СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ С ТРЕБУЕМЫМ УГЛОМ РАССОГЛАСОВАНИЯ
METHOD FOR CONNECTING A STEAM TURBINE AND A GAS TURBINE WITH THE REQUIRED ERROR ANGLE

Изобретение относится к способу соединения поворотного устройства, в частности паровой турбины, и устройства с валом, в частности газовой турбины.
В комбинированных газо- и паротурбинных электростанциях сначала посредством сжигания газа приводят в действие газовую турбину. С помощью отходящего тепла газовой турбины производят выработку пара для паровой турбины. По этой причине при запуске газопаровой электростанции сначала приводят в действие газовую турбину. Паровая турбина может быть подключена только после подготовки достаточного количества пара. При установках с одним валом газовая турбина и генератор стационарно соединены одним валом. Паровая турбина расположена на той же оси и может быть подключена через соединительную муфту. По этой причине необходимо соединение паровой турбины и газовой турбины.
При этом в практических условиях угол соединения определялся случайным образом. Из заявки ЕР №1911939 А1 известен целенаправленный выбор угла соединения. Таким образом, можно выбрать угол соединения, при котором происходит минимизация вибрационной нагрузки. Грубо говоря, за счет этого в определенной степени возможна компенсация дисбаланса обеих турбин. Именно в сравнении с соединением, при котором обе турбины соединены таким образом, что их дисбалансы суммируются, тем самым может быть достигнуто снижение вибрационной нагрузки. Несмотря на это преимущество, этот способ не используют.
Задачей изобретения является создание улучшенного способа соединения с требуемым углом соединения. Также должна быть разработана соответствующая конструкция.
Даже если представленное ниже изобретение в основном пригодно для соединения самых различных вращающихся устройств с самыми различными содержащими вал устройствами, в интересах наглядности отображения в качестве примера для вращающегося устройства всегда используют паровую турбину и в качестве примера для содержащего вал устройства используют газовую турбину. При этом речь идет о важнейшем с современной точки зрения использовании изобретения. Другие использования, однако, являются однозначно возможными.
Было установлено, что указан способ соединения паровой турбины и газовой турбины со следующими этапами.  Сначала паровую турбину ускоряют до числа оборотов на выходе, которое лежит ниже числа оборотов газовой турбины. Для этого можно действовать как обычно и при достаточном количестве пара можно запустить паровую турбину. При этом следует определить угол рассогласования между газовой турбиной и паровой турбиной. При достижении числа оборотов на выходе ускорение паровой турбины продолжают с использованием величины ускорения, которую выбирают в зависимости от разности числа оборотов и угла рассогласования. Как только разность между числами оборотов паровой турбины и газовой турбины достигнет нулевого значения, осуществляют присоединение паровой турбины, причем одновременно происходит дальнейшее ускорение  паровой турбины. К началу процесса соединения число оборотов паровой турбины, таким образом, равно числу оборотов газовой турбины. Происходит ускорение паровой турбины относительно газовой турбины, так что число оборотов паровой турбины кратковременно нарастает до величины выше числа оборотов газовой турбины.
В зависимости от заранее заданного целевого угла и ускорения паровой турбины до исходного числа оборотов происходит установка действительно подлежащей выбору заданной величины числа оборотов паровой турбины в зависимости от угловой разности и разности числа оборотов. При этом используют познание о том, что существует однозначная взаимосвязь между углом рассогласования при числе оборотов на выходе, величиной ускорения, с которой происходит ускорение паровой турбины от числа оборотов на выходе до заданного числа оборотов относительно газовой турбины и возникающим углом соединения, в данном случае целевым углом соединения. Разность между заданным числом оборотов и числом оборотов газовой турбины обозначают как разность заданного числа оборотов. Заданное число оборотов паровой турбины варьируется во времени и формируется в зависимости от разности числа оборотов и угловой разности. Во время соединения число оборотов паровой турбины несколько возрастает относительно числа оборотов газовой турбины. После завершения соединения числа оборотов газовой турбины и паровой турбины, конечно, равны.
В соответствии с изобретением изменение числа оборотов вращающегося устройства происходит с заданной величиной числа оборотов, причем разность заданного числа оборотов зависит от угла рассогласования и заданное число оборотов определяют из зависимости между разностью заданного числа оборотов и угла рассогласования, причем при определении заданного числа оборотов дополнительно учитывают определенную разность числа оборотов.
opt
Содержащее вал устройство и вращающееся устройство повернуты относительно друг друга на величину угла рассогласования, причем после соединения достигают оптимального угла Δφ при Δφ = Δφ. При Δφ содержащее вал устройство и вращающееся устройство расположены по отношению друг к другу таким образом, что достигнута  оптимизация  динамических характеристик ротора, таких как колебания и т.д.
Угол рассогласования при выходном числе оборотов (угол рассогласования при запуске) образуется случайным образом и его определяют с помощью измерения угла рассогласования. При вычислении угол рассогласования при запуске выбирают из охватывающей 360° области вокруг так называемого номинального стартового угла рассогласования. В случае номинального угла рассогласования при запуске речь идет об угле, который газовая турбина опережала бы при сохранении неизменным ускорения паровой турбины с учетом целевого угла вплоть до присоединения паровой турбины. Это должно быть показано на примере: разность числа оборотов при запуске составляет 1 Гц, прежнее ускорение паровой турбины составляет 0,05 Гц/с, целевое значение составляет 0°, в этом случае номинальный угол рассогласования при запуске составляет 3600°.
Технический результат предлагаемого способа заключается в достижении оптимального угла рассогласования после соединения, при котором  вращающееся устройство и содержащее вал устройство  оптимально выровнены относительно друг друга.
Целевой угол соединения обычно выбирают таким образом, чтобы достигалась минимизация вибрационной нагрузки на соединенные газовую турбину и паровую турбину. При этом предпочтительно предназначенный для настройки целевой угол соединения может быть определен посредством измерений вибрационной нагрузки и расчета. Как правило, используют комбинацию из обоих процессов.
Изменение числа оборотов содержащего вал устройства происходит вследствие ускорения вращающегося устройства.
При выборе разности числа оборотов на выходе и выборе величины ускорения существуют, пусть даже ограниченные, степени свободы. При выборе величины ускорения следует учитывать, что в распоряжении должно находиться достаточное количество пара и не возникать нестабильности или т.п.
Благоприятным оказался случай, когда разность числа оборотов на выходе составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 1 Гц, причем число оборотов паровой турбины меньше числа оборотов газовой турбины.
Существенное преимущество настоящего способа по сравнению с описанным в заявке ЕР №1911939 А1 способом  заключается в том, что при числе оборотов, соответствующем останову не требуется прерывания процесса ускорения. За счет этого возможно плавное присоединение и одновременно  достижение требуемого целевого угла соединения.
Следует также обратить внимание на то, что при ускорении паровой турбины от числа оборотов на выходе до числа оборотов, при котором скорость паровой турбины достигает скорости газовой турбины, газовая турбина опережает паровую турбину на несколько полных оборотов относительно целевого угла. Относительно изменения угла рассогласования число полных оборотов опережения газовой турбины является очевидно несущественным. Изменение числа этих полных оборотов создает следующую степень свободы, так что для достижения требуемого целевого угла соединения при данном ускорении возможны различные разности числа оборотов на выходе, или при данной разности числа оборотов на выходе возможны различные величины ускорения.
В одной форме исполнения требуемую разность числа оборотов на выходе выбирают из диапазона разности числа оборотов, так что при назначении требуемой величины ускорения из разности заданного числа оборотов выбирают величину, с которой происходит ускорение паровой турбины до числа оборотов на выходе. Таким образом можно добиться того, что величина ускорения для достижения целевого угла изменяется по возможности незначительно или даже в идеальном случае вообще не должна изменяться.
Согласно одной форме исполнения предусмотрено, что значение числа оборотов на выходе приблизительно на 1 Гц ниже числа оборотов газовой турбины, приблизительно от 0,5 до приблизительно 1,5 Гц или приблизительно от 0,5 до приблизительно 1,1 Гц. Эти величины проявили себя как пригодные.
В одной следующей форме исполнения предусмотрено, что величина ускорения составляет приблизительно от 0,025 до приблизительно 0,075 Гц/с, предпочтительно приблизительно около 0,05 Гц/с.
В нормальном случае следует обратить внимание на то, что при присоединении происходит изменение угла рассогласования на величину угла поворота соединения. Это обусловлено тем, что обычно паровую турбину ускоряют до заданного числа оборотов, то есть до числа оборотов, незначительно превышающего число оборотов газовой турбины. За счет следующего за этим процессом обгона ввертывания в соединительную втулку может производиться отвертывание на величину угла поворота соединения. За счет учета угла поворота соединения в конечном итоге возможна дальнейшая оптимизация вибрационной нагрузки.
Изобретение относится также к соответствующей конструкции с одной газовой турбиной и одной паровой турбиной, с соединительной муфтой для соединения газовой турбины и паровой турбины. Такая конструкция содержит устройство для определения угла рассогласования  между газовой турбиной и паровой турбиной. Далее, присутствует устройство для ускорения паровой турбины с определенной величиной ускорения. В соответствии с этим расположены средства, которые позволяют достичь требуемого целевого угла соединения газовой турбины с паровой турбиной в зависимости от распознанного угла рассогласования путем определения величины ускорения, с которой осуществляют ускорение паровой турбины, и разности заданного числа оборотов между газовой турбиной и паровой турбиной, при которой начинают процесс соединения.
Эта конструкция пригодна для осуществления описанного выше способа. За счет исполнений конструкции  могут быть осуществлены различные формы исполнения способа.
При этом следует показать, что во всех случаях способ нуждается в незначительных конструктивных изменениях известной газотурбинной установки, которой необходим генератор пара, вырабатываемого с помощью отходящего тепла, который подготавливает пар для привода паровой турбины в действие. Так, постоянно присутствуют средства для ускорения паровой турбины. Конкретно при этом наряду с прочим речь идет о клапанах, посредством которых должен подводиться пар к паровой турбине, а также о соответствующем управлении клапанами. Обычно необходимо также определить положение турбин по углу. Обычно для этой цели используют соответствующие измерительные устройства. Конечно, при известных установках определение положения по углу часто не происходит достаточно быстро. Так, например, может потребоваться дополнительное оснащение для достаточно быстрого определения относительного угла и использования определенной величины для управления. Для этого обычно целесообразно тактирование приблизительно от 4 до приблизительно 20 мс. Как правило, в соответствии с этим необходимо лишь произвести модификацию устройств управления по сравнению с уровнем техники.
Изобретение описывается ниже более подробно на основании фигур. При этом фигуры показывают:
фиг. 1 – взаимосвязь между различными углами соединения при различных относительных ускорениях, исходя из разности числа оборотов на выходе 1 Гц и нулевой разности выходного угла;
фиг. 2 – разность заданного значения числа оборотов в зависимости от угла рассогласования исходя из разности числа оборотов на выходе 1 Гц и разности выходного угла, составляющего –3600°;
фиг. 3 – вид примера диаграммы числа оборотов газовой турбины и паровой турбины;
фиг. 4 – диаграмму угла рассогласования при присоединении и угол поворота соединения;
фиг. 5 – схематическое изображение цепи валов;
фиг. 6 – принцип присоединения с требуемым углом рассогласования.
На фиг. 1 для различных постоянных величин ускорения показан угол рассогласования во время ускорения паровой турбины в зависимости от соответствующей разности числа оборотов. На оси ординат указана в Гц разность числа оборотов газовой турбины относительно паровой турбины. На оси абсцисс показан угол рассогласования в градусах, причем также  суммированы целочисленные кратные от 360°.
Самая верхняя, изображенная штриховой линией кривая показывает взаимосвязи при величине ускорения, составляющей 0,025 Гц/с, средняя, изображенная штрихпунктиром кривая показывает взаимосвязи при величине ускорения, составляющей 0,05 Гц/с и нижняя сплошная линия показывает взаимосвязи при величине ускорения, составляющей 0,075 Гц/с. Это должно быть пояснено на основании средней кривой.
В качестве исходной точки рассматривают точку на левом нижнем конце кривой. Угловая разность между газовой турбиной и паровой турбиной равна нулю, разность числа оборотов составляет – 1 Гц. То есть газовая турбина вращается на 1 Гц быстрее, чем паровая турбина. В этой точке, то есть при этой разности числа оборотов на выходе паровой турбины, должно быть произведено целенаправленное трогание с места угла соединения.
Паровую турбину ускоряют при неизменном ускорении 0,05 Гц/с относительно газовой турбины до тех пор, пока число оборотов обеих турбин не станет одинаковым. Работавшая до того более быстро газовая турбина перекрывает в момент времени, в который паровая турбина работает с той же скоростью, на 3600° больший угол, нежели паровая турбина, то есть за промежуток времени она совершает на 10 оборотов больше, чем паровая турбина. Следует указать, что ось времени здесь не показана. Как видно из кривой, происходит уменьшение измерения угла рассогласования между газовой турбиной и паровой турбиной по мере сближения скоростей, то есть чем меньше разность числа оборотов. Как видно, далее, из различных кривых, пройденный угол до начала присоединения тем больше, чем меньше ускорение. Этот эффект  привлекают в основном для управления выбранным целевым углом соединения.
При других величинах ускорения и других углах рассогласования при запуске действуют количественно иные взаимосвязи, однако, рассуждения в остальном являются аналогичными.  Например, при угле рассогласования  во  время  запуска,  составляющем -3600°, и при относительном ускорении 0,05 Гц целевой угол соединения для начала присоединения составлял бы 0°.
Фиг. 2 является инверсным представлением фиг. 1, причем изображена лишь кривая с величиной ускорения, составляющей 0,05 Гц/с. Здесь угол рассогласования при запуске по сравнению с фиг. 1 составляет -3600° для номинального достижения целевого угла рассогласования 0°. На ось ординат нанесен угол рассогласования в градусах, причем также суммированы целочисленные кратные от 360°. На ось абсцисс нанесена указанная в Гц разность числа оборотов газовой турбины относительно паровой турбины.
Таким образом, фиг. 2 показывает, каким образом при постоянном относительном ускорении 0,05 Гц/с разность числа оборотов зависит от угла рассогласования. При этом при совпадающих частотах газовой турбины и паровой турбины предполагают угол рассогласования, составляющий 0°. Для выбранного ускорения 0,05 Гц/с фиг. 2 показывает центральную кривую заданного значения. Так, например, разность скоростей между газовой турбиной и паровой турбиной при угловой разности 900° должна составлять -0,5 Гц. Это означает, что при угловой разности 900° паровая турбина работает на 0,5 Гц медленнее, чем газовая турбина.
В идеальном случае фиг. 2 описывает взаимосвязь  между перекрытым углом и разностью числа оборотов между  паровой турбиной и газовой турбиной.
Если в случае реальной установки при измеренном угле рассогласования, составляющем -900°, разность скоростей больше, то при неизменном ускорении 0,05 Гц достигают не целевого угла 0°, а большего целевого угла. В этом случае паровая турбина работает слишком медленно; она нуждается в усиленном ускорении.
Если, наоборот, в случае реальной установки при измеренном угле рассогласования, составляющем 900°, разность скоростей меньше, то при неизменном ускорении 0,05 Гц/с будет достигнут целевой угол, не равный 0°, а меньший целевой угол. В этом случае паровая турбина работает слишком быстро и необходимо ее притормаживание.
Процесс присоединения изображен как таковой на фиг. 3. На оси ординат нанесено время в секундах, а на оси абсцисс нанесено число оборотов. Паровая турбина работает сначала медленнее, чем газовая турбина, однако, с ускорением относительно последней. Число оборотов газовой турбины остается постоянным на величине 50 Гц, как показано штрихпунктирной линией. Скорость паровой турбины показана сплошной линией. К моменту времени, в который паровая турбина имеет ту же скорость, что и газовая турбина, начинают процесс соединения. То есть начинают механическое включение соединения. Паровая турбина работает сначала с дальнейшим ускорением, опережает при этом газовую турбину и переходит в упор соединения. В этой позиции  осуществляют притормаживание. После этого оба вала турбин вращаются с одинаковым числом оборотов.
Влияние присоединения на угол рассогласования показано на фиг. 4. На ось ординат вновь нанесено время в секундах, а на ось абсцисс нанесена разность угла поворота в градусах. Штриховая линия показывает заданное значение угловой разности, которое здесь составляет 0°. Сплошная, проходящая сначала внизу линия показывает временную характеристику фактической угловой разности. Сначала угол поворота паровой турбины составляет 250° и меньше угла поворота газовой турбины. Сначала эта разность угла поворота резко снижается до разности, составляющей 0°. После этого разность угла поворота вновь возрастает, в данном случае до приблизительно 20°. Это объясняется тем, что при ввертывании в соединительную втулку происходит вращение в обратную сторону паровой турбины вокруг угла поворота соединения. Характеристика угла поворота соединения показана состоящей из точек линии.
Таким образом, при выборе требуемого целевого угла соединения при соединении следует учитывать, что при присоединении происходит изменение разности угла поворота вокруг угла поворота соединения.
Фиг. 5 показывает схематическое изображение цепи 1 валов. Она охватывает вращающееся устройство 2, которое образует вал 3 не изображенной паровой турбины. Вал 3 может быть соединен с помощью соединительной муфты 4 с валом 5 генератора. Вал 5 генератора приводят в действие с помощью генератора 6. Через следующее соединение 7 вал 5  генератора соединен с содержащим вал устройством 8, которое образует вал 9 не изображенной более подробно газовой турбины.
С помощью магнитного датчика 10 для определения числа оборотов вала определяют число оборотов и угол поворота вала 3. С помощью следующего магнитного датчика 11 для определения числа оборотов вала  определяют число оборотов и угол поворота вала 9. Сигнал от магнитного датчика 10 для определения числа оборотов вала и магнитного датчика 11 для определения числа оборотов вала  поступают на блок 12. От блока 12 угол Δφ и разность Δn числа оборотов передают далее к регулятору 13 турбины.
До момента достижения заданной разности скоростей ускорение паровой турбины происходит как обычно с помощью заранее заданного линейного изменения. При разности скоростей в 1 Гц, то есть при числе оборотов на выходе, происходит переключение на присоединение с регулированием целевого угла. Для этого определяют фактическую угловую разность в диапазоне от 0до 360° и производят ее уменьшение на величину углового диапазона, который был бы перекрыт газовой турбиной при сохранении прежнего ускорения паровой турбины вплоть до момента начала присоединения. Это следует пояснить на примере: разность числа оборотов между газовой турбиной и паровой турбиной составляет 1 Гц, ускорение паровой турбины составляет 0,05 Гц/с. До момента времени, в который скорости газовой турбины и паровой турбины становятся одинаковыми, проходит 20 с. Пройденный при этом угол рассогласования составляет 3600°.
soll
Фиг. 6 представляет регулирование целевого угла соединения. Разность между углом поворота паровой турбины и углом поворота газовой турбины, то есть угол рассогласования, с помощью характеристики преобразуют в разность заданного числа оборотов между паровой турбиной и газовой турбиной. Таким образом, заданное число оборотов паровой турбины определяют в зависимости от числа оборотов газовой турбины и угла рассогласования. Коэффициент ,К’ создает при этом дополнительную возможность дальнейшего усиления этой разности заданного числа оборотов. Коэффициент ,К’ является при этом коэффициентом обратной связи разности регулирования, то есть отклонения фактической величины от заданной величины. Тем самым, это пропорциональный регулятор. Применительно к свойствам вытекающей общей цепи регулирования он подлежит отдельному анализу и определению. Стандартной предписанной величиной является К = 1. За счет прибавления числа оборотов газовой турбины  получают заданное число оборотов паровой турбины. Использование функции ,регулируемая компенсация’ позволяет привести общие расчетные предписанные величины к нулевому целевому углу. Отличающийся от нуля требуемый целевой угол смещают с помощью этой компенсации таким образом, что возможно использование стандартной кривой для взаимосвязи между Δφ и Δφn. В этом случае с помощью этого математического выражения можно ограничить рассуждения до требуемого целевого угла 0°.
DT
soll,DT
sv, DT
DT
Дополнительно к углу Δφ рассогласования обрабатывают разность Δn числа оборотов в блоке 14. Кроме того, в блоке 14 обрабатывают число n оборотов. В блоке 14 генерируют заданное число nφ оборотов, которое подводят к блоку 15 управления заданным значением. В блоке управления заданным значением вырабатывается сигнал nφ, который подводят к следующему блоку 16 управления заданным значением. На выходе блока 16 управления заданным значением вырабатывают изменение Δn числа оборотов и передают на регулятор 13 турбины. Кроме того, к регулятору 13 турбины подводят сигнал из критерия 17 коммутации. Затем сигнал из критерия коммутации используют для переключения между блоком 15 управления заданным значением и блоком 16 управления заданным значением.
0
0
0
0
0
0
2
2
2
При ускорении паровой турбины относительно газовой турбины с постоянным ускорением k Гц/с для преодоления разности Δω требуется время t = Δω/k. В течение этого времени система перекрывает относительную угловую разность, которая соответствует (Δω)/(2*k) полных оборотов. Таким образом, если угол рассогласования при разности Δω числа оборотов при запуске случайно соответствовал бы величине -360°* (Δω)/(2*k), то постоянное ускорение k было бы пригодно для настройки целевого угла 0°. При каждой другой угловой разности при запуске для достижения целевого угла 0° требуется изменение ускорения. Если теперь угол при запуске устанавливают на величину -360°*(Δω)/(2*k) плюс измеренный угол, то это означает, что турбина относительно ускорения k до числа оборотов на выходе должна претерпеть несколько увеличенное ускорение. Незначительное увеличение ускорения во время регулируемого раскручивания целевого угла соединения проявило себя более предпочтительным образом, чем незначительное уменьшение ускорения. Выбранная концепция назначения угла рассогласования при разности числа оборотов при запуске в соответствии с описанным выше всегда позволяет незначительно увеличивать ускорение. Пояснение на примере: лучше исходить из того, что паровая турбина должна работать с опережением на 270° вместо необходимости возврата назад к 90°.
Несмотря на то, что изобретение было детально проиллюстрировано и описано с помощью предпочтительного примера исполнения, оно не ограничено раскрытыми примерами, и специалист может вывести из них другие вариации без выхода за объем охраны изобретения.