专利名称：用于大型蒸汽涡轮的启动方法
技术领域：
本发明涉及启动大型涡轮的方法，更具体而言，涉及诸如联接到用于产生电功率的发电机上且接收来自外部蒸汽源(特别其中，这种蒸汽源在涡轮控制系统的直接控制之外)的大量蒸汽的大型蒸汽涡轮。
背景技术：
在以下描述中，用语“涡轮”用来表示旋转式发动机，其具有通过流体介质(诸如水、蒸汽或气体)强制联接的旋转部件和定子部件。本发明特别关注的是轴向蒸汽涡轮，其包括沿径向布置的固定定子叶片或导叶，定子叶片或导叶与借助于通过涡轮的蒸汽流强制联接的径向布置的活动转子叶片交替。在大型涡轮(特别是蒸汽涡轮)中，启动程序被认为是非常关键的运行。蒸汽涡轮可被认为是用于在300 MW或更多的满负荷下进行电功率输出的大型蒸汽涡轮。典型地，这样的涡轮包括大型金属部件，诸如外壳和转子。因此，在涡轮的启动期间必须谨慎，以便不由于例如馈送到涡轮中的蒸汽和大型金属部件之间的温差而引起临界热应力。关于热应力和其它机械参数的极限使得具有蒸汽涡轮区段的功率装置的快速启动是困难的过程。但是，存在越来越多使蒸汽涡轮的启动时间加速的要求，因为蒸汽功率装置或联合循环功率装置必须快速地对电功率供应和要求的波动作出反应。特别地，输出波动的再生能源装置(诸如风能、海浪能和太阳能功率装置)的增加导致对传统功率装置的柔性有更高要求。因此，存在大量构想各种改进启动过程的方法的文献就不足为奇了。已公开的、提供关于启动程序的挑战的背景的文献包括例如美国专利3959635、7506517、7980053、国际公开的国际专利申请WO 2006037417,以及共同拥有的德国专利申请DE 10116387 (Al)。在大多数情况下， 提出的解决方法包括以测得的参数和或者直接基于测得的值或者间接使用模型和预测得到的一组控制值为基础的简单或复杂的反馈控制，从而避免由临界应力极限和其它参数限定的阈值。考虑到现有技术，将提供控制蒸汽涡轮的启动的稳定且强健的方法看作目标。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种控制蒸汽涡轮的方法，蒸汽涡轮接收来自蒸汽发生器的蒸汽，并且具有联结到功率发生器上的转子和蒸汽涡轮控制器，蒸汽涡轮控制器至少控制位于蒸汽发生器和蒸汽涡轮之间的蒸汽管道中的蒸汽入口阀的位置，以控制进入到蒸汽涡轮中的质量流，该方法包括以下步骤:在开始启动之前，基于蒸汽涡轮在启动开始时的状态和/或由操作者选定的启动模式来选择预定一组启动设定点序列，其中，该组启动设定点序列包括不受蒸汽涡轮控制器直接控制的参数和受蒸汽涡轮控制器直接控制的参数；使用蒸汽涡轮控制器来控制受蒸汽涡轮控制器控制的参数，以便根据预定一组启动序列使蒸汽涡轮从一设定点移动到另一设定点，直到到达释放点为止；以及在释放点处，延迟移动到下一个设定点，直到实际设定点值与不受蒸汽涡轮控制器直接控制的参数在释放点处的预定设定点值相符为止。在典型地可由蒸汽涡轮控制器控制的参数之中的是涡轮转子的速度和/或涡轮上的负荷。在典型地不受蒸汽涡轮控制器直接控制的参数之中的是蒸汽温度和/或蒸汽压力。后面的参数典型地由不同于蒸汽涡轮控制器的控制器控制，即，锅炉控制器，它可与蒸汽涡轮控制器所要求或请求的值不同地控制蒸汽发生器的运行。在许多功率装置运行中，使蒸汽涡轮控制器直接控制蒸汽发生器是不可行的。在这个描述中，直接控制意味着这样的系统，即，其中，控制器控制设备(诸如阀和开关)的状态，这又使由设定点限定的参数有直接变化。这种直接控制的经典示例是闭环控制或反馈环路控制。该方法还可包括与选定的序列相关联的启动时间的输出，因为可认为根据本发明的启动过程在没有超驰(override)状况时在本质上是确定性的。另一个优选特征是在选定的序列未产生期望设定点值的情况下，改变对热应力监测器的输出的处理。例如，在启动阶段期间，可使应力监测器不起作用，或者忽略应力监测器的输出。根据以下详细描述和下面列出的图，本发明的这些和另外的方面将是显而易见的。
参照附图，现在将描述本发明的示例性实施例，其中:
图1是包括在蒸汽涡轮的启动过程中的元件的示意 图2是示出根据本发明的示例 的参数之间的联系的框 图3A是根据本发明的示例的启动序列参数的简化曲线图；以及 图3B显示在释放点处具有延迟的图3A的启动序列参数。部件列表
10蒸汽涡轮功率装置 11蒸汽发生器 13管道
14主入口阀或阀系统 15出口管道 16控制系统
17、18、19传感器 21启动模式选择 22涡轮热状况
31在启动时段期间的、关于速度的设定点的曲线
32在启动时段期间的、关于负荷的设定点的曲线
33在启动时段期间的、关于蒸汽温度(入口)的设定点的曲线
A、B、C、D、E…X释放点
Delay在释放点处的延迟。
具体实施例方式在以下描述本发明的示例性实现。考虑到现代功率装置的复杂性，描述必须是示意性的，并且更加集中于被认为有助于理解本发明以及较一般地理解其它方面的某些方面。如图1中显示的那样，蒸汽涡轮功率装置10包括至少一个蒸汽发生器11，在联合循环功率装置的示例中，蒸汽发生器11可为热回收蒸汽发生器(HRSG)，或者在蒸汽功率装置的情况下，蒸汽发生器11可为锅炉。蒸汽涡轮功率装置10进一步包括至少一个蒸汽涡轮12涡轮或一组蒸汽涡轮，例如连续地布置的高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮。管道13使蒸汽发生器11与蒸汽涡轮12的入口连接。管道13包括主入口阀或阀系统14。出口管道15使蒸汽涡轮的出口与或者另外的涡轮或者蒸汽回收或再循环级(未显示)连接。图1中进一步显示的是控制系统16，其接收传感器输入或基于传感器输入而处理的参数，并且可对主输入阀14发布控制信号，以确定其位置，并且因此确定进入到涡轮12中的蒸汽的质量流。控制系统16另外直接或间接地联结到用来确定与转子速度有关的参数的传感器17、用来确定与蒸汽温度有关的参数的传感器18和用来确定与涡轮的部件(特别是转子)中的热应力或机械应力有关的参数的传感器或应力控制器19上。后面的传感器可包括温度传感器，从而将输入提供给模型，以使用本来就已知的方法来计算或预测应力。控制系统16用来执行参照图1、图2的框图和图A3和3B中示出的示例所描述的操作步骤。根据本发明的描述的示例，使用至少两组条件来选择启动程序。第一组条件是启动模式选择21，而第二组是涡轮热状况22。启动模式选择21指示功率装置操作者典型地基于经济考量为满足外部要求而设定的条件。在本示例中，启动模式选择21是快启动和慢启动之间的选择。涡轮热状况22指示这样一组条件，其表示涡轮12的状态在按计划开始启动时所施加的条件。这些条件被设定，以便避免机械失效或者涡轮或其任何部件的寿命的减少。在本示例中，涡轮热状况22以温度测量结果和/或运行历史为基础，并且包括确定涡轮12在按计划开始启动时的热状态。在该示例中，启动模式选择21和涡轮热状况22限定启动设定点序列与时间的关系。启动序列主要根据在启动起始到启动结束时涡轮的状态来限定涡轮的期望状态。开始或起始可限定成与获准进入到涡轮中的第一蒸汽有关或者限定成主控制阀的首次打开。启动的结束可限定为涡轮以标称负荷运行的时间点。在图3A中示出典型的启动序列。启动序列包括例如曲线31、32、33，它们表示在启动时段期间的、分别关于速度、负荷和蒸汽温度(在示例中，在涡轮的上游)的设定点。应当对本领域技术人员清楚的是，曲线仅仅为了说明性目的，而且在这个示例的实现内可以许多适当的方式(诸如存储在与控制系统16的处理引擎相关联或以其它方式与处理引擎联结的存储器中的表或函数)表示。因此，过程典型地分成离散时间步骤，步骤的持续时间取决于控制器的循环速率或系统16可产生和记录新的测量结果或控制参数的速率。而且，将典型的控制方案设定点限定为关于控制器的各个循环的表或列表，循环的持续时间典型地小于一秒。为了在下面描述释放点，可将设定点序列看作连续的或伪连续的。应当进一步清楚的是，速度、负荷和蒸汽温度的选择以目前认为重要的、表现涡轮在启动期间的特点的参数为基础。但是，如所描述的那样，如果认为有用的话，该过程可利用表示其它重要工艺参数(诸如例如蒸汽压力)的另一组设定点序列或额外的设定点序列。
在速度、负荷和蒸汽温度的启动序列之中，可通过控制与涡轮12相关联的设备来控制前两个，而后一个则需要控制蒸汽发生器13。但是，在许多已知的功率装置中，蒸汽涡轮控制系统16或ST控制器对其它控制系统(例如锅炉控制系统或HRSG控制器)的控制是非常有限的。尽管如此，两种类型的序列都可为该组预定启动序列的一部分，如图3A所展示的那样。从控制观点来看，区别在于涡轮控制系统16可直接通过内部反馈控制或另外在本领域中已知的其它控制来控制前面的序列，在本示例中，前面的序列包括速度和负荷。第二类型的启动序列(其在示例中包括蒸汽温度或蒸汽压力)是仅可由蒸汽涡轮控制器请求和观察但不可由蒸汽涡轮控制器直接控制的设定点序列。在图2的示例中，假设蒸汽温度设定点可作为期望值传送到HRSG控制器，但不由单独的蒸汽涡轮控制系统16执行。在包括蒸汽涡轮控制系统16或ST控制器和锅炉控制系统或HRSG控制器两者的集成式控制系统中，序列之间的这个差别可消失，并且可由全部可由控制系统直接控制的设定点序列代替。在图3A还显示了多个释放点A、B、C、D、E-X，它们指示期望启动的涡轮及其环境已经到达由选定的启动序列限定的设定点的时间。除了限定的设定点值之外，释放点进一步与无条件或有条件延迟时间相关联，或者与无条件和有条件延迟时间的组合相关联。主要通过旨在确保涡轮遵照选定的启动序列而不导致损害的优化来确定在启动序列期间的释放点的数量。在遵照限定的启动序列的理想系统中，优选不需要释放点，而在非常不稳定的涡轮环境中，释放点可沿着时间轴如设定点本身那样紧密地设定。但是，前者难以实现，而后一种情况则接近连续反馈控制系统，这可能无法实现限定的启动时间。发现释放点的数量最好设定在3和30之间，或者在2和20之间或在3和15之间，或者甚至在3和10之间。在所有这些情况下，释放点的数量最多是限定启动序列的设定点的数量的十分之一。通过使用离散释放点，减少应力控制器19对启动过程的干扰是可行的。在正常启动期间，应力控制器19构造成仅在确定的应力偏离非常宽的可接受值范围时控制主输入阀14的位置。这可看作用以防止涡轮部件有损害的绝对超驰控制状况。在应力控制器构造成干涉和直接控制主输入阀14的位置的其它时间点在这个示例中限于释放点。而且释放点具有等待时段，在应力控制器控制被启用以控制主输入阀14的位置之前，必须经过该等待时段。因而释放点可看作与下者相关联的选定的设定点:又限定在这个设定点处的期望参数值的测试的一组状况，以及直接或间接地限定等待时段的状况，在等待时段期间，沿着选定的启动序列的移动被中断。图3A的释放点D (其为在同步之后开始涡轮的加载的释放)例如限定如下:
((t >= t (synch) +t (waitload) AND T(LS-SP) - Δ Τ<Τ (LS) <Τ (LS-SP) + Δ T ANDT(HRS-SP) - Δ T < T(HRS) < T(HRS-SP) + Δ T))
在释放点处的这个测试限定关于测得的实时蒸汽温度T(LS)和再热蒸汽温度T(RHS)在等于期望温度值T(LS-SP)和T(HRS-SP)的Λ T的容差内的测试。该定义可包括与应力值有关的备选条件。如果条件中的一个为真，则提供释放，并且启动如限定的那样继续。图3A的释放点E(其较接近简单的温度测试点)例如限定如下:
(T(LS-RGRAD) - ΔΤ < T(LS) < T(LS-RGRAD) + ΔΤ AND T(LS-SP) = T(LS-RGRAD)
)
当实时蒸汽温度设定点T(LS-SP)已经到达T(LS-RGRAD)时，此测试会针对目标值T(LS-RGRAD)测试测得的实时蒸汽温度T (LS)。再次，这可包括与应力值有关的备选状况。对应力和初始延迟时间t (delay)设定较宽的范围的可接受值都有利于限制在应力控制器19有效地控制主输入阀14的位置的情况下出现的系统状态的可能性。并且只要应力控制器19未以反馈控制的形式有效地控制主输入阀14，控制系统16就构造成如最初选定的那样遵照启动序列，尽管由于启动序列的前面部分期间积累的各个延迟而可能有时间偏差。因而，系统整体上保持本质上是确定性的，并且不会受包括应力控制器的恒定反馈环路的控制。控制系统16然后能够以闻的精确度预测启动时间，即原始启动时间加上在已经过去的释放点处积累的任何实际延迟。这与由已知系统(其中，那些启动时间往往只是根据启动过程期间的当前状态的推断)提供的启动时间的估计相反。在图3B中显示这种延迟的示例，图3B示出在释放点D处添加延迟{延迟)的图3A的启动序列。由于蒸汽发生器13所提供的蒸汽的实际蒸汽温度低于对应于在释放点D处设定的状况的蒸汽温度，而导致延迟。实际蒸汽温度的曲线显示为线33在延迟间隔期间的弯曲部分。上面完全以示例的方式描述本发明，并且可在本发明的范围内作出修改。本发明还在于在本文中描述或暗示的或者在图中显示或暗示的任何单独的特征，或者任何这样的特征的任何组合，或者任何这样的特征或组合的任何概括，这扩展到其等效物。因而，本发明的宽度和范围不应当由上面描述的示例性实施例中的任一个限制。说明书(包括图)中公开的各个特征可由用于相同、等效或类似目的的备选特征代替，除非另有清楚的说明。除非在本文中明确地说明，否则在整个说明书中对现有技术的任何论述都不是对这种现有技术是众所周知的或形成本领域中的普通的一般知识的一部分的承认。
权利要求
1.一种控制蒸汽涡轮的启动的方法，所述蒸汽涡轮接收来自蒸汽发生器的蒸汽，并且具有联结到功率发生器上的转子和蒸汽涡轮控制器，所述蒸汽涡轮控制器至少控制位于所述蒸汽发生器和所述蒸汽涡轮之间的蒸汽管道中的蒸汽入口阀的位置，以控制进入到所述蒸汽涡轮中的质量流，所述方法包括以下步骤: 在开始启动之前，基于所述蒸汽涡轮在启动开始时的状态和/或由操作者选定的启动模式来选择设定点的预定一组启动序列，其中，所述设定点的一组启动序列包括不受所述蒸汽涡轮控制器控制的参数和受所述蒸汽涡轮控制器控制的参数； 使用所述蒸汽涡轮控制器来控制受所述蒸汽涡轮控制器控制的参数，以便根据所述预定一组启动序列使所述蒸汽涡轮从一设定点移动到另一设定点，直到到达释放点为止；以及 在所述释放点处，延迟移动到下一个设定点，直到实际/测得的设定点值与不受所述蒸汽涡轮控制器控制的参数在释放点处的预定设定点值相符为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，释放点的数量最多是设定点的数量的十分之一。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在启动期间的释放点的数量小于30。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定点的预定一组启动序列包括选自表示蒸汽温度、蒸汽压力、所述转子上的负荷和转子速度的值的序列中的一个或多个的值序列。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述蒸汽温度和/或蒸汽压力是不直接受所述蒸汽涡轮控制器控制的参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统使用所述蒸汽涡轮移动到的所述设定点的预定一组启动序列中的当前设定点和所述设定点的预定一组启动序列的终点之间的时间差来产生当前启动时间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步使用应力控制器来监测所述蒸汽涡轮中的应力，以及使所述蒸汽涡轮控制器隔离应力控制器的输出，以使其不改变所述蒸汽涡轮根据所述预定一组启动序列从一设定点到另一设定点的移动，除非应力高于预定临界值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步使用应力控制器来监测所述蒸汽涡轮中的应力，以及在后续的释放点之间，仅在所述应力高于预定临界值的情况下，使应力控制器的输出改变所述蒸汽涡轮根据所述预定一组启动序列从一设定点到另一设定点的移动。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述蒸汽涡轮的状态为基础的所述设定点的预定一组启动序列以数字形式存储在与所述蒸汽涡轮控制器联结的存储器中，或者通过这样的方式计算出，即，使用所述蒸汽涡轮在启动和/或启动模式开始时的状态作为输入，以根据限定的准则来产生所述设定点的预定一组启动序列。
全文摘要
本发明涉及用于大型蒸汽涡轮的启动方法。描述一种控制接收来自蒸汽发生器的蒸汽且具有转子和蒸汽涡轮控制器的蒸汽涡轮的方法，该方法包括以下步骤在开始启动前，基于蒸汽涡轮在启动开始时的状态和/或由操作者选定的启动模式来选择预定一组启动设定点序列，其中该组启动设定点序列包括不受蒸汽涡轮控制器(直接)控制的参数和受蒸汽涡轮控制器(直接)控制的参数；使用蒸汽涡轮控制器控制由蒸汽涡轮控制器控制的参数，以根据预定一组启动序列使蒸汽涡轮从一设定点移动到另一设定点，直到到达释放点为止；以及在释放点处，延迟移动到下一个设定点，直到实际设定点值与不受蒸汽涡轮控制器(直接)控制的参数在释放点处的预定设定点值相符为止。
文档编号F01D19/00GK103206269SQ201310010150
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者A.埃尔扎姆, T.施赖埃尔, M.舍嫩贝格尔 申请人:阿尔斯通技术有限公司