CN106481458B - 用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法 - Google Patents

用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法。具体而言，一种用于发电设备的控制系统包括测量蒸汽涡轮转子的转子表面温度的传感器，其中温度为来自用于将蒸汽加热至目标温度的热源的排出气体的函数。控制系统包括控制器，其联接至传感器且配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算目标温度，基于蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力，使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于目标温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力，且基于测得的蒸汽涡轮转子应力和估计的蒸汽涡轮转子应力计算反馈蒸汽涡轮转子应力。

Description

用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法
技术领域
本公开内容的领域大体上涉及发电设备，并且更具体地涉及用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法。
背景技术
典型的已知联合循环发电设备包括燃气涡轮，其中焚烧燃料，例如，诸如而不限于油或天然气。来自燃气涡轮发动机的排出气体由一个或多个燃气涡轮推出。排出气体经过余热回收蒸汽发生器，加热其中的水来生成蒸汽。燃气涡轮负载和排出气体温度由于燃烧系统和控制限制而高度耦合。此限制大体上导致燃气涡轮排气质量流率与燃气涡轮排气温度之间的一对一的关系，这导致蒸汽流率与蒸汽温度之间的直接一对一的关系。蒸汽收集在锅炉中且累积压力。当达到足够的蒸汽压力时，容许蒸汽进入蒸汽涡轮中，从而使蒸汽涡轮旋转。蒸汽然后通常冷凝且回到余热回收蒸汽发生器。蒸汽涡轮使发电机旋转来发电。蒸汽涡轮的蒸汽进入机制可以以多种构造来构造，例如，包括且不限于其中蒸汽加热且在多个级中再热并容许到多个级中的蒸汽涡轮的架构。
当一定时间段内未操作时，蒸汽涡轮的壳和转子显著地冷却。蒸汽涡轮转子的温度可由蒸汽涡轮转子自身上或壳上(即，固定部分，而非转子上，即，可旋转部分)测得的温度测定。作为备选，蒸汽涡轮转子温度可由任何其它适合的方法测定，例如，包括且不限于非接触式方法，诸如高温测定。在联合循环发电设备的启动期间，设备理想地进入设备负载可尽可能快地在没有约束下受控的状态。然而，蒸汽涡轮转子的表面通常在不同于转子的主体的速率下加热，导致了贯穿转子的径向温度变化。此温度变化作为热应力显现在转子的金属上，且随着时间促进转子金属疲劳。由于燃气涡轮排出气体的温度驱动蒸汽温度，故总体设备由将燃气涡轮排气流保持在较低温度下直到蒸汽涡轮转子进入转子表面应力不限制的状态的需要来约束。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于发电设备的控制系统。该控制系统包括温度传感器和控制器。温度传感器配置成测量蒸汽涡轮转子的转子表面温度。转子表面温度为来自用于将蒸汽加热至目标蒸汽温度的热源的排出气体的函数。控制器联接至温度传感器。控制器配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽温度。控制器进一步配置成基于蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力。控制器进一步配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力。控制器进一步配置成基于测得的蒸汽涡轮转子应力和估计的蒸汽涡轮转子应力计算反馈蒸汽涡轮转子应力。
在另一方面，提供了一种控制发电设备的方法。该方法包括使用从热源排出的排出气体加热蒸汽，排出气体具有排出气体温度。该方法还包括使蒸汽在蒸汽流率下进入蒸汽涡轮。该方法还包括测量蒸汽涡轮转子表面温度。该方法还包括基于蒸汽涡轮转子表面温度和用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型确定反馈蒸汽涡轮转子应力。该方法还包括基于反馈蒸汽涡轮转子应力和基准蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽涡轮转子应力。该方法还包括基于目标蒸汽涡轮转子应力和用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型计算用于控制热源的目标蒸汽温度和排出气体温度。
在还有另一方面，提供了一种发电设备。该发电设备包括燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮、温度传感器和控制器。燃气涡轮发动机配置成在燃气涡轮负载下旋转且在排出气体温度下排出排出气体，排出气体配置成将蒸汽加热至目标蒸汽温度。蒸汽在目标蒸汽温度、蒸汽流率下进入蒸汽涡轮。蒸汽涡轮配置成使发电机旋转。温度传感器配置成测量蒸汽涡轮转子表面温度。控制器配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽温度。控制器进一步配置成基于蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力。控制器进一步配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力。控制器进一步配置成基于测得的蒸汽涡轮转子应力和估计的蒸汽涡轮转子应力计算反馈蒸汽涡轮转子应力。
技术方案1. 一种用于发电设备的控制系统，所述控制系统包括：
温度传感器，其配置成测量蒸汽涡轮转子的表面温度，所述表面温度为来自用于将蒸汽加热至目标蒸汽温度的热源的排出气体的函数；以及
联接至所述温度传感器的控制器，所述控制器配置成：
使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算所述目标蒸汽温度；
基于所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；
使用用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于所述目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力；以及
基于所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力。
技术方案2. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述热源包括燃气涡轮发动机。
技术方案3. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述温度传感器配置成测量蒸汽涡轮壳温度，所述蒸汽涡轮转子的表面温度可从所述蒸汽涡轮壳温度确定。
技术方案4. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力作为所测得的蒸汽涡轮转子应力与所估计的蒸汽涡轮转子应力之间的差异。
技术方案5. 根据技术方案4所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成基于所述基准蒸汽涡轮转子应力与所述反馈蒸汽涡轮转子应力之间的差异计算所述目标蒸汽温度。
技术方案6. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成对所述基准蒸汽涡轮转子应力进行低通过滤。
技术方案7. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成使用所述逆过程模型来基于所述蒸汽涡轮转子的估计的表面温度以及所述目标蒸汽温度与所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度之间的目标温差计算所述目标蒸汽温度。
技术方案8. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成基于所述目标蒸汽温度和用于从所述排出气体到所述蒸汽的热交换的热交换模型计算排出气体温度。
技术方案9. 一种控制发电设备的方法，所述方法包括：
使用从热源排出的排出气体加热蒸汽，所述排出气体具有排出气体温度；
使所述蒸汽在蒸汽流率下进入蒸汽涡轮；
测量蒸汽涡轮转子表面温度；
基于所述蒸汽涡轮转子表面温度和用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型确定反馈蒸汽涡轮转子应力；
基于所述反馈蒸汽涡轮转子应力和基准蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽涡轮转子应力；以及
基于所述目标蒸汽涡轮转子应力和用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型计算用于控制所述热源的目标蒸汽温度和所述排出气体温度。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其中，加热所述蒸汽包括将所述排出气体排入余热回收蒸汽发生器中，所述蒸汽通过所述余热回收蒸汽发生器从冷凝物储器流入蒸汽汇集器。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其中，使所述蒸汽进入包括在达到预定蒸汽压力和蒸汽温度时从所述蒸汽汇集器释放所述蒸汽。
技术方案12. 根据技术方案9所述的方法，其中，确定反馈蒸汽涡轮转子应力包括：
基于所述蒸汽涡轮转子表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；
使用所述过程模型计算估计的蒸汽涡轮转子应力，其中所述过程模型包括：
基于所述目标蒸汽温度、蒸汽质量流和用于从所述蒸汽到蒸汽涡轮转子表面的热传递的对流模型计算估计的蒸汽涡轮转子表面温度；
基于所估计的蒸汽涡轮转子表面温度和用于从所述蒸汽涡轮转子表面到蒸汽涡轮转子主体的热传递的传导模型计算估计的蒸汽涡轮主体温度；以及
基于所估计的蒸汽涡轮转子表面温度与所估计的蒸汽涡轮主体温度之间的差异和用于所述蒸汽的流动通路的传导系数计算所估计的蒸汽涡轮转子应力；以及
计算所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力的差异。
技术方案13. 根据技术方案9所述的方法，其中，计算所述目标蒸汽涡轮转子应力包括：
计算所述基准蒸汽涡轮转子应力和所述反馈蒸汽涡轮转子应力的差异；以及
对总和进行低通过滤。
技术方案14. 根据技术方案9所述的方法，其中，使用所述逆过程模型计算所述目标蒸汽温度包括：
将增益应用到所述目标蒸汽涡轮转子应力，所述增益表示从平均蒸汽涡轮转子应力到目标蒸汽涡轮转子主体温度的时间导数的动态；
对所述目标蒸汽涡轮转子主体温度的时间导数过滤，产生目标蒸汽涡轮转子表面温度的时间导数；
基于基准蒸汽涡轮转子表面温度、蒸汽质量流和热传递系数计算蒸汽温度与所述蒸汽涡轮转子表面温度之间的目标温差；以及
将所述目标蒸汽温度计算为所估计的蒸汽涡轮转子表面温度与所述目标温差的和。
技术方案15. 一种发电设备，包括：
燃气涡轮发动机，其配置成在燃气涡轮负载下旋转且在排出气体温度下排出排出气体，所述排出气体配置成将蒸汽加热至目标蒸汽温度；
蒸汽涡轮，所述蒸汽在所述目标蒸汽温度和蒸汽流率下进入所述蒸汽涡轮，所述蒸汽涡轮配置成使电力发电机旋转；
配置成测量蒸汽涡轮转子表面温度的温度传感器；以及
控制器，其配置成：
使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算所述目标蒸汽温度；
基于所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；
使用用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于所述目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力；以及
基于所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力。
技术方案16. 根据技术方案15所述的发电设备，其中，所述控制器进一步配置成基于所述燃气涡轮发动机的负载和蒸汽流量的变化计算所测得的蒸汽涡轮转子应力。
技术方案17. 根据技术方案16所述的发电设备，其中，所述控制器进一步配置成计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力作为所测得的蒸汽涡轮转子应力与所估计的蒸汽涡轮转子应力的差异。
技术方案18. 根据技术方案16所述的发电设备，其中，所述控制器进一步配置成基于蒸汽质量流和所述目标蒸汽温度计算所估计的蒸汽涡轮转子应力。
技术方案19. 根据技术方案18所述的发电设备，其中，所述控制器进一步配置成基于以下计算所估计的蒸汽涡轮转子应力：
用于计算从所述蒸汽到所述蒸汽涡轮的转子表面的对流的对流模型；
用于基于估计的蒸汽涡轮转子表面温度计算从所述转子表面到所述蒸汽涡轮的主体的传导模型；以及
基于来自所述对流模型的估计的蒸汽涡轮转子表面温度与来自所述传导模型的估计的蒸汽涡轮转子主体温度的差异的应力计算。
技术方案20. 根据技术方案15所述的发电设备，其中，所述控制器进一步配置成对所述基准蒸汽涡轮转子应力进行低通过滤。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示贯穿附图的相似部分，其中：
图1为示例性联合循环发电设备的框图；
图2为用于发电设备中的示例性控制系统的示意图，诸如图1中所示的联合循环发电设备；
图3为用于发电设备中的示例性控制系统的示意图，诸如图1中所示的联合循环发电设备；
图4为用于图2和图3中所示的控制系统中的示例性过程模型的示意图；
图5为用于图2和图3中所示的控制系统的示例性逆过程模型的示意图；
图6为用于图2和图3中所示的控制系统的另一个示例性逆过程模型的示意图；
图7为控制发电设备的示例性方法的流程图，诸如图1中所示的联合循环发电设备；以及
图8为用于图1中所示的联合循环发电设备中的示例性联合循环发电设备启动的图表。
除非另外指出，否则本文提供的附图意在说明本公开内容的实施例的特征。这些特征认作是适用于多种系统，包括本公开内容的一个或多个实施例。因此，附图不意在包括本文公开的实施例的实施所需的本领域的普通技术人员已知的所有常规特征。
零件清单
100 联合循环发电设备
102 燃气涡轮发动机
106 燃气涡轮
108 空气
110 燃料
112 排出气体
114 发电机
116 余热回收蒸汽发生器
118 冷却的排出气体
120 柱
122 蒸汽
124 蒸汽汇集器
126 加压蒸汽
128 阀
130 蒸汽涡轮
132 蒸汽涡轮壳
133 蒸汽涡轮转子
135 蒸汽涡轮轮叶
136 排出蒸汽
138 冷凝器
140 发电机
142 冷凝物
144 冷凝物储器
200 控制系统
202 传感器
204 控制器
206 蒸汽涡轮
208 过程模型
210 逆过程模型
212 设备过程
214 燃烧过程
216 余热回收和蒸汽发生过程
218 燃气涡轮负载
220 蒸汽涡轮负载
300 控制系统
302 设备过程
304 过程模型
306 逆过程模型
308 低通过滤器
310 测得的蒸汽涡轮转子应力
312 估计的蒸汽涡轮转子应力
314 目标蒸汽温度
316 反馈蒸汽涡轮转子应力
318 基准蒸汽涡轮转子应力
320 目标蒸汽涡轮转子应力
400 过程模型
402 对流模型
404 传导模型
406 热应力模型
500 逆过程模型
502 标量转换器
504 过滤器
506 乘法器
600 逆过程模型
610 除法器
620 加法器
630 过滤微分器
640 乘法器
650 加法器
700 方法
710 开始步骤
720 余热回收和蒸汽发生步骤
730 蒸汽进入步骤
740 温度测量步骤
750 应力反馈步骤
760 目标蒸汽涡轮转子应力步骤
770 逆向模拟步骤
780 结束步骤
800 图表
810 应力轮廓子图
820 蒸汽流量子图
830 温度子图
k1 热传递系数
k3 常数
TSteam 蒸汽温度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
蒸汽质量流
σest 估计的热应力
TSurface 估计的蒸汽涡轮表面温度
TBulk 估计的蒸汽涡轮主体温度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
蒸汽涡轮转子主体温度的时间导数
σtarget 目标蒸汽涡轮转子应力
g1 增益
ΔT 温差
Figure 215893DEST_PATH_IMAGE004
蒸汽涡轮表面温度的时间导数。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，提到了具有以下意义的多个用语。
单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数参考，除非上下文清楚地另外指出。
"可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况以及其不发生的情况。
如本文贯穿说明书和权利要求使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由诸如"大约"、"大概"和"大致"的一个或多个用语修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里以及贯穿说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换，此范围被识别且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
用于本文所述的发电设备的控制系统提供了来自一个或多个燃气涡轮的排出气体温度的内部模型控制，以管理蒸汽涡轮转子上的热应力。热应力通常在发电设备的启动期间发生在蒸汽涡轮转子中，其中在蒸汽涡轮达到操作温度时，蒸汽温度和蒸汽流引起蒸汽涡轮转子表面与蒸汽涡轮转子的主体之间的温度变化。本文所述的控制系统便于独立于一个或多个燃气涡轮的负载和蒸汽流中的变化来控制蒸汽温度和管理热应力。
图1为示例性联合循环发电设备100的框图，本文中介绍的控制系统和方法可在设备100内体现或实现。联合循环发电设备100包括燃气涡轮发动机102，在燃气涡轮发动机102内，空气108与燃料110混合且焚烧，以产生通过燃气涡轮106排出的排出气体112。排出气体112引起燃气涡轮106旋转。燃气涡轮106可旋转地联接到发电机114，发电机114与燃气涡轮106一起旋转且发电。
燃气涡轮106将排出气体112排入余热回收蒸汽发生器116中。冷却的排出气体118离开余热回收蒸汽发生器116，且通常从联合循环发电设备100通过排气管道120排出。排出气体112在排出气体温度下进入余热回收蒸汽发生器116。排出气体温度通过经由燃气涡轮发动机102内的空气108进入和燃料110进入的调节控制燃烧过程为可控的。余热回收蒸汽发生器116便于从排出气体112到水142和蒸汽122的热传递。
蒸汽122累积在蒸汽汇集器124内，直到达到期望的蒸汽压力。当达到期望的蒸汽压力时，加压蒸汽126通过阀128释放。当阀128开启时，加压蒸汽126进入蒸汽涡轮130中。蒸汽涡轮130包括固定的蒸汽涡轮壳132，以及可旋转的蒸汽涡轮转子134。蒸汽涡轮130包括联接至蒸汽涡轮转子134的多个蒸汽涡轮轮叶135。当加压蒸汽126进入蒸汽涡轮轮叶135时，蒸汽涡轮转子134旋转，且排出蒸汽136被引导至冷凝器138。蒸汽涡轮转子134联接到发电机140，发电机140与蒸汽涡轮130一起旋转且发电。冷凝器138冷却排出蒸汽136，形成冷凝物142，其收集在冷凝物储器144中。冷凝物142然后回到余热回收蒸汽发生器116，在该处，其又转变成蒸汽122。
在操作中，在联合循环发电设备100的启动期间，蒸汽涡轮130通过发电机140加速且加载。当蒸汽流增大时，电负载增大，同时蒸汽涡轮130保持速度。期望的是使蒸汽涡轮130尽可能快地达到操作温度，然而，可实现此启动所处的速率受限于由于蒸汽温度和蒸汽流在蒸汽涡轮130上引起的应力。更具体而言，蒸汽涡轮转子134上的操作温度或热应力限制启动速率。当较高的蒸汽流时，较高的蒸汽温度更快加热蒸汽涡轮转子134。然而，加热蒸汽涡轮转子134导致蒸汽涡轮转子134的表面与蒸汽涡轮转子134的主体(都未示出)之间的温差。此温差导致随着时间在蒸汽涡轮转子134上的热应力和金属疲劳。
另外在操作中，蒸汽涡轮130根据蒸汽涡轮转子应力轮廓达到操作温度，以在启动期间管理蒸汽涡轮转子应力。蒸汽涡轮转子应力轮廓特征为启动期间引起的蒸汽涡轮转子应力。蒸汽涡轮转子表面温度通过蒸汽122的蒸汽温度的调节来控制，且也是进入蒸汽涡轮130中的蒸汽流量的函数。蒸汽温度通过排出气体112的排出气体温度的调节来控制，排出气体112如上文所述控制。
图2为用于控制发电设备(诸如联合循环发电设备100(图1中所示))的示例性控制系统200的框图。控制系统200包括传感器202和控制器204。传感器202为温度传感器，其配置成测量蒸汽涡轮转子的表面温度，诸如蒸汽温度转子134(图1中所示)。在某些实施例中，传感器202配置成直接地测量蒸汽涡轮转子温度。在其它实施例中，传感器202配置成测量蒸汽涡轮壳温度，其与蒸汽涡轮转子表面温度有关。类似地，在某些实施例中，蒸汽涡轮转子和蒸汽涡轮壳温度可基于由传感器202测得的蒸汽状态估计。传感器202可联接到蒸汽涡轮206，诸如蒸汽涡轮130(图1中所示)。在某些实施例中，例如，传感器202联接到蒸汽涡轮壳，诸如蒸汽涡轮壳132(图1中所示)。某些实施例包括用于测量蒸汽流量的另一传感器。
控制器204包括过程模型208和逆过程模型210。过程模型208模拟设备过程212。设备过程212包括燃烧过程214，通过其，燃料(诸如燃料110)和空气(诸如空气108)在燃气涡轮发动机(诸如燃气涡轮发动机102)中混合且焚烧以产生排出气体，诸如排出气体112(全部都在图1中示出)。生成的排出气体从燃气涡轮发动机通过燃气涡轮排出，诸如燃气涡轮106(图1中所示)。当排出气体通过燃气涡轮排出时，燃气涡轮驱动燃气涡轮负载218。例如，燃气涡轮负载218包括且不限于电力发电机，诸如发电机114(图1中所示)。
设备过程212包括余热回收和蒸汽发生过程216，通过其，排出气体排入余热回收蒸汽发生器(诸如余热回收蒸汽发生器116(图1中所示))中以加热蒸汽，诸如蒸汽122(也在图1中示出)。生成的蒸汽进入蒸汽涡轮206中，使蒸汽涡轮206的转子旋转且驱动蒸汽涡轮负载220。例如，燃气涡轮负载220包括且不限于电力发电机，诸如发电机140(图1中所示)。
设备过程212引起到蒸汽涡轮206的转子上的应力作为至少蒸汽温度和蒸汽流量的函数。过程模型208估计设备过程212引起的蒸汽涡轮转子应力。控制器204确定测得的蒸汽涡轮转子应力，且使用测得的蒸汽涡轮转子应力和估计的蒸汽涡轮转子应力的差异来控制设备过程212。差异表示在控制输入之后应用到设备过程212的干扰，或可表示未模拟的动态。差异反馈且从基准蒸汽涡轮转子应力减去。基准蒸汽涡轮转子应力从基准蒸汽涡轮转子应力轮廓绘出，根据其，发电设备启动。
基准蒸汽涡轮转子应力和蒸汽涡轮转子应力变化(有时称为目标蒸汽涡轮转子应力)的差异由逆过程模型210使用来计算蒸汽温度。蒸汽温度转化成命令的排出气体温度，其可通过燃烧过程214控制。
控制器204进一步配置成控制通过燃气涡轮负载218对燃气涡轮的加载，这驱动余热回收蒸汽发生器216中生成的蒸汽量，这进一步驱动由蒸汽涡轮206生成的功率。
图3为用于发电设备(诸如联合循环发电设备100(图1中所示))中的示例性控制系统300的示意图。控制系统300包括设备过程302，诸如设备过程212(图2中所示)，以及过程模型304，诸如过程模型208(也在图2中示出)。控制系统300还包括逆过程模型306和低通过滤器(LPF)308。
设备过程302在蒸汽涡轮转子(诸如蒸汽涡轮转子134(图1中所示))上产生应力，其可基于蒸汽涡轮转子表面温度来测量。应力表示为测得的蒸汽涡轮转子应力310，且为设备过程302的各种方面的函数，例如，包括且不限于蒸汽温度、蒸汽流量以及蒸汽涡轮和燃气涡轮(诸如燃气涡轮106(图1中所示))的负载。过程模型304至少基于目标蒸汽温度314来计算估计的蒸汽涡轮转子应力312。
反馈蒸汽涡轮转子应力316为测得的蒸汽涡轮转子应力310与估计的蒸汽涡轮转子应力31之间的差异，其反馈且从基准蒸汽涡轮转子应力318减去。反馈蒸汽涡轮转子应力316表示估计误差，以及对设备过程302的未测得的干扰和未模拟的动态。该结果为目标蒸汽涡轮转子应力320。LPF 308配置成使表示基准蒸汽涡轮转子应力318的信号平滑。在某些实施例中，省略了LPF 308。
逆过程模型306配置成将目标蒸汽涡轮转子应力320转换成目标蒸汽温度314。在联合循环发电设备中，设备过程302大体上通过排出气体温度而非直接地蒸汽温度为可控的。在某些实施例中，控制系统300还包括用于将蒸汽温度314转化成命令排出气体温度的模型构件。此外，在某些实施例中，控制系统300包括用于使燃气涡轮排气温度达到目标蒸汽温度314的闭环控制系统。
图4为用于控制系统200和300(分别在图2和图3中示出)中的示例性过程模型400的示意图。过程模型400包括对流模型402、传导模型404和热应力模型406。
对流模型402表示来自生成的气体(诸如蒸汽122(图1中示出))至蒸汽涡轮转子(诸如蒸汽涡轮转子134(也在图1中示出))的表面随着时间的热传递的动态。对流模型402使用两个输入：蒸汽温度TSteam，诸如目标蒸汽温度314(图3中示出)，以及蒸汽质量流
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，其可直接测量，或可从控制系统200和300中的另一测量(诸如阀128(图1中示出))处测得的压力推导出。对流模型402还使用热传递系数k1，以用于从蒸汽到蒸汽涡轮转子的表面的热传递。对流模型402由以下方程1支配，通过该方程，估计的蒸汽涡轮转子表面温度TSurface由以下求解：
Figure 195350DEST_PATH_IMAGE006
，方程1。
传导模型404表示随着时间从蒸汽涡轮转子的表面到蒸汽涡轮转子的主体的热传递的动态。传导模型404基于估计的蒸汽涡轮转子表面温度TSurface计算估计的蒸汽涡轮主体温度TBulk。传导模型404由热方程支配，以下的方程2：
Figure 975087DEST_PATH_IMAGE007
，方程2。
其中T表示固体温度，x表示空间维度，α表示材料的热扩散，且t表示暂时变量。表面温度与主体温度之间的关系可通过使用适合方法离散化偏微分方程来获得。
热应力模型406配置成基于估计的蒸汽涡轮转子表面温度TSurface和估计的蒸汽涡轮主体温度TBulk来计算蒸汽涡轮转子上的估计的热应力σest。通过引用并入本文中的美国专利第6939100号中进一步描述的热应力模型406也使用了系数k2，且由以下方程3规定：
Figure 432614DEST_PATH_IMAGE008
，方程3。
图5为用于控制系统200和300(分别在图2和3中示出)中的示例性逆过程模型500的示意图。逆过程模型500包括标量转换器502、过滤器504和乘法器506。逆过程模型500配置成过程模型400(图4中所示)的数学反演。标量转换器502应用增益g1，其表示从目标蒸汽涡轮转子应力σtarget转换到平均蒸汽涡轮转子温度的时间导数
Figure 246986DEST_PATH_IMAGE009
的动态。
过滤器504包括由以下方程4规定的超前/滞后过滤器。过滤器502产生蒸汽涡轮转子表面温度的时间导数
Figure 131765DEST_PATH_IMAGE004
。
Figure 398799DEST_PATH_IMAGE010
，方程4。
其中τ1和τ1表示两个时间常数，且s表示拉普拉斯变量。
乘法器506针对估计的蒸汽涡轮转子表面温度TSurface与目标蒸汽温度TSteam之间的温差TSteam-TSurface求解以上方程1。乘法器506将蒸汽涡轮转子表面温度的时间导数
Figure 660016DEST_PATH_IMAGE011
有效除以热传递系数k1和蒸汽质量流
Figure 328894DEST_PATH_IMAGE001
来解出期望的温差ΔT。目标蒸汽温度TSteam然后通过从期望的温差ΔT减去对流模型402中计算的估计的蒸汽涡轮转子表面温度来计算。
图6为用于控制系统200和300(分别在图2和图3中示出)中的示例性逆过程模型600的示意图。逆过程模型600包括除法器610，其将目标蒸汽涡轮转子应力除以常数k3来确定蒸汽涡轮转子主体与蒸汽涡轮转子表面之间的理想温差。
逆过程模型600包括加法器620，其配置成将理想温差与估计的蒸汽涡轮转子主体温度TBulk相加，产生目标蒸汽涡轮转子表面温度TSurface。
逆过程模型600包括过滤微分器630，其应用由方程5给定的过滤器：
Figure 384575DEST_PATH_IMAGE012
，方程5。
其中，τ为时间常数且s为拉普拉斯变量。目标蒸汽涡轮转子表面温度的过滤差异产生蒸汽涡轮转子表面温度的时间导数
Figure 138904DEST_PATH_IMAGE013
。
乘法器640针对目标蒸汽涡轮转子表面温度TSurface与目标蒸汽温度TSteam之间的温差TSteam-TSurface求解以上方程1。乘法器640将蒸汽涡轮转子表面温度的时间导数
Figure 550DEST_PATH_IMAGE011
有效除以热传递系数k1和蒸汽质量流
Figure 523935DEST_PATH_IMAGE014
来解出期望的温差ΔT。目标蒸汽温度TSteam然后通过在加法器650处将目标蒸汽涡轮转子表面温度和期望温差ΔT相加来计算。
图7为使用控制系统(诸如控制系统200和300(分别在图2和3中示出))且进一步使用控制器(诸如控制器204(图2中示出))来控制发电设备(诸如联合循环发电设备100)的启动的示例性方法700的流程图。现在参看图1、图3和图6，方法700在开始步骤710处开始。在余热回收和蒸汽发生步骤720处，使用在排气温度下从燃气涡轮106排出的排出气体112将蒸汽122加热至目标蒸汽温度TSteam。在蒸汽汇集器124中达到足够的压力时，加压蒸汽126在蒸汽进入步骤730处在一定蒸汽流率下进入蒸汽涡轮130中。
当蒸汽122移动通过蒸汽涡轮转子134时，蒸汽涡轮转子表面温度在温度测量步骤740处测得，测得的蒸汽涡轮转子应力310从其计算出。在应力反馈步骤750处，用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型304用于基于目标蒸汽温度314和蒸汽流率
Figure 16096DEST_PATH_IMAGE005
来计算估计的蒸汽涡轮转子应力312。反馈蒸汽涡轮转子应力316计算为测得的蒸汽涡轮转子应力310和估计的蒸汽涡轮转子应力312的差异。
在目标蒸汽涡轮转子应力步骤760处，目标蒸汽涡轮转子应力320基于反馈蒸汽涡轮转子应力316和基准蒸汽涡轮转子应力318计算。
在逆向模拟步骤770处，逆过程模型306用来计算用于控制热源的目标蒸汽温度314和排出气体112的温度。逆过程模型306接收目标蒸汽涡轮转子应力320作为输入，且基于蒸汽涡轮转子134的表面与加压蒸汽126之间的目标温差ΔT计算目标蒸汽温度314。方法结束于结束步骤780处。
图8为用于联合循环发电设备100(图1中示出)以及控制系统200和300(分别在图2和3中示出)中的示例性联合循环发电设备启动的图表800。图表800包括应力轮廓子图810、蒸汽流量子图820，以及温度子图830。
应力轮廓子图810包括对比时间的以黑色示出的基准蒸汽涡轮转子应力轮廓，以及以灰色示出的由设备过程(诸如设备过程212(图2中示出))引起的实际蒸汽涡轮转子应力。基准蒸汽涡轮转子应力轮廓示出了50千磅每平方英寸(ksi)的基准蒸汽涡轮转子应力。在时间零处开始的实际蒸汽涡轮转子应力开始朝50ksi上升。
蒸汽流量子图820示出了随着启动过程的蒸汽流量的变化。蒸汽流量在时间零处快速升高，且然后再大约40分钟。温度子图830示出了对比时间的以黑色示出的蒸汽温度TSteam，以及以灰色示出的蒸汽涡轮转子表面温度TSurface。蒸汽温度TSteam的图表示出了控制系统(诸如控制系统200和300(分别在图2和图3中示出))改变目标蒸汽温度TSteam来解决40分钟处的流率中的尖峰，而不会引起实际蒸汽涡轮转子应力的增大。
用于发电设备的上述控制系统提供了来自一个或多个燃气涡轮的排出气体的内部模型控制来管理蒸汽涡轮上的热应力。热应力通常在发电设备的启动期间发生在蒸汽涡轮转子中，其中在蒸汽涡轮达到操作温度时，蒸汽温度和蒸汽流量引起蒸汽涡轮转子表面与蒸汽涡轮转子的主体之间的温度变化。本文所述的控制系统便于独立于一个或多个燃气涡轮的负载和蒸汽流量的变化来控制蒸汽温度和管理热应力。
本文所述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下至少一者：(a)估计随着时间的蒸汽涡轮转子应力；(b)独立于蒸汽涡轮负载和蒸汽流量来控制蒸汽温度；(c)减少使蒸汽涡轮达到操作温度和速度所需的时间；(d)减少发电设备的启动时间；(e)降低蒸汽涡轮转子上的热应力；(f)改善蒸汽涡轮的寿命周期；以及(g)提高由发电设备生成的功率的可用性。
用于控制发电设备的方法、系统和设备的示例性实施例不限于本文所述的特定实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立地使用且与本文所述的其它构件和/或步骤分开使用。例如，方法还可与其它非常规控制系统组合，且不限于仅利用如本文所述的系统和方法来实施。相反，示例性实施例可结合许多其它应用、设备和系统来实施和使用，其可受益于改善的启动时间，降低的蒸汽涡轮转子应力、改善的寿命循环以及提高的功率可用性。
尽管本公开内容的各种实施例的特定特征可能在一些图中示出且在其它图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开内容的原理，可与任何其它图的任何特征组合来参照和/或申请保护图的任何特征。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并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包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。
以下权利要求的限制并未以装置加功能的格式撰写，且不意在根据35 U.S.C. §112理解，除非且直到这样的权利要求限制明确地使用短语"用于……的装置"后接功能且没有进一步结构的表述。

Claims (20)

1.一种用于发电设备的控制系统，所述控制系统包括：
温度传感器，其配置成测量蒸汽涡轮转子的表面温度，所述表面温度为来自用于将蒸汽加热至目标蒸汽温度的热源的排出气体的函数；以及
联接至所述温度传感器的控制器，所述控制器配置成：
使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算所述目标蒸汽温度；
基于所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；
使用用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于所述目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力；以及
基于所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述热源包括燃气涡轮发动机。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述温度传感器配置成测量蒸汽涡轮壳温度，所述蒸汽涡轮转子的表面温度可从所述蒸汽涡轮壳温度确定。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力作为所测得的蒸汽涡轮转子应力与所估计的蒸汽涡轮转子应力之间的差异。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成基于所述基准蒸汽涡轮转子应力与所述反馈蒸汽涡轮转子应力之间的差异计算所述目标蒸汽温度。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成对所述基准蒸汽涡轮转子应力进行低通过滤。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成使用所述逆过程模型来基于所述蒸汽涡轮转子的估计的表面温度以及所述目标蒸汽温度与所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度之间的目标温差计算所述目标蒸汽温度。
8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成基于所述目标蒸汽温度和用于从所述排出气体到所述蒸汽的热交换的热交换模型计算排出气体温度。
9.一种控制发电设备的方法，所述方法包括：
使用从热源排出的排出气体加热蒸汽，所述排出气体具有排出气体温度；
使所述蒸汽在蒸汽流率下进入蒸汽涡轮；
测量蒸汽涡轮转子表面温度；
基于所述蒸汽涡轮转子表面温度和用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型确定反馈蒸汽涡轮转子应力；
基于所述反馈蒸汽涡轮转子应力和基准蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽涡轮转子应力；以及
基于所述目标蒸汽涡轮转子应力和用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型计算用于控制所述热源的目标蒸汽温度和所述排出气体温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，加热所述蒸汽包括将所述排出气体排入余热回收蒸汽发生器中，所述蒸汽通过所述余热回收蒸汽发生器从冷凝物储器流入蒸汽汇集器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使所述蒸汽进入包括在达到预定蒸汽压力和蒸汽温度时从所述蒸汽汇集器释放所述蒸汽。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，确定反馈蒸汽涡轮转子应力包括：
基于所述蒸汽涡轮转子表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；
使用所述过程模型计算估计的蒸汽涡轮转子应力，其中所述过程模型包括：
基于所述目标蒸汽温度、蒸汽质量流和用于从所述蒸汽到蒸汽涡轮转子表面的热传递的对流模型计算估计的蒸汽涡轮转子表面温度；
基于所估计的蒸汽涡轮转子表面温度和用于从所述蒸汽涡轮转子表面到蒸汽涡轮转子主体的热传递的传导模型计算估计的蒸汽涡轮主体温度；以及
基于所估计的蒸汽涡轮转子表面温度与所估计的蒸汽涡轮主体温度之间的差异和用于所述蒸汽的流动通路的传导系数计算所估计的蒸汽涡轮转子应力；以及
计算所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力的差异。
13. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，计算所述目标蒸汽涡轮转子应力包括：
计算所述基准蒸汽涡轮转子应力和所述反馈蒸汽涡轮转子应力的差异；以及
对总和进行低通过滤。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用所述逆过程模型计算所述目标蒸汽温度包括：
将增益应用到所述目标蒸汽涡轮转子应力，所述增益表示从平均蒸汽涡轮转子应力到目标蒸汽涡轮转子主体温度的时间导数的动态；
对所述目标蒸汽涡轮转子主体温度的时间导数过滤，产生目标蒸汽涡轮转子表面温度的时间导数；
基于基准蒸汽涡轮转子表面温度、蒸汽质量流和热传递系数计算蒸汽温度与所述蒸汽涡轮转子表面温度之间的目标温差；以及
将所述目标蒸汽温度计算为所估计的蒸汽涡轮转子表面温度与所述目标温差的和。
15.一种发电设备，包括：
燃气涡轮发动机，其配置成在燃气涡轮负载下旋转且在排出气体温度下排出排出气体，所述排出气体配置成将蒸汽加热至目标蒸汽温度；
蒸汽涡轮，所述蒸汽在所述目标蒸汽温度和蒸汽流率下进入所述蒸汽涡轮，所述蒸汽涡轮配置成使电力发电机旋转；
配置成测量蒸汽涡轮转子表面温度的温度传感器；以及
控制器，其配置成：
使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算所述目标蒸汽温度；
基于所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；
使用用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于所述目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力；以及
基于所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力。
16.根据权利要求15所述的发电设备，其特征在于，所述控制器进一步配置成基于所述燃气涡轮发动机的负载和蒸汽流量的变化计算所测得的蒸汽涡轮转子应力。
17.根据权利要求16所述的发电设备，其特征在于，所述控制器进一步配置成计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力作为所测得的蒸汽涡轮转子应力与所估计的蒸汽涡轮转子应力的差异。
18.根据权利要求16所述的发电设备，其特征在于，所述控制器进一步配置成基于蒸汽质量流和所述目标蒸汽温度计算所估计的蒸汽涡轮转子应力。
19.根据权利要求18所述的发电设备，其特征在于，所述控制器进一步配置成基于以下计算所估计的蒸汽涡轮转子应力：
用于计算从所述蒸汽到所述蒸汽涡轮的转子表面的对流的对流模型；
用于基于估计的蒸汽涡轮转子表面温度计算从所述转子表面到所述蒸汽涡轮的主体的传导模型；以及
基于来自所述对流模型的估计的蒸汽涡轮转子表面温度与来自所述传导模型的估计的蒸汽涡轮转子主体温度的差异的应力计算。
20.根据权利要求15所述的发电设备，其特征在于，所述控制器进一步配置成对所述基准蒸汽涡轮转子应力进行低通过滤。
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