控制用于生产电能的联合循环设备的方法以及用于生产电能的联合循环设备的制作方法
【专利摘要】一种控制用于生产电能的联合循环设备的方法，包括具有相应的发电机(3)和(6)的至少一个燃气涡轮机组件(2)和蒸汽涡轮机(5)。基于设备负荷设定点(SP0)和供应至蒸汽涡轮机(5)的实际蒸汽压力(PA)来确定用于蒸汽涡轮机(5)的临时负荷设定点(SPTV*)。因此，燃气涡轮机负荷设定点(SPTG)基于设备负荷设定点(SP0)和临时负荷设定点(SPTV*)被确定并且被用于控制燃气涡轮机组件(2)。最后，蒸汽涡轮机负荷设定点(SPTV)基于临时负荷设定点(SPTV*)和燃气涡轮机组件(2)的负荷误差(ETG)被最终确定并且被用于控制蒸汽涡轮机(5)，该蒸汽涡轮机负荷设定点(SPTV)指示通过蒸汽涡轮机(5)待被供应的第二功率(WTV)。
【专利说明】控制用于生产电能的联合循环设备的方法以及用于生产电能的联合循环设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制用于生产电能的联合循环设备的方法以及一种用于生产电能的联合循环设备。
【背景技术】
[0002]如所知的，在用于生产电能的联合循环设备中，由考虑电网需求、计划的安排(每日、每周及每季的)以及由现行规则设定的限制的设备控制器在蒸汽涡轮机与燃气涡轮机(或者多个涡轮机)之间分配负荷。设备控制器从外部接收需求并且产生用于设备的总的有功电负荷设定点，之后在蒸汽涡轮机与燃气涡轮机之间分配该总的有功电负荷设定点(为了简便的原因，下文中将参照1+1型设备，即一个蒸汽涡轮机和一个燃气涡轮机，从而在不损失普遍性的情况下进行说明)。
[0003]为了分配负荷，设备控制器通常从总的电负荷设定点中减去由联接至蒸汽涡轮机的发电机产生的有功电功率的测量值。因此，获得的负荷值被指定为由闭环负荷控制器管控的燃气涡轮机的负荷设定点。替代地蒸汽涡轮机由压力调节器控制，该压力调节器根据滑压设定点曲线作用在入口阀上(具体地，在蒸汽涡轮机高压部段上)。实际上，蒸汽涡轮机的贡献被用于燃气涡轮机的操作条件组的效果而改变(该条件组确定蒸汽涡轮机可用的蒸汽流动速率)并且另外地被压力调节器的动作而影响。
[0004]这种类型的控制允许获得由锅炉产生的蒸汽的热动力学(压力和温度)条件，从而确保最大的效率。然而，这种控制不能足够灵活的用以充分满足能量市场的需求以及用于环境标准和电网代码。在现今的电网中，每日起动(早晨)和关闭(夜晚)的循环以及广泛且快速的负荷改变是不可避免的；此外，供应者必须参与主电网频率控制以维持整个电网的频率稳定。因此，蒸汽涡轮机自主响应关于负荷方面的能力变得日益更加需要，从而在需要过快的负荷变化时支持燃气涡轮机并且还在起动和关闭阶段期间用以维持设备的总的负荷的控制。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种控制用于生产电能的联合循环设备的方法以及一种用于生产电能的联合循环设备。
[0006]根据本发明，公开了如分别在权利要求1和权利要求10中所限定的一种控制用于生产电能的联合循环设备的方法以及一种用于生产电能的联合循环设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]现在将参照示出本发明的非限制性实施方式的附图对本发明进行描述，在附图中:
[0008]-图1是根据本发明的实施方式的用于生产电能的联合循环设备的简化方块图；[0009]-图2是图1中的设备的一部分的更详细的方块图；以及
[0010]-图3是示出了与图1中的设备相关的量级的图表。
【具体实施方式】
[0011]参照图1，1+1 “多轴”的用于生产电能的联合循环设备整体由附图标记I标示并且包括:联接有交流发电机3的燃气涡轮机组件2、蒸汽涡轮机5、交流发电机6、以及锅炉
7。燃气涡轮机组件5包括压缩机2a、燃烧室2b以及燃气涡轮机2c。锅炉7从燃气涡轮机2c接收热的排放气体流并且使得可利用蒸汽流动速率，该热的排放气体流被供应至蒸汽涡轮机5。交流发电机3、6连接至分配电网4。
[0012]设备I附加地包括负荷设定点产生单元8、联接至燃气涡轮机组件2的燃气涡轮机组件控制器9、以及联接至蒸汽涡轮机5的蒸汽涡轮机控制器10。
[0013]参照图1和图2，负荷设定点产生单元8接收设备负荷设定点SPtl并分配设备负荷设定点SPtl以确定用于燃气涡轮机组件2的燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc和用于蒸汽涡轮机5的蒸汽涡轮机负荷设定点SPTV。设备负荷设定点SPtl从外部供应并且可以由操作者手工地设定或者由电网管理者(未示出)自动地设定，电网管理者分配由连接至跨越可用的供应者的电网4的设备所需的负荷和/或根据由每个生产者基于能量市场而开发的负荷计划来分配。
[0014]燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc和蒸汽涡轮机负荷设定点SPtv被分别供应至燃气涡轮机组件控制器9和蒸汽涡轮机控制器10。燃气涡轮机组件控制器9通过压缩机2a的可动入口引导叶片或者IGV级以及燃烧室2b的燃料进给阀上的相应的致动器来操作，使得由燃气涡轮机组件2和交流发电机3传输的有功功率Wtc遵循燃气涡轮机组件负荷设定点SPTC。蒸汽涡轮机控制器10在蒸汽涡轮机5的调节阀系统(具体地在高压部段的入口阀上)上作用，使得由蒸汽涡轮机5和交流发电机6传输的有功功率Wtv遵循蒸汽涡轮机负荷设定点SPTV。出于简单的原因，附图中未示出致动器、IGVs、燃料进给阀以及入口阀。
[0015]另外，为了实现需要的控制功能，燃气涡轮机组件控制器9和蒸汽涡轮机控制器10分别接收联接至燃气涡轮机组件2的交流发电机3可用的有功功率Wtc的测量值或估算值以及联接至蒸汽涡轮机5的交流发电机6可用的有功功率Wtv的测量值或估算值。
[0016]为了确定在燃气涡轮机组件2与蒸汽涡轮机5之间的设备负荷设定点分配，设定点产生单元8使用处理级12和校正级13。处理级12根据设备负荷设定点SPtl来确定燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc和临时负荷设定点SPtv'之后临时负荷设定点SPt/由校正级13基于燃气涡轮机负荷误差Etc来修正以获得蒸汽涡轮机负荷设定点SPTV。燃气涡轮机负荷误差Etc由校正级13确定(或者，在不同的实施方式中，由燃气涡轮机组件控制器9直接确定)并且由有功功率Wtc与燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc之间的差值限定。在一种实施方式中，校正级13将燃气涡轮机负荷误差Etc添加至临时的负荷设定点SPtv'
[0017]在图2中更详细地示出了设定点产生单元8。
[0018]处理级12包括第一处理线15、第二处理线16、计算模块17以及压力调节器18。
[0019]第一处理线15构造成确定总的设备负荷设定点SPtl’并且包括编程和限制模块20和校正模块21、22，该总的设备负荷设定点SPc/指示燃气涡轮机组件2的交流发电机3和蒸汽涡轮机5的交流发电机6可用的总功率。编程和限制模块20对最大和最小设备负荷设定点SPtl施加限制并且确定最大的可用负荷梯度。校正模块21、22将相应的添加组成应用至编程和限制模块20的输出值。更为具体地，校正模块21添加与由燃气涡轮机组件2和蒸汽涡轮机5的辅助设备消耗的功率相对应的功率组成WAUX，而校正模块22添加与电网4的当前频率和额定电网频率之间的差值相关的调节组成WF。因此，由第一处理线15产生的总的设备负荷设定点SPc/考虑为了考虑由辅助设备消耗的功率而待传输的相对于设备负荷设定点SPtl的较高负荷以及参与对电网4的主电网频率的控制的可能需要。
[0020]包括处理模块24、25、26的第二处理线16接收总的设备负荷设定点SPc/，并且与压力调节器18相协作以确定临时的负荷设定点SPtv'
[0021]具体地，处理模块24根据总的设备负荷设定点SPc/并且还考虑环境温度和压力条件来确定用于燃气涡轮机5的理论负荷设定点SPTVT。
[0022]处理模块25使用理论负荷设定点SPtvt以确定与对于蒸汽涡轮机5所需的负荷成函数的功率对压力的比率W/P。更详细地，处理模块25实施下面的操作:
[0023]理论负荷设定点SPtvt乘以额定高压流动速率Qhpk与蒸汽涡轮机5的额定负荷Wh之间的比率Qhpk/Wk以获得与理论负荷设定点SPtvt对应的当前高压流动速率Qhpc ；
[0024]当前流动速率Qlirc乘以高压入口阀处的额定压力Phpk与额定高压流动速率Qhpk之间的比率Phpk/Qk(也称为机器常数)以根据自然滑压曲线NSP (图3)获得与理论负荷设定点SPtvt对应的当前自然压力设定点Phpcn ；
[0025]当前自然压力设定点Phpcn由倍乘系数校正以根据修正的滑压曲线MSP(图3)获得与理论负荷设定点SPtvt对应的修正的当前压力设定点Phpcm,以便于维持储量,该储量允许蒸汽涡轮机5主动地参与主电网频率的控制；
[0026]如果在带的外部，则当前修正的压力设定点Phpcm由在最大值Pmax与最小压力值Pmin之间所限定的带限制；并且
[0027]通过将理论负荷设定点SPtvt除以当前修正的压力设定点Phpcm来确定功率对压力的比率W/P。
[0028]自然滑压曲线NSP根据高压蒸汽流动速率来供应用于蒸汽涡轮机5的高压阀的压力设定点，该高压蒸汽流动速率呈现出维持高压阀本身在超出Q*阈值流动速率(图3)时完全打开。因此，自然滑压曲线NSP是蒸汽涡轮机5的适当的特征。
[0029]修正的滑压曲线MSP由自然滑压曲线NSP获得(例如用于平移和/或旋转)并且根据高压蒸汽流动速率提供用于蒸汽涡轮机5的高压阀的压力设定点，其中高压阀也在超出阈值流动速率Q*时部分地打开。以此方式，在稳态条件中，蒸汽涡轮机5具有剩余功率裕量，该剩余功率裕量可以在负荷改变(ramp)期间或者当设备I需要参与电网4的主电网频率控制时被供应以支持燃气涡轮机组件2。
[0030]因此，实际上，在高压部段的入口阀仅部分打开的情况下获得可能受限的当前修正的压力设定点PHrcM。可能的进一步打开到完全打开允许在需要时——诸如例如当燃气涡轮机组件2不能自动地满足总的负荷需求时——用以增加蒸汽涡轮机5上的负荷。
[0031]处理模块26从蒸汽涡轮机5接收在高压入口阀处的实际压力测量值Pa并且从处理模块25接收功率对压力的比率W/P，并且将它们相乘，以确定临时负荷设定点SPtv'压力调节器18有助于确定临时的负荷设定点SPT/。更为具体地，压力调节器18接收实际压力测量值Pa和理论压力设定点Ρτ，该理论压力设定点Pt以与设定点PHrcM相似的方式并且在该情况下使用实际测量的蒸汽流动速度代替计算的蒸汽流动速率Qhpk来确定。压力调节器18输出供应校正系数KP。校正系数Kp被应用为倍乘项以将可能影响功率对压力的比率W/P的因素考虑进去(诸如，例如在蒸汽涡轮机冷凝器中的真空水平变化或者蒸汽管上的通气装置或放气装置的打开)并且补偿例如在计算理论负荷设定点SPtvt中的误差。
[0032]计算模块17从总的设备负荷设定点SPc/减去由处理模块26供应的临时负荷设定点SPt/以确定用于燃气涡轮机组件2的燃气涡轮机负荷设定点SPTC。燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc被供应至燃气涡轮机组件9和校正级13。
[0033]在一种实施方式中，校正级13包括处理模块27、28。处理模块27使用燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc和由燃气涡轮机组件2通过交流发电机3实际传输的有功功率Wtc的测量值，以由差值确定燃气涡轮机负荷Etc。
[0034]处理模块28将从处理模块27接收的燃气涡轮机负荷误差Etc添加至临时负荷设定点SPt/以获得蒸汽涡轮机负荷设定点SPTV。
[0035]在一种实施方式中，处理模块28从燃气涡轮机组件控制器9直接接收燃气涡轮机
负荷误差Etc。
[0036]因此确定的蒸汽涡轮机负荷设定点SPtv被发送至蒸汽涡轮机10，该蒸汽涡轮机负荷设定点SPtv作用在蒸汽涡轮机5的高压入口阀上，以维持由蒸汽涡轮机5本身通过交流发电机6实际传输的功率与蒸汽涡轮机负荷设定点SPtv —致。更为具体地，蒸汽涡轮机控制器10接收由蒸汽涡轮机5通过交流发电机6实际传输的有功功率Wtv的测量值，确定蒸汽涡轮机负荷误差并且作用在蒸汽涡轮机5的高压入口阀上，以便于取消或者维持蒸汽涡轮机负荷设定点误差。
[0037]在通常的操作条件下，燃气涡轮机组件9供应由燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc限定的相关负荷部分。此外，用于蒸汽涡轮机5的蒸汽涡轮机负荷设定点SPtv从当前修正的压力设定点PHrcM开始计算，使得蒸汽涡轮机5具有剩余功率裕量。
[0038]在可能发生的瞬变现象期间，例如当设备I起动或者当设备I需要参与电网4的主电网功率控制时，燃气涡轮机组件9可能不能传输足够的功率以在没有延迟的情况下满足负荷需求。在高需求的情况下，例如，负荷梯度上设定的限制可能造成在响应燃气涡轮机组件2中的延迟并且因此燃气涡轮机负荷误差Etc将不为零。燃气涡轮机负荷误差Etc，即燃气涡轮机组件2不能恢复的负荷部分，被添加至临时的负荷设定点SPt/并且因此被分配至蒸汽涡轮机5，由于入口阀还未完全打开因此蒸汽涡轮机5仍将具有待传输的功率裕量。蒸汽涡轮机5更高的负荷组成不被燃气涡轮机组件2感知(实际上，在燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc的形成中未将其考虑进去)，该蒸汽涡轮机5更高的负荷组成继续寻求供应消除负荷误差Etc的所需的组成。可能消除供应负荷误差Etc使得蒸汽涡轮机5的高压入口阀返回之前的位置。
[0039]因此，设备I能够作为激励器，其在整个可传输的功率范围中存在高的、突然的功率需求时做出更有效的响应。蒸汽涡轮机5实际上不仅在所需负荷高于燃气涡轮机组件2的最大负荷时进行干预，并且还在燃气涡轮机组件2的的最大负荷梯度本身不允许对电网4所需的变化有效地做出响应时处于较低的负荷水平。
[0040]另外，用于燃气涡轮机组件2和用于蒸汽涡轮机2的设定点计算机构促进了设备的稳定性。实际上，如果例如由于干预的实际压力测量值Pa突然地增加，则临时的负荷设定点SPt/增加，使得蒸汽使用增加并且燃气涡轮机组件负荷设定点SPtc减小。结果，压力趋于减小为接近所需值。
[0041]当设备负荷设定点SPtl减小时，用于计算功率对压力的比率W/P和临时负荷设定点SPt/修正滑压曲线的使用允许比已知设备更加均一地将负荷需求分配至燃气涡轮机组件2和蒸汽涡轮机5。这具有如下的效果:限制用于燃气涡轮机在比最小环境负荷更低的负荷下的时间，或者如果提供了小于燃气涡轮机组件的负荷限制则精确地遵循设备负荷程序。
[0042]最后，显然的是，可以在不背离如所附权利要求中公开的本发明的范围的情况下，对所述装置和方法做出改变和变型。
[0043]具体地，本发明还可以有利地应用于2+1 “多轴”联合循环设备，在该联合循环设备中存在两个燃气涡轮机组件和一个蒸汽涡轮机，以及两个燃气涡轮机组件进给同一锅炉用于产生蒸汽。属于燃气涡轮机组件的负荷部分再次通过从总的设备负荷设定点中减去临时负荷设定点而确定。因此，之后可以在两个燃气涡轮机之间分配来获得值，例如如果燃气涡轮机组件是大致相同的那么等分分配，或者以与燃气涡轮机组件的额定功率成比例的方式分配。
【权利要求】
1.一种控制用于生产电能的联合循环设备的方法，其中，所述设备(I)包括至少燃气涡轮机组件(2)和蒸汽涡轮机(5)； 所述方法包括: 接收设备负荷设定点(SPtl)； 基于所述设备负荷设定点(SPtl)和供应至所述蒸汽涡轮机(5)的蒸汽的实际压力(Pa)来确定用于所述蒸汽涡轮机(5)的临时负荷设定点(SPt/)； 基于所述设备负荷设定点(SPtl)和所述临时负荷设定点(SPt/)来确定指示通过所述燃气涡轮机组件(2)待被供应的第一功率(Wtc)的燃气涡轮机组件负荷设定点(SPtc)； 使用所述燃气涡轮机组件负荷设定点(SPtc)来控制所述燃气涡轮机组件(2); 确定所述燃气涡轮机组件(2)的负荷误差(Etc)； 基于所述临时负荷设定点(SPt/)和所述燃气涡轮机组件(2)的所述负荷误差(Etc)来确定指示通过所述蒸汽涡轮机(5)待被供应的第二功率(Wtv)的蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv);以及 使用所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)来控制所述蒸汽涡轮机(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)以这样的方式确定使得在稳态条件下所述蒸汽涡轮机(5)具有用于传输的剩余功率裕量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)包括添加所述临时负荷设定点(SPt/)和所述燃气涡轮机组件(2)的所述负荷误差(Etc)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)包括: 根据所述蒸汽涡轮机(5)的自然滑压曲线(NSP)确定与所述设备负荷设定点(SPtl)属于所述蒸汽涡轮机(5)的理论部分相对应的当前自然压力设定点(Phpcn);以及 基于所述当前自然压力设定点(Phpcm)并且根据修正的滑压曲线(MSP)来确定当前修正压力设定点(Phpcm)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)包括确定指示所述设备负荷设定点(SPtl)属于所述蒸汽涡轮机(5)的理论部分的理论负荷设定点(SPtvt)与所述当前修正的压力设定点(Phpcm)之间的功率对压力的比率(W/P)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)包括将功率对压力的比率(W/P)乘以所述实际压力(Pa)。
7.根据权利要求5或者6所述的方法，其中，确定所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)包括应用由所述压力调节器(18)根据所述实际压力(Pa)和理论压力设定点(Pt)确定的校正系数(Kp)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，确定所述燃气涡轮机组件负荷设定点(SPtc)包括从所述设备负荷设定点(SPtl)减去所述临时负荷设定点(SPt/)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述设备(I)联接至具有当前电网频率和额定电网频率的分配电网(4);所述方法包括基于所述设备负荷设定点(SPtl)J^示所述设备(I)的辅助设备的功率消耗的第一功率组成(Waux)、以及与所述分配电网(4)的当前电网频率与所述额定电网频率之间的差值相关的第二功率组成(Wf)来确定总的设备负荷设定点(SP。’ )。
10.一种用于生产电能的联合循环设备，包括:至少燃气涡轮机组件(2); 蒸汽涡轮机(5)； 燃气涡轮机组件控制器(9)，燃气涡轮机组件控制器(9)联接至所述燃气涡轮机组件
(2)； 蒸汽涡轮机控制器(10)，所述蒸汽涡轮机控制器(10)联接至所述蒸汽涡轮机(5);以及 设定点产生单元(8)，所述设定点产生单元(8)构造成: 接收设备负荷设定点(SPtl)； 基于所述设备负荷设定点(SPtl)和供应至所述蒸汽涡轮机(5)的蒸汽的实际压力(Pa)来确定用于所述蒸汽涡轮机(5)的临时负荷设定点(SPt/)； 基于所述设备负荷设定点(SPtl)和所述临时负荷设定点(SPt/)来确定指示通过所述燃气涡轮机组件(2)待被供应的第一功率(Wtc)的燃气涡轮机组件负荷设定点(SPtc)；将所述燃气涡轮机组件负荷设定点(SPtc)供应至燃气涡轮机组件控制器(9)； 基于所述临时负荷设定点(SPt/)和所述燃气涡轮机组件(2)的负荷误差(Etc)来确定指示通过所述蒸汽涡轮机(5)待被供应的第二功率(Wtv)的蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)；以及 将所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)供应至所述蒸汽涡轮机控制器(10)。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述设定点产生单元(8)还构造成以这样的方式确定所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)，使得在稳态条件下所述蒸汽涡轮机(5)具有用于传输的剩余功率裕量。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其中，所述设定点产生单元(8)包括: 处理级(12)，所述处理级(12)构造成根据所述设备负荷设定点(SPtl)来确定燃气涡轮机组件负荷设定点(SPtc)和所述临时负荷设定点(SPtv);以及 校正级(13)，所述校正级(13)构造成基于所述临时负荷设定点(SPt/)和所述燃气涡轮机组件(2)的所述负荷误差(Etc)之和来确定所述蒸汽涡轮机负荷设定点(SPtv)。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述处理级(12)包括: 第一处理模块(24)，所述第一处理模块(24)构造成确定所述设备负荷设定点(SPtl)属于所述蒸汽涡轮机(5)的理论部分；以及 第二处理模块(25)，所述第二处理模块(25)构造成: 根据所述蒸汽涡轮机(5)的自然滑压曲线(NSP)确定与所述设备负荷设定点(SPtl)属于所述蒸汽涡轮机(5)的所述理论部分相对应的当前自然压力设定点(Phpcn)； 基于所述当前自然压力设定点(Phpcm)并且根据修正的滑压曲线(MSP)来确定当前修正压力设定点(Phpcm);以及 确定在指示所述设备负荷设定点(SPtl)属于所述蒸汽涡轮机(5)的所述理论部分的理论负荷设定点(SPtvt)与所述当前修正的压力设定点(Phpcm)之间的功率对压力的比率(W/P)。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述处理级(12)包括第三处理模块(26)，所述第三处理模块(26)构造成使所述功率对压力的比率(W/P)乘以所述实际压力(Pa)。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述处理级(12)包括第四处理模块(17)，所述第四处理模块(17)构造成从所述设备负荷设定点(SPtl)中减去所述临时负荷设定点(SPtv*)来确 定所述燃气涡轮机组件负荷设定点(SPtc)。
【文档编号】F01K23/06GK104040119SQ201280066171
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年11月5日 优先权日:2011年11月4日
【发明者】恩里科·雷佩托, 斯特凡诺·费鲁阿, 彼得罗·格鲁皮, 科拉多·内厄姆 申请人:安萨尔多能源公司