CN109882254A - 汽轮机组自启停的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽轮机技术领域，尤其涉及一种汽轮机组自启停的控制方法，设定汽轮机组的差胀准则控制曲线和应力准则控制曲线，在汽轮机组自启停的过程中，对汽轮机组的差胀值和温度值进行实时测量，并计算差胀裕度和温度裕度，依据差胀准则控制曲线，由差胀裕度获得差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值；依据应力准则控制曲线，由温度裕度获得应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值；控制系统控制汽轮机组的升速率/负荷变化率为差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值与应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值中的较小值。将差胀值纳入汽轮机组自启停的控制因素，可提高机组的自动控制智能化水平，并保障安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮机技术领域，尤其涉及一种汽轮机组自启停的控制方法。
背景技术
传统汽轮机组的自动控制(ATC，Automatic Turbine Control)仅以“应力准则”为依据，即根据结构中关键部位的应力值，或部件结构中特定位置的温度以及不同位置间的温度差值大小，是否达到一定值而由数字电液(DEH，Digital Electric Hydraulic)控制系统来“指示”汽轮机进行下一阶段的动作，如升转速(率)、升负荷(率)等。DEH控制系统主要控制汽轮机组转速功率满足电厂供电要求。
差胀值信号接入汽轮机组监测仪表系统(TSI，Turbine SupervisoryInstrument)及危急遮断保护系统(ETS，Emergency Trip System)，作为安全监控与跳机保护逻辑信号。TSI系统用于监测汽轮机各项运行指标，主要与运行安全有关。ETS系统是当有危及汽轮机安全运行的状态或参数出现时，迅速关闭汽轮机进汽阀门，及时切断汽轮机所有进汽的保护系统，ETS系统可以有效避免机组设备的损坏或防止事故的进一步扩大。差胀是转子膨胀量与汽缸/静子膨胀量的差值，定义转子膨胀量多于汽缸/静子时为正，反之为负。当差胀信号数值逼近报警值时，常由现场运行人员进行人工判断并给出处理措施。如差胀值较大时，常规做法是停止升转速或升负荷操作，将机组保持当前状态，甚至是通过将转速或负荷值降低的方法以减小差胀值。经分析，差胀值较大的现象主要发生在启动升转速过程中。如图1所示，启动过程中，由于转子质量轻，热容量小，换热面积大，且转动件换热强度一般高于汽缸/静子部件，因此其膨胀量可较快达到定值或趋于定值，而静子部件的膨胀要滞后，结果是使得转子膨胀速度快于汽缸/静子部件，差胀值在启动初期会明显增大。
在冷态启动过程中，会设置图1所示的低速暖机阶段，机组在这一转速下会停留一定时间。当机组采用“应力准则”时，ATC自动控制在这一低转速阶段仅是为了让转子中心温度越过材料的韧脆转变温度FATT50，如此便可认为暖机(暖转子)已完成，而后可释放升转速信号。对于部分机组，当转子材料的韧脆转变温度较低时，“应力准则”可得以很快满足，但此时若进行升转速操作，经常会发现差胀值快速增大(转速上升时，进汽量增大，转子换热增强，使得膨胀加快，差胀量增大)，甚至超过报警值的现象，影响安全运行。遇到此情况时，运行人员会采取人工介入的方式停止升转速操作，以等待汽缸/静子膨胀量增大，减小差胀值。
由上述可见，仅用“应力准则”控制汽轮机组的自动启动时，易出现差胀值增大过快而达到报警值甚至跳机值的情况，影响机组的安全和高效运行，而采用人工介入的方式会存在判断延迟甚至失误的状况，且智能性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种汽轮机组自启停的控制方法，能够提高汽轮机组运行安全性及自动化水平，以克服现有技术的上述缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种汽轮机组自启停的控制方法，设定汽轮机组的差胀准则控制曲线和应力准则控制曲线，在汽轮机组自启停的过程中，对汽轮机组的差胀值和温度值进行实时测量，并计算差胀裕度和温度裕度，依据差胀准则控制曲线，由差胀裕度获得差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值；依据应力准则控制曲线，由温度裕度获得应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值；控制系统控制汽轮机组的升速率/负荷变化率为差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值与应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值中的较小值。
优选地，设定汽轮机组的正差胀报警值和负差胀报警值，当测得的当前差胀值不小于零时，差胀裕度为正差胀报警值与当前差胀值的差值；当测得的当前差胀值小于零时，差胀裕度为负差胀报警值绝对值与当前差胀值绝对值的差值。
优选地，差胀准则控制曲线设定有差胀裕度安全值，当差胀裕度等于或小于差胀裕度安全值时，差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值均为零。
优选地，差胀裕度安全值为10％-20％正差胀报警值。
优选地，差胀准则控制曲线和应力准则控制曲线均设定有最大升速率许用值和最大负荷变化率许用值，差胀准则下的最大升速率许用值与应力准则下的最大升速率许用值相等，差胀准则下的最大负荷变化率许用值与应力准则下的最大负荷变化率许用值相等。
优选地，最大升速率许用值不大于20％额定转速。
优选地，最大负荷变化率许用值不大于10％额定负荷。
优选地，控制系统为汽轮机组的数字电液控制系统。
与现有技术相比，本发明具有显著的进步：
本发明的汽轮机组自启停的控制方法，将差胀值纳入汽轮机组自启停的控制因素，使机组在启动和停机过程中的升速率、负荷变化率与差胀裕度和温度裕度同时相关联，并通过将差胀裕度和温度裕度各自对应的升速率许用值/负荷变化率许用值经小选后送入控制系统来控制机组的运行参数，由此将差胀准则控制与应力准则控制相结合，共同控制机组的升速率和负荷变化率，可限制机组的差胀值和部件结构的应力值均在许用范围内，省去人工判断环节，提高机组的自动控制智能化水平，并保障机组的安全运行。
附图说明
图1是常规汽轮机组冷态启动过程中转子膨胀量、汽缸/静子膨胀量和差胀量随时间的变化曲线。
图2是本发明实施例汽轮机组自启停的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图2所示，本发明汽轮机组自启停的控制方法的一种实施例。本实施例的汽轮机组自启停的控制方法具体如下。
设定汽轮机组的差胀准则控制曲线和应力准则控制曲线。差胀准则控制是指通过差胀裕度的大小来决定汽轮机组在运行过程中的升速率/负荷变化率，升速率是指每分钟的转速增加值，负荷变化率是指每分钟的负荷变化值。差胀准则控制曲线是表示汽轮机组运行过程中的升速率/负荷变化率与差胀裕度相关性的曲线，实际应用中，差胀准则控制曲线包括两条相似曲线，分别为升速率-差胀裕度曲线和负荷变化率-差胀裕度曲线。应力准则控制是指通过温度裕度的大小来决定汽轮机组在运行过程中的升速率/负荷变化率，应力准则控制曲线是表示汽轮机组运行过程中的升速率/负荷变化率与温度裕度相关性的曲线，实际应用中，应力准则控制曲线包括两条相似曲线，分别为升速率-温度裕度曲线和负荷变化率-温度裕度曲线。差胀准则控制曲线和应力准则控制曲线均可以在汽轮机组出厂时根据汽轮机组的结构形式而直接给定。
在汽轮机组自启停的过程中，对汽轮机组的差胀值和温度值进行实时测量，并计算差胀裕度和温度裕度。差胀值和温度值的实时测量可由汽轮机组的参数监测系统实现，所述参数监测系统可以采用现有技术中的汽轮机组所采用的常规检测系统，例如TSI系统。根据测得的差胀值计算差胀裕度，将汽轮机组在安装状态下静子和转子的相对位置设为差胀值的零点，根据当前差胀值的正负判断差胀裕度的大小。具体为，设定汽轮机组的差胀报警值，包括正差胀报警值和负差胀报警值，所述正差胀报警值和负差胀报警值均可以根据汽轮机组的结构形式和运行情况而给定，在汽轮机组运行的过程中，需控制差胀值不能达到及超过差胀报警值；当测得的当前差胀值不小于零时，差胀裕度为正差胀报警值与当前差胀值的差值，即：差胀裕度＝正差胀报警值-当前差胀值；当测得的当前差胀值小于零时，差胀裕度为负差胀报警值绝对值与当前差胀值绝对值的差值，即：差胀裕度＝|负差胀报警值|-|当前差胀值|。无论当前差胀值为正或为负，差胀裕度始终为非零数。根据测得的温度值计算温度裕度，温度裕度是部件所能允许的“表面温度与体平均温度间的差值”与实际测量的“表面温度与体平均温度间的差值”的差值。温度裕度大于零时，可以进行升转速或变负荷操作；温度裕度等于零或小于零时，则不可进行升转速或变负荷操作。
依据差胀准则控制曲线，将差胀裕度的当前值代入该差胀准则控制曲线，由差胀裕度获得差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值。该差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值可记为X1，在升转速阶段，负荷值为零，X1值对应的是当前差胀裕度下的升速率许用值(由升速率-差胀裕度曲线获得)；在变负荷过程(包括启动时带负荷阶段的升负荷过程和停机时甩负荷阶段的降负荷过程)中，转速保持不变，X1值对应的是当前差胀裕度下的负荷变化率许用值(由负荷变化率-差胀裕度曲线获得)。
依据应力准则控制曲线，将温度裕度的当前值代入该应力准则控制曲线，由温度裕度获得应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值。该应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值可记为X2，在升转速阶段，负荷值为零，X2值对应的是当前温度裕度下的升速率许用值(由升速率-温度裕度曲线获得)；在变负荷过程(包括启动时带负荷阶段的升负荷过程和停机时甩负荷阶段的降负荷过程)中，转速保持不变，X2值对应的是当前温度裕度下的负荷变化率许用值(由负荷变化率-温度裕度曲线获得)。
控制系统控制汽轮机组的升速率/负荷变化率为差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值X1与应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值X2中的较小值，即：将差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值X1与应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值X2进行比较，选取两者中的较小值，将该较小值送入控制系统，由控制系统根据该较小值对汽轮机组的升速率/负荷变化率进行控制。
本实施例的上述汽轮机组自启停的控制方法，将差胀值纳入汽轮机组自启停的控制因素，使机组在启动和停机过程中的升速率、负荷变化率与差胀裕度和温度裕度同时相关联，并通过将差胀裕度和温度裕度各自对应的升速率许用值/负荷变化率许用值经小选后送入控制系统来控制机组的运行参数，由此将差胀准则控制与应力准则控制相结合，共同控制机组的升速率和负荷变化率，可限制机组的差胀值和部件结构的应力值均在许用范围内，省去人工判断环节，提高机组的自动控制智能化水平，并保障机组的安全运行。
本实施例中，差胀准则控制曲线设定有差胀裕度安全值a，当差胀裕度等于或小于差胀裕度安全值a时，差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值均为零。即，当差胀裕度达到差胀裕度安全值a时，便不可再进行升速或变负荷操作，否则将引起差胀裕度值的进一步减小，导致差胀值逼近差胀报警值甚至跳机值，从而影响机组安全运行。差胀裕度安全值a的大小应根据汽轮机组的结构形式和运行情况综合确定，优选地，差胀裕度安全值a为10％-20％正差胀报警值。
本实施例中，差胀准则控制曲线设定有最大升速率许用值和最大负荷变化率许用值，差胀准则下的最大升速率许用值/最大负荷变化率许用值可记为b，在升转速阶段，负荷值为零，b值对应的是差胀准则下的最大升速率许用值；在变负荷过程中，转速保持不变，b值对应的是差胀准则下的最大负荷变化率许用值。应力准则控制曲线设定有最大升速率许用值和最大负荷变化率许用值，应力准则下的最大升速率许用值/最大负荷变化率许用值可记为c，在升转速阶段，负荷值为零，c值对应的是应力准则下的最大升速率许用值；在变负荷过程中，转速保持不变，c值对应的是应力准则下的最大负荷变化率许用值。优选地，b＝c，即：差胀准则下的最大升速率许用值与应力准则下的最大升速率许用值相等，差胀准则下的最大负荷变化率许用值与应力准则下的最大负荷变化率许用值相等。优选地，差胀准则下的最大升速率许用值与应力准则下的最大升速率许用值均不大于机组额定转速的20％。优选地，差胀准则下的最大负荷变化率许用值与应力准则下的最大负荷变化率许用值均不大于机组额定负荷的10％。
本实施例中，优选地，控制系统为汽轮机组的数字电液控制系统(DEH控制系统)。DEH控制系统可以采用现有技术中的汽轮机组所采用的能够控制汽轮机组转速功率满足电厂供电要求的常规DEH控制系统。本实施例中的差胀准则控制中的差胀裕度逻辑判断及控制方法与传统的应力准则控制中的温度裕度类似，可以在DEH控制系统中实现。
下面结合图1和图2，以汽轮机组的启动过程为例，对本实施例的汽轮机组自启停的控制方法在汽轮机组整个启动过程中的运作方式进行详细说明。
阶段1：启动，进入冲转阶段。此时，机组的差胀值较小，可认为是0，差胀裕度为正差胀报警值，差胀准则控制反馈的X1值为最大许用值b，而应力准则控制反馈的X2值小于b(b＝c)值，DEH控制系统将控制机组以当前的X2值控制升速率进行升速操作。
阶段2：冲转至暖机转速过程。在这一过程中，如图1所示，差胀值快速增大，则差胀裕度快速减小。当差胀裕度足够小时，差胀准则控制反馈的X1值将会小于应力准则控制反馈的X2值，则DEH控制系统将控制机组以当前的X1值控制升速率进行升速操作，以限制差胀值增长过快，保护机组安全。
阶段3：低速暖机阶段。在该阶段，差胀值逐渐减小并趋于稳定，差胀准则控制将“指示”机组可进行升速操作，但应力准则控制只能在转子中心温度越过材料的韧脆转变温度FATT50后，才会“释放”升转速信号，DEH控制系统将会在暖机转速下等待一定时间完成暖机操作。
阶段4：由暖机转速升至额定转速。在这一过程中，差胀值会继续增大，DEH控制系统将通过小选差胀准则控制反馈的X1值和应力准则控制反馈的X2值，来控制机组的升速率，以保证转子和静子间的差胀值和部件结构的应力值在安全范围内。
阶段5：在额定转速下等待，并带初负荷阶段。在额定转速下待机时，差胀值会逐渐减小并趋于稳定，差胀准则控制将“指示”机组可进行带初负荷操作，但应力准则控制将“指示”机组需等待温度裕度达到一定值，DEH控制系统才会“释放”带初负荷信号，目的是为了能防止机组快速带上初负荷过程中引起部件内部的应力值和温度裕度值超限，温度裕度值超限是指温度裕度值为零或者负值，温度裕度值超限则表示部件内部的应力值超过或达到了限值。
阶段6：由初负荷升至额定负荷阶段。在这一过程中，差胀值会继续增大直至趋于稳定，DEH控制系统将通过小选差胀准则控制反馈的X1值和应力准则控制反馈的X2值，来控制机组的升负荷率，以保证转子和静子间的差胀值和部件结构的应力值在安全范围内。
至此，完成汽轮机组的自动启动过程。
综上所述，本实施例的汽轮机组自启停的控制方法，综合考虑了差胀裕度和温度裕度对汽轮机组在运行过程中升速率和负荷变化率的影响，通过将差胀裕度和温度裕度各自对应的升速率许用值/负荷变化率许用值经小选后送入控制系统来控制机组的运行参数，即将差胀准则控制与应力准则控制相结合，共同控制机组的升速率和负荷变化率，可限制机组的差胀值和部件结构的应力值均在许用范围内，省去人工判断环节，提高机组的自动控制智能化水平，并保障机组的安全运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种汽轮机组自启停的控制方法，其特征在于，设定汽轮机组的差胀准则控制曲线和应力准则控制曲线，在所述汽轮机组自启停的过程中，对汽轮机组的差胀值和温度值进行实时测量，并计算差胀裕度和温度裕度，依据所述差胀准则控制曲线，由所述差胀裕度获得差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值；依据所述应力准则控制曲线，由所述温度裕度获得应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值；控制系统控制汽轮机组的升速率/负荷变化率为所述差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值与所述应力准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值中的较小值。
2.根据权利要求1所述的汽轮机组自启停的控制方法，其特征在于，设定所述汽轮机组的正差胀报警值和负差胀报警值，当测得的当前差胀值不小于零时，所述差胀裕度为正差胀报警值与当前差胀值的差值；当测得的当前差胀值小于零时，所述差胀裕度为负差胀报警值绝对值与当前差胀值绝对值的差值。
3.根据权利要求2所述的汽轮机组自启停的控制方法，其特征在于，所述差胀准则控制曲线设定有差胀裕度安全值，当所述差胀裕度等于或小于所述差胀裕度安全值时，所述差胀准则下的升速率许用值/负荷变化率许用值均为零。
4.根据权利要求3所述的汽轮机组自启停的控制方法，其特征在于，所述差胀裕度安全值为10％-20％正差胀报警值。
5.根据权利要求1所述的汽轮机组自启停的控制方法，其特征在于，所述差胀准则控制曲线和所述应力准则控制曲线均设定有最大升速率许用值和最大负荷变化率许用值，差胀准则下的最大升速率许用值与应力准则下的最大升速率许用值相等，差胀准则下的最大负荷变化率许用值与应力准则下的最大负荷变化率许用值相等。
6.根据权利要求5所述的汽轮机组自启停的控制方法，其特征在于，所述最大升速率许用值不大于20％额定转速。
7.根据权利要求5所述的汽轮机组自启停的控制方法，其特征在于，所述最大负荷变化率许用值不大于10％额定负荷。
8.根据权利要求1所述的汽轮机组自启停的控制方法，其特征在于，所述控制系统为汽轮机组的数字电液控制系统。
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