及前置低压缸的配置数量以及实时的低压缸总排汽容积流量，当切除两个前置低压缸时，机组热耗最佳）时，则关闭连接另一个所述前置低压缸的所述阀门，同时利用对应的所述连接装置切除对应的所述前置低压缸；

随着低压缸实时总排汽容积流量的下降，根据经济最优性，逐个关闭连接所述前置低压缸的所述阀门，同时逐个利用对应的所述连接装置切除对应的所述前置低压缸，直至切除全部的前置低压缸。

反之，则逐步从最内侧开始连接最内侧所述前置低压缸的所述阀门，同时利用对应的所述连接装置连接对应的所述前置低压缸，直至连接全部的前置低压缸。

需说明的是，不同的机组运行负荷及背压对应着不同的低压缸总排汽容积流量，在不同的低压缸总排汽容积流量工况下，前置低压缸切除数量直接影响机组的热耗。上述针对低压缸总排汽容积流量设定的不同阈值以及前置低压缸切除数量，均是为了确定在不同的低压缸总排汽容积流量工况下，确保切除或投入合理的前置低压缸，以实现低压缸的余速损失最小或阻塞背压最低、机组经济性最优。

而连接装置无论是采用离合器系统或联轴器，均可实现切除或连接功能，只是离合器系统可实现机组在线运行的切除或连接，而联轴器则需在机组停机阶段进行切除或连接。

本发明所述的汽机优化配置系统可以获得以下技术效果：

1、由于其中前置低压缸与其余的低压缸分别布置在两侧，因此，汽缸与转子间的相对膨胀之差（简称胀差）可更小，即低压缸动静之间的间隙可做得更小，从而在现有单轴设计技术条件下，使得大型机组多个汽缸单轴设计可行或更合理，并且还可因此获得更高的汽缸效率。

2、低压缸及前置低压缸在设计时可考虑足够的排汽面积，满足冬季高负荷工况时较低排汽压力的需求，而随着机组背压升高以及负荷的降低，即随着低压缸排汽总容积流量的降低，则可逐步切除一定数量的前置低压缸，使进入剩余低压缸的蒸汽流量相对提升，从而降低低压缸排汽余速损失，实现机组经济性最优。

3、即使在前置低压缸投入运行时，由于中压缸的排汽分别通过联通管并联进入前置低压缸及其余的低压缸，因此，联通管的阻力损失也会更低，机组经济性也可因此更优。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图 1是未采用本发明方案的某一种系统示意图。

图 2、图 3、图 4、图 5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18是本发明的具体实施例的系统示意图；

图中标记：1--高压缸；2--中压缸；3--低压缸；4、6--前置低压缸；5--发电机；7、12--连接装置；8、11--阀门；9--联通管；10--高、中压合缸。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，它是本发明的一种同轴布置的汽轮机优化配置系统的第一具体实施例。它主要包括同轴连接的一个高压缸、一个中压缸、一个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。

前置低压缸投切的控制方式：

1、连接装置选用离合器系统时，其前置低压缸的投切较为灵活，可实现在线投切，但其造价相对较高，并且离合器系统本身的可靠性会影响整个系统的安全性。其前置低压缸投切的控制方式：

根据机组实时的运行负荷以及实时的运行背压，可确定实时的低压缸总排汽容积流量，当实时的低压缸总排汽容积流量小于等于“第一阈值”时，则关闭阀门8，同时断开离合器系统7，从而切除前置低压缸4，使得低压缸3的余速损失得以相对降低，实现机组经济性最优。相反的，则打开阀门8，同时连接离合器系统7，从而投入前置低压缸4，使低压缸有足够的排汽面积，实现机组经济性最优。

其中，前置低压缸3的额定输出功率可设计为低压缸4的额定输出功率的50%~100%，以50%为例，1000MW机组运行在500MW工况时，应用该发明后，即切除前置低压缸3，则低压缸4的余速损失可显著降低，内效率可相对提高4%左右，同时，机组负荷越低，背压越高，则低压缸总排汽容积流量越低，实施本发明的相对效益则越大。

2、连接装置选用联轴器时，其造价相对较低，安全性高，但前置低压缸的投切无法在机组运行中实现，只能在机组停运后操作，不够灵活。前置低压缸投切的控制方式：

机组停运后，预测机组下一阶段运行时的平均背压和平均负荷，即平均的低压缸总容积排汽流量，若切除前置低压缸的机组热耗更佳，则关闭阀门8，同时断开联轴器7，从而切除前置低压缸4，使得低压缸3的余速损失总体上来说是相对降低的，实现机组经济性最优。

相反的，根据平均的低压缸总容积排汽流量，若投入前置低压缸的机组热耗更佳，则打开阀门8，同时连接联轴器7，使低压缸有足够的总排汽面积，实现机组经济性最优。

实施例2

图3为本发明的第二具体实施例。它主要包括同轴连接的一个高压缸、一个中压缸、两个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相比实施方式一，增加了一个低压缸，可配套适用于环境温度更低需要更低排汽压力的机组，其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例一相同，此处不再赘述。

实施例3

图4为本发明的第三具体实施例。它主要包括同轴连接的两个中压缸、两个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相对实施方式一和实施方式二，本方案主要区别是未设置高压缸，因此可配套适用于二次再热双轴机组的低压轴系，其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例一相同，此处不再赘述。

实施例4

图5为本发明的第四具体实施例。它主要包括同轴连接的两个中压缸、三个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相比实施方式三，增加了一个低压缸，相对实施方式三来说，该方案可适用于环境温度更低需要更低排汽压力的机组，其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例一相同，此处不再赘述。

实施例5

图6为本发明的第五具体实施例。它主要包括同轴连接的一个高中压合缸、两个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例二相同，因而此处不再赘述。本方案与实施方式二的主要区别在于本方案的高中压缸合缸，因而配套适用的机组参数不同。

实施例6

图7为本发明的第六具体实施例。它主要包括同轴连接的一个高中压合缸、一个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相比实施方式五，减少了一个低压缸，因而相对而言，适用于环境温度相对较高所需排汽压力较高的机组，其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例一相同，此处不再赘述。

实施例7

图8为本发明的第七具体实施例。它主要包括同轴连接的一个高压缸、一个中压缸、一个低压缸、两个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。

前置低压缸投切的控制方式：

1、连接装置选用离合器系统时，其前置低压缸的投切较为灵活，可实现在线投切，但其造价相对较高，并且离合器系统本身的可靠性会影响整个系统的安全性。其前置低压缸投切的控制方式：

当实时的低压缸总排汽容积流量低于或等于“第一阈值”时，则关闭阀门11，同时断开连接装置12，从而切除前置低压缸6，这样，低压缸3的余速损失可显著降低，实现机组经济性在此工况下最优。

当实时的低压缸总排汽容积流量低于或等于“第二阈值”时，则进一步关闭阀门8，同时断开连接装置7，从而切除前置低压缸4，这样，低压缸3的余速损失可因此显著降低，实现机组经济性在此工况下最优。

反之，则当实时的低压缸总排汽容积流量大于“第二阈值”并小于“第一阈值”时，则打开阀门8，联通连接装置7，投入前置低压缸4，当实时的低压缸总排汽容积流量大于“第一阈值”时，则进一步打开阀门11，同时联通连接装置12，从而进一步投入前置低压缸6，使得低压缸具有足够的总排汽面积，实现机组经济性最优。

2、连接装置选用联轴器时，其造价相对较低，安全性高，但前置低压缸的投切无法在机组运行中实现，只能在机组停运后操作，不够灵活。其控制方式及前置低压缸投切方式：

机组停运后，预测机组下一阶段运行时的平均负荷和平均背压，得到平均低压缸排汽容积流量。若平均低压缸排汽容积流量低于或等于“第一阈值”时，则关闭阀门11，同时断开连接装置12，从而切除前置低压缸6，使得低压缸3的余速损失降低，实现机组经济性此工况下最优。

若平均低压缸排汽容积流量低于或等于“第二阈值”时，则进一步关闭阀门8，同时断开连接装置7，从而进一步切除前置低压缸4，使得低压缸3的余速损失得以相对降低，实现机组经济性此工况下最优。

反之，若平均低压缸排汽容积流量大于“第二阈值”并小于“第一阈值”时，则打开阀门8，联通连接装置7，投入前置低压缸4；若平均低压缸排汽容积流量大于“第一阈值”时，则进一步打开阀门11，同时联通连接装置12，从而进一步投入前置低压缸6，使得低压缸具有足够的总排汽面积，实现机组经济性最优。

相比实施方式一，其增加了一个前置低压缸，故其投切前置低压缸的灵活性更高，投切后的经济性也可更优。

实施例8

图9为本发明的第八具体实施例。它主要包括同轴连接的一个高压缸、一个中压缸、两个低压缸、两个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相比实施方式二，其增加了一个前置低压缸，故其投切前置低压缸的灵活性更高，投切后的经济性也可更优。其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例七相同，此处不再赘述。

实施例9

图10为本发明的第九具体实施例。它主要包括同轴连接的两个中压缸、两个低压缸、两个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相比实施方式三，其增加了一个前置低压缸，故其投切前置低压缸的灵活性更高，投切后的经济性也可更优。其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例七相同，此处不再赘述。

实施例10

图11为本发明的第十具体实施例。它主要包括同轴连接的两个中压缸、三个低压缸、两个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相比实施方式四，其增加了一个前置低压缸，故其投切前置低压缸的灵活性更高，投切后的经济性也可更优。其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例七相同，此处不再赘述。

实施例11

图12为本发明的第十一具体实施例。它主要包括同轴连接的一个高中压合缸、两个低压缸、两个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相比实施方式五，其增加了一个前置低压缸，故其投切前置低压缸的灵活性更高，投切后的经济性也可更优。其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例七相同，此处不再赘述。

实施例12

图13为本发明的第十二具体实施例。它主要包括同轴连接的一个高中压合缸、一个低压缸、两个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和中低压联通管。相比实施方式六，其增加了一个前置低压缸，故其投切前置低压缸的灵活性更高，投切后的经济性也可更优。其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例七相同，此处不再赘述。

实施例13

图14为本发明的第十三具体实施例。它主要包括同轴连接的一个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和联通管。相比实施方式一，该方案的轴系配置上无高压缸及中压缸，而仅有低压缸，其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法都和实施例一相同，此处不再赘述。

实施例14

图15为本发明的第十四具体实施例。它主要包括同轴连接的一个低压缸、两个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和联通管。相比实施方式十三，该方案的轴系配置上多一个前置低压缸，因此该轴系的输出功率相对要大，此外，由于前置低压缸数量相对多，因此相对来说，可确保足够的低压缸总排汽面积，同时又能使得前置低压缸投切的灵活性更大，因此总体运行经济性相对更优。此外，相对实施方式七来说，轴系配置上少了一个高压缸和一个中压缸，其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法则都和实施方式七相同，此处不再赘述。

实施例15

图16为本发明的第十五具体实施例。它主要包括同轴连接的两个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和联通管。相比实施方式十三，该方案的轴系配置上多一个低压缸，因此该轴系的输出功率相对要大，其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法则都和实施方式十三相同，此处不再赘述。

实施例16

图17为本发明的第十六具体实施例。它主要包括同轴连接的两个低压缸、两个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和联通管。相比实施方式十四，该方案的轴系配置上多一个低压缸，因此该轴系的输出功率相对要大，其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法则都和实施方式十四相同，此处不再赘述。

实施例17

图18为本发明的第十七具体实施例。它主要包括同轴连接的三个低压缸、一个前置低压缸和一个发电机，连接装置、阀门和联通管。相比实施方式十五，该方案的轴系配置上多一个低压缸，因此该轴系的输出功率可相对更大，而且由于低压缸数量多，总排汽面积大，因此可适用于具有较低背压环境下的机组。其连接装置的选用及前置低压缸的投切控制方法则都和实施方式十五相同，此处不再赘述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种同轴布置的汽轮机优化配置系统，其特征在于，所述系统包括同轴布置的前置低压缸、连接装置、低压缸和发电机，以及连接所述低压缸进汽端以及所述前置低压缸进汽端的联通管，所述低压缸布置在所述连接装置的一侧，所述前置低压缸布置在所述连接装置的另一侧。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括中压缸，所述中压缸与所述低压缸及所述发电机布置在同侧。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括高压缸，所述高压缸与所述中压缸、所述低压缸及所述发电机布置在同侧。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括高压缸，所述高压缸与所述中压缸组合成高、中压合缸，所述高、中压合缸与所述低压缸、所述发电机布置在同侧。

5.如权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述系统还包括阀门，所述前置低压缸进汽端的所述联通管上布置至少一个阀门。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连接装置为离合器系统或联轴器。