ТУРБОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК H02P9/04 

Изобретение относится к электрическим генераторным установкам, каждая из которых содержит турбину и генератор, например газовую турбину, вращающую синхронный генератор переменного тока.

Газовые турбины низкой или средней мощности (от нескольких МВт до нескольких десятков МВт) эффективны, когда они вращаются с высокой частотой (например, в диапазоне от 5000 об/мин до 15000 об/мин).

Для вырабатывания электрического тока стандартной (промышленной) частоты 50 Гц генератор переменного тока, имеющий 2 или 4 полюса, должен вращаться с частотой 3000 об/мин или 1500 об/мин. Для получения частоты 60 Гц генератор переменного тока, имеющий 2 или 4 полюса, должен вращаться с частотой 3600 об/мин или 1800 об/мин. Следовательно, между газовой турбиной и генератором переменного тока должен быть установлен редуктор.

При таких мощностях газовых турбин затраты на изготовление редукторов являются промышленно приемлемыми, при этом редукторы имеют хороший коэффициент использования.

Для газовых турбин более высокой мощности (больше, чем 69 МВт) требуются очень громоздкие редукторы, затраты на изготовление которых становятся непомерно высокими. Для газовых турбин очень большой мощности становится невозможным изготовление редукторов, и в этом случае турбина непосредственно вращает генератор переменного тока.

Вот почему, чтобы использовать двухполюсный синхронный генератор переменного тока для вырабатывания электрического тока стандартной (промышленной) частоты, необходимо ограничивать частоту вращения газовых турбин высокой мощности до 3000 об/мин для вырабатывания переменного тока с частотой 50 Гц и до 3600 об/мин для вырабатывания переменного тока с частотой 60 Гц.

Это уменьшает общий к.п.д. турбогенераторной установки. Известно, что газовая турбина не может сама запускаться, поскольку воздух в ее компрессоре необходимо сжимать до впрыска топлива в ее камеры сгорания. Запуск газовой турбины осуществляется с помощью вспомогательного электродвигателя или дизельного двигателя или с помощью пускового статического преобразователя, питаемого от сети переменного тока.

Известны турбогенераторные установки, части которых соединены вместе без использования редуктора. Такие установки предназначены для вырабатывания электрической энергии, подаваемой в сеть переменного тока установленной частоты. Статический преобразователь частоты последовательно соединен с генератором и сетью и преобразует частоту напряжения и тока, вырабатываемых генератором, в частоту, соответствующую частоте сети.

Такие турбогенераторные установки описаны в патентах Японии JP-A-58212367, JP-А-62131798 и JP-A-56062100 и позволяют уменьшать предельное число оборотов газовых турбин высокой мощности.

Целью настоящего изобретения является уменьшение общего размера таких вышеупомянутых турбогенераторных установок, которая достигается за счет выполнения турбогенераторной установки, содержащей турбину и генератор, соединенные между собой без использования редуктора, и статический преобразователь частоты, последовательно соединенный с генератором и сетью переменного тока, имеющий установленную рабочую частоту. Статический преобразователь частоты используется в работе, когда турбогенераторная установка вырабатывает электрическую энергию, чтобы преобразовать частоту напряжения и тока, вырабатываемых генератором, в установленную рабочую частоту сети переменного тока.

В соответствии с настоящим изобретением, когда турбогенераторная установка запускается, статический преобразователь частоты питает электрической энергией генератор, который работает как двигатель, чтобы воспламенить топливо в камерах сгорания турбины, при этом электрическая энергия отбирается от сети переменного тока.

В соответствии с настоящим изобретением, когда генератором является синхронный генератор переменного тока, содержащий индуктор, и турбогенераторная установка вырабатывает электрическую энергию, статический преобразователь частоты воздействует на индуктор для возбуждения и/или регулирования генератора переменного тока.

В примере осуществления изобретения статический преобразователь частоты содержит два тиристорных моста, управляемых измерительными трансформаторами для измерения напряжения и тока, вырабатываемых генератором.

Преимущественно статический преобразователь частоты позволяет регулировать число оборотов турбогенераторной установки в функции нагрузки, отдаваемой в сеть переменного тока.

Генератором в равной степени может быть как синхронный генератор переменного тока, так и асинхронный генератор.

Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что общий статический преобразователь частоты позволяет выполнять несколько функций, которые ранее выполнялись раздельно, при этом некоторые из этих функций требовали использования очень громоздких и малоэффективных устройств.

Другим преимуществом, вытекающим из вышеупомянутого преимущества, является экономия в пространстве (площади), поскольку в этом случае не требуются блоки управления возбуждением/регулировкой синхронного генератора переменного тока или для синхронизации генератора переменного тока с сетью, а также редуктор и вспомогательные пусковые устройства для запуска газовой турбины.

Существо настоящего изобретения раскрывается описанием предпочтительного примера его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1-4 показаны однопроводные принципиальные электрические схемы известных электрических генераторных установок, каждая из которых содержит газовую турбину и синхронный генератор переменного тока;
на фиг. 5 - однопроводная принципиальная электрическая схема электрической генераторной установки, которая выполнена в соответствии с настоящим изобретением и содержит газовую турбину и синхронный генератор переменного тока.

На фиг. 1 показана газовая турбина 10 низкой или средней мощности для вращения синхронного генератора переменного тока 11, соединенного с сетью 13 через трансформатор 14. Прерыватель цепи генератора переменного тока 15 и линейный выключатель 16 расположены с боковых сторон этого трансформатора.

Как показано, редуктор 16 установлен между газовой турбиной 10 и генератором переменного тока 11, так что последний может вращаться с частотой, позволяющей вырабатывать ток стандартной частоты.

Турбогенераторная установка запускается с помощью дизельного двигателя или электродвигателя 17, как это было объяснено выше.

Генератор переменного тока имеет индуктор 11А, на который может воздействовать схема 18, чтобы регулировать генератор в зависимости от нагрузки.

Схема регулирования работает в функции измерений тока и напряжений, вырабатываемых генератором переменного тока. Эти измерения осуществляются трансформаторами 19 и 20.

На фиг. 2 показана турбогенераторная установка, аналогичная установке, показанной на фиг.1, но содержащая газовую турбину 10¹ высокой мощности, так что установка не имеет редуктора 16.

Другие элементы установки не изменяются и обозначаются теми же позициями, что и аналогичные элемента на фиг.1.

На фиг.3 газовой турбиной 10 является турбина низкой или средней мощности и поэтому требуется редуктор 16, но в этом случае отсутствует пусковой двигатель. Запуск турбины осуществляется с помощью пускового статического преобразователя 22, содержащего тиристорный мост 22, который питается от сети через отводной трансформатор 23. Другие элементы установки не изменяются.

На фиг.4 показана установка, в которой газовой турбиной 10¹ является турбина высокой мощности, которая непосредственно соединена с генератором переменного тока 11, т.е. без расположения редуктора между ними.

Как и на фиг.3, пусковой двигатель в этой установке отсутствует и заменен пусковым статическим преобразователем 22.

На фиг. 5 показана электрическая генераторная установка, выполненная в соответствии с настоящим изобретением.

Газовая турбина 100 непосредственно соединена с синхронным генератором переменного тока, так что независимо от мощности турбины генератор может вращаться с оптимальной частотой. Например, газовой турбиной является турбина мощностью 40 МВт; и когда она вращается с частотой 5100 об/мин, генератор вырабатывает ток с частотой 85 Гц.

Генератор переменного тока последовательно соединен со статическим преобразователем частоты (СПЧ) 25, который в свою очередь соединен с сетью 13 через трансформатор 14 и линейный выключатель 16.

Преобразователь содержит два тиристорных моста 25А и 25В, соединенных между собой через катушку индуктивности 26.

СПЧ управляется на основе измерений тока и напряжения, осуществляемых с помощью измерительных трансформаторов 29 и 30.

Когда турбогенераторная установка вырабатывает электрическую энергию, основной функцией статического преобразователя частоты является преобразование частоты напряжения и тока, вырабатываемых генератором (в вышеупомянутом примере частота равна 85 Гц), в частоту, соответствующую частоте сети. Таким образом, статический преобразователь частоты позволяет передавать ток, вырабатываемый генератором, с соответствующей частотой.

В соответствии с настоящим изобретением СПЧ имеет также следующие функции:
а) когда турбогенераторная установка вырабатывает электрическую энергию, функцию регулирования и/или возбуждения генератора переменного тока, которая в известных турбогенераторных установках выполнялась с помощью специальных блоков управления. Для выполнения этой функции используются данные, измеренные с помощью измерительных трансформаторов 29 и 30;
б) когда турбогенераторная установка запускается, функцию подключения к сети для подачи электрической энергии к генератору, который в этом случае работает как двигатель. После воспламенения топлива в камерах сгорания статический преобразователь частоты реверсируется, чтобы передать электрическую энергию, вырабатываемую генератором, в сеть. Эта функция выполняется посредством реверсирования СПЧ.

Может иметь место промежуточная стадия, во время которой турбина запускается для передачи крутящего момента на вал, и генератор продолжает работать как двигатель до тех пор, пока не достигается номинальная частота вращения турбогенераторной установки. Только после этого статический преобразователь частоты реверсируется для подачи электрической энергии, вырабатываемой генератором, в сеть.

В дополнение к вышеупомянутой основной функции статический преобразователь частоты может выполнять обе функции а) и б).

Изобретение позволяет значительно снизить стоимость турбогенераторной установки и ее электронных блоков управления, а также эксплуатационные расходы.

С помощью одного статического преобразователя частоты можно:
исключить редуктор, который является дорогостоящим и отбирает мощность;
оптимизировать частоту вращения газовой турбины при полной или частичной нагрузках и тем самым повысить эффективность турбогенераторной установки;
исключить трудные проблемы синхронизации частоты сети и частоты тока, вырабатываемого генератором; и
исключить блоки управления, предназначенные для возбуждения/регулировки и синхронизации генератора.

Изобретение используется с любым типом турбины (газовая турбина, паровая турбина) независимо от ее мощности. Генератором 25 с одинаковым успехом может быть как синхронный генератор переменного тока, так и асинхронный генератор.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в турбогенераторной установке. Техническим результатом является уменьшение общего размера турбогенераторной установки, которая содержит турбину и генератор, соединенные между собой без использования редуктора, и статический преобразователь частоты, последовательно соединенный с генератором и сетью переменного тока, имеющей определенную рабочую частоту, и используемый в работе, когда турбогенераторная установка вырабатывает электрическую энергию, чтобы преобразовать частоту напряжения и тока, вырабатываемых генератором, в определенную рабочую частоту сети переменного тока. При запуске турбогенераторной установки статический преобразователь частоты питает электрической энергией, отбираемой от сети переменного тока, генератор, который работает как двигатель, обеспечивая запуск турбины. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбогенераторная установка, содержащая турбину (100) и генератор (11), а также статический преобразователь частоты (25), включенный последовательно между генератором (11) и сетью переменного тока (13), имеющей определенную рабочую частоту, причем запуск турбогенераторной установки обеспечивается при помощи генератора (11), функционирующего в режиме электрического двигателя и запитываемого электрической энергией от статического преобразователя частоты (25), отбирающего энергию от сети переменного тока (13), отличающаяся тем, что турбина (100) и генератор (11) соединены между собой без использования редуктора, и в режиме генерирования электрической энергии турбогенераторной установкой статический преобразователь частоты (25) преобразует частоту электрического напряжения и тока, отдаваемого генератором (11), в заданную рабочую частоту сети переменного тока (13), при этом скорость вращения данной турбогенераторной установки (100) регулируется в функции нагрузки, отдаваемой генератором в сеть переменного тока (13). 2. Турбогенераторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что генератором является синхронный генератор переменного тока, имеющий индуктор (11А), и статический преобразователь частоты (25) выполнен с возможностью воздействия на индуктор для возбуждения и/или регулирования синхронного генератора при выработке установкой электрической энергии. 3. Турбогенераторная установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что статический преобразователь частоты (25) содержит два тиристорных моста (25А, 25В), управляемых измерительными трансформаторами (29, 30), для измерения напряжения и тока, вырабатываемых генератором (11). 4. Турбогенераторная установка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что генератором (11) является синхронный генератор переменного тока или асинхронный генератор.