本發明屬于電廠變頻動力源
技術領域：
，特別涉及一種電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統及方法。
背景技術：
：一般火(熱)電廠機組，無論調峰或帶基本負荷的機組，在運行中都要進行負荷調節，部分設備如風機、水泵，其流量相應調節，其輸出功率也相應變化。若采用普通的節流調節方式，在低負荷階段，實際運行效率會很低，所驅動電機出現大馬拉小車情況，造成能源的浪費。變頻動力源方案即設置一個變頻發電中心，主要耗電輔機變頻供電，進而實現集中變頻調節控制。火力發電技術一直在持續進步，變頻技術從無到有，再到各種可能的方案探索、應用，最早采用靜止式高壓變頻器對電廠內負荷調節比較頻繁，功率較高的設備提供變頻電源以提高此類設備在低負荷時的效率，提高全廠的經濟性。近二十年來，受益于電力電子器件的制造技術、電力變換技術、微電子技術和控制技術的突飛猛進，交流變頻調速技術有了日新月異的發展，靜止式變頻器在設備的大容量化、控制技術全數字化、高可靠性和制造成本不斷下降等諸多方面取得了長足的進步，成為現代工業驅動的中樞。但電子變頻器也有不足之處，譬如電子變頻裝置技術復雜，裝置占用空間大，造價高，故障率高，維護檢修困難等，使其可靠性降低。隨著技術的進步，近年來，工程設計人員以及電廠運行人員認識到也可以采用變頻發電機直接提供變頻電源的方式來替代電子變頻器方案。采用變頻發電機變頻除了具備電子變頻器調速節能的優勢外，還具有以下突出優點：1)過載能力強；2)結構簡單，在調頻范圍內運行可靠；3)轉速可調范圍更廣；4)利用真空動平衡室設備，對發電機轉子進行變頻范圍內的全程平衡，保證產品能夠安全穩定的變頻運行。目前采用變頻發電機變頻方案，動力源均為在電廠內主汽輪機之外單獨設置一臺凝汽式小汽輪機，拖動一臺變頻發電機作為變頻中心動力源，需要增加復雜的小汽輪機本體及附屬系統、冷卻水系統、凝汽器抽真空系統、潤滑油系統、凝結水輸送系統，各系統都需要進行定期維護，增加系統故障率以及維護工作量。并且，設置小汽輪機的方式，受到小汽輪機機座以及其附屬系統的限制，占地面積大，有時需要增加主廠房尺寸或者增設變頻中心廠房。另外，由于小汽輪機效率明顯比主汽輪機的效率低，因此，節能效果一般，容易造成資源的浪費。采用獨立小汽機作為動力源的變頻中心方案剛剛發展起來，本身應用業績不多，還處于推廣階段，還沒有涉及到考慮其他動力源方案。同時囿于設計習慣，以及涉及到汽輪機主機本體改造及主機系統改動的困難，無法從電廠設計之初就從整體上考慮整體熱力循環系統以及變頻電源系統，因此，對主汽輪機本體進行改造，由主汽輪機直接作為變頻驅動的動力源方案目前并不為本領域技術人員所考慮。技術實現要素：為了解決上述問題，本發明提出了一種電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統及方法，該系統及方法不專門設置小汽輪機，而是直接采用主汽輪機作為變頻動力源，通過在主汽輪機機頭前或發電機尾部設置調速裝置，拖動變頻發電機。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統，包括：主汽輪機與主發電機同軸布置，所述主汽輪機的輸出軸連接主發電機的輸入軸；在主汽輪機機頭側出軸，連接調速裝置，所述調速裝置連接變頻發電機；所述調速裝置將主汽輪機一部分功率輸入至變頻發電機，調節變頻發電機的轉速，用于變頻供電。進一步地，所述調速裝置采用行星齒輪調速裝置、機械調速裝置或者液力調速裝置。一種電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統，包括：主汽輪機與主發電機同軸布置，所述主汽輪機的輸出軸連接主發電機的輸入軸；在主發電機尾端出軸，連接調速裝置，所述調速裝置連接變頻發電機；所述主汽輪機的一部分功率通過主發電機輸送至調速裝置，所述調速裝置調節變頻發電機的轉速，用于變頻供電。進一步地，所述調速裝置采用行星齒輪調速裝置、機械調速裝置或者液力調速裝置。一種電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統的工作方法，包括；主汽輪機將一部分功率直接輸入調速裝置，通過所述調速裝置調節變頻發電機的轉速。一種電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統的工作方法，包括：主汽輪機的輸出功率送入主發電機；所述主發電機將一部分功率輸入至調速裝置，通過所述調速裝置調節變頻發電機的轉速。本發明的有益效果是：1、本發明系統利用電廠主汽輪機直接驅動變頻發電機，省去了小汽輪機及其附屬系統，可以大大簡化系統，減少占地及系統維護費用，降低系統故障率，進而降低投資造價及運行費用。2、本發明由于采用電廠主汽輪機直接驅動變頻發電機，極大地節約了能耗。3、本發明通過調速裝置調節變頻發電機的轉速，系統結構簡單，維護方便，故障率明顯降低。附圖說明圖1為本發明電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統結構示意圖一；圖2為本發明電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統結構示意圖二；圖3為本發明實施例汽輪機組機組縱剖面圖；圖4為本發明實施例滑銷系統圖；圖5為本發明實施例同軸機組前箱的結構示意圖；圖6(a)為本發明實施例行星齒輪組內進行功率的矢量疊加原理圖；圖6(b)為本發明實施例行星齒輪組內進行功率的矢量疊加圖；圖7為本發明實施例行星齒輪組進行速度矢量疊加原理圖；其中，1.主發電機，2.主汽輪機，3.調速裝置，4.變頻發電機。具體實施方式：下面結合附圖與實施方法對本發明做進一步說明：本發明公開了一種電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統，該系統不專門設置小汽輪機，而是在主汽輪機2機頭前或發電機尾部，通過設置調速裝置3拖動一臺變頻發電機4，作為電廠變頻動力源。本發明給出了電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統的兩種具體實施方式，包括：實施例一：如圖1所示，電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統包括：主汽輪機2與主發電機1同軸布置，主汽輪機2的輸出軸連接主發電機1的輸入軸；在主汽輪機2機頭側出軸，連接調速裝置3，調速裝置3連接變頻發電機4；調速裝置3將主汽輪機2一部分功率輸入至變頻發電機4，調節變頻發電機4的轉速，用于變頻供電。本實施例中，對于變頻發電機4的轉速，按照變頻中心設定的供電頻率進行調節。調速裝置3的型式可以采用行星齒輪調速裝置、其他機械調速系統或者液力調速裝置；對于液力調速裝置，也可以選用液力耦合器、液力變矩器等類似原理的調速系統。實施例二：如圖2所示，電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源系統包括：主汽輪機2與主發電機1同軸布置，主汽輪機2的輸出軸連接主發電機1的輸入軸；在主發電機1尾端出軸，連接調速裝置3，調速裝置3連接變頻發電機4；主汽輪機2的輸出功率送入主發電機1；主發電機1將一部分功率輸入至調速裝置3，通過調速裝置3調節變頻發電機4的轉速，用于變頻供電。本實施例中，對于變頻發電機4的轉速，按照變頻中心設定的供電頻率進行調節。調速裝置3的型式可以采用行星齒輪調速裝置、其他機械調速系統或者液力調速裝置；對于液力調速裝置，也可以選用液力耦合器、液力變矩器等類似原理的調速系統。另外，上述兩種實施方式中，為了滿足變頻發電機4的變頻要求，對調速裝置3的最大輸出轉速范圍進行調整，將調速裝置3的最大輸出轉速由原來的4000-6000rpm降低至2400-3000rpm。本發明電廠主汽輪機直驅變頻發電機變頻動力源方案相比常規電廠變頻中心動力源方案，可以大大簡化系統，減少占地及系統維護費用，減低系統故障率，進而降低投資造價及運行費用。下面以調速裝置為行星齒輪調速裝置、主機采用某汽輪機廠生產的1000MW機組為邊界條件時，簡要介紹技術實現過程，采用其他機械式、液力原理調速裝置與之類似。下列介紹不限制本技術在不同功率不同類型汽輪機上的應用。(1)主機直驅變頻供電系統對汽輪機本體的影響及應對措施A、主汽輪機整體布置及膨脹系統如圖3所示，某汽機廠生產的1000MW超超臨界二次再熱汽輪機，為兩次中間再熱、單軸、五缸四排汽、濕冷凝汽式，超高、高、中壓通流采用反動式設計，低壓采用沖動式設計。該汽輪機依次由一個單流超高壓缸、一個單流高壓缸、一個雙分流中壓缸和兩個雙分流低壓缸組成，各汽缸串聯、單軸布置。機組軸系由超高壓、高壓、中壓、低壓、發電機共6根轉子組成，采用成熟雙支撐結構，轉子均采用大剛度設計理念；轉子間通過緊配液壓螺栓剛性聯接。采用成熟可靠的多死點滑銷系統。如圖4所示，三個絕對死點分別位于A低壓缸、B低壓缸中心附近、中低軸承箱底部橫向定位鍵與縱向導向鍵的交點處；汽輪機相對死點——推力軸承布置在超高壓缸與高壓缸之間的軸承箱上。B、主機直驅變頻供電系統對主汽輪機軸系的影響根據主機廠計算，主機軸頭熱膨脹量為100mm，汽輪發電機主軸與MTV調速裝置之間的聯接方式應能有效吸收主機軸系的熱膨脹，需要進行聯軸器的合理選型。汽輪發電機組與MTV行星齒輪調速裝置之間通過齒形聯軸器聯接，該聯軸器具備一定的吸收中心線偏差能力，同時具備較強的吸收軸向膨脹的能力。而且齒形聯軸器可減輕主汽輪機與同軸驅動設備間振動傳遞，減少軸系聯接后兩轉子臨界轉速的相互影響。經主機廠計算，主汽輪機為成熟系統，軸系對數衰減率低，穩定性滿足設計要求。而聯軸器后的MTV行星齒輪調速裝置以及變頻發電機系統對主汽輪機軸系的影響非常小，可達到不計入汽輪機主軸穩定性復核的要求。根據初步配合以及以往給水泵同軸驅動系統的配合經驗，同軸驅動的變頻中心設備部分的軸系可通過合理設計，滿足穩定性的要求。C、主機直驅變頻供電系統對軸系安裝的影響主機直驅變頻設備與汽輪機本體聯接成套工作，相關設備的安裝問題需要解決。直驅變頻設備的安裝過程中需要對軸系中心進行找中。“對中順序”、“對中方法”、“軸系對中精度要求”等跟主機是緊密相關的。“對中順序”：先MTV行星齒輪調速裝置與變頻發電機對中，然后是主汽輪機與MTV行星齒輪調速裝置對中。“對中方法”：采用專用的激光對中設備。對中過程需對一些參數進行測量。測量裝置為兩個分開的測量裝置，被分別固定在兩個要對中的設備的軸或殼體上。在9點、12點、3點的時鐘位置取讀數。根據軸系安裝曲線，系統計算高度、角度和徑向的位移偏差，并計算出需在同軸驅動設備殼體下加多厚墊片，用來調整軸承標高，使軸系聯成光滑的曲線，保證機組運行平穩。D、主機直驅變頻供電系統對主汽輪機前軸承箱的結構和布置影響如圖5所示，前軸承箱取消主油泵及相關油管路，對前箱中原有的測速、振動、脹差傳感器位置也做出相應的調整。在保證軸承箱穩定性的前提下，可適當縮短前軸承箱軸向長度。E、主機直驅變頻供電系統對主汽輪機保安調節控制系統影響主汽輪機機頭端主軸直接驅動MTV行星齒輪調速裝置及變頻發電機時，機組不能配置機械式危急遮斷器等機械危急保安系統，而是采用電子超速保護裝置，即機組的超速保護系統由TSI超速保護系統、DEH超速保護系統共同完成。F、主機直驅變頻供電系統對主汽輪機潤滑油系統影響采用主機直驅變頻技術，汽輪機潤滑油系統采用電動油泵系統，系統配置2臺交流油泵和1臺直流油泵。MTV行星齒輪調速裝置與變頻發電機采用獨立的潤滑油系統，與主汽輪機的潤滑油系統無影響。(2)變頻發電機配置及選型變頻發電機根據其負載電動機調速要求，其運行頻率和電壓是變化的。變頻發電機供電的電動機頻率特性應接近。國內常規發電機運行頻率50Hz，發電機在額定功率因數下當電壓偏差±5％，頻率偏差±2％時，能長期輸出額定功率。如運行需要進一步擴大電壓和頻率的偏差范圍或離額定偏差還要擴大，應由供需雙方協商，以保證發電機各部件溫升或溫度在允許范圍內，避免發電機使用壽命因溫升或溫度影響縮短。針對發電機變頻運行的特點，通過合理設計風扇解決變頻運行狀態下風量匹配，保證在每個工作點都能達到發電機的通風冷卻要求。在3個頻率的工作點(40Hz、45Hz、50Hz)，把通風計算的結果作為變量移植到電磁計算程序之中，進行電磁計算。由于發電機冷卻風扇安裝在轉子上，在低速狀態下運行時，風扇的風壓、風量會急劇降低。為此，應進行產品結構優化，重新設計風路系統，改進定子端部綁扎，優化轉子結構，使其在滿足變頻運行要求的基礎上降低損耗，提高效率。變頻發電機冷卻方式為空冷，額定電壓為10.5kV，功率因數0.8，運行頻率定為40～50Hz。以納入集中變頻的電機功率為例：項目單位引風機TB點電機功率kW8800臺數2電機功率kW17600可見，變頻發電機額定功率≥17600kW即可，初步確定選用20MW容量的變頻發電機，效率為97.6％，無刷或靜態勵磁。(3)MTV行星齒輪調速裝置配置(根據工程需要，也可以采用其他機械式、液力原理調速裝置)A、調速裝置配置行星齒輪調速裝置采用優化的設計，整個系統中除了輸出軸是高速軸外，其他部件都在低轉速運行，整體的可靠性比常規的液力偶合器更高，大修期達到7-8年。同時，采用了功率分流原理，大部分的功率通過機械方式直接傳遞，只利用小部分功率進行液力調速，大大降低了液力損失，整體傳遞效率大大提高，高效區更加寬。如圖6(a)和圖6(b)所示，小部分功率(大約25％)通過行星齒輪調速裝置內部的液力變矩器傳遞，到達行星齒輪組的行星輪，而大部分功率(大約75％)通過行星齒輪調速裝置的主軸以純機械的方式傳遞至行星齒輪副的外齒圈，最后在行星齒輪組內進行功率的矢量疊加，疊加的結果通過太陽輪向變頻電機主軸輸出。如圖7所示，行星齒輪組當中的外齒圈與輸入軸機械連接，保持固定的轉速和轉向。通過調整變矩器中的導流片的開度，變矩器的輸出轉速可以根據用戶指定進行調節，該速度輸出在行星齒輪組中的行星齒輪，這樣，外齒圈與幾個行星輪間進行速度的矢量疊加，使得太陽輪的輸出速度改變(降低或增加)，太陽輪與變頻電機的輸入軸相連，由此實現對變頻電機調速的目的。(3)主機直驅變頻供電系統啟停過程調速裝置設備設置PLC控制系統，與電廠DCS之間通過4-20mA標準信號通信。PLC系統完成對調速裝置所有動作的控制。主機直驅變頻系統啟動前，需啟動調速裝置輔助潤滑油泵，給各軸承，齒輪及控制閥門，離合器，液力剎車等系統供油，同時變頻發電機冷卻系統投入運行，當油、水系統參數達到要求后，可以啟動。此時行星齒輪調速裝置輸入轉速3000rpm，輸出軸由剎車系統控制，對變頻電機沒有功率輸出。當需要啟動變頻系統時，可以脫開剎車，啟動調速裝置的第一工作區間：通過對液力偶合器供油量的增加，調節變頻電機出力。當負荷達到第二工作區間時，給液力變矩器充油，合上離合器，此時調速裝置工作在液力變矩器工作區間，可以滿足機組滿負荷運行要求；當機組負荷降低時，首先通過液力變矩器調節負荷，當負荷下降到一定值時，脫開離合器，停止液力變矩器供油，進入液力偶合器調節范圍區間。當變頻電機發生故障時，亦可以脫開離合器，調速裝置輸入與輸出之間只有液力連接。如果繼續減少液力偶合器供油量至零，可以通過液力剎車降低輸出軸轉速，并用機械剎車鎖住輸出軸，可以拆解調速裝置與變頻電機之間的聯軸器，對變頻電機系統進行檢修。(4)基座設計研究增加主機直驅變頻設備后，基礎在機頭前加長。鑒于該基座形式新穎，與傳統機組的基座在長度和布置上存在諸多差異，為保證其先進性的同時具有可靠性，廠家提供完整的設計資料和準確的邊界條件之后，進行詳細的計算研究并進行物模試驗，優化基座的各項動力參數，保證基礎的振動控制滿足設備的正常運行要求。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。當前第1頁1 2 3