WO2015124332A1 - Verfahren zum kuppeln einer dampfturbine und einer gasturbine mit einem gewünschten differenzwinkel - Google Patents

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

Definitions

  • the invention relates to a method for coupling a rotating device, in particular a steam turbine, and a Wel ⁇ len prepared, in particular a gas turbine.
  • the gas turbine In combined gas and steam power plants, the gas turbine is initially driven by the combustion of gas. With the waste heat of the gas turbine steam for a steam turbine he witnessed ⁇ . 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 object of the invention is to provide an improved method of coupling with a desired dome angle.
  • a corresponding arrangement is to be developed.
  • ground ⁇ additionally for coupling a wide variety of rotary devices of a variety of shaft means
  • a steam turbine is always selected as an example of a rotating device
  • a gas turbine as an example of a shaft means for the sake of clear representation.
  • the steam turbine is up to an output ⁇ speed, which is below the speed of the gas turbine to accelerate. To this end, one can proceed as usual and hit the steam turbine with a sufficient amount of steam ⁇ to. 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. Once the speed difference between the steam turbine and gas turbine has dropped to the value zero, the steam turbine isiserkup ⁇ pelt, the steam turbine is 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 to the output speed of the actually dialed steam turbine speed reference value is set in dependence of Ab ⁇ angle difference and speed difference.
  • the Diffe ⁇ rence between the target speed and the speed of the gas turbine is referred to as target rotational speed difference.
  • the reference speed of the steam turbine is time-variable and is formed in Depending ⁇ speed of speed difference and angle difference. 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 speed of the rotating means is changed to a speed setpoint value, wherein a target rotational speed ⁇ difference depends on the difference angle and the speed target value from the relationship between the target rotational speed difference and the difference angle is determined, in the determination of the speed setpoint additionally ermit ⁇ Telte speed difference is taken into account.
  • the shaft means and the Drehein ⁇ direction are arranged to each other such that the rotordynami- see properties such as vibrations, etc. are optimized.
  • the differential angle at the output speed, short start differential angle, is random and is determined by a difference ⁇ angle measurement. Calculated is thereby the
  • Start difference angle selected from a 360 ° range around a so-called nominal start difference angle.
  • the nominal starting differential angle is the angle that the gas turbine would precede, with the steam turbine acceleration remaining unchanged, taking into account the target angle until the steam turbine engages. This will be illustrated by an example: The starting differential speed is - 1Hz, the previous one Steam turbine acceleration is 0.05 Hz / s, the target value is 0 °, then the nominal start differential angle is 3600 °.
  • the aim of the method is to achieve an optimum differential angle after coupling, in which the rotating device and shaft device are optimally aligned with each other.
  • the target dome angle is normally selected to achieve minimization of vibration loading of the coupled gas turbine and steam turbine.
  • the preferred to ⁇ controlling target dome angle can be determined by measuring the vibration load and computational considerations. As a rule, a combination of both will come into play.
  • the change in the rotational speed of the shaft device takes place by acceleration of the rotating device.
  • When selecting the acceleration value it must be taken into account that sufficient steam is available and no instabilities or the like occur.
  • 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 achieve that the Accelerati must be changed ⁇ supply value reaches the target angle possible little or ideally no.
  • the output speed is about 1 Hz below the speed of the gas turbine, about 0.5 Hz to about 1.5 Hz or about 0.5 Hz to about 1.1 Hz.
  • the acceleration value is about 0.025 Hz / s to about 0.075 Hz / s, preferably ⁇ about 0.05 Hz / s.
  • 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 means for detecting the differential angle Zvi ⁇ rule gas turbine and steam turbine. Furthermore, a one ⁇ directional acceleration value available for accelerating the steam turbine with a loading.
  • means are arranged ⁇ which allow depending on the detected Diffe ⁇ angle by determining an acceleration value with which the steam turbine is accelerated, and a Sollcard ⁇ number difference between the gas turbine and steam turbine, in which a coupling operation begins, a desired target coupling angle between the gas turbine and to reach 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.
  • FIG. 1 shows the relationship between different dome angles
  • Figure 3 shows an example of the course of the speed of the gas turbine and the steam turbine
  • Figure 4 shows the course of the differential angle when engaging and the Kupplungsverformatwinkel
  • Figure 5 is a schematic representation of a shaft train
  • the top dashed curve shows the relationships at an acceleration value of 0.025 Hz / s, the average ge ⁇ punctured 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. As a starting point, the point at the left, bottom of the curve is considered.
  • 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 gas turbine which was faster up to that point, sweeps an angle 3600 ° higher than the steam turbine up to the time when the steam turbine has the same speed, so it has experienced 10 revolutions more than the steam turbine during the period.
  • 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 larger the angle traveled until the start of engagement. 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 shown. is is.
  • the start differential angle is here compared to Figure 1 set to -3600 ° to nominally achieve a target dome angle of 0 °.
  • On the right is the value axis Dif ⁇ ferenz angle in degrees, with the integer multiples of 360 ° are plotted added.
  • On the high-value axis 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.
  • Figure 2 represents the central setpoint curve.
  • the speed difference between the gas and steam turbine should be at an angular difference of 900 ° -0.5 Hz. This means that with the angular difference of 900 °, the steam turbine is still 0.5 Hz slower than the gas turbine.
  • Figure 2 describes the relationship between swept angle and speed difference between steam and gas turbine.
  • the target angle 0 ° is not reached with a constant acceleration of 0.05 Hz / s, but a larger target angle.
  • the steam turbine is too slow; it needs to be accelerated more.
  • 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 from ⁇ .
  • 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 kon ⁇ stant at 50 Hz, as shown by the dotted line.
  • the speed of the steam turbine is mapped with the solid line.
  • the engagement process begins. It is therefore begun to engage the clutch.
  • the steam turbine is first accelerated further, overtaking the gas turbine and running into the stop of the clutch. At this position, a deceleration occurs. Thereafter, both turbine shafts rotate at the same speed.
  • Figure 5 shows a schematic representation of a wave ⁇ strand 1. This includes a rotation device 2, which forms the shaft 3 of a steam turbine, not shown.
  • the Shaft 3 can be coupled to a coupling 4 with a generator shaft 5.
  • the generator shaft 5 is driven by the generator 6. Via a further coupling 7, the generator shaft 5 is connected to a shaft device 8, which forms the shaft 9 of a gas turbine not shown in detail.
  • the speed and the rotation angle of the shaft 3 is determined.
  • the speed and the angle of rotation of the shaft 9 is determined.
  • the signals from the keyphaser 10 and the keyphaser 11 are transmitted to a unit 12.
  • the difference angle ⁇ ⁇ and the rotational speed difference ⁇ to a Turbi ⁇ nenregler 13 is passed from the unit 12th Up to a predetermined speed difference, the steam turbine will be accelerated as usual ⁇ a predetermined ramp.
  • a speed difference of 1Hz ie the output speed
  • the current win is detected and around the Winkelbe rich ⁇ reduced, the gas turbine at maintaining would sweep to take precedence ⁇ acceleration of the steam turbine to the beginning of Einkuppeins angle difference in the range 0 ° -360 °.
  • the speed difference between the gas and steam turbine is 1 Hz, the steam turbine will go along with it
  • an 'adjustable off-set' makes it possible to set the entire arithmetic specification to the target angle zero. A nonzero desired target angle is shifted about this off-set so that a standard curve for the relationship ⁇ to An n is usable. With this approach, it is then possible to limit the considerations to the desired target angle of 0 °.
  • the differential speed will be processed in a unit 14.
  • the rotation ⁇ number n is DT in the unit 14 processes.
  • a target speed is ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ generated which point control to a target 15
  • the signal n sv , DT is generated and fed to a further setpoint control 16.
  • a value for the speed change An DT is generated and forwarded to the turbine controller 13.
  • the turbine controller 13 receives the Signal from the switching criterion is then used to switch between the setpoint value guide 15 and the setpoint value guide 16.

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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: - Beschleunigung der Dreheinrichtung bis zu einer Ausgangsdrehzahl, die unterhalb der Drehzahl der Welleneinrichtung liegt; - Erfassen eines Differenzwinkels zwischen Welleneinrichtung und Dreheinrichtung; - 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
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kuppeln einer Dreheinrichtung, insbesondere eine Dampfturbine, und einer Wel¬ leneinrichtung, insbesondere einer Gasturbine.
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 ergab 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 wird. 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 anzuge¬ ben ist. Zunächst ist die Dampfturbine bis zu einer Ausgangs¬ drehzahl, die unterhalb der Drehzahl der Gasturbine liegt, zu beschleunigen. Hierzu kann wie üblich vorgegangen werden und bei ausreichender Dampfmenge die Dampfturbine angefahren wer¬ den. 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 eingekup¬ pelt, 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 Ab¬ hängigkeit von Winkeldifferenz und Drehzahldifferenz gesetzt. Es wird dabei die Erkenntnis genutzt, dass es einen eindeuti¬ gen 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 Diffe¬ renz zwischen der Solldrehzahl und der Drehzahl der Gasturbine wird als Solldrehzahldifferenz bezeichnet. Die Solldreh- zahl 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.
Erfindungsgemäß wird die Drehzahl der Dreheinrichtung mit einem Drehzahl-Sollwert geändert, wobei eine Soll-Drehzahl¬ differenz von dem Differenzwinkel abhängt und der Drehzahl- Sollwert aus der Abhängigkeit zwischen der Soll-Drehzahldifferenz und dem Differenzwinkel ermittelt wird, wobei bei der Ermittlung des Drehzahl-Sollwerts zusätzlich die ermit¬ telte Drehzahl-Differenz berücksichtigt wird. Die Welleneinrichtung und die Dreheinrichtung sind um einen Differenzwinkel gegeneinander verdreht, wobei nach dem Kup¬ peln ein optimaler Differenzwinkel Δφ von Δφ = Αφορί erzielt wird. Bei A(popt sind die Welleneinrichtung und die Drehein¬ richtung derart zueinander angeordnet, dass die rotordynami- sehen Eigenschaften wie Schwingungen usw. optimiert sind.
Der Differenzwinkel bei der Ausgangsdrehzahl, kurz Start-Differenzwinkel, ergibt sich zufällig und wird mit einer Diffe¬ renzwinkelmessung ermittelt. Rechnerisch wird dabei der
Start-Differenzwinkel 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 Zielwinkels bis zum Einkuppeln der Dampfturbine vorauseilen würde. Dies soll an einem Beispiel dargestellt werden: Die Start-Differenzdrehzahl sei - 1Hz, die bisherige Dampfturbinenbeschleunigung sei 0,05 Hz/s, der Zielwert 0°, dann ist der nominale Start-Differenzwinkel 3600°.
Das Ziel des Verfahrens ist es, nach dem Kuppeln einen opti- malen Differenzwinkel zu erzielen, bei dem die Dreheinrichtung und Welleneinrichtung optimal gegenseitig ausgerichtet sind .
Der Zielkuppelwinkel wird normalerweise so gewählt, dass eine Minimierung einer Schwingungsbelastung der gekuppelten Gasturbine und Dampfturbine erreicht wird. Der bevorzugt anzu¬ steuernde Zielkuppelwinkel kann dabei durch Messungen der Schwingungsbelastung und durch rechnerische Betrachtungen ermittelt werden. Im Regelfall wird eine Kombination aus beidem zum Tragen kommen.
Die Änderung der Drehzahl der Welleneinrichtung erfolgt durch Beschleunigung der Dreheinrichtung. 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 eingekuppelt 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 Gastur¬ bine erreicht hat, die Gasturbine der Dampfturbine um mehrere volle Umdrehungen in Bezug auf den Zielwinkel vorauseilt. Hinsichtlich der Änderung des Differenzwinkels ist die Zahl der vollen Umdrehungen, welche die Gasturbine vorauseilt, er¬ sichtlich 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 mög- lieh sind, beziehungsweise bei gegebener Ausgangs-Drehzahldifferenz 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 Beschleuni¬ gungswert 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, etwa 0,5 Hz bis etwa 1,5 Hz oder etwa 0,5 Hz bis 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, be¬ vorzugt 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 Kupplungsver- drehwinkels 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¬ schen Gasturbine und Dampfturbine auf. Ferner ist eine Ein¬ richtung zum Beschleunigen der Dampfturbine mit einem Be- schleunigungswert vorhanden. Darüber hinaus sind Mittel ange¬ ordnet, die ermöglichen in Abhängigkeit des erfassten Diffe¬ renzwinkels durch Bestimmung eines Beschleunigungswerts, mit dem die Dampfturbine beschleunigt wird, und einer Solldreh¬ zahldifferenz zwischen Gasturbine und Dampfturbine, bei der ein Einkuppelvorgang beginnt, einen gewünschten Zielkuppelwinkel 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 be¬ kannten 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 be¬ schrieben. 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-Drehzahldif- ferenz 1 Hz und Ausgangswinkeldifferenz -3600°;
Figur 3 beispielhaft den Verlauf der Drehzahl der Gasturbine und der Dampfturbine;
Figur 4 den Verlauf des Differenzwinkels beim Einkuppeln und den Kupplungsverdrehwinkel;
Figur 5 schematische Darstellung eines Wellenstranges;
Figur 6 Prinzip des Einkuppeins mit gewünschtem Differenzwinkel .
In Figur 1 ist für verschiedene konstante Beschleunigungs¬ werte 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 ge¬ punktete 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 Kuppelwin¬ kels 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 Dampf- turbine. 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 unterschiedli- chen Kurven ersichtlich ist, ist der überfahrene Winkel bis zum Einkuppelbeginn umso größer, je kleiner die Beschleunigung 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 Dif¬ ferenzwinkel 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 Relativbeschleu- nigung von 0,05 Hz/s die Drehzahldifferenz vom Differenzwinkel abhängt. Dabei wird bei übereinstimmender Frequenz von Gasturbine und Dampfturbine ein Differenzwinkel von 0° ange¬ nommen. 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 Dampfund 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 Zielwinkel 0° erreicht, sondern ein größerer Zielwinkel. In die¬ sem Fall ist die Dampfturbine zu langsam; sie muss stärker beschleunigt werden.
Ist umgekehrt bei der realen Anlage bei einem gemessenen Dif- ferenzwinkel 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 ab¬ gebremst 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 kon¬ stant bei 50 Hz, wie durch die gepunktete Linie dargestellt. Die Geschwindigkeit der Dampfturbine wird mit der durchgezo- genen Linie abgebildet. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Dampf¬ turbine die gleiche Geschwindigkeit hat wie die Gasturbine, beginnt der Einkuppelvorgang. Es wird also begonnen die Kupplung einzurücken. Die Dampfturbine wird zunächst weiter be¬ schleunigt, 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 wie¬ derum 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 Dreh¬ winkeldifferenz 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 er¬ kennen .
Es gilt also bei der Wahl des gewünschten Zielkuppelwinkels beim Kuppeln zu berücksichtigen, dass beim Einkuppeln eine Änderung der Drehwinkeldifferenz um den
Kupplungsverdrehwinkel erfolgt.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Wellen¬ stranges 1. Dieser umfasst eine Dreheinrichtung 2, die die Welle 3 einer nicht dargestellten Dampfturbine bildet. Die Welle 3 ist mit einer Kupplung 4 mit einer Generatorwelle 5 koppelbar. Die Generatorwelle 5 wird durch den Generator 6 angetrieben. Über eine weitere Kupplung 7 wird die Generatorwelle 5 mit einer Welleneinrichtung 8, die die Welle 9 einer nicht näher dargestellten Gasturbine bildet, verbunden.
Über einen Keyphaser 10 wird die Drehzahl und der Drehwinkel der Welle 3 ermittelt. Über einen weiteren Keyphaser 11 wird die Drehzahl und der Drehwinkel der Welle 9 ermittelt. Die Signale aus dem Keyphaser 10 und dem Keyphaser 11 werden zu einer Einheit 12 übertragen. Aus der Einheit 12 wird der Differenzwinkel Δ φ und die Drehzahldifferenz Δη an einen Turbi¬ nenregler 13 weitergeleitet. Bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeitsdifferenz wird die Dampfturbine wie gewohnt über eine vorgegebene Rampe be¬ schleunigt. Bei einem Geschwindigkeitsunterschied von 1Hz, also der Ausgangsdrehzahl, erfolgt eine Umschaltung auf das zielwinkelgeregelte Einkuppeln. Dazu wird die aktuelle Win- keldifferenz im Bereich 0°-360° erfasst und um den Winkelbe¬ reich reduziert, den die Gasturbine bei Beibehalten der bis¬ herigen 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-Drehzahldiffe¬ renz 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. Stan- dardvorgabe 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 auszu- legen. Ein von Null abweichender Wunsch-Zielwinkel wird über dieses Off-Set so verschoben, dass eine Standardkurve für den Zusammenhang Δφ zu Ans on verwendbar ist. Mit diesem Ansatz ist es dann möglich, die Überlegungen auf den Wunsch-Zielwinkel von 0° zu beschränken.
Zusätzlich zum Differenzwinkel A( wird die Differenzdrehzahl An in einer Einheit 14 verarbeitet. Außerdem wird die Dreh¬ zahl nDT in der Einheit 14 verarbeitet. In der Einheit 14 wird eine Solldrehzahl ηΞΟιι,ϋτφ generiert, die zu einer Soll- wertführung 15 geführt wird. In der Sollwertführung wird das Signal nsv,DT( erzeugt und einer weiteren Sollwertführung 16 zugeführt. Am Ausgang der Sollwertführung 16 wird ein Wert für die Drehzahländerung AnDT erzeugt und an den Turbinenregler 13 weitergeleitet wird. Außerdem wird zum Turbinenregler 13 das Signal aus einem Schaltkriterium 17 zugeschaltet. Das Signal aus dem Schaltkriterium wird dann verwendet um zwischen der Sollwertführung 15 und der Sollwertführung 16 umzuschalten . Bei Beschleunigung der Dampfturbine relativ zur Gasturbine mit konstanter Beschleunigung k Hz/s wird zur Überwindung einer Ausgangsdrehzahldifferenz von Acoo eine Zeit t = Acoo/k benötigt. In dieser Zeit überfährt das System eine relative Winkeldifferenz, die ( Acoo ) 2/ (2*k) ganzen Umdrehungen ent- spricht. Entspräche der Differenzwinkel bei Start-Drehzahl¬ differenz Acoo also zufällig -360 ° * ( Aco0 ) 2 / (2*k) , wäre die kon¬ stante Beschleunigung k geeignet, um den Zielwinkel 0° an zu steuern. Bei jeder anderen Start-Winkeldifferenz muss die Be- schleunigung verändert werden, um den Zielwinkel 0° zu errei¬ chen. Wird nun der Start-Winkel zu -360°* (Δω0) 21 (2*k) + ge¬ messener Winkel gesetzt, bedeutet das, dass die Turbine rela¬ tiv 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° zurück¬ fallen soll. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt 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 Ausgangsdrehzahl, die unterhalb der Drehzahl der Welleneinrichtung liegt, wobei die Welleneinrichtung und die Dreheinrichtung um einen Differenzwinkel (Δφ) gegeneinander verdreht sind und nach dem Kuppeln ein optimaler Differenzwinkel (Δφ) von Δφ = A(popt erzielt wird;
- Erfassen des Differenzwinkels (Δφ) zwischen Welleneinrichtung und Dreheinrichtung; wobei eine Drehzahldifferenz
(Δη) , die aus der Differenz aus der Drehzahl der Dreheinrichtung (nDT) und der Drehzahl der Welleneinrichtung (ηΕτ ) gebildet wird, ermittelt wird;
- Ändern der Drehzahl der Dreheinrichtung (nDT) mit einem Drehzahl-Sollwert (Δηοτ) , wobei eine Soll-Drehzahldifferenz (ΔηΞ Οιι ) von dem Differenzwinkel (Δφ) abhängt und der Dreh¬ zahl-Sollwert (Δηοτ) aus der Abhängigkeit zwischen der Soll-Drehzahldifferenz (ΔηΞ Οιι ) und dem Differenzwinkel (Δφ) ermittelt wird, wobei bei der Ermittlung des Drehzahl- Sollwerts (Δηοτ) zusätzlich die ermittelte Drehzahldiffe¬ renz (Δη) berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Ändern der Drehzahl der Dreheinrichtung (nDT) mit dem Drehzahl-Sollwert (Δηοτ) außerdem mittels einer Soll- Drehzahl (ηΞ Οιι , ϋτ ) der Dreheinrichtung als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Turbinenregler vorgesehen ist, mit dem Drehzahl- Sollwert (Δηοτ) und einem Schaltkriterium als Eingangsgröße .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangsdrehzahl etwa 1 Hz unterhalb der Drehzahl der Welleneinrichtung liegt, im Wesentlichen etwa 0,5 Hz bis etwa 1,5 Hz, und etwa 0,9 Hz und etwa 1,1 Hz.
5. 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.
6. 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 (Δφ) und der erfassten Drehzahl-Differenz (Δη) einen gewünschten Zielkupplungswinkel zwischen Wellen- einrichtung und Dreheinrichtung zu erreichen.
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