CN104727950B - 一种燃气轮机轴向力控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机轴向力控制装置，包括设置于推力轴承上的压力传感器，压力传感器所测的压力值作为被控参数传输到控制器控制卸荷调节阀。该控制装置的控制方法为，把从推力轴承压力传感器获取的压力值送往优选模块，选出最优压力值，然后该最优压力值与事先设定好的阈值进行比较，通过比较结果决定调节阀门的调节方向并调节开度值，然后输出开度指令，阀门执行机构根据开度指令改变阀门开度大小。本发明提供的控制装置及控制方法既能有效控制燃气轮机轴向力，又能有效减少抽气对燃气轮机运行的扰动，解决调节阀后的压力值过高，产生气体泄漏，以及调节阀寿命降低的问题。

Description

一种燃气轮机轴向力控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及技术领域燃气轮机控制技术领域，尤其涉及一种燃气轮机轴向力控制装置及其控制方法。

背景技术

燃气轮机轴承组件中设置有推力轴承，推力轴承的作用为承受燃气轮机在转动时形成的推力负荷。在燃气轮机正常运行过程中，转子组件的推力负荷是单向的，然而在启动和停机过程，推力负荷的方向通常与其相反，因此，为了承受来自两个方向上的推力负荷，推力轴承包括主推力轴承及副推力轴承，主推力轴承承受正常运行中的推力，副推力轴承承受启动和停机过程中的推力。在主推力轴承及副推力轴承设置有压力传感器器，用于检测轴向推力的大小。

目前，现有技术中的一些燃机在高负荷工况时，轴向推力大于主推力轴承的设计推力，为此燃机加入了卸荷腔，并向卸荷腔提供一定压力的空气，以平衡掉超载的轴向力。卸荷腔的用气为压气机五级抽气，在抽气管路设置有调节阀门用于控制卸荷腔气体压力值，当气体压力增大时则主推力轴承受力减小，因此通过调节阀门的开度值来控制主推力轴承所承受的力。

但由于卸荷腔的气体会从其密封组件泄漏而引起能量损失，因此在卸荷调节阀门的调节过程中，在保证推力轴承安全的前提下，应降低调节阀后的压力值，以减少气体泄漏。同时，调节阀门还需满足燃气轮机高自动化的要求，因此调节阀门需设计为全自动调节，无需人工参与；调节阀门还需满足提高调节阀门的寿命，并且最大程度降低抽气波动对燃机运行的影响的要求，所以还需保证阀门调节过程的平滑性。

因此，针对以上需要，需要提供一种既能有效控制燃气轮机轴向力又能有效减少抽气对燃气轮机运行扰动的卸荷调节阀的控制方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种燃气轮机轴向力控制装置及其控制方法，既能有效控制燃气轮机轴向力，又能有效减少抽气对燃气轮机运行扰动的卸荷调节阀，解决调节阀后的压力值过高，产生气体泄漏，以及调节阀的寿命降低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机轴向力控制装置，包括设置于推力轴承上的压力传感器，推力轴承为可倾瓦推力轴承，压力传感器沿周向分布于推力轴承的推力瓦块上，压力传感器通过控制器控制卸荷调节阀，卸荷调节阀的入气口连通压气机的抽气口，卸荷调节阀的出气口连通卸荷腔的进气口；

控制器包括控制模块、优选模块和输出模块，压力传感器连接优选模块，优选模块和输出模块分别与控制模块连接，输出模块连接卸荷调节阀的执行机构；压力传感器将压力测量值传输至优选模块，优选模块在接收到的压力测量值中选择出最优压力值，通过控制模块的处理后得到阀门开度指令，输出模块将调节模块传递至所述执行机构。

优选的，前述压力传感器的数量为大于等于三个。

优选的，前述优选模块连接所述压力传感器。

优选的，还设有故障报警装置，所述故障报警装置与所述控制模块连接。

优选的，前述压力传感器沿周向分布于推力轴承的推力瓦块与推力轴承的支撑盘轴向受力面上。

本发明还提供了一种燃气轮机轴向力控制装置的控制方法，包括如下步骤：

S1、压力传感器根据推力轴承的受力情况检测到压力测量值；

S2、将压力测量值传输至所述优选模块，由优选模块选择出最优压力值；

S3、最优压力值输送至控制模块，并与所设置的阈值对比，通过对比结果得出阀门开度指令；

S4、输出模块将阀门开度指令传递给执行机构，并根据阀门开度指令改变阀门开度；

S5、重复进行步骤S1-S4，直到所述推力轴承的轴向力在安全范围内。

优选的，前述步骤S3中，阈值包括开阈值、开停止阈值、关阈值和关停止阈值，开阈值大于所述关阈值，开停止阈值和关停止阈值处于开阈值和关阈值之间。

优选的，前述开停止阈值大于或者等于所述关停止阈值。

优选的，前述步骤S4中，阀门的执行机构调节阀门开度时，设有速率限制。

优选的，前述步骤S4中，当阀门开度指令与阀门开度的反馈值偏差大于设定的偏差阈值时，控制模块控制故障报警装置报警。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供一种燃气轮机轴向力控制装置，包括设置于推力轴承上的压力传感器，压力传感器通过控制器连接卸荷调节阀，卸荷调节阀的入气口连通压气机的抽气口，卸荷调节阀的出气口连通卸荷腔的进气口。

上述控制装置的控制方法为，把从推力轴承上压力传感器获取的压力值送往优选模块，选出最优压力值，然后该最优压力值与事先设定好的阈值进行比较，通过比较结果决定调节阀门的调节方向和开大或者关小调节阀的开度值，该开度值通过速率限制后作为调节阀的开度指令，调节阀门的开度指令送往阀门执行机构，从而改变阀门开度大小。

本发明提供的控制装置，可以通过调节阀门开度值来控制推力轴承所承受的力，结构简单，并且满足燃气轮机高自动化的要求，并保证了阀门调节的平滑性，最大程度降低了抽气波动对燃气轮机运行的影响。

本发明提供的控制方法，通过压力传感器检测推力轴承受到的力，通过控制器控制阀门的开度，从而影响卸荷调节阀阀后的空气压力，并通过卸荷调节阀阀后压力的变化影响推力轴承所承受轴向力的大小，从而形成了一个闭环控制系统。本发明提供的控制方法，方法简单，易于操作和实现。

附图说明

图1是本发明燃气轮机轴向力控制装置的结构示意图；

图2是本发明推力轴承的内部结构示意图；

图3是本发明的控制方法中比较阈值选择示意图；

图4是本发明的控制方法中调节阀控制示意图；

图5为本发明的控制方法中故障报警装置的控制示意图。

图中：1：副推力轴承；2：主推力轴承；3：压气机抽气口；4：卸荷腔进气口；5：卸荷调节阀；6：推力轴承；7：推力轴承设计最大轴向推力；8：开阈值；9：停止阈值；10：关阈值；11：推力盘；12：推力瓦块；13：支撑盘；14：均衡板；15：座环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

实施例一

本发明实施例提供的一种燃气轮机轴向力控制装置，如图1所示，在轴承组件中设置有推力轴承6，推力轴承6包括副推力轴承1和主推力轴承2，某燃机在冬季超过约70％额定负荷时，推力轴承6中的主推力轴承2所承受的轴向推力将超出其设计轴向推力值17.7×10⁴N，此时需要开启卸荷调节阀5，将压气机抽气引入卸荷腔用于控制推力轴承6中的主推力轴承2的压力在其额定范围内。

控制装置包括设置于推力轴承6上的压力传感器，如图2所示，推力轴承6内部包括推力盘11、推力瓦块12、支撑盘13、均衡板14和座环15，其中，推力瓦块12通过一凸块与支撑盘13接触来传递轴向推力，压力传感器沿周向分布于推力轴承6的主推力轴承2推力瓦块12与支撑盘13的轴向受力面上，且嵌于推力瓦块12的凸块顶部，压力传感器的数量为四个。

压力传感器通过控制器控制卸荷调节阀5，卸荷调节阀5的入气口连通压气机的抽气口3，卸荷调节阀5的出气口连通卸荷腔的进气口4；

控制器包括控制模块、优选模块和输出模块，压力传感器连接所述优选模块，优选模块和输出模块分别与控制模块连接，输出模块连接卸荷调节阀5的执行机构。优选模块连接压力传感器；压力传感器将压力测量值传输至优选模块，优选模块在接收到的压力测量值中选择出最优压力值，通过控制模块的处理后得到阀门开度指令，输出模块将调节模块传递至执行机构。

本实施例还可在副推力轴承1推力瓦块12与支撑盘13的轴向受力面上设置压力传感器，该压力传感器的连接方式与主推力轴承2推力瓦块12上的压力传感器的连接方式、工作方式相同。

本实施例还设有故障报警装置，故障报警装置与控制模块连接。

实施例二

本发明实施例提供的一种燃气轮机轴向力控制装置的控制方法，包括如下步骤：

S1、压力传感器根据推力轴承的受力情况检测到压力测量值；

S2、为了提高所测压力的精确度，将压力测量值传输至所述优选模块，由优选模块选择出最优压力值；其中，优选模块为软件方式实现。在主推力轴承2侧设置4个轴向力压力传感器，通过优选方案选择出压力值。控制器具有编程功能，通过编程方式实现优选模块，即软件方式实现，其较简单的优选方式为：逐个计算各个压力值与其它三个压力值的差值的平方并相加，选取相加最小值对应的压力值为优选压力值。

S3、最优压力值输送至控制模块，并与所设置的阈值对比，通过对比结果得出阀门开度指令；其中，阈值包括开阈值、开停止阈值、关阈值和关停止阈值，开阈值大于所述关阈值，开停止阈值和关停止阈值处于开阈值和关阈值之间，开停止阈值大于或者等于所述关停止阈值，且保证“关停止阈值”的设定值和“开停止阈值”的设定值距离两个边界线有一定的裕量，以保证小于该裕量的轴向力波动不会引起调节阀门动作。

当主轴向推力轴向压力值大于“开阈值”的时候，即表示主推力轴承2所承受的轴向力高，则发出开大调节阀门指令，调高进入卸荷腔的空气压力，从而减小推力主推力轴承2所承受的推力，随着调节阀门的开大，当推力轴承压力值小于“开停止阈值”的时候，即表示主推力轴承2所承受的轴向力已经进入安全推力范围，则阀门停止动作；当压力值小于“关阈值”的时候，表示主推力轴承2所承受的压力值低，则关小调节阀门，降低进入卸荷腔的压力值，从而减小从卸荷腔密封部件引起的气体泄漏，降低能量损失，因此发出关小调节阀门指令，随着调节阀门的关小，主推力轴承2所承受的轴向推力开始回升，当主推力轴承2压力值大于“关停止阈值”，该值是为了防止继续关小调节阀而引起轴向推力回升过高，因此停止调节阀继续关小。在燃机降负荷过程中，该功能将会保证调节阀全关。

如图3所示，开阈值8设置为90％主推力轴承设计最大轴向推力7，其间留出10％的轴向推力裕度，关阈值10小于开阈值8设置为70％推力轴承设计的最大轴向推力，此处设计开停止阈值和关停止阈值相等，因此统称为停止阈值9，停止阈值9为开阈值8与关阈值10的中间值，简称停止阈值9为80％推力轴承设计的最大轴向推力。在冬季负荷随着负荷的增加主推力轴承所承受的推力将会落在区域4，也就是压力优选值超过了开阈值8，此时则发出开调节阀门指令，随着阀门的开大，主推力轴承2承受推力开始回落，当压力优选值小于停止阈值9的时候，也就是优选值落入区域2的时候，则阀门停止动作；随着负荷的降低，压力优选值落入区域1的时候，则关小阀门，随着阀门的关小，压力优选值将会落入区域2，也就是压力优选值大于停止阈值9，阀门停止动作，在将负荷过程中不断重复以上过程，最终阀门将关闭。从上述过程可以看出，轴向推力的调整目标在70％～90％推力轴承设计最大轴向推力7之间，另外由于停止阈值9设置为80％推力轴承设计的最大轴向推力，当主推力轴承2承受的推力在区域3和区域2之间变动的时候，阀门将会保持静止状态，从而减少阀门的动作机会，增加了阀门的寿命并且减少了抽气波动对阀门的影响。

S4、输出模块将阀门开度指令传递给执行机构，并根据阀门开度指令改变阀门开度。在输出阀门开度指令之前，控制模块对阀门开度变化设置有速率限制，可控制阀门动作时的速度，当阀门动作的时候按照设定的速率值进行变化，从而保证卸荷调节阀调节过程的平滑过渡。阀门的速率限制可以是固定的设定值，也可以是根据某些过程参数折算的动态速率值。

如图4所示，设置阀门的高限为100，低限位-2，设置为-2可以保证调节阀门的彻底关严，当开大调节阀指令为真的时候选择正的升速率累加到调节阀开度输出值，当关小调节阀门指令为真的时候则选择负的升速率累加到调节阀开度输出值。调节阀开度值送往阀门执行机构，实现对阀门的开度控制。通过设置升速率保证了调节阀门开度的平滑过渡。阀门的速率限制可以是固定的设定值，也可以是根据某些过程参数折算的动态速率值。

当阀门开度指令与阀门开度的反馈值偏差大于设定的偏差阈值时，控制模块控制故障报警装置报警。

S5、重复进行步骤S1-S4，直到所述推力轴承的轴向力在安全范围内。

如图5所示为调节阀报警示意图，调节阀开度反馈范围为0～100，当调节阀开度指令与调节阀反馈偏差大于设定的偏差大阈值10的时候，则表示阀门故障，则给出报警信号，提醒运行人员。

综上所述，从调节阀整个控制过程可以看出，设计的调节阀控制无需人工参与，具有较高的自动水平，并且能很好的控制主推力轴承所承受的推力值，而且能较好的解决抽气对燃机正常运行的扰动。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种燃气轮机轴向力控制装置，其特征在于：包括设置于推力轴承上的压力传感器，所述推力轴承为可倾瓦推力轴承，所述压力传感器沿周向分布于所述推力轴承的推力瓦块上，所述压力传感器通过控制器控制卸荷调节阀，所述卸荷调节阀的入气口连通压气机的抽气口，所述卸荷调节阀的出气口连通卸荷腔的进气口；

所述控制器包括控制模块、优选模块和输出模块，所述压力传感器连接所述优选模块，所述优选模块和所述输出模块分别与所述控制模块连接，所述输出模块连接所述卸荷调节阀的执行机构；所述压力传感器将压力测量值传输至所述优选模块，所述优选模块在接收到的所述压力测量值中选择出最优压力值，通过所述控制模块的处理后得到阀门开度指令，所述输出模块将调节模块传递至所述执行机构；

所述压力传感器沿周向分布于所述推力轴承的推力瓦块与所述推力轴承的支撑盘轴向受力面上；

所述优选模块连接所述压力传感器。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机轴向力控制装置，其特征在于：所述压力传感器的数量为大于等于三个。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机轴向力控制装置，其特征在于：还设有故障报警装置，所述故障报警装置与所述控制模块连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的燃气轮机轴向力控制装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、所述压力传感器根据所述推力轴承的受力情况检测到压力测量值；

S2、将所述压力测量值传输至所述优选模块，由所述优选模块选择出最优压力值；

S3、所述最优压力值输送至控制模块，并与所设置的阈值对比，通过对比结果得出阀门开度指令；

S4、所述输出模块将所述阀门开度指令传递给所述执行机构，并根据所述阀门开度指令改变阀门开度；

S5、重复进行步骤S1-S4，直到所述推力轴承的轴向力在安全范围内。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机轴向力控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述阈值包括开阈值、开停止阈值、关阈值和关停止阈值，所述开阈值大于所述关阈值，所述开停止阈值和所述关停止阈值处于所述开阈值和关阈值之间。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机轴向力控制装置的控制方法，其特征在于：所述开停止阈值大于或者等于所述关停止阈值。

7.根据权利要求4所述的燃气轮机轴向力控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述阀门的执行机构调节阀门开度时，设有速率限制。

8.根据权利要求4所述的燃气轮机轴向力控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，当所述阀门开度指令与阀门开度的反馈值偏差大于设定的偏差阈值时，所述控制模块控制故障报警装置报警。