CN108350805B - 用于使陆基或海基多转子燃气涡轮运行的系统、方法和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于操作陆基或海基多转子燃气涡轮以生成电力给负载供电的系统、方法和计算机程序，其中，该系统包括多转子燃气涡轮发动机(100A)，并且该方法包括：对至少两个发电机(G1、G2)的转速彼此对立地进行控制，以便直接控制转子的轴(11A、11B)的转速，该至少两个发电机(G1、G2)能够运行以生成电流来给负载供电；以及调节在第一热生成设备(HGE1)中生成的热的量。还公开了实施该方法的计算机程序。

Description

用于使陆基或海基多转子燃气涡轮运行的系统、方法和计算 机程序

技术领域

本发明大体上涉及通过利用燃气涡轮设施来生成电力和机械动力的技术领域。特别地，本发明涉及对用于生成电力以给负载供电的具有多转子燃气涡轮的陆基或海基燃气涡轮设施的运行的控制。

背景技术

电能生产目前正在经历重大变化。能源行业的污染和温室气体排放已经引起了越来越多的关注。同时，随着电能生产正迈向基于可再生能源的能源生产，电网也面临着新的挑战。以前，连接到电网的动力设施非常大，诸如核动力设施、大型煤基动力设施等。当然，这种集中式电力生成会在电网中造成损失，因为能源必须长距离传递。

分布式动力生成与消耗的关系更价密切，且因此在电网中的产生的损失较少，因为与集中式动力生成的情况相比能源传递的距离短。分布式动力生成还可以提高动力供应的本地安全性。与通常以其额定功率充当所谓的基本负荷运行的集中式动力生成设施相比，分布式动力生成设施必须能够基于负荷需求不断地调整其运行和输出动力，更典型地用作负荷跟踪动力设施。

如果电网需要供给动力或接收动力诸如在孤岛条件的情况下，则设施的输出动力的可调整性尤其重要，在孤岛条件期间，动力生成和动力消耗通常在电网薄弱的相当小的区域中必须相等。在这些情况下，运行完全依赖于单个动力生成单元或几个动力生成单元的控制和运行。因此，最重要的是具有在部分负载条件下同样可以高效运转并且可以快速调整其输出动力的动力设施。当动力设施运行作为间歇性动力源诸如太阳能动力设施或风能动力设施的储备装置时，部分负载条件下的可调整性和高效率也非常重要。

安装的分布式能源生产装置的数量没有增加的更多的一个主要原因是由这些系统产生的能源的价格比例如用较大单元产生的电力的价格高。这通常是由于与大型动力设施相比电效率较低。在电能生产中越来越多地使用的燃气发动机或燃气涡轮设施是可以用于分布式动力生成的动力设施的良好示例。

燃气涡轮设施也被设计成在100％标称负荷即设计点下运行。目前，商用燃气涡轮在其设计点下的电生产效率最高为约40％。如果燃气涡轮在部分负载条件下——即在低于100％标称负荷的负荷条件下——运行，则本身不太高的电效率迅速降低。

典型的燃气涡轮动力设施包括压缩机、燃烧器、涡轮和发电机。压缩机和涡轮安装在同一轴上并且形成单个转子。发电机也安装在该轴上。

一些现有技术描述了其中燃气涡轮具有两个转子的解决方案。双转子系统提供可能比单转子系统高的效率，并且与单转子系统相比，在相同的涡轮入口温度以及相同的输入到过程的热的情况下可以产生更多的动力。压缩机应当能够产生的压力增加的幅度通常会影响压缩机和系统的效率，使得总压力增加的越高，压缩机效率就越低。

在现有技术中，还相当常见的是，如果利用了不止一个压缩机，则利用同流换热器对供给燃烧器中的空气进行预加热并利用中间冷却器来移除来自低压压缩机的压缩空气的一些热。这两种装置都提高了燃气涡轮设施的效率。

一些现有技术还描述了具有多转子即例如三个转子的燃气涡轮的系统。其中大多数是在航空相关的应用中，其中重量和紧凑性在这些系统的设计中非常重要。在陆基和海基应用中，尺寸和结构不太重要，但是，例如效率却变得更加重要。此外，特别是在分布式动力生成中，在设计燃气涡轮设施时，必须仔细地考虑可控性以及部分负载运行和效率。

在单转子燃气涡轮的情况下，最常见的负荷类型是以恒定转速运转的电动发电机。执行控制使得转速保持恒定并且动力输出随着涡轮入口温度而变化。如果转速变化，则由压缩机吸收的动力变化。发动机将根据净动力是剩余还是不足来加速或减速。

双转子系统的运行与单转子系统相比的差异在于转子之间必须满足流量兼容性。如果涡轮串联连接，则通过下游涡轮的吞咽能力或在喷气发动机的情况下通过喷嘴的吞咽能力来固定上游涡轮的压力。如果低压力涡轮或喷嘴被堵塞，则前一涡轮将在固定的无量纲运行点处运行，并且当它们被疏通时，对于后续涡轮或喷嘴的每个压力比，前一涡轮将在固定的压力比下工作。实际上，通常处于双转子构造的低压力涡轮在大部分有用的运行范围内会被堵塞。

在通常包括不止一个转子的恒速航改式燃气涡轮中，低压轴必须在整个运行范围内以同步速度运转，而其它轴速度随动力变化。在同步速度和空载情况下，低压压缩机递送基本上比高压压缩机可以摄入的流量多的流量。因此，在单元的装载期间在低压压缩机之后需要放出大量的空气，这从效率角度来看是不利的。

在部分负载条件下，通常需要根据双转子燃气涡轮的低压压缩机的摄入量控制双转子燃气涡轮，低压压缩机的质量流量基本上基于压缩机的转速来确定。这是由于下述事实：在部分负载条件下，由于所燃烧燃料的量较少而且质量流量较小，所以存在朝向压缩机的较小的“背压”，因此，使系统在接近于在喘振(surge，浪涌、振荡)条件下运行，这可能导致压缩机中的一台发生故障或两台都发生故障。这种现象是相对熟知的，并且在文献中有所描述。

在一些部分负载条件下和大多数瞬态情况下，耦接在一起的两台压缩机可能会陷入下述这种情况：其中压缩机中的一台或两台可能会喘振或停转。

在文献中还可以找到用于解决上述问题的一些典型解决方案。然而，对于多转子燃气涡轮，通常包括高压转子和低压转子的双转子燃气涡轮，如飞机喷气发动机，使用以下方法进行控制：入口导流叶片(IGV)、空气泄放、控制推进喷嘴或涡轮喷嘴。

在压缩机的第一级使用IGV，使得在部分负载运行时，可以降低通常到低压压缩机的空气流量。空气泄放是另一种方法，在该方法中空气在压缩机之后被泄放，以便增加通过压缩机的气流，从而避免可能的喘振。

控制推进喷嘴是一种方法，其中在(飞机中的)涡轮之后，废气流量可能受到喷嘴的影响，使得通过减小低压轴的背压来使低压轴更快地加速到标称速度。还存在基于这种设计的动力生成应用，即喷嘴，该喷嘴具有可变几何结构以便控制在燃气涡轮之后到工作涡轮的废气流量。

控制涡轮喷嘴(径向)和定子叶片(轴向)是在往复式发动机涡轮增压器中经常使用的另一种方法。涡轮的涡轮喷嘴/定子叶片被转动，以便使流量更好地匹配涡轮叶轮本身的速度，并因此可以达到较高的部件效率。

所有这些上述的用以在部分负载条件下控制涡轮的措施在许多科学文章和教科书中都有详细的描述。它们包括具有可变几何结构的机构的部件，并且因此具有易于磨损且需要小心维护的轴承和其它可移动零件。在陆基和海基燃气涡轮中，期望的是它们在高可用性情况下以高效率运转，同时能够基于期望的输出动力快速调整它们的输出动力。因此，需要省去制造成本高、容易磨损和并且损耗高同时对可靠性造成威胁的可变几何结构的机构。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于运行陆基或海基多转子燃气涡轮的系统、方法和计算机程序。

本发明的目的通过由相应独立权利要求限定的系统、方法和计算机程序来实现。本发明的实施方案在从属权利要求中呈现。

根据第一方面，本发明是一种用于生成电力以给负载供电的陆基或海基多转子燃气涡轮系统，该系统包括：至少两个转子，该至少两个转子中的每个均包括轴和安装在轴上的涡轮，涡轮被布置成接收待膨胀的处于升高温度的气体，以便产生机械动力，

压缩机，该压缩机安装在转子的轴上，转子的涡轮被布置成在涡轮中具有最高压力，即最高压力涡轮，压缩机被布置成接收气体并且压缩所接收的气体，

第一热生成设备，该第一热生成设备能够运行以生成热并且将热传递到经压缩的气体中，使得经压缩的气体变成处于升高温度的气体，该处于升高温度的气体在最高压力涡轮中膨胀以产生机械动力来驱动压缩机和发电机，

该至少两个转子彼此流体连通，其中，下游涡轮中的每个均被布置成接收处于升高温度的气体，该下游涡轮中的每个涡轮接收的处于升高温度的气体来自被布置成在与接收气体的涡轮相比较高的压力下运行的涡轮，

至少两个发电机，该至少两个发电机中的每个均与轴中预限定的一个机械地耦接，从而被旋转地驱动，因此轴中的每个均具有一个机械耦接的发电机，该至少两个发电机能够运行以生成电流来给负载供电，并且该至少两个发电机能够彼此独立地被控制，以及

控制设备，该控制设备被布置成控制燃气涡轮系统的运行并且被配置成控制该至少两个发电机的转速并且调节在第一热生成设备中生成的热的量。

在一实施方案中，系统包括第一热交换器，该第一热交换器被布置成从压缩机接收经压缩的气体并从被布置成具有涡轮的最低压力的最后一个下游涡轮即最低压力涡轮接收处于升高温度的气体，使热从处于升高温度的气体传递到经压缩的气体，以便在将经压缩的气体供给到所述第一热生成设备之前对经压缩的气体进行预加热。

在一实施方案中，控制设备可以包括用于确定最高压力涡轮的涡轮入口温度、被供给到第一热交换器中的处于升高温度的膨胀气体的温度以及该至少两个发电机的转速的工具，和用于控制该至少两个发电机的转速的工具，以及用于调节第一热生成设备中生成的热的量的工具。

在一个实施方案中，该至少两个转子中的每个均可以包括一个压缩机，该压缩机安装在预限定轴上并且由安装在所述预限定轴上的涡轮驱动，即该至少两个转子包括至少两个压缩机。该至少两个压缩机中的每个均耦接到不同的轴。

在另一实施方案中，第一热生成设备可以是燃烧器，燃烧器能够运行以燃烧与气体诸如例如空气混合的燃料，以产生待供给到最高压力涡轮的处于升高温度的气体。

在一实施方案中，第一热生成设备可以是具有发热单元和相关联的热交换器的外部热生成设备，该发热单元能够运行以生成热，该相关联热交换器能够运行以将在发热单元中生成的热传递给经压缩的气体。

在一实施方案中，至少一个第二热交换器可以被布置成接收待传递到压缩机中的气体并且接收俩字外部源的冷却介质，以便降低气体的温度。该至少一个第二热交换器中的每个均可以被布置成将气体传递到一个压缩机中。

在一实施方案中，功率电子单元可以与该至少两个发电机耦接，功率电子单元能够运行以处理来自该至少两个发电机的交流电流并且将所述交流电流转换成适合于给负载供电的交流电流。

在一实施方案中，功率电子单元可以包括：至少两个整流器，该至少两个整流器中的每个均被布置成转换来自该至少两个发电机中的预定发电机的交流电流，以便在非交流电压下产生直流电流；以及逆变器，该逆变器被布置成将来自该至少两个整流器的非交流直流电流转换成适合于给负载供电的交流电流。

在一实施方案中，至少一个第二热生成设备可以被布置成从上游涡轮接收处于升高温度的气体，以对处于升高温度的气体进行再加热，该至少一个第二热生成设备中的每个均将再加热的气体传递到一个下游涡轮。

根据一实施方案，控制设备可以被布置成确定供给到一个下游涡轮中的处于升高温度的所述再加热气体的温度。

在一实施方案中，系统可以包括辅助系统，辅助系统包括用于在预限定的异常状况期间运行燃气涡轮的能量源。

在一实施方案中，系统可以包括至少一个主动磁轴承，该至少一个主动磁轴承耦接到转子的轴中的至少一个轴或每个轴。

根据一实施方案，该至少两个发电机可以具有标称基本相等的功率额定值，并且该至少两个发电机的旋转部分具有标称基本相等的转速额定值。

在一些实施方案中，所述至少两个转子可以包括至少三个转子，该至少三个转子中的每个均包括轴和安装在轴上的涡轮，涡轮被布置成接收待膨胀的处于升高温度的气体，以便产生机械动力。

根据一实施方案，控制设备可以在空间上分布在多个位置中。

在另一实施方案中，控制设备可以包括至少第一控制元件和至少两个第二控制元件，其中，第一元件被定位成与控制单元连接，并且该第一元件包括用于确定最高压力涡轮的涡轮入口温度、供给到第一热交换器中的处于升高温度的膨胀气体的温度的工具，以及用于调节在第一热生成设备中生成的热的量的工具；并且该至少两个第二控制元件被定位成分别与该至少两个整流器连接并且包括用于控制该至少两个发电机的转速的工具。

根据第二方面，本发明是一种用于运行用于生成电力以给负载供电的陆基或海基多转子燃气涡轮系统的方法，其中，系统包括：

至少两个转子，该至少两个转子包括旋转轴和安装在该轴上的涡轮，其中，处于升高温度的气体在涡轮中膨胀以产生机械动力，

压缩机，该压缩机安装在转子的轴上，转子的涡轮被布置成在涡轮中具有最高压力，即最高压力涡轮，并且压缩机被布置成由最高压力涡轮驱动，压缩机被布置成接收气体并且压缩所接收的气体，

第一热生成设备，该第一热生成设备生成热并将热传递给被压缩机压缩的气体，以将经压缩的气体变成处于升高温度的气体，所述处于升高温度的气体在最高压力涡轮中膨胀以驱动安装在同一轴上的压缩机，

压缩机、第一热生成设备和该至少两个转子的涡轮彼此流体连通，

该方法包括：对该至少两个发电机的转速彼此对立地进行控制，以便直接控制转子的轴的转速，该至少两个发电机能够运行以生成电流来给负载供电；以及

调节在第一热生成设备中生成的热的量。

在一些实施方案中，系统包括：该至少两个转子中的每个均包括一个压缩机，该压缩机安装在预限定轴上的并且由安装在所述预限定轴上的涡轮驱动，即该至少两个转子包括至少两个压缩机，其中，方法包括利用该至少两个压缩机来经压缩的气体。

在一实施方案中，方法可以包括：利用至少一个第二热交换器，该至少一个第二热交换器被布置成接收待传递到该至少两个压缩机中的一个压缩机中的气体并且接收来自外部源的冷却介质，以便降低所接收的气体的温度，该至少一个第二热交换器中的每个均被布置成将气体传递到该至少两个压缩机中的一个压缩机中。

在一些实施方案中，方法可以包括：在第一控制模式下控制该至少两个发电机的转速并且调节最高压力涡轮的入口温度，以便使最高压力涡轮的入口温度基本维持在预限定的最大允许值。

根据一实施方案，方法可以包括：在第二控制模式下将该至少两个发电机的转速控制在预限定基本上恒定的值，并且调节在第一热生成设备中生成的热的量。

在一实施方案中，方法可以包括：在将经压缩的气体供给到第一热生成设备中之前，利用第一热交换器对经压缩的气体进行预加热，第一热交换器被布置成将热从来自被布置成在所述涡轮中具有最低压力的涡轮的处于升高温度的膨胀气体传递到从安装在其涡轮是所述最高压力涡轮的转子的轴上的压缩机接收的经压缩的气体中。

在一些实施方案中，方法可以包括：在第三控制模式下控制该至少两个发电机的转速以及所生产的热的量，以便将注入到第一热交换器中的处于升高温度的气体的温度基本维持在预限定的最大允许值。

在一实施方案中，方法可以包括：在第一控制模式、第二控制模式或第三控制模式中的至少两种或更多种控制模式下关于所述系统的输出动力运行燃气涡轮系统。

根据一实施方案，方法可以包括：设置至少一个第二热生成设备，该至少一个第二热生成设备被布置成接收来自上游涡轮的处于升高温度的气体，以对处于升高温度的气体进行再加热；利用该至少一个第二热生成设备来生成热，并且在将处于升高温度的气体供给到对应的下游涡轮中之前将热传递到处于升高温度的气体中；以及

调节在该至少一个第二热生成设备中生成的热的量，以便将对应的下游涡轮的入口温度基本维持在预限定的最大允许值。

在一实施方案中，方法可以包括通过利用功率电子单元来控制该至少两个发电机的转速。

在一些实施方案中，方法可以包括当通过利用预限定的启动等变率(ramp)来启动系统时，将该至少两个发电机用作电动机。

在一实施方案中，方法可以包括控制该至少两个发电机的转速，使得通过利用预限定的关闭等变率来进行系统的关闭。

在一实施方案中，方法可以包括在电网断电的情况下，将电力供应到一个或多个制动电阻器中或者供应到储能器中。

根据一实施方案，方法可以包括控制压缩机在其性能图上的运行点，并且由此避免喘振。该控制可以根据本发明来进行，并且可以通过控制该至少两个发电机的转速来设定压缩机的运行点，使得可以避免喘振状况。

根据一实施方案，方法可以包括设置可操作地连接到转子的轴的主动磁轴承，以及优选地通过利用来自主动磁轴承的信息来确定发电机的转速。

根据一实施方案，方法可以包括控制该至少两个发电机的转速，使得该至少两个转子的轴的旋转被减速/加速通过预定的或动态确定的转子的不期望速度，以便使在不期望速度下运行的时间最小化。

根据一实施方案，方法可以包括通过利用来自与转子连接的主动磁轴承或加速度计或位置传感器或涡流传感器的测量数据来确定所述不期望速度。

根据第三方面，本发明是一种计算机程序，当在计算机上执行时，该计算机程序能够实施根据本发明的第二方面的方法。

根据本发明的系统和方法的优点是转子的转速不是间接控制的——诸如例如在控制气体流量并因此试图影响涡轮的实际速度的情况下——而是通过利用发电机的电转换器和控制设备直接控制的，控制设备确定转子的转速并且可以相应地改变发电机的电转矩，以维持期望的速度和/或负荷。

根据本发明的控制方法不需要系统中有任何附加的叶片，因此不会产生可能会损失的过剩动力。根据本发明的方法和系统，特别是在部分负载的条件下，能够通过使更多的空气流向压缩机而生成更多动力，并因此避免喘振状况。该方法和系统还消除或至少最小化了对具有容易磨损的可变几何结构的机构的部件的需求。与现有技术的解决方案相比，除了控制更快、维护更少且更容易之外，以上所有内容都将使效率显著更高，尤其是在部分负载条件下。

本文呈现的本发明的示例性实施方案不被解释为对所附权利要求的适用性造成限制。动词“包括”在本专利申请中用作不排除也存在未叙述的特征的开放性限制。除非另有明确说明，否则从属权利要求中列举的特征能够相互自由组合。

被视为本发明的特性的新颖特征在所附权利要求中具体陈述。然而，当结合附图阅读时，根据下面的详细描述将最好地理解本发明本身，包括其构造和运行方法以及其附加的目的和其中的优点。

附图说明

在附图的图中以示例的方式而不是限制的方式示出了本发明的实施方案。

图1示意性地示出了根据本发明的一实施方案的系统；

图2进一步示出了根据本发明的一实施方案的测量信号和控制信号的系统；

图3示意性地示出了本发明的具有三个转子的优选实施方案；

图4示意性地示出了本发明的具有用虚线标记的可选元件的一实施方案；

图5示意性地示出了与根据本发明的一实施方案的燃气涡轮系统流体连通的外部热利用过程；

图6通过示例的方式示出了包括具有两个转子的燃气涡轮的根据现有技术中的方法的低压压缩机和高压压缩机的性能图；

图7通过示例的方式示出了根据本发明的方法的一实施方案的低压压缩机和高压压缩机在燃气涡轮具有两个转子的情况下的性能图；

图8通过示例的方式示出了根据本发明的利用三种控制模式的一实施方案的在燃气涡轮中随动力输出变化的各个温度值；

图9通过示例的方式示出了根据本发明的一实施方案的利用两种控制模式的燃气涡轮中随动力输出变化的各个温度值；

图10示意性地示出了根据本发明的一实施方案的控制框图；以及

图11通过示例的方式示出了根据本发明的一实施方案的用于避免不期望速度的方法的运行。

具体实施方式

本公开内容涉及一种通过利用陆基或海基燃气涡轮产生电力以供应负荷的系统以及用于控制该系统的方法和计算机程序。陆基燃气涡轮在本文指的是在陆地上利用燃气涡轮的任何静止的应用或移动的应用。这些可以是例如：静止的动力设施；火车；重型载重车辆，也称为重型车辆。重型车辆可以包括例如在土方工程操作中使用的机械。

该系统包括至少两个转子，每个转子包括至少轴和安装在该轴上的涡轮，并且该至少两个转子中的至少一个还包括压缩机。该系统还包括第一热生成设备和至少两个发电机，每个发电机安装在轴中的预限定轴上。该系统还可以包括第一热交换器和/或至少一个第二热交换器和/或至少一个第二热生成设备。

在根据本发明的实施方案中使用的压缩机可以优选为离心型，但也可以为轴流式或能够增加流过压缩机的流体的压力的任何其它类型。在压缩机中、尤其是在其叶片使用的材料可以是例如但不限于铝、钛合金或马氏体钢合金。还可以存在特定的涂层来提高叶片的抗侵蚀性并且使得能够在更高的温度下利用。

在根据本发明的实施方案中使用的涡轮可以优选地是径流式的，但也可以是轴流式或能够使流体流过涡轮并在涡轮中膨胀并因此产生机械动力的任何其它类型。涡轮中使用的材料、尤其是其叶片使用的材料可以是例如但不限于通过利用常规铸锭冶金或粉末冶金产生的铁基或镍基合金。陶瓷材料也可以用于涡轮。还可以存在特定的涂层来提高叶片的抗侵蚀性以及使得能够在更高的温度下利用。

在根据本发明的实施方案中使用的热交换器可以优选为逆流流动类型，但也可以是能够运行以将热从具有较高温度的热源传递到进入热交换器的气体的任何其它种类的热交换器。具有较高温度的热源可以是例如从一些涡轮中离开的气体。热交换器也可以用于通过使用具有较低温度的冷却介质移除在燃气涡轮中流动的气体中的一些热来冷却燃气涡轮中的气体。所使用的冷却介质可以是例如液体，诸如水或任何其它流体。用于生产热交换器的材料可以是承受高温和高压并且通常具有高导热率的任何材料。这些可能是例如但不限于不锈钢基或镍铬基合金。

在根据本发明的实施方案中使用的热生成设备可以是任何种类的燃烧器，该燃烧器能够运行以燃烧与气体诸如例如空气混合的燃料来产生处于高温的气体。它可以是一个简单的罐式燃烧器或具有较复杂结构的燃烧器。它可以是管状的、环状的或双环状的燃烧器。燃烧器优选地包括燃料注入装置和点火系统，该点火系统能够运行以燃烧与气体诸如例如空气混合的燃料。优选地，由燃料注入系统注入的燃料的量可以由燃气涡轮的控制系统控制。燃料注入系统可以例如是具有带喷洒喷嘴的喷洒系统的加压燃料注入系统，燃料在压力下被泵送通过喷洒喷嘴。如果为了实现可控和高效的燃烧，燃烧器中使用的燃料需要利用雾化空气或其它支持机构，那么这些也可以包括在燃烧器中。燃料注入系统可以包括一个或若干串联或并联的阀，以用于控制燃料的流量。

热生成设备也可以是可变几何结构类型的燃烧器。可变几何结构类型的燃烧器可以包括致动器，利用该致动器可以改变燃烧器的几何结构。可以通过使用各种能够承受燃气涡轮过程中出现的高温和高压的材料来配置燃烧器。这些材料可以是例如但不限于镍基或钴基合金。陶瓷材料也可用于燃烧器。还可以有各种隔热涂层材料作为绝缘层以减少下面的金属基底温度。

热生成设备可以是外部热生成设备，在这种情况下，由其在发热单元中生成的热使用集成到外部发热单元或安装成与外部发热单元相连接的关联热交换器传递给来自第一压缩机、或来自同流热交换器即第一热交换器的经压缩的气体。因此，经压缩的气体的温度在其朝向第一涡轮的进程之中增加。例如，在当燃烧器使用的燃料不适合直接在燃气涡轮中使用的情况下，外部热生成设备诸如外部点火的燃烧器可能是优选的，以防止有害颗粒进入燃气涡轮过程。

外部热生成设备的发热单元还可以是生成热的燃料电池或太阳能集热器，随后热从第一热生成设备传递到经压缩的气体。上述具有关联热交换器的替代发热单元也可用作第二热生成设备，从而传递热以对来自上游涡轮的膨胀气体进行再加热。

可以基于要供应到电网或供应到与燃气涡轮电连接的任何负载的期望电力量来调节喷射的燃料或所生成的热。也可基于其它参数诸如例如电压、电流、温度、压力或质量流量来调节燃料喷射或热生成。

在根据本发明的实施方案的燃气涡轮系统中利用的发电机可以是同步型的或异步型的。发电机可以是直流电流(DC)发电机、永磁发电机、感应发电机、双馈感应发电机或可运行以将旋转轴的机械能转换为电能的任何其它种类的发电机。发电机的级数可以优选为三个，但在在DC发电机的情况下也可以为两个，或者例如六个。另外，发电机可以具有Y形或三角形连接并且可以接地或不接地。

功率电子单元可以包括连接到发电机的变频器，或者可以包括用于发电机的整流器，以在交流电流(AC)发电机的情况下将来自发电机的AC转换成DC，以及还可以包括一个或多个逆变器，以将DC转换为期望频率的AC，诸如例如，电网中的频率或AC负载的频率。

可以基于脉宽调制(PWM)技术利用半导体开关装置来运行逆变器。开关装置以高频率执行开关动作，通常在一秒内执行数百次或甚至数千次。通过以高频率切换并且通过改变切换周期的部分，逆变器产生适合注入电网的电流波形，在切换周期期间，开关关闭(或打开，取决于系统)。也可以使用其它方法将直流电流转换成交流电流。

有不同的控制策略和目标可以用于执行电网或负载侧逆变器的控制。通常这些包括：直流链路电压、输送到电网的有功功率和无功功率和电网同步的控制，以及确保所供应的功率的质量足够。通常，控制系统包括两个级联回路。内回路控制电网电流，外回路控制直流链路电压以及有功功率和无功功率。电流回路负责功率质量，因此可以在电流控制器的动作中加入谐波补偿以改善动作。外回路通过控制输送到电网的有功功率和无功功率来控制系统的功率流。

与功率电子单元和/或热生成设备连接的控制系统优选地包括能够接收测量数据并生成控制信号用以控制所有发电机的转矩和转速以及热生成设备中生成的热的量的电子装置。控制系统能够从下述传感器接收信息，该传感器布置成测量：系统的热力学参数，诸如温度和压力；和/或发电机、功率电子电路的电参数，诸如电流和电压；辅助系统中的参数；或者燃气涡轮的电功率供应其中的电网或负载中的电压和电流。控制系统可以包括反馈回路、前馈路径，并且可以基于各种控制方法中的一些，诸如例如每赫兹标量电压控制，矢量控制——也称为磁场定向控制，或直接转矩控制。

如根据现有技术已知的那样，控制系统能够对发电机的转速和电磁转矩彼此对立地进行控制。当产生的转矩变化时，转速可以保持恒定。也可以在改变转速的同时保持转矩恒定。这使得能够独立于转速控制发电机的输出动力。

控制系统可以包括例如：中央处理单元(CPU)；存储器元件，诸如例如非易失性存储器诸如只读存储器(ROM)，或者易失存储器诸如随机存取存储器(RAM)；以及通信单元。控制软件诸如控制算法、指令、预定参数和条件，以及根据本发明的方法通常可以以适合的格式存储在存储器中，由CPU执行。可以用于向外部系统发送数据和/或从外部系统接收数据的通信单元可以包括天线和/或用于有线通信技术的通信端口，例如，以太网或其它局域网(LAN)接口。在无线通信的情况下，通信单元可以利用例如射频技术，诸如无线局域网(WLAN)、全球移动通信系统(GSM)、第三代移动通信技术(3G)、长期演进(LTE)技术、第四代移动通信技术(4G)、第五代移动通信网络(5G)等。

控制系统可以在例如一台计算机上执行，或者也可以在空间上分布在若干不同的位置。燃气涡轮过程的控制可以存储在例如控制单元上，而发电机的控制系统与逆变器连接。这些单元然后可以通过无线或有线通信装置彼此通信。

在图1中以100A示意性地示出了根据本发明的一实施方案的具有两个转子的燃气涡轮系统处。图1中的燃气涡轮的元件及其主要目的可以概括地描述如下。第二压缩机C2和第一压缩机C1增加了流过它们的气体的压力。第二热交换器15将来自气体的一些热移至冷却介质。在第二热交换器15中，从气体中移除一些热的冷却介质从外部源(图1中未示出)供给。

第一热交换器14用于通过利用来自第二涡轮T2的处于升高温度的膨胀气体来预加热气体。在第一热生成设备HGE1中，在典型燃烧器的情况下，经压缩的气体与燃料混合并且在燃烧过程中释放热，从而生成处于升高温度的气体。在外部热生成设备例如外部点燃的燃烧器或燃料电池的情况下，通过利用相关联的热交换器将所生成的热传递到经压缩的气体。此外，在第一涡轮T1中和第二涡轮T2中，处于升高温度的气体膨胀并且产生机械动力以使发电机即第一发电机G1和第二发电机G2以及第一压缩机C1和第二压缩机C2旋转。第一转子包括第一轴11A、第一压缩机C1以及第一涡轮T1。第二转子包括第二轴11B、第二压缩机C2以及第二涡轮T2。第一发电机和第二发电机G1、G2分别与第一轴和第二轴11A、11B耦接。然而，应该注意的是，本发明不限于具有两个转子的燃气涡轮，而是具有至少两个转子即例如三个或四个或更多个转子的涡轮。

此外，在图1中，发电机G1和G2分别与整流器13A和13B电连接。整流器将来自发电机的交流电流转换成直流电流。然后直流电流通常经由中间电路被供给逆变器16，该中间电路包括储能单元17诸如电容器或电感器，该中间电路的磁场可以用作临时储能器。中间电路还可以包括电池或超级电容器或其它能量源，以便在电网不可用的情况下支持燃气涡轮设施的运行。然后逆变器将直流电流转换成适合于注入电网或电负载的交流电流，通常该交流电流具有50赫兹或60赫兹的频率，该频率取决于电网。控制设备CTRL可以用于通过控制信号104和106以及105来分别控制整流器和逆变器的运行。

在图1中，以100B示出了本发明的一实施方案，其中第一热生成设备是外部热生成设备，该外部热生成设备具有发热单元HGU以及相关联的热交换器120。在图1中，为了清楚起见，以100B示出了以100A示出的系统的仅一部分。该特定实施方案中的系统的其余部分类似于图中以100A描绘的部分。外部热生成设备可以是例如外部点燃的燃烧器、燃料电池系统(优选地是高温燃料电池，诸如例如固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、直接碳燃料电池等)或者太阳能热系统(诸如利用太阳能塔、抛物线型槽、抛物面反射器、透镜、菲涅耳反射镜等的集中式太阳能系统)，该外部热生成设备具有将所生成的热传递到来自第一热交换器14的经压缩的气体的相关联热交换器120。在HGU处的竖向虚线箭头表示流体流动，如果存在流体流动的话。在下文中，第一热生成设备和第二热生成设备可以是或者可以不是外部热生成设备。

虽然燃烧器和燃料电池中生成的热可以通过调节所注入的燃料的量来调节，但是在太阳能热系统中对热生成的调节需要不同的措施。典型的技术是诸如使太阳能集热器和/或镜片或透镜相对于太阳辐射的直接路径转动，从而增加或减少所吸收的辐射的量，例如通过单轴或双轴控制来进行转动。

在图1以100A呈现了根据本发明的一实施方案的一些测量信号和控制信号。热力学参数诸如第一涡轮T1的涡轮入口温度TE1、第二涡轮T2的涡轮出口温度TE2可以被测量并被供给到控制设备CTRL，该涡轮出口温度也是第一热交换器14的处于升高温度的气体的温度。控制设备能够将控制信号105传送到逆变器16，将控制信号104、106传送到整流器13A、13B，并将控制信号107传送到第一热生成设备HGE1。通常还通过使用各种已知的方法和传感器来确定发电机G1、G2的转速102、103。为了清楚起见，图中省略了其余的测量信号和控制信号。

也可能有一些测量信号在图1中省略但在图2中示出。本领域技术人员将会理解，还可以存在在图1或图2中未示出的附加的或替代的测量信号和控制信号。在图2中可以看出，可以测量电网的电流201和电压202，以便确定供应给电网或从电网吸收的动力，并且还用以确定用于使燃气涡轮设施的运行与电网同步的相位角和频率。通常不需要测量所有的相电流和相电压，而是例如在三相系统的情况下从两相进行测量就足够了。可以通过利用任何锁相回路(PLL)方法诸如例如二阶通用积分器锁相回路(SOGIPLL)来进行电网同步。此外，可以测量中间电路的电压203，以便例如确保电压水平足够，使得注入电网的电流不会失真。还可以存在发电机的输出电流测量值204、205，以便控制发电机的电流，从而使能够控制发电机的转速和转矩。系统中还可以存在各种其它测量，诸如用于测量气体流量、动力、燃料流速、压力和温度等。

图3示出了根据本发明的具有三个转子的优选实施方案。每个转子包括一轴11A、11B、11C和一压缩机C1、C2、C3以及安装在轴上的一涡轮T1、T2、T3。第一发电机、第二发电机和第三发电机G1、G2、G3分别耦接到第一轴、第二轴和第三轴11A、11B、11C。第一热交换器14用于在经压缩的气体进入第一热生成设备HGE1之前对经压缩的气体进行预加热。在该实施方案中，存在两个第二热交换器15，一个热交换器连接在第一压缩机C1与第二压缩机C2之间，另一个热交换器连接在第二压缩机C2与第三压缩机C3之间。两个第二热交换器15都与在第二热交换器的下游和上游的压缩机流体连通。在图3中还示出了一些可以使用的测量信号TE1、TE2、301、302以及控制信号303至307。可以利用的其它信号与图2中的具有两个转子的实施方案中的相同，即电测量，诸如电网或负载侧上的电流和电压201、202，中间电路的电压203以及发电机的电流204、205。由发电机产生的电力可以供应给负载200。

图4呈现了本发明的各种实施方案。用虚线示出的元件可以被视为可以省略的可选元件。在一个简单的实施方案中，已经省略了第二压缩机C2以及第二热交换器15和第二热生成设备HGE2。在该实施方案中，进入系统的气体仅由第一压缩机C1压缩。然后经压缩的气体被供给到第一热交换器14中，在第一热交换器中，通过利用来自最低压力涡轮(图4所示的双转子系统中的T2)的处于升高温度的气体来对经压缩的气体进行预加热。然后预加热的经压缩的气体被供给到第一热生成设备HGE1，在该第一热生成设备中，经压缩的气体与燃料混合，以便在典型燃烧器的情况下通过燃烧气体诸如例如空气和燃料的混合物来产生热。

在外部热生成设备的情况下，诸如在外部点燃的燃烧器、燃料电池或太阳能热系统的情况下，热通过第一热生成设备HGE1的相关联的热交换器120(在图1中以100B示出)传递到经压缩的气体。在第一热生成设备HGE1之后，处于升高温度的气体被供给到第一涡轮T1中，在该第一涡轮中，处于升高温度的气体膨胀并且产生机械动力，且因此使第一压缩机C1和第一发电机G1旋转以产生净电力。然后，处于升高温度的气体被进一步供给到第二涡轮T2中，在第二涡轮中，气体进一步膨胀以产生机械动力并且使第二发电机G2旋转以产生净电力。在第二涡轮T2之后，气体从燃气涡轮散出或供给到第一热交换器14，如果有的话。应当注意，在这种情况下本发明不限于具有两个转子的燃气涡轮，而是具有与图4所示的可选元件相同的具有至少两个转子的涡轮系统。

根据本发明的各种实施方案，发电机G1、G2、G3可以在不利用例如齿轮箱的情况下直接耦接到转子的轴11A至11C，从而以与轴11A至11C相同的速度旋转。

根据本发明的各种实施方案，以电力和机械动力的形式供应给负载200的总输出动力的大部分由发电机G1、G2、G3以电能的形式生成。总输出动力在此指的是通过布置结构供应给负载200的电力和机械动力的总和，其中负载200在该布置结构的外部。如此处所限定的总输出动力不包括：热输出动力，诸如通过排气管排出到布置结构外的能量；或布置结构的热损失。根据一实施方案，以电力和机械动力的形式供应给负载200的总输出动力的至少60％或有利地至少80％由发电机G1、G2、G3以电能的形式输出。

此处的负载200指的是在该布置结构外部的负载200，诸如电网或独立电负载，诸如例如医院或工业工厂或住宅负载的电力供应系统。在海基燃气涡轮设施中，负载200可以是轮船的电力供应系统和/或作为轮船的航海推进系统的一部分的电动机的电力供应系统。

因此，发电机G1、G2、G3可以被布置成产生布置结构的主要输出动力，并且并非仅仅用作辅助电源或并非仅仅用以控制布置结构的运行，其中该主要输出动力通过布置结构以电能形式连续地或间歇地供应给在布置结构外部的负载200。连续地或间歇地向相对于布置结构在外部的所述负载200供应动力在本文中是指典型运行条件，诸如在标称运行条件下或在不包括暂时或短时期产生的动力例如短暂的动力提升的部分负载条件下。然而，发电机G1、G2、G3也可以用于结合对在第一燃烧器Comb1和第二燃烧器Comb2——如果有的话——中生成的热的量的控制来控制燃气涡轮布置结构的运行。

根据一实施方案，发电机G1、G2、G3的电输出动力的一部分可以用于运行燃气涡轮布置结构，即可以用于该布置结构的自消耗。自消耗可以是例如用于控制系统或主动磁轴承所需的动力。然而，总输出动力的大部分仍然通过该布置结构供应给在该布置结构外部的负载200。根据各种实施方案，供应给负载200的输出动力的至少60％或优选地至少80％由发电机G1、G2、G3以电能形式产生。分别以电力和机械动力的形式供应给负载200的总输出动力的小于40％或优选地小于20％，即例如轴11A至11C的旋转能，可能来自其它源或者被其它源消耗，诸如来自与布置结构流体连通的附加涡轮或可旋转装置，诸如风扇或泵。

根据本发明的各种实施方案，发电机的标称功率和/或转速额定值相对于具有最高标称功率和/或转速额定值的发电机的标称功率和/或转速额定值最多可以彼此相差10％或15％，并且仍然落入本文所公开的基本上相等的额定值的概念内。在某些情况下，燃气涡轮过程可以被设计成使得在发电机的功率额定值中存在略大的差异是有益的，以便优化系统的运行，并且因此对额定值中的差异的限制也可以因此为20％，视情况而定。

根据一实施方案，发电机G1、G2、G3的标称功率额定值可以为30-1500千瓦。根据一实施方案，发电机G1、G2、G3的标称转速额定值可以为每分钟10000-120000转。根据各种实施方案，最高压力涡轮T1的涡轮入口温度的最大值可以为600-1500摄氏度，优选地为750-1250摄氏度。

根据各种实施方案，发电机G1、G2、G3的旋转零件即发电机的转子的转速相对于耦接到旋转得最快的转子的发电机的转速相差可能不会超过30％。

根据一实施方案，由发电机G1、G2、G3输出的电力可以是优选地使得发电机G1、G2、G3的电力相对于其中一个发电机的标称功率额定值之间的差可能不超过60％。如果标称功率额定值在根据本发明的范围内不同，则由发电机G1、G2、G3输出的电力相对于具有最高标称功率额定值的发电机的标称功率额定值相差可能不会超过60％。

在图5中，燃气涡轮系统被示出为与外部过程50流体连通。外部过程通常可以是任何热利用过程，诸如例如蒸汽锅炉、空间加热系统、风道燃烧室或者利用预加热气体的任何其它燃烧室。外部过程可以利用来自中间冷却器的冷却介质。在例如风道燃烧室的情况下，还存在来自外部源的燃料52。作为该过程的产物，可以存在例如蒸汽54。取决于外部过程的类型，系统中还可以存在未在附图中示出的附加元件或替代元件，诸如例如用于利用废气流或副产品的元件。

以上参照图4呈现的本发明的示例性实施方案仅仅是几个可能的实施方案。如前所述，本发明涉及具有至少两个转子的燃气涡轮。图3中的三个转子也只是示例，不应被视为限制。无论转子的数量是两个还是更多个，用虚线标记的元件与用实线标记的元件的任何组合都可以被认为是本发明的实施方案。

根据本发明的对燃气涡轮系统的控制的基本原理是控制供应给电网或供应给负载的电力，以便与由操作员或操作系统——其可以是燃气涡轮设施的任何外部系统——给出的期望电力输出匹配，并且便于以稳定的运行点操作系统，例如用以避免压缩机喘振。该操作具有两种基本操作模式：电网连接模式和孤岛模式。在电网连接模式下，燃气涡轮过程连接到电网并且将动力供应到电网中或从电网吸收(例如在启动的情况下)动力。在孤岛模式下，与电网的连接诸如在独立系统中丢失或根本不被利用，并且燃气涡轮设施仅向与燃气涡轮设施连接的负载供应动力，如果存在负载的话。在孤岛模式下，在快速负载变化期间可能存在被用于供给动力或吸收东西的电池。它们也可以在零负荷条件下使用。在孤岛模式下，可能存在或不存在电网连接。

根据本发明的控制方法是控制发电机的转速，以便主要控制燃气涡轮系统中的气体流量。当在第一热生成设备中产生的热的量保持恒定或变化时，转速可以变化。当在第一热生成设备中的热的量变化或保持恒定时，转速也可以保持恒定。对速度的控制和对热的量的调节可以基于预定值或基于反馈回路，等等。

下面将解释根据本发明的实施方案的控制方法。例如，我们考虑在图1中所示的双转子系统。如果未控制转子的转速，则压缩机的运行点落在由不同热力学参数——诸如压缩机的压力比和入口压力、过程中流体的温度和流量——确定的点上。这在图6中利用压缩机性能图示出。不同的虚曲线表示恒定转速曲线。

连接恒定转速曲线的最左边点的曲线是喘振线60A、60B。为了保持稳定的燃气涡轮运行，压缩机运行点必须保持在喘振线60A、60B的右边。在图中，P₁、P₂、P₃和P₄涉及动力关系如下的四个不同运行点：(P₁处的动力)>(P₂处的动力)>(P₃处的动力)>(P₄处的动力)。可以看出，随着动力减小，两个压缩机的运行点都渐渐趋向喘振线60A、60B。如本领域技术人员将理解的，压缩机效率在压缩机性能图的大致中心的区域中具有最高值，这意味着随着动力减小，效率迅速降低。如果涡轮经常在部分负载条件下运行，则平均效率将远低于总是靠近性能图的中心运行的情况。

根据本发明的控制方法的观念是直接通过利用与转子的轴连接的发电机来控制转子的转速。这在图7中示出，其中，示出了在利用根据本发明的一实施方案的方法的情况下的压缩机性能图。连接恒定转速曲线的最左边点的曲线是喘振线70A、70B。在该示例性实例下，控制基于利用三种不同的控制模式：第一控制模式、第二控制模式和第三控制模式。在图7中可以看到不同控制模式对于曲线的三个不同的斜率的影响。随后将更详细地描述不同的控制模式。同样在这种情况下，在性能图中示出了四个运行点(与图6中的运行点基本相同)，对此(P₁处的动力)>(P₂处的动力)>(P₃处的动力)>(P₄处的动力)。再次，随着动力减小，运行点朝向喘振线70A、70B移动。然而，在这种情况下，运行点仍然靠近性能图的中心区域。因此，利用根据本发明的方法使得能够达到较高的效率，尤其是在部分负载的条件下。此外，可以确保压缩机的运行点保持的距离喘振线70A、70B足够远。这也将有助于延长系统的使用寿命。

现在描述根据本发明的实施方案的不同的示例性控制模式。第一控制模式是基于控制输出动力的，使得最高压力涡轮的入口温度保持在最大允许温度。这通过下述来进行：适当地控制发电机的转速并且调节在第一热生成设备中生成的热的量，以便产生期望的输出动力，同时将最高压力涡轮的入口温度保持在最大允许温度。在第二控制模式下，发电机的转速保持在预限定的基本上恒定的值，并且通过调节所生成的热的量来产生期望的输出动力。在这种情况下，“基本上恒定的”是指在利用第二控制模式时，使转速在不同运行条件下处于预限定值的百分之十内。

不同发电机的“基本上恒定的”转速的值可以基本上相同或不同，诸如例如使两个发电机或所有发电机每分钟旋转25000转(rpm)或使低压转子的发电机旋转27000rpm，并且使高压转子的发电机旋转31000rpm，反之亦然。根据本发明的转速不限于任何值，而可以是任何级，取决于应用。

在第三控制模式下，通过适当地控制发电机的转速和热生成设备中生成的热的量来控制供给到第一热交换器14中的来自最后一个下游涡轮即来自最低压力涡轮(图3中的T3以及图1和图4中的T2)的处于升高温度的膨胀气体的温度，以便使该温度保持在最大允许值。

图8通过示例的方式示出了根据本发明的实施方案的在利用前面描述的三种控制模式的情况下的各个温度。图中的温度如下：T_HP,TIT,MAX是高压力涡轮的入口温度的最大允许值，T_HP,TIT是高压力涡轮的入口温度，T_LP,TIT是低压力涡轮的入口温度，T_LP,TET,MAX是低压力涡轮的出口温度的最大允许值，T_LP,TET是低压力涡轮的出口温度，T_HGE1,IN是第一热生成设备的入口温度。T_HGE1,IN,MIN是第一热生成设备的入口温度的最小允许值。在例如具有催化燃烧的燃烧器的情况下，该最小允许值可能变得尤其重要。

从右边开始即从100％的相对输出动力开始，并且进入较低的部分负载条件，在第一控制模式下，T_HP,TIT保持在最大允许值。在图中，由于清晰度原因，其被描绘得较低一些。接下来，在这种情况下，在曲线的约22％至38％的部分上，低压力涡轮的出口温度在第三控制模式下保持在最大允许值。最后，在约0％至22％的部分负载条件下，在第二控制模式下，温度对应于其中转子的转速基本恒定且第一燃烧器中生成的热的量减少的条件进行变化。

在图9中，通过示例的方式示出了根据本发明的仅利用第一控制模式和第二控制模式的实施方案的相同的温度。

在根据本发明的燃气涡轮中可以利用或可以不利用第二热交换器。不管是否利用了第二热交换器，都不影响根据本发明的方法。上述的关于利用第二热交换器也适用于具有至少一个第二热生成设备HGE2的实施方案。由该至少一个第二热生成设备HGE2生成的热被调节成使得下游涡轮的入口温度始终在第一控制模式下最大化。一旦第一热交换器的入口温度在第一控制模式下达到最大允许值，则运行变为第二控制模式或第三控制模式或任何其它控制模式。在该实施方案中，为了使每个下游涡轮的入口温度最大化，确定该至少一个第二热生成设备HGE2中的每一个的出口温度，例如通过测量确定，如图1和图3中所示的(图中未示出第二热生成设备)。如果这通过直接测量进行，则包括第二热生成设备的实施方案中的测量传感器必须放置在所述第二热生成设备的下游，在所述第二热生成设备与对应的下游涡轮之间。

上文中通过示例的方式描述了对根据本发明的实施方案的燃气涡轮系统的控制，使得每次始终只利用一种控制模式。然而，应该注意的是，根据第一控制模式、第二控制模式或第三控制模式的燃气涡轮的运行表示了一些特定的条件或一种运行方式，并不将根据本发明的燃气涡轮的运行限制于这些控制模式。

根据本发明的一实施方案，对燃气涡轮系统的控制可以是使得在第一热生成设备HGE1和其它热生成设备——如果有的话——中生成的热的量、由发电机G1、G2、G3生成的电力和/或上述发电机的转速可以以任何方式控制或调节，前提是系统的不同参数不违反关于第一控制模式、第二控制模式和第三控制模式规定的限制，诸如超出最高压力涡轮T1的入口温度的最大允许值或最低压力涡轮的出口温度TLP,TET的最大允许值或者避开某些转速或速度范围诸如与转子的临界速度有关的转速或速度范围。根据本发明的一实施方案，对燃气涡轮系统的控制可以使得发电机G1、G2、G3的所述温度或转速都不保持在恒定值。

根据本发明的一实施方案，可以相对于或根据燃气涡轮系统的输出动力来利用控制模式中的至少两个或更多个，如可在图8和图9中看到的。

根据本发明的一实施方案，可以至少根据第一控制模式(在图8和图9中从约38％到约100％)以及在第二控制模式(在图8中从0％到约22％，在图9中从0％到约38％)下相对于或依据燃气涡轮系统的输出动力来运行或控制燃气涡轮系统。

根据本发明的一实施方案，可以至少根据第一控制模式(在图8和图9中从约38％到约100％)以及根据第三控制模式(在图8中从约22％到约38％)相对于或者依据燃气涡轮系统的输出动力来运行和控制燃气涡轮系统。

根据本发明的一实施方案，可以至少根据第二控制模式(在图8中从0％到约22％，在图9中从0％到约38％)以及根据第三控制模式(在图8中从约22％到约38％)相对于或者依据燃气涡轮系统的输出动力来运行或控制燃气涡轮系统。

根据本发明的一实施方案，可以至少根据第一控制模式(在图8和图9中从约38％至约100％)以及根据第二控制模式(在图8中从0％到约22％，在图9中从0％到约38％)以及根据第三控制模式(在图8中从约22％到约38％)相对于或者依据燃气涡轮系统的输出动力来运行或控制燃气涡轮系统。

根据本发明的一实施方案，在相对于或依据燃气涡轮系统的输出动力利用至少两个控制模式的情况下，控制模式从一个到另一个的改变可以基于所测量的温度值诸如最低压力涡轮的出口温度TLP,TET的值。替代地或另外地，控制模式从一个到另一个的改变可以基于压缩机的压力比的值或者压缩机的质量流量。可以确定指示需要将控制模式从一个改变到另一个的参数的限制，以便避免喘振或堵塞状况。

如可以在图8和图9中看出的，在约38％(T_LP,TET的峰值)以上的运行点处，燃气涡轮在第一控制模式下运行。在该点以下，燃气涡轮在图8或图9中分别在第三控制模式或第二控制模式下运行。取决于例如第一热交换器可以承受多高温度的热膨胀气体，38％的极限也可以是其它值。

图10示意性地示出了根据本发明的实施方案的控制框图。可以看出，系统的输出动力是基于期望的输出动力P_GT,SET来控制的。基于P_GT,SET，确定低压转子的转速的设定值(或参考值)以及第一热生成设备的设定值。通常，设定值ω_LP,SET可以用作高压转子的速度的适当控制函数的输入参数，或者直接用作高压转子的速度的设定值。对高压转子的控制也可以基于反馈控制(未在图10中示出)。

然而，本领域技术人员将理解，根据实施方案的控制框图也可以与图10不同。其可以包括用于高压转子的反馈回路以及温度反馈控制回路，例如，用于最高压力涡轮的入口温度的温度反馈控制回路。当然，该系统在不止两个转子的情况下可以具有更多的控制回路，因为可以单独控制每个转子的转速。它可以具有用于所述第二热生成设备的控制路径。

控制函数(图10中的f(ω_LP,SET))可以基于存储在存储器中的预定值，或者可以基于经验方程，或者可以考虑诸如通过反馈或前馈的附加参数。附加参数可以是电流、电压、气体流量、压力、温度或从上述参数中导出的参数。

在一实施方案中，控制可以基于控制高压力涡轮的速度，然后在控制低压力涡轮时利用该速度的设定值。

在具有三个、四个或更多个转子的实施方案中，可以根据图10进行控制，但是当然可以存在用于控制每个转子的转速的控制回路。在这种情况下可以使用与上述两个转子相同的原理。

在燃气涡轮系统中，转子通常具有在一个或多个临界速度以上的转速，即预限定的不期望速度。在这些速度下长期运行是非常不可取的，因为它会导致燃气涡轮部件的磨损。如上所述，可以存在一个或若干临界速度，并且对于不同的转子它们可以是相同的或不同的速度。

如果利用根据本发明的实施方案的控制方法，则可以控制转子的转速，以便使在临界速度或接近临界速度下运行时间最小化。这可以被实施使得转子的转速被快速地增加或减小通过临界转速。这通过示例的方式在图11中示出，其中运行线110以具有与图7中所示的运行线类似特征的方式示出在压缩机性能图中。转子的临界速度与压缩机本身无关，但是是整个转子的特征。这里使用性能图只是因为其便于描述根据本发明的实施方案的方法。可能存在不期望的临界速度，即使在没有压缩机耦接到转子的情况下，在该不期望临界速度下的运行时间也应该被最小化。

在图11中，如果转子——在此情况下压缩机——的转速将从初始运行点OP1增加，但其将导致在临界速度112下或接近临界速度的运行，则通过由发电机控制转子的转速可以快速增加压缩机的速度。通过利用根据本发明的实施方案的方法，速度快速地增加并且以受控的方式通过临界速度112。这用以虚线描绘的运行线的附加部分114示出，该附加部分最初基本上是竖向的。当然，前面提到的仅仅是一个示例情况，并且本领域的技术人员将会理解，在涉及在临界速度或接近临界速度时运行的不同条件下可以利用根据本发明的方法。

也可能存在影响每个转子的临界速度。这些可以处于相同的转速或不同的转速。这意味着每个转子的运行线类似于图11中的运行线114的形状。每个转子也可能有不止一个临界速度。在这种情况下，运行线将具有运行线的不止一个附加部分114。在两个转子的情况下，例如使得如果转子的速度增加，临界速度影响高压转子。在这种情况下，速度增加通过临界速度，从而增加由高压转子产生的动力。然后，由低压转子产生的速度和动力可以减少对应的量，以便产生期望的输出动力。然而，在这种情况下低压转子的速度还是可以保持基本恒定。

可以为每个转子预定临界速度，然后在控制方法中利用该临界速度，以避免在这些速度或接近这些速度时运行。或者，替代地，可以使用主动磁轴承来测量转子中的振动量。如果振动量增加超过预定阈值，则转子的转速增加或减少足够的量，以使在临界速度或接近临界速度时的运行时间最小化。本领域技术人员将会理解，还可以存在其它解决方案来监测转子的振动量，以便确定在临界速度或接近临界速度时的运行，诸如利用加速度计、涡流传感器或位置传感器。

燃气涡轮可以具有若干不同的运行模式。除了基本运行，即电力从空载变化到设计点，还可以存在其它运行模式，诸如启动、正常关闭、热关闭、电网关闭关闭等。在热生成设备是燃料燃烧器的情况下，在启动时，首先将发电机用作电动机对转子进行加速，以便达到适合于点燃燃料的转速，在那以后，启动燃烧器的燃烧室。在下一步中，激活正常动力控制，并且燃气涡轮设施准备好基于例如根据本发明的上述控制模式来产生期望的电输出动力。

在正常关闭时，电力输出逐渐减少到零，使得过程中的温度不会改变得太快。燃烧室停止并且转子减速到零，或者可选地，通过利用避免压缩机喘振和堵塞的合适等变率减速到盘车速度，确保燃气涡轮过程的扫气是充分的、温度变化不会太迅速并且系统不会在不期望速度下运行过长时间。通过将发电机用作电动机来使转子在盘车速度下旋转。在盘车后，发电机关闭，并且磁轴承如果有的话在旋转停止后停用。然后该过程通过风扇冷却足够的时间量。

除非燃烧室立即从负载停止，而不逐渐降低电力输出，否则热关闭顺序与正常关闭顺序类似。

电网关闭关闭仅与电网损失情况有关，因此紧急停止的续发事件会自动激活，以防止燃气涡轮轴的失控。在电网损失情况期间，来自电网的动力供应不可用，并且通过从电池供应辅助动力使控制系统保持运行。在电网损失条件的情况下，变频器的直流(DC)电压中间电路(DC母线)中使用的制动斩波器在DC母线电压超过规定限制时自动激活。因此，通过将能量引导到将电能转换成热的制动电阻器来防止燃气涡轮轴的失控，或者替代地，该能量可以存储在储能器诸如电池、超级电容器或飞轮中。

在电网关闭的情况下，通过关闭燃料阀立即停止燃烧室。雾化空气仍然持续被供应给燃烧室达足够的时间，以便清理燃烧室以及与之相关的燃料管(空气吹扫)。在同流换热器的旁通线路以及涡轮中使用的排放阀自动打开。从电池将动力供应给主动磁轴承(AMB)和冷却风扇。在两个燃气涡轮转子的轴停止旋转后，HP和LP燃气涡轮转子的AMB停用。冷却风扇继续运转达到冷却发电机所需的足够时间。在电网关闭情况下，重要的是由于动力损失燃料阀自动关闭，并且排放阀自动打开。只要不存在燃气涡轮轴超速的风险，多余的能量就被引导到制动电阻器。

根据本发明的一实施方案，该系统包括辅助系统，该辅助系统包括可以在预限定的(预想的)异常运行条件下利用的能量源，诸如例如在电网中突然出现意外中断的情况下，诸如在干线损失的情况下或在维修中断的情况下，以便安全地且以受控的方式使系统斜升或斜降或以便控制供应给负载的动力。在这些情况下，可以通过利用来自辅助系统的能量源的能量来运行燃气涡轮设施的控制系统。该能量源可以是例如但不限于电池或一堆电池、超级电容器、飞轮或燃料电池系统。通过利用辅助系统，燃气涡轮的控制保持可运行，并且能够例如安全地关闭系统或者可以在孤岛条件下运转系统。

根据本发明的各种实施方案，发电机的标称功率和/或转速额定值通常基本相等。根据各种实施方案，该额定值可以最多彼此相差百分之十，并且仍然落入本文公开的“基本相等的”额定值的概念内。在某些实施方案中，燃气涡轮过程可以被设计成使得发电机的功率额定值和/或转速额定值差异较大是有益的，以便优化系统的运行。因此，视情况而定，额定值差异的限制(10％以上)也可以为15％。

先前描述中描述的特征可以以除了明确描述的组合之外的组合使用。虽然已经参考某些特征描述了功能，但是无论是否描述，这些功能都可以由其它特征执行。虽然已经参考某些实施方案描述了特征，但是无论是否描述，这些特征也可以存在于其它实施方案中。

Claims (15)

1.一种用于使陆基或海基多转子燃气涡轮系统运行以生成电力给负载供电的方法，所述系统包括：

至少两个转子，所述至少两个转子中的每个转子均包括轴（11A、11B、11C）以及安装在所述轴上的涡轮（T1、T2、T3），所述涡轮被布置成接收待膨胀的处于升高温度的气体以便产生机械动力，所述涡轮中的一个涡轮被布置成在所述涡轮（T1、T2、T3）中具有最高压力，即最高压力涡轮（T1）；

至少两个压缩机（C1、C2、C3），所述至少两个转子中的每个转子均包括所述至少两个压缩机（C1、C2、C3）中的一个压缩机，所述至少两个压缩机（C1、C2、C3）被布置成接收气体并且压缩所接收的气体；

第一热生成设备（HGE1），所述第一热生成设备能够运行以生成热并且将热传递到经压缩的气体中，使得所述经压缩的气体变成处于升高温度的气体，所述处于升高温度的气体在所述最高压力涡轮（T1）中膨胀，以产生机械动力来驱动所述压缩机（C1）和与所述涡轮（T1）安装在相同的轴（11A）上的发电机（G1）；

所述至少两个转子彼此流体连通，其中，下游涡轮（T2、T3）中的每个涡轮均被布置成接收气体，所述下游涡轮中的每个涡轮接收的气体来自被布置成在与接收所述气体的所述涡轮相比较高的压力下运行的涡轮；

至少两个发电机（G1、G2、G3），所述至少两个发电机中的每个发电机均与所述轴（11A、11B、11C）中的一个轴机械地耦接，从而被旋转地驱动，因此，所述轴（11A、11B、11C）中的每个轴均具有一个机械耦接的发电机，所述至少两个发电机（G1、G2、G3）能够运行以生成电流来给所述负载供电，并且所述至少两个发电机（G1、G2、G3）能够彼此独立地被控制；以及

控制设备（CTRL），所述控制设备被布置成控制所述燃气涡轮系统的运行；

其特征在于，所述方法包括：

对所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的转速彼此独立地进行控制，以便直接控制所述转子的所述轴（11A、11B、11C）的转速；以及

在第一控制模式下调节所述第一热生成设备（HGE1）中生成的热量并且控制所述发电机（G1、G2、G3）的转速，以便产生期望的输出动力，同时使所述最高压力涡轮（T1）的入口温度基本维持在预限定的最大允许值；以及

在第二控制模式下将所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的所述转速控制在预限定的基本恒定的值并且调节在所述第一热生成设备（HGE1）中生成的热的量，其中，所述方法还包括：

基于所述系统的输出动力利用第一控制模式或第二控制模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

在将所述经压缩的气体供给到所述第一热生成设备（HGE1）中之前，利用第一热交换器（14）预加热所述经压缩的气体，所述第一热交换器（14）被布置成将热从来自被布置成在所述涡轮中具有最低压力的涡轮，即最低压力涡轮（T2；T3），的处于升高温度的膨胀气体传递到从安装在其涡轮是所述最高压力涡轮（T1）的转子的轴上的压缩机（C1）接收的经压缩的气体中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

在第三控制模式下控制所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的转速和所生成的热的量，以便将注入到所述第一热交换器（14）中的处于升高温度的气体的温度基本上维持在预限定的最大允许值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

在所述第一控制模式、所述第二控制模式或所述第三控制模式中的至少两种或更多种控制模式下，关于所述燃气涡轮系统的所述输出动力运行所述系统。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

设置至少一个第二热生成设备（HGE2），所述至少一个第二热生成设备被布置成接收来自上游涡轮的处于升高温度的气体，以对所述处于升高温度的气体进行再加热；

利用所述至少一个第二热生成设备（HGE2）以生成热，并且在将所述处于升高温度的气体供给到对应的下游涡轮之前将所述热传递到所述处于升高温度的气体中；以及

调节在所述至少一个第二热生成设备（HGE2）中生成的热的量，以便将对应的下游涡轮的入口温度基本维持在预限定的最大允许值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

控制所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的转速，使得使所述至少两个转子的所述轴的旋转减速/加速通过所述转子的预定的或动态确定的不期望速度，以便使在所述不期望速度下运行的时间最小化。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过利用来自与所述转子连接的主动磁轴承或加速度计或位置传感器或涡流传感器的测量数据，确定所述不期望速度。

8.一种用于生成电力以给负载供电的陆基或海基多转子燃气涡轮系统，包括：

至少两个转子，所述至少两个转子中的每个转子均包括轴（11A、11B、11C）以及安装在所述轴上的涡轮（T1、T2、T3），所述涡轮被布置成接收待膨胀的处于升高温度的气体，以便产生机械动力；

至少两个压缩机（C1、C2、C3），所述至少两个转子中的每个转子均包括所述至少两个压缩机（C1、C2、C3）中的一个压缩机，所述涡轮中的一个涡轮被布置成在所述涡轮（T1、T2、T3）中具有最高压力，即最高压力涡轮（T1），所述至少两个压缩机（C1、C2、C3）被布置成接收气体并且压缩所接收的气体；

第一热生成设备（HGE1），所述第一热生成设备能够运行以生成热并且将热传递到经压缩的气体中，使得所述经压缩的气体变成处于升高温度的气体，所述处于升高温度的气体在所述最高压力涡轮（T1）中膨胀，以产生机械动力来驱动所述压缩机（C1）和与所述涡轮（T1）安装在相同的轴（11A）上的发电机（G1）；

所述至少两个转子彼此流体连通，其中，下游涡轮（T2、T3）中的每个涡轮均被布置成接收气体，所述下游涡轮中的每个涡轮接收的气体来自被布置成在与接收所述气体的所述涡轮相比较高的压力下运行的涡轮；

至少两个发电机（G1、G2、G3），所述至少两个发电机中的每个发电机均与所述轴（11A、11B、11C）中的一个轴机械地耦接，从而被旋转地驱动，因此，所述轴（11A、11B、11C）中的每个轴均具有一个机械耦接的发电机，所述至少两个发电机（G1、G2、G3）能够运行以生成电流来给所述负载供电，并且所述至少两个发电机（G1、G2、G3）能够彼此独立地被控制；以及

控制设备（CTRL），所述控制设备被布置成控制所述燃气涡轮系统的运行，所述控制设备（CTRL）被配置成在第一控制模式下控制所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的转速并且调节所述第一热生成设备（HGE1）中生成的热量，以便产生期望的输出动力，同时使所述最高压力涡轮（T1）的入口温度基本维持在预限定的最大允许值，以及

在第二控制模式下将所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的所述转速控制在预限定的基本恒定的值并且调节在所述第一热生成设备（HGE1）中生成的热的量，其中，所述第一控制模式或所述第二控制模式被配置成基于所述系统的输出动力被利用。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括：

第一热交换器（14），所述第一热交换器被布置成从所述压缩机（C1）接收经压缩的气体，并从被布置成在所述涡轮中具有最低压力的最后一个下游涡轮，即最低压力涡轮（T2；T3），接收处于升高温度的气体，使热从所述处于升高温度的气体传递到所述经压缩的气体，以便在将所述经压缩的气体供给到所述第一热生成设备（HGE1）之前对所述经压缩的气体进行预加热。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述控制设备（CTRL）被配置成在第三控制模式下控制所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的转速和所生成的热的量，以便将注入到所述第一热交换器（14）中的所述处于升高温度的气体的温度基本上维持在预限定的最大允许值。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括：

作为具有发热单元（HGU）和相关联的热交换器（120）的外部热生成设备的所述第一热生成设备（HGE1），所述发热单元能够运行以生成热，所述相关联的热交换器能够运行以将在所述发热单元（HGU）中生成的热传递到所述经压缩的气体中。

12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括：

功率电子单元，所述功率电子单元与所述至少两个发电机（G1、G2、G3）耦接，所述功率电子单元能够运行以处理来自所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的交流电流，并且将所述交流电流转换成适合于给负载供电的交流电流。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述功率电子单元包括：

至少两个整流器（13A、13B、13C），所述至少两个整流器中的每个整流器均被布置成转换来自所述至少两个发电机（G1、G2、G3）中的一个预定发电机的交流电流，以便在非交流电压下产生直流电流；以及逆变器（16），所述逆变器被布置成将来自所述至少两个整流器（13A、13B、13C）的非交流直流电流转换为适合于给负载供电的交流电流。

14.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括：

至少一个第二热生成设备（HGE2），所述至少一个第二热生成设备被布置成从上游涡轮接收处于升高温度的气体，以对所述处于升高温度的气体进行再加热，所述至少一个第二热生成设备（HGE2）中的每个第二热生成设备均将经再加热的气体传递到一个下游涡轮。

15.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

具有标称基本相等的功率额定值的所述至少两个发电机（G1、G2、G3），并且所述至少两个发电机（G1、G2、G3）的旋转部分具有标称基本相等的转速额定值。

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