用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术涉及用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法。具体而言，一种用于发电设备的控制系统包括测量蒸汽涡轮转子的转子表面温度的传感器，其中温度为来自用于将蒸汽加热至目标温度的热源的排出气体的函数。控制系统包括控制器，其联接至传感器且配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算目标温度，基于蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力，使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于目标温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力，且基于测得的蒸汽涡轮转子应力和估计的蒸汽涡轮转子应力计算反馈蒸汽涡轮转子应力。

【技术实现步骤摘要】

本公开内容的领域大体上涉及发电设备，并且更具体地涉及用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法。
技术介绍
典型的已知联合循环发电设备包括燃气涡轮，其中焚烧燃料，例如，诸如而不限于油或天然气。来自燃气涡轮发动机的排出气体由一个或多个燃气涡轮推出。排出气体经过余热回收蒸汽发生器，加热其中的水来生成蒸汽。燃气涡轮负载和排出气体温度由于燃烧系统和控制限制而高度耦合。此限制大体上导致燃气涡轮排气质量流率与燃气涡轮排气温度之间的一对一的关系，这导致蒸汽流率与蒸汽温度之间的直接一对一的关系。蒸汽收集在锅炉中且累积压力。当达到足够的蒸汽压力时，容许蒸汽进入蒸汽涡轮中，从而使蒸汽涡轮旋转。蒸汽然后通常冷凝且回到余热回收蒸汽发生器。蒸汽涡轮使发电机旋转来发电。蒸汽涡轮的蒸汽进入机制可以以多种构造来构造，例如，包括且不限于其中蒸汽加热且在多个级中再热并容许到多个级中的蒸汽涡轮的架构。当一定时间段内未操作时，蒸汽涡轮的壳和转子显著地冷却。蒸汽涡轮转子的温度可由蒸汽涡轮转子自身上或壳上(即，固定部分，而非转子上，即，可旋转部分)测得的温度测定。作为备选，蒸汽涡轮转子温度可由任何其它适合的方法测定，例如，包括且不限于非接触式方法，诸如高温测定。在联合循环发电设备的启动期间，设备理想地进入设备负载可尽可能快地在没有约束下受控的状态。然而，蒸汽涡轮转子的表面通常在不同于转子的主体的速率下加热，导致了贯穿转子的径向温度变化。此温度变化作为热应力显现在转子的金属上，且随着时间促进转子金属疲劳。由于燃气涡轮排出气体的温度驱动蒸汽温度，故总体设备由将燃气涡轮排气流保持在较低温度下直到蒸汽涡轮转子进入转子表面应力不限制的状态的需要来约束。
技术实现思路
在一个方面，提供了一种用于发电设备的控制系统。该控制系统包括温度传感器和控制器。温度传感器配置成测量蒸汽涡轮转子的转子表面温度。转子表面温度为来自用于将蒸汽加热至目标蒸汽温度的热源的排出气体的函数。控制器联接至温度传感器。控制器配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽温度。控制器进一步配置成基于蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力。控制器进一步配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力。控制器进一步配置成基于测得的蒸汽涡轮转子应力和估计的蒸汽涡轮转子应力计算反馈蒸汽涡轮转子应力。在另一方面，提供了一种控制发电设备的方法。该方法包括使用从热源排出的排出气体加热蒸汽，排出气体具有排出气体温度。该方法还包括使蒸汽在蒸汽流率下进入蒸汽涡轮。该方法还包括测量蒸汽涡轮转子表面温度。该方法还包括基于蒸汽涡轮转子表面温度和用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型确定反馈蒸汽涡轮转子应力。该方法还包括基于反馈蒸汽涡轮转子应力和基准蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽涡轮转子应力。该方法还包括基于目标蒸汽涡轮转子应力和用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型计算用于控制热源的目标蒸汽温度和排出气体温度。在还有另一方面，提供了一种发电设备。该发电设备包括燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮、温度传感器和控制器。燃气涡轮发动机配置成在燃气涡轮负载下旋转且在排出气体温度下排出排出气体，排出气体配置成将蒸汽加热至目标蒸汽温度。蒸汽在目标蒸汽温度、蒸汽流率下进入蒸汽涡轮。蒸汽涡轮配置成使发电机旋转。温度传感器配置成测量蒸汽涡轮转子表面温度。控制器配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽温度。控制器进一步配置成基于蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力。控制器进一步配置成使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力。控制器进一步配置成基于测得的蒸汽涡轮转子应力和估计的蒸汽涡轮转子应力计算反馈蒸汽涡轮转子应力。技术方案1.一种用于发电设备的控制系统，所述控制系统包括：温度传感器，其配置成测量蒸汽涡轮转子的表面温度，所述表面温度为来自用于将蒸汽加热至目标蒸汽温度的热源的排出气体的函数；以及联接至所述温度传感器的控制器，所述控制器配置成：使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算所述目标蒸汽温度；基于所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；使用用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于所述目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力；以及基于所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力。技术方案2.根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述热源包括燃气涡轮发动机。技术方案3.根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述温度传感器配置成测量蒸汽涡轮壳温度，所述蒸汽涡轮转子的表面温度可从所述蒸汽涡轮壳温度确定。技术方案4.根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力作为所测得的蒸汽涡轮转子应力与所估计的蒸汽涡轮转子应力之间的差异。技术方案5.根据技术方案4所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成基于所述基准蒸汽涡轮转子应力与所述反馈蒸汽涡轮转子应力之间的差异计算所述目标蒸汽温度。技术方案6.根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成对所述基准蒸汽涡轮转子应力进行低通过滤。技术方案7.根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成使用所述逆过程模型来基于所述蒸汽涡轮转子的估计的表面温度以及所述目标蒸汽温度与所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度之间的目标温差计算所述目标蒸汽温度。技术方案8.根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制器进一步配置成基于所述目标蒸汽温度和用于从所述排出气体到所述蒸汽的热交换的热交换模型计算排出气体温度。技术方案9.一种控制发电设备的方法，所述方法包括：使用从热源排出的排出气体加热蒸汽，所述排出气体具有排出气体温度；使所述蒸汽在蒸汽流率下进入蒸汽涡轮；测量蒸汽涡轮转子表面温度；基于所述蒸汽涡轮转子表面温度和用于蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型确定反馈蒸汽涡轮转子应力；基于所述反馈蒸汽涡轮转子应力和基准蒸汽涡轮转子应力计算目标蒸汽涡轮转子应力；以及基于所述目标蒸汽涡轮转子应力和用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型计算用于控制所述热源的目标蒸汽温度和所述排出气体温度。技术方案10.根据技术方案9所述的方法，其中，加热所述蒸汽包括将所述排出气体排入余热回收蒸汽发生器中，所述蒸汽通过所述余热回收蒸汽发生器从冷凝物储器流入蒸汽汇集器。技术方案11.根据技术方案10所述的方法，其中，使所述蒸汽进入包括在达到预定蒸汽压力和蒸汽温度时从所述蒸汽汇集器释放所述蒸汽。技术方案12.根据技术方案9所述的方法，其中，确定反馈蒸汽涡轮转子应力包括：基于所述蒸汽涡轮转子表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；使用所述过程模型计算估计的蒸汽涡轮转子应力，其中所述过程模型包括：基于所述目标蒸汽温度、蒸汽质量流和用于从所述蒸汽到蒸汽涡轮转子表面的热传递的对流模型计算估计的蒸汽涡轮转子表面温度；基于所估计的蒸汽涡轮转子表面温度和用于从所述蒸汽涡轮转子表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于发电设备的控制系统，所述控制系统包括：温度传感器，其配置成测量蒸汽涡轮转子的表面温度，所述表面温度为来自用于将蒸汽加热至目标蒸汽温度的热源的排出气体的函数；以及联接至所述温度传感器的控制器，所述控制器配置成：使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算所述目标蒸汽温度；基于所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；使用用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于所述目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力；以及基于所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力。

【技术特征摘要】
2015.08.28 US 14/8396121.一种用于发电设备的控制系统，所述控制系统包括：温度传感器，其配置成测量蒸汽涡轮转子的表面温度，所述表面温度为来自用于将蒸汽加热至目标蒸汽温度的热源的排出气体的函数；以及联接至所述温度传感器的控制器，所述控制器配置成：使用用于蒸汽涡轮转子应力动态的逆过程模型且基于基准蒸汽涡轮转子应力和反馈蒸汽涡轮转子应力计算所述目标蒸汽温度；基于所述蒸汽涡轮转子的测得的表面温度计算测得的蒸汽涡轮转子应力；使用用于所述蒸汽涡轮转子应力动态的过程模型且基于所述目标蒸汽温度计算估计的蒸汽涡轮转子应力；以及基于所测得的蒸汽涡轮转子应力和所估计的蒸汽涡轮转子应力计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力。2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述热源包括燃气涡轮发动机。3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述温度传感器配置成测量蒸汽涡轮壳温度，所述蒸汽涡轮转子的表面温度可从所述蒸汽涡轮壳温度确定。4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成计算所述反馈蒸汽涡轮转子应力作为所测得的蒸汽涡轮转子应力与所估计的蒸汽涡轮转子应力之间的差异。5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成基于所述基准蒸汽涡轮转子应力与所述反馈...

【专利技术属性】
技术研发人员：M格韦奇，JL迈尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US