СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЦИКЛОМ
COMBINED CYCLE POWER PLANT CONTROL METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу управления электростанцией с комбинированным циклом, содержащей газовые и паровые турбины, при минимальной нагрузке, без выработки электроэнергии, которая подается в сеть.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время, когда неуклонно развивается выработка энергии из возобновляемых источников, от "обычных" электростанций требуется выполнение дополнительных задач, таких как обеспечение дополнительной выработки электричества для сети, к которой их подсоединяют в срочном порядке, особенно в отсутствие крупномасштабных систем аккумулирования энергии, коммерческое использование которых до сих пор еще мало распространено. Большие отклонения в течение дня требуют, чтобы генераторы энергии быстро реагировали для поддержания баланса между потреблением и выработкой. В этих обстоятельствах электростанции должны подавать энергию в сеть гибким образом: например, когда потребности в энергии в сети невелики, они должны быть способны уменьшить подачу энергии в сеть до нуля, а когда потребности в энергии в сети снова возрастают, они должны быть способны обеспечить ее очень быстро (в некоторых случаях они должны быть способны обеспечить десятки мегаватт в секунды).
В последние десять лет ключевым направлением работы в связи с обычными источниками энергии был переход от базового режима работы к режиму работы с промежуточной нагрузкой, и, таким образом, возникла необходимость в быстром линейном измерении нагрузки, меньших периодах малой нагрузки и периодах пусковой нагрузки, а также в стабилизации сети. Кроме того, значительно возросла потребность во вспомогательных службах, таких как обеспечение резервов управления и поддержки частоты, а также резервов третичного управления и работы в режиме следования за нагрузкой. В результате появились новые технические требования, такие как двухсменная работа, работа в режиме следования за нагрузкой, безопасная работа, возможность быстрого пуска, поддержка частоты и очень высокая надежность при пуске и в эксплуатации, чтобы стабилизировать динамику электрической сети и, следовательно, обеспечить надежную и экономичную подачу электричества.
Так как требования к периодическому изменению нагрузки меняются, и увеличивается распространение возобновляемых источников энергии, "обычные" электростанции нужно приспособить для тех периодов времени, когда имеется недостаток или избыток мощности. В зависимости от страны и задействованной электрической сети, требуются различные динамические возможности для обеспечения надежности подачи энергии, такие как первичное управление, вторичное управление, возможность безопасной работы, отключение нагрузки, возможность быстрого пуска, восстановление сети после аварийного отключения, стабилизация частоты и т.д. Станции с комбинированным циклом (т.е. электростанции, содержащие газовые и паровые турбины) дают возможность более быстрых изменений нагрузки в рамках более широкого диапазона нагрузок, что делает эти электростанции более гибкими. Кроме того, если рассматривать быстрый пуск и эффективность, электростанция с комбинированным циклом занимает особое положение по сравнению с другими способами производства электроэнергии. Кроме того, электростанции с комбинированным циклом обеспечивают значительно более высокую скорость изменения нагрузки, чем обычные электростанции благодаря инновационным и специально разработанным системам.
Если в будущем начнут работать планируемые в настоящее время мощности, использующие возобновляемые источники энергии, то работающие до этого в базовом режиме нагрузки электростанции, такие как электростанции с комбинированным циклом, придется не только свести к частичной нагрузке, но в некоторых случаях их придется полностью отключить, чтобы избежать значительных избыточных мощностей. Затем данные электростанции с комбинированным циклом необходимо будет запускать из отключенного состояния как можно быстрее, чтобы покрыть потребность в случае кратковременной потери возобновляемого источника энергии. Единственным решением в отсутствие подходящих систем аккумулирования энергии является более широкое использование обычных электростанций в режиме так называемой "двухсменной работы", т.е. ежедневный пуск и останов (а иногда несколько раз за день), чтобы компенсировать отклонения в нагрузке. В данных эксплуатационных условиях необходимо, чтобы пуски происходили очень быстро и надежно, что возможно в случае электростанций с комбинированным циклом благодаря относительной простоте их систем подачи и сжигания топлива.
Как уже было упомянуто, надежность пуска становится все более важной задачей, и электростанции с комбинированным циклом в этом отношении обеспечивают значительные преимущества по сравнению с другими традиционными технологиями благодаря тому, что они имеют самую малую сложность. Несколько способов пуска электростанций с комбинированным циклом известны в уровне техники, как, например, описано в EP2423462 A2, EP0605156 A2, CN 202230373 U. Улучшенные способы пуска известны, например, из US 2005/0268594 A1, US 2009/0126338 A1 или WO 2012/131575 A1.
В уровне техники, например, из EP 2056421, также известен способ подсоединения электростанции с комбинированным циклом (с газовой турбиной и паровой турбиной) к сети.
Как уже упоминалось, с уменьшением контроля за рынком электрической энергии, повышением цен на топливо и развитием технологий, связанных с возобновляемыми источниками энергии, все больше электростанций работают при пиковых нагрузках, что, следовательно, позволяет регулировать обеспечиваемую ими энергию с необходимой быстротой.
Таким образом, производитель электростанции должен разрабатывать электростанции с комбинированным циклом не только для работы при базовых нагрузках, но также при полупиковых нагрузках или минимально возможных нагрузках, особенно имеющих повышенную гибкость, требуемую для как можно более быстрого обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик в определенных ситуациях, таких как отключение электростанции, когда от электростанции требуется экономичность, или для быстрого пуска станции с обеспечением требуемых эксплуатационных характеристик.
Так как любой пуск электростанции из режима останова связан с определенным риском задержки или снижения надежности, операторы электростанций предпочитают не запускать электростанцию из полностью отключенного состояния, а запускать ее из состояния работы при минимальной нагрузке. Такая стратегия работы обеспечивает возможность обеспечения корректного расписания работы электростанции, чтобы удовлетворять требованиям электрической сети, в частности, обеспечивая надежный пуск в заданном временном интервале. Однако работа электростанции с минимальной нагрузкой влечет за собой несколько проблем:
- Разгрузка электростанции до работы при минимальной нагрузке ведет к перенапряжению материалов паровой турбины. Ниже определенного эксплуатационного диапазона газовой турбины снижение температуры отработанных газов газовой турбины ведет к уменьшению температуры пара котла-утилизатора, что ведет к охлаждению горячих материалов паровой турбины, таких как ротор и впускные клапаны.
- Газовая турбина не может обеспечить поддержку частоты сети, например, первичный отклик. Работа при минимальной нагрузке не удовлетворяет техническим требованиям системы передачи энергии.
Следовательно, существует потребность в том, чтобы оператор системы передачи энергии мог использовать обеспеченную минимальную энергию станции. Станция также должна быть способна уменьшать нагрузку до наименьшего возможного уровня. Настоящее изобретение направлено на обеспечение вышеупомянутых нужд.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу управления электростанцией с комбинированным циклом на минимальной нагрузке, причем станцией, содержащей газовые и паровые турбины, без выработки электроэнергии, которую подают в сеть. Режим данной минимальной нагрузки особенно предпочтителен вместо остановки станции, для последующей загрузки электростанции, отличной от этого режима минимальной нагрузки.
Данный рабочий режим минимальной нагрузки соответствует режиму, в котором все турбины (и газовые, паровые) электростанции работают (подключены), и производимая нагрузка (т.е. общая выходная нагрузка, генерируемая всеми турбинами в электростанции) не превышает потребления энергии на собственные нужды электростанции (т.е. не превышает нагрузку, необходимую для собственного потребления электростанции). Таким образом, нагрузка, выводимая в сеть, равна нулю.
Способ по изобретению основан на разгрузке электростанции с комбинированным циклом до режима, в котором нагрузка, выводимая в сеть, равна нулю. Газовая турбина разгружается до режима минимальной нагрузки, соответствующего режиму, в котором ее компрессор работает на своей номинальной скорости, или режиму, в котором скорость компрессора ниже его номинальной скорости, в случае, когда паровые турбины также обеспечивают нагрузку, необходимую для поддержания номинальной скорости компрессора в газовой турбине. Паровая турбина также разгружается согласованно с разгрузкой газовой турбины, т.е. согласованно с нагрузкой, которая обеспечивается газовой турбиной. Режим минимальной нагрузки паровой турбины соответствует режиму, удовлетворяющему требованиям по нагрузке для собственных нужд станции, а при необходимости также удовлетворяет требованиям по дополнительной нагрузке, необходимой для поддержания работы компрессора газовой турбины на его номинальной скорости.
Согласно способу по изобретению разгрузку газовой турбины и паровой турбины согласуют таким образом, что разгрузку паровой турбины и уменьшение давления пара выбирают таким образом, что минимальная нагрузка на паровую турбину и минимальное давление пара достигаются до уменьшения температуры пара, вызванного уменьшением температуры отработанных газов турбины во время разгрузки газовой турбины. Это позволяет уменьшить напряжения на газовой турбине, сводя их только к термическому напряжению, так как механическое напряжение уменьшается до самого малой возможно величины. Кроме того, в режиме минимальной нагрузки, воздействуя на регулирующий клапан паровой турбины, паровая турбина также может обеспечить поддержку первичной частоты электростанции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеупомянутые задачи и многие из сопутствующих преимуществ данного изобретения станут более очевидными по мере лучшего понимания их со ссылками на прилагаемое подробное описание, если изучать его совместно с прилагаемыми чертежами, где:
на Фиг. 1 показан схематичный вид электростанции с комбинированным циклом, которую можно использовать для практического осуществления способа по изобретению;
на Фиг. 2 показан способ управления электростанцией с комбинированным циклом, аналогичной электростанции, представленной на Фиг. 1, при минимальной нагрузке, с помощью способа по изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении раскрыт способ управления электростанцией с комбинированным циклом, такой как схематично показанная на Фиг. 1. Электростанция 1 содержит газовую турбину 2 и паросиловую систему 10 генерации: газовая турбина 2 и паросиловая система 10 генерации приводят в действие электрогенератор 20 (т.е. обеспечивают для него возбуждение), присоединяемый к электросети 21 посредством электрической линии 22.
Газовая турбина 2 содержит компрессор 3, камеру 4 сгорания и турбину 5. В камеру 4 сгорания подают топливо 6 и окислитель 7 (обычно это воздух, сжатый в компрессоре 3); топливо 6 и окислитель 7 сгорают, вырабатывая горячие газы, которые расширяются в турбине 5 для получения механической мощности.
Турбина 5 выпускает отработанные топочные газы 8, которые затем подаются в паросиловую систему 10 генерации; паросиловая система 10 генерации содержит котел 11 (также называемый котлом-утилизатором), который принимает топочные газы 8 от газовой турбины 2 и вырабатывает пар, который расширяется в паровой турбине 12, содержащей статор 12a и ротор 12b. Обычно, как показано на Фиг. 1, паросиловая система 10 генерации также содержит конденсатор 13 и насос 14. Пар, производимый котлом 11, можно отправлять в конденсатор 13 посредством обводного трубопровода 40.
Для практического осуществления способа по изобретению также можно использовать другие схемы, отличные от представленной на Фиг. 1.
Настоящее изобретение относится к способу управления электростанцией 1 с комбинированным циклом при минимальной нагрузке, при этом газовая турбина 2 и паровая турбина 12 соединены (находятся в работе), и производимая нагрузка (т.е. общая выходная нагрузка, генерируемая газовой турбиной 2 и паровой энергетической установкой 10), не превышает потребления энергии на собственные нужды электростанции (т.е. не превышает нагрузку, необходимую для собственного потребления электростанции 1), причем нагрузка, выводимая в электросеть, равна нулю или, по существу, равна нулю.
Согласно способу по изобретению координируют разгрузку газовой турбины 2 и паровой турбины 12 для достижения эксплуатационного режима минимальной нагрузки в электростанции 1 с комбинированным циклом, и способ отличается тем, что:
а) Начиная со станции 1 в режиме базовой нагрузки или частичной нагрузки, газовая турбина 2 и паровая турбина 12 начинают разгружаться.
б) Паровую турбину 12 разгружают до режима, соответствующего минимальной нагрузке, требуемой для того, чтобы общая нагрузка, выводимая в сеть 21, по существу, была равна нулю.
в) Газовая турбина 2 разгружается с глубиной снижения нагрузки, которая гарантирует, что температура пара на выходе котла-утилизатора 11 выше допустимой температуры, требуемой для паровой турбины 12, до достижения паровой турбиной 12 режима минимальной нагрузки.
г) При разгрузке паровой турбины 12 обводной трубопровод 40 открывается, чтобы уменьшить давление пара до фиксированной величины, предпочтительно от 15% до 100% номинального давления, более предпочтительно от 30% до 50% номинального давления.
д) Разгрузку паровой турбины 12 и уменьшение давления пара путем воздействия на обводной канал 40 в паросиловой системе 10 генерации выбирают таким образом, что минимальная нагрузка на паровой турбине 12 и минимальное давление пара достигаются до уменьшения температуры пара, вызываемого уменьшением температуры отработанных газов турбины 2 во время разгрузки газовой турбины 2.
ж) Газовая турбина 2 прекращает разгружаться, как только нагрузка газовой турбины 2 плюс нагрузка паровой турбины 12 достигают требуемой нагрузки для вспомогательных систем электростанции, при этом нагрузка, выводимая на сеть 21, по существу, равна нулю.
Согласно способу по изобретению электростанция 1 может работать в условиях нагрузки для собственных нужд (согласно этапу ж), приведенному выше, при этом полная нагрузка, выводимая в сеть 21, по существу, равна нулю), при этом прерыватель соединения (не показанный на чертежах), соединяющий электрический генератор 20 с сетью 21, замкнут, так что генератор 20 соединен с сетью 21, но не подает на нее энергию, хотя станция 1 может обеспечивать нагрузку с помощью паровой турбины 12 и газовой турбины 2, если требуется. В качестве альтернативы, электрический генератор 20 также может быть отсоединен от сети 21, когда упомянутый прерыватель разомкнут: в этом случае, паровая турбина 12 и газовая турбина 2 обеспечивают нагрузку, необходимую для систем собственных нужд электростанции, управляя в то же время частотой станции.
Хотя настоящее изобретение полностью описано в связи с предпочтительными вариантами осуществления, очевидно, что в рамках объема изобретения могут быть внесены изменения, и изобретение ограничивается не только данными вариантами осуществления, но также и содержимым приведенной ниже формулы изобретения.
Номера ссылочных позиций
1 Электростанция
2 Газовая турбина
3 Компрессор
4 Камера сгорания
5 Турбина
6 Топливо
7 Окислитель
8 Топочные газы
10 Паросиловая система генерации
11 Котел
12 Паровая турбина
12а Статор
12b Ротор
13 Конденсатор
14 Насос
20 Электрический генератор
21 Сеть
22 Электрическая линия
40 Обводной трубопровод