CN101305163A - 起动蒸汽透平设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种起动蒸汽透平设备(1b)的方法，该蒸汽透平设备具有至少一个蒸汽透平(20a，20b，20c)和至少一个用于产生驱动蒸汽透平(20a，20b，20c)的蒸汽的蒸汽发生设备(30b，30，44，46，52，50)，其中蒸汽透平设备(1b)具有至少一个基准部件，其在起动时刻具有大于250℃的初始温度，其中蒸汽的基准部件的温度被连续地测量，其中蒸汽透平设备(1b)的基准部件自起动时刻起用蒸汽加载。起动蒸汽的温度低于基准部件的温度和蒸汽的温度用一个起动瞬变量提高并且起动温度和起动瞬变量这样地选择，使得基准部件的每时间单位的温度变化位于一个给定的界限值以下。基准部件的温度开始时变低，直到达到一个最小值和接着变高。

Description

起动蒸汽透平设备的方法
本发明涉及一种起动蒸汽透平设备的方法，该蒸汽透平设备具有至少一个蒸汽透平和至少一个用于产生驱动蒸汽透平的蒸汽的蒸汽发生设备，其中蒸汽透平设备具有至少一个基准部件(Bezugs-Bauteil)，该基准部件在起动时刻具有大于250℃的初始温度，其中蒸汽和基准部件的温度被连续地测量，其中蒸汽透平设备的基准部件自起动时刻起被施加蒸汽。
为了起动蒸汽透平设备，通常在废热蒸汽发生器中产生的蒸汽首先不是输送到蒸汽透平设备的蒸汽透平部分，而是通过旁通站绕过透平并且直接地输送给冷凝器，该冷凝器将蒸汽冷凝成水。冷凝水然后又作为给水输送给蒸汽发生器或通过屋顶吹出，如果没有旁通站的话。只有当在水-蒸汽循环的蒸汽管道中或在通向蒸汽透平设备的透平部分的蒸汽管道中的一定的蒸汽参数，例如一定的蒸汽压力和温度，被满足时，才接通蒸汽透平。满足这些蒸汽参数上为了将厚壁部件中的可能的应力保持在低的水平并且避免不允许的相对膨胀。
如果蒸汽透平在工作温度承受负载超过一定的时间，那么蒸汽透平的厚壁部件在夜间停机后或甚至在周末停机后仍然具有高的初始温度。厚壁部件此时例如是阀壳或高压透平部分的壳体或高压或中压轴。在大约持续8个小时的夜间停机或大约持续48个小时的周末停机之后，初始温度通常位于300℃和500℃之间。
当蒸汽透平设备的厚壁部件在热起动或半热态起动之后，即在夜间停机或周末停机之后，被施加由蒸汽发生器或锅炉提供的供使用的第一蒸汽时，存在厚壁部件被快速冷却的危险，因为一般而言第一蒸汽具有比厚壁部件较低的温度。
由蒸汽和厚壁部件之间的大的温度差可以形成非常大的热应力，其导致材料的疲劳和由此导致寿命的缩短。
此外在轴和外壳之间可能产生不允许的高的相对膨胀，其可能导致间隙消失。
为了减小在蒸汽和厚壁部件之间的过大的温度差的危险，该过大的温度差导致过大的热应力，目前在蒸汽透平设备中是将调节阀保持关闭，直到蒸汽发生器或锅炉提供具有相应的高的温度的蒸汽为止。该温度比各个厚壁部件的初始温度大约高50℃。此时直到可以使用蒸汽透平设备的长的等待时间被认为是个缺陷。
本发明的任务是，提出一种开头所述类型的起动蒸汽透平设备的方法，其使得蒸汽透平设备可以被快速使用。
该任务通过一种起动蒸汽透平设备的方法来解决，该蒸汽透平设备具有至少一个蒸汽透平和至少一个用于产生驱动蒸汽透平的蒸汽的蒸汽发生设备，其中蒸汽透平设备具有至少一个基准部件，该基准部件在起动时刻具有大于250℃的初始温度，其中蒸汽和基准部件的温度被连续地测量，其中蒸汽透平设备的该基准部件自起动时刻起被用蒸汽加载，其中蒸汽的起动温度低于基准部件的温度，和蒸汽的温度用一个起动瞬变量(起动瞬变量)提高并且起动温度和起动瞬变量这样地选择，使得基准部件的每时间单位的温度变化位于给定的界限值以下，其中基准部件的温度开始时较低直到达到一个最小值和接着变高。基准部件的每时间单位的温度变化此时位于大于或等于5K/m的值上。
本发明基于这样的认识，即尽管蒸汽透平设备的厚壁部件具有比蒸汽温度高的初始温度，也可以对其施加其温度低于各个基准部件的初始温度的蒸汽。为此，蒸汽的温度必须用一个足够的瞬变量(瞬变量)提高，使得厚壁基准部件的平均的整体温度只经历一个可以忽略的低的冷却。瞬变量应该理解为一种变化，尤其是每时间单位的温度变化(°K/m)。相反，梯度应该理解为一种变化，尤其是每行程距离的温度变化(°K/m)。由此也可以排除相对膨胀的问题。因此本发明基于这样的认识，即可以实现蒸汽透平设备的非常快的起动时间，即使放弃要求来自蒸汽发生器或锅炉的蒸汽高于基准部件的初始温度大约50°K，并且用其温度低于基准部件的初始温度的蒸汽进行施加时。但是，在施加到基准部件上之后蒸汽的初始温度必须用足够的和合适的起动梯度升高。
过低的起动梯度会导致蒸汽温度的过小的升高和由此产生厚壁部件被快速冷却的危险。
在一个有利的实施例中，基准部件的温度在它的一个面对着蒸汽的表面上进行测量。基准部件首先自然地在表面上冷却，而位于内部的部件冷却得较慢。这导致在基准部件的厚度上的温度差，其可能导致热应力。因此有利的是，直接在面对着蒸汽的表面上测量部件的温度。
在另一个有利的实施例中，该方法被进一步扩展，即在基准部件的背离蒸汽的地方测量另一个温度，其中初始温度和起动梯度这样地选择，使得在表面上的温度和该另一个温度之间的温度差位于一个给定的温度差界限值以下。
本发明基于这样的认识，即正是在基准部件的表面的温度和基准部件的相邻的地方上的温度之间的高温度差是有害的。通过测量基准部件上的两个温度，其中一个温度在面对着蒸汽的表面上测量，和另一个温度背离蒸汽的地方测量，马上存在探测出现的温度差的可能性，以便采取合适的措施，即必要时调节蒸汽的起动瞬变量。
理想地，该另一个温度在基准部件的一个表面上测量，该表面位于被用蒸汽加载的表面的对面。
在另一个有利的扩展方案中，该另一个温度基本上在基准部件的中部上测量。由于蒸汽透平设备的厚壁基准部件在温度升高时表现得相对迟缓，也就是说在壁厚装置中的温度升高进行非常缓慢，因此有利的是，该另一个温度基本上在基准部件的中部进行测量。由此可以很早地监测厚壁基准部件的温度发展。
在另一个有利的实施例中，起动瞬变量这样地选择，使得它的值大于或等于5K/m。该值可以是恒定的或者是变化的。由此能够用相对简单的方法技术手段来起动蒸汽透平设备。
在本发明的另一个有利的扩展方案中，蒸汽的温度在达到一个接受的界限值之后用一个引导梯度(Führungs-Gradient)提高，其中引导梯度的值低于起动梯度的值。此时本发明基于这样的构思，首先将比基准部件的初始温度更冷的蒸汽加载到基准部件上。这导致基准部件的面对着蒸汽的表面被冷却。蒸汽的起动温度此时不应该比基准部件的起动温度低得太多。蒸汽温度的升高也必须用一个合适的瞬变量实现。蒸汽的温度的过于缓慢的升高导致基准部件的损坏。厚壁基准部件首先冷却，直到至基准部件的温度达到一个最小值。在到达最小值之后基准部件的温度升高。蒸汽的温度接着用起动瞬变量提高，直到达到至接受的界限值。在到达接受的界限值之后，蒸汽的温度用一个引导瞬变量(Führungs-Transient)被继续提高，其中引导瞬变量的值低于起动瞬变量的值。蒸汽的温度的过快的升高会导致基准部件的面对着蒸汽的表面比背离蒸汽的表面过快地被加热和由此导致在面对着蒸汽的表面和背离蒸汽的表面之间的大的温度差。这导致基准部件不希望的损坏。通过选择合适的引导瞬变量，其必须低于起动瞬变量，防止了在面对着蒸汽的一侧和背离蒸汽的一侧之间的大的温度差的产生。
在另一个有利的扩展方案中，通过从外部喷射水实现蒸汽的温度的变化。由此得到一种影响温度升高的瞬变量的比较简单的可能性。
有利地，基准部件的初始温度位于300℃至450℃之间。有利地，起动蒸汽的温度比初始温度低直至150℃。在一个有利的扩展方案中，起动瞬变量的值大于或等于5K/m，尤其是该值为13K/m。按照另一个有利的扩展方案，引导瞬变量的值在0和15K/m之间，尤其是该值为1K/m。发明人证明这些值适合于在当今的蒸汽透平制造中实施前面所述的方法。
依据说明书和附图描述本发明的实施例。其中用相同附图标记表示的部件具有相同的作用方式。
附图中所示：
图1是一个燃气和蒸汽透平设备的示意视图，
图2是温度升高的图解视图，
图3是蒸汽透平的可供使用率的时间发展示意图。
在图1中示意示出的联合式燃气和蒸汽透平设备1包括燃气透平设备1a以及蒸汽透平设备1b。燃气透平设备1a配备有燃气透平2，压缩机4以及至少一个连接在压缩机4和燃气透平2之间的燃烧室6。借助于压缩机4吸入和压缩新鲜空气L并通过新鲜空气管道8将其输送到燃烧室6的一个或多个燃烧器。输送的空气与通过燃料管道10输送的液态或气态燃料B混合并且燃烧该混合物。其中形成的燃烧废气构成燃气透平设备1a的工作介质AM，其被输送给燃气透平2，其在膨胀下做功和驱动与燃气透平2连接的轴14。轴14除了与燃气透平2连接以外还与空气压缩机4以及发电机12连接，以便驱动它们。膨胀的工作介质AM通过废气管道34排到蒸汽透平设备1b的废热蒸汽发生器30。在废热蒸汽发生器30中由燃气透平1a以大约500℃至600℃的温度排出的工作介质被用于产生和过热蒸汽。
蒸汽透平设备1b除了废热蒸汽发生器30以外，该废热蒸汽发生器尤其是可以构造成强制通流系统，还包括具有透平级20a，20b，20c的蒸汽透平20和冷凝器26。废热蒸汽发生器30和冷凝器26与冷凝水管道或给水管道35，40以及与蒸汽管道48，53，64，70，80，100一起构成一个蒸汽系统，它与蒸汽透平20一起构成一个水-蒸汽循环系统。
来自给水容器38的水借助于给水泵42输送给高压预热器44，其也称为节热器，并且从那里继续引导到在出口侧与节热器44连接的、设计用于连续运行的蒸发器46。蒸发器46本身在出口侧通过其中连接有水分离器50的蒸汽管道48连接到过热器52上。过热器52通过蒸汽管道43在出口侧与蒸汽透平20的高压级20a的蒸汽入口54连接。
在蒸汽透平20的高压级20a中，由过热器52过热的蒸汽在通过高压级20a的蒸汽出口56输送给中间过热器58之前驱动蒸汽透平。该蒸汽在中间过热器58中被过热之后通过另一个蒸汽管道81被继续引导到蒸汽透平20的中压级20b的蒸汽入口60，此时它驱动该透平。
中压级20b的蒸汽出口62通过溢流管道64与蒸汽透平20的低压级20c的蒸汽入口66连接。在流过低压级20c和与其连接的透平的驱动装置之后，该被冷却的和膨胀的蒸汽通过低压级20c的蒸汽出口68排到蒸汽管道70中，其将蒸汽引导到冷凝器26。
冷凝器26将进入的蒸汽转化成冷凝水和借助于冷凝水泵36将冷凝水通过冷凝水管道35传输给水容器38。
除了已经提到的水-蒸汽循环的元件以外，该水-蒸汽循环此外还包括旁通管道100，即所谓的高压迂回管道，该高压迂回管道在蒸汽管道53达到高压级20a的蒸汽入口54之前从蒸汽管道53分支出来。高压迂回管道100围绕高压级20a布置并且通入引至中间过热器58的输送管道80。另一个旁通管道，即所谓的中压迂回管道200，在蒸汽管道81通入到中压级20b的蒸汽入口60之前从蒸汽管道81分支出来。中压迂回管道200既围绕中压级20b也围绕低压级20c布置并且通入引至冷凝器26的蒸汽管道70。
在高压迂回管道100和中压迂回管道200中安装有可以用于将其关闭的截止阀102，202。在蒸汽管道53中或在蒸汽管道81中同样设有截止阀104，204，并且是分别布置在旁通管道100或200的分支点和高压级20a的蒸汽入口54或中压级20a的蒸汽入口60之间。
一个截止阀位于蒸汽管道53中，并且是在旁通管道100的分支点和蒸汽透平20的高压级20a的蒸汽入口54之间。
旁通管道100和截止阀102，104用于在起动燃气和蒸汽透平设备1期间将一部分蒸汽绕道输送到蒸汽透平2的环境中。
在方法开始时，蒸汽透平设备1b处于被冷却的状态和应该实施热起动或半热态起动。在一次大约8小时的夜间停机之后的起动通常被称为热起动，而一次大约48小时的周末停机之后的起动被称为半热态起动。蒸汽透平1b的厚壁部件此时具有300℃至大约500℃的高的初始温度。厚壁部件也可以称为基准部件。厚壁部件此时例如是阀外壳和高压外壳，高压轴和中压轴。但是也可以考虑是其它的厚壁部件。
至少在起动时刻基准部件具有大于250℃的初始温度。在一个方法步骤中蒸汽和基准部件的温度被连续地测量。蒸汽透平设备1b从一个起动时刻起用蒸汽加载。
起动蒸汽的温度此时低于基准部件的温度。蒸汽的温度接着用一个可以调节的起动瞬变量提高，其中起动温度和起动瞬变量这样地选择，使得基准部件的每时间单位的温度变化处于一个给定的界限值以下，其中基准部件的温度开始时变低，直到达到一个最小值并且接着变高。
在图2中示出了蒸汽205随时间的温度变化曲线。同样示出了在面对着蒸汽的厚壁部件的表面202上的温度变化曲线。在图2中同样示出了厚壁部件的平均的整体温度204。
平均的整体温度204例如是指基本上在基准部件的中部中的温度。
在起动时刻200之后，蒸汽的温度205用应该起动瞬变量提高，该起动瞬变量如在图2所示是恒定的。恒定的起动瞬变量导致温度线性地变化，直到一个接受的界限值201。在接受的界限值201之后蒸汽的温度205用一个引导瞬变量进行升高，该引导瞬变量低于起动瞬变量的值。厚壁基准部件的初始温度具有大于250℃的值并且在该实施例中位于大约500℃。通过对厚壁部件施加其温度低于厚壁部件的温度的蒸汽，厚壁部件的表面的温度开始时变低，直到达到一个最小值202。在该最小值202之后厚壁部件的温度变高并且比较强烈地上升直到达到时间点206，此时蒸汽的温度达到接受的界限值和接着用一个引导瞬变量较缓和地提高。蒸汽的温度为此能够通过喷射水进行影响。基准部件的平均的整体温度204原则上也遵循如厚壁部件的用203表示的曲线的变化。开始时温度下降直到达到最小值204。接着温度上升。
在图3中可以看到这种按照本发明的燃气和蒸汽透平设备的可使用性和功率。用点线示出的曲线表示出常规的按照现有技术存在的燃气和蒸汽透平设备变化曲线。实线示出了用按照本发明的方法起动的燃气和蒸汽透平设备的变化曲线。在X-轴上标记的是时间和在Y-轴上标记的是以百分率表示的蒸汽透平设备的可使用性或功率。曲线300和301表示燃气透平设备(CT＝燃烧透平)的变化曲线和曲线400和401表示蒸汽透平设备(ST＝蒸汽透平)的变化曲线。可以看到，在常规的燃气和蒸汽透平设备下，30％的可使用性达到得相当早，但是100％的可使用性在时间t1之后才达到，在所选的示例中，该时间t1为大约50分钟。在按照本发明的设备下，大约30％的可使用性同样达到得相当早，即在时间点t2，它为大约10分钟。但是100％的可使用性此时在时间点t3处就达到了，该时间点t3在所选的示例中为大约30分钟。

Claims (12)

1.起动蒸汽透平设备(1b)的方法，该蒸汽透平设备具有至少一个蒸汽透平(20a，20b，20c)和至少一个用于产生驱动蒸汽透平(20a，20b，20c)的蒸汽的蒸汽发生设备(30b，30，44，46，52，50)，其中蒸汽透平设备(1b)具有至少一个基准部件，其在起动时刻具有大于250℃的初始温度，其中蒸汽的基准部件的温度被连续地测量，其中蒸汽透平设备(1b)的基准部件自起动时刻起用蒸汽加载，其特征在于，起动蒸汽的温度低于基准部件的温度和蒸汽的温度用一个起动瞬变量提高并且起动温度和起动瞬变量这样地选择，使得基准部件的每时间单位的温度变化位于一个给定的界限值以下，其中基准部件的温度开始时变低，直到达到一个最小值和接着变高。
2.按照权利要求1所述的方法，其中基准部件的温度在它的面对着蒸汽的表面上进行测量。
3.按照权利要求2所述的方法，其中在基准部件的一个背离蒸汽的地方测量另一个温度，其中起动温度和起动瞬变量这样地选择，使得在该表面上的温度和该另一个温度之间的温度差低于一个给定的温度差界限值。
4.按照权利要求3所述的方法，其中该另一个温度在基准部件的一个表面上测量，该表面位于被施加了蒸汽的表面的对面。
5.按照权利要求3所述的方法，其中该另一个温度基本上在基准部件的厚度的中部进行测量。
6.按照前述权利要求中之一所述的方法，其中该起动瞬变量是恒定的。
7.按照前述权利要求中之一所述的方法，其中蒸汽的温度在达到一个接受的界限值(201)之后用一个引导瞬变量提高，其中该引导瞬变量的值低于起动瞬变量的值。
8.按照前述权利要求中之一所述的方法，其中蒸汽的温度的变化通过外部的水喷射实现。
9.按照前述权利要求中之一所述的方法，其中部件的初始温度为300℃至400℃。
10.按照前述权利要求中之一所述的方法，其中蒸汽的起动温度为在直至150K的程度上低于初始温度。
11.按照前述权利要求中之一所述的方法，其中起动瞬变量值e大于或等于5K/m，尤其是13K/m。
12.按照前述权利要求中之一所述的方法，其中引导瞬变量值在0和15K/m之间，尤其是为1K/m。
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