CN1104717A

CN1104717A - 可调速燃气轮发电设备及其运行方法

Info

Publication number: CN1104717A
Application number: CN94107994A
Authority: CN
Inventors: 宇多村元昭
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2014-07-22
Also published as: CN1069736C; US5675188A; US6163078A

Abstract

公开了一种不受环境温度变化的影响，可以保持燃气轮发电设备在额定出力的可调速燃气轮发电设备。发电机的二次绕组的旋转速度由燃气轮机来控制，二次绕组的交流励磁在考虑了环境温度的基础上确定。压缩机吸进的空气量(以重量表示的流量)，在环境温度升高的情况下，可以通过增加燃气轮机的转速来增加，以使燃气轮机的输出保持在额定输出附近，同时保持期望的一次绕组频率。

Description

本发明涉及一种可调速燃气轮发电设备，具体地讲，是一种可调速燃气轮发电机以及将燃气轮机和发电机通过一个可调节转动速度的轴连在一起运行的方法。

燃气轮发电设备包括：压缩机，用于吸收和压缩空气;燃烧器，用于和压缩空气一起燃烧燃料，以产生燃气;燃气轮机，由燃烧器产生的燃气驱动;和发电机，在此，压缩机和发电机由和它们二者同轴相连的燃气轮机驱动。

在该种燃气轮发电设备中，由于发电机是和输电***连在一起的，所以采用同步发电机，以和输电***的频率同期。因此，发电机轴的转速是一个常数，发电机的频率就和输电***的频率成比例。

在燃气轮发电设备中，空气被送入压缩机中进行压缩。所以，如果空气温度和额定输出时所要求的设计运行温度有偏差，那么燃气轮发电设备的出力就降低了。即，燃气轮机有随着空气温度升高，机组出力降低的特性，例如，如果燃气轮机在4℃时达到最大出力，那么燃气轮发电机在40℃的出力降低为额定出力的90%。

至于其原因，是因为实际进入压缩机的空气量（以用重量表示的流量表示，称为空气吸入量）随着温度的升高而变小，因为为了保持燃料和空气的比例为一个常数，燃烧器的燃料供应量也降低。

本发明的目的是提供一种可以调节速度的燃气轮发电设备，以及该设备在保持输出频率和输电***的频率基本上的一致的情况下，使燃气轮发电机在升高的环境温度下保持高出力的运行方法。

本发明采用由燃气轮机驱动的感应发电机作为发电机。为了使发电机定子一次绕组的输出频率和输电***的频率处于同一水平，发电机转子二次绕组的转数能够通过调节发电机转子二次绕组的交流励磁来改变使之和环境温度相适应，因此，二次绕组的转数是可以改变的。

本发明的可调节速度燃气轮发电设备包括吸进空气以产生压缩空气的压缩机，使燃料和压缩空气一起燃烧以产生燃气的燃烧器，由燃气驱动的燃气轮机，以及和压缩机、燃气轮机同轴连接的发电机，该发电机的一次绕组和输电***连在一起，二次绕组和一个交流励磁机连在一起。燃烧器的燃料供应量由燃料控制器按照负荷需求信号来控制。交流励磁机由励磁控制装置按照负荷需求信号和空气温度来控制。

另外，发电机二次绕组的交流励磁大小按照环境温度的要求来控制，以使二次绕组所连轴的转速得以控制。

本发明也提供一种可调速燃气轮发电设备的运行方法，该设备包括空气压缩机的吸进和压缩空气，为产生燃气由燃烧器使燃料和压缩空气燃烧，由燃气驱动和压缩机同轴相连的燃气轮机，驱动和燃气轮机同轴相连的发电机，该发电机的一次绕组和输电***连在一起，而二次绕组和交流励磁机连在一起，其中，该轴的旋转速度增加到足以使燃气轮发电机的出力达到希望水平的程度。

理想情况是这样的，当发电机出力由于温度上升而降低时，将导致实际吸进空气量（以重量计）也减少，那么轴的旋转速度将定期地或每天根据环境温度和由供电指挥中心发出的负荷需求信号的要求而增加。结果，为了提高燃气轮发电机的出力，吸进空气和供应的燃料也将增加。另外，当环境温度低于预设置温度时，为了保持输出频率的恒定，轴的旋转速度也将减小。

由于通过改变轴转速和控制吸入的空气量和燃料和空气比例来调节频率全部可以由电信号来控制，这种燃气轮发电设备的响应时间很短。

即使压缩机中吸进空气的温度发生变化，吸进空气量（以重量表示的流量）也可以通过根据空气温度信号的要求来改变二次绕组所连结的轴的转速，而几乎保持不变。

本发明适用于燃气轮发电设备和余热汽轮发电设备联合使用的，即所谓联合循环***中的燃气轮发电设备。

图1是本发明的一个例子的方框图。

图2是图1中燃气轮发电设备的详细布置，该布置包括一个计算单元和一台可调速燃气轮发电机。

图3是燃气轮机***运行机理的解释图。

图4是另一个例子的燃气轮发电机的详细布置。

图5是本发明使用的压缩机在部分负荷运行状态下的特性图。

图6表示了空气流量，燃气轮机入口温度和负荷的关系。

图7是单轴型联合循环***的结构图。

图1给出了本发明的可调速燃气轮发电设备的一个例子。该燃气轮发电设备包括：压缩机1，用于压缩吸进的空气;燃烧器2，用于将燃料和压缩空气按预先设置的燃料空气比进行燃烧;燃气轮机3，由燃气驱动;和可调速发电机5，由燃气轮机驱动。压缩机1和可调速发电机5同轴相连。

数字4指的是向燃烧器2提供燃料的燃料输送装置，18指输电***，9是用于给发电机5二次绕组提供励磁的交流励磁机。

为了使本发明的可调速燃气轮发电机运行，从供电指挥中心等发来的负荷需求信号Pd，和由环境温度检测器测得的环境温度T均输入到计算单元8，燃料量的需求值Fd和可调速发电机5的二次绕组交流励磁电流的需要值Ed均由计算单元按照电力需求Pd和所测的温度T确定。

目标值Fd输入到燃料控制器6，以调节燃料输送控制器4的开度，从而控制燃烧器2的燃料供应。

交流励磁的大小的需求值Ed输入到励磁控制单元7，以控制交流励磁机9，从而交流励磁机9决定发电机5的交流励磁量，相位，大小或角度等。

交流励磁装置9是由三相交流励磁变频的装置。像循环变流器、GTO元件等已知的变流器均可用作交流励磁装置9。

尽管如上面描述，环境温度T每次都被输入到计算单元8中，但是温度信号也可以按预先设置的几个温度范围确定，轴的速度控制、二次绕组的励磁控制均按负荷需求信号控制而并不每次检测空气温度T。所以，在本发明中，“按负荷需求信号和空气温度”意指Pd和T被检测并输入到计算单元和/或T并非每次测量，而将预置的T值作为温度信号。

本发明的可调速燃气轮发电设备的概述如图2所述。

该可调速燃气轮发电设备包括：发电机5，其功能基本上和利用夜间的电力被抽到高处的水来发电的可调速抽水涡轮发电设备（Water Pump Turbine Generation Apparatus）一样。如图2，可调速发电机5的一次绕组和输电***18连在一起，二次绕组16由燃气轮机的轴带动旋转。

二次绕组16由交流励磁机9提供变频励磁。数字6是燃料控制单元。交流励磁机9一端联到输电***电源上。

在可调速燃气轮发电机5中，一次绕组15的频率f₀和输电***的频率对应，如果和发电机轴的转数成比例的频率设为f₁，而二次线圈的励磁频率为f_e，那么这些参数有如下关系。

f₀＝f₁+f_e

因为f₀通常是一个常数，可以通过改变f_e来改变f₁。如二次绕组16的励磁频率f_e发生变化，燃气轮机3的轴的机械转速也发生变化。所以可以控制由压缩机1吸进的空气量。本发明采用了这个原理。

即使环境温度发生变化，燃气轮机的输出大体保持在额定输出，而保持发电机的输出频率为常数。燃料量需求值F_d和可调速发电机的二次绕组16的交流励磁需求值E_d，如图2所示，由计算单元8确定。

燃气轮机的输出和环境温度之间的关系如图3所示，图3表示了以纵座标表示的燃气轮机的输出和以横座标表示的环境温度之间的关系。众所周知，燃气轮机的输出118随着环境温度而变，当环境温度增加，燃气轮机的输出减小。当压缩机和燃气轮机是采用常规技术设计运行在恒定转速时，吸进压缩机的空气体积流量也是常数。所以，当环境温度增加，空气重量流量减小，燃料量减少，以致于燃气轮机的输出减小。

重量流量是由体积流量和是环境温度函数的空气密度的乘积来决定。当空气密度在较高温度下减小时，空气的重量流量随着温度的增加而减小。燃气轮机的标称输出（即额定输出或由当局允许的设计输出）通常定义为在某个特定温度下如4℃时的输出。所以，一般不可能在高温季节，特别是夏季达到额定输出。

因为在本发明中，燃气轮机的转速如线120所示是随环境温度和负荷需求信号而增加，为了保持预先确定的燃料-空气比例，由压缩机吸进的空气量和燃料器的燃料供给量也增加，同时，燃气轮机的输出，如特性线119所示，可以增加达到额定输出。

采用这种方法，由空气压缩机吸进的空气重量，和环境温度无关，大体上保持常数。

为了实现具有如119特性的燃气轮发电设备，采用了具有如图2所示的二套函数发生器81和82的计算单元8。负荷需求信号Pd输入到函数发生器82中，用以计算燃料量（燃料流量）的需求值Fd。特性a、b、c…，表示了预置频率、负荷需求Pd和环境温度的关系，可以事先确定。接着，将表示负荷需求信号Pd和二次绕组的励磁量Ed间关系的特性a、b、c…输入到函数发生器81中。

因为负荷需求信号和燃料量需求值之间几乎是成比例的，便可以确定燃料量的需求值Fd。燃料量的需求量Fd可以在控制单元中用常规的燃料量计算方法来确定。可调速发电机二次绕组的交流励磁量的需求值Ed可由负荷需求信号Pd和环境温度T决定。

可调速发电机5的旋转速度由交流励磁量的需求值Ed确定。例如，当环境温度为4℃，燃气轮机按b线运行，即负荷需求信号Pd为0，频率为50Hz。轴的转速就被控制以保持Pd和频率为50Hz。

随着负荷的增加或减小，轴的转速随着适当的命令而增加或减小。如果环境温度高于预置温度如4℃，则发出命令。增加由压缩机吸进的空气量和轴的转速。同时，发出命令增加二次绕组的励磁量。

如果环境温度低于上限温度如40℃而低于4℃，发出命令，以按照线a和b之间的特性线（未画出）来确定旋转速度（转数）。交流励磁量的需求值Ed（旋转速度的需求值）输入到励磁控制单元7中。为了达到这个需求值，可调速发电机5的滑差要实施控制。

例如，电力***的频率f₀可以确定，为50Hz作为表达式中的额定频率。

旋转速度的需求值Ed是f₁相当于可调速发电机5的轴旋转速度。当它为55Hz时，二次绕组的交流励磁量要进行控制以使二次绕组的励磁频率（差频）f_e为-5Hz。这意味着磁通量的方向反向，为负值。

二次绕组16的三相交流励磁量是由交流励磁装置9确定的。所以，当调节有功功率作为负荷控制信号Pd时，仅控制了三相交流励磁量的相角，而当调节有功功率随作为负荷需求信号Pd时，仅控制了三相交流励磁量的大小。

按照上述控制方法，根据负荷需求信号Pd供应燃料来实施燃烧。另外，和发电机连在一起的压缩机的轴按照考虑了环境温度变化所确定的速度旋转，合适量的空气按和负荷需求信号Pd成比例地被吸进。所以，所期望的高输出可以从燃气轮发电机获得而保持频率为常数。

图4是本发明的另一个例子。在本例中的函数发生器83的布置中，计算单元8和图2的不一样。函数发生器82由负荷需求信号Pd来确定燃料量的需求量Fd。另外，函数发生器83还按照环境温度T和燃料量的需求值Fd来确定交流励磁量的需求值Ed，这些需求值可以由不同的方法来确定。图4和图2中相同的数字表示的含义相同。

本发明有另外一个重要优点。该优点可以参照图5和图6来详细解释，图5表示了以横坐标表示的空气流量（以重量表示的流量）和以纵座标表示的压缩机的压缩比率（Pressure Ratio）之间的关系，图6表示了负荷率（%）和以左纵座标表示的空气流量（以重量表示），以右纵坐标表示的燃气轮机入口温度之间的关系。在燃气轮机***中，在部分负荷运行期间，其热效率低于满负荷时的热效率，如图5所示，压缩机的内效率（Internal Efficiency）22以椭圆轮廓线表示，额定运行点P位于其中心。

相对于压缩机状态变化的效率最小变化的连线称为工作线24。压缩机沿着工作线24运行可以获得最高效率。当压缩机运行在工作线24上时，压缩机的效率最高，且其运行有很好的稳定性。

压缩机轴的转数在部分负荷运行状态时保持为常数，压缩机的运行点，随着空气流量的减小，沿着等转数线21向上移动，以致使压缩机内效率的减小变为最大。

随着负荷的减小，压缩机的运行点接近表示稳定极限的波动线（Surge Line）23，超过这个极限，压缩机将发生波动现象（SurgePhonomenon），由压缩机吸进的空气流量不能小于由转数线21和波动线23交点Q确定的空气流量W₁。

另一方面，燃烧所必需和足够的空气量随负荷减小而减小，所以，仅有一部分压缩机吸进的空气对低于点Q的负荷范围的燃烧有作用。剩余的空气和没有被加热的燃气混合在一起。结果引起燃气轮机入口处的燃气温度下降，和燃气轮机的热效率减低，因为用于燃烧的空气流量与负荷的减小成比例地减小，所以燃气轮机的热效率随负荷减小而降低。图5中，W₀是P点的空气流量，W₁是Q点的空气流量，按照本发明的运行方法，通过降低轴的旋转速度可以将空气流量W₀减小到W₁，而不会引起任何诸如波动的问题。

图6表示上面的关系，正如表示常规运行的特性线25，27（实线）所示，燃气轮机入口处的燃气温度随负荷增加而升高，当负荷在75-80%以上，燃气温度几乎保持在1300℃不变。当负荷低于75%时，空气流量为W₂，低于W₁。当负荷为80%或更高，空气流量接近W₁，即，常规方法并不满足负荷需求的要求，热效率降低。

特性线26，30（虚线）表示了本发明的运行方法。燃气轮机入口处燃气温度和负荷无关，几乎保持在1300℃左右，随着负荷增加，空气流量增加到W₁附近。空气流量和负荷成比例，所以，本发明的运行方法有较好的负荷依赖性。

按照本发明，随着负荷减小，压缩机的转数降低，按照计算单元8的函数发生器81和82的特性空气流量也减少，图5中的运行点R沿着工作线24移动，以保持较高的压缩机内效率。

另外，本发明中，压缩机吸进的空气流量不受限制，这是因为在甚至低负荷范围内，一定适量的空气也可以和燃料量成比例地吸进压缩机，结果，如图6特性线26所示，低负荷下燃气轮机入口处的燃气温度并不降低，燃气轮机的热效率几乎可以保持和高负荷范围内一样。即，在一个较大的负荷范围内，可以获得一个几乎和额定值时一样的热效率值。

本发明适用于包括如下设备的联合循环***，由燃气轮机、压缩机、燃烧器和第一台发电机组成的燃气轮发电设备;用于回收从燃气轮机排出余热的余热锅炉（heat recovery steam generater）;由被回收热量生成的蒸汽驱动的蒸汽轮机;和由蒸汽轮机驱动的第二台发电机，所述燃气轮发电装置包括：

压缩机，用于吸进和压缩空气;

燃烧器，使吸进空气和燃料燃烧以产生燃气;

燃气轮机，由所产生的燃气驱动;

燃料控制装置，按照负荷需求信号控制燃烧器的燃料供热量;

第一台发电机，其一次绕组和输电***相连，二次绕组由交流电流励磁;其中第一台发电机和所述的燃气轮机连在同一轴上，该轴的转数被控制来按照负荷需求信号和环境温度的要求增加燃气轮机的输出。

按照本发明，可以期望得到一种有很高输出的燃气轮发电设备，而且保持一个所要求的输出频率。此外，燃气轮机在部分负荷时仍可保持高热效率。

本发明的联合循环***的结构参见图7，该***的主设备有燃气轮机设备，蒸汽轮机设备和发电机。在图7的情况下，这些设备均联在一个轴上（所谓单轴型），但是燃气轮机设备和蒸汽轮机设备可以和不同的发电机连在一起（所谓多轴型），空气57被压缩机1吸进和压缩，然后由燃烧器2变换成高温、高压气体，并被送到燃气轮机3。其部分热能做功，由发电机5转变为电能，从燃气轮机排出的尾热（Exhaust Heat）55对余热锅炉51中的给水53加热，产生蒸汽54。所生成的蒸汽54引入蒸汽轮机52做功，推动发电机5旋转，以发电。已经做完功的蒸汽在凝结器中凝结成水，返回到余热锅炉用作给水。由余热锅炉51排出的废气又排放到烟囱中。

另外，由于本发明的调节是通过处理电信号完成的，所以燃气轮机输出随负荷需求的调节较之常规调节方法要快。

Claims

1、一种可调速燃气轮发电设备包括：

压缩机，用于吸进和压缩空气；

燃烧器，用于使燃料和吸入空气一起燃烧以产生燃气；

燃气轮机，由所产生的燃气驱动；

燃料控制装置，用于按照负荷需求信号的要求控制供给燃烧器的燃料量；

发电机，其一次绕组和输电***相连，而其二次绕组由交流励磁；

其中，发电机和上述燃气轮机同轴，轴的转数按照负荷需求信号和环境温度的要求进行控制来增加燃气轮机的输出。

2、按照权利要求1的可调速燃气轮发电设备，还包括用于调节二次绕组励磁量的交流励磁装置。

3、按照权利要求1的可调速燃气轮发电设备，其中轴的转速通过调节二次绕组励磁电流的大小来控制。

4、一种可调速燃气轮发电设备的运行方法，该设备包括用于吸进和压缩空气的压缩机，用于使吸进的空气和燃料一起燃烧以产生燃气的燃烧器，由产生的燃气驱动的燃气轮机，按照负荷需求信号的要求控制燃烧器的燃料供给量的燃料控制装置，其一次绕组和输电***相连、二次绕组由交流励磁的发电机，其中发电机和所述燃气轮机同轴连接，该方法包括按照环境温度和负荷需求信号的要求，控制轴的转数使燃气轮机的输出在不同的环境温度下基本保持在额定输出的水平上。

5、按照权利要求4的可调速燃气轮发电机的运行方法，其中所述轴的旋转速度随着环境温度的增加而增加。

6、按照权利要求4的可调速燃气轮发电机的运行方法，其中所述轴的旋转速度，在环境温度低于某个特定温度时，也会降低。

7、一种联合循环***，包括由燃气轮机、压缩机，燃烧器和第一台发电机组成的燃气轮发电设备;用于回收从燃气轮机排出的余热的余热锅炉;由被回收热量加热的蒸汽驱动的蒸汽轮机;由蒸汽轮机驱动的第二台发电机。所述燃气轮发电设备包括：

用于吸进和压缩空气的压缩机;

用于使被吸进空气和燃料一起燃烧以产生燃气的燃烧器;

由所产生燃气驱动的燃气轮机;

用于按照负荷需求信号的要求控制燃烧器的燃料供给量的燃料控制装置;

其一次绕组和输电***相连，二次绕组由交流励磁的第一台发电机;其中第一台发电机和所述燃气轮机连在一起，轴的转数按照负荷需求信号和环境温度进行控制来增加燃气轮机的输出。

8、包括按照权利要求7的燃气轮发生设备的联合循环***，其中还包括用于调节二次绕组励磁的交流励磁装置。

9、包括按照权利要求7的燃气轮发生设备的联合循环***，其中，轴的转速通过调节二次绕组的励磁量来控制。