專利名稱：調(diào)節(jié)渦輪機負(fù)荷變化過程的渦輪機控制設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種調(diào)節(jié)渦輪機，尤其是蒸汽渦輪機負(fù)荷變化過程的渦輪機控制設(shè)備及方法，其中在負(fù)荷變化過程中顧及最大允許的材料負(fù)荷。
在Hitachi Review27卷No.7/1978中由N.Honda、Fh.Kavano、J.Matsumura著的論文“用于渦輪機起動的數(shù)字化計算機控制系統(tǒng)-DigitalComputer Control System for Turbine Start-Up”，已知用于實施蒸汽渦輪機加速起動過程的計算機系統(tǒng)及方法。其中，起動過程借助于作為調(diào)節(jié)參數(shù)的熱應(yīng)力進行調(diào)節(jié)，這些熱應(yīng)力被預(yù)先計算出并用作提升渦輪機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)參數(shù)和用作渦輪機與用于負(fù)荷輸出的發(fā)電機耦合的調(diào)節(jié)參數(shù)。起動過程再分成許多小的時間步驟，其中針對每個時間步驟通過求解一個偏微分方程得出沿渦輪軸的溫度分布。若由此算出的熱應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)，則向渦輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器或功率調(diào)節(jié)器傳輸一個相關(guān)的信號，它與渦輪機是否處于加速階段(即此時軸的轉(zhuǎn)速增加)，或與渦輪機是否處于功率耦合階段(即此時渦輪機與發(fā)電機連接和為了獲得所需的功率而加速)有關(guān)。該方法和相關(guān)的計算機系統(tǒng)在考慮到對于一定的起動頻度所允許的材料負(fù)荷的情況下，可使渦輪機的起動時間盡可能短。
在BWK第36卷No.12/1984中P.Martin等人著的論文“發(fā)電站渦輪機的溫度控制裝置-Temperaturleitgeraet fuer Kraftwerksturbinen”中介紹了一種設(shè)備，通過它監(jiān)控所選定的渦輪機零件的應(yīng)力。借助于此設(shè)備調(diào)節(jié)渦輪機的每一個起動過程，所以在預(yù)期的渦輪機運行時間內(nèi)材料的疲勞保持低于臨界值。其中的前提條件是，渦輪機在其使用壽命期間約完成4000次起動過程，其中約3000次熱態(tài)起動，700次熱機起動和300次冷態(tài)起動。對于調(diào)節(jié)規(guī)定了目標(biāo)功率和額定功率過渡過程。在考慮測得的轉(zhuǎn)速的情況下確定蒸汽向轉(zhuǎn)子材料的熱傳導(dǎo)，由此確定轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度分布，以及再由此確定作為熱應(yīng)力與機械應(yīng)力的疊加值的應(yīng)力值。由轉(zhuǎn)子及閥門體內(nèi)部的總應(yīng)力計算出由持久應(yīng)力與交變拉伸應(yīng)力組成的疲勞度部分，并累加成總疲勞度，每天記錄此總疲勞度。所算得的應(yīng)力值用于調(diào)節(jié)起動過程，在這里規(guī)定額定溫度過渡過程作為極限。
在西門子公司-能源技術(shù)第4冊(2/1982)中由E.Gelleri和F.Zerrmayr著的論文“用于監(jiān)控蒸汽輪機熱態(tài)的渦輪機控制用計算機-Turbinenleitrechnerzur thermischen Ueberwachung von Dampfturbinen”介紹了一種渦輪機控制用計算機，其中起動變化速度和功率變化速度通過考慮材料疲勞得以控制，且同時測量所造成的材料疲勞。構(gòu)件的平均溫度Tm與表面溫度T1之間的差值用于衡量熱應(yīng)力。為了使調(diào)節(jié)適應(yīng)于不同的起動和停車過程以及在定壓運行渦輪機的功率變化時，設(shè)有三個不同的調(diào)節(jié)模塊，它們對應(yīng)于快速、中速和慢速變化。視不同的模式，根據(jù)平均溫度Tm預(yù)先給定最大允許溫度差(Tm-T1)。由渦輪機控制用計算機確定當(dāng)前的溫度差，由此計算出相對于最大允許溫度差的裕度。除了確定瞬時裕度外還展望裕度預(yù)期的變化過程。由這兩個值構(gòu)成一個控制參數(shù)，利用此控制參數(shù)并通過對轉(zhuǎn)速和功率的額定值的控制，提前改變起動速度和加載速度，進而實現(xiàn)裝置特性的動力學(xué)匹配。為伴隨運行來調(diào)節(jié)起動或停車過程以及功率變化過程，計算出因交變拉伸疲勞引起的壽命折損，從而可以及時和有預(yù)見性地確定，須在何時仔細檢查渦輪機。起動模式“正?！毕喈?dāng)于通過這種起動模式可以保證渦輪機能安全承受4000次負(fù)荷變換。起動模式“快速”導(dǎo)致可承受相應(yīng)于更高負(fù)荷的約800次的負(fù)荷變換，以及起動模式“慢速”導(dǎo)致較少的材料疲勞，所以此時可保證安全承受約10000次的負(fù)荷變換。
本發(fā)明的目的是提供一種調(diào)節(jié)渦輪機負(fù)荷變化過程的渦輪機控制設(shè)備，通過它在考慮到最大允許的材料應(yīng)力的情況下，可根據(jù)發(fā)電方面的運行要求柔性地改變渦輪機的運行條件。此外，本發(fā)明的目的是提供一種調(diào)節(jié)渦輪機負(fù)荷變化過程的相應(yīng)方法。
有關(guān)渦輪機控制設(shè)備方面的目的，按本發(fā)明通過權(quán)利要求1的特征來實現(xiàn)，有關(guān)調(diào)節(jié)渦輪機負(fù)荷變化過程的方法方面的目的，按本發(fā)明通過權(quán)利要求7的特征來實現(xiàn)。
在從屬權(quán)利要求中記載了渦輪機控制設(shè)備及方法的有利設(shè)計。
本發(fā)明的渦輪機控制設(shè)備的優(yōu)點是，在考慮到物理極限值的條件下，間接或直接地給定用于渦輪機組起動和停車以及功率變化所期望的時間。
為了輸入時間參數(shù)可設(shè)置一輸入裝置，一個選擇裝置。可向它輸入一用于可變地給定負(fù)荷變化過程持續(xù)時間的參數(shù)，該參數(shù)尤其可以是持續(xù)時間本身。為了實施負(fù)荷變化過程，最好分別為各負(fù)荷變化過程確定一單獨的可靈活規(guī)定的持續(xù)時間。持續(xù)時間可以自由選擇，也就是說可取任何物理上有意義的值。它可以無級地調(diào)整到每一個在物理和運行上合理的值。因此在運行者方面可以根據(jù)需要，尤其是有關(guān)所要求提供使用的電能，給定負(fù)荷從起始狀態(tài)變化至目標(biāo)狀態(tài)的持續(xù)時間。為了調(diào)節(jié)可以是起動或停車過程及功率變化過程的負(fù)荷變化過程，在給定持續(xù)時間的情況下，確定在限制單元(Begrenzungseinheit)內(nèi)的渦輪機控制參數(shù)，該限制單元作為在離開起始狀態(tài)與達到目標(biāo)狀態(tài)之間的持續(xù)時間內(nèi)的時間函數(shù)被算出。此渦輪機控制參數(shù)，除預(yù)先選擇的持續(xù)時間(起動時間、停車時間、負(fù)荷變化時間)外，最好還取決于起始狀態(tài)這一時刻的起始溫度和目標(biāo)狀態(tài)時刻的最終溫度、構(gòu)件幾何尺寸、所采用的材料、蒸汽狀態(tài)以及溫度水平。通過確定渦輪機控制參數(shù)，例如在起動過程中可確定從暖機轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速提升、接著的同步化和最低功率消耗的步進準(zhǔn)則。為此借助于一額定值函數(shù)通過渦輪機控制參數(shù)改變(調(diào)整、控制)渦輪機參數(shù)，如渦輪機轉(zhuǎn)速、蒸汽壓力、溫度和功率等。
渦輪機控制設(shè)備最好有一消耗單元，在消耗單元中確定按照渦輪機控制參數(shù)實施的負(fù)荷變化過程的材料消耗。消耗單元可以事先計算出附加的材料消耗，所以借助于此材料消耗和還期望的渦輪機持續(xù)運行時間，可以手動或自動地決定負(fù)荷變化過程是否確實應(yīng)在期望的持續(xù)時間內(nèi)實施。為此，預(yù)期的材料疲勞最好借助于一輸出媒介，例如顯示屏、打印機等來顯示。消耗單元最好還用來在負(fù)荷變化過程確實在期望的持續(xù)時間內(nèi)實施時確定材料消耗。附加的材料消耗值同樣可以借助于適當(dāng)?shù)妮敵雒浇楸硎疽约皟Υ嬖诖鎯γ浇閮?nèi)，尤其是計算機系統(tǒng)的存儲媒體內(nèi)。因此任何時刻有關(guān)材料的消耗并因而有關(guān)渦輪機剩余運行壽命的信息都是已知的。這樣一來，未來的負(fù)荷變化過程始終可以仍按相應(yīng)的可靈活地預(yù)選的持續(xù)時間進行，在這種情況下，當(dāng)材料消耗量已較大時，可以實施保護材料地進行的負(fù)荷變化(較長的持續(xù)時間)，或在還有足夠大的儲備量時(材料消耗量較小)，可以實施快速的負(fù)荷變化(較短的持續(xù)時間)。
渦輪機控制設(shè)備最好有一調(diào)節(jié)單元和/或一控制單元，它總是可與一個用于調(diào)節(jié)和/或控制負(fù)荷變化過程的渦輪機調(diào)節(jié)機構(gòu)連接。在蒸汽渦輪機中，此調(diào)節(jié)機構(gòu)最好是一個閥，通過它可調(diào)整過熱蒸汽的流入。
為了確定實際應(yīng)力，渦輪機控制設(shè)備最好具有一負(fù)荷單元，其中可輸入系統(tǒng)值，如渦輪機的壓力值或溫度值。負(fù)荷單元與消耗單元和/或限制器連接。在負(fù)荷單元中處理或進一步導(dǎo)出的系統(tǒng)值輸入限制器，由此可在渦輪機控制參數(shù)的額定值與實際值之間進行比較，并在有相應(yīng)的偏差時實施調(diào)節(jié)作用，亦即操縱調(diào)節(jié)機構(gòu)。在消耗單元中可借助于此系統(tǒng)值確定附加的材料消耗，如已提及的那樣，可以將它儲存或顯示。
渦輪機控制參數(shù)最好表示成有關(guān)材料疲勞的一個量度。在負(fù)荷變化過程中，材料疲勞基本上保持恒定。在這里渦輪機控制參數(shù)可以是構(gòu)件平均溫度與構(gòu)件表面溫度之間的溫度差，尤其是渦輪軸或渦輪殼體的溫度差，例如在上述論文“用于對蒸汽輪機的熱態(tài)進行監(jiān)控的渦輪機控制用計算機-Turbinenleitrechner zur thermischen Ueberwachung von Dampfturbinen”中所論及的那樣。通過給定渦輪機控制參數(shù)極限值，一方面保證材料應(yīng)力在負(fù)荷變化過程中保持低于臨界極限值，另一方面保證熱膨脹在要求的范圍內(nèi)，從而例如避免渦輪機的兩個構(gòu)件之間的間隙被搭接以及產(chǎn)生扭曲。
在負(fù)荷單元內(nèi)最好確定出在渦輪機的不同部位和在不同構(gòu)件(渦輪軸、閥、鍋爐等)處的系統(tǒng)值。由此可在消耗單元內(nèi)針對渦輪機的不同構(gòu)件分別得知已產(chǎn)生的疲勞分量，并由此可以求得并儲存渦輪機或各個構(gòu)件總的消耗。
顯然，渦輪機控制設(shè)備可作為整體存在，或其各單元可分別作為計算機程序、作為電子部件或作為電路存在于一微處理機中。
下面借助于附圖所示實施例進一步說明用于調(diào)節(jié)和/或控制負(fù)荷變化過程的渦輪機控制設(shè)備及方法，附圖中

圖1為具有渦輪機控制設(shè)備的蒸汽渦輪機的示意圖；圖2示出渦輪軸在負(fù)荷變化過程的持續(xù)時間內(nèi)的溫度變化曲線。
圖1示意表示蒸汽渦輪7和與之連接的發(fā)電機13及渦輪機控制設(shè)備1。如用箭頭20所表示的那樣，可向渦輪機控制設(shè)備1(例如經(jīng)由一輸入裝置)輸入一個有關(guān)所期望的負(fù)荷變化過程持續(xù)時間tv的信號或參數(shù)20。相應(yīng)于持續(xù)時間tv的信號輸入限制器3。在限制器3中，在對來自于與限制器3連接的消耗單元4中的數(shù)據(jù)加以考慮的情況下，確定出當(dāng)時的取決于持續(xù)時間tv的渦輪機控制參數(shù)VAR，從而可實施調(diào)節(jié)從一起始狀態(tài)A到一目標(biāo)狀態(tài)Z的負(fù)荷變化過程。在圖2中放大表示了這一過程。渦輪機控制參數(shù)VAR針對要監(jiān)控的不同構(gòu)件(如閥門體、渦輪機殼體和渦輪機軸)來構(gòu)成，它是有關(guān)構(gòu)件的有關(guān)表面的溫度To與總體平均溫度Tm之間的溫度差。每一個渦輪機控制參數(shù)VAR作為兩個溫度(To-Tm)之間的溫度差代表一個關(guān)于熱應(yīng)力或熱膨脹并因而關(guān)于交變應(yīng)力疲勞的度量。沿整個持續(xù)時間tv求得渦輪機控制參數(shù)VAR，使得在整個持續(xù)時間tv期間產(chǎn)生恒定的疲勞并因而產(chǎn)生穩(wěn)定增加的消耗。圖2表示有關(guān)起動過程的變化曲線，其中平均溫度Tm小于表面溫度To。在停車過程(圖中未表示)中，平均溫度Tm大于表面溫度To。
限制器3與消耗單元4連接，從而可向后者輸入事先確定的渦輪機控制參數(shù)VAR的值。在消耗單元4中預(yù)先算出因負(fù)荷變化過程引起的附加疲勞。此附加疲勞還在一個與消耗單元4連接的輸出媒介11上顯示。該輸出媒介11可例如是一監(jiān)視器，它布置在包含有渦輪機7的電廠控制室內(nèi)(圖中未表示)。
由渦輪機控制參數(shù)VAR與測得的構(gòu)件溫度差(To-Tm)形成的差值輸入一額定值控制函數(shù)單元2。在額定值控制函數(shù)單元2中，根據(jù)此差值(To-Tm)確定允許的轉(zhuǎn)速變化和功率變化。用于改變渦輪機轉(zhuǎn)速和功率的信號從那里到達調(diào)節(jié)單元5，并通過調(diào)節(jié)機構(gòu)6尤其是一蒸汽閥操縱渦輪機7。因此按照渦輪機控制參數(shù)VAR調(diào)整蒸汽進入渦輪機7的入流，由此也間接調(diào)節(jié)了尤其是渦輪軸的表面溫度To和平均溫度Tm。渦輪機7的系統(tǒng)值，尤其是蒸汽溫度、構(gòu)件溫度以及蒸汽壓力，借助于圖中沒有表示的測量元件例如熱電偶測量，并存放在溫度測量單元9中。此溫度測量單元9與負(fù)荷單元8連接并將測得的系統(tǒng)值傳輸給它。在負(fù)荷單元8中對系統(tǒng)值進行分析評估，尤其是計算出渦輪軸的表面溫度To和平均溫度Tm。這些值傳輸給限制器3和/或消耗單元4。在限制器3內(nèi)，在原先尤其在限制器3內(nèi)確定的額定值與在負(fù)荷單元8內(nèi)求得的渦輪機控制參數(shù)VAR實際值之間進行比較。當(dāng)實際值與額定值之間有偏差時，借助于額定值控制函數(shù)通過調(diào)節(jié)單元5在調(diào)節(jié)機構(gòu)6中施加相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。在消耗單元4內(nèi)，根據(jù)來自負(fù)荷單元8的值確定經(jīng)過實際上實施的負(fù)荷變化過程產(chǎn)生的附加消耗，亦即材料疲勞。這一消耗一方面顯示在輸出媒介上，另一方面同樣與渦輪機7附加的系統(tǒng)值一起儲存在存儲媒介10中，尤其是儲存在計算機設(shè)備的只讀存儲器或另一個數(shù)據(jù)載體中。
本發(fā)明的特征在于渦輪機控制設(shè)備，它以時間為標(biāo)準(zhǔn)，尤其以起動時間為標(biāo)準(zhǔn)地工作，其中負(fù)荷變化過程的持續(xù)時間可在最大允許的材料負(fù)荷范圍內(nèi)無級地調(diào)整。由于負(fù)荷變化過程有在所期望的時間tv內(nèi)受調(diào)整的可能性，所以可使負(fù)荷變化過程可在時間上特別有利地適應(yīng)于準(zhǔn)備要求。此外，此渦輪機控制設(shè)備可以預(yù)見壽命和任何時刻的實際壽命。被監(jiān)控的渦輪機構(gòu)件逐漸增加的疲勞被連續(xù)地檢測。
權(quán)利要求
1．一種渦輪機控制設(shè)備(1)，用于調(diào)節(jié)一渦輪機(7)的負(fù)荷變化過程，它具有一限制器(3)，該限制器可被輸入一個用于可變地預(yù)定負(fù)荷變化過程持續(xù)時間tv的參數(shù)，并在限制器中，在考慮到最大允許材料應(yīng)力的情況下，確定用于在持續(xù)時間tv中實施負(fù)荷變化過程的渦輪機控制參數(shù)(VAR)。
2．按照權(quán)利要求1所述的渦輪機控制設(shè)備(1)，它具有一消耗單元(4)，主要用于事先確定按渦輪機控制參數(shù)(VAR)實施負(fù)荷變化過程的材料消耗。
3．按照權(quán)利要求1或2所述的渦輪機控制設(shè)備(1)，它具有一調(diào)節(jié)單元(5)，該調(diào)節(jié)單元可被輸入渦輪機控制參數(shù)(VAR)的當(dāng)前值，以及為了調(diào)節(jié)負(fù)荷變化過程、它與渦輪機(7)的調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)連接。
4．按照上述任一項權(quán)利要求所述的渦輪機控制設(shè)備(1)，它具有一負(fù)荷單元(8)，其中可輸入渦輪機(7)的系統(tǒng)參數(shù)，如壓力或溫度，該負(fù)荷單元與消耗單元(4)和/或限制器(3)連接。
5．按照上述任一項權(quán)利要求所述的渦輪機控制設(shè)備(1)，其中，所述消耗單元(4)與一存儲媒體(10)和/或一輸出媒體(11)連接。
6．按照上述任一項權(quán)利要求所述的渦輪機控制設(shè)備(1)，其中，在限制器(3)內(nèi)確定出有關(guān)實施負(fù)荷變化過程的渦輪機控制參數(shù)(VAR)，使得該控制參數(shù)是一個用于材料疲勞的度量，尤其是表征材料疲勞的溫度差，且使得材料疲勞在負(fù)荷變化過程中基本保持恒定。
7．一種對在持續(xù)時間tv內(nèi)實施的渦輪機(7)負(fù)荷變化過程進行調(diào)節(jié)及確定材料消耗的方法，其中，在考慮到過程參數(shù)和材料參數(shù)的情況下，事先確定在負(fù)荷變化過程中產(chǎn)生的表征材料消耗的渦輪機控制參數(shù)(VAR)，并在持續(xù)時間tv期間通過渦輪機控制參數(shù)(VAR)實施渦輪機調(diào)節(jié)，使得渦輪機(7)在持續(xù)時間tv內(nèi)從一初始狀態(tài)(A)過渡到一最終狀態(tài)(z)。
8．按照權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述渦輪機控制參數(shù)(VAR)被這樣確定，使得材料疲勞在整個持續(xù)時間tv內(nèi)基本保持恒定。
9．按照權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，通過將渦輪機控制參數(shù)(VAR)包括在內(nèi)至少調(diào)節(jié)一個渦輪機參數(shù)，如渦輪機轉(zhuǎn)速、蒸汽壓力、溫度或功率。
10．按照權(quán)利要求7至9中任一項所述的方法，其中，事先顯示因負(fù)荷變化過程引起的預(yù)期的附加材料疲勞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)渦輪機(7)負(fù)荷變化過程的渦輪機控制設(shè)備,它具有一限制器(3),可向限制器中輸入一個用于可變地預(yù)定負(fù)荷變化過程持續(xù)時間t
文檔編號F01D21/12GK1234848SQ97199141
公開日1999年11月10日 申請日期1997年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月8日
發(fā)明者埃德溫·戈勃里克特, 羅爾夫·蘭貝恩 申請人:西門子公司