一种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统及方法与流程

本发明涉及蒸汽涡轮增压器领域，尤其包括一种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统及方法。

背景技术：

热电联产因为其能源利用率高的优势被许多国家积极推广为各国能源战略规划中的重要组成部分。目前我国热电联产的发展特征就是大量对纯凝机组的供热改造，热电联产装机容量和供热量方面已位列世界第一位。总体上讲，我国热电联产大型机组可分为两类：一类是背压机组，即机组完全按照供热需求设计(或改造)；另一类为纯凝/抽凝机组，即纯凝机组改为纯凝/抽凝两用机组。在纯凝机组改造的工业抽汽供热系统中，供热汽源基本都是采用再热冷段、再热热段管段打孔抽汽，普遍存在抽汽压力和温度与供热压力和温度不匹配。火电机组发电负荷较高时抽汽压力和温度高于供热参数，需要采用减温减压器降温降压，利用压力调节阀的节流作用降低供热蒸汽压力，利用喷水减温降低供热蒸汽温度，造成较大的节流损失。火电机组发电负荷较低时，抽汽压力和温度偏低，达不到供热参数要求，一般需要关小汽轮机中压进汽调节阀参与调节，导致火电机组低负荷工况下发电煤耗升高。

为了改善减温减压器以及中压调节阀带来的能源浪费，有些项目采用蒸汽压力匹配器方案或者小型背压汽轮机方案，一定程度上回收了蒸汽中的高品位能量。然而蒸汽压力匹配器在火电机组变工况时经济性变差，甚至完全不能工作。小型背压机在某些场景中的应用受到限制，背压机排汽温度远低于供热蒸汽温度的要求，导致背压机无法使用。蒸汽涡轮增压器由蒸汽压缩机、蒸汽向心涡轮、润滑与密封系统、控制系统等组成，是一种回收高参数蒸汽能量提升低参数蒸汽能量的装置。但蒸汽涡轮增压器相联的汽轮机和外界热用户的参数会发生较大变化，导致蒸汽涡轮增压器旋转速度发生变化，蒸汽涡轮增压器正常设计旋转速度达到2～3万转/分钟，当蒸汽涡轮增压器旋转速度超过一定比例后，会引起蒸汽涡轮增压器超速或者喘振。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统及方法。

这种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统，包括：蒸汽涡轮机、蒸汽压缩机、涡轮主汽调节阀、压缩机可调进口导叶、蒸汽涡轮增压器旁路减压阀、蒸汽涡轮机排汽阀、蒸汽压缩机排汽阀、控制器、蒸汽涡轮进汽压力传感器、蒸汽涡轮机排汽压力传感器、蒸汽压缩机进汽压力传感器、蒸汽压缩机排汽压力传感器、供热联箱蒸汽压力传感器、关断阀、高压蒸汽入口和低压蒸汽入口；

所述高压蒸汽入口与蒸汽涡轮机通过管道相连；高压蒸汽入口与蒸汽涡轮机之间的管道上设有涡轮主汽调节阀；所述蒸汽涡轮机与涡轮主汽调节阀之间设有蒸汽涡轮进汽压力传感器；

所述蒸汽压缩机与低压蒸汽入口通过管道相连；所述蒸汽压缩机与低压蒸汽入口之间按蒸汽压缩机、压缩机可调进口导叶、关断阀、低压蒸汽入口的顺序依次设有压缩机可调进口导叶和关断阀；所述压缩机可调进口导叶和关断阀之间设有蒸汽压缩机进汽压力传感器；

所述蒸汽涡轮机的排气口与蒸汽涡轮机排汽阀相连，蒸汽涡轮机的排气口后设有汽涡轮机排汽压力传感器；所述蒸汽压缩机的排气口与蒸汽压缩机排汽阀相连，蒸汽压缩机的排气口后设有蒸汽压缩机排汽压力传感器；

所述蒸汽涡轮进汽压力传感器、蒸汽涡轮机排汽压力传感器、蒸汽压缩机进汽压力传感器、蒸汽压缩机排汽压力传感器和供热联箱蒸汽压力传感器均与控制器相连。

作为优选，所述供热联箱蒸汽压力传感器设置于供热蒸汽管道上；所述供热蒸汽管道还连接至用户。

作为优选，所述供热联箱蒸汽压力传感器设置于供热联箱上；

所述蒸汽涡轮机与供热联箱通过管道相连；蒸汽涡轮机与供热联箱之间设有蒸汽涡轮机排汽阀，蒸汽涡轮机排汽阀与供热联箱之间设有蒸汽涡轮机排汽压力传感器；

所述供热联箱与高压蒸汽入口通过管道相连，供热联箱与高压蒸汽入口之间设有蒸汽涡轮增压器旁路减压阀；所述供热联箱上设有供热联箱蒸汽压力传感器；所述供热联箱还通过管道连接至用户；

所述供热联箱与蒸汽压缩机通过管道相连；供热联箱与蒸汽压缩机之间设有蒸汽压缩机排汽阀；所述蒸汽压缩机排汽阀与供热联箱之间设有蒸汽压缩机排汽压力传感器。

这种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过涡轮主汽调节阀调节蒸汽涡轮增压器的总输出流量：当总输出流量低于需求流量，或排汽压力低于需求压力时，增加涡轮主汽调节阀的开度，直至涡轮主汽调节阀全开；当总输出流量高于需求流量，或排汽压力高于需求压力时，减小涡轮主汽调节阀的开度，直至全关涡轮主汽调节阀；

步骤2、根据蒸汽涡轮机和蒸汽压缩机的特性曲线得到如下函数关系：

上式中，wt为蒸汽涡轮机的功率，为蒸汽涡轮机的功率函数；πt为蒸汽涡轮机的压比；nt为蒸汽涡轮机的转速；pt,in为蒸汽涡轮机的入口蒸汽压力；pt,out为蒸汽涡轮机的出口蒸汽压力；wc为蒸汽压缩机的功率；为蒸汽压缩机的功率函数；πc为蒸汽压缩机的压比；nc为蒸汽压缩机的转速；pc,in为蒸汽压缩机的入口蒸汽压力；pc,out为蒸汽压缩机的出口蒸汽压力；为蒸汽涡轮机的出口蒸汽流量；ξt为蒸汽涡轮机的流量系数；为蒸汽压缩机的出口蒸汽流量；ξc为蒸汽压缩机的流量系数；

其中有：wt＝wc，nt＝nc，为蒸汽涡轮机的出口蒸汽流量，为蒸汽压缩机的出口蒸汽流量，为旁路蒸汽流量，为减温水流量，为供热流量，nt为蒸汽涡轮机的转速，nc为蒸汽压缩机的转速；可得：

一个蒸汽涡轮增压器在一个工况下对应一个压缩机可调进口导叶的角度，当供热压力p供热、蒸汽压缩机的入口蒸汽压力pt,in和蒸汽压缩机的入口蒸汽压力pc,in发生变化时，蒸汽涡轮增压器通过式(5)工作在一个新的转速下，式(7)将产生不平衡，供热联箱的压力产生变化；通过调整pt,in将流量调整平衡，将转速匹配到新值；若转速超出20000～30000r/min，调整压缩机可调进口导叶或者涡轮主汽调节阀，得到一组新的蒸汽压缩机的功率函数和蒸汽涡轮机的功率函数ξc，使式(5)和式(7)同时成立；当火电机组深度调峰时，超出蒸汽涡轮增压器自身的调节范围时，通过式(6)中的调节蒸汽涡轮增压器旁路减压阀；

步骤3、通过设置涡轮主汽调节阀和压缩机可调进口导叶协同控制蒸汽涡轮增压器的转速：

通过压缩机可调进口导叶调节蒸汽涡轮增压器的转速：当实际转速低于需求转速区间时，减小压缩机可调进口导叶的开度，从而增加转速；当实际转速高于需求转速时，增加压缩机可调进口导叶的开度，从而降低转速；

当压缩机可调进口导叶的开度已开至最大，实际转速达到控制转速需求区间的上限时，限制涡轮主汽调节阀继续增加开度的动作；当压缩机可调进口导叶的开度已开至最大，实际转速仍然超过控制转速需求区间时，减小涡轮主汽调节阀的开度；控制蒸汽涡轮增压器的转速在合理的区间当压缩机可调进口导叶的开度已开至最小,实际转速在控制转速需求区间的下限时，限制涡轮主汽调节阀的继续减小开度的动作；

当压缩机可调进口导叶的开度已开至最小，实际转速仍小于控制转速需求区间时，减小涡轮主汽调节阀的开度或停运蒸汽涡轮增压器；控制蒸汽涡轮增压器的转速在合理的区间；

步骤4、控制器通过pid控制各项蒸汽参数：蒸汽涡轮机的入口蒸汽压力pt,in、蒸汽涡轮机的出口蒸汽压力pt,out、蒸汽压缩机的入口蒸汽压力pc,in和蒸汽压缩机的出口蒸汽压力pc,out，实现蒸汽涡轮增压器主动适应高压蒸汽、低压蒸汽、供热蒸汽压力变化和供热流量变化。

一种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统在解决供热联箱蒸汽压力波动、发电机组汽轮机深度调峰引起高压蒸汽压力降低、压缩机喘振和蒸汽涡轮增压器超速问题中的应用。

本发明的有益效果是：本发明采用涡轮主汽调节阀与压缩机可调进口导叶协同调节控制蒸汽涡轮增压器的转速，实现蒸汽涡轮增压器自适应高压蒸汽、低压蒸汽、供热蒸汽参数变化以及供热流量变化，保证蒸汽涡轮增压器变工况安全稳定高效运行。

附图说明

图1为一种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统的示意图；

图2为蒸汽涡轮增压器的结构示意图；

附图标记说明：蒸汽涡轮机1、蒸汽压缩机2、供热联箱3、涡轮主汽调节阀4、压缩机可调进口导叶5、蒸汽涡轮增压器旁路减压阀6、蒸汽涡轮机排汽阀7、蒸汽压缩机排汽阀8、控制器9、蒸汽涡轮进汽压力传感器10、蒸汽涡轮机排汽压力传感器11、蒸汽压缩机进汽压力传感器12、蒸汽压缩机排汽压力传感器13、供热联箱蒸汽压力传感器14、关断阀15、扩压器16、离心压缩机后端盖17、离心压缩机进气道18、压缩机蒸汽进口19、离心压缩机叶轮20、定位卡环21、浮动轴承22、蒸汽径向透平叶轮23、涡轮机蒸汽出口24、密封环25、蒸汽径向透平蜗壳26、涡轮机蒸汽进口27、压缩机蒸汽出口28。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

蒸汽涡轮增压器是一种回收高参数蒸汽能量提升低参数蒸汽能量的装置，由蒸汽压缩机、蒸汽涡轮机、润滑与密封系统、控制系统等组成。

用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统，当蒸汽增压器工作时，高压蒸汽推动涡轮旋转，涡轮与压缩机同轴联接，带动压缩机旋转，将低压蒸汽增压，涡轮排出的蒸汽与压缩机排出的蒸汽汇流，然后通过供热联箱对外供热。

这种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统，包括：蒸汽涡轮机1、蒸汽压缩机2、涡轮主汽调节阀4、压缩机可调进口导叶5、蒸汽涡轮增压器旁路减压阀6、蒸汽涡轮机排汽阀7、蒸汽压缩机排汽阀8、控制器9、蒸汽涡轮进汽压力传感器10、蒸汽涡轮机排汽压力传感器11、蒸汽压缩机进汽压力传感器12、蒸汽压缩机排汽压力传感器13、供热联箱蒸汽压力传感器14、关断阀15、高压蒸汽入口29和低压蒸汽入口30；

所述高压蒸汽入口29与蒸汽涡轮机1通过管道相连；高压蒸汽入口29与蒸汽涡轮机1之间的管道上设有涡轮主汽调节阀4；所述蒸汽涡轮机1与涡轮主汽调节阀4之间设有蒸汽涡轮进汽压力传感器10；

所述蒸汽压缩机2与低压蒸汽入口30通过管道相连；所述蒸汽压缩机2与低压蒸汽入口30之间按蒸汽压缩机2、压缩机可调进口导叶5、关断阀15、低压蒸汽入口30的顺序依次设有压缩机可调进口导叶5和关断阀15；所述压缩机可调进口导叶5和关断阀15之间设有蒸汽压缩机进汽压力传感器12；

所述蒸汽涡轮机1的排气口与蒸汽涡轮机排汽阀7相连，蒸汽涡轮机1的排气口后设有汽涡轮机排汽压力传感器11；所述蒸汽压缩机2的排气口与蒸汽压缩机排汽阀8相连，蒸汽压缩机2的排气口后设有蒸汽压缩机排汽压力传感器13；

所述蒸汽涡轮进汽压力传感器10、蒸汽涡轮机排汽压力传感器11、蒸汽压缩机进汽压力传感器12、蒸汽压缩机排汽压力传感器13和供热联箱蒸汽压力传感器14均与控制器9相连。

所述供热联箱蒸汽压力传感器14设置于供热蒸汽管道上；所述供热蒸汽管道还连接至用户。

所述供热联箱蒸汽压力传感器14设置于供热联箱3上；

所述蒸汽涡轮机1与供热联箱3通过管道相连；蒸汽涡轮机1与供热联箱3之间设有蒸汽涡轮机排汽阀7，蒸汽涡轮机排汽阀7与供热联箱3之间设有蒸汽涡轮机排汽压力传感器11；

所述供热联箱3与高压蒸汽入口29通过管道相连，供热联箱3与高压蒸汽入口29之间设有蒸汽涡轮增压器旁路减压阀6；所述供热联箱3上设有供热联箱蒸汽压力传感器14；所述供热联箱3还通过管道连接至用户；

所述供热联箱3与蒸汽压缩机2通过管道相连；供热联箱3与蒸汽压缩机2之间设有蒸汽压缩机排汽阀8；所述蒸汽压缩机排汽阀8与供热联箱3之间设有蒸汽压缩机排汽压力传感器13。

这种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过涡轮主汽调节阀4调节蒸汽涡轮增压器的总输出流量：当总输出流量低于需求流量，或排汽压力低于需求压力时，增加涡轮主汽调节阀4的开度，直至涡轮主汽调节阀4全开；当总输出流量高于需求流量，或排汽压力高于需求压力时，减小涡轮主汽调节阀4的开度，直至全关涡轮主汽调节阀4；

步骤2、根据蒸汽涡轮机1和蒸汽压缩机2的特性曲线得到如下函数关系：

上式中，wt为蒸汽涡轮机1的功率，为蒸汽涡轮机1的功率函数；πt为蒸汽涡轮机1的压比；nt为蒸汽涡轮机1的转速；pt,in为蒸汽涡轮机1的入口蒸汽压力；pt,out为蒸汽涡轮机1的出口蒸汽压力；wc为蒸汽压缩机2的功率；为蒸汽压缩机2的功率函数；πc为蒸汽压缩机2的压比；nc为蒸汽压缩机2的转速；pc,in为蒸汽压缩机2的入口蒸汽压力；pc,out为蒸汽压缩机2的出口蒸汽压力；为蒸汽涡轮机1的出口蒸汽流量；ξt为蒸汽涡轮机1的流量系数；为蒸汽压缩机2的出口蒸汽流量；ξc为蒸汽压缩机2的流量系数；

其中有：wt＝wc，nt＝nc，为蒸汽涡轮机1的出口蒸汽流量，为蒸汽压缩机2的出口蒸汽流量，为旁路蒸汽流量，为减温水流量，为供热流量，nt为蒸汽涡轮机1的转速，nc为蒸汽压缩机2的转速；可得：

一个蒸汽涡轮增压器在一个工况下对应一个压缩机可调进口导叶5的角度，当供热压力p供热、蒸汽压缩机2的入口蒸汽压力pt,in和蒸汽压缩机2的入口蒸汽压力pc,in发生变化时，蒸汽涡轮增压器通过式(5)工作在一个新的转速下，式(7)将产生不平衡，供热联箱3的压力产生变化；通过调整pt,in将流量调整平衡，将转速匹配到新值；若转速超出20000～30000r/min，调整压缩机可调进口导叶5或者涡轮主汽调节阀4，得到一组新的蒸汽压缩机2的功率函数和蒸汽涡轮机1的功率函数ξc，使式(5)和式(7)同时成立；当火电机组深度调峰时，超出蒸汽涡轮增压器自身的调节范围时，通过式(6)中的调节蒸汽涡轮增压器旁路减压阀6；

步骤3、通过设置涡轮主汽调节阀4和压缩机可调进口导叶5协同控制蒸汽涡轮增压器的转速：

通过压缩机可调进口导叶5调节蒸汽涡轮增压器的转速：当实际转速低于需求转速区间时，减小压缩机可调进口导叶5的开度，从而增加转速；当实际转速高于需求转速时，增加压缩机可调进口导叶5的开度，从而降低转速；

当压缩机可调进口导叶5的开度已开至最大，实际转速达到控制转速需求区间的上限时，限制涡轮主汽调节阀4继续增加开度的动作；当压缩机可调进口导叶5的开度已开至最大，实际转速仍然超过控制转速需求区间时，减小涡轮主汽调节阀4的开度；控制蒸汽涡轮增压器的转速在合理的区间当压缩机可调进口导叶5的开度已开至最小,实际转速在控制转速需求区间的下限时，限制涡轮主汽调节阀4的继续减小开度的动作；

当压缩机可调进口导叶5的开度已开至最小，实际转速仍小于控制转速需求区间时，减小涡轮主汽调节阀4的开度或停运蒸汽涡轮增压器；控制蒸汽涡轮增压器的转速在合理的区间；

步骤4、控制器9通过pid控制各项蒸汽参数：蒸汽涡轮机1的入口蒸汽压力pt,in、蒸汽涡轮机1的出口蒸汽压力pt,out、蒸汽压缩机2的入口蒸汽压力pc,in和蒸汽压缩机2的出口蒸汽压力pc,out，实现蒸汽涡轮增压器主动适应高压蒸汽、低压蒸汽、供热蒸汽压力变化和供热流量变化。

当发生供热联箱蒸汽压力波动、发电机组汽轮机深度调峰引起高压蒸汽压力降低、压缩机喘振、蒸汽涡轮增压器超速等情况时，一种用于蒸汽涡轮增压器的自适应参数变化控制系统采取以下方法对蒸汽涡轮增压器进行控制，保证蒸汽涡轮增压器的安全稳定运行。

(一)供热联箱蒸汽压力波动时控制方法

火电机组发电负荷稳定时，但供热联箱蒸汽压力波动时，涡轮主汽调节阀4控制供热联箱压力14，压缩机可调进口导叶(igv)5调整蒸汽压缩机2的转速，使设备在该状态下的系统效率最高。若涡轮主汽调节阀4和压缩机可调进口导叶(igv)5都不做调整，蒸汽涡轮增压器的蒸汽涡轮机1和蒸汽压缩机2将特性曲线上自动匹配到另一个“共同工作点”，导致供热联箱压力14的变化，此时调节涡轮主汽调节阀4可以将供热联箱压力恢复到目标值，利用压缩机可调进口导叶(igv)5调整转速。

(二)发电机组汽轮机深度调峰引起高压蒸汽压力降低的控制方法

当汽轮机组深度调峰时，再热冷段压力下降至额定工况的50％～60％，增大涡轮主汽调节阀4开度，增加高压蒸汽的抽汽量，同时关小压缩机可调进口导叶(igv)5角度，维持相应的目标转速，保证涡轮增压器稳定运行。当涡轮主汽调节阀4开度达到上限值，涡轮的蒸汽流量不能再增加，压缩机侧的蒸汽流量也不可能再减少，此时需要打开旁路减压阀6用以控制供热联箱压力。

(三)压缩机喘振的控制方法

压缩机出现喘振，首先关小压缩机可调进口导叶(igv)5，若还不能解决压缩机喘振，快速关断涡轮主汽调节阀4，然后打开旁路减压阀6，控制供热联箱的压力14。

(四)蒸汽涡轮增压器超速保护控制方法

蒸汽涡轮增压器正常工作时，蒸汽涡轮机1和蒸汽压缩机2的转速在一定范围内自动匹配(“共同工作点”)，机组调峰或都供热联箱压力14变化时，蒸汽涡轮机1有可能接近最高转速限值，达到第一报警限值时，应当调节压缩机可调进口导叶(igv)5，超过第二报警限值时，直接停机。