CN100385092C - 用于蒸汽轮机的快速发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种快速改变蒸汽轮机(12)的功率输出水平的方法，包括步骤：在连续功率输出水平(42)下操作蒸汽轮机，包括将蒸汽温度调整到恒定的蒸汽温度设定点；接收到需要快速改变蒸汽轮机的功率输出水平的需求(44)；将蒸汽温度设定点调节(46)到选择成能满足快速功率变化需求的临时温度漂移限值；将涡轮机中的蒸汽温度调整到临时温度漂移限值；在利用临时漂移限值所实现的临时功率输出水平(48)下操作涡轮机；利用调节到临时温度限值的蒸汽并通过涡轮机来发电，并在预定的时间周期之后恢复用于调整涡轮机的温度(50)。

Description

用于蒸汽轮机的快速发电系统及方法
技术领域
本发明涉及蒸汽轮机和蒸汽-燃气轮机联合循环发电机。具体地说，本发明涉及快速提高蒸汽轮机的功率输出的方法。
背景技术
与配电网相连的发电设备有时需要快速提高功率输出。可能需要快速提高功率以在公用电网中平衡功率，或者控制电网的频率变化。然而对于公用电网的蒸汽发电机来说，快速提高其功率输出水平以满足快速供电的需求通常是很困难的。
发电机如蒸汽轮机和联合循环式蒸汽-燃气轮机是大型的涡轮机组，其具有发电和操作方面的限制。燃气轮机可提供快速的额外功率。蒸汽轮机通常只能对功率变化的需求提供比较缓慢的响应。
为了改变蒸汽轮机的功率输出，通常需要一个明显的时间周期如2到5分钟，以便：增加提供给锅炉的燃料以便在锅炉内提供额外的热量，提高锅炉管道内的气流或流体的温度，在锅炉内产生额外的蒸汽，将所增加的蒸汽施加到蒸汽轮机上，并且产生额外的功率。这些增加蒸汽轮机功率的步骤可用来提高涡轮机在正常稳态下的功率输出。然而，需要有一种可以快速且临时性地增大蒸汽轮机的功率输出的技术。
当需要快速提高蒸汽轮机的功率时，传统的方法涉及到打开控制阀以允许更多的蒸汽流入到蒸汽轮机中。当接收到要求有更多功率的需求时，如果蒸汽控制阀是部分关闭的，并且过热器中的压力显著高于在紧接于该需求之前存在的功率水平下驱动蒸汽轮机所需的压力，那么这种方法可以奏效。当接收到要快速提高功率的需求时，如果蒸汽轮机已经在稳态状况下工作且控制阀是大开的，或者在过热器中不存在过量的蒸汽压力，那么这种传统方法是不可用的。另外，这种传统的方法提高了蒸汽的流量，却没有提高所产生的蒸汽焓量。
另一种快速(虽然只是临时地)提高蒸汽轮机输出的传统方法是在蒸汽过热器(主过热器或再热器)中的温度控制器内喷水以产生额外的高压蒸汽。在温度控制器内喷水可以比所引起的焓减少更快地增加流入涡轮机中的蒸汽质量流量，并可在有限的时间内相对较快地提高涡轮机的功率输出。类似地，在某些状态下，通过对锅炉的热管直接喷水所进行的温度调节可以快速地产生提供给蒸汽发生器的额外蒸汽。
由温度调节所提供的额外功率的量是有限的。而且，在过热器热管的表面上喷水会产生热冲击，这将会降低这些表面的使用寿命。另外，温度调节使蒸汽的焓降低，这是因为在锅炉管道的内表面被过量的水流冷却时，蒸汽的温度便下降了。
发明内容
本发明可体现为一种能快速改变蒸汽轮机的功率输出水平的方法，其包括：在连续功率输出水平下操作蒸汽轮机，包括将蒸汽温度调整到恒定的蒸汽温度设定点；接收到需要快速改变蒸汽轮机的功率输出水平的需求；将蒸汽温度设定点调节到选择成能满足快速功率变化需求的临时温度漂移限值；将涡轮机中的蒸汽温度调整到临时温度漂移限值；在利用临时漂移限值所实现的临时功率输出水平下操作涡轮机；利用调节到临时温度限值的蒸汽并通过涡轮机来发电，并在预定的时间周期之后恢复用于调整涡轮机的温度。
本发明可体现为一种能快速改变蒸汽轮机的功率输出水平的方法，其包括：在连续功率输出水平下操作蒸汽轮机，包括将蒸汽温度调整到恒定的蒸汽温度设定点；接收到需要快速改变蒸汽轮机的功率输出水平的需求；将蒸汽温度设定点调节到选择成能满足快速功率变化需求的临时温度漂移限值；将涡轮机中的蒸汽温度调整到临时温度漂移限值；在利用临时漂移限值所实现的临时功率输出水平下操作涡轮机；利用调节到临时温度限值的蒸汽并通过涡轮机来发电；在预定的时间周期之后改变用于调整涡轮机的温度；在接收到需要快速改变功率的需求之后迅速地增大到发热源的燃料流量，其被应用到热回收蒸汽发生器(HRSG)中，该发生器提供蒸汽给蒸汽轮机；在燃料流量提高之后，提高由HRSG提供给涡轮机的蒸汽量，并且通过提高供应给涡轮机的蒸汽量来保持由调整至温度漂移限值而先前实现的蒸汽轮机的功率输出提高。
本发明还可体现为一种蒸汽轮机系统，其包括：具有蒸汽入口和蒸汽出口的蒸汽轮机；蒸汽循环回路，其具有与蒸汽轮机的蒸汽入口相连的排放端口，以及与蒸汽出口相连的进入端口，所述蒸汽循环回路还包括蒸汽发生装置，其用于产生流向涡轮机的蒸汽入口的蒸汽；至少一个位于所述蒸汽循环回路中的可调节的阀，其中所述阀可响应于阀的促动控制指令来调节循环回路中的蒸汽状态；控制器，其可接收控制指令和与循环回路中的蒸汽状态相关的传感器输入，其中所述控制器还包括电子式存储的控制程序，其可响应于快速改变功率的需求而(i)产生阀促动控制指令来调节阀，以便使循环回路中的蒸汽温度升高到临时温度漂移限值，以及(ii)将蒸汽温度保持在临时温度漂移限值处不超过预定的时间周期。
附图说明
图1是联合循环式蒸汽-燃气轮机发电系统的示意图。
图2是快速提高蒸汽轮机功率的步骤的流程图。
图中标号的含义如下：10复合循环系统；12蒸汽轮机；14燃气轮机；16功率输出轴；18控制器；20负载；22热回收蒸汽发生器(HRSG)；24汽鼓；26流体循环回路；28输出；30泵；32涡轮机；34阀；35热交换器；36，37管组系列；40过热器；42稳态状况；44需求；46允许快速提高蒸汽温度；47温度控制器的水流；48蒸汽轮机处于升高的漂移限值下，涡轮机所产生的功率总量快速地提高；50允许在漂移温度下运行一段较短的时间周期；52增加提供给锅炉的热量以便为涡轮机提供额外的蒸汽；56提高锅炉管道内的流体压力或温度；58在锅炉内产生额外的蒸汽；60将所增加的蒸汽施加给蒸汽轮机；62因锅炉内的热量增加而产生额外的功率；64增加施加给HRSG的燃料。
具体实施方式
图1是联合循环系统10的高级示意图，其具有蒸汽轮机12、燃气轮机14和功率输出轴16。如果需要的话，根据操作人员设定的与所需功率输出有关的设定值、与当前工作状态有关的传感器输入以及由该系统所驱动的负载20，控制器18可以操作蒸汽轮机12和燃气轮机14。蒸汽轮机12可以单独地或在燃气轮机联合循环系统(GTCC)10中在连续运行温度下工作，并且输出功率随蒸汽流量的变化而变化。
热回收蒸汽发电机(HRSG)22为蒸汽轮机提供了高压蒸汽源。HRSG可以包括或不包括一个或多个汽鼓24，其用来收集蒸汽以及来自流体循环回路26中的冷凝物。循环回路26包括蒸汽轮机12、热交换器(冷凝器)35以及位于HRSG中的一串管组36，37，其用于将蒸汽流体加热至过热的蒸汽状态。冷凝的蒸汽从蒸汽轮机12和热交换器35的出口28流出，并通过泵30而被泵送穿过HRSG22中的管组36，37以及汽鼓24。当流体流经HRSG时，其通过由HRSG所施加的热量而转换成过热的蒸汽。热源可以来自与HRSG相关的燃烧器(燃烧器未示出)，和/或来自燃气轮机14的涡轮机32的热燃气输出。过热的蒸汽被用来驱动蒸汽轮机。
图2是用于提高蒸汽轮机12的功率输出的工艺的流程图。在该工艺开始之前，蒸汽轮机可在稳态状况42下工作，在此状态下，入口蒸汽温度和涡轮机的输出功率是恒定的。在这一联合循环的例子中，控制器18执行程序来控制阀34的设定值。例如，控制器从位于到涡轮机中的蒸汽入口处的温度和压力传感器中以及从用于检测涡轮机到负载20如发电机的功率输出的传感器中接收传感器输入信息。持续地检测负载20的频率，并将其用来控制涡轮机的功率生产。控制器还从操作人员那里接收用于蒸汽轮机工作的指令和设置，例如功率输出水平。
控制程序包括用于蒸汽轮机工作的进程，其包括涡轮机的工作限值。这些工作限值包括对HRSG 22及其过热器的管36中的蒸汽温度的约束。这些约束例如建立成可保证HRSG和涡轮机的工作状况不会超过蒸汽循环回路和蒸汽轮机12中的蒸汽管道和阀的容许温度限值。标准温度限值针对涡轮机的稳态和持续工作来设定，并基于设备将在产品的预期寿命内运行到这些限值的假定。
蒸汽循环回路26和阀34可在较短的时间周期内运行到高于连续温度限值的温度。材料温度和时间(持续时间)的限制仍必须采用。然而，控制器所施加的进程中的蒸汽温度限值可在较短的时间周期内扩大，而不会危害蒸汽循环回路26或涡轮机12。
当要求快速提高蒸汽轮机12(及燃气轮机14)输出至负载20的功率输出时，控制器将对需求44进行评估。为了快速提高蒸汽轮机的功率输出，在步骤46中允许将蒸汽温度快速提高到高于涡轮机的正常连续运行温度的漂移限值。通过阀34来减少温度控制器的水流(″a″)47，就可以快速提高过热器管道36中的蒸汽温度。在步骤48中通过使蒸汽轮机在升高的漂移限值下运行，就可以快速提高涡轮机所产生的功率总量。由于温度升高，因此蒸汽的焓增大。蒸汽温度升高到用于连续运行的正常蒸汽温度之上。蒸汽温度被调整为总是处于蒸汽管道和阀的漂移温度内。
在步骤50中，允许在漂移温度下运行一段较短的时间周期。在该时间周期结束后，控制器再次对蒸汽温度施加正常连续运行的温度限制。如果在每次使用了漂移限制之后要求有一定的延迟，那么可以重复漂移限制下的运行。
在较短的周期50中，当蒸汽轮机在升高的温度漂移限值下运行时，可以采用传统的步骤52，56，58，60和62来提高蒸汽轮机的功率输出。例如，结合在升高设定点下运行的情况，控制器可以开始下述步骤：增加提供给锅炉的热量以便为涡轮机提供额外的蒸汽(步骤52)，提高锅炉管道内的流体压力或温度(步骤56)，在锅炉内产生额外的蒸汽(步骤58)，将所增加的蒸汽施加给蒸汽轮机(步骤60)，并且因锅炉内的热量增加而产生额外的功率(步骤62)。当涡轮机在升高的温度设定点下运行时，可以采用这些步骤。
如果在该时间周期结束前增加施加给HRSG如锅炉的燃料和来自燃气轮机的热燃气，使得蒸汽轮机的功率输出提高到所需的高功率水平(步骤64)，那么控制器可将蒸汽温度降低到正常的温度设定点。因温度漂移而提高的涡轮机功率输出可在蒸汽温度下降之后持续下去，这是因为已经利用了传统的步骤而提高了涡轮机的功率输出。利用临时升高的温度设定点和传统的提高功率的步骤的结合，就可以使涡轮机的功率输出快速地提高到涡轮机可连续维持下去的高功率水平。
本文所公开的快速提高蒸汽功率的方法可以单独地执行，也可以与联合循环系统10中的燃气轮机相结合地进行。它可与用于额外地提高蒸汽轮机功率的现有方法一起使用。本方法可在发电系统中使用，以满足在与供电网相连时的备用功率或一级反应的需求。虽然在上文中是针对快速提高功率需求的问题来进行介绍的，然而所要解决的问题也可以是快速降低功率的需求。采取与针对快速提高功率所介绍的相反的动作，就可以用来快速地降低功率。
虽然已经结合目前被认为是最切合实际的优选实施例来介绍了本发明，然而应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在涵括属于所附权利要求的精神和范围内的各种变化和等同设置。

Claims (10)

1.一种快速改变蒸汽轮机(12)的功率输出水平的方法，包括：
a.在连续功率输出水平下操作蒸汽轮机(42)，包括将蒸汽温度调整到恒定的蒸汽温度设定点；
b.接收到需要快速改变蒸汽轮机的功率输出水平的需求(44)；
c.将所述蒸汽温度设定点调节到选择成能满足快速功率变化需求的临时温度漂移限值(46)；
d.将涡轮机中的蒸汽温度调整到所述临时温度漂移限值；
e.在利用所述临时漂移限值所实现的临时功率输出水平下操作涡轮机(48)；
f.利用调节到所述临时温度限值的蒸汽并通过涡轮机来发电，和
g.在预定的时间周期之后改变用于调整涡轮机的温度(50)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽温度是进入蒸汽轮机的入口处的温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽温度是热回收蒸汽发生器(22)中的温度，所述发生器提供蒸汽给蒸汽轮机。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述快速改变功率输出水平的需求(44)是快速提高功率输出水平的需求；所述临时温度漂移限值(48)升高到连续蒸汽温度设定点之上，所述临时功率输出水平高于所述连续功率输出水平。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽温度是过热器(36)中的温度，所述过热器提供过热的蒸汽给蒸汽轮机。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，存在着时间设定限值的预定时间周期(50)。
7.一种蒸汽轮机系统，包括：.
具有蒸汽入口和蒸汽出口的蒸汽轮机；
蒸汽循环回路，其具有与所述蒸汽轮机的蒸汽入口相连的排放端口，以及与所述蒸汽出口相连的进入端口，所述蒸汽循环回路还包括蒸汽发生装置，其用于产生流向所述涡轮机的蒸汽入口的蒸汽；
至少一个位于所述蒸汽循环回路中的可调节的蒸汽阀，其中所述阀可响应于蒸汽阀的促动控制指令来调节所述循环回路中的蒸汽状态；
控制器，其可接收控制指令和与所述循环回路中的蒸汽状态相关的传感器输入，其中所述控制器还包括电子式存储的控制程序，其可响应于快速改变功率的需求而(i)产生所述蒸汽阀的促动控制指令来调节所述蒸汽阀，以便使所述循环回路中的蒸汽温度升高到临时温度漂移限值，以及(ii)将蒸汽温度保持在所述临时温度漂移限值处不超过预定的时间周期。
8.根据权利要求7所述的蒸汽轮机系统，其特征在于，所述蒸汽发生装置是热回收蒸汽发生器。
9.一种用于蒸汽轮机的控制系统，其中所述蒸汽轮机包括：
蒸汽入口、蒸汽出口和蒸汽循环回路，所述蒸汽循环回路具有与所述蒸汽轮机的蒸汽入口相连的排放端口，以及与所述蒸汽出口相连的进入端口，所述蒸汽循环回路还包括蒸汽发生装置，其用于产生流向所述涡轮机的蒸汽入口的蒸汽；
至少一个位于所述蒸汽循环回路中的可调节的蒸汽阀，其中所述阀可响应于蒸汽阀的促动控制指令来调节所述循环回路中的蒸汽状态；
其中，所述控制系统包括：
控制器，其可接收控制指令和与所述循环回路中的蒸汽状态相关的传感器输入，其中所述控制器还包括电子式存储的控制程序，其可响应于快速改变功率的需求而(i)产生所述蒸汽阀的促动控制指令来调节所述蒸汽阀，以便使所述循环回路中的蒸汽温度升高到临时温度漂移限值，以及(ii)将蒸汽温度保持在所述临时温度漂移限值处不超过预定的时间周期。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述蒸汽发生装置是热回收蒸汽发生器。
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