用于运行组合发电站的方法

专利名称：用于运行组合发电站的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于运行组合发电站的方法。它尤其涉及一种用于起动组合设备和对其加负载的方法。该方法特别涉及对一个无能量电网(energielosen Stromnetz)内的组合设备加负载时该组合设备内的功率调节和功率分配。
背景技术：
当一个无能量电网(“Black Grid”)再次投入运行时，要调整对发电站设备在负载瞬变时的快速响应及在频率支持方面的能力的特定要求。当一个电网增加负载并且用户相继投入运行时，电网负载不是连续上升，而是大约在接入一个带有许多电机驱动的用户的工业企业时发生有功功率需求以及无功功率需求从几百千瓦到兆瓦数量级的跳变。如果这种功率跳变绝对地看也较小，则必须由一个单个的发电站设备来满足。如果电网总的功率消耗仅为几兆瓦，例如5MW，很清楚，在这种条件下对一个发电站设备的调节品质和频率支持能力的哪些要求调整到低的部分负载范围内。
原则上，这些要求能很好地通过燃气轮机设备来满足，燃气轮机设备本身具有短的响应时间。但出于火焰稳定性的原因，在燃气轮机中发展使用现代无公害预混合燃烧技术仍然至少在低负载范围内导致使可能的负载梯度受到限制。此外，对于现代结构类型的一些燃气轮机，在几兆瓦宽度的一定功率范围内工作是不可能的。
因此，按照电力工业的现有技术必须随时准备好专用的单元，它们能够满足一个无能量电网再起动时的要求。因此这里可用峰值负荷燃气轮机及柴油机组的形式随时准备好相应的容量。但这里涉及的设备通常相对不经济并且废气排放量大，否则的话这些设备只具有短的运行时间。为了在很少运行乃至实际持续停机的情况下保持它们可供起动的能力，必须费事地维护。此外，不能通过售出的电流收回投资。
根据现有技术准备随时提供相应储备的总费用是非常昂贵的。另一方面，发电站经营者在自由化的电力市场中直接从电网经营者得到高额款项用于随时准备提供暗起动能力(Schwarzstartkapazitaeten)。

发明内容
对于发电站经营者，出于上述考虑形成一个愿望，即用现代的、经济的、以持续运行方式工作的设备来提供相应的暗起动能力。
因此，本发明的任务是，提供一种方法，它使得能够借助组合设备在任意设备负载情况下提供频率支持能力，该组合设备基于现代的、用低废气排放的预混合燃烧技术装备的燃气轮机。
根据本发明，该任务的解决方案是，在一种用于运行组合发电站的方法中，在起动无能量电网时，在电网被加载之前，对一个水-蒸汽循环回路加载能量并且起动一个蒸汽轮机，对燃气轮机至少在其负载范围的一部分内根据一个预定加载程序加载，其中，通过蒸汽轮机功率的变化来满足电网的瞬时负载要求。
在这里的上下文中，应将对水-蒸汽循环回路加载能量例如理解为对水-蒸汽循环回路加热。另一方面，这也可以是锅炉中新鲜蒸汽压力的持续上升或对一个容器持续加载蒸汽体积。一个处于压力下的接近沸腾温度的水体积也是一个很有效的储能器，它在压力降低时可自发地提供大量蒸汽。在通常情况下，在实施本发明构思时可使用这些可能性的组合，在此，专业人员也完全熟悉将一个水-蒸汽循环回路作为储能器的其它可能性。
因此，本发明的核心是，不是如现有技术中通常的那样对蒸汽轮机的新鲜蒸汽输入这样调节，使得蒸汽轮机中的热应力受到限制，而是实际上将新鲜蒸汽输入还用在起动阶段中用于调节功率。在此，暂时有意地容忍了缩短工作寿命的蒸汽轮机机械过载。但实际中这种结果极少出现，组合设备真正根据本发明方法运行的可能性是很小的。然而重要的是，设备准备好采用本发明运行方法，在引导技术中已经实施了相应的程序，如上所述，这就可产生显著的资金流。
在本发明方法中有利的是，在水-蒸汽循环回路中储存尽可能多的能量，使得它可短时地以蒸汽形式供蒸汽轮机使用。因此对于该方法有利的是，燃气轮机首先在起动到额定转速后在电网开关打开、但发电机开关闭合时运行在用于组合发电站自供电的单机运行状态中。在此时利用了燃气轮机的废气热量，以使水-蒸汽循环回路被加载能量并且处于运行准备就绪状态。这时蒸汽轮机已有利地起动。当水-蒸汽循环回路达到一定状态时，电网开关才闭合。这时组合发电站才必须满足电网的功率需要；按照本发明方法，水-蒸汽循环回路及蒸汽轮机这时已准备好，通过将蒸汽导入蒸汽轮机支持燃气轮机来满足瞬时功率需求。此外有利的是，在加载程序中设置另外的停止点，在这些停止点上，水-蒸汽循环回路被连续地继续装载能量。由此，蒸汽轮机短时可供使用的功率继续上升。
在本发明方法中，水-蒸汽循环回路作为储能器工作，用于存储能够快速地以热的压力蒸汽形式供使用的能量。
如果组合设备设有一个转筒锅炉，则可以将一个高压转筒和/或一个低压转筒用作储能器。在用于实施该方法的设备上，这些转筒可以有利地作为储能器设计得尺寸过大。在这些转筒中则除蒸汽外还存储饱和水。在一个优选方法变型中，其中在需求功率时必须对蒸汽轮机输送蒸汽并且打开安置在锅炉与蒸汽轮机之间的主调节阀，锅炉中的背压自发地降低一个小的值。饱和水沸腾，由此可很快地提供大的蒸汽量。
在本方法的另一有利构型中，来自蒸汽发生器高压部分的蒸汽至少有时被输送到蒸汽轮机的低压部分或中压部分。为此，或者将蒸汽发生器高压部分中的压力暂时降低，或中将蒸汽发生器与蒸汽轮机之间的压力节流。该方法变型的一个优点是，在蒸汽轮机中减压期间的蒸汽湿度和在燃气轮机负载低时低的新鲜蒸汽温度不会过强地上升。
当然也可以由一个辅助锅炉向蒸汽轮机输入附加的蒸汽。
此外可使用一个暗起动柴油机的功率来补偿瞬时的负载需要。


下面借助附图详细说明本发明。唯一的附图示出具有暗起动能力的组合设备的一个实施例。其中很概要地表示出水-蒸汽循环回路及电路的线路图，并仅表示了对于理解本发明直接必需的单元。该图仅理解为启发性的，尤其不应被考虑为对本发明所要求保护范围的限制。
具体实施例方式
在附图中示例地表示一个具有暗起动能力的组合设备，以下借助该图来说明本发明方法。一个燃气轮机1和一个蒸汽轮机2驱动一个共同的发电机3。这里，由一个高压壳体201和一个中/低压壳体202组成的蒸汽轮机2以公知方式通过一个自动作用的离合器4与发电机3连接。燃气轮机的废气流过一个余热蒸汽发生器5，在该余热蒸汽发生器中产生用于蒸汽轮机的蒸汽。在此，来自一个冷凝器6的冷凝液通过一个低/中压供给泵7被泵压到一个第一压力水平上。该供给水流过一个供给水预热器501并且流入一个低/中压转筒505中。来自低/中压转筒505的水通过一个低/中压蒸发器502循环。在转筒505中发生分离，分离成沸水与饱和蒸汽。沸水部分地继续通过低/中压蒸发器502循环，在该蒸发器中每次蒸发一部分沸水。转筒中的沸水的另一分流被高压供给泵8泵压到一个第二压力上。在一个强制循环蒸发器504中，该高压供给水被蒸发并且所产生的蒸汽被过加热。最后，该高压蒸汽通过一个蒸汽调节阀9流向蒸汽轮机2的高压壳体201的入流管，在这里，它在输出有用功率的情况下被减压到一个压力上，该压力近似等于水-蒸汽循环回路的第一压力水平。在转筒中被分离出的饱和蒸汽从转筒中流出，在被导入一个低/中压过热器之前与部分减压的第一分流混合。过热蒸汽被从该低/中压过热器导入蒸汽轮机的低/中压壳体202的入流管，在输出有用功率的情况下被减压到冷凝器压力上。被减压的蒸汽最后在冷凝器6中又被液化。上述水-蒸汽循环回路很简化地表示出。同样，该水-蒸汽循环回路在压力级、预热级的数目及蒸发器结构型式上可以不同地构成而不触及本发明本质。低/中压蒸发器尤其可作为强制循环蒸发器和强制循环过热器构成。锅炉也可带有一个高压转筒来实施。许多其它的变型是技术人员所熟悉的。在设备正常运行时，发电机开关S1和电网开关S2闭合，开关S3至S6打开。发电站设备通过电网开关S2与电网50连通。通常是一个大的联合电网，在其上连接了多个另外的发电站和多个用户V1，V2，V3，...，它们可通过开关SV1，SV2，SV3，...接通和关断。在本实施例中表示出该发电站通过电网开关S2连接到高压母线51上，多个用户可通过开关连接到该母线上。此外，这些电连接被很概要地表示出，省略了变压器、保护开关及其它对于直接理解本发明不必要的单元。一个功率强大的电网通常对于弱的功率需求是不敏感的，在负载下运行的发电站设备原本就具有用于频率支持的相应储备。
在发电站设备常规起动时，首先，开关S1，S2，S5及S6是打开的。将开关S4闭合，将一个起动装置10、例如一个静止的变频器接通到高压母线51上。通过开关S3，该起动装置10与发电机3连接，该发电机此时作为电动机运行，燃气轮机首先被加速到点火转速上，直到保持在一定转速上以支持轴的加速。至迟在燃气轮机的额定转速上，将开关S3及S4打开，燃气轮机空转运行。将开关S1闭合，发电站可以通过自供电母线52由发电机供电，设备现在可在没有外部供电的情况下投入运行。这里例如示出，供给泵7及8连接在自供电母线52上。在下一步骤中使发电站设备与电网同步，将电网开关S2闭合。燃气轮机的功率至少在一个低负载区域中被按照预定加载程序控制地升高。蒸汽轮机2被起动；一旦它达到额定转速，它就通过自动作用的离合器4连接到发电机上。蒸汽调节阀9根据预给定的蒸汽轮机加载程序和/或根据测得的材料温度缓慢地提高蒸汽量，以便限制由热应力引起的蒸汽轮机机械负荷。以此方式，使组合设备与电网负荷无关地运行在一个预定的目标功率上；电网50的频率支持由连接在电网上的其它设备承担。
如果该电网50是无能量的，情况就根本不同了。在这种情况下，要求可连接在电网50上的设备具有暗起动能力。为此，该示例表示出的组合发电站装备有一个暗起动柴油机11。开关S1至S6是打开的。暗起动柴油机11由一个起动电动机12起动，该起动电动机由一个蓄电池13供电。暗起动柴油机11驱动一个辅助发电机14。将开关S5闭合，起动装置10借助辅助发电机14供电。如上所述，将开关S3闭合，燃气轮机1被带到额定转速上。然后将开关S3及S5打开。在燃气轮机起动之前，借助开关S6将辅助发电机14与自供电母线52连接。这可以使锅炉达到起动准备就绪状态。至此供给泵7和8可以投入运行。一旦可能，冷凝器6也被抽真空。在燃气轮机无载荷地达到额定转速之后，暗起动柴油机11按照优选方案首先保持空载运转，或者保持小负载，该小负载对最必要的发电站组成部分供给电能。将发电机开关S1闭合，被燃气轮机1驱动的发电机3提供功率，用于发电站的自供电。发电站从此时起不依赖于外部的或辅助供电源自给自足地运行。如果还没有这样，这时供给泵7和8被起动，冷凝器6被抽真空。在单机运行情况下，余热锅炉5被尽可能加热，蒸汽生产被起动。蒸汽调节阀9及15是关闭的，或者被强节流。当达到足够的蒸汽状态时，蒸汽轮机被加速到额定转速。然后将开关S2闭合，该发电站以最小功率被连接到电网50的高压母线51上，并且向该直至此时无能量的电网50馈电。用户开关SV1，SV2，SV3，...中的大部分是打开的；在此，这些用户也可以是整个电网区段。发电站的功率将缓慢升高。当然，用户必须以这样的量被接入，使得对电网的功率要求至少近似相当于发电机功率；对于小的偏差，系统以电网频率的波动来响应，发电站必须以功率变化对该电网频率波动做出反应，以使电网频率保持在一个容许的区间内。这些按顺序接通的用户V1，V2，V3，...不是无限小的，尤其是在电网负载的起始阶段中相对于总功率来说完全是显著的。在最初，在可以通过汽轮机有效功率输出量的变化来调整负载波动之前，发电站的旋转惯性质量使负载波动衰减。按照迄今的现有技术，对燃气轮机进行功率调节，以便在功率跳变时施行频率支持。如导言中所述，这在现代燃气轮机中至少在最大例如为40％或50％燃气轮机相对负载的低负载范围内是不可能的；负载要求也可能落在一个不允许的燃气轮机功率范围内。此外，对于燃气轮机相对负载或相对燃气轮机相对功率，技术人员应理解为燃气轮机的实际输出有功功率与其实际最大功率的比例，该最大功率很依赖于燃气轮机的环境条件和运行参数。根据本发明，蒸汽轮机处于低功率或在额定转速上处于空载运行中。蒸汽调节阀9及15被很强地节流。在余热蒸汽发生器5中，能量以热的、处于压力下的水及蒸汽的形式被存储。在一个优选实施例中，低/中压转筒505是超大尺寸的，并且起到沸水附加存储器的作用。这原则上也可借助一个高压转筒做到；但实践中一个相当大的高压存储器已有较大的问题，尤其是在强度方面。通过打开调节阀15可使在滚筒中以沸水形式存储的能量被利用通过背压的降低，这些水蒸发，相应的饱和蒸汽在过热器503中过热并被输送给中/低压涡轮机。同样，将蒸汽调节阀9打开，高压蒸汽轮机201的功率输出同样自发地上升。虽然这种方法产生温度突变并提高蒸汽轮机组成部件内的热应力，由此可能显著缩短工作寿命；但如果所述方法可无问题地起动无能量电网而没有因频率过低或过高使发电站紧急关断的危险，这也是完全容许的。在这方面有利的是，在电网起动期间蒸汽轮机尽可能早地带负载运行，由此，蒸汽轮机的功率调节可以向两个方向响应，即在即将发生频率过低以及即将发生频率过高时。燃气轮机的功率被按照预定加载程序控制地升高。燃气轮机在起动期间至少在低负载区域中不对负载波动响应。频率支持、即平衡瞬时负载跳变，按所述方式由蒸汽轮机承担。在此有利的是，燃气轮机的加载程序包括多个停止点，在这些点处，余热蒸汽发生器作为储能器被继续加载能量，这改善了蒸汽轮机的短期功率潜力。在另一优选方法变型中，将开关S6闭合。这样，暗起动柴油机的功率也可用于频率支持。当燃气轮机功率达到一个确定极限值时，典型地为约40％相对功率以上、最好大于50％相对功率，燃气轮机能够对功率需求的短期变化做出响应。以后我们对燃气轮机不再有控制地加载，而是使它在运行中被调节用于频率支持，并且在需要时一直继续加载到它的最大功率。使蒸汽轮机从调节中退出，缓慢地并且在避免过大热应力的情况下对其常规地加载。此外，燃气轮机与蒸汽轮机之间的负载分配根据专门的设备运行方案来进行。此外，也可将一个可能还在运行中的柴油机停机。
在一个有利的方法变型中可考虑在锅炉温度低时，蒸汽从余热蒸汽发生器的高压部分504输送到蒸汽轮机的低/中压部分202，为此，特别有利地使由高压供给泵8提供的压力暂时降低。一个大的优点是，在废气温度和由此新鲜蒸汽温度低的情况下蒸汽轮机中的蒸汽湿度不会增高太多。为简明起见，在图中未表示出为此所必须的蒸汽导管和节流机构或截止机构。但专业人员在了解本说明后能够毫无问题地将本发明的方案转用于相应结构的组合设备中。
除在实施例中所述的特定构型外，普通技术人员可不受限制地得出可实施本发明的一系列其它的设备结构形式；尤其是所述的水-蒸汽循环回路不是对本发明的限制专业技术人员已经毫无问题地熟悉多种不同的实施形式；由此在本发明构思的框架内可得到有利的方法变型，它们虽然未被明确地描述，但显然包括在本发明内，正如在权利要求书的特征中所给出的。
权利要求
1.用于在起动一个无能量电网(50)时运行组合发电站的方法，其中，在电网被加载负荷之前，将一个水-蒸汽循环回路加热并且将一个蒸汽轮机(2)起动，并且，对一个燃气轮机(1)至少在其负载范围的一部分内根据一个预给定的加载程序来加载，其中，通过蒸汽轮机功率的变化来满足电网的瞬时负载要求。
2.根据权利要求1的方法，其中，燃气轮机(1)在被接通到电网上之前在空载状态中或者带有用于对组合发电站自供电的功率地运行一个时间段，并且，在该时间期间对水-蒸汽循环回路加载能量。
3.根据权利要求1或2的方法，其中，在燃气轮机的加载程序中设置至少一个停止点，在该停止点上对水-蒸汽循环回路继续加载能量。
4.根据权利要求1至3之一的方法，在该方法中暂时地将蒸汽从一个余热蒸汽发生器的高压部分(504)输送给蒸汽轮机(2)的低压部分和/或中压部分(202)。
5.根据权利要求1至4之一的方法，在该方法中利用一个余热蒸汽发生器(5)的至少一个转筒(505)作为蒸汽储能器。
6.根据权利要求1至5之一的方法，其中，除蒸汽轮机功率外还将一个暗起动柴油机(11)的功率用于满足电网的瞬时负载需要。
全文摘要
在对一个无能量电网中的发电站设备加载时，该发电站设备必须能满足所有短期功率需求并且在此使电网频率保持在允许的容差范围内。本发明给出一种方法，通过一个有效的组合设备来提供该能力。根据本发明，燃气轮机(1)在低负载范围内被根据预定加载程序控制地加载，而不响应电网(50)的负载瞬变。在将发电站设备接通到电网上之前，对余热蒸汽发生器(5)作为储能器加热，蒸汽轮机(2)在蒸汽调节阀(9，15)被强节流的情况下至少加速到额定转速。当存在燃气轮机不能满足的电网短时负载需求时，蒸汽轮机做出响应。
文档编号F01K13/02GK1483107SQ01818722
公开日2004年3月17日 申请日期2001年11月12日 优先权日2000年11月13日
发明者里夏德·布拉特尔, 里夏德 布拉特尔, 彼得·米勒, 米勒, 黑普纳, 斯特凡·黑普纳 申请人:阿尔斯通(瑞士)有限公司