CN105473826B - 用于控制第一机器和第二机器之间的联接的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制第一机器和第二机器之间的联接的方法，所述第一机器包括具有由第一轴标记限定的相关联的第一位置相角的第一旋转轴，所述第二机器包括具有由第二轴标记限定的相关联的第二位置相角的第二旋转轴。第一轴的旋转速度和旋转角被监测，并且第二轴的旋转通过使第二轴相对于第一轴速度达到预定旋转速度被控制。第二轴的加速度被控制，使得在第二轴达到预定旋转速度时，所述第二轴标记相对于第一轴标记处于预定角度内，在该点处，所述第一和第二轴被联接，使得所述第二轴标记相对于所述第一轴标记处于预定角度内。

Description

用于控制第一机器和第二机器之间的联接的方法

技术领域

本发明一般涉及控制第一机器和第二机器之间的联接，并且更具体地，涉及控制联合循环发电厂中的燃气涡轮机的旋转轴与蒸汽涡轮机的旋转轴的联接。

背景技术

联合循环涡轮发电机(CCTG)利用燃气涡轮机和蒸汽涡轮机来驱动发电机。在一种类型的典型CCTG中，来自燃气涡轮机的排气产生蒸汽，该蒸汽被用于为蒸汽涡轮机提供动力。在一些CCTG中，离合器装置被用于将与蒸汽涡轮机相关联的旋转轴联接至与燃气涡轮机相关联的旋转轴，其中，组合轴被用来提供功输出到发电机，用于产生电功率。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制第一机器和第二机器之间的联接的方法，第一机器包括第一旋转轴，其具有由第一轴标记限定的相关联的第一位置相角，并且第二机器包括第二旋转轴，其具有由第二轴标记限定的相关联的第二位置相角。该方法包括监测第一轴的旋转速度和旋转角，并且通过使第二轴的旋转速度相对于第一轴的监测到的旋转速度达到预定旋转速度来控制第二轴的旋转。第二轴的加速度被控制，使得在第二轴达到预定的旋转速度时，第二轴标记相对于第一轴标记处于预定角度内，在那时，联接被致动以将第一轴和第二轴机械联接在一起，使得第二轴标记相对于第一轴标记处于预定的角度内。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制联合循环发电厂内燃气涡轮机和蒸汽涡轮机之间的联接的方法。燃气涡轮机包括具有由第一轴标记限定的相关联的第一位置相角的第一旋转轴，并且蒸汽涡轮机包括具有由第二轴标记限定的相关联的第二位置相角的第二旋转轴。该方法包括监测第一轴的旋转速度和旋转角，并且通过相对于第一轴的监测到的旋转速度增加第二轴的旋转速度到预定旋转速度，使得在第二轴达到预定的旋转速度时，第二轴标记相对于第一轴标记处于预定角度，来控制第二轴的旋转。在控制第二轴的旋转的步骤期间，第一轴以基本恒定的速度旋转。在第二轴达到预定的旋转速度时，致动联接以机械联接第一轴和第二轴，使得第二轴标记相对于第一轴标记处于预定角度。

附图说明

虽然本说明书结束于具体指出并清楚地要求保护本发明的权利要求，但相信，从下面的描述中，结合所附附图，本发明将被更好地理解，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是根据本发明的一个方面的联合循环涡轮发电机的示意图，其包括用于控制在图1中被示出为燃气涡轮发动机的第一机器，到在图1中被示出为蒸汽涡轮发动机的第二机器的接合的控制系统；

图2是一个示意图，其示出了图1的联合循环涡轮发电机的选择组件；

图3是一个流程图，示出了用于控制图1的燃气涡轮机轴至图1的蒸汽涡轮机轴的接合的方法；

图4A-4D是示意图，其示出了图1的燃气涡轮机轴与图1的蒸汽涡轮机轴之间的各种可能接合角度；以及

图5是根据本发明的一个方面用于控制燃气涡轮机轴到蒸汽涡轮机轴的接合的控制系统的部件的示意图。

具体实施方式

在优选实施例的以下详细描述中，参考了形成其一部分，并且通过图示的方式而不是通过可以实践本发明的限制具体优选实施例示出的附图。但是应该理解的是，其他实施例也可以被利用，并且可以进行改变而不脱离本发明的精神和范围。

根据本发明，用于控制第一机器和第二机器之间的联接的方法被公开。第一机器可以是包括第一轴的燃气涡轮机，并且第二机器可以是包括第二轴的蒸汽涡轮机。燃气涡轮机和蒸汽涡轮机是联合循环涡轮发电机的组件，其中蒸汽涡轮机可由来自燃气涡轮机的排气驱动，例如利用传统的蒸汽回收系统。各机器的第一和第二轴被联接在一起，使得当被联接在一起时，轴的振动向量彼此配合，以实现具有期望振动响应的组合轴，如将在本文中所描述的。例如，当被联接在一起时，第一和第二轴的振动向量可相互抵消，以实现基本上平衡的组合轴。

现在参照图1，根据本发明的一个方面的联合循环发电机厂，并且更具体地，联合循环涡轮发电机(以下称“CCTG”)10，被示意性地示出。CCTG 10包括具有燃气涡轮机12的第一机器和具有蒸汽涡轮机14的第二机器，其中燃气涡轮机12和蒸汽涡轮机14相配合以提供功输出到CCTG 10的发电机16，用于产生电功率。燃气涡轮机12可包括常规的压缩、燃烧和涡轮段，并且蒸汽涡轮机14可包括常规的冷凝器、锅炉和涡轮段。这些段中的每段的结构对于本领域技术人员将是显而易见的并且在此不作具体讨论。

燃气涡轮机12还包括第一旋转轴，在此也称为输入轴18，并且蒸汽涡轮机14包括第二旋转轴，在此也称为输出轴20。同步自换档离合器装置(下文称“离合器”)22被提供以按照本发明的教导将输入轴18和输出轴20联接在一起，如将在本文中所描述的。

当被联接在一起时，输入轴18和输出轴20可在本文中被称为组合轴24。如图1所示，组合轴24被联接到发电机16并且驱动发电机16，用于以对本领域普通技术人员显而易见的方式产生电功率。

现在参照图2，输入轴18和输出轴20分别具有由各自的第一和第二轴标记26，28限定的位置相角PA₁，PA₂。应当注意的是，虽然每个轴18，20的位置相角PA₁，PA₂可如图2所示直接与相应的轴标记26，28周向对准，事情并非如此。所需要的是，相对于相应轴标记26，28的位置，每个位置相角PA₁，PA₂的位置是已知的，即使得各轴18，20的位置相角的位置PA₁，PA₂的位置可基于各自的轴标记26，28的位置进行预测。

轴标记26，28可以是形成在相应轴18，20上的凹口或齿或任何其它适当的标记。在CCTG 10运行期间，第一和第二轴标记26，28由各自的第一和第二每转一次(once perrevolution)传感器30，32感测。传感器30，32在轴18，20的每个旋转感测相应的轴标记26，28的通过，以确定各自轴18，20的位置相角PA₁，PA₂。传感器可以包括转速和相位(KEYPHASOR)传感器(KEYPHASOR是BENTLY NEVADA(本特利内华达)有限公司的注册商标)或能检测各自轴18，20的位置相角PA₁，PA₂的任何其他合适类型的传感器。

CCTG 10还包括第一和第二速度传感器34，36，用于监测相应的输入轴18和输出轴20的旋转速度。速度传感器34，36例如可包括频率转换器，其相应地在一个时间周期内计数轮齿，虽然其他旋转速度指示传感器也可以被使用，诸如转速计。速度传感器34，36提供表示输入和输出轴18，20的旋转速度的信号给控制系统38(参见图1和图2)，该控制系统基于如在Joseph David Hurley等的美国专利号6140803中所公开的方式的信号决定旋转速度与输入和输出轴18，20的速度变化率，所述美国专利于2000年10月31日公布，标题为“

APPARATUS AND METHOD FOR SYNCHRONIZING A SYNCHRONOUS CONDENSER WITH APOWER GENERATION SYSTEM”，其全部公开内容在此通过引用被并入本文。值得注意的是，第一和第二每转一次传感器30，32还能够确定轴18，20的旋转速度，并因此能够作为第一和第二速度传感器34，36，即本发明并不意在限于使用单独的每转一次传感器30，32和速度传感器34，36。

离合器22例如可包括常规SSS离合器装置，其具有与每一个相应的输入和输出轴18，20相关联的多个轮齿，其中用于每个轴18，20的轮齿数量预测可能的角接合位置的数量，在该位置输入轴18可被联接到输出轴20。离合器22可替代地包括任何适当类型的离合器或可比装置。如本文所述，离合器22在预定条件下接合轴18，20以将轴18，20联接在一起而形成组合轴24。应注意的是，在轴联接程序之前，离合器22的各轮齿可以预先与其中一个轴18，20接合，使得离合器22仅需要接合轴18，20中另一个来实现轴联接，或者在轴联接程序期间离合器22的各个轮齿可以接合两个轴18，20，以实现轴联接。

参照图3，根据本发明的一个方面的操作CCTG 10的方法100被示出。在步骤102中，燃气涡轮机12达到预定的运行速度，由此输入轴18的旋转被实现。预定的运行速度可以是燃气涡轮机12的正常运行速度或某些其它预定速度。燃气涡轮机12然后通过发电机16典型地同步到电力网(未示出)。燃气涡轮机12的速度随后通过电力网频率被大致保持恒定，而不管燃气涡轮机12的功率输出。

在步骤104中，来自燃气涡轮机12的排气被用来向蒸汽发生器(未示出)提供动力，以供应蒸汽到蒸汽涡轮机14，从而实现输出轴20的旋转。控制系统38控制阀系统40(参见图1和图2)来通过蒸汽涡轮机14上的阀门控制分配给蒸汽涡轮机14的蒸汽流的量，以便控制输出轴20的旋转参数，例如旋转速度和加速度。

在步骤106中，输入和输出轴18，20的旋转速度，例如使用第一和第二速度传感器34，36或任何其他合适的速度传感器，来进行监测，并且输入和输出轴18，20的旋转角度使用第一和第二传感器30，32来进行监测。轴18，20的旋转速度被用来确定轴18，20的加速度，如美国专利号6140803所描述的，其已通过引用方式并入本文。轴18，20的旋转角度与各轴标记26，28的感测到的位置相结合被用于预测各轴18，20的位置相角PA₁，PA₂。

在步骤108中，输出轴20的旋转由控制系统38控制，使得输入和输出轴18，20通过离合器22被机械地联接在一起，其中第二轴标记28相对于第一轴标记26处于预定的角度内，例如，使得相应轴18，20的位置相角PA₁，PA₂相对于彼此处于预定的角度内。

具体地说，在步骤110中，输出轴20的旋转速度相对于输入轴18的监测到的旋转速度达到预定旋转速度。预定旋转速度优选非常接近输入轴的速度。在步骤110期间，输出轴20的加速度在步骤112被控制，使得第二轴标记28在精确的时间达到相对于第一轴标记26的预定的角度内，使得输出轴20达到预定的旋转速度。值得注意的是，在步骤108-112期间，输入轴18优选以基本恒定的速度旋转，该恒定的速度可以对应于燃气涡轮机12的正常运行速度。

在输出轴20达到预定的旋转速度时，联接在步骤114中例如通过操作员或通过控制系统38被机械地致动，其中离合器22接合输入和输出轴18，20，以机械地将轴18，20联接一起。例如，与输出轴20相关联的离合器22的离合器齿可以以已知的方式轴向移位成与输出轴20上的对应离合器齿啮合，所述方式对本领域技术人员将是显而易见。当作为在步骤108-112采取的动作的结果第二轴标记28相对于第一轴标记26处于预定的角度内时，步骤114在精确的时间被执行。

如本文所述将输入和输出轴18，20联接在一起的一个特别有利的结果是，输入和输出轴18，20的振动向量相互配合，以实现具有期望的振动响应的组合轴24。例如，输入和输出轴18，20可以预定的角度联接在一起，以在燃气和蒸汽涡轮机12，14中实现振动的降低，即，其中当被联接在一起时，输入和输出轴18，20的振动向量相互抵消以实现基本平衡的组合轴24。应该注意，输入和输出轴18，20可以以其它预定角度被联接到一起，以实现除实现基本上平衡的组合轴24以外的优势。

通过如本文所述监测和控制输出轴20的加速度，输出轴20的旋转速度能够以受控的方式达到预定的旋转速度，使得当轴18，20之间的相对位置相角是零或某些其他预定值时，离合器22在精确的时间接合输入和输出轴18，20两者，以实现具有期望的振动响应的组合轴24。

应当指出的是，虽然方法100在本文中被描述具有自动地控制输出轴20的旋转的控制系统38，操作者可以控制输出轴旋转控制的一个或多个方面。

现在参考图4A-D，输入和输出轴18，20之间的几个示例性接合角度被示出。在图4A中，输入轴18的第一轴标记26直接与输出轴20的第二轴标记28成一直线。假定轴18，20的位置相角PA₁，PA₂与相应的轴标记26，28对准，在图4A中所示的所得到的组合轴24大致是平衡的，以便在燃气和蒸汽涡轮机12，14中实现振动的降低。

图4B-D示出了不平衡的组合轴24，再次，假定轴18，20的位置相角PA₁，PA₂与相应的轴标记26，28对准(应当指出，在图4D中，输出轴20的位置相角PA₂以虚线被示出，以指示它位于输出轴20的相对侧)。

现在参照图5，示例性细节结合涡轮机控制系统200如何控制机器的运行参数，使得联接到燃气涡轮机轴202的离合器，诸如上述离合器22，能够在期望的离合器齿位接合蒸汽涡轮机轴204被描述。

在传统的轴联接程序中，只有轴旋转速度被用作反馈信号(用于自动控制)，或用作监测量(用于手动控制)，以控制离合器接合。然而，根据本发明的一个方面，无论被手动还是自动操作来控制离合器的接合，涡轮机控制系统200都使用三个量，具体地是各轴202，204的加速度A、速度S和相角P_A，使得离合器以期望的相对相角RPA接合轴202，204。在离合器接合之前，燃气涡轮机轴202的速度Si一般以同步速度(发电机同步到电力网)恒定，并且蒸汽涡轮轴204将处于某些较低的速度S₂。如果蒸汽涡轮机轴204的速度S₂被增加至同步速度，而不考虑加速度，则很可能该离合器将接合在随机齿上，其中轴202，204不会接合在期望的相对相角RPA。为了避免这种情况，在本发明中，当蒸汽涡轮机轴204的速度S₂正增加并接近同步速度时，涡轮机控制系统200控制蒸汽涡轮机轴204的加速度，使得其被减少到非常低的值。然后，正当蒸汽涡轮机轴204的速度S₂到达刚低于燃气涡轮机轴的速度Si的一个速度，例如同步速度时，涡轮机控制系统200控制蒸汽涡轮机轴204的加速度，使得其加速度为零或非常接近零。

在这一点上，可以利用与各自的轴202，204相关联的相角检测器206，208，在此也称为每转一次传感器。每个轴202，204均包括由如本文所讨论的相应的第一和第二轴标记210，212限定的位置相角PA₁，PA₂。位置相角PA₁，PA₂都是由如本文所述的相角检测器206，208测量的。相角检测器206，208检测时间差，其中相应的第一和第二轴标记210，212在每个相应的轴旋转过程中被检测，并提供相应的信号SPA₁，SPA₂至控制模块214。控制模块214使用信号SPA₁，SPA₂来确定所感测的第一和第二轴标记210，212之间的相对相角RPA。

当蒸汽涡轮机轴204的速度S₂稍低于同步速度，并且其加速度是零(或接近零)时，其位置相角PA₂将缓慢变化，如果真的发生的话。涡轮机控制系统200(或操作员，如果离合器接合是手动控制的)等待，直到蒸汽涡轮轴204的位置相角PA₂相对于燃气涡轮机轴202的位置相角PA₁处于期望值，并且在这个时刻，涡轮机控制系统200将采取行动，以迅速加速蒸汽涡轮轴204并接合离合器。其结果是，离合器在期望的相对相角RPA接合蒸汽涡轮轴204，即在离合器的适当齿上接合，以实现基本平衡的组合轴。

虽然本发明的具体实施例已被说明和描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，可以进行各种其它变化和修改而在不脱离本发明的精神和范围。因此，在所附权利要求中，旨在覆盖在本发明范围之内的所有这样的变化和修改。

Claims (9)

1.一种用于控制第一机器和第二机器之间的联接的方法，所述第一机器包括第一旋转轴，所述第一旋转轴具有由第一轴标记限定的相关联的第一位置相角，并且所述第二机器包括第二旋转轴，所述第二旋转轴具有由第二轴标记限定的相关联的第二位置相角，所述方法包括：

监测所述第一轴的旋转速度和旋转角；

控制所述第二轴的旋转，其包括：

使所述第二轴的旋转速度相对于监测到的所述第一轴的旋转速度达到预定旋转速度，其中随着所述第二轴的速度接近所述第一轴的速度，所述第二轴的加速度被控制至基本为零，等待直到所述第二轴标记相对于所述第一轴标记处于预定角度内；

当所述第二轴标记相对于所述第一轴标记处于所述预定角度内时，将所述第二轴加速到所述第一轴的速度，以用于致动所述联接来机械地联接所述第一轴和所述第二轴，使得所述第二轴标记相对于所述第一轴标记保持在所述预定角度内；

其中在控制所述第二轴的旋转的步骤期间，所述第一轴以基本恒定的速度旋转，并且所述第二轴的速度增加，

其中所述第一轴的旋转的所述基本恒定的速度是所述第一轴的正常运行速度，

其中所述预定旋转速度是所述第一轴的正常运行速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一机器是燃气涡轮机，并且所述第二机器是蒸汽涡轮机。

3.根据权利要求2所述的方法，其中来自燃气涡轮机的排气被用于向所述蒸汽涡轮机提供动力，以实现所述第二轴的旋转。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一轴标记由第一每转一次传感器感测，以确定所述第一轴的第一位置相角。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二轴标记由第二每转一次传感器感测，以确定所述第二轴的第二位置相角。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一轴标记和所述第二轴标记均包括凹口和齿中的一个。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一轴和所述第二轴以预定角度被联接在一起，以在所述第一机器和所述第二机器内实现振动的减小。

8.根据权利要求7所述的方法，其中当被联接在一起时，所述第一轴和所述第二轴的振动向量相互抵消，以实现基本上平衡的组合轴。

9.根据权利要求1所述的方法，其中当被联接在一起时，所述第一轴和所述第二轴的振动向量互相配合，以实现具有期望的振动响应的组合轴。