变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统以及一种蒸汽发电机组。该系统包括背压式小汽机、给水泵和变频发电机，其中，背压式小汽机、给水泵和变频发电机同轴相连。通过调节变频发电机的输出，从而控制背压式小汽机的转速，进而控制给水泵的转速。本实用新型的背压式小汽机驱动给水泵系统能够减少小汽机进汽节流的损失，提高运行效率，同时充分发挥小汽机的做功能力，增加运行收益。
【专利说明】变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及发电系统的节能【技术领域】，具体地涉及一种变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统。
【背景技术】
[0002]在大容量高参数汽轮机发电厂中，通常配置汽动给水泵系统组。这些给水泵系统组通过如背压式小汽机来驱动，将给水提高压力，供给后续工艺系统。
[0003]根据机组负荷变化，需要给水泵系统的出力相应变化，通常通过给水泵系统转速的相应变化满足，而给水泵系统转速由同轴连接的背压式小汽机的转速决定。
[0004]为了满足长期夏季机组满发，背压式小汽机的额定出力通常比给水泵系统的额定出力大，给水泵系统的额定出力比机组额定负荷所需要的出力大，故背压式小汽机的额定出力有较大裕量，一般为20%以上。现有技术中，背压式小汽机配置进汽调节阀，通过调节阀的开度，可以控制背压式小汽机的转速。然而，这种配置导致背压式小汽机进汽调节阀大多运行时间开度较小，造成节流损失。
[0005]此外，由于发电机组的负荷随电网需求每天都在不断变化，负荷有高有低，因此在低负荷时，背压式小汽机的进汽调节阀的开度会更小，从而造成的节流损失更大。并且由于背压式小汽机的做功的能力不能充分发挥，因此也存在相对较大的经济损失。
[0006]图1?3示出现有的背压式小汽机驱动给水泵系统的3种典型布置的系统流程图。如图1所示，背压式小汽机I与给水泵系统4同轴连接，背压式小汽机的进汽管道101上装有调节阀I。正常运行时，高压蒸汽进入背压式小汽机1，蒸汽推动背压式小汽机I转动，从而拖动同轴的给水泵系统4转动，做功后的低压排汽或抽汽到排汽管道102或抽汽管道3。给水泵系统4使给水的压力提高，供给后续工艺系统。排汽管道或抽汽管道的级数可选，抽汽级数为η，η = 1、2、3、4、5或6。调节背压式小汽机进汽管道101上的调节阀2的开度改变进汽量，从而改变背压式小汽机I的输出功率，进而改变给水泵系统4的转速，以满足不同的发电机组负荷要求。
[0007]如图2所示,给水泵组200由前置泵系统5和给水泵系统4组成，分别有给水泵系统4与前置泵系统5同轴连接于背压式小汽机I的两个轴端，根据转速匹配，需要在前置泵系统5和背压式小汽机I的输出端之间装有定速比齿轮箱6。高压蒸汽进入背压式小汽机1，蒸汽推动背压式小汽机I转动，从而拖动同轴的给水泵系统4和前置泵系统5转动，前置泵系统5和给水泵系统4先后使给水的压力提高，供给后续工艺系统。调节背压式小汽机I进汽管道101上的调节阀2的开度来控制给水泵组200中前置泵系统5和给水泵系统4的转速，以满足不同的机组负荷要求。
[0008]图3所示系统组成与工作原理与图2类似，不同的是，给水泵系统4与前置泵系统5位于小汽机I的同侧输出端，根据转速匹配，需要在给水泵系统4和前置泵系统5的输出端之间装有定速比齿轮箱6。
[0009]为了满足长期夏季机组满发，背压式小汽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，故背压式小汽机的额定出力有较大裕量，一般为20%以上。现有技术中，背压式小汽机配置进汽调节阀，通过调节阀的开度，可以控制背压式小汽机的转速。
[0010]例如对I台1000MW蒸汽发电机组，通常配置2台50%容量的汽动给水泵组。给水泵的额定工况所需功率约为17000kW，而配套的背压式小汽机最大出力约为22000kW，每台机组背压式小汽机出力裕量为(22000-17000)x2=10000kW。这是为了满足机组长年夏季满发而配置。
[0011]这种裕量配置存在以下现有问题:
[0012]1、背压式小汽机需要节流，降低出力，与给水泵组所需功率匹配，存在明显节流损失。背压式小汽机的调节阀开度较小，常见开度在60%以下，影响背压式小汽机运行效率5%以上；
[0013]2、全年大多数运行时间，特别是机组低负荷时，背压式小汽机出力都未充分利用。每台机组的背压式小汽机平均未利用功率为IOOOOkW以上。
[0014]因此，如何针对现有背压式小汽机驱动给水泵系统的节流调速问题，开发一种既能有效减少背压式小汽机进汽节流的损失，又能充分利用背压式背压式小汽机出力的驱动给水泵系统是目前汽轮机发电厂在节能领域亟待解决的问题。
实用新型内容
[0015]本实用新型的目的在于提供一种节流损失小，小汽机出力利用率高的变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统。
[0016]本实用新型第一方面提供了一种变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统，所述系统包括背压式小汽机、给水泵和变频发电机，其中，
[0017]所述背压式小汽机、给水泵和变频发电机同轴相连；
[0018]通过调节所述变频发电机的输出，从而控制所述背压式小汽机的转速，进而控制所述给水泵的转速。
[0019]在另一优选例中，所述背压式小汽机还包括抽汽出口 ；
[0020]在另一优选例中，所述抽汽出口通过抽汽管道与高温热源加热器或热交换器连接；
[0021]在另一优选例中，所述抽汽管道包括η级抽汽管道，所述η = 1、2、3、4、5或6。
[0022]在另一优选例中，所述变频发电机的输出端与变流器相连。
[0023]在另一优选例中，所述背压式小汽机设有进汽管道，所述进汽管道上设有调节阀；
[0024]在另一优选例中，所述背压式小汽机设有排汽管道，所述排汽管道与低温热源加热器或热交换器连接。
[0025]在另一优选例中，所述调节阀的开度长期保持高开度，开度的范围为70% -100%。
[0026]在另一优选例中，所述给水泵和变频发电机分别与所述背压式小汽机两侧的轴端相连。
[0027]在另一优选例中，所述系统还包括定速比齿轮箱，所述的定速比齿轮箱同轴连接于所述背压式小汽机和变频发电机之间。[0028]在另一优选例中，所述的定速比齿轮箱具有离合器功能。
[0029]在另一优选例中，所述的定速比齿轮箱为离合器。
[0030]在另一优选例中，所述的定速比齿轮箱的输入端与所述的背压式小汽机的一侧的轴端相连，所述的给水泵系统的输入端与所述背压式小汽机的另一侧的轴端相连。
[0031]在另一优选例中，所述的系统还包括前置泵，所述前置泵与所述给水泵连接于所述背压式小汽机的同一轴端，所述前置泵的输入端与所述给水泵的输出端相连。
[0032]在另一优选例中，在所述前置泵与所述给水泵之间设有定速比齿轮箱，所述定速比齿轮箱与所述前置泵和给水泵同轴相连。
[0033]在另一优选例中，所述定速比齿轮箱的输入端与所述给水泵的输出端相连，所述定速比齿轮箱的输出端与所述前置泵系统的输入端相连。
[0034]在另一优选例中，所述给水泵和变频发电机连接于所述背压式小汽机的同一轴端。
[0035]在另一优选例中，所述的给水泵的输入端与所述背压式小汽机的一侧的轴端相连，所述的变频发电机的输入端与所述的给水泵系统的输出端相连。
[0036]在另一优选例中，所述系统还包括定速比齿轮箱，所述定速比齿轮箱同轴连接于所述给水泵和变频发电机之间。
[0037]在另一优选例中，所述定速比齿轮箱的输入端与所述给水泵的输出端相连，所述定速比齿轮箱的输出端与所述变频发电机的输入端相连。
[0038]在另一优选例中，所述系统还包括前置泵，所述前置泵同轴连接于所述定速比齿轮箱与变频发电机之间。
[0039]在另一优选例中，所述前置泵的输入端与所述定速比齿轮箱的输出端相连，所述前置泵的输出端与所述变频发电机的输入端相连。
[0040]在另一优选例中，所述系统还包括前置泵，所述前置泵位于所述变频发电机的外侦牝前置泵的输入端与所述变频发电机的输出端相连。
[0041 ] 本实用新型第二方面提供了 一种蒸汽发电机组，所述发电机组配置有第一方面所述的系统。
[0042]本发明第三方面提供了一种调节背压式小汽机驱动给水泵系统中给水泵转速的方法，所述系统包括背压式小汽机和给水泵，在所述系统中增设变频发电机，通过调节所述变频发电机的输出，从而控制所述背压式小汽机的转速，进而控制所述给水泵的转速。
[0043]应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]图1?3为现有技术中背压式小汽机驱动给水泵系统示意图。
[0045]图4为根据本实用新型第一实施例的变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统的系统流程示意图。
[0046]图5为根据本实用新型第二实施例的变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统的系统流程示意图。[0047]图6为根据本实用新型第三实施例的变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统的系统流程示意图。
[0048]图7为根据本实用新型第四实施例的变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统的系统流程示意图。
[0049]图8为根据本实用新型第五实施例的变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统的系统流程示意图。
[0050]图9为根据本实用新型第六实施例的变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统的系统流程示意图。
【具体实施方式】
[0051]发明人经过深入广泛的研究，发现通过与背压式小汽机同轴连接变频发电机，不仅可通过控制变频发电机的出力方式，部分或全部代替调节阀方式，以控制小汽机的转速，从而控制给水泵的转速，而且可利用变频发电机进行发电，从而充分利用了小汽机的出力。本实用新型小汽机的调节阀的开度可长期保持高开度(开度范围为70% -100%)，大大减少了节流造成的损失，并且充分利用小汽机的出力，使得小汽机的运行效率的提高了8%-20%。在此基础上完成了本发明实用新型。
[0052]如本文所用，“变频发电机”是指相对于常规发电为固定频率的发电机而言，发电的频率随时在较大范围变化的发电机。
[0053]如本文所用，“背压式小汽机”、“背压式小汽轮机”、“小汽机”和“小汽轮机”可互换使用，是指排汽到高于大气压的换热器或热网的汽轮机称为背压式小汽机。
[0054]如本文所用，“同轴相连”是指各设备连接在同一转动轴系上。
[0055]与现有技术相比，本实用新型具有以下主要优点:
[0056](I)将目前系统中背压式小汽机调节阀的常见开度从60%以下提高至70%-100%，并且能够长期保持高开度水平，显著减少了小汽机因与驱动设备所需功率相匹配而节流所造成的损失。
[0057](2)本实用新型的背压式小汽机的运行效率可提高5%_20%，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。
[0058](3)本实用新型的系统充分利用小汽机的做功能力，通过变频发电机发电，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。
[0059]以下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。
[0060]图4?9分别为本实用新型变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统6个实施例的系统流程示意图。变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统由背压式小汽机100、给水泵4或者给水泵组200、变频发电系统300以及定速比齿轮箱6等几大部分组成。其中，背压式小汽机100包括小汽机1、进汽管道101、调节阀2和排汽管道102 ;给水泵组200包括给水泵4和前置泵5 ;变频发电系统300包括变频发电机7、变流器8和可选的变压器9。背压式小汽机100、给水泵4或者给水泵组200、变频发电机7以及定速比齿轮箱6同轴连接。在部分实施例中，变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统中可根据需要安装另一定速比齿轮箱6或者离合器11。本技术也可应用于其他大功率水泵。
[0061]图4示出本实用新型变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统的第一实施例的系统流程图。正常运行时，背压式小汽机100的调节阀2保持较大(甚至全开)开度，高压蒸汽进入小汽机1，蒸汽推动小汽机I转动，从而在背压式小汽机的一个输出端拖动同轴的给水泵4转动，做功后的低压通过排汽管道102排到低温热源(低压汽源)加热器或热交换器。给水泵4使给水的压力提高，供给后续工艺系统。
[0062]本实用新型的系统中，背压式小汽机还可包括抽汽出口，背压式小汽机可根据需要，配置抽汽管道3。抽汽出口通过抽汽管道3与高温热源(高压汽源)加热器或热交换器连接。排气管道和抽汽管道的级数可选，抽汽级数为η，η = 1、2、3、4、5。
[0063]背压式小汽机的另一输出端拖动变频发电机7，小汽机I和变频发电机7之间可以根据需要选配定速比齿轮箱6。变频发电机7所发出的变频电可以直接全部或部分供给变频电用户，也可全部或部分通过变流器8，变成与电网匹配的工频电(频率一般为50Hz或者60Hz )，供给厂内或厂外电网。如果变频发电机与电网之间电压不同，可以设置变压器9，将所发的电变压到与电网匹配的电压。
[0064]通过调节变频发电机7的激励系统改变其负载，从而使得小汽机I承受的总负载发生变化，由于小汽机I的进汽量不变，总负载的变化将导致小汽机I的转速变化，进而满足小汽机I另一侧的给水泵4的转速要求，以适应发电机组的不同工况要求。
[0065]换言之，即通过控制变频发电机7的输出(出力)，可以部分或全部代替调节阀2节流方式，控制小汽机I的转速，从而在满足给水泵4转速控制要求的同时，提高了背压式小汽机的运行效率。
[0066]图5所示的第二实施例与图4所示的第一实施例基本工作原理相同，不同的是，变频发电系统300与给水泵4同轴连接布置于小汽机I的同一输出端，其中，给水泵4靠近小汽机I的输出端。给水泵4和变频发电机7之间可以根据需要选配定速比齿轮箱6。
[0067]正常运行时，背压式小汽机100的调节阀2保持较大(甚至全开)开度，高压蒸汽进入小汽机1，蒸汽推动小汽机I转动，从而拖动给水泵4和变频发电机7同时转动。给水泵4使给水的压力提高，供给后续工艺系统。变频发电机7所发出的变频电可以直接全部或部分供给变频电用户，也可全部或部分通过变流器8，变成与电网匹配的工频电(频率一般为50Hz或者60Hz )，供给厂内或厂外电网。如果变频发电机与电网之间电压不同，可以设置变压器9，将所发的电变压到与电网匹配的电压。
[0068]发电机组负荷变大或变小时，调节变频发电机7的励磁系统改变其负载变小或变大，从而使小汽机I输出端总负载变小或变大，由于小汽机I的进汽量不变，总负载的变化将导致小汽机I的转速变大或变小，给水泵4的转速相应地变大或变小,从而满足发电机组工况变化要求。
[0069]图6-8所示的本实用新型第三、四、五实施例与图4、图5所示的第一、二实施例的基本工作原理相同，给水泵组200包括给水泵4和前置泵5。
[0070]如图6所示，本实用新型的第三实施例中，给水泵组200与变频发电系统300分别同轴布置于小汽机I的不同输出端。小汽机I 一侧的给水泵组200中，给水泵4靠近小汽机I的输出端，给水泵4与前置泵5之间根据转速匹配的需要配置合适的定速比齿轮箱6。而在小汽机I的另一侧，小汽机I和变频发电机7之间可以根据需要选配定速比齿轮箱6。[0071]正常运行时，背压式小汽机100的调节阀2保持较大(甚至全开)开度，高压蒸汽进入小汽机1，蒸汽推动小汽机I转动，从而拖动给水泵组200和变频发电机7同时转动。经过前置泵5 —级加压的水进入给水泵4进行二级加压过后，供给后续工艺系统。变频发电机7所发出的变频电可以直接全部或部分供给变频电用户，也可全部或部分通过变流器8，变成与电网匹配的工频电(频率一般为50Hz或者60Hz )，供给厂内或厂外电网。如果变频发电机与电网之间电压不同，可以设置变压器9，将所发的电变压到与电网匹配的电压。
[0072]发电机组负荷变大或变小时，调节变频发电机7的励磁系统使其负载变小或变大，从而使小汽机I输出端总负载变小或变大，进而使小汽机I的转速变大或变小，与小汽机I输出端直接相连的给水泵4的转速相应地变大或变小，前置泵5的转速也依定速比齿轮箱的减速比相应缩倍地变大或变小，因而满足发电机组工况变化要求。
[0073]如图7所示，本实用新型的第四实施例中，给水泵组200与变频发电系统300同轴布置于小汽机I的同一输出端，给水泵4直接与小汽机I输出端相连,变频发电机7同轴布置于给水泵4和前置泵5之间。根据转速匹配，需要在给水泵4和前置泵5之间安装定速比齿轮箱6，图7所示的本实施例中，定速比齿轮箱6同轴布置于给水泵4和变频发电机7之间。根据实际情况变化要求，定速比齿轮箱6也可同轴布置于变频发电机7与前置泵5之间，图未示。
[0074]与以上实施例类似地，小汽机I转动拖动给水泵组200和变频发电机7同时转动，当发电机组工况发生变化时，通过调节变频发电机7的输出(出力)，部分或全部代替调节阀2节流方式，控制小汽机I的转速，从而调节前置泵5和给水泵4的转速使之满足工况变化要求。
[0075]如图8所示，本实用新型的第五实施例中，给水泵组200与变频发电系统300同轴布置于小汽机I的同一输出端，给水泵4直接与小汽机I输出端相连，前置泵5同轴布置于给水泵4和变频发电机7之间。根据转速匹配，在给水泵4和前置泵5之间安装有定速比齿轮箱6。
[0076]与以上实施例类似地，小汽机I转动拖动给水泵组200和变频发电机7同时转动，当发电机组工况发生变化时，通过调节变频发电机7的输出(出力)，部分或全部代替调节阀2节流方式，控制小汽机I的转速，从而调节前置泵5和给水泵4的转速使之满足工况变化要求。
[0077]图9所示的第六实施例与图4所示的第一实施例基本工作原理相同，不同的是，在变频发电机7和小汽机I之间可根据需要选配离合器11。离合器11连接时起到定速比齿轮箱的功能，离合器11断开时，变频发电系统300与背压式小汽机100分离，系统回到如图1所示的现有技术。
[0078]本实用新型针对现有背压式小汽机驱动给水泵技术的节流调速的技术问题，增加与背压式小汽机驱动给水泵组同轴连接的变频发电机，通过控制变频发电机的出力来调节给水泵转速，不但能减少小汽机进汽节流的损失，而且能充分利用小汽机的出力，通过变频发电机多发电，提高电厂的售电收益。
[0079]对I台1000MW超超临界发电机组，采用本实用新型，小汽机的调节阀开度可长期保持在大开度甚至100%全开度，显著减少节流损失，小汽机运行效率提高5%以上，年节约标煤5000吨以上，可大幅降低运行成本，并达到减少污染物排放的综合效益；另外，可充分利用小汽轮机的做功能力，通过变频发电机发电，每年可对外多供电7500万千瓦，直接经济收益1500万元以上。
[0080]在本实用新型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，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，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。
【权利要求】
1.一种变频发电机调速的背压式小汽机驱动给水泵系统，其特征在于，所述系统包括背压式小汽机、给水泵和变频发电机，其中， 所述背压式小汽机、给水泵和变频发电机同轴相连； 通过调节所述变频发电机的输出，从而控制所述背压式小汽机的转速，进而控制所述给水泵的转速。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述背压式小汽机设有进汽管道，所述进汽管道上设有调节阀。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述给水泵和变频发电机分别与所述背压式小汽机两侧的轴端相连。
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，所述的定速比齿轮箱同轴连接于所述背压式小汽机和变频发电机之间。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括前置泵，所述前置泵与所述给水泵连接于所述背压式小汽机的同一轴端，所述前置泵的输入端与所述给水泵的输出端相连。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述给水泵和变频发电机连接于所述背压式小汽机的同一轴端。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括定速比齿轮箱，所述定速比齿轮箱同轴连接于所述给水泵和变频发电机之间。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括前置泵，所述前置泵同轴连接于所述定速比齿轮箱与变频发电机之间。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括前置泵，所述前置泵位于所述变频发电机的外侧，前置泵的输入端与所述变频发电机的输出端相连。
10.一种蒸汽发电机组，其特征在于，所述发电机组配置有权利要求1所述的系统。
【文档编号】F04B49/20GK203394697SQ201320494115
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】申松林, 施刚夜, 叶勇健, 林磊 申请人:中国电力工程顾问集团华东电力设计院