专利名称：带有负载的发电站设备及其工作方法
技术领域：
本发明涉及发电技术领域。其涉及一种根据权利要求1的前序部 分的发电站设备。
背景技术：
在天然气的输送和分布中，日益采用气体液化技术，以便减小体 积和例如使用专用罐成本低廉地输送液态气体。
在大的天然气液化设备中使用大功率的压缩机，使用这种压缩机 在液化过程中压缩天然气。为了驱动这种压缩机，日益使用燃气轮机， 燃气轮机例如使用已有的天然气作为燃料。这种燃气轮机通常被改进 用于驱动产生电流的发电机，电流然后馈入到具有预定电网频率(例
如50Hz或60Hz )的电网中。
图1为已知类型的压缩机区段10的非常简化的视图，其中燃气 專仑才几12直接一几械地通过轴19驱动天然气液化设备的压缩机11,气体 经由进气口 20被吸入，经压缩的气体在出气口 21排出。燃气轮机12 在最简单的情况下包括压缩机13,该压缩机经由空气入口 16抽吸燃 烧空气并将其压缩。压缩机13可以由多个前后连接的部分压缩机组 装而成，这些部分压缩机在提高的压力水平工作，并且必要时可以对 经压缩的空气进行中间冷却。在压缩机13中被压缩的燃烧空气进入 到燃烧室15中，液态燃料(例如油)或者气态燃料(例如天然气) 经由燃料供应机构17被喷入到所述燃烧室中，并在消耗燃烧空气的 情况下被燃烧。
从燃烧室15出来的热气体在随后的涡轮机14中在一定的工作功 率下减压，由此驱动燃气轮机的压缩机13和天然气液化设备的藕联 的压缩机11。燃气轮机12的转速在此与外部压缩机11的转速相同。
当今通常的功率高于50MW的大型燃气轮机的设计转速为3600 转/分钟(用于60Hz的电网频率)或3000转/分钟(用于50Hz的电网 频率)。因此必须采取预防措施，以便使得燃气轮机与压缩机一起加 速至额定转速或者减少燃气轮机的多余功率。由US-A-5,689,141已知 一种用于天然气液化设备的压缩机的驱动 系统，其中压缩机在一侧被燃气轮机驱动，在另一侧与同步电才几连接。 同步电机在燃气轮机加速时驱动压缩机区段，并为此从电网p及取能 量。如果燃气轮机已达到其转速，则同步电机作为发电机工作，且可 以将燃气轮机所产生的多余能量转化为电流并回馈到电网中。
由WO-A2-2005/047789已知一种类似的装置。如图2所示，电机 /发电机22在共同的轴19上设置在燃气轮机12和外部的压缩机11 之间，电机/发电机通过可变的频率驱动机构23与电网24连接。可变 的频率驱动机构23用于压缩机区段10'的软起动，并将多余的能量 以电网频率馈入到电网24中，此时电机/发电机22作为发电机工作。
由在涡轮机转速和压缩机11的转速之间的刚性藕联产生了如下 缺点
-只能有限地实现外部压缩机的稳定工作；
-无法实现独立于压缩机来控制发电站设备的功率;
-无法实现独立于压缩机来使得发电站设备的效率最佳；
-无法实现独立于电网频率来使得发电站设备的部分负载最
佳；
-只能有限地实现燃气轮机的排放控制。
对于利用有待新研发的组件或新设备的已有设备设计而言，由在 涡轮机转速和压缩机转速之间的刚性藕联产生了如下缺点
-在转速紧密藕联的情况下，压缩机和涡轮机不能被设计在最 佳点，如在转速无关情况下可以实现所述最佳点；
-设有紧密转速藕联的燃气轮机和蒸汽轮机在所希望的功率情 况下未必成本最佳，因为由于预定的转速，空气动力的或机械的设计 极限会妨碍最佳化，在转速可变情况下，最佳化能使得两者更好地相 互协调；
-燃气轮机不能最佳地适应于可变的环境状况。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于给负载供电的发电站设备及其工 作方法，其避免了已知的发电站设备的缺点，且特别是以灵活的工作 为见长，同时具有高的效率。该目的通过权利要求1和16的全部特征得以实现。本发明的主 要点在于燃气轮机仅仅驱动发电机；在发电机与至少一个负载之间 设置有电子解藕装置，该解藕装置使得发电机和负载的两个工作频率 彼此解藕。优选在此燃气轮纟几的设计功率大于50MW。
根据本发明的一种设计，第一工作频率明显不同于第二工作频 率，其中要么第一工作频率小于第二工作频率，第二工作频率为50Hz
或60Hz。特别是第二工作频率可以为60Hz,而第一工作频率为50Hz。
要么第一工作频率大于第二工作频率。特别是第二工作频率可以 为50Hz，而第一工作频率为60Hz。
优选电子解藕装置是阵列式逆变器形式的变频器，其包括多个设 置成(mxn)阵列的可控制的双向开关，这些开关被控制器控制，m 个输入部分有选择地与n个输出部分连接，其中m大于n，其中用于 确定电流符号的第 一机构设置在输入部分上，用于确定电压符号的第 二机构设置在输入部分之间，其中第 一和第二机构与控制器作用连 接。双向开关可以由一个部件构成，^旦也可以由多个部件构成。例如 可以使用两个反并联的具有相反的连接方向的晶闸管作为可控制的 双向开关。用于确定电流和电压符号的才几构例如可以是电流表或电压 表。替代地例如也可以使用只输出符号的二进制发生器。
优选燃气轮机是具有顺序燃烧机构的燃气轮机。
根据本发明的一种设计，负载是被电机驱动的压缩机，其是用于 液化气体特别是天然气(LNG)的设备的一部分。
根据本发明的另一种设计，负载是电气铁道的供电网路。
根据本发明的另一种设计，负载是电网。发电站特别是可以用于 具有不同频率的电网。另一特殊的应用是，可以有选择地将电流提供 至50Hz的电网和60Hz的电网，此点对于国家边界地区或者具有不同 电网的区域来说是有利的。
另外，在本发明的范围内可以考虑使得发电机的输出部分与电 网连接；为了有选择地使得发电机与电网和负载连接，设置有切换装 置。
附图简短说明
下面借助实施例结合附图详细说明本发明。图中示出图1为根据现有技术的发电站设备的非常简化的方框图，其带有
燃气轮机和被直接驱动的外部压缩机；
图2为根据现有技术的发电站设备的非常简化的方框图，其带有 燃气轮机和被直接驱动的外部压缩机和中间连接的电机/发电机；
图3为根据本发明实施例的发电站设备的非常简化的方框图，其 带有燃气轮机、发电机和负载以及电子解藕装置；
图4示例性地示出阵列式逆变器的内部结构，其例如可以用作在 根据图3的设备中的电子解藕装置；
图5示出转速与压缩机入口温度的关系；和
图6示出通过压缩才几入口温度T!o对空气动力转速i^和积4戒转速 n机械的4空制。
具体实施例方式
在图3中再次给出根据本发明实施例的发电站设备的非常简化的 方框图，其带有燃气轮机、发电机和负载以及电子解藕装置。发电站 设备40包括燃气轮机12,该燃气轮机带有压缩机13和串联的燃烧机 构，其中第一燃烧室15通过第一燃料供应机构17利用第一种燃料产 生热气，热气在第一涡轮机14a中减压，然后被导入到第二燃烧室15' 中，在这里，通过第二燃料供应机构17'利用第二种燃料引起热气温 度的提高，热气然后在第二涡轮机14b中减压。但也可以代替在效率 方面特别有益的串联的燃烧机构而设置一级的燃烧机构。
发电机28直接与燃气轮机12的轴19藕联。由此使得发电机28 的转速与燃气轮机12的转速相同。发电机28的输出端可与负载V连 接，在本实施例中，该负载包括天然气液化设备的被电机25驱动的 压缩机ll，该压缩机带有进气口 20和出气口 21。但也可以考虑其它 的需要具有一定的工作频率的交流电压的负载，例如电气铁道的供电 网路。在发电机28的输出端与负载V之间设置有电子解藕装置17， 该解藕装置引起在发电机28中产生的第一工作频率或燃气轮机12的 转速与负载V的第二工作频率的解藕。
图3的发电站设备40可以直接地且仅仅为负载V供电。但也可 以考虑使得该发电站设备将所产生的电功率有选择地馈入到电网24 中，其中可以基于电子解藕装置27使得工作频率适配于电网频率，而无需改变燃气轮机12的转速。在示意图3中，在电子解藕装置27 的输出端设置有切换装置26，利用该切换装置可以将发电站设备40 所产生的功率有选择地输出至电网24或负载V。
电子解藕装置27—为了限制损耗功率一优选是无直流中间回路 的阵列式逆变器。这种基于其控制而损耗特别少的阵列式逆变器的结 构和工作方式已在EP-A2-1 199 794中有所记载。在EP-A1-1 561 273、 DE-A1-10 2004 016 453、DE-A1-10 2004 016 463和DE-Al-10 2004 016 464中对这种阵列式逆变器进行了进一步设计。图4为一种阵列式逆 变器的原理方框图，其具有6个输入相(Eingangsphase)和3个输出 相。阵列式逆变器(27)阵列式逆变器27按照时间顺序将发电机28
的6个相G1..... G6作为源与负载30的3个相Ll..... L3连接。
为此需要的功率部件29包括18个反并联连接的晶闸管形式的双向开 关32(通常为mxn个开关，用于m个输入/源相和n个输出/负载相)。 这些开关32设置成(6x3)阵列。为了控制开关32,设置有控制机构 或控制器31，该控制器从脉沖产生器39得到时间信号(脉冲频率)。 开关32的开关状态被监视，并分别通过第 一信号线路36被通知给控 制器31。这些开关32分别通过控制线路35被控制器31控制。
在发电机28的各个相Gl..... G6上分别设置有电流测量装置
34,所述电流测量装置通过第二信号线路37将相电流(Phasenstrom) 的符号(Vorzeichen)通知给控制器31 。此夕卜，在发电机28的相Gl、…、 G6之间设置有电压测量装置33，这些电压测量装置通过第三信号线 路38将相应的相差电压的符号通知给控制器31。对于阵列式逆变器 的工作过程的细节可参见上述对比文件。
通过特别是所述类型阵列式逆变器形式的解藕装置27，可以得到 电子解藕的如下优点
-可以根据环境状况(例如入口温度)来适配调节燃气轮机的 工作最佳值(功率、效率)。
-可以提高功率。
-可以改善负载波动时的灵活性和提高涡轮机的寿命。涡轮机 可以转速恒定地运转。可以？文善排方文值(Emissionswert)。可变转速 的附加自由度允许以所希望的功率在高的或低的转速下起动。在燃气 轮机作为驱动^/L构的情况下，与此关联的是或低或高的涡4仑4几入口温度，其中具有影响C02和NOx的排放的效果。
-对工作频率的解藕允许安装如下发电站设备，即可以针对所 希望的功率，更确切地说，通过附加的自由度来减小所述发电站设备
的结构尺寸，从而可以独立于负载来调节转速。(例如安装3300转/ 分钟的涡轮机，其明显小于3000转/分钟的涡轮机)。
根据本发明的前述方案，即发电站设备中的涡轮机区段-涡轮机 和发电机-能够独立于负载的工作频率稳定地在所希望的转速下工 作，-在切换至电网24时-有助于电网24的稳定。在频率降低时， 发电站设备必须能够保持在正常电网频率下所输出的功率，理想情况 下甚至能够将提高的功率输出至电网。当前的发电站系统只能在有限 的程度上确保此点。电网频率降低使得与电网频率密切联系的系统感 觉到涡轮机和发电机的转速不希望地降低。由于减速，使得动能从燃 气轮机-发电机-轴区段馈入到电网中，经过该短的阶段后，所输出 的功率在其它工作参数相同的情况下降低。在这种情况下，燃气轮机
的反应是，抽吸物质流减少和燃料供应明显增加，这导致涡轮4几中的 热气温度升高。这又明显地缩短了涡轮机的寿命，使得设备工作成本 上升。在该工作阶段，NOx形式的有害物质排放也明显增加。由此已 经规定了两个极限-寿命和排放，其对电网频率降低时的功率增加进 行了很大的限制。作为第三方面，机械的和空气动力的协调性起到了 作用。超过6%的严重的频率下降会导致发电站设备被断开，因为这 些发电站设备在机械上不能以相应降低的转速工作。对于如下较低的 空气动力转速而言，即
"* ="机械7^ , n机械二才几才成^"i4,
还会由于压缩机的喘振极限而限制工作(见图6; 0=机械的转速 极限，D^卸载，E-压缩机喘振保护)。
对于负载解藕的系统而言，所有上述缺点都不存在。对最小允许 频率波动没有限制，因为涡轮区段不会感觉到明显的转速波动。因此 也不会出现有害物质增加和寿命降低的现象。
除了电网稳定外，负载独立的发电站系统还允许特别是即使在部 分负载工作点的情况下也能实现每个工作点的功率或效率最佳化。通过在允许的机械极限范围内取决于工作点的合适的转速控制，要么由 于涡轮机效率提高而实现减少排放和节省燃料，要么替代地实现功率 提高，就尖峰负载的覆盖而言，功率提高使得发电站的灵活性提高。
独立于负载的发电站系统的另 一 有利的方面是设备对不同的标 准状况的良好的适应能力。不同的标准状况特别是影响发电站设备的 工作状态的不同的环境状况，如外部温度、空气湿度以及燃料成分。 独立于负载的转速控制的附加的自由度允许根据当前的环境状况分 别产生最佳的工作状况。在这种情况下可以实现效率提高，也可以实 现功率提高。
所有上述方面已经可以用于已有的涡轮机。另外也公开了如何能 使得燃气轮机最佳化的不同方案，只要燃气轮机的转速不受负载的第 二工作频率限制。
涡轮组件压缩机和涡轮机可以设计有新的边界条件。目前对于静 止式燃气轮机而言还要考虑降低的转速的大约± 10 %的最小工作范围 最为可靠范围。由此确保燃气轮机 一 方面能够承受机械的转速波动，
另一方面能够覆盖入口温度的变化，这种变化以1/(T八。)1/2的比例影 响降低的转速。如果采用最佳的运行方案来限制所需要的减小的转速 范围，则通过对压缩机叶片和涡轮机叶片的重新设计既可以实现效率 提高，又可以实现功率提高。
在发电站设备10工作的情况下可以将燃气轮机12的机械的或空 气动力的转速(n机械或n*)控制在恒定值。
但也可以考虑(图6)在允许的机械转速范围内将燃气轮机12的 空气动力的转速11*控制在恒定值，其方式为， 一旦达到机械的或其它 的极限值例如压力或温度就将机械的转速n机械控制在恒定值，且在达 到临界的压力或温度时再次调节或减小机械的转速n机械。
附图标记列表
10、 10〃 压缩才几区教
11 压缩机(外部的)
12 燃气4仑机13
14、14a、b涡轮机
15、15'燃烧室
16空气入口
17、17,燃料供应机构
18废气出口
19、19'轴
20进气口
21出气口
22电才几/发电才几
23可变的频率驱动^L构
24电网
25电机
26切换装置
27解藕装置
28发电机
29功率部件
30负载
31控制器
32开关(双向的)
33电压测量装置
34电流测量装置
35控制线路
36、…、38信号线路
39脉沖产生器
40发电站设备
Gl、…、G6相(发电才几)
Ll、…、相(负载)
V负载
权利要求
1.一种发电站设备(40)，具有涡轮机区段，所述涡轮机区段由燃气轮机(12)和发电机(28)构成，所述发电机被所述燃气轮机(12)直接驱动，且产生具有第一工作频率的交流电流，其输出部分与至少一个具有预定的第二工作频率的负载(V)连接，其特征在于，在所述发电机(28)和所述负载(V)之间设置有阵列式逆变器形式的变频器作为电子解藕装置(27)，所述解藕装置使得两个工作频率彼此解藕。
2. 如权利要求1所述的发电站设备，其特征在于，所述燃气轮机 (12);故设计用于大于50MW的功率。
3. 如权利要求1或2所述的发电站设备，其特征在于，所述第一 工作频率明显不同于所述第二工作频率。
4. 如权利要求3所述的发电站设备，其特征在于，所述第一工作 频率小于所述第二工作频率。
5. 如权利要求4所述的发电站设备，其特征在于，所述第二工作 频率为50Hz或60Hz。
6. 如权利要求5所述的发电站设备，其特征在于，所述第二工作 频率为60Hz，所述第一工作频率为50Hz。
7. 如权利要求3所述的发电站设备，其特征在于，所述第一工作 频率大于所述第二工作频率。
8. 如权利要求7所述的发电站设备，其特征在于，所述第二工作 频率为50Hz或60Hz。
9. 如权利要求8所述的发电站设备，其特征在于，所述第二工作 频率为50Hz,所述第一工作频率为60Hz。
10. 如权利要求1至9中任一项所述的发电站设备，其特征在于， 所述阵列式逆变器包括多个设置成(mxn)阵列的可控制的双向开关(32),这些开关被控制器(31)控制，m个输入部分有选择地与n 个输出部分连接，其中m大于n,其中用于确定电流符号的第一机构(34)设置在所述输入部分上，用于确定电压符号的第二机构(33) 设置在所述输入部分之间，其中所述第一和第二机构(33或34)通 过信号线路(38)与所述控制器(31)连接。
11. 如权利要求1至10中任一项所述的发电站设备，其特征在于，所述燃气轮机(12)是具有顺序燃烧机构(14a、 b; 15、 15')的燃气轮机。
12. 如权利要求l至ll中任一项所述的发电站设备，其特征在于， 所述负载(V )是被电机(25 )驱动的压缩机(11 );所述压缩机(11 ) 是用于液化气体特别是天然气(LNG)的设备的一部分。
13. 如权利要求1至11中任一项所述的发电站设备，其特征在于， 所述负载(V)是电气铁道的供电网路。
14. 如权利要求1至11中任一项所述的发电站设备，其特征在于， 所述负载(V)是电网。
15. 如权利要求1至13中任一项所述的发电站设备，其特征在于， 所述发电机(28)的输出部分与电网(24)连接；为了有选择地使得 所述发电机(28)与所述电网(24)和所述负载(V)连接，设置有 切换装置(26)。
16. 根据权利要求1至15中任一项的发电站设备(10)的工作方 法，其特征在于，将所述燃气轮机(12)的机械的或空气动力的转速 控制在恒定值。
17. 根据权利要求1至15中任一项的发电站设备(10)的工作方 法，其特征在于，在允许的机械转速范围内将所述燃气轮机(12)的 空气动力的转速控制在恒定值，其方式为， 一旦达到机械的或其它的 极限值例如压力或温度就将机械的转速控制在恒定值，且在达到临界 的压力或温度时再次调节或减小机械的转速。
全文摘要
本发明涉及一种发电站设备(40)，具有涡轮机区段，所述涡轮机区段由燃气轮机(12)和发电机(28)构成，所述发电机被所述燃气轮机(12)直接驱动，且产生具有第一工作频率的交流电流，其输出部分与具有预定的第二工作频率的负载(V)连接。所述发电站设备(40)的设计和工作的提高的灵活性通过如下措施来实现，即在所述发电机(28)和所述负载(V)之间设置有电子解耦装置(27)，所述解耦装置使得两个工作频率彼此解耦。
文档编号F02C9/28GK101611217SQ200880005206
公开日2009年12月23日 申请日期2008年2月11日 优先权日2007年2月14日
发明者J·霍夫曼 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司