发电站设备及其运行方法技术

本发明专利技术涉及发电站设备及其运行方法，发电站设备具有：至少一个轴系，该轴系由蒸汽涡轮机和由蒸汽涡轮机直接驱动的、产生交流电的第二发电机组成，该第二发电机的输出端与带有给定的电网频率的电网连接；和至少一个涡轮机系，该涡轮机系由燃气涡轮机和由燃气涡轮机直接驱动的、产生带有工作频率的交流电的第一发电机组成，该第一发电机的输出端与带有预设的电网频率的电网连接，其中在第一发电机与电网之间布置了电子去耦装置或可变化的电子变速器，该电子去耦装置使工作频率从电网频率中去耦。这样的设备不仅允许高的总效率的灵活的稳定运行，而且也允许灵活的瞬时运行。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为200980120178.7、申请日为2009年3月25日、专利技术名称为“发电站设备及其运行方法”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及发电站技术的领域。本专利技术涉及一种组合式发电站设备，该设备具有：燃气涡轮机与电网之间的电子去耦装置或电子的变频装置，以及直接通过发电机连接到电网上的蒸汽涡轮机，本专利技术还涉及一种用于运行这种发电站的方法。
技术介绍
大型发电站设备的功率范围大于100MW，在这些发电站设备中，产生电流的发电机由燃气涡轮机和/或蒸汽涡轮机驱动并且产生的电功率被馈送到具有预设的电网频率(例如50或60Hz)的电网中，这些发电站设备通常具有在涡轮机的(机械的)转速与电网频率之间的固定耦合。发电机的输出端通过电网连接部与电网频率固定地(frequenzstarr)连接，而其由涡轮机或者直接地(1-轴设备)或者通过机械变速器(Getriebe)转速耦合地驱动。发电站设备的这种配置在图2和3中极其简化地表示。借助于变速器，仅仅可在电网频率与涡轮机之间实现固定的变换比。但也可以考虑如下的解决办法，其中发电机由动力涡轮机驱动，该涡轮机可以以一种与原本的燃气涡轮机不同的转速运行。图2以极其简化的示图示出已知类型的发电站设备10′，该发电站设备借助于燃气涡轮机12以及借助于蒸汽涡轮机24产生电流并且将电流馈送至电网21中，燃气涡轮机12带有耦合的第一发电机18而蒸汽涡轮机24带有耦合的第二发电机8。燃气涡轮机12和发电机18通过共同的轴19相连接并且构成了涡轮机系(Turbinenstrang)11。燃气涡轮机在最简单的情况下包括压缩机13，该压缩机通过空气入口16吸入并且压缩燃烧用空气。压缩机13可以由多个相继连接的分压缩机组成，这些分压缩机在升高的压力水平上工作并且在需要时能够实现压缩空气的中间冷却。在压缩机13中压缩的燃烧用空气到达燃烧室15中，通过燃料供给17将液态的(例如油)或气态的(例如天然气)燃料喷入该燃烧室中并且在消耗燃烧用空气的情况下燃烧。从燃烧室15中逸出的热气体在后面的涡轮机14中在做功的情况下膨胀并且因此驱动压缩机13和耦合的第一发电机18。当从涡轮机中排出时还是相对较热的排气被输送经过后面的余热蒸汽发生器23，以便在单独的水-蒸汽-循环25中产生用于驱动蒸汽涡轮机24的蒸汽。冷凝器、给水泵和水-蒸汽-循环25的另外的系统出于简化视图的原因未示出。这种燃气涡轮机-和蒸汽发电站的组合被称为组合式发电站。燃气涡轮机24可以与第一发电机18在与涡轮机14相对的侧上耦合；燃气涡轮机12、第一发电机18和蒸汽涡轮机24随后构成了所谓的“单轴传动系”。蒸汽涡轮机24但也可以，如图2中所示地，在单独的轴系60上驱动自身的第二发电机8。对于多轴设备来说，不同的组合是已知的。例如，广泛流行的是所谓的2合1装置，在该装置中，通过两个连接在燃气涡轮机12后方的锅炉(Kesseln)23为具有第二发电机8的轴系60上的蒸汽涡轮机24供给蒸汽。燃气涡轮机12分别布置在具有自身的第一发电机18的涡轮机系11上。类似地，也存在如下的装置，在该装置中，蒸汽被三个或更多的连接在燃气涡轮机12后方的锅炉23利用，以用于驱动蒸汽涡轮机24。在根据图2的1-轴-燃气涡轮机中，燃气涡轮机12的转速与在第一发电机18中产生的交流电压的频率之间成固定比例，且该频率必须等于电网21的电网频率。在当今常见的、功率超过100MW的大型燃气涡轮机单元中，60Hz的发电机频率或电网频率对应于3600U/min的燃气涡轮机的转速(例如申请人的燃气涡轮机GT24)，并且50Hz的发电机频率对应于3000U/min的转速(例如申请人的燃气涡轮机GT26)。如果达到了燃气涡轮机12的转速与发电机-或电网频率之间的另一个比例，则根据图3在发电站设备10′′中原则上可以在燃气涡轮机12的轴19与第一发电机18(涡轮机系11′)之间插入机械变速器26，该机械变速器通常设计为减速器并且因此能够实现燃气涡轮机12的更高的转速和更小的结构形式。相应的减速器也通常用于运行小型的蒸汽涡轮机。这种机械变速器26然而出于坚固性的原因典型地仅仅用于小于100MW至120MW的功率。在另一方面，每个燃气涡轮机的超过100MW的大功率以及高的效率首先利用相对较慢旋转的1-轴-机器来实现。随后得出在图1中示出的情况：在大约100MW的有效功率之上存在单个的1-轴-燃气涡轮机，这些涡轮机设计为固定转速，为3000U/min(对于50Hz；GT26)或3600U/min(对于60Hz；GT24)并且得到优化(F.Joos等人.,FieldexperiencewiththesequentialcombustionsystemoftheGT24/GT26gasturbinefamily,ABBReviewno.5,p.12-20(1998))。在100Hz之上和当功率在100MW之下时，通过具有动力涡轮机或变速器的配置，或者通过多轴燃气涡轮机可实现几乎任意的交流电压频率(图1中画阴影线的区域)。燃气涡轮机的在频率上的功率遵循曲线A，而效率η遵循曲线B。具有高效率的大功率就首先可以在低转速时实现，在那里然而仅仅提供了个别的解决办法。为了在个别的解决办法中减少制造成本，在US-A-5,520,512中已经提出了，在燃气涡轮机设备中对于不同的电网频率将至少部分涡轮机设计成相同的。在燃气涡轮机的转速与电网频率之间的固定耦合然而在此保持不变。在US-B2-6,628,005中提出了，由涡轮机和发电机组成的1-轴设备利用预设的转速通过如下方式可用于50Hz和60Hz的不同电网频率，选择两个电网频率之间的发电机频率，例如55Hz，并且根据电网频率借助于频率微分器加上或减去5Hz。在此也保持获得了固定耦合。由涡轮机转速与电网频率之间的固定耦合对于现存的、带有现存的涡轮组件的设备方案在对稳定的运行进行优化时产生了限制。此外对瞬态的性能产生了不利影响。例如导致了在涡轮机中的功率下降(einbruechen)，或导致了当动态调节以便通过提高燃气涡轮机入口温度来支持电网频率时的高的热负载和机械负载。此外，快速的瞬态导致了提高的负载。在组件或发电站设备的新型设计中的优化也由于涡轮机转速与电网频率之间的固定耦合而受到限制。发电站涡轮机特别地由于预设的到电网频率的耦合而在其功率大小方面受到限制(参见图1的曲线A)。由US-A-5,694,026已知了一种不带有减速装置(Untersetzungsgetriebe)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发电站设备(10)，具有：至少一个轴系(60)，所述轴系由蒸汽涡轮机(24)和由所述蒸汽涡轮机(24)直接驱动的、产生交流电的第二发电机(8)组成，所述第二发电机的输出端与带有给定的电网频率(F)的电网(21)连接；和至少一个涡轮机系(11)，所述涡轮机系由燃气涡轮机(12)和由所述燃气涡轮机(12)直接驱动的、产生带有工作频率的交流电的第一发电机(18)组成，所述第一发电机的输出端与带有给定的电网频率(F)的所述电网(21)连接，其特征在于，在所述第一发电机(18)与所述电网(21)之间布置了变频器(27)，以及所述第二发电机(8)相关于频率地直接耦合于带有所述电网频率(F)的所述电网(21)，其中所述变频器(27)作为可变化的电子变速器(27)运行，所述电子变速器利用机械转速(nmech)和电网频率(F)之间的变换比(X)通过所述第一发电机(18)将转速强加于所述燃气涡轮机(12)以及调节所述至少一个燃气涡轮机(12)的机械或空气动力转速。

【技术特征摘要】
2008.03.25 CH 00444/081.一种发电站设备(10)，具有：至少一个轴系(60)，所述轴系由蒸汽涡轮机(24)和由所
述蒸汽涡轮机(24)直接驱动的、产生交流电的第二发电机(8)组成，所述第二发电机的输出
端与带有给定的电网频率(F)的电网(21)连接；和至少一个涡轮机系(11)，所述涡轮机系由
燃气涡轮机(12)和由所述燃气涡轮机(12)直接驱动的、产生带有工作频率的交流电的第一
发电机(18)组成，所述第一发电机的输出端与带有给定的电网频率(F)的所述电网(21)连
接，其特征在于，在所述第一发电机(18)与所述电网(21)之间布置了变频器(27)，以及所述
第二发电机(8)相关于频率地直接耦合于带有所述电网频率(F)的所述电网(21)，其中所述
变频器(27)作为可变化的电子变速器(27)运行，所述电子变速器利用机械转速(nmech)和电
网频率(F)之间的变换比(X)通过所述第一发电机(18)将转速强加于所述燃气涡轮机(12)
以及调节所述至少一个燃气涡轮机(12)的机械或空气动力转速。
2.如权利要求1所述的发电站设备，其特征在于，所述变频器(27)作为电子去耦装置
(27)运行，所述电子去耦装置使所述燃气涡轮机(12)的工作频率从所述电网频率(F)中去
耦。
3.如权利要求1所述的发电站设备，其特征在于，所述变换比(X)是可调节的。
4.如权利要求1所述的发电站设备，其特征在于，所述变换比(X)是固定值。
5.如权利要求1至4中任一项所述的发电站设备，其特征在于，所述至少一个燃气涡轮
机(12)设计用于小于50Hz的设计频率。
6.如权利要求1至4中任一项所述的发电站设备，其特征在于，所述至少一个燃气涡轮
机(12)设计用于小于正/负10%的空气动力转速的变化。
7.如权利要求1至4中任一项所述的发电站设备，其特征在于，所述至少一个燃气涡轮
机(12)的压缩机(13)在满负载和设计条件的情况下相对于喘振界限有小于10%的空气动力
转速的差别。
8.如权利要求1至4中任一项所述的发电站设备，其特征在于，输出到所述电网(21)上
的电流通过由所述至少一个第一发电机(18)产生的和通过至少一个矩阵变换器(27)输出
到所述电网(21)上的电流与由所述至少一个第二发电机(8)产生的电流的叠加而变得平
滑。
9.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所述的发电站设备(10)的方法，其特征在

【专利技术属性】
技术研发人员：J·霍夫曼，T·梅因德尔，
申请(专利权)人：阿尔斯托姆科技有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH