專利名稱：發(fā)電站設(shè)備以及用于運(yùn)行這種發(fā)電站設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電站技術(shù)領(lǐng)域。其涉及一種在燃?xì)馔钙胶碗娋W(wǎng)之間 電子解耦或電子變頻的發(fā)電站設(shè)備，以及一種用于運(yùn)行這種類型的發(fā) 電站的方法。
背景技術(shù)：
具有在大于100MW的范圍中的功率的大型發(fā)電站設(shè)備通常具有 在透平的(機(jī)械)轉(zhuǎn)速和頻率之間的固定耦合，在所述范圍中，產(chǎn)生 電流的發(fā)電機(jī)由燃?xì)馔钙胶?和蒸氣透平驅(qū)動(dòng)并且所產(chǎn)生的電功以預(yù) 定頻率(例如50或60Hz)輸入到電網(wǎng)中。在此，發(fā)電機(jī)的輸出端通 過電網(wǎng)連接裝置以頻率固定的方式與電網(wǎng)連接，同時(shí)所述發(fā)電機(jī)由透
備的這種i案在圖2和圖3中"常簡(jiǎn)化地示出:4助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，僅可 以實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)頻率和透平之間的固定傳動(dòng)比。還可以考慮這種解決方 案，其中發(fā)電機(jī)由動(dòng)力透平來驅(qū)動(dòng)，所述動(dòng)力透平可以利用與原來的 透平偏差的轉(zhuǎn)速來運(yùn)行。
圖2以非常簡(jiǎn)化的示意圖示出了已知類型的發(fā)電站設(shè)備10，，其 借助于燃?xì)馔钙?2利用耦合的發(fā)電機(jī)18來發(fā)電并輸入電網(wǎng)21中。 燃?xì)馔钙?2和發(fā)電機(jī)18通過共同的軸19連接并形成單軸透平系11。 燃?xì)馔钙皆谧詈?jiǎn)單的情況下包括壓縮機(jī)13,其通過空氣入口 16吸取 燃燒用空氣并壓縮。壓縮機(jī)13可以由多個(gè)彼此接通的分壓縮機(jī)組成， 所述分壓縮機(jī)以升高的壓力水平工作并且必要時(shí)可以實(shí)現(xiàn)所壓縮的 空氣的中間冷卻。在壓縮機(jī)13中壓縮的燃燒用空氣到達(dá)燃燒室15內(nèi)， 通過燃料供給裝置17將液態(tài)(例如油)或者氣態(tài)(例如天然氣)燃 料噴入所述燃燒室，并且在消耗燃燒用空氣的情況下燃燒。
由燃燒室15發(fā)出的熱氣在隨后的透平14中在工作功率下卸壓， 如此驅(qū)動(dòng)壓縮才幾13和耦合的發(fā)電4幾18。在從透平排出時(shí)，相對(duì)熱的 廢氣可以附加地通過隨后的廢熱蒸汽生成器23，以便在單獨(dú)的水-蒸 氣循環(huán)25中產(chǎn)生用于運(yùn)行蒸氣透平24的蒸氣。這種組合稱為組合發(fā)電站。在此，蒸氣透平24可與發(fā)電機(jī)18在位于透平14對(duì)面那側(cè)耦 合。蒸氣透平還可以驅(qū)動(dòng)自己的發(fā)電機(jī)。在圖2的單軸設(shè)備中，燃?xì)?透平12的轉(zhuǎn)速與在發(fā)電機(jī)18中產(chǎn)生的交流電壓的頻率處于固定比例 中，所述交流電壓頻率必須等于電網(wǎng)21的電網(wǎng)頻率。在目前通常具 有高于100MW的功率的大型燃?xì)馔钙絾卧校?0Hz的發(fā)電機(jī)頻率或 電網(wǎng)頻率配屬于3600轉(zhuǎn)/分鐘的燃?xì)馔钙睫D(zhuǎn)速(例如申請(qǐng)人的燃?xì)馔?平GT24 ),并且50Hz的發(fā)電機(jī)頻率配屬于3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速(例 如申請(qǐng)人的燃?xì)馔钙紾T26 )。
要實(shí)現(xiàn)在燃?xì)馔钙?2的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)頻率或電網(wǎng)頻率之間的其 他比例，可以根據(jù)圖3在發(fā)電站設(shè)備IO"中原則上在燃?xì)馔钙?2的軸 19和發(fā)電機(jī)18(透平系11，)之間插入機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)26，所述傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)通常設(shè)計(jì)為減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)馔钙?2的較高的轉(zhuǎn) 速和較小的結(jié)構(gòu)類型。這種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)26由于強(qiáng)度原因僅用于小 于IOOMW的功率。在另一方面，每個(gè)燃?xì)馔钙匠^IOOMW的大功 率和高效率首先利用相對(duì)緩慢旋轉(zhuǎn)的單軸機(jī)器來實(shí)現(xiàn)。
在圖1中示出的情況產(chǎn)生了單個(gè)單軸燃?xì)馔钙骄哂懈哂?/b>00MW 的有效功率，其以3000轉(zhuǎn)/分鐘(用于50Hz; GT26 )或者3600轉(zhuǎn)/ 分鐘(用于60Hz; GT24)的固定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)并優(yōu)化(RJoos et al.，F(xiàn)ield experience with the sequential combustion system of the GT24/GT26 gas turbine family,ABB Review no.5,p.12-20(1998))。高于100Hz和在功 率低于IOOMW時(shí)，通過具有動(dòng)力透平或傳動(dòng)^L構(gòu)的方案，或者通過 多軸燃?xì)馔钙綆缀蹩梢詫?shí)現(xiàn)任意的交流電壓頻率(圖1中的陰影區(qū) 域)。燃?xì)馔钙疥P(guān)于頻率的功率在此以曲線A描述，而效率Ti以曲線 B描述。具有高效率的大功率還可以首先在低轉(zhuǎn)速時(shí)實(shí)現(xiàn)，在此僅使 用個(gè)別的解決方案。
為了在個(gè)別的解決方案中降低制造費(fèi)用，在US-A-5，520，512中已 經(jīng)提出，在用于不同電網(wǎng)頻率的燃?xì)馔钙皆O(shè)備中至少部分透平相同地 設(shè)計(jì)。在燃?xì)馔钙降霓D(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間的固定耦合在此保持不變。
在US-B2-6，628，005中提出，由具有預(yù)定轉(zhuǎn)速的透平和發(fā)電機(jī)組 成的單軸設(shè)備由此用于不同的50Hz和60Hz的電網(wǎng)頻率，即發(fā)電機(jī)頻 率選擇在兩個(gè)電網(wǎng)頻率之間例如55Hz,根據(jù)5Hz電網(wǎng)頻率4昔助于獨(dú)L 分器相加或相減。在此固定的耦合保持不變。方案的電網(wǎng)頻率之間的固定耦合，造成了下列缺點(diǎn)
- 在電網(wǎng)上的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行僅能受限制地實(shí)現(xiàn)。
- 在透平中會(huì)出現(xiàn)頻率跳變，或者在通過提高燃?xì)馔钙饺肟跍?度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以支持電網(wǎng)頻率，會(huì)出現(xiàn)高的熱和機(jī)械負(fù)載。
- 快速變動(dòng)導(dǎo)致提高負(fù)載。
- 不能實(shí)現(xiàn)發(fā)電站設(shè)備不依賴于電網(wǎng)頻率地進(jìn)行調(diào)節(jié)功率。
- 不能實(shí)現(xiàn)發(fā)電站設(shè)備不依賴于電網(wǎng)頻率地進(jìn)行效率優(yōu)化。
- 不能實(shí)現(xiàn)發(fā)電站設(shè)備不依賴于電網(wǎng)頻率地進(jìn)行部分負(fù)栽優(yōu)化。
- 燃?xì)馔钙降呐欧旁O(shè)計(jì)僅受限制地實(shí)現(xiàn)。
由于在透平轉(zhuǎn)速和用于現(xiàn)存的具有新研發(fā)的組件和新設(shè)備的設(shè) 備方案的電網(wǎng)頻率之間的固定耦合，造成了下列缺點(diǎn)
- 壓縮機(jī)和透平不能在固定的頻率耦合中設(shè)計(jì)在最佳點(diǎn)中，而 這在頻率不相關(guān)的情況下則可以實(shí)現(xiàn)。
- 設(shè)計(jì)有固定50Hz活60Hz電網(wǎng)頻率耦合的燃?xì)馔钙胶驼魵馔?平在所希望的功率下不一定成本最優(yōu)化，因?yàn)橥ㄟ^預(yù)定轉(zhuǎn)速，空氣動(dòng) 力的或機(jī)械的設(shè)計(jì)極限防礙了最優(yōu)化，其在轉(zhuǎn)速可變的情況下則可以 更好地彼此協(xié)調(diào)。
- 通過與電網(wǎng)頻率的給定的耦合，發(fā)電站透平在功率級(jí)方面被 限定(參見圖1中的曲線A)。
- 燃?xì)馔钙讲荒茏罴训嘏c可變的外界條件相適配。
在US-A-5,694，026中公開了 一種沒有傳動(dòng)4幾構(gòu)的單軸發(fā)電^L組， 其中在發(fā)電機(jī)輸出端和電網(wǎng)之間設(shè)置固定的變頻器，利用所述變頻器 將由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電壓頻率轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)頻率。在啟動(dòng)燃?xì)馔钙?時(shí)，發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用，其由電網(wǎng)通過固定的變頻器供給能量。 變頻器包含由電感形成的直流電中間電路。
在US-B2-6,979,914中已知一種具有由燃?xì)馔钙胶桶l(fā)電機(jī)組成單 軸布置的發(fā)電站設(shè)備，其中同樣在發(fā)電機(jī)輸出端和電網(wǎng)之間設(shè)置變頻 率，以便將由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電壓匹配于電網(wǎng)頻率。在此在變頻器 中設(shè)置直流電壓中間電路。
在LJ.J Offringa，L丄J et al.文獻(xiàn)"A 1600 kW IGBT converter withinterphase transformer for high speed gas turbine plants，，，Proc.IEEE-IAS Conf.2000.4，8-12 October 2000,Rome,2000，pp.2243-2248中，已知一種 具有快速旋轉(zhuǎn)的燃?xì)馔钙?18000轉(zhuǎn)/分鐘)和相對(duì)較小的輸出功率 (1600kW)的發(fā)電站i殳備，其中在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的頻率耦合通 過具有直流電壓中間電路的變頻器來實(shí)現(xiàn)。
在已知的發(fā)電站設(shè)備中，通過具有直流電流和直流電壓中間電路 的變頻器在發(fā)電機(jī)輸出端和電網(wǎng)之間解耦的缺點(diǎn)在于，變頻器引起了 顯著的功率損失，其在具有單軸透平系和大于IOOMW的功率的發(fā)電 站設(shè)備中，又不能實(shí)現(xiàn)在這個(gè)范圍中部分地獲得的效率改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種發(fā)電站設(shè)備，所述發(fā)電站設(shè)備能夠 克服已知發(fā)電站設(shè)備的缺點(diǎn)，并且特別是在高效同時(shí)具有靈活的運(yùn) 行；并且提出了一種用于運(yùn)行所述發(fā)電站設(shè)備的方法。
本發(fā)明的基本構(gòu)思在于，燃?xì)馔钙?發(fā)電機(jī)組借助于電子裝置在 頻率上脫離于電網(wǎng)。所述裝置例如設(shè)計(jì)為矩陣變流器。由此，燃?xì)馔?平可以在設(shè)計(jì)和工作中最佳地調(diào)節(jié)和設(shè)置到不同的邊界條件，而不會(huì) 明顯降低高效率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，工作頻率明顯不同于電網(wǎng)頻率，其中特 別是工作頻率小于電網(wǎng)頻率，電網(wǎng)頻率為50Hz或60Hz。在一個(gè)優(yōu)選 方案中，電網(wǎng)頻率為60Hz,且工作頻率為50Hz。
工作頻率還可以大于優(yōu)選為50Hz或60Hz的電網(wǎng)頻率。特別是電 網(wǎng)頻率為50Hz,工作頻率為60Hz。
本發(fā)明的另 一方案的特征在于，矩陣變流器包括多個(gè)設(shè)置在(m x n)矩陣中的可控制的雙向開關(guān)，其受控制器控制地將m個(gè)輸入端可 選擇地與n個(gè)輸出端連接，其中m大于n，并且其中在輸入端中設(shè)有 用于確定電流極性的第 一器件，在輸入端之間設(shè)有用于確定電壓極性 的第二器件，并且其中第 一器件和第二器件與所述控制器作用連接。 雙向開關(guān)可以由一個(gè)構(gòu)件形成，也可以由多個(gè)構(gòu)件形成。例如兩個(gè)具 有反向正偏方向的反向并聯(lián)的晶體閘流管可以用作可控制的雙向開 關(guān)。用于確定電流極性和電壓極性的器件例如可以是電流測(cè)量?jī)x和電 壓測(cè)量?jī)x。備選地，例如還可以應(yīng)用二進(jìn)位傳感器，其僅給出極性。
ii根據(jù)本發(fā)明的另一方案，電子解耦裝置可作為可變的電子傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)應(yīng)用。因此，可以可靠地調(diào)節(jié)與電網(wǎng)連接的燃?xì)馔钙降霓D(zhuǎn)速。所述 可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)例如可以通過矩陣變流器來實(shí)現(xiàn)。
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由此實(shí)現(xiàn)，即將額定轉(zhuǎn)速傳遞到可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 上，并通過發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)制施加到燃?xì)馔钙缴?。在此，發(fā)電機(jī)通過
制施加額定轉(zhuǎn)速。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，燃?xì)馔钙睫D(zhuǎn)速與可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的 電網(wǎng)頻率的傳動(dòng)比小于1。例如特別為六分之五。
燃?xì)馔钙睫D(zhuǎn)速與可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的電網(wǎng)頻率的傳動(dòng)比也可 以大于1。特別為五分之六。
另 一 方案使得可以圍繞設(shè)計(jì)傳動(dòng)比靈活地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
額定轉(zhuǎn)速基于燃?xì)馔钙降脑O(shè)計(jì)和工作條件來確定。這例如可以在 調(diào)節(jié)燃?xì)馔钙綍r(shí)實(shí)現(xiàn)，額定轉(zhuǎn)速由所述燃?xì)馔钙絺鬟f到可變的傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)的控制器。還可以考慮在單獨(dú)的控制器或上級(jí)單元控制器中確定額 定轉(zhuǎn)速，所述上級(jí)單元控制器在組合發(fā)電站中同時(shí)調(diào)節(jié)燃?xì)馔钙胶驼?氣透平。
本發(fā)明的另一方案的特征在于燃?xì)馔钙?，其在工作方面的設(shè)計(jì)在 發(fā)電站中利用與電網(wǎng)的電子解耦來優(yōu)化。
具有特別高效和低排放值的另 一 方案的特征在于，燃?xì)馔钙綐?gòu)造 成具有連續(xù)燃燒裝置的燃?xì)馔钙健?br>

下面借助實(shí)施例參考附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明。其示出了
圖1在圖表中示出了燃?xì)馔钙皆O(shè)備的可能的功率(曲線A)和效 率(曲線B)與工作頻率的相關(guān)性；
圖2以非常簡(jiǎn)略的線路圖示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有燃?xì)馔钙胶?單軸透平系的發(fā)電站設(shè)備；
圖3以非常簡(jiǎn)略的線路圖示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有燃?xì)馔钙胶?機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)電站設(shè)備；
圖4以非常簡(jiǎn)略的線路圖示出了根據(jù)本發(fā)明的具有燃?xì)馔钙胶碗娮咏怦钛b置的發(fā)電站設(shè)備；
圖5示出了矩陣變流器的示例性的內(nèi)部構(gòu)造，如其可以作為根據(jù)
圖4的設(shè)備中的電子解耦裝置來使用；
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明與圖4類似的具有不同調(diào)節(jié)方案的設(shè)備；
圖7示出了下轉(zhuǎn)速極限與壓縮機(jī)入口溫度的相關(guān)性；
圖8示出了與空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速相關(guān)的壓縮機(jī)效率；
圖9示出了空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速r/和機(jī)械的轉(zhuǎn)速nmech關(guān)于壓縮機(jī)入口
溫度T^的調(diào)節(jié)；
圖10示出了標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣壓縮比兀c。。,和標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣質(zhì)量 流nie。。,關(guān)于用于燃?xì)馔钙降睦鋮s系統(tǒng)的壓縮機(jī)入口溫度TK1的曲線。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在圖4中以非常簡(jiǎn)化的線路圖示出了 具有燃?xì)馔钙胶碗娮咏怦钛b置的發(fā)電站設(shè)備。發(fā)電站設(shè)備10包括具 有壓縮機(jī)13的燃?xì)馔钙?2和連續(xù)燃燒裝置，其中第一燃燒室15利 用第一燃料通過第一燃料供給裝置17產(chǎn)生熱氣，所述熱氣在第一透 平14a中膨脹然后引入第二燃燒室15'中，在此利用第二燃料通過第二 燃料供給裝置n'引起了熱氣溫度的第二次提高，該熱氣接著在第二
透平14b中膨脹。代替在效率方面特別有效的連續(xù)燃燒裝置，還可以 設(shè)置單級(jí)的燃燒裝置。所述設(shè)備的其余部件相應(yīng)于在圖2或圖3中具 有相同附圖標(biāo)記的部件。
發(fā)電機(jī)18直接地聯(lián)接到燃?xì)馔钙?2的軸19上。因此發(fā)電機(jī)18 以和燃?xì)馔钙?2相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在在發(fā)電機(jī)18的輸出端和電網(wǎng) 21之間設(shè)置電子解耦裝置或可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)27,其使得燃?xì)馔?平12的轉(zhuǎn)速或在發(fā)電機(jī)18中產(chǎn)生的工作頻率與電網(wǎng)的預(yù)先確定的電 網(wǎng)頻率解耦，并允許調(diào)節(jié)燃?xì)馔钙?2的機(jī)械的轉(zhuǎn)速nmech。
電子解耦裝置或可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)27-為了限定損耗功率-優(yōu)選 設(shè)計(jì)為沒有直流中間電路的矩陣變流器。這種由于其控制而以特別少 量損失工作的矩陣變流器就構(gòu)造和工作方式而言已經(jīng)在EP-A2-1 199 794中進(jìn)行描述。這種矩陣變流器的其他實(shí)施方案在EP-A1-1 561 273 中、在DE曙A1-10 2004 016 453、 DE-A1-10 2004 016 463和DE-A1-10 2004 016 464中披露。在圖4中示出了具有6個(gè)輸入相位和3個(gè)輸出
13相位的矩陣變流器的原理電路圖。矩陣變流器(27)在時(shí)序6中將作 為源的發(fā)電才幾18的6個(gè)相位G1...G6連接至負(fù)載30的3個(gè)相位 Ll.,丄3。對(duì)此所需的功率元件29包括18個(gè)雙向開關(guān)32，其呈反向 并聯(lián)的晶體閘流管的形式(在通常情況下，存在mxn開關(guān)用于m輸 入相位/源相位和n輸出相位/負(fù)載相位)。開關(guān)32設(shè)置在(6x3)矩 陣中。設(shè)置控制裝置或控制器31以用于對(duì)開關(guān)32進(jìn)行控制，所述控 制器由節(jié)拍發(fā)生器28獲得時(shí)間信號(hào)(節(jié)拍頻率)。監(jiān)測(cè)開關(guān)32的開 關(guān)狀態(tài)(接通、斷開)并分別通過第一信號(hào)線36通知給控制器31。 開關(guān)32由控制器31分別通過控制線35來控制。
在發(fā)電機(jī)18的單個(gè)相位G1...G6中分別設(shè)置一個(gè)電流測(cè)量裝置 34,所述電流測(cè)量裝置將相電流的符號(hào)通過第二信號(hào)線37通知給控 制器31。此外，在發(fā)電機(jī)18的相位G1...G6之間設(shè)置電壓測(cè)量裝置 33，所述電壓測(cè)量裝置將各個(gè)相位電壓差的符號(hào)通過第三信號(hào)線38 通知給控制器31。對(duì)于矩陣變流器的工作過程的細(xì)節(jié)可參閱上述文 獻(xiàn)。
替代在發(fā)電機(jī)18的輸出端和電網(wǎng)21之間的純粹的頻率解耦，解 耦裝置27可構(gòu)造成可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)27，其將不依賴于電網(wǎng)頻率
F的工作頻率或轉(zhuǎn)速nmeeh通過發(fā)電機(jī)18調(diào)節(jié)地施加于燃?xì)馔钙?。?br> 變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)27的傳動(dòng)比X依賴于額定轉(zhuǎn)速51和實(shí)際電網(wǎng)頻率 F來確定。
利用可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或解耦裝置27,特別是以所述類型的矩 陣變流器的方式，得出了以下優(yōu)點(diǎn)
- 對(duì)于固定的頻率耦合，僅可最多在頻率偏差為電網(wǎng)頻率的 5-6%時(shí)運(yùn)行燃?xì)馔钙?。這種限制實(shí)際上可以消除。
- 電網(wǎng)21的電網(wǎng)頻率可以在寬的頻率范圍中得到支持。當(dāng)對(duì)于 固定的頻率耦合可以在5-6%的電網(wǎng)頻率的范圍中實(shí)現(xiàn)電網(wǎng) 頻率支持時(shí)，可以通過電子解耦或調(diào)節(jié)電子可變的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 的頻率比而在明顯多于10%的范圍中得到支持。
- 依賴外界條件(例如入口溫度)可以實(shí)現(xiàn)最佳工作(功率、 效率)的匹配。
- 可以提高功率。
- 可以改善效率。- 可以在負(fù)載波動(dòng)時(shí)改善靈活性，以及改善燃?xì)馔钙降氖褂脡?命。此外燃?xì)馔钙娇梢赞D(zhuǎn)速恒定地運(yùn)行。避免或降^f氐此前出 現(xiàn)的由于用于轉(zhuǎn)速支持的措施而必然出現(xiàn)的額外的熱負(fù)載 或機(jī)械負(fù)載。
- 可以改善排放值?？勺冝D(zhuǎn)速的額外的自由度使得在較高或較 低的轉(zhuǎn)速時(shí)能實(shí)現(xiàn)所希望的功率。因此在燃?xì)馔钙阶鳛轵?qū)動(dòng) 裝置的情況下，這涉及到較低或較高的透平入口溫度連同
C02和NOx排放的影響效應(yīng)。特別是在頻率支持的情況下， 可以避免提高排放。
- 頻率解耦或者可變的頻率比允許建造其尺寸對(duì)于所希望的功 率而言最小化的發(fā)電站，及通過額外的自由度，使得可以不 依賴于電網(wǎng)頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。(例如3300轉(zhuǎn)/分鐘的透平構(gòu) 造成明顯小于3000轉(zhuǎn)/分鐘的透平)。由此可以降低結(jié)構(gòu)費(fèi)
，:< 。'"、'乂、"、、'"、 - ，，，、
法達(dá)到的功率范圍內(nèi)建造發(fā)電站(例如2400轉(zhuǎn)/分鐘的透平 中可以與現(xiàn)有的3000轉(zhuǎn)/分鐘的透平相比增加60%的功率)。 燃?xì)馔钙降倪\(yùn)行不依賴于電網(wǎng)頻率或負(fù)栽的工作頻率進(jìn)一步實(shí)
現(xiàn)了最優(yōu)設(shè)計(jì)，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的燃?xì)馔钙皆O(shè)計(jì)中，需要較大的裕度用于
非設(shè)計(jì)工作條件。主要優(yōu)點(diǎn)在于
- 通過降低的機(jī)械的轉(zhuǎn)速nmeeh在低的外界溫度Tamb時(shí)在最佳
的組件效率下產(chǎn)生了較低的壓縮機(jī)端部壓力，而不會(huì)在壓縮 機(jī)和透平中造成壓力曲線(壓縮比)發(fā)生變動(dòng)
*殼體設(shè)計(jì)、冷卻空氣冷卻器和外部線路通過減小用于
外部溫度Tamb的裕度而最佳化。 *降低最大燃料壓力。相應(yīng)地，降低用于燃料分配系統(tǒng) FDS ( Fuel Distribution System )的設(shè)計(jì)裕度并降低對(duì) 用于氣態(tài)燃料的壓縮機(jī)的要求。
- 恒定的降低的轉(zhuǎn)速在壓縮機(jī)出口和透平出口(在基本負(fù)載下) 形成相同的速度三角。這在設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了更加優(yōu)化的擴(kuò)散 器。
- 在壓縮機(jī)中的壓力建立沒有變動(dòng)。用于冷卻空氣供給裝置的
15壓縮比不再(或者以較小的程度)依賴于外界溫度Tamb。不 必在冷卻空氣壓縮比中設(shè)置裕度用于在冷卻空氣系統(tǒng)中針 對(duì)Tamb的變化。相應(yīng)地可以最優(yōu)到設(shè)計(jì)條件，從而實(shí)現(xiàn)了 燃?xì)馔钙降母玫男屎洼^高的功率
*這附加地改善了關(guān)于T^b的修正曲線；特別是在高 的Tamb時(shí)，不需要消耗很多的冷卻空氣。 - 使得軸向推力關(guān)于Tamb具有較小變化。較小的止推軸承是足 夠的。這導(dǎo)致了軸承的成本節(jié)約的且較小的損耗功率(較小 的潤(rùn)滑油系統(tǒng))。由此改善了功率和效率。 根據(jù)本發(fā)明，特別重要的是能夠不依賴于電網(wǎng)頻率以所希望的轉(zhuǎn) 速穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)在發(fā)電站設(shè)備內(nèi)部的透平系-燃?xì)馔钙胶桶l(fā)電機(jī)，從而 支持電網(wǎng)穩(wěn)定。在頻率跳變時(shí)，發(fā)電站必須能夠保持在通常的電網(wǎng)頻 率下發(fā)出的功率，以理想的方式甚至能夠?qū)⒃龃蟮墓β瘦斔偷诫娋W(wǎng) 上，目前的發(fā)電站系統(tǒng)可以有限地確保這一點(diǎn)。電網(wǎng)頻率下降通過與 電網(wǎng)頻率固定地耦合的系統(tǒng)獲知，作為在透平和發(fā)電機(jī)上的不希望的 轉(zhuǎn)速下降。在經(jīng)過短暫階段后(在此期間由燃?xì)馔钙?發(fā)電機(jī)-軸系 通過轉(zhuǎn)速減速將動(dòng)能輸入到電網(wǎng)中)，所發(fā)出的功率下降。燃?xì)馔钙?系統(tǒng)在這種情況下以減小的進(jìn)氣質(zhì)量流和明顯提高的燃料輸入作為 反應(yīng)，這在燃?xì)馔钙絻?nèi)造成提高熱氣溫度。這還明顯降低了透平的使 用壽命，這也增加了設(shè)備的運(yùn)行成本。NOx形式的有害燃料排放同樣 在這個(gè)運(yùn)行階段中明顯提高。在此就已經(jīng)確定了兩個(gè)限制條件，即使 用壽命和排放，其強(qiáng)烈地限制了在電網(wǎng)頻率下降的情況下提高功率。 第三方面是，機(jī)械和空氣動(dòng)力的兼容性。因?yàn)榘l(fā)電站設(shè)備不能夠在機(jī) 械上以相應(yīng)減小的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，于是超過6%的強(qiáng)烈的頻率下降會(huì)導(dǎo)致 發(fā)電站設(shè)備停機(jī)。在此在較低的空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速時(shí)
運(yùn)行還受到壓縮機(jī)的泵送極限的限制(參見圖7; C-機(jī)械的轉(zhuǎn)速極 限，D-負(fù)栽卸栽，E-壓縮才幾泵保護(hù))。
在電網(wǎng)頻率解耦系統(tǒng)或具有可調(diào)節(jié)的頻率比的系統(tǒng)的情況下，避 免了全部上述缺點(diǎn)。對(duì)最小允許的電網(wǎng)頻率不存在限制，因?yàn)橥钙较?不必跟蹤電網(wǎng)頻率。因此沒有增加有害物質(zhì)以及減小使用壽命。除了穩(wěn)定電網(wǎng)，這種類型的發(fā)電站系統(tǒng)還能在每個(gè)工作點(diǎn)、特別 是在部分負(fù)載工作點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)功率最優(yōu)化和效率最優(yōu)化。通過依 賴于工作點(diǎn)進(jìn)行的適合的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在允許的機(jī)械極限的范圍內(nèi)，或 者通過提高透平效率，或者備選地通過提高功率來實(shí)現(xiàn)排放降低和燃 料節(jié)約，其中所述提高功率在覆蓋峰值負(fù)載方面提高了發(fā)電站的靈活 性。
不依賴于電網(wǎng)頻率的發(fā)電站系統(tǒng)的另一有利方面是，設(shè)備對(duì)于不 同的所在位置條件具有較好的適應(yīng)性。所述的電網(wǎng)穩(wěn)定性是一個(gè)主要 方面，其決定性地取決于所在位置。此外主要是不同的外界條件，如 外部溫度、空氣壓力、特別是由安裝高度所決定的空氣壓力、空氣濕 度以及燃料成分會(huì)影響發(fā)電站的工作狀態(tài)。不依賴于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的額外 的自由度相應(yīng)地允許根據(jù)當(dāng)前的外界條件分別產(chǎn)生最佳的運(yùn)行條件。 在此還實(shí)現(xiàn)了效率改善或功率提高。
例如可以簡(jiǎn)化地與壓縮機(jī)入口溫度成反比地調(diào)節(jié)沖幾械的轉(zhuǎn)速，以
使燃?xì)馔钙?2的空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速保持恒定。如果在調(diào)節(jié)中未考慮空
氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速對(duì)壓縮機(jī)入口壓力的依賴性，于是可以通過修正機(jī)械的 參考轉(zhuǎn)速對(duì)依賴于發(fā)電站的所在位置的平均的外界壓力與燃?xì)馔钙?的設(shè)計(jì)壓力的偏差加以考慮?；谶@個(gè)修正的參考轉(zhuǎn)速，與壓縮機(jī)入
口溫度Tkl的方根成比例地調(diào)節(jié)燃?xì)馔钙?2的額定轉(zhuǎn)速。
即使在計(jì)算空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速時(shí)考慮壓力，對(duì)參考轉(zhuǎn)速的修正也是 有利的。對(duì)于發(fā)電站的安裝高度較高和相應(yīng)低的外界壓力，可以在沒 有修正的情況下，使閉環(huán)控制裝置39總是計(jì)算最大允許的機(jī)械的轉(zhuǎn) 速作為額定轉(zhuǎn)速51。因此又會(huì)失去通過電網(wǎng)頻率解耦或者可變的頻率 比的調(diào)節(jié)所獲得的大多優(yōu)點(diǎn)。相應(yīng)地，有利地選擇還允許靈活運(yùn)行的 參考轉(zhuǎn)速。
此外根據(jù)所應(yīng)用的可燃?xì)怏w來修正參考轉(zhuǎn)速是有利的。根椐燃?xì)?透平設(shè)計(jì)，例如用于ISO甲烷，可燃?xì)怏w體積流隨著可燃?xì)怏w的降低 的比熱值而增加，進(jìn)而燃燒室壓力和壓縮機(jī)端部壓力升高。為了對(duì)其 做出補(bǔ)償，提出與可燃?xì)怏w的熱值成反比地降低參考轉(zhuǎn)速。這例如對(duì) 于燃燒合成燃?xì)鈦碚f是重要的。
這種新技術(shù)關(guān)于流產(chǎn)生位置的效率提高潛能對(duì)于典型的應(yīng)用而 言在透平中處在3% (倍增)的數(shù)量級(jí)?？梢钥紤]針對(duì)流產(chǎn)生位置明
17顯超過10。/。的功率提高。電網(wǎng)頻率限制變得不明顯。
全部上述方面都可用于現(xiàn)存的燃?xì)馔钙?。此外，還提供了不同的 優(yōu)化燃?xì)馔钙降目赡苄?，只要燃?xì)馔钙降霓D(zhuǎn)速不受電網(wǎng)頻率的限制。
渦輪組件、壓縮機(jī)和透平可以利用新的邊界條件來設(shè)計(jì)。目前對(duì) 于穩(wěn)態(tài)的燃?xì)馔钙?，還需要考慮降低大約+/-10%的轉(zhuǎn)速的最小工作范 圍作為安全窗。因此確保了， 一方面，燃?xì)馔钙娇梢猿惺苡捎陔娋W(wǎng)頻 率波動(dòng)引起的機(jī)械的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。另一方面，入口溫度的變化可以覆蓋，
該入口溫度以比例l/(TEintdtt) 1/2包括到降低的轉(zhuǎn)速中。如果通過最
佳的運(yùn)方案限制所需的降低的轉(zhuǎn)速范圍，則可以通過新設(shè)計(jì)壓縮機(jī)和 燃?xì)馔钙饺~片實(shí)現(xiàn)效率增益和功率增益。
另一利用相對(duì)于電網(wǎng)頻率的靈活性的備選方案在于，在迄今還不 能實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍中研發(fā)透平和發(fā)電機(jī)。因此通過使轉(zhuǎn)速相對(duì)于電網(wǎng)
頻率下降到例如45Hz，可以實(shí)現(xiàn)4交大的發(fā)電站單元。
對(duì)于這樣的轉(zhuǎn)速范圍，在該轉(zhuǎn)速范圍種透平不必再配有傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)，并且該轉(zhuǎn)速范圍還處于電網(wǎng)頻率之上，則能夠構(gòu)建更為緊湊進(jìn)而 成本經(jīng)濟(jì)的燃?xì)馔钙?，只要功率在給定的電網(wǎng)頻率下低于極限功率。 發(fā)電機(jī)同樣具有通過較高的轉(zhuǎn)速構(gòu)造得更為緊湊的優(yōu)點(diǎn)。
在目前具有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的燃?xì)馔钙街校鳛樽詈筮x擇，可以省略傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)并設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)用于燃?xì)馔钙降霓D(zhuǎn)速。所迷發(fā)電機(jī)在這種情況下 變得更小且更為經(jīng)濟(jì)。
在圖6中又示出了發(fā)電站設(shè)備10的簡(jiǎn)化的線路圖，其設(shè)計(jì)用于 根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)行方法。具有燃?xì)馔钙?2和發(fā)電機(jī)18的透平系11 與在圖4中的透平系相當(dāng)?？勺兊碾娮觽鲃?dòng)機(jī)構(gòu)或電子解耦裝置27 和所連接的電網(wǎng)21也是這樣。所述電網(wǎng)21可以是通常的供電網(wǎng)，還 可以是軌道電網(wǎng)。還可以連接負(fù)載例如工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置或用于天然氣液 化設(shè)備的壓縮機(jī)來代替電網(wǎng)21。在此由于空間原因，省略了具有水-蒸汽循環(huán)的可能的附加的蒸汽透平。
至少一排在壓縮機(jī)13的入口處的可調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)導(dǎo)流葉片42以 及在通向內(nèi)燃機(jī)室15、 15'的燃料供給裝置17或17'中的控制閥40 和41被用于控制或調(diào)節(jié)燃?xì)馔钙?2。根據(jù)確定的輸入?yún)?shù)，開環(huán)控 制裝置或閉環(huán)控制裝置39發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，所述輸入?yún)?shù)可以 單獨(dú)地或以可選擇地組合的方式來應(yīng)用?？赡艿膮?shù)是壓縮機(jī)入口溫度，其利用設(shè)置在空氣入口 16上的第一測(cè)量值變送器43來測(cè)量。其 他可能的參數(shù)是壓縮機(jī)端部溫度和壓縮機(jī)端部壓力，其利用在壓縮機(jī) 出口上的第二或第三測(cè)量值變送器44或45來測(cè)量。另一測(cè)量值變送 器46測(cè)量冷卻空氣的壓力和/或溫度和/或流通量，這個(gè)測(cè)量值變送器 46設(shè)置在從壓縮機(jī)13通到燃?xì)馔钙?2的熱負(fù)荷的部件、例如通到兩 個(gè)透平14a和14b中的冷卻空氣供給裝置50上。另一測(cè)量值變送器 47還可以設(shè)置在第二燃燒室15'上，以便測(cè)量在這個(gè)燃燒室中的壓 力。燃?xì)馔钙?2的轉(zhuǎn)速例如可以在發(fā)電機(jī)18上降低并通過測(cè)量線48 輸入到閉環(huán)控制裝置39中。為了測(cè)量電網(wǎng)21中的電網(wǎng)頻率，可以設(shè) 置電網(wǎng)頻率變送器49。最后可以將目標(biāo)功率ZL的值輸入到閉環(huán)控制 裝置39中。
所述閉環(huán)控制裝置39在與電網(wǎng)電子解耦時(shí)其中一個(gè)或多個(gè)所述 參數(shù)來調(diào)節(jié)燃?xì)馔钙?2和發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力的或機(jī)械的轉(zhuǎn)速nmech， 而不會(huì)使轉(zhuǎn)速以其它的方式被電網(wǎng)21的電網(wǎng)頻率F影響。
備選地，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)例如還可以由此實(shí)現(xiàn)，即在燃?xì)馔钙降拈]環(huán) 控制裝置39中計(jì)算出的額定轉(zhuǎn)速51傳遞給所述可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 27的控制器31,并將額定轉(zhuǎn)速51通過發(fā)電機(jī)施加到燃?xì)馔钙?2上。 發(fā)電機(jī)18在此通過可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)27相對(duì)于與燃?xì)馔钙?2相 比近似穩(wěn)態(tài)的電網(wǎng)21上得到支持，并且通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)F和燃?xì)馔钙?br> 的機(jī)械的轉(zhuǎn)速tlmech之間的頻率比強(qiáng)制施加額定轉(zhuǎn)速51。近似穩(wěn)態(tài)的 電網(wǎng)21在此意味著，由于轉(zhuǎn)速Ilmech或者由相關(guān)燃?xì)馔钙?2輸送到電
網(wǎng)21上的功率的變化，電網(wǎng)頻率F的變化是非常小的，并且在調(diào)節(jié) 過程中是可忽略的，或者可以容易地補(bǔ)償。這就是說，尤其是在匹配 強(qiáng)制施加的燃?xì)馔钙睫D(zhuǎn)速時(shí)，可能會(huì)引起的電網(wǎng)頻率F的變化的數(shù)量 級(jí)是較小的。通常所引起的電網(wǎng)頻率F的變化在電網(wǎng)噪聲中是無法測(cè)量的。
圖7簡(jiǎn)化地示出了燃?xì)馔钙?2關(guān)于壓縮機(jī)入口溫度T)d通常要考 慮的標(biāo)準(zhǔn)化的最小轉(zhuǎn)速，燃?xì)馔钙?2通過負(fù)栽卸載D得到支持防止 低于此值。其由機(jī)械的轉(zhuǎn)速極限C和壓縮機(jī)泵保護(hù)E組成。
燃?xì)馔钙降撵`活性和工作范圍的另一改進(jìn)方案在本發(fā)明的范圍 內(nèi)由此實(shí)現(xiàn)，即燃?xì)馔钙?2可以穩(wěn)態(tài)地在電網(wǎng)21上工作的絕對(duì)的轉(zhuǎn) 速范圍可以明顯擴(kuò)展為低的轉(zhuǎn)速nmech。為了穩(wěn)態(tài)工作，在傳統(tǒng)的燃?xì)馔钙?2中，機(jī)械的轉(zhuǎn)速Ilmech向下受到固有頻率激勵(lì)的限定。這例如 可以是葉片的固有頻率。其中固有頻率受激的轉(zhuǎn)速范圍可以僅短暫地 經(jīng)過。這在燃?xì)馔钙絾?dòng)或者停機(jī)時(shí)發(fā)生，只要燃?xì)馔钙轿磁c電網(wǎng)21
同步。其中在會(huì)導(dǎo)致發(fā)生固有頻率受激的轉(zhuǎn)速nmech附近存在鎖定范 圍，在該鎖定范圍中，燃?xì)馔钙?2不能穩(wěn)態(tài)地運(yùn)行。在燃?xì)馔钙?2 的工作頻率之下的最上面的鎖定范圍通常決定機(jī)械的轉(zhuǎn)速極限C。所
提出的與電網(wǎng)頻率獨(dú)立地調(diào)節(jié)燃?xì)馔钙剑沟眉词乖谌細(xì)馔钙綄⒐β?輸出到電網(wǎng)上期間也能短暫地運(yùn)行通過鎖定范圍，并且燃?xì)馔钙皆诘?br> 于鎖定范圍的轉(zhuǎn)速Ilmech運(yùn)行。在利用電子解耦裝置或者可變的電子傳
動(dòng)機(jī)構(gòu)27運(yùn)行時(shí)要考慮，所述電子裝置在確定的頻率下通過發(fā)電機(jī) 18會(huì)將激勵(lì)施加到軸系上。如果這會(huì)導(dǎo)致在軸19、葉片或者軸系的 其它組件中產(chǎn)生臨界固有振動(dòng)，則也要避免這個(gè)頻率。鎖定范圍可以 包含到燃?xì)馔钙?9的閉環(huán)控制裝置中。因?yàn)樗黾?lì)依賴于電子裝 置，所以在這個(gè)方案中，鎖定范圍存儲(chǔ)在可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)27的 控制器31中。當(dāng)額定轉(zhuǎn)速51下降到這種鎖定區(qū)域中，于是所述額定 轉(zhuǎn)速在控制器31中被修正為低于或高于鎖定區(qū)域的下一較大的值或 下 一較小的值，并且相應(yīng)于修正值調(diào)節(jié)可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
要考慮的轉(zhuǎn)速極限(如其以負(fù)載卸載為例作為壓縮機(jī)泵保護(hù)E在 低轉(zhuǎn)速下在圖7中簡(jiǎn)化地示出的那樣)是兩個(gè)對(duì)立要求之間的折中 一方面，燃?xì)馔钙降墓ぷ鞣秶M可能小地受限，另一方面壓縮機(jī)要 盡可能接近泵送極限運(yùn)行，因?yàn)樵谀抢镄首罡?。到泵送極限ns的距 離An對(duì)于在運(yùn)行期間產(chǎn)生的壓縮機(jī)效率ric。mp的影響在圖8中示意性 示出。在最佳的空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速n。pt的情況下，最高的壓縮機(jī)效率T]。pt 容易達(dá)到高于泵送極限ns。在這種轉(zhuǎn)速時(shí)，傳統(tǒng)的燃?xì)馔钙?2在設(shè) 計(jì)條件下不能工作，因?yàn)楸仨氉裱奖盟蜆O限ns的距離Anmech。這導(dǎo) 致了在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速nd下較低的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)效率
在具有可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速的燃?xì)馔钙?2的新方案中，壓縮機(jī)通過到
泵送極限ns的較小的距離Anmech得以最優(yōu)化，并且設(shè)計(jì)用于接近于或
在最優(yōu)化的轉(zhuǎn)速n。pt時(shí)工作，因?yàn)橛捎趬嚎s機(jī)入口溫度的變化空氣動(dòng)
力的轉(zhuǎn)速的變化可以通過調(diào)節(jié)機(jī)械的轉(zhuǎn)速nmeeh來補(bǔ)償。此外，用于電
網(wǎng)頻率F的變化的裕度可以減小或者完全放棄。因此，壓縮機(jī)13的
效率進(jìn)而整個(gè)發(fā)電站的效率得到改善。在圖9中示出閉環(huán)控制裝置39，在該閉環(huán)控制裝置39中，機(jī)械
的轉(zhuǎn)速Ilmeeh作為壓縮機(jī)入口溫度Tkl的函數(shù)被調(diào)節(jié)。機(jī)械的轉(zhuǎn)速nmech
與壓縮機(jī)入口溫度Tkl成比例地提高，以保持空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速 *一 P
V" 恒定。
此外可以考慮，機(jī)械的轉(zhuǎn)速nmech調(diào)節(jié)或者重新調(diào)整為恒定的值，只要 達(dá)到了 了機(jī)械的或其它的臨界值，例如壓力或溫度。具體地說，基于 設(shè)計(jì)溫度Tjad修正(在設(shè)計(jì)溫度T幻d下，利用機(jī)械的轉(zhuǎn)速Ilmech達(dá)到 了最佳的空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速n。pt),機(jī)械的轉(zhuǎn)速Ilmeeh隨著升高的壓縮機(jī)
入口溫度Tia升高，直到達(dá)到機(jī)械的轉(zhuǎn)速的上極限nmax。類似地，隨
著壓縮機(jī)入口溫度TK1降低，機(jī)械的轉(zhuǎn)速llmech降低，直到達(dá)到機(jī)械的 轉(zhuǎn)速的下極限nmin。從達(dá)到機(jī)械極限開始，在這個(gè)實(shí)施例中，機(jī)械的
轉(zhuǎn)速 保持恒定。
在圖io中作為實(shí)施例示意性示出了標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣壓縮比兀c。。,
和標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣質(zhì)量流me。。,關(guān)于用于燃?xì)馔钙?2的冷卻系統(tǒng)的壓
縮機(jī)入口溫度TK!的曲線，所述冷卻空氣系統(tǒng)由壓縮機(jī)的中間部分供
給冷卻空氣50。不同于從壓縮機(jī)端部獲得的冷卻空氣(該冷卻空氣強(qiáng) 制地總是具有壓縮機(jī)輸出壓力可供使用)，在從壓縮機(jī)獲得冷卻空氣 時(shí)，無法保證對(duì)于所有的運(yùn)行狀態(tài)都有恒定的壓縮比，因?yàn)樵趬嚎s機(jī) 中的壓力建立根據(jù)工作條件變化。這在設(shè)計(jì)冷卻空氣系統(tǒng)時(shí)得以考
慮，從而在共同的設(shè)計(jì)范圍中，在必要的最小冷卻空氣壓縮比兀c。。,下，
使用必要的最小冷卻空氣量mc。。,d。在傳統(tǒng)的燃?xì)馔钙?2中，標(biāo)準(zhǔn)的 冷卻空氣壓縮比兀e。。i和標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣質(zhì)量流m。。。,隨著壓縮4幾入口 溫度Tk!増大。這在ISO條件下導(dǎo)致了冷卻空氣消耗mc。d增加，其隨 著壓縮機(jī)入口溫度繼續(xù)升高，并導(dǎo)致了功率和效率損失。隨著機(jī)械的
轉(zhuǎn)速nmech的升高，可以降低標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣壓縮比兀c。。!和所引起的 標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣質(zhì)量流Hle。。,。類似地，可以通過降低機(jī)械的轉(zhuǎn)速llmech 來提高標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣壓縮比Tlc。。,和所引起的標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣質(zhì)量流 me。。,。相應(yīng)地可以通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使冷卻空氣比例不依賴于壓縮機(jī)入口 溫度調(diào)節(jié)為設(shè)計(jì)條件，并且如此保持在設(shè)計(jì)值上。附圖標(biāo)記列表
10、 10，、 10" 發(fā)電站設(shè)備
n、 ir 透平系
12 燃?xì)馔钙?br> 13 壓縮才幾 14a、 14b 透平 15、 15' 燃燒室
16 空氣入口
17、 17， 燃料供給裝置
18 發(fā)電機(jī)
19 軸
20 電網(wǎng)連接(頻率耦合)
21 電網(wǎng)
22 廢氣出口
23 廢熱蒸汽生成器
0/1 貧^沐巫
25 水-蒸氣循環(huán)
26 傳動(dòng)纟幾構(gòu)(機(jī)械)
27 解耦裝置或可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
28 節(jié)拍發(fā)生器
29 功率元件
30 負(fù)載
31 控制器
32 開關(guān)(雙向)
33 電壓測(cè)量裝置
34 電流測(cè)量裝置
35 控制線 36,...，38 信號(hào)線
39 閉環(huán)控制裝置
40、 41 控制閥
42 可調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)導(dǎo)流葉片
43，...,47 測(cè)量值變送器測(cè)量線(轉(zhuǎn)速)
49電網(wǎng)頻率變送器
50冷卻空氣供給裝置
51發(fā)電4幾額定轉(zhuǎn)速
G1…G6相位(發(fā)電機(jī))
U,.丄3相位(負(fù)載)
f頻率(轉(zhuǎn)速)
P功率
A、 B曲線
ZL目標(biāo)功率
Tkl壓縮纟幾入口溫度
設(shè)計(jì)條件下的壓縮機(jī)入口溫度
* n空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速
nmech機(jī)械的轉(zhuǎn)速
nmech d設(shè)計(jì)條件下的機(jī)械的轉(zhuǎn)速
nmin最小允許的機(jī)械的轉(zhuǎn)速
nmax最大允許的機(jī)械的轉(zhuǎn)速
nd傳統(tǒng)的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(空氣動(dòng)力的)
n叩t優(yōu)化的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(空氣動(dòng)力的)
mcooi標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣消耗
mcooi d設(shè)計(jì)條件下的標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣消耗
兀cool標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣壓縮比
兀cool d設(shè)計(jì)條件下的標(biāo)準(zhǔn)的冷卻空氣壓縮比
"comp壓縮纟幾效率
"Hcomp d設(shè)計(jì)條件(傳統(tǒng)設(shè)計(jì))下的壓縮機(jī)效率
"opt最佳的壓縮機(jī)效率
△n到壓縮機(jī)的泵送極限的距離
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電站設(shè)備(10)，所述發(fā)電站設(shè)備具有透平系(11)，所述透平系包括燃?xì)馔钙?12)和由所述燃?xì)馔钙?12)直接驅(qū)動(dòng)的、產(chǎn)生具有工作頻率的交流電的發(fā)電機(jī)(18)，所述發(fā)電機(jī)的輸出端與具有給定電網(wǎng)頻率(F)的電網(wǎng)(21)連接，其中在發(fā)電機(jī)(18)和電網(wǎng)(21)之間設(shè)有可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(27)，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12)的可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(27)以在機(jī)械的轉(zhuǎn)速(nmech)和電網(wǎng)頻率(F)之間的傳動(dòng)比(X)強(qiáng)制施加轉(zhuǎn)速。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述傳動(dòng)比 (X)是可調(diào)節(jié)的。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述傳動(dòng)比(X)不等于1。
4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述傳動(dòng)比(X) 是60Hz到50Hz。
5. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述傳動(dòng)比(X)是50Hz到60Hz。
6. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述傳動(dòng)比(X) 能夠圍繞設(shè)計(jì)值從60Hz調(diào)節(jié)到50Hz。
7. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述傳動(dòng)比(X) 能夠圍繞設(shè)計(jì)值從50Hz調(diào)節(jié)到60Hz。
8. 如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于， 所述可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(27)是矩陣變流器。
9. 如權(quán)利要求8所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述矩陣變流 器包括多個(gè)設(shè)置在(mxn)矩陣中的可控制的雙向開關(guān)(32),所述 雙向開關(guān)受控制器(31 )控制地將m個(gè)輸入端可選擇地與n個(gè)輸出端 連接，其中m大于n，并且其中在輸入端中設(shè)有用于確定電流極性的 第一器件(34),并且在輸入端之間設(shè)有用于確定電壓極性的第二器 件(33)，其中所述第一器件和第二器件(34或33)通過信號(hào)線(38) 與所述控制器(31)連接。
10. 如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于， 所述燃?xì)馔钙?12)構(gòu)造成具有連續(xù)燃燒裝置(14a、 b 、 15、 15，) 的燃?xì)馔钙健?br> 11. 一種用于運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的發(fā)電站 設(shè)備(10)的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣 動(dòng)力的轉(zhuǎn)速通過在機(jī)械的轉(zhuǎn)速(nmech)和電網(wǎng)頻率(F)之間的傳動(dòng) 比(X)來調(diào)節(jié)。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速被調(diào)節(jié)為恒定值。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為所述發(fā)電站設(shè)備(10)的一個(gè)或多個(gè)參 數(shù)的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 包括用于壓縮燃燒用空氣的壓縮機(jī)(13);測(cè)量所述壓縮機(jī)(13)的 端部壓力；并且所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為壓 縮機(jī)端部壓力的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 包括用于壓縮燃燒用空氣的壓縮機(jī)(13);測(cè)量所述壓縮機(jī)(13)的 端部溫度；并且所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為壓 縮機(jī)端部溫度的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，為所述燃?xì)馔钙?(12)的運(yùn)行設(shè)有目標(biāo)功率(ZL);并且所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為目標(biāo)功率(ZL)的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，測(cè)量所述電網(wǎng)(21) 的電網(wǎng)頻率或第二工作頻率；并且所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣 動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為電網(wǎng)頻率或第二工作頻率的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
18. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 包括用于壓縮燃燒用空氣的壓縮機(jī)(13);所述壓縮機(jī)(13)輸出冷 卻空氣用于冷卻所述燃?xì)馔钙?12)的組件；并且所述燃?xì)馔钙?12) 的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為冷卻空氣輸入條件的函數(shù)、特別是作為 冷卻空氣的壓力和/或溫度和/或量的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
19. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙経2)的部件i度的函數(shù)或者作為允許的4非:故的函數(shù)來調(diào)節(jié)。'；'
20. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械的轉(zhuǎn)速(nmeeh)與壓縮沖幾入口溫度Tkl的方才艮和/或與壓縮才/L入口壓力成比例 地調(diào)節(jié)，用于使所述燃?xì)馔钙?12)的空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速(rT)在允許 的機(jī)械的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持為恒定值；只要達(dá)到機(jī)械的或者其它的極限 值，例如壓力或溫度，就將所述機(jī)械的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為恒定值。
21. 如權(quán)利要求11至20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在 軸系的和/或軸系結(jié)合可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(27)的轉(zhuǎn)速(nmech)下降 到鎖定范圍中的情況下，所述額定轉(zhuǎn)速(51 )或可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(27)的傳動(dòng)比修正為在相應(yīng)鎖定范圍之外的值。
22. —種發(fā)電站設(shè)備(IO)，所述發(fā)電站設(shè)備具有透平系(11), 所述透平系包括燃?xì)馔钙?12)和由所述燃?xì)馔钙?12)直接驅(qū)動(dòng)的、 產(chǎn)生具有工作頻率的交流電的發(fā)電機(jī)(18),所述燃?xì)馔钙皆O(shè)計(jì)用于 空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速的變化小于正/負(fù)10%,所述發(fā)電機(jī)的輸出端與具有 給定電網(wǎng)頻率的電網(wǎng)(21 )連接，其中在發(fā)電機(jī)(18)和電網(wǎng)(21 ) 之間設(shè)有電子解耦裝置(27),所述電子解耦裝置使工作頻率與電網(wǎng) 頻率解耦。
23. 如權(quán)利要求22所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述壓縮機(jī) 在全負(fù)載和ISO條件下具有小于空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速的10 %的泵送極限。
24. 如權(quán)利要求22所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，用于殼體、 冷卻空氣冷卻器和冷卻空氣導(dǎo)管的設(shè)計(jì)壓力比在以100%的機(jī)械的轉(zhuǎn) 速進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所選擇的設(shè)計(jì)壓力低了至少3%。
25. 如權(quán)利要求22至24中任一項(xiàng)所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在 于，所述燃?xì)馔钙酵ㄟ^以新型壓縮機(jī)改裝傳統(tǒng)的燃?xì)馔钙絹韺?shí)施。
26. 如權(quán)利要求25所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述新型壓 縮機(jī)具有小于空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速的10 %的降低的泵送極限。
27. 如權(quán)利要求22所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述電網(wǎng)頻 率為50Hz或60Hz。
28. 如權(quán)利要求22所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述電網(wǎng)頻 率為60Hz,工作頻率為50Hz。
29. 如權(quán)利要求22所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在于，所述電網(wǎng)頻 率為50Hz,工作頻率為60Hz。
30. 如權(quán)利要求22至29中任一項(xiàng)所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在 于，所述燃?xì)馔钙経2)設(shè)計(jì)用于大于100MW的功率；所述電子解耦裝置(27)是呈矩陣變流器形式的變頻器。
31. —種發(fā)電站設(shè)備(IO)，所述發(fā)電站設(shè)備具有透平系(11)， 該透平系包括燃?xì)馔钙?12)和由所述燃?xì)馔钙?12)直接驅(qū)動(dòng)的、 產(chǎn)生具有工作頻率的交流電的發(fā)電機(jī)(18)，所述發(fā)電機(jī)的輸出端與 具有給定電網(wǎng)頻率的電網(wǎng)(21 )連接，其中在發(fā)電機(jī)(18)和電網(wǎng)(21 ) 之間設(shè)有電子解耦裝置(27),所述電子解耦裝置使工作頻率與電網(wǎng) 頻率解耦，其特征在于，所述燃?xì)馔钙経2)設(shè)計(jì)用于大于100MW 的功率；所述電子解耦裝置(27)是呈矩陣變流器形式的變頻器。
32，如權(quán)利要求22至31中任一項(xiàng)所述的發(fā)電站設(shè)備，其特征在 于，所述電子解耦裝置(27)是呈矩陣變流器形式的變頻器，其包括 多個(gè)設(shè)置在(mxn)矩陣中的可控制的雙向開關(guān)(32),所述雙向開 關(guān)受控制器(31)控制地將m個(gè)輸入端可選擇地與n個(gè)輸出端連接， 其中m大于n，并且其中在輸入端中設(shè)有用于確定電流極性的第一器 件(34)，在輸入端之間設(shè)有用于確定電壓極性的第二器件(33)， 其中所述第一器件和第二器件(34或33)通過信號(hào)線(38)與所述 控制器(31)連接。
33. —種用于運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求22至32中任一項(xiàng)所述的發(fā)電站 設(shè)備(10)的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或 空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速。
34. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙経2) 的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為恒定值。
35. 如權(quán)利要求33或3所述的方法，其特征在于，依賴于所述燃 氣透平的安裝條件來優(yōu)化調(diào)節(jié)目標(biāo)。
36. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，與位置特定的平均 的外界空氣壓力成反比地修正機(jī)械的參考轉(zhuǎn)速，該機(jī)械的參考轉(zhuǎn)速被 用于根據(jù)壓縮機(jī)入口溫度(Tkl)來調(diào)節(jié)所述燃?xì)馔钙?12)的額定轉(zhuǎn) 速。
37. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，根據(jù)可燃?xì)怏w的熱 值來修正機(jī)械的參考轉(zhuǎn)速，該機(jī)械的參考轉(zhuǎn)速被用于根據(jù)壓縮機(jī)入口 溫度(Tkl)來調(diào)節(jié)所述燃?xì)馔钙?12)的額定轉(zhuǎn)速。
38. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為所述發(fā)電站設(shè)備(10)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
39.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 包括用于壓縮燃燒用空氣的壓縮機(jī)(13);測(cè)量所述壓縮機(jī)(13)的 端部壓力；并且所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為壓 縮機(jī)端部壓力的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
40，如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 包括用于壓縮燃燒用空氣的壓縮機(jī)(13);測(cè)量所述壓縮機(jī)(13)的 端部溫度；并且所迷燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為壓 縮機(jī)端部溫度的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
41. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，為所述燃?xì)馔钙?(12)的運(yùn)行設(shè)有目標(biāo)功率(ZL),并且所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為目標(biāo)功率(ZL)的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
42. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，測(cè)量所述電網(wǎng)(21 ) 的電網(wǎng)頻率或第二工作頻率；并且所述燃?xì)馔钙?12)的機(jī)械或空氣 動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為電網(wǎng)頻率或第二工作頻率的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
43. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙経2) 包括用于壓縮燃燒用空氣的壓縮機(jī)(13);所述壓縮機(jī)(13)輸出冷 卻空氣用于冷卻所述燃?xì)馔钙?12)的組件；并且所述燃?xì)馔钙?12) 的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為冷卻空氣輸入條件的函教.、特別是作為 冷卻空氣的壓力和/或溫度和/或量的函數(shù)來調(diào)節(jié)。
44. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?12) 的機(jī)械或空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速作為所述燃?xì)馔钙降乃x擇的部件的允許
45. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械的轉(zhuǎn)速 (nmeeh)與壓縮機(jī)入口溫度Tkl的方根和/或與壓縮機(jī)入口壓力成比例地調(diào)節(jié)，用于使所述燃?xì)馔钙?12)的空氣動(dòng)力的轉(zhuǎn)速(n*)在允許 的機(jī)械的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持為恒定值；只要達(dá)到機(jī)械的或者其它的極限 值，例如壓力或溫度，就將所述機(jī)械的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為恒定值。
46. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械的轉(zhuǎn)速在 燃?xì)馔钙?12)的部分負(fù)載的情況下相對(duì)于在全負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)速降 低。
47. 如權(quán)利要求33至46中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在軸系的和/或軸系結(jié)合可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(27)的轉(zhuǎn)速(nmech)下降 到鎖定范圍中的情況下，所述額定轉(zhuǎn)速(51)修正為在相應(yīng)鎖定范圍之外的值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)電站設(shè)備(10)，所述發(fā)電站設(shè)備具有透平系(11)，所述透平系包括燃?xì)馔钙?12)和由所述燃?xì)馔钙?12)直接驅(qū)動(dòng)的、產(chǎn)生具有工作頻率的交流電的發(fā)電機(jī)(18)，所述發(fā)電機(jī)的輸出端與具有給定電網(wǎng)頻率(F)的電網(wǎng)(21)連接，其中在發(fā)電機(jī)(18)和電網(wǎng)(21)之間設(shè)有電子解耦裝置或可變的電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(27)，所述電子解耦裝置使工作頻率和電網(wǎng)頻率解耦。在這種設(shè)備中，具有高效的靈活運(yùn)行由此實(shí)現(xiàn)，即所述燃?xì)馔钙?12)設(shè)計(jì)用于大于100MW的功率，并且電子裝置(27)是呈矩陣變流器形式的變頻器。
文檔編號(hào)F01D15/10GK101657610SQ200880012033
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者J·霍夫曼, T·梅恩德爾 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆科技有限公司