[发明专利]用于起动和操作联合循环发电设备的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于起动在厂用负载下操作而没有任何功率输出至电网的联合循环发电设备的方法。

背景技术

在目前，来自可再生能源的生产在稳定增长，将日益需要常规发电设备承担附加任务，以便向它们所连接的电网立即提供补充的电力生产，特别是在没有大规模储能系统的情况下，该大规模储能系统仍离商业化较远。在白天期间的大波动需要发电机快速反应来保持需求与生产之间的平衡。在这些情况下，发电设备必须以灵活的方式将电力供应至电网：例如，当电网所需的能量为低的时，它们必须能够使供应至电网的功率降至零，而当电网又需要功率时，它们必须能够非常快速地提供功率(在一些情况下，它们必须能够在数秒内提供几十兆瓦)。

在近十年里，常规功率源的关键集中区域已经从基本负载变换至过渡负载操作，并且因此需要快速负载匀变、较短低负载和起动时间，以及电网稳定。此外，对于辅助服务(诸如提供控制储备和频率支持以及第三控制储备和负载遵循操作)的需要显著地增加。结果，已经出现了新的操作要求，诸如，两班操作、负载遵循操作、岛操作、黑启动能力、频率支持和非常高的起动和操作可靠性，以便稳定电力网动态，并且因此确保安全和经济的电力供应。

由于负载循环的要求变化并且可再生能源的扩张增加，故常规发电设备将必须适应存在超过或低于功率容量的时期。取决于国家和所关注的电力网，需要各种动态能力。联合循环设备(即，包括燃气涡轮和蒸汽涡轮的发电设备)允许较宽负载范围内的较快负载变化，这使这些设备更灵活。此外，当考虑快速起动和效率时，联合循环发电设备与其它发电方法相比更好。甚至，联合循环设备由于创新和特别开发的系统而比其它常规发电设备提供了显著更高的负载变化速率。

如果在未来，当前计划的可再生能力变得可操作，则之前的基本负载的发电设备(诸如，联合循环发电设备)将不仅仅必须降到部分负载运行，而是将必须在许多情况下完全停机来避免显著的产能过剩。这些联合循环发电设备接着将需要尽可能快地从停机状态起动，以满足短期失去可再生功率的情况下的需求。在没有足够的储存系统的情况下的唯一解决方案在于在所谓的两班操作(即，日常的起动和停机(并且有时每天若干次))中增加常规设备的使用，以便补偿负载的波动。在这些操作状态下，重要的是起动能够非常快且可靠地发生，这在联合循环设备的情况下是可能的，因为它们的燃料和燃烧系统相对简单。

如提到的，起动可靠性变为日益重要的问题，并且联合循环设备在该方面展现优于其它常规技术的显著优点，因为它们具有最低的复杂程度的事实。例如，根据EP 2423462 A2、EP 0605156 A2，CN 202230373 U，用于联合循环发电设备的若干起动方法是在现有技术水平下已知的。例如，根据US 2005/0268594 A1、US 2009/0126338 A1或WO 2012/131575 A1，加强的起动是已知的。

用以将包括燃气涡轮和蒸汽涡轮的联合循环设备连接于电网的方法也是在现有技术水平下已知的，例如，根据EP2056421。

在具有两个发电单元(燃气涡轮和蒸汽涡轮)的联合循环发电设备中，在起动期间，燃气涡轮作为第一单元通过将轴速度增大至标称速度来运行。在与电力网络同步之后，燃气涡轮开始将功率供应至电网。蒸汽涡轮为第二单元，其可在蒸汽状态(诸如，由蒸汽发生器系统提供的蒸汽压力和蒸汽温度)达到适用于蒸汽涡轮构件(诸如，轴、外壳和蒸汽进入阀)的状态时启动。蒸汽涡轮材料越冷，蒸汽状态就应当越低(例如，较低蒸汽压力和较低蒸汽温度)，以便防止急剧影响蒸汽涡轮构件的寿命。这可通过在对应于最低可能的燃气涡轮排气温度和排气质量流的最低可能的负载下操作燃气涡轮来实现。为了实现蒸汽涡轮的起动要求，蒸汽发生系统(诸如余热回收蒸汽发生器)必须配备有消除过热站，其能够控制所需的蒸汽温度。此外，还必须设计对应于用于起动的蒸汽涡轮压力要求的蒸汽涡轮旁通站。

传统的起动程序需要蒸汽涡轮在低到中间燃气涡轮操作负载下启动，这导致消除过热站和蒸汽涡轮旁通站的超要求设计。此外，由于起动的负载轮廓的不可预知性，故在起动期间的输出功率不由电网权限给予。电网操作者必须将燃气涡轮和蒸汽涡轮的输出功率整合到电力网络中，并且相应地操纵总电网功率。另外，起动燃料消耗成本必须由设备所有者承担。此外，设备所有者更喜欢在最低可能燃气涡轮负载下启动蒸汽涡轮来降低起动成本。

因此，将合乎需要的是蒸汽涡轮起动(运行和加热)至准备加载的状态发生在最低可能的功率下，而不输出任何功率到电网。

本发明针对这些需要。

发明内容