一種同軸布置的汽輪機優化配置系統及方法與流程
2023-08-22 18:35:06
本發明涉及一種同軸布置的汽輪機優化配置系統及方法，屬於熱力發電領域。
背景技術：
近年來，我國國民用電總量迅速增長，且用戶負荷的多樣性較為明顯，致使電網峰谷差急劇增大，為了保證電網的安全供電和電能質量，在電力系統總裝機容量中佔比較高的燃煤火電機組不得不擔當起調峰的主力，且大型火電機組處於較低負荷階段運行已為常態。
一般汽輪機在設計工況下，汽輪機的通流能保持最佳效率，而一旦偏離設計工況，例如夏季工況，由於循環水溫度高，機組背壓高，低壓缸排汽的體積流量顯著下降，導致餘速損失上升。尤其是機組又處於低負荷運行工況，則實際低壓缸排汽的體積流量相對設計工況來說嚴重偏少，從而導致低壓缸的排汽餘速損失相對大幅上升，效率顯著下降。同樣的，在冬季工況，往往機組高負荷運行時，低壓缸的排汽面積又不足，引起背壓阻塞問題，導致低壓缸有效焓降不足，從而影響機組的經濟性。現有大型火力發電汽輪機的設計，往往為兼顧全年的平均性能，其設計工況均是按照平均的背壓來進行設計，而偏離設計工況的夏季和冬季也就不得不犧牲一定經濟性，否則，若按冬季工況設計，則會導致夏季工況運行更加嚴重偏離最佳工況，效率更低；同理，若按夏季工況設計，則低壓缸到冬季工況就會嚴重阻塞，嚴重影響低背壓的有效利用。
目前，現有大型機組配置的低壓缸一般為1~3個，機組容量越大或設計背壓越低，低壓缸的數量也會越多，這是由於受制於現有低壓缸末級葉片長度，為增加低壓缸排汽面積，也就會採用更多的低壓缸，對於目前汽輪機製造廠來說，通常軸系按照高、中、低壓缸的順序布置，以兩個低壓缸為例，典型布置如圖1所示，若缸的數量較多，依然採取單軸設計，通流部分動靜之間的脹差過大則成為一個重要障礙，因此，目前大多數汽輪機製造廠，當低壓缸數量較多時，軸系較長時，為了避免脹差過大這個問題，就只能採取雙軸設計，當然這又會帶來投資的上升以及其它問題。
考慮到上述現有汽輪機設計為確保設計工況的最優而難以兼顧其它工況，例如夏季機組低負荷運行工況或冬季機組滿負荷運行工況，以及多缸汽輪機採用常規的軸系布置所帶來的差脹過大等問題，因此，本領域的技術人員致力於開發一種汽輪機優化配置的系統及方法，可使得低壓缸動靜之間的間隙可做得更小，從而在現有單軸設計技術條件下，使得大型機組多個缸單軸設計可行或更合理，並且還可因此獲得更高的汽缸效率，同時還可實現在冬季機組高負荷工況能保持較低的阻塞背壓，而在夏季機組低負荷運行工況時，又能保持較高的運行效率，實現全季節、全負荷運行工況的最優，達到節能降耗的目的。
技術實現要素：
為實現上述目的，本發明提供了一種同軸布置的汽輪機優化配置系統，其特徵在於，所述系統包括同軸布置的前置低壓缸、連接裝置、低壓缸和發電機，以及連接所述低壓缸進汽端以及所述前置低壓缸進汽端的聯通管，所述低壓缸布置在所述連接裝置的一側，所述前置低壓缸布置在所述連接裝置的另一側。
其中，所述連接裝置可為離合器系統（所述離合器系統，可為單獨的安全聯軸器，或單獨的離合器，或安全聯軸器與離合器相結合的方式等）或聯軸器。
進一步地，還包括中壓缸，所述中壓缸與所述低壓缸及所述發電機布置在同側。
進一步地，還包括高壓缸，所述高壓缸與所述中壓缸、所述低壓缸及所述發電機布置在同側。
可選地，還包括高壓缸，所述高壓缸與所述中壓缸組合成高、中壓合缸，所述高、中壓合缸與所述低壓缸、所述發電機布置在同側。
進一步地，所述系統還包括閥門，所述前置低壓缸進汽端的所述聯通管上布置至少一個閥門。
當所述前置低壓缸為1個時，對應的所述連接裝置為1個，所述連接裝置的一端連接所述前置低壓缸，所述連接裝置的另一端則連接至少包括所述低壓缸以及所述發電機。進一步地，連接所述前置低壓缸進汽端的所述聯通管上布置至少一個閥門。當具有中壓缸時，則所述中壓缸和所述低壓缸以及所述發電機布置在同側。
當所述前置低壓缸為多個時，對應的所述連接裝置也為多個。軸系最外側所述連接裝置對應最外側所述前置低壓缸，最內側所述連接裝置的另一端則連接至少包括所述低壓缸以及所述發電機。進一步地，連接所述前置低壓缸進汽端的所述聯通管上布置至少一個閥門。當具有中壓缸時，則所述中壓缸和所述低壓缸以及所述發電機布置在同側。
當具有高壓缸時，所述高壓缸和所述中壓缸、所述低壓缸、所述發電機布置在同側，並且還包括高壓缸與中壓缸合缸的形式。
需說明的是，根據中壓缸數量、低壓缸數量、前置低壓缸數量、高中壓是否合缸、連接裝置形式等具有多種排列組合方式，任何基於上述設備而進行的不同排列組合方式，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
本發明還公開了一種如上所述的系統的使用方法，根據機組實時運行負荷可確定具體的低壓缸總排汽質量流量，結合機組實時運行背壓，可得到低壓缸實時總排汽容積流量，然後根據機組前置低壓缸的配置數量，比較全部投入前置低壓缸、切除一個前置低壓缸以及切除多個前置低壓缸下的機組經濟性，按照機組經濟性最優工況進行選擇。
當低壓缸實時總排汽容積流量小於等於「第一閾值」（第一閾值是根據低壓缸及前置低壓缸的配置數量以及實時的低壓缸總排汽容積流量，當切除最外側的一個前置低壓缸時，機組熱耗最佳）時，則關閉連接其中軸系最外側的一個所述前置低壓缸的所述閥門，同時利用對應的最外側所述連接裝置切除對應的所述最外側前置低壓缸；
當低壓缸實時總排汽容積流量小於等於「第二閾值」（第二閾值小於第一閾值，第二閾值是根據低壓缸及前置低壓缸的配置數量以及實時的低壓缸總排汽容積流量，當切除兩個前置低壓缸時，機組熱耗最佳）時，則關閉連接另一個所述前置低壓缸的所述閥門，同時利用對應的所述連接裝置切除對應的所述前置低壓缸；
隨著低壓缸實時總排汽容積流量的下降，根據經濟最優性，逐個關閉連接所述前置低壓缸的所述閥門，同時逐個利用對應的所述連接裝置切除對應的所述前置低壓缸，直至切除全部的前置低壓缸。
反之，則逐步從最內側開始連接最內側所述前置低壓缸的所述閥門，同時利用對應的所述連接裝置連接對應的所述前置低壓缸，直至連接全部的前置低壓缸。
需說明的是，不同的機組運行負荷及背壓對應著不同的低壓缸總排汽容積流量，在不同的低壓缸總排汽容積流量工況下，前置低壓缸切除數量直接影響機組的熱耗。上述針對低壓缸總排汽容積流量設定的不同閾值以及前置低壓缸切除數量，均是為了確定在不同的低壓缸總排汽容積流量工況下，確保切除或投入合理的前置低壓缸，以實現低壓缸的餘速損失最小或阻塞背壓最低、機組經濟性最優。
而連接裝置無論是採用離合器系統或聯軸器，均可實現切除或連接功能，只是離合器系統可實現機組在線運行的切除或連接，而聯軸器則需在機組停機階段進行切除或連接。
本發明所述的汽機優化配置系統及方法可以獲得以下技術效果：
1、由於其中前置低壓缸與其餘的低壓缸分別布置在兩側，因此，汽缸與轉子間的相對膨脹之差（簡稱脹差）可更小，即低壓缸動靜之間的間隙可做得更小，從而在現有單軸設計技術條件下，使得大型機組多個汽缸單軸設計可行或更合理，並且還可因此獲得更高的汽缸效率。
2、低壓缸及前置低壓缸在設計時可考慮足夠的排汽面積，滿足冬季高負荷工況時較低排汽壓力的需求，而隨著機組背壓升高以及負荷的降低，即隨著低壓缸排汽總容積流量的降低，則可逐步切除一定數量的前置低壓缸，使進入剩餘低壓缸的蒸汽流量相對提升，從而降低低壓缸排汽餘速損失，實現機組經濟性最優。
3、即使在前置低壓缸投入運行時，由於中壓缸的排汽分別通過聯通管並聯進入前置低壓缸及其餘的低壓缸，因此，聯通管的阻力損失也會更低，機組經濟性也可因此更優。
以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
附圖說明
圖 1是未採用本發明方案的某一種系統示意圖。
圖 2、圖 3、圖 4、圖 5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16、圖17、圖18是本發明的具體實施例的系統示意圖；
圖中標記：1--高壓缸；2--中壓缸；3--低壓缸；4、6--前置低壓缸；5--發電機；7、12--連接裝置；8、11--閥門；9--聯通管；10--高、中壓合缸。
具體實施方式
實施例1
如圖2所示，它是本發明的一種同軸布置的汽輪機優化配置系統及方法的第一具體實施例。它主要包括同軸連接的一個高壓缸、一個中壓缸、一個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。
前置低壓缸投切的控制方式：
1、連接裝置選用離合器系統時，其前置低壓缸的投切較為靈活，可實現在線投切，但其造價相對較高，並且離合器系統本身的可靠性會影響整個系統的安全性。其前置低壓缸投切的控制方式：
根據機組實時的運行負荷以及實時的運行背壓，可確定實時的低壓缸總排汽容積流量，當實時的低壓缸總排汽容積流量小於等於「第一閾值」時，則關閉閥門8，同時斷開離合器系統7，從而切除前置低壓缸4，使得低壓缸3的餘速損失得以相對降低，實現機組經濟性最優。相反的，則打開閥門8，同時連接離合器系統7，從而投入前置低壓缸4，使低壓缸有足夠的排汽面積，實現機組經濟性最優。
其中，前置低壓缸3的額定輸出功率可設計為低壓缸4的額定輸出功率的50%~100%，以50%為例，1000MW機組運行在500MW工況時，應用該發明後，即切除前置低壓缸3，則低壓缸4的餘速損失可顯著降低，內效率可相對提高4%左右，同時，機組負荷越低，背壓越高，則低壓缸總排汽容積流量越低，實施本發明的相對效益則越大。
2、連接裝置選用聯軸器時，其造價相對較低，安全性高，但前置低壓缸的投切無法在機組運行中實現，只能在機組停運後操作，不夠靈活。前置低壓缸投切的控制方式：
機組停運後，預測機組下一階段運行時的平均背壓和平均負荷，即平均的低壓缸總容積排汽流量，若切除前置低壓缸的機組熱耗更佳，則關閉閥門8，同時斷開聯軸器7，從而切除前置低壓缸4，使得低壓缸3的餘速損失總體上來說是相對降低的，實現機組經濟性最優。
相反的，根據平均的低壓缸總容積排汽流量，若投入前置低壓缸的機組熱耗更佳，則打開閥門8，同時連接聯軸器7，使低壓缸有足夠的總排汽面積，實現機組經濟性最優。
實施例2
圖3為本發明的第二具體實施例。它主要包括同軸連接的一個高壓缸、一個中壓缸、兩個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相比實施方式一，增加了一個低壓缸，可配套適用於環境溫度更低需要更低排汽壓力的機組，其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例一相同，此處不再贅述。
實施例3
圖4為本發明的第三具體實施例。它主要包括同軸連接的兩個中壓缸、兩個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相對實施方式一和實施方式二，本方案主要區別是未設置高壓缸，因此可配套適用於二次再熱雙軸機組的低壓軸系，其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例一相同，此處不再贅述。
實施例4
圖5為本發明的第四具體實施例。它主要包括同軸連接的兩個中壓缸、三個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相比實施方式三，增加了一個低壓缸，相對實施方式三來說，該方案可適用於環境溫度更低需要更低排汽壓力的機組，其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例一相同，此處不再贅述。
實施例5
圖6為本發明的第五具體實施例。它主要包括同軸連接的一個高中壓合缸、兩個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例二相同，因而此處不再贅述。本方案與實施方式二的主要區別在於本方案的高中壓缸合缸，因而配套適用的機組參數不同。
實施例6
圖7為本發明的第六具體實施例。它主要包括同軸連接的一個高中壓合缸、一個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相比實施方式五，減少了一個低壓缸，因而相對而言，適用於環境溫度相對較高所需排汽壓力較高的機組，其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例一相同，此處不再贅述。
實施例7
圖8為本發明的第七具體實施例。它主要包括同軸連接的一個高壓缸、一個中壓缸、一個低壓缸、兩個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。
前置低壓缸投切的控制方式：
1、連接裝置選用離合器系統時，其前置低壓缸的投切較為靈活，可實現在線投切，但其造價相對較高，並且離合器系統本身的可靠性會影響整個系統的安全性。其前置低壓缸投切的控制方式：
當實時的低壓缸總排汽容積流量低於或等於「第一閾值」時，則關閉閥門11，同時斷開連接裝置12，從而切除前置低壓缸6，這樣，低壓缸3的餘速損失可顯著降低，實現機組經濟性在此工況下最優。
當實時的低壓缸總排汽容積流量低於或等於「第二閾值」時，則進一步關閉閥門8，同時斷開連接裝置7，從而切除前置低壓缸4，這樣，低壓缸3的餘速損失可因此顯著降低，實現機組經濟性在此工況下最優。
反之，則當實時的低壓缸總排汽容積流量大於「第二閾值」並小於「第一閾值」時，則打開閥門8，聯通連接裝置7，投入前置低壓缸4，當實時的低壓缸總排汽容積流量大於「第一閾值」時，則進一步打開閥門11，同時聯通連接裝置12，從而進一步投入前置低壓缸6，使得低壓缸具有足夠的總排汽面積，實現機組經濟性最優。
2、連接裝置選用聯軸器時，其造價相對較低，安全性高，但前置低壓缸的投切無法在機組運行中實現，只能在機組停運後操作，不夠靈活。其控制方式及前置低壓缸投切方式：
機組停運後，預測機組下一階段運行時的平均負荷和平均背壓，得到平均低壓缸排汽容積流量。若平均低壓缸排汽容積流量低於或等於「第一閾值」時，則關閉閥門11，同時斷開連接裝置12，從而切除前置低壓缸6，使得低壓缸3的餘速損失降低，實現機組經濟性此工況下最優。
若平均低壓缸排汽容積流量低於或等於「第二閾值」時，則進一步關閉閥門8，同時斷開連接裝置7，從而進一步切除前置低壓缸4，使得低壓缸3的餘速損失得以相對降低，實現機組經濟性此工況下最優。
反之，若平均低壓缸排汽容積流量大於「第二閾值」並小於「第一閾值」時，則打開閥門8，聯通連接裝置7，投入前置低壓缸4；若平均低壓缸排汽容積流量大於「第一閾值」時，則進一步打開閥門11，同時聯通連接裝置12，從而進一步投入前置低壓缸6，使得低壓缸具有足夠的總排汽面積，實現機組經濟性最優。
相比實施方式一，其增加了一個前置低壓缸，故其投切前置低壓缸的靈活性更高，投切後的經濟性也可更優。
實施例8
圖9為本發明的第八具體實施例。它主要包括同軸連接的一個高壓缸、一個中壓缸、兩個低壓缸、兩個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相比實施方式二，其增加了一個前置低壓缸，故其投切前置低壓缸的靈活性更高，投切後的經濟性也可更優。其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例七相同，此處不再贅述。
實施例9
圖10為本發明的第九具體實施例。它主要包括同軸連接的兩個中壓缸、兩個低壓缸、兩個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相比實施方式三，其增加了一個前置低壓缸，故其投切前置低壓缸的靈活性更高，投切後的經濟性也可更優。其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例七相同，此處不再贅述。
實施例10
圖11為本發明的第十具體實施例。它主要包括同軸連接的兩個中壓缸、三個低壓缸、兩個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相比實施方式四，其增加了一個前置低壓缸，故其投切前置低壓缸的靈活性更高，投切後的經濟性也可更優。其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例七相同，此處不再贅述。
實施例11
圖12為本發明的第十一具體實施例。它主要包括同軸連接的一個高中壓合缸、兩個低壓缸、兩個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相比實施方式五，其增加了一個前置低壓缸，故其投切前置低壓缸的靈活性更高，投切後的經濟性也可更優。其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例七相同，此處不再贅述。
實施例12
圖13為本發明的第十二具體實施例。它主要包括同軸連接的一個高中壓合缸、一個低壓缸、兩個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和中低壓聯通管。相比實施方式六，其增加了一個前置低壓缸，故其投切前置低壓缸的靈活性更高，投切後的經濟性也可更優。其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例七相同，此處不再贅述。
實施例13
圖14為本發明的第十三具體實施例。它主要包括同軸連接的一個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和聯通管。相比實施方式一，該方案的軸系配置上無高壓缸及中壓缸，而僅有低壓缸，其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法都和實施例一相同，此處不再贅述。
實施例14
圖15為本發明的第十四具體實施例。它主要包括同軸連接的一個低壓缸、兩個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和聯通管。相比實施方式十三，該方案的軸系配置上多一個前置低壓缸，因此該軸系的輸出功率相對要大，此外，由於前置低壓缸數量相對多，因此相對來說，可確保足夠的低壓缸總排汽面積，同時又能使得前置低壓缸投切的靈活性更大，因此總體運行經濟性相對更優。此外，相對實施方式七來說，軸系配置上少了一個高壓缸和一個中壓缸，其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法則都和實施方式七相同，此處不再贅述。
實施例15
圖16為本發明的第十五具體實施例。它主要包括同軸連接的兩個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和聯通管。相比實施方式十三，該方案的軸系配置上多一個低壓缸，因此該軸系的輸出功率相對要大，其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法則都和實施方式十三相同，此處不再贅述。
實施例16
圖17為本發明的第十六具體實施例。它主要包括同軸連接的兩個低壓缸、兩個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和聯通管。相比實施方式十四，該方案的軸系配置上多一個低壓缸，因此該軸系的輸出功率相對要大，其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法則都和實施方式十四相同，此處不再贅述。
實施例17
圖18為本發明的第十七具體實施例。它主要包括同軸連接的三個低壓缸、一個前置低壓缸和一個發電機，連接裝置、閥門和聯通管。相比實施方式十五，該方案的軸系配置上多一個低壓缸，因此該軸系的輸出功率可相對更大，而且由於低壓缸數量多，總排汽面積大，因此可適用於具有較低背壓環境下的機組。其連接裝置的選用及前置低壓缸的投切控制方法則都和實施方式十五相同，此處不再贅述。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。