CN103249997B - 用于运行组合式燃气和蒸汽轮机设备的方法以及设置用于实施该方法的燃气和蒸汽轮机设备和相应的调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行组合式燃气和蒸汽轮机设备的方法，所述燃气和蒸汽轮机设备具有燃气轮机(GT)、在废气侧或燃气侧连接在燃气轮机(GT)之后的具有至少一个可供流动介质流通的蒸发器加热面(6)的废热蒸汽发生器和在流动介质侧连接在所述废热蒸汽发生器之后的蒸汽轮机(DT)，在所述蒸汽轮机中将流动介质以给水的形式输送给废热蒸汽发生器，其中，设有用于预测控制给水质量流的初级控制回路，并且根据表征流动介质在蒸发器加热面(6)出口处相对其沸点的温度超出量的过热额定值和根据表征通过蒸发器加热面(6)从燃气传递到流动介质的热流的热流特征值，在考虑在蒸发器加热面构件中存入的热量的情况下，确定用于给水质量流的初级额定值，并且相应地再调节给水质量流。所述方法的特征在于，为了激活可暂时使用的瞬时功率储备，将过热额定值从其设计用于燃气和蒸汽轮机设备以相对较高效率稳定运行的标准值降低为较小的激活值。

Description

用于运行组合式燃气和蒸汽轮机设备的方法以及设置用于实施该方法的燃气和蒸汽轮机设备和相应的调节装置

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的用于运行组合式燃气和蒸汽轮机设备的方法，其中，所述组合式燃气和蒸汽轮机设备具有燃气轮机和在废气侧或燃气侧连接在燃气轮机之后的废热蒸汽发生器。本发明还涉及一种设置用于实施所述方法的燃气和蒸汽轮机设备以及一种相应的调节装置。

废热蒸汽发生器是一种从热废气流中回收热量的热交换器。废热蒸汽发生器使用在主要用于发电的燃气和蒸汽轮机设备中(GUD-Anlagen)。在此，现代的燃气和蒸汽轮机设备通常包括不超过四个的燃气轮机和至少一个蒸汽轮机，其中，要么是每个涡轮机分别驱动一个发电机(多轴设备)，要么是一个燃气轮机与蒸汽轮机一起在共同的轴上驱动唯一的发电机(单轴设备)。在此，燃气轮机的热废气在废热蒸汽发生器中用于产生水蒸汽。接着将蒸汽输送给蒸汽轮机。通常大约三分之二的电功率分摊到燃气轮机，三分之一的电功率分摊到蒸汽轮机。

在此出于完整性需要指出，作为用于废热蒸汽发生器以及蒸汽轮机的流动介质原则上可以使用各种物质。以下示例性地以使用水或水蒸汽为参考，因为它们是最常用的流动介质。

与蒸汽轮机的各个不同压力级类似，废热蒸汽发生器通常也包括多个压力级，其分别含有的水-蒸汽混合物在正常运行中具有不同的热动力状态。在给水或蒸汽循环中，流动介质在其流动路径上首先流过省煤器，在省煤器中将废气流中的余热用于预加热流动介质。在省煤器后连接所谓的蒸发器，其优选可设计为强制直通蒸发器，尤其设计为所谓的本生锅炉。流动介质在蒸发器出口处以蒸汽或水-蒸汽混合物形式存在，其中，可能存在的残余水在设置于该处的分离装置中被分离。继续导引的蒸汽在过热器内被进一步加热。之后，过热的蒸汽流入蒸汽轮机的高压部分中，在该处减压并且输送给蒸汽发生器的下一压力级。蒸汽在该处重新过热并且接着导入蒸汽轮机的下一压力级。在蒸汽轮机出口处连接有冷凝器，减压的蒸汽在冷凝器中冷凝并且作为给水输送给贮水池。最后，给水泵再将给水从贮水池泵送到省煤器中。在此，通过连接在给水泵之后的调节阀控制给水质量流。

根据废热蒸汽发生器的运行状态并且因此与之关联地根据当前的蒸汽发生器功率，调节给水循环中并且尤其是蒸发器中的给水质量流。在负载变化时，蒸发器流量应尽可能与引入蒸发器加热面的热量同时地变化，因为否则将不能可靠地避免流动介质在蒸发器出口处的比焓与其额定值的偏差。这种不期望的比焓偏差加大了调节由蒸汽发生器流出的新蒸汽的温度的难度并且还造成较大的材料负荷，由此使蒸汽发生器的使用寿命缩短。

为了使比焓与期望额定值的偏差保持尽可能小，并且使由此造成的不期望程度的温度波动在蒸汽发生器的所有运行状态下，尤其是在瞬变状态或负荷变换时也能保持尽可能小，可将给水流量的调节设计为所谓预测或预见性的方式。在此，尤其应在负荷变换时也能根据当前的或者对于下一刻预期的运行状态提供所需的给水质量流额定值。与之相关的适宜的调节系统在本申请人的欧洲专利申请公开文献EP2065641A2和EP2194320A1中进行了描述。在此可明确地参考上述专利文献中的全部公开内容。

现代的发电站并不只要求高的效率，而是也要求尽可能灵活的运行方式。这除了包括较短的启动时间和较高的负荷变化速度外还包括补偿发电并网时频率扰动的可能性。为了满足这种要求，发电站必须能够在短短几秒内提供例如5%或更多的过剩功率。

这在迄今普遍的GUD发电站中通常通过提高燃气轮机负载实现。但在某些情况下尤其可能在较高负载范围内出现的情况是，期望的功率升高不能仅由燃气轮机提供或者不能由燃气轮机足够快地提供。因此也随之出现这样的解决方案，其中蒸汽轮机同样可以并且应该尤其是紧接在功率需求之后有助于支持频率。

这例如可通过打开部分节流的蒸汽轮机涡轮阀或者打开所谓的分级阀实现，由此降低蒸汽轮机之前的蒸汽压力。从连接在之前的废热蒸汽发生器的蒸汽存储器流出的蒸汽由此被输出并且输送给蒸汽轮机。通过这种措施可在几秒内实现GUD发电站内的功率上升。

这种附加功率可在相对较短的时间内释放，因此可至少部分地补偿由于燃气轮机(受到其结构或运行所致的最大负荷变化速度的限制)而延迟的功率升高。整个发电机组通过该措施直接实现了功率阶跃并且通过燃气轮机随之的功率上升也能够持续地保持该功率水平或者甚至超过该功率水平，前提是所述设备在附加地要求使用功率储备时处于部分负载范围。

然而，涡轮阀永久节流以保持储备总是导致功率损失，因此为了经济的运行方式，应将节流程度保持在必需那么小。此外，废热蒸汽发生器的一些结构形式，如强制直流式蒸发器可能具有比例如自然循环蒸汽发生器明显更小的储存容积。存储器尺寸的区别在上述方法中影响GUD发电站的蒸汽轮机功率变化时的性能。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种开头所述类型的用于运行具有废热蒸汽发生器的燃气和蒸汽轮机设备的方法，其中在需要时可释放瞬时功率储备，并且设备的正常运行效率不会受到过分影响。同时，应该能够与废热蒸汽发生器的结构形式无关地在不对整个系统进行明显介入式结构修改的情况下实现较快的功率提升。本发明所要解决的另一技术问题在于，提供一种特别适用于实施所述方法的燃气和蒸汽轮机设备以及一种相应的调节装置。

关于方法的技术问题按本发明通过权利要求1的特征解决。从属权利要求包含本发明的部分有利的和部分本身具有创造性的扩展设计。

开发按照本发明的方法的出发点是考虑暂时地提高流过蒸发器的给水流量。通过该措施将蒸发器和之后的过热器加热面中的热能输出并且在蒸汽轮机中以附加功率的形式释放。

作为实现其的一种可能性，原则上可以考虑，简单地从由于针对标准或正常运行的较高效率而优选使用的所谓“本生控制模式”转换为所谓的“水位控制模式(Level Control Mode)”。

在“水位控制模式”中，简单而言就是永久地为蒸发器过量地提供给水，即实际上过量供给。由此积累的越来越多的仍未蒸发的给水需要在之后连接的分离器中与蒸汽分离。以此方式，尽管有效地实现了提高给水质量流以提供附加功率，但在所述情况下也会在蒸发器出口处出现不期望的剩余水。此外，当前的给水调节方案设计为，使得在两种运行模式之间的转换过程中不对参数进行跳跃式修正。取而代之，通常规定在两种动态系统状态之间进行逐渐的并且因此相对耗时的转换。

而在“本生控制模式”中，试图通过预测控制将正好这么多给水导引通过蒸发器，使得给水尽可能完全转换为具有确定热动力状态的新蒸汽。在此，在蒸发器出口处预设所谓的过热额定值。因此，蒸汽在所述出口处的温度应比介质沸点高出期望的差值。为此首先确定表征蒸发器内的热流的特征值。在考虑暂存于蒸发器构件中的热量的情况下，得出可供给水使用的热能。由此又能够计算可借助热量供应转化为具有预设温度超出量的蒸汽的给水量。最后，通过相应地调节连接在给水泵之后的调节阀，调节形成由此算出的用于给水质量流的初级额定值。

为了按照本发明地释放瞬时功率储备，将过热额定值从其设计用于燃气和蒸汽轮机设备以相对较高效率标准运行的标准值降低为较小的激活值。由此通过调节系统提高给水质量流。这在烟气的热量供应大致不变的情况下直接降低了过热或蒸发器出口处的流动介质温度。由此，蒸发器和设在下游的过热器的相关加热面的材料温度也降低了。最后，材料温度的这种降低使得由蒸发器和过热器的加热面放出的热能由于提高的介质流量而以降低的介质温度被输出并且以附加功率的形式在蒸汽轮机中释放。

在此有利的是，在两个过热额定值之间突然地并且跳跃式地转换，转换时间优选最大为一秒或者小于一秒。以此方式在尽可能短的时间内提供瞬时功率储备作为对发电并网时频率扰动的反应。

因为瞬时功率储备的高度随着激活值减小而升高，所以有利的是，为温度超出量选择接近介质沸点的值。同时业已证明太接近沸点是不利的，因为在这种情况下可能在蒸发器出口处出现更多不期望的剩余水。

与此相关地，将相对介质沸点在5K至15K之间的温度超出量作为激活值被认为是对此合理的折中方案。而作为用于废热蒸汽发生器和蒸汽轮机的标准运行的标准值力争达到最小为30K至40K之间的温度超出量。

为了更准确地预设新蒸汽的热动力状态而在进一步改善的方法变型方案中规定，不将沸点作为固定值保存在存储器中，而是间接地通过在蒸发器入口或出口处优选持续进行的压力测量来确定沸点。

在一种另外非常适宜的方法变型中，通过求商来计算用于给水质量流的初级额定值。在此，分子是表征由烟气传递到蒸发器的热流的热流特征值，其中考虑了暂存于蒸发器构件中的热量。分母由介质在蒸发器出口处的焓额定值与在蒸发器入口处测得的介质焓之间的差构成，所述焓额定值通过相应的过热额定值以及在蒸发器出口处测得的压力表征，而在蒸发器入口处测得的介质焓本身可通过相应的温度以及压力测量来确定。因此，给出了给水质量流的基本额定值，其在系统调节状态下在最有利的情况下也持续地产生所需的额定值。这被定义为相应负荷情况的100%状态或者初始状态。这与废热蒸汽发生器和蒸汽轮机中的系统处于部分负荷运行状态还是满负荷运行状态无关。通常在有限的数值范围内特别有效地工作的整体调节系统由此总是准确地保持在该数值范围内。

按照一种用于实施按照本发明方法的优选调节系统，作为对预测式控制回路或初级控制回路的补充，设置有并行工作的第二控制回路或次级控制回路。借助该第二控制回路确定用于给水质量流的次级额定值。为此，由在蒸发器出口处测得的介质焓和相应预设的焓额定值构成差值。在此，次级额定值在某种程度上用作修正值，其进一步提高调节准确性并且在初级额定值由于系统原因而具有较大误差或波动的情况下进行修正或使之稳定的干预。

尤其在使用将次级额定值转换为匹配的相对参数的修正控制器时，在这种情况下特别适宜的是，通过相乘将用于给水质量流的两个额定值相结合。由此可以将绝对参数对于调节系统的影响进一步减小。

作为对预设过热额定值亦即温度的备选，也可在调节系统中预设焓额定值，其要么通过特征值确定，要么确定地作用在特征值上。无论如何，对应的标准值和对应的激活值之间的转换应使得热供应被重新分配给更大量的给水。

在将系统调回标准运行中时可能有利的是，从激活值回到标准值的转换不是跳跃式进行的，而是连续地并且因此在时间上延迟地回调。如果在这段时间内期望整个发电站具有连续的功率，这种回调可以例如与燃气轮机的功率提升同时进行。为此目的，调节装置可以在适当部位配备有相应的延迟元件。

在此所述的用于运行废热蒸汽发生器以及连接在之后的燃气轮机的方法(具备在此期间或临时释放瞬时功率储备的选择可能性)优选使用在组合式燃气和蒸汽轮机设备中。在此，该瞬时功率储备首先用作迅速可供使用的功率缓冲器，因为可在相对较短的时间内释放附加功率。借助功率缓冲器可跨接有限的时间间隔，其足够用于至少部分地补偿由于燃气轮机(受到其结构和运行所致的最大负荷变化速度的限制)而延迟的功率升高。通过该措施，整个发电机组直接实现了功率阶跃并且也可以通过并行开始的燃气轮机功率提升持续地保持该功率水平或者甚至超过该功率水平。

最后需要明确，按照本发明的方法也可以在不进行介入性结构措施的情况下实现。所述方法可以只通过在调节系统中设置附加的模块而实施。因此在不产生附加成本的情况下实现了更高的设备灵活性和更高的设备利用率。

此外，所述方法与其它措施无关，因此例如也可以附加地打开节流的涡轮阀，以便进一步加强蒸汽轮机的功率提升。此外，可以同步地以相同的调节目的调节设置在废热蒸汽发生器内的喷射冷却器或类似器件的喷射质量流。本发明所述方法的效力基本上不受这些并行措施的影响。

以下根据框图进一步阐述本发明的实施例。

唯一的附图1以框图的形式示出具有配属的调节系统的燃气和蒸汽轮机设备的示意图。

按照本发明的方法在所述实施例中用于运行组合式燃气和蒸汽轮机设备(GUD设备)。出于直观性原因，在此讨论只具有一个压力级的蒸汽轮机DT。与之相关地，本领域技术人员也能够毫无问题地理解将该蒸汽轮机DT扩展为具有多个压力级和相应的中间过热级的情形。

GUD设备的蒸汽轮机DT连接入给水循环1中。给水从给水贮水池R借助泵2输送到强制直流式蒸发器3中。在所述强制直流式蒸发器3之前通常附加地连接有此处未示出的用于预加热给水的省煤器。进入强制直流式蒸发器3的给水质量流可以通过调节阀4改变，所述调节阀的阀位置通过属于所述调节阀的伺服电机M进行调节。在强制直流式蒸发器3(以下简称为蒸发器3)中设置有多个加热面。根据结构，可以按照所述加热面在给水循环1中的顺序称为省煤器加热面5、蒸发器加热面6和过热器加热面7。在蒸发器出口处，给水转入其气相并且作为蒸汽借助连接在之后的过热器加热面8进一步加热。在蒸发器3和过热器加热面8之间还具有分离器AS，其在需要情况下将不期望的剩余水与蒸汽分离。过热的蒸汽最后用于在蒸汽轮机DT中产生电能并且在连接在之后的冷凝器K中再次冷凝成给水，所述给水被输送回给水贮水池R中。给水循环1的所有加热面均布置在热烟气通道9中。在所述热烟气通道9中导入燃气轮机GT的废气。所述废气首先流过过热器加热面7、8，然后流过蒸发器加热面6和最后流过省煤器加热面5以及(如果存在的话)流过图中未示出的用于预加热给水的省煤器。以此方式实现了废热蒸汽发生器，用所述废热蒸汽发生器(通过与蒸汽轮机DT的结合)可以将存储于燃气轮机GT的废气中的热量至少部分地用于产生电能。

为了确保尽可能高的效率，给水循环1中的给水质量流需要进行调节并且与可能由燃气轮机GT造成的热烟气供应波动协调适配。为此设置有相应的调节系统10，所述调节系统控制伺服电机M并且使调节阀4的位置匹配。

所述调节系统10基本上由所谓的功能模块FB01-FB10构成。所述模块或单元能够处理测量信号、调取保存在存储器中的数据并且通过逻辑连接将所述信号或数据转换为功能值，所述功能值要么传输给其它功能模块FB01-FB10，要么用作控制后续连接的设备如伺服电机M的指令代码。在所示实施例中，由功能模块FB01生成用于伺服电机M的控制指令。在此，作为数据基础或输入信号使用两个通过并行工作的控制回路确定的额定值，所述额定值通过乘法元件11相互连接。

所述两个控制回路之一设计为所谓的预测或预见式控制回路。通过这个以下称为初级回路的控制回路在考虑系统反应时间的情况下预先计算出，用多少给水质量流能够在之后的时段内实现基本上可靠且效率特别高的运行。所附属的代表质量流大小的参数称为初级额定值并且在所述之后的时段内相当于通过乘法元件11相连的两个额定值中的第一个。

为了确定初级额定值，将两个参数A和B在除法元件12处进行比对。通过功能模块FB02确定的参数A在此代表可供介质(即水)使用的热量，即从燃气轮机GT的废气中放出并且存储在蒸发器3中的热量减去暂存在蒸发器加热面5、6、7中的热量。正是应该利用该热量来引起蒸发器3中的介质确定的焓变化B。所述焓变化B通过在加法元件13处形成蒸发器出口处的期望介质焓值与蒸发器入口处的介质焓值之间的差而产生。蒸发器入口处的介质焓值在该计算中视为给定但可变，并且通过调用温度传感器14和压力传感器14a的测量信号的功能模块FB03确定。而介质的热动力状态并且因此还有蒸发器出口处的焓值应预先设定。为此，在功能模块FB04中保存有过热额定值。因此，蒸发器出口处的蒸汽温度应比介质沸点温度高出预设的量，即标准值，所述介质沸点温度借助蒸发器出口处的传感器15的数据确定。由此得出的蒸发器出口处的介质焓额定值由功能模块FB04传输给减法元件13。

在计算初级额定值时，还可以考虑其它参数，如用于动态影响因素的特征参数。相应的修正项由功能模块FB05确定并且添加到连接在除法元件12之后的加法元件16处。

也称为次级回路的第二控制回路设计为作出反应的控制回路并且应以精调的形式进一步提高整个调节系统10的精确度。这借助在减法元件17处进行额定值与实际值的比较实现。通过功能模块FB06将由功能模块FB04算出的蒸发器出口处的介质焓额定值作为额定值输入减法元件17。附属的焓实际值基于蒸发器出口处的温度传感器18以及压力传感器15的测量信号并且由功能模块FB07确定。最后，将由此确定的额定值与实际值的偏差输入比例积分调节元件19，所述比例积分调节元件19在输出侧提供用于乘法元件11的第二额定值或次级额定值。所述额定值指的是无量纲的相对参数，其与组合式发电站是处于满负荷运行还是部分负荷运行无关地接近于值1。因为控制回路的各部件只在有限的数值范围内特别有效地工作，所以可通过引用这种相对参数而使预期的数值范围与绝对参数无关地在很大程度上与关于部件的有利数值范围一致。

按照本发明，为了释放瞬时功率储备，将过热额定值从它的设计用于燃气和蒸汽轮机设备以相对较高的效率稳定运行的标准值降低为较小的激活值。这种额定值的降低既影响调节系统10的初级回路，也影响调节系统10的次级回路。与此相关的系统区域通过附图标记20和21标出。

作为示例，过热额定值在所述实施例中跳跃性地变化。因此，可通过转换每个控制回路中的开关22、23来引起这种变化。在此，每个开关通过附属的功能模块FB08、FB09控制，其中，两个开关22、23的转换基本上同时进行。作为对此的备选也可以设计为没有开关22、23。在这种情况下，功能模块FB08、FB09承担了更复杂的任务。取代只简单地在两个值之间来回切换，功能模块FB08、FB09根据在发电并网时测得的频率扰动自动地预设处于保存的数值范围内的匹配的过热额定值。

蒸发器出口处的介质焓额定值也随着过热额定值的降低而降低。基于激活值的焓额定值通过附加的功能模块FB10计算。在瞬时功率储备的激活阶段期间，所述焓额定值既在次级回路的减法元件17处也在初级回路的减法元件13处代替属于标准值的焓额定值。

由此，输入蒸发器3中的给水质量流增大，因此通过蒸发器3的给水流量也升高了。通过该措施，蒸发器3和后续的过热器加热面中的热能通过具有相对较低介质温度的更高通流量被输出并且在蒸汽轮机DT中以附加功率的形式释放。

Claims (12)

1.一种用于运行组合式燃气和蒸汽轮机设备的方法，所述组合式燃气和蒸汽轮机设备具有燃气轮机(GT)、在废气侧或燃气侧连接在燃气轮机(GT)之后的具有至少一个可供流动介质流通的蒸发器加热面(6)的废热蒸汽发生器和在流动介质侧连接在所述废热蒸汽发生器之后的蒸汽轮机(DT)，在所述组合式燃气和蒸汽轮机设备中将流动介质以给水的形式输送给废热蒸汽发生器，其中，设有用于预测控制给水质量流的初级控制回路，并且根据表征流动介质在蒸发器加热面(6)出口处相对其沸点的温度超出量的过热额定值和根据表征通过蒸发器加热面(6)从燃气传递到流动介质的热流的热流特征值，在考虑在蒸发器加热面构件中存入的热量的情况下，确定用于给水质量流的初级额定值，并且相应地再调节给水质量流，其特征在于，

为了激活可暂时使用的瞬时功率储备，将过热额定值从其设计用于燃气和蒸汽轮机设备以相对较高效率稳定运行的标准值降低为较小的激活值，其中，所述将过热额定值降低为较小的激活值突然地并且跳跃式地进行。

2.按权利要求1所述的方法，其中，这样选择所述激活值，使得温度超出量在激活阶段保持为正。

3.按权利要求2所述的方法，其中，在激活阶段，将所述温度超出量调节到5K至15K之间的范围内。

4.按权利要求1至3之一所述的方法，其中，在处于激活阶段之前的正常运行中，将所述温度超出量调节为至少30K。

5.按权利要求1至3之一所述的方法，其中，流动介质在所述蒸发器加热面(6)出口处的沸点根据在该处测得的流动介质压力确定。

6.按权利要求1至3之一所述的方法，其中，为了确定用于给水质量流的初级额定值，求出所述热流特征值与表征流动介质在所述蒸发器加热面(6)内的焓升高量的焓差特征值之间的商，并且其中，根据换算为焓额定值的过热额定值和在蒸发器加热面(6)入口处测得的流动介质焓确定所述焓差特征值。

7.按权利要求1至3之一所述的方法，其中，借助次级控制回路通过将在蒸发器加热面(6)出口处测得的流动介质焓与在该处预设的焓额定值进行比较，确定用于给水质量流的次级额定值，并且其中，根据由所述初级额定值和次级额定值构成的总额定值再调节所述给水质量流，其中，将所述初级额定值与次级额定值相乘以构成总额定值。

8.按权利要求7所述的方法，其中，在所述激活阶段，将所述焓额定值从其设计用于燃气和蒸汽轮机设备以相对较高效率稳定运行的初始值转换为较小的激活值。

9.按权利要求8所述的方法，其中，所述焓额定值基本上与温度额定值同时转换。

10.按权利要求1至3之一所述的方法，其中，在所述激活阶段结束时，连续地并且在时间上延迟地从各激活值转换回对应的标准值。

11.一种组合式燃气和蒸汽轮机设备，具有燃气轮机(GT)、在废气侧连接在燃气轮机(GT)之后的具有至少一个可供流动介质流通的蒸发器加热面(6)的废热蒸汽发生器、在流动介质侧连接在所述废热蒸汽发生器之后的蒸汽轮机(DT)和能够通过调节阀(4)调节的用于废热蒸汽发生器的给水入口，其中，设有用于给水质量流的调节装置，所述调节装置具有用于实施按权利要求1至10之一所述的方法的器件。

12.一种用于组合式燃气和蒸汽轮机设备的调节装置，具有用于实施按权利要求1至10之一所述的方法的器件。