一种多级段串联式汽轮机系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及汽轮机技术领域，尤其涉及一种可根据机组负荷调整各级段焓降分配的多级段串联式汽轮机系统及其使用方法。

背景技术

随着新能源发电装机占比的逐年增加，越来越多的火电汽轮机组不得不降低负荷运行，且电网要求承担调峰功能，致使机组负荷频繁变化。发电用汽轮机一般采用定转速运行，当负荷发生变化时，汽轮机调节级蒸汽焓降将随负荷变化而增减，导致级速比偏离最佳值，造成汽轮机效率降低。特别是在调节级焓降数值较大的低负荷工况，汽轮机组的经济性将变差。

在机组降低负荷时，可考虑用外置多级汽轮机代替调节级来承担巨大的蒸汽焓降，因为增加级数可以使各级分配的焓降减小，进而使级速比达到最佳值，实现低负荷工况的高效率运行。但是，当机组负荷升高时，外置汽轮机的总焓降将大幅减小，其级数多又将导致速比偏离最佳值，造成效率降低。因此，解决负荷与叶片级数的匹配问题将是实现外置汽轮机在较宽负荷范围内都具有高效率的关键课题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种多级段串联式汽轮机系统及其使用方法，当多级段串联式汽轮机负荷变化时，通过调节多个透平级段对应的流量调节装置调整蒸汽流量流经的叶片级数量，流经的叶片级数量可以改变多级段串联式汽轮机的焓降分配，使每个透平级段的焓降均满足最佳速比要求，以确保多级段串联式汽轮机在负荷变化时具有较高的效率。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种多级段串联式汽轮机系统，包括：进汽热端、多级段串联式汽轮机、排汽冷端和功率输出端，其中，进汽热端向多级段串联式汽轮机提供高参数蒸汽，多级段串联式汽轮机将高参数蒸汽转换为低参数蒸汽，排汽冷端接收低参数蒸汽。功率输出端与多级段串联式汽轮机连接，以输出功率做功。其中，多级段串联式汽轮机包括转子和多个透平级段，多个透平级段依次串联在转子上，每个透平级段均开设有进汽口和出汽口。沿蒸汽膨胀方向，前一个透平级段的出汽口与后一个透平级段的进汽口连接，以使多个透平级段之间的蒸汽相互流通。

可选地，进汽热端的蒸汽依次通过进汽管路和进汽阀门进入多级段串联式汽轮机，其中，进汽阀门用于控制进汽热端的进入蒸汽流量。

可选地，每个透平级段均设置有至少一个叶片级，用于蒸汽膨胀做功。

可选地，每个透平级段的出汽口还连接有一个排汽支管路，每个排汽支管路上还设有流量调节装置，用于调节排汽支管路的蒸汽流量。

可选地，每个排汽支管路经过流量调节装置后共同汇入一个排汽总管路，排汽总管路与排汽冷端相连，用于接收多级段串联式汽轮机的排汽。

可选地，进汽热端包括锅炉或蒸汽母管。

可选地，排汽冷端包括凝汽器或蒸汽母管。

可选地，功率输出端通过联轴器或变速箱与多级段串联式汽轮机的转子相连。

可选地，功率输出端包括发电机、泵、风机或压缩机。

本发明另一方面提供了根据上述实施例多级段串联式汽轮机系统的使用方法，在多级段串联式汽轮机总焓降最小的负荷工况下，调节第一个透平级段对应的排汽支管路上的流量调节装置为大开度状态，调节最后一个透平级段对应的排汽支管路上的流量调节装置为小开度状态，其余透平级段对应的排汽支管路上的流量调节装置为关闭状态，多级段串联式汽轮机的蒸汽通过第一个透平级段膨胀做功，第一个透平级段的焓降满足最佳速比要求，其余透平级段通过少量蒸汽将鼓风产生的热量带走，排入排汽冷端。当负荷变化造成多级段串联式汽轮机总焓降增加时，关闭第一个透平级段对应的排汽支管路上的流量调节装置，打开下一个透平级段对应的排汽支管路上的流量调节装置，调整最后一个透平级段对应的排汽支管路上的流量调节装置并保持小开度状态，其余透平级段对应的流量调节装置为关闭状态，多级段串联式汽轮机的蒸汽依次通过第一个透平级段和下一个透平级段膨胀做功，第一个透平级段、下一个透平级段的焓降满足最佳速比要求，其余透平级段通过少量蒸汽将鼓风产生的热量带走，排入排汽冷端。在多级段串联式汽轮机总焓降最大的负荷工况下，调节最后一个透平级段对应的排汽支管路上的流量调节装置为全开状态，其余透平级段对应的排汽支管路上的流量调节装置均处于关闭状态，多级段串联式汽轮机的每个透平级段的蒸汽均膨胀做功，且每个透平级段的焓降均满足最佳速比要求。

基于上述技术方案可知，本发明的一种多级段串联式汽轮机系统及其使用方法相对于现有技术至少具有如下有益效果：

(1)通过调节蒸汽流经的叶片级数量改变不同负荷下透平级段的焓降分配，使膨胀做功的透平级段的速比始终处在最佳值附近，确保多级段串联式汽轮机在变负荷时具有较高的效率。

(2)多级段串联式汽轮机对负荷变化的适应性通过下游透平级段的串入或者拆除来实现，多级段串联式汽轮机以较高的蒸汽参数做定压运行，有利于实现较高的循环热效率。

(3)多级段串联式汽轮机总焓降减小时，下游透平级段退出蒸汽膨胀过程，仅通过少量蒸汽将鼓风产生的热量带走，其下游段为低温区，占用焓降较小，可避免透平级段的温度超过安全值，对多级段串联式汽轮机的总效率影响较小。

(4)在各种负荷工况下，蒸汽膨胀均通过第一个透平级段，该级段的焓降始终满足最佳速比要求，并且该级段温度变化也控制在较小的范围内，从而减小转子瞬态热应力的变化幅值，有利于提高多级段串联式汽轮机负荷的变化速率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本发明一实施例提供的多级段串联式汽轮机系统示意图；

图2为本发明另一实施例提供的多级段串联式汽轮机系统的使用方法流程图。

【附图标记说明】

1-进汽热端；2-多级段串联式汽轮机；3-排汽冷端；4-功率输出端；5-进汽管路；6-进汽阀门；7-第一个透平级段；8-第二个透平级段；9-第三个透平级段；10-第一排汽支管路；11-第二排汽支管路；12-第三排汽支管路；13-第一流量调节装置；14-第二流量调节装置；15-第三流量调节装置；16-排汽总管路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种多级段串联式汽轮机系统，包括：进汽热端1、多级段串联式汽轮机2、排汽冷端3和功率输出端4。进汽热端1向多级段串联式汽轮机2提供高参数蒸汽，多级段串联式汽轮机2将高参数蒸汽转换为低参数蒸汽。排汽冷端3接收低参数蒸汽。功率输出端4与多级段串联式汽轮2连接，并输出功率做功。

多级段串联式汽轮机2包括转子和多个透平级段，多个透平级段依次串联，并连接在同一个转子上。每个透平级段均开设有进汽口和出汽口，沿蒸汽膨胀方向，前一个透平级段的出汽口与后一个透平级段的进汽口连接，以使进汽热端1的蒸汽穿过每个透平级段的进汽口和出汽口并依次流通。

在本发明实施例中，进汽热端1的蒸汽依次通过进汽管路5和进汽阀门6进入多级段串联式汽轮机2中，进汽阀门6用于控制进入多级段串联式汽轮机2的蒸汽流量。

在本发明实施例中，多个透平级段的数量可以根据实际设置，本发明对该数量不做具体限定。示例性地，如图1所示，为了便于描述，多级段串联式汽轮机2具体可以包括3个透平级段，但不局限于此。

如图1所示，在多个透平级段的数量是3个时，多级段串联式汽轮机2依次包括第一个透平级段7、第二个透平级段8、第三个透平级段9，三个透平级段串联，并连接在同一个转子上，且每个透平级段都设置有进汽口和出汽口，第一个透平级段7的出汽口与第二个透平级段8的进汽口连接，第二个透平级段8的出汽口与第三个透平级段9的进汽口连接，使三个透平级段之间的蒸汽相互流通。并且，各个透平级段通流面积的变化满足蒸汽膨胀规律。

具体地，每个透平级段内均包括至少一个叶片级，叶片级的数量可以调节透平级段的焓降，通过调整蒸汽膨胀流经不同的叶片级数量来改变不同负荷下各透平级段的焓降分配，使蒸汽膨胀的透平级段速比始终处在最佳值附近。

在本发明的一个实施方式中，第一个透平级段7、第二个透平级段8、第三个透平级段9对应的每个级段的出汽口分别连接有第一排汽支管路10、第二排汽支管路11、第三排汽支管路12，且第一排汽支管路10、第二排汽支管路11、第三排汽支管路12上对应还可以设有第一流量调节装置13、第二流量调节装置14、第三流量调节装置15，以分别调节每个排汽支管路的蒸汽流量。

在本发明的一个实施方式中，多级段串联式汽轮机系统还可以包括排汽总管路16，第一排汽支管路10、第二排汽支管路11、第三排汽支管路12内的蒸汽经过第一流量调节装置13、第二流量调节装置14、第三流量调节装置15共同汇入排汽总管路16，排汽总管路16的蒸汽进入排汽冷端3，以接收多级段串联式汽轮机2的排汽。

在本发明的一个实施方式中，进汽热端1可以包括锅炉、蒸汽母管或者其他可以为本发明提供做功蒸汽的热源。

在本发明的一个实施方式中，排汽冷端3可以包括凝汽器、蒸汽母管或者其他接收本发明蒸汽的冷源。

在本发明的一个实施方式中，功率输出端可以通过联轴器或变速箱与多级段串联式汽轮机的转子相连。

在本发明的一个实施方式中，功率输出端4可以包括发电机、泵、风机或压缩机等其他耗功设备。

如图2所示，本发明另一实施例提供了一种根据上述多级段串联式汽轮机系统的使用方法，包括以下步骤S1～S3。

S1，在多级段串联式汽轮机2总焓降最小的负荷工况下，调节第一个透平级段7的第一排汽支管路10上的第一流量调节装置13为大开度状态，调节第三个透平级段9的第三排汽支管路12上的第三流量调节装置15为小开度状态，第二个透平级段8的第二排汽支管路11上的第二流量调节装置14为关闭状态，多级段串联式汽轮机2的蒸汽通过第一个透平级段7膨胀做功，第一个透平级段7的焓降满足最佳速比要求，第二个透平级段8、第三个透平级段9通过少量蒸汽将鼓风产生的热量带走，排入排汽冷端3，第二个透平级段8、第三个透平级段9可定义为下游透平级段，此时下游透平级段处于蒸汽膨胀的低温区，占用焓降较小，避免了每个透平级段的温度超过安全值。

S2，当负荷变化造成多级段串联式汽轮机2总焓降增加时，关闭第一个透平级段7的第一排汽支管路10上的第一流量调节装置13，此时第一个透平级段7对应的第一流量调节装置13可以定义为上游透平级段，打开第二个透平级段8对应的第二排汽支管路11上的第二流量调节装置14，调整第三个透平级段9对应的第三排汽支管路12上的第三流量调节装置15并保持小开度状态，多级段串联式汽轮机2的蒸汽依次通过第一个透平级段7和第二个透平级段8膨胀做功，第一个透平级段7、第二个透平级段8的焓降满足最佳速比要求，第三个透平级段9通过少量蒸汽将鼓风产生的热量带走，排入排汽冷端3，以避免每个透平级段的温度超过安全值。

S3，在多级段串联式汽轮机2总焓降最大的负荷工况下，调节第三个透平级段9的第三排汽支管路12上的第三流量调节装置15为全开状态，第一个透平级段7和第二个透平级段8对应的第一排汽支管路10和第二排汽支管路11上的第一流量调节装置13和第二流量调节装置14处于关闭状态，多级段串联式汽轮机2的每个透平级段的蒸汽均膨胀做功，且每个透平级段的焓降均满足最佳速比要求以实现高效率。

具体的，在不同的负荷工况下，多级段串联式汽轮机2的每个透平级段都连接在同一个转子上，且蒸汽都流经第一个透平级段7，使第一个透平级段7焓降始终满足最佳速比要求，且第一个透平级段7的温度变化也较小，从而可以减小转子瞬态热应力的变化，提高多级段串联式汽轮机2的变化速率，也确保了多级段串联式汽轮机2具有高效率。

综上所述，本发明实施例提供了一种多级段串联式汽轮机系统及其使用方法，该系统包括进汽热端1、多级段串联式汽轮机2、排汽冷端3和功率输出端4。通过串联多个透平级段，控制蒸汽流量，使对应的透平级段蒸汽膨胀，并调节蒸汽流经叶片级数量，通过调节叶片级数量来改变不同负荷下各级段的焓降分配，使各主要做功级的速比始终处在最佳值附近，达到多级段串联式汽轮机在变负荷时具有较高效率。

应该明白，发明过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本发明的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。