CN101611217B - 带有负载的发电站设备及其工作方法 - Google Patents

带有负载的发电站设备及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发电站设备(40)，具有涡轮机区段，所述涡轮机区段由燃气轮机(12)和发电机(28)构成，所述发电机被所述燃气轮机(12)直接驱动，且产生具有第一工作频率的交流电流，其输出部分与具有预定的第二工作频率的负载(V)连接。所述发电站设备(40)的设计和工作的提高的灵活性通过如下措施来实现，即在所述发电机(28)和所述负载(V)之间设置有电子解藕装置(27)，所述解藕装置使得两个工作频率彼此解藕。

Description

带有负载的发电站设备及其工作方法
技术领域
本发明涉及发电技术领域。其涉及一种发电站设备。
背景技术
在天然气的输送和分布中，日益采用气体液化技术，以便减小体积和例如使用专用罐成本低廉地输送液态气体。
在大的天然气液化设备中使用大功率的压缩机，使用这种压缩机在液化过程中压缩天然气。为了驱动这种压缩机，日益使用燃气轮机，燃气轮机例如使用已有的天然气作为燃料。这种燃气轮机通常被改进用于驱动产生电流的发电机，电流然后馈入到具有预定电网频率(例如50Hz或60Hz)的电网中。
图1为已知类型的压缩机区段10的非常简化的视图，其中燃气轮机12直接机械地通过轴19驱动天然气液化设备的压缩机11，气体经由进气口20被吸入，经压缩的气体在出气口21排出。燃气轮机12在最简单的情况下包括压缩机13，该压缩机经由空气入口16抽吸燃烧空气并将其压缩。压缩机13可以由多个前后连接的部分压缩机组装而成，这些部分压缩机在提高的压力水平工作，并且必要时可以对经压缩的空气进行中间冷却。在压缩机13中被压缩的燃烧空气进入到燃烧室15中，液态燃料(例如油)或者气态燃料(例如天然气)经由燃料供应机构17被喷入到所述燃烧室中，并在消耗燃烧空气的情况下被燃烧。
从燃烧室15出来的热气体在随后的涡轮机14中在一定的工作功率下减压，由此驱动燃气轮机的压缩机13和天然气液化设备的藕联的压缩机11。燃气轮机12的转速在此与外部压缩机11的转速相同。
当今通常的功率高于50MW的大型燃气轮机的设计转速为3600转/分钟(用于60Hz的电网频率)或3000转/分钟(用于50Hz的电网频率)。因此必须采取预防措施，以便使得燃气轮机与压缩机一起加速至额定转速或者减少燃气轮机的多余功率。
由US-A-5,689,141已知一种用于天然气液化设备的压缩机的驱动系统，其中压缩机在一侧被燃气轮机驱动，在另一侧与同步电机连接。同步电机在燃气轮机加速时驱动压缩机区段，并为此从电网吸取能量。如果燃气轮机已达到其转速，则同步电机作为发电机工作，且可以将燃气轮机所产生的多余能量转化为电流并回馈到电网中。
由WO-A2-2005/047789已知一种类似的装置。如图2所示，电机/发电机22在共同的轴19上设置在燃气轮机12和外部的压缩机11之间，电机/发电机通过可变的频率驱动机构23与电网24连接。可变的频率驱动机构23用于压缩机区段10′的软起动，并将多余的能量以电网频率馈入到电网24中，此时电机/发电机22作为发电机工作。
由在涡轮机转速和压缩机11的转速之间的刚性藕联产生了如下缺点：
-只能有限地实现外部压缩机的稳定工作；
-无法实现独立于压缩机来控制发电站设备的功率；
-无法实现独立于压缩机来使得发电站设备的效率最佳；
-无法实现独立于电网频率来使得发电站设备的部分负载最佳；
-只能有限地实现燃气轮机的排放控制。
对于利用有待新研发的组件或新设备的已有设备设计而言，由在涡轮机转速和压缩机转速之间的刚性藕联产生了如下缺点：
-在转速紧密藕联的情况下，压缩机和涡轮机不能被设计在最佳点，如在转速无关情况下可以实现所述最佳点；
-设有紧密转速藕联的燃气轮机和蒸汽轮机在所希望的功率情况下未必成本最佳，因为由于预定的转速，空气动力的或机械的设计极限会妨碍最佳化，在转速可变情况下，最佳化能使得两者更好地相互协调；
-燃气轮机不能最佳地适应于可变的环境状况。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于给负载供电的发电站设备及其工作方法，其避免了已知的发电站设备的缺点，且特别是以灵活的工作为见长，同时具有高的效率。
该目的通过根据本发明的这样的发电站设备得以实现：即该发电站设备具有涡轮机区段，涡轮机区段由燃气轮机和发电机构成，发电机被燃气轮机直接驱动，且产生具有第一工作频率的交流电流，其输出部分与至少一个具有预定的第二工作频率的负载连接，其特征在于，在发电机和负载之间设置有阵列式逆变器形式的变频器作为电子解藕装置，解藕装置使得两个工作频率彼此解藕，其中阵列式逆变器包括多个设置成(m×n)阵列的可控制的双向开关，这些开关被控制器控制，m个输入部分有选择地与n个输出部分连接，其中m大于n，其中用于确定电流符号的第一机构设置在输入部分上，用于确定电压符号的第二机构设置在输入部分之间，其中第一和第二机构通过信号线路与控制器连接。另外本发明根据这样的发电站设备的工作方法得以实现：即将燃气轮机的机械的或空气动力的转速控制在恒定值。此外本发明根据这样的发电站设备的工作方法而实现：即在允许的机械转速范围内将燃气轮机的空气动力的转速控制在恒定值，一旦达到机械的或其它的极限值就将机械的转速控制在恒定值，且在达到临界的压力或温度时再次调节或减小机械的转速。本发明的主要点在于：燃气轮机仅仅驱动发电机；在发电机与至少一个负载之间设置有电子解藕装置，该解藕装置使得发电机和负载的两个工作频率彼此解藕。优选在此燃气轮机的设计功率大于50MW。
根据本发明的一种设计，第一工作频率明显不同于第二工作频率，其中要么第一工作频率小于第二工作频率，第二工作频率为50Hz或60Hz。特别是第二工作频率可以为60Hz，而第一工作频率为50Hz。
要么第一工作频率大于第二工作频率。特别是第二工作频率可以为50Hz，而第一工作频率为60Hz。
优选电子解藕装置是阵列式逆变器形式的变频器，其包括多个设置成(m×n)阵列的可控制的双向开关，这些开关被控制器控制，m个输入部分有选择地与n个输出部分连接，其中m大于n，其中用于确定电流符号的第一机构设置在输入部分上，用于确定电压符号的第二机构设置在输入部分之间，其中第一和第二机构与控制器作用连接。双向开关可以由一个部件构成，但也可以由多个部件构成。例如可以使用两个反并联的具有相反的连接方向的晶闸管作为可控制的双向开关。用于确定电流和电压符号的机构例如可以是电流表或电压表。替代地例如也可以使用只输出符号的二进制发生器。
优选燃气轮机是具有顺序燃烧机构的燃气轮机。
根据本发明的一种设计，负载是被电机驱动的压缩机，其是用于液化气体特别是天然气(LNG)的设备的一部分。
根据本发明的另一种设计，负载是电气铁道的供电网路。
根据本发明的另一种设计，负载是电网。发电站特别是可以用于具有不同频率的电网。另一特殊的应用是，可以有选择地将电流提供至50Hz的电网和60Hz的电网，此点对于国家边界地区或者具有不同电网的区域来说是有利的。
另外，在本发明的范围内可以考虑：使得发电机的输出部分与电网连接；为了有选择地使得发电机与电网和负载连接，设置有切换装置。
附图简短说明
下面借助实施例结合附图详细说明本发明。图中示出：
图1为根据现有技术的发电站设备的非常简化的方框图，其带有燃气轮机和被直接驱动的外部压缩机；
图2为根据现有技术的发电站设备的非常简化的方框图，其带有燃气轮机和被直接驱动的外部压缩机和中间连接的电机/发电机；
图3为根据本发明实施例的发电站设备的非常简化的方框图，其带有燃气轮机、发电机和负载以及电子解藕装置；
图4示例性地示出阵列式逆变器的内部结构，其例如可以用作在根据图3的设备中的电子解藕装置；
图5示出转速与压缩机入口温度的关系；和
图6示出通过压缩机入口温度TK1对空气动力转速n*和机械转速n机械的控制。
具体实施方式
在图3中再次给出根据本发明实施例的发电站设备的非常简化的方框图，其带有燃气轮机、发电机和负载以及电子解藕装置。发电站设备40包括燃气轮机12，该燃气轮机带有压缩机13和串联的燃烧机构，其中第一燃烧室15通过第一燃料供应机构17利用第一种燃料产生热气，热气在第一涡轮机14a中减压，然后被导入到第二燃烧室15′中，在这里，通过第二燃料供应机构17′利用第二种燃料引起热气温度的提高，热气然后在第二涡轮机14b中减压。但也可以代替在效率方面特别有益的串联的燃烧机构而设置一级的燃烧机构。
发电机28直接与燃气轮机12的轴19藕联。由此使得发电机28的转速与燃气轮机12的转速相同。发电机28的输出端可与负载V连接，在本实施例中，该负载包括天然气液化设备的被电机25驱动的压缩机11，该压缩机带有进气口20和出气口21。但也可以考虑其它的需要具有一定的工作频率的交流电压的负载，例如电气铁道的供电网路。在发电机28的输出端与负载V之间设置有电子解藕装置17，该解藕装置引起在发电机28中产生的第一工作频率或燃气轮机12的转速与负载V的第二工作频率的解藕。
图3的发电站设备40可以直接地且仅仅为负载V供电。但也可以考虑使得该发电站设备将所产生的电功率有选择地馈入到电网24中，其中可以基于电子解藕装置27使得工作频率适配于电网频率，而无需改变燃气轮机12的转速。在示意图3中，在电子解藕装置27的输出端设置有切换装置26，利用该切换装置可以将发电站设备40所产生的功率有选择地输出至电网24或负载V。
电子解藕装置27-为了限制损耗功率-优选是无直流中间回路的阵列式逆变器。这种基于其控制而损耗特别少的阵列式逆变器的结构和工作方式已在EP-A2-1199794中有所记载。在EP-A1-1561273、DE-A1-102004016453、DE-A1-102004016463和DE-A1-102004016464中对这种阵列式逆变器进行了进一步设计。图4为一种阵列式逆变器的原理方框图，其具有6个输入相(Eingangsphase)和3个输出相。阵列式逆变器(27)阵列式逆变器27按照时间顺序将发电机28的6个相G1、...、G6作为源与负载30的3个相L1、...、L3连接。为此需要的功率部件29包括18个反并联连接的晶闸管形式的双向开关32(通常为m×n个开关，用于m个输入/源相和n个输出/负载相)。这些开关32设置成(6×3)阵列。为了控制开关32，设置有控制机构或控制器31，该控制器从脉冲产生器39得到时间信号(脉冲频率)。开关32的开关状态被监视，并分别通过第一信号线路36被通知给控制器31。这些开关32分别通过控制线路35被控制器31控制。
在发电机28的各个相G1、...、G6上分别设置有电流测量装置34，所述电流测量装置通过第二信号线路37将相电流(Phasenstrom)的符号(Vorzeichen)通知给控制器31。此外，在发电机28的相G1、...、G6之间设置有电压测量装置33，这些电压测量装置通过第三信号线路38将相应的相差电压的符号通知给控制器31。对于阵列式逆变器的工作过程的细节可参见上述对比文件。
通过特别是所述类型阵列式逆变器形式的解藕装置27，可以得到电子解藕的如下优点：
-可以根据环境状况(例如入口温度)来适配调节燃气轮机的工作最佳值(功率、效率)。
-可以提高功率。
-可以改善负载波动时的灵活性和提高涡轮机的寿命。涡轮机可以转速恒定地运转。可以改善排放值(Emissionswert)。可变转速的附加自由度允许以所希望的功率在高的或低的转速下起动。在燃气轮机作为驱动机构的情况下，与此关联的是或低或高的涡轮机入口温度，其中具有影响CO2和NOx的排放的效果。
-对工作频率的解藕允许安装如下发电站设备，即可以针对所希望的功率，更确切地说，通过附加的自由度来减小所述发电站设备的结构尺寸，从而可以独立于负载来调节转速。(例如安装3300转/分钟的涡轮机，其明显小于3000转/分钟的涡轮机)。
根据本发明的前述方案，即发电站设备中的涡轮机区段-涡轮机和发电机-能够独立于负载的工作频率稳定地在所希望的转速下工作，-在切换至电网24时-有助于电网24的稳定。在频率降低时，发电站设备必须能够保持在正常电网频率下所输出的功率，理想情况下甚至能够将提高的功率输出至电网。当前的发电站系统只能在有限的程度上确保此点。电网频率降低使得与电网频率密切联系的系统感觉到涡轮机和发电机的转速不希望地降低。由于减速，使得动能从燃气轮机-发电机-轴区段馈入到电网中，经过该短的阶段后，所输出的功率在其它工作参数相同的情况下降低。在这种情况下，燃气轮机的反应是，抽吸物质流减少和燃料供应明显增加，这导致涡轮机中的热气温度升高。这又明显地缩短了涡轮机的寿命，使得设备工作成本上升。在该工作阶段，NOx形式的有害物质排放也明显增加。由此已经规定了两个极限-寿命和排放，其对电网频率降低时的功率增加进行了很大的限制。作为第三方面，机械的和空气动力的协调性起到了作用。超过6％的严重的频率下降会导致发电站设备被断开，因为这些发电站设备在机械上不能以相应降低的转速工作。对于如下较低的空气动力转速而言，即
Figure GSB00000800416600061
n机械＝机械转速，
还会由于压缩机的喘振极限而限制工作(见图6；C＝机械的转速极限，D＝卸载，E＝压缩机喘振保护)。
对于负载解藕的系统而言，所有上述缺点都不存在。对最小允许频率波动没有限制，因为涡轮区段不会感觉到明显的转速波动。因此也不会出现有害物质增加和寿命降低的现象。
除了电网稳定外，负载独立的发电站系统还允许特别是即使在部分负载工作点的情况下也能实现每个工作点的功率或效率最佳化。通过在允许的机械极限范围内取决于工作点的合适的转速控制，要么由于涡轮机效率提高而实现减少排放和节省燃料，要么替代地实现功率提高，就尖峰负载的覆盖而言，功率提高使得发电站的灵活性提高。
独立于负载的发电站系统的另一有利的方面是设备对不同的标准状况的良好的适应能力。不同的标准状况特别是影响发电站设备的工作状态的不同的环境状况，如外部温度、空气湿度以及燃料成分。独立于负载的转速控制的附加的自由度允许根据当前的环境状况分别产生最佳的工作状况。在这种情况下可以实现效率提高，也可以实现功率提高。
所有上述方面已经可以用于已有的涡轮机。另外也公开了如何能使得燃气轮机最佳化的不同方案，只要燃气轮机的转速不受负载的第二工作频率限制。
涡轮组件压缩机和涡轮机可以设计有新的边界条件。目前对于静止式燃气轮机而言还要考虑降低的转速的大约±10％的最小工作范围最为可靠范围。由此确保燃气轮机一方面能够承受机械的转速波动，另一方面能够覆盖入口温度的变化，这种变化以1/(T入口)1/2的比例影响降低的转速。如果采用最佳的运行方案来限制所需要的减小的转速范围，则通过对压缩机叶片和涡轮机叶片的重新设计既可以实现效率提高，又可以实现功率提高。
在发电站设备10工作的情况下可以将燃气轮机12的机械的或空气动力的转速(n机械或n*)控制在恒定值。
但也可以考虑(图6)在允许的机械转速范围内将燃气轮机12的空气动力的转速n*控制在恒定值，其方式为，一旦达到机械的或其它的极限值例如压力或温度就将机械的转速n机械控制在恒定值，且在达到临界的压力或温度时再次调节或减小机械的转速n机械。
附图标记列表
10、10″        压缩机区段
11              压缩机(外部的)
12              燃气轮机
13              压缩机
14、14a、b      涡轮机
15、15′        燃烧室
16              空气入口
17、17′        燃料供应机构
18              废气出口
19、19′        轴
20              进气口
21              出气口
22              电机/发电机
23              可变的频率驱动机构
24              电网
25              电机
26              切换装置
27              解藕装置
28              发电机
29              功率部件
30              负载
31              控制器
32              开关(双向的)
33              电压测量装置
34              电流测量装置
35              控制线路
36、...、38     信号线路
39              脉冲产生器
40              发电站设备
G1、...、G6     相(发电机)
L1、...、L3     相(负载)
V               负载

Claims (18)

1.一种发电站设备(40)，具有涡轮机区段，所述涡轮机区段由燃气轮机(12)和发电机(28)构成，所述发电机被所述燃气轮机(12)直接驱动，且产生具有第一工作频率的交流电流，其输出部分与至少一个具有预定的第二工作频率的负载(V)连接，其特征在于，在所述发电机(28)和所述负载(V)之间设置有阵列式逆变器形式的变频器作为电子解藕装置(27)，所述解藕装置使得两个工作频率彼此解藕，其中所述阵列式逆变器包括多个设置成(m×n)阵列的可控制的双向开关(32)，这些开关被控制器(31)控制，m个输入部分有选择地与n个输出部分连接，其中m大于n，其中用于确定电流符号的第一机构(34)设置在所述输入部分上，用于确定电压符号的第二机构(33)设置在所述输入部分之间，其中所述第一和第二机构(33或34)通过信号线路(38)与所述控制器(31)连接。
2.如权利要求1所述的发电站设备，其特征在于，所述燃气轮机(12)被设计用于大于50MW的功率。
3.如权利要求1或2所述的发电站设备，其特征在于，所述第一工作频率明显不同于所述第二工作频率。
4.如权利要求3所述的发电站设备，其特征在于，所述第一工作频率小于所述第二工作频率。
5.如权利要求4所述的发电站设备，其特征在于，所述第二工作频率为50Hz或60Hz。
6.如权利要求5所述的发电站设备，其特征在于，所述第二工作频率为60Hz，所述第一工作频率为50Hz。
7.如权利要求3所述的发电站设备，其特征在于，所述第一工作频率大于所述第二工作频率。
8.如权利要求7所述的发电站设备，其特征在于，所述第二工作频率为50Hz或60Hz。
9.如权利要求8所述的发电站设备，其特征在于，所述第二工作频率为50Hz，所述第一工作频率为60Hz。
10.如权利要求1或2所述的发电站设备，其特征在于，所述燃气轮机(12)是具有顺序燃烧机构(14a、b；15、15′)的燃气轮机。
11.如权利要求1或2所述的发电站设备，其特征在于，所述负载(V)是被电机(25)驱动的压缩机(11)；所述压缩机(11)是用于液化气体的设备的一部分。
12.如权利要求1或2所述的发电站设备，其特征在于，所述负载(V)是电气铁道的供电网路。
13.如权利要求1或2所述的发电站设备，其特征在于，所述负载(V)是电网。
14.如权利要求1或2所述的发电站设备，其特征在于，所述发电机(28)的输出部分能够与电网(24)连接；为了有选择地使得所述发电机(28)与所述电网(24)和所述负载(V)连接，设置有切换装置(26)。
15.如权利要求11所述的发电站设备，其特征在于，所述气体为天然气(LNG)。
16.根据权利要求1至15中任一项的发电站设备(10)的工作方法，其特征在于，将所述燃气轮机(12)的机械的或空气动力的转速控制在恒定值。
17.根据权利要求1至15中任一项的发电站设备(10)的工作方法，其特征在于，在允许的机械转速范围内将所述燃气轮机(12)的空气动力的转速控制在恒定值，一旦达到机械的或其它的极限值就将机械的转速控制在恒定值，且在达到临界的压力或温度时再次调节或减小机械的转速。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述极限值为压力或温度。
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