CN101162883B - 稳定电网频率的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于联合循环发电系统的电网频率控制子系统。这种用于联合循环发电系统的电网频率控制子系统包括蒸汽涡轮机(138)(它包含蒸汽流控制阀门(136))，蒸汽源(124)(它通过控制阀门与蒸汽涡轮机按流体连通连接，并包含热能存储器)，燃烧涡轮机(112)(它包含进气导向叶片(102))，发电机(它与蒸汽涡轮机和燃烧涡轮机中的至少一个连接)，此发电机与电网(164)电气相连，且发电机和电网的频率同步在电网工作频率上，控制器(162)用来几乎同时调节蒸汽流控制阀门和进气导向叶片，以有助于在预定时间内得到基本均匀的复原率。

Description

稳定电网频率的方法和设备

技术领域

本发明总的说与电网有关，更具体地说，涉及到控制与电网连接的联合循环发电系统的方法和设备。

背景技术

这里用到的“满负荷”一词与“额定输出”和“最大连续功率”(MCR)同义。这些术语是指发电系统及其相关元件的连续运行输出的上限。“部分负荷”则表示低于满负荷的输出水平。

电网一般包括一些将电力提供给电网的发电系统，和一些从电网取电的用电户。当发出的和消费的电力相等时，电网频率基本不变。电网频率通常是一个保持基本稳定值的参数。欧洲和北美系统的公称标准电网频率分别为50Hz和60Hz。

瞬态性质的频率偏差可能由于用电量的增减和/或发电系统的关停或添加而产生。增加用电量和关停发电系统导致电网频率减小。减少用电量和添加发电系统导致电网频率增大。电能的消耗和产生是与时间有关的变数，可引起频率在大约+0.5Hz和-0.5Hz范围内的变化。通常，频率不稳的持续时间很短，约几秒到几分钟，而且如上所述，幅度也很小。频率不稳的幅度典型的是受到在整个变化持续时间内，电能变化幅度与电网和相关互连网内总电能水平之比的影响。上述小幅度的频率不稳，与典型的电能变化量比标定互联网的典型大容量要小是一致的。另外，一般来说，电网有自我修正而使电网频率保持在基本不变范围内的倾向。例如，当频率偏离标准值时，在一些发电系统上发电量的短暂变化，可通过至少一个控制系统和至少一种控制方法来减少频率不稳的幅度和持续时间而得以缓解，使得频率不稳通常不致影响到用户。

由于瞬间失去一台或几台发电机(有时称为跳闸)，而使频率减小等引起的+0.5Hz至-0.5Hz左右范围以外的较大的频率不稳，可能会造成较大的频率下降。一种减少频率不稳幅度和持续时间的方法是，在网内具有一定量的备用发电能力(有时称为系统储备)，以应付几秒以内的瞬时频率下降。例如，在电网上的特定发电机组，可以使其送到电网上的相关发电输出快速增加。

现在的许多发电设备包括蒸汽涡轮机发电机(STG)，燃烧涡轮机发电机(CTG)，或它们的某种组合。这些结构通常包括与相关发电机旋转连接的涡轮机。发电机的频率一般与电网频率同步，并以基本类似于电网频率的速率旋转。

许多现有的STG运行时与蒸汽发生设备(如锅炉)流体连通。一般是使空气和燃料燃烧以释放热能，然后利用热能使水沸腾产生蒸汽。所产生的蒸汽被送到涡轮机内，在那儿蒸汽的热能转变为机械能，使涡轮机的转子旋转。所产生的功率与进入涡轮机的蒸汽流的速率成正比。

现有的一种维持功率储备的方法是，让STG与处于局部打开(或节流)位置的至少一个蒸汽供应控制阀一起工作，使得蒸汽发生器，STG和电网处在平衡态(有时叫做稳态条件)，而工作在低于蒸汽发生器和STG装置的满额定负荷的某个值。满负荷和局部负荷之间的差别往往被称为自旋储备。利用控制器来探测系统频率的减小并产生控制信号，在探测到频率不稳几秒钟内传给蒸汽阀门。此控制信号使阀门移至开得更大的位置，同时储存在蒸汽发生设备(如过热炉)元件内的热能，开始通过增加的流过蒸汽发生器的蒸汽流被立即耗散。接着冷却流体，空气和燃料增加，以便在蒸汽发生器，STG，和电网之间建立一种修正的平衡态。但是，当许多蒸汽发生器和STG组合为了减轻受到影响的元件的应力和磨损的增大，而工作在预定的参数以内时，可能要花2至5分钟才能达到这种修正的平衡态。另外，按上述方式储存的热能一般是有限的。再者，许多蒸汽发生器和STG组合可能不能以稳定的，受到控制的响应对电网频率不稳作有效的反应。例如，上面提到的STG的蒸汽阀门可能打开太快，同时热能的储备消耗太快，以致不能提供持续而有效的响应。或者，STG的蒸汽阀门可能打开太慢，以致不能提供及时而有效的响应。

现有很多CTG点燃燃烧室组件内的燃料-空气混合物并产生燃烧燃气蒸汽，后者通过一条热燃气通道进入涡轮机机组。被压缩的空气由压缩机机组送入燃烧室组件，后者通常与涡轮机相连接，也即压缩机，涡轮机和发电机以相同的速度旋转。所产生的功率与流到涡轮机的燃烧燃气流速和燃气流蒸汽的温度成正比。一般来说，许多现有的CTG在运行上具有比STG(及其相关的蒸汽源)更高效能的特性，因此，CTG对系统不稳的反应更快。

一种现有的维持电能储备的方法是，让CTG运行时至少有一个相关的空气导向叶片，和至少一个处于局部打开(即节流的)位置的燃料供应阀门，使得CTG和电网处在平衡状态，即运行在低于CTG满额定负荷的某个值。如上面对STG所作的说明，满负荷和局部负荷之间的差别常被称为自旋储备。控制器探测到电网频率下降并产生信号，使空气进气导向叶片和燃料供应阀门在探测到频率不稳后几秒钟内进一步打开。因为压缩机，涡轮机和发电机是连在相同的轴上，同时因为与电网同步的发电机随着电网频率下降而减速，所以存在使进入CTG的空气开始减少的倾向。这种状态有使CTG的发电量减少的倾向，这可能对以后增加CTG发电量的工作产生负面影响。另外，空气流减少及随后通过相关压缩机的空气流增加的倾向可能引起压缩机的压力波动，即空气流和压缩机卸载压力的基本上不受控制的起伏，而且在压缩机额定空气流的低端波动可能更显著。随着叶片打开以增加空气流和阀门打开以增加燃料流，燃烧燃气的质量流率和燃烧燃气温度在探测到系统频率不稳几秒钟内开始增加。然后空气和燃料再度增加，以促进在CTG和电网之间建立修正的平衡态。为了克服发电量开始减少的倾向并接着使CTG加速，燃烧涡轮机可能需要作峰值点火，即快速增加燃烧速度以迅速提高燃气蒸汽的温度，然后连续增加空气流量。虽然CTG可能对频率不稳的响应能力更高效，但现有的许多CTG可能有温度和温度梯度的限制，这可能延长增加燃气蒸汽温度的持续时间，以便减轻与CTG相关的一部分材料上的应力。否则，元件的应力可能增加，且其相关寿命可能受到不利的影响。

现有许多蒸汽产生设备和CTG在热学上是最有效地工作在接近其发电范围的高端范围内。使发电水平维持在该范围以下可能降低热效率，并增加以后的运行成本，还可能使设备所有者失去出售在储备中且通常不发出的电能的收入。

现有的许多联合循环发电设备包括至少一个CTG和至少一个STG。这类设备的某些现有结构包括将燃烧废气从CTG引向热量回收蒸汽发生器(HRSG)，其中燃烧废气的热能使水沸腾变成蒸汽，然后将蒸汽引向STG。典型情况是，联合循环设备在结构上利用CTG作为对电网频率不稳的主要响应机构，而STG用作次要响应。虽然这种结构的效率较高，因而运行较经济，但这种响应结构和方法在对电网频率不稳的快速高效反应上还有些问题。

发明内容

在一个实施例中，提供了与电网相连的联合循环发电系统的控制方法。此联合循环系统包括至少一个发电机，与此至少一个发电机相连的蒸汽涡轮机，与此至少一个发电机相连的燃烧涡轮机，和具有热能存储器的蒸汽源，该热能存储器通过至少一个控制阀门与蒸汽涡轮机流体连通。本方法包括控制在第一电能输出处的蒸汽涡轮机，控制在第一电能输出处的燃烧涡轮机，控制在第一热能级处的蒸汽源，该蒸汽涡轮机至少有一个处在第一位置的控制阀门，燃烧涡轮机至少有一个处在第一位置的空气进气导向叶片。蒸汽涡轮机和燃烧涡轮机与电网的工作频率同步，因此蒸汽涡轮机，燃烧涡轮机，和电网的工作频率基本上与标准化电网频率值类似。一旦探测到电网频率偏离标准化电网频率值，系统确定热能存储器当前的热能容量，并利用此热能存储器当前的热能容量和至少一个蒸汽涡轮机控制阀门的预定变化率，来确定可用的频率复原率。若被确定的频率复原率大于电网频率偏离和预定复原周期，则将该至少一个蒸汽涡轮机控制阀门移至第二位置，以便在预定时间周期内得到基本均匀的预定电网复原率。若被确定的频率复原率小于电网频率偏离和预定复原周期，则几乎同时将该至少一个燃烧涡轮机空气进气导向叶片移至第二位置，且该至少一个蒸汽涡轮机控制阀门移至第二位置，以便在预定时间周期内得到基本均匀的预定电网复原率。

在另一个实施例中，用于联合循环发电系统的电网频率控制系统包括一个蒸汽涡轮机，它包含蒸汽流控制阀门，经控制阀门与此蒸汽涡轮机按流体连通相连的蒸汽源(它包含热能存储器)，燃烧涡轮机(它包含进气导向叶片)，发电机(它与上述蒸汽涡轮机和燃烧涡轮机的至少一个连接，此发电机与电网电气连接，发电机和电网的频率同步在电网的工作频率上)，和控制器，后者用来几乎同时调节上述蒸汽流控制阀门和进气导向叶片，以便在预定时间周期内得到基本均匀的预定电网频率复原率。

在还有一个实施例中，联合循环发电系统包括蒸汽涡轮机(它包含蒸汽流控制阀门，且此蒸汽涡轮机与至少一个发电机连接)，蒸汽源(它包含热能存储器，且经过蒸汽流控制阀门与上述蒸汽涡轮机流体连通)，与至少一个发电机连接的燃烧涡轮机(它包含进气导向叶片)，和控制器，后者与上述蒸汽流控制阀门，蒸汽源，和进气导向叶片通过通信联络连接。此控制器用来确定热能存储器当前的热能容量，利用热能存储器当前的热能容量和蒸汽涡轮机控制阀门预定的变化率确定可用的频率复原率，响应超出热能存储器可提供的频率复原率的电网频率过低状态，几乎同时打开蒸汽流控制阀门和进气导向叶片，并响应超出热能存储器可提供的频率复原率的电网频率过高状态，几乎同时关闭蒸汽流控制阀门和进气导向叶片。

附图说明

图1是按本发明一个实施例的蒸汽涡轮机发电机系统示意图；

图2是图1所示蒸汽涡轮机发电机的简化示意图；

图3是控制可用于图2所示涡轮机的涡轮机控制器输出的方法流程图。

具体实施方式

图1是联合循环发电系统100示意图。系统100包括至少一个燃烧涡轮机空气进气导向叶片102，燃烧涡轮机压缩机104(它与至少一个燃烧室106流体连通)，燃料储存设备108(它通过至少一个燃料供应阀门110也与燃烧室106流体连通)，燃烧涡轮机112，公共轴114，燃烧涡轮机发电机(CTG)116(它经轴114与压缩机104和涡轮机112旋转连接)，发电机输出连接118，一些CTG传感器120，和燃烧涡轮机废气管道122，后者与热量回收蒸汽发生器(HRSG)124流体连通。HRSG 124包括第一组管群126，第二组管群128，蒸汽鼓130，和第三组管群132，管群126、128、132和鼓130相互流体连通。系统100还包括过热蒸汽集气管134，它通过至少一个蒸汽涡轮机控制阀136与蒸汽涡轮机138流体连通。公用轴140将涡轮机138旋转连接到蒸汽涡轮机发电机(STG)142。系统100还包括一些STG传感器144和发电机输出连接146。另外，蒸汽涡轮机废气管道148，凝汽器150，带冷却水流的冷却液体管群151，冷凝剂供应集气管152，冷凝剂/给水泵154，和给水供应集气管156相互流体连通。HRSG废气管道158与HRSG 124和冷却塔160流体连通。系统100的自动和手动控制利用控制器162进行。发电机116和142通过输电线166与电网164相互连接。用户168连接到电网164和其它发电设备170上。

电能由CTG 116产生。压缩机104通过空气进气导向叶片102将空气送至燃烧室106。或者，也可以使用一些快动作导向叶片。燃料从储存设备108经燃料阀110送至燃烧室106。在此实施例中，储存设备108是天然气供应站。设备108也可以是天然气储存罐，燃油储存罐，或燃油挂车。另外，系统100还可包括整体气化联合循环(IGCC)工厂，其中设备108产生人造汽油。燃烧室106通过空气点燃燃料并使燃料燃烧，以产生约1316℃(2400)的燃烧燃气，后者稍后进入涡轮机112。在此实施例中，涡轮机112是多燃料机组，其中燃烧室106可点燃和燃烧天然气，燃油，或其它燃料。燃烧燃气中的热能被转化为涡轮机112中的旋转能。如上所述，涡轮机112通过轴114与压缩机104和发电机116旋转连接，且压缩机104和发电机116与涡轮机112以基本类似的旋转速度旋转。发电机116产生电压和电流，其频率在发电机116不和电网164同步时正比于轴114的旋转速度。发电机116的输出电能经互连线118输送到电网164，其频率当发电机116与电网164同步时基本与电网164的频率类似。发电机116可以通过激励系统(图1未示出)来控制。多个传感器120可包括至少一个电流变换器(图1未示出)，一个电压变换器(图1未示出)和一个频率变换器(图1未示出)。传感器120的输出被送至控制器162。

电能也可由STG 142产生。HRSG 124通过集气管134和控制阀门136将过热蒸汽传给涡轮机138。控制阀门136通过控制器162连续偏移，以调节进入涡轮机138的蒸汽流，这在下面将进一步讨论。控制器162从传感器144接收输入信号。在此实施例中，传感器144包括紧邻阀门136上游和下游的压力变换器。蒸汽中的热能在涡轮机138中被转变成机械能，使轴140旋转。如上所述，涡轮机138通过轴140与发电机142旋转连接，且STG 142以基本类似的旋转速度和涡轮机138一起旋转。当发电机142不与电网164同步时，发电机142产生电压和电流，其频率正比于轴140的旋转速度。发电机142的电能输出经互连线146输送给电网164，当发电机142与电网164同步时，其频率基本类似于电网164的频率。发电机142可通过激励系统(图1未示出)来控制。众多传感器144中可包括至少一个电流变换器(图1未示出)，一个电压变换器(图1未示出)，和一个频率变换器(图1未示出)。传感器144的输出传给控制器162。

另一方面，可以使用包括各种结构的蒸汽涡轮机机组。例如，蒸汽涡轮机机组可包括高压力段，中压力段，和低压力段。另外，在另一些实施例中，蒸汽涡轮机机组和燃烧涡轮机机组连接在单个轴上，以旋转驱动单个发电机。

涡轮机138的蒸汽由RHSG 124产生。也可以用独立点火的锅炉设备替代HRSG 124。在该实施例中，HRSG 124通过管道122从涡轮机112接收废气。通常燃烧涡轮机的废气包含可用的热能，其温度范围约在538℃至649℃(1000至1200)，这些热能不转化为涡轮机112的机械能来使轴114旋转。废气从较高温度的蒸汽产生元件(在此实施例中用过热炉管群132表示)，经过HRSG 124首先流到较低温度管群128，然后流到管群126。燃气一般经过环境控制系统(图1未示出)进入管道158，然后进入冷却塔160，由此进入周围环境。一般当蒸汽排向周围环境时，其中留下的可用热能已非常少。

水被烧开后在HRSG 124内产生蒸汽。局部冷却后的水被储存在凝汽器150内。在该实施例中，凝汽器150包括主凝汽器，它通过管道148从涡轮机138接收蒸汽。凝汽器150还包含一个空腔(图1未示出)，用于储存水和管群151。在该实施例中，管群151包括许多管道，它们引导从水源(图1未示出，可包括冷却塔，湖泊或河流)来的冷却水。从涡轮机138排出的蒸汽流过管群151的外表面，其中热能从蒸汽经管群壁传给冷却水。从蒸汽中取走热能引起流体的状态变为液体形式。液体收集在凝汽器150内，从那儿通过吸收集气管152进入泵154。在此实施例中，泵154是供水泵。泵154也可以是冷凝增压泵，冷凝泵和供水泵系列。另外，系统100内还可包括至少一个供水加热器，它在供水进入HRSG 124之前将水预热。供水进入第一管群126，且热能从流过管群126表面的燃烧蒸汽传给管126内的供水。被加热的供水进入管群128，在那儿热能按与管126基本类似的方式传给供水，只不过蒸汽在管128周围的温度较高。到现在供水是水和蒸汽的组合，它从管128被送至蒸汽鼓130。在本实施例中，蒸汽鼓130包括许多蒸汽/水分离装置(图1未示出)，用来从蒸汽和水流蒸汽中排除水并让水返回鼓130。绝大部分水已被排除的蒸汽进而进入过热炉管群132，其中从涡轮机112来的废蒸汽处在其最高温度，并按与管126和128类似的方式将热能传给管132内的蒸汽。过热蒸汽从HRSG 124出来后立即进入蒸汽集气管134。

CTG 116产生的电流经互连线119送至输电线166。同样，电流经互连线146从STG 142送至输电线166。输电线166将电能164和系统100连接。其它发电设备170产生电能并将电能输至电网164供用户168使用。

控制器162包括处理器(图1未示出)，存储器(图1未示出)，一些输入通道(图1未示出)，一些输出通道(图1未示出)，可能还包括计算机(图1未示出)。这里所说的计算机，不只限于计算机技术中那些集成电路，而是指广义上的处理器，微控制器，可编程逻辑控制器，专用集成电路，和其它可编程电路，而且这些术语在这里可以互换使用。在本实施例中，存储器可包括，但不限于，计算机可读媒体，如随机存取存储器。另外，还可使用软盘，小型盘-只读存储器(CD-ROM)，磁-光盘(MOD)，和/或通用数字盘(DVD)。还有，在本实施例中，输入通道可代表，但不限于，与操作界面相关的外围设备，如鼠标和键盘。还可使用其它计算机外围设备，如扫描仪。此外，在本实施例中，输出通道可包括，但不限于，操作员接口监视器。

控制器162从许多传感器(包括传感器120和144)接收输入，对输入加以处理，响应编程计算和具体情况产生适当的输出，并将信号传送给适当的系统100的元件，使那些元件产生偏移。例如，当电网164上的频率不稳为小的下降(如低0.5Hz左右或更少)时，控制器162接收从传感器120传来的频率输入。然后控制器162使进气导向叶片102和燃料阀110开大。在整个瞬态过程中进气导向叶片102都在调整，使得压缩机可能的波动状态维持预定的限度。燃烧室106内的燃烧增加并引起燃气蒸汽质量流率和燃气蒸汽温度类似的增加。燃气蒸汽的变化保持在预定温度和温度梯度参数范围内，以减少涡轮机112元件内可能存在的应力。涡轮机112加速并通过轴114在发电机116内引起旋转加速，从而使电网164的频率朝着名义系统频率值(例如，在欧洲为50Hz，在北美为60Hz)局部增高。类似地，当探测到电网频率增加0.5Hz或更少时，控制器162从传感器120接收频率输入，并使空气导向叶片102和燃料阀110关小，从而降低燃烧室106产生的燃气蒸汽的质量流率和温度。以后由涡轮机112引发的装置114减速也使CTG 116减速，并使电网164的频率朝着名义频率值减小。

对STG 142可以观察到类似的过程。传感器144探测到电网164频率下降并将相关信号传至控制器162。控制器162使蒸汽阀门136开大。阀门136打开的速度应使它上游和下游的蒸汽集气管134的压力保持在预定参数范围以内。另外，应适当控制HRSG 124，使以后蒸汽温度的任何变化维持在预定温度和温度梯度参数范围之内，以减小涡轮机138元件中可能的应力。

图2是联合循环发电系统100(如图1所示)对电网164频率过低状态的响应图200。响应图200包括纵坐标202(Y轴)，其增量为2％，此图代表CTG 116和STG 142的大致电能输出与时间的函数关系。纵坐标202在图200的原点取值88％，最大限度为100％，相当于CTG 116和STG 142的MCR。图200还包括横坐标(X轴)204，代表以分钟为单位的时间，增量为1分钟。时间＝0表示电网164上频率过低瞬态的开始。时间＝7表示瞬态和系统100的响应基本终结。曲线206表示CTG 116可能的输出响应与时间的关系。作为比较，曲线208表示不用本发明的方法时STG 142可能的输出响应与时间的关系。曲线210表示使用本发明的方法时STG 142可能的输出响应与时间的关系。

图3是应对联合循环发电系统100(如图1所示)的电网频率不稳状态的一例方法300的流程图。方法300包括使STG 142和CTG 116运行在基本稳态的状况302，此时STG 142运行在MCR，CTG 116运行在低于MCR的局部负荷。阀门136被打开得足够大，使STG 142能工作在MCR，叶片102和阀门110处在节流位置，使得系统100可以看成工作在电能产生的频率敏感模式。系统100也可以工作在按计划进行的调度模式，此时电能调度当局支配系统100和其它设备170的电能输出。

为了有助于STG 142和CTG 116运行在基本稳态状况302，阀门136，传感器144和控制器162相配合，使系统100工作在频率敏感模式。阀门136的结构和位置及与控制器162的配合，应使阀门136开得足够大，以便让STG 142工作在MCR。一些阀门136位于全开和全关位置之间，加上HRSG 124对每一位置的相应反压力，有助于产生特定的蒸汽质量流率。HRSG 120的反压力有助于保持存储器具有基本上可直接使用的功率，并保持存储器具有基本上可直接使用的容量，以储存可用的热能，这将在下面说明。响应增加或减少功率的要求，控制器162传递信号使阀门136适当移动以产生功率，同时保持适当的反压力。控制器162依据现有功率要求，现有蒸汽流速，现有电网频率和现有HRSG反压力来移动阀门136。阀门136，控制器162和传感器144的协同动作将在下面进一步说明。应指出，上述协同动作可让系统100工作在有助于产生较高效率的输出水平。

系统100通过传感器120和144探测电网164上的频率不稳状态304。这相当于图2中时间＝0分钟。所示的频率过低状态可能是由于一个或几个发电机组170跳闸，或者是用户要求大量增加用电量，使得电网频率比标准频率下降0.5Hz以上。频率过高状态可能是由于用户大幅度减少用电量造成的。控制器162认为这种不稳是要求系统100迅速改变发电量。

控制器162响应储存在HRSG 124内的蒸汽总量和能量确定HRSG 124当前的热能容量(306)。当频率不稳比较小时，HRSG 124的热能容量能释放或储存足够的能量，以补偿使电网频率返回到标准频率所需的能量。当频率不稳比较大时，HRSG 124的热能容量可能不能释放或储存足够的能量，以补偿使电网频率返回到标准频率所需的能量。利用热能存储器当前的热能容量和阀门136预定的变化率，控制器162还可确定可用的频率复原率(308)。如果所确定的可用频率复原率大于电网频率偏离和预定的复原周期，控制器162将信号传至蒸汽控制阀门136，在热能存储器和蒸汽涡轮机之间引起热能转移，这有助于仅用蒸汽涡轮机控制阀门136在预定的时间内使电网频率返回到标准频率。

如果所确定的可用频率复原率小于电网频率偏离和预定的复原周期，控制器162传送信号至蒸汽控制阀门136，进气导向叶片102和燃料阀110，使STG 142和CTG 116的功率水平几乎同时快速变化，以利于在预定时间周期内得到基本均匀的预定电网频率复原率。

响应图200的曲线208表示不采用本发明时STG 142对上述频率过低不稳的可能反应，以资比较。在这种情况下，阀门136快速开至基本完全打开的位置。到涡轮机138的蒸汽流快速增加，STG 142的电能输出随之增加到基本类似于MCR为100％的值。电能输出在基本类似于100％MCR值时保持稳定，但是，在不到1分钟后，随着热能储备的消耗而使HRSG 124内阀门136上游蒸汽反压力的减小，功率输出下降。响应图200的曲线206表示CTG 116的响应。控制器162开始让叶片102和阀门110朝着基本完全打开的位置移动。在此实施例中，进气导向叶片102在整个瞬态过程中被调节，以使可能的压缩机波动状况维持在预定限度。在HRSG 124内使用热能储备，有利于叶片120的调节和以后增加可能的波动状况限度。也可以把主动压缩机波动管理方法包括在控制计划内。阀门110反应较快，因此压缩机104的空气流开始增加时，富含燃料的混合物峰值点燃涡轮机112。应该指出，由于与阀门110打开相关的时间有一定长度(为了安全和控制目的)，以及上面所述压缩机104的速度随CTG 116频率下降成比例地减小，CTG 116的响应略比STG 124慢一些。这些与CTG 116相关的情况，与储存在HRSR 124热存储器内的基本可直接利用的额外蒸汽流容量类似。

如响应图200的曲线206所示，CTG 116维持在大约96％至98％MCR的稳定输出。相关的坪(plateau)表示CTG 116的初始响应限制在100％MCR以下，因为峰值点火使燃烧蒸汽温度和燃烧蒸汽温度梯度增加，故必须控制在预定的参数范围内，以减轻在可能与燃气蒸汽接触的涡轮机112元件中引起热应力的可能性，并维持燃料与空气的比在适当的指数以内。由于叶片102打开和CTG 116加速造成空气流增加，通过涡轮机112的质量流率增加，同时燃料阀110再次趋于进一步打开，以让更多燃料通过。因而，CTG 116的输出稳定地增加，直至基本得到100％MCR。应指出，从系统100探测到频率过低状态到功率输出开始稳定增加需要2分钟左右，而基本达到100％MCR要6至7分钟。

随着燃烧燃气的温度和质量流率被引入HRSG 124，及相关的HRSG124内从燃气至水/蒸汽通路热能传递的增加，STG 142功率输出的减少开始缓和，且曲线208在瞬态开始约3分钟以后跟随曲线206。在瞬态开始约7分钟后STG 142基本达到100％MCR。

在一个实施例中，在蒸汽涡轮机138入口的温度设定点被临时设定在临时的温度变化限度，它的选择应使在预定的时间周期内容易得到预定的电网频率复原率。在另一个实施例中，HRSG 124的温度设定点被临时设定在临时的温度变化限度，它的选择应使在预定的时间周期内容易得到预定的电网频率复原率。通过在蒸汽源124内储存更多热能，或从蒸汽源124释放更多能量，有助于达到预定的电网频率复原率。

按本发明一个实施例，控制器162确定当前的蒸汽源124热能容量306，并确定利用阀门136缓解频率不稳的响应时间308。如果所确定的响应时间在预定限度以内，则控制器162通过阀门136利用储存在蒸汽源124内的能量矫正频率不稳312。若所确定的响应时间不在预定限度以内，或蒸汽源124当前的热能容量不足以矫正频率不稳，则控制器162基本同时通过增加CTG 116的功率输出水平，及通过阀门136利用储存在蒸汽源124内的能量，来矫正频率不稳314。只利用STG 142来矫正在蒸汽源124所储存能量容量以内的频率不稳，有助于减小CTG 116的温度和应力不稳状况。当控制器162断定，频率不稳的幅度和/或储存在蒸汽源124内的能量使STG 142不可能矫正频率不稳时，控制器162确定有助于矫正频率不稳的STG 142和CTG 116的相对贡献，并迅速使阀门136和阀门110及IGV 102倾斜至估计的位置，以在预定的时间内矫正频率不稳。

这里所述的电网频率控制子系统的方法和设备，有助于对联合循环发电系统的控制。更具体地说，上述联合循环电网频率控制子系统的设计，安装和控制，通过利用热能储存能力在所连接电网上频率过低不稳期间协助维持电网的标准化频率，有助于对联合循环发电系统的控制。此外，在所连接电网上的频率过高也可以利用电网频率控制子系统来缓解。这样就有助于维持稳定的电网频率，并减少或消除不断的维护费用和联合循环发电系统的停机。

虽然这里描述和/或展示的方法和设备是针对联合循环发电系统，更具体说是电网频率控制子系统，但本方法的实践不限于电网频率控制子系统，一般而言也不限于联合循环发电系统，而可以应用于任何系统的设计，安装和控制。

上面对与联合循环发电系统连接的电网频率控制子系统的实施例作了详细说明。这些方法，设备和系统不限于这里所述的具体实施例，也不限于具体电网频率控制子系统的设计，安装和控制，这些设计，安装和控制电网频率控制子系统的方法，可以和这里所述的其它方法，设备和系统分开单独使用，或者用于这里没有提到的其它元件的设计，安装和控制。也就是说，其它元件也可以利用这里所说的方法来设计、安装和控制。

这里用到实时控制器，所谓实时是指在影响输出的输入变化后很短时间  产生的输出。这个时间是常规重复任务每次重复之间的时间总量。这类重复任务被称为周期性任务。此时间周期是实时系统的设计参数，它可响应输出和/或系统实施输入处理以产生输出的能力来选择。

这里所用的控制器一词，包括任何以处理器或微处理器为基础的系统，如计算机系统，后者包括微控制器，简化指令设置电路(RISC)，专用集成电路(ASIC)，逻辑电路，和任何能执行这里所说各项功能的其它电路或处理器。上面给出的例子仅仅是举例而已，完全没有限制控制器一词的定义和/或意义的意思。

各种实施例或其组成部分可作为计算机系统的一部分提供。计算机系统可包括计算机，输入装置，显示部件，和到互联网的接口等。还可以包括连接到通信母线的微处理器。计算机可包括存储器，包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)，以及储存装置，后者可以是硬盘驱动器或活动储存装置(如软驱)，光盘驱动器，等等。储存装置还可以是将计算机程序或其它指令装入计算机系统的其它类似装置。

计算机系统执行一组储存在一个和几个存储元件内的指令以处理输入数据。存储元件还可以按需要和要求储存数据或其它信息，而且可以是处理机内信息源或实际存储元件的形式。指令组可包括各种命令，告诉计算机系统执行各种具体操作，如本发明各实施例的各种处理。指令组还可以是软件程序的形式。软件可以是各种形式，如系统软件或应用软件。另外，软件可以是许多分离程序的集合，较大程序中的程序模块，或程序模块的一部分。软件还可包括以目标定向程序形式的模块程序。处理机可响应用户命令，以前处理的结果，或另一台处理机的要求，处理输入数据。

这里使用的术语“软件”和“硬件”可以互换，且包括计算机将要执行的储存在存储器内的任何计算机程序，存储器包括RAM存储器，ROM存储器，EPROM存储器，和永久性RAM(NV RAM)存储器。上述这些存储器的类型仅仅是举例，而不是限制用来储存计算机程序的存储器的类型。

上述预示控制方法的模式的性价比和可靠性都很高。这种方法可以让机器的负荷轮廓很快达到保持点(即可能的最高点)，然后是可控制的下降和及早达到满负荷。因而，这种预示控制方法的模式有助于让机器按性价比和可靠性都很高的方式运行。

虽然本发明是就各种具体实施例加以说明的，但本专业技术人员清楚，可以在下面权利要求书的精神和范围内对本发明进行修改。

零部件清单

100联合循环发电系统

102进气导向叶片

104压缩机

106燃烧器

108设备

110燃料阀

112燃烧涡轮机

114轴

116燃烧涡轮机发电机(CTG)

118发电机输出连接

119互连线

120传感器

122燃气管道

124热量回收蒸汽发生器(HRSG)或蒸汽表面

126第一管群

128管道

130蒸汽鼓

132过热炉管群

134蒸汽集气管

136蒸汽涡轮机控制阀门

138蒸汽涡轮机

140轴

142蒸汽涡轮机发电机(STG)

144传感器

146发电机输出连接

148管道

150凝汽器

151管群

152集气管

154泵

156集气管

158管道

160冷却塔

162控制器

164电网

166输电线

168用户

170发电设备

200响应图

202纵坐标

204X-轴

206曲线

208曲线

210曲线

300方法

302使与电网连接的联合循环发电厂的蒸汽涡轮机发电机和燃烧涡轮机发电机工作在稳态运行状态

304探测瞬态来自电网标准频率的电网频率

306根据响应储存在蒸汽源内的蒸汽量和含能量，确定蒸汽涡轮机蒸汽源当前的热能容量

308利用蒸汽源当前的热能容量和阀门预定变化率，确定可用的频率复原率

310只用储存在蒸汽源和蒸汽涡轮机发电机内的能量，确定蒸汽源是否包含足够的能量来完成频率矫正

312打开STG控制阀门使频率返回电网标准频率

314完全打开STG控制阀门，基本同时打开CTG IGV和燃料阀一定的量，使频率返回电网标准频率

316使STG控制阀门和CTG IGV及燃料阀返回到稳态控制。

Claims (10)

1.一种用于联合循环发电系统(100)的电网频率控制子系统，该控制子系统包括：

蒸汽涡轮机(138)，它包含蒸汽流控制阀门(136)；

蒸汽源(124)，它通过上述控制阀门与上述蒸汽涡轮机按流体连通连接；此蒸汽源包含热能存储器；

燃烧涡轮机(112)，它包含进气导向叶片(102)；

与上述蒸汽涡轮机和燃烧涡轮机中至少一个连接的发电机，该发电机与电网(164)电气相联，发电机和电网的频率同步在电网的工作频率上；

控制器(162)，用来同时调节所述蒸汽流控制阀门和进气导向叶片，以利于在预定时间感应预定电网频率复原率，其中该预定电网频率复原率是均匀的。

2.如权利要求1的电网频率控制子系统，响应电网频率过低状态打开所述蒸汽控制阀门(136)，并响应电网频率过高状态关闭该蒸汽控制阀门。

3.如权利要求1的电网频率控制子系统，其中控制器(162)用来确定热能存储器当前的热能容量。

4.如权利要求1的电网频率控制子系统，其中控制器(162)用来确定可用的频率复原率，所依据的是热能存储器当前的热能容量和所述控制阀门(136)的预定变化率。

5.如权利要求1的电网频率控制子系统，其中控制器(162)响应电网频率过低率状态打开导向叶片(102)，并响应电网频率过高率状态关闭该导向叶片。

6.一种联合循环发电系统(100)，包括：

蒸汽涡轮机(138)，它包含蒸汽流控制阀门(136)，此蒸汽涡轮机与至少一个发电机连接；

蒸汽源(124)，它包含一个热能存储器，此蒸汽源通过上述蒸汽流控制阀门与蒸汽涡轮机流体连通；

燃烧涡轮机(112)，它与所述至少一个发电机连接，此燃烧涡轮机包含一个进气导向叶片(102)；及

控制器(162)，它与上述蒸汽流控制阀门、蒸汽源、和进气导向叶片通信连接，该控制器用来：

确定热能存储器当前的热能容量；

利用热能存储器当前的热能容量和蒸汽涡轮机控制阀门的预定变化率，确定可用的频率复原率；

当电网频率过低状态超过可用的热能存储器频率复原率时，同时打开蒸汽流控制阀门和进气导向叶片；

当电网频率过高状态超过可用的热能存储器频率复原率时，同时关闭蒸汽流控制阀门和进气导向叶片。

7.按权利要求6的联合循环发电系统(100)，其中蒸汽源(124)包括热量回收蒸汽发生器(124)。

8.按权利要求6的联合循环发电系统(100)，其中蒸汽涡轮机(138)、燃烧涡轮机(112)和发电机(116)旋转连接在公共旋转轴(114)上，使得控制阀门(136)、空气进气导向叶片(102)和控制器(162)协同动作，将控制阀门和进气导向叶片移向打开位置，以在电网频率过低状态下使公共旋转轴加速，或移向关闭位置，以在电网频率过高状态下使公共旋转轴减速。

9.按权利要求6的联合循环发电系统(100)，其中至少一个发电机包括第一发电机，此第一发电机与蒸汽涡轮机(138)旋转连接，使得蒸汽涡轮机控制阀门(136)有助于此第一发电机的加速和减速。

10.按权利要求6的联合循环发电系统(100)，其中至少一个发电机还包括第二发电机，此第二发电机与燃烧涡轮机(112)旋转连接，使得燃烧涡轮机空气进气导向叶片(102)有助于此第二发电机的加速和减速。

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