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方案

本发明专利技术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。

System, method and computer program for operating land based or sea based multi rotor gas turbines

The present invention is a system, method and computer program for operating a land based or a sea base multi rotor gas turbine to generate electricity to power a load, in which the system includes a multi rotor gas turbine engine (100A), and the method includes: control of the rotational speed of at least two generators (G1, G2) to each other. The rotational speed of the shaft (11A, 11B) of the rotor is directly controlled, and at least two generators (G1, G2) can run to generate electricity to supply the load; and the amount of heat generated in the first heat generation device (HGE1) is adjusted. A computer program that implements the method is also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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
本专利技术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
特别地，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的实施方案在从属权利要求中呈现。根据第一方面，本专利技术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，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；以及调节在所述第一热生成设备(HGE1)中生成的热的量。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.20 GB 1514790.31.一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；以及调节在所述第一热生成设备(HGE1)中生成的热的量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：利用至少一个第二热交换器(15)，所述至少一个第二热交换器被布置成接收待传递到所述至少两个压缩机(C1、C2)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气体的温度，所述至少一个第二热交换器(15)中的每个第二热交换器均被布置成将所述气体传递到所述至少两个压缩机(C1、C2)中的一个压缩机中。3.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：在第一控制模式下控制所述至少两个发电机(G1、G2、G3)的所述转速并且调节所述最高压力涡轮的入口温度(TE1)，以便使所述最高压力涡轮(T1)的所述入口温度基本维持在预限定的最大允许值。4.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：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。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：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。6.根据权利要求5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。7.根据权利要求5或6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输出动力运行所述系统。8.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。9.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：通过利用功率电子单元来控制所述至少两个发电机(G1、G2、G3)的转速。10.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：当通过利用预限定的启动等变率来启动所述系统时，将所述至少两个发电机(G1、G2、G3)用作电动机。11.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：控制所述至少两个发电机(G1、G2、G3)的转速，使得通过利用预限定的关闭等变率来进行所述系统的关闭。12.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：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。13.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：控制所述压缩机在其性能图上的运行点，即控制所述压缩机的质量流量或压力比，并且由此避免喘振。14.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：设置可操作地连接到所述转子的所述轴的主动磁轴承；以及通过利用来自所述主动磁轴承的信息来确定所述至少两个发电机(G1、G2、G3)的转速。15.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：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。16.根据权利要求15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所述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。17.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马蒂·马尔卡梅基，阿赫蒂·亚蒂宁瓦里，亚里·巴克曼，尤哈·洪卡图基亚，
申请(专利权)人：奥里利亚涡轮机有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI