用于起动和操作联合循环发电设备的方法
【专利摘要】一种用于起动联合循环发电设备(1)的蒸汽涡轮(12)的方法，联合循环发电设备(1)包括燃气涡轮(2)和包括蒸汽涡轮(12)的蒸汽发电系统(10)，联合循环发电设备(1)触动可连接于电力网(21)的至少一个发电机(20)，其中，燃气涡轮(2)包括压缩机(3)，使得在蒸汽涡轮(12)的起动期间，燃气涡轮(2)和蒸汽涡轮(12)两者都操作，蒸汽涡轮(12)以如下方式随燃气涡轮(2)的负载变化来调整其负载，使得由燃气涡轮(2)提供的负载和由蒸汽涡轮(12)提供的负载的和等于设备(1)的辅助功率需求，输出至电网(21)的负载等于零。
【专利说明】用于起动和操作联合循环发电设备的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于起动在厂用负载下操作而没有任何功率输出至电网的联合循环发电设备的方法。
【背景技术】
[0002]在目前，来自可再生能源的生产在稳定增长，将日益需要〃常规〃发电设备承担附加任务，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，该大规模储能系统仍离商业化较远。在白天期间的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，发电设备必须以灵活的方式将电力供应至电网:例如，当电网所需的能量为低的时，它们必须能够使供应至电网的功率降至零，而当电网又需要功率时，它们必须能够非常快速地提供功率(在一些情况下，它们必须能够在数秒内提供几十兆瓦)。
[0003]在近十年里，常规功率源的关键集中区域已经从基本负载变换至过渡负载操作，并且因此需要快速负载匀变、较短低负载和起动时间，以及电网稳定。此外，对于辅助服务(诸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)的需要显著地增加。结果，已经出现了新的操作要求，诸如，两班操作、负载遵循操作、岛操作、黑启动能力、频率支持和非常高的起动和操作可靠性，以便稳定电力网动态，并且因此确保安全和经济的电力供应。
[0004]由于负载循环的要求变化并且可再生能源的扩张增加，故〃常规〃发电设备将必须适应存在超过或低于功率容量的时期。取决于国家和所关注的电力网，需要各种动态能力。联合循环设备(即，包括燃气涡轮和蒸汽涡轮的发电设备)允许较宽负载范围内的较快负载变化，这使这些设备更灵活。此外，当考虑快速起动和效率时，联合循环发电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发电设备提供了显著更高的负载变化速率。
[0005]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发电设备(诸如，联合循环发电设备)将不仅仅必须降到部分负载运行，而是将必须在许多情况下完全停机来避免显著的产能过剩。这些联合循环发电设备接着将需要尽可能快地从停机状态起动，以满足短期失去可再生功率的情况下的需求。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"(即，日常的起动和停机(并且有时每天若干次))中增加常规设备的使用，以便补偿负载的波动。在这些操作状态下，重要的是起动能够非常快且可靠地发生，这在联合循环设备的情况下是可能的，因为它们的燃料和燃烧系统相对简单。
[0006]如提到的，起动可靠性变为日益重要的问题，并且联合循环设备在该方面展现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 2423462A2、EP 0605156 A2，CN 202230373 U，用于联合循环发电设备的若干起动方法是在现有技术水平下已知的。例如，根据US 2005/0268594 AUUS 2009/0126338 Al 或WO 2012/Al，加强的起动是已知的。
[0007]用以将包括燃气涡轮和蒸汽涡轮的联合循环设备连接于电网的方法也是在现有技术水平下已知的，例如，根据EP2056421。
[0008]在具有两个发电单元(燃气涡轮和蒸汽涡轮)的联合循环发电设备中，在起动期间，燃气涡轮作为第一单元通过将轴速度增大至标称速度来运行。在与电力网络同步之后，燃气涡轮开始将功率供应至电网。蒸汽涡轮为第二单元，其可在蒸汽状态(诸如，由蒸汽发生器系统提供的蒸汽压力和蒸汽温度)达到适用于蒸汽涡轮构件(诸如，轴、外壳和蒸汽进入阀)的状态时启动。蒸汽涡轮材料越冷，蒸汽状态就应当越低(例如，较低蒸汽压力和较低蒸汽温度)，以便防止急剧影响蒸汽涡轮构件的寿命。这可通过在对应于最低可能的燃气涡轮排气温度和排气质量流的最低可能的负载下操作燃气涡轮来实现。为了实现蒸汽涡轮的起动要求，蒸汽发生系统(诸如余热回收蒸汽发生器)必须配备有消除过热站，其能够控制所需的蒸汽温度。此外，还必须设计对应于用于起动的蒸汽涡轮压力要求的蒸汽涡轮旁通站。
[0009]传统的起动程序需要蒸汽涡轮在低到中间燃气涡轮操作负载下启动，这导致消除过热站和蒸汽涡轮旁通站的超要求设计。此外，由于起动的负载轮廓的不可预知性，故在起动期间的输出功率不由电网权限给予。电网操作者必须将燃气涡轮和蒸汽涡轮的输出功率整合到电力网络中，并且相应地操纵总电网功率。另外，起动燃料消耗成本必须由设备所有者承担。此外，设备所有者更喜欢在最低可能燃气涡轮负载下启动蒸汽涡轮来降低起动成本。
[0010]因此，将合乎需要的是蒸汽涡轮起动(运行和加热)至准备加载的状态发生在最低可能的功率下，而不输出任何功率到电网。
[0011]本发明针对这些需要。
【发明内容】
[0012]本发明涉及一种用于起动在厂用负载下操作故没有功率输出至电网的可连接于电网的联合循环发电设备的方法。更具体而言，本发明涉及一种将联合循环发电设备的蒸汽涡轮起动至发生在最低可能的功率下的准备加载的状态而没有输出任何功率至电网的方法。
[0013]在本发明的操作方法中，发电设备的所有涡轮(燃气涡轮和蒸汽涡轮两者)连接(联线)，并且产生的有效功率(即，由发电设备中的所有涡轮生成的总功率输出)不超过厂用负载消耗(即，不超过发电设备的内部消耗所需的功率供应)。因此，输出至电网的有效功率为零。
[0014]本发明的方法可利用连接于电网的发电设备操作，并且还可利用与电网断开的发电设备操作。
[0015]本发明的联合循环起动和操作提供了相对于单元投入问题的潜在可能。单元投入被认为是在可用的发电能力的成本有效的利用的背景下的日益重要的方面。该最佳利用受制于联合循环发电设备的起动/停机成本和匀变约束。此外，储备要求(旋转和非旋转)将被考虑。本发明提供了以下优点:
-有效功率输出至电网变得非常有确定性，因为由蒸汽涡轮的起动和加载过程引入的中断被消除:因此，由于蒸汽涡轮在输出有效功率之前同步而可减小不确定性；
-蒸汽涡轮起动出现在对于操作可能的最低燃料消耗处(等于或低于燃气涡轮的零负载)；
-降低了消除过热站容量，这意味着成本降低；
-降低了蒸汽涡轮旁通站容量，这意味着成本降低；
-蒸汽涡轮的任何起动故障不影响电网稳定性(电网连接断路器开启，因为没有功率输出至电网)；
-旋转储备容量提高:容量可从厂用负载提供至联合循环基本负载，而不中断加载过程(例如，对于燃气涡轮启动)。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]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发电设备的示意图。
[0017]图2显示了根据已知的现有技术的类似于图1中所示的联合循环发电设备的起动和操作，示出了燃气涡轮和蒸汽涡轮的启动。
[0018]图3显示了根据本发明的类似于图1中所示的联合循环发电设备的起动和操作，示出了燃气涡轮和蒸汽涡轮的启动。
[0019]部件列表 I发电设备
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】
[0020]本发明公开了一种用于起动如图1中示意性地示出的一个的联合循环发电设备的方法。根据本发明的方法，如将进一步阐释的，蒸汽涡轮起动至准备加载的状态发生在最低可能的功率下，而不输出任何功率至电网。
[0021]发电设备I包括燃气涡轮2和蒸汽发电系统10:燃气涡轮和蒸汽发电系统10触动经由线22连接于电力网21的发电机20。
[0022]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。
[0023]涡轮5排放排气烟道气体8，其接着供应至蒸汽发电系统10 ;蒸汽发电系统10包括锅炉11 (也称为余热回收蒸汽发生器HRSG)，其从燃气涡轮2接收烟道气体8，并且产生蒸汽，该蒸汽在包括定子12a和转子12b的蒸汽涡轮12中膨胀。典型地，如图1中所示，蒸汽发电系统10还包括冷凝器13和泵14。
[0024]与图1中所示的示例性方案不同的方案也可能用于实施本发明的方法。
[0025]优选地，在稳态下的该操作期间，发电机20连接于电网21:断路器(未示出)使发电机20与电网21连接，使得当断路器闭合时，发电机20连接于电网21，但不向其提供任何功率。作为备选，发电机20还可不连接于电网21 ( S卩，断路器开启)。
[0026]根据本发明，涡轮5和蒸汽涡轮12联线(连接)，并且由燃气涡轮2供应的功率加上由蒸汽涡轮12供应至电网21的功率大致等于零，即，发电设备I在厂用负载下操作。厂用负载对应于必须提供或由发电设备I产生来供应辅助设备和用于其内部使用的该功率。因此，当在厂用负载下操作时，发电设备I产生用于其内部使用的功率，但其不能大致供应任何功率至电网21，所以供应至电网21的功率大致等于零。
[0027]利用本发明，蒸汽涡轮12的启动发生在最低可能的设备输出功率下。设备零负载操作点为联合循环发电设备的特定操作点，允许设备I的所有构件(包括蒸汽涡轮12)操作，将功率供应至设备的辅助设备，并且不提供功率至电力网络，g卩，不提供功率至电网21。根据本发明，蒸汽涡轮12的启动和燃气涡轮2与蒸汽涡轮12的起动要求的协调特征如下:
1-燃气涡轮2启动至厂用负载操作点，S卩，燃气涡轮2供应与设备的辅助设备所需的一样多的功率；在该操作点下，发电设备I不需要来自电力网21的电力，并且电网连接断路器典型地开启。
[0028]2-燃气涡轮2在厂用负载下操作，直到满足用于蒸汽涡轮12的加速的蒸汽状态，并且蒸汽涡轮12达到标称操作速度。
[0029]3-蒸汽涡轮12开始加上负载，并且同时，燃气涡轮2减小负载来使总发电与设备的辅助设备所需的功率匹配。燃气涡轮2的功率减小取决于蒸汽涡轮12中的材料的初始温度(蒸汽涡轮12中的材料的初始温度为在蒸汽涡轮12运行开始并且第一次蒸汽进入蒸汽涡轮12发生的时间点处的材料温度)，诸如例如，蒸汽涡轮12的轴的初始温度。蒸汽涡轮12的温度越低，燃气涡轮2的负载就越低。最低可能的燃气涡轮2负载取决于燃气涡轮2的燃烧稳定性，并且取决于所需的燃气涡轮2的排气温度。燃气涡轮2功率的减小可低于燃气涡轮2的零操作负载。在燃气涡轮的零操作负载下，燃气涡轮2可生成足够的功率来在标称速度下操作其压缩机3。最高可能的燃气涡轮2负载对应于设备的辅助设备所需的负载(燃气涡轮厂用负载)。最低的蒸汽涡轮负载为蒸汽涡轮零负载，其对应于足以在标称速度下操作蒸汽涡轮12的蒸汽涡轮负载。最高蒸汽涡轮负载对应于提供功率至设备的辅助设备并且将燃气涡轮的压缩机3保持在标称速度下所需的功率。蒸汽涡轮12的材料的初始温度限定进入蒸汽涡轮12的蒸汽的所需温度和所需温度梯度。为了实现某一蒸汽温度，燃气涡轮2必须提供某一最低排气温度:典型地，燃气涡轮2排气温度和蒸汽涡轮2负载相关，使得增大的燃气涡轮2负载将引起增大的蒸汽涡轮2排气温度。作为最终结果，燃气涡轮2将取决于蒸汽涡轮12的材料的初始温度来加载。燃气涡轮2将加载至提供某一最低排气温度所需的一样多。燃气涡轮2负载将不加载至超过提供某一最低排气温度所需的，以便保持燃料消耗尽可能低。蒸汽涡轮12将以如下方式随燃气涡轮2的负载变化来调整其负载，使得由燃气涡轮2提供的负载和由蒸汽涡轮12提供的负载的和等于设备I的辅助功率需求，输出至电网21的负载等于零。蒸汽涡轮12热加载可通过逐渐增大燃气涡轮2负载来开始。燃气涡轮2负载的增大导致燃气涡轮2的排气温度的增大，因此导致进入蒸汽涡轮12的蒸汽温度的逐渐增大。同时，蒸汽涡轮12减小负载来符合发电设备I的零负载要求。
[0030]4- 一旦实现最低要求的排气温度，则燃气涡轮2停止卸载。蒸汽涡轮12停止加上负载:该状态对应于设备I的零负载操作模式。燃气涡轮2的负载和蒸汽涡轮12的负载的和等于设备的辅助设备功率需求，并且输出至电力网21的负载等于零。
[0031]5-燃气涡轮2停留在该模式，并且进入蒸汽涡轮12的蒸汽加热蒸汽涡轮12的材料。假如蒸汽涡轮12中的材料的初始温度足够高，则蒸汽涡轮12可通过增大燃气涡轮2的负载而加载。假如蒸汽涡轮12中的材料的温度不足够高，则开始蒸汽涡轮12的热加载。大体上，蒸汽涡轮12受制于两种类型的起动应力、机械应力和热应力。在设备的零负载操作模式下，蒸汽涡轮12上的机械负载可保持非常低。由于燃气涡轮2的低负载，故由锅炉11产生的蒸汽为小的，允许了蒸汽涡轮12旁通站40提供蒸汽涡轮12所需的低蒸汽压力。
[0032]6-蒸汽涡轮12的热加载可逐渐地开始,增大了燃气涡轮2的负载,导致燃气涡轮2的排气温度的增大，这因此导致进入蒸汽涡轮12的蒸汽温度的逐渐增大。同时，蒸汽涡轮12减小负载来符合零设备负载要求。
[0033]7- 一旦蒸汽涡轮12的材料达到蒸汽涡轮12的机械加载的所需状态，则蒸汽涡轮2的加载可中断。在该设备操作状态下，蒸汽涡轮12的负载和燃气涡轮2的负载的和对应于所需的设备的辅助设备负载，并且输出至电力网络或电网21的功率等于零。只要设备操作者期望，则发电设备I可停留在该操作模式，或者其可在闭合电网连接断路器之后以不同梯度(快或慢)增大负载。
[0034]本发明的方法改进了由发电设备I生成的可用功率容量的成本效率的利用。该最佳利用受制于发电设备I的起动和停机成本和匀变约束(时间)。关于本发明的方法的成本效率的利用的主要优点如下:
a)在已知的现有技术的方法中，联合循环发电设备I的加载过程中断，以便启动和/或加载蒸汽涡轮12，以便减小蒸汽涡轮12中的关键构件的热应力。因此，发电设备I的加载轮廓取决于启动之前的设备的状态(热状态、环境状态等)，并且因此经受相当大的不确定性。由于蒸汽涡轮12在有效功率输出至电网21之前同步至燃气涡轮2速度的速度，故利用本发明的方法消除了该不确定性； b)本发明的方法以对于操作可能的最低的燃料消耗(如上文所述，低于燃气涡轮2零负载)操作；
c)本发明的方法增大了旋转储备容量，因为容量可从厂用负载提供至联合循环基本负载，而不中断加载过程(例如，对于蒸汽涡轮12的启动)。
[0035]虽然已经关于优选实施例完整描述了本发明，但是明显的是，改型可引入其范围内，并未将此认作是由这些实施例限制，而是由以下权利要求的内容限制。
【权利要求】
1.一种用于起动联合循环发电设备(I)的蒸汽涡轮(12)的方法，所述联合循环发电设备(I)包括燃气涡轮(2)和包括蒸汽涡轮(12)的蒸汽发电系统(10)，所述联合循环发电设备(I)触动可连接于电力网(21)的至少一个发电机(20)，其中，所述燃气涡轮(2)包括压缩机(3)，其特征在于，在所述蒸汽涡轮(12)的起动期间，所述燃气涡轮(2)和所述蒸汽涡轮(12)两者都操作，所述蒸汽涡轮(12)以如下方式随所述燃气涡轮(2)的负载变化来调整其负载，使得由所述燃气涡轮(2)提供的所述负载和由所述蒸汽涡轮(12)提供的所述负载的和等于所述设备(I)的辅助功率需求，输出至所述电网(21)的所述负载等于零。
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)可提供的所述最低负载值对应于足以在标称速度下操作所述蒸汽涡轮(12)的所述负载。
3.根据权利要求1至权利要求2中任一项所述的方法，其特征在于，所述蒸汽涡轮(12)可提供的所述最大负载值对应于所述设备(I)的辅助功率需求所需的负载值，将所述压缩机(3)保持在标称速度下。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮(2)通过减小负载来调整其负载，使得由所述燃气涡轮(2)提供的最低负载值对应于所述压缩机(3)在标称速度下操作所处的负载。
5.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮(2)通过增大负载来调整其负载，使得由所述燃气涡轮(2)提供的所述最大负载值对应于所述设备(I)的辅助功率需求所需的负载值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮(2)随所述蒸汽涡轮(12)的材料的初始温度变化来调整其负载。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述发电机(20)与所述电网(21)断开。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述发电机(20)连接于所述电网(21)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述蒸汽发电系统(10)中的所述蒸汽压力借助于蒸汽旁通站(40)限制。
【文档编号】F01K23/08GK104033197SQ201410080106
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2013年3月6日
【发明者】H.奥里亚, J.施勒斯尔, M.布雷特菲尔德, P.布伦纳, M.斯特文斯, M.卡夫里施 申请人:阿尔斯通技术有限公司