CN103527320B - 操作带有单轴燃气涡轮的功率设备的方法及功率设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于操作带有单轴燃气涡轮(6)的功率设备的方法，其中，燃气涡轮(6)以恒定速度操作，该恒定速度低于当第一发电机(25)与电网(33)同步时燃气涡轮(6)转动的速度。所提出方法确保了带有低排放、高涡轮排气温度和最小燃料消耗的良好稳定燃烧。除该方法以外，包括设计且构造成执行这种方法的单轴燃气涡轮(6)的功率设备也是本发明的一个目标。
Description
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮功率设备的操作方法和构造成执行这种方法的燃气涡轮。
背景技术
在基本负载和高负载下，现代燃气涡轮通常利用贫预混火焰操作以满足排放要求。为了对所有操作条件确保稳定的燃烧，已设计出例如从EP0718470获知的复杂操作方法。
燃气涡轮和燃气涡轮联合循环被认为是非常灵活的。它们可在快速起动后以高速率加载。根据设计和操作方法，在不到10分钟内加载至基本负载是可行的。需要这些特征来平衡消费者的快速变化负载要求以及来自其它功率生成源(例如风能)的变化供应，使得电力生成始终等于电力消耗。
为了以低排放操作，燃气涡轮的燃烧器必须以预混模式操作。用于功率生成的单燃烧器燃气涡轮通常对于高于约40%相对负载(相对于燃气涡轮的基本负载功率输出的功率输出)的负载点可以带有低排放的预混操作模式操作。带有顺序燃烧的燃气涡轮对于低至10%相对燃气涡轮负载左右的负载点可以带有低排放的预混操作模式操作。对于低于上述相对负载点的稳定操作，燃烧器可利用扩散火焰操作。然而，扩散火焰可引起高排放，并且在这些条件下的操作可能受当地法律条例约束。
在与低电价结合的低电力需求时段期间使燃气涡轮或燃气涡轮联合循环功率设备以最低可能负载操作具有以下优点：可以以高加载梯度(50MW/min或更大)在任何时间完成快速加载。在这些条件下，燃气涡轮和蒸汽涡轮的构件保持在材料温度水平，这允许与以前未点燃的燃气涡轮和冷蒸汽涡轮通过点火的起动相比带有大幅减少寿命消耗的快速加载。这对于联合循环操作尤其真实，其中蒸汽循环构件在它们由于快速加载梯度而暴露于满载温度的情况下承受热-机械应力。另外，避免了燃气涡轮起动失败的风险，这是一个显著益处。
然而，以低负载操作可由于所消耗燃料而引起显著成本。在40%相对负载下，燃料消耗可由于远低于基本负载效率的部分负载效率而介于基本负载燃料消耗的约50%和70%之间。这些燃料成本可通过进一步减载而降低。此外，在低需求时，电网可能无法接受由功率设备产生的功率。
用于满足低负载操作(以低于40%的相对负载操作)的一个先决条件是燃烧稳定性。然而，对于干式NOx排放减少而言为优选技术的贫预混燃烧通常具有相对较窄的可燃性范围。贫预混火焰的可燃性极限例如远窄于扩散火焰的那些；通常它们小大约一个数量级。可燃性极限描述火焰的稳定性。
为了控制氮氧化物(“NOx”)的形成并将火焰保持在稳定范围内，已提出使来自压缩机区段的压缩空气的一部分绕开燃烧器周围，尤其是在部分负载操作期间。这种绕开例如从US5557920获知。然而，进入涡轮的空气由于旁通空气的掺和而具有低温度，且因此涡轮的排气与基本负载或高负载条件相比具有低温度。因此，当一旦电网需要功率输出而加载设备时，在后续锅炉或热回收蒸汽发生器中产生的蒸汽比在基本负载下更冷，这可引起由锅炉供给的蒸汽涡轮中的高热应力或者例如减少的负载梯度或保持点等限制。
发明内容
本公开的一个方面是提出一种通过清洁稳定燃烧在低负载或无负载下操作燃气涡轮设备的方法。该燃气涡轮设备包括单轴燃气涡轮，该单轴燃气涡轮带有：压缩机，其对入口空气加压，该入口空气在燃烧器中与燃料混合并点燃以生成燃烧气体；涡轮，其从离开燃烧器的热气体提取能量；一个轴，其连接压缩机和涡轮；以及第一发电机，其以固定传动比机械地联接至燃气涡轮的轴。该燃气涡轮设计成以当第一发电机与电网同步时燃气涡轮转动的速度操作。该燃气涡轮至少对于高部分负载和基本负载以该设计速度操作。
提出了一种用于以备用(stand-by)模式操作这种带有单轴燃气涡轮的功率设备的方法。根据所提出的方法，燃气涡轮以恒定速度操作，该恒定速度低于当第一发电机与电网同步时燃气涡轮转动的速度。
通过以降低的速度(即低于当第一发电机同步时燃气涡轮转动的速度的速度)操作，压缩机入口质量流可相对于在同步速度下的压缩机入口质量流减小。由于减小的入口空气质量流，燃烧器中的燃料空气比可增加，从而实现带有低排放和低燃料消耗的稳定燃烧。此外，燃烧压力由于减小的入口空气质量流而降低。带有很低燃烧压力的燃气涡轮的备用操作引起NOx排放的减少。
所提出的方法允许带有低排放和高涡轮排气温度的良好稳定燃烧。由于减小的质量流，压缩机的功率消耗减小。因此，涡轮不需要产生与用以在同步速度下驱动压缩机的功率一样多的功率来驱动压缩机。因此，减小的质量流实现了带有低燃料消耗的操作。高排气温度可提高后续蒸汽循环的效率并因此帮助进一步使燃料消耗最小化。
根据该方法的一个示例性实施例，燃气涡轮以当第一发电机与电网同步时的速度的20%与85%之间的速度操作。
根据该方法的又一示例性实施例，通过由经由静态频率转换器作为马达操作的第一发电机在燃气涡轮的轴上施加扭矩来控制燃气涡轮速度。
在该方法的一个实施例中，第一发电机操作以经由静态频率转换器将功率传送至电网。由于发电机以低于正常操作速度的速度转动，因而其产生带有低于电网频率的频率的交流电。为了将功率传送至电网，频率通过静态频率转换器转换为电网频率。
在该方法的一个示例性实施例中，第一发电机操作以在轴上施加正扭矩而驱动燃气涡轮。由于发电机以低于正常操作速度的速度转动，因而电网频率高于当发电机以低于电网频率的频率转动时使发电机作为马达操作所需的频率。为了使发电机作为马达操作，通过静态频率转换器将带有电网频率的交流电转换为发电机频率。带有电网频率的交流电例如可由电网或由功率设备的蒸汽涡轮提供。
根据该方法的又一实施例，该方法可用于其中燃气涡轮和蒸汽涡轮布置在单个轴上的所谓的单轴动力系，使用蒸汽涡轮功率来提供正扭矩以驱动燃气涡轮。
对于该方法，由布置在燃气涡轮下游以有效地使用燃气涡轮排气的废热的热回收锅炉产生的蒸汽超过保持蒸汽涡轮以降低的速度在空转操作下运行所需的蒸汽。备选地，从第二设备或其它外部源提供的蒸汽可被使用或添加以驱动蒸汽涡轮。
根据该方法的另外示例性实施例，通过调节可变入口导叶，通过调节压缩机入口空气的温度，或通过调节吹除阀(blow off valve)位置，从而控制燃气涡轮速度。这些控制方法中的每一个可单独或与一种或多种其它方法结合应用。
根据该方法的又一示例性实施例，压缩机入口气体温度相对于周围空气的温度提高，以控制燃气涡轮的速度。
例如，通过将压缩机泄放空气掺和至压缩机入口气体，或通过在空气预热器中加热它，或通过使燃气涡轮的烟气(flue gas)再循环到压缩机入口气体，从而可提高压缩机入口气体的温度。这些温度控制方法中的每一个可单独或与一种或多种其它方法结合应用。
根据该方法的另一示例性实施例，通过以下中的至少一个来控制燃气涡轮排放：调节可变入口导叶，调节吹除阀，调节燃气涡轮的速度，调节压缩机入口气体的温度，或者通过调节分级燃烧炉的级比或通向单独燃烧炉的燃料供应来调整火焰温度空间分布。所有这些单独或结合使用的方法对火焰具有直接影响。特别地，可通过这些方法来调节燃烧器入口温度和因此火焰位置、火焰地点和最大火焰温度。
对于联合循环功率设备的操作，重要的是控制燃气涡轮的排气温度。燃气涡轮排气温度直接影响燃气涡轮下游的排气管道和热回收蒸汽发生器。此外，由热回收蒸汽发生器生成的蒸汽的蒸汽温度取决于排气温度。蒸汽温度应当保持在操作范围内，以避免或限制蒸汽涡轮中归因于蒸汽温度变化的热应力。
根据该方法的一个示例性实施例，燃气涡轮排气温度被控制为目标值。通过以下中的至少一个来控制排气温度：调节可变入口导叶、调节压缩机入口气体的温度、调节吹除阀、调节燃气涡轮的速度或调节压缩机入口气体的温度。
除以备用模式操作功率设备的方法之外，其中燃气涡轮从备用模式加速至同步速度、空转、加载和负载操作以及减载、空转操作和减速至备用模式的操作方法是本公开的主题。
根据该方法的示例性实施例，燃气涡轮燃烧器针对燃气涡轮在低于当第一发电机与电网同步时燃气涡轮转动的速度的速度下的备用操作以预混模式操作，并且燃烧器在加速至带有同步速度的空转操作期间、在带有同步速度的空转下以及在低部分负载下利用扩散火焰或以利用扩散火焰稳定的预混模式操作。根据此实施例，对于基本负载和高部分负载操作，燃烧器可以预混模式操作。根据设计和操作条件，加速至同步速度的部分可以预混模式执行。用于以同步速度空转操作和加载以及负载操作的方法能够可用于燃气涡轮的常规操作概念来执行。
减载可以相反顺序完成：燃烧器在从带有同步速度的空转减速期间利用扩散火焰或以利用扩散火焰稳定的预混模式操作。在减速期间或者在达到燃气涡轮在低于当第一发电机与电网同步时燃气涡轮转动的速度的速度下的备用操作时，燃气涡轮燃烧器以用于低排放的预混模式操作。
除操作方法以外，被设计成执行这种方法的燃气涡轮设备也是本公开的主题。
根据一个示例性实施例，这种功率设备包括单轴燃气涡轮，该单轴燃气涡轮带有压缩机、燃烧器、涡轮、连接压缩机和涡轮的一个轴、以及第一发电机，该第一发电机以固定传动比机械地联接至燃气涡轮的轴。这种设备的特征在于，燃气涡轮被设计成用于以低于燃气涡轮的设计速度至少10%的速度连续操作。其可例如被设计用于在20%与85%速度之间的窗口内操作。设计速度是当发电机与电网同步时燃气涡轮转动的速度。
根据又一实施例，轴以及压缩机和涡轮的叶片和导叶被设计用于在低于燃气涡轮的设计速度至少10%的速度下没有一阶本征频率(first order Eigenfrequency)的操作窗口。操作窗口可例如在20%与85%速度之间的速度范围内。操作窗口的频率范围可远小于该范围。例如，其仅为+/-1%速度。该设计允许在降低速度下的连续操作。优选地，该窗口更大，例如+/-5%至10%或更大。
为了提高在备用操作期间的操作灵活性，轴以及压缩机和涡轮的叶片和导叶可被设计成对于在带有低于根据又一示例性实施例的燃气涡轮的设计速度至少10%的速度的操作点左右至少+/-2%速度的操作窗口而言没有至少一阶和二阶本征频率。
所公开的方法以及所公开的燃气涡轮设备允许燃气涡轮以相对于同步速度降低的速度利用燃烧器中的稳定低排放火焰操作。由此，燃烧消耗可相对于同步速度下的空转或低负载操作降低，同时仍维持低排放。结果，在该模式中，操作延长时段是可能的和经济的。
此外，可实现降低的燃料消耗，同时仍维持低排放并实现适合将联合循环保持在允许包括蒸汽涡轮的联合循环功率设备的快速加载的操作温度下的涡轮出口温度。
另外，可实现降低的燃料消耗，同时仍维持低排放并实现适合使联合循环以满足自身消耗所需的最低负载和特定地点所需的任何厂内负载运行的涡轮出口温度和排气质量流。
上述燃气涡轮可为例如从EP0620363 B1或EP0718470 A2获知的单级燃烧燃气涡轮或顺序燃烧燃气涡轮。所公开的方法可应用于单级燃烧燃气涡轮或顺序燃烧燃气涡轮。
附图说明
本发明、其性质及其优点应当借助于附图在下文中更详细地描述。参照附图：
图1示出根据本发明的燃气涡轮的示例；
图2示出压力对燃气涡轮中的NOx排放的影响的示例。
附图标记：
1 压缩机
2 周围空气
3 压缩机入口气体
4 燃烧器
5 燃料
6 燃气涡轮GT
7 涡轮
8 排气
9 HRSG(热回收蒸汽发生器)
10 CO2捕集系统(可选)
11 用于再循环烟气的烟气鼓风机
12 给水
13 蒸汽涡轮
14 冷凝器
15 烟气(通向环境)
16 压缩机泄放空气
17 压缩机泄放空气控制阀
18 压缩机吹除
19 来自HRSG的烟气
20 通向燃气涡轮排气管道的吹除控制阀
21 再循环烟气
22 通向消声器的吹除控制阀
23 升压变压器
24 静态频率转换器
25 第一发电机
26 第二发电机
27 再循环烟气重冷却器
28 用于SFC的电源开关
29 烟气分流器
30 新蒸汽
31 轴
32 烟道
33 电网
34 可变入口导叶
35 补充燃料
36 空气预热器
37 补充点火
38 压缩机导叶
39 压缩机叶片
40 涡轮导叶
41 涡轮叶片
42 发电机断路器
43 蒸汽涡轮升压变压器
44 蒸汽涡轮发电机断路器
CCPP 联合循环功率设备
TREF 热气体温度
T 热气体温度。
具体实施方式
相同或功能上等同的元件在下文中被提供相同标记。所示的值和尺寸规格仅为示例性值且不构成在这种尺寸上对本发明的任何约束。
用于执行所提出方法的功率设备的示例包括常规CCPP(联合循环功率设备)。
示例性布置在图1中示出。燃气涡轮6被供应压缩机入口气体3和燃料5。通过使压缩机1中的叶片39和导叶38旋转而压缩压缩机入口气体3。经压缩的气体用于燃料5在燃烧器4中的燃烧，并且经加压的热气体在涡轮7中膨胀。在涡轮7中的膨胀期间，经加压的热燃烧气体由涡轮导叶40引导并驱动涡轮叶片41以传送机械功率。压缩机和涡轮布置在一个轴31上。发电机25也机械地联接至轴31。在燃气涡轮6与发电机25之间可布置齿轮(未示出)。
在该示例中，燃气涡轮的热排气8(也称为烟气)通过HRSG 9，该HRSG 9生成用于蒸汽涡轮13的新蒸汽30。蒸汽涡轮13要么与燃气涡轮6和第一发电机25布置成单轴构型，要么如此处所示布置成多轴构型以驱动第二发电机26。离开蒸汽涡轮13的蒸汽被送至冷凝器14并返回到HRSG 9。蒸汽循环被简化且示意性地示出而没有不同的蒸汽压力水平、给水泵等，因为这些不是本发明的主题。
提高压缩机入口气体的温度的不同可能性在图1中示出。压缩机入口气体3在进入压缩机1之前可通过空气预热器36中的热交换被加热。它还可通过将压缩机泄放空气16掺和至压缩机入口气体而被加热。入口气体在压缩机1中的压缩期间被加热。通过用泄放空气控制阀17来控制泄放空气流量，从而可调节压缩机入口空气的温度。压缩机泄放空气可从压缩机出口或从压缩机1的中间位置取得。压缩机入口气体3的温度还可通过烟气的再循环来调节或控制。来自HRSG 19的烟气的再循环烟气21再循环到燃气涡轮6的压缩机1的入口，在此其与周围空气2混合。再循环烟气21在与周围空气2混合之前可在再循环烟气重冷却器27中冷却。通过控制再循环烟气21的质量流并通过控制再循环烟气在再循环烟气重冷却器27中冷却到的温度，从而可控制压缩机入口气体3的温度。
在烟气再循环的情况下，压缩机入口气体3是周围空气2和经由烟气再循环管线再循环的烟气的混合物。来自HRSG 19的烟气的其余烟气15由烟气分流器29引导到烟道32并排放至环境。可选地，CO2捕集单元10可安装在烟气分流器39与烟道32之间。该CO2捕集单元可包括烟气鼓风机、又一烟气鼓风机和CO2捕集单元。在CO2捕集单元中，CO2从烟气被去除。剩余烟气可释放到大气且CO2可被压缩以进行输送和储存。存在若干已知用于从烟气去除CO2的技术，例如吸收、吸附、膜分离和低温分离。
此外，用于再循环的可变速度烟气鼓风机11在烟气的再循环第一部分流21与周围空气2混合之前安装在再循环烟气冷却器27的下游。
燃烧器4中质量流的控制是用于控制燃烧的主要参数之一。由于压缩机入口质量流与入口温度成反比，因而可通过用上述措施调节压缩入口温度而间接地控制燃烧器中的质量流。通过调节VIGV 34(可变入口导叶)或通过调节轴31的速度并由此控制燃烧器4中的质量流，从而可直接地控制压缩机入口质量流3。此外，通过控制压缩机吹除18和/或压缩机泄放空气16，从而可控制燃烧器中的质量流。
燃烧器4中热气体温度的控制是用于控制燃烧的主要参数之一。通过控制燃烧器4中的燃料质量流5或通过控制燃料空气比，从而可控制热气体温度。此外，其可通过调节燃烧器入口温度来控制。通过火焰温度空间分布的调整，例如改变级比(对于分级燃烧器/燃烧炉而言)，或者通过燃烧炉组(未示出)中级的切换，从而可控制局部热气体温度。
燃烧器4中的压力是另一主要参数，其影响燃烧且特别是NOx形成。燃烧器4中的压力可通过燃烧器质量流和涡轮入口温度的联合控制来调节。
第一发电机25可经由SFC(静态频率转换器)24和用于SFC的电源开关28连接到电网33上，以在轴31上施加扭矩并由此控制轴31的速度。通常，电网33的电压高于发电机25的输出或输入电压；因此，发电机可经由升压变压器23连接到电网上。SFC 24可被控制以使用来自电网33的电功率驱动发电机作为马达，并且操作发电机以传送电功率、将其转换为电网频率以及向电网33供应功率。
对于当发电机25与电网33同步时的负载操作，用于SFC的电源开关28打开且发电机25经由发电机断路器42连接到电网。发电机励磁和附件未示出，因为它们不是本发明的一部分。
在所示示例中，蒸汽涡轮13经由蒸汽涡轮发电机断路器44和蒸汽涡轮升压变压器43连接到电网33。
对燃气涡轮的排气温度的控制是有利的，因为在HRSG 9中生成的蒸汽的蒸汽温度取决于排气温度。为了操作蒸汽涡轮13，应当维持最低蒸汽温度且应当避免快速温度梯度。通过控制涡轮入口温度或热气体温度或涡轮7上的压力比(其本身为涡轮质量流或燃烧器出口质量流和涡轮入口温度的函数)，从而可控制排气温度。
如果涡轮出口温度过低而不能生成带有足够高温度的蒸汽，则可通过在补充点火37中燃烧补充燃料35来提高进入HRSG 9的烟气的温度。
所提出方法的一个重要特征是燃气涡轮6在备用操作期间以很低的燃烧压力操作以减少NOx排放。NOx排放示出为温度的函数，即，图2中对于两个不同燃烧压力p1、p2而言基准温度TREF与热气体温度T的比率，其中p2低于p1。图2清楚地示出可通过降低燃烧压力而在高燃烧温度T或低Tref/T下减少NOx排放。
本领域技术人员将认识到，本发明可以以其它具体形式实施而不偏离其精神或实质特征。当前公开的实施例因此在所有方面被认为是说明性而非限制性的。
Claims (14)
1.一种用于操作带有单轴燃气涡轮(6)的功率设备的方法，其中，所述单轴燃气涡轮(6)包括：压缩机(1)，其对入口空气(3)加压，所述入口空气在燃烧器(4)中与燃料(5)混合并点燃以用于生成燃烧气体；涡轮(7)，其从离开所述燃烧器(4)的热气体提取能量；一个轴(31)，其将所述压缩机(1)连接至所述涡轮(7)；以及第一发电机(25)，其以固定传动比机械地联接至所述燃气涡轮(6)的所述轴(31)，其特征在于，所述燃气涡轮(6)在低负载或无负载下以恒定速度操作，所述恒定速度低于当所述第一发电机(25)与电网(33)同步时所述燃气涡轮(6)转动的速度，其中所述第一发电机(25)经由静态频率转换器(24)和升压变压器(23)连接到所述电网(33)，并且至少对于高部分负载和基本负载，所述第一发电机(25)经由所述升压变压器(23)直接连接到所述电网，而且所述燃气涡轮(6)以当所述第一发电机(25)与所述电网(33)同步时所述燃气涡轮(6)转动的速度操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮(6)以当所述第一发电机(25)与电网(33)同步时的速度的20%与85%之间的速度操作。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过以下中的至少一个来控制所述燃气涡轮速度：
通过由所述静态频率转换器(24)控制的所述第一发电机(25)在所述轴(31)上施加扭矩，
调节可变入口导叶(34)，
调节所述压缩机入口空气(3)的温度，
调节吹除控制阀(20，22)位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一发电机(25)操作以经由所述静态频率转换器(24)将功率传送至所述电网(33)。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一发电机(25)操作以在所述轴(31)上施加正扭矩，以经由所述静态频率转换器(24)驱动所述燃气涡轮(6)。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，燃气涡轮(6)与蒸汽涡轮(13)布置在单个轴上，并且使用蒸汽涡轮功率来驱动所述燃气涡轮(6)。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述压缩机入口空气(3)的温度相对于周围空气(2)的温度提高。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以下中的至少一个来提高所述压缩机入口空气(3)的温度：
将压缩机泄放空气(16)掺和至所述压缩机入口空气(3)，
通过空气预热器(36)中的热交换来加热所述入口空气(3)，
将再循环烟气(21)掺和至所述压缩机入口空气(3)。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下中的至少一个来控制所述燃气涡轮排放：
调节所述可变入口导叶(34)，
调节所述吹除控制阀(20，22)的位置，
调节所述燃气涡轮(6)的速度，
调节所述压缩机入口空气(3)的温度，
通过调节用于分级燃烧炉的级比或通向单独燃烧炉的燃料供应而调整火焰温度空间分布。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下中的至少一个来控制所述燃气涡轮排气温度：
调节所述可变入口导叶(34)，
调节所述吹除控制阀(20，22)，
调节所述燃气涡轮(6)的速度，
调节所述压缩机入口空气(3)的温度。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述燃烧器(4)针对所述燃气涡轮(6)在恒定速度下的备用操作以预混模式操作，所述恒定速度低于当所述第一发电机(25)与电网(33)同步时所述燃气涡轮(6)转动的速度，并且在于，所述燃烧器(4)在加速至空转期间、在空转下以及在低部分负载下利用扩散火焰或以利用扩散火焰稳定的预混模式操作，并且在于，所述燃烧器(4)对于基本负载和高部分负载操作以预混模式操作。
12.一种包括单轴燃气涡轮(6)的功率设备，所述单轴燃气涡轮带有压缩机(1)、燃烧器(4)、涡轮(7)、连接所述压缩机(1)和所述涡轮(7)的一个轴(31)、以及以固定传动比机械地联接至所述燃气涡轮(6)的所述轴(31)的第一发电机(25)，其特征在于，所述燃气涡轮(6)被设计用于在低负载或无负载下以恒定速度连续操作，所述恒定速度低于所述燃气涡轮(6)的设计速度至少10%，所述设计速度为当所述第一发电机(25)与电网(33)同步时所述燃气涡轮(6)转动的速度，其中所述第一发电机(25)经由静态频率转换器(24)和升压变压器(23)连接到所述电网(33)，并且至少对于高部分负载和基本负载，所述第一发电机(25)经由所述升压变压器(23)直接连接到所述电网，而且所述燃气涡轮(6)以所述设计速度操作。
13.根据权利要求12所述的功率设备，其特征在于，所述轴(31)以及所述压缩机(1)和涡轮(7)的叶片和导叶被设计用于在低于所述燃气涡轮(6)的设计速度至少10%的速度下没有一阶本征频率的操作窗口。
14.根据权利要求12或13所述的功率设备，其特征在于，所述轴(31)以及所述压缩机(1)和涡轮(7)的叶片和导叶被设计成对于在带有低于所述燃气涡轮(6)的设计速度至少10%的速度的操作点左右+/-2%速度的操作窗口而言至少没有一阶和二阶本征频率。
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| GB2536878A (en) * | 2015-03-23 | 2016-10-05 | Aurelia Turbines Oy | Multi-spool gas turbine arrangement |
| US20190017443A1 (en) * | 2016-08-02 | 2019-01-17 | Rolls-Royce North American Technologies, Inc. | Rapidly available electric power from a turbine-generator system having an auxiliary power source |
| EP3301268A1 (en) * | 2016-09-29 | 2018-04-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Power plant control in coordination with further energy sources, like renewable energy |
| RU2628851C1 (ru) * | 2016-10-25 | 2017-08-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Газотурбинная установка |
| US10280844B2 (en) * | 2016-11-17 | 2019-05-07 | General Electric Company | Control systems for controlling power systems based on fuel consumption and related program products |
| RU2637345C1 (ru) * | 2017-03-16 | 2017-12-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Устройство управления теплосиловой установкой |
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| CN109026801B (zh) * | 2018-07-20 | 2020-01-10 | 西安陕鼓动力股份有限公司 | 一种单轴离心压缩机组及低能耗操作方法 |
| JP7206143B2 (ja) * | 2019-03-28 | 2023-01-17 | 三菱重工業株式会社 | １軸式ガスタービンの運転制御装置、運転制御方法及びプログラム |
| US11713723B2 (en) * | 2019-05-15 | 2023-08-01 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Method and system for operating an engine |
| CN111255575A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-06-09 | 东方日立(成都)电控设备有限公司 | 一种用于大容量燃气轮机的调速系统及调速方法 |
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|---|---|---|---|---|
| SU1141211A1 (ru) * | 1976-02-04 | 1985-02-23 | Краснодарский политехнический институт | Способ регулировани энерготехнологической установки |
| US4271664A (en) * | 1977-07-21 | 1981-06-09 | Hydragon Corporation | Turbine engine with exhaust gas recirculation |
| US5402631A (en) | 1991-05-10 | 1995-04-04 | Praxair Technology, Inc. | Integration of combustor-turbine units and integral-gear pressure processors |
| GB9122965D0 (en) * | 1991-10-29 | 1991-12-18 | Rolls Royce Plc | Turbine engine control system |
| DE69421896T2 (de) | 1993-12-22 | 2000-05-31 | Siemens Westinghouse Power Corp., Orlando | Umleitungsventil für die Brennkammer einer Gasturbine |
| FR2718902B1 (fr) * | 1994-04-13 | 1996-05-24 | Europ Gas Turbines Sa | Ensemble turbine-générateur sans réducteur. |
| DE4446610A1 (de) | 1994-12-24 | 1996-06-27 | Abb Management Ag | Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe |
| US6612112B2 (en) * | 1998-12-08 | 2003-09-02 | Capstone Turbine Corporation | Transient turbine exhaust temperature control for a turbogenerator |
| WO2002095768A1 (en) * | 2001-05-25 | 2002-11-28 | Pebble Bed Modular Reactor (Proprietary) Limited | A brayton cycle nuclear power plant and a method of starting the brayton cycle |
| US20040160061A1 (en) * | 2003-01-31 | 2004-08-19 | Capstone Turbine Corporation | Gas-turbine engine with catalytic reactor |
| US6906432B2 (en) * | 2003-07-02 | 2005-06-14 | Mes International, Inc. | Electrical power generation system and method |
| US6931856B2 (en) * | 2003-09-12 | 2005-08-23 | Mes International, Inc. | Multi-spool turbogenerator system and control method |
| JP2006274868A (ja) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Honda Motor Co Ltd | ガスタービン発電機の運転制御装置 |
| EP2115274B1 (de) * | 2007-02-14 | 2010-04-28 | ALSTOM Technology Ltd | Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage |
| JP5473610B2 (ja) * | 2007-02-14 | 2014-04-16 | アルストム テクノロジー リミテッド | 発電装置および発電装置の駆動方法 |
| US7891192B2 (en) * | 2007-08-28 | 2011-02-22 | General Electric Company | Gas turbine engine combustor assembly having integrated control valves |
| ES2457819T3 (es) * | 2007-12-10 | 2014-04-29 | Alstom Technology Ltd | Procedimiento para la regulación de una turbina de gas en una central eléctrica |
| CN102124187A (zh) * | 2008-03-25 | 2011-07-13 | 阿尔斯托姆科技有限公司 | 发电站设备及其运行方法 |
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| CH702906A1 (de) * | 2010-03-26 | 2011-09-30 | Alstom Technology Ltd | Verfahren zum betrieb eines integrierten solar-kombikraftwerks sowie solar-kombikraftwerk zur durchführung des verfahrens. |
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