發電站設備及其運行方法

專利名稱：發電站設備及其運行方法
技術領域：
本發明涉及發電站技術的領域。本發明涉及一種組合式發電站設備，該設備具有 燃氣渦輪機與電網之間的電子去耦裝置或電子的變頻裝置，以及直接通過發電機連接到電 網上的蒸汽渦輪機，本發明還涉及一種用于運行這種發電站的方法。
背景技術：
大型發電站設備的功率范圍大于100麗，在這些發電站設備中，產生電流的發電機 由燃氣渦輪機和/或蒸汽渦輪機驅動并且產生的電功率被饋送到具有預設的電網頻率(例 如50或60Hz)的電網中，這些發電站設備通常具有在渦輪機的(機械的)轉速與電網頻率 之間的固定耦合。發電機的輸出端通過電網連接部與電網頻率固定地(frequenzstarr)連 接，而其由渦輪機或者直接地(1-軸設備)或者通過機械變速器(Getriebe)轉速耦合地驅 動。發電站設備的這種配置在圖2和3中極其簡化地表示。借助于變速器，僅僅可在電網 頻率與渦輪機之間實現固定的變換比。但也可以考慮如下的解決辦法，其中發電機由動力 渦輪機驅動，該渦輪機可以以一種與原本的燃氣渦輪機不同的轉速運行。圖2以極其簡化的示圖示出已知類型的發電站設備10'，該發電站設備借助于燃 氣渦輪機12以及借助于蒸汽渦輪機對產生電流并且將電流饋送至電網21中，燃氣渦輪機 12帶有耦合的第一發電機18而蒸汽渦輪機M帶有耦合的第二發電機8。燃氣渦輪機12 和發電機18通過共同的軸19相連接并且構成了渦輪機系(TurbinenstrangUl。燃氣渦 輪機在最簡單的情況下包括壓縮機13，該壓縮機通過空氣入口 16吸入并且壓縮燃燒用空 氣。壓縮機13可以由多個相繼連接的分壓縮機組成，這些分壓縮機在升高的壓力水平上工 作并且在需要時能夠實現壓縮空氣的中間冷卻。在壓縮機13中壓縮的燃燒用空氣到達燃 燒室15中，通過燃料供給17將液態的(例如油)或氣態的(例如天然氣)燃料噴入該燃 燒室中并且在消耗燃燒用空氣的情況下燃燒。從燃燒室15中選出的熱氣體在后面的渦輪機14中在做功的情況下膨脹并且因此 驅動壓縮機13和耦合的第一發電機18。當從渦輪機中排出時還是相對較熱的排氣被輸送 經過后面的余熱蒸汽發生器23，以便在單獨的水-蒸汽-循環25中產生用于驅動蒸汽渦輪 機M的蒸汽。冷凝器、給水泵和水-蒸汽-循環25的另外的系統出于簡化視圖的原因未 示出。這種燃氣渦輪機-和蒸汽發電站的組合被稱為組合式發電站。燃氣渦輪機M可以 與第一發電機18在與渦輪機14相對的側上耦合；燃氣渦輪機12、第一發電機18和蒸汽渦 輪機M隨后構成了所謂的“單軸傳動系”。蒸汽渦輪機M但也可以，如圖2中所示地，在單 獨的軸系60上驅動自身的第二發電機8。對于多軸設備來說，不同的組合是已知的。例如， 廣泛流行的是所謂的2合1裝置，在該裝置中，通過兩個連接在燃氣渦輪機12后方的鍋爐 (Kesseln) 23為具有第二發電機8的軸系60上的蒸汽渦輪機M供給蒸汽。燃氣渦輪機12 分別布置在具有自身的第一發電機18的渦輪機系11上。類似地，也存在如下的裝置，在該 裝置中，蒸汽被三個或更多的連接在燃氣渦輪機12后方的鍋爐23利用，以用于驅動蒸汽渦 輪機M。
在根據圖2的1-軸-燃氣渦輪機中，燃氣渦輪機12的轉速與在第一發電機18中 產生的交流電壓的頻率之間成固定比例，且該頻率必須等于電網21的電網頻率。在當今 常見的、功率超過100MW的大型燃氣渦輪機單元中，60Hz的發電機頻率或電網頻率對應于 3600U/min的燃氣渦輪機的轉速(例如申請人的燃氣渦輪機GTM)，并且50Hz的發電機頻 率對應于3000U/min的轉速(例如申請人的燃氣渦輪機GT26)。如果達到了燃氣渦輪機12的轉速與發電機-或電網頻率之間的另一個比例，則根 據圖3在發電站設備10"中原則上可以在燃氣渦輪機12的軸19與第一發電機18 (渦輪機 系11 ‘)之間插入機械變速器26，該機械變速器通常設計為減速器并且因此能夠實現燃氣 渦輪機12的更高的轉速和更小的結構形式。相應的減速器也通常用于運行小型的蒸汽渦 輪機。這種機械變速器沈然而出于堅固性的原因典型地僅僅用于小于100MW至120MW的 功率。在另一方面，每個燃氣渦輪機的超過100MW的大功率以及高的效率首先利用相對較 慢旋轉的ι-軸-機器來實現。隨后得出在圖1中示出的情況在大約100麗的有效功率之上存在單個的 1-軸-燃氣渦輪機，這些渦輪機設計為固定轉速，為3000U/min (對于50Hz ；GT26)或 3600U/min (對于 60Hz ；GT24)并且得到優化(F. Joos 等人·，Field experience with the sequential combustion system of the GT24/GT26 gas turbine family, ABB Review no. 5，p. 12-20(1998))。在100Hz之上和當功率在100MW之下時，通過具有動力渦輪機或變 速器的配置，或者通過多軸燃氣渦輪機可實現幾乎任意的交流電壓頻率(圖1中畫陰影線 的區域)。燃氣渦輪機的在頻率上的功率遵循曲線A，而效率η遵循曲線B。具有高效率的 大功率就首先可以在低轉速時實現，在那里然而僅僅提供了個別的解決辦法。為了在個別的解決辦法中減少制造成本，在US-A-5，520，512中已經提出了，在燃 氣渦輪機設備中對于不同的電網頻率將至少部分渦輪機設計成相同的。在燃氣渦輪機的轉 速與電網頻率之間的固定耦合然而在此保持不變。在US-B2-6，628，005中提出了，由渦輪機和發電機組成的1_軸設備利用預設的轉 速通過如下方式可用于50Hz和60Hz的不同電網頻率，選擇兩個電網頻率之間的發電機頻 率，例如55Hz，并且根據電網頻率借助于頻率微分器加上或減去5Hz。在此也保持獲得了固
定華禹合。由渦輪機轉速與電網頻率之間的固定耦合對于現存的、帶有現存的渦輪組件的設 備方案在對穩定的運行進行優化時產生了限制。此外對瞬態的性能產生了不利影響。例如 導致了在渦輪機中的功率下降(einbruechen)，或導致了當動態調節以便通過提高燃氣渦 輪機入口溫度來支持電網頻率時的高的熱負載和機械負載。此外，快速的瞬態導致了提高 的負載。在組件或發電站設備的新型設計中的優化也由于渦輪機轉速與電網頻率之間的 固定耦合而受到限制。發電站渦輪機特別地由于預設的到電網頻率的耦合而在其功率大小 方面受到限制(參見圖1的曲線A)。由 US-A-5, 694，026 已知了一種不帶有減速裝置(Untersetzungsgetriebe)的 1-軸-渦輪機-發電機-組，其中在發電機的輸出端與電網之間布置了靜態的變頻器，借助 于該變頻器將由發電機產生的交流電壓-頻率轉換為電網的頻率。當啟動燃氣渦輪機時， 將發電機作為發動機來使用，其從電網通過靜態的變頻器獲取能量。變頻器包含了由電感構成的直流電流中間電路。由US-B2_6，979，914已知了一種具有由燃氣渦輪機和發電機組成的1_軸-裝置 的發電站設備，其中同樣也在發電機輸出端與電網之間設置了變頻器，以便使得由發電機 產生的交流電壓匹配于電網頻率。在此，在變頻器中布置了直流電壓中間電路。由 L. J. J. Offringa，L. J. J.等人·的文章“A 1600KW IGBT converter with interphase transformer for high speed gas turbine power plants，，，Proc. IEEE-IAS Conf. 2000. 4,8-12 October 2000，Rome, 2000, pp. 2243-2248,已知了一種具有快速旋轉的 燃氣渦輪機(18000U/min)和相對較小的輸出功率(1600KW)的發電站設備，其中在發電機 與電網之間的頻率去耦通過具有直流電壓中間電路的變頻器實現。在具有通過帶有直流電流-或直流電壓中間電路的變頻器實現的、發電機輸出端 與電網之間的去耦的已知發電站設備中缺點在于，變頻器自身帶來不能忽視的功率損失， 其在帶有1-軸-渦輪機系和大于100MW的功率的發電站設備中又使得一部分的在該區域 中獲得的效率改善喪失。

發明內容
本發明的目的在于提出一種組合式發電站設備，其特征在于在在同時高效率的 情況下靈活的運行；以及一種用于該設備的優化運行的方法。本發明的基本思想在于，借助于電子裝置使組合式發電站的至少一個燃氣渦輪 機-發電機-組相關于頻率地與電網相分離以及通過發電機相關于頻率地在電網上耦合地 驅動至少一個蒸汽渦輪機。由此，可以在設計點中和運行中針對不同的邊界條件最佳地調節和調整發電站， 而不會明顯降低高的設計效率。除了穩定運行之外，通過提出的方法也公開了在過低頻率 事件和過高頻率事件時的運行優化。在引入轉速調節用于優化發電站運行和用于發電站的與電網頻率無關的運行時， 首先看起來顯然的是，蒸汽渦輪機和燃氣渦輪機完全相同地與電網去耦。值得注意的是，不同地對待燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機，不僅相對于兩個組件與電 網的常規固定耦合，而且也相對于兩個組件與電網的顯然的(naheliegend)去耦，都是有 利的。具有蒸汽渦輪機的固定電網耦合以及相關于頻率地與電網去耦的燃氣渦輪機的 設備不僅允許靈活穩定的、以高的總效率的運行，而且也允許靈活的瞬態運行。不同類型的變頻器適合于作為用于使燃氣渦輪機-發電機組與電網之間相關于 頻率分離的電子裝置。矩陣變換器例如是一種類型的合適變頻器。通過燃氣渦輪機的與電網頻率無關的運行，利用轉速得出用于優化發電站運行的 新的附加調節參數。其除了其它之外還允許-燃氣渦輪機的穩定的、與電網頻率無關的運行，-發電站設備的與電網頻率無關的功率調節，-發電站設備的與電網頻率無關的效率優化，-發電站設備的與電網頻率無關的部分負載優化，
-燃氣渦輪機的改善的排放調節。燃氣渦輪機的與電網頻率無關的運行還能夠實現發電站設計的更好優化。其例如 允許了 -將壓縮機和渦輪機設計在最佳點，這在固定的頻率耦合的情況下是不可能的，-燃氣渦輪機的成本最優的相應于功率的設計，這在通過預設的轉速和空氣動力 的或機械的設計邊界而限制到固定的50Hz-或60Hz的電網頻率時是不可能的，-壓縮機和渦輪機的更好的調諧，-針對變化的外界環境條件的最佳調諧。燃氣渦輪機的與電網頻率無關的運行除了由于緩慢的設計轉速或設計頻率引起 的更好的設計之外，也允許了燃氣渦輪機的增大。相應于在60Hz與50Hz之間常見的縮放， 可以通過在50Hz降低設計轉速進一步縮放燃氣渦輪機的大小和功率。大小和功率與轉速 的平方成反比。燃氣渦輪機的與電網頻率無關的運行不僅僅允許了，燃氣渦輪機與周圍的邊界條 件無關地在其最佳情況附近運行，而且也允許了，減少排氣質量流量和排氣溫度的變化。 即，可以更好地調節對于至少一個鍋爐和因此對于至少一個由該鍋爐饋送的蒸汽渦輪機的 邊界條件。由于這種更好的調節可能性，大大降低了蒸汽渦輪機的轉速調節的附加改善可 能性。此外，與非常昂貴的研發那種不能在所有部件中、例如燃燒室簡單地幾何縮放的 燃氣渦輪機相比，研發用于不同轉速的蒸汽渦輪機是相對沒有問題且成本低的。燃氣渦輪 機研發由于受限制的可定標性和集成的高復雜性、特別是壓縮機、燃燒室和渦輪機的集成， 而非常昂貴。此外，當一種用于50Hz和60Hz的類型在市場上可以出售時，在制造時由于提 高的件數而節約的可能性，對于復雜的燃氣渦輪機來說明顯比對于蒸汽渦輪機要高。在燃 氣渦輪機方面，改善的運行性能，更好優化的設計的可能性和節約性相對于額外花費以及 對于電子去耦出現的功率-和效率損失是占優勢的。與此不同，在連接于轉速調節的燃氣 渦輪機后面的水-蒸汽循環中，可能的節約明顯更小并且可能的在運行性能中和在設計中 的附加獲益非常小。此外，對于蒸汽渦輪機的電子去耦出現的特殊成本以及相對功率-和 效率損失與對于燃氣渦輪機的處于相同的數量級。通過成本-有效性比例的移動，在本發 明中不考慮蒸汽渦輪機的電子去耦并且提出了一種用于運行相應的組合式發電站的方法 以及所屬的發電站。根據本發明的一個設計方案，燃氣渦輪機的工作頻率明顯不同于電網頻率，其中 特別是工作頻率小于電網頻率，并且電網頻率為50Hz或60Hz。在一個優選的實施方式中， 電網頻率為60Hz并且工作頻率為50Hz。燃氣渦輪機的工作頻率但也可以大于電網頻率，電網頻率優選為50Hz或60Hz。特 別地，電網頻率可以是50Hz并且工作頻率為60Hz。本發明的另一個設計方案的特征在于，該設計方案包括帶有多個布置在 (mXn)-矩陣中的、可控制的雙向開關的矩陣變換器，這些開關由調節器控制地將m個輸入 端可選擇地和η個輸出端相連接，其中m大于n，以及其中在輸入端中設置了用于確定電流 符號的第一裝置和在輸入端之間設置了用于確定電壓符號的第二裝置，以及其中第一和第 二裝置與調節器有效連接。雙向開關可由一個部件構成但也可由多個部件構成。例如兩個反向并聯的、帶有相反的連接方向的晶閘管可以用作可控制的雙向開關。用于確定電流和 電壓符號的裝置例如可以是電流計或電壓計。可替換地例如也可以應用僅僅輸出符號的、 二進制的發送器。根據本發明的另一個設計方案，將變頻器用作可變化的電子變速器。因此可以實 現與電網連接的燃氣渦輪機的可靠的轉速調節。該可變化的電子變速器例如可以通過矩陣 變換器來實現。轉速調節通過如下方式實現，將額定轉速傳輸至可變化的電子變速器并且通過發 電機將轉速強加于燃氣渦輪機。發電機通過可變化的電子變速器在此相對于與燃氣渦輪機 相比近似靜態的電網獲得支持并且通過在燃氣渦輪機的機械轉速和電網頻率之間的頻率 比的調節強加額定轉速。根據本發明的一個設計方案，燃氣渦輪機轉速與可變化的電子變速器的電網頻率 的變換比小于一。其特別例如為六分之五。燃氣渦輪機轉速與可變化的電子變速器的電網頻率的變換比但也可以大于一。其 特別例如為五分之六。另一個設計方案允許了圍繞設計轉速比的靈活的轉速調節。與燃氣渦輪機的設計和運行條件相關地確定燃氣渦輪機的額定轉速。這例如可以 在燃氣渦輪機的調節中實現，從那里將額定轉速傳輸至可變的變速器的調節器。也可以考 慮在單獨的調節器或上一級的所謂的單元控制器中確定額定轉速，該控制器協調組合式發 電站中的燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機的調節。通過燃氣渦輪機特性的隨著轉速調節的明顯更平坦的曲線和對于水-蒸汽循環 的邊界條件中的少的變化，整個組合式發電站的特征曲線明顯更平坦。這表明，當運行條件 與設計條件有區別時發電站的功率-和效率變化小于在常規發電站中的變化。特別地，功 率-和效率降低在高的周圍溫度下明顯減少，其對于許多電網表示關鍵的運行情況并且其 中對于電流可實現的價格典型地最高。本發明的另一個設計方案的特征在于一種發電站設備，其已經在其設計中在與電 網電子去耦的燃氣渦輪機中針對運行得到優化。主要地，燃氣渦輪機的設計對于與電網頻 率無關的運行可以得到優化。此外，水-蒸汽循環可以在與轉速調節的燃氣渦輪機的組合 的情況下相應于上述減少的、邊界條件的變化更好地在設計運行上得到優化，并且在設計 中需要考慮的安全余地可以減少。因此，水-蒸汽循環的設計效率和設計功率可以得到改
口 ο另一個具有特別高的效率和低的排放值的設計方案的特征在于，燃氣渦輪機構造 為具有連續燃燒(sequentielIer Verbrennung)的燃氣渦輪機。根據本發明的另一個設計方案，燃氣渦輪機與電網之間的相關于頻率的分離的可 能性不僅用于穩定的負載運行，而且也用于改善瞬態的運行。特別的優點通過與電網頻率 無關的調節在過低頻率-或過高頻率事件時獲得。通過這種方案，在下面幾點實現了燃氣渦輪機的運行性能和使用壽命消耗方面的 改善之處-通常，發電站在過低頻率時首先失去功率；只有當通過相應的再調整補償了低 功率之后，發電站才可以主動地通過提高功率支持電網。相反地，發電站在過高頻率時首先提高了功率，只有當通過相應的再調整補償了高功率之后，發電站才可以主動地通過降低 功率支持電網。-在新方案中沒有延遲，并且發電站可以從當前的負載點出發立刻加負載并且支 持頻率。在此，或者可以恒定地保持轉速并且放棄來自于燃氣渦輪機的渦輪機系的動態功 率的輸出或消耗，或者調節地改變渦輪機系的轉速。通過轉速的調節，燃氣渦輪機的運行條 件的變化受到控制并且可以實現對燃氣渦輪機的另外的調節參數的預先控制。-在頻率波動時減少瞬態 在過低頻率時首先減少吸入質量流量；這在(第一瞬間恒定的燃料質量流量中) 導致了過度燃燒和通常由于調節器干預在這之后很快導致燃燒不足。·類似地，在過高頻率時存在著燃燒不足，隨后是過度燃燒。·利用新的與電網頻率無關的運行方案避免了這些瞬態或者通過預先控制緩和， 并且進而減少了使用壽命損耗，以及避免了強制地在瞬態的運行中超過設計轉速出現的 (當過度燃燒時的NOx和當燃燒不足時的CO)排放。下面的設計方案的主題是在用于運行組合式發電站的方法中的方面，其優化了在 短時間的和在長持續時間的過低頻率-或過高頻率事件中的調節。在此，短時間的電網頻 率變化理解為在幾秒或幾十秒之內產生的電網頻率變化，這例如通過發電站的斷開(Trip) 或接通大的用電設備而引起。通常在這個上下文中將短時間的變化理解為從幾秒直至大約 30s的時間段。這當然也可以持續直至幾分鐘并且逐步出現，當例如首先一個發電站失靈并 且隨著延遲，第二發電站由于下降的電網頻率也失靈時。其與電網頻率的較長持續時間的 變化(其中電網頻率在較長的時間段上以降低的頻率運行)相反。通常將較長持續時間的 變化理解為30s以上的時間段。這當然也可能保持直至幾分鐘，在特別情況下甚至可能保 持直至幾小時。在此，短時間的電網頻率變化之后可以跟隨電網頻率的較長持續時間的變 化。對于較長持續時間的頻率變化來說目的在于，避免燃氣渦輪機的瞬態和與之相聯 系的排放的升高，以及實現設備組件的提高的使用壽命。對于根據本發明的方法的這個部分方面來說重要的是，在電網頻率的較長持續時 間的變化中，將燃氣渦輪機的機械或空氣動力轉速保持為恒定并且無延遲地匹配燃氣渦輪 機的功率。相應地，避免了排氣質量流量的與轉速相關的變化以及被提供給水-蒸汽循環 的排氣能量與燃氣渦輪機的功率匹配成比例地改變。蒸汽渦輪機功率因此可以恒定地保持 在第一個近似值中或與燃氣渦輪機的功率匹配成比例地改變，而不需要蒸汽渦輪機的轉速 調節。對于短時間的或快速的頻率變化來說，目的在于提出一種方法，即能夠對電網中 的過高頻率-或過低頻率事件(Ueber-oder Unterfrequenz-Ereignisse)快速回應并且在 此盡可能地避免或限制發電站設備中的不期望的瞬態。對于根據本發明的方法的這個部分方面來說重要的是，當電網中出現短時間過高 頻率-或過低頻率事件時，可以與電網頻率無關地調節燃氣渦輪機的機械轉速。在電網的 過低頻率的情況下，燃氣渦輪機的轉速可以與電網頻率相比更強地或更弱地降低，并且在 電網的過高頻率的情況下可以與電網頻率相比更強地或更弱地提高。由此通過釋放或吸收 來自燃氣渦輪機的軸系的旋轉能量來提高頻率支持。
根據本發明的一個設計方案，調節地進行燃氣渦輪機的轉速降低-或升高。由于 調節地進行轉速降低，因此合適的預先控制可以使得熱氣體溫度中的瞬態的上沖和下沖最 小化。根據本發明，在電網中的短時間過高頻率事件或過低頻率事件中，機械轉速很大 程度上不恒定地保持，而是該設備如下述地運行i.在過低頻率事件中，通過變頻，由燃氣渦輪機和第一發電機組成的軸系相比于 電網頻率更強地降低。通過機械轉速的更強的降低，通過釋放旋轉能量來提高頻率支持。由 于在這種情況下，調節地進行轉速降低，因此合適的預先控制可以使得熱氣體溫度中瞬態 的上沖和下沖最小化。ii.類似地，在電網的過高頻率事件中，燃氣渦輪機的機械轉速相比于電網頻率可 以更強地提高。通過機械轉速的更強的提高，通過在軸系中吸收旋轉能量來提高頻率支持。 在這種情況下，合適的預先控制也可以使得熱氣體溫度中的瞬態的上沖和下沖最小化。


下面根據實施例聯系附圖詳細說明本發明。圖中示出圖1在圖表中示出燃氣渦輪機的可能的功率(曲線A)和效率(曲線B)與工作頻 率之間的關系；圖2示出根據現有技術的、具有燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機的組合式發電站的極其 簡化的線路圖；圖3示出根據現有技術的、具有燃氣渦輪機和機械變速器以及蒸汽渦輪機的組合 式發電站的極其簡化的線路圖；圖4示出根據本發明的一個實施例的、具有燃氣渦輪機和電子去耦裝置以及蒸汽 渦輪機的組合式發電站的極其簡化的線路圖；圖5示出矩陣變換器的示例性的內部結構，如其作為電子去耦裝置可以在根據圖 4的設備中使用；圖6示出根據本發明的具有不同的調節可能性的、可與圖4相比較的設備；圖7示出下轉速界限與壓縮機入口溫度之間的關系。圖8示出壓縮機效率與空氣動力轉速的關系；圖9示出空氣動力轉速η*和機械轉速nme。h在壓縮機入口溫度Tkl上的調節；圖10示出燃氣渦輪機的冷卻空氣系統的標準化的冷卻空氣壓力比π。^和標準化 的冷卻空氣質量流量m。-在壓縮機入口溫度Tkl上的曲線；圖11示出在根據現有技術的固定耦合中較長的過低頻率事件的隨時間變化的曲 線；圖12示出帶有電子去耦的較長的過低頻率事件的隨時間變化的曲線；圖13示出帶有電子去耦和預期的過低頻率事件的較長的過低頻率事件的隨時間 變化的曲線；圖14示出電網頻率變化和燃氣渦輪機轉速變化的比例對于短時間的過低頻率事 件的影響；圖15示出電網頻率變化和燃氣渦輪機轉速變化的比例對于預期的短時間的過低頻率事件的影響；圖16示出在固定耦合情況下短時間的過低頻率事件；圖16a示出在短時間過低頻率事件和固定耦合情況下燃氣渦輪機轉速和動態功 率的隨時間變化的曲線；圖16b示出在具有電子去耦和調節的轉速梯度的短時間過低頻率事件情況下燃 氣渦輪機轉速和動態功率的隨時間變化的曲線；圖17示出帶有電子去耦和恒定燃氣渦輪機轉速的短時間過低頻率事件；和圖18示出帶有電子去耦和預期的過低頻率事件的短時間過低頻率事件。
具體實施例方式在圖4中在極其簡化的線路圖中示出根據本發明的一個實施例的、具有燃氣渦輪 機和電子去耦裝置以及蒸汽渦輪機的組合式發電站。發電站設備10包括具有壓縮機13和 連續燃燒的燃氣渦輪機12，其中第一燃燒室15利用通過第一燃料供給17的第一燃料產生 熱氣體，即在第一渦輪機14a中膨脹，隨后被引導到第二燃燒室15'中，在那里利用通過第 二燃料供給17'的第二燃料引起熱氣體溫度的第二次提高，隨后其在第二渦輪機14b中膨 脹。替代在效率方面特別有利的連續燃燒，也可以設有單級的燃燒。發電站設備10的其余 部分相應于在圖2或3中具有相同標號的部分。第一發電機18直接耦合于(ankuppeln)燃氣渦輪機12的軸19。因此，第一發電 機18以與燃氣渦輪機12相同的轉速旋轉。然而，從現在起在第一發電機18的輸出端與電 網21之間布置了電子去耦裝置或可變化的電子變速器27，其引起在第一發電機18中產生 的工作頻率或燃氣渦輪機12的轉速與電網的預設電網頻率之間的去耦并且允許了燃氣渦 輪機12的機械轉速n_h的調節。在從燃氣渦輪機中排出時還相對較熱的排氣通過后續的余熱蒸汽發生器23引 導，以便在單獨的水-蒸汽-循環25中產生用于驅動蒸汽渦輪機M的蒸汽。第二發電機8 機械地直接耦合于蒸汽渦輪機M的軸19并且直接與電網頻率電耦合。冷凝器、給水泵和 水-蒸汽-循環25的另外的系統出于簡化視圖的原因未示出。 電子去耦裝置或可變化的電子變速器27-為了對損失功率加以限制-優選地構造 為不帶有直流電流中間電路的矩陣變換器。這種矩陣變換器基于其控制而特別損失少地 工作，在EP-A2-1 199 794中在結構和作用方式方面對該矩陣變換器進行了描述。對于這 種矩陣變換器的另外的實施方式在EP-Al-I 561 273、DE-A1-10 2004 016 453、DE-A1-10 2004 016 463和DE-A1-10 2004 016 464中實施。在圖5中示出了具有6個輸入端相和 3個輸出端相的矩陣變換器的原理線路圖。矩陣變換器07)以時間上的順序將作為源的 第一發電機18的6個相Gl，. . .，G6與負載30的3個相Li，. . .，L3連接在一起。為此所 必需的功率部分四包括18個反向并聯連接的晶閘管的形式的雙向開關32 (在一般情況下 存在有mXn個開關用于m個輸入端/源-相和η個輸出端/負載-相)。開關32布置在 (6 X 3)-矩陣中。為了對開關32進行控制，設有控制器或調節器31，其從時鐘發生器觀獲 得時間信號(時鐘脈沖)。開關32的開關狀態(開，關)被監控并且分別通過第一信號線 路36通知給調節器31。開關32由調節器31分別通過控制線路35進行控制。
在第一發電機18的各個相Gl，. . .，G6中分別布置了一個電流測量裝置34，該電流測量裝置將相電流的符號通過第二信號線路37通知給調節器31。此外，在第一發電機 18的相Gl，. . .，G6之間布置了電壓測量裝置33，該電壓測量裝置將相應相電壓差的符號通 過第三信號線路38通知給調節器31。關于矩陣變換器的驅動過程的細節可參閱上述的文 獻。對于第一發電機18的輸出端與電網21之間的純粹的頻率去耦的備選方案是，去 耦裝置27可以實施為可變化的電子變速器27，該電子變速器通過第一發電機18調節地將 工作頻率或轉速n 。h強加于燃氣渦輪機，該工作頻率或轉速與電網頻率F無關。與額定轉 速51和實際的電網頻率F相關地確定可變化的電子變速器27的變換比X。利用可變化的電子變速器或去耦裝置27，特別是以所述類型的矩陣變換器的形 式，得出了以下優點-在固定的頻率耦合情況下，燃氣渦輪機的驅動僅僅在直至與電網頻率有5-6% 的頻率差別的情況下是可能的。這種限制實際上被取消了。-對電網的電網頻率的支持在另一個電網頻率范圍中是可能的。當在固定的頻率 耦合中可以實現電網頻率的5-6%的范圍內的電網頻率支持的同時，可以通過電子去耦裝 置或電子的可變化的變速器的頻率比的調節實現明顯大于10%的范圍中的支持。-與外部環境條件(例如出口溫度)相關的運行最佳情況(功率，效率)的匹配是 可能的。-可以提高功率。-可以改善效率。-在負載波動情況下的靈活性以及渦輪機的使用壽命可以得到改善。渦輪機可以 繼續轉速恒定地運行。到現在為止出現的附加的熱的或機械的負載(其是用于轉速支持的 措施所必需的)被取消或減小。-排放值可以得到改善。可變化的轉速的附加的自由度允許了在較高的或較低的 轉速時啟動期望的功率。與此相聯系的是，在燃氣渦輪機作為驅動裝置的情況下，較低的或 較高的渦輪機入口 -溫度帶有對于CO2和NOx的排放施加影響的效果。特別地，可以在頻率 支持的情況下避免提高的排放。-頻率去耦或可變化的頻率比允許了發電站的如下構造，其中可以使用于期望功 率的結構尺寸最小化，并且通過附加的自由度，因此可以與電網頻率無關地調節轉速(例 如3300U/min的渦輪機的構造明顯小于3000U/min的渦輪機)。由此也可以減少制造成本。-頻率去耦或可變化的頻率比允許了在如下功率范圍中的發電站的構造，即利用 可比較的驅動技術到目前為止還不能實現該功率范圍(例如在MOOU/min的渦輪機中，相 對于現有的3000U/min的渦輪機的功率增加可能為大約60% )。燃氣渦輪機的運行與電網頻率或用電設備的工作頻率無關，這能夠進一步實現設 計的優化，這是因為在常規的燃氣渦輪機設計中對于偏離設計運行條件需要很大的余地 (Margen)。主要的優點是-通過降低的機械轉速nme。h在低的周圍溫度Tamb時得出了在最佳組件效率時的低 的壓縮機最終壓力并且在壓縮機和渦輪機中的壓力曲線(壓力比)未發生移動 殼體設計、冷卻空氣冷卻器和外部的線路隨著對于極端Tamb的降低的余地而得到 優化。
降低了最大的燃料壓力。相應地，對于燃料分配系統FDS(Fuel Distribution System)的設計余地以及對用于氣態燃料的壓縮機的要求都降低。-從恒定的、降低的轉速出發，結果是在壓縮機-和渦輪機出口處的相同速度三角 形(在基本負載時)。由此引起了更好地在設計上優化的擴散器。-在壓縮機中不存在壓力形成的移動。用于冷卻空氣供給的壓力比不再(或以更 低的程度)與外界環境溫度Tamb相關。不必為了冷卻空氣系統中的Tamb中的變化而建立在 冷卻空氣壓力比中的余地或僅需減少的余地。相應地可以在設計條件上進行優化，從而得 到了更好的效率和更高的功率 這附加地改善了在Tamb上的校正曲線；特別是在高的Tamb時不會不必要地消耗很 多冷卻空氣。-得到了在Tamb上的軸向推力的更小的變化。較小的軸向軸承就足夠了。這引起 了成本節約，此外還引起了軸承的更少的損失功率(更小的潤滑油系統)。由此也得到了功 率和效率的改善。首要的可能性，根據本發明渦輪機系-渦輪機和發電機-在發電站設備之內能夠 與電網頻率無關地穩定地在期望的轉速下運行，支持了電網的穩定性。當頻率下降時，發 電站必須能夠將在正常電網頻率中輸出的功率保持住，理想地甚至將提高的功率輸出至電 網。到目前為止的發電站系統僅能夠在被限制的程度上確保這一點。固定地與電網頻率耦 合的系統覺察到電網頻率的下降，作為在渦輪機和發電機上的不期望的轉速下降。在一個 短的階段之后(在該階段期間從燃氣渦輪機-發電機-軸系中通過轉速延遲將動能饋送到 電網中)，輸出的功率下降。燃氣渦輪機系統在這種情況下以減少的吸入質量流量和明顯提 高的燃料輸送來作出反應，這導致了在渦輪機之內提高的熱氣體溫度。這又顯著降低了渦 輪機的使用壽命，這提高了設備的運行成本。以NOx形式的污染物排放在這種運行階段中同 樣也明顯升高。因此已經定義了兩個限制，其在電網頻率下降時大大限制了功率提高-使 用壽命和排放。作為第三個方面，機械的和空氣動力的協調性起到重要作用。嚴重的、超過 6%的頻率下降導致了發電站設備的關閉，這是因為其在機械方面不能以相應降低的轉速
運行。在更低的空氣動力轉速
^ 1n* = Hmech-J=,的情況下，運行還受到壓縮機的喘振界限(Pumpgrenze)的限制(參看圖7 ;C =機 械轉速界限，D =負載減少和E =壓縮機泵保護)。在電網頻率-去耦的系統或具有可調節的頻率比的系統的情況下，所有上述的缺 點被取消。在最小允許的電網頻率方面不存在限制，這是因為渦輪機系不必遵循電網頻率。 因此也沒有出現污染物提高和在使用壽命方面的損害。除了電網穩定性之外，這樣的發電站系統也允許了各個工作點的功率或效率優 化，特別是也在部分負載工作點的情況下。通過與工作點相關的、合適的轉速調節，在允許 的機械限制的范圍內，或者是通過渦輪機效率的提高實現了排放和燃料節約，或者是可替 換地實現了功率提高，其在峰值負載的覆蓋方面提高了發電站的靈活性。與電網頻率無關的發電站系統的另一個積極的方面是設備在不同的位置條件的 更好的匹配能力。已經描述過的電網穩定性是一個重要的方面，其決定性地取決于位置。此外最重要的是不同的外界環境條件，如外部溫度、空氣壓力、特別是以安裝高度為條件的空 氣壓力、空氣濕度、以及對發電站的驅動狀態施加影響的燃料成分。獨立轉速調節的附加自 由度允許相應于當前的外界環境條件分別產生優化的運行條件。此外，效率改善或還有功 率提高是可能的。例如可以簡化地與壓縮機入口溫度成反比地調節機械轉速，以便將燃氣渦輪機的 空氣動力轉速保持恒定。從基準轉速出發，與壓縮機入口溫度的方根(Wurzel)成比例地調 節燃氣渦輪機的額定轉速。此外，例如根據所應用的燃料氣體來對基準轉速進行校正可能是有利的。從燃氣 渦輪機的設計出發，例如對于ISO甲烷來說，隨著可燃氣體的具體熱值的減少，可燃氣體容 積流量增加并且進而燃燒室壓力和壓縮機最終壓力升高。為了對此加以補償提出了，與可 燃氣體的熱值成反比地降低基準轉速。這例如在燃燒合成氣體時是重要的。相關于電流產生位置該新型的技術的效率改善可能性可以在典型的應用情況下 在渦輪機中處于3% (乘法)數量級中。相關于電流產生位置明顯大于10%的功率提高是 想得到的。電網頻率限制是微不足道的。所有上述的方面可能已經應用于已存在的渦輪機。此外展現了不同的可能性，比 如，如果燃氣渦輪機的轉速不受到電網頻率的限制，則能夠優化燃氣渦輪機。渦輪組件、壓縮機和渦輪機可以以新的邊界條件來設計。到目前為止在穩定的燃 氣渦輪機的情況下也需要的是，從設計條件出發，將減少的轉速的最小的大約為+/-10%的 工作范圍考慮為安全窗口。因此確保了，燃氣渦輪機不僅能夠承受以電網頻率波動為條件 的機械轉速波動，而且也能夠承受以比例1/(Tkl)1/2到達降低的轉速的入口溫度的變化。作 為設計條件，典型地選擇了 ISO-條件，也就是說15°C、60%相對空氣濕度以及1013mbar的 外界環境條件。如果通過優化的運行方案對需要的、降低的轉速范圍加以限制，那么可以通 過壓縮機-和渦輪葉片的新型設計實現效率和功率的獲益。在常規的組合式發電站中，排氣質量流量在滿負載時隨著壓縮機特性和周圍的邊 界條件劇烈變化。如果例如在必須確保未被限制的運行的最冷的日子壓縮機入口溫度比發 電站的設計點低30K，那么因此在滿負載時對于該最冷的日子應該將相對于滿負載設計點 大約提高10%的排氣質量流量考慮在內以及對水-蒸汽循環相應地進行設計。作為被限制 的降低的轉速范圍的結果(其中燃氣渦輪機以上述的方法運行)，在滿負載排氣質量流量 中的變化可以降低到一個程度或者被完全避免。根據燃氣渦輪機的設計，燃氣渦輪機的轉 速調節可以通過限制機械轉速界限來進行。相應地隨后不能在排氣質量流量中避免變化并 且例如需要對于在排氣質量流量為正/負5%的變化設計水蒸汽循環。另一個利用相對于電網頻率的靈活性的可替換方案在于如下可能性將燃氣渦輪 機和發電機在轉速范圍中加以開發，這到目前為止不能實現。因此可以通過轉速相對于電 網頻率的降低，例如到45Hz，實現較大的發電站單元。在轉速范圍中(在這里燃氣渦輪機不再能配有變速器，但其還處于電網頻率之 上)得到了如下可能性更緊湊地并且進而成本更低地制造燃氣渦輪機，條件是在給定電 網頻率的情況下功率在界限功率之下。發電機的優點同樣在于，能夠通過更高的轉速更緊 湊地制造。作為在當今的、具有變速器的渦輪機的范疇中另外的選擇，得到了如下可能性放棄變速器并且將發電機設計用于渦輪機轉速。發電機也在這種情況下變得更小和更便宜。在圖6中示出了組合式發電站的發電站設備10的簡化的示意圖，該發電機設備 設計用于根據本發明的運行方法。具有燃氣渦輪機12和第一發電機18的渦輪機系11 以及具有蒸汽渦輪機M的軸系60對應于圖4。這也適用于可變化的電子變速器或電子 去耦裝置27以及連接上的電網21。電網21可以是一般的供電網，但也可以是牽引電網 (Bahnstromnetz)。替代電網21，也可以連接用電設備、例如工業的驅動裝置或用于天然氣 液化設備的壓縮機。蒸汽渦輪機M的第二發電機8與其連接的電網21或用電設備可以是 與連接在燃氣渦輪機12的第一發電機18上的電網或用電設備不同的另一個電網21或另 一個用電設備。冷凝器、給水泵和水-蒸汽-循環25的另外的系統的示圖出于位置原因而 未被示出。在壓縮機13的輸入端上的至少一列可調節的壓縮機導向葉片42以及在通向燃燒 室15，15'的燃料供給17或17'中的調節閥40和41都用于控制或調節燃氣渦輪機12。 相應的控制信號來自于控制裝置或調節裝置39，按照確定的輸入參數，其可以單獨地或在 可選擇的組合中應用。一個可能的參數是壓縮機入口溫度，其利用布置在空氣入口 16上的 第一測量值傳感器43來測量。另外的可能參數是壓縮機最終溫度和壓縮機最終壓力，其利 用壓縮機的輸出端上的第二和第三測量值傳感器44或45來測量。布置在從壓縮機13送 往燃氣渦輪機12的熱負載部件的冷卻空氣供給裝置50上(例如在兩個渦輪機1 和14b 中)的另一個測量值傳感器46測量冷卻空氣的壓力和/或溫度和/或流量。另一個測量 值傳感器47可以布置在第二個燃燒室15'處，以便測量該燃燒室中的壓力。第一和第二渦 輪機14a，14b的出口溫度可以通過測量值傳感器52a，b測量。燃氣渦輪機12的轉速例如 可以在第一發電機18處獲取并且通過測量線路48輸入到調節裝置39中。對于電網21中 的電網頻率的測量，可以設置電網頻率傳感器49。最后，可以在調節裝置39中輸入用于目 標功率ZL的值。當與電網電子去耦時，調節裝置39根據一個或多個這些參數來調節燃氣渦輪機 12和第一發電機18的空氣動力的或機械轉速n_h，而不會對電網21的電網頻率F的轉速
產生影響。轉速的調節可以可替換地例如也通過如下方式實現，即將燃氣渦輪機的調節裝置 39中計算出的額定轉速51傳輸到可變化的電子變速器27的調節器31上并且額定轉速51 通過發電機強加到燃氣渦輪機12上。第一發電機18在此通過可變化的電子變速器27支 持與燃氣渦輪機12相比近似穩定的電網21并且通過調節電網F與燃氣渦輪機的機械轉速 nme。h之間的頻率比而強加額定轉速51。近似穩定的電網21在此上下文中意味著，電網頻率 F由于轉速nme。h或由所涉及的燃氣渦輪機12輸出到電網21上的功率的變化而發生的變化 非常小并且在調節過程中是可以忽略的或可以容易地加以補償的。這特別意味著，在強加 的燃氣渦輪機轉速的匹配中，可能引起的電網頻率F的變化小一個數量級。通常，引起的電 網頻率F的變化在電網的噪聲中不能測量到或僅能困難地測量到。水-蒸汽循環25在該實例中通過水-蒸汽循環調節器55來調節。該調節器恰好 如同燃氣渦輪機12的調節裝置39那樣從單元控制器56獲得其調節信號并且與其通過信 號線路58進行信號交換。水-蒸汽循環調節器55通過信號線路57獲得對于鍋爐23的 調節來說必需的所有驅動狀態，如溫度、質量流量或閥的位置以及鍋爐的壓力，通過線路57
16將調節信號發送給鍋爐23。作為另外的輸入值，燃氣渦輪機14b的出口溫度52b可以直接 傳輸到水-蒸汽循環調節器陽上。基于蒸汽渦輪機24的驅動狀態，在這里對其的代表是 蒸汽狀態、也就是說溫度和壓力，在蒸汽渦輪機M之前和之后通過測量值傳感器53和M 顯示，以及其轉速48，這由水-蒸汽循環調節器55調節。調節信號通過信號線路57交換。在實踐中，水-蒸汽循環大多不通過水-蒸汽循環調節器55調節，而是通過與單 元控制器56通信的一列調節器。這例如可能是用于蒸汽渦輪機的調節器、用于鍋爐的調節 器或者用于輔助系統、如冷凝器和給水泵的調節器。圖7簡化地示出了在壓縮機入口溫度Tkl上的常規的需要重視的標準化的、燃氣渦 輪機12的最小轉速，通過負載減少D來保護燃氣渦輪機12不會使其過低。其由機械轉速 界限C和壓縮機泵保護E組成。燃氣渦輪機的靈活性和運行范圍的另一個改善可以在本發明的范疇中通過如下 方式實現，即，燃氣渦輪機12可以穩定地在電網21上運行所處的絕對轉速范圍可以明顯擴 展到低的轉速ηω_。對于穩定的運行來說，在常規的燃氣渦輪機12中，機械轉速n_h通過 固有頻率的激勵被向下限制。其例如可以是葉片的固有頻率。可以僅僅瞬態地經過固有頻 率在其中被激勵的轉速范圍。這在燃氣渦輪機12高負載運轉或停止工作時發生，條件是該 燃氣渦輪機不與電網21同步。閉鎖區域(Sperrbereich)圍繞著可導致固有頻率的激勵的 轉速n 。h，燃氣渦輪機12在該閉鎖區域中不能穩定地運行。在燃氣渦輪機12的工作頻率 下方的最上面的閉鎖區域通常建立了機械轉速界限C。所提出的、脫離電網頻率的燃氣渦輪 機轉速的調節允許了，在燃氣渦輪機向電網輸出功率期間瞬態地經過閉鎖區域運行并且燃 氣渦輪機在轉速情況下在閉鎖區域下方運行。在利用電子去耦裝置或可變化的電子變 速器27的運行中需要重視的是，可以在確定的頻率情況下由電子裝置通過第一發電機18 將激勵施加到軸系上。如果這導致了在軸19、葉片或軸系的另外的組件中的關鍵的固有振 動，則這些頻率也應該避免。閉鎖區域可以結合在燃氣渦輪機39的調節中。由于這些激勵 取決于電子裝置，因此在一個實施方式中，閉鎖區域存儲在可變化的電子變速器27的調節 器31中。如果額定轉速51落入這種閉鎖區域中，那么其在調節器31中校正到在閉鎖區域 之下或之上的下一個更高的或下一個更小的值，并且相應于校正的值來調節可變化的電子 變速器。需要重視的轉速界限，如其在圖7中在作為低轉速情況下的壓縮機泵保護E的負 載減少的實例中簡化示出地一樣，是由前述的相反的兩個方面形成的折中一方面燃氣渦 輪機12的工作范圍應該盡可能少地受到限制，另一方面壓縮機13應該盡可能接近于喘振 界限運行，這是因為其效率在那里最高。在圖8中示意性地示出了與喘振界限~的差別Δη 對于在運行期間實現的壓縮機效率1_的影響。最高的壓縮機效率11_在最佳空氣動力 轉速n。pt情況下容易地在喘振界限ns上方實現。在該轉速情況下，常規的燃氣渦輪機12在 設計條件中不運行，這是因為與喘振界限ns的差別必須被遵守。這導致了在設計轉 速nd情況下更低的壓縮機設計效率n。。mpd。在用于具有可調節的轉速的燃氣渦輪機12的新型設計中，壓縮機13可以利用與 喘振界限ns的更小的差別Δη實現優化并且設計用于接近于最佳轉速n。pt或在最佳轉速 nopt的運行，這是因為空氣動力轉速η*由于壓縮機入口溫度Tkl的變化而發生的變化能夠通 過機械轉速的調節來補償。此外，可以減小對于電網頻率F的變化的余地或者將其完全取消。因此改善了壓縮機13的效率以及最終改善了整個發電站的效率。在圖9中示出在其中將機械轉速n_h作為壓縮機入口溫度Tkl的函數進行調節的 調節裝置39。機械轉速nme。h與壓縮機入口溫度Tkl成比例地升高，以便恒定地保持空氣動 力轉速
* 1n* = nmech -^ψ= ·還可以考慮的是，一旦達到機械或另外的界限值、例如壓力或溫度，則將機械轉速 調節或再調節到恒定值。具體地，從設計溫度Tkld出發(其中利用機械轉速Ilnredl達到
了最佳空氣動力轉速n。pt)，利用提高的壓縮機入口溫度Tkl提高了機械轉速n_h，直到達到 機械轉速的上限為止。類似地，利用降低的壓縮機入口溫度Iu降低機械轉速nnre。h，直到 達到機械轉速的下限nmin為止。從達到機械界限起，在該實例中恒定地保持機械轉速n_h。可以與壓縮機入口溫度Tkl和轉速無關地調節渦輪機14a，b的入口溫度或熱氣體 溫度。其例如調節到恒定值。在這種情況下，用來恒定地保持壓縮機的空氣動力轉速η*的 機械轉速的調節導致了渦輪機14a，b的空氣動力轉速與機械轉速成比例地改變。這還導致 了，渦輪機14a，b的工作點移動并且改變了其效率。隨著效率發生變化的有渦輪機功率和 渦輪機出口溫度52a，b、排氣熱含量以及由此對于水-蒸汽-循環25的在后連接的鍋爐23 的邊界條件。與常規的、以恒定機械轉速n_h運行的燃氣渦輪機12相比，而是明顯減少了 邊界條件的變化。當壓縮機入口溫度Tkl發生變化時，用于水-蒸汽-循環的邊界條件中產 生的變化在調節到壓縮機的恒定空氣動力轉速η*的燃氣渦輪機情況下通常比在以恒定的 機械轉速運行的燃氣渦輪機情況下大約小一個數量級。基于用于水-蒸汽循環的邊界條件 中的產生的小變化，電子去耦或轉速調節對于蒸汽渦輪機可能沒有顯著的積極效果，因此 與電子去耦或轉速調節相聯系的損失可能不被補償。在水-蒸汽循環的邊界條件方面，對于調節到壓縮機的恒定空氣動力轉速η*來說 可替換的是也可以在燃氣渦輪機的轉速界限的范圍內將燃氣渦輪機轉速調節到恒定的渦 輪機出口溫度52b或恒定的排氣熱含量。在兩種情況下，水-蒸汽-循環可以更好地在設計運行上實現優化并且在設計 中需要考慮的安全余地被減少。隨著燃氣渦輪機特征的明顯更平坦曲線以及用于水-蒸 汽-循環的邊界條件中少量的變化，整個組合式發電站的特征曲線明顯更加平坦。這表明， 在運行條件與設計條件有區別時發電站功率-和效率變化小于常規的發電站。在圖10中作為實例示意性地示出了用于燃氣渦輪機12的冷卻空氣系統的壓縮機 入口溫度Tkl上的標準化的冷卻空氣壓力比π cool和標準化的冷卻空氣質量流量m。-的曲 線，該系統由壓縮機的中間部分供給冷卻空氣50。與從壓縮機末端提取的、強制性地始終利 用壓縮機出口壓力提供的冷卻空氣相反，在從壓縮機中提取冷卻空氣時，不為所有的驅動 狀態確保恒定的壓力比，這是因為在壓縮機中的壓力形成隨著運行條件移動。這在冷卻空 氣系統的設計中加以考慮，從而在整個設計范圍中，在至少必需的冷卻空氣壓力比^to1的 情況下提供了至少必需的冷卻空氣量m。。。ld。在傳統的燃氣渦輪機中，標準化的冷卻空氣壓力比π cool和標準化的冷卻空氣質 量流量Hietral隨著壓縮機入口溫度Tkl升高。這在ISO條件中已經導致了提高的冷卻空氣消 耗m。-，其隨著壓縮機入口溫度繼續升高并且導致功率-和效率損失。隨著機械轉速nme。h的提高，標準化的冷卻空氣壓力比η cool和產生的標準化的冷卻空氣質量流量m—可以降 低。類似地，可以通過機械轉速n_h的降低使標準化的冷卻空氣壓力比^to1和產生的標 準化的冷卻空氣質量流量m。-升高。相應地，可以通過轉速調節將冷卻空氣比與壓縮機入 口溫度無關地調節到設計條件并且因此保持在設計值上。后面的實施例在過低頻率事件和過高頻率事件情況下公開了本發明的優點。其描 述用于具有電網21之間的電去耦的設備。需要的轉速調節和同樣的操作方式可以通過調 節可變化的電子變速器27的變換比實現。在圖11至13中示意性地示出了持續時間較長的過低頻率事件的實例。其描述用 于在50Hz的電網21中運行的燃氣渦輪機12，但也類似地可用于在60Hz的電網21中或帶 有另外的設計頻率的電網21中的運行。通過類比法，在此對于技術人員來說也展示出相應 的、用于過高頻率事件的方案。干擾信號、電網頻率F的高頻小變化或噪聲是可以忽視的并 且未示出。在圖11中示意性地示出了持續時間較長的過低頻率事件的曲線，用于帶有與電 網21的固定耦合的常規的燃氣渦輪機12。燃氣渦輪機12直到時間t2為止在滿負載和設 計轉速情況下運行。在時間t2與t3之間，電網頻率F從50Hz降到49Hz。在固定耦合到電 網21上的情況下，燃氣渦輪機12的利用設計轉速標準化的轉速n_h相應地從100%減少 到98%。如果不考慮在轉速減小時變為自由的軸系動能，則燃氣渦輪機的相對功率Pm1首 先與轉速成比例地減小。在此，Prel是相對于100%轉速時的滿負載功率的相對功率 Prelo如果假設了，燃氣渦輪機12的調節防止了熱氣體溫度由于隨著轉速下降而減少的吸 入質量流量而升高，則熱氣體溫度Th。t首先保持恒定。熱氣體溫度Th。t在這個實例中隨著 短暫的延遲，作為調節裝置39對于以轉速為條件的功率下降的回應，才升高。熱氣體溫度 Thot升高到滿負載-熱氣體溫度的100. 4%導致了，功率下降被部分地補償并且燃氣渦輪機 (12)在這個實例中在具有99%的相對功率P,el的較長過低頻率事件期間在僅僅98%的標 準化的機械轉速n_h情況下運行。在所述的實例中，熱氣體溫度Th。t的升高是適度的。如 果不能承受功率損失并且電網頻率更劇烈地下降，則需要明顯更高的、對使用壽命關鍵的 提高。從時間點、起(在該時間點又開始恢復電網頻率F)，標準化的機械轉速Iinredl相應地 升高并且因此燃氣渦輪機12的相對功率n_h也相應地升高。當電網頻率在t4與t5之間升 高期間，燃氣渦輪機的相對功率Prel超過用于頻率支持的、電網21所需的功率并且相應地， 熱氣體溫度Th。t再次降低，直至在時刻t5達到在設計溫度下的正常的滿負載運行為止。如果在t4與t5之間電網頻率F返回到其標稱值50Hz，則熱氣體溫度Th。t可以首先 再次降低到其設計值。與提高熱氣體溫度Th。t超過滿負載值相聯系的是提高的使用壽命消 耗。根據電網需求，可以達成在用于頻率支持的功率供給與使用壽命消耗之間的折中。圖12借助一個具有在電網21與燃氣渦輪機12之間的電去耦的設備的實例示意 性地示出了在同樣的持續時間較長的過低頻率事件期間運行參數的曲線。在這種情況下， 盡管電網頻率F從50Hz降低到49Hz，燃氣渦輪機12的標準化的機械轉速nme。h仍保持在 100%。相應地，燃氣渦輪機12的相對功率Prel和熱氣體溫度Th。t在過低頻率事件開始時在 緊接t2之后首先保持恒定。首先作為反應，調節器對電網頻率F的值得注意的下降作出反 應，并且熱氣體溫度1^升高，以便進而也提高燃氣渦輪機的相對功率Prel。在該實例中，通 過將!“⑷提高到100. 4%可以不僅僅避免燃氣渦輪機功率下降，而且將滿負載功率的101%的相對功率Prel輸出到電網21上。從時刻t4起恢復電網頻率F并且隨后可以降低相對功 率Pm1以及相應地降低Th。t，直到時刻t5再次達到正常的滿負載運行。在圖13中示意性地示出了預期的帶有電子去耦的過低頻率事件的曲線。在該實 例中，告知操作人員即將來臨的事件，例如從電網21斷開較大的發電站或者將較大的用電 設備接到電網21上，從而可能導致頻率下降。相應地，在時刻、他選擇燃氣渦輪機12的 待機模式。為了對過低頻率事件做準備，現在燃氣渦輪機12的機械轉速n_h提高并且在時 刻、例如達到101. 5%。為了將負載恒定地保持在設計滿負載上，相應于提高的轉速nme。h 降低熱氣體溫度Th。t。在此，相對于在設計轉速100%時的運行和設計-熱氣體溫度可能發 生效率降低。在時刻t2，開始了預期的過低頻率事件。基于燃氣渦輪機轉速Iinredl和電網頻率F 的去耦，燃氣渦輪機12可以繼續以提高的轉速n_h運行。相應于在時間、與、之間的轉 速n_h提高時進行的熱氣體溫度Th。t的降低，現在熱氣體溫度Th。t可以提高以便使功率提 高到滿負載值。作為結果，燃氣渦輪機在設計熱氣體溫度情況下以提高的轉速n 。h運行并 且可以在該實例中為了頻率支持的目的輸出滿負載功率之上的標準化的功率。其在該實例 中為100.8%。這可以在不出現對使用壽命下降的容忍(其它情況下對于頻率支持這是常 見的)的情況下實現。從時刻、起恢復電網頻率F并且隨后可以降低相對功率Prel以及相 應地降低轉速n 。h，直到在時刻、再次實現正常的滿負載運行。為了將組合式發電站的凈功率在預期的過低頻率事件之前在從、至t2的時段中 恒定地保持，燃氣渦輪機功率Pm1必須最終提高。通過提高的轉速ηω_，通過渦輪機的質量 流量和進而壓力比升高。此外，燃氣渦輪機的熱氣體溫度降低。兩者導致了渦輪機出口溫 度的下降，這可能盡管在升高的排氣質量流量的情況下也對蒸汽渦輪機的功率產生不利影 響并且通過燃氣渦輪機功率Pm1補償。如在圖11和圖12的實例中，如果想要在過低頻率期間還(在對于頻率支持常見 的對使用壽命下降的容忍的情況下)提高熱氣體溫度Th。t超過設計值，則燃氣渦輪機功率 Prel還可能繼續升高超過滿負載值。根據燃氣渦輪機的驅動狀態和燃氣渦輪機12的運行方案，與轉速提高相聯系的 功率升高的補償并不通過Th。t，而是通過另一個調節參數、例如可調節的壓縮機導向葉片 42、或調節參數的組合來實現。在圖中示出的相對功率P,el涉及似穩的運行中的功率。動力學的功率部分，如其 在軸系的轉速變化中出現地一樣，是可以忽略的。對于在圖11至13中示出的實例來說，蒸汽渦輪機功率的質量曲線典型地對應于 燃氣渦輪機12的相對功率P&。對于根據圖11的燃氣渦輪機12的固定的電網耦合的常規 情況來說，排氣質量流量和為水-蒸汽循環提供的熱量隨著燃氣渦輪機12的機械轉速n_h 減少。基于減少的質量流量和升高的熱氣體溫度Th。t，然而燃氣渦輪機12的排氣溫度52升 高，因此蒸汽渦輪機M的功率損失比燃氣渦輪機12的功率損失更小。在排氣溫度52劇烈 升高時，蒸汽渦輪機12的功率甚至可以保持恒定或升高。在圖12和13中示出的過低頻率 事件期間，蒸汽渦輪機M的功率基于提高的排氣能量而升高并且因此有助于頻率支持。燃氣渦輪機12的快速的電網頻率事件的曲線以及可能的通過電去耦在這種事件 的曲線上施加的影響在圖14至圖18中借助過低頻率事件示例性地說明。其針對于50Hz的電網21描述，但也類似地可用于60Hz的電網21或帶有另外設計頻率的電網21。通過類 比法，也為技術人員展示了用于過高頻率事件的相應的方案。干擾信號、電網頻率F的高頻 的小變化或噪聲是可以忽略的并且未示出。電網頻率F的高頻的小變化或噪聲對于調節的影響可以通過死區加以抑制。這表 明，在超過界限值之后才對頻率變化作出反應。由于可能的是，電網頻率緩慢地從死區中出來，對于這種緩慢的、但不具有快速的 燃氣渦輪機12的負載變化的頻率移動應作出回應，可以在調節裝置中以相對于電網頻率 的滑動平均值加上圍繞該平均值的死區的頻率偏差來處理。死區和滑動平均值、也稱為平 均的供電頻率，針對于沒有電網21和燃氣渦輪機12的電去耦的常規的燃氣渦輪機12，在 EP0858153中詳細地加以描述。EP0858153和其在具有與電網21的電子去耦的燃氣渦輪機 12上的應用是該申請的組成部分。在圖14和15中根據理想化的實例探討了動態功率Pdyn，其在燃氣渦輪機12的軸 系的轉速變化期間輸出。在圖14中示意性地示出了在過低頻率事件期間從燃氣渦輪機軸系輸出到電網上 的動態功率P一，以及燃氣渦輪機轉速n_h的曲線。在該實例中，電網頻率F在時間T2與T3 之間以恒定的梯度而從50Hz下降到49Hz。基于軸系的旋轉動能的變化，在轉速改變時，動 態功率Pdyn被輸出，其與轉速變化的梯度成比例。電網頻率變化與燃氣渦輪機轉速的變化 之間的比例在預設的電網頻率變化情況下對于過低頻率事件的影響(其在這里顯示為標 準化的電網頻率fe)借助3個比例說明。在初始情況下，燃氣渦輪機軸系的機械轉速Iinrecfcl 以比例1 1，如其強制地也對于固定的機械耦合的情況那樣，隨著電網頻率F變化。相應 地在轉速變化期間，輸出了標準化的動態功率Pdymlt5這與轉速變化的梯度以及與轉速成比 例，其中在此簡化地僅僅示出了與轉速梯度的關系。在第二種情況下，轉速相比標準化的電網頻率fe以2 1的比例更劇烈地下降。 相應地，可以輸出雙倍的動態功率Pdyn,2。為此而必須忍受機械轉速Iinrecfc3的雙倍量的降低。在第三種情況下，轉速相比標準化的電網頻率fe以1 2的比例更弱地下降。相 應地，可以輸出僅僅一半的動態功率Pdyn,3。機械轉速Iinrecfc3為此而僅一半劇烈地降低，因此 燃氣渦輪機的似穩的功率不劇烈地下降并且與可能的壓縮機泵的間距保持更大。在圖15中示意性地示出了在預期的過低頻率事件的情況下，電網頻率變化與電 子去耦的燃氣渦輪機轉速的變化之間的比例的影響。為了進行比較再次示出了第一種情 況，其中軸系的轉速變化η—,”恰好遵循了標準化的電網頻率fe的變化并且進而在時間T2 與1之間的瞬態期間導致了動態功率Pdyml的輸出。在該實例中，操作人員被告知即將來臨 的事件，例如從電網斷開較大的發電站或者將較大的用電設備接到電網上，從而可能導致 頻率下降。相應地，在時刻Ttl選擇燃氣渦輪機的待機模式。為了對過低頻率事件做準備， 現在燃氣渦輪機的機械轉速提高并且在時刻T1達到提高的機械轉速nnre。h。相應地，由 軸系接收動態功率Pdyn(未示出)。在對于預期的過低頻率事件的第一實例中，燃氣渦輪機12的機械轉速n_h,4首先 在Ttl與T1之間提高了 1%。此外在T2與T3之間的電網頻率下降期間，燃氣渦輪機軸系的 轉速!^^相比標準化的電網頻率fe以1 2的比例更弱地下降。相應地，可以輸出僅僅 一半的動態功率Pdyn,4。機械轉速Hnrecfc4為此僅一半劇烈地降低，并且在電網頻率下降的最后，燃氣渦輪機12還以設計轉速運行。在對于預期的過低頻率事件的第二實例中，燃氣渦輪機的機械轉速n_h,5首先在 T0與T1之間提高了 2%。此外在T2與T3之間的電網頻率下降期間，燃氣渦輪機軸系的轉速 相比標準化的電網頻率fe以2 1的比例更劇烈地下降。相應地，可以輸出雙倍的動態功 率Pdyn,5。為此也雙倍劇烈地降低機械轉速ηω_,5。基于在電網頻率下降之前的提高的轉速， 燃氣渦輪機在電網頻率下降的最后一直還以相同的轉速n 。h運行，如同在具有電網21與燃 氣渦輪機12之間的固定耦合的基準情況下那樣。在圖16，17和18中忽略了上面探討過的動態功率Pdyn并且示出了燃氣渦輪機12 的似穩的功率Pm1以及最重要的過程參數。似穩的功率在此理解為如下功率，即穩態運行中 的燃氣渦輪機12基于熱的邊界條件在各個轉速情況下可能輸出的功率。動態功率Pdyn的 曲線是借助圖16a和16b示例性地探討的。在圖16中首先示意性地示出了帶有在燃氣渦輪機12與電網21之間的固定耦合 的過低頻率事件的實例。從滿負載運行出發，在時間T2與T3之間存在頻率下降，其中電網 頻率F從50Hz降低到49Hz。相應地，機械轉速nme。h從100 %降低到98%。燃氣渦輪機12 的吸入質量流量與轉速成比例地下降(未示出)，這在首先是恒定的燃料質量流量情況下 (同樣也未示出)導致了熱氣體溫度Th。t的升高。基于降低的吸入質量流量，燃氣渦輪機功 率Pm1下降。在此，在第一瞬間的功率損失基于熱氣體溫度Th。t&升高而很小。隨著時間延 遲，燃氣渦輪機12的調節裝置39嘗試對抗熱氣體溫度Th。t的陡的升高地起作用。在實際 中，這根據過低頻率事件的瞬態曲線、測量鏈的速度以及調節裝置39的時間常數導致了熱 氣體溫度Th。t的下沖(Untersctwingung)。最小的熱氣體溫度Th。t在該實例中在時刻T3實 現。在該時刻，電網頻率F在此也穩定在49Hz。相應于低的機械轉速nmed^n低的熱氣體溫 度Th。t，在時刻T3，燃氣渦輪機功率Pm1經歷了一個明顯的下降。隨著延遲，調節器在時刻T4 才將熱氣體溫度Th。t調節到用于頻率支持的、相對于設計值提高的額定值。在熱氣體溫度 Thot中的最小值在該實例中純粹偶然性地在時間T3實現。該最小值可以根據調節的動態和 具體過低頻率事件的時間曲線在時間T3之前或之后實現。在圖16a中再次示出了根據圖16的、帶有在燃氣渦輪機12與電網21之間的固定 耦合的過低頻率事件的實例的燃氣渦輪機轉速n_h的曲線。此外示意性地示出了在時間上 的所屬的標準化的動態功率Pdyn。相應于頻率變化的曲線，在最陡的轉速梯度的時刻，得到 了動態功率Pdyn的最大值。利用該最大值將示出的標準化的動態功率Pdyn標準化。根據過低頻率事件和軸系的慣性矩，該最大值可以達到燃氣渦輪機12的滿負載 功率的數量級。相應地設計發電站、特別是燃氣渦輪機12的軸系和電子設備。通過電子去耦可以避免動態功率Pdyn的這種最大值。在圖16b中為了進行比較示 出了，如何利用機械轉速n 。h的恒定梯度在T2與T3之間的時間段中輸出相同的動能，如根 據圖16a的示例中一樣。但是根據圖16a的實例，動態功率Pdyn被限制到最大值的60%。相 應地，具有去耦合和被調節的或被限制的轉速梯度的發電站可以設計到更低的最大值。當 以恒定的、與電網21無關的燃氣渦輪機轉速n_h來運行時，可以完全放棄對于動態功率Pdyn 的設計。當選擇如下運行方案時，其中燃氣渦輪機12的轉速nme。h調節地并且與電網21去 耦地運行，則調節裝置39可以近似地預先計算出吸入質量流量的變化和燃燒室15，15*的邊界條件的變化并且相應地對調節閥17，17*進行預先控制。因此可以改善瞬態的行為并 且避免或降低熱氣體溫度中的最大值。在圖17中類似于圖16示意性地示出帶有電子去耦和恒定的燃氣渦輪機轉速的同 一個過低頻率事件。燃氣渦輪機的機械轉速與電網頻率F無關地保持恒定。相應地， 在時刻T2也沒有見到電網頻率F對熱氣體溫度Th。t和燃氣渦輪機功率Pm1的直接影響。隨 著短時間的延遲，調節裝置39才使得熱氣體溫度Th。t升高，以便為了頻率支持而提高燃氣 渦輪機功率P,el。電網頻率F在時刻T3穩定在49Hz。通過燃氣渦輪機12、測量裝置和調節 裝置39的慣性，燃氣渦輪機12隨著小的時間延遲才在時刻T4實現了具有恒定功率Pm1和 熱氣體溫度Th。t的似穩的運行。作為另外的實例，在圖18中示意性地示出了具有電子去耦、預期的過低頻率事件 和在頻率下降期間保持恒定的燃氣渦輪機轉速的過低頻率事件。在該實例中，操作人 員被告知即將來臨的事件，例如從電網21斷開較大的發電站或者將較大的用電設備接到 電網21上，從而可能導致頻率下降。相應地，他在時刻Ttl選擇燃氣渦輪機12的待機模式。 為了對過低頻率事件做準備，現在燃氣渦輪機的機械轉速Hnredl提高并且在時刻T1例如達到 101 %。為了將負載Pm1恒定地保持在設計滿負載上，相應于提高的轉速nme。h降低熱氣體溫 度Th。t。在此，相對于在設計轉速100%時的運行和設計-熱氣體溫度可能發生效率降低。 相應于轉速提高，由軸系接收動態功率Pdyn(未示出)。此外，機械轉速n 。h中的相對于用 于超額轉速(Ueberdrehzahl)的負載減少的差別得到降低。在時刻T2開始了預期的過低頻率事件。基于燃氣渦輪機轉速n_h和電網頻率F 的去耦，燃氣渦輪機12可以繼續在提高的轉速nme。h上運行。相應于在時間Ttl與T1之間的 轉速n 。h提高時進行的熱氣體溫度Th。t的降低，現在熱氣體溫度Th。t可以提高以便使得功 率提高到滿負載值。結果是，燃氣渦輪機12在設計熱氣體溫度下以提高的轉速n_h運行并 且可以在該實例中為了頻率支持的目的輸出滿負載功率之上的標準化功率。其在該實例中 為幾乎101%。這可以在不出現其他情況下對于頻率支持常見的對使用壽命下降的容忍的 情況下實現。可能的運行方案并不限于所示出實例，而且可由技術人員相應于需求組合和擴 展。為了通過高的動態功率P一對電網加以支持，例如可能有利的是，首先利用一個轉速梯 度來改變燃氣渦輪機轉速n 。h，其高于電網頻率變化的梯度。由于燃氣渦輪機12的允許的 轉速范圍受到機械的和空氣動力的界限的限制，因此在這種輸出動態功率P一的情況下當 然設置了界限。在到達該界限之前，必須利用足夠的安全距離來穩定燃氣渦輪機轉速nme。h。 為了不突然地從一個具有非常高的動態功率輸出Pdyn的運行方式轉變為一個沒有動態功率 輸出Pdyn的運行方式，機械轉速n 。h可以例如首先以大于電網頻率變化的梯度的高梯度降 低直到第一界限，其相對于燃氣渦輪機12的設計界限還具有比較多的余地。到達該第一界 限之后，燃氣渦輪機12的轉速n_h可以以例如小于電網頻率變化的梯度的降低的梯度而繼 續變化。相應于該降低的梯度，還可以將動態功率Pdyn輸出到電網21上，直到達到第二界 限為止。該第二界限代表了相對于燃氣渦輪機12的設計界限的最小差別，其必須被保持， 以便確保安全的運行。由于設計界限包含了機械的界限和空氣動力的界限，因此該界限可 以是燃氣渦輪機12的運行條件的、特別是機械轉速Iinredl的、空氣動力轉速的以及壓力或者 壓力比的函數。
除了具有固定的梯度或比例的運行方式之外(其在界限中逐步地發生變化)，在 機械轉速的變化和電網頻率變化之間的比例還可以作為燃氣渦輪機12的當前機械轉 速nme。h和設計界限之間的差別的函數來選擇。在此，當機械轉速nme。h接近于相對于燃氣渦 輪機12的設計界限的最小差別時，該比例接近于零。如果電網頻率F在過小頻率-或過大頻率事件之后穩定，可以通過電去耦使得燃 氣渦輪機12與電網頻率F的值無關地再次運行到最佳機械轉速n_h上。對此，調節地以小 梯度加速或延遲軸系。特別當軸系加速時，梯度足夠小地選擇，以便為了加速所需要的動態 功率P一不會導致輸出到電網21上的功率的顯著降低。梯度通常這樣選擇，即僅僅最大大 約5%的燃氣渦輪機功率應用為用于加速的動態功率Pdyn。優選地該部分甚至保持在小于 3%。實際上小于的部分就足夠了。蒸汽渦輪機在過低頻率事件或過高頻率事件中的性能在圖14至18中未示出。基 于在電網與蒸汽渦輪機之間的未改變的固定耦合，蒸汽渦輪機的性能在短時間的頻率變化 中相對于常規的組合式發電站未發生變化。這表明，輸出的動態功率類似于在圖14至16 中對于具有固定耦合的燃氣渦輪機所說明的實例的動態功率。蒸汽渦輪機M的似穩的功 率無需進一步措施相應于水-蒸汽循環25的熱慣性以與通過燃氣渦輪機12提供的排氣流 相關的延遲而改變。如果通過燃氣渦輪機的轉速調節，燃氣渦輪機12的轉速降低小于電網 頻率F的降低，則與常規的發電站相比原則上改善了水蒸汽循環的功率輸出。如果燃氣渦 輪機12的轉速降低大于電網頻率F的降低，以便短時間地將動態功率Pdyn輸出到電網上， 則水蒸汽循環的功率輸出可能變差。與對于具有連續燃燒的燃氣渦輪機12類似的運行方案對于具有簡單燃燒室的燃 氣渦輪機12是可以考慮的。在此，原則上存在如下可能性，將兩個燃燒室15，15'的1^用 于調節或者僅僅改變一個燃燒室15，15'的Th。t。具有另外的參數的組合在此同樣也根據 運行方案和工作點可以看出。另外的過程變量、如質量流量、壓縮機最終壓力、壓縮機出口溫度、冷卻空氣溫度 和壓力，以及排氣參數以對于技術人員已知的方式與所選擇的運行方案相關地變化。轉速nme。h和熱氣體溫度Th。t對于燃氣渦輪機功率P,el的影響的比例，以及調節的 動態過程，與燃氣渦輪機12的結構類型和所實現的調節器以及調節參數強相關。例如在帶 有連續燃燒的燃氣渦輪機12中的第二燃燒室15'的熱氣體溫度Th。t的影響顯著高于第一 燃燒室15的影響。根據燃氣渦輪機12的設計標準，例如機械的、空氣動力的和冷卻要求， 以及電網要求，燃氣渦輪機12的運行方案可以相應于所示出的實施例加以優化。在此，運 行方案不限于所示出的實例，而是可以通過技術人員相應于要求加以組合和擴展。此外例 如可能的是具有多個不同的變頻器的實施方式和方法，因此例如在應用多級轉換器、中間 電路轉換器或直接轉換器、也就是說電流-和/或電壓轉換器的情況下。參考標號表8第二發電機9蒸汽渦輪機的軸10,10'，10〃 發電站設備11,11'渦輪機系12燃氣渦輪機0189]130190]14，14a,b0191]15，15'0192]160193]17，17'0194]180195]190196]200197]210198]220199]230200]240201]250202]260203]270204]280205]290206]300207]310208]320209]330210]340211]350212]36,... , 380213]390214]40,410215]420216]43,...,470217]480218]490219]500220]510221]52,52a,b0222]53,540223]550224]560225]570226]580227]59
壓縮機 渦輪機 燃燒室
空氣入口 燃料供給 第一發電機 軸
電網連接(頻率耦合的) 電網
排氣出口 余熱蒸汽發生器 蒸汽渦輪機 水-蒸汽-循環 變速器(機械的)
去耦裝置或可變化的電子變速器或矩陣變換器
時鐘發生器
功率部分
負載
調節器
開關(雙向的) 電壓測量裝置 電流測量裝置 控制線路 信號線路 調節裝置 調節閥
可調節的壓縮機導向葉片 測量值傳感器 測量線路(發電機頻率/轉速) 電網頻率傳感器 冷卻空氣供給裝置 發電機額定轉速 渦輪機出口溫度 測量值傳感器水-蒸汽循環 水-蒸汽循環調節器 單元控制器
調節信號余熱蒸汽發生器 調節信號燃氣渦輪機調節/單元控制器 調節信號水-蒸汽循環調節器/單元控制器
60
61
62
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T2時刻
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兀 coold
軸系 排氣
調節信號蒸汽渦輪機 ，G6相(發電機)
，L3相(負載)
頻率(轉速) 功率
燃氣渦輪機的相對功率 曲線
目標功率 壓縮機入口溫度 設計條件下的壓縮機入口溫度 燃氣渦輪機的渦輪機入口前的熱氣體溫度 時刻開始提高燃氣渦輪機轉速n_h 時刻提高了燃氣渦輪機轉速n_h 時刻開始降低電網頻率 時刻降低了電網頻率 時刻開始恢復電網頻率 時刻電網頻率再次到達標稱值 時間
標準化的電網頻率
燃氣渦輪機軸系的動態功率，其基于轉速梯 度輸出至電網
開始提高燃氣渦輪機的轉速 提高了燃氣渦輪機的轉速 開始降低電網頻率 降低了電網頻率 穩定了 GT 空氣動力轉速 機械轉速
設計條件下的機械轉速 最小允許的機械轉速 最大允許的機械轉速 常規的壓縮機設計轉速(空氣動力的) 最佳壓縮機轉速(空氣動力的) 標準化的冷卻空氣消耗 設計條件下標準化的冷卻空氣消耗 標準化的冷卻空氣壓力比 設計條件下標準化的冷卻空氣壓力比
26
ncomp縮機效率η。。mp d設計條件下的壓縮機效率(常規的設計)nopt最佳壓縮機效率Δη與壓縮機的喘振界限的差別
權利要求
1.一種發電站設備(10)，具有至少一個軸系(60)，所述軸系由蒸汽渦輪機04)和由 所述蒸汽渦輪機04)直接驅動的、產生交流電的第二發電機(8)組成，所述第二發電機的 輸出端與帶有給定的電網頻率(F)的電網連接；和至少一個渦輪機系(11)，所述渦輪 機系由燃氣渦輪機(1 和由所述燃氣渦輪機(1 直接驅動的、產生帶有工作頻率的交流 電的第一發電機(18)組成，所述第一發電機的輸出端與帶有給定的電網頻率(F)的所述 電網連接，其特征在于，在所述第一發電機(18)與所述電網之間布置了變頻器 (27)，以及所述第二發電機(8)相關于頻率地直接耦合于帶有所述電網頻率(F)的所述電 網 01)。
2.如權利要求1所述的發電站設備，其特征在于，所述變頻器07)作為電子去耦裝置 (27)運行，所述電子去耦裝置使所述燃氣渦輪機(12)的工作頻率從所述電網頻率(F)中去華禹。
3.如權利要求1所述的發電站設備，其特征在于，所述變頻器07)作為可變化的電子 變速器(XT)運行，所述電子變速器利用機械轉速(nme。h)和電網頻率(F)之間的變換比⑴ 通過所述第一發電機(18)將轉速強加于所述燃氣渦輪機(12)。
4.如權利要求3所述的發電站設備，其特征在于，所述變換比(X)是可調節的。
5.如權利要求3所述的發電站設備，其特征在于，所述變換比(X)是固定值。
6.如權利要求1至5中任一項所述的發電站設備，其特征在于，所述至少一個燃氣渦輪 機(12)的工作頻率是50Hz，以及所述至少一個蒸汽渦輪機04)的工作頻率等于60Hz ；以 及這也是所述電網頻率(F)。
7.如權利要求1至5中任一項所述的發電站設備，其特征在于，所述至少一個燃氣渦輪 機(12)的工作頻率是60Hz ；以及所述至少一個蒸汽渦輪機04)的工作頻率等于50Hz，以 及這也是所述電網頻率(F)。
8.如權利要求1至7中任一項所述的發電站設備，其特征在于，所述變頻器(XT)是矩 陣變換器。
9.如權利要求8所述的發電站設備，其特征在于，所述矩陣變換器包括多個布置在 (mXn)矩陣中的、可控制的雙向開關(32)，所述開關由調節器(31)控制地將m個輸入端可 選擇地和η個輸出端相連接，其中m大于n，以及其中在所述輸入端設置了用于確定電流符 號的第一裝置(34)和在所述輸入端之間設置了用于確定電壓符號的第二裝置(33)，以及 其中所述第一和第二裝置(34或33)與所述調節器(31)通過信號線路(38)連接。
10.如權利要求1至9中任一項所述的發電站設備，其特征在于，所述至少一個燃氣渦 輪機(12)構造為具有連續燃燒的燃氣渦輪機。
11.如權利要求1至10中任一項所述的發電站設備，其特征在于，所述至少一個燃氣渦 輪機(12)設計用于小于50Hz的設計頻率。
12.如權利要求1至11中任一項所述的發電站設備，其特征在于，所述至少一個燃氣渦 輪機(12)設計用于小于正/負10%的空氣動力轉速的變化。
13.如權利要求1至12中任一項所述的發電站設備，其特征在于，所述至少一個燃氣渦 輪機(12)的壓縮機(13)在滿負載和設計條件的情況下相對于喘振界限有小于10%的空氣 動力轉速的差別。
14.如權利要求1至13中任一項所述的發電站設備，其特征在于，所述水-蒸汽循環(25)設計用于所述至少一個燃氣渦輪機(12)的排氣質量流量的小于正/負5%的滿負載變化。
15.如權利要求1至14中任一項所述的發電站設備，其特征在于，輸出到所述電網 (21)上的電流通過由所述至少一個第一發電機(18)產生的和通過至少一個矩陣變換器 (27)輸出到所述電網上的電流與由所述至少一個第二發電機⑶產生的電流的疊加 而變得平滑。
16.一種用于運行根據權利要求1至15中任一項所述的發電站設備(10)的方法，其特 征在于，所述蒸汽渦輪機04)的轉速固定地耦合于所述電網的電網頻率(F)，以及調 節所述至少一個燃氣渦輪機(1 的機械或空氣動力轉速。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一發電機(18)通過電子去耦裝置 (27)與所述電網頻率(F)分離，并且可以與所述電網頻率無關地調節所述至少一個燃氣渦 輪機(12)的轉速。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，通過機械轉速(n_h)和電網頻率(F)之 間的變換比(X)調節所述至少一個燃氣渦輪機(1 的機械或空氣動力轉速。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，將由所述燃氣渦輪機的調節裝置(39)形 成的額定轉速傳輸至所述可變化的電子變速器07)的調節器。
20.如權利要求16至19中任一項所述的方法，其特征在于，所述至少一個燃氣渦輪機 (12)的機械或空氣動力轉速作為所述發電站設備(10)的一個或多個參數的函數來調節。
21.如權利要求16至20中任一項所述的方法，其特征在于，所述至少一個燃氣渦輪機 (12)的機械或空氣動力轉速作為排氣熱含量的和/或排氣溫度的和/或排氣質量流量的函 數來調節。
22.如權利要求16至21中任一項所述的方法，其特征在于，所述燃氣渦輪機(12)包括 用于壓縮燃燒用空氣的壓縮機(13)；測量所述壓縮機(1 的最終壓力和/或最終溫度和 /或測量由所述壓縮機分流的冷卻空氣的饋送條件；以及所述燃氣渦輪機(1 的機械或空 氣動力轉速作為壓縮機最終壓力的和/或壓縮機最終溫度的和/或由所述壓縮機分流的冷 卻空氣的饋送條件的函數來調節。
23.如權利要求16至22中任一項所述的方法，其特征在于，設置目標功率(ZL)用于所 述燃氣渦輪機(1 的運行；以及所述燃氣渦輪機(1 的機械或空氣動力轉速作為所述目 標功率(ZL)的函數來調節。
24.如權利要求16至23中任一項所述的方法，其特征在于，一旦達到機械或另外的邊 界值，就將所述機械轉速(n 。h)調節到恒定值。
25.如權利要求16至M中任一項所述的方法，其特征在于，與所述發電站設備的安裝 條件相關地優化調節目標。
26.如權利要求16至25中任一項所述的方法，其特征在于，所述蒸汽渦輪機轉速隨著 所述電網頻率而變化；以及當所述電網頻率的變化持續時間較長時，所述燃氣渦輪機(12) 的機械或空氣動力轉速保持恒定并且沒有延遲地匹配所述燃氣渦輪機(1 的功率。
27.如權利要求沈所述的方法，其特征在于，在預期的過低頻率事件之前，提高所述燃 氣渦輪機(12)的轉速(nfflech)。
28.如權利要求沈所述的方法，其特征在于，在預期的過高頻率事件之前，降低所述燃氣渦輪機(12)的轉速(nfflech)。
29.如權利要求27或觀中任一項所述的方法，其特征在于，發電站功率在所述燃氣渦 輪機(1 的轉速匹配期間保持恒定。
30.如權利要求16至25中任一項所述的方法，其特征在于，將所述至少一個燃氣渦輪 機(1 的機械或空氣動力轉速與所述電網頻率的比例調節到恒定值。
31.如權利要求16至四中任一項所述的方法，其特征在于，當在所述電網中出現 短時間的過高頻率事件或過低頻率事件時，蒸汽渦輪機轉速隨著所述電網頻率發生變化; 以及調節地匹配所述燃氣渦輪機(1 的機械轉速(nme。h)。
32.如權利要求31所述的方法，其特征在于，在所述電網的過低頻率情況下，所述 燃氣渦輪機(12)的機械轉速(n_h)與所述電網頻率相比更強地或更弱地降低。
33.如權利要求31所述的方法，其特征在于，在所述電網的過高頻率情況下，所述 燃氣渦輪機(1 的機械轉速(n_h)與所述電網頻率(F)相比更強地或更弱地提高。
34.如權利要求31至33中任一項所述的方法，其特征在于，調節所述燃氣渦輪機(12) 的轉速梯度，以便從所述軸系(19)中提取預設的動力功率以及作為電功率饋送到所述電 網中。
35.如權利要求16至34中任一項所述的方法，其特征在于，由所述水-蒸汽循環的調 節器(5 形成的額定轉速傳輸至所述燃氣渦輪機的調節裝置(39)和/或所述可變化的電 子變速器07)的調節器。
全文摘要
本發明涉及一種組合式發電站(10)，具有至少一個軸系(60)，該軸系由蒸汽渦輪機(24)和由蒸汽渦輪機(24)直接驅動的、產生交流電的第二發電機(8)組成，該第二發電機的輸出端與帶有給定的電網頻率(F)的電網(21)連接；和至少一個渦輪機系(11)，該渦輪機系由燃氣渦輪機(12)和由燃氣渦輪機(12)直接驅動的、產生帶有工作頻率的交流電的第一發電機(18)組成，該第一發電機的輸出端與帶有預設的電網頻率的電網(21)連接，其中在第一發電機(18)與電網(21)之間布置了電子去耦裝置或可變化的電子變速器(27)，該電子去耦裝置使工作頻率從電網頻率中去耦。這樣的設備不僅允許高的總效率的靈活的穩定運行，而且也允許靈活的瞬時運行。
文檔編號F01K23/10GK102124187SQ200980120178
公開日2011年7月13日 申請日期2009年3月25日 優先權日2008年3月25日
發明者J·霍夫曼, T·梅因德爾 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司