СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОГАЗОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Российский патент 2015 года по МПК F01K23/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения частотной характеристики парогазовой электростанции.

Уровень техники

Парогазовые электростанции, как известно, содержат газотурбинный двигатель и паротурбинный двигатель. У паротурбинного двигателя есть котел, который нагревается выхлопными газами газотурбинного двигателя, для получения пара, который расширяется в паровой турбине. Паротурбинный двигатель и газотурбинный двигатель приводят в движение один или более электрогенераторов, которые подключены к электрической сети, для снабжения ее электроэнергией.

Как известно, рабочая частота электрической сети имеет фиксированное номинальное значение (50 Гц или 60 Гц), и отклонение от этого номинального значения должно быть сведено к минимуму.

Тем не менее, из-за рассогласования между электрической мощностью, полученной электрической сетью от подключенных к ней электростанций, и электрической мощностью, потребляемой от электрической сети подключенными к ней потребителями, частота электрической сети может отклоняться от номинального значения.

Когда это происходит, некоторые электростанции, подключенные к электрической сети, должны быть отрегулированы, чтобы вернуть частоту электрической сети к номинальному значению.

Как правило, частота электрической сети может увеличиться или уменьшиться относительно ее номинального значения.

В случае, если частота падает до значения ниже, чем номинальное значение, электростанции, связанные с электрической сетью, должны подать дополнительную электрическую мощность в электрическую сеть в очень короткий промежуток времени, чтобы восстановить частоту электрической сети.

В случае, если частота поднимается до значения выше, чем номинальное значение, электростанции, связанные с электрической сетью, должны уменьшить электрическую мощность, подаваемую в электрическую сеть в очень короткий промежуток времени, чтобы восстановить частоту электрической сети.

Традиционно, это изменение в мощности, подаваемой электрической сети, достигается увеличением или уменьшением мощности, получаемой в газотурбинном двигателе, увеличивая или уменьшая подачу топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (эта мощность затем преобразуется генератором в электроэнергию, которая подается в электрическую сеть).

Тем не менее, когда парогазовая электростанция работает в нижней рабочей точке (то есть производя малую долю номинальной или полной мощности газовой турбины, например 40%), быстрое регулирование газовой турбины не возможно.

Фактически регулирование газовой турбины при низкой нагрузке может вызвать недопустимое неполное сгорание углеводородов и/или образование NO_x, пульсации, гашение пламени.

Сущность изобретения

Одним из аспектов изобретения является способ обеспечения частотной характеристики парогазовой электростанции, которая работает в нижней рабочей точке.

Этот и другие аспекты достигнуты посредством создания способа в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.

Краткое описание чертежей

Дополнительные признаки и преимущества будут более очевидными из описания предпочтительного, но не единственного варианта реализации способа, проиллюстрированного посредством неограничивающего примера на прилагаемых чертежах, на которых:

Фиг. 1-5 показывают возможные варианты реализации способа и

Фиг. 6 и 7 показывают два примера парогазовых электростанций.

Подробное описание примеров вариантов реализаций изобретения

Со ссылкой на чертежи описан способ реализации частотной характеристики парогазовой электростанции. Сначала описана парогазовая электростанция.

Фиг. 6 показывает первый пример парогазовой электростанции 1, которая содержит газотурбинный двигатель 2 и паротурбинный двигатель 3.

У газотурбинного двигателя 2 имеется компрессор 4, камера сгорания 5 и турбина 6.

Выхлопные газы сбрасываются c турбины 6, причем эти выхлопные газы получаются при расширении на турбине 6 из горячего газа, произведенного в камере сгорания 5 сгоранием топлива в сжатом воздухе от компрессора 4.

У паротурбинного двигателя 3 имеется котел 11, паровая турбина 12, конденсатор 13, насос 14 и перепускной паропровод 15 между котлом 11 и конденсатором 13. Кроме того, ссылочной позицией 12a обозначен впускной паровой управляющий клапан, размещенный между котлом 11 и паровой турбиной 12, чтобы регулировать весовой расход пара, подаваемого на паровую турбину 12.

Газопровод 16 между турбиной 6 и котлом 11 обеспечивает подачу выхлопных газов из турбины в котел 11 для производства пара.

Турбина 6 и паровая турбина 12 связаны одним валом 17, который несет также компрессор 4 и генератор 20, причем генератор 20 подключен к электрической сети 21 электрической линией 22.

Электрическая сеть 21 является типичной электрической сетью с электростанциями (как парогазовая электростанция 1) и потребителями (машины, электрические сети и т.д.), подключенными к ней; как правило, электрические сети работают на частоте 50 Гц или 60 Гц (номинальная частота электрической сети).

Фиг. 7 показывает подобную парогазовую электростанцию, и здесь теми же самыми ссылочными позициями, что и на фиг. 6, обозначены те же самые или подобные составляющие.

Разность между электростанциями с фиг. 7 и 6 заключается в том, что у электростанции фиг. 7 есть два вала 17a, 17b и два генератора 20a, 20b, подключенных к электрической сети 21.

Во время работы газотурбинный двигатель 2 и паротурбинный двигатель 3 производят механическую энергию, чтобы вращать генераторы 20, 20a, 20b, которые производят электроэнергию для снабжения электрической сети 21.

В частности, когда рабочая точка парогазовой электростанции 1 очень низка (то есть когда мощность, производимая парогазовой электростанцией, составляет 0-45% и предпочтительно 0-20% мощности, произведенной электростанцией с полной нагрузкой), перепускной паропровод 15 может быть закрыт или открыт частично таким образом, что часть пара, произведенного в котле 11, передается в паровую турбину 12, и часть пара передается непосредственно в конденсатор, не проходя через паровую турбину 12. Кроме того, впускной паровой управляющий клапан 12a обычно открыт или открыт частично.

Другими словами, работа при малой нагрузке может происходить с открытым или частично открытым перепускным паропроводом 15 и/или открытым или частично открытым впускным паровым управляющим клапаном 12a. Очевидно, что перепускной паропровод 15 также может быть закрыт.

В случае рассогласования электрической мощности, подаваемой в электрическую сеть 21 подключенными к ней электростанциями 1, и электрической мощности, забираемой от электрической сети 21 подключенными к ней потребителями, такими, как машины или электрические сети, частота электрической сети 21 изменяется.

Когда частота электрической сети падает, для того чтобы восстановить частоту электрической сети, электрическая мощность, подаваемая в электрическую сеть, должна быть увеличена; аналогично, когда частота электрической сети поднимается, для восстановления частоты электрической сети электрическая мощность, подаваемая в электрическую сеть, должна быть уменьшена. Эти регулировки должны быть сделаны предпочтительно за короткий период, чтобы избежать потери синхронизации машинами, подключенными к электрической сети.

Согласно этому изобретению способ содержит управление выдачей мощности паротурбинного двигателя 3, регулируя впускной паровой управляющий клапан 12a паровой турбины 12 и/или регулируя паровой поток через перепускной паропровод 15 в ответ на изменение частоты электрической сети 21.

В частности, когда изменение частоты представляет собой падение частоты, регулирование выдачи мощности паротурбинного двигателя 3 представляет собой увеличение энерговыделения; и когда изменение частоты представляет собой повышение частоты, регулирование выдачи мощности паротурбинного двигателя 3 представляет собой уменьшение энерговыделения.

Кроме того, также может быть изменена выдача мощности газотурбинного двигателя, во всяком случае не обязательно (то есть газотурбинный двигатель 2 также может не регулироваться).

Например, в этом случае выдача мощности газотурбинного двигателя установлена так, чтобы отрегулировать количество пара, произведенного в котле 11.

В случае падения частоты электрической сети регулировка выдачи мощности газотурбинного двигателя представляет собой увеличение энерговыделения; и в случае увеличения частоты электрической сети регулирование выдачи мощности газотурбинного двигателя представляет собой уменьшение энерговыделения.

Как правило, регулирование выдачи мощности паротурбинного двигателя 3 включает:

фазу А переходного процесса изменения выдачи (увеличение или уменьшение),

фазу В стабилизации и

фазу C нормализации.

Во время фазы А регулирование выдачи мощности паротурбинного двигателя 3, как правило, происходит быстрее, чем изменение выдачи мощности газотурбинного двигателя 2. Эта характеристика изображена на приложенных чертежах, которые показывают, что у кривой 25, отражающей увеличение энерговыделения паротурбинного двигателя 3, больший градиент, чем у кривой 26, указывающей на градиент энерговыделения газотурбинного двигателя 2 во время фазы A.

Кроме того, в конце фазы C выдача мощности газотурбинного двигателя 2 и выдача мощности паротурбинного двигателя 3 такие же, как выдача мощности газотурбинного двигателя 2 и выдача мощности паротурбинного двигателя 3 перед регулированием.

Также регулирование выдачи мощности газотурбинного двигателя 3 включает:

фазу D переходного процесса изменения выдачи,

фазу E стабилизации и

фазу F нормализации.

Предпочтительно фаза A переходного процесса изменения выдачи для регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя 3 короче фазы D переходного процесса изменения выдачи для регулирования выдачи мощности газотурбинного двигателя 2.

Кроме того, фаза C нормализации регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя 3 короче фазы F нормализации регулирования выдачи мощности газотурбинного двигателя 2.

Более того, до возмущения частоты энерговыделение электростанции может быть нулевым, и увеличение частоты выше номинального значения может заставить паровую турбину и/или газовую турбину уменьшать выдачу и привести к потреблению активной мощности электростанцией.

Приложенные чертежи показывают различные примеры способов, как объяснено в далее.

ПРИМЕР 1 - фиг. 1

В первом примере частота электрической сети понижается с 50 Гц до 49,5 Гц.

Падение частоты вызывает увеличение выходной мощности от паротурбинного двигателя 3 во время фазы A и соответствующее увеличение выходной мощности от газотурбинного двигателя 2 для фазы D дольше, чем фаза A. Кроме того, градиент увеличения выходной мощности с паротурбинного двигателя 3 выше, чем градиент увеличения выходной мощности газотурбинного двигателя 2.

После фаз В и E фазы C и F показывают, что уменьшение выходной мощности от паротурбинного двигателя 3 во время фазы C короче и с большим градиентом, чем уменьшение выходной мощности от газотурбинного двигателя 2 во время фазы F.

ПРИМЕР 2 - фиг. 2

Во втором примере падение частоты электрической сети невелико, потому что частота электрической сети понижается от 50 Гц до 49,9 Гц.

В этом случае, как показано на фиг. 2, у выходной мощности от паротурбинного двигателя 3 есть режим, подобный тому, уже описанному в примере 1.

В частности, выходная мощность от газотурбинного двигателя 2 не регулируется, то есть не изменяется. Это вызвано тем фактом, что падение частоты электрической сети ограничено, регулирование выходной мощности может быть достигнуто управлением впускных паровых управляющих клапанов и/или перепускного паропровода 15, достаточно, чтобы возобновить электрическую сеть 21. Другими словами, чтобы произвести необходимую для включения генераторов 20, 20a, 20b мощность, нет необходимости подавать дополнительную энергию в котел 11 паротурбинного двигателя 3 для того, чтобы выдать дополнительную электрическую мощность в электрическую сеть 21; при необходимости, дополнительная энергия подается в котел 11, увеличивая термодинамические характеристики выхлопного газа от турбины 6, то есть увеличивая подачу топлива в камеру сгорания 5.

ПРИМЕР 3 - фиг. 3

Пример 3 показывает другой пример реакции на уменьшение частоты.

Газовая турбина 2 и паровая турбина 3 реагируют одновременно; причем выдача паровой турбины увеличена с быстрым градиентом, открытием дросселированных впускных паровых клапанов паровой турбины 3.

Перепускной паропровод 15 остается закрытым во время повышения выдачи паротурбинного двигателя 3, и перепускной паропровод 15 открывается временно только для поддержки во время снижения выдачи паротурбинного двигателя 3, направляя излишек выработки пара в конденсатор 13.

Выдача газовой турбины 2 увеличивается таким образом, что выработка пара достаточна для того, чтобы обеспечить необходимую выдачу во время фазы стабилизации B.

ПРИМЕР 4 - фиг. 4

Пример 4 показывает пример реакции на увеличение частоты.

В этом случае газовая турбина 2 и паровая турбина 3 реагируют одновременно. Выдача паровой турбины уменьшена с быстрым градиентом, впускным паровым управляющим клапаном 12a паровой турбины, и перепускной паропровод 15 временно открывается, чтобы поддержать снижение выдачи паровой турбины 3, направляя излишек выработки пара в конденсатор 13.

Выдача газовой турбины 2 уменьшается таким образом, что выработка пара достаточна для того, чтобы обеспечить необходимую выдачу.

В этом случае нагрузка на газовую турбину тоже может стать отрицательной.

Кроме того, полное закрытие перепускного паропровода 15 происходит постепенно, во время фазы B стабилизации.

ПРИМЕР 5 - фиг. 5

В этом примере частота электрической сети увеличивается с 50 Гц до 50,2 Гц.

В этом случае, выходная мощность электростанции должна уменьшиться. Так как энерговыделение электростанции до возмущения частоты равно нулю, дополнительное уменьшение выдачи паровой турбины и или газовой турбины приведет к потреблению активной мощности электростанцией.

У предложенного способа есть следующие характеристики:

- паровая турбина управляет полной выдачей парогазовой электростанции,

- у паровой турбины есть способность к увеличению выдачи и снижению нагрузки,

- при необходимости изменения выдачи (например, после отклонения частоты) выдача газовой турбины, предпочтительно установленной таким образом, что необходимая суммарное энерговыделение энергоблока может быть получено на устойчивой основе:

a. Изменение выдачи газовой турбины может или не может требоваться.

b. Если требуется изменение выдачи газовой турбины, это делается таким образом, что получающееся изменение в паровой выработке достаточно, чтобы обеспечить требования по полной выдаче энергоблока.

c. Временное или длительное шунтирование поддерживает паровую турбину и, таким образом, контроль выдачи энергоблока.

d. Паротурбинный двигатель реагирует немедленно на изменение в требовании по полной выдаче для электростанции. Если требуется, выдача газовой турбины изменяется одновременно или с временной задержкой относительно регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя.

В общем, реакция паротурбинного двигателя на изменение в требовании по полной выдаче для парогазовой электростанции быстрее, чем реакция газотурбинного двигателя (градиент выдачи паротурбинного двигателя выше, чем градиент выдачи газотурбинного двигателя).

Практически использованные материалы и размеры могут быть выбраны по желанию согласно требованиям и состоянию уровня техники.

Перечень ссылочных позиций

1 парогазовая электростанция

2 газотурбинный двигатель

3 паротурбинный двигатель

4 компрессор

5 камера сгорания

6 турбина

11 котел

12 паровая турбина

12а впускной паровой управляющий клапан

13 конденсатор

14 насос

15 перепускной паропровод

16 газопровод

17, 17a, 17b вал

20, 20a, 20b генератор

21 электрическая сеть

22 электрическая линия

25 увеличение энерговыделения паротурбинного двигателя

26 градиент энерговыделения газотурбинного двигателя

A фаза переходного процесса изменения выдачи регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя

В фаза стабилизации регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя

C фаза нормализации регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя

D фаза изменения выдачи в переходном процессе регулирования выдачи мощности газотурбинного двигателя

E фаза стабилизации регулирования выдачи мощности газотурбинного двигателя

F фаза нормализации регулирования выдачи мощности газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к энергетике. Способ получения частотной характеристики парогазовой электростанции, содержащей газотурбинный двигатель и паротурбинный двигатель, включает регулирование выдачи мощности парогазовой электростанции, регулируя впускной паровой управляющий клапан и/или регулируя паровой поток через перепускной паропровод в ответ на изменение частоты электрической сети. Выходная мощность газовой турбины может также быть изменена так, что пара, произведенного котлом, будет достаточно, чтобы достичь целевой выдачи паровой турбины. Изобретение позволяет повысить надежность регулирования частоты электрической сети.12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ получения частотной характеристики парогазовой электростанции (1), подключенной к электрической сети (21),
причем парогазовая электростанция (1) содержит газотурбинный двигатель (2) и паротурбинный двигатель (3),
при этом паротурбинный двигатель (3) содержит котел (11), паровую турбину (12), насос (14), конденсатор (13), перепускной паропровод (15) для паровой турбины (12), впускной паровой управляющий клапан (12а),
причем паротурбинный двигатель (3) работает с закрытым перепускным паропроводом (15) для прекращения подачи пара от котла (11) или, по меньшей мере, частично открытым перепускным паропроводом (15) для подачи пара от котла (11) к конденсатору (13) в обход паровой турбины (12) и/или с, по меньшей мере, частично открытым впускным паровым управляющим клапаном (12а),
при этом способ включает регулирование выдачи мощности паротурбинного двигателя (3) в ответ на изменение частоты электрической сети (21) посредством увеличения потока пара через перепускной паропровод, когда увеличивается частота электрической сети:
за счет регулирования впускного парового управляющего клапана (12а) и/или
за счет регулирования пара, проходящего через перепускной паропровод (15).

2. Способ по п. 1, при котором дополнительное регулирование выдачи мощности паротурбинного двигателя (3) в ответ на изменение частоты электрической сети (21) осуществляют посредством уменьшения потока пара через перепускной паропровод, когда частота электрической сети уменьшается.

3. Способ по п. 1, при котором также регулируют выдачу мощности газотурбинного двигателя.

4. Способ п. 3, при котором котел (11) питается выхлопным газом, подаваемым от газотурбинного двигателя (2), и выдача мощности газотурбинного двигателя регулируется таким образом, что количество пара, произведенного котлом (11), достаточно, чтобы достигнуть целевой мощности паровой турбины.

5. Способ п. 1, при котором регулирование выдачи мощности паротурбинного двигателя (3) содержит, по меньшей мере:
фазу (А) переходного процесса изменения выдачи,
фазу (В) стабилизации и
фазу (С) нормализации.

6. Способ п. 3 или 5, при котором во время фазы (А) переходного процесса изменения выдачи регулируют выдачу мощности паротурбинного двигателя (3) быстрее, чем регулируют выдачу мощности газотурбинного двигателя (2).

7. Способ п. 3 или 5, при котором в конце фазы (С) нормализации выдача мощности газотурбинного двигателя (2) и выдача мощности паротурбинного двигателя (3) являются такими же, как выдача мощности газотурбинного двигателя (2) и выдача мощности паротурбинного двигателя (3) до регулирования.

8. Способ п. 3, при котором изменение выдачи мощности газотурбинного двигателя (2) включает, по меньшей мере:
фазу (D) переходного процесса изменения выдачи,
фазу (Е) стабилизации и
фазу (F) нормализации.

9. Способ п. 5 или 8, при котором фаза (А) переходного процесса изменения выдачи для регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя (3) короче, чем фаза (D) переходного процесса изменения выдачи для изменения выдачи мощности газотурбинного двигателя (2).

10. Способ п. 5 или 8, при котором фаза (С) нормализации для регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя (3) короче, чем фаза (F) нормализации для установки выдачи мощности газотурбинного двигателя (2).

11. Способ п. 3, при котором выдача мощности газотурбинного двигателя изменяется одновременно или с временной задержкой относительно регулирования выдачи мощности паротурбинного двигателя.

12. Способ п. 1, при котором энерговыделение парогазовой электростанции (1) до возмущения частоты равно нулю и увеличение частоты выше номинального значения заставляет паровую турбину уменьшать выдачу и ведет к потреблению активной мощности парогазовой электростанцией (1).

13. Способ п. 12, при котором увеличение частоты выше номинального значения дополнительно заставляет газовую турбину уменьшать выдачу и ведет к потреблению активной мощности парогазовой электростанцией (1).