MX2013003433A - Arranque de turbina de gas con convertidor de frecuencia. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para el arranque de una instalación de central eléctrica (10), que comprende una turbina de gas (2), un generador (18) acoplado con la turbina de gas (2), y un convertidor de frecuencia (27) para alimentar corriente a una red eléctrica (1). De acuerdo con el método, durante el arranque de la turbina de gas (2), el generador (18) está conectado con la red eléctrica (1) vía el convertidor de frecuencia (27) antes de que se alcance la velocidad rotacional de operación de la turbina de gas (2), en donde el convertidor de frecuencia (27) se controla tal que genera una corriente de salida con la frecuencia de la red. La invención además se refiere a una instalación de central eléctrica (10) para la ejecución de dicho método.

Description

ARRANQUE DE TURBINA DE GAS CON CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere al campo de ingeniería de central eléctrica. Se refiere a un método para operar una instalación de turbina de gas con conversión de frecuencia electrónica entre un generador y una red y también a una instalación de turbina de gas para la ejecución de este método.

TÉCNICA PREVIA Las grandes instalaciones de centrales eléctricas tienen potencia en el intervalo de más que 100 MW, en donde un generador que produce corriente es impulsado por una turbina y la potencia eléctrica generada se alimenta a una red con una frecuencia de red predefinida (por ejemplo 50 o 60 Hz), usualmente tiene un acoplamiento fijo entre la velocidad rotacional (mecánica) de la turbina y la frecuencia de red. Aquí, la salida del generador se conecta a la red con una frecuencia fija mediante una conexión de red y el generador se acopla directamente a la turbina de gas. En instalaciones de centrales eléctricas más pequeñas, el generador es impulsado por la turbina en una forma acoplada-a-la-velocidad-rotacional mediante una unidad de engranaje mecánico. Sólo proporciones de transmisión fijas entre una velocidad rotacional de turbina y una frecuencia de red pueden ¡mplementarse mediante unidades de engranaje.

Para el arranque, turbinas de gas típicamente se aceleran por el generador, que se controla y opera como un motor, hasta que la velocidad rotacional autosostenida de la turbina de gas sea excedida. Aquí, la velocidad rotacional autosostenida de la turbina de gas es la velocidad rotacional mínima a la cual la salida de energía por la turbina, es suficiente para mantener en operación la turbina de gas. La alimentación del generador se desconecta sobre la velocidad rotacional autosostenida y el generador se separa eléctricamente de la red. La turbina de gas acelera desde su propia fuerza hasta que se alcanza una velocidad rotacional nominal. Con grandes turbinas de gas convencionales que se acoplan directamente a la red eléctrica por el generador, esta velocidad rotacional corresponde a la frecuencia de red. En turbinas de gas con una unidad de engranajes, la velocidad rotacional nominal corresponde a la frecuencia de red multiplicada por la proporción de velocidad rotacional de la unidad de engranajes.

Una vez que la velocidad rotacional nominal se ha alcanzado, el generador puede sincronizarse y la energía puede enviarse de salida a la red eléctrica. Para sincronización, la turbina de gas típicamente primero se lleva a una ligera sobre velocidad en comparación con la frecuencia de la red, la velocidad rotacional se reduce entonces hasta que la desviación en velocidad rotacional y desplazamiento de fase caen por debajo de desviaciones permisibles para sincronización, y la turbina de gas entonces se sincroniza. Este proceso es relativamente consumidor de tiempo y puede tomar aproximadamente unos 4 segundos a minutos.

Además, el proceso de sincronización lleva a transitorias innecesarias en las temperaturas del gas de desecho y gas caliente de la turbina. Sobre la velocidad rotacional autosostenida, la energía que puede enviar de salida una turbina de gas, aumenta con la velocidad rotacional. Con una temperatura de gas caliente constante, el aumento de energía en la última parte del proceso de arranque lleva a una aceleración incrementadamente mayor de la turbina de gas. Para ajustar la turbina de gas a la velocidad rotacional normal, la salida de energía de la turbina debe reducirse, lo que se logra por una reducción de la temperatura de gas caliente. Después de sincronización a la red, la turbina típicamente se carga, para este propósito, de nuevo se eleva la temperatura del gas caliente.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un objetivo de la presente descripción de especificar un método para el arranque rápido de una central eléctrica con turbina de gas. Además, cargas térmicas transitorias de la turbina se van a reducir. La descripción también se refiere a una central eléctrica con turbina de gas que es adecuada para llevar a cabo el método.

Una instalación de central eléctrica para llevar a cabo el método, comprende una turbina de gas, un generador acoplado a la turbina de gas y un convertidor de frecuencia, que se conecta a una red que tiene una frecuencia de red para alimentar corriente a la red eléctrica.

El arranque de una turbina de gas se comprenderá que significa que funcione en punto fijo la turbina de gas desde apagado hasta sincronización con una red eléctrica.

El método descrito para el arranque de una instalación de central eléctrica se caracteriza porque el generador se conecta a la red eléctrica mediante un convertidor de frecuencia antes que se alcance la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas, en donde el convertidor de frecuencia se controla de manera tal que genera una corriente de salida con la frecuencia de la red.

La energía eléctrica de esta manera puede enviarse de salida a la red eléctrica aún antes que se alcance la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas. La energía eléctrica de preferencia se envía de salida a la red eléctrica directamente por el transformador multiplicador.

La velocidad rotacional nominal o la velocidad rotacional de diseño se comprenderá que significa la velocidad rotacional en la cual la turbina de gas se opera bajo carga. En grandes turbinas de gas, esto típicamente es la frecuencia de la red, es decir 50 Hz o 60 Hz que corresponde a 3000 rpm o 3600 rpm. Con el uso de convertidores de frecuencia, la frecuencia nominal mecánica o la velocidad rotacional nominal de la turbina puede desviarse por un factor de transferencia desde la velocidad rotacional síncrona a la red, como también es el caso con el uso de una unidad de engranajes, y por lo tanto velocidades rotacionales nominales de 3000 rpm para alimentar en una red de 60 Hz o 3600 rpm para una alimentación en una red de 50 Hz serán posibles por ejemplo, aunque velocidades rotacionales que se desvían de estos pueden también implementarse. Para turbinas de gas de potencia media con un convertidor de frecuencia, el factor de transferencia de frecuencia mecánica a la frecuencia de red es mucho mayor que 1 , y típicamente está en un intervalo de 2 a 5.

De acuerdo con una modalidad del método, el generador ya está conectado a la red eléctrica mediante el convertidor de frecuencia a una velocidad rotacional menor que 90% de la velocidad rotacional operativa de la turbina de gas para enviar de salida energía eléctrica a la red.

Para arrancar la turbina de gas, valores de descarga del compresor son típicamente abiertos a fin de evitar entrar una pérdida en el compresor a bajas velocidades rotacionales. Estas válvulas de descarga pueden estar cerradas ya antes que la velocidad rotacional nominal se alcance, por ejemplo entre 70% y 90% de la velocidad rotacional nominal. El generador típicamente se conecta a la red eléctrica mediante el convertidor de frecuencia una vez que las válvulas de descarga de la turbina de gas se cierran. De acuerdo con una modalidad del método, el generador se conecta a la red eléctrica mediante un convertidor de frecuencia tan pronto como las válvulas de descarga de la turbina de gas se cierran.

La velocidad rotacional autosostenida de una turbina de gas, típicamente está entre 40% y 60% de la velocidad rotacional nominal. A partir de una velocidad rotacional que se encuentra a aproximadamente 10% a 20% sobre la velocidad rotacional autosostenida, la energía de la turbina es mucho mayor que la energía requerida 5 para impulsar el compresor y superar las pérdidas fricciónales, etc., y por lo tanto la turbina de gas misma puede acelerar el árbol de transmisión y la potencia útil puede enviarse de salida adicionalmente. De acuerdo con una modalidad del método, el generador se conecta a la red eléctrica mediante el convertidor de frecuencia tan pronto como la turbina de gas ha alcanzado una velocidad rotacional entre 70% y í o 85% de la frecuencia de red.

De acuerdo con una modalidad adicional, se alimenta corriente en una red con una frecuencia de red de 60 Hz mediante un convertidor de frecuencia utilizando una turbina de gas que tiene una velocidad rotacional nominal de 3000 rpm. En particular en esta aplicación, el generador se conecta a la red eléctrica 15 mediante el convertidor de frecuencia tan pronto como la turbina de gas ha alcanzado una velocidad rotacional entre 70% y 85% de la frecuencia de red.

De acuerdo con una modalidad adicional del método, el generador se opera como un motor en una primera etapa para iniciar la rotación de la turbina de gas mediante un transformador de arranque, y un dispositivo de arranque estático. 20 En una segunda etapa, el generador se separa del dispositivo de arranque estático, y en una tercera etapa se conecta a la red mediante el convertidor de frecuencia para enviar de salida energía eléctrica.

De acuerdo con una modalidad del método, el generador se opera como un motor para iniciar la rotación de la turbina de gas hasta que la velocidad 25 rotacional autosostenida de la turbina de gas se excede.

En una modalidad adicional, el generador se suministra con corrientes de la red mediante el convertidor de frecuencia y se opera como un motor para iniciar la rotación de la turbina de gas hasta que la energía de la turbina de gas excede la energía necesaria para aceleración del árbol de transmisión. Tan pronto como la energía de la turbina de gas excede la energía necesaria para aceleración del árbol de transmisión, la energía eléctrica se envía de salida a la red mediante el mismo convertidor de frecuencia.

En una modalidad alterna del método, el generador se suministra con corriente de la red mediante el convertidor de frecuencia y se opera como un motor, para iniciar la rotación de la turbina de gas hasta que la energía de la turbina de gas excede la energía necesaria para aceleración del árbol de transmisión. Tan pronto como la energía de la turbina de gas excede la energía necesaria para aceleración del árbol de transmisión más un valor umbral, energía eléctrica se envía de salida a la red mediante el convertidor de frecuencia. Por ejemplo, el valor umbral es la energía mínima de la instalación de la central eléctrica. Se define energía mínima para asegurar una alimentación de energía eléctrica en la red y evitar flujo de retorno de energía al generador. Por ejemplo, la energía mínima es aproximadamente de la mitad de un por ciento a dos por ciento de la energía nominal del generador.

El gradiente de velocidad rotacional de la turbina de gas típicamente se controla a un valor máximo durante el proceso de arranque al funcionar en punto fijo tan pronto como el exceso de energía es suficientemente grande para implementar este gradiente de velocidad rotacional máximo. Este gradiente de velocidad rotacional máximo típicamente depende de la velocidad rotacional y es pequeño antes que la velocidad rotacional nominal se alcance para evitar un fuerte aumento de la velocidad rotacional sobre la velocidad rotacional nominal y para facilitar un ajuste estable a la velocidad rotacional nominal. Aquí, el gradiente de velocidad rotacional típicamente se controla por la temperatura de gas caliente. Para evitar aceleración excesiva antes que la velocidad rotacional nominal se alcance, la temperatura de gas caliente debe reducirse considerablemente. Para evitar las cargas térmicas asociadas de la turbina de gas y un retraso en la carga de la turbina de gas, la aceleración de la turbina de gas de acuerdo con una modalidad del método, se controla mediante la salida de energía a la red tan pronto como el generador envía de salida energía eléctrica a la red mediante el convertidor de frecuencia, con lo que es posible un ajuste a la velocidad rotacional nominal sin fluctuaciones significantes de la temperatura de gas caliente.

Para asegurar una salida y control de energía estable, el convertidor de frecuencia de acuerdo con una modalidad del método, se controla de manera tal que el generador, desde el momento en el cual se conecta a la red, envía de salida a la red una energía eléctrica que es al menos uno por ciento (1 %) de la energía nominal de la turbina de gas.

Además del método, la descripción se refiere a una instalación de central eléctrica para la ejecución del método. Una instalación de central eléctrica de este tipo comprende una turbina de gas con una válvula de descarga para soplar aire desde el compresor cuando se arranca la turbina de gas, un generador acoplado a la turbina de gas y un convertidor de frecuencia que se conecta a una red eléctrica. La instalación de la central eléctrica se caracteriza porque el convertidor de frecuencia comprende un controlador que, durante el inicio de la instalación de la central eléctrica una vez que se ha cerrado la válvula de descarga y antes que se alcance la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas, controla el convertidor de frecuencia de manera tal que genera una corriente de salida con la frecuencia de la red. Esto permite al generador conectarse a la red eléctrica y enviar de salida energía a la red antes que la turbina de gas haya alcanzado su velocidad rotacional nominal.

De acuerdo con una modalidad, el convertidor de frecuencia puede conectarse a la red mediante un transformador multiplicador o elevador, que se utiliza cuando se opera bajo carga para transferir energía a la red eléctrica, a fin de controlar el generador como un motor.

De acuerdo con una modalidad adicional, un transformador de arranque se dispone entre el convertidor de frecuencia y la red y transforma la corriente desde la red a un voltaje de arranque, que es menor que el voltaje durante operación bajo carga del generador. Partiendo de una corriente alterna con frecuencia de red y el voltaje de arranque, el generador se controla por el convertidor de frecuencia como motor. En particular, el convertidor de frecuencia puede conectarse selectivamente a la red mediante un transformador multiplicador para operación bajo carga o mediante el transformador de arranque para el inicio.

De acuerdo con una modalidad preferida, un cortacircuitos de generador, un transformador multiplicador y un transformador de alto voltaje de red, se disponen entre el convertidor de frecuencia y la red a fin de enviar de salida energía a la red, y un transformador de arranque y un conmutador de arranque se disponen paralelos al cortacircuitos del generador para consumo de energía. Para arrancar la turbina de gas, de esta manera puede conducirse energía eléctrica desde la red al convertidor de frecuencia por el cortacircuitos del generador, el transformador multiplicador, el transformador de arranque y el conmutador de arranque.

BREVE EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS La invención se explicará con mayor detalle a continuación para modalidades ejemplares en base al dibujo, en donde La Figura 1 muestra un diagrama esquemático altamente simplificado de una planta de turbina de gas de ciclo combinado con una turbina de gas, un generador con convertidor de frecuencia y un circuito de vapor/agua corriente abajo; La Figura 2 muestra un detalle altamente simplificado de un diagrama en líneas sencillas de acuerdo con una modalidad ejemplar de la invención con convertidor de frecuencia y dispositivo de red estático; La Figura 3 muestra un detalle altamente simplificado de un diagrama en líneas sencillas de una instalación de central eléctrica de acuerdo con una modalidad ejemplar de la invención con convertidor de frecuencia para la alimentación de corriente a la red y para control del generador como un motor; La Figura 4 muestra un detalle altamente simplificado de un diagrama a líneas sencillas de una instalación de central eléctrica de acuerdo con una modalidad ejemplar de la invención con dos transformadores entre el convertidor de frecuencia y la red; La Figura 5 muestra la estructura ejemplar de un convertidor de matriz, como puede emplearse como un convertidor de frecuencia electrónico en una instalación de acuerdo con una de las Figuras 1 a 4; La Figura 6 muestra un ejemplo del progreso de variables de proceso claves durante un arranque de turbina de gas; La Figura 7 muestra un ejemplo del avance de variables de proceso claves con arranque de turbina de gas de acuerdo con la invención; y La Figura 8 muestra un ejemplo del progreso de variables de proceso claves con un arranque de turbina de gas de acuerdo con la invención sin separación del convertidor de frecuencia desde el inicio de rotación de la turbina de gas.

MODALIDADES DE LA INVENCIÓN La Figura 1 muestra una ilustración altamente simplificada de una instalación de central eléctrica 10, que genera corriente mediante una turbina de gas 2 con un primer generador acoplado 18 y una turbina de vapor 24 con segundo generador acoplado 8 y alimenta la corriente a la red 1. La turbina de gas 2 y el generador 18 se conectan por un eje común y forman un árbol de transmisión o eje motor 9. En el caso más simple, la turbina de gas 2 comprende un compresor 13, que alimenta y comprime aire de combustión mediante una entrada de aire 16. El compresor 13 puede estar compuesto por una pluralidad de subcompresores conectados en sucesión, que operan a un nivel de presión incrementado y permiten enfriamiento intermedio del aire comprimido cuando sea necesario. El aire de combustión comprimido en el compresor 13 alcanza o llega a una cámara de combustión 15, en la cual combustible líquido (por ejemplo aceite) o combustible gaseoso (por ejemplo un gas natural) se inyecta mediante un suministro de combustible 17 y se quema con consumo de aire de combustión. La turbina de gas tiene también una válvula de descarga 47, mediante la cual se sopla aire desde al menos una etapa intermedia del compresor 13 durante el arranque de la turbina de gas, típicamente hasta una velocidad rotacional de entre 70% y 90% de la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas, a fin de evitar una entrada en pérdida debido a la baja velocidad en el compresor 13. Por ejemplo, se sopla el aire en el ambiente circundante o mediante una línea (no mostrado) en las líneas de gas de escape de la turbina de gas.

Los gases calientes que escapan de la cámara de combustión 15 se expanden por trabajo en una turbina subsecuente 14 y de esta manera impulsan el compresor 13 y el primer generador acoplado 18. El gas de desecho, que todavía está relativamente caliente al salir de la turbina, se envía a través de un generador de vapor con calor de desecho subsecuente 23 a fin de generar vapor en un circuito de vapor/agua separado 25 para la operación de una turbina de vapor 24. Un condensador, bomba de alimentación de agua y adicionales sistemas de circuito de agua/vapor 25 no se muestran para simplificar la ilustración. Esta combinación de central eléctrica con turbina de gas y central eléctrica de vapor se refiere como una central eléctrica de ciclo combinado. Aquí, la turbina de vapor 24 puede acoplarse al primer generador 18 en el lado opuesto de la turbina 14. La turbina de gas 2, primer generador 18 y turbina de vapor 24 forman entonces lo que se conoce como un eje motor o árbol de transmisión de eje sencillo. La turbina de vapor 24 sin embargo también puede impulsar su propio segundo generador 8 en un eje motor separado 1 1 como se muestra en la Figura 1. Diversas combinaciones se conocen para instalaciones de múltiples ejes. Por ejemplo, lo que se conoce como arreglos dos-en-uno, en donde una turbina de vapor 24 en un eje motor 11 con un segundo generador 8 se suministra con vapor por dos generadores de vapor con calor de desecho 23 dispuestos corriente abajo de dos turbinas de gas 2, es común. Aquí, las turbinas de gas 2 cada una se dispone en un eje motor 9 con su propio primer generador 18. Similarmente, también hay arreglos en los cuales el vapor se emplea por tres o más generadores de vapor con calor de desecho 23 dispuestos corriente abajo de las turbinas de gas 2 a fin de impulsar una turbina de vapor 24.

Con la turbina de gas de 1 eje en la Figura 1 , la velocidad rotacional de la turbina de gas 2 tiene una proporción fija a la frecuencia del voltaje alterno generado en el primer generador 18. Para poder operar la turbina de gas 2 de manera independiente a la frecuencia de la red, el generador se conecta a la red 1 mediante un convertidor de frecuencia 27. Ya que el voltaje de red típicamente es superior al voltaje del generador, también puede proporcionarse un transformador multiplicador entre el convertidor de frecuencia 27 y la red 1 . El convertidor de frecuencia 27 permite que la turbina de gas 2 o el generador 18 se conecten a la red 1 incluso antes de alcanzar su velocidad rotacional nominal para alimentar la energía eléctrica a la red 1 mediante un transformador multiplicador 3. Con conexión correspondiente, el convertidor de frecuencia 27 también puede emplearse para operar el generador 18 como un motor para el arranque de la turbina de gas 2.

Un detalle altamente simplificado del diagrama de líneas sencillas de una primer modalidad de la central eléctrica de acuerdo con la invención, se ilustra en la Figura 2. Esto permite una alimentación de energía eléctrica en la red 1 antes que la turbina de gas haya alcanzado la velocidad rotacional nominal. Muestra un generador convencional 18 impulsado por al menos una turbina, la energía de salida del generador se transfiere mediante una red de central eléctrica 5. La red de central eléctrica 5 contiene líneas de alto voltaje y un cortacircuitos de generador 6 con el cual el generador 18 puede separarse de la red de central eléctrica 5. La corriente generada por el generador 18 se alimenta a la red 1 mediante una conexión de red 20, un transformador multiplicador 3 y un interruptor de alto voltaje de red 21 . La red de energía que pertenece a la central eléctrica y consiste de una red de voltaje medio y una red de voltaje bajo suministrados de esta manera, se suministra típicamente desde la red de central eléctrica 5 mediante un transformador auxiliar y un interruptor de alto voltaje (no mostrado).

La corriente de excitación del generador se extrae de la red de la central eléctrica 5, transformado al voltaje de excitación mediante un transformador de excitación 7 y se rectifica y controla en el excitador astático 43. La excitación puede activarse o desactivarse por un conmutador de excitación 40.

A fin de conmutar el generador 18 como un motor para el arranque de la turbina de gas, el generador 18 se suministra con corriente de la red de la central eléctrica 5 mediante un transformador de arranque 42 y mediante un dispositivo de arranque estático (convertidor de frecuencia estática) 45. El dispositivo de arranque estático 45 puede conectarse al generador 18 o separado mediante un interruptor de arranque 26.

Durante operación normal, la frecuencia de la corriente producida por el generador 18, se convierte en el convertidor de frecuencia 27 a la frecuencia de la red. Esto permite una operación más flexible de la turbina de gas. En particular, el convertidor de frecuencia permite una conexión eléctrica del generador 18 a la red 1 antes que el generador 18 haya alcanzado su velocidad rotacional de operación. Esto puede ocurrir tan pronto como la turbina de gas 2 ha excedido su velocidad rotacional autosostenida, el conmutador de arranque 26 se ha abierto y el excitador del generador 18 se ha encendido mediante el interruptor de excitación 40. El voltaje de excitación típicamente es menor que el de red de la central eléctrica 5, por lo que un transformador de excitación 7 puede proporcionarse para suministro de energía del excitador estático 43.

Una segunda modalidad de la central eléctrica de acuerdo con la invención se ilustra en la Figura 3. La modalidad ejemplar mostrada en la Figura 3 se basa en la Figura 2. En esta modalidad, un dispositivo de arranque estático 45 para el arranque de la turbina de gas 2 se ha omitido sin embargo. Para el arranque, el convertidor de frecuencia 27 se emplea para controlar el generador 18 como un motor. Para este objetivo, el convertidor de frecuencia 27 en esta modalidad se suministra con corriente de la red 1 , directamente por el transformador multiplicador 3 durante operación del motor del generador 18.

Una modalidad adicional de la central eléctrica de acuerdo con la invención se ilustra en la Figura 4. Dependiendo del diseño del convertidor de frecuencia 27 y el voltaje antes del transformador multiplicador 3, el convertidor de frecuencia 27 no puede emplearse directamente para controlar el generador 18 como un motor. Para suministrar el convertidor de frecuencia 27 con corriente a un nivel de voltaje menor para el arranque, un transformador de arranque 42 (también denominado transformador de arranque) y un conmutador de arranque 26 se proporcionan en esta modalidad. El conmutador de alto voltaje de la red 21 se cierra durante el arranque. El convertidor de frecuencia 27 se suministra con corriente de un voltaje conveniente mediante el transformador multiplicador 3 y el transformador de arranque 42 a fin de operar el generador 18 como un motor. Tan pronto como la energía del motor/generador no es más requerida para iniciar la rotación de la turbina de gas, puede cerrarse el interruptor de arranque 26. Después, cuando se alcanza la tolerancia necesaria, el generador 18 se excita y la energía eléctrica puede enviarse de salida a la red 1 mediante el convertidor de frecuencia 27, el interruptor de generador 6, el transformador multiplicador 3 y el conmutador de alto voltaje de la red 21.

Diversos tipos de convertidores de frecuencia 27 se conocen. Una estructura ejemplar de un convertidor de matriz, que puede emplearse como un convertidor de frecuencia electrónico 27 en una instalación de acuerdo con las Figuras 1 a 4, como se ¡lustra en la Figura 5.

El convertidor de frecuencia electrónica 27 de preferencia se forma como un convertidor de matriz sin un enlace CD (DC) a fin de delimitar la pérdida de energía. La estructura de principio de operación de este convertidor de matriz, que opera con una pérdida particularmente baja por su control, se ha descrito en EP-A2-1 199 794. Adicionales modalidades de este convertidor de matriz se han descrito en EP-A1 -1 561 273, en DE-AM O 2004 016 453, DE-AMO 2004 016 463 y DE-A1 -10 2004 016 464. El diagrama esquemático básico de un convertidor de matriz con 6 fases de entrada y 3 fases de salida, se ilustra en la Figura 5. El convertidor de matriz 27 conecta, en secuencia cronológica, 6 fases G1 ,..,G6 de un generador 8, 18 como una fuente a tres fases L1 ,..,L3 de una carga 30. El elemento de energía 29 requerido para esto comprende 18 interruptores bidireccionales 32 en la forma de tiristores conectados antiparalelo (hay en general m x n interruptores para m fases de entrada/fuente y n fases de salida/carga). Los interruptores 32 se disponen en una matriz (6 x 3). Para el control de los interruptores 32, una unidad de control o un controlador 31 se proporciona, que recibe señales de tiempo (una frecuencia de reloj) de un generador de reloj 28. El estado de interruptor de cada uno de los interruptores 32 (Encendido, Apagado (ON, OFF)) se supervisa y señala al controlador 31 mediante una primer línea de señal 36. Los interruptores 32 cada uno se controlan por el controlador 31 mediante una línea de control 35.

Un amperímetro 34 se dispone en cada una de las fases individuales G1 ,..,G6 del generador 8, 18 y señala el signo de polaridad de la corriente de fase al controlador 31 mediante una segunda linea de señal 37. Además, voltímetros 33 se disponen entre las fases G1 ,..,G6 del generador 8, 18 y señalan el signo de polaridad del voltaje de diferencia de fase respectivo al controlador 31 mediante una tercer línea de señal 38. Se hace referencia a los documentos anteriormente citados respecto a los detalles de la secuencia operativa del convertidor de matriz.

Otros tipos de convertidor de frecuencia también son adecuados para la aplicación de acuerdo con la invención, en donde un alto grado de eficiencia del convertidor de frecuencia es ventajoso para la aplicación.

En los ejemplos mostrados, el convertidor de frecuencia se ilustra como un dispositivo separado del generador. En forma alterna, el convertidor de frecuencia también puede integrarse en el generador o el convertidor de frecuencia puede ajustarse/controlar la frecuencia de salida del generador 18 por una frecuencia de excitación/campo rotatorio controlado de los devanados del rotor.

La Figura 6 muestra un ejemplo del progreso de variables de proceso clave durante un arranque de turbina de gas sin un convertidor de frecuencia 27. Para ilustrar el arranque, la velocidad rotacional n, la temperatura de salida de turbina TAT y la energía de la turbina de gas PGT se ilustran con el tiempo. Durante el proceso de funcionamiento en punto fijo hasta que se alcanza la velocidad rotacional nominal, la suma de la energía de generador neta y la energía de aceleración del árbol de transmisión 9, forma la energía de la turbina de gas PGT-Aquí, una energía de generador neta negativa es la energía que produce el generador durante operación del motor. Conforme la rotación de la turbina de gas empieza a partir de parada en frío o de emergencia, es decir desde una velocidad rotacional n igual a 0 rpm, la energía de aceleración inicialmente es igual a la energía del generador 18 operada como un motor y excitado mediante un excitador de arranque separado cuando sea necesario. Con velocidad rotacional incrementada, el consumo de energía del compresor se vuelve mayor, como resultado de lo cual la aceleración se reduce y la energía de la turbina de gas PGT cae. Tan pronto como la ignición 12 en la cámara de combustión 15 ocurre, la temperatura a la salida de la turbina TAT aumenta marcadamente hasta que el control de TAT estabiliza el suministro de combustible y la turbina de gas se acelera más fuertemente. La energía de la turbina de gas PGT por lo tanto asciende por un periodo corto antes de que caiga más. Una vez que la velocidad rotacional autosostenida se ha excedido y una vez que las válvulas de descarga se han cerrado, la energía de la turbina de gas PGT aumenta marcadamente. El dispositivo de arranque estático 45 típicamente puede apagarse de 60% a 80% de la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas 2, y la turbina de gas acelera adicionalmente sola, sin el impulso del generador. Para asegurar un ajuste estable de la velocidad rotacional n a la velocidad rotacional nominal, el gradiente de la velocidad rotacional (aceleración) típicamente es delimitado. Un controlador de velocidad rotacional interviene y se reduce la temperatura de salida de la turbina TAT. Tan pronto como la velocidad rotacional nominal se alcanza, la velocidad rotacional n se estabiliza y el generador 18 puede sincronizarse. Sólo después de esta estabilización y sincronización que son relativamente consumidoras de tiempo 44 puede iniciarse la carga 19 de la turbina de gas, para este propósito se eleva la temperatura a la salida de la turbina TAT. De la sincronización 44, la turbina de gas 2 se opera a velocidad rotacional constante n y la energía de la turbina de gas PGT es igual a la energía del generador 18.

Para sincronización 44, la turbina de gas 2 se lleva por ejemplo a una sobre velocidad ligera (es decir hasta 1 ó 2% cuando más) en comparación con la red 1 (no ilustrada en la Figura 6 debido a la escala), y el dispositivo de sincronización supera el control de la turbina de gas 2 hasta que la frecuencia del generador 18 esté en fase con la frecuencia de la red 1 . Tan pronto como la frecuencia y voltaje del generador 18 corresponden con aquellas de la red 1 , da el comando para cerrar el conmutador del generador 6. Una energía negativa se va a evitar durante este proceso debido a que el generador 18 de otra forma se separa inmediatamente en forma automática de la red 1.

La temperatura a la salida de la turbina TAT es equivalente a la temperatura de gas caliente. Ambas típicamente se controlan por una fuente de combustible 17. Para estabilizar la turbina de gas 2 a velocidad rotacional nominal, la energía de la turbina de gas PGT debe ser reducida considerablemente en comparación con la fase de aceleración. Para este propósito, la temperatura a la salida de la turbina actual TAT y por lo tanto también la temperatura de gas caliente se habrá de reducir. Para un rápido arranque, la temperatura a la salida de la turbina TAT se va a seleccionar la más alta posible. La reducción de la temperatura a la salida de la turbina TAT para estabilización de la velocidad rotacional n y la elevación subsecuente de la temperatura a la salida de la turbina TAT durante carga 19 de la turbina de gas 2 lleva a cambios de temperatura transitorios y puede resultar en consumo adicional de la vida útil de servicio debido a los termovoltajes asociados.

La Figura 7 muestra un progreso ejemplar de las variables de proceso clave de la Figura 6 para una modalidad del método de acuerdo con la invención. El arranque se ejecuta justo antes que se alcance la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas 2, idéntico al arranque mostrado en la Figura 6. Tan pronto como el dispositivo de arranque estático 45 se apaga entre 60% a 80% de la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas 2, el excitador estático 43 del generador 18 puede encenderse. El generador 18 puede conectarse en forma síncrona a la red mediante el convertidor de frecuencia 27 aun antes que se alcance la velocidad rotacional nominal. Sincronización convencional no es necesaria. Con el convertidor de frecuencia encendido, la turbina entra al control de energía. Por ejemplo, puede controlarse con una energía mínima como un valor objetivo para mayor aceleración hasta velocidad rotacional nominal. El control del convertidor de frecuencia reemplaza al control de la velocidad rotacional de la turbina. El ajuste de la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas 2 se logra mediante este control. Esto se controla de manera tal que la energía positiva de la turbina de gas PGT empleada previamente para aceleración se envía de salida a la red 1 , es decir la aceleración se "frena" por así decirlo cuando se alcanza la velocidad rotacional nominal. La carga puede llevarse a cabo directamente después.

Ya que la turbina de gas primero no tiene que correr a través de una fase de marcha lenta o ralentí para sincronización 44, pero envía de salida la energía directamente a la red 1 , la temperatura de salida de turbina TAT puede mantenerse a un nivel superior. En forma ideal, cambios transitorios a la temperatura de salida de turbina TAT durante sincronización 44, pueden evitarse por completo.

La Figura 8 muestra un progreso ejemplar de las variables de proceso clave para una modalidad adicional del método de acuerdo con la invención. En este ejemplo, el arranque de la turbina de gas ocurre sin separación del convertidor de frecuencia 27 de la red 1 después de rotación inicial de la turbina de gas 2. La turbina de gas 2 se hace que gire por el generador 18 controlado como un motor por el convertidor de frecuencia 27. Para este objetivo, el conmutador de generador 6 se cierra desde apagado o parado en frío. Con el arranque de turbina de gas de acuerdo con la invención sin separación del convertidor de frecuencia, el conmutador de generador 6 permanece cerrado desde la rotación inicial de la turbina de gas. Tan pronto como la turbina de gas genera suficiente energía para aceleración del árbol de transmisión o eje motor, el control del convertidor de frecuencia puede regularse de manera tal que el generador no envíe más energía. Con una velocidad rotacional creciente n, el convertidor de frecuencia 27 se controla de manera tal que la energía se envía de salida a la red. Aquí, la carga 19 empieza ya antes que se alcance la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas 2. La velocidad rotacional de la turbina de gas n se controla mediante la salida de energía incrementada tal que se estabilice a la velocidad rotacional nominal. Una reducción transitoria de la temperatura de salida de turbina TAT puede de esta manera ser evitada por completo. Al incrementar la energía, se muestra un aumento adicional en la temperatura a la salida de la turbina TAT. Esto corresponde a mejorado incremento con incrementadas condiciones de presión.

Las modalidades posibles de la invención no se limitan a los ejemplos aquí ilustrados. En base a los ejemplos, una persona con destreza en la técnica se proporciona con una gran cantidad de posibilidades para producir métodos y circuitos equivalentes. Una gran cantidad de combinaciones son posibles en particular respecto al arreglo de conmutadores o interruptores, transformadores y líneas. Por simplificación, interruptores de seguridad y una gran parte de sistemas auxiliares tampoco se ilustran. Aún más, la aplicación no se limita al tipo o combinación aquí mostrados. En particular, la aplicación no se limita al uso de centrales eléctricas de ciclo combinado. Una aplicación para centrales eléctricas con turbina de gas puras también es posible. Además, la aplicación no se limita a turbinas de gas con una sola cámara de combustión como se ilustra en la Figura 1 , pero también puede aplicarse sin limitación para turbinas de gas con combustión secuencial, como se conoce por ejemplo de EP0718470.

En los ejemplos dados, no se muestra un lavado de la caldera del generador de vapor con calor de desecho 23. Esto es necesario para instalaciones con un generador de vapor con calor de desecho 23, típicamente antes de ignición de la turbina de gas. Para este propósito, la turbina de gas se lleva a una velocidad rotacional de lavado y se lava por arrastre con aire fresco hasta que se asegura que todas las mezclas de combustible explosivo se hayan enjuagado del generador de vapor con calor de desecho 23. Tan pronto como sea este el caso, como se describió la turbina de gas se arranca.

Además, la velocidad rotacional de la turbina de vapor 24 también puede controlarse con el uso de un convertidor de frecuencia electrónico independientemente de la frecuencia de la red 1 , y en este caso, el autoarranque de la turbina de vapor también puede asistirse por el convertidor de frecuencia proporcionado con el generador en la operación del motor.

LISTA DE REFERENCIA DE SIGNOS 1 red 2 turbina de gas 3 transformador multiplicador 4 transformador de arranque 5 red de central eléctrica 6 cortacircuitos de generador 7 transformador de excitación 8 segundo generador 9 eje motor 10 instalación de central eléctrica 1 1 eje motor separado 12 ignición 13 compresor 14 turbina subsecuente 15 cámara de combustión 16 entrada de aire 17 suministro de combustible 18 generador 19 carga 20 conexión de red (acoplada a frecuencia) 21 interruptor de alto voltaje de red 22 gas de desperdicio de la turbina de gas 23 generador de vapor con calor de desecho 24 turbina de vapor 25 circuito de vapor/agua separado 26 interruptor de arranque 27 convertidor de frecuencia 28 generador de reloj 29 elemento de energía 30 carga 31 controlador 32 interruptores (bidireccionales) 33 voltímetros 34 amperímetro 35 línea de control 36, ..,38 línea de señal 39 gas de desperdicio 40 conmutador de excitación 41 interruptor de alto voltaje de arranque/red 42 transformador de arranque 43 excitador astático 44 sincronización 45 dispositivo de arranque estático 46 velocidad de rotación nominal alcanzada 47 válvula de descarga G1 ,..,G6 fase (generador) L1 ,..,L3 fase (carga) n velocidad rotacional t tiempo TAT temperatura de salida de turbina PGT energía de la turbina de gas

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un método para el arranque de una instalación de central eléctrica que comprende una turbina de gas, un generador acoplado a la turbina de gas, y un convertidor de frecuencia, que se conecta a una red eléctrica para alimentar corriente con una frecuencia de red, caracterizado porque durante un arranque de la turbina de gas, el convertidor de frecuencia se controla antes que la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas se alcance, de manera tal que genera una corriente de salida con la frecuencia de red y el generador se conecta a la red eléctrica mediante el convertidor de frecuencia.

2. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el generador se conecta a la red eléctrica mediante el convertidor de frecuencia a una velocidad rotacional menor que 90% de la velocidad rotacional operativa de la turbina de gas.

3. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el generador se conecta a la red eléctrica mediante el convertidor de frecuencia tan pronto como la turbina de gas ha alcanzado una velocidad rotacional entre 70% y 85% de la frecuencia de red.

4. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque generador se conecta a la red eléctrica mediante el convertidor de frecuencia tan pronto como se cierran las válvulas de descarga de la turbina de gas.

5. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el generador se opera como un motor para arrancar la rotación de la turbina de gas hasta que se excede la velocidad rotacional autosostenida de la turbina de gas.

6. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el generador se opera inicialmente como un motor para el arranque de rotación de la turbina de gas, mediante un transformador de arranque y un dispositivo de arranque estático, el generador se separa del dispositivo de arranque estático y el generador después se conecta mediante el convertidor de frecuencia a la salida de la energía eléctrica a la red.

7. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el generador se suministra con corriente desde la red mediante el convertidor de frecuencia y se opera como un motor para iniciar la rotación de la turbina de gas hasta que la energía de la turbina de gas excede la energía necesaria para la aceleración del eje motor o árbol de transmisión, la energía eléctrica se envía de salida a la red mediante el convertidor de frecuencia.

8. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el generador se suministra con corriente desde la red mediante el convertidor de frecuencia y se opera como un motor para rotación inicial de la turbina de gas hasta que la energía de la turbina de gas excede la energía necesaria para aceleración del eje motor, y tan pronto como la energía de la turbina de gas excede la energía necesaria para aceleración del eje motor, más un valor umbral, la energía eléctrica se envía de salida a la red mediante el convertidor de frecuencia.

9. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la aceleración de la turbina de gas se controla al controlar la salida de energía a la red, tan pronto como el generador envía de salida la energía eléctrica a la red mediante el convertidor de frecuencia.

10. El método para el arranque de una instalación de central eléctrica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el convertidor de frecuencia se controla tal que el generador, desde el momento en el cual se conecta a la red, envía de salida a la red una energía eléctrica mayor que o igual a uno por ciento (1%) de la energía nominal de la turbina de gas.

11. Una instalación de central eléctrica, que comprende una turbina de gas con una válvula de descarga para soplar aire del compresor, cuando se arranca la turbina de gas, un generador acoplado a la turbina de gas y un convertidor de frecuencia, que se conecta a una red eléctrica, caracterizada porque el convertidor de frecuencia comprende un controlador que, durante el arranque de la instalación de la central eléctrica, una vez que se ha cerrado la válvula de descarga y antes que la velocidad rotacional nominal de la turbina de gas se alcance, controla al convertidor de frecuencia tal que genera una corriente de salida con la frecuencia de red para conectar el generador a la red eléctrica.

12. La Instalación de central eléctrica de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizada porque se dispone un transformador multiplicador entre el convertidor de frecuencia y la red.

13. La instalación de central eléctrica de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizada porque un cortacircuitos del generador, un transformador multiplicador y un transformador de alto voltaje de red se disponen entre el convertidor de frecuencia y la red, a fin de enviar de salida energía a la red, y un transformador de arranque y un conmutador o interruptor de arranque se disponen paralelos al cortacircuitos de generador para consumo de energía para el arranque de la turbina de gas.