專利名稱：控制蒸汽渦輪輸入流量以限制外殼和轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蒸汽渦輪控制和性能，尤其涉及控制算法和通過采用對渦輪外殼和轉(zhuǎn)子的受控加熱，在將壽命循環(huán)應(yīng)力保持在極限范圍內(nèi)的同時，蒸汽渦輪的有效加載和卸載系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
發(fā)電的蒸汽渦輪具有大直徑的轉(zhuǎn)子和厚的外殼。在加載和卸載循環(huán)過程中，由于離心加載和熱膨脹，轉(zhuǎn)子受到應(yīng)力作用。在每一個開始/停止循環(huán)過程中，該轉(zhuǎn)子和外殼積累低循環(huán)的疲勞。當(dāng)該積累的低循環(huán)疲勞超過材料的極限時，存在形成裂紋的概率，必需更換設(shè)備。在每一個開始循環(huán)過程中積累的低循環(huán)疲勞損壞的水平，為該開始循環(huán)的峰值應(yīng)力經(jīng)歷的函數(shù)。渦輪輸入蒸汽溫度和流量確定金屬溫度改變的速率，因而確定在該外殼和轉(zhuǎn)子中的熱應(yīng)力。
當(dāng)前的控制蒸汽渦輪中的熱應(yīng)力的方法包括估計作為溫度測量(一般為渦輪入口附近的外殼金屬)函數(shù)的轉(zhuǎn)子應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力估計接近低循環(huán)疲勞極限時，蒸汽渦輪輸入閥的開放速度降低。這種方法的缺點是，峰值應(yīng)力在熱瞬態(tài)過程后10～15分鐘才出現(xiàn)。因為時間滯后這樣長，為了防止高的應(yīng)力循環(huán)，需要非常小的蒸汽流量。這限制了渦輪的工作能力和延長了起動時間。
因此希望控制蒸汽渦輪的蒸汽流量，以便將熱應(yīng)力限制至可接受的水平，同時可減少起動時間，和使工作能力最大。
發(fā)明概述在本發(fā)明的一個示例性實施例中，控制通過具有一個渦輪轉(zhuǎn)子的蒸汽渦輪的蒸汽流量的方法包括下列步驟(a)根據(jù)在該渦輪轉(zhuǎn)子中的熱應(yīng)力計算，確定最大的傳熱速率；(b)根據(jù)該最大的傳熱速率，計算最大的蒸汽流量；(c)確定通過該蒸汽渦輪的實際的蒸汽流量；和(d)根據(jù)該實際的蒸汽流量和最大的蒸汽流量之差，控制一個渦輪輸入閥。
在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，操縱具有一個渦輪轉(zhuǎn)子的蒸汽渦輪的方法包括下列步驟(a)根據(jù)與在該渦輪轉(zhuǎn)子中的熱應(yīng)力有關(guān)的參數(shù)，計算最大蒸汽流量；(b)確定通過該蒸汽渦輪的實際流量；和(c)根據(jù)該實際蒸汽流量和最大蒸汽流量之差，控制一個渦輪輸入閥。
在本發(fā)明的再一個示例性實施例中，控制通過具有一個渦輪轉(zhuǎn)子的蒸汽渦輪的蒸汽流量的控制系統(tǒng)包括測量輸入蒸汽溫度和由外殼內(nèi)表面溫度近似的轉(zhuǎn)子表面溫度的第一和第二個溫度測量裝置。第一和第二個壓力測量裝置測量輸入蒸汽的壓力和出口蒸汽的壓力?？刂蒲b置與該第一和第二個溫度測量裝置以及該第一和第二個壓力測量裝置連通；并按照根據(jù)(1)轉(zhuǎn)子表面溫度和轉(zhuǎn)子孔溫度之差；和(2)在該渦輪轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)子平均溫度熱應(yīng)力的計算，確定最大的傳熱速率。該控制器(i)根據(jù)該最大的傳熱速率，計算最大的蒸汽流量；(ii)根據(jù)輸入蒸汽的壓力、輸入蒸汽的溫度和出口蒸汽壓力，確定通過該蒸汽渦輪的實際蒸汽流量；和(iii)根據(jù)該實際蒸汽流量和最大蒸汽流量之差，控制一個渦輪輸入閥。
附圖簡要說明

圖1為渦輪轉(zhuǎn)子的示意性橫截面；圖2為包括各種傳感器的渦輪的示意圖；和圖3為表示控制系統(tǒng)和方法的示意性控制圖。
優(yōu)選實施例說明熱電廠(例如蒸汽渦輪)具有燃燒燃料產(chǎn)生熱的鍋爐。在發(fā)電廠中，熱能導(dǎo)入金屬管中，加熱管中的水，直至水沸騰變成蒸汽。將高壓的蒸汽送至渦輪。渦輪具有許多轉(zhuǎn)動一個角度的葉片或吊斗。當(dāng)蒸汽沖擊該吊斗時，吊斗轉(zhuǎn)動連接在該吊斗底部的一個渦輪軸。當(dāng)渦輪軸回轉(zhuǎn)時，發(fā)電機將機械的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為電。
用金屬絲或線圈卷繞的一個靜止圓環(huán)內(nèi)面，發(fā)電機有一個磁鐵。當(dāng)該在發(fā)電機內(nèi)部的磁鐵轉(zhuǎn)動時，在金屬絲中產(chǎn)生電流，這樣，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。
通過調(diào)制蒸汽渦輪輸入控制閥，調(diào)節(jié)通入渦輪的蒸汽流量，可以控制蒸汽渦輪中的熱傳導(dǎo)。如下面將要更詳細地說明那樣，根據(jù)可產(chǎn)生限制蒸汽渦輪外殼和轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力的適當(dāng)?shù)臒醾鬟f速率的輸入蒸汽溫度和外殼金屬溫度，可以確定蒸汽流量。渦輪輸入蒸汽壓力，輸入蒸汽溫度和渦輪出口壓力都可用來計算蒸汽渦輪的流量。該流量可以用作控制回路的測量反饋。
蒸汽渦輪的加載速度受到在轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度梯度引起的最大允許應(yīng)力的限制。圖1為一個轉(zhuǎn)子橫截面10的示意性示例圖?？椎臒釕?yīng)力由σB=Eα1-v(Tavg-Tbore)]]>給出。式中E為彈性模量，α為熱膨脹系數(shù)，ν為波松比。TAVG12為轉(zhuǎn)子的平均金屬溫度，TBORE14為轉(zhuǎn)子孔的金屬溫度。熱膨脹系數(shù)與材料有關(guān)，并為轉(zhuǎn)子平均溫度12的函數(shù)。彈性模量與材料有關(guān)，并為孔溫度14的函數(shù)。
E＝EMOD0-TBORE·EMOD1α＝α0+TAVG·α1上式中的EMOD0，EMOD1，α0和α1為常數(shù)。計算的孔熱應(yīng)力被允許的孔應(yīng)力除，得出以百分數(shù)表示的標(biāo)準(zhǔn)的孔應(yīng)力。
表面應(yīng)變由下式給出ε＝α(TMTL-TAVG)式中，α為熱膨脹系數(shù)，TMTL為轉(zhuǎn)子外殼溫度16。TMTL利用安裝在蒸汽渦輪外殼的內(nèi)表面上的熱電偶測量。直接測量轉(zhuǎn)子表面或孔的溫度是不實際的。TBORE和TAVG為利用轉(zhuǎn)子的熱學(xué)模型計算/近似的，這時TMTL為邊界條件。
利用虎克定律(Hooke’s Law)，表面應(yīng)力可由下式得出σs＝Eε表面應(yīng)力可相對于允許的表面應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化。該允許的表面應(yīng)力取決于熱應(yīng)力集中因素，并且對于加載和卸載是不同的。
如以上式子所示，表面應(yīng)力和孔應(yīng)力與所包括的表面(TMTL16或TBORE14)和轉(zhuǎn)子平均溫度(TAVG)12之間的溫度差成比例。
圓柱體的熱傳導(dǎo)為qr=2πLk(Ts,1-Ts,2)ln(r2/r1)]]>由于已知熱應(yīng)力與在轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度差成比例，并且該溫度差與傳熱速率q18成比例，因此通過控制傳熱速率18，可以控制熱應(yīng)力?？梢杂嬎阕畲蟮膫鳠崴俾蔘max，使溫度梯度產(chǎn)生可接受的表面應(yīng)力和孔應(yīng)力。傳熱速率為溫度差(Tstm-TMTL)和蒸汽流量的函數(shù)。因此，參見圖3。根據(jù)最大的傳熱速率Qmax，蒸汽溫度Tstm和蒸汽渦輪金屬溫度TMTL，可以計算最大的蒸汽流量Wmax。
Wmax=W1rx(Qmaxabs(Tstm-Tmtl)xkl)k2]]>式中W1r-額定的輸入流量(磅米/秒)；Qmax-最大傳熱速率，Tstm-輸入的蒸汽溫度(F)；TMTL-外殼溫度(F)；k1-調(diào)諧常數(shù)；k2-調(diào)諧常數(shù)。
當(dāng)金屬溫度接近蒸汽溫度時，溫度差(Tstm-TMTL)減小，允許對于給定的Qmax，蒸汽流量較大。
參見圖2和圖3，對于控制回路，可以計算通過蒸汽渦輪的蒸汽流量20。以下式子可以用于根據(jù)輸入蒸汽壓力22，輸入蒸汽溫度T1 24，和出口蒸汽壓力P2 26來計算蒸汽流量。
W1=kρ1P1(1-X2)]]>和X=P2P1]]>ρ1＝f(P1，T1)k=W1rρ1rP1r(1-Xr2)]]>
Xr=P2rP1r]]>ρ1r＝f(P1r，T1r)式中P1r為額定輸入壓力(PSIA一磅/平方英寸)，P2r為額定出口壓力(PSIA)，T1r為額定入口溫度(F)，W1r為額定輸入流量(lbm/sec一磅米/秒)。額定的蒸汽條件—P1r，P2r，T1r，W1r出現(xiàn)在使用本發(fā)明的具體渦輪的額定輸出上。一般，額定輸出為渦輪的正常滿負荷輸出。這些蒸汽條件由蒸汽渦輪熱動力學(xué)工程師在設(shè)計蒸汽渦輪過程中確定。該額定蒸汽條件用來計算可以用于確定在工作點而不是額定點的蒸汽渦輪流量的常數(shù)。
蒸汽流量W1為送至比例如積分控制器30的反饋，這時設(shè)定點為從上而來的最大蒸汽流量Wmax?？刂破鞯妮敵隹刂圃撜羝麥u輪輸入控制閥28的位置。
通過作為輸入蒸汽溫度和外殼金屬溫度的函數(shù)，控制該蒸汽渦輪輸入控制閥，可以將最大量的蒸汽送入該渦輪中，使得加熱速度不會使熱應(yīng)力超過允許的水平。另外，不是應(yīng)力的一些因素(例如不同的膨脹或徑向間隙)可以限制蒸汽渦輪的加載速率。在這種情況下，該控制系統(tǒng)和方法可以控制該渦輪的加熱速度，從而限制不同的膨脹和控制徑向間隙。
雖然已結(jié)合目前認為是最實際和優(yōu)選的實施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不被限于所述的實施例，相反，而是要覆蓋在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)所包括的各種改進和等同方案。
權(quán)利要求
1.一種控制流過具有一渦輪轉(zhuǎn)子的蒸汽渦輪的蒸汽流量的方法，該方法包括(a)根據(jù)在該渦輪轉(zhuǎn)子中的熱應(yīng)力計算，確定最大的傳熱率(18)；(b)根據(jù)該最大的傳熱率，計算最大的蒸汽流量(20)；(c)確定流過該蒸汽渦輪的實際蒸汽流量；和(d)根據(jù)該實際的蒸汽流量和該最大的蒸汽流量之差，控制一渦輪輸入閥(28)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，通過據(jù)以(1)轉(zhuǎn)子表面溫度(16)和轉(zhuǎn)子孔溫度(14)之差；和(2)轉(zhuǎn)子的平均溫度(12)，確定轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力和轉(zhuǎn)子孔應(yīng)力來實現(xiàn)步驟(a)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征為，通過據(jù)以該最大傳熱率(Qmax)，蒸汽溫度(Tstm)和渦輪金屬溫度(TMTL)，計算該最大蒸汽流量(Wmax)來實現(xiàn)步驟(b)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征為，通過根據(jù)下列關(guān)系式計算該最大的蒸汽流量(Wmax)來實現(xiàn)步驟(b)Wmax=W1r×(Qmaxabs(Tsim-Tmtl)xk1)k2]]>式中W1r為額定輸入流量(lbm/sec)，k1和k2為調(diào)諧常數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，通過據(jù)以該最大的傳熱率(Qmax)，蒸汽溫度(Tstm)和渦輪的金屬溫度(TMTL)，計算該最大的蒸汽流量(Wmax)來實現(xiàn)步驟(b)。
6.一種操縱具有一渦輪轉(zhuǎn)子的蒸汽渦輪的方法，該方法包括(a)根據(jù)與該渦輪轉(zhuǎn)子中的熱應(yīng)力有關(guān)的參數(shù)，計算最大蒸汽流量(20)；(b)確定流過該蒸汽渦輪的實際蒸汽流量；和(c)根據(jù)該實際蒸汽流量和該最大蒸汽流量之差，控制一渦輪輸入閥(28)。
全文摘要
在控制流過具有一渦輪轉(zhuǎn)子的蒸汽渦輪的蒸汽流量的方法中，根據(jù)該渦輪轉(zhuǎn)子中的熱應(yīng)力計算，確定最大的傳熱率(18)。根據(jù)該最大的傳熱率，可以計算最大的蒸汽流量(20)。確定流過該蒸汽渦輪的實際蒸汽流量，和根據(jù)該實際蒸汽流量和最大蒸汽流量之差，控制一個渦輪輸入閥(28)。用這種方法，可以控制通入蒸汽渦輪的蒸汽流量，以將熱應(yīng)力限制在可接受的水平，同時減少起動時間和提高工作能力。
文檔編號F01D17/06GK1609411SQ20041008576
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者D·G·柯喬夫 申請人:通用電氣公司