專利名稱：透平運(yùn)行方法和透平裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透平運(yùn)行方法和一種透平裝置。
在工業(yè)設(shè)備，例如發(fā)電設(shè)備中，為了推動(dòng)透平向透平輸入氣態(tài)介質(zhì)。透平通常與用于生產(chǎn)電能的發(fā)電機(jī)連接或例如驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或泵。在汽輪機(jī)中氣態(tài)介質(zhì)是新蒸汽。這種新蒸汽在其輸入透平前在連接在透平上游的一鍋爐內(nèi)被加熱。
整個(gè)透平裝置，尤其是透平，針對規(guī)定的溫度例如520℃來設(shè)計(jì)。當(dāng)超過規(guī)定的例如在450℃與550℃之間的溫度范圍時(shí)，可能造成影響運(yùn)行和導(dǎo)致透平的損壞。新蒸汽溫度的波動(dòng)歸諸于多種原因，例如由于借助其燃燒氣體來加熱新蒸汽的燃料質(zhì)量發(fā)生波動(dòng)，或由于在鍋爐方面或鍋爐的溫度調(diào)節(jié)方面存在問題。
為了保護(hù)透平，當(dāng)偏離規(guī)定的溫度范圍時(shí)目前的措施是切斷新蒸汽的輸入。
本發(fā)明的目的是提供一種運(yùn)行透平的方法和一種透平裝置，按本發(fā)明可避免由于溫度的影響破壞或損壞透平。
按本發(fā)明為達(dá)到此目的采用一種運(yùn)行透平尤其是汽輪機(jī)的方法，氣態(tài)介質(zhì)輸入透平，其中，監(jiān)測介質(zhì)的溫度隨時(shí)間的改變。
溫度變化的監(jiān)測，亦即溫度梯度變化過程的觀察，以下列考慮為基礎(chǔ)過快的溫度變化，即使這種溫度變化處于在絕對極限值之間允許的溫度范圍內(nèi)，也會(huì)導(dǎo)致透平的損壞。因?yàn)闇囟雀淖冞^快或出現(xiàn)溫度突變時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生尤其對透平的效率有不利影響的材料問題，以及在有的情況下會(huì)導(dǎo)致斷裂和材料破壞。因此，與傳統(tǒng)的其中僅監(jiān)測溫度是否超過規(guī)定的絕對極限值的方法相比，本發(fā)明獲得了顯著改善的保護(hù)功能。
由此，監(jiān)測溫度變化提供了這樣一種可能性，即，當(dāng)溫度改變過大或過快時(shí)已經(jīng)采取了恰當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。
優(yōu)選地，當(dāng)超過一最大的作為溫度隨時(shí)間改變的度量的溫度梯度時(shí)，通過實(shí)施快速關(guān)閉，中斷介質(zhì)向透平的輸入。因此，在本方法中對于溫度變化有一允許的規(guī)定值。當(dāng)此值尤其較長時(shí)間被超過時(shí)，為防止透平的熱負(fù)載過大，中斷新蒸汽的輸入。
按一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)，最大允許的溫度梯度根據(jù)透平的負(fù)載狀態(tài)確定，確切地說尤其按這樣的方式來確定，即，隨著負(fù)載增大，所要確定的最大允許的溫度梯度也相應(yīng)減小。這是基于如下考慮，即，在低的負(fù)載狀態(tài)，新蒸汽向透平材料的傳熱量尤其基于新蒸汽較小的密度和低的速度因而較小。因此在低負(fù)載區(qū)允許較大的溫度梯度，不存在損壞透平的危險(xiǎn)。
比較相宜的是，除監(jiān)測溫度梯度外，若超過溫度的絕對極限值，也中斷向透平輸入介質(zhì)。也就是說要規(guī)定允許的絕對溫度范圍，新蒸汽溫度只允許在此范圍內(nèi)變動(dòng)。
為了使監(jiān)測所需費(fèi)用保持很低，比較有利地是周期性查詢新蒸汽當(dāng)前溫度的實(shí)際值，通過比較彼此相繼的實(shí)際值，確定溫度的改變和溫度梯度。
按一項(xiàng)特別有利的設(shè)計(jì)，根據(jù)當(dāng)前溫度的實(shí)際值確定一動(dòng)態(tài)極限值，它隨溫度變化過程改變，但最多處于最大溫度梯度范圍內(nèi)。因此通過確定動(dòng)態(tài)極限值，定義了一個(gè)允許溫度在其中波動(dòng)的溫度范圍。通過這樣動(dòng)態(tài)化的確定，顧及了一些允許的溫度改變，例如溫度在起動(dòng)過程中連續(xù)地上升。從而避免了錯(cuò)誤起動(dòng)保護(hù)功能的危險(xiǎn)。
因?yàn)榭赡馨l(fā)生沿兩個(gè)方向的溫度變化，優(yōu)選地確定一個(gè)動(dòng)態(tài)的下極限值和一個(gè)動(dòng)態(tài)的上極限值。在這里動(dòng)態(tài)極限值有利地確定為使其和實(shí)際值的差值為規(guī)定的溫度值。也就是說，此規(guī)定的溫度值提供了在實(shí)際值與動(dòng)態(tài)的上極限值或動(dòng)態(tài)的下極限值之間的一個(gè)固定的不發(fā)生極端溫度變化的溫度范圍。若出現(xiàn)溫度梯度超過最大允許溫度梯度，則顯然縮短了實(shí)際值到其中一個(gè)動(dòng)態(tài)極限值的距離，直至實(shí)際值最終超過極限值。在超過最大溫度梯度時(shí)，實(shí)際值曲線與動(dòng)態(tài)極限值曲線相交。
比較有利地是將超過動(dòng)態(tài)極限值作為存在不允許的溫度變化的證據(jù)，并中斷介質(zhì)向透平的輸入。
為了避免例如由于短時(shí)電的影響過快地起動(dòng)保護(hù)功能，在超過動(dòng)態(tài)極限值或絕對極限值后，只有此動(dòng)態(tài)極限值或絕對極限值經(jīng)至少另一個(gè)查詢周期仍繼續(xù)被超過時(shí)，才調(diào)整介質(zhì)向透平的輸入。也就是說，通過觀望至少另一個(gè)查詢周期，插入一定的緩沖時(shí)間。
在這里優(yōu)選地在超地動(dòng)態(tài)極限值或絕對極限值后縮短查詢周期，也就是以更短的時(shí)間間隔重復(fù)溫度測量。從而以有利的方式使溫度的查詢頻度與需要相適應(yīng)，換句話說，在正常的過程中溫度的查詢次數(shù)較少，而在臨界的過程中溫度被頻繁地查詢。
按一種合乎目的的設(shè)計(jì)規(guī)定，在透平起動(dòng)時(shí)和/或在發(fā)生一次溫度變化過程的監(jiān)測錯(cuò)誤后，利用第一次新測量的新蒸汽溫度實(shí)際值確定動(dòng)態(tài)極限值。由此保證以監(jiān)測溫度變化為基礎(chǔ)的保護(hù)功能有可靠的作用方式，并避免儲(chǔ)存透平停車前最后一次測量的實(shí)際值及將其用來規(guī)定動(dòng)態(tài)極限值。因?yàn)橐蝗辉谕钙街匦缕饎?dòng)時(shí)當(dāng)由于儲(chǔ)存的實(shí)際值與當(dāng)前實(shí)際值明顯不同時(shí)而必然導(dǎo)致起動(dòng)保護(hù)功能并因而關(guān)閉新蒸汽的輸入。作為接入保護(hù)功能的準(zhǔn)則，比較有利地是，在發(fā)電用透平的情況下采用發(fā)電機(jī)開關(guān)閉合，而在驅(qū)動(dòng)用透平的情況下采用超過最低驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速。
為了向操作人員報(bào)告由于異常的溫度改變而已經(jīng)處于可能的危險(xiǎn)之中，比較有利地是當(dāng)實(shí)際值接近動(dòng)態(tài)極限值和/或絕對極限值時(shí)發(fā)出警報(bào)。尤其在實(shí)際值接近一個(gè)極限值到一預(yù)定的間距時(shí)發(fā)出這種警報(bào)。報(bào)警例如可以是聲音警報(bào)和/或光警報(bào)。
為了能盡可能及時(shí)起動(dòng)保護(hù)功能，在介質(zhì)進(jìn)入透平之前，確切地說尤其在連接在透平上游的鍋爐區(qū)域內(nèi)或緊接在一個(gè)所謂的集汽箱之后就已經(jīng)監(jiān)測介質(zhì)的溫度變化。因此在發(fā)生不允許的溫度變化情況下，在過冷或過熱的蒸汽到達(dá)透平前實(shí)施快速關(guān)閉。
優(yōu)選地，只有當(dāng)透平在一預(yù)定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)才能激活此保護(hù)機(jī)理，亦即才可阻止介質(zhì)向透平的輸入。因此，尤其在透平起動(dòng)時(shí)不激活保護(hù)功能。這樣做并不影響安全可靠性，因?yàn)樵谶@種情況下以及在低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于溫度變化導(dǎo)致破壞的危險(xiǎn)性較小。
此外，本發(fā)明的目的還可通過這樣一種透平裝置達(dá)到，它包括一臺(tái)可用氣態(tài)介質(zhì)工作的透平、用于檢測介質(zhì)溫度的一溫度傳感器以及一個(gè)保護(hù)裝置，用于確定溫度變化過程和用于在超過一個(gè)溫度梯度時(shí)中斷介質(zhì)向透平的輸入。
已提及的有關(guān)此方法的優(yōu)點(diǎn)和恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)均可相應(yīng)轉(zhuǎn)用于此透平裝置。
下面借助附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式，附圖中

圖1為一個(gè)透平裝置大大簡化地表示的示意圖；圖2至5分別示出新蒸汽溫度的不同變化過程和相關(guān)的動(dòng)態(tài)極限值曲線；以及圖6為最大允許溫度梯度與透平負(fù)載狀態(tài)的關(guān)系示圖。
按圖1的透平裝置2包括一透平4，尤其是一汽輪機(jī)，它通過一軸6與一產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)8連接。透平4由氣態(tài)介質(zhì)尤其是新蒸汽推動(dòng)。新蒸汽在鍋爐10中產(chǎn)生，并從那里經(jīng)一蒸汽管12供入透平4。蒸汽管12可借助一閥14尤其是一快速關(guān)閉閥截止。透平裝置2還包括一保護(hù)裝置16和一個(gè)溫度傳感器18，在按圖1的實(shí)施例中它就在鍋爐10的區(qū)域內(nèi)直接裝在蒸汽管12上。保護(hù)裝置16通過一條數(shù)據(jù)線20與溫度傳感器18連接，并通過一條控制線22與閥14連接。在需要的情況下通過經(jīng)控制線22觸發(fā)快速關(guān)閉來激活透平保護(hù)。
溫度傳感器18用于檢測新蒸汽溫度T的實(shí)際值I。測得的實(shí)際值I傳輸給保護(hù)裝置16并在那里予以儲(chǔ)存和分析。保護(hù)裝置16周期性查詢實(shí)際值I，在這里，查詢周期例如為6秒鐘。以此方式由保護(hù)裝置16檢測到的新蒸汽溫度T隨時(shí)間的變化過程，優(yōu)選地借助一顯示器24，尤其是一熒光屏或一數(shù)字測量儀光學(xué)地表示。根據(jù)測得的實(shí)際值I隨時(shí)間的變化，亦即根據(jù)由測得的實(shí)際值I確定的溫度梯度dT/dt，保護(hù)裝置16決定是否操縱閥14。在操縱的情況下優(yōu)選地觸發(fā)快速關(guān)閉，所以透平4被停止輸入新蒸汽。閥14的快速關(guān)閉用于保護(hù)透平防止由于過大的溫度梯度造成例如形式上為裂紋的熱破壞。此外，當(dāng)測得的實(shí)際值I低于或超過一絕對極限值時(shí)同樣激活快速關(guān)閉。通過按這種方式監(jiān)測溫度T，可為透平4提供良好的保護(hù)功能。
為了使測得的實(shí)際值I盡可能與新蒸汽真實(shí)的溫度T一致，溫度傳感器18設(shè)計(jì)為快速熱電偶，這種熱電偶的特征在于，它通過其金屬觸點(diǎn)直接裝在蒸汽管12的一根所謂潛管(Tauchrohr)上。由系統(tǒng)的測量誤差引起的在測得的實(shí)際值I與真實(shí)的溫度T之間的差異，優(yōu)選地由保護(hù)裝置16自動(dòng)修正。下面為了簡單起見，認(rèn)為測量的實(shí)際值I與實(shí)際溫度T一致。
下面借助圖2至5詳細(xì)說明保護(hù)裝置16內(nèi)的內(nèi)部決策過程。在這些圖中分別示出溫度T隨時(shí)間t的變化。圖中共示出了三種溫度變化過程，亦即新蒸汽溫度T的溫度曲線28和動(dòng)態(tài)上極限值曲線30以及動(dòng)態(tài)下極限值曲線32。溫度曲線28由一定數(shù)量不連續(xù)的實(shí)際值I構(gòu)成，它們由控制裝置16檢測并作為舉例在圖中表示了其中之一。為每個(gè)測得的實(shí)際值I配設(shè)一動(dòng)態(tài)上極限值OG和一動(dòng)態(tài)下極限值UG。這些一個(gè)個(gè)不連續(xù)的動(dòng)態(tài)極限值OG、UG構(gòu)成兩條動(dòng)態(tài)極限值曲線30、32。
為了監(jiān)測新蒸汽的溫度T，在每個(gè)查詢周期中將測得的實(shí)際值I與動(dòng)態(tài)極限值OG、UG進(jìn)行比較情況A實(shí)際值I小于上極限值OG和大于下極限值UG。重新確定動(dòng)態(tài)極限值OG、UG。
在上極限值OG的情況下這一點(diǎn)這樣實(shí)現(xiàn)，即，一方面將新測得的實(shí)際值I與個(gè)規(guī)定的溫度值X相加。另一方面將迄今為止的上極限值OG增大一個(gè)改變值Y。
現(xiàn)在，為了確定新的上極限值OG，將由實(shí)際值I和溫度值X組成的總和(I+X)與由目前的上極限值OG和改變值Y組成的總和(OG+Y)互相比較。將較小的總和值定義為新的上極限值OG。
同樣地，在確定下極限值UG時(shí)這樣來進(jìn)行，即從實(shí)際值I中減去溫度值X以及從下極限值UG中減去改變值Y，而較大的總值確定為新的下極限值UG。
在這里，改變值Y按新蒸汽溫度T最大允許的溫度梯度dT/dt(max)來確定。確切地說，改變值Y的變化dY/dt與最大溫度梯度dT/dt相同。作為最大溫度梯度dT/dt(max)例如使用3K/min的值。在一個(gè)優(yōu)選地為6秒的查詢周期中這等于0.3K/查詢周期。因此，在這種情況下改變值Y為0.3K。
按上述規(guī)則確定的極限值曲線30、32構(gòu)成了一條允許的溫度帶34，溫度曲線28可在此溫度帶內(nèi)改變，而不會(huì)觸發(fā)快速關(guān)閉。此溫度帶34是動(dòng)態(tài)的并遵循著溫度曲線28的變化過程。只是在非?？焖俸统掷m(xù)地改變溫度時(shí)，溫度曲線28才會(huì)從允許的溫度帶34離開。這導(dǎo)致情況B，此時(shí)實(shí)際值I超過上極限值OG或低于下極限值UG。這優(yōu)選地在一個(gè)檢查階段后實(shí)施自動(dòng)激活閥14的快速關(guān)閉。在圖3中具體表示了這一情況。
按圖2，溫度曲線28有兩個(gè)不連續(xù)點(diǎn)。除此之外都為水平的直線。其中溫度一次階躍式地上跳和一次階躍式地下落。溫度曲線28在增加后起先靠近動(dòng)態(tài)上極限值曲線30，后者按上述算法規(guī)則逐漸朝最高溫度值方向移動(dòng)，直至它最終重新離溫度曲線28的距離為溫度值X。上極限值曲線30的坡度由改變值隨時(shí)間的變化dY/dt決定。與上極限值曲線30相反，下極限值曲線32直接跟著溫度曲線28一起階躍，也就是說下極限值曲線32同樣有一個(gè)階躍。其原因在于，為了計(jì)算新的下極限值UG，需將實(shí)際值I減去溫度值X。在一次有相反的符號的階躍時(shí)，亦即在溫度曲線28的一次階躍式地下落時(shí)，極限值曲線30、32適用相同的原則，亦即下極限值曲線32逐漸朝更低的溫度值移動(dòng)，而上極限值曲線30則同時(shí)階躍式地下落。
下面借助圖3說明情況B，亦即說明保護(hù)功能的觸發(fā)，溫度曲線28分成四個(gè)分區(qū)。在這些分區(qū)內(nèi)溫度梯度dT/dt逐步增大，并在第四分區(qū)超過最大溫度梯度3K/min。可以看出，極限值曲線30、32起先一直跟隨溫度曲線28保持溫度值X的間距，直到在第四分區(qū)內(nèi)溫度梯度dT/dt變得過大為止。因此溫度曲線28伸出溫度帶34并與下極限值曲線32在時(shí)刻t1相交。一旦發(fā)生這一情況，有利地將查詢周期例如從6秒縮短到2秒。當(dāng)優(yōu)選地在另外三個(gè)短的周期后實(shí)際值I繼續(xù)處于極限值曲線32之下，則在時(shí)刻t2實(shí)施快速關(guān)閉。通過另一些具有較短查詢周期的檢查周期的觀望，保證個(gè)別事件，例如一次測量錯(cuò)誤或另一次電的影響，不會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)快速關(guān)閉。
圖4和5表示了另一些典型的溫度變化曲線28和相應(yīng)的極限值曲線30和32的變化過程。由圖5可以看出，溫度曲線28階躍式交替變化，導(dǎo)致溫度帶34明顯變窄。只有當(dāng)溫度曲線28重新連續(xù)延伸時(shí)溫度帶34才展寬，從而使極限值曲線30、32與溫度曲線28相隔溫度值X的距離。
圖5中除動(dòng)態(tài)極限值曲線30、32外還畫上了上絕對極限值OA和下絕對極限值UA兩條粗直線。由圖5還可看出，溫度曲線28與代表上極限值OA的水平線在時(shí)刻t3相交，從而導(dǎo)致觸發(fā)快速關(guān)閉。因此，除了監(jiān)測溫度梯度dT/dt外，保護(hù)裝置16還監(jiān)測新蒸汽溫度T是否超過或低于絕對極限值OA和UA。
按圖6，最大溫度梯度dT/dt(max)隨負(fù)載狀態(tài)L的增大而減小。優(yōu)選地，當(dāng)負(fù)載狀態(tài)L很低時(shí)最大溫度梯度dT/dt(max)約為10K/min，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)直線下降到約3K/min。在圖6中負(fù)載狀態(tài)L表示為在0與1之間的相對量。最大溫度梯度dT/dt(max)與負(fù)載狀態(tài)L的這種關(guān)系對安全性不可能造成損害，因?yàn)樵诘拓?fù)載運(yùn)行時(shí)，從新蒸汽向透平4的傳熱量比滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)小。按一種簡化方案，最大溫度梯度dT/dt(max)優(yōu)選與負(fù)載狀態(tài)L無關(guān)地規(guī)定為最小值。
權(quán)利要求
1.一種有氣態(tài)工作介質(zhì)輸入其中的透平(4)尤其是汽輪機(jī)的運(yùn)行方法，其中，監(jiān)測介質(zhì)的溫度(T)隨時(shí)間的改變。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)一最大溫度梯度dT/dt(max)被超過時(shí)，中斷介質(zhì)向透平的輸入。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中，最大允許的溫度梯度dT/dt(max)根據(jù)透平(4)的負(fù)載狀態(tài)(L)確定，具體而言尤其按這樣的方式來確定，即，隨著負(fù)載狀態(tài)(L)增大，最大允許的溫度梯度(dT/dt(max))減小。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，當(dāng)溫度(T)的一絕對極限值(OA、UA)被超過時(shí)，中斷介質(zhì)向透平(4)的輸入。
5.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，周期性查詢當(dāng)前溫度(T)的實(shí)際值(3)。
6.按照權(quán)利要求2至5之一所述的方法，其中，根據(jù)當(dāng)前溫度(T)的實(shí)際值(I)確定一動(dòng)態(tài)極限值(UG、OG)，它隨溫度變化過程改變，但最多處于最大溫度梯度(dT/dt(max))范圍內(nèi)。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其中，確定一個(gè)動(dòng)態(tài)的下極限值(UG)和一個(gè)動(dòng)態(tài)的上極限值(OG)。
8.按照權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，動(dòng)態(tài)極限值(UG、OG)被確定為離實(shí)際值(I)的距離為一個(gè)規(guī)定的溫度值(X)。
9.按照權(quán)利要求6至8之一所述的方法，其中，在動(dòng)態(tài)極限值(UG、OG)被超過后，中斷介質(zhì)向透平(4)的輸入。
10.按照權(quán)利要求9或4所述的方法，其中，在動(dòng)態(tài)極限值(UG、OG)或絕對極限值(UA、OA)被超過后，只有在此動(dòng)態(tài)極限值(UG、OG)或絕對極限值(UA、OA)經(jīng)至少另一個(gè)檢驗(yàn)-查詢周期仍繼續(xù)被超過時(shí)，才中斷介質(zhì)向透平(4)的輸入。
11.按照權(quán)利要求10所述的方法，其中，在動(dòng)態(tài)極限值(UG、OG)或絕對極限值(UA、OA)被超過時(shí)，縮短查詢周期。
12.按照權(quán)利要求6至11之一所述的方法，其中，在透平(4)起動(dòng)時(shí)和/或在發(fā)生一次溫度變化過程的監(jiān)測錯(cuò)誤后，利用第一次新測量的實(shí)際值(I)來確定動(dòng)態(tài)極限值(UG、OG)。
13.按照權(quán)利要求6至12或4之一所述的方法，其中，當(dāng)實(shí)際值(I)接近動(dòng)態(tài)極限值(UG、OG)和/或絕對極限值(UA、OA)時(shí)發(fā)出警報(bào)。
14.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在介質(zhì)進(jìn)入透平(4)之前，具體而言尤其在連接在透平(4)上游的鍋爐(10)的區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測介質(zhì)的溫度變化過程。
15.按照權(quán)利要求2至14之一所述的方法，其中，只有當(dāng)透平(4)在一預(yù)定的負(fù)載狀態(tài)(L)之上運(yùn)行時(shí)，才能關(guān)閉介質(zhì)向透平(4)的輸入。
16.一種透平裝置(2)，它包括一臺(tái)可用氣態(tài)介質(zhì)工作的透平(4)、一個(gè)用于檢測介質(zhì)溫度(T)的溫度傳感器(18)以及一個(gè)用于確定溫度變化過程和用于在最大溫度梯度(dT/dt(max))被超過時(shí)中斷介質(zhì)向透平(4)輸入的保護(hù)裝置(16)。
全文摘要
為了將透平(4)的熱負(fù)載保持在允許的范圍內(nèi)，本發(fā)明建議監(jiān)測輸入透平(4)的介質(zhì)，尤其是新蒸汽的溫度(T)隨時(shí)間的變化。優(yōu)選地，當(dāng)一最大溫度梯度(dT/dt(max))被超過時(shí)，自動(dòng)快速關(guān)閉新蒸汽向透平(4)的輸入。
文檔編號F01D17/24GK1425103SQ00818528
公開日2003年6月18日 申請日期2000年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月2日
發(fā)明者羅伯特·塞茨 申請人:西門子公司