本公開(kāi)內(nèi)容的領(lǐng)域大體上涉及發(fā)電設(shè)備，并且更具體地涉及用于管理蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力的控制系統(tǒng)及其使用方法。

背景技術(shù)：

典型的已知聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備包括燃?xì)鉁u輪，其中焚燒燃料，例如，諸如而不限于油或天然氣。來(lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排出氣體由一個(gè)或多個(gè)燃?xì)鉁u輪推出。排出氣體經(jīng)過(guò)余熱回收蒸汽發(fā)生器，加熱其中的水來(lái)生成蒸汽。燃?xì)鉁u輪負(fù)載和排出氣體溫度由于燃燒系統(tǒng)和控制限制而高度耦合。此限制大體上導(dǎo)致燃?xì)鉁u輪排氣質(zhì)量流率與燃?xì)鉁u輪排氣溫度之間的一對(duì)一的關(guān)系，這導(dǎo)致蒸汽流率與蒸汽溫度之間的直接一對(duì)一的關(guān)系。蒸汽收集在鍋爐中且累積壓力。當(dāng)達(dá)到足夠的蒸汽壓力時(shí)，容許蒸汽進(jìn)入蒸汽渦輪中，從而使蒸汽渦輪旋轉(zhuǎn)。蒸汽然后通常冷凝且回到余熱回收蒸汽發(fā)生器。蒸汽渦輪使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)發(fā)電。蒸汽渦輪的蒸汽進(jìn)入機(jī)制可以以多種構(gòu)造來(lái)構(gòu)造，例如，包括且不限于其中蒸汽加熱且在多個(gè)級(jí)中再熱并容許到多個(gè)級(jí)中的蒸汽渦輪的架構(gòu)。

當(dāng)一定時(shí)間段內(nèi)未操作時(shí)，蒸汽渦輪的殼和轉(zhuǎn)子顯著地冷卻。蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的溫度可由蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子自身上或殼上(即，固定部分，而非轉(zhuǎn)子上，即，可旋轉(zhuǎn)部分)測(cè)得的溫度測(cè)定。作為備選，蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子溫度可由任何其它適合的方法測(cè)定，例如，包括且不限于非接觸式方法，諸如高溫測(cè)定。在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的啟動(dòng)期間，設(shè)備理想地進(jìn)入設(shè)備負(fù)載可盡可能快地在沒(méi)有約束下受控的狀態(tài)。然而，蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的表面通常在不同于轉(zhuǎn)子的主體的速率下加熱，導(dǎo)致了貫穿轉(zhuǎn)子的徑向溫度變化。此溫度變化作為熱應(yīng)力顯現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的金屬上，且隨著時(shí)間促進(jìn)轉(zhuǎn)子金屬疲勞。由于燃?xì)鉁u輪排出氣體的溫度驅(qū)動(dòng)蒸汽溫度，故總體設(shè)備由將燃?xì)鉁u輪排氣流保持在較低溫度下直到蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)入轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力不限制的狀態(tài)的需要來(lái)約束。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)方面，提供了一種用于發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括溫度傳感器和控制器。溫度傳感器配置成測(cè)量蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子表面溫度。轉(zhuǎn)子表面溫度為來(lái)自用于將蒸汽加熱至目標(biāo)蒸汽溫度的熱源的排出氣體的函數(shù)?？刂破髀?lián)接至溫度傳感器?？刂破髋渲贸墒褂糜糜谡羝麥u輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的逆過(guò)程模型且基于基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算目標(biāo)蒸汽溫度。控制器進(jìn)一步配置成基于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的測(cè)得的表面溫度計(jì)算測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力?？刂破鬟M(jìn)一步配置成使用用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型且基于目標(biāo)蒸汽溫度計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力?？刂破鬟M(jìn)一步配置成基于測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。

在另一方面，提供了一種控制發(fā)電設(shè)備的方法。該方法包括使用從熱源排出的排出氣體加熱蒸汽，排出氣體具有排出氣體溫度。該方法還包括使蒸汽在蒸汽流率下進(jìn)入蒸汽渦輪。該方法還包括測(cè)量蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度。該方法還包括基于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度和用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型確定反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。該方法還包括基于反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。該方法還包括基于目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的逆過(guò)程模型計(jì)算用于控制熱源的目標(biāo)蒸汽溫度和排出氣體溫度。

在還有另一方面，提供了一種發(fā)電設(shè)備。該發(fā)電設(shè)備包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽渦輪、溫度傳感器和控制器。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)配置成在燃?xì)鉁u輪負(fù)載下旋轉(zhuǎn)且在排出氣體溫度下排出排出氣體，排出氣體配置成將蒸汽加熱至目標(biāo)蒸汽溫度。蒸汽在目標(biāo)蒸汽溫度、蒸汽流率下進(jìn)入蒸汽渦輪。蒸汽渦輪配置成使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。溫度傳感器配置成測(cè)量蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度。控制器配置成使用用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的逆過(guò)程模型且基于基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算目標(biāo)蒸汽溫度?？刂破鬟M(jìn)一步配置成基于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的測(cè)得的表面溫度計(jì)算測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力?？刂破鬟M(jìn)一步配置成使用用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型且基于目標(biāo)蒸汽溫度計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力?？刂破鬟M(jìn)一步配置成基于測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。

技術(shù)方案1. 一種用于發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括：

溫度傳感器，其配置成測(cè)量蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的表面溫度，所述表面溫度為來(lái)自用于將蒸汽加熱至目標(biāo)蒸汽溫度的熱源的排出氣體的函數(shù)；以及

聯(lián)接至所述溫度傳感器的控制器，所述控制器配置成：

使用用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的逆過(guò)程模型且基于基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算所述目標(biāo)蒸汽溫度；

基于所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的測(cè)得的表面溫度計(jì)算測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；

使用用于所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型且基于所述目標(biāo)蒸汽溫度計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；以及

基于所測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算所述反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。

技術(shù)方案2. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述熱源包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。

技術(shù)方案3. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述溫度傳感器配置成測(cè)量蒸汽渦輪殼溫度，所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的表面溫度可從所述蒸汽渦輪殼溫度確定。

技術(shù)方案4. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成計(jì)算所述反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力作為所測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力與所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力之間的差異。

技術(shù)方案5. 根據(jù)技術(shù)方案4所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成基于所述基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力與所述反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力之間的差異計(jì)算所述目標(biāo)蒸汽溫度。

技術(shù)方案6. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成對(duì)所述基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力進(jìn)行低通過(guò)濾。

技術(shù)方案7. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成使用所述逆過(guò)程模型來(lái)基于所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的估計(jì)的表面溫度以及所述目標(biāo)蒸汽溫度與所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的測(cè)得的表面溫度之間的目標(biāo)溫差計(jì)算所述目標(biāo)蒸汽溫度。

技術(shù)方案8. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成基于所述目標(biāo)蒸汽溫度和用于從所述排出氣體到所述蒸汽的熱交換的熱交換模型計(jì)算排出氣體溫度。

技術(shù)方案9. 一種控制發(fā)電設(shè)備的方法，所述方法包括：

使用從熱源排出的排出氣體加熱蒸汽，所述排出氣體具有排出氣體溫度；

使所述蒸汽在蒸汽流率下進(jìn)入蒸汽渦輪；

測(cè)量蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度；

基于所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度和用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型確定反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；

基于所述反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；以及

基于所述目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和用于所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的逆過(guò)程模型計(jì)算用于控制所述熱源的目標(biāo)蒸汽溫度和所述排出氣體溫度。

技術(shù)方案10. 根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，加熱所述蒸汽包括將所述排出氣體排入余熱回收蒸汽發(fā)生器中，所述蒸汽通過(guò)所述余熱回收蒸汽發(fā)生器從冷凝物儲(chǔ)器流入蒸汽匯集器。

技術(shù)方案11. 根據(jù)技術(shù)方案10所述的方法，其中，使所述蒸汽進(jìn)入包括在達(dá)到預(yù)定蒸汽壓力和蒸汽溫度時(shí)從所述蒸汽匯集器釋放所述蒸汽。

技術(shù)方案12. 根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，確定反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力包括：

基于所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度計(jì)算測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；

使用所述過(guò)程模型計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力，其中所述過(guò)程模型包括：

基于所述目標(biāo)蒸汽溫度、蒸汽質(zhì)量流和用于從所述蒸汽到蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面的熱傳遞的對(duì)流模型計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度；

基于所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度和用于從所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面到蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子主體的熱傳遞的傳導(dǎo)模型計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪主體溫度；以及

基于所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度與所估計(jì)的蒸汽渦輪主體溫度之間的差異和用于所述蒸汽的流動(dòng)通路的傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；以及

計(jì)算所測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力的差異。

技術(shù)方案13. 根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，計(jì)算所述目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力包括：

計(jì)算所述基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和所述反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力的差異；以及

對(duì)總和進(jìn)行低通過(guò)濾。

技術(shù)方案14. 根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，使用所述逆過(guò)程模型計(jì)算所述目標(biāo)蒸汽溫度包括：

將增益應(yīng)用到所述目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力，所述增益表示從平均蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力到目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子主體溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的動(dòng)態(tài)；

對(duì)所述目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子主體溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)過(guò)濾，產(chǎn)生目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)；

基于基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度、蒸汽質(zhì)量流和熱傳遞系數(shù)計(jì)算蒸汽溫度與所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度之間的目標(biāo)溫差；以及

將所述目標(biāo)蒸汽溫度計(jì)算為所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度與所述目標(biāo)溫差的和。

技術(shù)方案15. 一種發(fā)電設(shè)備，包括：

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其配置成在燃?xì)鉁u輪負(fù)載下旋轉(zhuǎn)且在排出氣體溫度下排出排出氣體，所述排出氣體配置成將蒸汽加熱至目標(biāo)蒸汽溫度；

蒸汽渦輪，所述蒸汽在所述目標(biāo)蒸汽溫度和蒸汽流率下進(jìn)入所述蒸汽渦輪，所述蒸汽渦輪配置成使電力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；

配置成測(cè)量蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度的溫度傳感器；以及

控制器，其配置成：

使用用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的逆過(guò)程模型且基于基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算所述目標(biāo)蒸汽溫度；

基于所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的測(cè)得的表面溫度計(jì)算測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；

使用用于所述蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型且基于所述目標(biāo)蒸汽溫度計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；以及

基于所測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算所述反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。

技術(shù)方案16. 根據(jù)技術(shù)方案15所述的發(fā)電設(shè)備，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成基于所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載和蒸汽流量的變化計(jì)算所測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。

技術(shù)方案17. 根據(jù)技術(shù)方案16所述的發(fā)電設(shè)備，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成計(jì)算所述反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力作為所測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力與所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力的差異。

技術(shù)方案18. 根據(jù)技術(shù)方案16所述的發(fā)電設(shè)備，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成基于蒸汽質(zhì)量流和所述目標(biāo)蒸汽溫度計(jì)算所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。

技術(shù)方案19. 根據(jù)技術(shù)方案18所述的發(fā)電設(shè)備，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成基于以下計(jì)算所估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力：

用于計(jì)算從所述蒸汽到所述蒸汽渦輪的轉(zhuǎn)子表面的對(duì)流的對(duì)流模型；

用于基于估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度計(jì)算從所述轉(zhuǎn)子表面到所述蒸汽渦輪的主體的傳導(dǎo)模型；以及

基于來(lái)自所述對(duì)流模型的估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度與來(lái)自所述傳導(dǎo)模型的估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子主體溫度的差異的應(yīng)力計(jì)算。

技術(shù)方案20. 根據(jù)技術(shù)方案15所述的發(fā)電設(shè)備，其中，所述控制器進(jìn)一步配置成對(duì)所述基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力進(jìn)行低通過(guò)濾。

附圖說(shuō)明

在參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本公開(kāi)內(nèi)容的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，附圖中相似的標(biāo)號(hào)表示貫穿附圖的相似部分，其中：

圖1為示例性聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的框圖；

圖2為用于發(fā)電設(shè)備中的示例性控制系統(tǒng)的示意圖，諸如圖1中所示的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備；

圖3為用于發(fā)電設(shè)備中的示例性控制系統(tǒng)的示意圖，諸如圖1中所示的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備；

圖4為用于圖2和圖3中所示的控制系統(tǒng)中的示例性過(guò)程模型的示意圖；

圖5為用于圖2和圖3中所示的控制系統(tǒng)的示例性逆過(guò)程模型的示意圖；

圖6為用于圖2和圖3中所示的控制系統(tǒng)的另一個(gè)示例性逆過(guò)程模型的示意圖；

圖7為控制發(fā)電設(shè)備的示例性方法的流程圖，諸如圖1中所示的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備；以及

圖8為用于圖1中所示的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備中的示例性聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備啟動(dòng)的圖表。

除非另外指出，否則本文提供的附圖意在說(shuō)明本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施例的特征。這些特征認(rèn)作是適用于多種系統(tǒng)，包括本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。因此，附圖不意在包括本文公開(kāi)的實(shí)施例的實(shí)施所需的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的所有常規(guī)特征。

零件清單

100 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備

102 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

106 燃?xì)鉁u輪

108 空氣

110 燃料

112 排出氣體

114 發(fā)電機(jī)

116 余熱回收蒸汽發(fā)生器

118 冷卻的排出氣體

120 柱

122 蒸汽

124 蒸汽匯集器

126 加壓蒸汽

128 閥

130 蒸汽渦輪

132 蒸汽渦輪殼

133 蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子

135 蒸汽渦輪輪葉

136 排出蒸汽

138 冷凝器

140 發(fā)電機(jī)

142 冷凝物

144 冷凝物儲(chǔ)器

200 控制系統(tǒng)

202 傳感器

204 控制器

206 蒸汽渦輪

208 過(guò)程模型

210 逆過(guò)程模型

212 設(shè)備過(guò)程

214 燃燒過(guò)程

216 余熱回收和蒸汽發(fā)生過(guò)程

218 燃?xì)鉁u輪負(fù)載

220 蒸汽渦輪負(fù)載

300 控制系統(tǒng)

302 設(shè)備過(guò)程

304 過(guò)程模型

306 逆過(guò)程模型

308 低通過(guò)濾器

310 測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力

312 估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力

314 目標(biāo)蒸汽溫度

316 反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力

318 基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力

320 目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力

400 過(guò)程模型

402 對(duì)流模型

404 傳導(dǎo)模型

406 熱應(yīng)力模型

500 逆過(guò)程模型

502 標(biāo)量轉(zhuǎn)換器

504 過(guò)濾器

506 乘法器

600 逆過(guò)程模型

610 除法器

620 加法器

630 過(guò)濾微分器

640 乘法器

650 加法器

700 方法

710 開(kāi)始步驟

720 余熱回收和蒸汽發(fā)生步驟

730 蒸汽進(jìn)入步驟

740 溫度測(cè)量步驟

750 應(yīng)力反饋步驟

760 目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力步驟

770 逆向模擬步驟

780 結(jié)束步驟

800 圖表

810 應(yīng)力輪廓子圖

820 蒸汽流量子圖

830 溫度子圖

k₁ 熱傳遞系數(shù)

k₃ 常數(shù)

T_Steam 蒸汽溫度

蒸汽質(zhì)量流

σ_est 估計(jì)的熱應(yīng)力

T_Surface 估計(jì)的蒸汽渦輪表面溫度

T_Bulk 估計(jì)的蒸汽渦輪主體溫度

蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子主體溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)

σ_target 目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力

g₁ 增益

ΔT 溫差

蒸汽渦輪表面溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。

具體實(shí)施方式

在以下說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中，提到了具有以下意義的多個(gè)用語(yǔ)。

單數(shù)形式"一個(gè)"、"一種"和"該"包括復(fù)數(shù)參考，除非上下文清楚地另外指出。

"可選"或"可選地"意思是隨后描述的事件或情形可發(fā)生或可不發(fā)生，且描述包括事件發(fā)生的情況以及其不發(fā)生的情況。

如本文貫穿說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求使用的近似語(yǔ)言可用于修飾可允許在不導(dǎo)致其涉及的基本功能的變化的情況下改變的任何數(shù)量表達(dá)。因此，由諸如"大約"、"大概"和"大致"的一個(gè)或多個(gè)用語(yǔ)修飾的值不限于指定的準(zhǔn)確值。在至少一些情況中，近似語(yǔ)言可對(duì)應(yīng)于用于測(cè)量值的器具的精度。這里以及貫穿說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求，范圍限制可組合和/或互換，此范圍被識(shí)別且包括包含在其中的所有子范圍，除非上下文或語(yǔ)言另外指出。

用于本文所述的發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)提供了來(lái)自一個(gè)或多個(gè)燃?xì)鉁u輪的排出氣體溫度的內(nèi)部模型控制，以管理蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子上的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力通常在發(fā)電設(shè)備的啟動(dòng)期間發(fā)生在蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子中，其中在蒸汽渦輪達(dá)到操作溫度時(shí)，蒸汽溫度和蒸汽流引起蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面與蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的主體之間的溫度變化。本文所述的控制系統(tǒng)便于獨(dú)立于一個(gè)或多個(gè)燃?xì)鉁u輪的負(fù)載和蒸汽流中的變化來(lái)控制蒸汽溫度和管理熱應(yīng)力。

圖1為示例性聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100的框圖，本文中介紹的控制系統(tǒng)和方法可在設(shè)備100內(nèi)體現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)102，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)102內(nèi)，空氣108與燃料110混合且焚燒，以產(chǎn)生通過(guò)燃?xì)鉁u輪106排出的排出氣體112。排出氣體112引起燃?xì)鉁u輪106旋轉(zhuǎn)。燃?xì)鉁u輪106可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到發(fā)電機(jī)114，發(fā)電機(jī)114與燃?xì)鉁u輪106一起旋轉(zhuǎn)且發(fā)電。

燃?xì)鉁u輪106將排出氣體112排入余熱回收蒸汽發(fā)生器116中。冷卻的排出氣體118離開(kāi)余熱回收蒸汽發(fā)生器116，且通常從聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100通過(guò)排氣管道120排出。排出氣體112在排出氣體溫度下進(jìn)入余熱回收蒸汽發(fā)生器116。排出氣體溫度通過(guò)經(jīng)由燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)102內(nèi)的空氣108進(jìn)入和燃料110進(jìn)入的調(diào)節(jié)控制燃燒過(guò)程為可控的。余熱回收蒸汽發(fā)生器116便于從排出氣體112到水142和蒸汽122的熱傳遞。

蒸汽122累積在蒸汽匯集器124內(nèi)，直到達(dá)到期望的蒸汽壓力。當(dāng)達(dá)到期望的蒸汽壓力時(shí)，加壓蒸汽126通過(guò)閥128釋放。當(dāng)閥128開(kāi)啟時(shí)，加壓蒸汽126進(jìn)入蒸汽渦輪130中。蒸汽渦輪130包括固定的蒸汽渦輪殼132，以及可旋轉(zhuǎn)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134。蒸汽渦輪130包括聯(lián)接至蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134的多個(gè)蒸汽渦輪輪葉135。當(dāng)加壓蒸汽126進(jìn)入蒸汽渦輪輪葉135時(shí)，蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134旋轉(zhuǎn)，且排出蒸汽136被引導(dǎo)至冷凝器138。蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134聯(lián)接到發(fā)電機(jī)140，發(fā)電機(jī)140與蒸汽渦輪130一起旋轉(zhuǎn)且發(fā)電。冷凝器138冷卻排出蒸汽136，形成冷凝物142，其收集在冷凝物儲(chǔ)器144中。冷凝物142然后回到余熱回收蒸汽發(fā)生器116，在該處，其又轉(zhuǎn)變成蒸汽122。

在操作中，在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100的啟動(dòng)期間，蒸汽渦輪130通過(guò)發(fā)電機(jī)140加速且加載。當(dāng)蒸汽流增大時(shí)，電負(fù)載增大，同時(shí)蒸汽渦輪130保持速度。期望的是使蒸汽渦輪130盡可能快地達(dá)到操作溫度，然而，可實(shí)現(xiàn)此啟動(dòng)所處的速率受限于由于蒸汽溫度和蒸汽流在蒸汽渦輪130上引起的應(yīng)力。更具體而言，蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134上的操作溫度或熱應(yīng)力限制啟動(dòng)速率。當(dāng)較高的蒸汽流時(shí)，較高的蒸汽溫度更快加熱蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134。然而，加熱蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134導(dǎo)致蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134的表面與蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134的主體(都未示出)之間的溫差。此溫差導(dǎo)致隨著時(shí)間在蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134上的熱應(yīng)力和金屬疲勞。

另外在操作中，蒸汽渦輪130根據(jù)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力輪廓達(dá)到操作溫度，以在啟動(dòng)期間管理蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力輪廓特征為啟動(dòng)期間引起的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度通過(guò)蒸汽122的蒸汽溫度的調(diào)節(jié)來(lái)控制，且也是進(jìn)入蒸汽渦輪130中的蒸汽流量的函數(shù)。蒸汽溫度通過(guò)排出氣體112的排出氣體溫度的調(diào)節(jié)來(lái)控制，排出氣體112如上文所述控制。

圖2為用于控制發(fā)電設(shè)備(諸如聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100(圖1中所示))的示例性控制系統(tǒng)200的框圖。控制系統(tǒng)200包括傳感器202和控制器204。傳感器202為溫度傳感器，其配置成測(cè)量蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的表面溫度，諸如蒸汽溫度轉(zhuǎn)子134(圖1中所示)。在某些實(shí)施例中，傳感器202配置成直接地測(cè)量蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子溫度。在其它實(shí)施例中，傳感器202配置成測(cè)量蒸汽渦輪殼溫度，其與蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度有關(guān)。類(lèi)似地，在某些實(shí)施例中，蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子和蒸汽渦輪殼溫度可基于由傳感器202測(cè)得的蒸汽狀態(tài)估計(jì)。傳感器202可聯(lián)接到蒸汽渦輪206，諸如蒸汽渦輪130(圖1中所示)。在某些實(shí)施例中，例如，傳感器202聯(lián)接到蒸汽渦輪殼，諸如蒸汽渦輪殼132(圖1中所示)。某些實(shí)施例包括用于測(cè)量蒸汽流量的另一傳感器。

控制器204包括過(guò)程模型208和逆過(guò)程模型210。過(guò)程模型208模擬設(shè)備過(guò)程212。設(shè)備過(guò)程212包括燃燒過(guò)程214，通過(guò)其，燃料(諸如燃料110)和空氣(諸如空氣108)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(諸如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)102)中混合且焚燒以產(chǎn)生排出氣體，諸如排出氣體112(全部都在圖1中示出)。生成的排出氣體從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃?xì)鉁u輪排出，諸如燃?xì)鉁u輪106(圖1中所示)。當(dāng)排出氣體通過(guò)燃?xì)鉁u輪排出時(shí)，燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)燃?xì)鉁u輪負(fù)載218。例如，燃?xì)鉁u輪負(fù)載218包括且不限于電力發(fā)電機(jī)，諸如發(fā)電機(jī)114(圖1中所示)。

設(shè)備過(guò)程212包括余熱回收和蒸汽發(fā)生過(guò)程216，通過(guò)其，排出氣體排入余熱回收蒸汽發(fā)生器(諸如余熱回收蒸汽發(fā)生器116(圖1中所示))中以加熱蒸汽，諸如蒸汽122(也在圖1中示出)。生成的蒸汽進(jìn)入蒸汽渦輪206中，使蒸汽渦輪206的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)且驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪負(fù)載220。例如，燃?xì)鉁u輪負(fù)載220包括且不限于電力發(fā)電機(jī)，諸如發(fā)電機(jī)140(圖1中所示)。

設(shè)備過(guò)程212引起到蒸汽渦輪206的轉(zhuǎn)子上的應(yīng)力作為至少蒸汽溫度和蒸汽流量的函數(shù)。過(guò)程模型208估計(jì)設(shè)備過(guò)程212引起的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力?？刂破?04確定測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力，且使用測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力的差異來(lái)控制設(shè)備過(guò)程212。差異表示在控制輸入之后應(yīng)用到設(shè)備過(guò)程212的干擾，或可表示未模擬的動(dòng)態(tài)。差異反饋且從基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力減去?；鶞?zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力從基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力輪廓繪出，根據(jù)其，發(fā)電設(shè)備啟動(dòng)。

基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力和蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力變化(有時(shí)稱(chēng)為目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力)的差異由逆過(guò)程模型210使用來(lái)計(jì)算蒸汽溫度。蒸汽溫度轉(zhuǎn)化成命令的排出氣體溫度，其可通過(guò)燃燒過(guò)程214控制。

控制器204進(jìn)一步配置成控制通過(guò)燃?xì)鉁u輪負(fù)載218對(duì)燃?xì)鉁u輪的加載，這驅(qū)動(dòng)余熱回收蒸汽發(fā)生器216中生成的蒸汽量，這進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)由蒸汽渦輪206生成的功率。

圖3為用于發(fā)電設(shè)備(諸如聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100(圖1中所示))中的示例性控制系統(tǒng)300的示意圖?？刂葡到y(tǒng)300包括設(shè)備過(guò)程302，諸如設(shè)備過(guò)程212(圖2中所示)，以及過(guò)程模型304，諸如過(guò)程模型208(也在圖2中示出)?？刂葡到y(tǒng)300還包括逆過(guò)程模型306和低通過(guò)濾器(LPF)308。

設(shè)備過(guò)程302在蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子(諸如蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134(圖1中所示))上產(chǎn)生應(yīng)力，其可基于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度來(lái)測(cè)量。應(yīng)力表示為測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力310，且為設(shè)備過(guò)程302的各種方面的函數(shù)，例如，包括且不限于蒸汽溫度、蒸汽流量以及蒸汽渦輪和燃?xì)鉁u輪(諸如燃?xì)鉁u輪106(圖1中所示))的負(fù)載。過(guò)程模型304至少基于目標(biāo)蒸汽溫度314來(lái)計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力312。

反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力316為測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力310與估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力31之間的差異，其反饋且從基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力318減去。反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力316表示估計(jì)誤差，以及對(duì)設(shè)備過(guò)程302的未測(cè)得的干擾和未模擬的動(dòng)態(tài)。該結(jié)果為目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力320。LPF 308配置成使表示基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力318的信號(hào)平滑。在某些實(shí)施例中，省略了LPF 308。

逆過(guò)程模型306配置成將目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力320轉(zhuǎn)換成目標(biāo)蒸汽溫度314。在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備中，設(shè)備過(guò)程302大體上通過(guò)排出氣體溫度而非直接地蒸汽溫度為可控的。在某些實(shí)施例中，控制系統(tǒng)300還包括用于將蒸汽溫度314轉(zhuǎn)化成命令排出氣體溫度的模型構(gòu)件。此外，在某些實(shí)施例中，控制系統(tǒng)300包括用于使燃?xì)鉁u輪排氣溫度達(dá)到目標(biāo)蒸汽溫度314的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖4為用于控制系統(tǒng)200和300(分別在圖2和圖3中示出)中的示例性過(guò)程模型400的示意圖。過(guò)程模型400包括對(duì)流模型402、傳導(dǎo)模型404和熱應(yīng)力模型406。

對(duì)流模型402表示來(lái)自生成的氣體(諸如蒸汽122(圖1中示出))至蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子(諸如蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134(也在圖1中示出))的表面隨著時(shí)間的熱傳遞的動(dòng)態(tài)。對(duì)流模型402使用兩個(gè)輸入：蒸汽溫度T_Steam，諸如目標(biāo)蒸汽溫度314(圖3中示出)，以及蒸汽質(zhì)量流，其可直接測(cè)量，或可從控制系統(tǒng)200和300中的另一測(cè)量(諸如閥128(圖1中示出))處測(cè)得的壓力推導(dǎo)出。對(duì)流模型402還使用熱傳遞系數(shù)k₁，以用于從蒸汽到蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的表面的熱傳遞。對(duì)流模型402由以下方程1支配，通過(guò)該方程，估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度T_Surface由以下求解：

，方程1。

傳導(dǎo)模型404表示隨著時(shí)間從蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的表面到蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的主體的熱傳遞的動(dòng)態(tài)。傳導(dǎo)模型404基于估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度T_Surface計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪主體溫度T_Bulk。傳導(dǎo)模型404由熱方程支配，以下的方程2：

，方程2。

其中T表示固體溫度，x表示空間維度，α表示材料的熱擴(kuò)散，且t表示暫時(shí)變量。表面溫度與主體溫度之間的關(guān)系可通過(guò)使用適合方法離散化偏微分方程來(lái)獲得。

熱應(yīng)力模型406配置成基于估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度T_Surface和估計(jì)的蒸汽渦輪主體溫度T_Bulk來(lái)計(jì)算蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子上的估計(jì)的熱應(yīng)力σ_est。通過(guò)引用并入本文中的美國(guó)專(zhuān)利第6939100號(hào)中進(jìn)一步描述的熱應(yīng)力模型406也使用了系數(shù)k₂，且由以下方程3規(guī)定：

，方程3。

圖5為用于控制系統(tǒng)200和300(分別在圖2和3中示出)中的示例性逆過(guò)程模型500的示意圖。逆過(guò)程模型500包括標(biāo)量轉(zhuǎn)換器502、過(guò)濾器504和乘法器506。逆過(guò)程模型500配置成過(guò)程模型400(圖4中所示)的數(shù)學(xué)反演。標(biāo)量轉(zhuǎn)換器502應(yīng)用增益g₁，其表示從目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力σ_target轉(zhuǎn)換到平均蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的動(dòng)態(tài)。

過(guò)濾器504包括由以下方程4規(guī)定的超前/滯后過(guò)濾器。過(guò)濾器502產(chǎn)生蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。

，方程4。

其中τ₁和τ₁表示兩個(gè)時(shí)間常數(shù)，且s表示拉普拉斯變量。

乘法器506針對(duì)估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度T_Surface與目標(biāo)蒸汽溫度T_Steam之間的溫差T_Steam-T_Surface求解以上方程1。乘法器506將蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)有效除以熱傳遞系數(shù)k₁和蒸汽質(zhì)量流來(lái)解出期望的溫差ΔT。目標(biāo)蒸汽溫度T_Steam然后通過(guò)從期望的溫差ΔT減去對(duì)流模型402中計(jì)算的估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度來(lái)計(jì)算。

圖6為用于控制系統(tǒng)200和300(分別在圖2和圖3中示出)中的示例性逆過(guò)程模型600的示意圖。逆過(guò)程模型600包括除法器610，其將目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力除以常數(shù)k₃來(lái)確定蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子主體與蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面之間的理想溫差。

逆過(guò)程模型600包括加法器620，其配置成將理想溫差與估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子主體溫度T_Bulk相加，產(chǎn)生目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度T_Surface。

逆過(guò)程模型600包括過(guò)濾微分器630，其應(yīng)用由方程5給定的過(guò)濾器：

，方程5。

其中，τ為時(shí)間常數(shù)且s為拉普拉斯變量。目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度的過(guò)濾差異產(chǎn)生蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。

乘法器640針對(duì)目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度T_Surface與目標(biāo)蒸汽溫度T_Steam之間的溫差T_Steam-T_Surface求解以上方程1。乘法器640將蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)有效除以熱傳遞系數(shù)k₁和蒸汽質(zhì)量流來(lái)解出期望的溫差ΔT。目標(biāo)蒸汽溫度T_Steam然后通過(guò)在加法器650處將目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度和期望溫差ΔT相加來(lái)計(jì)算。

圖7為使用控制系統(tǒng)(諸如控制系統(tǒng)200和300(分別在圖2和3中示出))且進(jìn)一步使用控制器(諸如控制器204(圖2中示出))來(lái)控制發(fā)電設(shè)備(諸如聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100)的啟動(dòng)的示例性方法700的流程圖?，F(xiàn)在參看圖1、圖3和圖6，方法700在開(kāi)始步驟710處開(kāi)始。在余熱回收和蒸汽發(fā)生步驟720處，使用在排氣溫度下從燃?xì)鉁u輪106排出的排出氣體112將蒸汽122加熱至目標(biāo)蒸汽溫度T_Steam。在蒸汽匯集器124中達(dá)到足夠的壓力時(shí)，加壓蒸汽126在蒸汽進(jìn)入步驟730處在一定蒸汽流率下進(jìn)入蒸汽渦輪130中。

當(dāng)蒸汽122移動(dòng)通過(guò)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134時(shí)，蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度在溫度測(cè)量步驟740處測(cè)得，測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力310從其計(jì)算出。在應(yīng)力反饋步驟750處，用于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型304用于基于目標(biāo)蒸汽溫度314和蒸汽流率來(lái)計(jì)算估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力312。反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力316計(jì)算為測(cè)得的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力310和估計(jì)的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力312的差異。

在目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力步驟760處，目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力320基于反饋蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力316和基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力318計(jì)算。

在逆向模擬步驟770處，逆過(guò)程模型306用來(lái)計(jì)算用于控制熱源的目標(biāo)蒸汽溫度314和排出氣體112的溫度。逆過(guò)程模型306接收目標(biāo)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力320作為輸入，且基于蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子134的表面與加壓蒸汽126之間的目標(biāo)溫差ΔT計(jì)算目標(biāo)蒸汽溫度314。方法結(jié)束于結(jié)束步驟780處。

圖8為用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100(圖1中示出)以及控制系統(tǒng)200和300(分別在圖2和3中示出)中的示例性聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備啟動(dòng)的圖表800。圖表800包括應(yīng)力輪廓子圖810、蒸汽流量子圖820，以及溫度子圖830。

應(yīng)力輪廓子圖810包括對(duì)比時(shí)間的以黑色示出的基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力輪廓，以及以灰色示出的由設(shè)備過(guò)程(諸如設(shè)備過(guò)程212(圖2中示出))引起的實(shí)際蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力?；鶞?zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力輪廓示出了50千磅每平方英寸(ksi)的基準(zhǔn)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力。在時(shí)間零處開(kāi)始的實(shí)際蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力開(kāi)始朝50ksi上升。

蒸汽流量子圖820示出了隨著啟動(dòng)過(guò)程的蒸汽流量的變化。蒸汽流量在時(shí)間零處快速升高，且然后再大約40分鐘。溫度子圖830示出了對(duì)比時(shí)間的以黑色示出的蒸汽溫度T_Steam，以及以灰色示出的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面溫度T_Surface。蒸汽溫度T_Steam的圖表示出了控制系統(tǒng)(諸如控制系統(tǒng)200和300(分別在圖2和圖3中示出))改變目標(biāo)蒸汽溫度T_Steam來(lái)解決40分鐘處的流率中的尖峰，而不會(huì)引起實(shí)際蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力的增大。

用于發(fā)電設(shè)備的上述控制系統(tǒng)提供了來(lái)自一個(gè)或多個(gè)燃?xì)鉁u輪的排出氣體的內(nèi)部模型控制來(lái)管理蒸汽渦輪上的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力通常在發(fā)電設(shè)備的啟動(dòng)期間發(fā)生在蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子中，其中在蒸汽渦輪達(dá)到操作溫度時(shí)，蒸汽溫度和蒸汽流量引起蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子表面與蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的主體之間的溫度變化。本文所述的控制系統(tǒng)便于獨(dú)立于一個(gè)或多個(gè)燃?xì)鉁u輪的負(fù)載和蒸汽流量的變化來(lái)控制蒸汽溫度和管理熱應(yīng)力。

本文所述的方法、系統(tǒng)和設(shè)備的示例性技術(shù)效果包括以下至少一者：(a)估計(jì)隨著時(shí)間的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力；(b)獨(dú)立于蒸汽渦輪負(fù)載和蒸汽流量來(lái)控制蒸汽溫度；(c)減少使蒸汽渦輪達(dá)到操作溫度和速度所需的時(shí)間；(d)減少發(fā)電設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間；(e)降低蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子上的熱應(yīng)力；(f)改善蒸汽渦輪的壽命周期；以及(g)提高由發(fā)電設(shè)備生成的功率的可用性。

用于控制發(fā)電設(shè)備的方法、系統(tǒng)和設(shè)備的示例性實(shí)施例不限于本文所述的特定實(shí)施例，而相反，系統(tǒng)的構(gòu)件和/或方法的步驟可獨(dú)立地使用且與本文所述的其它構(gòu)件和/或步驟分開(kāi)使用。例如，方法還可與其它非常規(guī)控制系統(tǒng)組合，且不限于僅利用如本文所述的系統(tǒng)和方法來(lái)實(shí)施。相反，示例性實(shí)施例可結(jié)合許多其它應(yīng)用、設(shè)備和系統(tǒng)來(lái)實(shí)施和使用，其可受益于改善的啟動(dòng)時(shí)間，降低的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力、改善的壽命循環(huán)以及提高的功率可用性。

盡管本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施例的特定特征可能在一些圖中示出且在其它圖中未示出，但這僅是為了方便。根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的原理，可與任何其它圖的任何特征組合來(lái)參照和/或申請(qǐng)保護(hù)圖的任何特征。

該書(shū)面描述使用示例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明可申請(qǐng)專(zhuān)利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有不與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)要素，則意在使這些其它示例處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

以下權(quán)利要求的限制并未以裝置加功能的格式撰寫(xiě)，且不意在根據(jù)35 U.S.C. § 112理解，除非且直到這樣的權(quán)利要求限制明確地使用短語(yǔ)"用于……的裝置"后接功能且沒(méi)有進(jìn)一步結(jié)構(gòu)的表述。