CN103967623B - 燃气涡轮欠频响应改进系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮欠频响应改进系统和方法。提供一种通过提供快速响应功率增强系统来改进燃气涡轮的欠频响应的系统和方法。系统包括存储以预定比例掺和的动力燃料(诸如乙醇或甲醇)和软化水的混合物的罐，提供该混合物来作为待通过一至三个专用回路喷射到压缩机钟形口、压缩机排气室(CDC)和/或燃烧系统中的稀释剂。为了在正确压力下实现稀释剂的即时喷射达合适的持续时间，以满足燃气涡轮电网依从性要求的需要，使用蓄能器作为驱动专用回路中的增强流体的原动力。微处理器基于对最佳涡轮控制和性能的确定来控制喷射的稀释剂，使其同时喷射到所有三个回路中，或者按顺序喷射。

Description

燃气涡轮欠频响应改进系统和方法
技术领域
本文公开的主题大体涉及用于控制燃气涡轮(GT)的运行的系统和方法，并且更特别地，涉及用于燃气涡轮的欠频(under frequency)响应改进系统。
背景技术
虽然连接到电力输配网络或“电网”的各个发电机可单独工作，但各个发电机都受使其为一组发电机的一部分的一个关键参数约束。电网和所有独立发电机共同的关键因素是频率。虽然电网频率会改变，但目标是电网频率保持在狭窄范围内，以使传输网络系统稳定。电网频率的正常容许变化局限于±0.5 Hz或更低的非常小的范围。考虑到这一点，可推测的是，在任何时间点，连接到电网的所有发电机都以相同速度或以“同步”模式运行。
为了保持频率稳定，作为标准的50 Hz电网准则要求当频率低于某个值(例如，对于50Hz系统，49.5 Hz)时，使产生的输出在4-5秒内增加4%-6%。这些准则还规定功率输出必须最低保持预定值，例如，对于50Hz系统，48.5Hz。另外，如果频率进一步下降到低于这个值，则允许产生的输出在47Hz的频率下下降5%，以保护机器、恢复和稳定电网。本领域技术人员将理解的是，这个概念还适合频率调整要求典型地为1%的60Hz系统，其中，低频率分类包括范围为57.8Hz至大约59.5Hz的频率。
可将不是固定值的频率简单地解释为AC(交流)系统中的电流的方向变化。电网频率直接与发电机的旋转速度关联，而且还指示功率产生和消耗之间的平衡的正常波动。例如，50Hz系统上的发电机以3000 rpm的速度旋转，因为发电机中的转子具有两极，并且因而3000 rpm为50转每秒，或者每一秒，单个磁场都切割定子线圈50次。
如果涡轮发电机中的几个由于容量限制而无法提高速度，则将需要电网上的其它发电机进行补偿。当所有发电机都达到它们的电网供应/贡献容量限制时，或者如果生产量有损失或者负载有较大增加，则电网可开始以较低频率运行。这指示电网过载，并且要求需求/发电机输出变化保持电网稳定。进而，旋转速度降低会使燃气涡轮压缩机的体积流量/质量流量减少，以及燃气涡轮输出减少。当出现这种情形时，典型地立即执行合适的措施，以补偿这个行为。
例如，为了满足欠频引起的功率输出增加要求，燃气涡轮OEM已经利用了几种可在短时间内实现的措施，以增加功率输出。标准方法是快速打开压缩机上的入口导叶(IGV)，同时增加燃料流，以提高涡轮速度。但是，这个传统响应仅可提供有限的功率增加，大约1%-2%，而且取决于涡轮发电机在干扰时的载荷–基本负载或部分负载，以及涡轮超过其峰值燃烧或过燃烧所施加的燃烧限制的能力。
燃气涡轮一般以减弱模式(4%标准)连接到电网/网络，主要目标是供应足够的功率，以及使电网频率保持在设定运行极限内，以实现电网运行稳定。可在连接的生产量或负载中引起导致大量损失或增加的电网不稳定性对电网频率有显著影响。取决于负载或生产量变化的性质，系统频率将提高或降低。在减弱模式中，电网频率的这些变化将使燃气涡轮提高或降低功率生产量，以便保持期望的电网频率。
随着连接在电网上的电负载增加，发电机往往以较低速度运行。这个由常规频率控制措施补偿，例如燃气涡轮控制将较多燃料供应到涡轮，同时调节通往压缩机的空气流，从而提高速度。例如，现有技术的欠频响应系统利用湿压缩的内在好处，以通过将水喷射到压缩机排气室(CDC)和/或燃烧系统中以增加空气质量流量和降低空气温度所得到的增加的质量流量，来实现功率增强。冷却作用使空气更稠密，以便通过“湿压缩”提高压缩比。然后涡轮可以全速运行，人工地提高空气密度，以实现功率增强。
在湿压缩系统中，涡轮控制器构造成使得只要存在需要产生额外的功率电网扰动，就结合同时增加燃料和空气，暂时在压缩机入口处喷射软化水喷雾。软化水蒸发会冷却进入压缩机入口的空气流。这个喷射的软化水的质量会提高空气密度，并且从而由于此冷却而增加通过压缩机的质量流量。但是，这些类型的系统快速启动会对控制系统保持最优控制构成挑战，因为如果燃气涡轮控制和水喷射得到完美的协调，则功率输出增加仅可在短时间内进行。此外，传统的空气流增强系统一般无法足够快地增强空气流，以满足上面提到的关于及时响应的标准要求。
GE 专利申请No. 2008/0047275 A1描述了一种用以消除压缩机空气流量改变而引起的响应延迟的控制方案。系统确定电网频率相对于标准化电网频率值的偏差，并且调节来自燃料回路的一部分的燃料流，同时使来自压缩机的空气流保持基本恒定，以促进控制燃料与压缩机排气压力比，使得当燃烧器对电网频率偏差作出响应时，燃烧器状态不会延迟空气流量的变化，以及使得不失去燃烧火焰。
在电网过频事件期间，通往燃气涡轮的燃料流减少，以使得涡轮能够满足电网的降低的功率需求。备选地，导致生产损失或增加大负载的电网频率下降可引起欠频事件。为了补救此情形，燃气涡轮将产生更多功率，以使电网稳定。在这种情况下，必须增加通往燃气涡轮的燃料流，以防止燃气涡轮内有不稳定。
当以其最大输出容量运行的燃气涡轮连接到电网时，其提供额外的有功功率以在欠频状况期间支持电网的能力有限。在这种情形下，当燃气涡轮处于其“最大容量”时，它将必须进行过燃烧或峰值燃烧，以满足要求的百分点输出增加电网支持要求。但是，使涡轮过燃烧对排放符合规定的燃烧稳定性有有害影响，并且例如由于对涡轮的内部构件的金相有不利影响，而对热气路径(HGP)构件寿命有有害影响。
频率调整和电网响应裕度在全球被许多管理机构规定。这个裕度典型地由使燃气涡轮在基本负载之上进行峰值燃烧实现，以使得能够基于循环构造(简单或联合循环)，在标称基本定额负载之上输送2-5%的额外输出。但是，在一些情况下，燃气涡轮无法进行峰值燃烧，并且需要使这些单元中的大部百分比下降到基本负载容量之下，以便遵守地区电网准则。例如，为了不使燃气涡轮过燃烧以满足处于欠频状况的电网的需要，通常使燃气涡轮减载运行，以促进具有储备裕度(例如5%)，以在需要时允许增速，以满足电网欠频需求的快速功率发生上升速率。但是，使燃气涡轮减载运行会导致燃气涡轮的效率降低，并且因而是代价高昂且一般不合需要。
因而期望有一种用以提高燃气涡轮的欠频电网响应能力的改进的方法和系统，并且更特别地，期望有一种用于运行燃气涡轮，以提供较快速的改进电网欠频支持，而不使燃气涡轮减载运行的方法和系统。
发明内容
提供一种系统和方法，其通过提供快速响应功率增强系统来改进燃气涡轮的欠频响应。在示例性实施例中，系统包括存储动力燃料(诸如以预定比例掺和的乙醇或甲醇和软化水的混合物)的罐，提供动力燃料来作为待通过一至三个专用回路喷射到压缩机钟形口、压缩机排气室(CDC)和/或燃烧系统中的稀释剂。这个掺和混合物有双重目的，即，与单独的水相比降低蒸发温度，以及同时添加燃料源，以适应增加的空气质量流量。为了实现在正确压力下即时喷射稀释剂达合适的持续时间，以满足燃气涡轮电网依从性要求的需要，使用蓄能器作为动力燃料，以驱动专用回路中的增强流体。微处理器基于对最佳涡轮控制和性能的确定来控制喷射的稀释剂，使其同时喷射到所有三个回路中，或者按顺序喷射。
在第一示例性实施例中，蓄能器被压缩机放气加压，并且接收在压缩机入口处的功率增强流体(诸如水/甲醇或乙醇混合物)的流体喷射，功率增强流体存储在流体存储罐中，并且被泵送到蓄能器中，以保持预定液位。另一方面，在第二示例性实施例中，专用蓄能器加压泵代替压缩机放气，并且将功率增强流体喷射到压缩机排气口和/或燃烧系统。
本文公开的功率产生系统包括连接到电网的涡轮发动机、至少将压缩空气提供给涡轮发动机的压缩机，以及涡轮发动机控制系统。在示例性实施例中，涡轮发动机控制系统包括监测电网相对于标准化电网频率值的频率波动的传感器，以及响应于检测到的电网频率波动来调节通往涡轮发动机的燃料和空气流的控制器。在传感器检测到电网的欠频状况时，控制器至少将动力燃料(诸如水和乙醇或甲醇的混合物)提供给压缩机，以增强通往涡轮发动机的质量流量。蓄能器在压力下存储水和乙醇或甲醇的混合物。空气加压系统提供加压，空气加压系统将蓄能器持续地增压到响应于检测到电网的欠频状况而有效地输送无延迟响应的压力。空气加压系统可包括在控制器的控制下对蓄能器提供压缩机放气的流道，或者与压缩机分开的变频排气泵。
在示例性实施例中，蓄能器布置成在控制器的控制下选择性地通过第一流径将水和乙醇或甲醇的混合物提供给压缩机的钟形口，通过第二流径将水和乙醇或甲醇的混合物提供给压缩机的输出处的压缩机排气室，以及/或者通过第三流径将水和乙醇或甲醇的混合物提供给涡轮发动机的燃烧系统。控制器编程有一组规则，用于响应于在电网上检测到的欠频状况，来控制将用来增强涡轮发动机的功率输出的混合物的质量流量的输送。基于检测到的欠频变化的程度和响应时间要求来处理感测值，并且使用经处理的输出来选择性地控制提供给第一流径、第二流径和/或第三流径的水和乙醇或甲醇的混合物。在与燃气涡轮控制系统交互的增强系统控制软件中实现算法，算法处理涡轮运行参数、用于确定排气压力的电网频率变化，以及用于响应于检测到的欠频状况来对通往第一流径、第二流径和/或第三流径配给水和乙醇或甲醇的混合物的流分配速率。
还描述一种控制对涡轮发动机和/或空气压缩机供应的燃料和空气的方法，空气压缩机将压缩空气提供给涡轮发动机，其中，涡轮发动机连接到电网，以对电网提供产生的功率。方法包括确定电网相对于标准化电网频率值的欠频偏差，以及在检测到电网的欠频偏差时，通过至少将加压动力燃料(诸如水和乙醇或甲醇的混合物)提供给压缩机来调节至少通往压缩机的质量增强空气流，以增强通往涡轮发动机的质量流量。方法还包括在控制器的控制下，在程序控制下，选择性地通过第一流径将水和乙醇或甲醇的混合物提供给压缩机的钟形口，通过第二流径将水和乙醇或甲醇的混合物提供给压缩机的输出处的压缩机排气室，以及/或者通过第三流径将水和乙醇或甲醇的混合物提供给涡轮发动机的燃烧系统。程序包括基于下者的算法：涡轮运行参数、用于确定排气压力的电网变化，以及用于响应于检测到的欠频状况来对第一流径、第二流径和/或第三流径配给水和乙醇或甲醇的混合物的压力降低速率。方法进一步包括以下步骤：通过调节入口导叶和通往压缩机和涡轮发动机的燃料流来使来自压缩机的空气流保持恒定，以促进控制燃料与压缩机排气压力比，使得在涡轮发动机的燃烧器对电网的欠频偏差作出响应时，涡轮发动机的燃烧状态不会延迟空气流的变化。
因而本文描述的系统和方法提供用于使来自压缩机的空气流保持基本恒定的涡轮控制系统，以促进控制燃料与压缩机排气压力比，使得当燃烧系统对电网频率偏差作出响应时，燃烧器状态不会延迟空气流的变化。在示例性实施例中，使用压缩空气作为用于首先响应于确定欠频的动力燃料驱动器，以提供无延迟响应。另外，蓄能器将水和乙醇/甲醇的组合驱动到用于控制涡轮的三个可行位置中的一个、两个或组合。在初始响应之后，如果认为必要的话，可使用传统马达来提供持续排出，同时对蓄能器进行再增压，以支持马达。
一种控制对涡轮发动机和/或空气压缩机提供的燃料和空气的涡轮控制系统，所述空气压缩机对所述涡轮发动机提供压缩空气，所述涡轮发动机连接到电网上，以对电网提供产生的功率，所述系统包括：
监测所述电网相对于标准化电网频率值的频率波动的至少一个传感器；
在压力下存储水和动力燃料的混合物的蓄能器；以及
控制器，其响应于检测到的电网频率波动来调节通往所述涡轮发动机的燃料和空气流，所述控制器在所述至少一个传感器检测到所述电网的欠频状况时，将水和动力燃料的加压混合物提供给至少所述压缩机，以增强通往所述涡轮发动机的质量流量。
在一个实施例中，所述动力燃料包括下者中的至少一种：乙醇、甲醇或它们的任何组合。
在一个实施例中，所述蓄能器的输出布置成以便在所述控制器的控制下选择性地通过第一流径将水和动力燃料的混合物提供给所述压缩机的钟形口，通过第二流径将水和动力燃料的混合物提供给所述压缩机的输出处的压缩机排气室，通过第三流径将水和动力燃料的混合物提供给所述涡轮发动机的燃烧系统，或者进行它们的任何组合。
在一个实施例中，所述控制器编程有一组规则，用于响应于所述电网的检测到的欠频状况而控制将用来增强所述涡轮发动机的功率输出的混合物的质量流量的输送，以便基于检测到的欠频状况的程度和对于修正检测到的欠频状况的响应时间要求，来将水和动力燃料的混合物选择性地提供给所述第一流径、所述第二流径和/或第三流径。
在一个实施例中，所述控制器包括处理器，所述处理器处理软件，以实现基于下者的算法：涡轮运行参数、用于确定排气压力的电网变化，以及用于响应于所述检测到的欠频状况来配给通往所述第一流径、所述第二流径和/或所述第三流径的水和动力燃料的混合物的压力降低速率。
在一个实施例中，进一步包括空气加压系统，其将所述蓄能器持续地增压到响应于检测到所述电网的欠频状况而有效地输送无延迟响应的压力。
在一个实施例中，所述空气加压系统包括在所述控制器的控制下对所述蓄能器提供压缩机放气的流道。
在一个实施例中，所述空气加压系统包括变频排气泵。
一种功率产生系统，包括：
连接到电网的涡轮发动机；
至少对所述涡轮发动机提供压缩空气的压缩机；以及
涡轮发动机控制系统，其包括：监测所述电网相对于标准化电网频率值的频率波动的至少一个传感器；以及控制器，其响应于检测到的电网频率波动来调节通往所述涡轮发动机的燃料和空气流，在所述传感器检测到所述电网的欠频状况时，所述控制器选择性地通过第一流径将动力燃料提供给所述压缩机的钟形口，通过第二流径将动力燃料提供给所述压缩机的输出处的压缩机排气室，通过第三流径将动力燃料提供给所述涡轮发动机的燃烧系统，或者在所述控制器的控制下进行它们的任何组合，以增强通往所述涡轮发动机的质量流量。
在一个实施例中，增强动力燃料是水和乙醇或甲醇的混合物，所述涡轮发动机控制系统进一步包括在压力下存储水和乙醇或甲醇的混合物的蓄能器。
在一个实施例中，所述控制器编程有一组规则，用于响应于所述电网的检测到的欠频状况而控制将用来增强所述涡轮发动机的功率输出的混合物的质量流量的输送，以便基于检测到的欠频状况的程度和用于修正检测到的欠频状况的响应时间要求，来将水和乙醇或甲醇的混合物选择性地提供给所述第一流径、所述第二流径和/或第三流径。
在一个实施例中，所述控制器包括处理器，所述处理器处理软件，以实现基于下者的算法：涡轮运行参数、用于确定排气压力的电网变化，以及用于响应于所述检测到的欠频状况来配给通往所述第一流径、所述第二流径和/或所述第三流径的水和乙醇或甲醇的混合物的压力降低速率。
在一个实施例中，进一步包括空气加压系统，其将所述蓄能器持续地增压到响应于检测到所述电网的欠频状况而有效地输送无延迟响应的压力。
在一个实施例中，所述空气加压系统包括在所述控制器的控制下对所述蓄能器提供压缩机放气的流道。
在一个实施例中，所述空气加压系统包括变频排气泵。
一种控制对涡轮发动机和/或空气压缩机供应的燃料和空气的方法，所述空气压缩机对所述涡轮发动机提供压缩空气，所述涡轮发动机连接到电网，以对电网提供产生的功率，所述方法包括：
检测所述电网相对于标准化电网频率值的欠频偏差；
在检测到所述电网的所述欠频偏差时，通过将水和动力燃料的加压混合物至少提供给所述压缩机，来调节至少通往所述压缩机的质量增强流量，以增强通往所述涡轮发动机的质量流量。
在一个实施例中，进一步包括通过调节入口导叶和通往所述压缩机和涡轮发动机的燃料流来使来自所述压缩机的空气流保持恒定，以促进控制燃料与压缩机排气压力比，使得当所述涡轮发动机的燃烧器对所述电网的频率偏差作出响应时，所述涡轮发动机的燃烧器状态不会延迟空气流中的变化。
在一个实施例中，进一步包括在所述控制器的控制下选择性地通过第一流径将水和动力燃料的混合物提供给所述压缩机的钟形口，通过第二流径将水和动力燃料的混合物提供给所述压缩机的输出处的压缩机排气室，通过第三流径将水和动力燃料的混合物提供给所述涡轮发动机的燃烧系统，或者进行它们的任何组合。
在一个实施例中，所述提供水和动力燃料的混合物包括：处理基于下者的算法：涡轮运行参数、用于确定排气压力的电网变化，以及用于响应于所述检测到的欠频状况来对所述第一流径、所述第二流径和/或所述第三流径配给水和动力燃料的混合物的压力降低速率；以及将水和动力燃料的混合物选择性地提供给所述第一流径、所述第二流径和/或所述第三流径，以修正所述欠频状况。
在一个实施例中，进一步包括将水和动力燃料的混合物加压到响应于确定所述电网的欠频偏差而有效地输送无延迟响应的压力。
根据结合附图得到的优选实施例的以下较详细描述，声明的发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以示例的方式示出声明的发明的某些方面的原理。
附图说明
图1示出欠频响应控制系统的第一实施例。
图2示出欠频响应控制系统的第二实施例。
图3示出欠频响应控制系统的第三实施例。
部件列表
100欠频响应控制系统
102存储罐
104液位传感器
105燃气涡轮
106主供应泵
108备用供应泵
110基于微处理器的控制系统
112蓄能器罐
114流量传感器
116液位传感器
118最低液位传感器
120最高液位传感器
122压缩机
124调幅阀
126流量传感器
128压力传感器
130燃气涡轮控制器
132调幅阀
134通往钟形口、CDC和/或燃烧器的燃料回路
134'通往钟形口的燃料回路
134"通往钟形口和燃烧元件的燃料回路
136钟形口
138压缩机排气室
140燃烧器
141入口导叶
142调幅阀
144调幅阀
146调幅阀
148流量传感器
150流量传感器
152流量传感器
154压力传感器
300变频驱动加压泵
302泵的马达驱动器
304流量传感器
306压力传感器
308调幅阀。
具体实施方式
本文公开的实施例通过提供快速响应功率增强系统来对燃气涡轮提供改进的欠频响应。在各个示例性实施例中，提供以预定比例存储乙醇或甲醇和软化水的掺和混合物的罐，掺和混合物作为待喷射到压缩机钟形口、压缩机排气室(CDC)和/或燃烧系统中的稀释剂。为了实现在正确压力下即时喷射稀释剂达合适的持续时间，使用蓄能器，蓄能器接收来自压缩机或单独的气泵的加压空气供应。微处理器基于对最佳涡轮控制和性能的确定来控制稀释剂喷射，以将稀释剂作为质量流量增强流体提供给一个回路，将稀释剂同时提供到三个回路中，或者使稀释剂按顺序进入回路中。加压空气、水和乙醇/甲醇混合物较快速地雾化，以提供即时响应。
发电机保护和控制系统和燃气涡轮控制器包括用以确定电网频率的传感器，以促进涡轮速度和发电机保护。相对于标准化频率值有负频率变化将促使涡轮控制器调节空气和燃料流，以产生合适的功率递增百分比，以依从电网准则要求。将在下面关于图1-3描述用于高效地执行这个功能的实施例。
图1示出欠频响应控制系统100的第一实施例。图1中的存储罐102保持以预定比例(例如，50/50)掺和的预定量的乙醇或甲醇和软化水(优选同质)的混合物。掺和混合物的量由液位传感器104监测，并且基于燃气涡轮105的输出要求，满足电网响应输出增加要求的流量要求，以及特定电网准则中要求的需要响应。如示出的那样，当基于微处理器的控制系统110促使泵开始将流体泵送到蓄能器罐112时，通过主供应泵106和备用供应泵108提供乙醇或甲醇和软化水的掺和混合物。通往蓄能器罐112的掺和混合物的流量由流量传感器114监测，并且被提供给控制系统110，以进行反馈控制。液位传感器116比较流体液位与最低液位118和最高液位120，以对控制系统110提供数据，数据指示蓄能器罐112中的流体液位为最低液位还是低于最低液位，或者为最高液位还是高于最高液位，使得控制系统110可合适地打开/关闭供应泵106和108。
如图1中示出的那样，蓄能器罐112还接收加压空气供应，该加压空气供应从压缩机122放出且通过调幅阀124供应到蓄能器罐112，以对蓄能器罐112内的流体加压。流量传感器126将流量数据提供给控制系统110，使得控制系统可检测阻塞，补偿蓄能器罐112中的空气压降，以及通过调节调幅阀124以别的方式恰当地调整空气流量。压力传感器128测量蓄能器罐112中的压缩空气的压力，以将反馈控制数据提供给控制系统110。例如，压力传感器128提供应急系统，应急系统使蓄能器罐112中的压力保持处于对于所需排出响应最优的空气压力，所需排出响应又随响应时间要求、管道与压缩机的距离、流路的大小等而改变。例如，最优空气压力是响应于在电网上检测到欠频状况而有效地输送无延迟响应的空气压力。将理解的是，在最初响应于欠频状况有而效地从蓄能器罐112即时排出空气压力之后，蓄能器罐112可能需要高达1-2分钟的时间用来自存储罐102的加压空气和流体再增压。因而，在示例性实施例中，合乎需要的提供足够的空气排气，以对系统提供功率达1-2分钟，或者至少直到流体泵到达全速。
在电网以标准化电网频率值运行的情况下，欠频响应控制系统100的基于微处理器的控制系统110将是休眠的，但不断与发电机保护面板(GPP)和燃气涡轮控制器130通信。一旦存在电网频率相对于标准化电网频率范围的负偏差(欠频状况)的终止，系统100就将立刻运行。
在证实了对欠频情形的确定时，控制器110将促使压缩空气从蓄能器罐112中释放，压缩空气将通过调幅阀132把增强流体流输送到增强流体回路134，从而将掺和混合物提供给压缩机钟形口136、CDC 138和/或燃烧器140，以如显示的那样协助增强功率和控制排放。燃气涡轮控制器130将调节入口导叶(IGV)141，以使通往压缩机122的空气流保持基本恒定，以促进控制燃料与压缩机排气压力比，使得当燃烧系统响应于电网频率偏差时，燃烧器140的状态不会延迟空气流的变化。
在最初排出基于蓄能器的空气期间，包括在系统中的电动泵(未显示)将启动，并且排出增强流体。考虑到这一点，随着来自蓄能器罐112的空气流/压力降低，这个电动泵也将由于“促动”信号而启动，并且将继续使稀释剂保持流到增强流体回路134中达满足电网准则要求所需的持续时间。在此期间，蓄能器112将持续地被压缩机放气或加压泵进行再增压，而且将保持加压，以用于下一个欠频情形。
在图1的实施例中，控制系统110可基于响应要求，通过控制相应的回路中的调幅阀142、144和146，来选择性地控制增强流体回路134。换句话说，控制系统110可基于测得欠频状况的程度和响应时间要求来控制提供到用于控制涡轮105的三个可行位置中的一个、两个或组合中的水和乙醇/甲醇的组合。例如，可通过所有三个流径来提供水和乙醇/甲醇的组合，以针对陡的频下降进行调节。备选地，对于不那么显著的频率下降，可使用仅一个或两个控制路径。
在示例性实施例中，控制系统110在软件程序控制下运行，以实现一组规则，用于响应于电网欠频偏移而通过选择性地控制从蓄能器罐112提供给相应的流径134的水和乙醇/甲醇混合物来控制将用来增强功率输出的混合物的质量流量的输送。在示例性实施例中，软件程序可包括基于下者的预定算法：涡轮运行参数、用于确定排气压力的电网变化，以及用于响应于检测到的欠频状况来对相应的分配回路配给质量流量增强流体的压力降低速率。由于这种算法对本领域技术人员是直接了当的且这种算法很大程度上取决于具体构造，所以在这里不提供这种算法的细节。流量传感器148、150和152和压力传感器154将反馈信息提供给控制系统110，以通过算法处理，而且控制系统110又提供输出，以通过调节调幅阀142、144和/或146来调整混合物流量。
图2示出欠频响应控制系统的第二实施例。图2的实施例与图1的相同，只是未显示燃气涡轮控制器130，以及提供仅单个控制路径来将水和乙醇/甲醇的组合提供到压缩机122的钟形口中。由于提供仅一个路径134'，而非如图1的实施例中那样三个路径，所以与图1的实施例相比，这个实施例提供较粗略的调节。
图3示出欠频响应控制系统的第三实施例。图3的实施例与图1和2的实施例相同，除了燃气涡轮控制器130未显示，以及单独的蓄能器加压空气供应由马达302驱动的变频驱动(VFD)加压泵300提供，而非由来自压缩机122的放气提供。而且，在图3的实施例中，两个流径134"将水和乙醇/甲醇的组合提供到压缩机122的钟形口136中，也可选择将水和乙醇/甲醇的组合提供给压缩机122和/或燃烧器140，而不是CDC。如示出的那样，流径134"可包括流量传感器304和压力传感器306，以将反馈信息提供给控制系统110，以通过调节各个流径中的调幅阀308来调整混合物流量。
本文描述的欠频响应系统和方法的技术效果和优点包括提高单元的质量流量，以及协调质量流量与燃料流需求的增加。对于各个示出的实施例，另外的效果和优点包括以下中的一个或多个：
•与单独的水相比，甲醇/乙醇和水混合物蒸发较快且处于更低的温度，从而允许将更冷的压缩得更多的空气提供给涡轮，以改进响应；
•甲醇/乙醇和水混合物同时添加燃料与增加的空气质量流量，从而允许改进燃烧系统响应；
•连接到电网的涡轮可以其实际基本负载容量定额运行，不需要使燃气涡轮减载运行来补偿电网响应要求；
•可对由特殊构造的控制系统支持的一个或多个单元安装一个系统；
•系统可与目前安装在现场的具有连接到同一网络上的多个单元的“负载共享系统”结合；
•当安装好时，系统不会对装置可靠性和加热速率有影响；
•系统消除当电网欠频变化在连接的机器的响应能力之外时，以持续动态运行的需要；
•除了本文描述的乙醇/甲醇和去离子(DI)水，系统允许利用广泛的质量流量增强动力流体掺和物；
•系统使电网欠频响应标准化，并且优化其控制；
•通过基于测得欠频状况的程度和响应时间要求而将水和乙醇/甲醇的组合选择性地提供到用于控制涡轮的三个可行位置中的一个、两个或组合中，系统对燃烧系统提供额外的调谐能力；
•系统对频率转变提供较快速的响应时间，即，基于蓄能器的喷射系统可比马达驱动式系统更快速地上升或关闭，以满足目标电网支持要求；
•可改变协议，由此可包括喷射作为干式低NOx(DLN)系统调谐的一部分；
•可在电网非常不稳定的世界范围内，以及在顾客将具有增加的收益以实现显然的改进欠频响应的情形中使用系统；
•系统将减少要满足欠频响应要求的涡轮的过燃烧，从而改进装备使用寿命；
•可利用系统来提高功率和减少NOx；以及
•可将系统容易地改造到较旧的DLN可选的燃气涡轮上。
运行注解
本领域技术人员将理解，为了通过提高或降低功率以支持频率来满足电网的需要，涡轮控制系统必须自动地控制通往燃烧系统的燃料流的增加或减少。此外，因为在遵守排放规定的情况下燃烧的燃气涡轮基于燃料空气比，所以燃料流的增加或减少伴随着入口导叶(IGV)141的对应的打开或关闭，以增加或减少通往燃烧器140的空气流，以确保在遵守排放规定的情况下燃烧。不协调地同时增加或减少燃料流和空气流两者可导致燃烧不稳定性/偏移。
此外，为了阻止任何燃烧偏移，典型地在空气流调节之前开始燃料流调节。对于连接到网络的燃气涡轮，主要使用两个参数，以促进响应于电网/功率需求来控制燃料和空气流，即，测得的压缩机压力比(CPR)和测得的燃气涡轮排气温度(TTXM)。燃料流量由燃料阀位置控制，并且空气流量由压缩机入口导叶位置控制。CPR和TTXM还用来通过控制通往燃烧器喷嘴的燃料分配/分割，来限定燃烧系统的状态。燃料分割由定位在各个燃烧器燃料分支中的阀感测和控制。因而，在燃料流/空气流变化使CPR或TTXM改变之前，需要的燃料流和/或空气流的变化不会导致燃烧器燃料分割改变。因而，通过设计，燃烧器状态会落后于燃气涡轮发动机的状态。
由于燃烧器状态延迟，大型电网波动一般会使燃料流/空气流迅速改变，大型电网波动可导致燃烧器运行异常。特别地，在燃料流减少的运行期间，燃烧器可易于经受贫化燃料熄灭。此外，以贫化燃料状况运行可改变燃烧器内的动态压力振荡，从而引起燃烧器不稳定。另外，在燃料流增加的运行期间，可产生燃烧器动态压力振荡，这可引起燃烧器不稳定。不幸的是，燃烧器不稳定和/或火焰熄灭可导致电网损失功率。可通过使用上面描述的系统来解决这些状况，以在正常运行期间对通往压缩机122和燃气涡轮105的流体供应提供更精确的控制。对上面描述的系统的这些和其它修改对本领域技术人员将是显而易见的。
本文使用的用语仅是为了描述特定实施例，而不意于限制本发明。在用语的定义偏离用语的常用含义时，申请人意于利用本文提供的定义，除非有明确说明。单数形式“一个”、“一种”和“该”意于也包括复数形式，除非上下文另有明确的说明。将理解的是，虽然用语第一、第二等可用来描述各种元件，但这些元件不应受这些用语限制。这些用语仅用来区分一个元件与另一个元件。用语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目中的任一组合和全部组合。用语“联接到”和“联接”构想到直接或间接联接。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (13)

1.一种控制对涡轮发动机提供的燃料和空气的涡轮控制系统，所述涡轮发动机的空气压缩机对所述涡轮发动机提供压缩空气，所述涡轮发动机连接到电网上，以对电网提供产生的功率，所述系统包括：
监测所述电网相对于标准化电网频率值的频率波动的至少一个传感器；
在压力下存储水和动力燃料的混合物的蓄能器；以及
控制器，其响应于检测到的电网频率波动来调节通往所述涡轮发动机的燃料和空气流，所述控制器在所述至少一个传感器检测到所述电网的欠频状况时，将水和动力燃料的加压混合物提供给至少所述压缩机，以增强通往所述涡轮发动机的质量流量。
2.根据权利要求1所述的涡轮控制系统，其特征在于，所述动力燃料包括下者中的至少一种：乙醇、甲醇或它们的任何组合。
3.根据权利要求1所述的涡轮控制系统，其特征在于，所述蓄能器的输出布置成以便在所述控制器的控制下选择性地通过第一流径将水和动力燃料的混合物提供给所述压缩机的钟形口，通过第二流径将水和动力燃料的混合物提供给所述压缩机的输出处的压缩机排气室，通过第三流径将水和动力燃料的混合物提供给所述涡轮发动机的燃烧系统，或者进行它们的任何组合。
4.根据权利要求3所述的涡轮控制系统，其特征在于，所述控制器编程有一组规则，用于响应于所述电网的检测到的欠频状况而控制将用来增强所述涡轮发动机的功率输出的混合物的质量流量的输送，以便基于检测到的欠频状况的程度和对于修正检测到的欠频状况的响应时间要求，来将水和动力燃料的混合物选择性地提供给所述第一流径、所述第二流径和/或第三流径。
5.根据权利要求4所述的涡轮控制系统，其特征在于，所述控制器包括处理器，所述处理器处理软件，以实现基于下者的算法：涡轮运行参数、用于确定排气压力的电网变化，以及用于响应于所述检测到的欠频状况来配给通往所述第一流径、所述第二流径和/或所述第三流径的水和动力燃料的混合物的压力降低速率。
6.根据权利要求1所述的涡轮控制系统，其特征在于，进一步包括空气加压系统，其将所述蓄能器持续地增压到响应于检测到所述电网的欠频状况而有效地输送无延迟响应的压力。
7.根据权利要求6所述的涡轮控制系统，其特征在于，所述空气加压系统包括在所述控制器的控制下对所述蓄能器提供压缩机放气的流道。
8.根据权利要求6所述的涡轮控制系统，其特征在于，所述空气加压系统包括变频排气泵。
9.一种控制对涡轮发动机供应的燃料和空气的方法，所述涡轮发动机的空气压缩机对所述涡轮发动机提供压缩空气，所述涡轮发动机连接到电网，以对电网提供产生的功率，所述方法包括：
检测所述电网相对于标准化电网频率值的欠频偏差；
在检测到所述电网的所述欠频偏差时，通过将水和动力燃料的加压混合物至少提供给所述压缩机，来调节至少通往所述压缩机的质量增强流量，以增强通往所述涡轮发动机的质量流量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括通过调节入口导叶和通往所述压缩机和涡轮发动机的燃料流来使来自所述压缩机的空气流保持恒定，以促进控制燃料与压缩机排气压力比，使得当所述涡轮发动机的燃烧器对所述电网的频率偏差作出响应时，所述涡轮发动机的燃烧器状态不会延迟空气流中的变化。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述控制器的控制下选择性地通过第一流径将水和动力燃料的混合物提供给所述压缩机的钟形口，通过第二流径将水和动力燃料的混合物提供给所述压缩机的输出处的压缩机排气室，通过第三流径将水和动力燃料的混合物提供给所述涡轮发动机的燃烧系统，或者进行它们的任何组合。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述提供水和动力燃料的混合物包括：处理基于下者的算法：涡轮运行参数、用于确定排气压力的电网变化，以及用于响应于所述检测到的欠频状况来对所述第一流径、所述第二流径和/或所述第三流径配给水和动力燃料的混合物的压力降低速率；以及将水和动力燃料的混合物选择性地提供给所述第一流径、所述第二流径和/或所述第三流径，以修正所述欠频状况。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括将水和动力燃料的混合物加压到响应于确定所述电网的欠频偏差而有效地输送无延迟响应的压力。
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