[发明专利]用于在柔性负载下优化涡轮系统的运行的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮系统，并且更具体而言涉及用于在柔性负载下优化涡轮系统的运行的设备和方法。

背景技术

由于全球人口和收入的不断增长，电需求在全世界范围内继续增加。电网需要调节大量有些不可预测的需求变动以及生产容量的计划内和计划外的变化。另外，替代源(诸如风能和太阳能产生的功率)越来越重要，而且这些源对产生功率来满足需求的方式有影响。

电力需求是无秩序的。需求可随每天、每月、每季和每年的循环变化。例如，在热天的典型民用日常需求分布图可显示清晨时间最小，而在傍晚时间最大。在同一天的商用需求可显示在清晨时间最小，而大概在中午最大。一年中的天气和季节也会影响需求。高峰需求在一些情况下可为最小需求的两倍。

因为无法高效地存储电力公司生产的电，所以电力公共事业公司在传统上用不同的生产方法的组合来产生功率。例如，可使用大型核功率或燃煤电站来产生最小量的功率(基本负载)。基本负载电站典型地以最大输出不断运行。

在高峰需求(高峰负载)的时间期间，电力公司可使用简单循环燃气涡轮来产生功率。对于供应高峰负载期间所需的额外容量，燃气涡轮是合乎需要的，因为它们有快速启动的能力，在10到30分钟内产生电功率。在一天中对功率的需求低时的部分中，可关闭用来在高峰负载的时期期间产生功率的燃气涡轮。可根据需求来改变燃气涡轮的运行时期。

一些公共事业公司也运行负载跟踪式电站，其在一天中在中等需求的时期期间供应功率。有时使用联合循环燃气涡轮系统作为负载跟踪式电站。联合循环燃气涡轮系统典型地包括联接到燃气涡轮的排气口上的热回收蒸汽发生器。随着需求在一整天波动，联合循环燃气涡轮系统可调节它们的功率输出。在效率、启动速度和关闭速度以及容量方面，联合循环燃气涡轮系统典型地处于基本负载电站和高峰电站(例如用来提供高峰功率的燃气涡轮)之间。

为了满足增加的需求和解决环境考量，许多公共事业公司 都在使用可再生的能源(诸如风能和太阳能)来满足中等和高峰负载。这些源对电力需求增加了额外的变化性，因为它们的生产容量断断续续。例如，太阳能发电站的功率输出取决于云量而改变，并且类似地，风能功率输出将取决于风速而改变。

作为高峰负载的功率源，燃气涡轮具有许多优点。燃气涡轮高效，具有较低的安装成本，较迅速地启动和关闭，以及具有低的排放。燃气涡轮的启动顺序始于对启动器赋能。当涡轮的RPM达到点火RPM时，点燃系统被赋能，并且燃料提供给燃烧器。在燃烧之后，燃料流增加，同时使温度保持低于建立的温度极限。然后控制燃料流，以实现平稳加速，直到达到空转速度为止。

燃气涡轮可以基本负载、高峰负载和低于基本负载的负载运行。燃气涡轮基本负载是优化功率输出和热气路径部件寿命的负载。ANSI B133.6定额和性能将基本负载限定为每年运行8000小时，启动800小时。它还将高峰负载限定为每年运行1250小时，启动五小时。燃气涡轮的高峰负载是常常在牺牲效率、部件寿命和检查间隔的情况下最大程度地提高功率输出的负载。燃气涡轮可以部分负载或低负载运行，以便在功率需求增加时，能够快速斜坡增加到较高的输出。以部分负载运行燃气涡轮存在优点和缺点。一个优点是降低在启动和关闭期间引起的电站维护成本。但是，以低负载运行会导致较低的运行效率和较高的运行成本。

来自燃气涡轮的功会随质量流量、燃烧气体中的热能和跨过涡轮的温差而改变。这些因素可受到环境状况、燃料、入口和排气损耗、燃料加热、稀释剂喷射、空气抽取、入口冷却以及蒸汽和水喷射的影响。例如，环境状况(压力、温度和湿度)的变化会影响压缩机的空气进气的密度和/或质量流量，以及因此影响燃气涡轮性能。质量流量又会随压缩机空气流量和燃料流量而变化。

符合排放标准也是燃气涡轮的运行的主要约束。大多数燃气涡轮燃烧低硫和低灰燃料。因此，从燃气涡轮中排出的主要污染物是氮氧化物(NO和NO₂，总称为NO_X)、一氧化碳(CO)和挥发性有机化合物(VOC)。当在燃气涡轮中燃烧天然气时，NO_X和CO被认为是重要的主要排放。来自燃气涡轮的排放会随环境温度、负载和污染物浓度而显著地改变。在50%的负载以下，排放浓度可增加。这对于一氧化碳(CO)尤其如此。因此，存在这样的负载水平极限，即，传统的燃气涡轮系统可以该负载水平极限运行，同时仍然符合排放标准。