一种用于双机回热的辅机动力系统的制作方法

本发明涉及火力发电领域，具体为一种用于超（超）临界机组ec-best(echeloncycle-backpressureextractionsteamturbine)双机回热系统的转速-功率解耦控制的小汽轮机-电机变转速双驱动系统，也适用于传统回热系统的机组，尤其适合锅炉给水泵的驱动，也可适用于离心式风机、静叶可调轴流式风机等变转速驱动、变工况运行设备的驱动，可以提高机组效率和双机回热机组的负荷响应速率。

背景技术：

由于节能减排要求的日益提高，火电机组向更高效率方向发展，提高蒸汽参数是提高火电机组发电效率的重要手段，目前国内已投运的超超临界机组再热蒸汽温度已达620℃，并向更高参数发展，随之带来了汽轮机回热抽汽过热度不断提高，换热熵增不断增大的情况，尤其是中压缸第一段抽汽情况最为严重，影响机组效率进一步提升。为解决这一问题，进一步提高机组效率，近年来国内开发了超超临界机组ec-best双机回热系统（简称“双机回热系统”），相似的系统实际上国外在上世纪六十年代有较多的应用，但后来由于凝汽式小汽轮机（简称“纯凝小机”）的发展，用于给水泵驱动的best小汽轮机（背压-抽汽回热小汽轮机，简称“best小机”）逐渐被纯凝小机取代，且双机回热系统机组变负荷速率慢，双机回热系统逐渐退出历史舞台。目前得益于best小机通流设计水平的提高，在同等条件下，采用best小机的热力系统热耗已低于采用纯凝小机的传统回热系统，因此，近年来，双机回热系统引起广泛关注，但由于best小机的抽汽接带主汽轮机（简称主机）的高压加热器（简称“高加”），机组变负荷或异常工况给水流量大幅度波动时，高加的水位难以控制，目前尚无工程投运的案例证实已解决了best小机的控制问题。

另外，随着电网峰谷差的增大，以及大量新能源接入电网，火力发电厂日益承担繁重的调峰和调频任务，导致辅机更多时间偏离设计工况运行，且频繁波动，效率降低，尤其是给水泵、风机等大型辅机的能耗水平对机组的效率影响较大，也需要有新的驱动方式提高辅机驱动效率。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于双机回热的辅机动力系统，可以实现整个轴系在变转速运行条件下，由电机调节（功率-负载自适应）被驱动设备的转速，而小汽轮机（包含best小机和纯凝小机，简称“小机”）可以在进汽阀门全开方式下运行，不进行调节，使小机的进汽、抽汽（best小机）、排汽流量保持稳定。由于best小机的抽汽排入高加，其蒸汽流量的稳定，可以使双机回热系统在机组变负荷运行时，不会因高加水位控制问题，而影响到机组变负荷速率；由于小机阀门全开，小机得以始终工作在接近设计工况，也可以使机组（包括传统回热机组和双机回热机组）在全负荷范围内，使辅机驱动效率均保持在较高水平；被调量，如锅炉给水流量的控制，即给水泵的转速控制，是由电机的励磁频率来控制的，与电机的功率无关，转速和功率实现解耦控制，使运行控制的难度大为降低。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种用于双机回热的辅机动力系统，包括小机、同步自动离合器（简称离合器）、给水泵、齿轮箱a、交流励磁电动发电机（简称主电机）、齿轮箱b、永磁调速器和同步励磁机（简称励磁机），上述设备依次通过联轴器连接，主电机定子侧接入高压厂用电系统，并设有同期装置，主电机与励磁机之间设有交流励磁回路，在交流励磁回路设有可调电阻，励磁机拥有其直流励磁系统。

工作原理：机组正常运行中，通过调节永磁调速器，来调节励磁机的转速，从而改变励磁机输出交流电的频率，主电机的转子磁场频率因而发生变化，由于主电机的定子回路接入工频厂用电系统，转子的旋转速度就是定子旋转磁场和转子旋转磁场的转速差，因此，通过控制永磁调速器而最终达到了控制轴系中转子转速的目的。轴系中驱动设备和被驱动设备的轴功率平衡关系是这样的：给水泵的轴功率与其转速和给水管路阻力特性有关，小机轴功率与其进汽阀门开度和阀门前蒸汽参数（温度、压力）有关，而蒸汽参数与主机的负荷有关，主电机的轴功率与其承担的负载有关，而在任一时刻，轴系中所有设备的功率必然处于平衡状态，小机和给水泵轴功率的差额由主电机承担，只要这个轴功率差值不超出主电机铭牌功率，轴系就可以安全稳定运行，轴系的转速，即给水泵的转速控制是与功率控制不关联的，即实现了解耦控制，励磁机的直流励磁系统的调节品质要能够实时满足主电机的励磁需要，保证主电机不超出静稳定极限。

本发明也可以采用如下的技术方案实现：一种用于双机回热的辅机动力系统，包括小机、离合器、给水泵、齿轮箱a、主电机，上述设备依次通过联轴器连接，主电机定子侧接入高压厂用电系统，并设有同期装置，还包括励磁机、励磁机驱动电机（简称“励磁电机”）和变频器，励磁机和励磁电机通过联轴器连接，励磁机拥有其直流励磁系统，主电机与励磁机之间设有交流励磁回路，变频器的电源取自低压厂用电系统，变频器驱动励磁电机。

工作原理：通过变频器，来调节励磁电机的转速，从而改变励磁机输出交流电的频率，主电机的转子磁场频率因而发生变化，由于主电机的定子回路接入工频厂用电系统，转子的旋转速度就是定子旋转磁场和转子旋转磁场的转速差，因此，通过控制变频器而最终达到了控制轴系中转子转速的目的。轴系中驱动设备和被驱动设备的轴功率平衡关系是这样的：给水泵的轴功率与其转速和给水管路阻力特性有关，小机轴功率与其进汽阀门开度和阀门前蒸汽参数有关，而蒸汽参数与主机的负荷有关，主电机的轴功率与其承担的负载有关，而在任一时刻，轴系中所有设备的功率必然处于平衡状态，小机和给水泵轴功率的差额由主电机承担，只要这个轴功率差值不超出主电机铭牌功率，轴系就可以安全稳定运行，轴系的转速，即给水泵的转速控制是与功率控制不关联的，即实现了解耦控制，励磁机的直流励磁系统的调节品质要能够实时满足主电机的励磁需要，保证主电机不超出静稳定极限。

本发明还可以采用如下的技术方案实现：一种用于双机回热的辅机动力系统，包括小机、离合器、给水泵、齿轮箱a和主电机，上述设备依次通过联轴器连接，还包括变频器和变压器，主电机定子侧接入高压厂用电系统，并设有同期装置，主电机的交流励磁取自高压厂用电系统，通过变频器和变压器向其提供励磁。

工作原理：通过变频器，来调节主电机转子回路的励磁电流频率，主电机的转子磁场频率因而发生变化，由于主电机的定子回路接入工频厂用电系统，转子的旋转速度就是定子旋转磁场和转子旋转磁场的转速差，因此，通过控制变频器而最终达到了控制轴系中转子转速的目的，变压器的作用是匹配变频器输出电压、电流与主电机转子回路需求励磁电压、电流。轴系中驱动设备和被驱动设备的轴功率平衡关系是这样的：给水泵的轴功率与其转速和给水管路阻力特性有关，小机轴功率与其进汽阀门开度和阀门前蒸汽参数有关，而蒸汽参数与主机的负荷有关，主电机的轴功率与其承担的负载有关，而在任一时刻，轴系中所有设备的功率必然处于平衡状态，小机和给水泵轴功率的差额由主电机承担，只要这个轴功率差值不超出主电机铭牌功率，轴系就可以安全稳定运行，轴系的转速，即给水泵的转速控制是与功率控制不关联的，即实现了解耦控制，主电机的交流励磁系统的调节品质要能够实时满足其励磁需要，保证主电机不超出静稳定极限。

本发明亦可以采用如下的技术方案实现：一种用于双机回热的辅机动力系统，包括给水泵、best小机、带闭锁功能的变速离合器（相当于齿轮箱+带闭锁功能的同步自动离合器，简称“变速离合器”）和主电机，上述设备依次通过联轴器连接，主电机定子侧接入高压厂用电系统，并设有同期装置，best小机的排汽分别通过阀门a和阀门b接入除氧器和凝汽器（或排汽装置），还包括励磁机、励磁电机和变频器，励磁机和励磁电机通过联轴器连接，励磁机拥有其直流励磁系统，主电机与励磁机之间设有交流励磁回路，变频器的电源取自低压厂用电系统，变频器驱动励磁电机。

本发明仍可以采用如下的技术方案实现：一种用于双机回热的辅机动力系统，包括给水泵、纯凝小机、变速离合器和主电机，上述设备依次通过联轴器连接，主电机定子侧接入高压厂用电系统，并设有同期装置，纯凝小机的排汽通过阀门b接入凝汽器（或排汽装置），冷却蒸汽通过阀门c接入纯凝小机缸体，还包括励磁机、励磁机电机和变频器，励磁机和励磁电机通过联轴器连接，励磁机拥有其直流励磁系统，主电机与励磁机之间设有交流励磁回路，变频器的电源取自低压厂用电系统，变频器驱动励磁电机。

上述2个技术方案工作原理与前3个技术方案相同，不同之处在于，给水泵位于轴系的一端，给水泵无法采用双轴伸设计时采用该技术方案，主电机先启动的方式，小机无法从轴系中脱出，只能随整个轴系一起旋转。

本发明的有益效果是：

1）现有技术的辅机驱动一般采用单一动力，驱动设备要有一定裕量，以火电厂给水泵为例，直流锅炉的给水泵设计要满足机组105%bmcr（汽包炉为110%bmcr）工况的需求，而驱动给水泵的小机相对于给水泵还要有一定裕量，而机组满负荷运行时，给水泵轴功率约为设计工况的80%左右，机组在50%负荷运行时，给水泵轴功率不足设计工况的20%，而小机也要保持与此相适应的轴功率，严重偏离设计工况，对效率影响很大。按照本发明的技术方案，小机可以保持阀门全开运行，在机组全负荷范围内，始终保持接近设计工况运行，保持较高的运行效率，给水泵转速的调节是通过电气系统的励磁调节完成的。

2）现有技术的给水泵系统，一般需要设置启动泵或启动备用泵，而本发明的技术方案不需要设置启动泵或启备泵，机组启动时，由主电机以电动机工况运行，驱动给水泵，完成机组启动过程，此时，离合器处于脱开状态，将小机从轴系中切除，给水泵单独由主电机驱动（此时，齿轮箱a在增速工作模式）。当机组达到一定负荷，能够提供足够汽源的时候，小机投入运行，离合器接合，驱动给水泵，随着主机负荷的变化，当小机轴功率大于给水泵所需轴功率时，主电机处于发电状态（此时，齿轮箱a在减速工作模式），反之，处于电动状态。

3）本发明尤其适用于双机回热系统采用，best小机，由于接带了主机高加，在现有技术方案中，小机单独驱动给水泵，工况变化较为剧烈，高加水位难以控制，因而，主机负荷变动，即调峰能力受到削弱，而本发明的技术方案，小机不需要调节（进汽阀门全开），因此，不但不会影响机组的调峰能力，而且还能提高机组效率。

附图说明

图1为励磁机同轴驱动的小汽轮机-电机变转速双驱动给水泵系统示意图。

图2为励磁机由励磁电机驱动的小汽轮机-电机变转速双驱动给水泵系统示意图。

图3为励磁由厂用电变频提供的小汽轮机-电机变转速双驱动给水泵系统示意图。

图4为励磁机由励磁电机驱动的best小机-电机变转速双驱动给水泵系统（给水泵位于轴系一端）示意图。

图5为励磁机由励磁电机驱动的纯凝小机-电机变转速双驱动给水泵系统（给水泵位于轴系一端）示意图。

图中：1-小汽轮机，2-同步自动离合器，3-给水泵，4-齿轮箱a，5-交流励磁电动发电机，6-齿轮箱b，7-永磁调速器，8-同步励磁机，9-励磁机驱动电机，10-变频器，11-变压器，12-best小机，13-变速离合器，14-纯凝小机，15-同期装置。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，采用本发明方案设计，具体参数可以根据工程需要灵活选择，如需求给水泵设计转速范围为3000～6000rpm（对应交流励磁频率范围为40～30hz，对应永磁调速器输出转速范围为89.3%～33.5%），可以采用齿轮箱a速比为5、主电机转速范围为600～1200rpm、主电机磁极对数为1、励磁机磁极对数为2、齿轮箱b速比为2.293的设计，也可根据主电机的临界转速及碳刷滑环等技术条件，优选其他参数。

图1示意转速-功率解耦控制的小汽轮机-电机变转速双驱动给水泵系统（励磁机同轴驱动）。

给水泵启动时，可以选择小机先启动，或主电机先启动的方式。

小机先启动时，小机冲转，离合器接合，带动给水泵、主电机及轴系上所有设备转动，至2800rpm（一般在该转速下，小机启动结束，小机由meh控制转为机组dcs控制），保持转速稳定进行电气操作，此时电机转速560rpm，永磁调速器输入端转速1284rpm,调节永磁调速器输出转速至1220rpm（约输出转速95%），励磁机启励，此时，励磁机输出交流励磁频率约40.67hz，加上主电机转子机械转速，这样就会在主电机定子回路感应出频率为50hz的电压，通过同期装置检同期后，开关合闸，定子回路接通，主电机直接接入高压厂用电系统。待小机由meh控制，转为机组dcs控制后。转速控制由小机的进汽调节阀控制，转变为电气回路的变频器控制，继续升速，进入机组给水控制的给水泵转速区间（一般为3000～6000rpm），随着给水泵出力的增加，可逐步将小机进汽调节阀逐步至全开，达到最佳节能状态。

主电机先启动时，离合器脱开，小机转子处于静止状态，由主电机带动给水泵升速。将主电机转子交流励磁回路中的可调电阻调至阻值较大状态，主电机的转子绕组回路通过可调电阻、碳刷和滑环，与励磁机的定子回路形成一个闭合回路，相当于绕线式异步电机，开关合闸，定子回路接通，主电机直接接入高压厂用电系统，调节可调电阻，控制主电机转速保持在约560rpm（也可选择其他转速），此时转子回路感应的励磁电流约40.67hz，永磁调速器输入端转速1284rpm,调节永磁调速器输出转速1220rpm（约输出转速95%），励磁机启励，励磁机也产生相同频率的交流励磁电流，逐步增加励磁机的直流磁力电流，使主电机的交流励磁由转速差感应过渡到由励磁机提供，同时逐步调节减小可调电阻的阻值，直至切除，使主电机转速控制由可调电阻控制转为永磁调速器控制。逐步减小永磁调速器输出转速，主电机继续升速，进入机组给水控制的给水泵转速区间（一般为3000～6000rpm），小机具备冲转条件后，冲转，升速，直至离合器接合，与给水泵转速保持同步，之后，继续开大小机进汽调节阀，直至全开。

实施例2：如图2所示，采用本发明方案设计，具体参数可以根据工程需要灵活选择，如需求给水泵设计转速范围为3000～6000rpm（对应交流励磁频率范围为40～30hz，对应变频器调节范围为40.4～30.3hz，励磁电机采用异步电机，其转差率按照1%测算），可以采用齿轮箱a速比为5、主电机转速范围为600～1200rpm、主电机磁极对数为1、励磁机磁极对数为2、励磁电机磁极对数为2，也可根据主电机的临界转速及碳刷滑环等技术条件，优选其他参数。

本实施例中，在励磁机和励磁电机之间设置的永磁调速器，也可以是液力偶合器等其他调速设备。

图2示意转速-功率解耦控制的小汽轮机-电机变转速双驱动给水泵系统（励磁机由励磁电机驱动）。

给水泵启动时，可以选择小机先启动，或主电机先启动的方式。

小机先启动时，小机冲转，离合器接合，带动给水泵、主电机及轴系上所有设备转动，可以选择在小机转速2800rpm（也可选择其他转速，但转速要稳定）时进行电气操作，此时主电机转速560rpm，启动励磁电机，调节变频器输出频率约为41.08hz，使励磁机转速保持在1220rpm，励磁机启励，此时，励磁机输出交流励磁频率约40.67hz，加上主电机转子机械转速，这样就会在主电机定子回路感应出频率为50hz的电压，通过同期装置检同期后，定子回路接通，主电机直接接入高压厂用电系统。待小机由meh控制，转为机组dcs控制后。之后，转速控制由小机的进汽调节阀控制，转变为电气回路的变频器控制，继续升速，进入机组给水控制的给水泵转速区间（一般为3000～6000rpm），随着给水泵出力的增加，可逐步将小机进汽调节阀逐步至全开，达到最佳节能状态。

主电机先启动时，离合器脱开，小机转子处于静止状态，由主电机带动给水泵升速。通过变频器启动励磁电机，调整变频器的输出频率在50.5hz，励磁电机转速约1500rpm（按照转差率1%测算），励磁机启励，这样就会在主电机定子回路感应出频率为50hz的电压，通过同期装置检同期后，定子回路接通，主电机直接接入高压厂用电系统。逐步降低变频器输出频率，主电机从静止开始并持续升速，进入机组给水控制的给水泵转速区间（一般为3000～6000rpm），小机具备冲转条件后，冲转，升速，直至离合器接合，与给水泵转速保持同步，之后，继续开大小机进汽调节阀，直至全开。

本实施例中，也可在励磁机和励磁电机之间设置永磁调速器（或液力偶合器等其他调速设备），由永磁调速器调节励磁机转速，而替代变频器的作用。

实施例3：如图3所示，采用本发明方案设计，具体参数可以根据工程需要灵活选择，如需求给水泵设计转速范围为3000～6000rpm（对应交流励磁频率范围为40～30hz），可以采用齿轮箱a速比为5、电机转速范围为600～1200rpm、电机磁极对数为1的设计，也可根据电机的临界转速及碳刷滑环等技术条件，优选其他参数。

图3示意转速-功率解耦控制的小汽轮机-电机变转速双驱动给水泵系统（励磁由厂用电变频提供）。

给水泵启动时，可以选择小机先启动，或主电机先启动的方式。

小机先启动时，小机冲转，离合器接合，带动给水泵、主电机及轴系上所有设备转动，可以选择在小机转速2800rpm（也可选择其他转速，但转速要稳定）时进行电气操作，此时主电机转速560rpm，投入交流励磁，调节变频器输出频率约为40.67hz，加上主电机转子机械转速，这样就会在主电机定子回路感应出频率为50hz的电压，通过同期装置检同期后，定子回路接通，主电机直接接入高压厂用电系统。待小机由meh控制，转为机组dcs控制后。之后，转速控制由小机的进汽调节阀控制，转变为电气回路的变频器控制，继续升速，进入机组给水控制的给水泵转速区间（一般为3000～6000rpm），随着给水泵出力的增加，可逐步将小机进汽调节阀逐步至全开，达到最佳节能状态。

主电机先启动时，离合器脱开，小机转子处于静止状态，由主电机带动给水泵升速。投入交流励磁，调节变频器输出频率为50hz，这样就会在主电机定子回路感应出频率为50hz的电压，通过同期装置检同期后，定子回路接通，主电机直接接入高压厂用电系统。逐步降低变频器输出频率，主电机从静止开始并持续升速，进入机组给水控制的给水泵转速区间（一般为3000～6000rpm），小机具备冲转条件后，冲转，升速，直至离合器接合，与给水泵转速保持同步，之后，继续开大小机进汽调节阀，直至全开。

上述实施例1、2、3中的齿轮箱a，也可以是变速离合器，离合器优先设置在齿轮箱的高速端，离合器接合并闭锁时，就相当于齿轮箱a，离合器脱开时，小机可以单独驱动给水泵，相当于现有的技术方案，可以在电气系统故障的情况下，不影响机组运行。

实施例4：如图4所示，采用本发明方案设计，具体参数可以根据工程需要灵活选择，如需求给水泵设计转速范围为3000～6000rpm（对应交流励磁频率范围为40～30hz），可以采用变速离合器速比为5、电机转速范围为600～1200rpm、电机磁极对数为1的设计（主电机的励磁系统与实施例2中的技术方案相同），也可根据电机的临界转速及碳刷滑环等技术条件，优选其他参数。

给水泵启动时，可以选择best小机先启动，或主电机先启动的方式。best小机先启动时，与实施例1、2、3完全相同。主电机先启动时，电气系统控制与实施例1、2、3也完全相同，不同之处在于，主电机先启动，带动给水泵运行时，也同时带着best小机同步旋转，此时需要best小机进汽阀门和抽汽阀门全部关闭，排汽至除氧器的阀门a关闭，best小机送轴封蒸汽，排汽至凝汽器的阀门b打开，best小机保持抽真空状态，防止转子鼓风过热。主电机单独驱动方式下，一般给水泵保持适当固定转速，可以选择在约3000rpm左右或其他合适的转速，给水泵转速要满足机组启动，直至机组达到一定负荷，主机高压缸排汽参数能够满足best小机冲转条件。在满足给水泵需求的情况下，转速选择尽可能低，并采用定速运行，用给水旁路调节阀调节给水流量。当best小机具备冲转条件后，best小机进汽调节阀逐步开启，开始进汽，承担出力，条件满足时，逐步关闭阀门b，打开阀门a，best小机排汽切换到除氧器，在best小机轴功率超过给水泵所需轴功率之前，变速离合器闭锁，防止best小机进汽调节阀逐步开大，直至全开的过程中，主电机轴功率减小至零后，变速离合器脱开。上述过程中，给水泵转速始终由电气回路控制。

实施例5：如图5所示，采用本发明方案设计，具体参数可以根据工程需要灵活选择，如需求给水泵设计转速范围为3000～6000rpm（对应交流励磁频率范围为40～30hz），可以采用变速离合器速比为5、电机转速范围为600～1200rpm、电机磁极对数为1的设计（主电机的励磁系统与实施例2中的技术方案相同），也可根据电机的临界转速及碳刷滑环等技术条件，优选其他参数。

给水泵启动时，可以选择纯凝小机先启动，或主电机先启动的方式。纯凝小机先启动时，与实施例1、2、3完全相同。主电机先启动时，电气系统控制与实施例1、2、3也完全相同，不同之处在于，主电机先启动，带动给水泵运行时，也同时带着纯凝小机同步旋转，此时需要纯凝小机进汽阀门全部关闭，纯凝小机送轴封蒸汽，排汽至凝汽器的阀门b打开，纯凝小机保持抽真空状态，阀门c打开，送入冷却蒸汽，防止转子鼓风过热（best小机叶片较短，轮周速度较小，可不设置冷却蒸汽系统，纯凝小机末几级叶片较长，轮周速度较大）。主电机单独驱动方式下，一般给水泵保持适当固定转速，可以选择在约3000rpm左右，给水泵转速要满足机组启动，直至机组负荷达到一定程度，主机高压缸排汽参数能够满足纯凝小机冲转条件，在满足给水泵需求的情况下，转速选择尽可能低，并采用定速运行，给水旁路调节阀调节给水流量。当纯凝小机具备冲转条件后，纯凝小机进汽调节阀逐步开启，开始进汽，承担出力，关闭阀门c，切断冷却蒸汽，在纯凝小机轴功率超过给水泵所需轴功率之前，变速离合器闭锁，防止纯凝小机进汽调节阀逐步开大，直至全开的过程中，主电机轴功率减小至零后，变速离合器脱开。上述过程中，给水泵转速始终由电气回路控制。

实施例4、5中的励磁方式与实施例2中相同，也可以与实施例1、3中的相同。

本发明所述小机（包含best小机和纯凝小机）也可以是其他类型的动力设备，被驱动设备可以是给水泵，也可以是风机等其他变转速控制的设备，也可适用于其他行业类似需求的设备。