用于控制涡轮机部件的冷却过程的方法

用于控制涡轮机部件的冷却过程的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于控制蒸汽轮机轴的涡轮机部件(8，10，12)的冷却过程的方法，其中在雾冷却阶段(P4)期间，将混有水雾的空气流用于冷却涡轮机部件(8，10，12)。特别地，空气冷却阶段(P3)先于雾冷却阶段(P4)，在所述空气冷却阶段期间，将空气流用于冷却涡轮机部件。在此，为冷却过程预设保持不变的时间上的温度梯度，其中空气流密度经由可控的调节阀(26)的阀位置来设定，并且当达到最大的空气流密度时并且尤其当调节阀(26)完全打开时，从空气冷却阶段(P3)切换到雾冷却阶段(P4)。
【专利说明】用于控制涡轮机部件的冷却过程的方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于控制涡轮机部件的、尤其是蒸汽轮机轴的冷却过程的方法。

【背景技术】
[0002]在涡轮机中并且尤其在蒸汽轮机中，维护工作与高的时间耗费联系在一起，因为在能够将涡轮机停下之前并且在能够执行维护工作之前，首先必须将涡轮机的或蒸汽轮机的涡轮机部件冷却。
[0003]在此，通常借助于空气流来加速对涡轮机部件的相应的冷却，以便将维护工作所需要的时间降低到尽可能小的值。在此，为了生成空气流而使用环境空气，所述环境空气的温度在这种强制冷却的情况下限制空气流的冷却效果。


【发明内容】

[0004]以上述内容为基础，本发明所基于的目的是，提出一种用于强制冷却涡轮机部件的改进的方法。
[0005]根据本发明，所述目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。
[0006]该方法用于控制涡轮机部件的、尤其是蒸汽轮机轴的冷却过程，其中在雾冷却阶段期间，将混有水雾的空气流用于冷却涡轮机部件。与在蒸汽轮机运行时用作为工作介质的水蒸气相反，水雾为气溶胶，即空气和小水滴的混合物，所述小水滴通过所包含的水从液相到气相的相变能够吸收和运出尤其大量的热能。混有水雾的空气流因此不是工作介质。将所述混有水雾的空气流作为用于冷却目的的另外的介质引导通过涡轮机。以这种方式，通过附加的汽化冷却或蒸发冷却来补充通过强制对流、即例如通过空气冷却进行的简单的冷却，由此借助相对简单的机构显著地提高冷却的效率。那么，这种补充尤其在已经存在用于简单的空气冷却的冷却系统的情况下是有利的，因为在该情况下在没有大的技术耗费的情况下就能够进行改装，其中仅需要安装用以生成水雾并且将所述水雾引入到空气冷却的空气流中的设备。通过将简单的空气冷却与汽化冷却组合，能够在与简单的空气冷却相比扩大的温度范围中控制冷却过程，使得预设期望的时间相关的温度梯度。
[0007]根据一个方法变型形式，多级地构成冷却过程，其中空气冷却阶段先于雾冷却阶段，在所述空气冷却阶段期间，仅不具有水雾的空气流用于冷却涡轮机部件。与此相应地，根据需要借助于空气流但是或者借助于混有水雾的空气流来强制进行对涡轮机部件的冷却。因此，通过冷却系统的不同的工作模式能够在每时间单位从涡轮机中耦合输出和运出非常不同量的热量。
[0008]根据一个方法变型形式，在空气冷却阶段期间和在雾冷却阶段期间，为冷却过程预设一致的并且保持不变的时间上的温度梯度。在此，尤其大约5 K/h-15K/h、尤其大约ΙΟΚ/h的时间上的温度梯度是优选的。为了尽可能经济地运行涡轮机，适当的是:将用于必需的维护工作的时间需求保持得尽可能低。与此相应地，期望的是:为了相应的维护，尽可能迅速地将涡轮机部件冷却。然而，过于集中的强制冷却隐藏下述风险，使得例如在涡轮机部件中构建应力，所述应力会导致涡轮机部件的损坏。因此，在设计涡轮机部件时，在规划涡轮机时确定最大的时间上的温度梯度。因此，根据在此介绍的方法优选地控制冷却过程，使得尽可能准确地达到预设的最大的温度梯度并且在整个冷却过程中保持所述温度梯度。温度梯度的之前详述的大约ΙΟΚ/h的值在此为蒸汽轮机的典型值。在此，通常为有限的温度范围预设这种最大的时间上的温度梯度，因此，在极其大的温度范围中的冷却过程中完全能够预设多个不同的值。在该情况下，控制冷却过程，使得在每个相应的温度范围中达到为其预设的温度梯度并且在整个温度范围中保持所述温度梯度。
[0009]根据该方法的一个极其适当的变型形式，为了预设温度梯度，在空气冷却阶段期间仅仅调整空气流密度，并且在雾冷却阶段期间仅仅调整添加给空气流的水雾的量。由此，能够在技术方面尤其简单地实现用于涡轮机的适合的冷却系统并且尤其是用于冷却系统的控制系统。此外，相应的控制是相对不易受故障影响的，因为在控制时总是改变仅一个变量。
[0010]此外，适当的是，经由可控的入口阀的阀位置来设定空气流的流密度。在蒸汽轮机中，例如通常经由相应的抽真空装置在蒸汽轮机中产生负压，其中预设涡轮机入口和涡轮机出口之间的压力降。因此，能够通过定位在涡轮机入口上的入口阀在抽真空装置恒定运行时借助于环境空气来产生空气流，借助所述空气流能够冷却蒸汽轮机的涡轮机部件。因此，能够经由阀位置来调整空气流密度、即每时间单位的空气量。
[0011]此外，有利的是，当达到最大的空气流密度时，并且尤其当入口阀完全打开时，从空气冷却阶段切换到雾冷却阶段。在之前描述的用于蒸汽轮机的冷却系统的情况下，冷却的效率取决于涡轮机部件的温度和用于空气流的环境空气的温度之间的温度差，在所述蒸汽轮机中，在蒸汽轮机的入口区域中使用抽真空装置和入口阀，以便生成用于冷却涡轮机部件的空气流。所述温度差在冷却过程开始时完全足以达到预设的最大的温度梯度并且在一定的温度范围中保持所述温度梯度。然而，随着涡轮机部件的温度下降，简单的空气冷却的效率下降，并且为了保持温度梯度，入口阀必须越来越大地打开，由此空气流的流密度增大。如果继续进行冷却过程，那么在某一时刻达到阀完全地打开并且达到空气流的最大的流密度的时间点。为了能够继续保持期望的和预设的温度梯度，自所述时间点起将水雾混入空气流，其中随后调整水雾的量以用于控制冷却过程并且尤其用于预设温度梯度。
[0012]更优选的是下述方法变型形式，其中将空气流或混有水雾的空气流在需要时导入到用于蒸汽的管道系统中。因此，该方法变型形式尤其在将蒸汽用作为用于涡轮机的工作介质并且总归存在用于蒸汽的相应的管道系统时是有利的，其中所述管道系统允许将工作介质引导通过涡轮机。在该情况下，所述管道系统刚好能够根据工作模式用于传导工作介质，但是或者用于传导冷却介质，即空气或者混有水雾的空气。
[0013]此外，有利的是，将空气流或混有水雾的空气流在多个位置上、尤其在蒸汽轮机的每个压力级的上游导入到管道系统中。以该方式，能够实现尤其均匀地强制冷却全部的涡轮机部件，而与其在涡轮机之内的位置无关。
[0014]此外，一个方法变型形式是适当的，其中冷却过程中的热平衡阶段先于雾冷却阶段，在所述热平衡阶段中，首先通过热传导进行涡轮机部件彼此间的温度均衡。由此，降低涡轮机之内的局部的温度差，由此进一步降低涡轮机损坏的风险。
[0015]此外，尤其在蒸汽轮机的情况下，该方法的下述变型形式是优选的，其中在冷却过程开始时设有蒸汽冷却阶段，在所述蒸汽冷却阶段期间，工作介质、即例如水蒸气用于冷却涡轮机部件。在此，工作介质的温度逐渐地降低，其中典型地在所述冷却阶段期间，涡轮机继续运行，因此尤其产生电能。
[0016]在有利的改进形式中，在蒸汽冷却阶段期间，为冷却过程预设保持不变的时间上的温度梯度，所述温度梯度与在空气冷却阶段期间的和在雾冷却阶段期间的温度梯度不同，尤其是更大。
[0017]此外，有利的是，将最细雾化的去矿物质的水用作为水雾。由此，避免矿物质在小水滴汽化时从水雾沉积在涡轮机部件上。
[0018]最后，适当的是下述方法变型形式，其中去矿物质的水不仅用于产生水雾、而且也用作为工作介质。因为必须以一定的技术耗费来制造去矿物质的水，所以当总归将相应的去矿物质的水设为用于涡轮机的工作介质并且与此相应地总归提供所述去矿物质的水时，使用去矿物质的水是尤其有利的。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]下面，根据示意图详细阐述本发明的实施例。
[0020]其中示出:
[0021]图1示出蒸汽轮机中的局部温度的时间变化的图表；和
[0022]图2示出具有可控的冷却装置的蒸汽轮机的结构图。

【具体实施方式】
[0023]彼此相对应的部件在全部附图中相应地设有相同的附图标记。
[0024]下面描述的方法用于控制蒸汽轮机2的涡轮机部件的强制的冷却过程，其中进行控制，使得如在图1中示出的那样在扩展的温度范围中为冷却过程预设时间上恒定的温度梯度。在此，借助于冷却控制单元4进行对温度梯度的预设，所述冷却控制单元评估设置在蒸汽轮机2中的温度传感器6的传感器数据并且以此为基础来操控冷却系统。
[0025]冷却过程在该实施例中划分成四个依次相继的阶段Pl……P4。在冷却过程的第一阶段Pl中，将工作介质的、在此为水蒸气的温度向下调节，由此将蒸汽轮机2的涡轮机部件以大约30K/h的温度梯度冷却。在蒸汽冷却阶段Pl期间，蒸汽轮机2继续生成电能，同时每时间单位所生成的电能持续下降。
[0026]在大约390°C的涡轮机部件的温度下，进行从蒸汽冷却阶段到热平衡阶段P2的过渡。在冷却过程的该阶段中，借助于对流来中断对涡轮机部件的冷却，因此能够通过热传导实现涡轮机部件彼此间的温度均衡。由此，应当降低在蒸汽轮机2之内的更大的温度差。
[0027] 在大约6小时之后，结束温度平衡阶段P2并且开始空气冷却阶段P3。在所述空气冷却阶段P3期间，生成空气流，引导所述空气流经过涡轮机部件。因此，通过借助于对流的冷却重新强制进行对涡轮机部件的冷却，其中从现在开始冷却介质不是水蒸气，而是空气流，为了产生所述空气流而使用环境空气。在此，空气流的流密度持续增大，以便因此为涡轮机部件的冷却过程预设大约ΙΟΚ/h的温度梯度。在此，随着空气流的流密度增大，在涡轮机部件的温度和用于冷却的环境空气的温度之间的变小的差得到补偿，使得总体上强制进行均匀的冷却。
[0028]如果达到可借助冷却设备达到的最大的空气流密度，那么借助于空气流进行的简单的冷却不再足以继续保持冷却过程所期望的温度梯度。这根据环境空气的温度典型地在涡轮机部件的温度大约为200°C时是这种情况。从该时间点起，开始冷却过程的最后的第四阶段，所述最后的第四阶段下面称作为雾冷却阶段P4。在所述雾冷却阶段P4期间，附加地将最细雾化的去矿物质的水添加给空气流，为所述空气流继续保持最大可能的流密度。由此，通过蒸发冷却来补充通过对流进行的冷却，这允许保持冷却过程所期望的温度梯度。在此，为了调整温度梯度，调整作为最细雾化的水添加给空气流的去矿物质的水的量。
[0029]最后，在涡轮机部件的温度在100°C和150°C之间时，结束受控的冷却过程，并且典型地紧接着打开蒸汽轮机2并且尤其打开通常所设的壳体。下面，能够执行待处理的维护工作，因此典型地进行蒸汽轮机2的关机和冷却。
[0030]除在图1中示出的描绘在根据在此介绍的方法的强制冷却的情况下的涡轮机部件的温度变化的实线的曲线之外，附加地，以虚线绘制与其偏差的温度变化。涡轮机部件的所述偏差的温度变化对于下述冷却过程是特征性的，在所述冷却过程中，仅借助于空气流来强制进行冷却，而没有附加地将水雾引入到空气流中。在所述温度变化中，晚很多地达到典型地开始维护工作的100°C至150°C的温度范围。与此相应地，涡轮机2在维护工作中的停机时间通过应用在此介绍的方法显著缩短，这允许更加经济地使用蒸汽轮机2。
[0031]使用蒸汽轮机2和冷却设备来执行在此介绍的方法的机组的一个可行的设计方案在图2中示意地绘出。在此，示例性地，机组包括:具有高压级8、中压级10以及低压级12的蒸汽轮机2 ;在高压级8和中压级10之间插入的过热器单元14 ;蒸汽发生器16 ;冷凝器18 ;和用于工作介质、在此为去矿物质的水和相应的水蒸气的管道系统20。
[0032]此外，储备容器22是机组的一部分，只要是必要的，借助于所述储备容器就能够补偿去矿物质的水的损耗。
[0033]为了在需要时能够根据在此介绍的方法强制进行尤其对压力级8和10的冷却并且为了在相应强制的冷却过程中能够控制冷却，该机组具有冷却控制单元4，所述冷却控制单元优选是机组的中央控制单元的一部分。
[0034]如果现在例如通过操作员启动冷却过程，那么冷却控制单元4首先操控蒸汽发生器16和过热器单元14，使得被引导通过压力级8、10、12的经蒸发的去矿物质的水的温度逐渐下降。以该方式执行蒸汽冷却阶段Pl。
[0035]在过渡到热平衡阶段P2时，闭合两个截止阀24和两个调节阀26，每种中的一个处于管道系统20到高压级8的输入管道中并且每种中的另一个处于管道系统20到中压级10的输入管道中，由此随后中断通过对流进行的冷却。代替于此，在压力级8、10、12之内发生通过热传导进行的温度平衡。代替于此，这两个输入管道分别经由法兰F而朝向周围环境打开。
[0036]在连接于此的空气冷却阶段P3开始时，逐渐将调节阀26打开，使得环境空气能够分别经由开口 28流入到管道系统20的朝向压力级8、10、12的输入管道中。同时，在冷凝器18中借助于相应的、然而没有明确示出的抽真空设备来预设负压，使得由此环境空气在开口 28处流入并且流动通过压力级8、10、12。在此，经由调节阀26的阀位置来设定通过相应的压力级8、10、12的空气流的流密度。
[0037]为了开始雾冷却阶段P4，附加地，将来自储备容器22的去矿物质的水借助于喷射设备30混入到用于冷却的空气流中，使得随后引导混有最细雾化的去矿物质的水的空气流通过压力级8、10、12，以用于冷却所述压力级。随后，将空气流的流密度保持为恒定并且仅添加给空气流的去矿物质的水的量发生变化，直至将压力级8、10、12冷却到期望的温度上。
[0038]本发明不限制于上面所描述的实施例。更确切地说，本发明的其他的变型形式也能够由本领域技术人员从中推导出，而不会脱离本发明的主题。特别地，还能够将全部结合实施例所描述的单独特征也以其他的方式彼此组合，而不会脱离本发明的主题。
【权利要求】
1.一种用于控制涡轮机部件(8，10，12)的、尤其是蒸汽轮机轴的冷却过程的方法， 其中在雾冷却阶段(P4)期间将混有水雾的空气流用于冷却所述涡轮机部件(8，10，12)， 其中空气冷却阶段(P3)先于所述雾冷却阶段(P4)，在所述空气冷却阶段期间，将空气流用于冷却所述涡轮机部件(8，10，12)， 其中在所述空气冷却阶段(P3)期间并且在所述雾冷却阶段(P4)期间，为所述冷却过程预设保持不变的时间上的温度梯度， 其中预设大约ΙΟΚ/h的时间上的温度梯度， 其中为了预设温度梯度，在所述空气冷却阶段(P3)期间调整空气流密度，并且在所述雾冷却阶段(P4)期间调整添加给所述空气流的水雾的量， 其中经由能控制的调节阀(26)的阀位置来设定所述空气流密度， 其中当达到最大的空气流密度时并且尤其当所述调节阀(26)完全打开时，从所述空气冷却阶段(P3)切换到所述雾冷却阶段(P4)， 其中在所述冷却过程中热平衡阶段(P2)先于所述雾冷却阶段(P4)，在所述热平衡阶段中，进行所述涡轮机部件(8，10，12)彼此间的温度均衡， 其中在所述冷却过程开始时设有蒸汽冷却阶段(Pl)，在所述蒸汽冷却阶段期间，将水蒸气用于冷却所述涡轮机部件(8，10，12)， 其中在所述蒸汽冷却阶段(Pl)期间，为所述冷却过程预设保持不变的时间上的温度梯度，所述温度梯度不同于、尤其是大于在所述空气冷却阶段(P3)期间的温度梯度和在所述雾冷却阶段(P4)期间的温度梯度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述空气流或者混有水雾的空气流在需要时导入到用于蒸汽的管道系统(20)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将所述空气流或者所述混有水雾的空气流在多个位置上、尤其在蒸汽轮机2的每个压力级(8，10，12)的上游导入到所述管道系统(20)中。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中将雾化的去矿物质的水用作为水雾。
5.根据权利要求4所述的方法，其中去矿物质的水不仅用于产生水雾、而且也用作为工作介质。
【文档编号】F01K13/02GK104081008SQ201280068157
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2012年1月25日
【发明者】斯特凡·里曼 申请人:西门子公司