CN106703905B - 控制蒸汽轮机的方法和蒸汽轮机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制蒸汽轮机的方法和蒸汽轮机设备。该控制蒸汽轮机的方法包括：以同质且各向同性的圆柱体的形式，定义蒸汽轮机的转子(5c)的简化模型；从简化模型的参数以及向蒸汽轮机(5)所供应的蒸汽的温度值，确定转子(5c)中的应力分布；将转子(5c)中所确定的应力与应力阈值(σTH)进行比较；以及基于转子(5c)中所确定的应力与应力阈值(σTH)的比较，控制蒸汽轮机(5)。

Description

控制蒸汽轮机的方法和蒸汽轮机设备
技术领域
本发明涉及控制蒸汽轮机的方法和蒸汽轮机设备。
背景技术
众所周知，由于系统惯性和相当大的温度波动所施加到转子的力，蒸汽轮机的启动阶段证明是关键性的。温度波动是由于考虑到转子的质量和几何形状，蒸汽温度应当在相对短时间内升高至稳定状态值。
为了防止能够导致转子损坏或过早老化的问题和条件，已经研究了针对负载承受以及设备启动期间蒸汽温度升高的配置，这些研究至少理论上保证避免危险性的高应力的出现。但是，合适的是，操作期间保持转子温度的监控，以及必要时实施减小应力等级的控制动作。
源自难以检测转子中的温度分布的重要技术问题是不适合安放传感器。为了克服这一技术问题，通常使用源自定子设备部件上的测量的温度估计。但是，这种估计不是非常准确，而且有很大的误差裕量。因此，一方面，有限的准确性需要保持针对有损于设备性能的负载承受和温度升高的配置设计中的保守做法。另一方面，即便合理的保守方法仍然不能充分自信地防止异常情况的发生，这样的异常情况是由于转子内部的应力而可能发生的危险或损坏所造成的。因此，基于源于定子温度测量的估计不足以通过及时的方式进行响应，以及保证在安全的条件下运行机器。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供控制蒸汽轮机的方法和蒸汽轮机设备，使得能够克服或至少减少上述限制。
根据本发明的一方面，提供了一种控制蒸汽轮机的方法，其包括：以同质且各向同性的圆柱体的形式，定义蒸汽轮机的转子的简化模型；从简化模型的参数以及向蒸汽轮机所供应的蒸汽的温度值，确定转子中的应力分布；将转子中所确定的应力与应力阈值进行比较；以及基于转子中所确定的应力与应力阈值的比较，来控制蒸汽轮机。
根据本发明的另一方面，提供了一种蒸汽轮机设备，其包括：蒸汽轮机；传感器组件，用于提供温度信号，所述温度信号指示蒸汽轮机的入口处的蒸汽温度；存储器单元，其包含蒸汽轮机的转子的简化模型的参数，其中简化模型以同质且各向同性的圆柱体的形式存在；以及处理单元，用于：从简化模型以及温度信号，确定转子中的应力分布；将转子中所确定的应力与应力阈值进行比较；以及基于将转子中所确定的应力与应力阈值的比较，控制蒸汽轮机。
附图说明
现在将参考表示非限制性实施示例的附图来描述本发明，其中：
图1是根据本发明的实施例的蒸汽轮机设备的简化方框图；
图2表示图1的设备中所使用的简化模型；
图3表示图1的设备的一部分的更详细的方框图；
图4是表示与图1的设备相关的量的曲线图。
具体实施方式
如图1所示，用于产生电能的联合循环发电设备包括燃气轮机组3、蒸汽轮机5、分别耦接至燃气轮机组3和蒸汽轮机5并且连接到分发网络(未示出)的两个发电机8和9、热回收锅炉10(用作蒸汽生成器)、冷凝器11以及控制装置12。设备1还具有执行器组件13和执行器组件14，控制装置12对于每个执行器组件执行动作从而分别控制燃气轮机组3和蒸汽轮机5。
燃气轮机组3产生热的排出气流，将该热的排出气流输送到热回收锅炉10，并且用于产生蒸汽。
示例中所述的蒸汽轮机5包括高压部分5a和中低压部分5b，接收来自热回收锅炉10的高压蒸汽流QHP和中低压蒸汽流QIP，通过中低压部分5b的排出以及通过已知类型而为简化未在此示出的旁路系统，将蒸汽流提供给冷凝器11。
冷凝器11冷却从蒸汽轮机接收到的蒸汽，使得蒸汽冷凝。
控制装置12包括设备调节器15、燃气轮机调节器16、蒸汽轮机调节器17以及数据获取接口18，数据获取接口18用于接收来自设备1的传感器和转换器的指示设备1本身状态的测量。特别地，通过数据获取接口18，控制装置12接收来自传感器组件20的如下信号：温度信号ST，其指示蒸汽轮机5的高压部分5a入口处的蒸汽温度；压力信号SP，其指示高压部分5a的入口处的蒸汽压力；以及流量信号SMF，其指示向蒸汽轮机5的高压部分5a提供的蒸汽流速QHP。
为了控制设备1，控制装置12对于燃气轮机组3的执行器组件13执行动作，其中执行器组件13可以包括燃料供给阀执行器和入口导向叶片(IGV)执行器，并且控制装置12对于蒸汽轮机5的执行器组件14执行动作，其中执行器组件14包括针对蒸汽轮机5的级5a、5b的入口阀执行器14a、14b，旁路阀执行器14c以及锅炉调温器14d。
设备调节器15确定针对整个设备1的通用电能参考(设置点)WM，而且通过从通用电能参考WM中减去蒸汽轮机5所提供的电能，来确定针对燃气轮机3的部分电能参考WTG(蒸汽轮机5通常在滑压条件下运行并且未被扼流)。
燃气轮机调节器16接收部分电能参考WTG，对于执行器组件13执行动作，以便燃气轮机5提供所需电能。
蒸汽轮机调节器17管理蒸汽轮机5的运行情况，并且介入设备1的启动阶段，或者由于如下所述的异常运行情况，以便保持向蒸汽轮机5提供的蒸汽的期望压力、温度以及流速条件。
参考图2，蒸汽轮机调节器17是基于使用蒸汽轮机5的转子5c的简化模型来确定温度分布和应力分布。转子5c表示为简化模型M，该简化模型M具有同质且各向同性的圆柱体的形式(圆柱体的横截面示出在图2中)，具有均匀的热导率，浸入在工作温度TW、设置在从转子5c本身的轴A距离DB的蒸汽流中。转子5c能够表示为半径R0，该半径R0由从高压部分5a中的轴A的转子叶片的距离的平均来给出。而且，工作温度TW是随时可变的，例如根据所编程的配置。工作温度TW定义用于经由简化模型M来计算转子5c的温度分布的边界条件，该工作温度TW是基于蒸汽轮机5的高压部分5a的入口处的蒸汽的温度信号ST来确定的。
发明人也已观测到，基于所述简化模型M所确定的应力的近似值与利用例如有限元方法所精确确定的相同应力的值具有恒定的比例。换言之，应力值的实际值能够利用通过转子5c的简化模型M所计算出的值的良好近似，通过使用恒定且与温度无关的修正因子来获得。使用简化模型M来确定温度分布和应力分布并不表示对于整个系统的处理能力显著提升。因此，能够利用已定义的阈值准则来实时监视瞬时应力的一致性。修正因子能够一次性被确定并且在设计阶段用于所有的情况。
蒸汽轮机调节器17用于，基于从轴A的距离和蒸汽温度TB来确定转子5c中的温度分布，基于温度分布来确定转子5c内部的应力(σ)，确定临界区域中的最大应力，并且将临界区域中的最大应力与参考阈值进行比较。
参考图3，蒸汽轮机调节器17包括存储器单元21和处理单元22。
存储器单元21包括各个部，其中所存储的蒸汽轮机调节器17运行期间所使用的信息，各个部包括：
参数部21a，其包含转子5c的简化模型M的参数，这些参数用于温度分布和应力分布的计算(例如，但未穷举，转子的热导率、半径、弹性模量、密度)；
修正部21b，其包含用于应力的计算的修正因子σCF；
阈值部21c，其包含应力阈值σTH；以及
配置部21d，其包含至少一个瞬态配置SPT(t)，这表示一个瞬态期间，针对蒸汽轮机5的执行器组件14的一系列蒸汽温度参考值SPT(tK)(特别地，启动瞬间；不同于用于负载承受的配置，除了温度配置之外，配置部21d还可以包含针对蒸汽轮机5的运行期间可能发生的不同瞬态情况的另外的瞬态配置)。
处理单元22包括控制模块23、计算模块25、修正模块26以及比较模块27。
控制模块23接收瞬态配置SPT(t)，并且根据瞬态配置SPT(t)，针对向蒸汽轮机5的高压部分5a所提供的蒸汽，设置一系列蒸汽温度参考值SPT(tK)。另外，基于从数据获取接口18所接收到的温度信号ST、压力信号SP以及流量信号SMF，控制模块23对于蒸汽轮机5的执行器组件14执行动作，从而获得根据瞬态配置SPT(t)的运行情况。
计算模块25从存储器单元21的参数部21a接收转子5c的简化模型M的参数，从数据获取接口18接收温度信号ST。计算模块25用于确定从经由温度信号ST所测量出的蒸汽温度(被指定为工作温度TW)开始后的转子5c(表示为同质且各向同性的圆柱体)内部的温度分布。温度分布的计算可以基于针对同质且各向同性的圆柱体的热力学方程的求解。
计算模块25还用于从所计算出的温度分布和转子5c的负载情况来确定应力分布。计算模块25进一步确定存在最大瞬时应力σMAX的转子5c的临界区域，并且迭代地计算出最大瞬时应力值σMAX。
将最大瞬时应力值σMAX提供给修正模块26，该修正模块26从存储器21的部21c接收修正因子σCF。修正模块26(例如，乘法器模块)由最大瞬时应力值σMAX和修正因子σCF来确定已修正的最大瞬时应力值σMAXC。
接着，由比较模块27将已修正的最大瞬时应力值σMAXC与从存储器21的部21c接收到的应力阈值σTH进行比较。可以基于极限区域来确定应力阈值σTH，例如基于冯·米塞斯(Von Mises)准则或特雷斯卡(Tresca)准则来定义。
如果已修正的最大瞬时应力值σMAXC超出应力阈值σTH，则对于控制模块23进行干预，例如修正或停止控制动作，从而避免对于转子5c不当的或潜在危害的运行情况。特别地，了解瞬时应力状态也允许实时地进行蒸汽调温的修正从而优化启动。这样的修正使得能够对于所存储和所选择的瞬态配置的任何意外的偏离做出应对。
利用转子5c的简化模型M可以有利地再次离线执行瞬态配置的处理。特别地，已观测到的是，当转子5c具有均匀的温度时(因此处于低应力状态)，构成转子的金属材料能够放置于与非常高温度的蒸汽相接触的位置处。另一方面，当转子5c处于高应力状态时，即具有高内部温度梯度，必须避免与热蒸汽接触。而且，对于非常低的蒸汽流速，热传导系数已经假设这些值很高，以致转子5c的金属表面的温度接近蒸汽的温度。因此，蒸汽流速的限制在控制热机械应力方面并不非常有效，而蒸汽温度的控制对于表面温度具有几乎立即的效果，因此对于转子5c的热应力具有几乎立即的效果。而且按照刚刚所做的说明，能够定义各种瞬态配置SPT(t)，并且在核实内部应力分布，以及核实与针对定义瞬态配置SPT(t)的每个温度参考SPT(tK)的应力阈值的兼容性之后(即，检查与瞬态配置SPT(t)的每个温度参考SPT(tK)对应的最大应力低于阈值应力σTH)，能够选择一个或多个优化配置，使得能够将最大裕量的安全性与缩短的瞬态时间相结合。因此能够在不影响安全性的情况下改进设备的响应。接着，能够将所选择的配置存储在存储器21中并且当需要时进行调用。
图4示出以常规方式进行的蒸汽轮机启动阶段期间的最大瞬时应力(虚线)与根据如上所述的给定配置、利用蒸汽温度控制的应力(实线)之间的比较。常规的启动导致高应力峰值，虽然持续时间短，然而利用根据本发明的温度控制进行启动更平稳并且具有低很多的最大应力值。考虑到低循环疲劳所延长的使用寿命主要取决于应力所达到的最大值，所述利用温度控制进行启动对于转子来说要轻松得多。
可替换地，利用不同的配置，能够缩短负载承受的时间而不引起转子内部的临界应力。
最后，显然的是，在不背离如所附权利要求中所定义的本发明的范围的情况下，可以对于所述方法和装置做出修改和变化。

Claims (13)

1.一种控制蒸汽轮机的方法，包括：
以同质且各向同性的圆柱体的形式，定义蒸汽轮机的转子(5c)的简化模型；
从所述简化模型的参数以及向蒸汽轮机(5)所供应的蒸汽的温度值，确定转子(5c)中的应力分布；
将转子(5c)中所确定的应力与应力阈值(σTH)进行比较；以及
基于转子(5c)中所确定的应力与应力阈值(σTH)的比较，控制蒸汽轮机(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定转子(5c)中的应力分布包括：
从向蒸汽轮机(5)所供应的蒸汽的温度值，确定转子(5c)的简化模型中的温度分布；
从转子(5c)的简化模型中的温度分布，确定转子(5c)的简化模型中的近似应力分布；以及
将所编程的修正因子(σCF)应用到所确定的近似应力，所述修正因子是恒量并与温度无关。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述修正因子(σCF)是乘法因子。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制蒸汽轮机(5)包括：
针对向蒸汽轮机(5)所提供的蒸汽，设置温度参考(SPT(tK))；
检测蒸汽轮机(5)的入口处的蒸汽的温度值；以及
对蒸汽轮机(5)的执行器组件(14)执行动作，从而将所检测的温度值带入到所设置的温度参考(SPT(tK))。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述确定转子(5c)中的应力分布包括迭代地确定最大瞬时应力(σMAX)，而控制包括对蒸汽轮机(5)的执行器组件(14)执行动作，以便如果最大瞬时应力(σMAX)大于应力阈值(σTH)，则限制向蒸汽轮机(5)所提供的蒸汽的温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述执行器组件(14)包括锅炉调温器(14d)，而所述对蒸汽轮机(5)的执行器组件(14)执行动作以便限制蒸汽的温度包括对锅炉调温器(14d)执行动作。
7.根据权利要求4所述的方法，包括：
定义至少一个瞬态配置(SPT(t))，其包括一系列温度参考(SPT(tK))；
针对瞬态配置(SPT(t))的每个温度参考(SPT(tK))，从简化模型的参数以及向蒸汽轮机(5)所供应的蒸汽的温度值，确定转子(5c)中的应力分布；
将针对瞬态配置(SPT(t))的每个温度参考(SPT(tK))的转子(5c)中所确定的应力与应力阈值(σTH)进行比较；以及
如果针对瞬态配置(SPT(t))的每个温度参考(SPT(tK))的转子(5c)中所确定的应力低于应力阈值(σTH)，存储瞬态配置(SPT(t))。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述温度参考(SPT(tK))是根据瞬态配置(SPT(t))来选择的。
9.一种蒸汽轮机设备，包括：
蒸汽轮机(5)；
传感器组件(20)，用于提供温度信号(ST)，所述温度信号(ST)指示蒸汽轮机(5)的入口处的蒸汽温度；
存储器单元(21)，其包含蒸汽轮机(5)的转子(5c)的简化模型的参数，其中简化模型以同质且各向同性的圆柱体的形式存在；以及
处理单元(22)，用于：从简化模型以及温度信号(ST)，确定转子(5c)中的应力分布；将转子(5c)中所确定的应力与应力阈值(σTH)进行比较；以及基于将转子(5c)中所确定的应力与应力阈值(σTH)的比较，控制蒸汽轮机(5)。
10.根据权利要求9所述的设备，其中处理单元(22)包括：
计算模块(25)，用于从温度信号(ST)确定转子(5c)的简化模型中的温度分布，并且从转子(5c)的简化模型中的温度分布确定转子(5c)的简化模型中的近似应力分布；以及
修正模块(26)，用于将所编程的修正因子(σCF)应用到所确定的近似应力，所述修正因子是恒量并且与温度无关。
11.根据权利要求9所述的设备，其中处理单元(22)包括控制模块(23)，所述控制模块(23)用于基于温度参考(SPT(tK))和温度信号(ST)来对蒸汽轮机(5)的执行器组件(14)执行动作。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述执行器组件(14)包括锅炉调温器(14d)，并且所述控制模块(23)用于对锅炉调温器(14d)执行动作从而限制蒸汽的温度。
13.根据权利要求11所述的设备，其中：
所述存储器单元(21)包括至少一个瞬态配置(SPT(t))，所述至少一个瞬态配置(SPT(t))是通过所选择的一系列温度参考(SPT(tK))来定义的，以便针对瞬态配置(SPT(t))的每个温度参考(SPT(tK))的转子(5c)中所确定的应力低于应力阈值(σTH)；并且
控制模块(23)用于根据瞬态配置(SPT(t))，选择温度参考(SPT(tK))。
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