CN1304735C - 组合式燃气和蒸汽轮机装置初次调节的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是改进初次调节的方法，使得在燃气和蒸汽轮机装置中的蒸汽轮机部段内也能产生备用功率，并且该备用功率实际上完全可供用于在秒量级范围内有效地支持频率，为此建议，压力级借助一按这样的方式节流的调节阀(6、7、8)运行，即由此构成一个支持频率的功率储备量，在频率过低时该功率储备量可用于增大频率，其中，根据频率降低的程度可构成一额定值修正量，它对应于一个与调节阀(6、7、8)的节流状态相比增大的通流截面以及它通过一个外加的随时间衰落的信号影响调节阀(6、7、8)的通流截面，其中，这个随时间衰落的信号按这样的方式确定，即在考虑到燃气和蒸汽轮机装置对增大通流截面的响应特性的情况下，尽管修正额定值仍能保持一个稳定的运行状态。

Description

组合式燃气和蒸汽轮机装置 初次调节的方法

技术领域

本发明涉及一种在组合式燃气和蒸汽轮机装置中进行初次调节的方法。

背景技术

在欧洲专利申请EP0976914A中公开的燃气和蒸汽轮机装置具有一个燃气轮机部段和包括至少一个压力级的一个蒸汽轮机部段。蒸汽轮机部段的工作蒸汽由一台或多台供入燃气轮机部段废气的废热蒸汽锅炉产生。所述压力级中具有至少一个蒸汽轮机调节阀。该调节阀的通流截面在这里通过一调节器来调整，该调节器的额定值利用压力级的一个对功率重要的调节参数来构成。对功率重要的调节参数意味着它允许调节器调整压力级的功率。在这里，对功率重要的调节参数也可以是压力级的功率本身。在这方面后面还要详细说明。

瞬时电网频率与电网额定频率的偏差在一个频率调节器中确定并对其进行补偿性调节控制。

电网运行者必须保证电网运行的基本性能。属于此基本性能的尤其是一个确定的、就所要求的电功率而言随时间保持稳定的电流频率(欧洲为50Hz)。只允许在规定的狭窄范围内与之有偏差。电网中频率的稳定性通过一个动态的负荷/功率平衡来保证。为此必须在秒量级范围(Sekundenbereich)内提供大的备用功率。电网运行者必须作为服务性功率购入此备用功率。

在组合式燃气和蒸汽轮机装置中，迄今这种备用功率由燃气轮机部段制备。组合式燃气和蒸汽轮机装置是在燃气轮机下游连接废热锅炉以运行蒸汽轮机装置的设备。通常燃气轮机的废气温度在一个大的功率范围内保持常数。但在此类运行中燃气轮机功率的改变受到限制。负荷的可变性主要受动态的废气温度调节并因而受燃气轮机空气质量流量可变性的限制。燃气和蒸汽轮机装置的蒸汽轮机部段随燃气轮机的功率改变通常有非常迟钝的废热过程时间特性。因此，在按频率调整运行的组合式燃气和蒸汽轮机装置中，如今电网需要的功率改变仅由燃气和蒸汽轮机装置中的燃气轮机部段提供，因为蒸汽轮机部段在前几秒内对此没有任何贡献。水汽循环，亦即锅炉和汽轮机，只不过是整个燃气和蒸汽轮机装置中一个被动的部分，这一部分仅具备废热利用的功能。

因此燃气轮机在初次调节时必须单独提供全部备用功率。所以在燃气和蒸汽轮机装置运行时应在燃气轮机中单独计入频率调节储备量，在这种情况下稳态运行时的机组功率(Blockleistung)就会减少一个相当大的份额。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在组合式燃气和蒸汽轮机装置中进行初次调节的方法，它允许在燃气和蒸汽轮机装置中的蒸汽轮机部段中也设置备用功率，该备用功率实际上可完全供在数秒范围内有效地支持频率用。

上述技术问题通过这样一种对在电网运行中的组合式燃气和蒸汽轮机装置进行初次调节的方法来解决，该燃气和蒸汽轮机装置包括一个燃气轮机部段和一个蒸汽轮机部段，后者有至少一个压力级，它的工作蒸汽通过一台或多台供入有燃气轮机部段废热的废热锅炉产生并且它的调节阀通流截面由一个调节器调整，该调节器的额定值通过该压力级中的一个对功率重要的调节参数来给定，其特征为：所述压力级借助一个按这样的方式节流的调节阀运行，即由此构成一个支持频率的功率储备量，在频率过低时它被用于增大频率，根据频率降低的程度构成一额定值修正量，它对应于一个与调节阀的节流状态相比增大的通流截面并且它通过一个外加的随时间衰落的信号影响调节阀的通流截面，其中这个随时间衰落的信号按这样的方式确定，即在考虑到燃气和蒸汽轮机装置对增大通流截面的响应特性的情况下，尽管修正额定值而仍能保持一个稳定的运行状态。

本发明的优点是，可实际上在秒量级范围内制备全部备用功率，它不仅由燃气轮机部段提供，而且由蒸汽轮机部段提供。尤其是分配给蒸汽轮机部段的备用功率按本发明可在数秒范围内制备。在先有技术中提及的蒸汽轮机部段因反应迟钝而不再存在。因此，所述燃气和蒸汽轮机装置可在较高的机组功率的情况下提供备用功率，以及调节储备量在数秒范围内的释出由于蒸汽轮机的贡献动态地得到改善。所以组合式燃气和蒸汽轮机装置的运行者除了通过参与频率调节获得收益外，还能通过以更大的机组功率来发电而获得额外的收获。

这一优点采取下列措施获得，即在锅炉存储器内为蒸汽轮机部段构成一支持频率的功率储备量。为此，所述压力级借助一节流的调节阀来运行。通过节流在调节阀前形成一动压头，直至在形成的压力与质量流量之间达到平衡状态。支持频率的功率储备量在频率过低时被利用来增大频率，为此根据频率降低的程度构成一额定值修正量。该额定值修正指的是对调节参数的额定值进行修正，该调节参数在有关的燃气和蒸汽轮机装置中被用于额定-实际值调节。这意味着，根据当前频率低于额定频率的量构成一可消除频率偏差的额定值修正量。

因此，该额定值修正和调节阀的节流状态相反是用于增大通流截面。它以一个外加的(aufgepraegt)随时间衰落的信号影响相关调节阀的通流截面。因此，所涉及的通流截面增大了一个与按照外加的衰落信号随时间的变化过程的额定值修正量相对应的量，换句话说在一定程度上取消了节流。因此储存的支持频率的功率储备量(至少部分)在频率过低时为增大频率而释出。

因此，节流和取消节流通过阀门位置决定。在这里，节流意味着调节阀通流截面变小，并通过提高阀门前的压力继续流过与节流前在阀门全开时相同的质量流量。

在这里，随时间衰落的信号用于对取消所述节流的时间及程度进行限制。这相应于暂时增大额定值修正量。随时间衰落的信号以一个有限值开始，经过预定的时间后降为零。在此过程中，此衰落信号可例如与额定值修正量相乘，所得乘积例如可通过一开度调节器影响相关的调节阀。由此产生的与上述节流的取消程度相对应的总信号优选经过预定的持续时间降为零，使得原状态能无额定值修正地重新恢复。

随时间衰落的信号按这样的方式确定其强度、其变化过程以及其持续时间，即，在考虑到燃气和蒸汽轮机装置对通过额定值修正增大通流截面的响应特性的情况下保持稳定的运行状态。因此顾及了调节阀的通流截面的宽度和长度只能增大到使压力不过激地下降的程度这一情况。对此在后面还要详细说明。通过本发明第一次有可能使蒸汽轮机部段参与支持频率，由此可获得上述优点。因此采用本发明同时还第一次有可能实现燃气和蒸汽轮机装置不仅可以其燃气轮机部段而且可以其蒸汽轮机部段更经济地参与频率调节。由此，在频率过低时，燃气轮机部段可通过蒸汽轮机部段卸荷，并因此在前几秒内不再单独筹措全部为增大频率所需要的功率储备。

按本发明的方法为燃气和蒸沦轮机装置带来的另一个优点是，在频率过低的情况下为增大频率所需的更多功率不是在需要的时刻才通过加入功率提供，而是事先已经通过暂时略微提高燃气轮机部段的功率来引入。不过为构成蒸汽存储器储备量所需要的暂时提高的少量功率部分并未损失掉，而是恰恰在增大频率时通过蒸汽存储器的蒸汽转出而重新利用。在构成蒸汽存储器储备量期间暂时较低的蒸汽轮机功率，可借助对整个机组的功率控制由燃气轮机功率顺利地予以平衡，所以由此可始终满足机组总的功率需求。

在从属权利要求中记载了本发明一些优选的改造设计。

本发明建议，采用调节阀区域内的初压力作为对于功率的重要调节参数，通过测量蒸汽流量并通过借助于一条表明压力级特性的经修改的滑压特性曲线换算后可确定该初压力，此滑压特性曲线和一个节流的调节阀相对应。因此阀的位置由经修改的滑压特性线来确定。在这种情况下计算出压力额定值，它代表压力级内部所要调整到的压力值。在瞬时蒸汽流量与压力之间的关系由表明压力级特性的经修改的滑压特性线提供。经修改的滑压特性线针对一个相对于完全打开的调节阀(自然滑压特性线)为较小的通流截面。

在此意义上说，在经修改的滑压工作点可使用压力级内的功率储备。在频率过低时，按本发明，可通过有控制地扩大所述调节阀的通流截面而利用该功率储备量来增大频率。

所述随时间衰落的信号是一种按时间常数衰减的衰变信号。当衰变时间常数＝0时，该衰变信号也可以是一个方波信号。但优选衰变信号的时间常数和/或信号形状是组合式燃气和蒸汽轮机装置随时间的脉冲应答的模型。在这里，时间常数表明衰变信号衰减的速度。近似地，衰变信号经过约3至6个时间常数便足够或充分地衰减了。在衰变信号中考虑到燃气和蒸汽轮机装置的主要参数；因此，衰变信号与在取消节流时顾及燃气轮机部段和尤其顾及蒸汽轮机部段的锅炉的情况下的蒸汽轮机部段的特性相对应。

优选地，随时间衰落的信号对应于组合式燃气和蒸汽轮机装置的D-T_n模型函数。在这里n为1、2或更大。它涉及一种延迟的微分特性，这种特性与实际特性相匹配，并在理想情况下反映实际特性。D-T₁函数有阶跃式上升以及接着有按时间常数减小的变化过程。相比之下D-T₂函数没有阶跃式上升，而是一种连续的上升，它同样有一个时间常数。但上升段的时间常数比下降段的时间常数小得多。

D-T_n函数可通过下列关系式用数学公式描述：

$D-T_n=T_D\frac{s}{(1+{\mathrm{sT}}_1)(1+{\mathrm{sT}}_2)\…}$

其中，T_D代表一个适合的超前时间常数，

s表示相应的拉普拉斯算子，以及

T_n表示相应的时间常数，

它们分别表明所涉及装置的特性。以此方式可导出一适合的模型函数。

采用D-T_n函数保证额定值修正利用一个表征燃气和蒸汽轮机装置特性的时间特性曲线对调节阀的通流截面施加影响。

根据装置中蒸汽轮机部段的存储能力选择时间常数。对于大多数装置，时间常数在10秒与200秒之间。

优选地，实行对于组合式燃气和蒸汽轮机装置共同的机组功率控制(Blockleistungsfuehrung)。若作如此规定则建议，尤其是通过外加的随时间衰落的信号对额定值的修正，附加地在机组功率控制装置的一个停止电路中受到处理，在这里该停止电路停止通过机组功率控制装置修正机组功率，因为机组功率控制可能会对于尤其通过外加的随时间衰落的信号对额定值进行修正来改变压力级/蒸汽轮机部段的功率产生抵制作用。因此，要将额定值修正量输入机组功率控制装置的停止电路中。

这意味着，在基于尤其通过外加的随时间衰落的信号的额定值修正来增大调节阀通流截面时，在机组功率控制装置中将首先记录到机组功率有一提高，随后机组功率控制装置就将抵制机组功率的这一提高。然而在这种情况下这种基于额定值修正对机组功率的提高是期望的，所以在这种情况下必须停止对于机组功率提高(亦即所述机组功率修正)的反作用。

这也适用于相反的情况，也就是说也适用调节阀的通流截面重新减小的情况。例如基于电网频率过高而考虑减小通流截面的情况。于是，与上述情况相对应，所述机组功率控制装置将记录到机组功率的这一减小并企图对抗此减小。在这种情况下必须重新停止机组功率控制装置对于机组功率的提高，本发明通过上述停止电路可更有效地工作，因为防止了机组功率控制装置的反作用对于尤其通过外加的随时间衰落的信号所进行的额定值修正的影响。

对于修改滑压额定值控制的反控制(它将同样对抗可能的存储过程或转出过程)采取下列措施来避免：确定压力级内的压力变化走向和蒸汽流量变化走向，并在上述参数走向相反时停止对调节参数走势起抵制作用的额定值改变。当构成功率储备时在调节阀节流的情况下存在存储过程。当取消节流并为了增大频率释放存储的至少部分功率储备时存在转出过程。此时，在压力级内的压力由于通流截面增大而减小，与此同时蒸汽流量上升。因此在这种情况下这两个参数的走向相反。于是停止在这种情况下起抵制作用的对压力额定值的提高。

附图说明

下面借助附图所示实施方式进一步说明本发明，附图中：

图1为一种燃气和蒸汽轮机装置的示意方块图；以及

图2为用于实施本发明方法的调节***的示意方块线路图。

具体实施方式

在图1所示示意方块图中示出了一个燃气和蒸汽轮机装置1，它包括两个分别在其后面(或下游)连接有一个三压力废热锅炉(Dreidruck-abhitzekessel)的燃气轮机和一个蒸汽轮机。燃气和蒸汽轮机装置1有燃气轮机部段2和蒸汽轮机部段3。设一上级机组控制装置10，它允许协调地控制和调节整个燃气和蒸汽轮机装置1。燃气轮机部段2包括两个燃气轮机发电机机组25、26。每个燃气轮机发电机机组25、26包括一个压缩机29、一个涡轮部件30和一台发电机28。为了调节燃气轮机发电机机组25设有一燃气轮机调节器31。燃气轮机发电机机组25、26由机组控制装置10得到其功率额定值34。在燃气轮机调节器31中输入一个燃气轮机功率实际值32和一个燃气轮机转速实际值33。燃气轮机转速作为实际值被用于燃气轮机发电机机组的频率调节。第二个燃气轮机发电机机组26有相应的结构。

两个燃气轮机发电机机组25、26的废热分别通过一个废气通道27引入燃气和蒸汽轮机装置1中连接在下游的蒸汽轮机部段3的废热锅炉4、5中。在废热锅炉(在这里表示了三个压力级)的每个压力级内借助供入的废热产生蒸汽，蒸汽在连接在下游的蒸汽轮机11、12、13内被用来发电。在每个压力级中调节机构(调节阀或调节蝶阀)6、7、8在汽轮机进口处用于影响通过汽轮机的蒸汽流量，蒸汽流量最终决定汽轮机功率。

为了确定瞬时电网频率，将汽轮机转速35的实际值输入汽轮机调节器15。在那里根据测得的汽轮机转速实际值35确定瞬时频率与电网额定频率的偏差。汽轮机的调节器15动态地，亦即暂时地补偿平衡该偏差。为此，按照取决于频率偏差的调节信号来操纵各压力级的调节阀。在图示实施方式中，分别对于高压级存在一主汽调节阀6以及对于中压级存在一中压调节阀7。在频率超过时通过调节阀的节流，将蒸汽暂时储存在蒸汽***内，在频率过低时则暂时转出。由此相应地在汽轮机中暂时造成功率减小或增大。

为了在频率过低时能完全通过转出进行反应，必须事先构成蒸汽存储器储备量。这一点借助于在各压力级内的汽轮机阀按照经修改的滑压特性线9的给定值通过提升蒸汽压力实现。经过调节阀6、7一定持续时间的节流后，到达一个经修改的滑压工作点，在此工作点可提供蒸汽存储器储备量。每个压力级经修改的滑压特性线9作为汽轮机蒸汽质量流量的函数。通过一特殊的适合的识别电路46、47，在为了增大频率利用转出储备量期间暂时停止其值，由此通过滑压特性线不对抗转出过程(对此后面还要详细说明，参见图2)。

除高压汽轮机段11和中压汽轮机段12外，还存在一低压汽轮机段13(图1)，低压汽轮机段除供入来自中压汽轮机段的排汽外，还经由低压调节蝶阀8供入来自废热锅炉低压级的蒸汽。在本实施方式中没有表示利用低压调节蝶阀来增大频率。但按本发明低压汽轮机段13的低压调节蝶阀8也可以用来增大频率。

为了确定经修改的滑压特性线，检测相关压力级的蒸汽质量流量21、20，以及为了确定每个压力级的压力额定值将所测得的蒸汽质量流量21、20引入机组控制装置10。此外测取在各调节阀6、7前的压力实际值18、19并同样将它们引入机组控制装置10中。通过上述在蒸汽回路中测得的参数可实施本发明的调节方法。为此，按所述调节方法确定的高压额定值16或中压额定值17从机组控制装置10(在那里可获取上述值并可计算调节参数)供入汽轮机调节器15，然后在那里用于调节汽轮机功率。

图2表示用于实施本发明方法的调节***的示意性方块线路图。这是一个用于初次调节器45的调节***，它由一个用于利用一个组合式燃气和蒸汽轮机装置的汽轮机高压级和中压级的线路组成。因此图2所示方块线路图涉及一种用于调节图1所示燃气和蒸汽轮机装置的调节***，在图1所示调节***中同样只规定对高压级和中压级调节阀6和7的通流截面进行节流缩小或扩展。此线路也可按相应的适当方式扩展到利用低压级的调节蝶阀8。

在图示的实施方式中，通过调节初压力确定调节阀通流截面，其中，所述额定值由经修改的滑压特性线来规定。因此初压力是对于功率的重要调节参数。在这里也可直接使用压力级的功率，只要它已被求出。目前是将功率换算成压力。

可规定一个输入/输出信号42，它接通或切断按本发明对频率的影响。例如当不希望汽轮机按本发明参与支持频率时，则切断频率影响。于是开关56处于断开位置。若开关56处于接通位置，则激活按本发明的频率支持功能。

测量高压流量实际值21，以及在求值电路59中借助滑压特性线9换算出一个额定值。高压节流器57规定调节阀6的节流量。此节流量这样来计算：即，规定一个附加的压力额定值分量，在使用滑压特性线9的情况下，此压力额定值分量在此滑压特性线中得出一相应的经修改的滑压作为额定值。然后将此压力额定值输入额定值控制装置65并进一步引入汽轮机调节器43(用于高压部分)。在那里，额定值通过一调节函数被换算为一个用于相应的调节阀的调节值并影响于调节阀。

连续测取汽轮机转速实际值35并(在将转速换算为相应的频率后)将其与频率额定值52比较53。然后利用一预定的静态器54对频率偏差进行分析评估，该静态器可根据此频率偏差规定压力额定值修正量的特征曲线。在这里，该静态器54可有一规定的死带；当频率偏差处于此死带内部时，压力额定值修正量等于零。在动态器55中所述压力额定值修正量被外加一随时间衰落的信号。

当开关56在接通位置，如此确定的压力额定值修正量经出口38进一步引入与此压力级相应的压力调节器，所述通过随时间衰落的信号被动态计算出的压力额定值修正量置于出口38处。因此在此压力调节器中可考虑基于额定值修正量的偏差。其结果是导致此压力调节器通过被加载所述额定值修正量保持“平静”，进而不抵制实际值的改变。与此同时带有外加的随时间衰落的信号的压力额定值修正量通过一个评定系数62的计算，被换算成相应的阀位置后经出口39进一步输给汽轮机高压部段的压力调节器出口。由此相应地调整调节阀的调节值。

动态计算的压力额定值修正量经评定系数61计算后，被换算成相应的阀位置，然后相应地置于中压调节器出口40处。对于中压级也可实施调节偏差的修正，为此，动态和静态计算出的压力额定值修正量41被置于压力调节器处，并因而同样使得用于中压级的压力调节器保持“平静”。

此外，设置一个用于机组功率控制装置的停止电路48，在该停止电路48中，对带有外加的随时间衰落的信号的额定值修正量进行处理。在该停止电路中，那些对于基于所述额定值修正量对压力级/汽轮机段形成的功率变化构成抵制作用的机组功率调节被停止。这通过二进制停止信号“更高”49和“更低”50代表。相应的停止信号作用于机组功率控制装置的额定值控制装置51，该额定值控制装置51按机组功率额定值36向用于调整功率的调节器出口37输出一个用于一台或多台燃气轮机的功率额定值。

借助高压实际值18在一个高压识别电路46中识别该压力级内的高压实际值变化走向和质量流量实际值变化走向是否相反。在上述参数的变化走向相反时停止按照对高压实际值走势起抵制作用的方向对额定值进行改变。为此具体地对这些参数求商，然后可以识别，看这些参数的走势是否发生逆转。随后可按上述方式停止额定值控制装置65。

此外还设有一中压节流器58，它同样可通过一个开关56接通和切断。在那里也在使用经修改的滑压特性线9的条件下借助计算电路59进行压力的计算。当然，在该计算电路59的进口处要输入中压流量实际值20以及在其出口处则要输出用于中压部分的机组压力额定值控制装置44的结果值。对于中压部段也设有一识别电路47，它类似于上述高压识别电路46地工作。在其进口处输入中压实际值19。

Claims (7)

1.一种对在电网运行中的组合式燃气和蒸汽轮机装置进行初次调节的方法，该燃气和蒸汽轮机装置包括一个燃气轮机部段(2)和一个蒸汽轮机部段(3)，后者有至少一个压力级，它的工作蒸汽通过一台或多台供入有燃气轮机部段(2)废热的废热锅炉(4、5)产生并且它的调节阀通流截面由一个调节器调整，该调节器的额定值通过该压力级中的一个对功率重要的调节参数来给定，其特征为：所述压力级借助一个按这样的方式节流的调节阀(6、7、8)运行，即由此构成一个支持频率的功率储备量，在频率过低时它被用于增大频率，根据频率降低的程度构成一额定值修正量，它对应于一个与调节阀(6、7、8)的节流状态相比增大的通流截面并且它通过一个外加的随时间衰落的信号影响调节阀(6、7、8)的通流截面，其中这个随时间衰落的信号按这样的方式确定，即在考虑到燃气和蒸汽轮机装置对增大通流截面的响应特性的情况下，尽管修正额定值而仍能保持一个稳定的运行状态。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：所述对功率重要的调节参数是调节阀(6、7、8)区域内的初压力，它通过测量蒸汽流量并借助于一条表征压力级特性的经修改的滑压特性曲线换算后确定，此滑压特性曲线对应于一个节流的调节阀(6、7、8)。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：随时间衰落的信号是一种方波信号或是一种按时间常数衰减的衰变信号，其中，该衰变信号的时间常数和/或信号形状是组合式燃气和蒸汽轮机装置(1)的一种模型。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征为：随时间衰落的信号对应于组合式燃气和蒸汽轮机装置(1)的一个D-T_n模型函数。

5.按照权利要求3所述的方法，其特征为：所述时间常数或上述方波信号的长度在10至200秒之间。

6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：对组合式燃气和蒸汽轮机装置(1)实行机组功率控制；以及，将所述带有外加的随时间衰落的信号的额定值修正量附加地在机组功率控制装置的一个停止电路(48)中进行处理，该停止电路停止对于机组功率的这样一种修正，即，这种修正对于基于所述额定值修正量通过外加的随时间衰落的信号对压力级/蒸汽轮机部段所形成的功率变化构成抵制作用。

7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：确定在压力级内的压力变化走向和质量流量变化走向，并在上述参数走向相反时停止按照对调节参数走势起抵制作用的方向改变额定值。

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