CN103097671B - 用于调节蒸汽涡轮机的短期功率升高的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节带有前接的废热蒸汽发生器(1)的蒸汽涡轮机的短期功率升高的方法，该蒸汽发生器带有多个形成流动路径(2)的、被流动介质(M)流过的节能器加热面、蒸发器加热面和过热器加热面(4)，其中在压力级中流动介质(M)从流动路径(2)分支出且就流动介质而言在各压力级的两个过热器加热面之间喷入到流动路径内，其中，表征各压力级的就流动介质而言在最后的过热器加热面的出口温度与预先给定的温度额定值的偏差的第一特征值用作所喷入的流动介质(M)的量的调节量，而不应当过度损害蒸汽过程的效率。

Description

用于调节蒸汽涡轮机的短期功率升高的方法

技术领域

本发明涉及一种用于调节带有前接的废热蒸汽发生器的蒸汽涡轮机的短期功率升高的方法，该蒸汽发生器带有多个形成流动路径的、被流动介质流过的节能器加热面、蒸发器加热面和过热器加热面，其中在压力级中流动介质从流动路径分支出且就流动介质而言在各压力级的两个过热器加热面之间喷入到流动路径内，其中表征各压力级的就流动介质而言在最后的过热器加热面的出口温度与预先给定的温度额定值的偏差的第一特征值用作所喷入流动介质的量的调节量。

背景技术

废热蒸汽发生器是从热气体流回收热量的换热器。废热蒸汽发生器可通常使用在主要用于发电的燃气和蒸汽涡轮机设备(GuD设备)中。在此，现代化的GuD设备通常包括一个至四个燃气涡轮机和至少一个蒸汽涡轮机，其中每个涡轮机分别驱动一个发电机(多轴设备)，或燃气涡轮机与蒸汽涡轮机在共同的轴上驱动唯一一个发电机(单轴设备)。涡轮机的热废气在此在废热蒸汽发生器中用于生成水蒸汽。然后，将蒸汽输入蒸汽涡轮机。通常，电功率的大约三分之二由燃气涡轮机分担而三分之一由蒸汽过程分担。

类似于蒸汽涡轮机的不同的压力级，废热蒸汽发生器也包括带有各自所含的水-蒸汽混合物的不同的热状态的多个压力级。在第一(高)压力级中，流动介质在其流动路径中首先流过节能器，所述节能器利用余热将流动介质预热，且然后流过蒸发器和过热器加热面的不同的级。在蒸发器中将流动介质蒸发，然后在分离装置中将可能的剩余湿气分离，且在过热器内将剩余的保留的蒸汽进一步加热。然后，被过度加热的蒸汽流入到蒸汽涡轮机的高压部分内，在此处膨胀且被输送给蒸汽发生器的随后的压力级。在此处再次将蒸汽过度加热，且将其输送给蒸汽涡轮机的下一个压力部分。

由于负载波动，可能明显地影响传递到过热器上的热功率。因此，经常需要调节过热器温度。在新设备中，这主要通过向过热器加热面之间喷射用于冷却的供给水来实现，即过流管路从流动介质的主流中分支出并导引至相应地布置的喷射阀。在此，喷射通常通过表征与过热器的出口处的预先给定的温度额定值的温度偏差的特征值来调节。

对于现代化的发电厂，不仅要求高效率，而且要求尽可能灵活的运行方式。此外，除短的启动时间和高的负载变化速度，还包括补偿电网中的频率干扰的可能性。为满足这些要求，发电厂必须可在数秒内可提供例如5％或更高的剩余功率。

在现在的通常的GuD发电厂中，这通常通过燃气涡轮机的负载升高实现。但在一定的情况中尤其在上部负载区域内可行的是，期望的功率升高不仅通过燃气涡轮机提供。因此，同时也执行这些措施，其中，蒸汽涡轮机也可以并且应当马上附加地辅助频率支持。

这例如可通过将蒸汽涡轮机的部分地节流的蒸汽涡轮机阀或所谓的分级阀打开来实现，以此降低蒸汽涡轮机前的蒸汽压力。由此将来自前接的废热蒸汽发生器的蒸汽存储器的蒸汽释放且输送给蒸汽涡轮机。以此措施，在数秒内实现了GuD发电厂的蒸汽部分内的功率升高。

此附加的功率可在相对短的时间内释放，以便通过燃气涡轮机可至少部分地补偿延迟的功率升高(受到与燃气涡轮机的结构和运行相关的最大负载变化速度的限制)。整个机组通过此措施直接实现了功率跃升，且也可通过随后的燃气涡轮机的功率升高持久地保持或超过此功率水平，而前提条件是在附加地要求的功率储备的时刻设备处于部分负载范围内。

但为提供储备而将涡轮机阀永久地节流总是导致效率损失，因此对于经济的运行方式，节流的程度应当保持绝对必要的低。此外，一些废热蒸汽发生器，例如强制连续式蒸汽发生器的结构形式具有比例如自然循环蒸汽发生器明显更小的存储器体积。存储器尺寸的差异在上述方法中对于GuD发电厂的蒸汽部分的功率变化的特性具有影响。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是，给出一种用于调节带有前接的前述类型的废热蒸汽发生器的蒸汽涡轮机的短期功率升高的方法，其中不会过度影响蒸汽过程的工作效率。同时，无需对整体***的侵入性结构修改就能够实现与废热蒸汽发生器的结构形式无关地短期功率升高。

该技术问题通过如下方式解决，即降低温度额定值以便短期升高蒸汽涡轮机的功率，且对于降低温度额定值的时间段将特征值临时与偏差超比例地升高。

在此，本发明从如下考虑出发，即附加地喷射供给水可进一步有助于快速的功率改变。通过在过热器的区域内附加地喷射水，即可临时地增加蒸汽质量流量。喷射在此通过降低温度额定值触发。温度额定值的跃变通过相应的特征值与导致调节器改变喷射调节阀的开度的调节偏差的跃变相关联。因此，可正好通过此类措施(即通过阶跃地降低温度额定值)实现蒸汽涡轮机的功率升高。

但此温度升高且因此喷射质量流量应尽可能快地提供。但在此这可能受到调节***的防止喷射质量流量的过快改变(这在通常的负载运行中也是期望的，但在要快速提供功率升高时则是不期望的)的阻尼性特征的阻碍。因此，应针对短期的功率升高的情况相应地匹配调节。这以特别简单的方式实现，其中相应地增强喷射质量流量的调节信号，即对于期望的短期功率升高的时间段。为此，临时地与偏差超比例地提高表征就流动介质而言在最后的过热器加热面的出口温度与预先给定的温度额定值的偏差的特征值。

在以上所述的方法中，在相应的调节***中通过减法器元件进行期望的和测量的蒸汽温度之间的额定值-实际值比较。根据所使用的调节方案，可将此信号再通过来自过程的附加信息进一步修改，然后将其作为输入信号(调节偏差)例如施加在PI调节器上。优选地，可附加地将紧接在流动介质的喷射位置后方的，即最后的过热器加热面的入口温度用作调节量。在此类所谓的双循环调节中，通过调节器干预所产生的、喷射质量流量的突变被衰减。在此情况中，可通过防止过度振动稳定为快速干预而优化的调节。

但双循环调节的此阻尼作用更容易妨碍通过喷射***来提供立即储备。因此，尤其在双循环调节中，特别有利的是进行特征值的所述的增益匹配。由此产生的调节方面的、实际温度与预先给定的额定值的偏差的人工提高实现了通过最后的过热器加热面的入口处的，即紧接在喷射位置后方的温度的随后的修正在双循环调节中出现得比较少。因此保留了更大的调节偏差，所述更大的调节偏差直接导致了更强的调节器响应，即喷射质量流量的更大的升高，这在此情况中是期望的。通过仅在温度额定值降低的时间段临时地超比例地升高特征值，此过度升高的影响又消失，使得也可实际地实现通过额定值调节的蒸汽温度。因此，如前所述，保留了避免不允许的蒸汽温度下降的双循环调节的优点。

以特别有利的方式可实现特征值的临时升高，这有利地通过使表征温度与额定值的偏差的特征值由此偏差与表征温度额定值的时间变化的第二特征值的加和形成而实现。在此，在特别有利的构造中，第二特征值基本上是所述温度额定值的时间变化与增益因子相乘的乘积。调节技术上，这通过将预先给定的蒸汽温度额定值用作一阶微分器元件的输入信号且将此元件的输出在合适地放大之后从加热面出口处的测量的和预先给定的温度的差值中减去来实现。以此，特别简单地实现了偏差的期望的人工增加，且通过附加的一阶微分器元件明显更快地增加了喷射质量流量且因此附加地通过蒸汽涡轮机获取的功率。

由于微分特征，即仅考虑额定值的时间变化，此类调节对于整个***的影响随着时间的流逝降低(衰落冲击)。这意味着，微分器元件不对调节偏差产生其他的影响，且也实际上实现了通过额定值调节的温度。对于蒸汽温度的额定值不变的情况(在通常的负载运行中的正常情况)，此类构造也不影响剩余的调节结构。因此，在通常的负载运行中，在带有和不带有此附加的微分器元件的调节结构之间，不出现蒸汽温度调节的调节特性的差异。

在有利的构造中，专门针对设备地确定特征值之一的参数。即增强的高度、微分器元件的参数等应专门地针对具体所涉及的设备确定。这例如首先借助于仿真计算进行，或在调节的调试运行中进行。

在目前通常使用的废热蒸汽发生器中，也在就流动介质而言在过热器加热面的后方喷射到流动路径内(最终喷射)。当然，以上所述的布置在过热器加热面之间的喷射的使用(中间喷射)在用于提供功率储备时具有更高的能产量，因为仅此时可实现对于存储在位于流动下游的加热面内的热能的有针对性的利用。当然，当在蒸汽涡轮机上察觉附加功率形式的附加的中间喷射之前经历了受到***限制的一段时间，因为首先必须加载中间喷射的下游的整个过热器行程，然后才可在涡轮机入口处觉察到由于附加的喷射导致的升高的蒸汽质量流量。

由于此原因有利的是，也使用最终喷射且因此也使用在通向蒸汽涡轮机的新鲜蒸汽管道的蒸汽管道壁内所存储的热能。由于最终喷射装置直接布置在此新鲜蒸汽管道内的入口上，所以即直接地进行反应，即在最终喷射装置的喷射调节阀打开时，更高的蒸汽质量流量相对速度均匀地施加在涡轮机入口上，且因此保证速度均匀的功率升高。这当然仅在新鲜蒸汽管道的热存储器对于当前的使用情况仍未完全耗尽时方可起作用，当然此存储器按预期足够，直到通过中间喷射附加地获得的功率起作用为止。具体而言，这意味着中间喷射在提供立即储备方面的无作用时间或反应时间可有效地通过包含最终喷射而得以补偿。

为此，在用于短期升高蒸汽涡轮机的功率的最终喷射时也降低温度额定值，所述温度额定值在此也用作所喷入的流动介质M的量的调节量。当然，此改变在通常的***中以一定的时间延迟施加(在调节技术中例如通过PTn元件)。此时间延迟模拟了中间喷射和最终喷射之间的过热器行程的时间特性，即所述时间延迟有利地表征了流动介质M通过过热器加热面的流过时间及其在两个最终喷射位置之间的热特性。在此情况中，中间喷射调节阀首先打开，因为该中间喷射调节阀首先经历了温度额定值的改变。由于所引入的喷射量，随着过热器行程的时间特性，最终喷射前的温度降低。因此，在通常最有利的情况中，最终喷射不工作，这在一定的情况下在通常的运行中是期望的。但现在如果最终喷射由于所述的优点而被使用，则所述最终喷射必须在额定值改变在相关的特征值上起作用之后马上工作。为此，在确定特征值时有利地去激活温度额定值的时间延迟。

当然对于此措施，应保证在最终喷射质量方面优化最终喷射，使得产生细碎的喷雾。以此可避免大的水滴进入蒸汽涡轮机内且损坏蒸汽涡轮机。在相应的细碎的喷雾的情况下，全部水滴在到达蒸汽涡轮机时已被蒸发。

在有利的构造中，用于带有多个形成流动路径的、被流动介质流过的节能器加热面、蒸发器加热面和过热器加热面的废热蒸汽发生器的调节***包括用以实施所述方法的装置。在进一步有利的构造中，用于燃气涡轮机和蒸汽涡轮机发电厂的废热蒸汽发生器包括此类调节***以及燃气涡轮机和蒸汽涡轮机发电厂包括此类废热蒸汽发生器。

以本发明所实现的优点尤其在于，通过借助于使用喷射调节方法来有目的地降低蒸汽温度额定值，可将处在喷射下游的金属质量内所存储的热能用于临时提高蒸汽涡轮机的功率。在此，如果使用所述的匹配的调节方法，则对于蒸汽温度额定值突然降低的情况可借助于喷射***实现明显更快地提高功率。

此外，用于提供蒸汽涡轮机的临时的功率提高的方法与另外的措施无关，使得也例如可附加地打开被节流的涡轮机阀，以再次增强蒸汽涡轮机的功率升高。方法的有效性最大程度上保持不受此并行的措施影响。

在此应强调的是，在固定的预先给定的对于附加功率的要求的情况下，如果喷射***的使用应用于提高功率，可降低涡轮机阀的节流程度。期望的功率获取可在此情况下也以更低的附加节流(在最有利的情况中甚至完全无附加节流)而实现。因此，设备在它必须提供立即储备的通常的负载运行中可以以相对更高的效率运行，这也降低了运行成本。

该方法的另外的优点在于可通过温度调节方案受控地降低实际的蒸汽温度。在此情况下，在最大可能的功率升高时不超过蒸汽涡轮机的最大许可的温度瞬态。正好在附加地使用最终喷射方面可很精确地调节新鲜蒸汽温度。

最后，该方法也不用侵入性结构措施实现，而可仅通过附加的部件实施在调节***中而转化。因此，实现了更高的设备灵活性和使用，而无附加成本。

附图说明

在下文中根据附图详细解释本方面的实施例，其中各图为：

图1就流动介质而言示意性地示出了废热蒸汽发生器的高压部分，图中带有用于立即获取功率的中间喷射调节***的数据方面的连接；和

图2就流动介质而言示意性地示出了废热蒸汽发生器的高压部分，图中带有用于立即获取功率的最终喷射调节***的数据方面的连接。

相同的部分在两个附图中提供以相同的附图标号。

具体实施方式

在图1中示例地图示了废热蒸汽发生器1的高压部分。当然，本发明也可使用在另外用于调节中间过度加热的压力级内。图1示意性地图示了流动介质M的流动路径2的一部分。对于通常布置在废热蒸汽发生器1的高压部分内的节能器、蒸发器和过热器的加热面，图中仅图示了最后的过热器加热面4。单独的过热器加热面4在热气通道内的空间布置未图示且可变化。所图示的过热器加热面4可分别代表多个串联的加热面，但为清晰起见未区别图示。

流动介质M在进入到图1中图示的部分之前由供给泵在相应的压力下输送到废热蒸汽发生器1的高压流动路径2内。在此，流动介质M首先流过可包括多个加热面的节能器。节能器典型地布置在热气通道的最冷的部分内，以在此处实现利用剩余热量来提高效率。然后，流动介质M流过蒸发器和第一过热器的加热面。在蒸发器和过热器之间，在此设有未详细图示的分离装置，所述分离装置将剩余湿气从流动介质M中去除，使得仅纯蒸汽到达过热器。

在未图示的第一过热器加热面之后就流动介质而言设有中间喷射阀6，另外的最终喷射阀8布置在最后的过热器加热面4之后。在此，可喷射更冷的且未蒸发的流动介质M，以用于调节废热蒸汽发生器1的高压部分的出口10处的出口温度。引入到中间喷射阀6内的流动介质M的量通过最终喷射阀12调节。流动介质M在此通过先前在流动路径2内分支的溢流管道14提供。此外，在流动路径2内提供了用于调节最终喷射的多个测量装置，即在中间喷射阀6之前的温度测量装置16，在中间喷射阀6之后且过热器加热面4之前的温度测量装置18和压力测量装置20，以及在过热器加热面4之后的温度测量装置22。

图1的剩余部分示出了用于中间喷射的调节***24。首先，在额定值设定器26上调节温度额定值。此温度额定值与在过热器加热面4之后的温度测量装置22上的测量值一起施加到减法器元件28上，因此在此处形成过热器加热面4的出口处的温度与额定值的偏差。此偏差在加法器元件30内被修正，其中修正模拟了在流过过热器加热面4时温度变化的时间延迟。为此，将来自温度测量装置18的在过热器加热面4的入口处的温度施加到进行时间延迟的PTn元件32上。所产生的信号与来自温度测量装置18的值一起施加到减法器元件34上，所述减法器元件34的输出输送给加法器元件30。因而，减法器元件34仅在温度测量装置18上的温度变化之后的一定的时间期间提供非零值，该值修正了处在加法器元件30上的偏差。

处在加法器元件30上的信号与另外的信号一起施加到最小值元件36上，所述另外的参数考虑到：一方面，中间喷射后方的温度必然具有与压力相关的沸腾温度的一定的距离。为此，将在压力测量装置20上测量的压力施加到函数元件38中，以便输出与此压力相应的、流动介质M的沸腾温度。在加法器元件40内，将来自设定器42的预先调节的常数相加，所述常数例如可以是30℃且保证了与沸腾线的安全距离。如此求得的最低温度与实际在温度测量装置18上确定的温度一起施加到减法器元件44上，且将如此求得的偏差提供给最小值元件36。在图1中，为清晰起见未示出一些电路接线，而是通过相应的连接符号<A>、<B>、<C>示意。

此外，在喷射之后必须保证由于运行原因而不应低于的、流动介质M的一定的焓。为此，给前接于最小值元件36的焓模块46施加压力测量装置20的信号以及在中间喷射之前和之后施加温度测量装置16、18的信号。焓模块46基于此参数本身又计算出对应的温度差，所述温度差作为输入信号施加给随后的最小值元件36。在最小值元件36中求得的信号施加给用于控制喷射调节阀12的PI调节元件48。

为使喷射***不仅可用于调节出口温度而且可用于提供立即的功率储备，所述喷射***包括用于执行用于调节蒸汽涡轮机的短期功率升高的方法的装置。首先，为此降低额定值设定器26上的温度额定值，这导致中间喷射量的升高。但为使此升高直接导致功率升高，应保证PI调节元件48的快速的调节器响应。但所导致的实际温度与温度额定值的偏差则通过PTn元件32在改变之后马上减小。

为在期望的快速功率升高的情况中防止此情况，将用于温度额定值的额定值设定器26的信号施加到一阶微分器元件(DT1)上。为此，PT1元件50在输入侧施加以额定值设定器26的信号，且在输出侧与额定值设定器26的原来的信号一起施加到减法器元件52上，所述减法器元件52的出口与乘法器元件54连接，所述乘法器元件54将信号增强来自设定器56的倍数，例如增强5倍。此信号又通过减法器元件58提供到通向加法器元件30的信号内。在额定值改变的情况中，通过PT1元件50的电路连接产生了非零信号，使得通过乘法器元件54增强，且人工地过比例地增强表征偏差的特征值。那么，有关带有PTn元件32的回形线路的信号相对更小，且强制了PI调节器元件48的更快的调节器响应。因此，快速地实现了蒸汽量升高且提高了后接的蒸汽涡轮机的功率。

图2现在示出了调节***24的涉及最终喷射的部分。在此，在流动路径2内在最终喷射阀8之后是另外的温度测量装置60。在此，额定值设定器26的温度额定值同样也用作调节量。所述额定值设定器26的信号提供给PTn元件62，所述PTn元件62类似于PTn元件32模拟了通过过热器加热面4的时间延迟。所述PTn元件62的输出信号与额定值设定器26的信号一起提供给最大值元件64，所述最大值元件64的输出信号与来自温度测量装置60的信号一起提供到加法器元件66。在所述加法器元件66处求得的偏差提供给调节了最终喷射的喷射调节阀70的PI调节元件68。

对于通过额定值设定器26改变温度额定值的情况，PTn元件62与最大值元件64组合地在此延迟PI调节元件68的调节器响应。为对于快速期望的最终喷射的情况防止所述延迟，在此情况中暂时去激活时间延迟，即PTn元件62。以此相应地加速调节器的响应时间，且实现了快速的功率获取。

现在，如此调节的废热蒸汽发生器1可使用在燃气和蒸汽涡轮机发电厂中。在此，一个或多个燃气涡轮机的热废气在烟气侧被导引通过废热蒸汽发生器1，所述废热蒸汽发生器1因此提供用于蒸汽涡轮机的蒸汽。蒸汽涡轮机在此包括多个压力级，即被废气蒸汽发生器1的高压部分加热的且在蒸汽涡轮机的第一级(高压级)中膨胀的蒸汽被导引到废气蒸汽发生器1的中压级中，且在其处重新被过度加热，当然在更低的压力水平上被过度加热。如所述，实施例显示了用于示例地解释本发明的废气蒸汽发生器1的高压部分，但本发明也可使用在另外的压力级中。

装配有此类废气蒸汽发生器的燃气和蒸汽涡轮机发电厂可不仅通过燃气涡轮机的短期功率升高(该功率升高受到所允许的最大负荷改变速度的限制)而且通过蒸汽涡轮机的立即的功率获取而实现了用于支持电网的频率的快速的功率升高。

通过使得此功率储备除通常的温度调节外通过双重使用喷射装置来实现，也可降低或甚至省掉用于提供储备的蒸汽涡轮机的持久的节流，以此在正常运行期间实现了特别高的效率。

Claims (7)

1.一种用于调节带有前接的废热蒸汽发生器(1)的蒸汽涡轮机的短期功率升高的方法，该蒸汽发生器带有多个形成流动路径(2)的、被流动介质(M)流过的节能器加热面、蒸发器加热面和过热器加热面(4)，其中在压力级中流动介质(M)从所述流动路径(2)分支出且就流动介质而言在各压力级的两个过热器加热面之间喷射到所述流动路径内，其中，表征所述各压力级的就流动介质而言在最后的过热器加热面的出口温度与预先给定的温度额定值的偏差的第一特征值用作所喷入的流动介质(M)的量的调节量，其中，降低温度额定值以便短期升高蒸汽涡轮机的功率，且对于降低所述温度额定值的时间段将所述特征值临时与偏差超比例地升高。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，附加地将紧接在所述流动介质(M)的喷射位置后方的温度用作所喷入的流动介质(M)的量的调节量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一特征值由所述偏差与表征所述温度额定值的时间变化的第二特征值的加和形成。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二特征值基本上是所述温度额定值的时间变化与增益因子相乘的乘积。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，专门针对设备地确定所述第一特征值或第二特征值的参数。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述废热蒸汽发生器(1)中流动介质(M)就流动介质而言在过热器加热面(4)之后喷入到所述流动路径(2)内，其中，所述第一特征值用作所喷入流动介质(M)的量的调节量，其中，降低所述温度额定值以便短期升高所述蒸汽涡轮机的功率，且在确定所述第一特征值时将所述温度额定值的时间延迟去激活。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述时间延迟表征所述流动介质(M)在两个喷射位置之间流过所述过热器加热面(4)的时间和/或所述流动介质的热特性。