CN104033249B - 用于操作联合循环动力设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于操作联合循环动力设备的方法。一种用于操作联合循环动力设备(1)的方法，设备(1)包括至少一个燃气涡轮(2)和至少一个蒸汽发电系统(10)，设备(1)启动可连接到电网(21)上的至少一个发电机(20)，其中燃气涡轮(2)包括压缩机(3)，且其中蒸汽发电系统(10)包括蒸汽涡轮(12)、热回收蒸汽发生器(11)和旁通线(40)，该方法使得燃气涡轮(2)卸载至压缩机(3)在其额定速度下操作的状态，该方法还使得蒸汽涡轮(12)与燃气涡轮(2)的卸载协调地卸载至由设备(1)输出至电网(21)的总负载大致等于零的状态，燃气涡轮(2)和蒸汽发电系统(10)两者连接。

Description

用于操作联合循环动力设备的方法
技术领域
本发明涉及一种在最低负载下操作包括燃气涡轮和蒸汽涡轮的联合循环动力设备而不产生供应至电网的电力的方法。
背景技术
在目前，来自于可再生能源的生产在稳定增长，将日益需要"常规"动力设备完成附加任务，以便向它们所连接的电网立即提供补充的电力生产，特别是在没有大规模储能系统的情况下，大规模储能系统仍离商业化较远。在白天期间的较大波动需要发电机快速反应来保持需求与生产之间的平衡。在这些情况下，动力设备必须将以灵活的方式将电力供应至电网：例如，当电网所需的能量较低时，它们必须能够使供应至电网的电力达到零，而当电网又需要电力时，它们必须能够很快地提供电力(在一些情况下，它们必须能够在数秒内提供几十兆瓦)。
在近十年里，常规电源的关键集中区域已经从基本负载变换至中间负载操作，且因此需要快速负载匀变、更短的低负载和起动时间，以及电网稳定。此外，对于辅助服务如提供控制储备和频率支持以及第三控制储备和负载遵循操作的需要也显著地增加。结果，已经出现了新的操作需求，如，两班操作(two-shift operation)、负载遵循操作、小岛操作(island operation)、自行起动能力(black start capability)、频率支持和很高的起动和操作可靠性，以便稳定电力网动态，且因此确保安全和经济的电力供应。
由于负载循环的需求变化且可再生能源的扩张在增加，故"常规"动力设备将必须适应存在超过或低于电力容量的时期。取决于国家和关注的电力网，需要各种动态能力来确保供应的安全，如，主要控制、次级控制、对于小岛操作的能力、甩负载、自行起动能力、断电后的电网恢复、频率稳定等。联合循环设备(即，包括燃气涡轮和蒸汽涡轮的动力设备)允许更宽负载范围内的更快负载变化，这使得这些设备更灵活。此外，当考虑快速起动和效率时，联合循环动力设备与其它发电方法相比更好。甚至，联合循环设备由于创新和特别开发的系统而比其它常规动力设备提供了显著更高的负载变化。
如果在未来，当前计划的可再生能力变得可操作，则之前的基本负载的动力设备(如，联合循环动力设备)将不仅需要降到部分负载运行，而且将必须在许多情况下完全停机来避免显著的产能过剩。这些联合循环动力设备然后将需要尽可能快地从停机状态下起动，以满足短期失去可再生电力的情况下的需要。在没有足够的储存系统的情况下的唯一解决方案在于在所谓的"两班操作"中增加常规设备的使用，即，日常的起动和停机(且有时每天若干次)，以便满足负载的波动。在这些操作状态下，重要的是起动能够很快且可靠地发生，这在联合循环设备的情况下是可能的，因为其燃料和燃烧系统相对简单。
如提到的那样，起动可靠性变为日益重要的问题，且联合循环设备在此方面显示出优于其它常规技术的显著优点，因为它们具有最低的复杂程度的事实。例如，根据EP 2423462 A2、EP 0605156 A2，CN 202230373 U，用于联合循环动力设备的若干起动方法是现有技术水平下已知的。例如，根据US 2005/0268594 A1、US 2009/0126338 A1或WO 2012/131575 A1，加强的起动是已知的。
用以将联合循环设备(具有燃气涡轮和蒸汽涡轮)连接到电网上的方法也是在现有技术水平下已知的，例如，根据EP 2056421。
如上文所述，随着电力市场的反常、高燃料价格和出现的可再生能量，更多联合循环动力设备作为峰值负载动力设备操作，因此其可如所需的那样快来调整它们供应的功率。
因此，动力设备制造商必须设计出一种联合循环动力设备，其不但用于基本负载操作，而且用于中等负载或最低可能负载操作，且尤其是具有提高的灵活性，这是在动力设备需要较低能量需求时如动力设备停机的情形中尽可能快地提供所需的性能所需的，或是对于提供需要的所需性能的设备的快速起动所需的。
由于动力设备从停止的任何起动与延迟或降低可靠性的一定风险相关联，故动力设备的操作者期望不从完全停机操作起动动力设备，而是从最低负载操作状态起动。此类操作策略将提供能够提供动力设备的正确进程来满足电力网络的需求的机会，特别提供了给定时间窗口内的可靠起动。然而，在最低可能负载下操作动力设备具有若干问题：
-动力设备卸载至最低负载操作导致蒸汽涡轮材料的应力过大。在某一燃气涡轮操作范围以下，降低的燃气涡轮排气温度导致热回收蒸汽发生器(HRSG)的蒸汽温度降低，因此导致冷却热蒸汽涡轮材料，如，转子和进气阀。
-燃气涡轮不能提供电网频率支持，例如，初级响应。最低负载下的操作不满足传输系统的需求。
因此，传输系统操作者存在对能够使用提供的最低设备功率的需要。设备还必须能够将负载降到尽可能低。本发明针对于提供前述需求。
发明内容
本发明涉及一种在最低负载下操作包括燃气涡轮和蒸汽涡轮的联合循环动力设备而不产生供应至电网的电力的方法。该最低负载状态对于动力设备脱离该最低负载状态进一步加载而特别有利地替代了设备的停机。
最低负载操作状态对应于动力设备的所有涡轮(燃气涡轮和蒸汽涡轮两者)操作(联机)且产生的负载(即，由动力设备中的所有涡轮生成的总输出负载)不超过厂用负载消耗(即，不超过动力设备的内部消耗所需的负载)的状态。因此，输出至电网的负载为零。
本发明的方法基于联合循环动力设备卸载至输出至电网的零负载的状态。燃气涡轮卸载至最低负载状态，该状态对应于其压缩机在其额定速度下操作的状态，或至低于蒸汽涡轮还提供将燃气涡轮中的压缩机保持在额定速度下所需的负载的情况下的状态。蒸汽涡轮还与燃气涡轮的卸载协调来卸载，即，与由燃气涡轮提供的负载协调。蒸汽涡轮的最低负载状态对应于满足动力设备的内部辅助负载需求的状态，且如果需要，对应于用于将燃气涡轮压缩机保持在其额定速度下所需的额外负载。
根据本发明的方法，燃气涡轮和蒸汽涡轮的卸载以一种方式协调，使得蒸汽涡轮的卸载和蒸汽压力的减小选择成使得最低蒸汽涡轮负载和最低蒸汽压力在燃气涡轮卸载期间由燃气涡轮排气温度的降低引起的蒸汽温度降低之前达到。这允许了在机械应力降低至最低可能值时将蒸汽涡轮应力减小至仅热应力。此外，在最低负载状态下，通过作用于蒸汽涡轮控制阀上，蒸汽涡轮也能够向动力设备提供主频率支持。
附图说明
在结合附图时，通过参照以下详细描述，本发明的前述目的和许多伴随的优点将由于其变得更好理解而将变得更容易被认识到，在附图中：
图1示出了可用于实施根据本发明的方法的联合循环动力设备的简图。
图2示出了利用根据本发明的方法在最低负载下操作类似于图1的联合循环动力设备的方法。
零件清单
1 动力设备
2 燃气涡轮
3 压缩机
4 燃烧室
5 涡轮
6 燃料
7 氧化剂
8 烟道气体
10 蒸汽发电系统
11 锅炉
12 蒸汽涡轮
12a 定子
12b 转子
13 冷凝器
14 泵
20 发电机
21 电网
22 线
40 旁通线。
具体实施方式
本发明公开了一种用于操作如图1中示意性示出的一者的联合循环动力设备的方法。
动力设备1包括燃气涡轮2和蒸汽发电系统10：燃气涡轮2和蒸汽发电系统10启动(即，提供激励至)可经由线22而连接到电网21上的发电机20。
燃气涡轮2包括压缩机3、燃烧室4和涡轮5。燃烧室4供有燃料6和氧化剂7(通常是在压缩机3中压缩的空气)；燃料6和氧化剂7燃烧来生成在涡轮5中膨胀的热气体以获得机械功率。
涡轮5排放排气烟道气体8，其然后供应至蒸汽发电系统10；蒸汽发电系统10包括锅炉11(也称为热回收蒸汽发生器，HRSG)，其从燃气涡轮2接收烟道气体8，且产生蒸汽，蒸汽在包括定子12a和转子12b的蒸汽涡轮12中膨胀。通常，如图1中所示，蒸汽发电系统10也包括冷凝器13和泵14。由锅炉11产生的蒸汽可经过旁通线40而倒入冷凝器13中。
与图1中所示的示例性方案不同的方案也可用于实施本发明的方法。
本发明涉及一种用于在最低负载下操作联合循环动力设备1的方法，其中燃气涡轮2和蒸汽涡轮12连接(联机)，且产生的负载(即，由燃气涡轮2和蒸汽发电系统10生成的总输出负载)不会超过厂用负载消耗(即，不会超过动力设备1的内部消耗所需的负载)，输出至电网21的负载等于零或大致等于零。
根据本发明的方法，燃气涡轮2和蒸汽涡轮12卸载达到联合循环动力设备1的最低负载操作状态被协调，且特征如下：
a)在基本负载或在部分负载状态下从设备1起动，燃气涡轮2和蒸汽涡轮12开始卸载。
b)蒸汽涡轮12卸载至对应于对于通向电网21的总输出负载大致等于零的所需最低负载的状态。
c)燃气涡轮2以一定卸载梯度卸载，这确保了在蒸汽涡轮12已达到最低负载状态之前，热回收蒸汽发生器11的出口处的蒸汽温度高于蒸汽涡轮12所需的可允许温度。
d)利用蒸汽涡轮12的卸载，旁通线40开启来将蒸汽压力降低至固定值，优选为额定压力的15%至100%之间，更优选为在额定压力的30%至50%之间。
e)通过作用于蒸汽发电系统10中的旁通线40上，蒸汽涡轮12的卸载和蒸汽压力降低选择成使得最低蒸汽涡轮12负载和最低蒸汽压力当在燃气涡轮2的卸载期间由燃气涡轮2排气温度降低引起的蒸汽温度降低之前达到。
f)一旦燃气涡轮2负载加上蒸汽涡轮12负载达到设备辅助负载需要，则燃气涡轮2停止卸载，输出至电网21的负载大致等于零。
在本发明的方法中，动力设备1可在以上厂用负载状态(在步骤f)下操作，输出至电网21的总负载大致等于零，其中将发电机20连接到电网21上的连接断路器(未示出)闭合，以便发电机20连接到电网21上，但并未对其提供任何功率，如果需要，设备1可通过蒸汽涡轮12和燃气涡轮2提供负载。作为备选，当所述断路器断开时，发电机20也可与电网21断开：在此情形中，蒸汽涡轮12和燃气涡轮2提供设备的辅助件所需的负载，同时控制设备频率。
尽管已经关于优选实施例完整描述了本发明，但很明显，修改可引入其范围内，并未将此认作是由这些实施例限制，而是由所附权利要求的内容限制。

Claims (10)

1.一种用于操作联合循环动力设备(1)的方法，所述设备(1)包括至少一个燃气涡轮(2)和至少一个蒸汽发电系统(10)，所述设备(1)启动能够连接到电网(21)上的至少一个发电机(20)，其中所述燃气涡轮(2)包括压缩机(3)，且其中所述蒸汽发电系统(10)包括蒸汽涡轮(12)、热回收蒸汽发生器(11)和旁通线(40)，所述方法的特征在于，所述燃气涡轮(2)卸载至所述压缩机(3)在其额定速度下操作的状态，所述方法的特征还在于所述蒸汽涡轮(12)与所述燃气涡轮(2)的卸载协调而卸载至由所述设备(1)输出至所述电网(21)的总负载大致等于零的状态，所述燃气涡轮(2)和所述蒸汽发电系统(10)两者连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽涡轮(12)卸载至一个状态，使得所述蒸汽涡轮(12)满足所述设备(1)的内部辅助负载要求，且还满足保持所述压缩机(3)在其额定速度下操作所需的负载。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮(2)遵循一定梯度卸载，使得所述热回收蒸汽发生器(11)的出口处的蒸汽温度在所述蒸汽涡轮(12)已达到最低负载状态之前高于由所述蒸汽涡轮(12)所需的可允许温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述蒸汽涡轮(12)的卸载，所述旁通线(40)开启来将蒸汽压力降低至关于额定压力的固定值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述旁通线(40)开启来将蒸汽压力降低至额定压力的15%和100%之间的固定值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述旁通线(40)开启来将蒸汽压力降低至额定压力的30%和50%之间的固定值。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过作用于所述蒸汽发电系统(10)中的所述旁通线(40)，所述蒸汽涡轮(12)的卸载和蒸汽压力的降低使得在所述燃气涡轮(2)的卸载期间由所述燃气涡轮(2)排气温度的降低引起的所述热回收蒸汽发生器(11)的出口处的蒸汽温度的降低之前达到最低蒸汽涡轮(12)负载和最低蒸汽压力。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发电机(20)连接到所述电网(21)上。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发电机(20)与所述电网(21)断开。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述蒸汽涡轮(12)通过作用于蒸汽涡轮控制阀来对所述设备(1)提供主频率支持。
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