专利名称：利用动态压力传感器的蒸汽轮机背压控制的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于提示蒸汽轮机运转灵活性，以适应环境温度和/或冷凝器冷却能力的变化的控制系统和方法。这些变化通过改变该系统的排气压力或背压而影响该蒸汽轮机。
背景技术：
蒸汽轮机接受高压、高温的蒸汽，该蒸汽通过静止的和运动的多排喷嘴和叶片(“涡轮叶片”)膨胀，将热能转化力机械(回转)能。将蒸汽轮机与发电机组合可以产生电能。

图1表示一个有代表性的蒸汽轮机发电厂。如图1所示，蒸汽轮机T通过安装着叶片或涡轮叶片B的转子R的转动，驱动发电机G。涡轮一般由一系列的级S1-Sn组成，其中Sn级是涡轮的最后一级。蒸汽通过一个控制阀V流动至涡轮，并且蒸汽通过喷嘴或导流盘N被引导至涡轮叶片上。冷却剂(空气或循环水)通过冷凝器C。技术熟练的人知道，通常作法是将燃气轮机与蒸汽轮机形成一个组合部件。这种结构的效率非常高，因为蒸汽轮机的蒸汽是由燃气轮机排气的热能产生的。
蒸汽轮机有冷凝式或非冷凝式的。对于冷凝式蒸汽轮机，推荐的排气压力由涡轮最后一级的结构和冷凝器C接受排气热能的能力来建立。如果系统不能在涡轮T中达到蒸汽的最大膨胀，则冷凝器的冷却能力可以为一个限制因素。在热天(对于空气冷凝器)或冷却水不充分期间(对于水冷式冷凝器)，这种限制特别尖锐。通常，这是电能需要最大和电的售价最高的相同时间，因此在这些时间内，限制最明显。另外，受限制的冷却能力使背压较高，这可迫使发电厂减少其电力验出，直至背压强度回到可接受的范围内为止。
在高峰需求时间内，因为发电的需求，工厂操作者经常遇到挑战，要在比推荐的背压更高的背压下运转。然而，持续不断的在比推荐的背压高的背压下运转会影响叶片的特性。由于气体力学特性的不稳定性，这会大大增加高循环疲劳破坏的可能性。甚至短期的在比正常的背压高的背压下的运转也会造成叶片的不可逆的累积的疲劳，而可能必需使涡轮停止运转进行修理。当使用水冷式冷凝器C时，蒸汽轮机发电厂的一般的背压范围大约为1.0～3.0英寸Hg柱高。对于带有空气冷凝器的装置，这个背压范围增加至3.0～5.5英寸Hg柱高。对于几乎恒定的蒸汽流，在经历有限的冷却或高环境温度的日子，该背压可以增加至这些值的二倍。
由于在较高背压下运转，会使蒸汽轮机在其设计能力以外运转，因此要在涡轮T内设置一个反馈系统，以防止涡轮T在不安全的状态下运转。反馈包括警报指示和使涡轮T“离线”的断开信号设定点(tripset point)的组合。具体地说，当排气压力或背压增加时，蒸汽流的入射角严重偏离其最优的角度。这会造成在涡轮内流动脱离现象，使叶片激励大，响应产生振动和叶片的潜在损坏。目前，断开信号设定点是基于根据已建立的一般运转规则测量的静态背压决定的。保护性的装置防止气体力学的不稳定性，例如叶片失速，颤振和抖动。
蒸汽轮机的控制系统目前采用背压的固定设定点，以保护不受气体力学不稳定的影响。推荐的设定点是基于涡轮的种类、叶片的设计和叶片尺寸决定的。这种控制系统的缺点是，警报和断开的设定点仅根据静态压力值决定，并且这样趋于保守。涡轮排气压力的限制可将叶片或涡轮叶片循环次数大时损坏的可能性减至极小，而这种循环是由流体扰动或气体力学的可稳定性引起的。图2表示一个有代表性的控制系统S的原理图。这里，设定点通常为排气气体流动速度的函数，其典型值在4～10英寸Hg柱高和真空之间变化。当接近这些极限时，就开始发出警报，提醒操作者采取适当措施降低背压。例如，操作者可以减小负荷或增加冷凝器的冷却。如果未减小，则背压的进一步增大(增大1～3英寸Hg柱高)会使该保护系统断开蒸汽轮机，并使该涡轮与生产线分开。图3表示通常采用的控制方式。
目前，需要蒸汽轮机能在大范围的背压下，特别是在大的背压下运转。对于冷凝式蒸汽轮机，问题是要通过提供背压保护的改进的装置来扩大其运转范围。另外，重要的一点是对蒸汽轮机的叶片提供气体力学保护，而不致过分地限制涡轮的运转能力。
发明的简要说明本发明是针对排气气体压力保持在大气压力以下或真空的冷凝式蒸汽轮机的。如上所述，一般的运转背压范围为在大约1～5英寸Hg柱高至真空之间。本发明的控制系统控制蒸汽轮机的运转。传感器测量在涡轮最后一级中的动态压力值的变化。传感器信号被转换成以频率为基础的信号；并且当用以频率为基础的信号表示时，比较器将各种频率的压力与包括警报和断开信号极限的限制值的矩阵比较。如果比较显示已超过警报极限，则控制系统给蒸汽轮机为操作者发生警报；或者已超过断开信号根限，则使蒸汽轮机脱离生产线。这样可防止损坏蒸汽轮机。如果传感器检测没有气体力学扰动或不稳定性，则控制系统维持蒸汽轮机的运转。
这种方法可使涡轮在较宽的背压范围内运转，只有当应力幅值不可接受时，如测得有所产生的局部动态压力脉动才开始采取保护措施，因此可保证蒸汽轮机在宽的背压范围内的运转灵活性。由于运转灵活性较大，因此工厂操作者可以在较高的冷凝器压力下，充分利用工厂的能力进行发电。由于这通常是在电力要求高峰和电价较高时发生的，因此，使用者不但可以供给相应的电能以满足需要，而且可从发电中获得更多的收益。
本发明还可为不稳定过程以及持久的运转带来好处。例如，在组合的燃气和蒸汽轮机工厂中，在瞬时负荷被抑制的过程中(断路器打开的情况)，有几分钟的时间蒸汽继续流向涡轮，但发电机不能将能量转换为电力。蒸汽轮机继续运转，但其速度比普通涡轮控制系统通常允许的速度稍高。这时，冷凝器背压升高至当前的控制程序可能要断开该装置的程度(取决于冷凝器C的尺寸和过度冷却能力的大小)。假如没有气体力学的扰动或不稳定性，则根据本发明，使用动态压力传感器可使涡轮持续的运转不会断开。当促使负荷抑制的问题解决时，该系统可以同步，发电机断路器重新闭合，工厂恢复运转。
通过阅读下面结合附图对本发明的优选实施例的说明，将会更了解本发明的上述和其他目的，特点与优点。
附图的简要说明图1为蒸汽轮机的简图；图2为涡轮控制系统的简图；图3表示控制系统所采用的通常的背压控制方式；图4为用于控制涡轮运转的本发明的控制系统图；图5为表示所测量的有代表性的动态压力信号的图形；
图6为表示动态压力谱的图形；和图7为在本发明的控制系统中所使用的动态压力传感器形式的透视图。
在几个附图中，相应的标号表示相应的零件。
优选实施例的说明下面的详细说明，利用例子来解释本发明，但这些例子不是对本发明的限制。该说明书清楚地使业内行家能制造和使用本发明，它说明了本发明的几个实施例，一些改进，变型，替换和使用，包括实现本发明的最好模式的本发明。
根据本发明和如图4所示，本发明的蒸汽轮机控制系统用标号10表示。根据本发明，一个或多个动态压力传感器或测头12安置在包括涡轮T的最后一级Sn的叶片B的周边周围。诸如图7的12a和12b所表示的，该传感器检测涡轮运转期间在涡轮这个区域内的压力值或幅值。因为传感器为动态压力传感器，它们检测造成涡轮叶片损坏的气体力学特性的不稳定性。
压力传感器的输出，作为输入被送至控制系统10。在图5中，图形表示由传感器12测得的随着时间变化的示例性动态压力输出。随时间变化的压力信号Ps，作为图5所示的形式的模拟信号传输。传感器信号被送至一个模数转换器(ADC)13，将输入转换为数字信号Ds。该数字信号可作为谱分析仅(SA)14的输入。这里，信号又转换成基于频率的信号Fs。为此目的，通常所用的算法为快速富氐变换(FFT)。图6表示相对于频率的有代表性的压力输出。
现在，涡轮控制系统10由分析仪14取得基于频率的信号Fs，并将它作为输入被送至一个比较器(COMP)16。比较器16将在各种频率下的压力值(如信号Fs所示)，与存储在比较器内，并包括警报和断开信号极限的限制值的矩阵比较。在本发明的一个实施例中，系统10使用单独的动态压力值传感器12。在这个实施例中，例如如果在涡轮最后一级Sn的压力值超过大约0.5磅/平方英寸，则开始发出警报。在该控制系统中，断开设定点可根据对涡轮叶片B提供保护来确定，例如可以设定为0.75磅/平方英寸。
作为这种方法的延伸，为了提供更大的运转频率，警报和断开点作为特定频率范围的函数设定。涡轮设计者通常确定在涡轮中使用的叶片B的共振频率。通常感兴趣的具体模式包括第一种切线模式和第一种轴向摆动模式。这二种模式表示在图6中。控制方式可以如下这样确定

技术熟练的人懂得，这些强度只是参考值。涡轮设计者将根据包括材料性质、共振特性、激励源和阻尼作用在内的许多因素来确定实际的设定点极限。
在第二个实施例中，多个动态传感器1 2安置在涡轮的Sn级的圆周周围，以提高可靠性。现在，使用三种逻辑中的二种来防止由于多个传感器中的一个传感器的损坏而引起的保护性响应。传感器安装在涡轮外壳16圆周周围作出的压力通道14中，其轴向位置与涡轮最后一级Sn的叶片的位置一致。如图7所示，商业上销售的传感器具有螺纹连接(如22所示)，用于将传感器安装在涡轮外壳上。
根据以上所述可以看出，本发明的几个目的已达到，并且得到了其他优良的结果，在不偏离本发明的范围的条件下，可对以上的结构作各种改变。因此，以上说明中所包含的或在附图中所表示的一切只是示例性的，不是对本发明的限制。
权利要求
1.一种控制蒸汽轮机(T)运转的控制系统(10)，它可为涡轮的叶片(13)提供气体力学保护，而不会过度地限制涡轮的运转；该系统包括传感器装置(12)，它可以检测在该涡轮级(S1～Sn)中动态压力值的变化；将从传感器装置发生的信号(Ps)转换为以频率为基础的信号(Fs)的装置(13，14)；和将在各种频率下以频率为基础的信号(Fs)所表示的压力值与包括警报和断开信号极限在内根限值矩阵进行比较的装置(16)；如果比较显示已超过警报极限，则该控制系统给蒸汽轮机的操作者发出警极；如果超过该断开信号极限，则使蒸汽轮机脱离生产线，以防止损坏该蒸汽轮机，然而，如果传感器装置没有检测到气体力学扰动或不稳定性，则控制系统维持蒸汽轮机运转。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征为，传感器装置包括多个安装在涡轮级周围的动态压力值传感器(12a或12b)。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征为，该比较装置包括一个将以频率为基础的信号作为输入加入的比较器(16)，该比较器将在各种频率下以频率为基础的信号所表示的的压力值与包括警报和断开信号极限在内的极限值矩阵进行比较。
4.如权利要求3所述的控制系统，其特征为，该传感器装置包括三个动态压力值传感器，它们被安装在最后一级涡轮(Sn)的周围，每一个传感器提供一个信号(Ps)，它要被转换成为比较器所采用的以频率为基础的信号，该比较器采用三种逻辑中二种来防止由于这些传感器中的一个损坏而引起的保护性应答。
5.如权利要求1所述的控制系统，其特征为，将该警报和断开信号极限设定为一个特定频率范围的函数。
6.一种以涡轮内背压状况为函数监视蒸汽轮机(T)运转的方法，它为涡轮的叶片(B)提供气体力学保护，而不会过度地限制该涡轮的运转，该方法包括检测在涡轮级(S1～Sn)中的动态压力值变化，并产生一个代表这种变化的信号(Ps)；将代表在一个级中所检测的动态压力变化的信号(Ps)转换为一个以频率为基础的信号(Fs)；和将各种频率下以频率为基础的信号(Fs)所表示的压力值与包括警报和断开信号极限在内的极限值矩阵进行比较，如果比较显示，已超过警报极限，则给蒸汽轮机的操作者发出警报；如果超过断开信号极限，则使蒸汽轮机脱离生产线，以防止蒸汽轮机损坏；如果没有检测到气体力学扰动或不稳定性，则维持蒸汽轮机的运转。
7.如权利要求6所述的方法，其特征为，将警报和断开信号极限设定为一个特定频率范围的函数。
8.如权利要求6所述的方法，其特征为，检测动态压力值变化包括一个传感器装置(16)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征为，该传感器装置包括三个安装在该涡轮的最后一级(Sn)周围的动态压力值传感器。
10.如权利要求7所述的方法，其特征为，代表在一级中的动态压力值变化的信号(Ps)为一个模拟信号，并且设有将该信号转换为以频率为基础的信号的装置(13，14)。
全文摘要
一个控制蒸汽轮机(T)运转系统(10)。传感器(12)测量在涡轮级(S1～Sn)中动态压力值的变化。传感器发出的信号(Ps)转换为以频率为基础的信号(Fs)。比较器(16)将在各种频率下以频率为基础的信号(Fs)所表示的压力值与包括警报和断开信号极限在内的极限值矩阵进行比较。如果比较显示已超过警报极限，则该控制系统给蒸汽轮机的操作者发出警报；如果超过断开信号极限，则使蒸汽轮机脱离生产线，以防止蒸汽轮机的损坏；然而，如果传感器没有检测到气体力学扰动或不稳定性，则该控制系统维持蒸汽轮机运转。
文档编号G01M99/00GK1519460SQ20031012436
公开日2004年8月11日 申请日期2003年12月30日 优先权日2002年12月30日
发明者C·L·范德沃尔特, C L 范德沃尔特 申请人:通用电气公司