CN212508448U - 基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统，包括：中压缸、低压缸A低阻力进汽调节阀、低压缸B低阻力进汽调节阀、低压缸A、低压缸B、低压缸A控制模块、低压缸B控制模块、低压缸A相对内效率计算模块、低压缸A相对内效率计算模块、低压缸A流量计算模块、低压缸B流量计算模块、低压加热器A和低压加热器B。本实用新型的有益效果是：利用现有系统及测点，增设两个低压缸低阻力进汽调节阀和两个低压缸控制模块调整低压缸排汽流量，减少排汽余速损失，提高低压缸通流效率；具有经济性且设备安全可靠，解决火电机组调峰、供热抽汽或排汽比容不同引起的容量流量偏离最佳工况时低压缸效率低的问题。

Description

基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统

技术领域

本实用新型涉及火力、核电及光热发电等技术领域，尤其包括基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统。

背景技术

截至2019年底全国风电、太阳能、水电装机容量占比全部的38％以上，发电量占比超过 26％，新能源发电装机容量快速增加，加剧了电网供需不平衡，影响电力供应的安全以及新能源发电的发展。我国燃机为代表的调峰电源的装机容量只占2％左右，在可再生能源迅速发展的背景下，灵活的调峰电源占比至少要达到总装机的10％～15％，才能全额消纳全部的新能源发电。抽水蓄能电站建设条件苛刻以及生态危害大造成难于大规模建设，未来电网调峰主要还是依靠火电机组。因此，火电机组将长期深度调峰运行，以更好地消纳新能源发电。

2019年全国发电装机容量达到20.1亿千瓦，其中火电装机容量达119055万千瓦，我国发电方式仍然以火电为主。目前600MW等级以上火力发电机组已成为主力机组，600MW等级以上火力发电机组汽轮机配置双背压低压缸，一个高背压低压缸、一个低背压低压缸。

当电网需要火电主力机组调峰时，汽轮机排汽流量少。以660MW汽轮机为例，当负荷为 20％额定负荷时，两个低压缸排汽速度仅为28.6m/s，排汽速度已严重偏离经济排汽速度范围。设排汽损失为93.08kcal/kg，低压缸排汽损失发电功率为28.7MW；假定每年按此工况运行 2000小时，每年排汽余速损失5740万kWh，相当于每年损失20664吨标准煤，每年排汽余速损失约1860万元。由此可见，当机组深度调峰时，因汽轮机排汽速度小而导致巨大的蒸汽在低压缸做功能力损失。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统。

这种基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统，包括：中压缸、低压缸 A低阻力进汽调节阀、低压缸B低阻力进汽调节阀、低压缸A、低压缸B、低压缸A控制模块、低压缸B控制模块、低压缸A相对内效率计算模块、低压缸B相对内效率计算模块、低压缸A流量计算模块、低压缸B流量计算模块、低压加热器A和低压加热器B；

中压缸通过中低压连通管分别接入低压缸A低阻力进汽调节阀入口和低压缸B低阻力进汽调节阀入口；所述中低压连通管上设有低压缸进汽压力测点和低压缸进汽温度测点；

低压缸A低阻力进汽调节阀的一个出口接入低压缸A，另一个出口接入低压缸A控制模块入口；低压缸B低阻力进汽调节阀的一个出口接入低压缸B入口，另一个出口接入低压缸 B控制模块入口；

低压缸A控制模块出口连接低压缸A相对内效率计算模块入口，低压缸A相对内效率计算模块出口连接低压缸A流量计算模块入口；低压缸A内设有低压缸A末级抽汽管道，低压缸A末级抽汽管道接入低压加热器A；低压缸A末级抽汽管道上设有低压缸A末级抽汽压力测点，汽轮机排汽管道上设有低压缸A排汽压力测点，低压缸A末级抽汽压力测点和低压缸A排汽压力测点均接入低压缸A流量计算模块；

低压缸B控制模块出口连接低压缸B相对内效率计算模块入口，低压缸B相对内效率计算模块出口接入低压缸B流量计算模块入口；低压缸B内设有低压缸B末级抽汽管道，低压缸B末级抽汽管道接入低压加热器B；低压缸B末级抽汽管道上设有低压缸B末级抽汽压力测点，汽轮机排汽管道上还设有低压缸B排汽压力测点，低压缸B末级抽汽压力测点和低压缸B排汽压力测点均接入低压缸B流量计算模块；

所述低压缸A和低压缸B底部通过凝汽器管道相连通，低压缸A底部的凝汽器进水管道上设有凝汽器进水水温测点，低压缸B底部的凝汽器出水管道上设有凝汽器出水水温测点。

作为优选，所述低压缸A低阻力进汽调节阀和低压缸B低阻力进汽调节阀为低阻力大口径蝶阀，用来优化分配两个低压缸排汽量。

本实用新型的有益效果是：本实用新型克服现有机组低负荷运行低压缸效率低且存在鼓风热产生的末级叶片超温等问题，不改变原有热力系统，不增加温度和压力测点，利用现有系统及测点，增设两个低压缸低阻力进汽调节阀和两个低压缸控制模块调整低压缸排汽流量，减少排汽余速损失，提高低压缸通流效率；具有经济性且设备安全可靠，解决火电机组调峰、供热抽汽或排汽比容不同引起的容量流量偏离最佳工况时低压缸效率低的问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例中用于双低压缸的汽轮机深度调峰节能技术及系统图；

图2为低压缸排汽容积流量D_ν与低压缸效率η_ri的关系曲线图。

附图标记说明：

中压缸1、中低压连通管2、低压缸A低阻力进汽调节阀3、低压缸B低阻力进汽调节阀4、低压缸A5、低压缸B6、低压缸A控制模块7、低压缸B控制模块8、低压缸A相对内效率计算模块9、低压缸B相对内效率计算模块10、低压缸A末级抽汽管道11、低压缸B末级抽汽管道12、低压缸A末级抽汽压力测点13、低压缸B末级抽汽压力测点14、低压缸A排汽压力测点15、低压缸B排汽压力测点16、低压缸A流量计算模块17、低压缸B流量计算模块18、低压加热器A19、低压加热器B20、凝汽器进水水温测点21、凝汽器出水水温测点22、低压缸进汽压力测点23、低压缸进汽温度测点24。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的系统部件及连接方式以及所用的阀门形式等所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做修改、补充或采用类似的方式替代，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

本实用新型克服现有机组低负荷运行低压缸效率低并且存在鼓风热产生的末级叶片超温等问题，提供一种基于在线实时运行数据的提高汽轮机经济运行的的控制技术。所述控制方法综合考虑汽轮机低压缸经济性和设备安全可靠性，实时根据汽轮机实时运行数据，优化调整低压缸运行方式，提高低压缸不同负荷工况下效率。

如图1所示，这种基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统，包括：中压缸1、低压缸A低阻力进汽调节阀3、低压缸B低阻力进汽调节阀4、低压缸A5、低压缸B6、低压缸A控制模块7、低压缸B控制模块8、低压缸A相对内效率计算模块9、低压缸B 相对内效率计算模块10、低压缸A流量计算模块17、低压缸B流量计算模块18、低压加热器A19和低压加热器B20；

中压缸1通过中低压连通管2分别接入低压缸A低阻力进汽调节阀3入口和低压缸B低阻力进汽调节阀4入口；所述中低压连通管2上设有低压缸进汽压力测点23和低压缸进汽温度测点24；

低压缸A低阻力进汽调节阀3的一个出口接入低压缸A5，另一个出口接入低压缸A控制模块7入口；低压缸B低阻力进汽调节阀4的一个出口接入低压缸B6入口，另一个出口接入低压缸B控制模块8入口；

低压缸A控制模块7出口连接低压缸A相对内效率计算模块9入口，低压缸A相对内效率计算模块9出口连接低压缸A流量计算模块17入口；低压缸A5内设有低压缸A末级抽汽管道11，低压缸A末级抽汽管道11接入低压加热器A19；低压缸A末级抽汽管道11上设有低压缸A末级抽汽压力测点13，汽轮机排汽管道上设有低压缸A排汽压力测点15，低压缸A 末级抽汽压力测点13和低压缸A排汽压力测点15均接入低压缸A流量计算模块17；

低压缸B控制模块8出口连接低压缸B相对内效率计算模块10入口，低压缸B相对内效率计算模块10出口接入低压缸B流量计算模块18入口；低压缸B6内设有低压缸B末级抽汽管道12，低压缸B末级抽汽管道12接入低压加热器B20；低压缸B末级抽汽管道12上设有低压缸B末级抽汽压力测点14，汽轮机排汽管道上还设有低压缸B排汽压力测点16，低压缸 B末级抽汽压力测点14和低压缸B排汽压力测点16均接入低压缸B流量计算模块18；

所述低压缸A5和低压缸B6底部通过凝汽器管道相连通，低压缸A5底部的凝汽器进水管道上设有凝汽器进水水温测点21，低压缸B6底部的凝汽器出水管道上设有凝汽器出水水温测点22。

所述低压缸A低阻力进汽调节阀3和低压缸B低阻力进汽调节阀4为低阻力大口径蝶阀，用来优化分配两个低压缸排汽量。

以一台660MW超临界火电机组为例，双低压缸，双背压运行，锅炉产生的新蒸汽先进入汽轮机高压缸，做功后蒸汽压力、温度降低后送至锅炉再热器继续加热，加热后的蒸汽再进入到汽轮机中压缸做功，做功后排出进入到低压缸A和低压缸B，循环冷却水先冷却低压缸A排汽再冷却低压缸B排汽，低压缸A排汽背压略低于低压缸B排汽背压。

汽轮机额定工况(THA工况)时参数如下：低压缸A排汽流量

(150kg/s)和低压缸B 排汽流量

(140kg/s)，低压缸A末级抽汽压力

(0.609MPa)、和低压缸B末级抽汽压力

(0.609MPa)，低压缸A排汽压力

(4kPa)和低压缸B排汽压力

(6kPa)。

第一步、采集低压缸A和低压缸B末级抽汽实时压力P₁₁(0.357MPa)和P₁₂(0.359MPa)，各自排汽实时压力P₂₁(8kPa)和P₂₂(11kPa)，

为汽轮机额定工况时的低压缸A 排汽流量、末级抽汽压力、排汽压力。利用弗留格尔公式分别计算得到两个低压缸排汽流量 D_c1和D_c2。

第二步、利用第一步采集到的低压缸A和低压缸B的排汽实时压力P₂₁(8kPa)和P₂₂(11k Pa)，利用水和水蒸气热力性质IAPWS-IF97公式计算得到低压缸A和低压缸B的排汽压力对应的饱和水焓值h'_c1(174kJ/kg)和h'_c2(199.68kJ/kg)。

第三步、利用不同运行工况下凝汽器的平均传热温差的关系式，凝汽器端差δt₁(2℃)、δt₂(2.5℃)，循环水温升Δt_w1(4℃)、Δt_w1(3.9℃)、，计算得到不同运行下凝汽器的平均传热温差Δt_m1(3.64℃)、Δt_m2(3.65℃)；

第四步、根据已知凝汽器清洁系数、凝汽器管径修正系数、凝汽器水温修正系数、冷却水流程数修正系数、凝汽器热负荷系数，采用别尔曼公式计算得到凝汽器总体传热系数K为 3.49；

第五步、利用第一步采集到的低压缸A和低压缸B的排汽实时压力P₁₁和P₁₂，利用水和水蒸气IAPWS-IF97公式，得到低压缸A和低压缸B的排汽压力对应的饱和水焓值h'_c1(173.8kJ/kg)、h'_c2(199.3kJ/kg)；

第六步、根据已知的凝汽器换热面积A_c1、A_c2各16000m²，建立低压缸末级排汽焓值计算公式，利用第五步得到的饱和水焓值h'_c1和h'_c2，和第六步得到的平均传热温差以及和第七步得到的凝汽器总体传热系数，计算得到不同负荷工况下低压缸A和低压缸B的末级排汽焓值hc ₁和hc₂。

第七步、通过安装在中低压连通管2上的压力测点23和温度测点，采集低压缸进汽实时压力P0(0.57MPa)和实时温度T0(367.7℃)，利用水和水蒸汽IAPWS-IF97公式得到低压缸进汽焓值hi、进汽熵值S。

h_i＝f(P0,T0)＝3203kJ/kg

s＝f(P0,T0)＝7.63kJ/kg℃

第八步、根据第二步采集的低压缸A和低压缸B实时排汽背压，以及第七步计算得到低压缸A和低压缸B的进汽熵值，利用水和水蒸汽IAPWS-IF97公式确定低压缸A和低压缸B理想等熵膨胀终点的水蒸气焓值h_c1'和h_c2'。

h_c1'＝f(p₂₁,s)＝2388.59kJ/kg

h_c2'＝f(p₂₂,s)＝2400.8kJ/kg

第九步、由第七步计算得到低压缸A和低压缸B的进汽焓值hi以及第八步计算得到的低压缸A和低压缸B的末级排汽焓值hc₁和hc₂，计算得到低压缸A和低压缸B实际有效热焓降Δh₁、Δh₂；

Δh₁＝h_i-h_c1＝3203-2651.04＝551.96kJ/kg

Δh₂＝h_i-h_c2＝3203-2676.82＝526.18kJ/kg

第十步、由第七步计算得到低压缸A和低压缸B的进汽焓值hi以及第八步计算得到的低压缸A和低压缸B理想等熵膨胀终点的水蒸气焓值h_c1'和h_c2'，计算得到低压缸A和低压缸 B理想等熵热焓降Δh_t1和Δh_t2；

Δh_t1＝h_i-h'_c1＝3203-2388.59＝814.41

Δh_t2＝h_i-h'_c2＝3203-2400.8＝802.2

第十一步、根据第九步和第十步计算得到低压缸A和低压缸B实际有效热焓降Δh₁、Δh₂，低压缸A和低压缸B理想等熵热焓降Δh_t1和Δh_t2，计算得到低压缸A和低压缸B的相对内效率η_ri；

第十二步、根据第一步采集到的低压缸A和低压缸B实时排汽压力P₁₁和P₁₂，利用水和水蒸汽通用IAPWS-IF97公式得到低压缸A和低压缸B排汽比容ν₁和ν₂；

ν₁＝f(P₁₁)＝18.13m³/kg

ν₂＝f(P₁₂)＝13.42m³/kg

第十三步、由第一步计算得到低压缸A和低压缸B排汽流量Dc₁和Dc₂以及第十二步计算得到低压缸A和低压缸B排汽容积流量D_ν1和D_ν2。

D_ν1＝D_c1·ν₁＝1487.56m³/s

D_ν2＝D_c2·ν₂＝1134.25m³/s

第十四步、如图2所示，根据厂家提供的排汽容积流量D_ν与低压缸效率η_ri的关系曲线，朝着最佳排汽容积流量方向分次调节低压缸A和低压缸B进汽阀开度θ₁和θ₂，每次调节稳定运行5分钟，再利用第一至第十一步计算实时低压缸A和低压缸B的相对内效率η_ri1、η_ri2，判断调整前后低压缸A和低压缸B相对内效率是否增减。如减少，则上次进汽阀开度对应的低压缸效率η_ri最高，若η_ri增加，则继续调整进汽阀开度θ，直至较上一次减少停止调整进汽阀开度θ。

第十五步、若机组负荷等发生较大变化，再执行第一至第十四步，重新调整低压缸A和低压缸B进汽阀θ₁和θ₂，维持低压缸A和低压缸B高效运行。

假定机组在20％负荷工况，汽轮机排汽流量81kg/s，按照原有两个低压缸平均分配，四个低压缸排汽口流速均为28.6m/s，整个低压缸排汽损失28.7MW发电功率。若通过该技术优化分配至某一个低压缸做功，整个低压缸排汽损失19.2MW发电功率，相比原有运行方式，相当于增加9.5MW发电功率。

假定机组在40％负荷工况，汽轮机排汽流量136kg/s，按照原有两个低压缸平均分配，四个低压缸排汽口流速均为48m/s，整个低压缸排汽损失36.8MW发电功率。若通过该技术优化分配至某一个低压缸做功，整个低压缸排汽损失18.6MW发电功率，相比原有运行方式，相当于增加18.2MW发电功率。

假定机组按20％～40％负荷全年运行2000小时，采用该技术后每年增发2770万kWh，火电机组在20％～40％负荷段发电煤耗约360g/kwh，每年减少9972吨标准煤，每年获得897.5万元收益。

Claims (2)

1.一种基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统，其特征在于，包括：中压缸(1)、低压缸A低阻力进汽调节阀(3)、低压缸B低阻力进汽调节阀(4)、低压缸A(5)、低压缸B(6)、低压缸A控制模块(7)、低压缸B控制模块(8)、低压缸A相对内效率计算模块(9)、低压缸B相对内效率计算模块(10)、低压缸A流量计算模块(17)、低压缸B流量计算模块(18)、低压加热器A(19)和低压加热器B(20)；

中压缸(1)通过中低压连通管(2)分别接入低压缸A低阻力进汽调节阀(3)入口和低压缸B低阻力进汽调节阀(4)入口；所述中低压连通管(2)上设有低压缸进汽压力测点(23)和低压缸进汽温度测点(24)；

低压缸A低阻力进汽调节阀(3)的一个出口接入低压缸A(5)，另一个出口接入低压缸A控制模块(7)入口；低压缸B低阻力进汽调节阀(4)的一个出口接入低压缸B(6)入口，另一个出口接入低压缸B控制模块(8)入口；

低压缸A控制模块(7)出口连接低压缸A相对内效率计算模块(9)入口，低压缸A相对内效率计算模块(9)出口连接低压缸A流量计算模块(17)入口；低压缸A(5)内设有低压缸A末级抽汽管道(11)，低压缸A末级抽汽管道(11)接入低压加热器A(19)；低压缸A末级抽汽管道(11)上设有低压缸A末级抽汽压力测点(13)，汽轮机排汽管道上设有低压缸A排汽压力测点(15)，低压缸A末级抽汽压力测点(13)和低压缸A排汽压力测点(15)均接入低压缸A流量计算模块(17)；

低压缸B控制模块(8)出口连接低压缸B相对内效率计算模块(10)入口，低压缸B相对内效率计算模块(10)出口接入低压缸B流量计算模块(18)入口；低压缸B(6)内设有低压缸B末级抽汽管道(12)，低压缸B末级抽汽管道(12)接入低压加热器B(20)；低压缸B末级抽汽管道(12)上设有低压缸B末级抽汽压力测点(14)，汽轮机排汽管道上还设有低压缸B排汽压力测点(16)，低压缸B末级抽汽压力测点(14)和低压缸B排汽压力测点(16)均接入低压缸B流量计算模块(18)；

所述低压缸A(5)和低压缸B(6)底部通过凝汽器管道相连通，低压缸A(5)底部的凝汽器进水管道上设有凝汽器进水水温测点(21)，低压缸B(6)底部的凝汽器出水管道上设有凝汽器出水水温测点(22)。

2.根据权利要求1所述基于实时在线运行数据的汽轮机低压缸节能运行控制系统，其特征在于：所述低压缸A低阻力进汽调节阀(3)和低压缸B低阻力进汽调节阀(4)为低阻力大口径蝶阀。

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