蒸汽轮机的可变压力控制冷却方案和推力控制装置的制作方法

专利名称：蒸汽轮机的可变压力控制冷却方案和推力控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制蒸汽涡轮中推压力的方法。
背景技术：
蒸汽轮机已经运用到机械动力或电能的产生上超过了100年。标准循环是基于一用于产生蒸汽的热源，一涡轮，一排热的水冷或空冷冷凝器以及泵送系统。蒸汽轮机是高效的，因为蒸汽的膨胀力是用于动力涡轮的所有普通气体中最大的。蒸汽轮机也具有使用便宜，丰富和无环境污染的工作流体的优点。因此，蒸汽轮机被采用在许多应用中。
但是，最高可能效率的获得需要采用高温和高压。而在这些状况下蒸汽涡轮的稳固运行是可能有问题的。例如，已采用了1400华氏温度(760℃)和5600psi的入口温度和压力。现代的锅炉和蒸汽轮机系统的通常工作条件是接近1050F(565℃)和2400psi。该种类型的系统通常包含“再热”，其中该蒸汽再次进入锅炉以进行一级或多级的加热。
通常说来，锅炉的下游和第一再热的上游被称为高压(HP)涡轮。从高压(HP)涡轮排出的蒸汽沿着冷却再热管路被送入锅炉中进行再热。该再热蒸汽在流入中压(HP)涡轮之前通常被加热到初始入口温度。IP涡轮的排气在排出到冷凝器之前进入和流过低压(LP)涡轮。某些系统没有包括IP部分，并且更复杂的系统可具有多个再热级。该系统的结构设计根据应用场合可改变。涡轮部分可位于同一壳体之中，或者存在多个壳体。
主输出轴，和接近该旋转蒸汽轮机转子的区域通常包括用于承受高温和高压的轴承。这些轴承通常包括位于该轴承和输出轴之间的内部油封。此外，“推力”轴承需要吸收动力系所产生的轴向负荷。这些轴承通过轴向推力和在轴承中油的液压力被固定在适当的位置，或被保持在有限的移动范围之内。该推力是通过在涡轮叶片上的流体惯性和在横截面区域的变化所产生的压力的结合而产生的，其中，所述变化是由于整个系统中采用过量蒸汽而激起的。由于各个轴承仅仅能承受一定的蒸汽温度和压力，因此，由蒸汽产生并施加的推压力必须在允许的温度和压力参数范围之内。因此，来自该系统的温度合适的冷却蒸汽被用来冷却该涡轮的一些区域以并提供压力。
与推力轴承相关的额外的考虑是推力轴承不易接受推力的多次的和重复的方向变化，这是由于存在近零推力区域，在该区域中该轴承可能变成亚稳定的。这种关系在图3中示出。换句话说，推力轴承被设计用来以稳定的方式从一方向向另一方向施压。它们的快速吸收推力方向反向的能力受到限制。在此需要注意的是当蒸汽轮机的轴承失效时会导致相当大的损坏。
因此，确保可接受的压力和温度的蒸汽，包括冷却蒸汽，仅出现在该系统的合适的部分内是一个挑战。作为响应，在现有技术中，涡轮和它们相关联的轴承通常根据具体情况的设置进行设计和优化。例如，通过设计确定了轴承的特定尺寸和推力负荷能力安全裕量。但是，由于不规则和也由于在运行条件下的标准偏差，现代蒸汽轮机的可靠性仍然可以被改进，例如，启动对稳定状态，当暴露在超出设计限制的温度下油封的失效，极端的蒸汽温度和压力，振动，轴承磨损和由于制造的变化和其它的非正常情况。有必要确保所有被制造的涡轮达到它们运行和可靠性的要求。根据该要求的简单的变化对蒸汽轮机制造厂商来说都可能是商业上随之发生的。
因此，总之，通过规定大的或者超大的推力轴承或者通过将其他设计目标如系统效率或达到的最低成本进行折中，现有技术策略试图去调节在温度，压力和轴承上的推力负荷的不规则和变化，如推力轴承。在轴承或者在多个涡轮级上的蒸汽压力值通常通过初始设计选择作为固定的参数，并且设置为包括蒸汽冷却需要的期望情况。这可能是出于被动压力控制策略和系统的考虑。因此，需要一种用于蒸汽轮机的主动的压力和/或推力控制系统。

发明内容
公开了一种在蒸汽轮机中用于主动控制推压力的方法和装置。该方法可以包括监控在蒸汽轮机中影响推力装置的推压力，和调节推压力以在蒸汽轮机中的推力装置上维持所需的推压力。
附图简述无论如何，下面的描述主意并且不应该认为是限制。


图1是根据一示例性实施例的蒸汽轮机系统的侧视图。
图2是根据一示例性实施例的蒸汽轮机系统的侧视图。
图3是表示推力轴承的零推力区域的图。
图4是表示现有技术装置的侧视图。
具体实施例方式
本发明包括蒸汽轮机的主动压力屏障和推力控制系统，并且可以具体化为包含第二级管路和阀门的物理控制层。该主动控制层适合于使用在具有已知的底层主蒸汽轮机结构或者部分的蒸汽轮机中。因此，受当前控制系统控制的已知蒸汽轮机的全部结构并没有全部示出。在此需要指出的是控制系统不限于控制一种特定类型的蒸汽轮机。
为了阐述本发明，多级蒸汽轮机用于作为被控制的底层涡轮。但是，本发明的概念也可应用到单级蒸汽轮机；因此，底层蒸汽轮机的结构不被考虑对当前描述的主动控制概念的限制。
在多级蒸汽轮机中，具有叶片的涡轮轮或转子的多“级”安装在同一轴上。蒸汽通过多个涡轮轮。例如，蒸汽首先在高压级驱动涡轮，并且通常通过一再热后，该蒸汽被送入中压级，然后到低压级，同时在从一级到下一级时会损失压力。下面描述的实施例和在图1中所示的是基于位于自身壳体内部分离的HP部9，和相结合的IP和LP部14，其中，所述两个部分位于同一壳体之中。这些部的每一个都位于共同轴5上，该轴可连接到产生电能的发电器或者到一机械负载上。
例如在图1和2中，图1表示了控制管路的第二级层，图2表示了底层多级机构。高压(HP)级10被表示连接到锅炉管道11上，锅炉管道11连接到锅炉(未示出)上。高压级10从锅炉中接受高温和高压处的蒸汽。蒸汽在高压(HP)级10中流过涡轮(未示出)，并且然后在HP排出管16处排出返回到锅炉以进行再热。一旦再热后，再热蒸汽随后通过IP再热管18直接流入到中压(IP)级12，并且通过(LP)再热管18流入到低压(LP)级13，通常如图2所示。在图1中，高压壳体9表示在右边，并且中压/低压(IP/LP)壳体14表示在左边，如箭头6所示的冷却蒸汽通过诸如迷宫式密封8的密封沿着轴轴向传播，这是已知的。
在图1中，一轴向可移动的推力活塞15包括在高压壳体9中。例如推力活塞15可用于蒸汽轮机中以帮助对入口和出口压力差值进行补偿。此外，分离器20位于在推力活塞15的左边。如图4所示，现有技术通常包括设置在分离器中间左边的被动的“泄漏(leak-off)”管21或者抽取管。泄漏管21的目的是试图去获得任何进入到HP级的高温蒸汽，朝向分离器和推力活塞的整个外部部分向左移动，并且然后经过分离器移动使其不能继续向左移动。这被认为是“被动”系统，因为泄漏管21中的流动由于其固定的源压力不能得到主动的控制或调节，也就是，如在上述背景技术所提到的，该结构在制造时就已固定，在过度磨损时根本没有进行控制。
相反，在图1中所示的实施例中，一可控的第一压力分接头1直接地设置在分离器(skimmer)20的左边。此外，第二可控压力分接头2设置在分离器20的右手侧和推力活塞15的左手侧之间。这些压力分接头(1，2)连接到主动控制管路的第二级上。
例如，在一个实施例中，如果传感器22从推力活塞区域传送一个反馈信号表示这里存在表示推力控制的需要，控制器23会控制该系统以作下面响应。作为压力/流动控制阀的第二压力分接头2开始控制其阀门开度，以在推力轴承的一侧获得所需压力，以增加或减少推力。同时，可以作为压力控制阀的第一压力分接头1将随同第二分接头2进行调节，从而在连接到第二压力分接头2的区域维持稍微更高(正)压力。两个分接头(1，2)两者被控制以匹配所需的最低可能压力以确切地匹配所需的推力，密封和冷却蒸汽6的所需量。
具体来说，如图1所示，第一压力分接头1连接到输入控制管路3上，该输入控制管路3连接到HP排出管16或“冷却再热”。第二压力分接头2连接到输出控制管4上，该输出控制管4输出到HP排出管16上。压力分接头1也连接到IP/LP控制管7上，该控制管7运行在高压壳体9和IP/LP壳体14之间。图1中还示出了两个另外管路，包括IP管25和P/F阀门管26。该P/F阀门管26被连接到LP/IP控制管7上。如图1所示，第三阀门，IP/LP压力控制阀门24也包括在LP/IP控制管7中。
如图1所示，三个压力PA，PB和PC将被控制。IP/LP压力控制阀门24的主要任务是直接从控制器23中选择合适的中间或者低压源PC，以提供充分的压力控制裕量给PB，该PB是在相关于推力活塞15的推力控制位置处的压力。凭借所给的装置，通过选择不同的源压力(PC或者冷却再热压力)并且例如通过阀门打开，通过第二压力分接头2来进一步控制结果的PB压力，则现在可能具有可用PB压力的范围，这样通过在推力活塞15的周围创造可变压力差值可允许充分的推力控制。PA压力应该同时被控制，并且通常应该维持稍微更高，例如比PB大约高5psi，以使在控制推力时的将蒸汽泄漏最小化。这样在图1中的分离器20的周围形成上述正压力障碍，并且将会在任何时刻防止潜在危险的热泄漏蒸汽流入到从推力活塞15的左侧。
压力传感器22可位于任何合适的地方。例如，传感器通常可包括在第一压力分接头1和第二压力分接头2的附近，如果合适的话也可以在推力活塞15的附近。控制器23从压力传感器22中读取输出数据，并且提供给第一压力分接头1和第二压力分接头2主动的控制。例如，该主动控制系统和方法会在分离器20附近创造一个+5psi的压力屏障，其中，冷却气流将会在分离器20上从左向右流动并且进入到输出控制管4中，该输出控制管4与第二压力分接头2可管道相连，并且该第二压力分接头2可线路返回到锅炉中以进行再热。换句话说，主动可控的压力和推力屏障的形成，是因为第一压力分接头1比第二压力分接头2控制的压力高大约5psi。因此，从高压级(HP)10的高温蒸汽可被有主动防止行进到分离器的左边和上面。这样，例如在启动期间运行条件的改变，或者通常的不规则和轴向推力变化，不会使该主动系统失效。因此，该主动系统可有效地保护分离器，并且保护任何其它近似的轴承或密封暴露在高压级(10)造成损坏的HP蒸汽事故中。
此外，由于转子的动力学性质，位于推力板或者平衡活塞15上的密封衬垫最有可能首先磨损或者“磨耗”并且通常处于严重的状态。因此，该类型的装置通常伴随有分离器20，该分离器20通常为推力衬垫邻近处的少量的HiLo齿。如名字所表示的，分离器的目的使为了转移或者“分离出”热泄漏蒸汽到蒸汽轮机中的可再使用的源中，而不是仅仅将热蒸汽传送到下一个垫圈环。本发明意识到当分离器20和推力密封打开到远远超过设计意图时，危险的高温条件非常可能会发生，例如，将在轴承区域的附近产生100的增加。这是因为高温蒸汽将会在分离器齿下流动并且能通过到下一邻近的密封中。因此，具有推力装置的主动控制系统的当前主动压力和控制系统解决了这一问题，其中例如，该推力装置为推力活塞或者推力轴承。
例如，在一实施例中，如果传感器22从推力活塞15区域送出的反馈信号表示需要推力控制，控制器23将如下文所述控制该系统作出响应。可作为压力/流动控制阀的第二压力分接头2将开始控制其阀门的开度，以在推力轴承15的一侧获得所需压力，从而增加或者减少推力。
同时，可以作为压力控制阀门的第一压力分接头1将随着第二压力分接头2进行调节，从而使连接到第二压力分接头2的区域处维持稍微更高(正)压力。分接头(1，2)两者是被控制的以匹配所需的最低可能压力，以确切地匹配所需的密封和冷却蒸汽6的量。
例如，如表1所示的下面的控制规则将基于涡轮的状态，启动，稳定状态或者额外所需的推力控制进行实施。
表1VJ＝垂直结合点(在IP和LP涡轮之间的位置)

如在上述表中的稳定状态条件中，通过选择与HP排出管16的控制-管路(3，4)的预先计算位置可以实现5psi(或者合适)的压力差，该HP排出管16为冷却再热管路，也就是，x psi的压力差值可以在开始时自然地获得而不需要控制阀门，但是通过采用在再热管路本身(图2中的61)的自然压力下降。但是，如上述表1中所示，主动控制可用于需要额外推力的情况。
注意到PA，PB和PC压力可通过调节控制阀门的打开的量可各自地调节到比源压力更低的压力。这样比仅仅把阀门位置简单地从关闭切换到完全打开，在控制位置上能实现更精确的压力控制。通过这种特征，推力可以平稳地进行调节。即使是在上游压力(在推力活塞15的右手侧上)改变时，这样操作依然有效。
如表1中所示，如果蒸汽轮机运行在正常设计状态时，控制压力(阀门开度)能够被最优化以最好的匹配运行条件，也就是，将系统所需的冷却蒸汽最小化。
因此，当前主动控制保护压力屏障和柔性推力控制的优点包括，但不限于通过主动地保护轴承，如油封的推力轴承，防止其在蒸汽轮机中被高温蒸汽失效或者损坏，来提高涡轮的可靠性；通过主动地控制冷却蒸汽的量和在蒸汽轮机中其它位置用于蒸汽密封的蒸汽倾倒的量，最大化机械效率；并且在存在设计缺陷的情况下控制推力，因此基于蒸汽轮机中的运行状态来提供所需的额外推力的选择。
此外，当前主动压力屏障和推力控制方法可解决其他的一些问题。例如，目前，在蒸汽轮机中N-衬垫失效的情况下，没有安全装置存在以对高温蒸汽中的轴承，例如推力轴承进行保护。当前的主动压力屏障方法将防止从蒸汽轮机的高压壳体中的高温蒸汽到达轴承区域而不必考虑衬垫的磨损状况。这样通过防止潜在的热失效改善了推力轴承可靠性，进而提高了机械可靠性，寿命和维护时间间隔。
此外，在推力设计的不确定性，在方向和负荷两方面都是显著重要的。具有于广泛范围上可变的压力源可减少这些冒险。这样，如图3所示，本发明将避免零推力或者反向推力情况的危险，并且在推力轴承尺寸不够大时将补偿所需的推力。因此，这里也不需要在推力活塞转子中的机械额外推力步骤，从而简化推力活塞机构。
当前，在现有技术中，一旦密封设计被实施，就没有可控制泄漏蒸汽和冷却蒸汽的措施了。一些泄漏蒸汽被送入蒸汽密封盖(header)，该盖可以控制蒸汽密封流动。但是，任何蒸汽发生泄漏，它就被泄漏出去了并且不能恢复用作动力产生，除非建立了额外的管路。因此，本发明将允许装置去主动地控制倾倒蒸汽的量，这被称为主动的自我密封点控制。
在涡轮设计中另外的有利之处在于包括冷却流被再流回到冷却再热和再利用的再热器中，因此形成了封闭的流动循环，而不是仅仅形成了分离流动循环。这样可以节约能量，特别是其中的N-衬垫中存在大量磨损时。
正压力屏障的运行模式可从多个可能的阀门组件装置中选出。通过采用压力控制阀结合压力/流动控制阀，能够保留显著量的冷却流量，仅仅在密封中允许最小所需的蒸汽流量，以维持蒸汽密封系统。这是重要的因为排出的冷却流量在涡轮热效率上具有不可忽略的影响。
作为本系统使用一压力控制阀的结果，能够消除并代替许多以前所需的密封齿。因此，如果计划的刷密封能够被设置在HiLo齿节距大的地方，或者等同地，为了转子动力性的优点转子的长度可以被减少。
此外，通过能够选择不同压力源所提供的灵活性也能消除启动期间在IP-HP垂直点(VJ)处与不同的热膨胀相关的问题。取决于其所需的，控制器可以选择将泄漏蒸汽倒入所需的IP部分12中，直到涡轮壳体全部加热。
因此，通过上面所讨论的理由和其他的理由，本发明提供了许多超越现有技术的优点。
虽然就一示例性实施例对本发明作了说明，业内行家会理解，可在不脱离本发明范围的前提下作出不同的变化以及通过元件替换得到等同物。此外，根据本发明的教导，可在不脱离本发明范围的前提下为了适应具体情况而作出许多修改。因此，本发明并不仅限于为了实施该发明而公开的实施方式，本发明可以包括落在所预期的权利要求范围内的所有实施方式。而且，第一，第二等这些术语的使用不是用来表示任何重要的顺序，而是将第一，第二这些术语用于区别第一元件与另一个元件。
部件列表1 第一压力分接头2 第二压力分接头3 输入控制管路4 输出控制管路5 轴6 冷却蒸汽7 LP/IP控制管路8 迷宫式密封9 高压壳体10 高压级(HP)11 锅炉管路12 中压(IP)级13 低压级(LP)14 IP/LP壳体15 推力活塞16 HP排出管17 LP再热管18 IP再热管20 分离器21 消极的泄漏管22 压力传感器23 控制器24 IP/LP压力控制阀25 IP管路26 P/F阀门管路27 N-衬垫
权利要求
1.一种蒸汽轮机中主动地控制蒸汽轮机中推压力的方法，包括监控在蒸汽轮机中影响推力装置的推压力；和调节该推压力以在蒸汽轮机中的推力装置上维持所希望的蒸汽压力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的调节步骤包括调节连接到输入控制管路(3)上的第一压力分接头(1)，以调节该推压力，从而维持在该推力装置上的所希望的推压力，其中输入控制管路(3)将蒸汽从一冷却再热管路输送到至少一个压力分接头中。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该调节步骤还包括调节第二压力分接头(2)，其中第二压力分接头(2)被连接到一输出控制管路(4)，该输出控制管路(4)将蒸汽返回到该冷却再热管路中，并且其中第二压力分接头(2)也被连接到位于该推力装置附近的一第三控制管路上，该第三控制管路从高压壳体(9)将冷却蒸汽(6)输送到一低压壳体中，并包括一第三压力分接头。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，实施该调节步骤以便在第二压力分接头(2)处产生比第一压力分接头(1)处低大约5psi的推压力。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在稳定状态运行期间，该调节步骤可提供并维持一稳定的推压力。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在蒸汽轮机的启动期间，该调节步骤可提供并维持一稳定的推压力。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在蒸汽轮机的非正常运行期间，该调节步骤可提供并维持一稳定的推压力。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在蒸汽轮机的密封衬垫磨损运行期间该调节步骤可提供并维持一稳定的推压力，并且其中，形成一推压力屏障，防止高温蒸汽由蒸汽轮机的高压壳体到达该推力装置区域，而不必考虑该密封的磨损状况，从而防止热故障并且增加了可靠性、寿命或维护间隔时间。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该推力装置是一推力轴承。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该推力装置是一推力活塞。
全文摘要
本发明公开了一种在蒸汽轮机中用于主动地控制推压力的方法和系统。该方法包括监控在蒸汽轮机中影响推力装置的推压力，和调节推压力以在蒸汽轮机中的推力装置上维持所需的蒸汽压力。
文档编号F01D19/00GK1847626SQ200510121670
公开日2006年10月18日 申请日期2005年12月27日 优先权日2004年12月27日
发明者C·L·范德沃尔特, J·-H·金 申请人:通用电气公司