СПОСОБ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Российский патент 2015 года по МПК F01K23/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу работы электростанции. В частности, далее сделана ссылка на электростанции с комбинированным циклом.

Уровень техники

Традиционно электростанции, такие как электростанции с комбинированным циклом (т.е. электростанции, содержащие паро- и газотурбинные установки), производят базовую электрическую энергию, которая поступает в электрическую сеть. С разбалансировкой рынка энергии при повышенных ценах на топливо и постепенным распространением возобновляемых источников энергии электростанции с комбинированным циклом все больше и больше используются для удовлетворения требований пиковых мощностей.

Для того чтобы удовлетворить требования пиковых нагрузок, необходимо очень быстро согласовать работу электростанций с комбинированным (парогазовым) циклом (в частности, в отношении электрической энергии, подводимой во внешнюю электрическую сеть). Другими словами, они должны быть способны работать с большой гибкостью. Например, когда энергия, необходимая для электрической сети, низкая, они должны быть способны уменьшить электрическую энергию, подводимую в электрическую сеть, вплоть до нуля, а когда электрическая сеть вновь требует электрическую энергию, они должны быть способны обеспечить ее очень быстро (в некоторых случаях они должны быть способны обеспечить десятки мегаватт в секунды).

В патентном документе ЕР 2 056 421 раскрыт способ подключения электростанции с комбинированным циклом (использующий паро- и газотурбинные установки) к электрической сети. Этот способ включает следующие стадии:

на первой стадии газовая турбина имеет полное число оборотов, но в электрическую сеть никакая электроэнергия не подается (при этом прерыватель тока разомкнут); при проведении этой стадии паровая турбина нагружается;

на второй стадии прерыватель тока замкнут; во время этой стадии паровая турбина дополнительно нагружается;

на третьей стадии электростанция активирует электрическую сеть; паровая турбина на этой стадии также нагружается;

на четвертой стадии электростанция снабжает электрическую сеть электроэнергией; в процессе осуществления этой стадии паровая турбина дополнительно нагружается.

Таким образом, очевидно, что в процессе осуществления стадий от первой по четвертую паровая турбина не обеспечивает подачу какой-либо электроэнергии в сеть, а именно паровая турбина находится в переходном режиме работы, в режиме нагружения.

По этой причине известный описанный выше способ может иметь некоторые недостатки.

Фактически, если паровая турбина работает в переходном режиме, она не способна подавать в электрическую сеть какую-либо электрическую мощность. Электростанция, таким образом, не может быть способной удовлетворить требования электрической сети в скачкообразной выработке электроэнергии. Например, в некоторых случаях потребности сети в скачкообразной выработке электростанцией электроэнергии могут составлять до 50 МВт/сек или более.

Сущность изобретения

Один аспект изобретения заключается таким образом в обеспечении способа, посредством которого электростанция с комбинированным циклом способна соответствовать требованиям внезапного скачкообразного изменения мощности, исходящим от сети.

Этот и другие аспекты достигаются согласно изобретению за счет обеспечения способов в соответствии с приложенными пунктами формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества изобретения будут более ясными из описания предпочтительного, но не единственного воплощения способа, иллюстрируемого в сопровождающих описание чертежах с помощью примера, не ограничивающего изобретение.

Фиг.1 и фиг.2 - схема электростанций с комбинированным циклом, которые могут быть использованы для осуществления способа.

Фиг.3 и фиг.4 - иллюстрация двух воплощений способа.

Фиг.5 и фиг.6 - иллюстрация воплощений запуска электростанции с доведением ее до параметров, при которых электростанция подключена к электрической сети (с разомкнутым или замкнутым прерывателем), но без подвода к ней какого-либо количества электроэнергии.

Фиг.7 и фиг.8 - воплощения разгрузки электростанции с доведением ее до параметров, при которых электростанция подключена к сети (с разомкнутым или замкнутым прерывателем), но без подвода к ней какого-либо количества электроэнергии.

Подробное описание воплощений изобретения

Способ может быть осуществлен в электростанции, схематически показанной на фиг.1.

Электростанция 1 содержит газотурбинную установку 2, имеющую компрессор 3, камеру 4 сгорания и турбину 5. В камеру 4 сгорания подают топливо 6 и окислитель 7 (обычно воздух, сжатый в компрессоре 3). В результате сжигания топлива 6 с окислителем 7 генерируются отходящие газы, которые расширяются в турбине 5 с получением механической энергии.

Турбина 5 выбрасывает отходящие газы 8, которые затем поступают в систему 10 выработки энергии с помощью водяного пара. Указанная система 10 выработки энергии с помощью водяного пара содержит котел 11 (называемый также котлом-утилизатором (HRSG)), который принимает отходящие газы 8 из газотурбинной установки 2 и производит водяной пар, который расширяется в паровой турбине 12. Как обычно, система оборудована конденсатором 13 и насосом 14.

Газотурбинная установка 2 и система 10 выработки энергии с помощью водяного пара приводят в действие электрический генератор 20, подключенный к электрической сети 21 посредством электрической линии 22.

Фиг.2 иллюстрирует пример другой электростанции. На этой фигуре одинаковые номера позиций обозначают одинаковые или подобные элементы из числа описанных выше.

В электростанции на фиг.2 каждая из газотурбинной установки 2 и системы 10 выработки энергии с помощью водяного пара приводит в действие один электрогенератор 20а, 20b. Электрогенераторы 20а и 20b, в свою очередь, подключены к электрической сети 21 посредством электрических линий 22 и соединены друг с другом с помощью электрической линии 23.

Возможны и какие-то другие схемы электростанции.

Способ работы электростанции описан далее со ссылкой на фиг.1 и фиг.3.

В соответствии с предложенным способом в установившемся режиме работы электростанции 1 газотурбинная установка вырабатывает первую выходную мощность 30, превышающую нулевое значение, а система 10 выработки энергии с помощью водяного пара вырабатывает вторую выходную мощность, превышающую нулевое значение, и общая полученная электрическая мощность 32 (общая полученная мощность представляет собой сумму первой и второй выходной мощности 30, 31) по существу равна собственным нуждам 33 электростанции 1.

Собственные нужды 33 соответствуют такой мощности, которая должна быть подведена к электростанции 1 или произведена электростанцией 1 для снабжения вспомогательного оборудования и для ее внутреннего использования. Таким образом, в режиме работы для собственных нужд 33 электростанция вырабатывает мощность для внутреннего использования, но она по существу не способна подавать какую-либо энергию в электрическую сеть 21.

В этой связи ссылочный номер позиции 32 на фиг.3 показывает, что мощность, подводимая в электрическую сеть, равна нулю.

Предпочтительно во время этой работы в установившемся режиме электрический генератор 20 подключен к электрической сети 21 (т.е. прерыватель замкнут). Следовательно, генератор 20 подает в сеть 21 напряжение, но не обеспечивает подвода в сеть какой-либо электрической мощности. В качестве альтернативы, электрический генератор 20 также может быть не подключен к сети 21 (т.е. прерыватель разомкнут).

В примере, представленном на фиг.3, выходная мощность 31 почти в два раза превышает величину выходной мощности 30. Тем не менее, ясно, что это лишь один из многочисленных возможных вариантов, и выходные мощности 30 и 31 вообще могут быть равны или могут отличаться.

В другом примере (фиг.4) газотурбинная установка 2 может вырабатывать отрицательную мощность или, другими словами, для ее работы может быть необходим подвод электроэнергии (главным образом, для работы компрессора). В этом случае электрическую мощность, необходимую для работы газотурбинной установки, обеспечивает система 10 выработки энергии с помощью водяного пара.

В этой связи фиг.4 показывает, что система 10 выработки энергии с помощью водяного пара генерирует выходную мощность 31, большую, чем собственные нужды 33 и чем требуется для газотурбинной установки 2 (поскольку ее выходная мощность 30 отрицательная). Поскольку положительная выходная электрическая мощность 31 компенсирует отрицательную выходную мощность 30, общая вырабатываемая мощность 32 (которая поступает в электрическую сеть 21) равна нулю.

При работе в таком режиме электростанция 1 готова подавать большую мощность в сеть 21 в очень короткие периоды времени, поскольку как газотурбинная установка 2, так и система 10 выработки энергии с помощью водяного пара уже находятся в рабочих режимах (подключены к сети 21 или не подключены). Кроме того, эти рабочие режимы могут поддерживаться в течение продолжительных периодов, так что электростанция 1 может быть постоянно подсоединена к сети без подачи в сеть 21 какой-либо электроэнергии, с ее подводом в электрическую сеть только в том случае, когда это необходимо. Электростанция 1 таким образом может работать для удовлетворения требованиям пиковой нагрузки, например, вместе с электростанциями, работающими на возобновляемых источниках энергии.

Описанный здесь установившийся режим работы может быть реализован из режима отключения электростанции (следовательно, для этого электростанция должна быть запущена) или из режима нормального функционирования, при котором электростанция подает электрическую энергию в сеть 21 (следовательно, электростанция должна быть ненагруженной).

Запуск

Запуск электростанции описан со ссылкой на фиг.5, которая показывает выходную мощность 30 газотурбинной установки 2, выходную мощность 31 системы 10 выработки энергии с помощью водяного пара и общую выработанную электрическую мощность 32 (равную сумме выходных мощностей 30 и 31).

Для запуска электростанции 1 на стадии 45 запускают газотурбинную установку 2 и нагружают электростанцию вплоть до нагрузки 33, соответствующей собственным нуждам, после чего поддерживают электростанцию в режиме нагрузки 33, соответствующей ее собственным нуждам (стадия 46).

Кроме того, на стадии 46 запускают систему 10 выработки энергии с помощью водяного пара (т.е. нагружают до частоты синхронизации) и затем нагружают на стадии 47. В этом режиме система 10 выработки энергии с помощью водяного пара вырабатывает вторую выходную электрическую мощность 31, большую, чем нулевая мощность.

В то время как система 10 выработки энергии с помощью водяного пара нагружается (на стадии 47), выходная мощность 30 газотурбинной установки 2 уменьшается.

Общая генерируемая мощность 32 (которая представляет собой сумму первой и второй электрических мощностей 30, 31) по существу равна собственным нуждам электростанции 1.

Фиг.6 демонстрирует дополнительный пример, в котором на стадии 47 выходную мощность 30 газотурбинной установки снижают до величины, меньшей нуля, т.е. для работы газотурбинной установки 2 требуется подвод электрической энергии. Как уже было отмечено, в этом случае мощность, необходимая для работы газотурбинной установки 2, может быть обеспечена системой 10 выработки энергии с помощью водяного пара, которая может вырабатывать выходную мощность, превышающую собственные нужды 33, так чтобы мощность 31 компенсировала мощность 30, а общая вырабатываемая мощность 32 по существу была равна нулю.

Электростанцию 1 затем поддерживают в установившемся режиме работы с общей генерируемой мощностью 32, по существу равной расходу электроэнергии 33 на собственные нужды (т.е. никакая электрическая мощность в сеть 21 не поступает).

Предпочтительно электрический генератор 20 подключен к сети 21. Поскольку в таком режиме электростанция 1 вырабатывает лишь энергию, соответствующую собственным нуждам 33, она не обеспечивает подачу какой-либо энергии в электрическую сеть 21.

В котле 11 генерируется водяной пар, который затем расширяется в паровой турбине 12. Паровая турбина 12 содержит статор 12а и ротор 12b. Предпочтительно, в то время как выходная мощность 30 газотурбинной установки 2 уменьшается на стадии 47, газотурбинную установку 2 регулируют таким образом, чтобы получить минимальную температуру пара, подходящую для ротора 12. Другими словами, поскольку между паром и ротором 12b происходит теплообмен, температура пара не может слишком отличаться от температуры указанного ротора 12b, т.к. это может вызвать значительные механические напряжения в роторе. По этой причине температура пара предпочтительно должна быть близка к температуре ротора 12b.

Снятие нагрузки

Далее со ссылкой с фиг.7 описан процесс снижения выходной мощности, осуществляемый для перевода электростанции 1 из режима, в котором она подает мощность в электрическую сеть 21, в режим, в котором она подключена к сети 21, но не подводит к ней какую-либо мощность.

На фиг.7 показаны первая выходная мощность 30 газотурбинной установки 2, вторая выходная мощность 31 системы 10 выработки энергии с помощью водяного пара, общая генерируемая мощность 32 (соответствующая мощности, подводимой в электрическую сеть 21) и собственные нужды 33.

Начиная от установившегося режима 54 работы электростанции 1, которая подает мощность в электрическую сеть 21, предложенный способ включает стадию 55 снижения первой выходной мощности 30 газотурбинной установки 2. В предпочтительном воплощении способа первую выходную мощность 30 снижают вплоть до достижения минимальной температуры пара, подходящей для ротора.

При проведении этой стадии вторая выходная мощность 31 системы 10 выработки энергии с помощью водяного пара также снижается вследствие уменьшения количества теплоты, содержащейся в отходящих газах газотурбинной установки, поступающих в паровой котел 11, что приводит к генерированию в котле 11 меньшего количества водяного пара.

После этого на стадии 56 уменьшается вторая выходная мощность 31 системы 10 выработки энергии с помощью водяного пара до установившегося режима (в то же время первая выходная мощность 30 газотурбинной установки 2 поддерживается по существу постоянной), а на последующей стадии 57 первая выходная мощность 30 газотурбинной установки 2 еще больше уменьшается, так что общая генерируемая мощность 32, т.е. сумма первой и второй выходных мощностей 30, 31, выработанных газотурбинной установкой и системой 10 выработки энергии с помощью водяного пара, по существу равна собственным нуждам 33 электростанции 1.

Фиг.7 иллюстрирует пример, в котором как газотурбинная установка, так и система 10 выработки энергии с помощью водяного пара вырабатывает положительную первую выходную мощность 30 и вторую выходную мощность 31.

Фиг.8 демонстрирует пример, в котором выходная мощность 30 газотурбинной установки уменьшается до нулевой величины. В этом случае для функционирования газотурбинной установки 2 необходим подвод энергии, и эта энергия подводится от системы 10 выработки энергии с помощью водяного пара.

В результате электростанция поддерживается в установившемся режиме (стадия 58), при этом общая вырабатываемая мощность 32 по существу равна мощности 33, необходимой для собственных нужд электростанции 1.

Электростанция 1, показанная на фиг.1, содержит газовую турбину 5, паровую турбину 12 и генератор 20, соединенные посредством одного единственного вала. Очевидно, что этот же способ может быть реализован в другой электростанции 1, имеющей более чем один вал, например в электростанции, показанной на фиг.2.

В этом случае газотурбинная установка 2 (или каждая газотурбинная установка 2, если используется более чем одна газотурбинная установка) и система 10 выработки энергии с помощью водяного пара (или каждая система 10 выработки энергии с помощью водяного пара, если используется более чем одна такая система) соединены с генераторами 20а, 20b, которые подключены к электрической сети 21. Передача энергии от системы 10 выработки электроэнергии за счет энергии водяного пара к газотурбинной установке 2 (когда это необходимо) может осуществляться посредством электрической сети 21. Другими словами, система 10 выработки энергии с помощью водяного пара может подавать электрическую энергию в сеть 21, а газотурбинная установка 2 может потреблять энергию от электрической сети 21 (при этом ее генератор 20а работает как электромотор), так что общая генерируемая мощность (которую подают в сеть 21 и которая представляет собой разность между мощностью, подводимой от системы 10 выработки энергии с помощью водяного пара, и мощности, потребляемой газотурбинной установкой 2, равна нулю.

Кроме того, или в качестве альтернативы электроэнергия может быть подведена непосредственно к генераторам 20а и 20b по электрической линии 23.

Помимо этого, возможно также отключение электростанции 1 от электрической сети 21.

Конечно, описанные выше особенности изобретения могут быть обеспечены независимо одна от другой.

На практике материалы и геометрические размеры элементов электростанции могут быть выбраны по усмотрению в соответствии с техническими требованиями и существующим уровнем технологии.

Перечень ссылочных позиций

1 - электростанция, 2 - газотурбинная установка, 3 - компрессор, 4 - камера сгорания, 5 - турбина, 6 - топливо, 7 - окислитель, 8 - продукты сгорания, 10 - система выработки энергии с помощью водяного пара, 11 - паровой котел, 12а - статор, 12b -ротор, 13 - конденсатор, 14 насос, 20, 20а, 20b - электрогенератор, 21 - электрическая сеть, 22, 23 - электрическая линия, 30 (30а) - первая выходная мощность от 2 газотурбинной установки, 31 (31а) - вторая выходная мощность от 12, 32 - общая генерируемая мощность (30+31), 33 - собственные нужды, 45, 46, 47 - стадии, 54,55,56, 57 - стадии, t - время.

Изобретение относится к энергетике. Способ работы электростанции, содержащей газотурбинную установку и систему выработки энергии с помощью водяного пара, которая приводит в действие по меньшей мере один электрический генератор, при этом газотурбинная установка производит отходящие газы, которые направляют в паровой котел системы выработки энергии с помощью водяного пара. В установившемся режиме работы газотурбинная установка генерирует первую выходную мощность, паровая турбина вырабатывает вторую выходную мощность, при этом общая генерируемая мощность, представляющая собой сумму первой и второй выходных мощностей, по существу равна собственным нуждам электростанции. Также представлены способ запуска электростанции и способ снижения мощности электростанции. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ работы электростанции (1), содержащей газотурбинную установку (2) и систему (10) выработки энергии с помощью водяного пара, которая приводит в действие по меньшей мере один электрический генератор (20), при этом в газотурбинной установке производят отходящие газы (8), которые направляют в паровой котел (11) системы (10) выработки энергии с помощью водяного пара, отличающийся тем, что в установившемся режиме газотурбинная установка (2) работает за счет подвода электроэнергии, система (10) выработки энергии с помощью водяного пара генерирует вторую выходную мощность (31) больше нуля, при этом общая генерируемая мощность (32), представляющая собой сумму первой и второй выходных мощностей (30, 31), по существу равна собственным нуждам (33) электростанции (1).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что система (10) выработки энергии с помощью водяного пара генерирует вторую выходную мощность (31), которая больше указанных собственных нужд (33), при этом мощность, генерируемую системой (10) выработки энергии с помощью водяного пара, превышающую указанные собственные нужды (33), используют для привода газотурбинной установки (2).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрический генератор (20) подключен к электрической сети (21).

4. Способ запуска электростанции (1), содержащей газотурбинную установку (2) и систему (10) выработки энергии с помощью водяного пара, которая приводит в действие по меньшей мере один электрический генератор (20), при этом газотурбинная установка (2) производит отходящие газы (8), которые направляют в паровой котел (11) системы (10) выработки энергии с помощью водяного пара, отличающийся тем, что запускают и нагружают газотурбинную установку (2) для генерирования первой выходной мощности (30), которая больше нуля и по существу равна собственным нуждам, затем запускают и нагружают систему (10) выработки энергии с помощью водяного пара для генерирования второй выходной мощности (31), которая больше нуля, снижают первую выходную мощность (30) так, что газотурбинная установка (2) работает за счет подвода электроэнергии при нагруженной системе (10) выработки энергии с помощью водяного пара, при этом общая генерируемая мощность (32), представляющая собой сумму первой и второй выходных мощностей (30, 31), по существу равна собственным нуждам (33) электростанции (1), и затем поддерживают работу электростанции (1) в установившемся режиме при общей генерируемой мощности (32), по существу равной собственным нуждам (33) электростанции (1).

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что электрический генератор (20) подключен к электрической сети (21).

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в паровом котле (11) генерируется водяной пар, который затем расширяется в одной или более турбинах (12) системы (10) выработки энергии с помощью водяного пара, при этом турбина (12) содержит статор (12а) и ротор (12b), причем при снижении первой выходной мощности (30) газовую турбину регулируют так, чтобы получить минимальную температуру пара, подходящую для ротора (12b).

7. Способ снижения мощности электростанции (1), содержащей газотурбинную установку (2) и систему (10) выработки энергии с помощью водяного пара, которая приводит в действие по меньшей мере один электрический генератор (20), характеризующийся тем, что газотурбинная установка (2) производит отходящие газы (8), которые направляют в паровой котел (11) системы (10) выработки энергии с помощью водяного пара, в паровом котле (11) генерируется водяной пар, который затем расширяется в турбине (12) системы (10) выработки энергии с помощью водяного пара, причем турбина (12) содержит статор (12а) и ротор (12b), при этом уменьшают первую выходную мощность (30) газовой турбины (2), затем уменьшают вторую выходную мощность (31) системы (10) выработки энергии с помощью водяного пара, затем уменьшают первую выходную мощность (30) газотурбинной установки (2) таким образом, что общая генерируемая мощность (32), представляющая собой сумму первой и второй выходных мощностей (30, 31), по существу равна собственным нуждам (33) электростанции (1), и затем поддерживают работу электростанции (1) в установившемся режиме при общей генерируемой мощности (32), по существу равной собственным нуждам (33) электростанции (1).

8. Способ по п. 7, в котором в течение первого уменьшения первой выходной мощности (30) указанную первую выходную мощность (30) уменьшают до достижения минимальной температуры пара, подходящей для ротора (12b).

9. Способ по п. 7, в котором отключают электростанцию (1) от электрической сети (21).