CN1609411A

CN1609411A - 控制蒸汽涡轮输入流量以限制外壳和转子热应力的方法和装置

Info

Publication number: CN1609411A
Application number: CNA2004100857637A
Authority: CN
Inventors: D·G·柯乔夫
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: DE102004050519A1; JP2005121024A; US20050085949A1; KR20050036800A; JP4684614B2; US6939100B2; KR100893422B1; CN100449118C

Abstract

在控制流过具有一涡轮转子的蒸汽涡轮的蒸汽流量的方法中，根据该涡轮转子中的热应力计算，确定最大的传热率(18)。根据该最大的传热率，可以计算最大的蒸汽流量(20)。确定流过该蒸汽涡轮的实际蒸汽流量，和根据该实际蒸汽流量和最大蒸汽流量之差，控制一个涡轮输入阀(28)。用这种方法，可以控制通入蒸汽涡轮的蒸汽流量，以将热应力限制在可接受的水平，同时减少起动时间和提高工作能力。

Description

控制蒸汽涡轮输入流量以限制外壳和转子热应力的方法和装置

技术领域

本发明涉及蒸汽涡轮控制和性能，尤其涉及控制算法和通过采用对涡轮外壳和转子的受控加热，在将寿命循环应力保持在极限范围内的同时，蒸汽涡轮的有效加载和卸载系统。

背景技术

发电的蒸汽涡轮具有大直径的转子和厚的外壳。在加载和卸载循环过程中，由于离心加载和热膨胀，转子受到应力作用。在每一个开始/停止循环过程中，该转子和外壳积累低循环的疲劳。当该积累的低循环疲劳超过材料的极限时，存在形成裂纹的概率，必需更换设备。在每一个开始循环过程中积累的低循环疲劳损坏的水平，为该开始循环的峰值应力经历的函数。涡轮输入蒸汽温度和流量确定金属温度改变的速率，因而确定在该外壳和转子中的热应力。

当前的控制蒸汽涡轮中的热应力的方法包括估计作为温度测量(一般为涡轮入口附近的外壳金属)函数的转子应力。当该应力估计接近低循环疲劳极限时，蒸汽涡轮输入阀的开放速度降低。这种方法的缺点是，峰值应力在热瞬态过程后10～15分钟才出现。因为时间滞后这样长，为了防止高的应力循环，需要非常小的蒸汽流量。这限制了涡轮的工作能力和延长了起动时间。

因此希望控制蒸汽涡轮的蒸汽流量，以便将热应力限制至可接受的水平，同时可减少起动时间，和使工作能力最大。

发明概述

在本发明的一个示例性实施例中，控制通过具有一个涡轮转子的蒸汽涡轮的蒸汽流量的方法包括下列步骤：(a)根据在该涡轮转子中的热应力计算，确定最大的传热速率；(b)根据该最大的传热速率，计算最大的蒸汽流量；(c)确定通过该蒸汽涡轮的实际的蒸汽流量；和(d)根据该实际的蒸汽流量和最大的蒸汽流量之差，控制一个涡轮输入阀。

在本发明的另一个示例性实施例中，操纵具有一个涡轮转子的蒸汽涡轮的方法包括下列步骤：(a)根据与在该涡轮转子中的热应力有关的参数，计算最大蒸汽流量；(b)确定通过该蒸汽涡轮的实际流量；和(c)根据该实际蒸汽流量和最大蒸汽流量之差，控制一个涡轮输入阀。

在本发明的再一个示例性实施例中，控制通过具有一个涡轮转子的蒸汽涡轮的蒸汽流量的控制系统包括：测量输入蒸汽温度和由外壳内表面温度近似的转子表面温度的第一和第二个温度测量装置。第一和第二个压力测量装置测量输入蒸汽的压力和出口蒸汽的压力。控制装置与该第一和第二个温度测量装置以及该第一和第二个压力测量装置连通；并按照根据(1)转子表面温度和转子孔温度之差；和(2)在该涡轮转子中的转子平均温度热应力的计算，确定最大的传热速率。该控制器(i)根据该最大的传热速率，计算最大的蒸汽流量；(ii)根据输入蒸汽的压力、输入蒸汽的温度和出口蒸汽压力，确定通过该蒸汽涡轮的实际蒸汽流量；和(iii)根据该实际蒸汽流量和最大蒸汽流量之差，控制一个涡轮输入阀。

附图简要说明

图1为涡轮转子的示意性横截面；

图2为包括各种传感器的涡轮的示意图；和

图3为表示控制系统和方法的示意性控制图。

优选实施例说明

热电厂(例如蒸汽涡轮)具有燃烧燃料产生热的锅炉。在发电厂中，热能导入金属管中，加热管中的水，直至水沸腾变成蒸汽。将高压的蒸汽送至涡轮。涡轮具有许多转动一个角度的叶片或吊斗。当蒸汽冲击该吊斗时，吊斗转动连接在该吊斗底部的一个涡轮轴。当涡轮轴回转时，发电机将机械的旋转能转换为电。

用金属丝或线圈卷绕的一个静止圆环内面，发电机有一个磁铁。当该在发电机内部的磁铁转动时，在金属丝中产生电流，这样，将机械能转换为电能。

通过调制蒸汽涡轮输入控制阀，调节通入涡轮的蒸汽流量，可以控制蒸汽涡轮中的热传导。如下面将要更详细地说明那样，根据可产生限制蒸汽涡轮外壳和转子的热应力的适当的热传递速率的输入蒸汽温度和外壳金属温度，可以确定蒸汽流量。涡轮输入蒸汽压力，输入蒸汽温度和涡轮出口压力都可用来计算蒸汽涡轮的流量。该流量可以用作控制回路的测量反馈。

蒸汽涡轮的加载速度受到在转子内的温度梯度引起的最大允许应力的限制。图1为一个转子横截面10的示意性示例图。孔的热应力由

σ_{B} = \frac{Eα}{1 - v} (T_{avg} - T_{bore})

给出。式中：E为弹性模量，α为热膨胀系数，ν为波松比。T_AVG 12为转子的平均金属温度，T_BORE 14为转子孔的金属温度。热膨胀系数与材料有关，并为转子平均温度12的函数。弹性模量与材料有关，并为孔温度14的函数。

E＝EMOD0-TBORE·EMOD1

α＝α₀+T_AVG·α₁上式中的EMOD0，EMOD1，α₀和α₁为常数。计算的孔热应力被允许的孔应力除，得出以百分数表示的标准的孔应力。

表面应变由下式给出：

ε＝α(T_MTL-T_AVG)式中，α为热膨胀系数，T_MTL为转子外壳温度16。T_MTL利用安装在蒸汽涡轮外壳的内表面上的热电偶测量。直接测量转子表面或孔的温度是不实际的。T_BORE和T_AVG为利用转子的热学模型计算/近似的，这时T_MTL为边界条件。

利用虎克定律(Hooke’s Law)，表面应力可由下式得出：

σ_s＝Eε

表面应力可相对于允许的表面应力标准化。该允许的表面应力取决于热应力集中因素，并且对于加载和卸载是不同的。

如以上式子所示，表面应力和孔应力与所包括的表面(T_MTL 16或T_BORE 14)和转子平均温度(T_AVG)12之间的温度差成比例。

圆柱体的热传导为

q_{r} = \frac{2 πLk (T_{s, 1} - T_{s, 2})}{\ln (r_{2} / r_{1})}

由于已知热应力与在转子内的温度差成比例，并且该温度差与传热速率q18成比例，因此通过控制传热速率18，可以控制热应力。可以计算最大的传热速率Q_max，使温度梯度产生可接受的表面应力和孔应力。传热速率为温度差(T_stm-T_MTL)和蒸汽流量的函数。因此，参见图3。根据最大的传热速率Q_max，蒸汽温度T_stm和蒸汽涡轮金属温度T_MTL，可以计算最大的蒸汽流量W_max。

W_{\max} = W_{1 r} x {(\frac{Q_{\max}}{abs (T_{stm} - T_{mtl}) xkl})}^{k 2}

式中W_1r-额定的输入流量(磅米/秒)；

Q_max-最大传热速率，

T_stm-输入的蒸汽温度(F)；

T_MTL-外壳温度(F)；

k1-调谐常数；

k2-调谐常数。

当金属温度接近蒸汽温度时，温度差(T_stm-T_MTL)减小，允许对于给定的Q_max，蒸汽流量较大。

参见图2和图3，对于控制回路，可以计算通过蒸汽涡轮的蒸汽流量20。以下式子可以用于根据输入蒸汽压力22，输入蒸汽温度T1 24，和出口蒸汽压力P2 26来计算蒸汽流量。

W_{1} = k \sqrt{ρ_{1} P_{1} (1 - X^{2})}

和

X = \frac{P_{2}}{P_{1}}

ρ₁＝f(P₁，T₁)

k = \frac{W_{1 r}}{\sqrt{ρ_{1 r} P_{1 r} (1 - X_{r}^{2})}}

X_{r} = \frac{P_{2 r}}{P_{1 r}}

ρ_1r＝f(P_1r，T_1r)式中：P_1r为额定输入压力(PSIA一磅/平方英寸)，P_2r为额定出口压力(PSIA)，T_1r为额定入口温度(F)，W_1r为额定输入流量(lbm/sec一磅米/秒)。额定的蒸汽条件—P_1r，P_2r，T_1r，W_1r出现在使用本发明的具体涡轮的额定输出上。一般，额定输出为涡轮的正常满负荷输出。这些蒸汽条件由蒸汽涡轮热动力学工程师在设计蒸汽涡轮过程中确定。该额定蒸汽条件用来计算可以用于确定在工作点而不是额定点的蒸汽涡轮流量的常数。

蒸汽流量W1为送至比例如积分控制器30的反馈，这时设定点为从上而来的最大蒸汽流量W_max。控制器的输出控制该蒸汽涡轮输入控制阀28的位置。

通过作为输入蒸汽温度和外壳金属温度的函数，控制该蒸汽涡轮输入控制阀，可以将最大量的蒸汽送入该涡轮中，使得加热速度不会使热应力超过允许的水平。另外，不是应力的一些因素(例如不同的膨胀或径向间隙)可以限制蒸汽涡轮的加载速率。在这种情况下，该控制系统和方法可以控制该涡轮的加热速度，从而限制不同的膨胀和控制径向间隙。

虽然已结合目前认为是最实际和优选的实施例说明了本发明，但应当理解，本发明不被限于所述的实施例，相反，而是要覆盖在所附权利要求书的精神和范围内所包括的各种改进和等同方案。

Claims

1.一种控制流过具有一涡轮转子的蒸汽涡轮的蒸汽流量的方法，该方法包括：

(a)根据在该涡轮转子中的热应力计算，确定最大的传热率(18)；

(b)根据该最大的传热率，计算最大的蒸汽流量(20)；

(c)确定流过该蒸汽涡轮的实际蒸汽流量；和

(d)根据该实际的蒸汽流量和该最大的蒸汽流量之差，控制一涡轮输入阀(28)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征为，通过据以(1)转子表面温度(16)和转子孔温度(14)之差；和(2)转子的平均温度(12)，确定转子表面应力和转子孔应力来实现步骤(a)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征为，通过据以该最大传热率(Q_max)，蒸汽温度(T_stm)和涡轮金属温度(T_MTL)，计算该最大蒸汽流量(W_max)来实现步骤(b)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征为，通过根据下列关系式计算该最大的蒸汽流量(W_max)来实现步骤(b)：

W_{\max} = W_{1 r} \times {(\frac{Q_{\max}}{abs (T_{sim} - T_{mtl}) xk 1})}^{k 2}

式中：W_1r为额定输入流量(lbm/sec)，

k1和k2为调谐常数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征为，通过据以该最大的传热率(Q_max)，蒸汽温度(T_stm)和涡轮的金属温度(T_MTL)，计算该最大的蒸汽流量(W_max)来实现步骤(b)。

6.一种操纵具有一涡轮转子的蒸汽涡轮的方法，该方法包括：

(a)根据与该涡轮转子中的热应力有关的参数，计算最大蒸汽流量(20)；

(b)确定流过该蒸汽涡轮的实际蒸汽流量；和

(c)根据该实际蒸汽流量和该最大蒸汽流量之差，控制一涡轮输入阀(28)。