專利名稱：壓低調節閥特性曲線以改善汽輪機效率的方法
技術領域：
本發明涉及汽輪機，特別是改善部分進汽的汽輪機效率的一種方法和裝置。
許多多級汽輪機系統的功率輸出是通過對蒸汽發生器出來的主蒸汽進行節流來控制的，以減小高壓透平入口的蒸汽壓力。采用這種節流方法的汽輪機通常叫做全周進汽汽輪機，因為所有蒸汽入口噴咀室在各種負荷工況下都工作。全周進汽汽輪機通常是按額定負荷下采取恰當的蒸汽參數來設計的，以便獲得最高效率。由于允許蒸汽通過所有入口噴咀，進口級，即第一調節級的壓力比，在全周進汽汽輪機中，基本上保持常數，而與蒸汽進口壓力無關。因此，調節級作功的機械效率可能是最佳的。但是，若在全周進汽汽輪機中功率減小，則在效率上，即蒸汽發生器和汽輪機輸出之間蒸汽工作循環的理想效率，存在一個總體下降，因為節流減少了進行工作的可用能。通常汽輪機的總效率，即實際效率，汽輪機理想效率和機械效率的乘積。
將汽輪機入口的進汽分成固定進汽和單獨可調進汽的技術比上述節流的方法可以獲得汽輪機輸出的更有效控制，在這種稱為部分進汽的方法中，第一級工作噴咀的數目是隨負荷的變化而相應改變的。部分進汽汽輪機優于全周進汽汽輪機，因為相當高的理想效率是用最小的節流順序地調整通過各噴咀室的蒸汽獲得的，而不用節流整個進汽。這種較高理想效率的得益一般比全周進汽汽輪機設計的調節級可獲得的最佳機械效率更多。但是，已知過去的部分進汽系統有某些缺點，即限制了調節級作功的效率。這些限制的某些方面是由于不可避免的機械制約，例如，不可避免的鼓風摩擦損失的影響，這發生在轉動葉片通過不進汽的噴咀葉片組時。此外，在部分進汽系統中，通過噴咀葉片組的壓力降(和因此產生的壓力比)隨蒸汽逐步進入閥室的數目增多而變化，在最小的閥位(可能最少的調節和控制閥打開數)發生最大的壓降，而最小的壓降發生在全周進汽。熱效率(反比于通過調節級的壓力差)在最小閥位處最低，在全周進汽時最高。因此，對于部分進汽式汽輪機以及全周進汽式汽輪機，其調節級效率在功率輸出低于額定負荷時減少。但是，給出部分進汽式汽輪機噴咀的可變壓降，可以相信，一般在部分進汽系統中發現的設計性能可以被改善，以便增加汽輪機總效率。因為調節級是一種沖動級，在那里，通過固定的噴咀發生大部分壓降，噴咀效率提高1%對調節級效率產生的影響4倍于轉動葉片效率提高1%所產生的影響。設計汽輪機時在調節級性能方面作適當的改進，將大大改善部分進汽式汽輪機的實際效率。在額定負荷下，部分進汽式汽輪機的實際效率即使增加0.25%，也可以大量節約能源。
部分進汽式汽輪機的滑壓或變節流壓力運行也可以導致改善汽輪機的效率，另外還可減少低周疲勞。通常的程序是，部分進汽汽輪機滑壓運行是在流量低于一定值時開始，該值相應于一半調節閥全開，一半全關，即汽輪機第一級的50%進汽，在汽輪機中，最大進汽實際上是100%。如果滑壓以一個較高流量(較大的第一級進汽值)開始，在性能方面存在一個損失。但是，在有8個調節閥的汽輪機中，從75%進汽滑壓就會消去第六個調節閥的閥門特性曲相當大的部分(閥門節流)，這個閥門應以恒定的節流壓力運行。當從62.5%進汽開始滑壓時，產生類似的情況第5個閥門的調節閥特性曲線的相當大的部分被消去。消去這些調節閥特性曲線改善了汽輪機的熱耗和它的效率。
圖1說明在有8個調節閥的部分進汽式汽輪機中滑壓控制的影響。橫坐標代表蒸汽流量值，縱坐標代表熱耗。線10表示具有節流調節的恒定壓力，而線12代表在一個全周進汽式汽輪機上的滑壓。線14代表具有順序閥門調節(部分進汽)的恒定壓力，虛線16、18、20和22代表調節閥特性曲線。調節閥特性曲線由一系列控制或調節閥的每一個逐漸節流得出的。從75%進汽開始的滑壓運行用線24表示。注意，調節閥特性曲線20多半被沿曲線24的滑壓消去，但是熱耗(效率的倒數)在低于62.5%進汽點時不相稱地增加。線26表示從62.5%進汽點開始的滑壓，有了某些改善，但不影響調節閥特性曲線16，18和20。類似地，從50%進汽開始的滑壓(線28)在低端有幫助，但不影響調節閥特性曲線16～22。這些調節閥特性曲線的每一條，與用線14表示的理想曲線相比，熱耗偏高效率降低。
圖2，3和4說明便用一種先有技術控制的一個典型汽輪機的工作情況。圖2顯示出全閥位的軌跡，線30為在2535磅/平方英寸絕對壓力(PSIA)的恒定壓力下工作的軌跡。閥位在50%、75%、87.5%和100%進汽，用線32、34和36表示調節特性曲線，用線38，40和42表示滑壓。在100%進汽時開始，保持所有的8個調節閥全開，并控制鍋爐產生的蒸汽使節流壓力滑降，大約在該典型汽輪機系統806兆瓦時負荷開始減少。當節流壓力(線38)達到與調節閥特性曲線32的交點時，節流壓力增加到2535PSia，與此同時關小第8個調節閥。當負荷進一步減少時該調節閥應繼續關小，同時維持2535Psia的節流壓力，一直到這個閥門完全關閉，在該位置，汽輪機在87.5%進汽下工作，為進一步減少負荷，閥門位置再次保持恒定，7個閥門全開，而且節流壓力再次減少，一直減到節流壓力相應于滑壓線40和第七個調節閥的特性曲線34的交點。為使負荷減到低于這個點，壓力增加到2535Psia，第7個閥門逐漸地關小(沿該調節閥特性曲線向下)一直到它完全關閉。現在進汽是75%。為更進一步減少負荷，6個閥門全開和二個閥門全關使壓力再次減少，一直到節流壓力線42達到和調節閥特性曲線36的交點，此處第5個和第6個閥門在恒定的節流壓力下同步動作。然后，對任意要求的閥門個數，反復進行增加節流壓力和關小閥門的操作。圖3示出節流壓力的變化。線46的傾斜部分44與具有恒定閥門位置的滑壓方式有關。垂直部分48與沒有閥門節流的滑壓終點有關，而其最高點則表示在具有閥門節流的全壓下工作。平行部分50表示沿調節閥特性曲線向下，同時在恒壓下減少負荷。圖4表示作為負荷函數的熱耗方面的改善。線52表示在恒定壓力下調節閥特性曲線效益和閥位間改變壓力的效益之間的差別。
在圖2和4中表明的效益改善是根據這樣的假設，即當節流壓力減少時，鍋爐給水泵排水量減少。如果不是按比例減少，這個改善則減少，因為維持給水壓力所需要的能量仍舊較高。在先有技術系統中，一個信號被送到給水泵-給水泵驅動系統，以便減少壓力。但是，實際上給水泵是由壓力調節器跟蹤的，以免對給水泵速度不斷調節和產生控制的不穩定性并且消除由于流量需求變動引起的、去鍋爐的進口水壓的微小變化而導致的擺動。同時，這個調節器或多或少進行節流，這樣就改變了泵的出口壓力，從而改變了泵的流量。在調節器閥門要求的行程范圍以內，給水泵的速度保持恒定。當閥門行程達到這些限制以外時，就調整給水泵的速度以便使閥門移到某個要求的平均位置。結果這個給水泵的出口壓力并不等于最小的允許值(節流壓力加系統壓頭損失)，因此，效益的改善并不象圖2和4所示的那樣大。另外，為了獲得較快的負荷響應，調節器閥門通常用某個壓降操作，為的是如果在負荷需求方面有一個突然的增加，這個閥門可以很快地開啟和增加流量。泵的響應和它的驅動比調節器閥門的響應慢。
在本發明的若干目的和優點中，可以被注意的是，提供了一種部分進汽式汽輪機的運行方法，它克服了上述的許多缺點，而且提供了一種具有較快負荷響應和對汽輪機系統熱耗有利的方法，這個汽輪機系統不能在可變壓力下運行，或在鍋爐系統方面在可變壓力下運行是不合要求的。
在一個系統中描述本發明的方法，這個系統利用滑壓和閥門節流的聯合，來獲得較好的效率。特別是，它和一個汽輪機系統一起被描述，在這個系統中假設有一個鍋爐和在基本恒定壓力下工作的一級過熱器。一個檔板閥(divisionvalve)將一級過熱器連到末級過熱器。一個控制系統被連到檔板閥，以便調節這個檔板閥，這樣，末級過熱器和汽輪機可以滑壓運行，同時維持鍋爐和一級過熱器恒壓運行。這個系統用調節檔板閥來減少調節閥特性曲線的尺寸，直到這個可變壓力和計算求出的調節閥特性曲線值相交的辦法運行。然后，壓力增加到它的正常工作值，有關的部分進汽調節閥關閉。此后，檔板閥工作，直到可變壓力與計算求出的調節閥特性曲線壓力的另一個交點，在該點再次升壓，有關的調節閥節流直至關閉。
在先有的技術程序減少給水泵的出口(實際上為調節器出口)壓力，以便減少節流壓力時，本系統在檔板閥上節流以滑降節流壓力。負荷響應是很好的，因為鍋爐壓力并不減少。另外，本發明既可用于亞臨界壓力鍋爐，也可用于超臨界壓力鍋爐，如果以一種真正的滑壓方式運行，這種鍋爐就不能可靠地運行或可能要承受不合要求的溫度變化。特別是，在一種類型中，本發明包括一個汽輪機發電系統，它具有一個部分進汽汽輪機并與其所驅動的發電機相連。為在預定壓力和溫度下供汽，提供了一種鍋爐裝置，這種鍋爐裝置包括一個一級過熱器，一個串連的控制蒸汽壓力的檔板閥和一個末級過熱器。這個系統還包括控制汽輪機每個部分弧段進汽的多個調節閥，和一個控制調節閥和檔板閥工作、響應該系統負荷需求的微機系統控制裝置，以便維持所需的汽輪機的供汽壓力。這個控制裝置提供控制信號到檔板閥和調節閥，使檔板閥與按順序關閉的每個調節閥同步工作。對于一個現有的進汽弧段，為根據最佳熱耗減少蒸汽流量，操作檔板閥以減少蒸汽壓力。操作每個調節閥，以改變具有恒定蒸汽壓力的進汽弧段(這樣的調整提供一個比在檔板閥控制下滑壓運行更低的熱耗)。在這個示意系統中，本發明的方法通過微機系統控制裝置或控制計算所需要的蒸汽流量，保證汽輪機的出力與負荷需求相匹配，從而壓低部分進汽汽輪機中調節閥的熱耗曲線。這個控制裝置確定用逐漸關閉調節或控制閥的一個閥門所形成的第一條蒸汽流量減小的調節閥特性曲線與由逐漸關小檔板閥引起的相應減少蒸汽流量的第一個交點。這個檔板閥逐漸關小，以減小節流閥處的蒸汽壓力，直到獲得第一個交點，如監視器的蒸汽流量所示。檔板閥全開，使蒸汽壓力回到它的正常值同時，同步關小第一個調節閥，以便使蒸汽流量保持在第一個交點的值。然后，與第一個調節閥特性曲線相對應逐漸關小一個調節閥，直至全關。這個控制裝置感受到第一個調節閥的關閉，并確定第二個交點，這個交點是由關小另一個調節閥形成的第二個蒸汽流量減少調節閥特性曲線與關小檔板閥引起的相應減少蒸汽流量相交而形成的。為減少在節流閥處的蒸流壓力，逐漸地關小檔板閥，直到達到第二個交點，之后，檔板閥全開，使蒸汽壓力回到它的正常值，同時同步關小另一個調節閥，以便使蒸汽流量保持在第二個交點的值。然后逐漸關閉這一個控制閥，對于多個調節閥的每條特性曲線重復關和開檔板閥和順序地關閉調節閥的各階段，直到獲得最小的進汽弧段。控制末級過熱器，以便在減小壓力時保持蒸汽溫度。
為更好理解本發明，后面結合附圖進行詳細的描述，其中圖1為表征一種先有技術汽輪機控制方法的蒸汽流量～熱耗曲線族;
圖2為表征另一個先有技術汽輪機的控制方法的特性曲線;
圖3說明對于圖2的方法做為負荷函數的節流壓力;
圖4說明對于圖2的方法計算出的效率改善;
圖5是為執行本發明方法的系統圖。
圖5描繪了一個典型的汽輪機電廠功能方框圖，適用于體現本發明的原理。在圖5的電廠中，常規鍋爐54可以是核燃料，也可以是各種礦物燃料生產蒸汽，蒸汽通過聯箱56、一級過熱器58、檔板閥60、末級過熱器62和節流閥61送往一組63所示的部分進汽調節閥。與鈷爐54有關的是常規鈷爐控制器64，用它控制各種鈷爐參數，如聯箱56的蒸汽壓力。更具體地說，聯箱56處的蒸汽壓力一般是用定值控制器(沒有畫出)控制的，它被布置在鈷爐控制器64內。這種定值控制器的設置對所有在相應技術方面熟練的人是眾所周知的，因此本實施例不詳細敘述。根據蒸汽進汽閥63的定位，調節蒸汽進入汽輪機的高壓部分66。通常，高壓汽輪機部分66的排汽在最后進入70所示的低壓汽輪機部分以前被再熱。低壓汽輪機部分70的排汽進入常規凝汽器72。
在許多情況中，共用軸74機械地將汽輪機部分66和70連到發電機組76，當蒸汽通過汽輪機部分66和70膨脹時，它將大部分能量變成驅動軸74的轉矩。在電廠啟動時，調節通過汽輪機部分66和70的蒸汽，使汽輪機軸的轉速與線電壓或它的次諸波同步。一般這是用常規轉速傳感變速器77測定汽輪機軸74的轉速完成的。由變送器77產生的信號72代表轉軸速度，并被送到常規汽輪機控制器80。控制器80用信號線82依次控制蒸汽進汽閥的定位，以便根據要求的速度定值和測得的送至汽輪機控制器80的速度信號78，調整通過汽輪機部分66和70的蒸汽，在汽輪機啟動時可以控制節流閥，允許調節閥63全開，直到該汽輪機在大約5%負荷時開始工作。然后，這個系統轉變到部分進汽工作，而節流閥61全開。但是節流閥61一般是一個事故閥，被用于緊急停機。從控制器80引出的線65將控制信號送到閥61。
一個典型的主開關裝置84被布置在發電機76和電力負荷86之間，為了本描述的目的，可以認為它是一個龐大的輸電和配電網，當汽輪機控制器80確定存在同步條件時，主開關可以合閘，以提供電解到電力負荷86。電廠的實際電力輸出可以用常規的電力測量變送器88測量，例如瓦特變送器，它被連到將電能送到負荷86的電力輸出線上。代表電廠實際電力輸出的信號通過信號線90被送到汽輪機控制器80。一旦完成并網，控制器80可以按常規控制蒸汽進汽閥63，將與所需的該電廠的發電功率相當的蒸汽送到汽輪機部分66和70。
根據本發明，配置了一臺最佳汽輪機效率控制器92，作為汽輪機發電廠的一部分。控制器92用測量各種汽輪機參數的辦法監監在要求的設備出力下設備的熱力學條件(關于這點下面將具體描述)同時，用信號線94將控制器92與鈷爐控制器64相連，利用這個信息控制鈷爐汽壓的調整。在本實施例中，鈷爐壓力的調整可以用改變定值控制器(未示出)的定值來實現，通常已知定值控制器是鈷爐控制器64的一部分。例如在許多定值控制器中可以是這個情況，被測參數(如蒸汽壓力)的反饋基本上接近定值，與定估的偏差通常是壓力定值控制器輸出/輸入增益特性的函數。對于本發明來說，更重要的是，控制器92利用信號線46控制檔板閥60的定位。閥60可以是一個常規的電動機械式蒸汽控制閥。利用控制閥60，控制器92能調節節流蒸汽壓力，即在控制閥63前的蒸汽壓力。閥60的控制避免了在啟動時為了進行調整而使用節流閥61，因此簡化了它對開或閉控制。檔板閥60為從全周進汽啟動較好地轉換到部分進汽運行給汽輪機66提供了一個更好的環境。
汽輪機參數，如節流蒸汽壓力和溫度，分別用常規壓力變送器96和溫度變送器98測量。由變送器96和98分別產生的信號100和102可以提供給最佳透平效率控制器92。另一個參數，在再熱器68的汽輪機再熱蒸汽溫度用常規溫度變送器104測量，它產生一個信號106，也可以被送到控制器92，以便使用，在線90上的功率測量變送器88產生的信號可另外提供給控制器92。此外，一個重要的參數是一個影響通過汽輪機部分66和70的蒸汽流量的參數，為本實施例的目的，選擇高壓汽輪機部分66的沖動室的蒸汽壓力是適宜的。在沖動室部分設置了一個常規壓力變送器108，以便產生和提供一個信號110，這個信號代表沖動室的蒸汽壓力，被送到控制器92。
足以更具體描述控制器92工作情況的汽輪機效率控制器92的一個實施例在美國專利No.4，297，848中給出，它轉讓給本發明的受讓人，做為參考文件列在這里。
如上述美國專利No.4297848中描述的，控制器92和控制器80可以包括微機系統，用于計算合適的定值(例如節流壓力和蒸汽流量)，以便在響應負荷需求時，汽輪機系統能最佳工作。在本發明中，希望控制用于閥門63的節流汽壓，以便產生最佳系統效率，同時具有快速響應增加負荷需求的能力。圖5的系統，通過控制檔板閥60和末級過熱器62以調節節流蒸汽壓力的方式獲得了這個結果，而不用改變檔板閥60之前的鍋爐壓力，它是在先有技術系統中已經做到的，響應減少負荷需求的工作方法是計算交點，在這個點，以恒壓通過控制閥63的蒸汽流量等于用減小壓力獲得的蒸汽流量。由于從汽輪機壓力和流量能很快計算出這些值，它們可以預先獲得并儲存在微機控制器92的相應查表存儲器中。對于每條用圖2所述方式順序地逐漸關閉閥63所確定的調節閥特性曲線，計算這些點。然后逐漸地關閉閥60，開始減少流量，直到達到第一個交點。然后閥60全開，這樣壓力可以快速地返回到它的正常工作值，調節閥63的第一個閥關到蒸汽流量保持在交點值的程度。然后，在受控速度下逐漸關小調節閥，直到全關。然后用檔板閥60再次減小壓力，直到與調節閥特性曲線的第二個交點，并重復上述步驟。通過檔板閥60的這種重復循環工作，結合逐步關閉控制閥63，不用減小檔板閥60之前的鍋爐壓力就可以獲得最佳效率。因此，系統就按所希望的圖3上的曲線形狀運行，而無需延長時間來恢復到正常運行壓力。
在圖中使用的編號圖例編號圖鍋爐545一級過熱器585未級過熱器625鍋爐控制器645再熱器685凝結器725發電機765汽輪機控制器805負荷865MW變送器885最佳汽輪機效率控制器92權利要求
1.一種有多個控制蒸汽流入汽輪機的調節閥的部分進汽汽輪機中減少閥節流的方法，從鍋爐經一個檔板閥和一個二級過熱器提供蒸汽，所謂的檔板閥有選擇性地使汽輪機實現部分進汽運行，用至少連到檔板閥和調節閥的一臺微計算機型控制器控制汽輪機響應負荷需求，其特征在于在控制器中計算為實現與負荷需求相應配的汽輪機功率輸出所需要的蒸汽流量數值，由曲線確定，第一條由逐漸關閉調節閥中的一個閥門形成的蒸汽流量減少調節閥特性曲線與由于逐漸關閉檔板閥引起的相應減少的蒸汽流量的第一個交點，逐漸地關閉檔板閥，以減少在調節閥處的蒸汽壓力，直到獲得第一個交點，如監測到的蒸汽流量所示；全開檔板閥，使蒸汽壓力返回到正常值，同時同步關閉調節閥的一個閥門，使蒸汽流量維持在第一個交點的值；與第一個調節閥特性曲線相一致地逐漸關閉調節閥中的一個閥門，直到全關；檢測這一個調節閥已關閉；由曲線確定，由關閉調節閥的另一個閥門形成的第二個蒸汽流量減少調節閥特性曲線與關閉檔板閥引起的相應減少的蒸汽流量的交點；逐漸地關閉檔板閥，以減小調節閥處的蒸汽壓力，直到達到第二個交點；全開檔板閥，使蒸汽壓力返回到它的正常值，同時同步關閉調節閥的另一個閥門，以便蒸汽流量維持在第二個交點的值；逐漸地關閉調節閥的另一個閥門，一直到它全關；然后重復檔板閥的關和開的步驟，對于多個調節閥特性曲線的每一個個，按順序地關閉各調節閥。
2.根據權利要求1所述的方法，包括控制末級過熱器以便在減小壓力時維持蒸汽溫度的步驟。
3.根據權利要求2所述的方法，包括在汽輪機啟動時全開調節閥的各種步驟，以便用控制檔板閥的辦法調節蒸汽壓力。
4.一種汽輪機發電系統，包括帶動發電機的部分進汽汽輪機，為在預先確定的壓力和溫度下提供蒸汽的鍋爐裝置(54)，這個鍋爐裝置包括一個一級過熱器(58)、一個串聯的控制蒸汽流量和壓力的檔板閥(60)，一個末級過熱器(62)，這個系統還包括控制蒸汽進入每個部分進汽弧段的若干個調節閥，其特征在于微計算機控制裝置(80)、(92)，用于控制調節閥和檔板閥的工作，以響應系統上的負荷需求，使汽輪機保持恒速運行，這個控制裝置提供各種控制信號給檔板閥和調節閥，使檔板閥和按順序關閉每一個控制閥同步工作，對于一個現有的蒸汽進汽弧段，為了根據最佳熱耗減少蒸汽流量，控制檔板閥(60)以減小蒸汽壓力，控制每個調節閥，以便在恒定的汽壓下調整該進汽弧段，因為這樣的調整比滑壓提供一個更低的熱耗。
全文摘要
汽輪機發電系統包括與鍋爐系統相連的部分進汽汽輪機、一級過熱器、控制蒸汽流量和壓力的串連擋板閥和末級過熱器、控制蒸汽進入各部分進汽弧段的多個控制閥和一臺微機系統控制裝置。該控制裝置控制調節閥和擋板閥的工作，響應該系統負荷需求，維持汽輪機的恒速運行。該控制裝置提供控制信號，對一個現有的進汽弧段，根據最佳熱耗減小蒸汽壓力，并在恒定汽壓下調整進汽弧段，因為這樣的調整提供一個比用檔板閥滑壓更低的熱耗。
文檔編號F01D17/00GK1039466SQ8910465
公開日1990年2月7日 申請日期1989年7月10日 優先權日1988年7月11日
發明者喬治·喬斯·西爾維斯特 申請人:西屋電氣公司