专利名称：涡轮机组功率调节方法、实现该方法的设备及该方法的应用的制作方法
技术领域：
本发明属于发电技术领域，它涉及将热能转换成电功率的涡轮机组的功率调节方法，借助于此方法可确定发电机输出的电功率，并根据所测得的电功率对涡轮机的热功率进行调节，上述涡轮机组包括一台由热能驱动的涡轮机和一台与该涡轮机共轴、由其驱动向电网输送电功率的发电机。
本发明还涉及实现上述方法的设备，它包括一台调节供给涡轮机的热功率的功率调节器以及第一装置，上述第一装置将涡轮机组的输出功率与预定功率值进行比较，将其差值作为控制信号再输入上述功率调节器。
本发明最后还涉及上述方法的不同应用。
通常，对气体涡轮机输出功率进行调节的方式是测量发电机输出端的输出电功率PG将此测量值与预定值(设定值)PC进行比较，并将得到的差值ΔP=PG-PC作为控制信号再输入功率调节器，通过该调节器调节气体涡轮机的热能。
图1示意性地示出了这类公知的功率调节系统的一个实例。它示出了对由燃气轮机15和发电机16组成的涡轮机组10输出的功率进行调节的情况。上述燃气轮机15包括常规涡轮机11，燃烧室12，压缩机13和用于燃烧气体的可调节的入口导向器14(Variable Inlet Guiding Vane VIGH)，上述导向器通常由可调节的入口导向叶片构成。涡轮机11和发电机16与公用轴17相连，它们的旋转频率f由旋转频率传感器25测得。由发电机16发出的电功率PG输入电网18，通常上述电网为三相电网。在减法器19中将发电机16的输出功率PG与预定的功率值PC进行比较，并将差值ΔP输入功率调节器20，该功率调节器通过可调节的入口导向器14对流入压缩机13的燃烧气体量进行调节，并控制流入燃烧室12的燃料的物料流量dmfc/dt。
上述预定功率值(设定值)PC由参考功率值PC*和校正值ΔPct之和Pct=Pc*+ΔPct得出。修正值ΔPct本身来自于特性曲线发送器23，上述发送器根据旋转频率给定值fc与旋转频率测量f的偏离按照减法器24中得出的差值Δf和预定的特性曲线ΔPC=K(Δf)得出相应的修正值。此外，还设置有上升限制器，该限制器可限制调节信号的变化速度。
结果证明，图1中示出的调节系统中若轴急剧加速(正向或反向)则可能导致燃气轮机严重受损。在这种情况下，测出的涡轮机组的输出功率(电功率)PG不完全是燃气轮机15产生的由燃烧气体和燃料流量所确定的热能，而包含了附加的较大的动能部分。因此，可能引起测量的输出功率和产生的热能之间不一致，致使因功率调节(不正确的调节)引起的燃烧气体和燃料流量的变化对气体涡轮机本身和/或连接的电网的稳定性产生不利影响。
如果断开上面所公开的发电机系统，由于电网中没有功率通量，所以，在发电机上测出的电功率PG为零。在这种情况下，也将导致测出的输出功率和产生的热能之间不一致，功率调节中包含因了燃气轮机的热状态引起的错误信息，这也是不希望在功率调节中出现的。
如果列出燃气轮机转子的下述功率方程式，上述问题的基本原因则很明显(1)PG=PT-PKin其中PT代表燃气轮机输出的有效热功率，而(2)Pkin=4π2θf(df/dt)轴的运动功率包括轴的转动惯量θ，轴的转动频率f和轴的转动频率的变化(加速度)df/dt。从方程式(1)和(2)看出，测量输出功率PG通常不是直接测量燃气轮机的热功率，而是测量轴上的总功率和轴减速或加速时输出的运动功率。
从中可看出下述不希望出现的功率调节状况1、输出动能时热功率降低在这种情况中转子(轴)急剧减速。这种情况通常发生在燃气轮机与电网同步、频率急剧下降的时候。这种下降的结果是转子输出的运动功率值很大，导致测出的输出功率PG突然增加。为了能使测得的输出功率PG接近设定值PC，一般不是改变设定值PC，而是调节功率减小热功率PT。这正好是对调节系统的一种错误做法，因为电网中频率下降是提高功率需求的信号。恰巧相反，具有备用功率的燃气轮机应增大热功率而不是降低热功率，以便维持电网的稳定性。此外，因输出运动功率而引起的燃气轮机的热功率降低将形成无火焰状况，这种状况又将进一步导致电网的功率不足。这些情况综合在一起将严重影响电网的稳定性。
2、负荷减少时热能增加此时只考虑与稳定电网同步，在恒定速度和一定热能(例如160MW热能)条件下运行的燃气轮机。因为轴的速度恒定(df/dt=0,Pkin=0)，根据方程式(1)，所测得的总电功率PG等于热功率PT。断开发电机线路时，测得的输出电功率PG降至零。虽然热功率实际上没有变化(该例中为160MW)，而功率调节器接收到的却是对应于0MW输出功率的信号。因此，功率调节器以错误的方式运行，按功率设定值的要求将热功率提高到某一值。从理论上讲，可将热功率提高为功率设定值PC的两倍。发电机线路一断开，热功率PT就使转子加速。信号PG的下降以及由此引起的燃气轮机热功率的提高又将使轴进一步加速，所以轴可能达到临界速度范围。
本发明的任务是提供一种涡轮机组的功率调节方法，该方法克服了上述不足，并对热功率进行调节，防目止因涡轮机组引起的电网不稳和涡轮机组本身过载。
采用本文开始时所提到的方法可以完成本发明的任务，其方案为补充确定由轴接收或输出的运动功率，并按照电功率和上述运动功率之和调节热功率。借助于在功率调节过程中计入轴的运动功率，尤其在负荷减小和电网本身不稳时可以消除调节中不希望出现的错误情况。
按照本发明的方法，第一个优选实施例的特征在于测量轴的旋转频率以确定运动功率，从所测得的旋转频率以及频率随时间的变化按照公式Pkin=4π2θf(df/dt)(θ=轴的转动惯量)计算出轴的运动功率。因此，通过唯一一个以简单方式安装在轴上的旋转频率传感器就可安全而可靠地确定轴在每一时刻的运动功率。
原则上可以在发电机的夹具上对电功率进行测量。另一种不依赖发电机的测量方法是如本发明的第二优选实施方式所述，其特征在于测量轴的旋转频率和轴上的抓握转矩(angreifende Drehmoment)，从这些数据中计算出电功率，以确定由发电机输出的电功率。
在确定轴的运动功率时考虑了轴的转动惯量θ。原则上上述转动惯量可以计算出来，或者也可以通过试验确定。如果按照本发明的另一优选实施例，为了确定调节中起决定作用的轴的旋转惯量θ使涡轮机组稳定运行一段时间，将发电机与电网切断使之输出为零，确定电功率，并测量该时间内轴的旋转频率和旋转加速度，并选择轴的转动惯量θ的数值，使得按公式Pkin=4π2θf(df/dt)计算出的运动功率等于在上述切断期间内测量出的电功率，则是一种特别简单的确定方法。
实施本发明方法的设备包括一台调节涡轮机热功率的功率调节器以及第一装置，上述第一装置将涡轮机组的输出功率与预定功率值进行比较，并将差值作为控制信号再输入上述功率调节器，其特征在于还设有测量轴的旋转频率的第二装置、第三装置和第四装置，上述第三装置按照公式Pkin=4π2θf(df/dt)(θ=轴的转动惯量)从所测得的旋转频率和旋转频率随时间的变化df/dt确定出轴的运动功率，上述第四装置将发电机的输出电功率和由第三装置确定的运动功率相加的和作为涡轮机组的输出功率再送入第一装置。
按照本发明设备的一个优选实施例，上述第三装置包括一个微分元件、一个乘法器和一个可调节放大系数的放大器。
本方法可应用于包括蒸汽轮机或燃气轮机的涡轮机组，或者适用于包括燃气轮机和在燃气轮机之后再连有蒸汽轮机的混合型动力设备。
本发明的其它实施例将通过从属权利要求给出。
下面将结合附图通过一些实施例对本发明进行详细描述。附图中图1为现有技术中用于气体涡轮机的一种功率调节示意框图；图2为按照本发明的一个优选实施例补充考虑了轴的运动功率的与图1类似的框图。
图2是根据本发明方法的一个优选实施例而给出的，与图1类似的用于对燃气轮机15进行功率调节的示意框图。带有部件11,……14的燃气轮机15，轴17，与电网18相连的发电机16以及由部件19,……25构成的调节回路基本上与图1相同，因此用相同标号代表。与图1不同的是从发电机16测得的电功率PG不是直接在减法器19中与预定的功率值PC进行比较，而是使上述电功率PG光经加法器30与运动功率Pkin相加。
上述运动功率Pkin是在校正电路26中由轴17上测得的轴17的旋转频率f按方程式(2)计算出的。同时将所测得的旋转频率f输入设有两个输入端的乘法器28的一个输入端。在乘法器28的另一输入端输入旋转频率f随时间的变化df/dt，上述变化值是将测得的旋转频率f在微分元件27中求微分而得到的。然后将数值f和df/dt在乘法器28中得到的乘积经放大系数为4π2θ的放大器29放大。放大器29的输出端同时也是校正电路26的输出端，在该端确定出Pkin值，并将此值输入加法器30。本实施例中的校正电路26是一种类似于计算电路的电路，该电路从测得的旋转频率f可计算出所需要的运动功率Pkin。当然如果事先对上述输入值进行相应的数字化，也可以用微处理机等进行数字化计算。为简单起见，图2中所进行的对旋转频率f的测量可以采用一个单独的旋转频率传感器25′完成。显然也可以不用单独的旋转频率传感器25′，而用旋转频率传感器25的输出信号计算上述运动功率。
如上所述，将在加法器30中所得到的电功率PG与运动功率Pkin之和输入减法器19中与预定的功率值PC进行比较，如果差值ΔP为正，则减小热功率PT，或者，如果差值ΔP为负，则增加热功率。调节包括用于燃烧气体的可调节入口导向器14、压缩燃烧气体的压缩机13、在供给燃烧气体的条件下燃烧燃料的燃烧器12和涡轮机11的燃气轮机15时，可以控制经可调节的入导向器14流入的燃烧气体的流量和燃料的流量dmfc/dt，从而对热功率PT进行调节。
按图2中的安排，在发电机16的输出端直接获取用于功率调节的电功率PG。若不在发电机16上进行这类测量，为了确定发电机16输出的电功率PG可以测量轴17的旋转频率f和轴17上的抓握转矩，从这些值中计算出电功率PG。这样例如可避免发电机侧出现绝缘问题。
为了计算上述运动功率必须知道轴17的转动惯量θ，同时，例如可相应地调节放大器29的放大系数。与之相关联的是用试验确定适当的θ值。为此，使涡轮机组10稳定运行一段时间通过将发电机16与电网18切断使之输出为零，确定电功率PG。测量此时轴17的旋转频率f和旋转加速度df/dt，然后例如将它们输入校正电路26。选择轴17的转动惯量θ或放大器29的放大系数。使得按公式Pkin=4π2θf(df/dt)计算出的运动功率Pkin或放大器29的输出信号在切断期间内等于所测得的电功率PG，此外，在这段时间内上述电功率(由于在这段时间机组处于停止状态)等于热功率PT。
上述确定方式的背景在于在稳定状态下(运动功率Pkin=0)略去电功率PG，使总的热功率转换为运动功率，从而得出轴的加速度(df/dt＞0)。由此，从计算的加速度所确定的轴17的运动功率可以直接等于切断期间的热功率或电功率，即PT=PG=Pkin=4π2θf(df/dt)。因为PT或PG以及f和df/dt是已知的，故可计算出转动惯量θ。
上述调节方法可用于单一的涡轮机组，或者也可用于多个涡轮机组的组合。其中如所描述的实例那样，上述涡轮机可以是燃气轮机，也可以是蒸汽轮机。本发明的方法尤其可用于包括至少一台燃气轮机和至少一台连接在上述燃气轮机之后的蒸汽轮机的组合型动力设备。
权利要求
1.将热功率转换为电功率的轮涡轮机组(10)的功率调节方法，借助此方法可确定发电机(16)输出的电功率(PG)，并根据所测得的电功率(PG)对涡轮机(11)的热功率(PT)进行调节，上述涡轮机组(10)包括一台由热功率驱动的涡轮机(11)和一台与该涡轮机共轴(17)并由其驱动向电网(18)输送电功率(PG)的发电机(16)，其特征在于补充确定由轴(17)接收或输出的运动功率(Pkin)，并按照上述电功率(PG)和运动功率(Pkin)之和调节上述热功率(PT)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于将电功率(PG)和运动功率(Pkin)之和与预定的功率值进行比较，如果差值(ΔP)为正值则减小热功率(PT)，如果差值(ΔP)为负值，则提高热功率。
3.如权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于为了确定运动功率(Pkin)，测量轴(17)的旋转频率(f)，根据所测得的放置频率(f)按照公式(Pkin)=4π2θf(df/dt)(θ=轴的转动惯量)计算轴(17)的运动功率(Pkin)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于涡轮机(11)是燃气轮机(15)的一部分，上述燃气涡机(15)包括一个用于燃烧气体的可调节的入口导向器(14)、一台压缩燃烧气体的压缩机(13)、一个在供给燃烧气体的条件下燃烧燃料的燃烧室(12)和一台涡轮机(11)；调节经可调节的入口导向器(14)流入的燃烧气体流量和燃料(dmcf/dt)的流量以调节热功率，(PT)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于为了确定由发电机(16)输出的电功率(PG)，测量轴(17)的旋转频率(f)和轴(17)的抓握转矩，从这些值中计算出电功率(PG)。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于为了确定调节中起决定作用的轴(17)的旋转惯量θ，使涡轮机组(10)稳定运行一段时间，将发电机(16)与电网(18)切断使其输出为零，确定电功率(PG)，并测量该段时间内轴(17)的旋转频率(f)和旋转加速度df/dt，选择轴(17)的转动惯量θ值，使得按公式Pkin=4π2θ(df/dt)计算出的运动功率Pkin等于在上述切断期间内测量出的电功率(PG)。
7.实施如权利要求1所述方法的设备，该设备包括用于调节涡轮机(11)的热功率(PT)的功率调节器(20)以及第一装置(19)，该装置将涡轮机组(10)的输出功率与预定的功率值(PC)进行比较，并将差值(ΔP)作为调节信号再输入功率调节器(20)，其特征在于还设有测量轴(17)的旋转频率(f)的第二装置(25,25′)；设有第三装置(26,……29,)，该装置按照公式Pkin=4π2θ(df/dt)(θ=轴的转动惯量)从所测得的旋转频率(f)和旋转频率(f)随时间的变化df/dt确定出轴(17)的运动功率；并设有第四装置(30)，该第四装置将发电机(16)输出的电功率(PG)和由第三装置(26,……29,)确定的运动功率(Pkin)相加，再作为涡轮机组(10)的输出功率输入上述第一装置(19)。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于上述第三装置包括一个微分元件(27)、一个乘法器(28)和一个可调节放大系数的放大器(29)。
9.如权利要求7和8之一所述的设备，其特征在于上述第一装置包括一个减法器(19)，上述第二装置包括一个旋转频率传感器(25,25′)，上述第四装置包括一台加法器(30)。
10.如权利要求1所述方法应用于涡轮机组，该机组包括一台蒸汽轮机。
11.如权利要求1所述方法应用于涡轮机组，该机组包括一台燃气轮机(15)。
12.如权利要求1所述方法应用于混合型动力设备，该设备包括一台燃气轮机和一台连接在上述燃气涡机之后的蒸汽轮机。
全文摘要
一种将热功率转换成电功率的涡轮机组(10)的功率调节方法,借助于此方法可确定发电机输出的电功率(P
文档编号F01D17/06GK1216338SQ9812034
公开日1999年5月12日 申请日期1998年9月21日 优先权日1997年9月22日
发明者S·赫普纳, H·－K·谢雷尔 申请人:亚瑞亚·勃郎勃威力有限公司