联合循环热电联供系统及其高排抽汽控制方法与流程

本发明涉及汽轮机技术领域，尤其涉及一种联合循环热电联供系统及其高排抽汽控制方法。

背景技术：

汽轮机是电站建设中的关键动力设备之一，是把热能转换成机械能进而转换成电能的能量转换装置。由锅炉产生的高温、高压蒸汽，经过蒸汽透平，将热能与压力势能转换成汽轮机的机械能，带动汽轮机转子输出轴做功，该机械能通过汽轮机转子输出轴传递给发电机，从而将机械能转换成电能。

燃气-蒸汽联合循环是指将燃气轮机作为前置透平，用余热锅炉来回收燃气轮机的排气余热，产出若干档新蒸汽注入汽轮机，蒸汽在汽轮机中膨胀做功并输出电能。燃气-蒸汽联合循环把具有较高平均吸热温度的燃气轮机与具有较低平均放热温度的蒸汽轮机结合起来，使燃气轮机的高温尾气进入余热锅炉产生蒸汽，并使蒸汽在汽轮机中继续做功发电，达到扬长避短、相互弥补的目的，使整个联合循环的热能利用水平较简单循环有了明显提高。联合循环发电的净效率可达48％～62％。

目前常用的联合循环系统有如E级联合循环电站广泛采用的双压、无再热系统和F级联合循环电站所采用的三压、再热系统。前者发电净效率在50％左右，后者发电净效率在58％以上。此外，还有发电效率在60％以上的H级联合循环系统。热电(冷)联产，是指在汽轮机的通流内部合适的位置处抽出一部分蒸汽用于工业用汽，初衷是实现能源的合理的梯度利用，热电联产的联合循环效率能够达到70％以上。

但是，现有的热电联合循环系统的抽汽工况仍然存在机组内效率偏低、高品质能源浪费的问题，亟需一种适用于高排抽汽系统的抽汽控制和保护方法，以提高机组内效率、减少高品质能源浪费。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高机组内效率、减少高品质能源浪费的联合循环热电联供系统及其高排抽汽控制方法，以克服现有技术的上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种联合循环热电联供系统的高排抽汽控制方法，在高压缸的排汽口处设置高压排汽压力测点，在抽汽管道上抽汽调节阀后设置抽汽压力测点，在中压进汽管道上中压进汽阀组前设置中压进汽压力测点；在抽汽工况下，由热网的供热需求确定抽汽压力设定值，由高压排汽测点处测得的实际压力值确定中压进汽压力设定值，控制系统根据抽汽压力设定值及抽汽压力测点处测得的实际压力值对抽汽调节阀的开度进行调节和/或根据中压进汽压力设定值及中压进汽压力测点处测得的实际压力值对中压进汽阀组的开度进行调节，使抽汽压力测点处的实际压力值达到抽汽压力设定值。

优选地，设定中压进汽压力保护值，中压进汽压力设定值不小于中压进汽压力保护值；当中压进汽压力测点处测得的实际压力值下降至中压进汽压力保护值时，中压进汽阀组的开度为抽汽工况下的最小保护开度，且不再继续减小。

优选地，进入抽汽工况后，先增大抽汽调节阀的开度，在抽汽调节阀的开度增大至最大开度后，先提高燃气轮机负荷，再在燃气轮机负荷提高至最大负荷后减小中压进汽阀组的开度，直至抽汽压力测点处测得的实际压力值达到抽汽压力设定值。

优选地，进入抽汽工况后，先增大抽汽调节阀的开度，在抽汽调节阀的开度增大至最大开度后，先减小中压进汽阀组的开度，再在中压进汽阀组的开度减小至最小保护开度后提高燃气轮机负荷，直至抽汽压力测点处测得的实际压力值达到抽汽压力设定值。

优选地，设定高压排汽压力最低值，当高压排汽测点处测得的实际压力值下降至高压排汽压力最低值且抽汽压力测点处的实际压力值未达到抽汽压力设定值时，提高燃气轮机负荷或逐渐关闭中压进汽阀组。

优选地，高压排汽压力测点、抽汽压力测点和中压进汽压力测点分别设有三个。

优选地，控制系统对抽汽调节阀的开度调节采用比例积分调节，控制系统对中压进汽阀组的开度调节采用比例有差调节。

优选地，在中压过热器与再热器之间的连接管道上设有保压阀，控制系统根据中压汽包压力变化率的控制变量和中压汽包压力值的控制变量中的较大值对保压阀的开度进行调节，以抽汽调节阀的阀位信号作为保压阀开度调节的前馈信号。

为了解决上述技术问题，本发明还采用如下技术方案：一种联合循环热电联供系统，包括高压缸、中压缸、低压缸、再热器和控制系统，高压缸的排汽口通过高压排汽管道与再热器的入口连通，在高压排汽管道上设有通往热网的抽汽管道，抽汽管道上设有抽汽调节阀；再热器的出口通过中压进汽管道与中压缸的进汽口连通，中压进汽管道上设有中压进汽阀组；高压缸的排汽口处设有高压排汽压力测点，抽汽管道上在抽汽调节阀后设有抽汽压力测点，中压进汽管道上在中压进汽阀组前设有中压进汽压力测点；抽汽调节阀、中压进汽阀组、高压排汽压力测点、抽汽压力测点和中压进汽压力测点均与控制系统连接。

优选地，还包括中压汽包和中压过热器，中压汽包、中压过热器和再热器依次连接，在中压过热器与再热器之间的连接管道上设有保压阀，保压阀与控制系统连接。

与现有技术相比，本发明具有显著的进步：在高压缸的排汽口处、抽汽管道上抽汽调节阀后以及中压进汽管道上中压进汽阀组前分别设置压力测点，由控制系统根据抽汽压力设定值、中压进汽压力设定值以及三处压力测点测得的实际压力值分别对抽汽调节阀和中压进汽阀组的开度进行调节，通过其中之一或者两者的相互配合实现可调整抽汽，最终使得抽汽压力测点处的实际压力值与抽汽压力设定值相等，即与热网的需求蒸汽压力值相等，从而满足热网的供热需求。能够有效提高机组内效率、减少高品质能源浪费。

附图说明

图1是本发明实施例的联合循环热电联供系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的抽汽调节阀开度调节的控制原理图。

图3是本发明实施例的中压进汽阀组开度调节的控制原理图。

图4是本发明实施例的保压阀开度调节的控制原理图。

图中：

1、再热器 2、中压过热器 3、中压汽包

4、中压进汽阀组 5、抽汽调节阀 6、保压阀

7、热网 HP、高压缸 IP、中压缸

P1、高压排汽压力测点 P2、抽汽压力测点 P3、中压进汽压力测点

100、高压排汽管道 200、中压进汽管道 300、抽汽管道

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的一种联合循环热电联供系统。本实施例的联合循环热电连供系统包括余热锅炉、高压缸HP、中压缸IP、低压缸(图中未示出)以及控制系统，余热锅炉包括高压系统、中压系统和低压系统。燃气轮机的排烟通过燃气轮机排烟管路进入余热锅炉，使高压系统、中压系统和低压系统分别产生三股蒸汽：高压蒸汽、中压蒸汽和低压蒸汽，分别注入高压缸HP、中压缸IP、低压缸中。

其中，中压系统包括再热器1、中压过热器2和中压汽包3，中压汽包3、中压过热器2和再热器1依次连接，高压缸HP的排汽口通过高压排汽管道100与再热器1的入口连通，高压缸HP的排汽口排出的高排蒸汽(即冷再热蒸汽)经高压排汽管道100通入再热器1中进行再加热。再热器1的出口通过中压进汽管道200与中压缸IP的进汽口连通，再热器1中产生的热再热蒸汽经中压进汽管道200通入中压缸IP内。在中压缸IP的进汽口上设有中压进汽阀组4，中压进汽阀组4包括一中压主汽阀和一中压调节阀，用于控制和调节热再热蒸汽的进汽量。在高压排汽管道100上设有通往热网7的抽汽管道300，用于抽取高压排汽管道100中的部分高排蒸汽，并将抽取的高排蒸汽通入热网7中以为热网7供热。在抽汽管道300上设有抽汽调节阀5，用于控制和调节抽汽管道300抽取的高排蒸汽的流量。由抽汽调节阀5和中压进汽阀组4的相互配合，可对抽汽管道300与高压排汽管道100中的高排蒸汽流量分配进行调节和控制，实现可调整抽汽。抽汽调节阀5和中压进汽阀组4均与控制系统连接，由控制系统对抽汽调节阀5和中压进汽阀组4的开度大小进行调节，从而实现可调整抽汽的自动控制。

在本实施例中，如图1所示，在高压缸HP的排汽口处设置高压排汽压力测点P1，高压排汽压力测点P1与控制系统连接，用于测量高压缸HP排汽口处的实际高压排汽压力值，并将该实际高压排汽压力值信号发送给控制系统。

在抽汽管道300上设置抽汽压力测点P2，抽汽压力测点P2位于抽汽调节阀5后，抽汽压力测点P2与控制系统连接，用于在抽汽工况下测量抽汽管道300中经抽汽调节阀5后的蒸汽的实际压力值，即为送入热网7的蒸汽的实际压力值，并将该实际压力值信号发送给控制系统。由热网7的供热需求可以确定与抽汽压力测点P2相对应的抽汽压力设定值，控制系统可根据该抽汽压力设定值及抽汽压力测点P2处测得的实际压力值向抽汽调节阀5发出开度调节信号，抽汽调节阀5接收并响应于该开度调节信号调节开度，使抽汽压力测点P2处测得的实际压力值与抽汽压力设定值相等。

在中压进汽管道200上设置中压进汽压力测点P3，中压进汽压力测点P3位于中压进汽阀组4前，中压进汽压力测点P3与控制系统连接，用于测量中压进气管道200上中压进汽阀组4前的蒸汽的实际压力值，并将该实际压力值信号发送给控制系统。由于中压进汽阀组4前所需的中压进汽压力值与高压缸HP的实际高压排汽压力值成对应关系，因此在抽汽工况下，由高压排汽测点P1处测得的实际压力值确定与中压进汽压力测点P3相对于的中压进汽压力设定值。控制系统可根据该中压进汽压力设定值及中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值向中压进汽阀组4发出开度调节信号，中压进汽阀组4接收并响应于该开度调节信号调节开度，使中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值与中压进汽压力设定值相等。

优选地，本实施例中的高压排汽压力测点P1、抽汽压力测点P2和中压进汽压力测点P3分别设有三个，其测得的结果均发送给控制系统，由控制系统采用“三取二”的方法进行筛选，由此可增加实际测量结果的准确性和可靠性。

进一步，本实施例在中压过热器2与再热器1之间的连接管道上设有保压阀6，保压阀6与控制系统连接，由控制系统对保压阀6的开度进行调节。

如图1至图4所示，本发明实施例还提供了一种联合循环热电联供系统的高排抽汽控制方法，用于实现本实施例的上述联合循环热电联供系统可调整抽汽的自动控制。本实施例的高排抽汽控制方法可以由控制系统分别对抽汽调节阀5和中压进汽阀组4的开度进行调节，通过其中之一或者两者的相互配合实现可调整抽汽，最终使得抽汽压力测点P2处的实际压力值与抽汽压力设定值相等，即与热网7的需求蒸汽压力值相等，从而满足热网7的供热需求。

在抽汽工况中，可以通过增大抽汽调节阀5的开度来增加抽汽流量，在此过程中，高压缸HP排汽口处的实际高压排汽压力值将有所下降。为了避免高压缸HP排汽口处的实际高压排汽压力值下降至低于高压缸HP压比保护曲线的范围，本实施例中设定了高压排汽压力最低值，该高压排汽压力最低值为高压缸HP排汽口处的实际高压排汽压力值能够满足高压缸HP压比保护曲线的最小值。若抽汽工况中出现高压排汽测点P1处测得的实际压力值下降至高压排汽压力最低值，而抽汽压力测点P2处测得的实际压力值仍未达到抽汽压力设定值的情况，可以提高燃气轮机负荷或逐渐关闭中压进汽阀组4，以继续增加抽汽压力测点P2处的实际压力，同时使高压缸HP排汽口处的实际高压排汽压力值不低于高压排汽压力最低值，从而使汽轮机机组正常运行的同时也能够满足热网7的抽汽需求。

在抽汽工况中，也可以通过减小中压进汽阀组4的开度来增加抽汽流量，在此过程中，中压进汽阀组4前的进汽压力逐渐减小。为了保证机组安全，中压进汽阀组4前的进汽压力不能过小，因此本实施例中设定一中压进汽压力保护值，该中压进汽压力保护值能够满足中压缸IP的最小通流量。中压进汽压力测点P3处的中压进汽压力设定值不能小于该中压进汽压力保护值。因此，当中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值下降至中压进汽压力保护值时，中压进汽阀组4的开度为抽汽工况下的最小保护开度并不再继续减小。

实际应用中，在纯凝工况下，抽汽调节阀5关闭，中压进汽阀组4根据联合循环的工况按实际情况开启，机组的控制和保护方式与常规的纯凝机组一样，抽汽调节阀5的设置也不会对机组造成能量损失，保证了机组效率。

由纯凝工况进入抽汽工况时，若热网7需求的抽汽量很小，仅通过抽汽调节阀5即可实现去热网2的抽汽流量调节，此时中压进汽阀组4正常开启且不必参与抽汽流量调节。开启抽汽调节阀5，由控制系统根据抽汽压力设定值及抽汽压力测点P2处测得的实际压力值对抽汽调节阀5的开度进行调节，使抽汽调节阀5的开度逐渐增大，直至抽汽压力测点P2处测得的实际压力值与抽汽压力设定值相等，以满足热网7的抽汽需求。

若热网7需求的抽汽量较大，仅通过抽汽调节阀5不能满足去热网7的抽汽流量调节，此时可使中压进汽阀组4参与抽汽流量调节，通过抽汽调节阀5和中压进汽阀组4的相互配合，实现可调整抽汽。优选地，在本实施例中，在进入抽汽工况时，先由高压排汽测点P1处测得的实际压力值确定中压进汽压力测点P3处的中压进汽压力设定值，并由控制系统根据中压进汽压力设定值及中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值向中压进汽阀组4发出开度调节信号，中压进汽阀组4接收并响应于该开度调节信号调节开度，使中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值与中压进汽压力设定值保持一致。然后由热网7的供热需求确定抽汽压力测点P2处的抽汽压力设定值，开启抽汽调节阀5，并由控制系统根据抽汽压力设定值及抽汽压力测点P2处测得的实际压力值向抽汽调节阀5发出开度调节信号，抽汽调节阀5接收并响应于该开度调节信号调节开度，以控制抽汽流量。在抽汽流量的控制过程中，先通过增大抽汽调节阀5的开度，提高抽汽压力测点P2处的实际压力，增加抽汽流量。若抽汽调节阀5的开度的开度增大至最大开度后，抽汽压力测点P2处测得的实际压力值仍未达到抽汽压力设定值，可通过如下两种方法中的一种来继续增加抽汽压力测点P2处的实际压力。

一种为：先提高燃气轮机负荷，以继续增加抽汽压力测点P2处的实际压力。若燃气轮机负荷提高至最大负荷后，抽汽压力测点P2处测得的实际压力值仍未达到抽汽压力设定值，再通过减小中压进汽阀组4的开度来继续增加抽汽压力测点P2处的实际压力。此时需根据高压排汽测点P1处测得的实际压力值再次确定中压进汽压力测点P3处的中压进汽压力设定值，并由控制系统根据中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值向中压进汽阀组4发出开度调节信号，中压进汽阀组4接收并响应于该开度调节信号调节开度，使得中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值与再次确定的中压进汽压力设定值保持一致。在此过程中，中压进汽阀组4的开度逐渐减小，抽汽压力测点P2处的实际压力逐渐增加，直至抽汽压力测点P2处测得的实际压力值达到抽汽压力设定值。当热网7的抽汽需求量减少时，则可增大中压进汽阀组4的开度来降低抽汽压力测点P2处的实际压力。

另一种为：先通过减小中压进汽阀组4的开度来继续增加抽汽压力测点P2处的实际压力，根据高压排汽测点P1处测得的实际压力值再次确定中压进汽压力测点P3处的中压进汽压力设定值，并由控制系统根据中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值向中压进汽阀组4发出开度调节信号，中压进汽阀组4接收并响应于该开度调节信号调节开度，使得中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值与再次确定的中压进汽压力设定值保持一致。在此过程中，中压进汽阀组4的开度逐渐减小，抽汽压力测点P2处的实际压力逐渐增加。当中压进汽压力测点P3处测得的实际压力值下降至中压进汽压力保护值时，中压进汽阀组4的开度为最小保护开度而不能再继续减小。若此时抽汽压力测点P2处测得的实际压力值仍未达到抽汽压力设定值，再通过提高燃气轮机负荷来继续增加抽汽压力测点P2处的实际压力，直至抽汽压力测点P2处测得的实际压力值达到抽汽压力设定值。同样的，当热网7的抽汽需求量减少时，可增大中压进汽阀组4的开度来降低抽汽压力测点P2处的实际压力。

在本实施例中，抽汽压力测点P2设置在抽汽调节阀5后，管路容积小、系统响应快，因此抽汽调节阀5的开度调节采用比例积分调节，其控制原理如图2所示。根据热网7的供热需求确定抽汽压力设定值，以该抽汽压力设定值作为比例-积分-微分控制器PID输入的设定值，从三个抽汽压力测点P2中选取两个作为比例-积分-微分控制器PID输入的测量值。当三个抽汽压力测点P2中有一个故障时，控制系统发出报警；当三个抽汽压力测点P2中有两个或三个故障时，控制系统发出抽汽保护动作信号，抽汽调节阀5接收并响应于该抽汽保护动作信号关闭，切除抽汽动作。当抽汽调节投入时，比例-积分-微分控制器PID的输出乘以比例系数K后的值作为抽汽调节阀5的开度调节信号发送至抽汽调节阀5，抽汽调节阀5接收并响应于该开度调节信号调节开度；当抽汽保护动作、切除抽汽动作、停机或超速保护动作其中一种或几种发生时，比例-积分-微分控制器PID输出常数值0作为抽汽调节阀5的开度调节信号发送至抽汽调节阀5，抽汽调节阀5接收并响应于该开度调节信号关闭。

中压进汽阀组4则需考虑余热锅炉的管路容积，测点响应慢，因此中压进汽阀组4的开度调节采用比例有差调节，可防止中压进汽阀组4来回波动，避免引起余热锅炉中压汽包3水位波动或汽轮机负荷的变动。中压进汽阀组4开度调节控制原理如图3所示。在抽汽工况时，根据高压排汽测点P1处测得的实际压力值确定中压进汽压力测点P3处的中压进汽压力设定值，中压进汽压力设定值不小于中压进汽压力保护值。当抽汽工况未投入时，中压进汽压力设定值来源于运行人员手动设定或锅炉协调系统(CCS)。以中压进汽压力设定值作为比例控制器SUB输入的设定值，从三个中压进汽压力测点P3中选取两个作为比例控制器SUB输入的测量值。当三个中压进汽压力测点P3中有一个故障时，控制系统发出报警；当三个中压进汽压力测点P3中有两个或三个故障时，控制系统发出抽汽保护动作信号，抽汽调节阀5接收并响应于该抽汽保护动作信号关闭。当抽汽工况投入且未发生停机或超速保护动作时，比例控制器SUB的输出乘以比例系数K后的值作为中压进汽阀组4的开度调节信号发送至中压进汽阀组4，中压进汽阀组4接收并响应于该开度调节信号调节开度；当发生停机或超速保护动作时，比例控制器SUB输出常数值0作为中压进汽阀组4的开度调节信号发送至中压进汽阀组4，中压进汽阀组4接收并响应于该开度调节信号关闭。

进一步，本实施例在中压过热器2与再热器1之间的连接管道上设有保压阀6，控制系统可根据中压汽包3压力变化率的控制变量和中压汽包3压力值的控制变量中的较大值对保压阀6的开度进行调节。优选地，可以以抽汽调节阀5的阀位信号作为保压阀6开度调节的前馈信号。通过设置保压阀6并由控制系统对保压阀6的开度进行控制调节，可以减缓抽汽量大大幅度变化对中压汽包3的压力和水位造成的影响，防止中压汽包3产生较大的压力和水位波动。

保压阀6开度调节控制原理如图4所示，本实施例采用分散控制系统(DCS)对保压阀6的开度调节进行控制。在机组启停阶段或者抽汽工况未投入时，保压阀6全开，此时不需要对保压阀6的开度进行控制。在抽汽工况中，若抽汽量有变化，需要对保压阀6的开度进行控制。同时以中压汽包3压力变化率和中压汽包3压力值作为控制对象，以余热锅炉负荷作为中压汽包3压力值的补偿信号，以抽汽调节阀5的阀位信号作为前馈信号，获得中压汽包3压力变化率的控制变量和中压汽包3压力值的控制变量，取两者中的较大值作为保压阀6的开度调节信号发送至保压阀6，保压阀6接收并响应于该开度调节信号调节开度，使中压汽包3压力变化率和中压汽包3压力值在设定范围之内。在余热锅炉停炉设定时间后，控制系统发出停炉设定时间动作信号，保压阀6接收并响应于该信号关闭。

综上所述，本实施例的联合循环热电联供系统及其高排抽汽控制方法，在高压缸HP的排汽口处、抽汽管道300上抽汽调节阀5后以及中压进汽管道200上中压进汽阀组4前分别设置压力测点，由控制系统根据抽汽压力设定值、中压进汽压力设定值以及三处压力测点测得的实际压力值分别对抽汽调节阀5和中压进汽阀组4的开度进行调节，通过其中之一或者两者的相互配合实现可调整抽汽，最终使得抽汽压力测点P2处的实际压力值与抽汽压力设定值相等，即与热网7的需求蒸汽压力值相等，从而满足热网7的供热需求。能够有效提高机组内效率、减少高品质能源浪费。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。