一种天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统技术方案

本发明专利技术属于自动控制领域，尤其涉及一种天然气压气站燃气轮机‑蒸汽轮机联合循环控制系统。一种天然气压气站燃气轮机‑蒸汽轮机联合循环控制系统，将压气站其中一台燃气轮机改造为燃气‑蒸汽联合循环发电，通过利用燃气轮机产生废气的余热通过余热锅炉再带动汽轮机，将压气站改造成一个小型的孤网电站，再通过电动机驱动2台压缩机。本发明专利技术压气站通过电力驱动压缩机为天然气管道加压，充分发挥了“电力拖动”灵活、高效、方便的特点，不仅提高了单台燃机的效率，同时减少了一台燃气轮机使用，提高了压气站燃料的整体效率。

A combined cycle control system of gas turbine and steam turbine in natural gas station

【技术实现步骤摘要】
一种天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统
本专利技术属于自动控制领域，尤其涉及一种天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统。
技术介绍
在我国西气东输工程的能源项目的背景下，针对天然气运输过程的一些问题进行解决。在输气的过程中，由于输气距离较长，管道阻力导致天然气的输送压力损失明显，因此输气管道沿线建立压气站为管道补充压力，但压气站由于在一些偏远地区缺少电网的覆盖，而且采用燃气轮机通过齿轮箱机械拖动压缩机为天然气运输提供动力，这样的整体效率较低。为此结合自动控制技术和计算机技术，设计天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统，提升压气站的运行效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种力图解决现有压气站工作效率较低，提高天然气压气站运行效率，并解决负荷突变问题的天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统。本专利技术的目的是这样实现的：一种天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统，将压气站其中一台燃气轮机改造为燃气-蒸汽联合循环发电，通过利用燃气轮机产生废气的余热通过余热锅炉再带动汽轮机，将压气站改造成一个小型的孤网电站，再通过电动机驱动2台压缩机。压气站将2台燃气轮机进气与排气口并联，进气母管前增加进气冷却系统，排气母管之后增加一台余热锅炉和一台汽轮机。余热锅炉利用燃气轮机高温排气中的热量为蒸汽轮机提供过热蒸汽；燃气轮机与蒸汽轮机分别拖动2台发电机，将二者转子转动的机械能转化为电能输送给独立运行的压气站小型电网；为压缩机配置适合的电动机，将电能再转化为机械能并以此拖动压缩机为天然气管道加压。压气站循环联合动力主要的负载时压缩机，单台压缩机额定功率达到电站额定发电容量的45％，其他负荷如水泵阀门等电动设备、进气冷却系统、控制系统、日常生活用电等的总和约为3.6MW，峰值时将达到5.8MW，考虑到某些通电设备并不是连续工作的，因此其他通电设备的平均运行负载为4MW，约占到总容量的10％。本专利技术的有益效果在于：首先，提出了利用燃气-蒸汽联合循环原理对压气站燃气轮机进行改造的技术方案。技术方案将压气站改造成为独立运行的燃气-蒸汽联合循环电站，在原有设备的基础上，增加余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、电动机以及辅助设备，并且根据设备选型的原则确定了主要设备的技术参数。压气站通过电力驱动压缩机为天然气管道加压，充分发挥了“电力拖动”灵活、高效、方便的特点，不仅提高了单台燃机的效率，同时减少了一台燃气轮机使用，提高了压气站燃料的整体效率。其次，基于模块化建模思想，研究分析了联合循环各主要部件的结构、原理及运行特性，建立了燃气轮机、余热锅炉及蒸汽轮机的热力学模型，通过各模块间重要参数的相互联系，在MATLAB/Simulink平台上建立了联合循环的热力学模型，并通过与同型燃机实际运行数据的对比，对模型加以验证。最后，针对压气站负荷变化量大、变化频繁、变化可预知不可控的特点，提出了基于负载运行状态监测及负荷变化量预测的燃机-汽机协同负荷分配控制策略，提高联合循环控制系统应对大负荷冲击时的调节能力。附图说明图1为本专利技术实施例的压气站燃气轮机-蒸汽轮机改造的方案；图2为本专利技术实施例的压气站联合循环动力配置图；图3为本专利技术实施例的燃气轮机-蒸汽轮机联合系统的热力学模型；图4位本专利技术实施例的协同固定比例功率分配。图5为本专利技术实施例的协同动态补偿负荷分配。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术将压气站其中一台燃气轮机改造为燃气-蒸汽联合循环发电，通过利用燃气轮机产生废气的余热通过余热锅炉再带动汽轮机，将压气站改造成一个小型的孤网电站，再通过电动机驱动2台压缩机。回收利用了废气的余热，还减少了一台燃气轮机运行带来的燃料消耗以及废气排放，提升压气站整体的运行效率。本专利技术通过分别考虑联合循环各主要部件的结构、原理及运行特性，建立了燃气轮机、余热锅炉及蒸汽轮机的热力学模型。再通过各模块间重要参数的相互联系，构建了整体的联合循环热力学模型。在构建模型的基础上，针对压气站负荷变化量大、变化频繁、变化可预知不可控的特点。设计了固定比例功率分配的方案。本专利技术提出了基于负载运行状态监测及负荷变化量预测的燃气轮机-蒸汽轮机协同动态补偿负荷分配控制策略，通过与常规单纯燃机负荷调节策略相比，进一步提高了联合循环控制系统应对大负荷冲击时的调节能力。实施例压气站燃气-蒸汽联合循环系统的整体改造方案工艺流程如图1所示，压气站将原有的2台燃气轮机进气与排气口并联，进气母管前增加进气冷却系统，排气母管之后增加一台余热锅炉和一台汽轮机。余热锅炉利用燃气轮机高温排气中的热量为蒸汽轮机提供过热蒸汽。然后，燃气轮机与蒸汽轮机分别拖动2台发电机，将二者转子转动的机械能转化为电能输送给独立运行的压气站小型电网。之后，为压缩机配置适合的电动机，将电能再转化为机械能并以此拖动压缩机为天然气管道加压。经过以上改造，燃气轮机与压缩机不再是“一对一”的关系，能量输出端与能量消耗端通过小型电网联系在一起，解除了燃气轮机与压缩机的“强耦合”关系。“电力拖动”对比“机械拖动”具有能量配置更为灵活性和适应性，应对负荷变化的能力更强，方便维护维修。同时，电站构建也解决了压气站其他设备的用电问题。经过初步核算，改造后的联合循环只需要一台燃气轮机额定工况运行就可满足压气站的负载需求；因此压气站原有的另一台燃气轮机可以作为备用。如图2所示，通过考虑实际中压气站的用电负荷以及针对燃气轮机的余热计算，给出压气站联合循环动力配置。为了进一步研究联合循环系统的控制方案，需要通过联合循环的机组模型来模拟机组各部件的运行状态。通过分析联合循环各模块的结构特点、物理特性、环境影响以及静态特征的方式建立联合循环热力学模型。联合循环系统可以用模块化的思想分解为燃气轮机(压气机模块，容积模块，燃烧室模块，透平模块)、余热锅炉-蒸汽轮机模块及。分割之后的各模块之间通过物理量的相互传递产生联系与影响。据此，分别对各个子模块进行数学建模，在通过进出口参数间的相互联合将各个模块联为整体，最后通过MATLAB/Simulink平台构建联合循环热力学模型，如图3所示。通过图2的动力分配图可知，压气站循环联合动力主要的负载时压缩机，单台压缩机额定功率达到电站额定发电容量的45％，其他负荷如水泵阀门等电动设备、进气冷却系统、控制系统、日常生活用电等的总和约为3.6MW，峰值时将达到5.8MW，考虑到某些通电设备并不是连续工作的，因此其他通电设备的平均运行负载为4MW，约占到总容量的10％。当发生负载变化时，尤其当压缩机停止工作，单独依靠燃气轮机调节，受到负荷冲击大，转速会飞快提升。为此可以提出固定负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统，其特征在于：将压气站其中一台燃气轮机改造为燃气-蒸汽联合循环发电，通过利用燃气轮机产生废气的余热通过余热锅炉再带动汽轮机，将压气站改造成一个小型的孤网电站，再通过电动机驱动2台压缩机。/n

【技术特征摘要】
1.一种天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统，其特征在于：将压气站其中一台燃气轮机改造为燃气-蒸汽联合循环发电，通过利用燃气轮机产生废气的余热通过余热锅炉再带动汽轮机，将压气站改造成一个小型的孤网电站，再通过电动机驱动2台压缩机。


2.根据权利要求1所述的一种天然气压气站燃气轮机-蒸汽轮机联合循环控制系统，其特征在于：压气站将2台燃气轮机进气与排气口并联，进气母管前增加进气冷却系统，排气母管之后增加一台余热锅炉和一台汽轮机。余热锅炉利用燃气轮机高温排气中的热量为蒸汽轮机提供过热蒸汽；燃气轮机与蒸汽轮机分别拖动2台发电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兰勇，刘雷，刘胜，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23