发电站设备及其运行方法
【技术领域】
[0002] 本发明设及发电站技术的领域。本发明设及一种组合式发电站设备，该设备具有： 燃气满轮机与电网之间的电子去禪装置或电子的变频装置，W及直接通过发电机连接到电 网上的蒸汽满轮机，本发明还设及一种用于运行运种发电站的方法。
【背景技术】
[0003] 大型发电站设备的功率范围大于100MW，在运些发电站设备中，产生电流的发电机 由燃气满轮机和/或蒸汽满轮机驱动并且产生的电功率被馈送到具有预设的电网频率(例 如50或60化）的电网中，运些发电站设备通常具有在满轮机的（机械的)转速与电网频率之 间的固定禪合。发电机的输出端通过电网连接部与电网频率固定地(打equenz S化rr)连接， 而其由满轮机或者直接地（1-轴设备)或者通过机械变速器(Getriebe)转速禪合地驱动。发 电站设备的运种配置在图2和3中极其简化地表示。借助于变速器，仅仅可在电网频率与满 轮机之间实现固定的变换比。但也可W考虑如下的解决办法，其中发电机由动力满轮机驱 动，该满轮机可WW-种与原本的燃气满轮机不同的转速运行。
[0004] 图2W极其简化的示图示出已知类型的发电站设备1〇/，该发电站设备借助于燃气 满轮机12W及借助于蒸汽满轮机24产生电流并且将电流馈送至电网21中，燃气满轮机12带 有禪合的第一发电机18而蒸汽满轮机24带有禪合的第二发电机8。燃气满轮机12和发电机 18通过共同的轴19相连接并且构成了满轮机系（Turbinenstrang) 11。燃气满轮机在最简单 的情况下包括压缩机13,该压缩机通过空气入口 16吸入并且压缩燃烧用空气。压缩机13可 W由多个相继连接的分压缩机组成，运些分压缩机在升高的压力水平上工作并且在需要时 能够实现压缩空气的中间冷却。在压缩机13中压缩的燃烧用空气到达燃烧室15中，通过燃 料供给17将液态的（例如油)或气态的（例如天然气)燃料喷入该燃烧室中并且在消耗燃烧 用空气的情况下燃烧。
[000引从燃烧室15中逸出的热气体在后面的满轮机14中在做功的情况下膨胀并且因此 驱动压缩机13和禪合的第一发电机18。当从满轮机中排出时还是相对较热的排气被输送经 过后面的余热蒸汽发生器23, W便在单独的水-蒸汽-循环25中产生用于驱动蒸汽满轮机24 的蒸汽。冷凝器、给水累和水-蒸汽-循环25的另外的系统出于简化视图的原因未示出。运种 燃气满轮机-和蒸汽发电站的组合被称为组合式发电站。燃气满轮机24可W与第一发电机 18在与满轮机14相对的侧上禪合;燃气满轮机12、第一发电机18和蒸汽满轮机24随后构成 了所谓的"单轴传动系"。蒸汽满轮机24但也可W，如图2中所示地，在单独的轴系60上驱动 自身的第二发电机8。对于多轴设备来说，不同的组合是已知的。例如，广泛流行的是所谓的 2合1装置，在该装置中，通过两个连接在燃气满轮机12后方的锅炉化esseln)23为具有第二 发电机8的轴系60上的蒸汽满轮机24供给蒸汽。燃气满轮机12分别布置在具有自身的第一 发电机18的满轮机系11上。类似地，也存在如下的装置，在该装置中，蒸汽被=个或更多的 连接在燃气满轮机12后方的锅炉23利用，W用于驱动蒸汽满轮机24。
[0006] 在根据图2的1-轴-燃气满轮机中，燃气满轮机12的转速与在第一发电机18中产生 的交流电压的频率之间成固定比例，且该频率必须等于电网21的电网频率。在当今常见的、 功率超过IOOMW的大型燃气满轮机单元中，60Hz的发电机频率或电网频率对应于3600U/min 的燃气满轮机的转速（例如申请人的燃气满轮机GT24)，并且50化的发电机频率对应于 3000U/min的转速(例如申请人的燃气满轮机GT26)。
[0007] 如果达到了燃气满轮机12的转速与发电机-或电网频率之间的另一个比例，则根 据图3在发电站设备1〇//中原则上可W在燃气满轮机12的轴19与第一发电机18(满轮机系 IlO之间插入机械变速器26,该机械变速器通常设计为减速器并且因此能够实现燃气满轮 机12的更高的转速和更小的结构形式。相应的减速器也通常用于运行小型的蒸汽满轮机。 运种机械变速器26然而出于坚固性的原因典型地仅仅用于小于IOOMW至120MW的功率。在另 一方面，每个燃气满轮机的超过IOOMW的大功率W及高的效率首先利用相对较慢旋转的1-轴-机器来实现。
[0008] 随后得出在图1中示出的情况:在大约IOOMW的有效功率之上存在单个的1-轴-燃 气满轮机，运些满轮机设计为固定转速，为3000U/min(对于50化;GT26)或3600U/min(对于 60Hz;GT24)并且得到优化（F.Joos等人.，Field e邱erience with the sequential combustion system of the GT24/GT26 gas turbine family, ABB 民eview no.5， p.l2- 20( 1998))。在lOOHz之上和当功率在lOOMW之下时，通过具有动力满轮机或变速器的配置， 或者通过多轴燃气满轮机可实现几乎任意的交流电压频率（图1中画阴影线的区域）。燃气 满轮机的在频率上的功率遵循曲线A，而效率n遵循曲线B。具有高效率的大功率就首先可W 在低转速时实现，在那里然而仅仅提供了个别的解决办法。
[0009] 为了在个别的解决办法中减少制造成本，在US-A-5,520,512中已经提出了，在燃 气满轮机设备中对于不同的电网频率将至少部分满轮机设计成相同的。在燃气满轮机的转 速与电网频率之间的固定禪合然而在此保持不变。
[0010] 在US-B2-6,628,005中提出了，由满轮机和发电机组成的1-轴设备利用预设的转 速通过如下方式可用于50化和60化的不同电网频率，选择两个电网频率之间的发电机频 率，例如55化，并且根据电网频率借助于频率微分器加上或减去5Hz。在此也保持获得了固 走禪合。
[0011] 由满轮机转速与电网频率之间的固定禪合对于现存的、带有现存的满轮组件的设 备方案在对稳定的运行进行优化时产生了限制。此外对瞬态的性能产生了不利影响。例如 导致了在满轮机中的功率下降（einbruechen)，或导致了当动态调节W便通过提高燃气满 轮机入口溫度来支持电网频率时的高的热负载和机械负载。此外，快速的瞬态导致了提高 的负载。
[0012] 在组件或发电站设备的新型设计中的优化也由于满轮机转速与电网频率之间的 固定禪合而受到限制。发电站满轮机特别地由于预设的到电网频率的禪合而在其功率大小 方面受到限制(参见图1的曲线A)。
[0013]由US-A-5,694,026已知了一种不带有减速装置（Untersetzungsge1:;riebe)的l- 轴-满轮机-发电机-组，其中在发电机的输出端与电网之间布置了静态的变频器，借助于该 变频器将由发电机产生的交流电压-频率转换为电网的频率。当启动燃气满轮机时，将发电 机作为发动机来使用，其从电网通过静态的变频器获取能量。变频器包含了由电感构成的 直流电流中间电路。
[0014] 由US-B2-6,979,914已知了一种具有由燃气满轮机和发电机组成的1-轴-装置的 发电站设备，其中同样也在发电机输出端与电网之间设置了变频器，W便使得由发电机产 生的交流电压匹配于电网频率。在此，在变频器中布置了直流电压中间电路。
[0015] 由L.J.J. Offringa,L.J.J.等人.的文章 "A 1600KW IGBT converter with interphase transformer for high speed gas turbine power plants"， Proc.IEEE-IAS Conf. 2000.4,8-12 October 2000, Rome, 2000, pp. 2243-2248,已知了一种具有 快速旋转的燃气满轮机(18000U/min)和相对较小的输出功率（1600KW)的发电站设备，其中 在发电机与电网之间的频率去禪通过具有直流电压中间电路的变频器实现。
[0016 ]在具有通过带有直流电流-或直流电压中间电路的变频器实现的、发电机输出端 与电网之间的去禪的已知发电站设备中缺点在于，变频器自身带来不能忽视的功率损失， 其在带有1-轴-满轮机系和大于IOOMW的功率的发电站设备中又使得一部分的在该区域中 获得的效率改善丧失。
【发明内容】
[0017] 本发明的目的在于:提出一种组合式发电站设备，其特征在于在在同时高效率的 情况下灵活的运行；W及一种用于该设备的优化运行的方法。
[0018] 本发明的基本思想在于，借助于电子装置使组合式发电站的至少一个燃气满轮 机-发电机-组相关于频率地与电网相分离W及通过发电机相关于频率地在电网上禪合地 驱动至少一个蒸汽满轮机。
[0019] 由此，可W在设计点中和运行中针对不同的边界条件最佳地调节和调整发电站， 而不会明显降低高的设计效率。除了稳定运行之外，通过提出的方法也公开了在过低频率 事件和过高频率事件时的运行优化。
[0020] 在引入转速调节用于优化发电站运行和用于发电站的与电网频率无关的运行时， 首先看起来显然的是，蒸汽满轮机和燃气满轮机完全相同地与电网去禪。
[0021] 值得注意的是，不同地对待燃气满轮机和蒸汽满轮机，不仅相对于两个组件与电 网的常规固定禪合，而且也相对于两个组件与电网的显然的(naheliegend)去禪，都是有利 的。
[0022] 具有蒸汽满轮机的固定电网禪合W及相关于频率地与电网去禪的燃气满轮机的 设备不仅允许灵活稳定的、W高的总效率的运行，而且也允许灵活的瞬态运行。
[0023] 不同类型的变频器适合于作为用于使燃气满轮机-发电机组与电网之间相关于频 率分离的电子装置。
[0024] 矩阵变换器例如是一种类型的合适变频器。
[0025] 通过燃气满轮机的与电网频率无关的运行，利用转速得出用于优化发电站运行的 新的附加调节参数。其除了其它之外还允许： -燃气满轮机的稳定的、与电网频率无关的运行， -发电站设备的与电网频率无关的功率调节， -发电站设备的与电网频率无关的效率优化， -发电站设备的与电网频率无关的部分负载优化， -燃气满轮机的改善的排放调节。
[0026] 燃气满轮机的与电网频率无关的运行还能够实现发电站设计的更好优化。其例如 允许了 ： -将压缩机和满轮机设计在最佳点，运在固定的频率禪合的情况下是不可能的， -燃气满轮机的成本最优的相应于功率的设计，运在通过预设的转速和空气动力的或 机械的设计边界而限制到固定的50Hz-或60Hz的电网频率时是不可能的， -压缩机和满轮机的更好的调谐， -针对变化的外界环境条件的最佳调谐。
[0027] 燃气满轮机的与电网频率无关的运行除了由于缓慢的设计转速或设计频率引起 的更好的设计之外，也允许了燃气满轮机的增大。相应于在60化与50化之间常见的缩放，可 W通过在50Hz降低设计转速进一步缩放燃气满轮机的大小和功率。大小和功率与转速的平 方成反比。
[0028] 燃气满轮机的与电网频率无关的运行不仅仅允许了，燃气满轮机与周围的边界条 件无关地在其最佳情况附近运行，而且也允许了，减少排气质量流量和排气溫度的变化。 良P，可W更好地调节对于至少一个锅炉和因此对于至少一个由该锅炉馈送的蒸汽满轮机的 边界条件。由于运种更好的调节可能性，大大降低了蒸汽满轮机的转速调节的附加改善可 能性。
[0029] 此外，与非常昂贵的研发那种不能在所有部件中、例如燃烧室简单地几何缩放的 燃气满轮机相比，研发用于不同转速的蒸汽满轮机是相对没有问题且成本低的。燃气满轮 机研发由于受限制的可定标性和集成的高复杂性、特别是压缩机、燃烧室和满轮机的集成， 而非常昂贵。此外，当一种用于50化和60化的类型在市场上可W出售时，在制造时由于提高 的件数而节约的可能性，对于复杂的燃气满轮机来说明显比对于蒸汽满轮机要高。在燃气 满轮机方面，改善的运行性能，更好优化的设计的可能性和节约性相对于额外花费W及对 于电子去禪出现的功率-和效率损失是占优势的。与此不同，在连接于转速调节的燃气满轮 机后面的水-蒸汽循环中，可能的节约明显更小并且可能的在运行性能中和在设计中的附 加获益非常小。此外，对于蒸汽满轮机的电子去禪出现的特殊成本W及相对功率-和效率损 失与对于燃气满轮机的处于相同的数量级。通过成本-有效性比例的移动，在本发明中不考 虑蒸汽满轮机的电子去禪并且提出了一种用于运行相应的组合式发电站的方法W及所属 的发电站。
[0030] 根据本发明的一个设计方案，燃气满轮机的工作频率明显不同于电网频率，其中 特别是工作频率小于电网频率，并且电网频率为50化或60化。在一个优选的实施方式中，电 网频率为60化并且工作频率为50化。
[0031 ]燃气满轮机的工作频率但也可W大于电网频