CN102011615B - 用于控制湿气分离再热器的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制湿气分离再热器的方法和设备,具体而言,提供了可用来控制由湿气分离再热器(MSR)再热的蒸汽的温度的系统和方法。可检测正由MSR再热的蒸汽的温度,且控制器实施例可使用检测到的温度来控制从各种MSR构件到再热蒸汽中的传热。通过使用这种控制实施例,MSR可对其它动力装置构件提供最优地加热的蒸汽,从而提高动力装置的性能、效率及安全。

Description

用于控制湿气分离再热器的方法和系统
技术领域
[0001] 本发明涉及用于控制例如使用蒸汽涡轮的动力发生系统中的湿气分离再热器 (moisture separator reheater)的系统和方法。
背景技术
[0002] 各种各样的系统(例如动力发生系统)使用湿气分离再热器(MSR)来使蒸汽供应 干燥和再热。例如,MSR可使驱动发电机的蒸汽涡轮系统中的蒸汽干燥和再热。具体而言, MSR可使从高压(HP)蒸汽涡轮中排出的蒸汽干燥和再热,然后将经干燥、再热的蒸汽输送 到低压(LP)蒸汽涡轮中。蒸汽涡轮系统可从适当的源(例如由核反应堆或燃料空气混合 物的燃烧加热的锅炉)中获得HP蒸汽。由MSR引起的湿气去除和传热的量可影响蒸汽涡 轮系统以及动力发生系统的整体性能。MSR -般包括响应于表明涡轮加载的单个控制变量 (即涡轮压力)的气动控制器。不幸的是,在使用单个变量的情况下,开环控制系统导致次 优性能和更高的操作成本,因为涡轮加载与正被控制的MSR再热过程仅间接相关。
发明内容
[0003] 下面对在范围方面与原本要求保护的发明相当的某些实施例进行概述。这些实施 例不意在限制要求保护的发明的范围,而是相反,这些实施例仅意在提供本发明的可能形 式的简要概述。实际上,本发明可包括可能类似于或异于下面所论述的实施例的各种形式。
[0004] 在第一个实施例中,一种系统包括能够通过使用温度反馈来控制MSR的温度的控 制器。
[0005] 在第二个实施例中,一种系统包括能够通过使用温度反馈来控制由MSR再热的蒸 汽的温度的闭环控制器。
[0006] 在第三个实施例中,一种方法包括检测正由MSR再热的蒸汽的温度,以及至少部 分地基于检测到的温度通过使用闭环控制器来控制蒸汽的再热。
附图说明
[0007] 当参看附图阅读以下详细描述时,本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变 得更好理解,在附图中,相同字符在图中始终表示相同部件,其中 :
[0008] 图1是核动力装置的实施例的简图;
[0009] 图2是用以控制多个MSR的第一再热器级和第二再热器级的MSR控制和调节系统 的实施例的简图;
[0010] 图3是各自构造成控制MSR的第二级再热器的阀的多个PID控制器的实施例的简 图;
[0011] 图4是构造成确定是否要发出温度斜坡保持(temperature ramping hold)命令的 控制逻辑的实施例的流程图;
[0012] 图5是可结合图6使用以操作MSR的第二级再热器的控制逻辑的实施例的流程 图;以及
[0013] 图6是可结合图5使用以操作MSR的第二级再热器的温度加载模型的实施例的图 表。
[0014] 部件列表
[0015] 10动力装置
[0016] 12蒸汽锅炉
[0017] 14 主蒸汽
[0018] 16 主涡轮
[0019] 18 涡轮轴
[0020] 20 发电机
[0021] 22 电负载
[0022] 24 高压(HP)涡轮
[0023] 26低压(LP)涡轮
[0024] 28 主蒸汽阀
[0025] 30排出蒸汽
[0026] 32湿气分离再热器(MSR)
[0027] 34 抽出蒸汽(extraction steam)
[0028] 36再热蒸汽控制阀(RSCV)
[0029] 38 MSR 第一级
[0030] 40再热蒸汽阀
[0031] 42 MSR 第二级
[0032] 44过热蒸汽
[0033] 46涡轮再热蒸汽阀
[0034] 48 LP涡轮排出蒸汽
[0035] 50 冷凝器
[0036] 52涡轮-发电机控制系统
[0037] 54监控系统
[0038] 56旋转装备保护控制系统
[0039] 58速度/负载控制和调节系统
[0040] 60 MSR控制和调节系统
[0041] 62协同间隙管理系统
[0042] 64热速率(thermal rate)控制系统
[0043] 66温度控制系统
[0044] 68 振动传感器
[0045] 69 压力传感器
[0046] 70温度传感器
[0047] 72 阀位置传感器
[0048] 74再热蒸汽低负载阀(RSLLV)
[0049] 76再热蒸汽高负载阀(RSHLV)
[0050] 78 联合中间阀(CIV)
[0051] 80比例积分微分(PID)控制器
[0052] 82 过程值(PV)
[0053] 84 设置点(SP)
[0054] 85 PID控制器输出
[0055] 86 PID 控制块
[0056] 88 斜坡控制块(ramp control block)
[0057] 90 RSSLV 温度基准
[0058] 92 最大容许斜坡率(ramp rate)
[0059] 94温度斜坡保持命令
[0060] 96 CIV阀测试模式
[0061] 98 步骤
[0062] 100最大容许差异温度
[0063] 102 步骤
[0064] 104 步骤
[0065] 106涡轮加载图
[0066] 108第二级再热器操作模式控制块
[0067] 110加载控制块
[0068] 112 寄生损失控制块(parasitic loss control block)
[0069] 114卸载控制块
[0070] 116脱扣控制块
[0071] 118自动停止控制块
[0072] 120 决定
[0073] 122 决定
[0074] 124加载线
[0075] 126 步骤
[0076] 128 步骤
[0077] 130 步骤
[0078] 132 步骤
[0079] 134 决定
[0080] 136 步骤
[0081] 138 决定
[0082] 140 步骤
[0083] 142 决定
[0084] 144 步骤
[0085] 146 水平卸载线
[0086] 148 水平卸载线
[0087] 150水平加载线
[0088] 152 决定
[0089] 154 卸载线
[0090] 156 步骤
[0091] 158 步骤
[0092] 160 决定
[0093] 162 步骤
[0094] 164脱扣线
[0095] 166 步骤
[0096] 168 停止线
[0097] 170 停止线
[0098] 172 决定
具体实施方式
[0099] 下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施 例的简明描述,可能不会在说明书中对实际实现方案的所有特征进行描述。应当理解,在 任何这种实际的实现方案的开发中,如在任何工程或设计项目中那样,必须做出许多对实 现方案而言专有的决定来实现开发者的具体目标,例如顺从与系统有关且与商业有关的约 束,其可根据不同的实现方案而变化。此外,应当理解,这种开发工作可能是复杂和耗时的, 但尽管如此,对受益于本公开的普通技术人员来说,这种开发工作将是设计、生产及制造的 例行任务。
[0100] 当介绍本发明的各实施例的元件时,冠词"一个"、"一种"、"该"以及"所述"意在 表示存在一个或多个该元件。用语"包括"、"包含"以及"具有"意在为包括性的,且表示除 了列出的元件之外,可存在另外的元件。
[0101] 公开的实施例包括用于基于温度反馈和/或多个反馈参数来控制湿气分离再热 器(MSR)的系统和方法。可在工业过程中尤其在操作湿蒸汽涡轮的核动力装置中使用MSR。 在这种装置中,由锅炉产生的饱和的或接近饱和的蒸汽可用来对高压(HP)涡轮供以动力, 且还可由多个MSR用来使来自HP涡轮的排出蒸汽再热。更具体而言,MSR可包含用于使来 自HP涡轮的排出蒸汽再热的两个再热器级。然后可将经再热的排出蒸汽输送到低压(LP) 涡轮中,且将其用作驱动LP涡轮的LP蒸汽。可对MSR的第一级再热器供应来自HP涡轮的 抽出(放出)蒸汽,而可对MSR的第二级再热器供应主蒸汽,即由锅炉产生的蒸汽。然后两 个MSR再热器级可使离开HP涡轮的排出蒸汽再热,且将经再热的排出蒸汽作为LP过热蒸 汽供给到LP涡轮中。MSR可通过从HP排气中去除多余的湿气以及通过改进经再热的LP蒸 汽(即用于使LP涡轮旋转的、带有最优温度和压力的LP蒸汽)的热特性来提高装置的整 体的能量效率。
[0102] 不幸的是,仅基于表明涡轮负载的涡轮压力的控制系统不提供对MSR的再热温度 的精确控制。具体而言,在MSR的再热温度和正被供应到MSR的蒸汽的阀位置之间存在非 线性关系。因此,压力的线性增大由于非线性关系而导致对MSR的不精确的控制。另外,仅 基于涡轮压力的控制系统忽略了可影响MSR和整个系统的操作的各种各样的变量。
[0103] 如下面更加详细地论述的那样,公开的实施例包括控制器、控制逻辑,以及各种控 制技术,以基于多个反馈参数(例如温度、压力、振动、流体流率、间隙、阀位置或它们的任 何组合)来改进MSR的操作。另外,公开的实施例可包括联接到多个传感器和促动器(例 如阀)上的数字控制系统,多个传感器和促动器在整个系统中分布在多个部位处。传感器 可构造成供应电子反馈信号,而促动器可响应于电子控制信号。备选地,传感器和促动器可 用模拟信号来进行操作。促动器(例如阀)可控制通往蒸汽涡轮级、MSR级等的蒸汽的流 量。例如,数字控制系统可为构造成控制一个或多个MSR的第二级再热器的分布式闭环控 制系统。
[0104] 图1是具有作为主蒸汽源14的核蒸汽锅炉12的动力装置10的实施例的简图。备 选地,主蒸汽14可由例如矿物燃料供以动力的锅炉12产生。主蒸汽14供应到主涡轮16, 该主涡轮16使用主蒸汽14来使涡轮轴18旋转。发电机20将涡轮轴18的机械旋转转换 成电,然后可用电来对电负载22(例如电网)供以功率。
[0105] 在某些实施例中,主涡轮16包括一个或多个高压(HP)涡轮24和一个或多个低压 (LP)润轮26。其它实施例还可包括一个或多个中压(IP)润轮。在图1的所示实施例中, 单个HP涡轮和单个LP涡轮由动力装置10使用。可通过控制和停止阀28来将由锅炉12 产生的主蒸汽14引导到HP涡轮24。主蒸汽14流过HP涡轮24,从而驱动多个涡轮叶片来 使轴18旋转。蒸汽在HP涡轮24中膨胀且增加湿气含量,且作为排出蒸汽30离开。来自 HP涡轮的排气的排出蒸汽30可仍然包含可使用的能量。但是,排出蒸汽30还可包含过量 的湿气,在一些情况下高达25 %的水。MSR32可通过使用湿气分离实施例31来从排出蒸汽 30中去除湿气,且MSR32可使排出蒸汽30再热,从而低压涡轮26可更加高效地使用排出蒸 汽30。
[0106] MSR32的再热系统可包括至少两个热交换级。可通过再热蒸汽控制和停止阀36 来从HP涡轮24中引导出抽出蒸汽34,且可使用抽气蒸汽34来供给MSR32的第一级再热器 38 (例如热交换器)。例如,抽气蒸汽34可穿过翅片管式热交换器38的管(例如在其内部 经过),同时排出蒸汽30在热交换器38的周围(例如在其外部)流动,从而将热量从抽气 蒸汽34传递到排出蒸汽30。可通过再热蒸汽控制和停止阀40从锅炉12中引导出主蒸汽 14,且可使用主蒸汽14来供应MSR32的第二级再热器42 (例如热交换器)。例如主蒸汽14 可穿过翅片管式热交换器42的管(例如在其内部经过),同时排出蒸汽30在热交换器42 的周围(例如在其外部)流动,从而将热量从主蒸汽14传递到排出蒸汽30。然后通过使用 第一级再热器38和第二级再热器42加热的过热蒸汽44可离开MSR32的出口,且通过涡轮 再热蒸汽控制和停止阀46引导到LP涡轮26的入口中。然后,LP涡轮26可将经再热的排 出蒸汽44中的热能转换成机械能,该机械能可用来使涡轮轴18旋转。然后可将LP涡轮排 出蒸汽48引导到冷凝器50中,以便回收水,以用于其它装置构件中(例如用作给水)。因 此,MSR32再热系统可用于通过提供在热方面高效的蒸汽(即在对转换成旋转能来说优选 的温度和压力下进入LP涡轮的蒸汽)来改进LP涡轮26的性能和可靠性。
[0107] 如图1中进一步说明的那样,系统10包括涡轮-发电机控制系统52的示例性实 施例。在某些实施例中,控制系统52可为使用电子传感器反馈和电子促动器(例如阀)的 数字控制系统或计算机执行的控制系统。涡轮发电机控制系统52可管理各种主涡轮16系 统、发电机20系统以及有关构件(例如MSR32、阀28、36、40和46),以便以安全和高效的方 式操作系统和构件。涡轮-发电机控制系统52可分成多个子控制系统,例如,监控系统54 和旋转装备保护系统56。监控系统54可控制主涡轮16系统和有关构件以及发电机20的 操作,从而发电机20可在适于对电负载22供以功率的频率(例如60Hz)下最优地发电。旋 转装备保护系统56可监视与旋转装备(例如涡轮轴18)有关的各种装置系统,且确保系统 处于安全的操作参数内。
[0108] 监控系统54可进一步分成多个子控制系统,例如,速度/负载控制和调节系统58 及MSR控制和调节系统60。速度/负载控制和调节系统58可控制主涡轮16的速度和加 载,以控制热梯度、间隙、应力以及涡轮16的性能,以及基于需求来产生期望的电。例如,调 节系统58可基于电需求来提高或降低涡轮16的速度,基于稳态或瞬态条件来调节间隙等。 换句话说,速度/负载控制和调节系统58可在涡轮24和26的速度和加载之间提供恰当的 匹配,从而涡轮24和26处于它们的操作参数内,同时最大程度地降低燃料消耗,以及提供 足够的电来满足需求。如下面进一步详细地论述的那样,MSR控制和调节系统60可使用多 个反馈信号(例如温度、压力、振动、间隙、湿气含量、阀位置、轴速度、负载、流体流率或它 们的任何组合)来管理MSR32的再热级38和42。
[0109] 图2是可用来控制多个MSR32的再热级的MSR控制和调节系统60的实施例的简 图。如下面详细地论述的那样,系统60是基于各种各样的传感器反馈(包括温度反馈)来 调节促动器(例如阀)的数字闭环控制系统。例如,系统60可响应于表明温度、压力、振 动、间隙、旋转速度、流体流率、阀位置、负载等的电子传感器反馈信号。存在使用对供给到 MSR32中的蒸汽的具体控制的多个涡轮操作模式(例如,加载、卸载、脱扣、自动停止以及寄 生损失控制)。因此,MSR控制和调节系统60可使用某些控制器实施例来恰当且高效地控 制供给到MSR32的两个再热器级中的蒸汽,如下面关于图3、4、5和6更加详细地描述的那 样。在图2的实施例中,在动力装置10中使用MSR控制和调节系统60,该动力装置10包括 一个双流HP涡轮24、三个双流LP涡轮26以及四个MSR32。MSR控制和调节系统60可包括 三个子系统:协同间隙管理系统62、热速率控制系统64以及温度控制系统66。
[0110] 协同间隙管理系统62可用来处理由一组振动传感器Vx68(例如V1、V2、V3、V4以 及V5)检测到的振动数据以及由一组温度传感器Tx70(例如1132、了334、了5以及了6)检 测到的温度数据,以便主动调节LP涡轮26的旋转构件和固定构件之间的间隙,以便例如防 止间隙摩擦。热速率控制系统64可用来处理由一组阀位置传感器Ζχ72(例如Zl、Ζ2、Ζ3、 Ζ4、Ζ5以及Ζ6)检测到的阀位置数据,以便主动调节LP涡轮26的热速率和加载,以便例如 遵从各种MSR操作模式(例如加载、卸载、脱扣、自动停止、寄生损失控制)的热要求。协同 间隙管理系统62和热等级控制系统64两者可使用温度控制系统66以通过主动调节四个 MSR32中的各个的再热蒸汽低负载阀(RSLLV)74和再热蒸汽高负载阀(RSHLV)76的位置以 控制MSR32的第二级的温度。温度控制系统66还可处理由一组温度传感器Tx70 (例如T1、 Τ2、Τ3、Τ4、Τ5以及Τ6)和压力/加载传感器Ρχ69(例如Ρ1、Ρ2以及Ρ3)检测到的数据,且 使用以下关于图3更加详细地描述的某些控制器实施例来控制将被引导到LP涡轮26中的 蒸汽的再热。
[0111] 应理解的是,可在整个功率供应装置10中发现传感器Vx68、Px69、Tx70以及Ζχ72, 且它们不限于图2中所示的那些。未显示的其它传感器包括速度传感器、间隙传感器以及 流量传感器。根据其它控制应用可重新使用传感器中的一些。例如,图1的速度/负载控 制和调节系统58可包括一组旋转速度传感器,该旋转速度传感器可固定到涡轮轴上的各 点上,以测量涡轮速度。旋转装备保护系统56可包括固定到涡轮壳体上且用来测量例如轴 和壳体之间的摩擦的间隙传感器。流量传感器可固定到供应管线上,且用来测量流过管线 的蒸汽的体积。温度传感器可包括热电偶、热敏电阻、电阻式温度探测器(RTD)、双金属传感 器、红外传感器等。振动传感器可包括加速度传感器、位移传感器、速度传感器或它们的组 合。压力传感器可包括应变仪、隔膜传感器、测压元件、差压传感器等。阀位置传感器可包 括感应位置传感器、旋转编码式传感器、近程传感器、极限开关等。
[0112] 如以上关于图1所提到的那样,各个MSR32包括可控制成使来自HP涡轮24的排 出蒸汽30再热的第一级再热器38和第二级再热器42。再热器级38和42两者可为互锁 的(interlock),从而使得直到MSR的第一级38也在使用中,第二级42才可操作。可通过 控制抽出蒸汽34来控制第一级再热器38。可通过再热蒸汽控制阀(RSCV)36将来自HP涡 轮24的抽出蒸汽34引导到第一级再热器38中。在某些实施例中,RSCV36是打开/关闭 式止回阀。通过RSCV36的抽出蒸汽34的流量根据抽出蒸汽34源(即HP涡轮24)的加载 而变化。如所理解的那样,抽出蒸汽34的流量的减少导致对排出蒸汽30的传热的减少,而 抽出蒸汽34的流量的增大导致对排出蒸汽30的传热的增大。在某些实施例中,一旦涡轮 轴18达到额定速度就可使RSCV36阀完全打开。然后,从HP涡轮24进入第一级再热器38 的抽出蒸汽34可与HP涡轮24的加载成比例地变化。
[0113] 可通过控制主蒸汽14来控制第二级再热器42。可通过两个阀(RSLLV74和 RSHLV76)将来自锅炉12的主蒸汽14引导到第二级再热器42中。RSHLV76与RSLLV74并联 连接,且可在更高的负载处打开,以便降低RSLLV74两端的寄生压降。RSLLV74可由闭环控 制器打开和关闭(即调整),如下面关于图3更加详细地描述的那样。RSCV36、RSLLV74以 及RSHLV76的操作控制进入第一级再热器38的抽出蒸汽流34的流量和进入第二级再热器 42的主蒸汽的流量,从而控制对HP排出蒸汽30的传热。然后可通过联合中间阀(CIV)78 将在热方面增强的蒸汽44向下游引导到LP涡轮26中。然后LP蒸汽可由LP涡轮26转换 成机械能,且可用来使涡轮轴18旋转。然后发电机20可使用旋转轴18来发电,以便分配 给电负载22。
[0114] 图3是可用来控制RSSLV74的一组比例积分微分(PID)控制器80的实施例的简 图。更具体而言,MSR控制和调节系统60可包括一组PID控制器80 (例如图3中描绘的那 些),且使用PID控制器80来调整(即递增地(incrementally)打开和关闭)RSSLV74。各个 PID控制器80控制单独的MSR32。也就是说,图3中描绘的四个PID控制器80能够操作图 2中描绘的四个RSSLV74。PID控制器80中的每一个都控制允许主蒸汽14进入MSR32的第 二级再热器42的RSSLV74的阀位置。例如,驱动RSSLV-174的PID控制器80控制进入连接 到图2的RSSLV-174上的MSR-1的第二级再热器42的排出蒸汽。类似地,驱动RSSLV-274 的PID控制器80控制进入连接到RSSLV-274上的MSR-2的第二级再热器42的排出蒸汽 30。驱动RSSLV-374的PID控制器80控制进入连接到RSSLV-374上的MSR-3的第二级再 热器42的排出蒸汽30,且驱动RSSLV-474的PID控制器80控制进入连接到RSSLV-274上 的MSR-4的第二级再热器42的排出蒸汽30。
[0115] 图3中描绘的PID控制器80实施例可将由温度传感器Tx70检测到的出口温度用 作过程值(PV)82输入。可使用关于图5和6更加详细地描述的实施例来计算温度基准设 置点(SP) 84。PID控制块86可基于由温度传感器Τχ70给定的再热温度反馈和温度基准设 置点84使用比例积分微分技术来限定闭环温度控制。在一个实施例中,可使用下列等式来 计算PID控制块86的输出〇85 :
[0116] 〇 = P[(PV-SP)+1 / (PV-SP)+D(dPV/dt)]
[0117] 在上述等式中,P是比例增益,I是积分增益,而D是微分增益,当基于当前输入 变量PV82和SP84来计算下一个输出〇85时,PID控制块86可使用该微分增益。对于 第二级再热器42的特定安装(installation),可通过使用适当的PID调节技术(例如 Ziegler-Nichols方法、Cohen-Coon方法、手动调节)以及/或者通过使用针对PID调节所 开发的软件工具来获得增益P、I以及D。操作者可针对第二级再热器42的特定安装来调 节PID控制器80,以便获得特定的增益P、I以及D。
[0118] PID控制块86可不断更新,也就是说,接收输入设置点84和来自温度传感器Tx70 的反馈(即作为过程值82),且PID控制块86可使用以上等式来获得新的输出〇85。然后输 出〇85可用来修改RSSLV74的阀位置。在一些实施例中,每隔几个微处理器的计算循环,接 收新输入(例如过程值82、设置点84)和确定输出〇85的这个过程非常迅速地循环重复。 然后输出〇85可用来相应地调节RSSLV74位置。通过不断地调节(即调整)RSSLV74的位 置,PID控制器80可控制进入MSR32的第二级再热器42的精确的蒸汽体积,从而MSR32可 使HP排出蒸汽30最优地再热。
[0119] 在图3的所示实施例中,控制器80还包括可用来获得新设置点84的斜坡控制块 88。斜坡控制块88可通过从之前的设置点84斜坡(ramp)上升或下降给定量来获得新设 置点84。从之前的设置点84斜坡上升或下降可用来防止设置点84的过度改变,过度改 变可导致热变形和效率不佳。因此,新设置点84可仅允许从之前的设置点84改变例如约 10° F、20° F、30° F、40° F或50° F。在一个实施例中,斜坡控制块88可具有三个输入 变量:RSLLV温度基准90、最大容许斜坡率92以及温度斜坡保持命令94。在一个实施例中, 可通过使用函数F(L,T,V,Z)来获得RSSLV温度基准90,如下面关于图5和6更加详细地 描述的那样。在其它实施例中,可通过使用温度加载模型的RSSLV温度基准轴(纵轴)来 获得RSSLV温度基准90,如下面关于图5和6更加详细地描述的那样。最大容许斜坡率92 可为常数,该常数确定例如通过考虑特定的MSR实施例的热限制而获得的、用于安全地操 作MSR32的上限值斜坡率。温度斜坡保持命令94用来保持(即维持)相同值(温度设置 点84)达时间间隔。如下面进一步论述的那样,图4是可用来获得何时发出温度斜坡命令 94的过程的实施例的流程图。
[0120] 继续参看图3,斜坡控制模块88可首先确定是否已经设置了温度斜坡保持命令 94。如果已经设置了温度斜坡保持命令94,则斜坡控制块88将温度设置点84维持在其当 前值处。只要设置了温度斜坡保持命令94,温度设置点84就可处于相同保持值处。如果 还没有设置温度斜坡保持命令94,则斜坡控制块88可通过使用例如作为函数F(L,T,V,Z) 或温度加载模型的RSSLV温度基准轴的下面描述的图5和6的实施例来计算新的RSLLV温 度基准值90。
[0121] 当斜坡上升时,即当新近计算出的RSLLV温度基准值90大于现有的设置点84时, 则斜坡控制块88可检查新近计算出的RSLLV温度基准值90是否比现有的温度设置点84 大最大容许斜坡率92量。如果新近计算出的RSLLV温度基准值90不比现有的温度设置点 84大最大容许斜坡率92量(即是否新近计算出的RSLLV温度基准值90 <设置点值84+最 大斜坡率值92),则新近计算出的RSLLV温度基准90值可用作新的温度设置点84。如果新 近计算出的RSLLV温度基准90值比现有的温度设置点84大最大容许斜坡率92量(即如 果新近计算出的RSLLV温度基准值90 >设置点值84+最大斜坡率值92),则可通过使旧设 置点值84加上最大容许斜坡率92 (即旧设置点值84+最大容许斜坡率92)来计算新设置 点值84。
[0122] 斜坡控制块88可使用类似的逻辑来从之前的设置点值84斜坡下降,即当新近计 算出的RSLLV温度基准值90小于之前的设置点值84时。如果新近计算出的RSLLV温度基 准值90不比现有的温度设置点84小最大容许斜坡率92量(即如果新近计算出的RSLLV 温度基准值90 >设置点值84-最大斜坡率值92),则新近计算出的RSLLV温度基准90值可 用作新的温度设置点84。如果新近计算出的RSLLV温度基准90值比现有的温度设置点84 小最大容许斜坡率92量(即如果新近计算出的RSLLV温度基准值90 <设置点值84-最大 斜坡率值92),则可通过使设置点值84减去最大容许斜坡率92 (即旧设置点值84-最大容 许斜坡率92)来计算新设置点值84。因此,斜坡控制块可允许对设置点84温度进行递增控 制(即斜披上升或下降),从而确保MSR的级再热器温度不过度地变化,且处于安全的操作 限制内。
[0123] 控制器80还包括可用于对MSR32进行CIV78测试的控制逻辑,即CIV78的阀测试 模式96。在某些实施例中,控制器80定期测试CIV78,以确保CIV78在它们的设计参数内工 作,也就是说,CIV78可完全打开和关闭。在测试期间,CIV78可设置成阀测试模式96,然后 故意运动到完全闭合的位置。可在CIV78的测试期间保持温度设置点84,从而可进行阀测 试而在阀测试期间或正好在阀测试之后在LP涡轮26区段中没有任何不必要的温度瞬态。 因此,当CIV78处于阀测试模式96中时,可发出温度斜坡保持命令94。
[0124] 虽然图3的实施例描绘了 PID控制器80,但应理解的是可使用其它实施例。例如, 可编程的逻辑控制器(PLC)、计算机、嵌入式系统以及可用来代替图3的PID控制器80的它 者。也可使用不同的控制器类型的组合,也就是说,图3中描绘的PID控制器80的一些控 制逻辑不仅可包含在PID80中,而且还可包含在PLC、计算机、嵌入式系统和/或它们的组合 中。还应理解的是,可通过仅简单地将新值输入控制器中来容易地改变控制器80值,例如 最大容许斜坡率92。控制器80可包括用以输入值、用以对现有功能重新编程、用以发出命 令(例如温度斜坡保持命令94)等的图形用户接口(GUI)。
[0125] 图4是用以获得以上提到的温度斜坡保持命令94的过程的实施例的简图。过程 步骤97可首先发现由设置在双流LP涡轮26 (在图2中显示)的相对侧上的温度传感器70 检测的两个温度之间的差异,然后在步骤98处发现两个温度之间的差异的绝对值。例如, 如果正在使用温度传感器T1和T6,则步骤98将计算|T1-T6|。可能已经选择了 T1和T6, 因为两个温度传感器Τ1和Τ6正从同一个双流LP涡轮LPC26(在图2中显示)的相对侧 检测温度。侧对侧温差的减小在降低LP涡轮LPC26的不期望的侧对侧偏移(shift)的可 能性方面是重要的。具体而言,侧对侧温差可导致一侧与另一侧的不同的热膨胀(即侧对 侧偏移),从而导致一侧与另一侧的间隙差异。继而,一侧与另一侧的间隙变化可导致不期 望的影响,例如振动。为了防止这种侧对侧偏移,可在步骤102处将两个相对的温度传感器 70 (例如传感器T1和T6)之间的侧对侧温差的绝对值与最大容许差异温度100比较。如果 在步骤98处发现的侧对侧温差大于最大容许差异温度100,或者发现CIV78处于阀测试模 式96中,则可在步骤104处发出温度斜坡保持命令94。计算出的其它侧对侧温差包括由传 感器对T2和T5以及传感器对T3和T4检测到的温度。
[0126] 如果通过使用传感器对Τ1-Τ6、Τ2-Τ5或Τ3-Τ4计算出的任何侧对侧温差导致侧 对侧温差超过最大容许差异温度100,或者发现CIV78处于阀测试模式96中,则可将从步 骤104中产生的温度保持命令94传送到PID控制器80。例如,如果由温度传感器对Τ3-Τ4 检测到的侧对侧温差产生温度保持命令94,则可将保持命令94传送到控制阀RSSLV-2和 RSSLV-3 (在图3中显示)的PID控制器80。类似地,如果任何CIV78处于CIV阀测试模式 96中,则可将从步骤104中产生的温度保持命令94传送到适当的PID控制器80。
[0127] PID控制器80可合作来起降低温度梯度的可能性的作用。例如,PID控制器可使 用相同温度传感器,且采取适当的控制措施来降低温差。通过最大程度地降低温差,控制器 能够降低导致间隙的变化的温度梯度的可能性。更少的间隙变化将导致更少偏移,且因此 导致振动减小。因此,图4中描绘的逻辑防止不期望的侧对侧温差,以及在CIV78测试期间 允许恰当的阀控制。
[0128] 图5是可结合图6的温度加载模型106用来在各种操作模式期间控制MSR32的第 二级再热器42的控制逻辑的示例性实施例的流程图。如以上论述的那样,供给到MSR32中 的蒸汽以受控制的方式增加或减少,以改进性能和降低对系统冲击的可能性。例如,存在可 使用特定的控制逻辑来控制供给到第二级再热器42中的蒸汽的第二级再热器42的多个操 作模式。因此,第二级再热器42操作模式控制块108可用来针对第二级再热器42的五个 操作模式执行控制逻辑。这五个操作模式各自具有以下控制块。加载控制块110可用来控 制加载期间(例如,当正引导到涡轮系统16中的主蒸汽14增加时)的操作。当在高负载 下操作时,寄生损失控制块112可用来控制压力的损失。卸载控制块114可用来控制卸载 期间(例如,当正引导到涡轮系统16中的主蒸汽14减少时)的操作。当对于MSR32的非 常迅速的停止存在脱扣条件时,脱扣控制块116可用来控制操作。自动停止控制块118可 用来以受控制的方式停止MSR32,但不如脱扣控制块116那样迅速。
[0129] 回到加载控制块110,该控制块110可使用图6的加载模型106来实现RSSLV温 度基准值90,然后如以上在图3中描述的闭环控制器实施例可使用该RSSLV温度基准值90 来实现温度设置点84。在决定120中,当前的涡轮负载百分比与图6的温度加载模型106 的负载点U(横坐标)比较。如果当前的涡轮负载点百分比大于负载点U,则控制逻辑行进 到决定122。如果当前的涡轮负载不大于负载点U,则不需要采取任何措施。传统上,负载 点U已经选择为涡轮加载的约15%。因此,直到加载达到15 %时,传统上才打开MSR第二 级再热器42。但是,通过使用公开的闭环控制器实施例,负载点U不再需要在加载的15% 处。事实上,取决于诸如调低(turn-downs)和中断需要的因素,负载点U可在加载的从约 15%至50%中的任何位置处。另外,可通过使用例如GW来更新并容易地改变负载点U。
[0130] 在决定框122处,过程估计MSR的当前的操作状态是否沿着MSR温度对负载的加 载线124。例如,点(a,b)表示当前的操作状态,其中,a表示当前的涡轮负载百分比,而b 表示当前的检测到的温度。如果当前的检测温度(例如第二级再热器42输出温度)不在图 6的加载线124上,则在步骤126处,当前的RSLLV温度基准值90得到保持(即维持在相同 值处),且控制逻辑重复决定122。图6的加载线124表示当前的涡轮加载百分比和RSSLV 处的理想温度之间的示例性关系。那就是当涡轮加载在给定的%处时应当用来使蒸汽再 热的RSSLV温度。理想地,点(a,b)在加载操作期间追随加载线124。因此,如果点(a,b) 在加载线外面,则可在加载的同时保持RSSLV温度基准90,以允许点(a,b)返回到加载线 124。点(a,b)不需要正好在加载线124上,而且在一些实施例中,如果点(a,b)在加载线 124的某个容差内,则可认为点(a,b)在加载线124上。例如,容差可小于加载线上的温度 的正或负约1 %、2%、3%、4%或5%,例如,正或负5、10、15或20度华氏温度。在某些实施 例中,取决于包括涡轮和MSR构件的类型、制造和材料属性以及期望的控制类型(例如线 性对非线性)的因素,图6中描绘的加载线124可具有不同的坡度(slope)或形状。实际 上,在温度加载模型106的一些实施例中,加载线124可为弯曲的路径(例如向上或向下倾 斜的曲线)或者具有不同坡度的一系列的线性路径。
[0131] 如果在决定框122处点(a,b)设置在加载线124上(例如在加载线124的容差 内),则步骤128通过使用函数F (L,V,T,Z)来计算新的RSSLV温度基准值90。函数F (L, V,T,Z)是基于负载(L)、振动(V)、速率受控的再热蒸汽温度(T)以及阀位置(Z)的温度基 准的传递函数。可通过使图6的加载线124的当前加载(L)与图6的温度加载模型106的 坐标(y轴)匹配而基于RSSLV温度基准值90获得函数F (L,V,T,Z),其中,基于涡轮壳体 侧对侧温差的约束限制振动(V),速率受控的再热蒸汽温度(T)保持构件安全,其中,所有 温度控制器之间的协调取决于阀CIV位置/测试(Z)。
[0132] 在其它实施例中,可通过使加载线124的当前加载与涡轮加载模型106的坐标(y 轴)匹配以及使用在该坐标上发现的RSSLV温度基准值90来获得RSLLV温度基准值90。 换句话说,假定当前的加载百分比为a,则过程可确定b (即RSSLV温度基准值90),从而使 得点(a,b)落在加载线124上。一旦已经在步骤128处确定了 RSSLV温度基准值90,就可 更新PID控制器80的设置点84,以反映新近确定的RSSLV温度基准值90,如以上关于图3 所描述的那样。
[0133] 继续参看加载控制逻辑的决定130,如果当前的涡轮负载百分比等于或大于图6 的温度加载模型106的负载点X,则在步骤132处,RSSLV温度基准值90设置成最大额定 基准温度(即100%的额定再热温度)。因此,温度加载模型106的加载线124上的X点对 应于这样的加载点,即,在该加载点处,第二级再热器42蒸汽的温度是100%的额定再热温 度。传统上,X已经设置成加载的约65%。但是,通过使用公开的闭环控制器实施例,点X 不再需要在加载的65%处。事实上,取决于诸如调低(例如预计停止)和中断需要的因素, 现在例如可通过使用GUI来选择和更新点X。
[0134] 回到寄生损失控制块112,该控制块用来控制这样的情形,S卩,在其中涡轮16在接 近或超过100%的额定再热温度和高加载处操作,例如图6的加载线124的部分133。在这 种情形中,寄生损失控制块112逻辑可在决定框134处确定涡轮负载百分比是否大于温度 加载模型106的负载点Z。如果涡轮加载百分比超过负载点Z,则RSHLV76就在步骤136处 打开。通过打开与通过使用RSLLV74产生的第一蒸汽路径并联的第二蒸汽路径,RSHLV76帮 助防止在高的温度和涡轮加载下的压降。如果寄生损失控制块112在决定138处确定涡轮 负载百分比已经降低到小于温度加载模型106的点Y,则RSHLV76在步骤140处关闭。因 此,寄生损失控制块112可用来帮助减轻或防止在较高的温度和涡轮加载下的寄生压力损 失。
[0135] 回到卸载控制块114,该控制块用来在卸载操作期间控制第二蒸汽再热器42。当 更少的主蒸汽引导到涡轮系统中时进行卸载。卸载控制逻辑在决定142处确定当前的涡轮 负载%是否小于图6的温度加载模型106的加载点V。如果当前的涡轮负载%不小于V% 负载,则在步骤144处保持RSLLV温度基准90,从而沿着水平线进行卸载。例如,可在卸载 期间保持RSLLV温度基准值90,从而产生水平卸载线(例如图6的温度加载模型106的卸 载线146和148),以使MSR操作与正常的负载波动脱开,且还防止不期望的热影响。因此, 可容忍某些量的卸载和加载操作,例如卸载线148和加载线150中描绘的那些,同时保持相 同的RSSLV温度基准值90。
[0136] 继续参看卸载控制逻辑的决定142,如果卸载操作继续且达到小于图6的温度加 载模型106的V%负载的点,则控制逻辑行进到决定框152。决定框152确定是否认为通过 将当前的涡轮负载%用作a且将当前的检测温度用作b所达到的当前的加载点(a,b)在 图6的卸载线154上(例如在卸载线154的容差内)。如果不认为当前的加载点(a,b)在 卸载线154上,则可在步骤156处保持RSLLV温度基准值90,且可重复决定步骤152,直到 点(a,b)返回到卸载线154为止。如果决定152确定卸载正在图6的卸载线154上发生, 则控制逻辑行进到步骤158。在一个实施例中,步骤158通过使用函数F(L,V,T,Z)来确定 RSSLV温度基准值90,如以上关于步骤128更加详细地描述的那样。
[0137] 在其它实施例中,卸载控制逻辑的步骤158通过使卸载线154的当前加载与涡轮 加载模型106的坐标(y轴)匹配且使用在该坐标上发现的RSSLV温度基准值90来确定 RSLLV温度基准值90。换句话说,假定当前的加载百分比为a,步骤158就可确定b (即RSSLV 温度基准值90),从而使得点(a,b)落在卸载线154上。
[0138] 然后卸载控制逻辑行进到决定框160。决定框160确定卸载操作是否已经达到了 图6的温度加载模型106的负载点U。如果卸载已经达到了负载点U或者已经达到了小于 U的负载点,则在步骤162处通过关闭RSSLV74来关掉MSR第二级再热器42。
[0139] 回到脱扣控制块116,当已经发生脱扣时(例如在紧急状况期间),该控制块可用 来控制停止操作。由脱扣控制块116控制的脱扣操作包括两个主要步骤。在步骤140处关 闭RSHLV76,而在步骤162处关闭RSLLV74。步骤140和162通过关闭可用来将蒸汽供给到 再热器中的两个阀来有效地关掉MSR第二级再热器42。图6的脱扣卸载线164以图解的方 式显示了在脱扣操作(该脱扣操作可发生在负载点X处)期间RSSLV温度基准值90可如 何下降的实例。应理解的是,可在图6的温度加载模型106中显示的横坐标(即负载轴) 的其它值处发生脱扣操作。
[0140] 回到自动停止控制块118,当要执行MSR第二级再热器42的受控制的停止时,可使 用该控制块。代替立即关掉MSR,可将负载点W(例如图6中描绘的点W)选择为中间停止 点。中间停止点可用来降低温差(和热应力),同时使MSR第二级再热器42停止。因此,在 步骤166处,自动停止控制块118能够通过首先计算从当前的负载点到达点W的线的坡度 来最大程度地降低不期望的热影响。两个实例停止线168和170已经被计算且显示在图6 中。线168始于负载点X处,而线170始于靠近W的负载点处。线168和170两者在负载 点W处结束。在一个实施例中,当负载沿着停止线(例如线168和170)行进时,步骤166 通过使用函数F (L,T,V,Z)来计算RSSLV温度基准值90,如以上关于步骤128更加详细地 描述的那样。
[0141] 在其它实施例中,自动停止逻辑的步骤166通过使沿着适当的停止线(例如168 和170)的当前加载与涡轮加载模型106的坐标(y轴)匹配以及使用在该坐标上发现的 RSSLV温度基准值90来计算RSSLV温度基准值90。换句话说,假定当前的加载百分比为a, 则步骤166可确定b (即RSSLV温度基准值90),从而使得点(a,b)落在适当的停止线上。 持续地计算RSSLV温度基准值90,直到达到负载点W为止。然后决定172可确定当前的涡 轮负载百分比是否小于或等于W%负载。如果是这样的话,就可在步骤162处关闭RSLLV74, 且可关掉MRS第二级再热器42。
[0142] 应理解的是,可通过使用⑶I容易地改变相似的点U和X、点V、W、X、Y和Z。另 夕卜,公开的实施例不仅允许选择各种加载点的柔性,而且还允许容易地产生多个温度加载 模型,例如图6中描绘的实例加载模型。实际上,由公开的实施例提供的方法和设备可用来 彻底地提高动力装置的性能、效率及安全。
[0143] 本发明的技术效果包括在各个MSR32出口处的期望的再热温度的直接闭环控制、 可减小间隙摩擦的降低的蒸汽涡轮温度瞬态、可减小振动的降低的侧对侧温差、控制动力 装置中的多个MSR32的控制器之间的提高的协作,以及考虑蒸汽涡轮材料限制的受控制的 温度增长率和下降率的使用。采用了允许各种温度加载模型的柔性实现以及允许使用温 度基准函数的闭环控制实施例。温度基准函数可结合来自多个传感器(包括压力传感器、 流量传感器、温度传感器、阀位置传感器、间隙传感器、速度传感器、振动传感器或它们的组 合)的数据,以便计算安全且高效的温度基准。然后可将温度基准用作反馈,以控制蒸汽的 再热。使用了电子信号而非气动控制,从而产生更快速且更可靠的控制实施例。
[0144] 本书面描述使用实例来公开本发明,包括最佳模式,且还使本领域技术人员能够 实践本发明,包括制造和使用任何装置或系统,以及执行任何结合的方法。本发明的可授予 专利的范围由权利要求书限定,且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它 实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素,或者如果这种其它实例包括与权利要 求书的字面语言无实质性差异的等同结构元素,则这种其它实例意图处于权利要求书的范 围之内。

Claims (10)

1. 一种用于控制湿气分离再热器的系统,包括: 蒸汽涡轮(16); 联接到所述蒸汽涡轮(16)上的第一湿气分离再热器(32); 连接到所述蒸汽涡轮上的第二湿气分离再热器;以及 控制器,其构造成用来控制离开所述第一湿气分离再热器的气体的第一温度和离开所 述第二湿气分离再热器的气体的第二温度; 其中所述控制器用于控制所述第一温度与所述第二温度之间的差异。
2. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统包括联接到所述控制器(52)上 的多个传感器(68, 69, 70, 72),其中,所述多个传感器(68, 69, 70, 72)包括多个不同的度量 参数。
3. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述控制器(52)包括构造成将电子控制 信号传送到蒸汽阀(74)的比例积分微分(PID)控制器(80),且所述蒸汽阀(74)可调节成 控制从至少一个蒸汽供应(14)到所述第一湿气分离再热器(32)、第二湿气分离再热器中 的传热。
4. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统包括联接到所述控制器(52)上 的多个传感器(68, 69, 70, 72),其中,所述多个传感器(68, 69, 70, 72)构造成将电子信号作 为传感器反馈提供给所述控制器(52)。
5. 根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述系统包括联接到所述控制器(52)上 的多个阀(28, 36, 40, 46, 74, 76, 78),其中,各个阀响应于电子控制信号。
6. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统包括联接到核反应堆上的锅炉 (12),其中,所述锅炉(12)联接到所述蒸汽涡轮(16)上。
7. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述温度度量包括在所述第一湿气分离 再热器(32)、第二湿气分离再热器的出口(44)处的蒸汽温度的度量。
8. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述蒸汽涡轮(16)包括在第二涡轮(26) 的上游的第一涡轮(24),所述第一湿气分离再热器(32)、第二湿气分离再热器构造成加热 和减少来自所述第一涡轮(24)的蒸汽(30)的湿气,且将所述蒸汽(30)输送到所述第二涡 轮(26),所述第一湿气分离再热器(32)、第二湿气分离再热器分别包括联接到第一蒸汽供 应(34)上的第一级再热器(38),所述第一蒸汽供应(34)将热量传递到所述蒸汽(30),所 述第一湿气分离再热器(32)、第二湿气分离再热器分别包括联接到第二蒸汽供应(12)上 的第二级再热器(42),所述第二蒸汽供应(12)将热量传递到所述蒸汽(30),所述第一蒸汽 供应(34)包括由所述控制器控制的第一阀(36),且所述第二蒸汽供应(12)包括由所述控 制器控制的第二阀(40)。
9. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述控制器(52)包括至少部分地基于所 述温度度量的多个不同的控制模式(110, 112, 114, 116, 118)。
10. -种用于控制湿气分离再热器的方法,包括: 检测由第一湿气分离再热器(MSR) (32)再热和干燥的蒸汽的第一温度; 检测由第二湿气分离再热器再热和干燥的蒸汽的第二温度;以及 通过控制器来控制对所述第一湿气分离再热器和所述第二湿气分离再热器的传热,进 而控制所述第一温度和所述第二温度之间的差异。
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