本發(fā)明涉及控制蒸汽輪機的方法和蒸汽輪機設備。

背景技術：

眾所周知，由于系統(tǒng)慣性和相當大的溫度波動所施加到轉子的力，蒸汽輪機的啟動階段證明是關鍵性的。溫度波動是由于考慮到轉子的質量和幾何形狀，蒸汽溫度應當在相對短時間內升高至穩(wěn)定狀態(tài)值。

為了防止能夠導致轉子損壞或過早老化的問題和條件，已經研究了針對負載承受以及設備啟動期間蒸汽溫度升高的配置，這些研究至少理論上保證避免危險性的高應力的出現(xiàn)。但是，合適的是，操作期間保持轉子溫度的監(jiān)控，以及必要時實施減小應力等級的控制動作。

源自難以檢測轉子中的溫度分布的重要技術問題是不適合安放傳感器。為了克服這一技術問題，通常使用源自定子設備部件上的測量的溫度估計。但是，這種估計不是非常準確，而且有很大的誤差裕量。因此，一方面，有限的準確性需要保持針對有損于設備性能的負載承受和溫度升高的配置設計中的保守做法。另一方面，即便合理的保守方法仍然不能充分自信地防止異常情況的發(fā)生，這樣的異常情況是由于轉子內部的應力而可能發(fā)生的危險或損壞所造成的。因此，基于源于定子溫度測量的估計不足以通過及時的方式進行響應，以及保證在安全的條件下運行機器。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于提供控制蒸汽輪機的方法和蒸汽輪機設備，使得能夠克服或至少減少上述限制。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種控制蒸汽輪機的方法，其包括：以同質且各向同性的圓柱體的形式，定義蒸汽輪機的轉子的簡化模型；從簡化模型的參數(shù)以及向蒸汽輪機所供應的蒸汽的溫度值，確定轉子中的應力分布；將轉子中所確定的應力與應力閾值進行比較；以及基于轉子中所確定的應力與應力閾值的比較，來控制蒸汽輪機。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種蒸汽輪機設備，其包括：蒸汽輪機；傳感器組件，用于提供溫度信號，所述溫度信號指示蒸汽輪機的入口處的蒸汽溫度；存儲器單元，其包含蒸汽輪機的轉子的簡化模型的參數(shù)，其中簡化模型以同質且各向同性的圓柱體的形式存在；以及處理單元，用于：從簡化模型以及溫度信號，確定轉子中的應力分布；將轉子中所確定的應力與應力閾值進行比較；以及基于將轉子中所確定的應力與應力閾值的比較，控制蒸汽輪機。

附圖說明

現(xiàn)在將參考表示非限制性實施示例的附圖來描述本發(fā)明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的蒸汽輪機設備的簡化方框圖；

圖2表示圖1的設備中所使用的簡化模型；

圖3表示圖1的設備的一部分的更詳細的方框圖；

圖4是表示與圖1的設備相關的量的曲線圖。

具體實施方式

如圖1所示，用于產生電能的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備包括燃氣輪機組3、蒸汽輪機5、分別耦接至燃氣輪機組3和蒸汽輪機5并且連接到分發(fā)網絡(未示出)的兩個發(fā)電機8和9、熱回收鍋爐10(用作蒸汽生成器)、冷凝器11以及控制裝置12。設備1還具有執(zhí)行器組件13和執(zhí)行器組件14，控制裝置12對于每個執(zhí)行器組件執(zhí)行動作從而分別控制燃氣輪機組3和蒸汽輪機5。

燃氣輪機組3產生熱的排出氣流，將該熱的排出氣流輸送到熱回收鍋爐10，并且用于產生蒸汽。

示例中所述的蒸汽輪機5包括高壓部分5a和中低壓部分5b，接收來自熱回收鍋爐10的高壓蒸汽流Q_HP和中低壓蒸汽流Q_IP，通過中低壓部分5b的排出以及通過已知類型而為簡化未在此示出的旁路系統(tǒng)，將蒸汽流提供給冷凝器11。

冷凝器11冷卻從蒸汽輪機接收到的蒸汽，使得蒸汽冷凝。

控制裝置12包括設備調節(jié)器15、燃氣輪機調節(jié)器16、蒸汽輪機調節(jié)器17以及數(shù)據(jù)獲取接口18，數(shù)據(jù)獲取接口18用于接收來自設備1的傳感器和轉換器的指示設備1本身狀態(tài)的測量。特別地，通過數(shù)據(jù)獲取接口18，控制裝置12接收來自傳感器組件20的如下信號：溫度信號ST，其指示蒸汽輪機5的高壓部分5a入口處的蒸汽溫度；壓力信號SP，其指示高壓部分5a的入口處的蒸汽壓力；以及流量信號SMF，其指示向蒸汽輪機5的高壓部分5a提供的蒸汽流速Q_HP。

為了控制設備1，控制裝置12對于燃氣輪機組3的執(zhí)行器組件13執(zhí)行動作，其中執(zhí)行器組件13可以包括燃料供給閥執(zhí)行器和入口導向葉片(IGV)執(zhí)行器，并且控制裝置12對于蒸汽輪機5的執(zhí)行器組件14執(zhí)行動作，其中執(zhí)行器組件14包括針對蒸汽輪機5的級5a、5b的入口閥執(zhí)行器14a、14b，旁路閥執(zhí)行器14c以及鍋爐調溫器14d。

設備調節(jié)器15確定針對整個設備1的通用電能參考(設置點)W_M，而且通過從通用電能參考W_M中減去蒸汽輪機5所提供的電能，來確定針對燃氣輪機3的部分電能參考W_TG(蒸汽輪機5通常在滑壓條件下運行并且未被扼流)。

燃氣輪機調節(jié)器16接收部分電能參考W_TG，對于執(zhí)行器組件13執(zhí)行動作，以便燃氣輪機5提供所需電能。

蒸汽輪機調節(jié)器17管理蒸汽輪機5的運行情況，并且介入設備1的啟動階段，或者由于如下所述的異常運行情況，以便保持向蒸汽輪機5提供的蒸汽的期望壓力、溫度以及流速條件。

參考圖2，蒸汽輪機調節(jié)器17是基于使用蒸汽輪機5的轉子5c的簡化模型來確定溫度分布和應力分布。轉子5c表示為簡化模型M，該簡化模型M具有同質且各向同性的圓柱體的形式(圓柱體的橫截面示出在圖2中)，具有均勻的熱導率，浸入在工作溫度TW、設置在從轉子5c本身的軸A距離DB的蒸汽流中。轉子5c能夠表示為半徑R0，該半徑R0由從高壓部分5a中的軸A的轉子葉片的距離的平均來給出。而且，工作溫度TW是隨時可變的，例如根據(jù)所編程的配置。工作溫度TW定義用于經由簡化模型M來計算轉子5c的溫度分布的邊界條件，該工作溫度TW是基于蒸汽輪機5的高壓部分5a的入口處的蒸汽的溫度信號ST來確定的。

發(fā)明人也已觀測到，基于所述簡化模型M所確定的應力的近似值與利用例如有限元方法所精確確定的相同應力的值具有恒定的比例。換言之，應力值的實際值能夠利用通過轉子5c的簡化模型M所計算出的值的良好近似，通過使用恒定且與溫度無關的修正因子來獲得。使用簡化模型M來確定溫度分布和應力分布并不表示對于整個系統(tǒng)的處理能力顯著提升。因此，能夠利用已定義的閾值準則來實時監(jiān)視瞬時應力的一致性。修正因子能夠一次性被確定并且在設計階段用于所有的情況。

蒸汽輪機調節(jié)器17用于，基于從軸A的距離和蒸汽溫度TB來確定轉子5c中的溫度分布，基于溫度分布來確定轉子5c內部的應力(σ)，確定臨界區(qū)域中的最大應力，并且將臨界區(qū)域中的最大應力與參考閾值進行比較。

參考圖3，蒸汽輪機調節(jié)器17包括存儲器單元21和處理單元22。

存儲器單元21包括各個部，其中所存儲的蒸汽輪機調節(jié)器17運行期間所使用的信息，各個部包括：

參數(shù)部21a，其包含轉子5c的簡化模型M的參數(shù)，這些參數(shù)用于溫度分布和應力分布的計算(例如，但未窮舉，轉子的熱導率、半徑、彈性模量、密度)；

修正部21b，其包含用于應力的計算的修正因子σ_CF；

閾值部21c，其包含應力閾值σ_TH；以及

配置部21d，其包含至少一個瞬態(tài)配置SPT(t)，這表示一個瞬態(tài)期間，針對蒸汽輪機5的執(zhí)行器組件14的一系列蒸汽溫度參考值SPT(tK)(特別地，啟動瞬間；不同于用于負載承受的配置，除了溫度配置之外，配置部21d還可以包含針對蒸汽輪機5的運行期間可能發(fā)生的不同瞬態(tài)情況的另外的瞬態(tài)配置)。

處理單元22包括控制模塊23、計算模塊25、修正模塊26以及比較模塊27。

控制模塊23接收瞬態(tài)配置SPT(t)，并且根據(jù)瞬態(tài)配置SPT(t)，針對向蒸汽輪機5的高壓部分5a所提供的蒸汽，設置一系列蒸汽溫度參考值SPT(tK)。另外，基于從數(shù)據(jù)獲取接口18所接收到的溫度信號ST、壓力信號SP以及流量信號SMF，控制模塊23對于蒸汽輪機5的執(zhí)行器組件14執(zhí)行動作，從而獲得根據(jù)瞬態(tài)配置SPT(t)的運行情況。

計算模塊25從存儲器單元21的參數(shù)部21a接收轉子5c的簡化模塊M的參數(shù)，從數(shù)據(jù)獲取接口18接收溫度信號ST。計算模塊25用于確定從經由溫度信號ST所測量出的蒸汽溫度(被指定為工作溫度TW)開始后的轉子5c(表示為同質且各向同性的圓柱體)內部的溫度分布。溫度分布的計算可以基于針對同質且各向同性的圓柱體的熱力學方程的求解。

計算模塊25還用于從所計算出的溫度分布和轉子5c的負載情況來確定應力分布。計算模塊25進一步確定存在最大瞬時應力σ_MAX的轉子5c的臨界區(qū)域，并且迭代地計算出最大瞬時應力值σ_MAX。

將最大瞬時應力值σ_MAX提供給修正模塊26，該修正模塊26從存儲器21的部21c接收修正因子σ_CF。修正模塊26(例如，乘法器模塊)由最大瞬時應力值σ_MAX和修正因子σ_CF來確定已修正的最大瞬時應力值σ_MAXC。

接著，由比較模塊27將已修正的最大瞬時應力值σ_MAXC與從存儲器21的部21c接收到的應力閾值σ_TH進行比較。可以基于極限區(qū)域來確定應力閾值σ_TH，例如基于馮·米塞斯(Von Mises)準則或特雷斯卡(Tresca)準則來定義。

如果已修正的最大瞬時應力值σ_MAXC超出應力閾值σ_TH，則對于控制模塊23進行干預，例如修正或停止控制動作，從而避免對于轉子5c不當?shù)幕驖撛谖：Φ倪\行情況。特別地，了解瞬時應力狀態(tài)也允許實時地進行蒸汽調溫的修正從而優(yōu)化啟動。這樣的修正使得能夠對于所存儲和所選擇的瞬態(tài)配置的任何意外的偏離做出應對。

利用轉子5c的簡化模塊M可以有利地再次離線執(zhí)行瞬態(tài)配置的處理。特別地，已觀測到的是，當轉子5c具有均勻的溫度時(因此處于低應力狀態(tài))，構成轉子的金屬材料能夠放置于與非常高溫度的蒸汽相接觸的位置處。另一方面，當轉子5c處于高應力狀態(tài)時，即具有高內部溫度梯度，必須避免與熱蒸汽接觸。而且，對于非常低的蒸汽流速，熱傳導系數(shù)已經假設這些值很高，以致轉子5c的金屬表面的溫度接近蒸汽的溫度。因此，蒸汽流速的限制在控制熱機械應力方面并不非常有效，而蒸汽溫度的控制對于表面溫度具有幾乎立即的效果，因此對于轉子5c的熱應力具有幾乎立即的效果。而且按照剛剛所做的說明，能夠定義各種瞬態(tài)配置SPT(t)，并且在核實內部應力分布，以及核實與針對定義瞬態(tài)配置SPT(t)的每個溫度參考SPT(tK)的應力閾值的兼容性之后(即，檢查與瞬態(tài)配置SPT(t)的每個溫度參考SPT(tK)對應的最大應力低于閾值應力σ_TH)，能夠選擇一個或多個優(yōu)化配置，使得能夠將最大裕量的安全性與縮短的瞬態(tài)時間相結合。因此能夠在不影響安全性的情況下改進設備的響應。接著，能夠將所選擇的配置存儲在存儲器21中并且當需要時進行調用。

圖4示出以常規(guī)方式進行的蒸汽輪機啟動階段期間的最大瞬時應力(虛線)與根據(jù)如上所述的給定配置、利用蒸汽溫度控制的應力(實線)之間的比較。常規(guī)的啟動導致高應力峰值，雖然持續(xù)時間短，然而利用根據(jù)本發(fā)明的溫度控制進行啟動更平穩(wěn)并且具有低很多的最大應力值?？紤]到低循環(huán)疲勞所延長的使用壽命主要取決于應力所達到的最大值，所述利用溫度控制進行啟動對于轉子來說要輕松得多。

可替換地，利用不同的配置，能夠縮短負載承受的時間而不引起轉子內部的臨界應力。

最后，顯然的是，在不背離如所附權利要求中所定義的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對于所述方法和裝置做出修改和變化。