WO2014198649A1 - Verfahren zum kuppeln einer dampfturbine und einer gasturbine mit einem gewünschten differenzwinkel - Google Patents

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    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the gas turbine In combined gas and steam power plants, the gas turbine is initially driven by the combustion of gas. The waste heat from the gas turbine generates steam for a steam turbine. When starting the gas and steam power plant, therefore, the gas turbine is operated first. The steam turbine can only be switched on if enough steam is provided. In single-shaft systems, the gas turbine and generator are firmly connected on a shaft. The steam turbine is arranged in the same axis and can be connected via a coupling. It is therefore required a coupling of steam turbine and gas turbine.
  • the dome angle results in practice while random. From EP 1 911 939 AI it is known to select the dome angle targeted. This makes it possible to choose a dome angle at which the vibration load is minimized. Roughly speaking, it is thus possible to compensate for imbalances of the two turbines to some extent. Especially in comparison to a clutch in which both turbines are coupled so that add imbalances, so that a reduction of the vibration load can be achieved. Despite this advantage, this method is not used.
  • the object of the invention is to provide an improved method of coupling with a desired dome angle. Likewise, a corresponding arrangement is to be developed.
  • the steam turbine is to accelerate up to an output speed that is below the speed of the gas turbine. This can be done as usual and be approached with sufficient steam, the steam turbine. It is necessary to detect a difference angle between gas turbine and steam turbine. When the output speed is reached, the acceleration of the steam turbine is continued with an acceleration value selected as a function of the speed difference and differential angle. As soon as the speed difference between the steam turbine and the gas turbine has dropped to the value zero, the steam turbine is engaged, the steam turbine being simultaneously accelerated further. At the beginning of the engagement process, the speed of the steam turbine is therefore equal to the speed of the gas turbine. The steam turbine is accelerated relative to the gas turbine, so that the steam turbine speed rises briefly over the speed of the gas turbine.
  • the steam turbine acceleration up to the output speed of the actually selected steam turbine speed setpoint is set in dependence on the angular difference and speed difference. It is thereby used the knowledge that there is a clear relationship between the differential angle at the output speed, the acceleration value with which the steam turbine is accelerated from the output speed to a target speed relative to the gas turbine and the resulting coupling angle, in this case the target dome angle.
  • the difference between the target speed and the speed of the gas turbine is referred to as the target speed difference.
  • the setpoint speed of the steam turbine is time-variable and is dependent on speed difference and angular difference formed. During Einkuppeins the speed of the steam turbine speed increases slightly above the speed of the gas turbine. After completion of Einkuppeins the speeds of gas turbine and steam turbine are naturally the same.
  • the differential angle at the output speed short start differential angle
  • the start difference angle is selected from a 360 ° comprehensive range by a so-called nominal start differential angle.
  • the nominal starting difference angle is the angle that the gas turbine would lead, with the steam turbine acceleration remaining unchanged, taking into account the target angle until the steam turbine was engaged. This will be illustrated by an example:
  • the start differential speed is - 1Hz, the previous one
  • the target dome angle is normally selected to achieve minimization of vibration loading of the coupled gas turbine and steam turbine.
  • the preferred target coupling angle can be determined by measurements of the vibration load and by computational considerations. As a rule, a combination of both will come into play.
  • the desired output speed difference is selected from a speed difference range such that when the desired acceleration value is set from the desired speed difference, the value at which the steam turbine has been accelerated to the output speed is selected. This can be achieved that the acceleration value to reach the target angle as little as possible or even ideally must not be changed.
  • the output speed is about 1 Hz below the speed of the gas turbine, preferably about 0.5 Hz to about 1.5 Hz, and more preferably about 0.5 Hz and about 1.1 Hz. These values have proved to be suitable.
  • the acceleration value is about 0.025 Hz / s to about 0.075 Hz / s, preferably about 0.05 Hz / s. It should normally be noted that the differential angle is changed by a clutch twist angle when engaging. This is due to the fact that the steam turbine is initially accelerated to the setpoint speed, that is to say a speed slightly above the speed of the gas turbine, as a rule.
  • the invention also relates to a corresponding arrangement with a gas turbine and a steam turbine, with a coupling for coupling gas turbine and steam turbine.
  • This arrangement has a device for detecting the difference angle between see gas turbine and steam turbine. Furthermore, there is a device for accelerating the steam turbine with an acceleration value.
  • means are arranged which enable a desired target coupling angle between the gas turbine and the steam turbine in dependence on the detected differential angle by tuning an acceleration value with which the steam turbine is accelerated and a nominal speed difference between gas turbine and steam turbine , This arrangement is suitable for carrying out the above-described method. By configuring the arrangement, the various embodiments of the method can be realized.
  • Figure 1 shows the relationship between different dome angle at different relative accelerations starting from output speed difference 1 Hz and output angle difference zero;
  • Figure 2 shows the target speed difference as a function of the differential angle, starting from output speed difference 1 Hz and output angle difference -3600 °;
  • Figure 3 shows an example of the course of the speed of the gas turbine and the steam turbine
  • FIG. 4 shows the course of the differential angle during coupling and the clutch torsion angle
  • the upper dashed curve shows the relationships at an acceleration value of 0.025 Hz / s, the middle dotted curve at an acceleration value of 0.05 Hz / s and the lower solid line at an acceleration value of 0.075 Hz / s. This will be explained in more detail with reference to the middle curve.
  • Steam turbine is zero, the speed difference -1 Hz.
  • the gas turbine rotates at one Hz more than the steam turbine.
  • the targeted start of a dome angle should begin.
  • the steam turbine is accelerated relative to the gas turbine with a constant acceleration of 0.05 Hz / s until both turbines have the same speed.
  • the hitherto faster gas turbine sweeps up to the time at which the steam turbine has the same speed, a 3600 ° greater angle than the steam turbine, so it has experienced in the period 10 revolutions more than the steam turbine.
  • the time axis is not shown here.
  • the difference in the angle of difference between the gas turbine and the steam turbine decreases as the speeds approach, that is, the lower the speed difference.
  • the smaller the acceleration the greater is the angle traveled until the start of coupling. This effect is essentially used to control a selected target dome angle.
  • FIG. 2 is an inverse representation of FIG. 1, with only the curve with an acceleration value of 0.05 Hz / s being shown.
  • the start differential angle is here compared to Figure 1 set to -3600 ° to nominally achieve a target dome angle of 0 °.
  • the difference angle is plotted in degrees, whereby the integer multiples of 360 ° are added.
  • the speed difference from gas turbine to steam turbine in Hz is plotted.
  • FIG. 2 thus shows how, with a constant relative acceleration of 0.05 Hz / s, the speed difference depends on the differential angle. It is at matching frequency of
  • FIG. 2 describes the relationship between the swept angle and the speed difference between the steam turbine and the gas turbine.
  • the target angle 0 ° is not reached with a constant acceleration of 0.05 Hz / s, but a larger target angle. In this case, the steam turbine is too slow; it needs to be accelerated more. If, on the other hand, the difference in velocity is smaller for the real system with a measured difference angle of -900 °, the target angle 0 ° is not reached with a constant acceleration of 0.05 Hz / s, but a smaller target angle. In this case, the steam turbine is too fast, it must be braked.
  • the engagement process as such is shown in FIG. On the right value axis, the time in seconds and on the high-value axis, the speed is plotted.
  • the steam turbine is initially slower than the gas turbine, but is accelerated relative to this.
  • the speed of the gas turbine is constant at 50 Hz, as shown by the dotted line.
  • the speed of the steam turbine is shown in the solid line.
  • the right-hand value axis again shows the time in seconds and the high-angle axis plots the rotation angle difference in degrees.
  • the dashed line indicates a desired value of the angular difference, which is here at 0 °.
  • the solid, initially running down line shows the time course of the actual angular difference.
  • the rotation angle of the steam turbine is 250 ° smaller than the rotation angle of the gas turbine. This difference in rotational angle initially decreases rapidly to a difference of zero degrees. Thereafter, the rotational angle difference increases again, in this case by about 20 °. This is because, when screwed into the coupling sleeve, the steam turbine is turned back by the coupling twist angle. The course of the Coupling twist angle can be seen on the dotted line.
  • FIGS. 5, 6 and 7 show schematically the regulation for carrying out the method described above.
  • FIG. 5 gives an overview of the entire course of the startup of the steam turbine.
  • a preset speed difference (1 Hz was selected here)
  • the steam turbine is accelerated as usual over a specified ramp.
  • a speed difference of 1Hz ie the output speed
  • a changeover to the controlled-angle engagement takes place.
  • the current angular difference in the range 0 ° - 360 ° is detected and reduced by the angular range that the gas turbine would sweep while maintaining the previous acceleration of the steam turbine until the start of Einkuppeins.
  • the speed difference between the gas and steam turbine is 1 Hz
  • the steam turbine is accelerated at 0.05 Hz / s.
  • the differential angle traveled is 3600 °.
  • FIG. 6 describes the actual control of the target dome angle.
  • the difference between Dampfturbinenverduswinkel and Gasturbinenverduswinkel, ie the differential angle is converted by means of a characteristic curve in a target speed difference between steam and gas turbine.
  • the target speed of the steam turbine is thus determined as a function of the gas turbine speed and the differential angle.
  • the factor ' ⁇ ' gives the additional possibility to further increase this target speed difference.
  • the factor ' ⁇ ' is the
  • FIG. 7 illustrates the influence and the choice of the starting angle cpo. The actual measurement initially provides an angle from the range 0 ° to 360 °. This will be explained in more detail below.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kuppeln einer Dreheinrichtung, insbesondere einer Dampfturbine, und einer Welleneinrichtung, insbesondere einer Gasturbine, mit folgenden Schritten: 1) Beschleunigung der Dreheinrichtung bis zu einer Ausgangsdrehzahl, die unterhalb der Drehzahl der Welleneinrichtung liegt; 2) Erfassen eines Differenzwinkels zwischen Welleneinrichtung und Dreheinrichtung; 3) Beschleunigung der Dreheinrichtung mit einem Beschleunigungswert, der aus der Solldrehzahldifferenz abgeleitet wird, die in Abhängigkeit von dem erfassten Differenzwinkel, der Beschleunigung und von einem gewünschten Zielkuppelwinkel gebildet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine zugehörige Anordnung.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Kuppeln einer Dampfturbine und einer Gasturbine mit einem gewünschten Differenzwinkel
In kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken wird zunächst durch die Verbrennung von Gas die Gasturbine angetrieben. Mit der Abwärme der Gasturbine wird Dampf für eine Dampfturbine er- zeugt. Beim Anfahren des Gas- und Dampfkraftwerks wird daher zuerst die Gasturbine betrieben. Die Dampfturbine kann erst zugeschaltet werden, wenn genügend Dampf bereitgestellt wird. Bei Einwellenanlagen sind Gasturbine und Generator fest auf einer Welle verbunden. Die Dampfturbine ist in der gleichen Achse angeordnet und kann über eine Kupplung angeschlossen werden. Es ist daher ein Kuppeln von Dampfturbine und Gasturbine erforderlich.
Der Kuppelwinkel ergibt sich in der Praxis dabei zufällig. Aus der EP 1 911 939 AI ist es bekannt, den Kuppelwinkel gezielt auszuwählen. Damit ist es möglich einen Kuppelwinkel zu wählen, bei dem die Schwingungsbelastung minimiert ist. Grob gesprochen ist es damit möglich Unwuchten der beiden Turbinen in gewissem Umfang auszugleichen. Gerade im Vergleich zu einer Kupplung, bei der beide Turbinen so gekuppelt sind, dass sich Unwuchten addieren, kann damit eine Reduktion der Schwingungsbelastung erzielt werden. Trotz dieses Vorteils wird dieses Verfahren nicht eingesetzt. Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zum Kuppeln mit einem gewünschten Kuppelwinkel bereitzustellen. Ebenso soll eine entsprechende Anordnung entwickelt werden.
Wenngleich sich die nachfolgend dargestellte Erfindung grund- sätzlich zum Kuppeln von verschiedensten Dreheinrichtungen mit verschiedensten Welleneinrichtungen eignet, wird im Interesse einer anschaulichen Darstellung stets eine Dampfturbine als Beispiel für eine Dreheinrichtung und eine Gasturbine als Beispiel für eine Welleneinrichtung gewählt. Dabei handelt es sich um die aus derzeitiger Sicht wichtigste Anwendung der Erfindung. Weitere Anwendungen sind aber ausdrücklich denkbar .
Es wurde erkannt, dass ein Verfahren zum Kuppeln einer Dampfturbine und einer Gasturbine mit folgenden Schritten anzugeben ist. Zunächst ist die Dampfturbine bis zu einer Ausgangsdrehzahl, die unterhalb der Drehzahl der Gasturbine liegt, zu beschleunigen. Hierzu kann wie üblich vorgegangen werden und bei ausreichender Dampfmenge die Dampfturbine angefahren werden. Dabei gilt es einen Differenzwinkel zwischen Gasturbine und Dampfturbine zu erfassen. Bei Erreichen der Ausgangsdrehzahl wird die Beschleunigung der Dampfturbine mit einem Be- schleunigungswert der in Abhängigkeit von Drehzahldifferenz und Differenzwinkel gewählt wird, fortgesetzt. Sobald die Drehzahldifferenz zwischen Dampfturbine und Gasturbine auf den Wert Null abgefallen ist, wird die Dampfturbine eingekuppelt, wobei die Dampfturbine gleichzeitig weiter beschleunigt wird. Bei Beginn des Einkuppelvorgangs ist die Drehzahl der Dampfturbine also gleich der Drehzahl der Gasturbine. Die Dampfturbine wird gegenüber der Gasturbine beschleunigt, so dass die Dampfturbinenendrehzahl kurzzeitig über die Drehzahl der Gasturbine ansteigt.
In Abhängigkeit von einem vorgegebenen Zielwinkel und der Dampfturbinenbeschleunigung bis zur Ausgangsdrehzahl wird der tatsächlich zu wählende Dampfturbinendrehzahlsollwert in Abhängigkeit von Winkeldifferenz und Drehzahldifferenz gesetzt. Es wird dabei die Erkenntnis genutzt, dass es einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Differenzwinkel bei der Ausgangsdrehzahl, dem Beschleunigungswert, mit dem die Dampfturbine von der Ausgangsdrehzahl zu einer Solldrehzahl relativ zur Gasturbine beschleunigt wird und dem sich ergebenden Kup- pelwinkel, vorliegend dem Zielkuppelwinkel gibt. Die Differenz zwischen der Solldrehzahl und der Drehzahl der Gasturbine wird als Solldrehzahldifferenz bezeichnet. Die Solldrehzahl der Dampfturbine ist zeitvariabel und wird in Abhängig- keit von Drehzahldifferenz und Winkeldifferenz gebildet. Während des Einkuppeins steigt die Drehzahl der Dampfturbinen- drehzahl geringfügig über die Drehzahl der Gasturbine an. Nach Beendigung des Einkuppeins sind die Drehzahlen von Gas- turbine und Dampfturbine naturgemäß gleich.
Der Differenzwinkel bei der Ausgangsdrehzahl, kurz Start-Differenzwinkel, ergibt sich zufällig und ist aus der Differenzwinkelmessung bekannt. Rechnerisch wird dabei der Start-Dif- ferenzwinkel aus einem 360° umfassenden Bereich um einen sogenannten nominalen Start-Differenzwinkel gewählt. Bei dem nominalen Start-Differenzwinkel handelt es sich um den Winkel, den die Gasturbine bei unveränderter Beibehaltung der Dampfturbinenbeschleunigung unter Berücksichtigung des Ziel- winkels bis zum Einkuppeln der Dampfturbine vorauseilen würde. Dies soll an einem Beispiel dargestellt werden: Die Start-Differenzgeschwindigkeit sei - 1Hz, die bisherige
Dampfturbinenbeschleunigung sei 0,05 Hz/s, der Zielwert 0°, dann ist der nominale Start-Differenzwinkel 3600°.
Der Zielkuppelwinkel wird normalerweise so gewählt, dass eine Minimierung einer Schwingungsbelastung der gekuppelten Gasturbine und Dampfturbine erreicht wird. Der bevorzugt anzusteuernde Zielkuppelwinkel kann dabei durch Messungen der Schwingungsbelastung und durch rechnerische Betrachtungen ermittelt werden. Im Regelfall wird eine Kombination aus beidem zum Tragen kommen .
Bei der Wahl der Ausgangs-Drehzahldifferenz und der Wahl des Beschleunigungswerts bestehen, wenn auch eingeschränkte,
Freiheitsgrade. Bei der Wahl des Beschleunigungswerts ist zu berücksichtigen, dass genügend Dampf zur Verfügung steht und keine Instabilitäten oder dergleichen auftreten. Als günstig hat sich erwiesen, wenn die Ausgangs-Drehzahldif- ferenz etwa 0,5 Hz bis etwa 1 Hz beträgt, wobei die Drehzahl der Dampfturbine kleiner ist als die Drehzahl der Gasturbine. Ein wesentlicher Vorteil des vorliegenden Verfahrens gegenüber dem in der EP 1 911 939 AI angewandten Verfahren ist, dass keine Unterbrechung des Beschleunigungsvorgangs bei einer Haltedrehzahl erforderlich ist. Damit kann zügig einge- kuppelt werden und zugleich ein gewünschter Zielkuppelwinkel erreicht werden.
Zu beachten ist auch, dass während der Beschleunigung der Dampfturbine von der Ausgangsdrehzahl bis zu der Drehzahl, bei der die Geschwindigkeit der Dampfturbine die der Gasturbine erreicht hat, die Dampfturbine der Gasturbine um mehrere volle Umdrehungen in Bezug auf den Zielwinkel vorauseilt. Hinsichtlich der Änderung des Differenzwinkels ist die Zahl der vollen Umdrehungen, welche die Dampfturbine vorauseilt, ersichtlich irrelevant. Eine Veränderung der Anzahl dieser vollen Umdrehungen gibt einen weiteren Freiheitsgrad, so dass zum Erreichen des gewünschten Zielkuppelwinkels bei gegebener Beschleunigung verschiedene Ausgangs-Drehzahldifferenzen möglich sind, beziehungsweise bei gegebener Ausgangs-Drehzahl- differenz verschiedene Beschleunigungswerte in Frage kommen.
In einer Ausführungsform wird die gewünschte Ausgangs-Drehzahldifferenz aus einem Drehzahldifferenzbereich gewählt, so dass bei der Festsetzung des gewünschten Beschleunigungswerts aus der Solldrehzahldifferenz der Wert gewählt wird, mit dem die Beschleunigung der Dampfturbine zur Ausgangsdrehzahl erfolgt ist. Damit kann erreicht werden, dass der Beschleunigungswert zum Erreichen des Zielwinkels möglichst wenig oder gar im Idealfall nicht verändert werden muss .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ausgangsdrehzahl etwa 1 Hz unterhalb der Drehzahl der Gasturbine liegt, bevorzugt etwa 0,5 Hz bis etwa 1,5 Hz, und besonders bevorzugt etwa 0,5 Hz und etwa 1,1 Hz. Diese Werte haben sich als geeignet erwiesen. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Beschleunigungswert etwa 0,025 Hz/s bis etwa 0,075 Hz/s, bevorzugt etwa 0,05 Hz/s beträgt. Es ist im Normalfall zu beachten, dass beim Einkuppeln der Differenzwinkel um einen Kupplungsverdrehwinkel verändert wird. Dies liegt daran, dass die Dampfturbine zunächst im Regelfall auf die Solldrehzahl, also eine Drehzahl leicht oberhalb der Drehzahl der Gasturbine, beschleunigt wird.
Durch das diesem Überholvorgang folgende Eindrehen in eine Kupplungshülse kann ein Rückdrehen um den Kupplungsverdrehwinkel erfolgen. Durch Berücksichtigung des Kupplungsverdrehwinkels kann letztlich die Schwingungsbelastung weiter optimiert werden.
Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Anordnung mit einer Gasturbine und einer Dampfturbine, mit einer Kupplung zum Kuppeln von Gasturbine und Dampfturbine. Diese Anordnung weist eine Einrichtung zum Erfassen des Differenzwinkels zwi- sehen Gasturbine und Dampfturbine auf. Ferner ist eine Einrichtung zum Beschleunigen der Dampfturbine mit einem Beschleunigungswert vorhanden. Darüber hinaus sind Mittel angeordnet, die ermöglichen in Abhängigkeit des erfassten Differenzwinkels durch Abstimmung eines Beschleunigungswerts, mit dem die Dampfturbine beschleunigt wird, und einer Solldrehzahldifferenz zwischen Gasturbine und Dampfturbine, bei der ein Einkuppelvorgang beginnt, einen gewünschten Zielkuppel- winkel zwischen Gasturbine und Dampfturbine zu erreichen. Diese Anordnung eignet sich zum Ausführen des oben geschilderten Verfahrens. Durch Ausgestaltungen der Anordnung können die verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens verwirklicht werden. Es ist dabei darzustellen, dass es allenfalls geringfügiger konstruktiver Änderungen einer bekannten Gasturbinenanlage, die einen Abhitzedampferzeuger, der Dampf zum Antreiben einer Dampfturbine bereitstellt, bedarf. So sind stets Mittel zum Beschleunigen der Dampfturbine vorhanden. Konkret handelt es sich dabei unter anderem um Ventile, welche den Dampf zur Dampfturbine führen sollen, sowie die zugehörige Ansteuerung der Ventile. Es ist auch üblich die Phasenlage von Turbinen zu bestimmen. Entsprechende Messeinrichtungen sind daher normalerweise vorhanden. Allerdings wird die Phasenlage bei bekannten Anlagen häufig nicht schnell genug erfasst. So wird eine Nachrüstung erforderlich sein, um den Relativwinkel schnell genug zu erfassen und den erfassten Wert für die Steuerung zu stellen. Dazu ist eine Taktung von etwa 4 ms bis etwa 20 ms normalerweise sinnvoll. In der Regel sind darüber hinaus nur die Steuereinrichtungen im Vergleich zum Stand der Technik zu modifizieren. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 den Zusammenhang verschiedener Kuppelwinkel bei verschiedenen Relativbeschleunigungen ausgehend von Ausgangs- Drehzahldifferenz 1 Hz und Ausgangswinkeldifferenz Null;
Figur 2 die Solldrehzahldifferenz in Abhängigkeit vom Differenzwinkel ausgehend von Ausgangs-Drehzahldifferenz 1 Hz und Ausgangswinkeldifferenz -3600°;
Figur 3 beispielhaft den Verlauf der Drehzahl der Gasturbine und der Dampfturbine;
Figur 4 zeigt den Verlauf des Differenzwinkels beim Einkup- peln und den Kupplungsverdrehwinkel;
Figuren 5, 6 und 7 das Prinzip des Einkuppeins mit gewünschtem Differenzwinkel.
In Figur 1 ist für verschiedene konstante Beschleunigungswerte der Differenzwinkel während des Beschleunigens der Dampfturbine in Abhängigkeit der jeweiligen Drehzahldifferenz aufgezeigt. Auf der Rechtswertachse ist die Drehzahldifferenz von Gasturbine zu Dampfturbine in Hz aufgetragen. Auf der Hochwertachse der Differenzwinkel in Grad, wobei auch die ganzzahligen Vielfache von 360° addiert sind.
Die oberste gestrichelte Kurve zeigt die Zusammenhänge bei einem Beschleunigungswert von 0,025 Hz/s, die mittlere gepunktete Kurve bei einem Beschleunigungswert von 0,05 Hz/s und die untere durchgezogene Linie bei einem Beschleunigungs- wert von 0,075 Hz/s. Dies soll anhand der mittleren Kurve näher erläutert werden.
Als Ausgangspunkt wird der Punkt am linken, unteren Ende der Kurve betrachtet. Die Winkeldifferenz zwischen Gas- und
Dampfturbine beträgt Null, die Drehzahldifferenz -1 Hz. D.h. die Gasturbine dreht mit einem Hz mehr als die Dampfturbine. An diesem Punkt, also bei dieser Ausgangsdrehzahldifferenz der Dampfturbine, soll das gezielte Anfahren eines Kuppelwinkels beginnen.
Die Dampfturbine wird mit einer gleichbleibenden Beschleunigung von 0,05 Hz/s relativ zur Gasturbine beschleunig bis beide Turbinen die gleiche Drehzahl haben. Die bis dahin schnellere Gasturbine überstreicht bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Dampfturbine die gleiche Geschwindigkeit hat, einen um 3600° größeren Winkel als die Dampfturbine, sie hat also in dem Zeitraum 10 Umdrehungen mehr erfahren als die Dampfturbine. Es sei hingewiesen, dass die Zeitachse hier nicht dargestellt ist. Wie an der Kurve zu erkennen ist, nimmt die Differenzwinkeländerung zwischen Gas- und Dampfturbine ab, je mehr sich die Geschwindigkeiten annähern, d.h. je geringer die Drehzahldifferenz ist. Wie weiter aus den unterschiedlichen Kurven ersichtlich ist, ist der überfahrene Winkel bis zum Einkuppelbeginn umso größer, je kleiner die Beschleuni- gung ist. Dieser Effekt wird wesentlich zur Ansteuerung eines gewählten Zielkuppelwinkels herangezogen. Bei anderen Beschleunigungswerten und anderen Start-Differenzwinkeln gelten quantitativ andere Zusammenhänge, die Überlegungen sind aber ansonsten analog. Beispielsweise würde bei einem Start-Differenzwinkel von -3600° und einer relati- ven Beschleunigung von 0,05 Hz der Zielkuppelwinkel für den Beginn des Einkuppeins 0° betragen.
Figur 2 ist eine inverse Darstellung von Figur 1, wobei nur die Kurve mit einem Beschleunigungswert von 0,05 Hz/s darge- stellt ist. Der Start-Differenzwinkel ist hier im Vergleich zu Figur 1 zu -3600° gesetzt um nominal einen Ziel-Kuppelwinkel von 0° zu erreichen. Auf der Rechtswertachse ist der Differenzwinkel in Grad, wobei auch die ganzzahligen Vielfache von 360° addiert sind aufgetragen. Auf der Hochwertachse ist die Drehzahldifferenz von Gasturbine zu Dampfturbine in Hz aufgetragen .
Figur 2 zeigt somit auf, wie bei konstanter Relativbeschleunigung von 0,05 Hz/s die Drehzahldifferenz vom Differenzwin- kel abhängt. Dabei wird bei übereinstimmender Frequenz von
Gasturbine und Dampfturbine ein Differenzwinkel von 0° angenommen. Für eine gewählte Beschleunigung von 0.05 Hz/s stellt Figur 2 die zentrale Sollwertkurve dar. So sollte z.B. die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Gas- und Dampfturbine bei einer Winkeldifferenz von 900° -0.5 Hz betragen. Das heißt, dass bei der Winkeldifferenz von 900° die Dampfturbine noch um 0,5 Hz langsamer ist als die Gasturbine.
Im Idealfall beschreibt Figur 2 den Zusammenhang zwischen überstrichenem Winkel und Drehzahldifferenz zwischen Dampf- und Gasturbine.
Ist bei der realen Anlage bei einem gemessenen Differenzwinkel von -900° die Geschwindigkeitsdifferenz größer, wird bei gleichbleibender Beschleunigung von 0,05 Hz/s nicht der Ziel- winkel 0° erreicht, sondern ein größerer Zielwinkel. In diesem Fall ist die Dampfturbine zu langsam; sie muss stärker beschleunigt werden. Ist umgekehrt bei der realen Anlage bei einem gemessenen Differenzwinkel von -900° die Geschwindigkeitsdifferenz kleiner, wird bei gleichbleibender Beschleunigung von 0.05 Hz/s nicht der Zielwinkel 0° erreicht, sondern ein kleinerer Zielwinkel. In diesem Fall ist die Dampfturbine zu schnell, sie muss abgebremst werden.
Der Einkuppelvorgang als solcher ist in Figur 3 dargestellt. Auf der Rechtswertachse ist die Zeit in Sekunden und auf der Hochwertachse die Drehzahl aufgetragen. Die Dampfturbine ist zunächst langsamer als die Gasturbine, wird aber relativ zu dieser beschleunigt. Die Drehzahl der Gasturbine liegt konstant bei 50 Hz, wie durch die gepunktete Linie dargestellt. Die Geschwindigkeit der Dampfturbine wird mit der durchge- zogenen Linie abgebildet. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Dampfturbine die gleiche Geschwindigkeit hat wie die Gasturbine, beginnt der Einkuppelvorgang. Es wird also begonnen die Kupplung einzurücken. Die Dampfturbine wird zunächst weiter beschleunigt, überholt dabei die Gasturbine und läuft in den Anschlag der Kupplung. An dieser Position erfolgt ein Abbremsen. Danach rotieren beide Turbinenwellen mit der gleichen Drehzahl .
Die Auswirkungen des Einkuppeins auf den Differenzwinkel wer- den aus Figur 4 ersichtlich. Auf der Rechtswertachse ist wiederum die Zeit in Sekunden und auf der Hochwertachse die Drehwinkeldifferenz in Grad aufgetragen. Die gestrichelte Linie zeigt einen Sollwert der Winkeldifferenz auf, der hier bei 0° liegt. Die durchgezogene, zunächst unten verlaufende Linie zeigt den zeitlichen Verlauf der tatsächlichen Winkeldifferenz auf. Zunächst ist der Drehwinkel der Dampfturbine 250° kleiner als der Drehwinkel der Gasturbine. Diese Drehwinkeldifferenz nimmt zunächst bis auf eine Differenz von Null Grad rasch ab. Danach nimmt die Drehwinkeldifferenz wie- der zu, vorliegend um etwa 20°. Dies liegt daran, dass beim Eindrehen in die Kupplungshülse ein Rückdrehen der Dampfturbine um den Kupplungsverdrehwinkel erfolgt. Der Verlauf des Kupplungsverdrehwinkels ist an der gepunkteten Linie zu erkennen .
Es gilt also bei der Wahl des gewünschten Zielkuppelwinkels beim Kuppeln zu berücksichtigen, dass beim Einkuppeln eine Änderung der Drehwinkeldifferenz um den
Kupplungsverdrehwinkel erfolgt.
Figuren 5, 6 und 7 zeigen schematisch die Regelung zur Durch- führung des oben beschriebenen Verfahrens.
Figur 5 gibt einen Überblick über den gesamten Verlauf des Hochfahrens der Dampfturbine. Bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeitsdifferenz (hier wurde 1 Hz gewählt) wird die Dampfturbine wie gewohnt über eine vorgegebene Rampe beschleunigt. Bei einem Geschwindigkeitsunterschied von 1Hz, also der Ausgangsdrehzahl, erfolgt eine Umschaltung auf das zielwinkelgeregelte Einkuppeln. Dazu wird die aktuelle Winkeldifferenz im Bereich 0° - 360° erfasst und um den Winkel- bereich reduziert, den die Gasturbine bei Beibehalten der bisherigen Beschleunigung der Dampfturbine bis zum Beginn des Einkuppeins überstreichen würde. Dies soll an einem Beispiel verdeutlicht werden: Die Drehzahldifferenz zwischen Gas- und Dampfturbine betrage 1 Hz, die Dampfturbine werde mit 0,05 Hz/s beschleunigt. Bis zu dem Zeitpunkt, an dem Gas- und Dampfturbine die gleiche Geschwindigkeit haben, vergehen 20 s. Der dabei überfahrene Differenzwinkel beträgt 3600°.
Figur 6 beschreibt die eigentliche Regelung des Zielkuppel- winkels. Die Differenz zwischen Dampfturbinenverdrehwinkel und Gasturbinenverdrehwinkel , also der Differenzwinkel, wird mittels einer Kennlinie in eine Soll-Drehzahldifferenz zwischen Dampf- und Gasturbine überführt. Die Solldrehzahl der Dampfturbine wird also in Abhängigkeit der Gasturbinendreh- zahl und des Differenzwinkels festgelegt. Der Faktor ,Κ' gibt dabei die zusätzliche Möglichkeit diese Soll-Drehzahldifferenz weiter zu verstärken. Der Faktor ,Κ' ist dabei der
Rückführfaktor der Regeldifferenz, also der Abweichung des Istwerts vom Sollwert. Es ist somit ein P-Regler. Er ist in Hinblick auf die Eigenschaften des resultierenden Gesamtregelkreises separat zu analysieren und fest zu legen. Standardvorgabe ist K = 1. Durch Addition der Gasturbinendrehzahl ergibt sich die Solldrehzahl der Dampfturbine.
Die Verwendung eines , adjustable Off-Set' ermöglicht es, die gesamte rechnerische Vorgabe auf den Zielwinkel Null auszulegen. Ein von Null abweichender Wunsch-Zielwinkel wird über dieses Off-Set so verschoben, dass eine Standardkurve für den Zusammenhang Δφ zu ΔηΞΟιι verwendbar ist. Mit diesem Ansatz ist es dann möglich, die Überlegungen auf den Wunsch-Zielwinkel von 0° zu beschränken. In Figur 7 wird der Einfluss und die Wahl des Startwinkels cpo illustriert. Die tatsächliche Messung liefert zunächst einen Winkel aus dem Bereich 0° bis 360°. Dies wird im Folgenden näher erläutert. Bei Beschleunigung der Dampfturbine relativ zur Gasturbine mit konstanter Beschleunigung k Hz/s wird zur Überwindung einer Ausgangsdrehzahldifferenz von Δωο eine Zeit t = ÄCüo/k benötigt. In dieser Zeit überfährt das System eine relative Winkeldifferenz , die (Δω0)2/ (2*k) ganzen Umdrehungen ent- spricht. Entspräche der Differenzwinkel bei Start-Drehzahldifferenz ÄCüo also zufällig -360°* (Δω0) 2/ (2*k) , wäre die konstante Beschleunigung k geeignet, um den Zielwinkel 0° an zu steuern. Bei jeder anderen Start-Winkeldifferenz muss die Beschleunigung verändert werden, um den Zielwinkel 0° zu errei- chen. Wird nun der Start-Winkel zu -360°* (Δω0) 2/ (2*k) + gemessener Winkel gesetzt, bedeutet das, dass die Turbine relativ zur Beschleunigung k bis zur Ausgangsdrehzahl eine etwas vergrößerte Beschleunigung erfahren muss . Leichte Erhöhung der Beschleunigung während des geregelten Anfahrens des Ziel- Kuppelwinkels hat sich als vorteilhafter erwiesen als leichte Reduktion der Beschleunigung. Der gewählte Ansatz, den Differenzwinkel bei Start-Drehzahldifferenz wie oben anzusetzen, ermöglicht immer die Beschleunigung leicht zu erhöhen. An einem Zahlenbeispiel: Es ist besser davon auszugehen, dass die Dampfturbine 270° vorauseilen muss, anstatt 90° zurückfallen soll . Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kuppeln einer Dreheinrichtung,
insbesondere einer Dampfturbine,
und einer Welleneinrichtung,
insbesondere einer Gasturbine,
mit folgenden Schritten:
- Beschleunigung der Dreheinrichtung bis zu einer Ausgangs- drehzahl, die unterhalb der Drehzahl der Welleneinrichtung liegt ;
- Erfassen eines Differenzwinkels zwischen Welleneinrichtung und Dreheinrichtung;
- Beschleunigung der Dreheinrichtung mit einem Beschleuni- gungswert, der aus einer Solldrehzahldifferenz abgeleitet wird, die in Abhängigkeit von dem erfassten Differenzwinkel, der Beschleunigung bis zur Ausgangsdrehzahl und von einem gewünschten Zielkuppelwinkel gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Beschleunigungswert der Wert gewählt wird, mit dem die Beschleunigung der Dreheinrichtung zur Ausgangsdrehzahl erfolgt ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangsdrehzahl etwa 1 Hz unterhalb der Drehzahl der Welleneinrichtung liegt, bevorzugt etwa 0,5 Hz bis etwa 1,5 Hz, und besonders bevorzugt etwa 0,9 Hz und etwa 1,1 Hz.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Beschleunigungswert etwa 0,025 Hz/s bis etwa
0,075 Hz/s, bevorzugt etwa 0,05 Hz/s, beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Festsetzung des Beschleunigungswerts aus der Solldrehzahldifferenz beachtet wird, dass beim Einkuppeln der Differenzwinkel um einen Kupplungsverdrehwinkel verändert wird .
Anordnung mit einer Welleneinrichtung,
insbesondere einer Gasturbine,
und einer Dreheinrichtung,
insbesondere einer Dampfturbine,
mit einer Kupplung zum Kuppeln von Welleneinrichtung und Dreheinrichtung, aufweisend:
eine Einrichtung zum Erfassen des Differenzwinkels zwischen Welleneinrichtung und Dreheinrichtung;
eine Einrichtung zum Beschleunigen der Dreheinrichtung mit einem Beschleunigungswert;
Mittel, die ermöglichen in Abhängigkeit des erfassten Differenzwinkels durch Festlegen des Beschleunigungswerts aus einer Solldrehzahldifferenz zwischen Welleneinrichtung und Dreheinrichtung einen gewünschten Zielkuppelwinkel zwischen Welleneinrichtung und Dreheinrichtung zu erreichen.
Anordnung nach Anspruch 6 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassung des Differenzwinkels mit einer Taktung von etwa 4 ms bis etwa 20 ms oder niedriger bestimmt werden kann .
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