专利名称：稳定电网频率的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种电网，尤其是一种用于操作联合循环电力系统的方法和设备。
背景技术：
在此，术语“满负载”可与“额定输出”和“最大持续功率”(MCR)交替使用。这些术语指的是电力系统和其联合部件的持续操作输出的上界。“部分负载”指的是满负载以下的输出水平。
电网典型地包括许多为电网提供电力的发电系统和许多从电网取电的电力用户。当电力的产生和消费基本相等时，电网频率基本不变。电网频率通常是保持在基本恒定值的参数。欧洲和北美系统的正常标准电网频率的例子分别是50Hz和60Hz。
暂态性质的频率偏移起因于增加或减少消耗量和/或移除或添加发电系统。增加消耗和移除发电系统倾向于引起电网频率的减小。减少消耗和添加发电系统倾向于引起电网频率的增大。耗电和发电是随时间变化的变量，其可引起频率在约+0.5Hz到-0.5Hz的范围内变化。一般来说，暂态频率有以秒到分钟测量的短的持续时间和如上所讨论的小的幅值。暂态频率的幅值典型地受到整个变化期间电力变化的幅值与电网及相关联的互联电网内总电力水平的比率的影响。与典型的大型标称互联电网相比较，前述的小幅值暂态频率与小型的典型电力变化相一致。同样，一般来说，电网倾向于自动校正，在基本恒定的范围内保持电网频率。例如，如果频率偏离标准值，则将通过至少一个控制系统和至少一个控制策略促使遍布许多发电系统发生短暂的发电变化来减少暂态频率的幅值和持续时间，从而使暂态频率通常不会影响消费者。
更大的暂态频率例如大于约+0.5Hz到-0.5Hz的暂态和例如由于一个或多个发电机的瞬时损失导致的频率减小，有时指的是跳闸，将倾向于导致频率严重减小。一种减小暂态频率幅值和持续时间的可能的方法是备有一定数量的备用发电容量，有时指的是电力系统储备，可用于电网在几秒的瞬时响应频率的减小。例如，电网中的特定发电单元可引起其向电网的相关发电输出开始快速增加。
许多已知的发电设备包括汽轮发电机(STG)、燃气轮机发电机(CTG)或其组合。这些配置典型地包括旋转耦合于关联的发电机的汽轮机。该发电机频率通常与电网频率同步并以与电网频率基本类似的速度旋转。
许多已知的STG在与蒸汽发生设备例如锅炉进行流动连通时运行。通常，燃烧空气和燃料而释放热能，随后用于煮沸水而产生蒸汽。产生的蒸汽通到汽轮机，其中蒸汽的热能被转换为机械能以旋转汽轮机的转子。产生的电力与流向汽轮机的蒸汽速度成正比。
一种已知的保持电力储备的方法是采用至少一种处于部分打开或节流位置的相关蒸汽供应控制阀来运行STG，从而使蒸汽发生器、STG和电网处于平衡状态，有时指的是稳态状况，在某些值小于蒸汽发生器和STG配置的满额定负载的情况下运行。满负载和部分负载之差通常指的是旋转备用。控制器用于检测系统频率的减小并产生控制信号，在检测到暂态频率的几秒种之内传送到蒸汽阀。控制信号使阀移向更加打开的位置，且通过蒸汽发生器增加的蒸汽流将蒸汽发生设备例如过热器的部件内储存的热能立即除去。随着时间的过去随后添加冷却液、空气和燃料，以便于在蒸汽发生器、STG和电网之间建立一种修正的平衡状态。然而，许多蒸汽发生器和STG组合要花两到五分钟来达到修正的平衡状态，同时在预定的参数内运行以减小用于增加应力的电势和受影响部件的磨损。同样，典型地以上述方式储存的热能的量是有限的。此外，许多蒸汽发生器和STG组合不能以稳定受控的反应有效地响应电网暂态频率。例如，前述STG的蒸汽阀会打开太快并且消耗热量储备太快而不能传递持续有效的反应。可替换地，STG的蒸汽阀会打开太慢而不能传递及时有效的反应。
许多已知的CTG在燃烧器组件中引燃燃料—空气混合物并产生经热气路径通向汽轮机组件的燃烧气体。压缩空气通过通常耦合于汽轮机的压缩机组件通向燃烧器组件，即压缩机、汽轮机和发电机以相同的速度旋转。产生的电力与燃烧气体流向汽轮机的速率以及气流蒸汽的温度成正比。典型地，许多已知的CTG具有比STG(和其相关联的蒸汽源)更加可操作的动态特性，因此，CTG可以更快地响应于系统暂态。
保持电力储备的一种已知方法是用至少一个相关的导流叶片和至少一个在部分打开或节流位置的燃料供应阀来操作CTG，从而使得CTG和电网处于平衡状态，在小于CTG的满额定负载的某些值下运行。如上用于STG所述，满负载和部分负载之差通常指的是旋转备用。控制器检测到电网频率的减小并产生信号，该信号导致空气入口导流叶片和燃料供应阀在检测到暂态频率的几秒内进一步打开。由于压缩机、汽轮机和发电机耦合于同一轴，并且由于与电网同步的发电机随着电网频率的减小而减速，因此存在初始偏差而将更少的空气通向CTG。可负面影响随后的活动以增加CTG发电的这种状况引起CTG发电中偏差减小。而且，通过关联的压缩机使减少气流的偏差紧接着增加气流的偏差，这可引入压缩机浪涌电势，即基本未受控的气流波动和压缩机排气压力，浪涌电势在压缩机额定气流的下端更明显。在检测到系统暂态频率的几秒钟内，随着叶片打开而增加空气流动，并且阀打开而增加燃料流量，燃烧气体的质量流率和燃烧气体的温度开始增大。经过一段时间随后增加空气和燃料，以便于在CTG和电网之间建立一种修正的平衡状态。为了克服初始偏差而减少发电并加速CTG，燃气轮机需要峰值燃烧，即快速增加燃烧速度以快速增加气体蒸汽温度，而随后紧接着增加空气流动。当CTG显示出更加动态的性能来响应暂态频率，许多已知的CTG具有温度和温度梯度限制，其可以延长持续时间来增加气体蒸汽温度以减少与CTG相关联的材料部分上的应力。另外，部件应力将增加并且其关联的寿命将受到负面的影响。
许多已知的蒸汽发生设备和CTG在其运行的发电范围的上端附近的范围内运行的热效率最高。保持发电水平在该范围以下，可减少热效率，随后在运行成本上增加，而且也可能从储备中保持以及例行不会产生的电力的销售额的收入中拒绝设备电压的物主。
许多已知的联合循环发电设备典型地包括至少一个CTG和至少一个STG。一些已知的用于该设备的配置包括从CTG将燃烧气体排气通向热量回收蒸汽发生器(HRSG)，其中从燃烧气体排气的热量将水煮沸变成蒸汽，该蒸汽随后被通向STG。典型地，联合循环设备配置为使用CTG作为用于电网暂态频率的主响应机构，同时STG被保持为次级响应。当该物理配置提供效率优势并因此产生经济运行，该响应配置和方法包括至少一些前述的快速有效地响应电网暂态频率的挑战。
发明内容
一方面，提供了一种运行联合循环电力系统的方法。该系统耦合于电网。该系统包括至少一个发电机，至少一个耦合于发电机的蒸汽轮机，至少一个耦合于发电机的燃气轮机，以及至少一个具有热能储备的蒸汽源。该热能储备通过至少一个控制阀与蒸汽轮机进行流动连通。该方法包括在第一电力输出运行蒸汽轮机，在第一电力输出运行燃气轮机，以及在第一热能水平运行蒸汽源。该蒸汽轮机在第一位置具有至少一个控制阀，而燃气轮机在第一位置具有至少一个空气入口导流叶片。蒸汽轮机和燃气轮机与电网的运行频率同步，使得蒸汽轮机、燃气轮机和电网在基本类似于标准电网频率值的频率下运行。该方法还包括检测电网频率与标准电网频率值的偏差。在出现这种偏差时，该方法还包括将至少一个蒸汽轮机控制阀移向第二位置，导致热能在热能储备和蒸汽轮机之间转移，并且将热能储备能级移向第二能级，由此促进电网频率以预定的速度恢复预定的一段时间，从而使频率恢复的预定速度基本上一致。该方法还包括将至少一个燃气轮机空气入口导流叶片移向第二位置，由此促进电网频率以预定的速度恢复预定的一段时间。
另一方面，提供用于联合循环电力系统的电网频率控制子系统。该控制子系统包括至少一个蒸汽轮机。该蒸汽轮机包括至少一个管道，而该管道包括至少一个蒸汽流控制阀。该子系统还包括至少一个经管道与蒸汽轮机流动连通的蒸汽源。该蒸汽源包括至少一个热能储备。该子系统还包括至少一个燃气轮机，该燃气轮机包括至少一个空气入口导流叶片。该子系统还包括至少一个发电机。该发电机与电网电耦合，而发电机频率和电网频率与电网的运行频率同步，使得蒸汽轮机、燃气轮机和电网在基本类似于标准电网频率值的频率下运行。该子系统还包括多个过程反馈机构，该反馈机构包括多个过程测量传感器。该子系统还包括至少一个电子控制器。该至少一个电子控制器包括至少一个电储存的控制程序、多个电子输入通道、多个电子输出通道和至少一个操作员接口设备。该至少一个蒸汽流控制阀和至少一个空气入口导流叶片协同工作，以连续地促进电网频率以预定的速度恢复预定的一段时间，使得频率恢复的预定速度基本一致。
另一方面，提供一种联合循环电力系统。该系统包括至少一个蒸汽轮机。该蒸汽轮机包括至少一个管道，该管道包括至少一个蒸汽流控制阀。该至少一个蒸汽流控制阀响应于电网的欠频率状况而移向基本打开的位置，并且响应于电网的过频率状况而移向基本关闭的位置。该系统还包括至少一个经管道与蒸汽轮机流动连通的蒸汽源。该蒸汽源包括至少一个热能储备，该至少一个热能储备包括至少一个腔。该系统还包括至少一个燃气轮机。该燃气轮机包括至少一个空气入口导流叶片。该至少一个空气入口导流叶片阀响应于电网的欠频率状况而移向基本打开的位置，并且响应于电网的过频率状况而移向基本关闭的位置。该系统还包括至少一个发电机。该发电机与电网电耦合。发电机频率和电网频率与电网的运行频率同步，使得蒸汽轮机、燃气轮机和电网在基本类似于标准电网频率值的频率下运行。该系统还包括多个过程反馈机构，该反馈机构包括多个过程测量传感器。该系统还包括至少一个电子控制器。该至少一个电子控制器包括至少一个电储存的控制程序、多个电子输入通道、多个电子输出通道和至少一个操作员接口设备。该至少一个蒸汽流控制阀和所述至少一个空气入口导流叶片协同工作，以促进电网频率以预定的速度恢复预定的一段时间，使得频率恢复的预定速度基本一致。
图1是典型的联合循环电力系统的示意图；图2是图1中联合循环电力系统的典型响应的图解说明；图3是可用于图1的联合循环电力系统中的响应于电网的欠频率状况的典型方法的流程图；以及图4是可用于图1的联合循环电力系统中的响应于电网的过频率状况的典型方法的流程图。
具体实施例方式
图1是典型的联合循环发电系统100的示意图。系统100包括至少一个燃气轮机空气入口导流叶片102，与至少一个燃烧器106流动连通的燃气轮机压缩机104，经至少一个燃料供应阀110也与燃烧器106流动连通的燃料储存设备108，燃气轮机112，公共轴114，经轴114与压缩机104和汽轮机112旋转耦合的燃气轮机发电机(CTG)116，发电机输出连接118，多个CTG传感器120，以及与热恢复蒸汽发生器(HRSG)124流动连通的燃气轮机排气管122。HRSG 124包括第一组管束126、第二组管束128、蒸汽鼓130和第三组管束132，其中管束126、128、132和鼓130彼此流动连通。系统100还包括经至少一个蒸汽轮机控制阀136与蒸汽轮机138流动连通的过热蒸汽集管134。公共轴140将汽轮机138旋转耦合于蒸汽轮机发电机(STG)142。系统100还包括多个STG传感器144和发电机输出连接146。而且，蒸汽轮机蒸汽排出管148、热交换设备150、具有冷却水流的蒸汽冷凝设备151、冷凝供应集管152、冷凝/给水泵154和给水供应集管156彼此流动连通。HRSG排气管158与HRSG 124和堆栈160流动连通。采用控制器162便于系统100的自动化和手工控制。发电机116和142经传输线166与电网164互联。用户168连接到电网164，其作为其它发电设备170。
电力由CTG 116产生。压缩机104通过空气入口导流叶片102将空气通向燃烧器106。可替换地，可以使用多个快速作用的导流叶片。燃料经燃料阀110从储存设备108通向燃烧器106。在典型实施例中，储存设备108是天然气供应站。可替换地，设备108可以是天然气储存罐、燃料油储存罐或燃料油拖车。同样，可替换地，系统100可包括综合气化联合循环(IGCC)设备，其中设备108产生合成气体。燃烧器106利用空气引燃并燃烧燃料以产生高温，即，约1316摄氏度(℃)(2400华氏度(F))，和随后通向汽轮机112的燃烧气体。在典型实施例中，燃烧器106可以引燃并燃烧天然气或燃料油，即，汽轮机112是双燃料单元。燃烧气体中的热能被转化为汽轮机112中的旋转能。如上所述，汽轮机112经轴114旋转耦合于压缩机104和发电机116，并且压缩机104和发电机116与汽轮机112一起以基本类似的旋转速度旋转。当发电机116与电网164不同步时，发电机116在直接与轴114的旋转速度成正比的频率下产生电压和电流。当发电机116与电网164同步时，发电机116的电力输出以基本类似于电网164频率的频率经相互连接118传送到电网164。发电机116可以受到激励系统(图1中未示出)的控制。多个传感器120可包括至少一个电流传感器(图1中未示出)，一个电压传感器(图1中未示出)和一个频率转换器(图1中未示出)。传感器120的输出传送到控制器162。
电力也可由STG 142产生。HRSG 124经蒸汽集管134和控制阀136向汽轮机138发送过热蒸汽。控制阀136经控制器162持续偏置以调制汽轮机138的蒸汽流，如下进一步讨论。控制器162从传感器144接收输入。在典型实施例中，传感器144包括阀136的直接上游和下游的压力传感器。蒸汽中的热能转化为沿着轴140旋转的汽轮机138中的机械能。如上所述，汽轮机138经轴140旋转耦合于发电机142，并且STG 142以基本类似的旋转速度与汽轮机138一起旋转。当发电机142与电网164不同步时，发电机142在直接与轴140的旋转速度成正比的频率下产生电压和电流。当发电机142与电网164同步时，发电机142的电力输出以基本类似于电网164频率的频率经相互连接146传送到电网164。发电机142可以受到激励系统(图1中未示出)的控制。多个传感器144可包括至少一个电流传感器(图1中未示出)，一个电压传感器(图1中未示出)和一个频率转换器(图1中未示出)。传感器144的输出传送到控制器162。
可替换地，可以使用包括多种配置的蒸汽轮机组件。例如，蒸汽轮机组件可以包括高压部分、中压部分和低压部分。同样，对于另一个实施例，蒸汽轮机组件和燃气轮机组件可以旋转耦合于旋转驱动单台发电机的单轴。
汽轮机138的蒸汽经HRSG 124产生。可替换地，HRSG 124可由独立点火的锅炉设备所代替。在典型实施例中，HRSG 124经管122从汽轮机112接收排出的气体。通常，从燃气轮机排出的气体包括可用的热能，其温度范围约为538℃到649℃(1000到1200)，它们没有在汽轮机112中转化成以旋转轴114的机械能。排出气体从更高温度的蒸汽产生部件流过HRSG 124，在典型实施例中示出为过热管束132，首先到达低温管束128，然后到达管束126。气体通常经环境控制子系统(图1中未示出)通向管158并随后到达堆栈160，将气体通到环境中。通常，基本上很少有用的热能保持在排出到环境的气体蒸汽中。
在HRSG 124中将水煮沸以产生蒸汽。子冷却水储存在热交换设备150中。在典型实施例中，设备150包括经管148从汽轮机138接收蒸汽的主冷凝器。设备150还包括用于储水的腔(图1中未示出)和冷凝设备151。在典型实施例中，设备151包括从可包括冷却塔、湖或河的源(图1中未示出)传导冷却水的多个管。从汽轮机138排出的蒸汽流过管151的外部表面，其中热能经管151的壁从蒸汽传到冷却水。从蒸汽中除掉的热能引起从流体到液体形式的状态改变。液体收集在经吸入集管152通向泵154处的设备150内。在典型实施例中，泵154是给水泵。可替换地，泵154可以是一系列的冷凝增压泵，冷凝泵和给水泵。同样可替换地，在进入HRSG 124之前预热给水的至少一个给水加热器可以包括在系统100中。给水首先进入管束126，并且热能从流过管束126表面的燃烧气流传递到管126内的给水。加热的给水通到管束128，其中热能以基本类似于和管126相关联的方式传递到给水，除了气体蒸汽在管128附近具有更高温度。从某种意义上说是水和蒸汽的混合的给水从管128通向蒸汽鼓130。在典型实施例中，蒸汽鼓130包括多个将水从蒸汽和水蒸汽中除去并把水返回到鼓130中的蒸汽/水分离设备(图1中未示出)。基本上已除去大多数水的蒸汽进一步通向过热管束132，其中从汽轮机112排出的气体蒸汽处于其最高温度，并将热能以类似于管126和128的方式传递到管132内的蒸汽。过热蒸汽一旦从HRSG 124排出就通向蒸汽集管134。
从CTG 116的电流经互连线120传送到传输线116。电流经互连线146类似地从STG 142传送到传输线166。传输线166通过系统100与电网164连接。其它的发电设备170产生并且把电力传送到电网164供用户168使用。
控制器162包括处理器(图1中未示出)、存储器(图1中未示出)、多个输入通道(图1中未示出)，以及多个输出通道(图1中未示出)，并且可包括计算机(图1中未示出)。正如在此所使用的，术语计算机不仅仅限于现有技术中称为计算机的集成电路，而是广泛指处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、特殊应用集成电路和其它可编程电路，并且这些术语在此可以互换使用。在典型实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器。可替换地，也可使用软盘、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、和/或数字通用盘(DVD)。同样，在典型实施例中，多个输入通道可表示但不限于与操作员接口相关联的如鼠标和键盘的计算机外围设备。可替换地，也可使用其它计算机外围设备，例如扫描仪。并且，在典型实施例中，多个输出通道可包括但不限于操作者界面监视器。
控制器162从多个传感器接收多个输入，其中一些包括传感器120和144，处理输入，产生基于编程算法和离散状况的适当输出，并将信号传送到适当的系统100部件以偏置这些部件。例如，电网164中产生向下的暂态频率时，也就是约0.5Hz或更少，控制器162将接收从传感器120发送的频率输入。控制器162随后引起空气入口导流叶片102和燃料阀110产生打开的偏置。空气入口导流叶片102在整个暂态过程中被调制，从而电势压缩机浪涌状态的预定裕度得以保持。燃烧器106内的燃烧增加并引起气体蒸汽质量流率和气体蒸汽温度的类似增加。气体蒸汽温度的变化维持在预定的温度和温度梯度参数的范围内以减少汽轮机112部件中的电势应力。汽轮机112加速并且旋转加速经轴114引入到发电机116，由此引起电网164频率朝额定系统频率值的部分增加，例如额定系统频率值在欧洲为50Hz而在北美为60Hz。类似地，对于电网频率检测到的约0.5Hz或更少的增加，控制器162从传感器120接收频率输入并引起导流叶片102和燃料阀110产生关闭的偏置以减小燃烧器106产生的气体蒸汽的质量流率和温度。随后经汽轮机112引起的轴114的减速也使CTG 116减速，并且引起电网164频率朝频率额定值减小。
类似的过程可以从STG 142观察到。传感器144检测到电网164频率的减小，并将相关的信号发给控制器162。控制器162引起偏置蒸汽阀136的开口。阀136以与维持蒸汽集管134一致的速度打开，阀136的上游和下游压力在预定参数的范围内。同样，维持HRSG 124的适当控制，使得蒸汽温度随后的任何变化保持在预定温度和温度梯度参数的范围内以减小汽轮机138部件的电势应力。
图2是联合循环电力系统100(图1中示出)对电网164的欠频率状况的典型响应的图解说明200。响应图200包括纵坐标202(y轴)，以2％的增量表示CTG 116的近似电力输出，而STG 142作为时间的函数。纵坐标202包括图200的起始处88％的值，而100％作为最高上限，根据CTG 116和STG 142MCR。图200还包括横坐标(X轴)204，其用一分钟的增量表示以分钟计的时间。时间＝0示出电网164中欠暂态频率的初始值。时间＝7分钟表示暂态和基本完成的系统100响应。曲线206示出CTG 116输出响应电势相对于时间的函数。曲线208示出在此用于比较目的而没有本发明描述的STG 142输出响应电势相对于时间的函数。曲线210示出本发明在此描述的STG 142输出响应电势相对于时间的函数。下面会进一步参考图2。
图3是可用于联合循环电力系统100(图1中示出)的响应于电网的欠频率状况的典型方法300的流程图。参考图1，典型方法300的方法步骤302包括在基本稳态状况下运行STG 142和CTG 116，其中STG 142和CTG 116均在MCR以下的部分负载运行。阀136、叶片102和阀110处于节流位置，从而系统100可以称为在发电的频率灵敏模式下运行。可替换地，系统100可以在额定调度模式下运行，其中电力调度管理机构指挥系统100和其它发电输出设备170。在典型实施例中，在MCR以下的部分负载为用于CTG 116和STG 142的MCR的90％，如图2所示。
为了便于步骤302，阀136、传感器144和控制器162协同工作以在频率灵敏模式下运行系统100。阀136被配置和定位，并与控制器162协同工作，使得阀136处于节流位置。多个阀136位于完全打开和完全关闭之间的位置，连同用于每个位置的相应HRSG 124的背压，便于产生特定的蒸汽质量流率。HRSG 124背压便于维持可用作以下描述的基本上立即可用的电力储备。当维持适当的背压以响应电力增加的需求时，控制器162发送出适当移动阀136的信号以产生电力。控制器162根据现有的电力需求、现有的蒸汽流动速度、现有的电网频率和现有的HRSG背压的函数来移动阀136。以下将进一步描述阀136、控制器162和传感器144的协同工作。值得注意的是，前述协同工作允许系统100在便于产生电势附加收入的输出级运行。
典型方法300的步骤304包括经传感器120和144检测电网164的欠频率状况的系统100。该事件相应于图2中时间＝0分钟。示出的欠频率状况可能是一个或多个发电单元170的跳闸或用户168对电力需求的大量增加的结果，从而使电网频率的减少在标准频率以下超过0.5Hz。控制器162将暂态解释为从系统100快速产生电力增加的需求。
响应图200的曲线208示出本发明在此没有讨论而用于比较目的提出的、STG 142对前述欠频率暂态的电势响应。在这种情况下，阀136快速打开到基本全开的位置。汽轮机138的蒸汽流迅速增加，而STG 142的发电输出相应地增加到基本类似于MCR的100％的值。电力输出稳定保持在基本类似于MCR的100％的值，然而，在少于1分钟内，随着电力储备的消耗，HRSG 124中的阀136的上游蒸汽背压减少，随之电力输出也减少。响应图200的曲线206示出CTG 116的响应。控制器162开始将叶片102和阀110移向基本全开的位置。在典型实施例中，空气入口导流叶片102在整个暂态中被调制，从而保持了电势压缩机浪涌状况的预定裕度。在HRSG 124之内使用热能储备便于叶片102调制并随后增加了电势浪涌状况的裕度。可替换地，用于有源压缩机浪涌处理的方法可以并入控制方案。阀110响应更加快速，由此具有富油混合物的峰值引燃的汽轮机112随着空气从压缩机104流动而开始增加。值得注意的是，由于和阀110开口(用于安全和控制目的)相关联的有限时间区域和前述的与CTG 116的频率减少成比例的压缩机104的速度减少，CTG 116的响应稍稍慢于STG 142。这些与CTG 116相关联的情况与HRSG 124热储备中的基本立即可用的附加蒸汽流容量相比较。
CTG 116维持在稳定的约96％到98％的MCR输出，如响应图200中的曲线206所示。相关联的曲线的平稳段示出，由于峰值引燃增加了燃烧气流温度和气体蒸汽温度梯度，并且必须在预定参数的范围内得以控制，因此CTG 116初始响应被限制在小于100％MCR，从而减小了在可与气体蒸汽接触的汽轮机112部件中引起的热应力，并在合适的原则内维持了燃料和空气的比率。由于叶片102打开和CTG 116加速而引起气流增加，经过汽轮机112的质量流率增加了，并且燃料阀110再次偏置打开而进一步接纳更多的燃料。结果，CTG 116输出以稳定的速度增加直到达到100％的MCR。值得注意的是，从系统100检测到欠频率状况到开始获得电力输出的稳定增加大约要两分钟，达到基本100％的MCR需要六到七分钟之间。
随着温度和通向HRSG 124的燃烧气体的质量流率以及HRSG 124内从气体转移到水/蒸汽电路的相关热能的增加，STG 142中电力输出的减少开始缓和，并且在暂态开始的约三分钟后，曲线208紧跟着曲线206。在暂态开始七分钟后，STG 142达到基本100％的MCR。
本发明对欠频率状况的系统100的响应在典型方法300的方法步骤306中示出。步骤306包括控制器162将阀136移向全开位置。如上所述，控制器162根据现有的功率需求、现有的蒸汽流动速度、现有的电网频率和现有的HRSG背压的函数移动阀136。传感器144将电网频率、STG 142电力输出、阀136的上游和下游蒸汽压力、汽轮机138的大规模蒸汽流动速度以及阀136位置反馈传送到控制器162。控制器162将这些信号与相关参数的预定值即目标值进行比较，并发送适当的偏置信号给阀136。
典型方法300的方法步骤308包括加速STG 142并随着蒸汽的质量流率的增加，快速增加STG 142的电力输出，并且增加的质量流率转化为从蒸汽热能到汽轮机138的机械旋转能的增加的能量转换率。图2中的曲线210示出本发明在此描述的STG 142输出响应电势相对于时间的函数。如上所述，阀136打开而与传感器144和控制器162一起协同工作，从而使STG 142的电力输出基本上瞬时增加达到约98％到99％的MCR范围。然而，该增加不会如本发明和非本发明中所宣称的那样，由此便于减少短期热能储备消耗。
典型方法300的方法步骤310包括快速消耗热能储备。控制器162将阀136以一种减小HRSG 124中的热储备消耗的方式移动，然而，热储备的量是有限的，并且在系统100响应于暂态的点处开始迅速消耗。
典型方法300的方法步骤312包括引起阀136的打开运动，使得阀136缓慢地向全开位置行进，由此缓慢增加汽轮机138蒸汽的质量流率。
典型方法300的方法步骤314包括缓慢加速STG 142并缓慢增加STG输出。汽轮机138蒸汽的质量流率的受控缓慢增加导致STG 142的缓慢受控加速，其中STG 142具有相关联的电力输出的增加。
典型方法300的方法步骤316包括减小来自热能贮存器的热能储备。控制阀136的初始打开运动，从而使初始热能储备释放受到控制，并且此后缓慢打开阀136，便于在将额外热能从燃气轮机112通向HRSG 124之前减少热能储备的消耗，如下所述。
典型方法300的方法步骤330包括通过将燃料阀110向全开位置移动而开始将燃气轮机112峰值引燃。典型地基本上与方法步骤306同时地执行步骤330。
典型方法300的方法步骤332包括增加燃烧气体温度。通过将燃料输入加入燃气轮机112而在预定参数的范围内增加燃料/空气的比率，从而启动汽轮机112的短暂峰值引燃状态。控制器162向阀110发送打开信号，使得燃烧气流的温度迅速上升，同时保持气体蒸汽温度范围和气体温度升高速度在预定的参数内。
典型方法300的方法步骤334包括快速加速CTG 116，从而随着燃烧气流内的热能增加，并且汽轮机112将热能转化为旋转机械能，引起电力输出的迅速增加。
典型方法300的方法步骤336包括将叶片102移向全开位置，随后空气流动增加。步骤336典型地与步骤330基本同时开始。
典型方法300的方法步骤338包括增加燃烧气体质量流率。气体质量流率随着汽轮机112在每个方法步骤334的加速以及压缩机104经轴114与汽轮机112一起加速而增加，并且叶片102在每个方法步骤336朝向全开位置打开。
典型方法300的方法步骤340包括将CTG 116的输出增加到100％MCR。随着空气向燃烧器106的质量流率增加，以及燃料/空气比率返回到预定值的范围，控制器162将开信号发送到叶片102和阀110以持续加速CTG 116，从而便于减小汽轮机112部件的热应力参数并且CTG 116达到基本100％MCR。参考图2，在本发明或非本发明中，如曲线206所示的CTG 116的响应都基本相似。
典型方法300的方法步骤370包括增加热能转移到HRSG 124中的蒸汽/水电路的比率。随着每个方法步骤332中汽轮机112排出温度增加并且紧跟着每个方法步骤338中气体质量流率的增加，从气体蒸汽到HRSG 124的管束132、128和126的热能转换比率增加。
典型方法300的方法步骤372包括增加HRSG 124内的压力和热能。传输到HRSG 124中的热能储备的热能增加率与由于阀136打开的热能去除相对应。
典型方法300的方法步骤374包括增加HRSG 124中的蒸汽产生。在HRSG124中传输的热能增加表现为在蒸汽/水电路中将水转化为蒸汽的速度的增加。
典型方法300的方法步骤376包括通向STG 142的蒸汽的增加。从HRSG124到汽轮机138的蒸汽质量流率的随后增加允许阀136持续偏置全开位置而不消耗热能储备。
典型方法300的方法步骤378包括将STG 142的电力输出增加到100％MCR。参考图2，以与便于维持HRSG 124热贮存器中热能储备一致的速度，将阀136进一步移向全开位置，使得电力输出增加维持在基本稳定的速度。值得注意的是从汽轮机112转移到HRSG 124的燃烧气体的增加的热能由控制器162测量和控制，以便于整个系统100响应。还值得注意的是，曲线210中示出的稳定斜面与曲线206的稳定斜面一起便于提高与系统100相关的频率稳定响应。
因此与打开阀136并且在HRSG 124中耗尽并随后补充热能储备紧密相关的方法300的讨论呈现阀136运动的线性速率以及热能耗尽和补充的线性速率。在一组更动态的情况下，控制器162包括充足的计算源，包括相关的编程，按需要调制阀136更迅速地通过基本全开和基本全闭之间的位置范围，以维持HRSG 124的背压在预定的上压力值和预定的下压力值之间。下压力值的一个例子可以是16,547千帕斯卡(kPa)(每平方英寸2400磅(psi))，且上压力值的一个例子可以是17,926kPa(2600psi)。如上所述，控制器162还以调制HRSG124背压的变化速率的方式调制HRSG 124的背压，同时加速STG 138并增加热能通过CTG 112和管122输入到HRSG 124的速率。如果具有前述更动态的情况和更迅速的响应，曲线210(图2中示出)可以表现为更少的线性和更多的正弦性或锯齿状，同时维持基本向上的坡度。控制器162包括减少正弦或锯齿状响应的幅值和周期的计算源，以驱动相关联的响应朝向基本线性的响应。此外，控制器162调制额外的燃料和空气到CTG 112中，使得系统100对电网166欠频率状况的整体响应是系统100输出频率的增加。例如，当阀136移向闭合位置以维持HRSG 124的压力在下阈值限定之上时，CTG 112可以进一步加速以维持系统100的响应。当阀136移向打开位置以维持HRSG 124的压力在上阈值限定之下时，CTG 112的加速速率可以减小以维持系统100的响应。曲线206还可达到更少的线性和更多的正弦性或锯齿状，同时保持如图2所示的整体形状。
图4是可用于联合循环电力系统100(图1中示出)中的响应于电网的过频率状况的典型方法400的流程图。参考图1，典型方法400的方法步骤402包括在基本稳态状况下运行STG 142和CTG 116，其中STG 142和CTG 116两者都运行在低于MCR的部分负载下。阀136、叶片102和阀110处于节流位置，使得系统100可称为在发电的频率灵敏模式下运行。可替换地，系统100可以在额定调度模式下运行，其中电力调度管理机构指挥系统100和其它发电输出设备170。在典型实施例中，MCR之下的部分负载是用于CTG 116和STG142的90％MCR。
为了便于步骤402，阀136、传感器144和控制器162在频率灵敏模式下协作运行系统100。阀136被配置并定位并与控制器162协同工作，使得阀136处于节流位置。多个阀136位于在全开和全闭之间的位置，连同每个位置响应的HRSG 124的背压，便于产生特定的蒸汽质量流率。HRSG 124背压便于维持基本立刻可用容量的储备以储存如下所述的热能。控制器162发送将阀136适当移动的信号以产生电力，同时维持适当的背压以响应电力减少的需求。控制器162根据现有的电力需求、现有的蒸汽流动速度、现有的电网频率和现有的HRSG背压的函数移动阀136。阀136、控制器162和传感器144的协作如下进一步描述。
典型方法400的步骤404包括系统100经传感器120和144检测电网164中的过频率状况。该过频率状况可以是增加一个或多个发电单元170，或者增加其输出电力，或者是用户168的电力需求大量减少的结果，使得电网频率增加可以超过标准频率0.5Hz.。控制器162将暂态解释为来自系统100的快速电力产生减少的需求。
本发明中系统100对过频率状况的响应在典型方法300的方法步骤406中示出。步骤406包括控制器162将阀136移向闭合位置。如上所述，控制器162根据现有的电力需求、现有的蒸汽流动速度、现有的电网频率和现有的HRSG背压的函数移动阀136。传感器144将电网频率、STG 142电力输出、阀136的蒸汽压力上游和下游，汽轮机138的蒸汽质量流率和阀136位置反馈发送到控制器162。控制器162将这些信号与相关参数的预定值即目标值进行比较，并发送适当的偏置信号给阀136。
典型方法300的步骤408包括随着蒸汽质量流率减小和减小的质量流率转化为从蒸汽热能到汽轮机138的旋转机械能的减少的能量转化率，将STG 142减速和快速减少STG 142的电力输出。阀136移到闭合位置，与如上所述的传感器144和控制器162协作，使得STG 142的电力输出获得基本立即的减少。
典型方法400的方法步骤410包括在热能贮存器内快速增加热能储备。控制器162将阀136以一种减少HRSG 124中的热储备增加速度的方式移动，然而，热储备的容量是有限的，并且在系统100响应于暂态的点处开始迅速“填充”。
典型方法400的方法步骤412包括引起阀136的关闭运动，使得阀136缓慢地向全闭位置行进，由此缓慢减少汽轮机138蒸汽的质量流率。
典型方法400的方法步骤414包括缓慢减速STG 142并缓慢减少STG输出。汽轮机138蒸汽的质量流率的受控缓慢减少导致STG 142的缓慢受控减速，其中STG 142具有相关联的电力输出的减少。
典型方法400的方法步骤416包括减小添加到热能贮存器的热能储备的速度。控制阀136的初始关闭运动，使得初始热能储备吸收受到控制，并且此后缓慢关闭阀136，便于在从燃气轮机112通向HRSG 124的热能减少之前减少热能储备的增加，如下所述。步骤416便于减少电势，以用于蒸汽压力增加以超过HRSG 124部件的额定。
典型方法400的方法步骤430包括通过将燃料阀110向闭合位置移动而开始将燃气轮机112欠引燃。典型地基本上与方法步骤406同时地执行步骤430。
典型方法400的方法步骤432包括减小燃烧气体温度。通过将输入燃气轮机112的燃料减少而在预定参数的范围内减少燃料/空气的比率，从而启动汽轮机112的短暂欠引燃状态。控制器162向阀110发送关闭信号，使得燃烧气流的温度迅速下降，同时保持气体蒸汽温度范围和气体温度降低的速度在预定的参数内。
典型方法400的方法步骤434包括快速减速CTG 116，从而随着燃烧气流内的热能减少，并且汽轮机112将更少的热能转化为旋转机械能，引起电力输出的迅速减少。
典型方法400的方法步骤436包括将叶片102移向关闭位置，随后空气流动减少。步骤436典型地与方法步骤430基本同时开始。
典型方法400的方法步骤438包括减少燃烧气体质量流率。气体质量流率随着汽轮机112在每个方法步骤434的减速以及压缩机104经轴114与汽轮机112一起减速而减少，并且叶片102在每个方法步骤436朝向闭合位置移动。
典型方法400的方法步骤440包括将CTG 116的输出减少到与电网164频率相一致的值。随着空气向燃烧器106的质量流率减小，以及燃料/空气比率返回到预定值的范围，控制器162将闭合信号发送到叶片102和阀110以持续减速CTG 116，从而便于减小汽轮机112部件的热应力参数并且CTG 116达到与电网164频率相一致的值的输出。
典型方法400的方法步骤470包括减小热能转移到HRSG 124中的蒸汽/水电路的比率。随着每个方法步骤432中汽轮机112排出温度减小并且紧跟着每个方法步骤438中气体质量流率的减小，从气体蒸汽到HRSG 124的管束132、128和126的热能转换比率减小。
典型方法400的方法步骤472包括减小HRSG 124内的压力和热能。传输到HRSG 124的热能贮存器中的热能减小率与由于阀136闭合的热能添加相对应。
典型方法400的方法步骤474包括减小HRSG 124中的蒸汽产生。在HRSG124中传输的热能减少表现为在蒸汽/水电路中将水转化为蒸汽的速度的减小。
典型方法400的方法步骤476包括将蒸汽传送到STG 142。从HRSG 124到汽轮机138的蒸汽质量流率的随后减小允许阀136持续朝闭合位置移动而不增加热能储备。
典型方法400的方法步骤478包括将STG 142的电力输出减少到与电网164频率相一致的输出值。以与便于维持HRSG 124热贮存器中的热能储备一致的速度，阀136进一步移向闭合位置，使得电力输出减少维持在基本稳定的速度。值得注意的是，从汽轮机112转移到HRSG 124的燃烧气体的减少的热能由控制器162测量和控制，以便于整个系统100响应。
因此与关闭阀136并且在HRSG 124中补充热能储备紧密相关的方法400的讨论呈现阀136运动的线性速率以及热能补充的线性速率。在一组更动态的情况下，控制器162包括充足的计算源，包括相关的编程，按需要调制阀136更迅速地通过基本全开和基本全闭之间的位置的全部范围，以维持HRSG 124的背压在预定的上压力值和预定的下压力值之间。如上所述，控制器162还以调制HRSG 124背压的变化速率的方式调制HRSG 124的背压，同时减速STG138并减小热能通过CTG 112和管122输入到HRSG 124的速率。如果具有前述更动态的情况和更迅速的响应，该响应可以表现为更少的线性和更多的正弦性或锯齿状，同时维持基本向下的坡度。控制器162包括减少正弦或锯齿状响应的幅值和周期的计算源，以驱动相关联的响应朝向基本线性的响应。此外，控制器162调制减少的燃料和空气到CTG 112中，使得系统100对电网166过频率状况的整体响应是系统100输出频率的减少。例如，当阀136移向闭合位置以维持HRSG 124的压力在下阈值限定之上时，CTG 112的减速速率得以减小以维持系统100的响应。当阀136移向打开位置以维持HRSG 124的压力在上阈值限定之下时，CTG 112的减速速率可以增加以维持系统100的响应。
在此描述的用于电网频率控制子系统的方法和设备便于联合循环电力系统的运行。尤其是，在连接电网的欠频率暂态期间通过使用热能储备容量以便于维持标准的电网频率，设计、安装和运行如上所述的电网频率控制子系统便于联合循环电力系统的运行。而且，连接电网的过频率暂态也可以通过电网频率控制子系统而得以减小。因此，可以便于维持稳定的电网频率，并且长期的维护成本和联合循环电力系统的损耗得以减小或消除。
虽然在此描述和/或示出的方法和设备被描述和/或示出为相对于联合循环电力系统尤其是电网频率控制子系统的方法和设备，但是在此描述和/或示出的方法的实践通常不限于电网频率控制子系统，也不限于联合循环电力系统。而且，在此描述和/或示出的方法可应用于设计、安装和运行任何系统。
以上详细描述了与联合循环电力系统相关联的电网频率控制子系统的典型实施例。该方法、设备和系统不限于在此描述的特定实施例，也不限于设计、安装和运行的特定电网频率控制子系统，但是设计、安装和运行电网频率控制子系统的方法可以独立使用并且与在此描述的其它方法、设备和系统或未在此描述的设计、安装和运行部件分离。例如，还可以使用在此描述的方法设计、安装和运行其它部件。
虽然已经根据各种特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以认识到本发明可以在权利要求书的精神和范围内进行修改而实践。
部件列表100 系统102 叶片104 压缩机106 燃烧器108 储存设备110 燃料阀112 燃气轮机114 轴116 CTG118 发电机输出连接120 传感器122 管124 HRSG126 管束128 管束130 蒸汽鼓132 管束
134 蒸汽集管136 阀138 汽轮机140 轴142 STG144 传感器146 互连148 蒸汽排气管150 设备151 冷凝设备152 集管154 冷凝/给水泵156 集管158 管160 堆栈162 控制器164 电网166 传输线168 用户170 发电设备200 响应图202 纵坐标204 x轴206 曲线208 曲线210 曲线300 典型方法302 方法步骤304 方法步骤306 方法步骤
308 方法步骤310 方法步骤312 方法步骤314 方法步骤316 方法步骤330 方法步骤332 方法步骤334 方法步骤336 方法步骤338 方法步骤340 方法步骤370 方法步骤372 方法步骤374 方法步骤376 方法步骤378 方法步骤400 典型方法402 方法步骤404 方法步骤406 方法步骤408 方法步骤410 方法步骤412 方法步骤414 方法步骤416 方法步骤430 方法步骤432 方法步骤434 方法步骤436 方法步骤438 方法步骤
440 方法步骤470 方法步骤472 方法步骤474 方法步骤476 方法步骤478 方法步骤
权利要求
1.一种用于联合循环电力系统(100)的电网频率控制子系统，所述控制子系统包括至少一个蒸汽轮机(138)，所述蒸汽轮机包括至少一个管道，所述管道包括至少一个蒸汽流控制阀(136)；至少一个经所述管道与所述蒸汽轮机流动连通的蒸汽源，所述蒸汽源包括至少一个热能贮存器；至少一个燃气轮机(112)，所述燃气轮机包括至少一个空气入口导流叶片(102)；至少一个发电机，所述发电机与电网(164)电耦合，所述发电机频率和电网频率与电网的运行频率同步，使得所述蒸汽轮机、所述燃气轮机和电网在基本类似于标准电网频率值的频率下运行；多个过程反馈机构，所述反馈机构包括多个过程测量传感器(144)；以及至少一个电子控制器(162)，所述至少一个电子控制器包括至少一个电储存的控制程序、多个电子输入通道、多个电子输出通道和至少一个操作员接口设备，使得所述至少一个蒸汽流控制阀和所述至少一个空气入口导流叶片协同工作，以连续地促进电网频率以预定的速度恢复预定的一段时间，频率恢复的预定速度基本一致。
2.根据权利要求1的电网频率控制子系统，其中所述至少一个蒸汽控制阀(136)包括与所述电子控制器(162)的至少一个通信通道，所述控制器响应于电网欠频率状况而将所述阀移向基本打开的位置，并且响应于电网过频率状况而将所述阀移向基本关闭的位置。
3.根据权利要求1的电网频率控制子系统，其中所述至少一个能量贮存器包括至少一个与所述蒸汽轮机控制阀流动连通的腔，所述腔包括在所述蒸汽源内的尺寸和位置，使得响应电网的欠频率状况而以预定的速度加速所述蒸汽轮机(138)一段预定的时间的充分的热能储存容量是可用于释放的。
4.根据权利要求3的电网频率控制子系统，其中所述腔进一步包括在所述蒸汽源内的尺寸和位置，使得充分的热能储存容量可用于响应电网的过频率状况而以预定的速度积累所述蒸汽源热能一段预定的时间。
5.根据权利要求1的电网频率控制子系统，其中所述至少一个空气入口导流叶片(102)包括与所述电子控制器(162)的至少一个通信通道，所述控制器响应于电网欠频率状况而将所述导流叶片移向基本打开的位置，并且响应于电网过频率状况而将所述导流叶片移向基本关闭的位置。
6.根据权利要求1的电网频率控制子系统，其中所述发电机旋转耦合于所述蒸汽轮机(138)，使得所述蒸汽轮机控制阀(136)促进发电机加速和发电机减速。
7.根据权利要求1的电网频率控制子系统，其中所述发电机旋转耦合于所述燃气轮机(112)，使得所述燃气轮机空气入口导流叶片(102)促进发电机加速和发电机减速。
8.根据权利要求1的电网频率控制子系统，其中所述多个过程测量传感器(120)包括至少一个压力传感器、至少一个电压传感器、至少一个电流传感器和至少一个频率变换器。
9.一种联合循环电力系统(100)，所述系统包括至少一个蒸汽轮机(138)，所述蒸汽轮机包括至少一个管道，所述管道包括至少一个蒸汽流控制阀(136)，所述至少一个蒸汽流控制阀响应于电网的欠频率状况而移向基本打开的位置，并且响应于电网的过频率状况而移向基本关闭的位置；至少一个经所述管道与所述蒸汽轮机流动连通的蒸汽源，所述蒸汽源包括至少一个热能贮存器，其中所述至少一个热能贮存器包括至少一个腔；至少一个燃气轮机(112)，所述燃气轮机包括至少一个空气入口导流叶片(102)，所述至少一个空气入口导流叶片响应于电网的欠频率状况而移向基本打开的位置，并且响应于电网的过频率状况而移向基本关闭的位置；至少一个发电机，所述发电机与电网(164)电耦合，所述发电机频率和电网频率与电网的运行频率同步，使得所述蒸汽轮机、所述燃气轮机和电网在基本类似于标准电网频率值的频率下运行；多个过程反馈机构，所述反馈机构包括多个过程测量传感器(120)；以及至少一个电子控制器(162)，所述至少一个电子控制器包括至少一个电储存的控制程序、多个电子输入通道、多个电子输出通道和至少一个操作员接口设备，使得所述至少一个蒸汽流控制阀和所述至少一个空气入口导流叶片协同工作，以连续地促进电网频率以预定的速度恢复预定的一段时间，使得频率恢复的预定速度基本一致。
10.根据权利要求9的联合循环电力系统(100)，其中所述至少一个蒸汽源包括热恢复蒸汽发生器(124)。
全文摘要
提供了一种运行联合循环电力系统(100)的方法和设备。该系统耦合于电网(164)。该系统包括至少一个发电机，至少一个耦合于发电机的蒸汽轮机(138)，至少一个耦合于发电机的燃气轮机(112)，和至少一个与蒸汽轮机流动连通的蒸汽源。该方法包括在第一电力输出级运行系统，其中蒸汽轮机和燃气轮机与电网的运行频率同步，使得蒸汽轮机、燃气轮机和电网在基本类似于标准电网频率值的频率下运行。该方法还包括检测电网频率与标准电网频率值的偏差。该方法进一步包括加速或减速汽轮机，并且促进电网频率以预定的速度恢复预定的一段时间，使得频率恢复的预定速度基本一致。
文档编号H02J3/38GK101034807SQ20061006399
公开日2007年9月12日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月9日
发明者P·L·安德鲁, J·E·福德, T·A·梅尔塞尔特 申请人:通用电气公司