CN101463736A - 用于起动联合循环电力系统的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于起动联合循环电力系统的方法和设备。提供了一种联合循环发电系统(10)。该联合循环发电系统(10)包括:联接至第一发电机(16)的燃气轮机(12);联接至第二发电机(18)的蒸汽轮机(14);联接至蒸汽轮机和燃气轮机的余热回收蒸汽发生器(20),该余热回收蒸汽发生器用于向蒸汽轮机供给蒸汽;联接成与余热回收蒸汽发生器处于流动连通的至少一个压力控制器(40,42),该至少一个压力控制器设定为用于旁路压力设定点的第一预定值,并且发生变化,使得该第一预定值以预定的速率提高至第二预定值。

Description

用于起动联合循环电力系统的方法和设备
相关申请的交叉引用
本专利申请要求享有于2007年12月20日提交的美国临时专利申请No.61/015,425的优先权,其通过引用而完整地结合在本文中。
技术领域
本发明的领域大体上涉及联合循环发电系统,更具体地说,涉及有助于快速起动和加载这种系统的方法和设备。
背景技术
本领域中众所周知的是,联合循环发电系统包括一个或多个燃气轮机和余热回收蒸汽发生器(HRSG)以及蒸汽轮机。已知的联合循环系统起动过程需要保持低的燃气轮机负荷,并且对燃气轮机加载速率施加限制,以控制蒸汽温度的升高速率。这种保持和限制在起动作用过程中助长了空气排放,可能增加起动和加载时间,并可能增加在起动和加载过程中的燃料消耗量。
更具体地说,对于已知的联合循环系统,在起动和加载过程中,在燃气轮机达到满负荷之前,该燃气轮机被置于一种抑制(hold)状态,直至HRSG所产生的蒸汽温度基本与蒸汽轮机高压和中间压力粗铸锑(bowl metal)温度相匹配,直至HRSG以预定的速率升温,和/或直至HRSG被加热至其准备进行燃料加热的温度。通过使燃气轮机保持在低负荷,通常燃气轮机以低效率运行,并且具有较高的废气排放。此外,在已知的系统中,通常将蒸汽旁路压力设定点设为底压(floorpressure),即某HRSG制造商参数,或设为现有压力,这两种压力都较高。在蒸汽进入到蒸汽轮机期间,压力设定点通常保持处于恒定值。
目前已经接受了这种传统的起动过程,其至少部分地是因为在过去起动是不频繁的。然而,随着日复一日的电力价格的摆动,这种起动已经变得更加频繁。此外,由于需求和天然气价格的周期性变化,已经越来越倾向于使用联合循环发电设备作为日常峰值负载机组。如上所述,起动次数的增加提高了对更快且以更高效率和更低排放来起动联合循环发电系统的需求。另外,将运转/非运转的转换角色给予调峰机组,并通过调度排序来驱动。因此,更快的起动是优选的。
发明内容
在一个方面,提供了一种用于起动联合循环发电系统的方法。该系统包括燃气轮机和蒸汽轮机。该方法包括:在某加载速率下(更方便的是在高的加载速率下)加载燃气轮机;为用于高压蒸汽的旁路压力设定点设定第一预定值;以及以预定的速率将该第一预定值提高至第二预定值。
在另一方面,提供了一种联合循环发电系统。该系统包括联接到第一发电机上的燃气轮机、联接到第二发电机上的蒸汽轮机、以及联接在该蒸汽轮机和该燃气轮机上的余热回收蒸汽发生器。该余热回收蒸汽发生器用于将蒸汽供给蒸汽轮机。该系统还包括至少一个压力控制器,其联接为与余热回收蒸汽发生器处于流动连通。该压力控制器被设定成用于旁路压力设定点的第一预定值,并且发生变化,使得该第一预定值以预定速率提高至第二预定值。
在又一方面,提供了一种用于起动联合循环发电系统的方法。该系统包括燃气轮机和蒸汽轮机。该联合循环系统还包括余热回收蒸汽发生器、连接在蒸汽轮机上的冷凝器、以及多个旁路通道,该多个旁路通道从该余热回收蒸汽发生器延伸至该冷凝器且从高压蒸汽管道延伸至热的再热蒸汽管道。此外,该系统还包括至少一个压力控制器,该至少一个压力控制器与至少一个蒸汽旁路通道处于流动连通。该方法包括:以升高的加载速率加载燃气轮机,并利用可变压力蒸汽来加载蒸汽轮机。通过利用至少一个压力控制器将高压蒸汽的旁路压力设定点设定成第一预定值,并利用该至少一个压力控制器以预定的速率将该旁路压力设定点提高至第二预定值,从而利用可变压力蒸汽来加载蒸汽轮机。
附图说明
图1是一种示例性联合循环发电系统的示意图。
图2是操作图1所示联合循环发电系统的一种示例性方法的流程图。
具体实施方式
虽然本文中的方法和设备是结合用于电力工业发电环境的联合循环发电系统进行描述的,但预期的是,本文所述的方法和设备也可用于其它应用中。另外,本文中所阐述的原理和教导可适用于使用各种可燃烧的燃料(例如但不限于天然气、汽油、煤油、柴油燃料和/或喷气燃料)的涡轮。另外,本文所述的方法和设备可结合多轴和单轴联合循环系统来使用。因此以下的说明仅以示例的方式、而非限制的方式来阐述。
图1是一种示例性联合循环发电系统10的示意图。图2是操作联合循环发电系统10的一种示例性方法100的流程图。系统10包括联接至相应的发电机16和18上的燃气轮机12和蒸汽轮机14。蒸汽轮机14通过多个导管而联接至余热回收蒸汽发生器(HRSG)20,并在其排气装置处联接至冷凝器22上。在该实施例中,系统10还包括位于高压过热器/再热器25的排放端的调温器24。HRSG 20可包括直流型或鼓型的蒸发器,其能够在优化的速率,在正常的寿命范围内,在正常或预期的维护下承受燃气轮机12的日常起动和加载。
系统10还包括从HRSG 20延伸至冷凝器22的旁路通道26,28和30,并且还包括高压(HP)级联旁路通道32,该通道32从高压蒸汽管线31延伸至冷却的再热蒸汽管道33。更具体地说,HP并联旁路通道26与过热器/再热器25及冷凝器22处于流动连通,低压(LP)蒸汽旁路通道28与HRSG 20的低压段29及冷凝器22处于流动连通,并且热的再热(HRH)蒸汽旁路通道30与过热器/再热器25及冷凝器22处于流动连通。在示例性实施例中,当调节蒸汽轮机进气阀以便于在其可容许的最快的速率下加载蒸汽轮机14时,旁路通道26,28,30,32提供了交替的高压蒸汽流动通道,在示例性实施例中,该可容许的最快速率大约是涡轮14的100%的额定速度。
在示例性实施例中,旁路通道26和32分别包括阀34和36,这些阀经调节,以有助于控制高压蒸汽的压力和高压蒸汽压力的升高速率。旁路通道30包括阀38,其经调节以便于当在蒸汽轮机加载期间调节蒸汽轮机中间压力的控制阀时来控制再热蒸汽的压力。当在蒸汽轮机加载期间调节蒸汽轮机低压进气阀时,蒸汽旁路通道28为低压蒸汽提供了备选通道。
此外,在示例性实施例中,系统10包括第一压力控制器40和第二压力控制器42,第一压力控制器40联接成与旁路通道32及26处于流动连通,第二压力控制器42联接成与旁路通道30处于流动连通。更具体地说,第一压力控制器40联接成与阀34及36处于流动连通,并且第二压力控制器42联接成与阀38处于流动连通。在初始运行状态下,第一压力控制器40的设定点可以是固定的和/或随时间而变化的。在预定的时间之后,通过使用高压鼓中存在的运行压力、金属温度和/或旁路管线26和/或32的管道长度来确定第一压力控制器40的第一预定的设定点值A。在示例性实施例中,将第一压力控制器40设于最低压力设定点。如以下更详细所述,在优选的速率下,将第一压力控制器40的压力设定点提高至目标值或第二预定值B。如以下更详细所述,第二压力控制器42构造成可控制热的再热蒸汽的流量。
在示例性实施例中,方法100有助于快速起动并加载系统10,并且包括在预定的速率下,例如在升高的加载速率下对燃气轮机12进行加载102。例如,在示例性实施例中,同用于已知的联合循环系统的大约每分钟8%或更低的加载速率相比,升高的加载速率在大约每分钟13%至大约每分钟25%之间。因此,本文中所用的用语“升高的加载速率”指大于大约每分钟8.5%的加载速率。在示例性实施例中,利用HRSG 20和/或蒸汽旁路通道26,28,30和/或32的蒸汽压力管理而对燃气轮机12进行加载102。当满足预定的条件时,燃气轮机12以预定的加载速率,例如升高的加载速率进行加载102。
在示例性实施例中,在燃气轮机加载102期间,蒸汽轮机14处于初始状态下,包括初始的旁路压力设定点。一旦燃气轮机12进行加载102,蒸汽轮机14就在初始条件下进行起动104,并开始加载。随着蒸汽轮机起动104,从初始状态至第一预定值A,用于蒸汽轮机14的高压蒸汽旁路压力设定点的轨迹可以是固定的,和/或可随时间而改变。更具体地说,可基于系统10的操作来选择设定点的增长速率。在示例性实施例中,最初将用于高压蒸汽的旁路压力设定点设于第一预定值A。更具体地说,在示例性实施例中,如果现存的高压蒸汽压力低于底压,可将第一预定值A设于低于底压的压力下。蒸汽轮机14以第一预定值A的旁路压力设定点进行加载106。然后以预定的速率将旁路压力设定点提高108至第二预定值B。
如果在起动序列中包含吹扫,那么在对HRSG吹扫之后,这种起动方法使用高压蒸汽旁路管线来控制从起动开始的高压鼓和过热器中的状态。或者,如果在起动序列中不包含吹扫,则从起动开始就对高压鼓和蒸汽状态进行控制。从起动开始的高压蒸汽控制是通过由预定值和优选的变化速率来管理高压蒸汽旁路压力设定点而实现的。本文所述的方法有利于降低高压鼓和过热器的应力,以减少起动期间的循环影响。此外,在这种预定的设定点下,有利于降低高压鼓的膨胀效应。
在高压鼓应力控制和旁路管线26和/或32中的流量要求下,旁路压力设定点的增长速率108受到容许的最大额定值的限制。通过模型预测、试验数据和/或能够使系统10如本文所述来运行的任何合适的方法来确定预定的目标值B。考虑到系统10的构造和系统10的热状态条件(热、暖、冷起动),第一蒸汽旁路压力设定点A和第二蒸汽旁路压力设定点B以及预定的增长速率便于根据系统10的状态而进行优化。另外,当高压蒸汽进入到蒸汽轮机14中时,可以以受控制的预定速率来提高第二压力控制器42的设定点,以容许热的再热蒸汽更快地进入到蒸汽轮机14中,以有助于提高所产生的功率。在一个实施例中,在第二预定值B下的变动的高压蒸汽旁路压力设定点设于额定压力的大约60%至大约100%之间,并且优选设于额定压力的大约75%至大约90%之间,使得同保持恒定的传统的压力设定点相比,在更短的起动时间内增加了蒸汽过热,并且蒸汽轮机产生了更大功率。蒸汽轮机14以第二预定值B下的旁路压力设定点进行加载110。因此,通过以第一预定值A下的旁路压力设定点对蒸汽轮机14进行加载106,且然后以第二预定值B下的升高的旁路压力设定点对蒸汽轮机14进行加载110,将蒸汽轮机14加载112至最终值。
另外,如上所述,当高压蒸汽进入到蒸汽轮机14中时,对于热的再热蒸汽的旁路管线而言,可以以受控的速率来提高第二压力控制器42的设定点,以有助于热的再热蒸汽更快速地进入到蒸汽轮机14中。从而有助于提高所产生的功率。
此外,在起动104,106,108和/或110期间,对穿过旁路通道26,28,30和/或32的蒸汽流量进行调节,以有助于控制高压蒸汽、再热蒸汽和/或低压蒸汽,并有助于为来自余热回收蒸汽发生器20的、在蒸汽轮机加载过程中未进入到蒸汽轮机14中的蒸汽提供备选通道。更具体地说,在起动期间,燃气轮机12在高达燃气轮机12的最快速率下进行加载102,并且在起动期间利用压力控制器40和42来改变供给蒸汽轮机14的蒸汽压力。
同已知的联合循环系统所产生的排放相比,上述方法和设备有助于在起动和加载期间减少排放。同已知的联合循环系统相比,这种方法和设备还有助于缩短起动和加载时间,并且减少在起动和加载过程中的燃料消耗。更具体地说,同其它已知的起动方法相比,上述方法可使联合循环发电设备更快地起动,并在更短的时间内达到更高的蒸汽轮机负荷。因此,本文所述的方法有助于降低燃料消耗和排放,同时增加发电设备的收益。此外,该方法通过从HRSG引入早期高压蒸汽流而有助于缩短联合循环发电设备的起动时间。因此,同已知的联合循环系统相比,蒸汽可以更快地进入蒸汽轮机。此外,上述方法还有助于缩短燃气轮机和蒸汽轮机的抑制时间,从而有助于缩短起动时间。同其它已知的系统相比,缩短的起动时间使得上述系统能够在更短的时间内获得更高的设备功率输出。此外,同已知的联合循环系统相比,缩短的起动时间有助于更早地达到较高的总的设备效率,并有助于为消费者产生更大的收益和更低的总体温室排放。此外,上述系统和方法还有助于获得关于运转/非运转调度排序的优势。
本文详细描述和/或举例说明了系统和方法的示例性实施例。该系统和方法不限于本文所述的特定的实施例,而是各系统的构件以及各方法的步骤都可相对于本文所述的其它构件和步骤独立地且单独地进行使用。各构件和各方法步骤还可以结合其它构件和/或方法步骤一起使用。
虽然已经就各种具体的实施例描述了本发明,但是本领域中的技术人员应该认识到,可以利用处于权利要求的精神和范围内的变型来实施本发明。

Claims (8)

1.一种联合循环发电系统(10),包括:
联接至第一发电机(16)的燃气轮机(12);
联接至第二发电机(18)的蒸汽轮机(14);
联接至所述蒸汽轮机和所述燃气轮机的余热回收蒸汽发生器(20),所述余热回收蒸汽发生器用于向所述蒸汽轮机供给蒸汽;
联接为与所述余热回收蒸汽发生器处于流动连通的至少一个压力控制器(40,42),所述至少一个压力控制器被设定为用于旁路压力设定点的第一预定值,并且发生变化,使得所述第一预定值以预定的速率被提高至第二预定值。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电系统(10),其特征在于,所述联合循环发电系统(10)还包括与所述余热回收蒸汽发生器处于流动连通的至少一个蒸汽旁路通道(26,28,30,32),所述至少一个压力控制器(40,42)可操作地联接至所述至少一个蒸汽旁路通道,以用于控制所述旁路压力设定点。
3.根据权利要求2所述的联合循环发电系统(10),其特征在于,所述联合循环发电系统(10)还包括沿着所述至少一个蒸汽旁路通道(26,28,30,32)的至少一个阀(34,36,38),所述至少一个压力控制器(40,42)可操作地联接至所述至少一个阀,以用于控制所述旁路压力设定点。
4.根据权利要求2所述的联合循环发电系统(10),其特征在于,所述至少一个蒸汽旁路通道还包括:
高压级联旁路通道(32);
高压并联旁路通道(26);
低压蒸汽旁路通道(28);和
热的再热蒸汽旁路通道(30)。
5.根据权利要求4所述的联合循环发电系统(10),其特征在于,所述联合循环发电系统(10)还包括:
与所述高压级联旁路通道(32)处于流动连通的第一阀(34);
与所述高压并联旁路通道(26)处于流动连通的第二阀(36);和
与所述热的再热蒸汽旁路通道(30)处于流动连通的第三阀(38)。
6.根据权利要求1所述的联合循环发电系统(10),其特征在于,所述联合循环发电系统(10)还包括:
沿着第一旁路通道(26)而联接的第一阀(34),所述至少一个压力控制器(40,42)可操作地联接至所述第一阀,以用于改变所述旁路压力设定点;和
沿着第二旁路通道(28)而联接的第二阀(36),所述至少一个压力控制器可操作地联接至所述第二阀,以用于改变所述旁路压力设定点。
7.根据权利要求1所述的联合循环发电系统(10),其特征在于,所述至少一个压力控制器还包括:
第一压力控制器(40),其构造成以便控制高压蒸汽的流量;和
第二压力控制器(42),其构造成以便控制热的再热蒸汽的流量。
8.根据权利要求14所述的联合循环发电系统(10),其特征在于,所述联合循环发电系统(10)还包括:
沿着第一旁路通道(26)而联接的第一阀(34),所述第一压力控制器(40)可操作地联接至所述第一阀,以用于改变高压蒸汽压力;和
沿着第二旁路通道(28)而联接的第二阀(36),所述第二压力控制器可操作地联接至所述第二阀,以用于改变热的再热蒸汽压力。
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