汽轮机、燃气-蒸汽联合循环机组及该循环机组的运行方法
【专利摘要】本发明提供了一种汽轮机、燃气－蒸汽联合循环机组及该循环机组的运行方法，其中燃气－蒸汽联合循环机组包括汽轮机，该汽轮机在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。本发明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，由此，燃气－蒸汽联合循环机组可以按照需要采用不同的模式运行，从而提高整个机组的热效率。
【专利说明】汽轮机、燃气一蒸汽联合循环机组及该循环机组的运行方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及机电领域，尤其涉及汽轮机、燃气一蒸汽联合循环机组及其运行方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]所谓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I台燃气轮机、I台汽轮机、I台余热锅炉和I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。
[0005]由于燃气一蒸汽联合循环机组对用户供热主要通过蒸汽轮机抽汽实现，热电比通常较小，为了保证热电联产机组供热达到最大，最常用的方式是采用背压抽汽式汽轮机作为热电联产机组的汽轮机。
[0006]采用调整抽汽式汽轮机作为热电联产机组的汽轮机，在最大热负荷时为了保证汽轮机低压缸不因末级叶片鼓风而造成排汽温度升高，就需要有一定量的冷却蒸汽流量对其进行降温，这部分冷却蒸汽在低压缸内做功很少，其所携带的热量被循环冷却水吸收经冷却塔消耗，这就会造成热量浪费，整个机组的热效率低。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种汽轮机，以解决现有燃气一蒸汽联合循环机组热效率低的问题。
[0008]本发明还提供一种包含上述汽轮机的燃气一蒸汽联合循环机组，同时提供该燃气一蒸汽联合循环机组的运行方法，以实现机组根据不同时期对热、电负荷需要的不同，灵活调整机组的运行模式，大幅提高机组的经济运行。
[0009]为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案:
[0010]本发明提供一种汽轮机，包括高中压缸和低压缸，所述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。
[0011]进一步地，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。
[0012]在上述发明构思的基础上，本发明还提供一种燃气一蒸汽联合循环机组，该机组包括如上所述的汽轮机。
[0013]进一步地，还包括发电机，所述发电机设置设在所述高压缸一侧。
[0014]具体来说，所述高中压缸排汽与热网通过热网抽汽管道连接，所述热网抽汽管道上设置有热网抽汽调节阀；所述高中压缸与低压缸通过中低压导汽管道连接，所述中低压导汽管道上设置有蒸汽阀门。所述汽轮机根据热负荷需求，可进行抽凝和背压模式快速切换，汽机可甩开低压缸运行。
[0015]上述燃气一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；
[0016]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。
[0017]具体来说，上述纯凝运行模式具体为:
[0018]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。
[0019]上述背压运行模式具体为:
[0020]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。
[0021]进一步地，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，当转速等于高、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。
[0022]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。
[0023]与现有技术相比，本发明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不同模式运行，为提高整个机组的热效率创造了条件；本发明提供的燃气一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。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明汽轮机的一个实施框图；
[0025]图2为本发明燃气一蒸汽联合循环机组的一个实施例框图。
[0026]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】
[0027]以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0028]如图1所示，本发明提供的汽轮机包括高中压缸101、低压缸102及同步自换挡(SSS, SYNCHRO SELF SHIFTING)离合器 103。
[0029]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，离合器哨合，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。
[0030]如图1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105布置在高压缸101 —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。
[0031]当汽轮机处于高中压缸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。
[0032]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，由高中压转子1011单独带动发电机。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]本发明提供一种燃气一蒸汽联合循环机组，主要包括燃气轮机、汽轮机、余热锅炉、发电机等设备，另外，还需要包括必要的电气设备、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。优选地，本发明提供的机组采用的是2GTG&HRSG (燃气轮机和余热锅炉)+ISTG (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，其中的汽轮机的结构如前面实施例所述，均在高中压缸和低压缸之间设有SSS离合器103，在此不再赘述。
[0036]如图2所示，燃气一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。
[0037]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209，此时汽轮机为纯凝运行模式。
[0038]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。
[0039]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，S卩，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。
[0040]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，转速等于高、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。
[0041]机组背压模式运行时，凝汽器维持低真空，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。
[0042]本发明提供的机组可以最大程度提高燃气-蒸汽联合循环机组供热能力，比已投运的现有“二拖一”燃气-蒸汽联合循环供热机组在发电出力相当的条件下，供热出力提高15?20%左右，机组热效率提高5%左右。
[0043]总的来说，非采暖期按照凝汽或抽凝方式运行，冬季机组背压供热运行。根据机组特点，可以将热网疏水全部回到凝汽器，凝结水泵可以采用通常所用的3X50%的配置方案，定压运行，机组正常运行时2台运行凝结水泵能在高效率区运行。此种凝泵配置方案简化整个循环机组的热力系统，一方面可以减少凝结水泵及其变频器的初始投资，节省了 4台热网疏水泵(2运2备)及其变频器；另一方面也能降低凝泵运行成本，同时节省热网疏水泵的运行成本。
[0044]进一步，所述机组还可以包括用闭式水冷却的热网二级疏水冷却器，解决机组抽凝工况热网疏水温度高，排至凝汽器将出现热网疏水汽化现象，也便于机组抽凝工况切换到背压工况，凝汽器由高真空过渡到低真空状态运行。
[0045]下面以一个实例来说明本发明的循环机组的模式切换。
[0046]1、汽轮机由抽凝模式转为背压模式
[0047]1.1确认机组抽凝方式运行正常，无影响模式切换的缺陷。
[0048]1.2确认各瓦振动、轴承温度、轴向位移正常。
[0049]1.3确认汽机润滑油压、油滤网差压、油温正常。
[0050]1.4监视SSS离合器回油温度正常。
[0051]1.5确认中压缸排汽压力正常，中压缸排汽压力保护投入正常。
[0052]1.6人机交互，将运行模式切换为“背压方式”。
[0053]1.7监视画面中的各设备操作位置，包括SSS离合器切至“UNLOCK”位置、汽轮机的振动情况等。
[0054]I.8监视ELCV投入自动。
[0055]1.9监视MECV应逐渐关闭，低压转子转速下降。
[0056]1.10 监视 MECV 关闭、MESV 关闭。
[0057]1.11监视SSS离合器回油温度上升情况，必要时立即切回抽凝模式。
[0058]2、汽轮机由背压模式转换为抽凝模式
[0059]2.1确认机组背压方式运行正常。
[0060]2.2开启MESV前后疏水门，暖管，监视凝汽器压力变化。
[0061]2.3投入二级热网疏水冷却器运行。
[0062]2.4全部开启凝汽器供回水电动门，启动循环水泵。
[0063]2.5检查正常后，将将运行模式切换为抽凝方式。
[0064]2.6 检查 MESV 开启。
[0065]2.7监视MECV应逐渐开大，低压转子升速正常。
[0066]2.8监视低压转子转速、低压缸排汽温度和末级叶片温度变化。
[0067]2.9监视SSS离合器切至“LOCK”位置。
[0068]2.10监视MECV投入自动。
[0069]2.11监视ELCV切至手动，立即关小ELCV，控制中压缸排汽压力在正常运行范围内，使MECV开至最小开度6%以上，并有调节余量。
[0070]2.12关闭MESV前后疏水门。
[0071]2.13严密监视热网加热器水位和温升。及时调整热网循环水量，防止热网加热器超温。
[0072]为了进一步说明本发明的二拖一燃气-蒸汽联合循环供热机组的优良效果，本发明提供如下应用实例:
[0073]燃气-蒸汽联合循环供热机组包括2台306.9MW M701F4型燃机、2台余热锅炉、I台309.6MW供热蒸汽轮机。性能保证工况功率923.42MW,供热工况功率827.08MW,设计供热量2340GJ/H，供热面积为1300万平方米。经过试验，可以达到2600GJ/H，供热面积可达1450万平方米，比设计增加150万平方米。
[0074]1、现有技术中，采用抽凝方式供热的最大机组供热量为2102GJ/H，供热面积1160万平方米，本机组与之相比，供热量增加约500GJ/H，供热面增加约280万平方米，增加量约为 24%ο
[0075]2、SSS离合器背压抽凝操作非常简单，达到了一键切换，根据供热量的需求，在15分钟内可以完成，抽凝和背压之间的切换。
[0076]3、众所周知，300MW机组效率基本上在41%左右，约50%多的热量通过低压缸排汽转化为凝结水过程中释放的汽化潜热，通过循环冷却水带走，排放到大气中，造成热污染。背压方式，基本没有冷源损失，将汽化潜热转换成了热网供水能量。若采用抽凝方式运行，机组联合循环效率达到84%左右；背压方式运行，机组联合循环效率达到89%以上。
[0077]4、由于背压机组受环境温度和热负荷影响严重，采用SSS离合器在同一台机组上实现了纯凝、抽凝、背压方式的自由切换，这样就打破了热、电负荷之间的制约，根据热、电负荷需求，灵活控制机组的运行方式，保证电网和热网的安全稳定运行。
[0078]值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的结构进行等效的改进。故凡运用本发明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】均同理皆包含在本发明所涵盖的范围内。
【权利要求】
1.一种汽轮机，包括高中压缸和低压缸，其特征在于，所述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。
2.如权利要求1所述的汽轮机，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。
3.一种燃气一蒸汽联合循环机组，其特征在于，该机组包括如权利要求1或2所述的汽轮机。
4.如权利要求3所述循环机组，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。
5.如权利要求3或4所述循环机组，其特征在于，所述高中压缸排汽与热网通过热网抽汽管道连接，所述热网抽汽管道上设置有热网抽汽调节阀； 所述高中压缸与低压缸通过中低压导汽管道连接，所述中低压导汽管道上设置有蒸汽阀门。
6.一种燃气一蒸汽联合循环机组的运行方法，其特征在于，燃气一蒸汽联合循环机组如权利要求3-5中任一所述，在运行过程中，该机组根据电、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； 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； 该机组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。
7.如权利要求6所述的运行方法，其特征在于，所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。
8.如权利要求6或7所述的运行方法，其特征在于，所述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。
9.如权利要求7所述的运行方法，其特征在于，所述抽凝运行模式具体为: 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。
10.如权利要求9所述的运行方法，其特征在于，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。
【文档编号】F01D13/00GK104343474SQ201310319531
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月26日 优先权日:2013年7月26日
【发明者】赵维麒, 林刚, 陈书平, 张又新, 秦建明, 蔡洪旺, 赵文博, 杨耀文, 侯志宇, 刘日明 申请人:华能北京热电有限责任公司