CN101769202B - 用于克服额定压力启动蒸汽轮机的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种蒸汽轮机(14)的外部主蒸汽启动控制阀旁路回路(45)，以有利于全压力联合循环迅速反应/快速启动动力装置(10)。主蒸汽启动旁路控制回路(45)尤其包括主蒸汽启动旁路控制阀(48)和低压降主蒸汽控制阀，主蒸汽启动旁路控制阀(48)允许实现高效率，低压降主蒸汽控制阀在全压力蒸汽轮机启动期间处理剧烈节流任务，且会增强蒸汽轮机(14)的可控制性，从而允许进行最大程度地降低蒸汽轮机转子应力所必需的高灵敏度控制。

Description

用于克服额定压力启动蒸汽轮机的装置
技术领域
本发明大体涉及联合循环动力系统，且尤其涉及用于克服额定压力启动蒸汽轮机的装置和方法。
背景技术
已知联合循环动力系统包括一个或多个燃气轮机和热回收蒸汽发生器(HRSG)以及蒸汽轮机。传统的联合循环系统启动程序包括燃气轮机的低负载保持和对燃气轮机加载速率的限制，以控制蒸汽温度的增长速率。这些保持和限制在启动事件期间有助于空气排放，可能会增加启动和加载时间，且可能会提高启动和加载期间的燃料消耗。
更具体地，对于启动和加载期间的联合循环系统，且在燃气轮机实现全负载之前，保持燃气轮机，直到由HRSG产生的蒸汽的温度与蒸汽轮机高压和中压包层金属(bowl metal)温度相配，和/或HRSG以容许速率变暖，和/或HRSG变暖到准备好加热燃料的点。通过使燃气轮机保持在低负载处，燃气轮机以低效率操作，且废气排放高。
至少部分地容忍这种传统的启动程序，因为在过去，启动不频繁。然而随着昼夜电价波动，这种启动变得更频繁。
Tomlinson等人在美国专利公开2007/0113562中(授予通用电气公司)描绘了相对于已知的传统联合循环系统的排放来说有利于在启动和加载期间降低排放的方法和装置。与已知的传统联合循环系统相比，这种方法和装置还有利于降低启动和加载时间以及启动和加载事件期间的燃料消耗。
方法包括以高达其最大速率对燃气轮机进行加载，以及以最大速率对蒸汽轮机进行加载，将多余的蒸汽旁通到冷凝器中，同时从初始蒸汽进入蒸汽轮机中直到在燃气轮机在高达最大负载下操作时由热回收蒸汽发生器产生的全部蒸汽被允许进入蒸汽轮机为止，将供应给蒸汽轮机的蒸汽温度保持为基本恒温。
图1是适于执行快速启动的联合循环动力系统10的示意图。已知系统10包括燃气轮机12和联接到发电机16上的蒸汽轮机14。蒸汽轮机14由多个导管连接到热回收蒸汽发生器(HRSG)18上，且其排气连接到冷凝器20上。
系统10包括在高压过热器的排放终端处的调温器22和位于HRSG 18中的再热器的排放终端处的调温器24。HRSG 18可具有直通型或鼓型蒸发器，该蒸发器能够承受在正常的寿命和维护的情况下燃气轮机12以优化的速率进行日常启动和加载。
在燃气轮机和蒸汽轮机的启动和加载期间，调温器22和24操作来降低供应给蒸汽轮机14的、由HRSG 18产生的高压且热的再热蒸汽的温度。特别地，调温器22有利于满足蒸汽轮机的蒸汽温度标准，以使高压包层金属温度与在任何负载下的燃气轮机12匹配。进入蒸汽轮机中压区的热的再热蒸汽的温度由再热蒸汽终端调温器24控制到蒸汽至金属温度匹配标准。
系统10进一步包括从HRSG 18到冷凝器20的旁路路径28、30和32，以及从高压蒸汽线路到冷的再热蒸汽管道系统的旁路路径33，其提供不同的高压蒸汽流路径，同时蒸汽轮机进气阀40调节成以其最快容许速率加载蒸汽轮机。旁路路径28和33包括调节成控制高压蒸汽的压力和高压蒸汽压力的增长速率的阀。旁路路径30为热的再热蒸汽提供备选路径，同时在蒸汽轮机加载期间中压控制阀被调节。旁路路径30包括阀，该阀被调节来控制再热蒸汽压力，同时在蒸汽轮机加载期间蒸汽轮机中压控制阀被调节。蒸汽旁路路径32为低压蒸汽提供备选路径，同时在蒸汽轮机加载期间蒸汽轮机低压进气阀被调节。这个旁路布置允许由HRSG 18产生100％或更多的蒸汽产生量，并且燃气轮机12在高达最大负载，而蒸汽轮机在从无负载到最大负载的任何负载。
另外，使用了蒸汽轮机加载程序，从初始蒸汽进入直到燃气轮机12在高达最大负载的HRSG产生的全部蒸汽被允许进入期间保持恒定的蒸汽温度，且蒸汽轮机加载可在高达最大负载的任何燃气轮机负载下执行，蒸汽轮机加载程序保持恒定的蒸汽温度。可通过以下来实现这一点，即：将高压蒸汽终端调温器22的设定点温度保持在最低容许温度处(例如大约700F)，或者如果包层金属温度高于最小值，则当最初允许高压蒸汽进入蒸汽轮机时，就将设定点温度保持在略微高于蒸汽轮机高压包层金属温度的实测温度。同样地，将热的再热蒸汽终端调温器24设定点保持在最低容许温度处，或者如果蒸汽轮机中压包层金属温度在最小值以上，当启动了蒸汽进入时，就将热的再热蒸汽终端调温器24设定点保持在包层金属温度处，或者略微在包层金属温度以上。这个启动程序有利于蒸汽轮机加载，同时有利于最大程度地减小由于涡轮机外壳或转子加热造成的应力。
为蒸汽轮机14提供主蒸汽控制阀40，以控制通向涡轮机的流。提供主蒸汽停止阀41，以强制地隔离蒸汽和涡轮机，且进行快速的关闭，以保护蒸汽轮机。在允许全部蒸汽流进入蒸汽轮机14之后，蒸汽温度以与容许的蒸汽轮机应力和不均匀膨胀相容的速率升高，以实现正常的蒸汽轮机输出和效率。主蒸汽控制阀40和主蒸汽停止阀41可结合在单个主体内。终端调温器22和24在这个蒸汽轮机启动期间提供对蒸汽温度的控制。
传统上，用于联合循环应用的主停止阀和控制阀已经设计成用于下列要求：1)快速关闭，以保护涡轮机不受超速的影响；2)低的压降，以获得优化的涡轮机输出和性能；以及3)与启动蒸汽轮机相关联的低强度持续时间短的节流。因此，节流要求是相对温和的。
为了实现Tomlinson等人的快速启动轮廓，需要主控制阀来克服全额定上游压力执行高强度节流。关于联合循环主蒸汽控制阀(MSCV)的不剧烈但仍然显著的节流的应用的以往经验不尽如人意。这些高效MSCV的可靠性和低负载可控制性两者都有问题。
因此，需要在保持对进入蒸汽轮机的蒸汽的低负载控制的同时针对剧烈的压降提供节流能力。另外，这种装置必须具有快速关闭能力，以进行涡轮机保护，且保持低的压降，以实现涡轮机性能。
发明内容
本发明涉及用于改进特别是在液冷式定子重绕程序期间的定子条的传输和操纵的装置和方法。
简要地，根据一个方面，提供了联合循环发电系统。该系统包括发电机、联接到发电机上的燃气轮机，以及联接到发电机上的蒸汽轮机。系统进一步包括适于将蒸汽供应给蒸汽轮机的热回收蒸汽发生器，以及联接到热回收蒸汽发生器上的至少一个调温器。另外，系统包括适于在蒸汽轮机的正常操作期间控制蒸汽进入蒸汽轮机的主蒸汽控制阀，以及适于在快速启动期间控制蒸汽进入蒸汽轮机的主蒸汽启动控制旁路回路。
根据本发明的第二个方面，提供了一种适于在联合循环装置的快速启动中控制通向蒸汽轮机的蒸汽流的装置。联合循环装置包括燃气轮机、适于将蒸汽供应给蒸汽轮机的热回收蒸汽发生器，适于控制通向蒸汽轮机的蒸汽的温度的至少一个调温器，以及适于控制通向蒸汽轮机的蒸汽的温度的至冷凝器的至少一个旁路路径。装置包括包括主蒸汽旁路停止阀和主蒸汽旁路控制阀的启动旁路控制回路。
本发明的另一个方面提供用于快速地启动联合循环发电系统的方法。该系统包括燃气轮机、蒸汽轮机；接收来自所述燃气轮机的废热的热回收蒸汽发生器，且在高压过热器和再热器的排放终端处配备有调温器，且连接到蒸汽轮机上；连接到蒸汽轮机上的冷凝器；以及从热回收蒸汽发生器到冷凝器以及从高压蒸汽管道到热的再热蒸汽管道的旁路路径；以及包括主蒸汽控制阀和主蒸汽旁路控制阀的主蒸汽管道。
方法包括以高达其最大速率对燃气轮机进行加载，同时从初始蒸汽进入蒸汽轮机直到在燃气轮机在高达最大负载下操作的情况下由热回收蒸汽发生器产生的全部蒸汽通过主蒸汽启动旁路阀进入蒸汽轮机为止，将供应给蒸汽轮机的蒸汽的蒸汽温度保持为基本恒定温度。方法还包括调节通过旁路路径的蒸汽流，以便控制来自热回收蒸汽发生器的高压蒸汽压力、再热压力和低压蒸汽压力；以及为蒸汽提供备选路径，同时在加载期间调节主蒸汽启动旁路控制阀。
将蒸汽进入蒸汽轮机的控制从主蒸汽旁路控制阀转移到主蒸汽控制阀。在全部蒸汽流进入蒸汽轮机之后，蒸汽温度就以与容许的蒸汽轮机应力和不均匀膨胀相适合的速率上升，以实现正常的蒸汽轮机输出和效率。
附图说明
当参看附图阅读以下详细描述时，将更好理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中，相同标号始终代表相同部件，其中：
图1是适于实现快速启动的示例性联合循环动力系统10的示意图；
图2示出了启动控制旁路阀的线性流特性的示例性显示；
图3A和3B是结合了启动控制旁路回路的实施例的示例性联合循环动力系统的更详细的图示；
图3A和3B示出了主蒸汽停止阀和切断阀的旁路阀的布置；
图4示出了启动旁路控制回路的布置的实施例的正视图；
图5示出了启动旁路停止阀的实施例的横截面图；以及
图6是启动旁路控制阀的实施例的横截面图。部件列表10联合循环动力系统12燃气轮机14蒸汽轮机16发电机18热回收蒸汽发生器20冷凝器22调温器24再热蒸汽终端调温器28，30，32通向冷凝器旁路路径的HRSG33至冷再热蒸汽管道旁路路径的高压蒸汽线路40蒸汽轮机进气控制阀41主蒸汽停止阀42液压控制器45启动旁路回路46过滤器47启动旁路停止阀48启动旁路控制阀49MSBV/MSCV50，52双蒸汽管道51，53双蒸汽入口210线性流特性220等百分比流特性230快速打开特性300启动旁路停止阀310主体320控制头330控制杆340盘345承座350内部过滤器400启动旁路控制阀410主体420控制杆425控制杆盘430控制套管440堆叠盘
具体实施方式
本发明的下列实施例具有许多优点，包括有利于在联合循环燃气轮机装置中实现迅速反应启动。
本发明关于增加外部蒸汽轮机主蒸汽启动控制阀旁路回路，其用于有利于全压力联合循环迅速反应/快速启动动力装置。主蒸汽启动控制旁路回路尤其包括主蒸汽启动控制旁路阀，其完成以下功能：1)允许实现高效的低压降MSCV，以别的方式将不能在全压力蒸汽轮机启动期间处理剧烈的节流任务，以及2)增强蒸汽轮机的可控制性，从而允许最大程度地减小ST转子应力所必需的高灵敏度控制。这种类型的主蒸汽阀构造的主要优点在于，其有利于在联合循环启动期间使燃气轮机(GT)与蒸汽轮机(ST)分离(decoupling)。通过使ST与GT分离，GT就能够启动得更快，从而导致GT启动排放大大减少且使客户收入增加。在服役的联合循环装置要转换成快速启动/迅速反应的动力装置的情况下，可增加对这些启动旁路阀的使用，以提供全压力ST启动和加载所需的控制灵敏度和稳健节流，全压力ST启动和加载必须发生以使ST与GT完全分离。
本发明的重要特征在于对联合循环应用增加和/或应用启动控制旁路回路，以便在克服全额定操作条件操作的时候实现更加可靠和受控制的启动加载特性。包括在本发明的实施例中的构件是快速关闭管路旁路停止阀、线性旁路阀，以及管路篮型(basket type)或Y形蒸汽过滤器。
布置允许MSCV被设计为最优性能，同时提供精确地控制涡轮机所需的可靠性以及启动和加载特性。在不使用本发明的情况下，MSCV设计内的鲁棒特征(robust features)可能会需要进行阀设计，其不可避免地造成不可接受的更高的压力损失特性。
在现有的MSCV周围增加了启动控制旁路回路。虽然期望现有的MSCV起到用于涡轮机保护的快速关闭停止阀和用于控制蒸汽进入ST涡轮机加载操作的节流阀的作用，但是还期望其在燃气轮机升温期间为低水平的蒸汽进入提供高节流控制。有创造性的启动控制旁路回路的实施例包括用于涡轮机保护的快速作用启动旁路停止阀(SBSV)。在快速启动期间，启动旁路控制阀(SBCV)提供在快速启动期间具有线性Cv特性对阀行程以用于增强的控制的增强的流控制。图2示出了启动旁路控制阀的线性流特性210的示例性显示。启动控制旁路阀可采用的其它有代表性的流特性可包括等百分比特性220和快速打开特性230。SBSV和SBCV可各自包括单独作用的液压促动器，用于打开，且依靠机械弹簧关闭。在快速作用的主停止阀和启动旁路控制阀的上游的篮型过滤器保护阀组合不受可能会使其操作的性能和可靠性降低的外来物质的影响。篮型过滤器可备选地包括在SBCV阀或SBSV阀内。
图3A和3B是结合了启动控制旁路回路的实施例的示例性联合循环动力系统的更加详细的图示。可将来自燃气轮机12的废热提供给热回收蒸汽发生器(HRSG)10。HRSG 10可通过调温器22将蒸汽提供给蒸汽轮机14。一些蒸汽可通过HP旁路32转移至脱气冷凝器20。在通向蒸汽轮机14的入口处设置适于在完全加载操作期间控制蒸汽轮机的主蒸汽控制阀40和主蒸汽停止阀41。主蒸汽控制阀40和主蒸汽停止阀41可包括液压控制器42，液压控制器信号从涡轮机控制系统(未示出)中提供给液压控制器42。主蒸汽停止阀41提供快速关闭特征和蒸汽与蒸汽轮机14的确实的隔离。主蒸汽控制阀42根据涡轮机控制系统(未示出)的控制提供蒸汽进入。启动旁路回路45包括启动旁路停止阀47和启动旁路控制阀48。启动旁路回路45可进一步包括启动旁路过滤器46。启动旁路过滤器46可备选地包括在启动旁路停止阀47和启动旁路控制阀48中的一个内。启动旁路停止阀和启动旁路控制阀的控制器可设有采用来自涡轮机控制系统(未示出)的信号的液压促动器。启动控制旁路回路的阀和过滤器可由现有的蒸汽管道来支持。
图4示出了供应蒸汽轮机的启动旁路控制回路的布置的实施例的正视图。取决于大小和其它因素，蒸汽轮机可包括不止一个蒸汽入口。如图所示，蒸汽轮机14包括双蒸汽入口51、53。因此，提供双蒸汽管道50、52来为双入口服务。进一步在此构造中，现有的MSBV 41和MSCV 42可包括在单个主体49内。因此，MSBV/MSCV49可供应两个双蒸汽管线的第一双蒸汽管线50。第二个现有的MSBV/MSCV 49供应第二双蒸汽管线52。
启动控制旁路回路45与双MSBV/MSCV 49并行。启动控制旁路回路45可包括过滤器46、启动旁路停止阀47和启动旁路控制阀48。在启动旁路控制阀48下游的出口管道可包括将双蒸汽入口51、53供应给蒸汽轮机14的双蒸汽管道50、52。蒸汽轮机14可通过公共轴连接到发电机16上。
快速启动的方法可包括以高达其最大速率对燃气轮机进行加载。然后，从初始蒸汽进入蒸汽轮机中直到在燃气轮机在高达最大负载处操作的情况下由热回收蒸汽发生器产生的全部蒸汽通过控制主蒸汽旁路控制阀被允许进入蒸汽轮机为止，将供应到蒸汽轮机的蒸汽的蒸汽温度保持在基本恒温下。另外，方法包括调节通过旁路路径流到冷凝器的蒸汽流量，以便控制来自热回收蒸汽发生器的高压蒸汽压力、再热压力和低压蒸汽压力，且为蒸汽提供备选路径，同时在加载期间调节蒸汽轮机旁路控制阀。在允许预先指定量的蒸汽进入蒸汽轮机之后，使蒸汽温度以与可容许的蒸汽轮机应力和不均匀膨胀相适合的速率升高，以实现正常的蒸汽轮机输出和效率。通向蒸汽轮机的蒸汽流从主蒸汽旁路控制阀转移到主蒸汽控制阀。
图5示出了启动旁路停止阀的实施例的横截面图。启动旁路停止阀包括适于响应于蒸汽轮机、发电机或者其它故障而迅速且强制关闭的主体310。控制头320可包括弹簧系统(未示出)，以在没有来自涡轮机控制系统的使阀保持打开的液压控制信号(未示出)的情况下，强制控制杆330使盘340紧靠345承座而关闭。在此实施例中提供内部过滤器350来防止外来物质污染或损害停止阀或下游构件中的承座表面。
图6示出了启动旁路控制阀的一个实施例的横截面图。启动旁路控制阀400包括主体410。由液压控制器(未示出)在上端处操作控制杆420，以克服关闭的弹簧(未示出)而打开。控制杆盘425操作堆叠盘440内的控制套管430，以根据大体线性流特性来控制流过主体410的蒸汽流。
虽然本文描述了各种实施例，但根据说明书将理解的是，可进行元件的各种组合、变化或改进，且它们都在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种联合循环发电系统(10)，包括：发电机(16)、联接到所述发电机上的燃气轮机(12)、联接到所述发电机上的蒸汽轮机(14)、适于将蒸汽供应给所述蒸汽轮机(14)的热回收蒸汽发生器(18)、联接到所述热回收蒸汽发生器上的至少一个调温器(22，24)、适于在所述蒸汽轮机的正常操作期间控制蒸汽进入所述蒸汽轮机(14)的主蒸汽控制阀(40)，以及包括主蒸汽启动控制旁路阀(48)的主蒸汽启动旁路控制回路(45)，以及从所述主蒸汽控制阀的上游连接到所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)的入口的主蒸汽管道和从所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)的出口连接到所述主蒸汽控制阀(40)的下游的蒸汽管道，所述主蒸汽管道和所述蒸汽管道适于在快速启动期间控制蒸汽进入所述蒸汽轮机(14)。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电系统，其特征在于，来自所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)的出口的所述蒸汽管道构造成用于通向所述蒸汽轮机(14)的单入口和双入口中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的联合循环发电系统，其特征在于，所述联合循环发电系统还包括：在所述启动旁路控制回路(45)中的所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)的上游的主蒸汽旁路停止阀(47)。
4.根据权利要求3所述的联合循环发电系统，其特征在于，所述联合循环发电系统还包括：所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)的上游过滤器(46)。
5.根据权利要求3所述的联合循环发电系统，其特征在于，所述主蒸汽旁路停止阀(47)和所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)中的至少一个在缺少液压控制时失效关闭。
6.根据权利要求3所述的联合循环发电系统，其特征在于，所述主蒸汽启动控制旁路阀包括：在操作的全范围上的线性流特性和等百分比流特性中的至少一个。
7.一种适于在联合循环装置的快速启动中控制通向蒸汽轮机(14)的蒸汽流的装置，所述联合循环装置包括燃气轮机(12)、适于将蒸汽供应给所述蒸汽轮机的热回收蒸汽发生器(18)、适于控制通向所述蒸汽轮机的蒸汽的温度的至少一个调温器(22，24)，以及适于控制通向所述蒸汽轮机(14)的蒸汽的温度的至冷凝器(20)的至少一个旁路路径(28，30，32)，所述装置包括：
包括主蒸汽旁路停止阀(47)和主蒸汽启动控制旁路阀(48)的启动旁路控制回路(45)。
8.根据权利要求7所述的适于在联合循环装置的快速启动中控制通向蒸汽轮机(14)的蒸汽流的装置，其特征在于，所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)包括：在快速启动蒸汽流中的线性流特性。
9.根据权利要求7所述的适于在联合循环装置的快速启动中控制通向蒸汽轮机(14)的蒸汽流的装置，其特征在于，所述主蒸汽旁路停止阀(47)和所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)中的至少一个还包括来自涡轮机控制器的液压控制，包括在缺少液压控制时关闭弹簧。
10.一种用于启动联合循环发电系统(10)的方法，所述联合循环发电系统(10)包括燃气轮机(12)和蒸汽轮机(14)，以及接收来自所述燃气轮机的废热的热回收蒸汽发生器(18)，且配备有调温器(22，24)以及包括主蒸汽控制阀(40)和主蒸汽启动控制旁路阀(48)的主蒸汽管道，所述方法包括：
以高达其最大速率对所述燃气轮机(12)进行加载；
从初始蒸汽进入所述蒸汽轮机直到在所述燃气轮机(12)在高达最大负载处操作的情况下由所述热回收蒸汽发生器(18)产生的全部蒸汽通过所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)被允许进入所述蒸汽轮机(14)为止，将供应到所述蒸汽轮机(14)的蒸汽的蒸汽温度保持为基本恒定的温度；
调节通过所述旁路路径(28，30，32)的蒸汽流量，以便控制来自所述热回收蒸汽发生器(18)的高压蒸汽压力、再热压力和低压蒸汽压力，并为蒸汽提供备选路径，同时在加载期间调节所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)；
将对蒸汽进入所述蒸汽轮机(14)的控制从所述主蒸汽启动控制旁路阀(48)转移到所述主蒸汽控制阀(40)；以及
在全部蒸汽流进入所述蒸汽轮机(14)之后，使所述蒸汽温度以与容许的蒸汽轮机应力和不均匀膨胀相适合的速率升高，以实现正常的蒸汽轮机输出和效率。
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