CN108603413B - 具有启动电机的燃气轮机线路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电站(1)，其具有：设置在线路(18)上的燃气轮机(2)和发电机(3)；将燃气轮机(2)与发电机(3)连接以进行力传递的轴(4)；以及在轴(4)中设置在燃气轮机(2)和发电机(3)之间的切换联轴器(5)，使得轴(4)包括至少两个子轴(6，7)，该至少两个子轴包括在发电机(3)和切换联轴器(5)之间的第一子轴(6)和在燃气轮机(2)和切换联轴器(5)之间的第二子轴(7)，所述第二子轴称作为燃气轮机中间轴(7)，其中在线路(18)中在切换联轴器(5)和燃气轮机(2)之间设置有用于加速燃气轮机(2)的电动机(8)，并且本发明涉及一种用于在电网稳定运行中运行发电站(1)的方法。

Description

具有启动电机的燃气轮机线路
技术领域
本发明涉及一种发电站以及一种用于在电网稳定的情况下运行所述发电站的方法。
背景技术
迄今为止，电网服务如旋转质量和无功功率的提供在一定程度上还通过处于运行中的、具有大涡轮组的大型发电站实现。通过在一些国家遵循的、从光伏发电设施和风力发电设施进行的优选的电流馈入，这种发电设施至少暂时被挤出市场或从电网脱离，并因此能够不再提供所述电网服务。光伏发电设施和风力发电设施能够由于其技术特征而不具有无功功率、短路功率和旋转质量，或仅具有少量无功功率、短路功率和旋转质量，以确保电网稳定性。在未来，这些问题在可再生能量的份额继续升高时会变得更严重。
此外，由于缺少用于可再生的电流的存储可能性，针对不能经由可再生的能量满足电流需求的情况，还存在对于保障的化石储备能快速启动的需求。对有功功率及所述有功功率的快速改变的这种需求优选能够经由相对低成本且能快速启动的燃气轮机发电站满足，所述燃气轮机发电站也能相对经济地运行，并且正是在利用小时数低的情况下可相对经济地运行。当所述燃气轮机发电站能够提供所需的电网服务(无功功率和短路功率以及固定耦联的旋转质量)，而不必提供有功功率时，所述燃气轮机发电站的经济性进一步改善。
如果要实现燃气轮机发电站，提供无功功率等，而同时不将有功功率发出到电网中，那么与电网同步的发电机必须能够由燃气轮机经由切换联轴器分开。燃气轮机发电站，在基于大型单轴轴向出流的燃气轮机的燃气轮机发电站中，这造成如下问题，发电机对于燃气轮机的重新启动过程还未准备好(发电机针对该类型的燃气轮机借助于启动变换器而“功能转换”为启动电机)，因为所述发电机与电网同步地需要作为旋转的移相器用于电网稳定，而燃气轮机仅以小的转速保持在转动运行中(转动运行：在冷却阶段期间转子的转动，以便避免热的转子的完全弯曲)或必要时完全静止。
在迄今为止的设计中，针对启动在大型单轴轴向出流的燃气轮机和发电机之间设有切换联轴器的燃气轮机发电站，必须将发电机与电网断开并且减速到燃气轮机的转速，以便能够将发电机和燃气轮机耦联，用于启动过程，结果是，电网服务必须中断一定的且可能不利的时间。
迄今为止，不存在大型单轴轴向出流的燃气轮机的独立于发电机(或单独的在发电机侧上连接的启动电机)的启动的实际解决方案。用于小型燃气轮机的已有解决方案没有提供给这些燃气轮机，所述小型燃气轮机例如将启动电机连接到为了连接发电机而存在的传动机构上。不同于其他可能性，即大型单轴轴向出流的燃气轮机的已有的液压转动设备(例如基于佩尔顿式水轮机，所述佩尔顿式水轮经由由高压升降油泵提供的润滑油驱动)大幅增大进而也可用于启动燃气轮机，这种***显示出设备方面的耗费和低效性，这还可能相应地提高燃气轮机启动期间的功率消耗并且引发进一步的耗费(例如增大可能存在的黑启动柴油机)。
发明内容
本发明的目的是，提供一种发电站，所述发电站能够实现改善的电网稳定性。本发明的另一目的是，提供一种相应的用于使电网稳定的方法。
本发明通过实现针对发电站的目的，其方式在于，本发明提出，在这种发电站中具有：设置在线路上的燃气轮机和发电机；将燃气轮机与发电机连接以进行力传递的轴；以及在轴中设置在燃气轮机和发电机之间的切换联轴器，使得轴包括至少两个子轴，该至少两个子轴包括在发电机和切换联轴器之间的第一子轴和在燃气轮机和切换联轴器之间的第二子轴，所述第二子轴称作为燃气轮机中间轴，其中在线路中在切换联轴器和燃气轮机之间设置有用于加速燃气轮机的电动机。
因此，根据本发明将启动电动机直接在线路中定位在燃气轮机和切换联轴器之间，所述切换联轴器优选构成为自切换的且同步的联轴器。与电机是否被供应电流无关，电机总是以燃气轮机的转速随同旋转。所述电机仅在启动期间和必要时在燃气轮机的冷却阶段(所谓的转动运行)期间处于运行中(在此时间段所述电机经由变换器得到供应)，在其他情况下所述电机仅以“空转”方式随同转动。
借助于这样设置的启动电机能够将大型单轴轴向出流的燃气轮机独立于其关联的发电机启动。
这具有如下优点，这种燃气轮机能够与发电机的运行状态无关地启动，不再需要中断移相器运行。在此，一旦燃气轮机达到与发电机相同的转速，那么燃气轮机的同步过程自动地经由自切换的且同步的联轴器进行。因此，实现无中断地切换成有功功率运行。
此外，该定位在线路中的电机也能够承担在燃气轮机转动运行中的驱动器功能，并且替代迄今为止通常用于此的液压转动设备。
因此，总的来说，对于发电站运营商而言存在如下可能性：在燃烧化石的燃气轮机发电站由于可再生的能量而不能将有功功率提供到电网中的时间内，也能够无中断地提供无功功率和旋转质量作为电网服务，进而在没有输出有功功率的情况下产生入流(Einnahmestrom)或满足所需的馈入边界条件。为了该目的，即使在该时间期间也使用已经存在的发电站部件或其他基础设施。为此的附加投入限制于相对小的数值，主要用于启动电机和自切换的且同步的联轴器。
所描述的设计当然也能够使用在其他基于大型单轴轴向出流的燃气轮机的发电站类型中，尤其使用在燃气蒸汽联合循环发电站中。
相对于经由不直接处于线路中的、在侧面经由传动机构等连结到主轴上的启动电动机实现的燃气轮机启动的其他可考虑的可能性，根据本发明的发电站具有如下优点：借助于少量部件实现(因而成本更低且可用性更高)，并且具有较少的损耗。
因此，在发电机和燃气轮机之间的附加的启动电机能够实现基于燃气轮机的发电站的最灵活的运行，并因此符合国际电网运行准则的未来的要求。除了根据具有高变化梯度的需求非常快速地提供有功功率以外，能够与燃气轮机运行完全无关地提供无功功率和短路功率，进而通过旋转质量提高对频率稳定的贡献。因此，燃气轮机发电站能够不仅作为有功功率发生器运行，然而也能够作为旋转移相器在任意时间点运行。迄今为止的设计不允许同时的运行。
在本发明的一个有利的实施方式中，电机是异步电机。这种电机是鲁棒且低成本的。同样可考虑其他构造形式，例如三相同步电机。
在此特别有利的是如下实施方式，其中电机承担迄今为止的任务且采用燃气轮机中间轴的位置；因此将所述电机在一定程度上集成到中间轴中。中间轴具有如下任务，将燃气轮机的功率穿过抽吸通道继续朝向联轴器传递并且最后传递到发电机。在此，所述轴的尺寸必须确定为，所述轴能够不仅在额定运行中而且在故障情况下在燃气轮机和发电机之间传递所有力矩。启动电机能够在此作为异步机可构成有鼠笼式实心转子作为转子，这可以相对简单地形成到中间轴中的集成。在中间轴中仅必须设有转子体，所述转子体偏离于中间轴的其余部分。在其中必须铣出用于转子笼的槽。相关联的铜条被推到所述槽中。在端侧的端部上，棒和转子体与焊上的短路环连接，使得中间轴至少部分地构成为鼠笼式实心转子。
在一个有利的实施方式中，旋转场定子在转子体的区域中包围中间轴并且多件式地构成，用于更好的装配和拆卸。
对于电机承担其迄今为止的任务并且采用燃气轮机中间轴的位置的实施方式替选地，也能够有利的是，中间轴和电机经由法兰彼此连接。该替选的配置同样是可行的，在所述替选的配置中，除了迄今为止的中间轴或改型的(缩短的)中间轴以外具有单独的(电机的轴和中间轴是两个构件，这两个构件经由法兰彼此连接)安装在线路中的电机。
在本发明的一个有利的实施方式中，燃气轮机发电站还包括抽吸通道，所述抽吸通道用于要在燃气轮机的压缩机中压缩的空气，其中电机设置在抽吸通道中。因此，电机不需要自身的壳体，并且同时通过由燃气轮机压缩机吸入的空气冷却。
在本发明的一个替选的实施方式中，电机设置在抽吸通道之外，这具有如下优点，即不必接入到燃气轮机的吸入区域中，进而使得集成到迄今为止的标准中变得简单。
无论如何，线路长度(在启动电机定位在抽吸通道之内的中间轴上的情况下)不增加或仅略微地增加(在启动电机定位在抽吸通道之外的中间轴上的情况下)。也不必提供额外的用于电机的“异常粗的”轴。
根据本发明的发电站还包括变换器，所述变换器与发电机连接，以便将发电机加速，用于与电网同步。在此适宜的是，可将变换器切换到电机上，使得所述变换器也能够用于对电机进行供应。
针对方法的目的通过一种用于在电网稳定运行时运行发电站的方法实现，发电站包括设置在线路上的燃气轮机、发电机、将燃气轮机与发电机连接以进行力传递的轴；以及在轴中设置在燃气轮机和发电机之间的切换联轴器，其中在第一阶段中，发电机与电网同步并且需要作为旋转的移相器用于电网稳定，而燃气轮机保持在转动运行中或者静止，并且其特征在于，在第二阶段中，发电机与电网保持同步并且燃气轮机经由设置在发电站的线路中的电机启动。
在此适宜的是，在燃气轮机的转速处于点火转速和同步转速之间时切断电机，并且在空转时以燃气轮机的转速随同转动。点火转速是如下转速，在该转速下燃气轮机的燃料被输送和点燃(通常在大约600U/min)。在点火之后，燃料质量流升高，在第一步骤中升高至同步转速。启动电机也在点火之后还辅助进一步加速燃气轮机，并且在大约2000U/min时才被切断。从此刻起，输入的燃料量才足以在合理的时间段中在没有电机辅助的情况下加速到同步转速。
附图说明
示例性地根据附图详细阐述本发明。附图示意地且不按比例地示出：
图1示出发电站的，尤其燃气轮机设施的线路，其中具有用于燃气轮机的集成到中间轴中的启动电机；
图2示出沿着纵轴线剖开的启动电机；以及
图3示出启动电机的横截面。
具体实施方式
图1示意地且示例性地示出发电站1，其具有：设置在线路18上的燃气轮机2和发电机3。燃气轮机2与发电机3为了力传递而经由轴4连接，在所述轴中设置有切换联轴器5。由此，轴包括两个子轴6和7，这两个子轴包括在发电机3和切换联轴器5之间的第一子轴6和在燃气轮机2和切换联轴器5之间的第二子轴7，所述第二子轴称作为燃气轮机中间轴7。根据本发明，在线路18中设置有用于加速燃气轮机2的电动机8。启动电动机8在线路18中直接定位在燃气轮机2和切换联轴器5之间，所述切换联轴器优选构成为自切换的且同步的联轴器。
图1示出一个实施例，其中电机8设置在抽吸通道15中，所述抽吸通道用于要在燃气轮机2的压缩机16中压缩的空气。替选地，电机8也能够设置在抽吸通道15之外，但仍然设置在线路18中。但这没有示出。
图1还示出，连接到发电机3的变换器17适宜地也可切换到电机8上。
图2以纵剖面示出电机8的细节。在图2的实施例中，在燃气轮机中间轴7中设有转子体9。转子体9具有槽10，在所述槽中设置有铜条11，所述铜条用作为转子笼条。这些铜条在其端侧的端部12上经由短路环13与转子体9连接，使得燃气轮机中间轴7至少部分地构成为鼠笼式实心转子。
图2还示出旋转场定子14，其具有定子绕组头20以及旋转场定子叠铁芯21，所述旋转场定子叠铁芯在转子体9的区域中包围燃气轮机中间轴7。
在最简单的情况下，旋转场定子14一件式地构成。那么燃气轮机中间轴7和电机8适宜地经由法兰彼此连接。图2对此示出收缩的联轴器19。
在一个替选的、未示出的实施方式中，旋转场定子14多件式地或可分开地构成，用于更好地安装和拆卸。
图3以横截面示出图2的电机8，所述电机具有旋转场定子14、定子槽23和中间轴7，所述中间轴具有转子体9和铜条11(＝转子笼条)。

Claims (10)

1.一种发电站(1)，其具有：设置在线路(18)上的燃气轮机(2)和发电机(3)；将所述燃气轮机(2)与所述发电机(3)连接以进行力传递的轴(4)；以及在所述轴(4)中设置在燃气轮机(2)和发电机(3)之间的切换联轴器(5)，使得所述轴(4)包括至少两个子轴(6，7)，该至少两个子轴包括在发电机(3)和切换联轴器(5)之间的第一子轴(6)和在燃气轮机(2)和切换联轴器(5)之间的第二子轴(7)，所述第二子轴称作为燃气轮机中间轴(7)，其特征在于，在所述线路(18)中在切换联轴器(5)和燃气轮机(2)之间设置有用于加速所述燃气轮机(2)的电动机(8)，所述电动机总是以所述燃气轮机(2)的转速随同旋转。
2.根据权利要求1所述的发电站(1)，其中所述电动机(8)是异步电机。
3.根据权利要求1或2所述的发电站(1)，其中在燃气轮机中间轴(7)中设有转子体(9)，并且所述转子体(9)具有槽(10)，在所述槽中设置有铜条(11)，所述铜条在其端侧的端部(12)上经由短路环(13)与所述转子体(9)连接，使得所述燃气轮机中间轴(7)至少部分地构成为鼠笼式实心转子。
4.根据权利要求3所述的发电站(1)，其中旋转场定子(14)在所述转子体(9)的区域中包围所述燃气轮机中间轴(7)并且多件式地构成，用于更好的安装和拆卸。
5.根据权利要求1或2所述的发电站(1)，其中所述燃气轮机中间轴(7)和所述电动机(8)经由法兰彼此连接。
6.根据权利要求1或2所述的发电站(1)，其还包括抽吸通道(15)，所述抽吸通道用于要在所述燃气轮机(2)的压缩机(16)中压缩的空气，其中所述电动机(8)设置在所述抽吸通道(15)中。
7.根据权利要求1或2所述的发电站(1)，其还包括抽吸通道(15)，所述抽吸通道用于要在所述燃气轮机(2)的压缩机(16)中压缩的空气，其中所述电动机(8)设置在所述抽吸通道(15)之外。
8.根据权利要求1或2所述的发电站(1)，其还包括变换器(17)，所述变换器与所述发电机(3)连接，其中所述变换器(17)能够在需要时切换到所述电动机(8)上。
9.一种用于在电网稳定运行时运行发电站(1)的方法，所述发电站(1)包括设置在线路(18)上的燃气轮机(2)、发电机(3)、将所述燃气轮机(2)与所述发电机(3)连接以进行力传递的轴(4)、以及在所述轴(4)中设置在燃气轮机(2)和发电机(3)之间的切换联轴器(5)，其中在第一阶段中，所述发电机(3)与电网同步并且需要作为旋转的移相器用于电网稳定，而所述燃气轮机(2)保持在转动运行中或者静止，其特征在于，在第二阶段中所述发电机(3)与所述电网保持同步并且所述燃气轮机(2)经由设置在所述发电站(1)的线路(18)中的电动机(8)启动。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述燃气轮机(2)的转速处于点火转速和同步转速之间时，切断所述电动机(8)，并且所述电机在空转时以所述燃气轮机(2)的转速随同转动。
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