CN103397919B - 工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统，该系统包括纯凝式小汽轮机、给水泵组、工频发电机和调速齿轮箱，其中，纯凝式小汽轮机、给水泵组、工频发电机和调速齿轮箱同轴相连；在纯凝式小汽轮机和工频发电机之间配置调速齿轮箱，通过调速齿轮箱调速后带动所述工频发电机转动；通过控制工频发电机的输出，从而控制纯凝式小汽轮机的转速，从而控制给水泵组的转速。本发明的系统极大地减少了小汽轮机进汽节流的损失，提高运行效率，并且充分发挥了小汽轮机的做功能力，增加运行收益。本发明还公开了一种蒸汽发电机组以及调节给水泵转速的方法。

Description

工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统及方法

技术领域

本发明涉及汽轮机发电设备，具体涉及汽轮机发电设备中的小汽轮机驱动给水泵系统。

背景技术

在大容量高参数汽轮机发电厂中，通常配置汽动给水泵组。用小汽轮机驱动给水泵，将给水提高压力，供给后续工艺系统。该小汽轮机可采用纯凝式。根据机组负荷变化，需要给水泵的出力相应变化，通常通过给水泵转速的相应变化满足，而给水泵转速由同轴连接的小汽轮机的转速决定。

为了满足长期夏季机组满发，小汽轮机的额定出力通常比给水泵的额定出力大，给水泵的额定出力比机组额定负荷所需要的出力大，故小汽轮机的额定出力有较大裕量，一般为20%以上。

图1-3是现有技术中调节阀节流调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统流程示意图。现有技术中，纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统一般设有小汽轮机1、进汽调节阀5、给水泵6和凝汽器4，部分系统中（如图2和3所示）还设有前置泵10和定速比齿轮箱11。小汽轮机通过控制进汽调节阀5的开度，可以控制小汽轮机的转速。

这种配置导致小汽轮机进汽调节阀大多运行时间开度较小，造成节流损失。另外，由于发电机组负荷随电网需求每天在升降，在低负荷时，小汽轮机的调阀开度会更小，节流损失更大，一般来说，影响小汽轮机运行效率5%以上。除了上述节流损失，由于小汽轮机的做功能力不能充分发挥，存在相对的经济损失。在现有的蒸汽发电机组所配置的凝汽式小汽轮机驱动给水泵系统中，全年大多数运行时间，特别是机组低负荷时，小汽轮机出力都未充分利用。例如为了满足机组长年夏季满发的需要，对1台1000MW超超临界发电机组通常配置2台50%容量的小汽轮机驱动给水泵组系统。给水泵的额定工况所需功率约为17000kW，而配套的小汽轮机最大出力约为22000kW，每台机组小汽轮机出力裕量为（22000-17000）x2=10000kW。因此每台机组的小汽轮机平均未利用功率为10000kW以上，这种裕量配置存在很大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节流损失小、小汽轮机出力利用率高的工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统。

本发明的工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统是在大容量高参数汽轮机发电厂中，发电机组所配置的用于将给水的压力提高后，供给后续工艺系统所不可缺少的系统之一。

本发明的系统包括：纯凝式小汽轮机、给水泵（或给水泵组）、工频发电机和调速齿轮箱，其中，纯凝式小汽轮机设有进汽管道、排汽管道、调节阀和凝汽器，并且所述凝汽器可公用配置或独立配置，进汽管道的蒸汽来自发电机组热力系统的高压蒸汽，排汽管道与凝汽器连接，调节阀设置在进汽管道上，用于调节高压蒸汽的通汽量。

给水泵组与纯凝式小汽轮机同轴相连，即给水泵连接在纯凝式小汽轮机的转动轴上。本发明的给水泵既可以是给水泵一个设备，也可以是前置泵与给水泵两个设备。在另一优选例中，对前置泵可选配定速比齿轮箱。

调速齿轮箱用于将变化转速转换为固定转速，调速齿轮箱可选具有离合功能的型式。调速齿轮箱的输出端可与工频发电机的输入端连接以带动工频发电机转动。

可选地，工频发电机可与给水泵组一起连接于纯凝式小汽轮机的同一转动轴上。工频发电机与给水泵组可分别与纯凝式小汽轮机两侧的轴端相连，也可连接于纯凝式小汽轮机的同一轴端。

当工频发电机与给水泵组分别位于纯凝式小汽轮机两侧的轴端时，调速齿轮箱位于纯凝式小汽轮机和工频发电机之间，并与纯凝式小汽轮机和工频发电机同轴相连。即调速齿轮箱的输入端与纯凝式小汽轮机的一侧的轴端相连，给水泵组的输入端与纯凝式小汽轮机的另一侧的轴端相连。

当工频发电机与给水泵组位于纯凝式小汽轮机同一轴端时，可选地，调速齿轮箱设置在给水泵和工频发电机之间，并与给水泵组和工频发电机同轴相连。即调速齿轮箱的输入端与给水泵组的输出端相连，给水泵组的输入端与纯凝式小汽轮机的轴端相连。

在本发明的系统中，可将给水泵组变化的转速通过调速齿轮箱调节，转化为50Hz或60Hz的工频转速，从而带动工频发电机转动，将纯凝式小汽轮机的部分功率输出为工频电。

本发明系统的纯凝式小汽轮机、给水泵组、工频发电机和调速齿轮箱为同轴相连。当给水泵组为由前置泵和给水泵组成时，前置泵与给水泵的转速差值较大时，可在前置泵和给水泵之间的转动轴上设置定速比齿轮箱，以调节两者的转速比值，满足发电机组负荷变化的需要。

由于本发明的纯凝式小汽轮机驱动给水泵组系统通过控制工频发电机的出力调节给水泵组的转速，以满足发电机组负荷变化的需要，因此，在全年大多数的运行时间内，纯凝式小汽轮机的调节阀的开度可长期保持大开度（70%-100%），即使当机组负荷变低时，可充分利用纯凝式小汽轮机的出力，通过工频发电机发电，不仅显著减少了节流损失，而且提高了纯凝式小汽轮机的运行效率，提高电厂的售电收益。

本发明还包括配置有工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵组系统的蒸汽发电机组。

根据本发明的一方面，提供了一种工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统，所述系统包括纯凝式小汽轮机、给水泵、工频发电机和调速齿轮箱，其中，

所述纯凝式小汽轮机、所述给水泵、所述工频发电机和所述调速齿轮箱同轴相连；

所述调速齿轮箱配置在所述纯凝式小汽轮机和所述工频发电机之间，从而所述小汽轮机的转动通过所述调速齿轮箱调速后带动所述工频发电机转动；以及

通过控制所述工频发电机的输出，从而控制所述纯凝式小汽轮机的转速，进而控制所述给水泵的转速。

优选地，纯凝式小汽轮机设有进汽管道，所述进汽管道上设有调节阀。

优选地，给水泵和工频发电机可分别与纯凝式小汽轮机两侧的轴端相连。

优选地，工频发电机可经由调速齿轮箱与纯凝式小汽轮机的一侧的轴端相连，给水泵的输入端可与纯凝式小汽轮机的另一侧的轴端相连。

优选地，给水泵、工频发电机和调速齿轮箱可连接于纯凝式小汽轮机的同一轴端。

优选地，工频发电机可经由调速齿轮箱与给水泵的输出端相连，给水泵的输入端与纯凝式小汽轮机的轴端相连。

优选地，系统还可包括前置泵，工频发电机位于给水泵与前置泵之间并经由调速齿轮箱与给水泵连接，或者前置泵位于工频发电机与给水泵之间。

优选地，系统还可包括定速比齿轮箱，定速比齿轮箱与前置泵连接，用于调节前置泵的转速。

根据本发明的另一方面，还提供了一种蒸汽发电机组，其中，发电机组配置有上述的工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统。

根据本发明的又一方面，还提供了一种调节纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统中给水泵的转速的方法，系统包括纯凝式小汽轮机和给水泵，其中，在系统中增设工频发电机，通过控制工频发电机的输出，从而控制纯凝式小汽轮机的转速，进而控制给水泵的转速。

本发明的系统充分利用小汽轮机的做功能力，通过工频发电机发电，每台1000MW机组每年可对外多供电7500万千瓦，直接经济收益1500万元以上。

附图说明

图1-3是现有技术中调节阀节流调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统的三个典型系统流程示意图。

图4是根据本发明的第一实施例中工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统的系统流程示意图。

图5是根据本发明的第二实施例中工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统的系统流程示意图。

图6是根据本发明的第三实施例中工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统的系统流程示意图。

图7是根据本发明的第四实施例中工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统的系统流程示意图。

图8是根据本发明的第五实施例中工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统的系统流程示意图。

具体实施方式

发明人经过深入广泛的研究，发现通过与纯凝式小汽轮机同轴连接工频发电机，不仅可通过控制工频发电机的出力方式，部分或全部代替调节阀方式，以控制小汽轮机的转速，从而控制给水泵组的转速，而且可利用工频发电机进行发电，从而充分利用了小汽轮机的出力。本发明小汽轮机的调节阀可长期保持高开度，开度为70%～100%，大大减少了节流造成的损失，并且充分利用小汽轮机的出力，提高了小汽轮机的运行效率。在此基础上完成了本发明。

术语解释：

工频发电机：正常运行所发出的电为固定频率的发电机,常见为50Hz或60Hz。

纯凝式汽机：排汽到低于大气压的凝汽器的汽轮机称为纯凝式汽机。

同轴相连：是指各设备连接在同一转动轴系上。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

如图4所示，本实施例的工频发电机调速的凝汽式小汽轮机驱动给水泵系统包括小汽轮机1、进汽管道2、排汽管道3、凝汽器4、调节阀5、给水泵（或其它泵）6、调速齿轮箱7、工频发电机8、变压器9组成。其中小汽轮机1的进汽口与进汽管道2连接，进汽管道的蒸汽来自发电机组热力系统的高压蒸汽，小汽轮机1与凝汽器4通过排汽管道3连接，其中，凝汽器4可公用主机凝汽器，也可配置独立的凝汽器。在进汽管道处安装调节阀5，用于调节高压蒸汽的通汽量，在本实施例中，调节阀的长期保持高开度，开度为70％～100％，在设备故障或检修时需要降低开度或关闭。

给水泵6位于小汽轮机1一侧的轴端，给水泵6与小汽轮机1同轴连接，给水泵6的输入端与小汽轮机1这一侧的轴端相连。

工频发电机8位于小汽轮机1另一侧的轴端，并且在小汽轮机1和工频发电机8之间配调速齿轮箱7，该调速齿轮箱7与小汽轮机1同轴连接，该调速齿轮箱7也与工频发电机8同轴连接。调速齿轮箱7的输入端与小汽轮机1这一侧的轴端相连，调速齿轮箱7的输出端与工频发电机8的输入端相连以带动工频发电机8转动。

运行时如果工频发电机8输出电压与电网之间电压不同时，可以在工频发电机8与电网之间设置变压器9，通过变压器9能够将工频发电机6所发的电变压到与电网匹配的电压，实现将工频发电机8所发的电供给厂内或厂外电网。

本实施例的系统工作原理如下：

当小汽轮机1正常运行时，小汽轮机1的调节阀5保持高开度（70%-100%）。高压蒸汽通过进汽管道2进入小汽轮机1，做功后的低压通过排汽管道3排汽到凝汽器4。蒸汽推动小汽轮机1转动，从而拖动与小汽轮机1一个轴端同轴连接的给水泵6转动。

当蒸汽推动小汽轮机1转动，小汽轮机1的另一轴端通过调速齿轮箱7调速后，转换为50Hz或60Hz的工频转速，拖动工频发电机8转动。此时小汽轮机1的部分功率输出为工频电，供给厂内或厂外电网。通过调节工频发电机8的输出变大或变小，控制纯凝式小汽轮机1的负载相应地变大或变小，从而纯凝式小汽轮机1的转速相应地变小或变大，进而控制给水泵6的转速变小或变大，以满足不同的工况要求。

换句话说，即通过控制工频发电机8的输出（出力），可以部分或全部代替调节阀节流方式，控制小汽轮机1的转速，从而高效满足给水泵6转速控制要求的同时，提高了纯凝式小汽轮机的运行效率。

如果工频发电机8输出电压与电网之间电压不同时，可以在工频发电机8与电网之间设置变压器9，通过变压器9能够将工频发电机8所发的电变压到与电网匹配的电压，实现将工频发电机8所发的电供给厂内或厂外电网。

如图5所示，本实施例的工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统与实施例1的系统不同之处在于：

给水泵6和工频发电机8位于小汽轮机1的同一轴端，给水泵6的输入端与小汽轮机1的轴端相连，给水泵6的输出端与调速齿轮箱7的输入端同轴相连，调速齿轮箱7的输出端与工频发电机8的输入端同轴相连。

本实施例的系统工作原理如下：

当蒸汽推动小汽轮机1转动时，同时拖动同轴的给水泵6转动，给水泵6的转动通过调速齿轮箱7的调节驱动工频发电机8转动发电。通过调节工频发电机8的输出变大或变小，从而控制小汽轮机1的转速，进而控制给水泵6的转速以满足不同的工况要求。

如图6所示，本实施例的工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统与实施例1的系统不同之处在于：

在本实施例中，小汽轮机1驱动的不仅仅是一个给水泵，而是一个给水泵组，该给水泵组由前置泵（或其他泵）10与给水泵（或其他泵）6组成，并且该给水泵组位于小汽轮机的同一轴端。根据前置泵10与给水泵6之间的转速比例，在前置泵10与给水泵6之间选择性地设置定速比齿轮箱11，定速比齿轮箱11与给水泵6同轴连接，定速比齿轮箱11也与前置泵10同轴连接，并且定速比齿轮箱11的输入端与给水泵6输出端相连，定速比齿轮箱11的输出端与前置泵10的输入端相连。

本实施例的系统工作原理如下：

当蒸汽推动小汽轮机1转动时，同时拖动同轴的给水泵6转动，通过定速比齿轮箱11的减速调节后，前置泵10也同时发生转动，并且前置泵10转速小于给水泵6。给水泵组工作时首先前置泵10会对给水进行第一次加压，然后给水泵6会对给水进行第二次加压。同时小汽轮机的另一轴端通过调速齿轮箱7调速后，转换为50Hz或60Hz的工频转速，拖动工频发电机8转动。此时小汽轮机1的部分功率输出为工频电，供给厂内或厂外电网。通过调节工频发电机8的输出变大或变小，控制纯凝式小汽轮机1的负载相应地变大或变小，从而纯凝式小汽轮机1的转速相应地变小或变大，进而控制给水泵组（或其他泵组）的转速变小或变大，以满足不同的工况要求。如果工频发电机8输出电压与电网之间电压不同时，可以在工频发电机8与电网之间设置变压器9，通过变压器9能够将工频发电机8所发的电变压到与电网匹配的电压，实现将工频发电机8所发的电供给厂内或厂外电网。

如图7所示，本实施例的工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统与实施例6的系统不同之处在于：

本实施例的工频发电机8与给水泵组位于小汽轮机1同一轴端，工频发电机8位于给水泵（或其他泵）6与前置泵（或其他泵）10之间，并且在给水泵（或其他泵）6与工频发电机8之间配置调速齿轮箱7。由于配置了调速齿轮箱7，因此不再配置定速比齿轮箱。调速齿轮箱7输入端与给水泵（或其他泵）6输出端同轴相连，调速齿轮箱7输出端与工频发电机8输入端同轴相连，工频发电机8输出端与前置泵（或其他泵）10输入端同轴相连。

本实施例的系统工作原理如下：

当蒸汽推动小汽轮机1转动，同时拖动同轴的给水泵（或其它泵）6转动，通过调速齿轮箱7调速后，转换为50Hz或60Hz的工频转速，拖动工频发电机8转动。此时小汽轮机1的部分功率输出为工频电，供给厂内或厂外电网。由于前置泵10与工频发电机8同轴连接，前置泵（或其他泵）10也发生转动，同时，前置泵（或其他泵）10转速小于给水泵（或其他泵）6的转速。给水泵组工作时首先前置泵（或其他泵）10会对给水进行第一次加压，然后给水泵（或其他泵）6会对给水进行第二次加压。通过调节工频发电机8的输出变大或变小，控制纯凝式小汽轮机1的负载相应地变大或变小，从而纯凝式小汽轮机1的转速相应地变小或变大，进而控制给水泵组（或其他泵组）的转速变小或变大，以满足不同的工况要求。如果工频发电机8输出电压与电网之间电压不同时，可以在工频发电机8与电网之间设置变压器9，通过变压器9能够将工频发电机8所发的电变压到与电网匹配的电压，实现将工频发电机8所发的电供给厂内或厂外电网。

如图8所示，本实施例的工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统与实施例7的系统不同之处在于：

本实施例的工频发电机8的输入端与前置泵10的输出端同轴相连，并且在给水泵（或其他泵）6与前置泵（或其他泵）10之间配置调速齿轮箱7。调速齿轮箱7输入端与给水泵（或其他泵）6输出端同轴相连，调速齿轮箱7输出端与前置泵（或其他泵）10输入端同轴相连。

本实施例的系统工作原理如下：

当蒸汽推动小汽轮机1转动，同时拖动同轴的给水泵（或其它泵）6转动，通过调速齿轮箱7调速后，转换为50Hz或60Hz的工频转速，拖动前置泵（或其他泵）10转动，前置泵（或其他泵）10转速小于给水泵（或其他泵）6的转速，由于工频发电机8与前置泵10同轴连接，工频发电机8也发生转动。此时小汽轮机1的部分功率输出为工频电，供给厂内或厂外电网。给水泵组工作时首先前置泵（或其他泵）10会对给水进行第一次加压，然后给水泵（或其他泵）6会对给水进行第二次加压。通过调节工频发电机8的输出变大或变小，控制纯凝式小汽轮机1的负载相应地变大或变小，从而纯凝式小汽轮机1的转速相应地变小或变大，进而控制给水泵组（或其他泵组）的转速变小或变大，以满足不同的工况要求。如果工频发电机8输出电压与电网之间电压不同时，可以在工频发电机8与电网之间设置变压器9，通过变压器9能够将工频发电机8所发的电变压到与电网匹配的电压，实现将工频发电机8所发的电供给厂内或厂外电网。

本发明的系统既可通过给水泵组转速的调节以满足发电机组负荷变化的需要，也可通过工频发电机发电以提高电厂的售电收益，工频发电机所发出的变频电可供给厂内或厂外电网，如果工频发电机发出的电与电网之间电压不同，则可以通过设置变压器，将所发的电变压到与电网匹配的电压。

与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：

(1)将目前系统中纯凝式小汽轮机调节阀的常见开度从60％以下提高至100%，并且能够长期保持大开度水平，显著减少了小汽轮机因与驱动设备所需功率相匹配而节流所造成的损失。

(2)本发明的纯凝式小汽轮机的运行效率可提高5%以上，每台1000MW机组年节约标煤5000吨以上，大幅降低运行成本，并达到减少污染物排放的综合效益。

(3)本发明的系统充分利用小汽轮机的做功能力，通过工频发电机发电，每台1000MW机组每年可对外多供电7500万千瓦，直接经济收益1500万元以上。

本发明提到的上述特征，或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以任何被提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统，其特征在于，所述系统包括纯凝式小汽轮机、给水泵、工频发电机和调速齿轮箱，其中，

所述纯凝式小汽轮机、所述给水泵、所述工频发电机和所述调速齿轮箱同轴相连；

所述调速齿轮箱配置在所述纯凝式小汽轮机和所述工频发电机之间，从而所述小汽轮机的转动通过所述调速齿轮箱调速后带动所述工频发电机转动；以及

通过控制所述工频发电机的输出，从而控制所述纯凝式小汽轮机的转速，进而控制所述给水泵的转速，以及

所述纯凝式小汽轮机设有进汽管道，所述进汽管道上设有调节阀；

所述给水泵、所述工频发电机和所述调速齿轮箱连接于所述纯凝式小汽轮机的同一轴端；且

所述工频发电机经由所述调速齿轮箱与所述给水泵的输出端相连，所述给水泵的输入端与所述纯凝式小汽轮机的轴端相连。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当前置泵和给水泵组成水泵组，前置泵与给水泵的转速差值较大时，在前置泵和给水泵之间的转动轴上设置定速比齿轮箱，以调节两者的转速比值。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括前置泵，所述工频发电机位于所述给水泵与所述前置泵之间并经由所述调速齿轮箱与所述给水泵连接，或者所述前置泵位于所述工频发电机与所述给水泵之间。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括定速比齿轮箱，所述定速比齿轮箱与所述前置泵连接，用于调节所述前置泵的转速。

5.一种蒸汽发电机组，其特征在于，所述发电机组配置有权利要求1所述的系统。

6.一种调节纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统中给水泵的转速的方法，所述系统包括纯凝式小汽轮机和给水泵，其特征在于，所述系统还增设工频发电机和调速齿轮箱，从而构成如权利要求1所述的工频发电机调速的纯凝式小汽轮机驱动给水泵系统，并且通过控制所述工频发电机的输出，从而控制纯凝式小汽轮机的转速，进而控制所述给水泵的转速。