CN101268252B

CN101268252B - 确定发电设备的当前最大功率的方法以及调节装置

Info

Publication number: CN101268252B
Application number: CN2006800340562A
Authority: CN
Inventors: 索尔斯滕·恩格勒; 埃米尔·布鲁奇
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: EP1926889A2; WO2007031535A3; EP1764486A1; WO2007031535A2; CN101268252A

Abstract

本发明涉及一种用于确定发电设备、尤其是燃气轮机装置或燃气和蒸汽轮机装置的当前最大功率(P_max)的方法，包括以下步骤：采集至少一个影响最大功率(P_max)的测量参数(x_i)；从获得的至少一个测量参数(x_i)中确定换算参数(f(x_i))，该换算参数代表当前最大功率(P_max)相对于参考功率(P_ref)的变化；借助换算参数(f(x_i))将参考功率(P_ref)换算为当前的最大功率(P_max)。

Description

确定发电设备的当前最大功率的方法以及调节装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定发电设备、尤其是燃气轮机装置或燃气和蒸汽轮机装置的当前最大功率的方法。此外本发明还涉及一种用于调节发电设备、尤其是燃气轮机装置或燃气和蒸汽轮机装置的调节装置。

背景技术

在电网中由电网运营商保证负载、即要求的功率和提供的功率之间的平衡。负载和提供的功率之间的区别导致电网频率的变化，这对电网运行产生负面影响并且在最坏的情况下可能导致电网的完全崩溃。

为了能在负载和提供的功率之间出现突然的不平衡时进行快速反应，电网运营商在发电商那里购进备用功率，即所谓的调节备用(Regelreserve)。参与调节备用的发电站必须能够在特定的时间段内提供预定的功率。例如参与所谓的分钟级备用的发电站必须能够在几分钟后(在德国是15分钟内)交付一定的功率。其它备用运行类型要求在几秒钟内交付功率。

尤其是在若干秒内就必须可以调用的调节备用对电网的频率支持运行来说非常重要。在电网频率偏离额定频率时参与频率支持运行的发电站必须能够在出现频率扰动的情况下迅速提供所协商的备用功率，如最大功率的5％。为此电站运营商必须随时知道发电站的当前可能的最大功率是多大，并基于该最大功率在考虑备用功率的情况下调节发电设备的功率额定值。最大功率首先取决于压缩机进入条件、尤其是取决于进入压缩机中的环境空气的温度、湿度和压力，并且取决于压缩机的污染程度以及取决于电网频率。由此发电站的当前运行方式的功率额定值由最大功率减去经协商的调节备用而获得。

目前最大功率由发电站操作人员来估计，而功率额定值由人工输入。在边界条件改变时，例如压缩机进入条件或压缩机的污染程度改变时，必须手动再调节功率额定值。再调节的频度在此既取决于压缩机进入条件的稳定性，也取决于所期望的要保持的调节备用的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种确定发电设备的当前最大功率的、适用于自动化的方法。本发明要解决的另一个技术问题是提供一种基于代表功率额定值的引导参数来调节发电设备的调节装置。最后本发明要解决的技术问题是提供一种改善的发电设备。

第一个技术问题通过权利要求1的方法解决，第二个技术问题通过根据权利要求12的调节装置解决。第三个技术问题通过根据权利要求15的发电设备、尤其是燃气轮机或燃气和蒸汽轮机来解决。从属权利要求包含本发明的优选实施方式。

本发明的用于确定发电设备当前最大功率的方法包括以下步骤：

-采集至少一个影响最大功率的测量参数。在燃气轮机装置或燃气和蒸汽轮机装置的情况下测量参数可以是以下参数中的至少一个：燃气轮机的压缩机进入温度、燃气轮机的压缩机进入压力、燃气轮机的压缩机进入湿度、电网频率或自压缩机的上次清洁(压缩机洗涤)以来的运行小时。

-从采集的至少一个测量参数中确定换算参数，该换算参数代表当前最大功率相对于参考功率的变化。换算参数的确定在此例如借助发电站模型或借助至少一个事先确定的换算曲线来实现，在该换算曲线中根据测量参数给出换算参数。

-借助换算参数将参考功率、尤其是可以表示参考最大功率的参考功率换算为当前的最大功率。

按照本发明的方法可以由发电站操作者来估计最大功率，并使得可以基于代表功率额定值的引导参数来调节发电设备。由此功率额定值由借助本发明的方法确定的当前最大功率值减去所要求的调节备用以及必要时再减去安全备用而获得。

因此本发明的方法使得可以在边界条件改变时自动再调整功率额定值。经协商的调节备用从而可以自动而精确地得以保持。此外还可以保证，发电站在维持该调节备用的情况下以最大功率和最大效率运行。

借助优选定期进行的校准，可以重新确定参考功率，由此尤其是可以在确定当前最大功率的同时考虑压缩机的污染程度。为了校准参考功率可以例如在基本负载的状态时测量当前的燃气轮机功率以及至少一个测量参数的当前值，并由它们在发电站模型或至少一个换算曲线的基础上重新确定参考功率。由于压缩机进入条件也作为测量参数一起输入校准器，并且校准结果取决于空气进入过滤器的污染状态，因此要在参考功率中考虑过滤器污染。

用于确定当前最大功率的换算参数尤其可以是换算系数，该换算系数与参考功率相乘。

在调节方法中应用本发明的方法时，其中当边界条件改变时自动再调整功率额定值，连续或重复地测量测量参数，并且连续或重复地确定当前的最大功率。

如上所述，本发明的方法尤其是可用于从发电设备的当前最大功率中确定发电设备、尤其是涡轮机的当前功率额定值。该当前功率额定值由此基于用本发明方法获得的当前最大功率来确定。该过程尤其是可以连续或重复地进行。

本发明的基于代表功率额定值的引导参数来调节发电设备、尤其是燃气轮机装置或燃气和蒸汽轮机装置的调节装置包括：

-至少一个用于采集影响发电设备的最大功率的测量参数并用于输出代表该测量参数的传感器参数之一的测量参数传感器。该测量参数传感器尤其是可用于测量以下参数之一：压缩机进入温度、压缩机进入压力、压缩机进入湿度、电网频率。

-存储了参考功率的存储器。

-与至少一个测量参数传感器连接以接收传感器参数并与存储器连接以接收参考功率的换算单元。该换算单元包括发电站模型或至少一个换算曲线，并且将参考功率换算为当前最大功率以及输出代表该最大功率的最大功率参数。

-此外本发明的调节装置还包括功率额定值计算单元，其为了接收最大功率参数而与换算单元连接，基于最大功率参数和至少一个预定的调节备用参数计算功率额定值，并且输出功率额定值参数作为引导参数。

利用本发明的调节装置可以从现有的测量参数中计算出功率额定值，并且在边界条件改变时自动再调整功率额定值。

功率额定值计算单元尤其是可以用于基于最大功率参数、预定的调节备用参数和预定的安全参数来计算功率额定值。安全参数在此可以用于确保调节备用得到可靠地保持。如果例如以一定的时间间隔校准参考最大功率，则该安全参数大约可以用于收集在两次校准之间发生的、参考最大功率的移位。

为了执行校准，所述调节装置例如可以包括功率传感器，该功率传感器用于获得发电设备的当前功率并输出代表该当前功率的功率参数。此外在该实施方式中存在更新单元，其与功率传感器连接以接收功率参数，与至少一个测量参数传感器连接以接收传感器参数以及与存储器连接以输出参考功率。更新单元用于从接收的功率参数和接收的至少一个传感器参数中获得参考功率。

本发明的尤其是实施为燃气轮机或燃气和蒸汽轮机的发电设备配备了按照本发明的调节装置。在这种发电设备中可以自动在边界条件改变时再调整功率额定值。

附图说明

从下面参照附图对实施例的描述中给出本发明的其他特征、特性和优点。

图1以极度简化的示意图示出燃气和蒸汽轮机机发电设备的原理结构。

图2以框图示出本发明的调节装置。

图3以示意图示出用于图1所示燃气和蒸汽轮机装置的燃气轮机部件的调节电路。

具体实施方式

下面借助对燃气和蒸汽轮机装置的最大功率的确定来示例性描述本发明。但是本发明不限于用于燃气和蒸汽轮机装置。尤其是还可以用于没有后置的蒸汽轮机的燃气轮机装置。

在图1中示意性示出的燃气和蒸汽轮机装置1包括燃气轮机装置1a以及蒸汽轮机装置1b。燃气轮机1a具有燃气轮机2、压缩机4以及至少一个连接在压缩机4和燃气轮机2之间的燃烧室6。借助压缩机4抽吸新鲜空气L，压缩并通过新鲜空气导管8输入燃烧室6的一个或多个燃烧器。所引入的空气与通过燃料导管10引入的液态或气态燃料B混合，接着点燃该混合物。在此过程中形成的燃烧废气形成燃气轮机装置1a的工作介质AM，该工作介质输入燃气轮机2，在此在膨胀的条件下进行工作并驱动与燃气轮机2相连的轴14。该轴除了与燃气轮机2连接之外还与压缩机4和发电机12连接，以驱动压缩机和发电机。根据燃气轮机装置1a的不同实施方式可以在压缩机4和发电机12之间再连接一个负载联动装置。膨胀的工作介质AM’通过排气管道15输出到蒸汽轮机装置1b的余热蒸汽产生器30中。

除了余热蒸汽产生器30之外，蒸汽轮机装置1b还包括蒸汽轮机32、冷凝器34以及供水泵36。余热蒸汽产生器30通过蒸汽导管31与蒸汽轮机32连接。该蒸汽轮机32又通过蒸汽导管33与冷凝器34连接。最后冷凝导管35将冷凝器34与余热蒸汽产生器30连接。蒸汽产生器30、蒸汽轮机32、冷凝器34、蒸汽导管31、33以及冷凝导管35一起形成蒸汽轮机装置的水-蒸汽循环。冷凝物或蒸汽的循环通过冷凝泵36实现。在此要注意图1所示的连接图所包含的尤其是蒸汽轮机装置的极其简化的图示。在真实蒸汽轮机装置中水-蒸汽循环通常都更为复杂地形成。从而余热蒸汽产生器30通常包括多个蒸发器、中间加热器、预热器等等，利用它们可以进一步加热蒸汽或者预热冷凝物。同样蒸汽轮机32可以具有多个为不同的蒸汽压力和蒸汽温度设计的涡轮级。这些涡轮级通常串联连接并提高蒸汽轮机装置的效率。

用于调节燃气和蒸汽轮机装置1的燃气轮机装置1a的功率的调节电路在图2中作为框图示意性示出。该调节电路在所示例子中用于影响输入燃烧室6的空气质量流和/或影响输入燃烧室6的燃料质量流。因此空气输入管道和燃料输入管道构成调节电路50的调节路径56。为了影响调节路径56设置一个调节元件54，其为燃料输入阀门以及第一压缩机导向叶片组的导向叶片输出调节信号。除了燃料质量流和空气质量流之外，影响调节路径56的干扰参数z也导致燃气轮机功率的变化。借助功率传感器58测量燃气轮机的当前功率P并以功率参数的形式输出。该功率参数在减法器60中与功率额定值W相减，并将该差值传递给调节器52。该调节器52确定输出给调节元件54的调节信号REG，而且该调节元件可以借助调节参数U影响调节路径56，使得当前的功率值与功率额定值W相当。

功率额定值W应当考虑调节备用，即功率额定值必须小于燃气轮机的可能的最大功率。从当前的可能最大功率中根据公式1确定：

P_soll＝P_max×(1-(R+S)/100％) 公式1

在此R表示所要求的调节备用(百分比)，S表示安全性(也是以百分比)，该安全性用于以最大可能的安全性保持所要求的调节备用。除了所要求的调节备用R和安全性S之外，在该公式中还有当前可能的最大功率P_max。但是该最大功率不是恒定参数，而是取决于边界条件。这种边界条件x_i尤其是压缩机进入条件如进入压缩机4中的空气L的温度、湿度和压力。此外可达到的最大功率受到压缩机4的污染程度、空气抽吸过滤器的污染程度、发电机部件的老化、电网频率等等的影响。

根据上述内容知道当前可能的最大功率P_max是必要的，如果要确定功率额定值P_soll的话。

下面借助图3所示的结构框图解释功率额定值P_soll的确定。该结构框图示出用于确定功率额定值的装置，其在图2中是调节电路50。

装置70包括多个用块72表示的测量参数传感器。测量参数传感器例如可以是确定环境空气的压缩机进入温度、压缩机进入湿度、压缩机进入压力、电网频率等等的传感器。此外作为其它的传感器装置70还包括功率传感器73，利用该功率传感器可以获得当前的燃气轮机功率。装置70还包括计算单元74，其包括燃气轮机模型并输出换算系数f(x_i)，存储了参考功率P_ref的存储器75，以及与存储器75连接以接收参考功率P_ref并与计算单元74连接以接收换算系数f(x_i)的乘法单元76。乘法单元76用于通过参考功率P_ref与换算系数f(x_i)的相乘来计算最大功率，并输出最大功率P_max的值。此外装置70包括功率额定值计算单元78以及两个存储器或存储空间80、82，其中存储调节备用的值R以及安全性的值S。此外装置70可以包括偏移存储器84，其中存储由测量参数传感器72测量的测量参数x_i的偏移值。该偏移可以在向计算单元74输入所确定的测量参数x_i之前与该测量参数相加。此外装置70包括与计算单元74连接以接收换算系数f(x_i)并与存储器75连接以输出参考功率P_ref的参考功率计算单元86，以及与存储器75连接的、用于触发存储器75中的存储过程的触发单元88。

用图3所示的装置70来确定功率额定值P_soll，其中由测量参数传感器72采集的测量参数x_i传递给计算单元74，该计算单元包含燃气轮机的模型并借助获得的测量参数计算换算系数f(x_i)。可选地，可以在向计算单元74输入测量参数x_i之前将该测量参数与偏移相加。换算系数传递给乘法单元76，在此换算系数与从存储器75提取的参考功率P_ref相乘。参考功率P_ref和换算系数f(x_i)的乘积提供了燃气轮机的可能最大功率P_max。计算单元74和乘法单元76一起形成换算单元，该换算单元基于测量值x_i将参考功率P_ref换算成当前最大功率P_max。在功率额定值计算单元78中根据公式1从最大功率P_max、所要求的调节备用R和安全性S中计算出功率额定值P_soll，并作为引导参数传递给图2所示的调节电路50。

此外所述压缩机进入条件可以包括其它影响燃气轮机的最大功率的测量参数，例如电网频率或自上次压缩机清洗以来的运行小时(x_ΔOH，OH：运行小时)，并在换算系数f(x_i)中考虑。

此外以定期的时间间隔借助图3所示的装置70来执行校准。

在该校准的范围内计算新的参考功率P_ref并存储在存储器75中。该校准例如在燃气轮机的基本负载状态下可行。在此借助功率传感器73采集当前的燃气轮机功率，并传递给参考功率计算单元86。该计算单元此外还从计算单元74接收当前的换算系数f(x_i)。然后由所测量的功率的商(下面称为P_kal)和基于同时测量的测量参数x_i确定的换算系数(下面称为f_kal(x_i))来确定参考功率P_ref。然后将这样确定的新参考功率P_ref存储在存储器75中作为新的、即校准后的参考功率，并随后作为参考功率P_ref提供给换算单元76。

校准在设备启动时进行并在此之后以定期的时间间隔进行。为了触发对新参考功率的存储而采用触发单元88。计算单元74、参考功率计算单元86和触发单元88一起形成用于更新或校准参考功率P_ref的更新单元。

在所述实施例中，在计算单元74中采用发电站的模型。可替换的还可以使用换算曲线，其代表针对所获得的每个测量参数x_i的一个关系f_i。换算系数f(x_i)由此由各个系数f_i的乘积给出。如果例如已有对于压缩机进入温度的系数(系数f_TV)、压缩机进入压力的系数(f_PV)、压缩机进入温度的系数(f_V)和电网频率的系数(f_N)，则换算系数等于：

f(x_i)＝f_TV(x_TV)×f_PV(x_PV)×f_V(x_V)×f_N(x_N)×f_ΔOH(x_ΔOH)。

定期校准参考功率P_ref使得可以考虑压缩机的变化的污染状态。例如在压缩机导向叶片的不变设置时增大的污染会导致进入燃烧室的空气流减少。由于可能的最大功率在给定涡轮的废气温度时取决于空气流等，因此增加的污染会导致最大涡轮功率的降低。通过该校准可以考虑最大功率的不断减小。在清洗了压缩机之后又提供最大可能的空气质量流。借助新的校准可以将系统又与经过清洗的压缩机匹配。

如果在(更长的)时间段上既不执行校准也不执行压缩机清洗，则给出的最大功率的减小通过系数f_ΔOH考虑。

Claims

1.一种用于确定发电设备的当前最大功率(P_max)的方法，包括以下步骤：

采集至少一个影响最大功率(P_max)的测量参数(x_i)；

从所采集的至少一个测量参数(x_i)中借助发电站模型或者借助至少一个事先确定的换算曲线来确定换算参数(f(x_i))，该换算参数代表当前最大功率(P_max)相对于参考功率(P_ref)的变化；

借助该换算参数(f(x_i))将参考功率(P_ref)换算为当前最大功率(P_max)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考功率(P_ref)至少在一个时刻得到校准。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，为了校准参考功率(P_ref)测量当前的发电设备功率以及至少一个测量参数(x_i)的当前值，并由它们在发电站模型或至少一个换算曲线的基础上确定参考功率(P_ref)。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述换算参数(f(x_i))是取决于测量参数(x_i)的换算系数。

5.根据上述权利要求1至3之一所述的方法，其中，确定发电设备的当前最大功率(P_max)，而且作为测量参数(x_i)测量以下参数中的至少一个：发电设备的压缩机进入温度、发电设备的压缩机进入压力、发电设备的压缩机进入湿度、电网频率或自压缩机的上次清洁以来的运行小时。

6.根据上述权利要求1至3之一所述的方法，其中，连续或重复地测量测量参数(x_i)，并且连续或重复地确定当前的最大功率(P_max)。

7.一种用于从发电设备的当前最大功率(P_max)中确定发电设备的当前功率额定值(P_soll)的方法，其中，该当前最大功率(P_max)根据上述权利要求之一来确定，当前功率额定值(P_soll)由确定的当前最大功率值减去所要求的调节备用而获得。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，连续或重复地从发电设备的当前最大功率(P_max)中确定功率额定值(P_soll)，并且最大功率(P_max)的确定根据权利要求6进行。

9.一种基于代表功率额定值(P_soll)的引导参数(W)来调节发电设备的调节装置(50，70)，包括：

至少一个用于采集影响发电设备的最大功率(P_max)的测量参数(x_i)并用于输出代表该测量参数(x_i)的传感器参数之一的测量参数传感器(72)，

存储了参考功率(P_ref)的存储器(75)，

与至少一个测量参数传感器(72)连接以接收传感器参数并与存储器(75)连接以接收参考功率(P_ref)的换算单元(74，76)，该换算单元包括发电站模型或至少一个换算曲线，并且将参考功率(P_ref)换算为当前最大功率(P_max)以及输出代表该最大功率(P_max)的最大功率参数，

功率额定值计算单元(78)，其为了接收最大功率参数而与换算单元(74，76)连接，基于最大功率参数和至少一个预定的调节备用参数(R)来计算功率额定值(P_soll)，并且输出功率额定值参数作为引导参数(W)。

10.根据权利要求9所述的调节装置(50，70)，其中，所述功率额定值计算单元(78)用于基于最大功率参数、预定的调节备用参数(R)和预定的安全参数(S)来计算功率额定值(P_soll)。

11.根据权利要求9或10所述的调节装置(50，70)，还包括：

功率传感器(73)，该功率传感器用于采集发电设备的当前功率并输出代表该当前功率的功率参数，

更新单元(74，86，88)，其与功率传感器(73)连接以接收功率参数，与至少一个测量参数传感器(72)连接以接收传感器参数以及与存储器(75)连接以输出参考功率(P_ref)，并从接收的功率参数和至少一个接收的传感器参数中确定参考功率(P_ref)。

12.一种发电设备，其配备了按照权利要求9至11中任一项所述的调节装置(50，70)。