专利名称：压低调节阀特性曲线以改善汽轮机效率的方法
技术领域：
本发明涉及汽轮机，特别是改善部分进汽的汽轮机效率的一种方法和装置。
许多多级汽轮机系统的功率输出是通过对蒸汽发生器出来的主蒸汽进行节流来控制的，以减小高压透平入口的蒸汽压力。采用这种节流方法的汽轮机通常叫做全周进汽汽轮机，因为所有蒸汽入口喷咀室在各种负荷工况下都工作。全周进汽汽轮机通常是按额定负荷下采取恰当的蒸汽参数来设计的，以便获得最高效率。由于允许蒸汽通过所有入口喷咀，进口级，即第一调节级的压力比，在全周进汽汽轮机中，基本上保持常数，而与蒸汽进口压力无关。因此，调节级作功的机械效率可能是最佳的。但是，若在全周进汽汽轮机中功率减小，则在效率上，即蒸汽发生器和汽轮机输出之间蒸汽工作循环的理想效率，存在一个总体下降，因为节流减少了进行工作的可用能。通常汽轮机的总效率，即实际效率，汽轮机理想效率和机械效率的乘积。
将汽轮机入口的进汽分成固定进汽和单独可调进汽的技术比上述节流的方法可以获得汽轮机输出的更有效控制，在这种称为部分进汽的方法中，第一级工作喷咀的数目是随负荷的变化而相应改变的。部分进汽汽轮机优于全周进汽汽轮机，因为相当高的理想效率是用最小的节流顺序地调整通过各喷咀室的蒸汽获得的，而不用节流整个进汽。这种较高理想效率的得益一般比全周进汽汽轮机设计的调节级可获得的最佳机械效率更多。但是，已知过去的部分进汽系统有某些缺点，即限制了调节级作功的效率。这些限制的某些方面是由于不可避免的机械制约，例如，不可避免的鼓风摩擦损失的影响，这发生在转动叶片通过不进汽的喷咀叶片组时。此外，在部分进汽系统中，通过喷咀叶片组的压力降(和因此产生的压力比)随蒸汽逐步进入阀室的数目增多而变化，在最小的阀位(可能最少的调节和控制阀打开数)发生最大的压降，而最小的压降发生在全周进汽。热效率(反比于通过调节级的压力差)在最小阀位处最低，在全周进汽时最高。因此，对于部分进汽式汽轮机以及全周进汽式汽轮机，其调节级效率在功率输出低于额定负荷时减少。但是，给出部分进汽式汽轮机喷咀的可变压降，可以相信，一般在部分进汽系统中发现的设计性能可以被改善，以便增加汽轮机总效率。因为调节级是一种冲动级，在那里，通过固定的喷咀发生大部分压降，喷咀效率提高1%对调节级效率产生的影响4倍于转动叶片效率提高1%所产生的影响。设计汽轮机时在调节级性能方面作适当的改进，将大大改善部分进汽式汽轮机的实际效率。在额定负荷下，部分进汽式汽轮机的实际效率即使增加0.25%，也可以大量节约能源。
部分进汽式汽轮机的滑压或变节流压力运行也可以导致改善汽轮机的效率，另外还可减少低周疲劳。通常的程序是，部分进汽汽轮机滑压运行是在流量低于一定值时开始，该值相应于一半调节阀全开，一半全关，即汽轮机第一级的50%进汽，在汽轮机中，最大进汽实际上是100%。如果滑压以一个较高流量(较大的第一级进汽值)开始，在性能方面存在一个损失。但是，在有8个调节阀的汽轮机中，从75%进汽滑压就会消去第六个调节阀的阀门特性曲相当大的部分(阀门节流)，这个阀门应以恒定的节流压力运行。当从62.5%进汽开始滑压时，产生类似的情况第5个阀门的调节阀特性曲线的相当大的部分被消去。消去这些调节阀特性曲线改善了汽轮机的热耗和它的效率。
图1说明在有8个调节阀的部分进汽式汽轮机中滑压控制的影响。横坐标代表蒸汽流量值，纵坐标代表热耗。线10表示具有节流调节的恒定压力，而线12代表在一个全周进汽式汽轮机上的滑压。线14代表具有顺序阀门调节(部分进汽)的恒定压力，虚线16、18、20和22代表调节阀特性曲线。调节阀特性曲线由一系列控制或调节阀的每一个逐渐节流得出的。从75%进汽开始的滑压运行用线24表示。注意，调节阀特性曲线20多半被沿曲线24的滑压消去，但是热耗(效率的倒数)在低于62.5%进汽点时不相称地增加。线26表示从62.5%进汽点开始的滑压，有了某些改善，但不影响调节阀特性曲线16，18和20。类似地，从50%进汽开始的滑压(线28)在低端有帮助，但不影响调节阀特性曲线16～22。这些调节阀特性曲线的每一条，与用线14表示的理想曲线相比，热耗偏高效率降低。
图2，3和4说明便用一种先有技术控制的一个典型汽轮机的工作情况。图2显示出全阀位的轨迹，线30为在2535磅/平方英寸绝对压力(PSIA)的恒定压力下工作的轨迹。阀位在50%、75%、87.5%和100%进汽，用线32、34和36表示调节特性曲线，用线38，40和42表示滑压。在100%进汽时开始，保持所有的8个调节阀全开，并控制锅炉产生的蒸汽使节流压力滑降，大约在该典型汽轮机系统806兆瓦时负荷开始减少。当节流压力(线38)达到与调节阀特性曲线32的交点时，节流压力增加到2535PSia，与此同时关小第8个调节阀。当负荷进一步减少时该调节阀应继续关小，同时维持2535Psia的节流压力，一直到这个阀门完全关闭，在该位置，汽轮机在87.5%进汽下工作，为进一步减少负荷，阀门位置再次保持恒定，7个阀门全开，而且节流压力再次减少，一直减到节流压力相应于滑压线40和第七个调节阀的特性曲线34的交点。为使负荷减到低于这个点，压力增加到2535Psia，第7个阀门逐渐地关小(沿该调节阀特性曲线向下)一直到它完全关闭。现在进汽是75%。为更进一步减少负荷，6个阀门全开和二个阀门全关使压力再次减少，一直到节流压力线42达到和调节阀特性曲线36的交点，此处第5个和第6个阀门在恒定的节流压力下同步动作。然后，对任意要求的阀门个数，反复进行增加节流压力和关小阀门的操作。图3示出节流压力的变化。线46的倾斜部分44与具有恒定阀门位置的滑压方式有关。垂直部分48与没有阀门节流的滑压终点有关，而其最高点则表示在具有阀门节流的全压下工作。平行部分50表示沿调节阀特性曲线向下，同时在恒压下减少负荷。图4表示作为负荷函数的热耗方面的改善。线52表示在恒定压力下调节阀特性曲线效益和阀位间改变压力的效益之间的差别。
在图2和4中表明的效益改善是根据这样的假设，即当节流压力减少时，锅炉给水泵排水量减少。如果不是按比例减少，这个改善则减少，因为维持给水压力所需要的能量仍旧较高。在先有技术系统中，一个信号被送到给水泵-给水泵驱动系统，以便减少压力。但是，实际上给水泵是由压力调节器跟踪的，以免对给水泵速度不断调节和产生控制的不稳定性并且消除由于流量需求变动引起的、去锅炉的进口水压的微小变化而导致的摆动。同时，这个调节器或多或少进行节流，这样就改变了泵的出口压力，从而改变了泵的流量。在调节器阀门要求的行程范围以内，给水泵的速度保持恒定。当阀门行程达到这些限制以外时，就调整给水泵的速度以便使阀门移到某个要求的平均位置。结果这个给水泵的出口压力并不等于最小的允许值(节流压力加系统压头损失)，因此，效益的改善并不象图2和4所示的那样大。另外，为了获得较快的负荷响应，调节器阀门通常用某个压降操作，为的是如果在负荷需求方面有一个突然的增加，这个阀门可以很快地开启和增加流量。泵的响应和它的驱动比调节器阀门的响应慢。
在本发明的若干目的和优点中，可以被注意的是，提供了一种部分进汽式汽轮机的运行方法，它克服了上述的许多缺点，而且提供了一种具有较快负荷响应和对汽轮机系统热耗有利的方法，这个汽轮机系统不能在可变压力下运行，或在锅炉系统方面在可变压力下运行是不合要求的。
在一个系统中描述本发明的方法，这个系统利用滑压和阀门节流的联合，来获得较好的效率。特别是，它和一个汽轮机系统一起被描述，在这个系统中假设有一个锅炉和在基本恒定压力下工作的一级过热器。一个档板阀(divisionvalve)将一级过热器连到末级过热器。一个控制系统被连到档板阀，以便调节这个档板阀，这样，末级过热器和汽轮机可以滑压运行，同时维持锅炉和一级过热器恒压运行。这个系统用调节档板阀来减少调节阀特性曲线的尺寸，直到这个可变压力和计算求出的调节阀特性曲线值相交的办法运行。然后，压力增加到它的正常工作值，有关的部分进汽调节阀关闭。此后，档板阀工作，直到可变压力与计算求出的调节阀特性曲线压力的另一个交点，在该点再次升压，有关的调节阀节流直至关闭。
在先有的技术程序减少给水泵的出口(实际上为调节器出口)压力，以便减少节流压力时，本系统在档板阀上节流以滑降节流压力。负荷响应是很好的，因为锅炉压力并不减少。另外，本发明既可用于亚临界压力锅炉，也可用于超临界压力锅炉，如果以一种真正的滑压方式运行，这种锅炉就不能可靠地运行或可能要承受不合要求的温度变化。特别是，在一种类型中，本发明包括一个汽轮机发电系统，它具有一个部分进汽汽轮机并与其所驱动的发电机相连。为在预定压力和温度下供汽，提供了一种锅炉装置，这种锅炉装置包括一个一级过热器，一个串连的控制蒸汽压力的档板阀和一个末级过热器。这个系统还包括控制汽轮机每个部分弧段进汽的多个调节阀，和一个控制调节阀和档板阀工作、响应该系统负荷需求的微机系统控制装置，以便维持所需的汽轮机的供汽压力。这个控制装置提供控制信号到档板阀和调节阀，使档板阀与按顺序关闭的每个调节阀同步工作。对于一个现有的进汽弧段，为根据最佳热耗减少蒸汽流量，操作档板阀以减少蒸汽压力。操作每个调节阀，以改变具有恒定蒸汽压力的进汽弧段(这样的调整提供一个比在档板阀控制下滑压运行更低的热耗)。在这个示意系统中，本发明的方法通过微机系统控制装置或控制计算所需要的蒸汽流量，保证汽轮机的出力与负荷需求相匹配，从而压低部分进汽汽轮机中调节阀的热耗曲线。这个控制装置确定用逐渐关闭调节或控制阀的一个阀门所形成的第一条蒸汽流量减小的调节阀特性曲线与由逐渐关小档板阀引起的相应减少蒸汽流量的第一个交点。这个档板阀逐渐关小，以减小节流阀处的蒸汽压力，直到获得第一个交点，如监视器的蒸汽流量所示。档板阀全开，使蒸汽压力回到它的正常值同时，同步关小第一个调节阀，以便使蒸汽流量保持在第一个交点的值。然后，与第一个调节阀特性曲线相对应逐渐关小一个调节阀，直至全关。这个控制装置感受到第一个调节阀的关闭，并确定第二个交点，这个交点是由关小另一个调节阀形成的第二个蒸汽流量减少调节阀特性曲线与关小档板阀引起的相应减少蒸汽流量相交而形成的。为减少在节流阀处的蒸流压力，逐渐地关小档板阀，直到达到第二个交点，之后，档板阀全开，使蒸汽压力回到它的正常值，同时同步关小另一个调节阀，以便使蒸汽流量保持在第二个交点的值。然后逐渐关闭这一个控制阀，对于多个调节阀的每条特性曲线重复关和开档板阀和顺序地关闭调节阀的各阶段，直到获得最小的进汽弧段。控制末级过热器，以便在减小压力时保持蒸汽温度。
为更好理解本发明，后面结合附图进行详细的描述，其中图1为表征一种先有技术汽轮机控制方法的蒸汽流量～热耗曲线族;
图2为表征另一个先有技术汽轮机的控制方法的特性曲线;
图3说明对于图2的方法做为负荷函数的节流压力;
图4说明对于图2的方法计算出的效率改善;
图5是为执行本发明方法的系统图。
图5描绘了一个典型的汽轮机电厂功能方框图，适用于体现本发明的原理。在图5的电厂中，常规锅炉54可以是核燃料，也可以是各种矿物燃料生产蒸汽，蒸汽通过联箱56、一级过热器58、档板阀60、末级过热器62和节流阀61送往一组63所示的部分进汽调节阀。与钴炉54有关的是常规钴炉控制器64，用它控制各种钴炉参数，如联箱56的蒸汽压力。更具体地说，联箱56处的蒸汽压力一般是用定值控制器(没有画出)控制的，它被布置在钴炉控制器64内。这种定值控制器的设置对所有在相应技术方面熟练的人是众所周知的，因此本实施例不详细叙述。根据蒸汽进汽阀63的定位，调节蒸汽进入汽轮机的高压部分66。通常，高压汽轮机部分66的排汽在最后进入70所示的低压汽轮机部分以前被再热。低压汽轮机部分70的排汽进入常规凝汽器72。
在许多情况中，共用轴74机械地将汽轮机部分66和70连到发电机组76，当蒸汽通过汽轮机部分66和70膨胀时，它将大部分能量变成驱动轴74的转矩。在电厂启动时，调节通过汽轮机部分66和70的蒸汽，使汽轮机轴的转速与线电压或它的次诸波同步。一般这是用常规转速传感变速器77测定汽轮机轴74的转速完成的。由变送器77产生的信号72代表转轴速度，并被送到常规汽轮机控制器80。控制器80用信号线82依次控制蒸汽进汽阀的定位，以便根据要求的速度定值和测得的送至汽轮机控制器80的速度信号78，调整通过汽轮机部分66和70的蒸汽，在汽轮机启动时可以控制节流阀，允许调节阀63全开，直到该汽轮机在大约5%负荷时开始工作。然后，这个系统转变到部分进汽工作，而节流阀61全开。但是节流阀61一般是一个事故阀，被用于紧急停机。从控制器80引出的线65将控制信号送到阀61。
一个典型的主开关装置84被布置在发电机76和电力负荷86之间，为了本描述的目的，可以认为它是一个庞大的输电和配电网，当汽轮机控制器80确定存在同步条件时，主开关可以合闸，以提供电解到电力负荷86。电厂的实际电力输出可以用常规的电力测量变送器88测量，例如瓦特变送器，它被连到将电能送到负荷86的电力输出线上。代表电厂实际电力输出的信号通过信号线90被送到汽轮机控制器80。一旦完成并网，控制器80可以按常规控制蒸汽进汽阀63，将与所需的该电厂的发电功率相当的蒸汽送到汽轮机部分66和70。
根据本发明，配置了一台最佳汽轮机效率控制器92，作为汽轮机发电厂的一部分。控制器92用测量各种汽轮机参数的办法监监在要求的设备出力下设备的热力学条件(关于这点下面将具体描述)同时，用信号线94将控制器92与钴炉控制器64相连，利用这个信息控制钴炉汽压的调整。在本实施例中，钴炉压力的调整可以用改变定值控制器(未示出)的定值来实现，通常已知定值控制器是钴炉控制器64的一部分。例如在许多定值控制器中可以是这个情况，被测参数(如蒸汽压力)的反馈基本上接近定值，与定估的偏差通常是压力定值控制器输出/输入增益特性的函数。对于本发明来说，更重要的是，控制器92利用信号线46控制档板阀60的定位。阀60可以是一个常规的电动机械式蒸汽控制阀。利用控制阀60，控制器92能调节节流蒸汽压力，即在控制阀63前的蒸汽压力。阀60的控制避免了在启动时为了进行调整而使用节流阀61，因此简化了它对开或闭控制。档板阀60为从全周进汽启动较好地转换到部分进汽运行给汽轮机66提供了一个更好的环境。
汽轮机参数，如节流蒸汽压力和温度，分别用常规压力变送器96和温度变送器98测量。由变送器96和98分别产生的信号100和102可以提供给最佳透平效率控制器92。另一个参数，在再热器68的汽轮机再热蒸汽温度用常规温度变送器104测量，它产生一个信号106，也可以被送到控制器92，以便使用，在线90上的功率测量变送器88产生的信号可另外提供给控制器92。此外，一个重要的参数是一个影响通过汽轮机部分66和70的蒸汽流量的参数，为本实施例的目的，选择高压汽轮机部分66的冲动室的蒸汽压力是适宜的。在冲动室部分设置了一个常规压力变送器108，以便产生和提供一个信号110，这个信号代表冲动室的蒸汽压力，被送到控制器92。
足以更具体描述控制器92工作情况的汽轮机效率控制器92的一个实施例在美国专利No.4，297，848中给出，它转让给本发明的受让人，做为参考文件列在这里。
如上述美国专利No.4297848中描述的，控制器92和控制器80可以包括微机系统，用于计算合适的定值(例如节流压力和蒸汽流量)，以便在响应负荷需求时，汽轮机系统能最佳工作。在本发明中，希望控制用于阀门63的节流汽压，以便产生最佳系统效率，同时具有快速响应增加负荷需求的能力。图5的系统，通过控制档板阀60和末级过热器62以调节节流蒸汽压力的方式获得了这个结果，而不用改变档板阀60之前的锅炉压力，它是在先有技术系统中已经做到的，响应减少负荷需求的工作方法是计算交点，在这个点，以恒压通过控制阀63的蒸汽流量等于用减小压力获得的蒸汽流量。由于从汽轮机压力和流量能很快计算出这些值，它们可以预先获得并储存在微机控制器92的相应查表存储器中。对于每条用图2所述方式顺序地逐渐关闭阀63所确定的调节阀特性曲线，计算这些点。然后逐渐地关闭阀60，开始减少流量，直到达到第一个交点。然后阀60全开，这样压力可以快速地返回到它的正常工作值，调节阀63的第一个阀关到蒸汽流量保持在交点值的程度。然后，在受控速度下逐渐关小调节阀，直到全关。然后用档板阀60再次减小压力，直到与调节阀特性曲线的第二个交点，并重复上述步骤。通过档板阀60的这种重复循环工作，结合逐步关闭控制阀63，不用减小档板阀60之前的锅炉压力就可以获得最佳效率。因此，系统就按所希望的图3上的曲线形状运行，而无需延长时间来恢复到正常运行压力。
在图中使用的编号图例编号图锅炉545一级过热器585未级过热器625锅炉控制器645再热器685凝结器725发电机765汽轮机控制器805负荷865MW变送器885最佳汽轮机效率控制器92权利要求
1.一种有多个控制蒸汽流入汽轮机的调节阀的部分进汽汽轮机中减少阀节流的方法，从锅炉经一个档板阀和一个二级过热器提供蒸汽，所谓的档板阀有选择性地使汽轮机实现部分进汽运行，用至少连到档板阀和调节阀的一台微计算机型控制器控制汽轮机响应负荷需求，其特征在于在控制器中计算为实现与负荷需求相应配的汽轮机功率输出所需要的蒸汽流量数值，由曲线确定，第一条由逐渐关闭调节阀中的一个阀门形成的蒸汽流量减少调节阀特性曲线与由于逐渐关闭档板阀引起的相应减少的蒸汽流量的第一个交点，逐渐地关闭档板阀，以减少在调节阀处的蒸汽压力，直到获得第一个交点，如监测到的蒸汽流量所示；全开档板阀，使蒸汽压力返回到正常值，同时同步关闭调节阀的一个阀门，使蒸汽流量维持在第一个交点的值；与第一个调节阀特性曲线相一致地逐渐关闭调节阀中的一个阀门，直到全关；检测这一个调节阀已关闭；由曲线确定，由关闭调节阀的另一个阀门形成的第二个蒸汽流量减少调节阀特性曲线与关闭档板阀引起的相应减少的蒸汽流量的交点；逐渐地关闭档板阀，以减小调节阀处的蒸汽压力，直到达到第二个交点；全开档板阀，使蒸汽压力返回到它的正常值，同时同步关闭调节阀的另一个阀门，以便蒸汽流量维持在第二个交点的值；逐渐地关闭调节阀的另一个阀门，一直到它全关；然后重复档板阀的关和开的步骤，对于多个调节阀特性曲线的每一个个，按顺序地关闭各调节阀。
2.根据权利要求1所述的方法，包括控制末级过热器以便在减小压力时维持蒸汽温度的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，包括在汽轮机启动时全开调节阀的各种步骤，以便用控制档板阀的办法调节蒸汽压力。
4.一种汽轮机发电系统，包括带动发电机的部分进汽汽轮机，为在预先确定的压力和温度下提供蒸汽的锅炉装置(54)，这个锅炉装置包括一个一级过热器(58)、一个串联的控制蒸汽流量和压力的档板阀(60)，一个末级过热器(62)，这个系统还包括控制蒸汽进入每个部分进汽弧段的若干个调节阀，其特征在于微计算机控制装置(80)、(92)，用于控制调节阀和档板阀的工作，以响应系统上的负荷需求，使汽轮机保持恒速运行，这个控制装置提供各种控制信号给档板阀和调节阀，使档板阀和按顺序关闭每一个控制阀同步工作，对于一个现有的蒸汽进汽弧段，为了根据最佳热耗减少蒸汽流量，控制档板阀(60)以减小蒸汽压力，控制每个调节阀，以便在恒定的汽压下调整该进汽弧段，因为这样的调整比滑压提供一个更低的热耗。
全文摘要
汽轮机发电系统包括与锅炉系统相连的部分进汽汽轮机、一级过热器、控制蒸汽流量和压力的串连挡板阀和末级过热器、控制蒸汽进入各部分进汽弧段的多个控制阀和一台微机系统控制装置。该控制装置控制调节阀和挡板阀的工作，响应该系统负荷需求，维持汽轮机的恒速运行。该控制装置提供控制信号，对一个现有的进汽弧段，根据最佳热耗减小蒸汽压力，并在恒定汽压下调整进汽弧段，因为这样的调整提供一个比用档板阀滑压更低的热耗。
文档编号F01D17/00GK1039466SQ8910465
公开日1990年2月7日 申请日期1989年7月10日 优先权日1988年7月11日
发明者乔治·乔斯·西尔维斯特 申请人:西屋电气公司