本发明涉及热力发电领域，具体涉及一种二次再热的热力系统。
背景技术：
中间再热是指将在汽轮机高压缸膨胀作功后的蒸汽，送入锅炉的再热器进行再加热，使其温度达到或接近主蒸汽温度，然后再送回汽轮机的中、低压缸继续膨胀作功。再热技术可以增大蒸汽的做功焓降，降低蒸汽膨胀终了湿度，从而提高蒸汽的做功能力和机组的发电效率。中间再热可分为一次再热和二次再热，在相同蒸汽压力温度参数下，二次再热相比一次再热机组热效率提高2％，对应CO2减排约3.6％。国外已有多台超超临界二次再热机组的运行业绩，具有代表性的有日本的川越电厂和丹麦的Nordjylland电厂，验证了二次再热技术的技术经济性和可靠性。然而，采用二次再热后，由于蒸汽过热度大大提高，导致回热抽汽与对应回热器给水的温差过大，造成大量的火用损失。利用外置式蒸汽冷却器可缩小换热温差，但作用非常有限。为此，国内外相关企业和研究团队都在尝试各种解决方案，其中上海电气的BESD透平方案在理论上具有一定的应用前景。该透平方案从超高压缸排汽中分流出一部分蒸汽，进入一台特殊设计的BESD透平膨胀做功，用于驱动给水泵，多余的功率并入厂用电。除氧器和部分高加、低加直接从BESD透平抽汽或利用BESD透平的排汽；由于BESD透平中的蒸汽没有经过再热，避免了二次再热机组的抽汽过热度问题。该方案的最大问题是BESD透平发电量的应用，由于该透平为定频运行，变工况下效率很低，而且将其产生的电能用于给水泵驱动时还需要大功率变频器，不仅设备投资大，而且造成进一步的能量损失。另外，由于变工况下除氧器抽汽点的压力无法保持恒定，还需要通过节流来满足除氧器的要求，火用损失也非常大。
除了上述问题外，大功率汽轮机在高负荷工况下运行时，还存在低压缸末级膨胀不足的问题，严重影响机组的经济性。这是因为，受叶片材料强度所限，汽轮机末级通流面积很难达到高负荷时的最佳值，导致低压缸效率随负荷的增加而降低，并且限制了排汽背压的进一步降低。增加一套低压缸可以解决末级通流面积不足问题，但不仅成本过高，而且转子轴系过于复杂还将导致工作可靠性下降。然而，随着负荷的增加，高、中压缸的效率不断提高，与低压缸的变化趋势正好相反。
因此，目前十分有必要寻找一种高效的二次再热的热力系统。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种二次再热的热力系统，该热力系统通过能量的梯级利用，大幅提高发电机组的经济性；同时，在发电机组负荷变化时保证主机高、中、低压缸都处于较高效率的工况范围内工作，减少厂用电率，提高二次再热的总体工作性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种二次再热的热力系统，该热力系统包括汽轮机、凝汽器、旁路透平、混合驱动透平和高压加热器；所述汽轮机包括超高压缸、高压缸、中压缸和低压缸；所述超高压缸的排汽口分别与所述混合驱动透平和所述高压加热器连接，所述混合驱动透平上设置有抽汽口，所述抽汽口与所述高压加热器连接；所述中压缸的排汽口分别与所述低压缸和所述旁路透平连接，所述旁路透平的排汽口与所述凝汽器连接。
通过本发明的上述技术方案，可以获得以下有益效果：
(1)通过控制旁路透平的抽汽量使主机高、中、低压缸运行于高效区，提高汽轮机主机的能量转化效率；
(2)旁路透平单独设置辅助凝汽器可以降低主凝汽器的背压，提高主机(汽轮机)做功能力，提高机组循环效率；
(3)旁路透平配套的辅助发电机发电并入厂用电系统，降低厂用电率；
(4)旁路透平具备调频功能，通过调整旁路透平的进汽量快速调整主机的功率，从而具备快速调频的功能；
(5)混合驱动透平的排汽回到回热系统，并未进入凝汽器，有效利用了这部分蒸汽的汽化潜热，减少了冷源损失；
(6)混合驱动透平部分回热抽汽未经过再热，过热度减少，损失降低，并且再热后蒸汽主要用于大机做功，热量利用更为有效；
(7)混合驱动透平部分抽汽的过热度减少，降低了相关抽汽管道、阀门、加热器的材料等级，节约了管道、阀门及设备的制造成本；
(8)混合驱动透平设计点选取在部分负荷(通常为70-85％THA工况)处，即机组最常运行的工况，极大的提高了机组的实际运行的经济性；
(9)本发明提供的热力系统通过控制旁路透平、混合驱动透平的运行方式，使汽轮机的高、中、低压缸运行于高效区，极大限度实现机组能量的梯级利用，大幅提高发电机组的经济性。
附图说明
图1是本发明提供的二次再热的热力系统的示意图。
附图标记说明
1 超高压缸 2 高压缸
3 中压缸 4 低压缸
5 主发电机 6 凝汽器
7 旁路透平 8 辅助发电机
9 混合驱动透平 10 变频发动机
11 给水泵 12 高压加热器
13 除氧器 121 一号高压加热器
122 二号高压加热器 123 三号高压加热器
124 四号高压加热器 P1 超高压缸的进汽口
P2 超高压缸的排汽口 P3 中压缸的排汽口
P4 低压缸的进汽口 P5 旁路透平的进汽口
P6 低压缸的排汽口 P7 旁路透平的排汽口
P8 主凝汽器的凝结水出口 P9 辅助凝汽器的凝结水出口
P10 混合驱动透平的排汽口 P11 第一抽汽口
P12 第二抽汽口 P13 第三抽汽口
S1 第一调节阀 S2 第二调节阀
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如图1所示，本发明提供了一种二次再热的热力系统，该热力系统包括汽轮机、凝汽器6、旁路透平7、混合驱动透平9和高压加热器12；所述汽轮机包括超高压缸1、高压缸2、中压缸3和低压缸4；所述超高压缸1的排汽口P2分别与所述混合驱动透平9和所述高压加热器12连接，所述混合驱动透平9上设置有抽汽口，所述抽汽口与所述高压加热器12连接；所述中压缸3的排汽口P3分别与所述低压缸4和所述旁路透平7连接，所述旁路透平7的排汽口P7与所述凝汽器6连接。
在本发明中，所述热力系统还包括锅炉和主发电机5，所述锅炉、所述汽轮机和所述主发电机5依次相连，优选地，所述锅炉与所述超高压缸1连接，所述低压缸4的功率输出至所述主发电机5。
在本发明中，根据内部压力等级的不同和进汽的先后顺序，所述汽轮机包括依次连接的超高压缸1、高压缸2、中压缸3和低压缸4；优选地，所述超高压缸1、所述高压缸2、所述中压缸3和所述低压缸4依次通过单轴连接。
根据本发明，所述凝汽器6的凝结水出口排出的凝结水经除氧器13后通过给水泵11被输送至所述高压加热器12，优选地，所述凝汽器6的凝结水出口通过管道与所述除氧器13连接，所述凝结水通过管道被输送至所述除氧器13，然后通过给水泵11被输送至所述高压加热器12。
根据本发明，所述混合驱动透平9的排汽口P10与所述除氧器13连接；优选地，所述混合驱动透平9在运行过程中产生的乏汽经所述排汽口P10通过管道被输送至所述除氧器13中。
在本发明中，所述混合驱动透平9的排汽口P10的压力大于等于所述除氧器13的压力；优选地，所述混合驱动透平9的排汽口P10的压力不随工况变化。
根据本发明，所述混合驱动透平9输出的功率可以被用于为所述给水泵11供能。优选地，所述混合驱动透平9输出的功率小于等于所述给水泵11的功率；更优选地，所述混合驱动透平9与变频电动机10连接，以共同为所述给水泵11供能。进一步优选地，所述混合驱动透平9输出的功率小于所述给水泵11的功率，在运行中所述给水泵11的功率不足部分由所述变频电动机10驱动。
根据本发明，所述热力系统包括至少一个高压加热器12，优选包括4-6个高压加热器12，且各高压加热器12依次连接。优选地，所述高压加热器12与所述混合驱动透平9的抽汽口连接。更优选地，所述混合驱动透平9上的抽汽口个数小于等于所述高压加热器12的个数。进一步优选地，所述混合驱动透平9上设置有至少一个抽汽口，优选为4-6个抽汽口。再进一步优选地，各抽汽口分别与所述高压加热器12相对应。
在本发明的一种优选的实施方式中，如图1所示，所述热力系统包括4个依次相连的所述高压加热器12，分别为一号高压加热器121、二号高压加热器122、三号高压加热器123和四号高压加热器124，所述四号高压加热器124与所述给水泵11相连，且所述凝汽器6产生的凝结水经除氧器13除氧后，通过给水泵11输入至四号高压加热器124，然后依次通过三号高压加热器123、二号高压加热器122和一号高压加热器121，所述一号高压加热器121排出的给水回至锅炉循环使用。更优选地，所述混合驱动透平上设置3个抽汽口，分别为抽汽口P11、抽汽口P12和抽汽口P13，且它们分别各自与所述二号高压加热器122、三号高压加热器123和四号高压加热器124连接，使得所述混合驱动透平9的蒸汽通过各抽汽口分别被输送至各自相连接的高压加热器，以达到供热的目的。进一步优选地，所述一号高压加热器121与所述超高压缸1的排汽口P2连接，以利用由所述超高压缸1产生的蒸汽进行供热，特别地，当所述二号高压加热器122、三号高压加热器123和四号高压加热器124的抽汽量不足时，可以由一号高压加热器121补充。
根据本发明，所述旁路透平7的功率输出至辅助发电机8；优选地，所述辅助发电机8)与辅助配电设备相连并用于给所述辅助配电设备供电；更优选地，所述辅助配电设备包括变频电动机10、凝结水泵、风机(包括送风机、引风机、一次风机等)、真空泵和环保装置中的至少一种。
根据本发明，所述凝汽器6优选包括主凝汽器61和辅助凝汽器62，所述低压缸4的排汽口P6与所述主凝汽器61连接，所述旁路透平7的排汽口与所述辅助凝汽器62连接。更优选地，所述主凝汽器61的凝结水出口P8和所述辅助凝汽器62的凝结水出口P9与相同凝结水管道连接，所述凝结水管道与所述除氧器13连接。
根据本发明，所述中压缸3的排汽口P3与所述旁路透平7的进汽口P5之间设置有第一调节阀S1，所述第一调节阀S1用于调节所述旁路透平7的进汽压力。
在本发明的一种优选的实施方式中，当机组的负荷变化时，通过所述第一调节阀S1调整所述旁路透平7的进汽量，以维持所述汽轮机的超高压缸1、高压缸2、中压缸3和低压缸4能够在较高的效率范围内工作；另外，通过所述第一调节阀S1调整所述旁路透平的进汽量还可以快速调整所述汽轮机的功率，从而具备快速调频的功能。
根据本发明，所述超高压缸1的排汽口P2与所述混合驱动透平9的进汽口之间设置有第二调节阀S2，所述第二调节阀S2用于调节所述混合驱动透平9的进汽压力。
在本发明的一种优选的实施方式中，当机组的负荷减少时，所述混合驱动透平9的进汽压力、所述给水泵11的功耗和转速都随负荷的下降而降低，每一级的压降、焓降和各高压加热器12的抽汽量也随转速和总压降的降低而同步减少，此时只需要对所述第二调节阀S2进行微量调节就可以维持所述混合驱动透平9的排汽压力的恒定；在运行中优先满足给水泵11的功耗和所述混合驱动透平9的背压。
根据本发明，所述旁路透平7优选为纯凝式透平；更优选地，所述混合驱动透平9为抽背式透平。
本发明还提供了上述热力系统的控制方法，该控制方法包括：
(1)在低负荷条件(例如，通常低于70％额定负荷)下，通过所述第一调节阀S1将所述旁路透平关闭，以保证所述低压缸4在此工况下的蒸汽流量与最佳工况下的蒸汽流量较为接近；所述混合驱动透平9的经济工况为汽轮机的年平均工况对应的给水泵功率，并且，在低负荷工况下，可以由所述混合驱动透平9直接驱动给水泵11，从而降低厂用电流；
(2)在高负荷条件(例如，通常高于75％额定负荷)下，通过调节所述第一调节阀S1控制所述旁路透平7的进汽量，使汽轮机的超高压缸1、高压缸2、中压缸3和低压缸4均处于高效区；并且，启动变频电动机10，与所述混合驱动透平9共同驱动给水泵运行，以在机组负荷工况的变化中维持所述混合驱动透平9的功率不变。
在本发明中，术语“低负荷条件”通常指低于70％额定负荷，但是可以根据各种汽轮机机型的最佳工况点进行适当地调整。
在本发明中，术语“高负荷条件”通常指高于75％额定负荷，但是可以根据各种汽轮机机型的最佳工况点进行适当地调整。
优选地，所述旁路透平7在调整进汽量的同时，汽轮机的功率维持不变，从而间接改变了汽轮机的超高压缸1、高压缸2、中压缸3和低压缸4的进汽量。例如，结合制造厂提供的某台亚临界600MW汽轮机性能特性曲线，由热平衡计算得出：在高负荷工况下，随着旁路透平7的进汽量上升，高压缸2和中压缸3的进汽量呈上升趋势，低压缸4的进汽量呈下降趋势，从而导致汽轮机的高压缸2的效率上升，中压缸3的效率基本不变，低压缸4的效率上升，从而有效的避免了由于流量过大造成低压缸膨胀不足的现象发生。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本发明提供的二次再热的热力系统的布置如附图1所示。该热力系统主要包括凝汽器6(优选包括主凝汽器61和辅助凝汽器62)、旁路透平7、混合驱动透平9、4个高压加热器(分别为一号高压加热器121、二号高压加热器122、三号高压加热器123和四号高压加热器124)以及依次连接的锅炉、汽轮机(包括依次连接的超高压缸1、高压缸2、中压缸3和低压缸4)和主发电机5，其中，锅炉产生的蒸汽通过超高压缸1的进汽口P1进入超高压缸1，低压缸4产生的功率输出至主发电机5以用于各配电设备(如汽轮机等)供电，低压缸4的排汽通过低压缸的排汽口P6排出，然后输送至主凝汽器61，形成凝结水，经管道输送至除氧器13除氧后，经给水泵11泵入四号高压加热器124，然后依次通过三号、二号和一号高压加热器加热后回至回热系统。
汽轮机的中压缸3的排汽经中压缸的排汽口P3排出，然后分别通过低压缸的进汽口P4进入低压缸4和旁路透平的进汽口P5进入旁路透平7，旁路透平7的排汽口P7与辅助凝汽器6连接，辅助凝汽器6产生的凝结水经辅助凝汽器的凝结水出口P9排出，然后与由主凝汽器的凝结水出口P8排出的凝结水共同输入除氧器13。并且，旁路透平7产生的功率被输出至辅助发电机8，以用于各配电设备的供电(如变频电动机10等)。
汽轮机的超高压缸1除了进入一号高压加热器121外，还有部分排汽进入混合驱动透平9，经第二调节阀S2后进入混合驱动透平9膨胀做功，乏汽通过排汽口P10直接排入除氧器13。混合驱动透平9设置了3个非调整抽汽口，分别为二号、三号和四号高压加热器供汽；并且，混合驱动透平9直接驱动给水泵11，根据给水泵11的性能需要变转速运行。混合驱动透平9的经济工况为主机(汽轮机)年平均工况对应的给水泵功率，并且，混合驱动透平9的功率在任何工况下都不超过给水泵的功耗，在运行中功率不足部分由变频电动机10驱动。混合驱动透平9的排汽压力等于或略高于除氧器13的压力，且不随工况变化。
在高负荷条件(高于75％额定负荷)下，通过调节所述第一调节阀S1控制所述旁路透平7的进汽量，使汽轮机的超高压缸1、高压缸2、中压缸3和低压缸4均处于高效区；并且，启动变频电动机10，与所述混合驱动透平9共同驱动给水泵运行，以在机组负荷工况的变化中维持所述混合驱动透平9的功率不变。
在低负荷条件(低于70％额定负荷)下，通过所述第一调节阀S1将所述旁路透平关闭，以保证所述低压缸4在此工况下的蒸汽流量与最佳工况下的蒸汽流量较为接近；所述混合驱动透平9的经济工况为汽轮机的年平均工况对应的给水泵功率，并且，在低负荷工况下，可以由所述混合驱动透平9直接驱动给水泵11，从而降低厂用电流。
本发明提供的上述二次再热的热力系统，主要包括汽轮机、旁路透平和混合驱动透平，通过汽轮机、旁路透平和混合驱动透平之间的合理匹配和运行优化，使汽轮机在不同工况下的高、中、低压缸均处于高效区，最大限度地实现能量的梯级利用，大幅提高发电机组的经济性。
与常规二次再热技术(即，未引入旁路透平7、辅助凝汽器62、混合驱动透平9和变频电动机10的热力系统)相比：
1)混合驱动透平9比常规给水泵小汽轮机效率提高达5％以上；
2)高压缸相对内效率上升约0.6％，低压缸相对内效率上升约0.3％；
3)主凝汽器热负荷降低，主机(汽轮机)背压降低约0.3kPa；
4)机组热耗降低约68.2kJ/kWh，煤耗降低2.6g/kWh以上；
5)机组厂用电率下降约4～5％。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。