用于控制热回收蒸汽产生器中热交换的方法和设备与流程

本发明涉及控制联合循环发电设备的热回收蒸汽产生器中的热交换的方法和设备，以及具备或不具备热电联供的联合循环发电设备。

背景技术：

用于发电的联合循环发电设备通常包括燃气轮机单元和蒸汽产生器，其中蒸汽产生器具有来自燃气轮机单元的废气，并且用于生成将提供给功能单元(例如，蒸汽轮机单元)的蒸汽。

蒸汽产生器包括燃气轮机单元的废烟气通过其进行流动的废烟气流动室，以及配备去矿物质水的蒸汽回路。

蒸汽回路在废烟气流动室内部进行扩展，通过这种方式使用来自燃气轮机单元的热烟气的热量来生成蒸汽。

催化剂经常也被沿着废烟气流动室进行安装，用于减少燃气轮机单元所产生的烟气中的一氧化碳含量。

蒸汽产生器通常用于在燃气轮机的额定运行条件下获得最大的热效率。

但是，市场推动制造商设计如下的系统，该系统提供在减少负载的情况下也能够运转的燃气轮机，例如在能量需求显著减少的夜间。这将导致燃气轮机废烟气的温度和流速的降低。同样的情况也发生在燃气轮机启动期间。

燃气轮机废烟气的低流速和低温可能不足以保证蒸汽产生器产生联合循环的热电联供过程和/或蒸汽涡轮机所需要的质量(用压力和温度表示)的蒸汽量。

在这些情况下，存在利用随后的热应力对于蒸汽轮机进行过度冷却的风险，以及其损害和/或向热电联供过程提供的蒸汽的流速不足的风险。

此外，在低负载运行条件下，特别是接近燃气轮机所谓的技术上的最小运行条件，废烟气可能无法充分加热催化转化器，该催化转换器用于将通过燃烧所产生的一氧化碳转化为二氧化碳。

实际上，在低负载时，火焰的不稳定性和燃烧室中较低的温度，导致未能达到化石燃料中所包含的碳完全氧化所需要的能量的量，这造成一氧化碳产生的增加。

催化转化器在温度接近300℃或更高时具有最佳转化效率。当温度降至300℃以下时效率降低，而在温度处于催化通常所使用的阈值以下的情况下效率急剧暴跌。

技术实现要素：

因此本发明的一个目的在于提供一种用于控制联合循环发电设备的热回收蒸汽产生器中的热交换的方法，该方法没有本文中所述的现有技术的缺点；特别地，本发明的一个目的在于提供一种如下的方法：其能够优化燃气轮机单元的废烟气与蒸汽产生器的蒸汽回路之间的热交换，通过这种方式来保证即使在燃气轮机单元处于低负载运行时也能够充分产生功能单元和/或热电联供过程和/或催化剂所需要的质量的蒸汽。

根据这些目的，本发明涉及一种控制联合循环发电设备的热回收蒸汽产生器中的热交换的方法，该方法包括如下步骤：

检测指示蒸汽产生器的至少一个第一部件中的当前热动力条件的至少一个工作参数；

计算热交换误差作为检测到的工作参数与各个预定义的参考值之间的差值；

基于计算出的热交换误差，将压力设置点值分配给热回收蒸汽产生器的调节部件；

基于所分配的压力设置点值对于调节部件进行调节。

本发明的其他目的在于一种用于控制联合循环发电设备的热回收蒸汽产生器中的热交换的设备，该设备能够优化燃气轮机单元的废烟气与蒸汽产生器的蒸汽回路之间的热交换，通过这种方式来保证即使在燃气轮机单元处于低负载运行时也能够充分产生功能单元和/或热电联供过程和/或催化剂所需要的质量的蒸汽。

根据这些目的，本发明涉及一种用于控制联合循环发电设备的热回收蒸汽产生器中的热交换的设备，其包括：

至少一个检测设备，用于检测指示蒸汽产生器的至少一个第一部件中的当前热动力条件的至少一个工作参数；

至少一个误差计算模块，用于计算热交换误差作为检测到的工作参数与各个预定义的参考值之间的差值；

至少一个设置点计算模块，用于基于计算出的热交换误差，将压力设置点值分配给蒸汽产生器的调节部件；

执行模块，用于基于所分配的压力设置点值，对于调节部件进行调节。

本发明的另一个目的在于提供用于发电的联合循环发电设备，其中即使在燃气轮机单元处于低负载运行时，蒸汽产生器所生成的蒸汽的量也是充足的，并且具有蒸汽轮机和/或热电联供过程和/或催化剂所需要的热学性质。

根据这些目的，本发明涉及一种用于发电的联合循环发电设备，该设备包括配备至少一个调节部件的蒸汽产生器，以及如先前所述的用于控制蒸汽产生器中的热交换的控制设备。

附图说明

参考附图的各图，从实施例的非限制示例的下面的描述，本发明的进一步特征和优势将变得清楚，其中：

图1是根据本发明的用于发电的联合循环设备的示意和简化图；

图2是图1的设备的细节的示意图，为了清楚部分部件被剖开，部分部件被移除；

图3是根据本发明的用于控制联合循环发电设备的热回收蒸汽产生器中的热交换的设备的示意框图；

图4是根据第一实施例的图3的控制设备的细节的示意框图；以及

图5是根据第二实施例的图3的控制设备的示意框图。

具体实施方式

在图1中，利用附图标记1示出用于发电的联合循环发电设备。

图1中所示的设备1优选地用于只产生电能。

未示出的变型设想设备1用于产生电能和/或热能，所产生的电能和/或热能对于如下方面有用：热电联供过程，诸如民用(家庭和办公室)和工业用途(加热用于植物生长的温室)的区域供热系统，以及用于加热炼油厂中用于提炼石油产品的蒸馏塔的热能传送。

设备1包括燃气轮机单元2、功能单元3、蒸汽产生器4以及用于控制蒸汽产生器4中的热交换的控制设备5。

燃气轮机单元2是联合循环发电设备1的原动力并且被馈送有任何形式的燃料。

燃气轮机单元2被连接到发电机6，并且包括压缩机、燃烧室、燃气轮机(在附图中未示出)。燃气轮机驱动发电机6产生可使用的电能。

功能单元3用于使用蒸汽产生器4所产生的蒸汽。例如，功能单元可以是化学设备或能够使用蒸汽产生器4所产生的蒸汽的任何设备。

在本文中所描述和说明的非限制性示例中，功能单元3是蒸汽轮机单元。

蒸汽轮机单元被耦接到各个发电机7，并且包括高压蒸汽轮机7a、中压蒸汽轮机7b、以及低压蒸汽轮机7c(图2中示意性示出)。

蒸汽产生器4回收来自燃气轮机单元2所产生的燃烧烟气的余热，并且生成待提供给功能单元3的蒸汽。

参考图2，蒸汽产生器4包括废烟气流动室10以及配备有去矿物质水的蒸汽回路11，燃气轮机单元2的废烟气通过该废烟气流动室10进行流动。

蒸汽回路11在废烟气流动室10中进行扩展，通常以这种方式来使用来自燃气轮机单元2的热烟气的热量，从而生成待提供给蒸汽轮机单元3的蒸汽。

特别地，在所述示例中，蒸汽回路11包括高压部分13、中压部分14、以及低压部分15。

高压部分13包括沿着线圈路径串联布置的多个高压热交换导管17、在两个高压热交换导管17之间所布置的高压圆柱体18、以及沿着多个高压热交换导管17的末端高压导管17a所布置的高压调节阀19。将末端高压热导管17a连接到高压轮机7a的入口。

高压调节阀19用于调节向高压轮机7a的入口所提供的高压蒸汽的流速qhp。

从高压调节阀19的上游起，末端高压导管17a包括通过各个旁通阀21连接到高压轮机7a的排气的旁路20。旁路20在如下的情况下有用：蒸汽无法进入高压蒸汽轮机7a(例如，轮机7a服务中断、停机或者由于蒸汽尚未达到将要提供给轮机7a的最低压力和温度特征，但不存在蒸汽在那里冷凝的风险，这对于高压轮机7a的叶片造成损害)。

中压部分14包括沿着线圈路径串联布置的多个中压热交换导管25、在两个中压热交换导管25之间进行布置的中压圆柱体26、以及沿着多个中压热交换导管25的末端中压导管25a进行布置的中压调节阀27。将末端中压热导管25a连接到中压轮机7b的入口。

中压调节阀27用于调节向中压轮机7b的入口所提供的中压蒸汽的流速qmp。

低压部分15包括沿着线圈路径串联布置的多个低压热交换导管30、在两个低压热交换导管30之间进行布置的低压圆柱体31、以及沿着多个低压热交换导管30的末端低压导管30a进行布置的低压调节阀32。将末端低压热导管30a连接到低压轮机7c的入口。

低压调节阀32用于调节向低压轮机7c的入口所提供的低压蒸汽的流速qlp。

高压圆柱体18、中压圆柱体26、以及低压圆柱体31用于瞬态过程期间(例如启动、关闭以及改变设备负载)，这期间蒸汽产生器导管中所生成的蒸汽的物理特性由于过程变量(燃气轮机单元2的废烟气的流速和温度，蒸汽回路11中的蒸汽的流速和温度)的改变而发生改变。特别地，高压圆柱体18、中压圆柱体26、以及低压圆柱体31根据设备1的运行条件来积聚或者提供水，通过这样的方式蒸汽在蒸汽回路11的每个不同部分13、14以及15具有基本恒定的压力。

低压圆柱体31由泵35来供给，泵35从冷凝器(附图中未示出)抽取水。

中压圆柱体26由泵36来供给，泵36从中压部分14抽取液态的水，特别是从中压热交换导管进行抽取。

高压圆柱体18由泵37来供给，泵37从中压圆柱体26抽取液态的水。

能够利用来自(图2中的虚线所示)辅助蒸汽源38的蒸汽，选择性地供给低压圆柱体31、中压圆柱体26、以及高压圆柱体18，并且进入工作压力。通过图2中示意性示出的调节部件38a，将辅助蒸汽源38明显地连接到低压圆柱体31、中压圆柱体26以及高压圆柱体18。

催化剂40用于将燃气轮机单元2中通过燃烧所产生的一氧化碳转化为二氧化碳，将催化剂40沿着废烟气流动腔室10进行配置。

优选地将催化剂40配置在一些高压热交换导管17和一些中压热交换导管25的附近。

图3中示出与控制设备5相关的框图。

控制设备5用于调节蒸汽产生器4的热交换，以便优化燃气轮机单元2的废烟气与蒸汽产生器4的蒸汽回路11之间的热交换，通过这种方式来保证即使在燃气轮机单元2处于低负载运行时也能够充分产生针对功能单元3和/或热电联供过程和/或催化剂40所需要的质量的蒸汽。

控制设备5包括：

至少一个检测设备42，用于检测蒸汽产生器的至少一个第一部件中的当前热动力条件的至少一个工作参数；

至少一个误差计算模块43，用于计算热交换误差et，作为检测到的工作参数与各个预定义的且先前建立的参考值之间的差值；

至少一个设置点计算单元44，用于计算针对蒸汽产生器4的调节元件的压力设置点值；

以及至少一个执行模块45，用于调节蒸汽产生器4的调节元件的开启。

在本文中所描述和说明的非限制性示例中，检测设备42(也在图2中示出)用于检测多个中压热交换导管25中的一个中压热交换导管25的当前蒸汽流速qmpcur。

检测设备42优选地包括一个或多个耦接到压差表的对准隔板。

考虑到蒸汽流从泵36到中压轮机7b的方向，优选地将检测设备42配置在中压圆柱体26的下游。

如果设备1是热电联供类型，还将传感设备42配置在用于热电联供过程的中压蒸汽的退回点附近的中压圆柱体26的下游。

未示出的变型设想，考虑到蒸汽流从泵35到低压轮机7c的方向，优选地将检测设备42配置在低压圆柱体31的下游。如果设备1是热电联供类型，还将检测设备42配置在用于热电联供过程的低压蒸汽的退回点附近的低压圆柱体31的下游。

误差计算模块43用于计算热交换误差et，作为检测到的运行参数与各个预定义的参考值之间的差值，即多个中压热交换导管25中的一个中压热交换导管25的当前蒸汽流速qmpcur与各个流速参考值qref之间的差值。

在文中所描述和说明的非限制性实施例中，获得最佳热交换的流速参考值qref大约为19.46kg/s。

能够理解的是，可以基于热交换需要的内容来更改运行参数的参考值。

参考图4，设置点计算模块44用于将修正项目corr添加到基本设置点值spbase，其中基于热交换误差et的值通过计算模块47来计算修正项目corr。

sp调节部件＝spbase+corr

设置点计算模块44也包括限制器48，该限制器48用于限制设置点压力值从而避免超出预定义的最大值。建立该最大值，通过这种方式不超出设备1的设计限制，并且也不导致调节部件的过度关闭。

在本文中所描述和说明的非限制性示例中，设置点计算模块44用于针对高压调节阀19计算设置点压力sphp。

在此情况下，基本设置点的值约等于8mpa，而修正项目corr是通过用于输出0到25范围内的修正项目的比例积分pi型的计算模块47来计算的。

比例积分pi计算模块44的增益参数优选地通过如下的方式进行定义：压力增强能够保证充足裕量的过热的蒸汽，然后将该蒸汽提供给高压轮机7a。

在本文中所描述和说明的非限制性示例中，限制器所定义的最大值等于105巴(bar)。这防止超过设备1的设计限制，并且避免高压调节阀19的过度闭合以及高压轮机7a中的通风问题。

执行模块45用于基于设置点计算模块44所计算的设置点压力，调节蒸汽产生器4的调节部件的打开。

在本文中所描述和说明的非限制性示例中，执行模块45用于基于设置点计算模块44所计算的设置点压力sphp，调节高压调节器阀19的执行器。

未示出的变型设想，设置点计算模块44用于计算针对中压调节阀27的设置点压力spmp，并且执行模块45由此基于设置点计算模块44计算出的设置点压力spmp来调节中压调节阀27的执行器。

图5示出根据本发明的第二实施例的控制设备50。

控制设备50与控制设备5的实质上不同之处在于，控制设备50包括检测设备52(图2中未示出)，该检测设备52用于在催化剂40附近的一点处检测蒸汽产生器4的当前温度。

检测设备52优选地包括一个或多个热电偶。

考虑到蒸汽流从泵37到高压轮机7a的方向，优选地将检测设备52配置在高压圆柱体18的上游。特别地，将检测设备52配置在沿着通常被定义为蒸发器的多个高压热交换导管17中的一个导管的高压圆柱体18的上游。

相应地，控制设备50包括误差计算模块53，该误差计算模块53用于计算热交换误差et，作为位于催化剂40附近的一点处的蒸汽产生器4的当前温度tcur与各个参考温度值tref之间的差值。

在本文中所描述和说明的非限制性示例中，参考温度tref的值约等于320℃，该值对应于催化剂40的最优运行。

控制设备50也包括设置点计算模块54以及执行模块55，设置点计算模块54用于将修正项目corr添加到基本设置点值spbase，其中基于通过误差计算模块53计算出的热交换误差et的值来计算修正项目corr，并且执行模块55用于基于设置点计算模块44计算出的设置点压力，调节蒸汽产生器4的调节部件的打开。

在本文中所描述和说明的非限制性示例中，设置点计算模块54用于计算针对高压调节阀19的设置点压力sphp，设置点计算模块54与针对控制设备40所描述的设置点计算模块44实质上相同并且示出于图4中，因此将不进行进一步描述。

执行模块55也与执行模块45实质上相同，因此将不进行进一步描述。

在此情况下，未示出的变型也设想设置点计算模块54用于计算针对中压调节阀27的设置点压力spmp，从而执行模块55基于设置点计算模块54计算出的设置点压力spmp，调节中压调节阀27的打开。

未示出的根据本发明的控制设备的其他变型提供用于检测一个或多个如下参数的检测设备：

多个高压热交换导管(17)中的一个导管中的当前蒸汽温度；

多个中压热交换导管(25)中的一个导管中的当前蒸汽温度；

沿着蒸汽产生器(4)的废烟气流动腔室(10)进行配置的催化剂(40)的当前温度；

多个高压热交换导管(17)中的一个导管中的当前蒸汽流速；

多个高压热交换导管(17)中的一个导管中的当前蒸汽压力；

多个中压热交换导管(25)中的一个导管中的当前蒸汽压力。

在使用中，根据本发明的控制设备5或50控制一个或多个可变的负载调节部件。

本发明有利地能够在同等运行条件下减少设备1的co排放，同时保持效率(理解为所使用的燃料与所产生的电能之间的比例)几乎不变，或者在蒸汽产生器4的废气中co排放相等的情况下，能够减少设备1的最小技术功率值。

减小设备1的最小技术负载的潜力增加了根据本发明的设备1的灵活性。而且，由于本发明，在最小技术负载下提供给电网的能量所需要的燃料消耗被降低约20％。

而且，根据本发明的设备1所能够产生的最大功率和最小功率之间的差异的增加导致二次调节可用的能量的增加。

另外，由于根据本发明的控制设备5、50，因此设备1的总启动时间减少。

实际上，由于本发明，当高压部分13达到运行条件时，调节部件19和27以如下的方式进行调节：可用的热能用于实现中压部分14和低压部分15中的温度和压力运行条件。通过这种方式，中压部分14和低压部分15比通过加快设备1的总启动时间更快地到达运行条件。

由于本发明，在电网操作员需要低电能，或者需要以最小后台技术负载来运行设备的情况下，更有效率地管理蒸汽轮机所产生的蒸汽。

这使得能够保持连接到设备1的热电联供服务的传递(例如，低压蒸汽用于区域供暖，中压和高压蒸汽用于精炼厂)。

最后，清楚的是，在不背离所附权利要求的范围的情况下，可以对于本文中所描述的用于控制热交换的设备和方法以及联合循环设备作出各种修改和改变。