СПОСОБ СЦЕПЛЕНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ С ЗАДАВАЕМЫМ УГЛОМ РАССОГЛАСОВАНИЯ
METHOD OF CLUTCHING A STEAM TURBINE AND A GAS TURBINE WITH AN APPROPRIATE DISPLACEMENT ANGLE

В комбинированных газо- и паротурбинных электростанциях при сгорании газа сначала приводится в движение газовая турбина. При помощи тепла отработавших газов газовой турбины производится пар для паровой турбины. Поэтому сначала при пуске газо- и паротурбинной электростанции приводится в движение газовая турбина. Паровая турбина может быть подключена только тогда, когда поступает достаточно пара. В устройствах с одним валом газовая турбина и генератор жестко соединены на валу. Паровая турбина расположена на той же оси и может подключаться через соединительную муфту. Поэтому требуется сцепление паровой и газовой турбины.
При этом на практике угол сцепления получается случайно. Из EP 1911939 A1 известен целенаправленный выбор угла сцепления. Благодаря этому можно выбрать такой угол сцепления, при котором вибрационная нагрузка минимизирована. Грубо говоря, это позволяет в определенной степени выравнивать дисбаланс обеих турбин. В частности, по сравнению с соединительной муфтой, в которой обе турбины соединятся со сложением дисбалансов, благодаря этому можно достигать уменьшения вибрационной нагрузки. Несмотря на это преимущество, этот способ не используется.
Задача изобретения состоит в создании усовершенствованного способа сцепления с задаваемым углом сцепления, а также в создании соответствующей компоновки.
Хотя описанное далее изобретение по существу и подходит для сцепления самых различных вращающихся устройств с самыми различными валовыми устройствами, в интересах более наглядного изображения в качестве примера вращающегося устройства всегда выбирается паровая турбина, а газовая турбина - в качестве примера валового устройства. При этом речь идет о самом важном с современной точки зрения применении изобретения. Однако явно предполагаются и другие варианты применения.
Установлено, что способ сцепления паровой турбины и газовой турбины следует осуществлять со следующими этапами. Сначала разгоняют паровую турбину до исходной частоты вращения, ниже частоты вращения газовой турбины. Это может происходить, как обычно, а при достаточной массе пара запускают паровую турбину. При этом необходима регистрация угла рассогласования между газовой турбиной и паровой турбиной. При достижении исходной частоты вращения ускорение паровой турбины продолжается с параметром ускорения, выбираемым в зависимости от разницы частоты вращения и угла рассогласования. Как только разница частоты вращения между паровой турбиной и газовой турбиной упадет до величины нуля, сцепляют паровую турбину, причем паровая турбина одновременно продолжает разгоняться. В частности, в начале процесса сцепления частота вращения паровой турбины соответствует частоте вращения газовой турбины. Паровая турбина разгоняется относительно газовой турбины, поэтому частота вращения паровой турбины кратковременно превышает частоту вращения газовой турбины.
В зависимости от заданного целевого угла и ускорения паровой турбины до исходной частоты вращения устанавливают фактически выбираемый в зависимости от разницы угла и разницы частоты вращения заданный параметр частоты вращения паровой турбины. При этом исходят из того факта, что имеется однозначная взаимосвязь между углом рассогласования при исходной частоте вращения, параметром ускорения, с которым паровая турбина разгоняется от исходной частоты вращения до заданной частоты вращения относительно газовой турбины и получающимся углом сцепления, предпочтительно, целевым углом сцепления. Разницу между заданной частотой вращения и частотой вращения газовой турбины называют разницей заданной частоты вращения. Заданная частота вращения паровой турбины изменяется по времени и образуется в зависимости от разницы частоты вращения и угловой разницы. Во время сцепления частота вращения паровой турбины немного превышает частоту вращения газовой турбины. После окончания сцепления частота вращения газовой турбины и паровой турбины естественно одинаковая.
Угол рассогласования при исходной частоте вращения, называемый стартовым углом рассогласования, получается случайно и становится известным из измерения угла рассогласования. При этом стартовый угол рассогласования выбирают на основе расчета из содержащего 360° участка вокруг так называемого номинального стартового угла рассогласования. Говоря о номинальном стартовом угле рассогласования, речь идет об угле, который газовая турбина опережала бы при неизменном сохранении ускорения паровой турбины до сцепления с ней, учитывая целевой угол. Это следует изобразить на одном примере: стартовая разница скорости равна 1 Гц, прежнее ускорение паровой турбины - 0,05 Гц/с, целевое значение 0°; тогда номинальный стартовый угол рассогласования равен 3600°.
Целевой угол сцепления обычно выбирают таким, чтобы достигать минимизации вибрационной нагрузки сцепленной газовой турбины и паровой турбины. Для этого предпочтительно настраиваемый целевой угол сцепления может определяться посредством измерения вибрационной нагрузки и компьютерных расчетов. Как правило, имеет место их комбинация.
При выборе исходной разницы частоты вращения и выборе параметра ускорения существуют, хотя и ограниченные, степени свободы. При выборе параметра ускорения нужно учитывать достаточное наличие в распоряжении пара и отсутствие неустойчивостей или подобных явлений.
Благоприятным оказалось, если исходная разница частоты вращения составляет примерно от 0,5 Гц до около 1 Гц, причем частота вращения паровой турбины меньше частоты вращения газовой турбины. Существенное преимущество данного способа по сравнению с используемым в EP 1911939 A1 способом состоит в том, что не требуется прерывание процесса ускорения при выдерживаемой частоте вращения. Благодаря этому, достигают плавного сцепления и одновременно задаваемого целевого угла сцепления.
Также следует обращать внимание на тот факт, что во время ускорения паровой турбины от исходной частоты вращения до частоты вращения, при которой скорость паровой турбины достигает скорости газовой турбины, паровая турбина опережает газовую турбину на несколько полных оборотов относительно целевого угла. В отношении изменения угла рассогласования число полных оборотов, на которое паровая турбина опережает газовую турбину, очевидно несущественно. Изменение количества этих полных оборотов дает следующую степень свободы, поэтому для достижения нужного целевого угла сцепления при данном ускорении возможны различные исходные разницы частоты вращения, соответственно при данной разнице исходной частоты вращения принимаются в расчет различные параметры ускорения.
В следующем варианте выполнения заданную исходную частоту вращения выбирают из диапазона разницы частоты вращения, поэтому при установлении заданного параметра ускорения из разницы заданной частоты вращения выбирают величину, с которой произошло ускорение паровой турбины до исходной частоты вращения. Благодаря этому достигают того, что параметр ускорения для получения целевого угла изменяется совсем незначительно или в идеальном случае - не изменяется совсем.
В другом варианте выполнения предусмотрено, что исходная частота вращения составляет почти на 1 Гц меньше частоты вращения газовой турбины, предпочтительно около 0,5 Гц-1,5 Гц и особенно предпочтительно около 0,5 Гц и около 1,1 Гц. Эти величины оказались подходящими.
В другом варианте выполнения предусмотрено, что параметр ускорения составляет от около 0,025 Гц /с до около 0,075 Гц/с, предпочтительно около 0,05 Гц/с.
Обычно следует обращать внимание на то, что при сцеплении угол рассогласования изменяется на угол проворачивания при сцеплении. Причина состоит в том, что паровая турбина сначала, как правило, разгоняется до заданной частоты вращения, в частности до частоты вращения, немного превышающей частоту вращения газовой турбины. При последующем за этим процессом обгона вворачивании в соединительную муфту может происходить обратное вращение на угол проворачивания при сцеплении. Учитывая его, в конечном счете можно еще больше оптимизировать вибрационную нагрузку.
Изобретение относится также к соответствующей компоновке с газовой турбиной и паровой турбиной, с соединительной муфтой для сцепления газовой турбины и паровой турбины. Эта компоновка имеет устройство для регистрирования угла рассогласования между газовой турбиной и паровой турбиной. Кроме того, имеется устройство для ускорения паровой турбины с параметром ускорения. Кроме него предусмотрены средства, обеспечивающие в зависимости от зарегистрированного угла рассогласования посредством согласования параметра ускорения, с которым разгоняется паровая турбина, и разницы заданной частоты оборотов между газовой турбиной и паровой турбиной, при которой начинается процесс сцепления, достижение заданного целевого угла сцепления между газовой турбиной и паровой турбиной.
Эта компоновка подходит для осуществления описанного выше способа. При усовершенствовании компоновки можно получить различные варианты выполнения способа.
При этом следует отметить, что, во всяком случае, требуются незначительные конструктивные изменения известной газотурбинной установки, поставляющей пар в парогенератор отработанного тепла для приведения в движение паровой турбины. В частности, всегда имеются средства для ускорения паровой турбины. При этом конкретно речь идет, в том числе, о клапанах, которые должны подводить пар к паровой турбине, а также о соответствующем блоке управления клапанами. Принято также определять фазовый угол турбин. Поэтому обычно имеются соответствующие измерительные устройства. Правда, в известных устройствах фазовый угол часто не регистрируется достаточно быстро. В частности, потребуется дооснащение для достаточно быстрой регистрации относительного угла и передачи зарегистрированной величины в блок управления. Для этого обычно имеет смысл подача тактовых импульсов примерно от 4 мс. до 20 мс. Как правило, кроме всего прочего нужно модифицировать по сравнению с уровнем техники только устройства управления.
Далее приводится более подробное описание изобретения при помощи фигур. На них показаны:
Фиг. 1. Взаимосвязь различных углов сцепления при различных относительных ускорениях, исходя из исходной разницы частоты вращения в 1 Гц и исходной угловой разницы равной нулю;
Фиг. 2. Разница заданной частоты вращения в зависимости от угла рассогласования исходя из исходной разницы частоты вращения 1 Гц и исходной угловой разницы - 3600°;
Фиг. 3. В качестве примера ход кривой частоты вращения газовой турбины и паровой турбины;
Фиг. 4. Ход кривой угла рассогласования при сцеплении и угол проворачивания при сцеплении;
Фигуры 5, 6 и 7. Принцип сцепления с задаваемым углом рассогласования.
На фиг. 1 показан угол рассогласования во время ускорения паровой турбины для различных постоянных параметров ускорения в зависимости от соответствующей разницы частоты вращения. На оси координат показана разница частоты вращения газовой турбины относительно паровой турбины в Гц. На оси абсцисс - угол рассогласования в градусах, причем также целое кратное также сложено из 360°.
Самая верхняя пунктирная кривая показывает взаимосвязи при параметре ускорения 0,025 Гц/с, средняя точечная кривая - при параметре ускорения 0,05 Гц/с, а нижняя сплошная линия - при параметре ускорения 0,075 Гц/с. Это более подробно разъясняется посредством средней кривой.
В качестве исходной точки рассматривается точка в левом, нижнем конце кривой. Разница угла между газовой турбиной и паровой турбиной составляет ноль, разница частоты вращения - 1 Гц. В частности, газовая турбина вращается на 1 Гц больше, чем паровая турбина. В этой точке, то есть при этой исходной разнице частоты вращения паровой турбины, должна начинаться целенаправленная установка угла сцепления.
Паровая турбина ускоряется с постоянным ускорением 0,05 Гц/с относительно газовой турбины, пока обе турбины не будут иметь одинаковую частоту вращения. Более быстрая до этого времени газовая турбина перекрывает до момента времени, в который паровая турбина имеет одинаковую скорость, угол на 3600° больший, чем паровая турбина, в частности, она получает в этот период на десять оборотов больше, чем паровая турбина. Следует отметить, что ось времени на чертеже не изображена. На кривой видно, как уменьшается изменение угла рассогласования между газовой турбиной и паровой турбиной, чем больше сближаются скорости, т.е. чем меньше разница частоты вращения. Как это далее видно из разных кривых, пересекаемый угол до начала сцепления тем больше, чем меньше ускорение. Этот эффект существенно привязан к управлению выбранным целевым углом сцепления.
При других параметрах ускорения и других стартовых углах рассогласования в количественном отношении имеют значение другие взаимосвязи, однако в остальном соображения аналогичны. Например, при стартовом угле рассогласования - 3600° и относительном ускорении 0,05 Гц целевой угол сцепления на начало сцепления составлял бы 0°.
На фиг. 2 представлено обратное изображение фиг. 1, причем изображена только кривая с параметром ускорения 0,05 Гц/с. Стартовый угол рассогласования установлен в данном случае по сравнению с фиг. 1 на - 3600° для достижения номинально целевого угла сцепления 0°. На оси координат нанесен угол рассогласования в градусах, причем нанесены целые кратные, сложенные из 360°. На оси абсцисс разница частоты вращения газовой турбины относительно паровой турбины нанесена в Гц.
Таким образом, на фиг. 2 показана зависимость разницы частоты вращения от угла рассогласования при постоянном относительном ускорении 0,05 Гц/с. При этом при совпадающей частоте газовой турбины и паровой турбины допускается угол рассогласования 0°. Для выбранного ускорения 0.05 Гц/с на фиг. 2 изображена центральная кривая заданного параметра. В частности, например, разница скорости между газовой турбиной и паровой турбиной при разнице угла 900° должна составлять - 0.5 Гц. То есть, при разнице угла 900° паровая турбина на еще около 0,5 Гц медленнее газовой турбины. В идеальном случае на фиг. 2 описана взаимосвязь между перекрытым углом и разницей частоты вращения между паровой турбиной и газовой турбиной.
Если в реальном устройстве при измеренном угле рассогласования -900° разница скорости больше, то при постоянном ускорении 0,05 Гц/с достигают не целевого угла 0°, а гораздо большего угла. В этом случае паровая турбина слишком медленна; ее нужно сильнее разгонять. И наоборот, если в реальном устройстве при измеренном угле рассогласования - 900° разница скорости меньше, то при постоянном ускорении 0.05 Гц/с достигают не целевого угла 0°, а меньшего целевого угла. В этом случае паровая турбина слишком быстрая и ее нужно тормозить.
Процесс сцепления как таковой, изображен на фиг. 3. На оси координат время нанесено в секундах, а на оси абсцисс - частота вращения. Сначала паровая турбина медленнее газовой турбины, однако разгоняется относительно нее. Частота вращения газовой турбины составляет постоянно около 50 Гц, что изображено точечной линией. Скорость паровой турбины отображается сплошной линией. К моменту времени, при котором паровая турбина имеет одинаковую скорость с газовой турбиной, начинается процесс сцепления. В частности, начинается включение соединительной муфты. Сначала паровая турбина продолжает разгоняться, при этом перегоняет газовую турбину и переходит в упор с соединительной муфтой. В этом положении происходит притормаживание. Затем оба вала турбин вращаются с одинаковой частотой вращения.
Воздействие сцепления на угол рассогласования показано на фиг. 4. На оси координат снова нанесено время в секундах, а на оси абсцисс - разница угла поворота в градусах. Пунктирной линией показан заданный параметр угловой разницы, составляющий в данном случае 0°. Сплошная, сначала проходящая внизу линия показывает ход кривой по времени фактической угловой разницы. Сначала угол поворота паровой турбины на 250° меньше угла поворота газовой турбины. Эта разница угла поворота сначала быстро уменьшается вплоть до разницы в ноль градусов. Затем разница угла поворота снова возрастает, в данном случае - почти на 20°. Причина состоит в том, что при вворачивании во втулку соединительной муфты происходит обратный поворот паровой турбины на угол проворачивания при сцеплении. Ход кривой угла проворачивания при сцеплении можно видеть по точечной линии.
Таким образом при выборе задаваемого целевого угла сцепления следует учитывать, что при сцеплении происходит изменение разницы угла поворота на угол проворачивания при сцеплении.
Фигуры 5, 6 и 7 показывают схематически регулирование для осуществления описанного выше способа.
Фиг. 5 дает обзор всего процесса разгона паровой турбины. До заданной разницы скорости (в данном случае выбран 1 Гц) паровая турбина разгоняется через заданный порог. При разнице скорости 1 Гц, в частности, при исходной частоте вращения, происходит переключение на сцепление с регулируемым целевым углом. Для этого регистрируют актуальную разницу угла в диапазоне от 0° до 360° и уменьшают на угловой диапазон, который газовая турбина перекрывала бы при сохранении прежнего ускорения паровой турбины до начала сцепления. Это нужно пояснить на одном примере. Разница частоты вращения между газовой турбиной и паровой турбиной составляет 1 Гц, паровая турбина разгоняется 0,05 Гц/с. До того момента времени, в котором газовая турбина и паровая турбина имеют одинаковую скорость, проходит двадцать секунд. При этом пройденный угол рассогласования составляет в 3600°.
На фиг. 6 описано само регулирование целевого угла сцепления. Разница между углом поворота паровой турбины и углом поворота газовой турбины, то есть угол рассогласования, переводится посредством характеристической кривой в разницу заданной частоты вращения между паровой турбиной и газовой турбиной. В частности, заданная частота вращения паровой турбины устанавливается в зависимости от частоты вращения газовой турбины и угла рассогласования. При этом фактор K' дает дополнительную возможность продолжать увеличение этой разницы заданной частоты вращения. При этом фактор K' является обратным фактором разницы регулирования, в частности, отклонения фактического параметра от заданного параметра. Тем самым он является пропорциональным регулятором. Его нужно анализировать и устанавливать отдельно, принимая во внимание свойства получаемого общего контура регулирования. Стандартная заданная величина K=1. При сложении с частотой вращения газовой турбины получается заданная частота вращения паровой турбины.
soll
Применение "регулируемого смещения" позволяет выставлять всю машинную заданную величину на целевой угол, равный нулю. Отклоняющийся от нуля требуемый целевой угол смещается посредством этого смещения таким образом, что можно использовать стандартную кривую для взаимосвязи Δϕ к Δn. Тогда при такой исходной посылке можно ограничить расчеты до требуемого целевого угла 0°.
0
На фиг. 7 проиллюстрировано влияние и выбор стартового угла ϕ. Фактическое измерение дает первоначально угол в диапазоне от 0° до 360°. Это более детально разъясняется далее.
0
0
0
0
0
0
2/
2/
2/
При ускорении паровой турбины относительно газовой турбины при постоянном ускорении k Гц /с для преодоления исходной разницы частоты вращения Δϕ требуется время t=Δϕ/k. В это время система преодолевает относительную угловую разницу, которая (Δϕ) (2*k) соответствует всем оборотам. Если бы угол рассогласования соответствовал при стартовой разнице частоты вращения Δϕ, в частности, случайно -360* (Δϕ) (2*k), то подошло бы постоянное ускорение k для достижения целевого угла 0°. При любой другой разнице стартового угла ускорение должно изменяться для достижения целевого угла 0°. Если теперь установить стартовый угол -360°*(Δϕ) (2*k) + измеренный угол, то это значит, что турбина должна получить в отношении ускорения к до исходной частоты вращения несколько увеличенное ускорение. Небольшое повышение ускорения во время регулируемой установки целевого угла сцепления оказалось предпочтительнее, чем небольшое уменьшение ускорения. Выбранная исходная посылка для установки угла рассогласования при стартовой разнице частоты вращения, как описано выше, всегда обеспечивает небольшое повышение ускорения. На численном примере: лучше исходить из того, что паровая турбина должна опережать на 270°, чем отставать на 90°.
Хотя изобретение детально проиллюстрировано и описано посредством предпочтительного примера выполнения, оно все же не ограничивается опубликованными примерами, специалист может извлечь из него и другие варианты, не выходя из объема правовой охраны изобретения.