СПОСОБ ПУСКА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА
METHOD FOR START-UP AND OPERATION OF COMBINED CYCLE PLANT

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу пуска электростанции комбинированного цикла, работающей при нагрузке для собственных нужд без какой-либо выдачи электроэнергии в сеть.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время постоянно растет производство энергии из возобновляемых источников, «традиционные» электростанции все больше требуют решения дополнительных задач, таких как обеспечение дополнительного производства электроэнергии для электросети, к которой их подключают после краткосрочного уведомления, в частности, при отсутствии крупномасштабных систем аккумулирования энергии, которые все еще достаточно далеки от промышленного внедрения. Большие колебания в течение суток требуют, чтобы электрогенераторы быстро реагировали для поддержания равновесия между потреблением и производством. В таких обстоятельствах электростанции должны поставлять электроэнергию в сеть в гибком режиме, например, когда для сети требуется небольшое количество электроэнергии, они должны быть способными сокращать до нуля электроэнергию, поставляемую в сеть, а когда для сети снова потребуется электроэнергия, они должны быть способными обеспечивать ее очень быстро (в некоторых случаях они должны быть способными обеспечить десятки мегаватт в течение нескольких секунд).
В течение последнего десятилетия основное внимание в отношении традиционных источников электроэнергии переключилось с работы в режиме номинальной нагрузки на работу в режиме промежуточной нагрузки, и, таким образом, возрастает потребность в быстром росте нагрузки и сокращении времени снижения нагрузки и пуска, а также стабилизации сети. Кроме того, значительно увеличилась потребность в дополнительных услугах, таких как обеспечение резервов управления и поддержания частоты, а также третичных резервов управления и работа со следованием за нагрузкой. В результате, возникли новые технологические требования, такие как работа в двусменном режиме, работа со следованием за нагрузкой, изолированная работа, способность к пуску после полного остановки, поддержка частоты и очень высокая надежность пуска и эксплуатации, чтобы стабилизировать динамику электросети и, таким образом, обеспечивать надежное и экономичное энергоснабжение.
Поскольку требования к цикличности нагрузки изменяются, и расширяется применение возобновляемых источников энергии, «традиционные» электростанции требуется приспосабливать к периодам, в течение которых существует повышенное или пониженное потребление электроэнергии. В зависимости от рассматриваемой страны и электросети требуются разнообразные динамические возможности. Электростанции комбинированного цикла (т.е. электростанции, включающие газовые и паровые турбины) позволяют быстрее изменять нагрузку в широком диапазоне нагрузок, что делает эти электростанции более гибкими. Кроме того, что касается быстрого пуска и эффективности, электростанция комбинированного цикла превосходит другие способы производства электроэнергии. Более того, электростанции комбинированного цикла обеспечивают значительно более высокую скорость изменения нагрузки по сравнению с другими традиционными электростанциями вследствие инновационных и специально разработанных систем.
Если в будущем станут работоспособными возобновляемые мощности, которые планируются в настоящее время, предшествующие обеспечивающие основную нагрузку электростанции, такие как электростанции комбинированного цикла, потребуется не просто ограничивать для обеспечения части нагрузки, но полностью останавливать во многих случаях во избежание значительных избыточных мощностей. Эти электростанции комбинированного цикла затем требуется запускать из состояния полной остановки с максимально возможной скоростью, чтобы удовлетворять потребности в случае кратковременной потери электроэнергии из возобновляемых источников. Единственное решение при отсутствии соответствующих аккумулирующих систем представляет собой расширение использования традиционных электростанций в так называемом «двухсменном режиме работы», то есть пуск и остановка на суточной основе (а иногда и по нескольку раз в сутки) в целях компенсации колебаний нагрузки. При эксплуатации в таких условиях важно, чтобы пуски осуществлялись очень быстро и надежно, что является возможным в случае электростанций комбинированного цикла вследствие относительной простоты их систем подачи и сгорания топлива.
Как упомянуто выше, надежность пуска становится все более важной задачей, и в данном отношении электростанции комбинированного цикла представляют значительные преимущества по сравнению с другими традиционными технологиями вследствие своей минимальной степени сложности. В технике известно несколько способов пуска электростанций комбинированного цикла, которые описывают, например, EP 2423462 A2 и EP 0605156 A2, а также CN 202230373 U. Ускоренный пуск описывают, например, заявки US 2005/0268594 A1 и US 2009/0126338 A1, а также международная заявка WO 2012/131575 A1.
Кроме того, в технике известен описанный, например, в EP 2056421 способ подключения к сети комбинированной электростанции, содержащей газовую турбину и паровую турбину.
В электростанциях комбинированного цикла, имеющих две производящие электроэнергию установки, т.е. газовую турбину и паровую турбину, в процессе пуска газовая турбина начинает работу первой, увеличивая скорость вала до номинальной скорости. После синхронизации с сетью газовая турбина начинает поставлять электроэнергию в сеть. Паровая турбина представляет собой вторую установку, которая может начать работу, когда параметры пара (такие как давление пара и температура пара, поставляемого системой генерации пара) достигают соответствующих уровней для компонентов паровой турбины (таких как вал, корпус и паровые впускные клапаны). Чем холоднее материалы паровой турбины, тем ниже должны быть параметры пара (например, пониженное давление пара и пониженная температура пара), чтобы предотвращать чрезмерное воздействие на компоненты паровой турбины и сокращение срока их службы. Это можно обеспечивать посредством эксплуатации газовой турбины при минимально возможной нагрузке соответствующей минимально возможному уровню температуры на выпуске газовой турбины и выходящего массового потока. Для выполнения требований к пуску паровой турбины системы генерации пара, такие как утилизирующие тепло парогенераторы, должны быть оборудованы препятствующими перегреву установками, которые способны регулировать требуемую температуру пара. Кроме того, обводные установки паровой турбины должны также иметь конструкцию, соответствующую требованиям к давлению пара турбины при пуске.
Традиционные пусковые процедуры требуют, чтобы пуск паровой турбины осуществлялся при низких или средних рабочих нагрузках газовой турбины, что приводит к усложнению конструкций препятствующих перегреву установок и обводных установок паровой турбины. Кроме того, вследствие непредсказуемого профиля пусковой нагрузки, поставляемая электроэнергия в процессе пуска не оплачивается представителями электросети. Оператор электросети должен интегрировать производимую газовой и паровой турбинами электроэнергию в сеть и управлять всей электроэнергией в сети соответствующим образом. Кроме того, затраты на топливо, расходуемое в процессе пуска, несет собственник электростанции. Таким образом, собственник электростанции предпочитает запускать паровую турбину при минимально возможной нагрузке газовой турбины, чтобы сократить пусковые расходы.
Таким образом, было бы желательным, чтобы пуск паровой турбины (разгон и разогрев) до состояния, готового к нагрузке, осуществлялся при минимально возможной мощности без выдачи какой-либо электроэнергии в сеть.
Настоящее изобретение предназначено для решения этих задач.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение относится к способу пуска электростанции комбинированного цикла, подключаемой к сети и работающей при нагрузке для собственных нужд, таким образом, чтобы никакая электроэнергия не выдавалась в сеть. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу пуска паровой турбины электростанции комбинированного цикла, переводимой в готовое для нагрузки состояние, что осуществляется при минимально возможной мощности без выдачи какой-либо электроэнергии в сеть.
В способе эксплуатации согласно настоящему изобретению все турбины (в том числе газовые и паровые турбины) электростанции подключены (находятся в действии), и производимая ими активная мощность (то есть суммарная выходная мощность, производимая всеми турбинами электростанции) не превосходит нагрузки для удовлетворения собственных нужд (то есть не превосходит уровня энергоснабжения, необходимого для внутреннего потребления электростанцией). Таким образом, активная мощность, выдаваемая в сеть, является нулевой.
Способом согласно настоящему изобретению можно эксплуатировать электростанцию, которая подключена к сети, а также электростанцию, которая отключена от сети.
Пуск и эксплуатация электростанции комбинированного цикла согласно настоящему изобретению предоставляют возможность решения проблемы определения нагрузки энергоблоков. Определение нагрузки энергоблоков рассматривается как все более важный аспект в контексте экономически оптимального использования имеющихся производящих электроэнергию мощностей. Это оптимальное использование определяется стоимостью пуска/остановки и растущими ограничениями в отношении электростанций комбинированного цикла. Кроме того, следует также принимать в расчет требования по резерву (горячему и негорячему). Настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества:
- выдача активной мощности в электросеть приобретает значительную определенность, поскольку устраняются перебои, вызываемые процессом пуска и нагрузки паровой турбины; таким образом, можно снижать степень неопределенности, поскольку паровая турбина синхронизируется до выдачи активной мощности;
- пуск паровой турбины происходит при минимальном расходе топлива, что является возможным для эксплуатации (равно или находится ниже нулевой нагрузки газовой турбины);
- уменьшается мощность препятствующей перегреву установки, что означает уменьшение расходов;
- уменьшается мощность обводной установки паровой турбины, что означает уменьшение расходов;
- никакое нарушение пуска паровой турбины не влияет на стабильность сети (прерыватель соединения сети является разомкнутым, поскольку отсутствует выдача электроэнергии в сеть);
- увеличивается мощность горячего резерва; может быть обеспечена мощность от нагрузки для собственных нужд для основной нагрузки электростанции комбинированного цикла без прерывания процесса нагрузки (например, для пуска паровой турбины).
Краткое описание чертежей
Перечисленные выше объекты и многие из сопутствующих преимуществ настоящего изобретения оказываются более доступными для оценки, когда они становятся более понятными при ознакомлении со следующим подробным описанием, рассматриваемым в сочетании со следующими сопровождающими чертежами.
Фиг. 1 представляет схематическое изображение электростанции комбинированного цикла, которую можно использовать для осуществления способа, согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 представляет пуск и эксплуатацию электростанции комбинированного цикла, которая аналогична электростанции, представленной на фиг. 1, иллюстрируя пуск газовой турбины и паровой турбины, согласно известному предшествующему уровню техники.
Фиг. 3 представляет пуск и эксплуатацию электростанции комбинированного цикла, которая аналогична электростанции, представленной на фиг. 1, иллюстрируя пуск газовой турбины и паровой турбины, согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение описывает способ пуска электростанции комбинированного цикла, такой как электростанция, схематически представленная на фиг. 1. При использовании способа согласно настоящему изобретению пуск паровой турбины и перевод ее в состояние, готовое для нагрузки, происходит при минимально возможной мощности без передачи какой-либо электроэнергии в электросеть, как будет разъяснено ниже.
Электростанция 1 содержит газовую турбину 2 и систему 10 генерации энергии пара: газовая турбина 2 и система 10 генерации энергии пара приводят в действие электрогенератор 20, подключенный к электросети 21 через линию 22.
Газовая турбина 2 содержит компрессор 3, камеру сгорания 4 и турбину 5. Камера сгорания 4 принимает топливо 6 и окислитель 7 (обычно воздух, сжатый в компрессоре 3); топливо 6 и окислитель 7 сгорают, образуя горячие газы, которые расширяются в турбине 5 и производят механическую энергию.
Турбина 5 выпускает отходящие топочные газы 8, которые затем поступают в систему 10 генерации энергии пара; система 10 генерации энергии пара содержит бойлер 11, который также называется термином «утилизирующий тепло парогенератор» (HRSG), который принимает топочные газы 8 из газовой турбины 2 и производит пар, расширяющийся в паровой турбине 12, которая содержит статор 12a и ротор 12b. Обычно, как представлено на фиг. 1, система 10 генерации энергии пара также содержит конденсатор 13 и насос 14.
Для осуществления способа согласно настоящему изобретению можно также использовать и другие схемы, которые отличаются от примерной схемы, представленной на фиг. 1.
Предпочтительно, в процессе такой эксплуатации в установившемся режиме электрогенератор 20 подключен к сети 21; прерыватель (не представлен) соединяет генератор 20 и сеть 21 таким образом, что, когда прерыватель замкнут, генератор 20 подключен к сети 21, но не передает в сеть никакой электроэнергии. В качестве альтернативы, электрогенератор 20 можно также не подключать к сети 21, т.е. прерыватель может быть разомкнут.
Согласно настоящему изобретению турбина 5 и паровая турбина 12 находятся в активном состоянии (подключены), и поступающая в сеть 21 электроэнергия, которую передает газовая турбина 2, плюс электроэнергия, которую передает паровая турбина 12, практически равна нулю, то есть электростанция 1 работает при нагрузке для собственных нужд. Нагрузка для собственных нужд соответствует электроэнергии, которую должна обеспечивать или производить электростанция 1, чтобы обеспечивать вспомогательные устройства и свое внутреннее потребление. Таким образом, работающая при нагрузке для собственных нужд электростанция 1 производит электроэнергию для своего внутреннего потребления, но практически не способна передавать какую-либо электроэнергию в сеть 21, и, таким образом, электроэнергия, передаваемая в сеть 21, практически равна нулю.
Согласно настоящему изобретению, пуск паровой турбины 12 происходит при минимально возможной мощности, выдаваемой электростанцией. Эксплуатация электростанции в режиме нулевой нагрузки представляет собой особый режим эксплуатации электростанции комбинированного цикла, который обеспечивает работу всех компонентов электростанции 1, включая паровую турбину 12, подающую электроэнергию на вспомогательные устройства электростанции и не подающую электроэнергию в сеть, то есть не обеспечивающую мощность в сеть 21. Согласно настоящему изобретению пуск паровой турбины 12 и соответствие газовой турбины 2 пусковым требованиям паровой турбины 12 характеризуются следующим образом.
1. Газовую турбину 2 запускают в режиме эксплуатации при нагрузке для собственных нужд, то есть газовая турбина 2 подает ровно столько электроэнергии, сколько требуется для вспомогательных устройств электростанции; в таком режиме эксплуатации электростанция 1 не потребляет электроэнергию из электросети 21, и прерыватель соединения с сетью, как правило, разомкнут.
2. Газовая турбина 2 работает при нагрузке для собственных нужд до тех пор, пока не будут достигнуты параметры пара для пуска паровой турбины 12 и паровая турбина 12 не достигнет номинальной рабочей скорости.
3. Паровая турбина 12 увеличивает нагрузку, и в то же время газовая турбина 2 уменьшает нагрузку, чтобы обеспечивать суммарное производство электроэнергии, которое требуется для вспомогательных устройств электростанции. Уменьшение мощности газовой турбины 2 зависит от исходной температуры материала паровой турбины 12 (исходная температура материала паровой турбины 12 представляет собой температуру материалов в тот момент времени, когда начинается пуск паровой турбины 12, и происходит первый впуск пара в паровую турбину 12), например, это может быть исходная температура вала паровой турбины 12. Чем ниже температура паровой турбины 12, тем ниже будет нагрузка газовой турбины 2. Минимально возможная нагрузка газовой турбины 2 зависит от устойчивости сгорания в газовой турбине 2 и от требуемой температуры на выходе газовой турбины 2. Уменьшение мощности газовой турбины 2 может быть ниже нулевой рабочей нагрузки газовой турбины 2. При эксплуатации газовой турбины в режиме нулевой нагрузки, газовая турбина 2 может генерировать достаточную мощность для работы своего компрессора 3 при номинальной скорости. Максимально возможная нагрузка газовой турбины 2 соответствует нагрузке, требуемой для вспомогательных устройств электростанции (нагрузка газовой турбины для собственных нужд). Минимальная нагрузка паровой турбины представляет собой нулевую нагрузку паровой турбины, соответствующую нагрузке паровой турбины, которая является достаточной для эксплуатации паровой турбины 12 на номинальной скорости. Максимальная нагрузка паровой турбины соответствует мощности, требуемой для энергоснабжения вспомогательных устройств электростанции и поддержания номинальной скорости компрессора 3 газовой турбины. Исходная температура материала паровой турбины 12 определяет требуемые температуры и требуемые градиенты температуры пара, поступающего в паровую турбину 12. Для достижения определенной температуры пара газовая турбина 2 должна обеспечивать определенную минимальную температуру на выпуске; как правило, температура на выпуске газовой турбины 2 соответствует нагрузке газовой турбины 2, таким образом, что увеличение нагрузки газовой турбины 2 приводит к увеличению температуры на выпуске газовой турбины 2. Конечный результат заключается в том, что нагрузка газовой турбины 2 осуществляется в зависимости от исходной температуры материала паровой турбины 12. Нагрузка газовой турбины 2 является такой, которая требуется для обеспечения определенной минимальной температуры на выпуске. Нагрузка газовой турбины 2 не осуществляется в большей степени, чем это требуется для обеспечения определенной минимальной температуры на выпуске, чтобы сохранять расход топлива на минимально возможном уровне. Нагрузка паровой турбины 12 регулируется в зависимости от нагрузки газовой турбины 2 таким образом, что сумма нагрузки, которую обеспечивает газовая турбина 2, и нагрузки, которую обеспечивает паровая турбина 12, равна вспомогательной мощности, расходуемой на собственные нужды электростанции 1, причем мощность, выдаваемая в сеть 21, равна нулю. Тепловая нагрузка паровой турбины 12 может начинаться путем постепенного увеличения нагрузки газовой турбины 2. Увеличение нагрузки газовой турбины 2 приводит к увеличению температуры на выпуске газовой турбины 2, что, соответственно, приводит к постепенному увеличению температуры пара, который поступает в паровую турбину 12. В то же время нагрузка паровой турбины 12 уменьшается в соответствии с требованием нулевой нагрузки электростанции 1.
4. Отсутствие нагрузки газовой турбины 2 прекращается, как только достигается минимальная требуемая температура на выпуске. Увеличение нагрузки паровой турбины 12 прекращается, и такое состояние соответствует режиму эксплуатации электростанции при нулевой нагрузке. Сумма нагрузки газовой турбины 2 и нагрузки паровой турбины 12 равна вспомогательной мощности электростанции, которая расходуется на собственные нужды, и мощность, выдаваемая в электросеть 21, равна нулю.
5. Газовая турбина 2 остается в этом режиме, и пар, поступающий в паровую турбину 12, нагревает материал паровой турбины 12. В том случае, когда исходная температура материала паровой турбины 12 является достаточно высокой, нагрузку паровой турбины 12 можно осуществлять посредством увеличения нагрузки газовой турбины 2. В том случае, когда температура материала паровой турбины 12 не является достаточно высокой, начинается тепловая нагрузка паровой турбины 12. Как правило, паровая турбина 12 подвергается пусковым напряжениям двух типов, включая механическое напряжение и тепловое напряжение. При эксплуатации электростанции в режиме нулевой нагрузки механическую нагрузку на паровую турбину 12 можно сохранять на очень низком уровне. Производство пара бойлером 11 является низким вследствие низкой нагрузки газовой турбины 2, что позволяет обводным установкам 40 паровой турбины 12 обеспечивать низкое давление пара, которое требуется для паровой турбины 12.
6. Тепловое нагружение паровой турбины 12 можно начинать путем постепенного увеличения нагрузки газовой турбины 2, что приводит к увеличению температуры на выпуске газовой турбины 2, и это, соответственно, приводит к постепенному увеличению температуры пара, который поступает в паровую турбину 12. В то же время нагрузка паровой турбины 12 уменьшается в соответствии с требованием нулевой нагрузки электростанции.
7. Нагрузку газовой турбины 2 можно прекращать, как только материалы паровой турбины 12 достигают требуемого состояния для механической нагрузки паровой турбины 12. В этом рабочем состоянии электростанции сумма нагрузки паровой турбины 12 и нагрузки газовой турбины 2 соответствует требуемой мощности вспомогательных устройств электростанции, и выдаваемая в электросеть 21 электроэнергия равна нулю. Электростанция 1 может оставаться в этом режиме эксплуатации в течение любого времени, желательного для оператора электростанции, или ее нагрузку можно увеличивать с различными градиентами (быстро или медленно) после закрытия прерывателя соединения с сетью.
Способ согласно настоящему изобретению повышает экономическую эффективность использования доступной электроэнергии, которую способна производить электростанция 1. На это оптимальное использование влияют расходы на пуск и остановку, а также ограничение скорости (времени) изменения мощности электростанции 1. Существуют следующие основные преимущества в отношении экономической эффективности использования способа согласно настоящему изобретению:
a) в известных способах предшествующего уровня техники процесс нагрузки электростанции комбинированного цикла 1 прерывается для пуска и/или нагрузки паровой турбины 12, чтобы уменьшать тепловое напряжение основных компонентов паровой турбины 12. Таким образом, профиль нагрузки электростанции 1 зависит от состояния электростанции перед пуском (тепловые параметры, условия окружающей среды и т.д.), и, следовательно, он подвержен значительной неопределенности. Эта неопределенность устраняется способом согласно настоящему изобретению, поскольку паровая турбина 12 синхронизируется по отношению к скорости газовой турбины 2 до выдачи активной мощности в сеть 21;
b) способ согласно настоящему изобретению осуществляется при минимальном расходе топлива, который является возможным для эксплуатации (ниже нулевого уровня нагрузки газовой турбины 2, как разъясняется выше);
c) способ согласно настоящему изобретению увеличивает мощность горячего резерва, поскольку эту мощность можно обеспечивать из нагрузки для собственных нужд для основной нагрузки электростанции комбинированного цикла без прерывания процесса нагрузки (например, для пуска паровой турбины 12).
Хотя настоящее изобретение полностью описано в связи с предпочтительными вариантами осуществления, очевидно, что в пределах его объема можно осуществлять модификации, рассматривая их как ограниченные не данными вариантами осуществления, но содержанием следующей формулы изобретения.
Условные обозначения
1 - электростанция
2 - газовая турбина
3 - компрессор
4 - камера сгорания
5 - турбина
6 - топливо
7 - окислитель
8 - топочные газы
10 - производящая электроэнергию паровая система
11 - бойлер
12 - паровая турбина
12a - статор
12b - ротор
13 - конденсатор
14 - насос
20 - электрогенератор
21 - электросеть
22 - линия
40 - обводная линия