СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКОЙ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
METHOD TO CONTROL GAS-STEAM-TURBINE PLANT WITH FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к способу управления газопаротурбинной установкой, содержащей частотный преобразователь, связанный с пусковым устройством газовой турбины, и генератор, связанный с паровой турбиной. Изобретение также относится к газопаротурбинной установке.
Газопаротурбинные установки предназначены, главным образом, для выработки электроэнергии. При этом современная газопаротурбинная установка включает в себя обычно от одной до четырех газовых турбин и по меньшей мере одну паровую турбину, причем каждая турбина приводит в действие соответствующий генератор (многовальная установка), либо одна газовая турбина вместе с паровой турбиной на одном общем валу приводят в действие единственный генератор (установка с одним валом). При этом горячие отработавшие газы газовой турбины используются в парогенераторе-утилизаторе для производства водяного пара. Затем пар подается на паровую турбину. Обычно около двух третей электрической мощности приходится на газовую турбину и одна треть - на паровой процесс.
Мощность обычных газопаротурбинных установок находится в диапазоне, например, 80-830 МВт на блок из газовой турбины/паровой турбины, причем энергоустановка может состоять из нескольких блоков. Для сравнения блок АЭС имеет обычно мощность 500-1500 МВт.
Для повышения к.п.д. паровой турбины газопаротурбинной установки она включает обычно несколько ступеней давления, рассчитанных на разные давления пара. Пар, перегретый в парогенераторе-утилизаторе с помощью отработавших газов газовой турбины, после расширения на ступени высокого давления паровой турбины снова возвращается в парогенератор-утилизатор и еще раз перегревается. Этот пар подается затем на последующие ступени давления. Этот так называемый промежуточный перегрев повышает к.п.д. паровой турбины за счет более высокой средней температуры теплоподачи. В остальном это препятствует эрозии последних лопаток на ступени низкого давления паровой турбины вследствие слишком высокой влажности пара.
Теоретически возможно большое число ступеней давления в паровой турбине, однако в этом случае дополнительные инвестиционные затраты слишком велики по сравнению с усовершенствованием теплотехнических характеристик. В настоящее время газопаротурбинная установка с тремя ступенями давления в паровой турбине и одним промежуточным перегревом экономически наиболее оптимальна.
За счет своей гибкости, в частности возможности быстрого пуска, современные газопаротурбинные установки часто используются для удовлетворения кратковременно возникающего, большого спроса на мощность в электросети, так называемого пика нагрузки. Это приводит к довольно частым запускам газопаротурбинных установок. При этом для запуска газовой турбины обычно используется связанный с газовой турбиной генератор в качестве двигателя, причем обороты газовой турбины медленно повышаются в соответствии с определенной для конкретной установки характеристики. Для этого генератор обычно связан с пусковым устройством, которое может преобразовывать сетевой ток в ток произвольной частоты.
В режиме длительной работы турбины газопаротурбинной установки вращаются обычно с частотой сети 50 или 60 Гц. Однако могут быть желательны или необходимы также рабочие режимы, в которых, в частности, паровая турбина вращается с меньшими оборотами, например при отключении со стороны пара ступени высокого давления паровой турбины или в процессе прогрева.
При оборотах меньших, чем частота сети, генератор паровой турбины должен быть развязан от электросети. В соответствии с этим от генератора в этом рабочем режиме не отбирается мощность, вследствие чего действующий на паровую турбину встречный крутящий момент сравнительно мал, и обороты паровой турбины при определенных условиях не могут поддерживаться постоянными. Однако это не означает потерю гибкости в отношении режимов всей газопаротурбинной установки и приходится учитывать возможные неблагоприятные рабочие точки (например, поддерживаемые обороты, лежащие близко к собственным частотам), которые могут привести к ненужным повреждению и старению паровой турбины.
В основе изобретения лежит задача создания способа управления газопаротурбинной установкой описанного выше типа, посредством которого при особенно низких конструкционных затратах можно достичь высокой эксплуатационной гибкости. Кроме того, задачей изобретения также является создание газопаротурбинной установки, подходящей для осуществления такого способа.
В части способа эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что электрическая мощность связанного с паровой турбиной генератора через частотный преобразователь, связанный с пусковым устройством газовой турбины, подается в электрическую сеть общего пользования.
При этом изобретение исходит из того, что особенно высокой функциональной гибкости можно было бы достичь при низких конструкционных затратах на изготовление газопаротурбинной установки, если бы требующийся отбор мощности от паровой турбины удалось бы реализовать максимально простыми техническими средствами. При этом у газопаротурбинных установок возникает предпочтительная ситуация, поскольку предназначенный для пуска газовой турбины двигатель питается через частотный преобразователь. Таким образом, частотный преобразователь в любом случае имеется в газовой турбине. Кроме того, рабочий режим с высокими оборотами паровой турбины обычно требуется только тогда, когда газовая турбина уже работает. Следовательно, частотный преобразователь двигателя для пуска газовой турбины в этих рабочих режимах не требуется и он служит для других применений. Поэтому частотный преобразователь пускового двигателя газовой турбины при указанных рабочих режимах должен использоваться для гибкого подключения генератора паровой турбины к электросети. При этом от генератора паровой турбины через частотный преобразователь отбирается мощность и подается в электрическую сеть общего пользования, так что обороты паровой турбины могут быть стабилизированы.
В одном предпочтительном варианте газопаротурбинная установка выполнена в виде многовальной установки. В частности, в таких многовальных установках, паровая и газовая турбины которых содержат по одному отдельному генератору, а газовая турбина запускается независимо от паровой турбины, имеется отдельный частотный преобразователь, связанный с газовой турбиной.
Предпочтительно подача мощности происходит через частотный преобразователь при оборотах ниже установленных рабочих оборотов паровой турбины. В частности, в рабочих режимах с более низкими оборотами требуется дополнительный отбор мощности для стабилизации именно оборотов. При предусмотренных оборотах, т.е. при оборотах с частотой сети 50 или 60 Гц генератор через связанный с ним трансформатор постоянной частоты подключается к электрической сеть общего пользования, обеспечивая тем самым стабилизацию оборотов.
Предпочтительно паровая турбина выполнена многоступенчатой, и подача мощности происходит через частотный преобразователь во время перекрытия со стороны пара ступени высокого давления паровой турбины или предпочтительно во время разогрева паровой турбины. Эти рабочие режимы являются именно такими рабочими режимами, в которых обороты паровой турбины должны поддерживаться ниже заданных рабочих оборотов, однако, с другой стороны, газовая турбина уже работает, и ее частотный преобразователь больше не используется. Следовательно, в этих рабочих режимах он может использоваться для стабилизации оборотов паровой турбины.
Достигаемые благодаря изобретению преимущества состоят, в частности, в том, что за счет отбора электрической мощности от связанного с паровой турбиной генератора через частотный преобразователь, связанный с пусковым устройством газовой турбины, возможна, в целом, улучшенная гибкость в отношении рабочих параметров и расширения допустимых рабочих и предельных условий функционирования газопаротурбинной установки. Кроме того, существует возможность, в частности, во время процесса прогрева паровой турбины, лучшего соблюдения предельных диапазонов по оборотам или большего удаления от потенциально опасных собственных частот.В частности, в процессе пуска паровой турбины в электрическую сети общего пользования поступает дополнительная ощутимая избыточная мощность. Такие преимущества достигаются также за счет дополнительного частотного преобразователя, подключаемого к паровой турбине. Однако за счет использования частотного преобразователя пускового устройства газовой турбины достигается ресурсосберегающее двойное использование как для газовой, так и для паровой турбины.
Пример осуществления изобретения более подробно поясняется с помощью чертежа, на котором схематично изображена многовальная газопаротурбинная установка.
Установка 1 содержит газовую турбину 2, которая включает в себя компрессор 4 и турбину 6 и посредством вала 8 соединена с генератором 10. Вырабатываемый газовой турбиной 2 ток через трансформатор постоянной частоты 11 передается в электрическую сеть общего пользования. Газовая турбина 2 приводится в действие за счет сжигания топлива В, подаваемого топливоподающим устройством 12 через топливопровод 14. Для повышения к.п.д. газовой турбины 2 топливо В подогревается в топливоподогревателе 16.
Высвобождающаяся в результате сжигания топлива В энергия преобразуется в газовой турбине 2 в механическую энергию и через вал 8 передается на генератор 10, где преобразуется в электрическую энергию. Расширяющийся в турбине 6 дымовой газ G подается затем через трубопровод 18 для отработавшего газа к парогенератору-утилизатору 20, где он за счет довольно высокой температуры, например около 650°С, используется для производства пара. После этого отработавший газ G подается к дымовой трубе (не показана).
В парогенераторе-утилизаторе 20 на поверхностях нагрева 22 вырабатывается перегретый пар высокого давления HD. При этом возможны различные конфигурации поверхностей нагрева 22. Обычно к испарительным поверхностям нагрева из водяного насоса подается вода, которая частично или полностью испаряется в них. Неиспарившаяся вода может быть, при необходимости, отделена затем в водоотделителе от пара, подаваемого к поверхностям нагрева, на которых тепловая энергия пара дополнительно повышается.
К поверхностям нагрева 22 присоединены регулирующие клапаны 24, посредством которых пар высокого давления HD направляется, наконец, в ступень высокого давления 26. Здесь пар расширяется и тем самым тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, которая через вал 28 передается на генератор 30, где она преобразуется в электрическую энергию и через трансформатор 31 передается в электрическую сеть общего пользования. Расширившийся пар отводится из ступени высокого давления 26 и через регулятор 32 подается к нагревающим поверхностям 34 пароперегревателя в парогенераторе-утилизаторе 20. При этом в зависимости от режима можно повлиять на путь пара высокого давления: при необходимости, пар высокого давления от поверхностей 22 нагрева может быть направлен мимо ступени высокого давления 26 через клапан 36.
Если выходящий из ступени высокого давления 26 пар слишком горячий или имеет слишком высокое давление для дальнейшего использования, что, в частности, может происходить во время пуска паровой турбины, то часть пара через клапан 8 может отводиться непосредственно в конденсатор 40. В нем пар охлаждается и опять превращается в воду, которая снова может направляться к испарителю, в поверхности нагрева 22 парогенератора-утилизатора 20. При этом, однако, теряется весь запас энергии пара.
На перегревательных поверхностях 34 выходящий из ступени высокого давления 26 пар еще раз перегревается и через дополнительные регулирующие клапаны 42 подается на ступень 44 среднего давления. При этом ступень 44 среднего давления находится на том же валу 28, что и ступень 26 высокого давления. При необходимости, пар через клапан 46 может быть отведен непосредственно в конденсатор 40.
После расширения на ступени 44 среднего давления часть пара подается на ступень 48 низкого давления, которая находится на том же валу 28, что и ступени 44, 26 среднего и высокого давлений. После расширения на ступени 48 низкого давления пар по отводящим трубопроводам 50 подается в конденсатор 40, где он охлаждается и опять превращается в воду, которая снова может подаваться на поверхности 22 нагрева парогенератора-утилизатора 20.
Конденсат направляется из ступени 44 среднего давления в парогенератор-утилизатор 20, где он испаряется и нагревается на поверхностях 52 нагрева. Затем этот пар направляется через паровой барабан 54 в топливоподогреватель 16 и используется в нем для подогрева топлива В, в результате чего к.п.д. газовой турбины 2, в целом, повышается за счет повышения температуры топлива В и тем самым газовой смеси в камере сгорания газовой турбины 2.
Для пуска газовая турбина 2 связана с пусковым устройством 58. Оно включает в себя генератор 10, используемый в качестве двигателя, и частотный преобразователь 60, который подключается через выключатель 62 и может регулировать частоту оборотов газовой турбины 2 с помощью электроэнергии из электросети и генератора 10 до любых оборотов.
В случае газопаротурбинной установки 1 речь идет о многовальной установке; поскольку пар для паровой турбины вырабатывается с помощью отработавшего газа G газовой турбины 2, паровая турбина включается только тогда, когда газовая турбина 2 уже запущена. Следовательно, частотный преобразователь 60 пускового устройства 58 больше не требуется для газовой турбины 2. При условии последовательного использования этого факта газопаротурбинная установка 1 рассчитана на особенно высокую эксплуатационную гибкость при особенно низких конструкционных затратах благодаря тому, что частотный преобразователь 60 выполняет двойную функцию. Он соединен с генератором 30 паровой турбины линией 64 с выключателем 66. Таким образом, в режиме работы установки, когда требуется меньшая часть оборотов паровой турбины, чем установленная рабочая частота, например при прогреве, генератор (30) отключают от электросети и к нему подключают частотный преобразователь (60), при этом электрическую мощность генератора (30) подают в электросеть через частотный преобразователь (60). Таким образом возможно стабилизировать обороты паровой турбины. Следовательно, простыми техническими средствами достигается значительное повышение эксплуатационной надежности газопаротурбинной установки 1.