机械驱动应用中的燃气涡轮机及操作方法

摘要

本发明公开了一种用于借助于燃气涡轮机(3)驱动负载(21)的驱动系统。该燃气涡轮机包括燃气发生器(5)，该燃气发生器(5)具有燃气发生器转子(5R)并包括至少一个燃气发生器压缩机(9)和驱动该燃气发生器压缩机的一个高压涡轮机(11)。该燃气涡轮机还包括动力涡轮机(7)，该动力涡轮机具有动力涡轮机转子(7R)，该动力涡轮机转子在产生扭转方面独立于燃气发生器转子(5R)。负载连接于动力涡轮机转子(7R)。该系统还包括电动机/发电机(23)，该电动机/发电机机械地连接于燃气发生器转子(5R)并电气地连接于电力网(G)。该电动机/发电机(23)适于交替地作用为：用于将来自燃气涡轮机(3)的机械动力转换成电力的发电机；和用于向负载(21)补充驱动动力的电动机。在动力涡轮机(7)的入口处设置一组可移动的喷嘴导叶(15)。

说明书

技术领域

本文中公开的主题涉及对于在机械驱动应用中使用的燃气涡轮 机系统的改进。特别地，但非排它性地，本公开涉及用于驱动压缩 机、例如用于液化天然气设施中的制冷剂流体的压缩机的燃气涡轮 机系统。

本公开还涉及用于操作包括燃气涡轮机和负载的系统的方法中 的改进，该负载例如为用于LNG的压缩机、或用于油气应用的压缩 机、泵或其它旋转装置。

背景技术

液化天然气(LNG)来源于液化工艺，在该液化工艺中，利用 处于级联(cascade)结构中的一个或多个制冷循环来冷却天然气， 直到它变成液体。例如在管道运输是不可能的或在经济上是难以实 施的情况下，出于存储或运输的目的，天然气通常是液化的。

利用闭合式或开放式制冷循环来执行天然气的冷却。制冷剂在 一个或多个压缩机中进行处理、被冷凝并膨胀。膨胀的、冷冻了的 制冷剂用于从在热交换器中流动的天然气中移除热量。

LNG中的制冷剂压缩机、用于管道应用的压缩机或用于油气工 业中的多种应用的其它旋转装置通常由燃气涡轮机驱动。该燃气涡 轮机动力可获量(power availability)(即可在涡轮机动力轴上获得 的动力)取决于诸如空气温度之类的环境状况和诸如老化之类的其 它因素。涡轮机动力可获量随着温度的降低而增大，并且相反随着 温度的升高而减小。这由于日温度波动和季节性温度波动而导致该 动力可获量既在24小时内波动又在一年内波动。

已经建议提供一种与燃气涡轮机相结合以驱动由例如一个或多 个压缩机构成的负载的电动机。操作该电动机以向负载补充机械动 力，以便在该涡轮机的动力可获量减少时，将负载轴上的全部机械 动力维持恒定，和/或增大用于驱动该负载的总机械动力。电动机的 该功能被称之为辅助器工作状态(helper duty)。同一电动机通常还 用作起动电动机，以将由燃气涡轮机和负载形成的串(string)从零 加速至额定速度。

当由涡轮机产生过量的机械动力时，例如在环境温度降低成低 于设计温度并且涡轮机的动力可获量随后增大的情况下，在将辅助 电动机用作发电机的同时，由燃气涡轮机产生的过量的机械动力被 转换成电力。

图1示意性地示出了一种包括燃气涡轮机的系统，该系统燃气涡 轮机被设置成用于机械驱动应用、即用于驱动不同于发电机的负载 的、特别是用于驱动压缩机或压缩机组。该系统101包括燃气涡轮机 103。该燃气涡轮机又由燃气发生器105和动力涡轮机107构成。该 燃气发生器105由压缩机109和高压涡轮机111构成。该燃气发生器 105包括燃气发生器转子，该燃气发生器转子包括压缩机109的转子 109R和高压涡轮机111的转子111R。压缩机109的转子109R和高 压涡轮机111的转子111R安装在共同轴上并一起形成燃气发生器转 子。

压缩机109对向燃烧室或燃烧器113递送的环境空气进行压缩， 在该燃烧室或燃烧器113处，压缩空气与液态或气态燃料混合并且燃 料/空气混合物被点燃以产生燃烧气体。高温和高压燃烧气体在高压 涡轮机111中被部分膨胀。由高压涡轮机111中的气体膨胀产生的机 械动力用于驱动压缩机109。

离开高压涡轮机111的热的且部分膨胀的气体流过动力涡轮机或 低压涡轮机107。燃烧气体在动力涡轮机107中膨胀以产生可在负载 联接轴115上获得的机械动力。可在负载联接轴115上获得的动力用 于驱动总体上被标记为117的负载旋转。例如，该负载117可包括压 缩机或压缩机组。在图1的实施例中，负载117包括双压缩机 117A、117B。

动力涡轮机107的转子与由压缩机转子109R和高压涡轮机转子 111R形成的燃气发生器转子机械地分离开，即，并不扭转地联接于 该燃气发生器转子。

燃气发生器转子通过轴119连接于辅助减速齿轮121。该辅助减 速齿轮121具有输入轴123，该输入轴123机械地联接至作为起动器 起作用的电动机125。变矩器127和可选的离合器129设置在起动器 125与辅助减速齿轮121的输入轴123之间。

起动器125连接至以G示意性地示出的配电网。

电动机或起动器125用于使该燃气涡轮机103起动。起动通过为 电动机125通电并通过经由变矩器127驱动燃气发生器转子以逐渐增 大的旋转速度旋转来执行。一旦足量的空气流经压缩机109，就可通 过向燃烧器113递送燃料来点燃该燃气发生器。燃烧气体被经由动力 涡轮机107传送并且燃气涡轮机103开始旋转负载117。变矩器127 使燃气涡轮机103能够在电动机125根据电网频率以定速旋转时逐渐 加速。

附图标记131表示电动机，该电动机作为辅助器起作用并设置于 包括燃气涡轮机103和负载117的该串的与电动机125相对的端部 处。辅助器131将电力转换成机械动力以例如在可从燃气涡轮机103 获得的动力例如由于增大的环境温度而降低时与燃气涡轮机103相结 合来驱动负载117。

该系统101是复杂的并具有大覆盖区。

发明内容

本文中公开的主题提供了一种混合系统，其中，双轴燃气涡轮 机结合有可在电动机模式中或在发电机模式中切换的可逆电机。当 被切换到电动机模式中时，该可逆电机可根据燃气涡轮机系统的运 转状况提供辅助器工作状态或起动器工作状态。当被切换到发电机 模式中时，可逆电机可将通过使混合到压缩空气流中的燃料燃烧产 生的可用机械动力转换成电力。该电力可向配电网递送。在一些实 施例中或在一些状况下，例如在配电网损失或缺少的情况下，发电 机可供给用于包括燃气涡轮机和由此驱动的负载的该系统的设施和 辅助装置的电力。

该燃气涡轮机可包括带有燃气发生器压缩机的燃气发生器、燃 烧器和高压涡轮机。来自燃烧器的燃烧气体经由高压涡轮机递送以 产生机械动力，该机械动力用于驱动燃气发生器压缩机。由该燃气 发生器压缩机取得并压缩的空气被向燃烧器递送，与燃料流混合并 被点燃以产生燃烧气体流。部分膨胀的燃烧气体流在动力涡轮机中 进一步膨胀，以驱动该负载。该动力涡轮机具有安装成用于在动力 涡轮机轴上旋转的动力转子，该动力转子在机械方面不受到燃气发 生器转子的影响。可逆电机、即电动机/发电机被机械地约束于燃气 发生器转子或可连接于该燃气发生器转子，同时该负载经由负载联 轴器等被机械地约束于动力涡轮机轴。当电动机/发电机作为电动机 起作用、即提供辅助器工作状态时，来自电动机/发电机的动力被用 热力学的方式向动力涡轮机传递，如将在下文中更为详细地说明的 那样，参照本文中公开的主题的一些实施例进行说明。相反，如果 将电动机/发电机切换成发电机模式，则用热力学的方式再次获得从 高压涡轮机向动力涡轮机传递的动力的降低。

根据一些实施例，由此提供了一种用于驱动负载的驱动系统， 该驱动系统包括燃气涡轮机，该燃气涡轮机包括：燃气发生器，该 燃气发生器具有燃气发生器转子并包括至少一个燃气发生器压缩机 和驱动该燃气发生器压缩机的一个高压涡轮机；和动力涡轮机，该 动力涡轮机具有动力涡轮机转子，该动力涡轮机转子在扭转方面不 受到所述燃气发生器转子的影响。在扭转方面不受影响意指动力涡 轮机转子和燃气发生器转子可以不同的旋转速度旋转并被构建和设 置机械分离的构件，从燃气发生器至动力涡轮机的动力被用热力学 的方式经过燃烧气体流传递。该驱动系统还包括负载联轴器和电动 机/发电机，该负载联轴器将动力涡轮机转子连接于负载，该电动机/ 发电机机械地连接于燃气发生器转子并电气地连接于电力网。该电 动机/发电机适于交替地作用为：用于将来自所述燃气涡轮机的机械 动力转换成电力的发电机；和用于向负载补充驱动动力的电动机、 即辅助器。

在一些实施例中，可使电动机/发电机在电动机模式中运转以起 动该燃气涡轮机。单独的起动器可由此被省略掉。

可在电动机/发电机与电力网之间设置频率转换器。该频率转换 器使电动机/发电机能够以不受到电力频率影响的速度旋转。可变运 转频率用于例如在启动时使该燃气涡轮机逐渐加速，以致于无需变 矩器。该频率转换器进一步用于在电动机/发电机在发电机模式中运 转并以不同于电网频率的频率产生电能时，调节由该电动机/发电机 产生的电力。

该燃气涡轮机可设置有流量调节结构，该流量调节结构设置并 控制成用于改变经过该燃气涡轮机的空气流量或燃烧气体流量。流 量调节结构是能够例如通过改变涡轮机组的入口处的截面来调节经 过该燃气涡轮机的气态流的流量的结构。特别地，该流量调节结构 可包括处于动力涡轮机的入口处的可移动的喷嘴导叶。这些可移动 的喷嘴导叶可被控制成用于改变流动截面并由此改变高压涡轮机与 动力涡轮机之间的压力状况。在可移动的喷嘴导叶上的作用导致了 对于由高压涡轮机中的燃烧气体执行的焓降的改变并由此导致了对 于可在动力涡轮机的入口处获得的焓的改变。

在一些其它实施例中，该流量调节结构可包括处于燃气发生器 压缩机的入口处的可移动的入口导叶，用于改变由燃气发生器压缩 机取得的空气的入流状况。

根据另一方面，本文中公开的主题涉及一种用于利用燃气涡轮 机驱动负载的方法，所述方法包括下列步骤：

在具有燃气发生器转子的燃气发生器压缩机中对燃烧空气进行 压缩，

将燃烧空气与燃料混合，点燃空气/燃料混合物并产生压缩的燃 烧气体；

使燃烧气体在高压涡轮机中部分膨胀并产生机械动力以驱动燃 气发生器压缩机；

使燃烧气体在具有动力涡轮机轴的动力涡轮机中进一步膨胀， 该动力涡轮机轴在扭转方面与高压涡轮机断开连接；

利用动力涡轮机轴驱动负载；

将电动机/发电机机械地连接于燃气发生器转子并将所述电动机/ 发电机电气地连接于电力网；

选择性地运转该电动机/发电机：

-在电动机模式(即作为辅助器)中，将电力转换成补充机械动 力，向燃气发生器转子递送补充机械动力，将附加动力用热力学的 方法向动力涡轮机传递并且将附加动力转换成机械动力以驱动负 载；

-在发电机模式中，将可从燃气发生器转子获得的机械动力转换 成电力；

-提供包括处于动力涡轮机的入口处的一组可移动的喷嘴导叶的 流量调节结构，用于改变经过动力涡轮机的燃烧气体流量，用于选 择性地：

-减少从燃气发生器向动力涡轮机传递的动力并将可从高压涡轮 机获得的机械动力转换成电力；或者

-当所述电动机/发电机作为电动机起作用时，增大从燃气发生器 向动力涡轮机传递的动力，并且向燃气发生器转子补充机械动力。

在下文中公开并在所附权利要求书中进一步阐述特征和实施 例，其形成了本说明书的主要部分。上述简要说明阐述了本发明的 多个实施例的特征，以便可更好地明白随后的详细说明并且以便可 更好地理解对于现有技术的贡献。当然，存在本发明的其它特征， 这些其他特征将在下文中描述并将在所附权利要求书中阐述。在该 方面中，在详细地说明本发明的若干实施例之前，所明白的是，本 发明的多个实施例在它们的应用中并不限制于结构的细节且并不限 制于在下列说明书中阐述的或在附图中示出的部件的结构。本发明 能够具有其它实施例并能够以多种方式实施和实现。同样，将会明 白的是，本文中使用的措辞和术语出于描述的目的且不应被视为是 限制性的。

由此，本领域技术人员将明白的是，本公开所基于的原理可被 容易地用作为用于设计用于实现本发明的若干目的的其它结构、方 法和/或系统的基础。因此，重要的是，只要等效结构并不背离本发 明的精神和范围，权利要求就被视为包括这种等效结构。

附图说明

当通过参照结合附图进行的下列详细说明而更好地理解本发明 的公开实施例及其许多伴随优点时，将容易地获得对于本发明的公 开实施例及其许多伴随优点的更为彻底的理解，其中：

图1示出了根据背景技术的燃气涡轮机结构；

图2和图3示出了根据本公开的两种燃气涡轮机结构。

具体实施方式

对于示例性实施例进行的下列详细说明参照附图进行。不同附 图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。此外，附图无需按照 比例绘制。而且，下列详细说明并不限制本发明。相反，本发明的 范围由所附权利要求书限定。

遍及本专利说明书参照“一个实施例”或“一种实施例”或 “一些实施例”进行说明意指在所公开的主题的至少一个实施例中 包括结合实施例描述的具体特征、结构或特性。由此，术语“在一 种实施例中”或“在一种实施例中”或“在一些实施例中”在遍及 本专利说明书的不同位置中的出现并非必然指的是一个或多个相同 的实施例。此外，具体特征、结构或特性可以任何适用的方式结合 在一个或多个实施例中。

图2示出了本文中公开的主题的第一实施例。机械驱动系统1包 括燃气涡轮机3。该燃气涡轮机3包括燃气发生器5和动力涡轮机或 低压涡轮机7。燃气发生器5可由燃气发生器压缩机9和高压涡轮机 11构成。压缩机转子被以9R示意性地示出并且高压涡轮机转子以 11R示出。转子9R和11R安装在共同轴6上并且一起形成燃气发生 器转子5R。

燃气发生器压缩机9对来自环境的空气进行压缩，该空气被向燃 烧器13递送。在燃烧器13中，向空气流添加燃料并且形成并点燃燃 料/空气混合物。在燃烧器中产生的燃烧气体被向高压涡轮机11递送 并且在其中部分膨胀，从而产生机械动力。由高压涡轮机11产生的 机械动力用于驱动燃气发生器压缩机9。

部分膨胀的燃烧气体流经动力涡轮机7，在该动力涡轮机7处， 它进一步膨胀以产生附加的机械动力。在图2中所示的实施例中，动 力涡轮机7由以15示意性地示出的可移动的喷嘴导叶构成。可移动 的喷嘴导叶15可用于改变进入动力涡轮机7的燃烧气体的流动状 况。在一些实施例中，可移动的喷嘴导叶15可用于改变燃烧气体流 动截面，由此提高或降低高压涡轮机11的出口处的压力。提高该高 压涡轮机11的出口处的气体压力降低了越过高压涡轮机11的焓降。 较高的焓降由此可越过该动力涡轮机7获得，该较高的焓降将可产生 更多机械动力，该较高的焓降将可在涡轮机输出轴上获得。如将在 稍后阐明的那样，通过调节可移动的喷嘴导叶15，可调整该燃气发 生器转子5R的旋转速度并可调节可在动力涡轮机7的输出轴上获得 的动力的量。动力涡轮机7由安装在动力涡轮机轴17上的动力涡轮 机转子7R构成，该动力涡轮机轴17在扭转方面不受到燃气发生器5 的轴6的影响，即动力涡轮机轴17以不受到燃气发生器轴5R的轴6 的影响的方式旋转。

动力涡轮机轴17经过负载联接轴19连接至大致以21示出的负 载，该负载被可在动力涡轮机轴17上获得并由动力涡轮机7中的气 体膨胀产生的动力驱动旋转。在一些实施例中，负载21可包括一个 或多个压缩机、例如如在图2的实施例中作为示例示出的两个压缩机 21A、21B。

在图2中所示的实施例中，在动力涡轮机轴17与负载联接轴19 之间提供直接联轴器。该负载由此以与动力涡轮机相同的旋转速度 旋转。在动力涡轮机7与负载21之间可设置一个或多个接头，例如 一个或多个柔性接头，以对角度错配进行调节和/或对该联轴器的热 膨胀进行补偿。在未示出的其它实施例中，例如当动力涡轮机7和负 载21以不同的旋转速度旋转时，可在动力涡轮机7与负载21之间设 置诸如变速器之类的速度操纵系统。

在一些实施例中，燃气涡轮机的冷端、即与动力涡轮机7相对的 端部可连接至可逆电机，即可选择性地作为发电机或电动机起作用 的电动机。可逆电机在下文中将被称之为电动机/发电机23。

电动机/发电机23可电气地连接至以G示意性地示出的配电网。 优选地，电动机/发电机23与诸如变频驱动器25之类的电力调节单 元相结合。出于将稍后变得更为清楚的目的，变频驱动器25使电动 机/发电机23能够以不受到电网G上的电频率的影响的速度旋转，使 得电动机/发电机23可用于使动力涡轮机3起动和/或用于向该系统1 提供补充机械动力，例如当可从燃气涡轮机3获得的动力减少时，使 燃气涡轮机能够以不受到电网频率的影响的速度旋转。同一变频驱 动器还使电动机/发电机能够在发电机模式中运转并向该电网供给电 力，从而使电动机/发电机23以不同于电网频率且不受到该电网频率 的影响的速度旋转。

在具体情况中，驱动系统1可包括具有恒定旋转速度的发电机 23。在该情况下，发电机23需要以大致恒定的速度旋转以便以电网 频率向该电网供给电力。在该构造中，无需VFD(变频驱动器)。

由于发电机23的大致恒定的旋转速度是令人需要的，因此需要 正确地调节轴6处供给的动力。

动力涡轮机7的可移动的喷嘴导叶15允许对高压涡轮机11中的 焓降进行恒定的调节，由此调节可被保持成大致恒定的轴6的旋转速 度和发电机23的速度。

在燃气发生器5的轴6与电动机/发电机23之间可设置辅助变速 器27。该变速器27可用于驱动与该燃气涡轮机3相结合的诸如润滑 油泵等之类的一个或多个辅助设施。在其它实施例中，变速器27可 被省略掉并且可在电动机/发电机23与燃气发生器5之间提供直接驱 动。

在一些实施例中，离合器29可被插置在电动机/发电机23与辅 助变速器27之间。在其它实施例中，离合器29可设置在变速器27 与燃气发生器5的轴6之间。如果未设置变速器，则可在电动机/发 电机23与燃气发生器5的轴6之间设置离合器29。

迄今为止描述的该系统的运转如下。

为了使该系统起动，电动机/发电机23被切换至电动机模式并被 通电以作为起动器起作用。经过变频驱动器25，以逐渐增大的电频 率对电动机/发电机23通电，使得电动机/发电机23的旋转速度可加 速。离合器29将电动机/发电机轴23A的旋转向辅助变速器27传送 并向燃气发生器转子5R传送。

当在燃气发生器压缩机9的出口处已经获得了足够大的空气流量 时，可点燃该燃烧器13并且燃气发生器5开始运转。热的加压燃烧 气体的流动在该燃烧器13中形成并经过高压涡轮机11并经过动力涡 轮机7递送，该高压涡轮机11逐渐接管了旋转该燃气发生器压缩机 9的工作。

燃气发生器5的驱动最后全部由高压涡轮机11接管并且动力涡 轮机7逐渐加速，从而驱动负载21旋转。

当燃气涡轮机1已经达到稳态状况时，如果在电动机/发电机23 与燃气涡轮机3之间未设置离合器，则电动机/发电机23可被设定成 处于非操作状况中并且可被驱动成自由旋转(自由轮转)。作为选 择，如果设置有离合器29，则电动机/发电机23可保持静止。燃气 涡轮机3提供用于驱动该负载21的足够多的动力。然而，如将通过 下列说明而变得明白的那样，在一些情形中，会需要电动机/发电机 23向燃气涡轮机补充动力。电动机/发电机将被切换至电动机模式并 且作为辅助器(还被称之为辅助器工作状态)起作用。在一些其它 情形中，会需要电动机/发电机23来吸收可从燃气涡轮机获得的机械 动力，以产生电力。电动机/发电机23将随后被切换至发电机模式。

更具体地，例如当由动力涡轮机3产生的并可在动力涡轮机轴 17上获得的动力不足以以所需的速度驱动该负载21时，会需要使电 动机/发电机23作为辅助器起作用。电动机/发电机23可同样在其它 情形中在电动机模式中运转，例如以便节省燃料并改为使用电能。 当可从配电网G获得的电能的成本小于该燃料的成本时，例如在夜 间，这会是有用的。

反之亦然，例如在电网损失的情况下，即在无法从配电网G获 得电力时，可将电动机/发电机23切换至发电机模式。在该情况下， 电动机/发电机23将提供电能以便向该系统和与其相关联的任何其它 设施或辅助单元供电。

在一些实施例中，同样如果可从燃气涡轮机获得的动力超过驱 动该负载所需要的动力并且例如电能的成本高于该燃料的成本，例 如在峰值负荷时间期间，则可将电动机/发电机23设定成在发电机模 式中运转，使得借助于化石燃料(液体或气体)产生电能并销售所 产生的电能变得在经济方面是有利的。在一些情况下，可将电动机/ 发电机23切换成还用于校正动力因数的发电机模式。

可设置电子燃气涡轮机控制器31，用于控制处于多种不同的运 转模式中的系统1。

若干因素可改变该系统1的运转状况，从而可从燃气涡轮机3获 得过剩的动力或者需要用于驱动该负载21的辅助动力。例如，如果 该负载21包括一个或多个压缩机，则经过这些压缩机的气体流会波 动，由此在驱动该负载所需要的动力中激起波动。

环境状况、特别是环境温度可改变燃气涡轮机3的运转状况。增 大环境温度减少了可在动力涡轮机7的动力涡轮机轴17上获得的动 力。反之亦然，环境温度的降低致使燃气涡轮机3的输出利用率增 大。

当电动机/发电机在发电机模式中运转时，变频驱动器25使电动 机/发电机23能够以与配电网G的频率不同步的频率旋转。由发电机 23产生的电力将随后由变频驱动器25进行调节，使得递送至配电网 G的电力将与电网频率相同。当电动机/发电机23在电动机模式中运 转时，变频驱动器25使电动机以与燃气发生器转子R的旋转速度对 应的所需速度旋转，所述速度不受到配电网G的电频率的影响。燃 气发生器的旋转速度由此变得不受到电网频率的影响。

为了更好地理解迄今为止描述的该系统的运转，现在将描述运 转状况的不同示例。

通常基于由负载控制器30提供的信号控制该系统。该负载控制 器30产生控制信号，该控制信号被向燃气涡轮机控制器31递送。在 一些实施例中，负载控制器30提供速度信号、即与要求负载21在其 下旋转的旋转速度对应的信号。该速度信号可用动力涡轮机轴17的 额定速度的百分比表示。从稳态状况开始，在动力涡轮机7以例如其 额定速度的95％运行的情况下，如果需要经过压缩机21A、21B的较 高流量，则负载控制器30将向涡轮机控制器31递送需要加速该动力 涡轮机轴17的信号，例如使其以动力涡轮机7的额定旋转速度的 100％旋转。燃气涡轮机控制器31将增大燃料流量，直到已经达到了 所要求的旋转速度。附加的燃料流量产生更多的动力，该更多的动 力用于在压缩机21中处理较高的流体流量。

虽然所要求的旋转速度处于可由燃气涡轮机(其可例如在额定 旋转速度的50％至105％之间运转)获得的范围内，但在一些运转状 况中，可在动力涡轮机轴17处获得的动力可能不足以获得所需的旋 转速度。例如，如果环境温度高于设计温度值，则涡轮机将不能获 得最大设计动力。

当排气温度、即动力涡轮机输出端处的温度达到最大温度设定 点时，实现可在动力涡轮机轴17上获得的最大动力。在一些实施例 中，燃气涡轮机控制器31可与排气温度传感器32配合。如果达到最 大排气温度并且尚未达到所要求的旋转速度(例如在当前示例中的 额定速度的100％)时，燃气涡轮机控制器31确定可从燃气涡轮机3 获得的动力不足以以由负载控制器30需要的旋转速度来驱动负载。 电动机/发电机23必须被切换在电动机模式中并且提供补充动力以驱 动该负载。这可自动地执行、即在燃气涡轮机控制器31的单独控制 下执行。在其它实施例中，燃气涡轮机控制器31可触发使电动机/发 电机23起动的要求，并且操作者将使电动机/发电机23能够作为辅 助器起作用。

一旦电动机/发电机23已经起动，它会将电力转换成可在燃气发 生器转子5R的轴6上获得的机械动力。燃气发生器转子轴6上的阻 力矩将由此降低并且燃气发生器转子5R的速度增大。速度传感器33 可向燃气涡轮机控制器31提供速度信号。当燃气发生器转子5R的 速度增大时，燃气涡轮机控制器31将对可移动的喷嘴导叶15起作 用，从而降低气体正在流过的截面积，由此增大高压涡轮机11的输 出端处的压力并因此增大动力涡轮机7的入口处的压力。越过高压涡 轮机的焓降降低，同时越过动力涡轮机7的焓降增大，则可在动力涡 轮机轴17上获得更多的机械动力。可在动力涡轮机7的入口处获得 的增大的焓加速了动力涡轮机轴17和负载21，直到达到并维持住所 需要的旋转速度。

在辅助器模式中运转的电动机/发电机23因此提供了附加的机械 动力以驱动燃气发生器压缩机9，使得可从燃烧气体获得更多的动 力，并且来自燃烧气体的更多动力可从高压涡轮机11向动力涡轮机 7传递并且可用于驱动该负载21。

无法达到设定负载速度的其它情况可由低燃料利用率所导致。 在该情况下，电动机/发电机23再次在辅助器模式中运转以向高压涡 轮机轴6提供补充机械动力，由此增大了可越过动力涡轮机7获得的 焓降。来自燃烧气体的动力从高压涡轮机向动力涡轮机传递，并且 可用于驱动该负载。

无论何时电动机/发电机23在电动机模式中运转以便向燃气涡轮 机供给机械动力，燃气发生器转子5R上的阻力矩的降低均将来自高 压涡轮机11的可用焓降转入动力涡轮机7。

如上所述，在一些状况中，当仅利用可从燃气涡轮机获得的动 力不能达到所要求的旋转速度时，即当燃料递送达到最大值而未达 到动力涡轮机的所要求的旋转速度时，可触发辅助器模式。然而， 在一些情况下，可控制该系统1，使驱动该负载21所需的动力的一 部分由在辅助器模式中运转的电动机/发电机递送，从而限制燃料流 量，以便即使在燃气涡轮机能够提供足够大的动力以由其自身驱动 负载的情况下，也节省燃料。这可例如每个电能单元的成本低于等 效燃料量的成本时、例如在夜间进行。在经济方面有利的是，在混 合模式下驱动该负载21，该混合模式将来自在辅助器模式中运行的 电动机/发电机23的电力与由燃气涡轮机产生的机械动力相结合，在 传递到该处的燃料量降低的情况下，涡轮机在小于其最大动力比下 运转。运转该系统的模式与上面的描述相同，但在设施(stack)处 的燃烧气体温度达到最大设定点值之前，电动机/发电机会以辅助器 模式(电动机模式)投入运转。

当驱动系统1包括电动机23时，这组可移动的喷嘴导叶15允许 避免燃气涡轮机3的危险的超速。特别地，如果高压涡轮机11的旋 转速度接近最大运转速度并且动力涡轮机7需要附加的动力，则电动 机23的介入带来超过该机器的物理限制的风险，从而在燃气涡轮机 上造成损害。

为了避免高压涡轮机11的超速，可能的是，使可移动的喷嘴导 叶15移动，以便调节向动力涡轮机7传递的动力。在闭合可移动的 喷嘴导叶15的情况下，将动力从高压涡轮机11向动力涡轮机7传 递。以此方式，由电动机23向驱动系统1供给的动力并不使高压涡 轮机11的轴超载，而是它被向动力涡轮机7传递。如果可从燃气涡 轮机获得的动力超过驱动该负载21所需的动力，则电动机/发电机 23可被切换至发电机模式并且被驱动旋转，从而将来自燃气涡轮机 的可用机械动力的一部分被利用以产生电力。是否将电动机/发电机 切换成发电机模式以将来自燃气涡轮机的可用机械动力的一部分转 换成电力或者是否仅通过减少燃料流量来减少输出涡轮机动力取决 于例如将燃料用于产生电力的实际经济便利性或者取决于配电网是 否是可用的。应该对下列影响作出进一步的考虑，该影响是负载降 低对于燃气涡轮机效率的影响以及负载降低对于燃烧气体的化学组 分的可能的负面影响。如本领域技术人员所知，实际上，低于设计 点运转该燃气涡轮机可能导致有害排放物增多。

为了改善燃气涡轮机的运转和/或为了在负载要求的动力减少的 情况下产生有用的电力和/或为了在电网损失的情况下向工厂提供电 力，电动机/发电机23可在发电机模式中运转以产生电力。

假定将电动机/发电机23连接至配电网G并且假定该动力涡轮机 在小于额定最大动力下运转，燃烧气体的温度将低于最大温度设定 点。该情形表明该涡轮机可产生比驱动该负载21实际需要的动力更 多的动力。电动机/发电机23被切换到发电机模式中并开始运转。燃 气发生器转子5R的轴6上的阻力矩增大并且燃气发生器转子5R的 旋转速度降低。经由旋转速度传感器33检测该速度降低。燃气涡轮 机控制器31对可移动的喷嘴导叶15起作用以便通过打开喷嘴导叶 15来抵消该速度降。这导致燃烧气体在高压涡轮机11中执行较高的 焓降。在部分膨胀的燃烧气体中将由此可获得较少的动力来驱动该 动力涡轮机7。即，提供了可获得的总焓降的不同分布，从而将来自 动力涡轮机7的可用焓降的一部分转入该高压涡轮机11，由此克服 燃气发生器转子5R的轴6上的增大的阻力矩。

因此，动力涡轮机7的旋转速度和输出轴17的旋转速度将降 低。旋转速度降低由负载控制器30例如经由速度传感器34检测。打 开燃料阀36以增大燃料流量，由此抵消动力涡轮机旋转速度的降 低，从而维持所需的负载旋转速度或使所述负载旋转速度恢复所需 数值。该过程被反复迭代进行，由此在每一步增大由电动机/发电机 23产生的动力并通过增大燃料流量来补偿动力涡轮机速度的降低。 该过程可被反复进行，直到达到最大排气温度，或者达到电动机/发 电机23的最大容量为止，以先达到的为准。该系统将随后被维持处 于该运转状况中，使燃气涡轮机3在较高的整体动力水平下行进，从 而将过量的机械动力转换成电力。同样获得了更为有效的燃料消耗 和可能地有害排放物的减少，燃气涡轮机以更为接近于设计点的方 式运转。

在一些实施例中，燃气发生器压缩机9可设置有可移动的入口导 叶。这些可移动的入口导叶可被控制成用以基于压缩机的环境温度 和/或旋转速度来调节入口截面。

图3示出了本文中公开的主题的另一实施例。与图2中所示的相 同的或等效的部件、零件或元件以相同的附图标记表示。图3的机械 驱动系统1包括燃气涡轮机3。该燃气涡轮机3又由燃气发生器5和 动力涡轮机或低压涡轮机7构成。在一些实施例中，燃气发生器5可 由燃气发生器压缩机9和高压涡轮机11构成。压缩机转子以9R示 意性地示出并且高压涡轮机转子以11R示出。转子9R和11R安装在 共同轴6上并且一起形成燃气发生器转子5R。

燃气发生器压缩机9设置有以16示意性地示出的可移动的入口 导叶。可移动的入口导叶16可被控制成用于根据燃气涡轮机的运转 状况和由此驱动的负载的运转状况来改变空气入口流量，如稍后将 更为详细地描述的那样。与图2的前述实施例相反，动力涡轮机7并 未设置有可移动的喷嘴导叶。

图3的燃气涡轮机3可例如为可从意大利佛罗伦萨市的GE Oil &Gas获得的航改型燃气涡轮机，例如PGT25或PGT25+。在其它实 施例中，燃气涡轮机3可以是重型燃气涡轮机。

燃气发生器压缩机9取得并压缩来自环境的空气。压缩空气被向 燃烧器13递送并与燃料混合。形成在燃烧器中的燃料/空气混合物被 点燃以产生燃烧气体流，该燃烧气体流被向高压涡轮机11递送并在 其中部分膨胀，从而产生机械动力。由高压涡轮机11产生的机械动 力用于驱动燃气发生器压缩机9。

来自高压涡轮机11的部分膨胀的燃烧气体流经动力涡轮机7， 在该动力涡轮机7处，它进一步膨胀并产生附加的机械动力以驱动负 载。

动力涡轮机7由安装在动力涡轮机轴17上的动力涡轮机转子7R 构成，该动力涡轮机轴17在扭转方面不受到燃气发生器5的轴6的 影响，即动力涡轮机轴17以不受燃气发生器5R的轴6的影响的方 式旋转。

动力涡轮机轴17经过负载联接轴19连接至大体上以21示出的 负载，该负载由可在动力涡轮机轴17上获得的并由动力涡轮机7中 的气体膨胀产生的动力驱动旋转。可在动力涡轮机7与负载21之间 设置一个或多个接头、离合器或速度操纵装置(未示出)。在一些 实施例中，负载21可包括一个或多个压缩机，例如如在图3的实施 例中作为示例示出的两个压缩机21A、21B。

燃气涡轮机的冷端可连接至电动机/发电机23。电动机/发电机 23可电气地连接至以G示意性地示出的配电网。电动机/发电机23 可结合有诸如变频驱动器25之类的电力调节单元。出于结合图2的 实施例在上文中提及的原因，电力调节单元25使电动机/发电机23 能够以不受到电网G上的电频率的影响的频率旋转。

在燃气发生器5的轴6与电动机/发电机23之间可设置辅助变速 器27。在其它实施例中，变速器27可被省略掉并且可在电动机/发 电机23与燃气发生器5之间提供直接驱动。在一些实施例中，可在 电动机/发电机23与燃气发生器5的轴6之间插置离合器29。

燃气涡轮机3的启动可如已经参照图2的实施例所述执行，从而 将电动机/发电机用作起动器。

在系统1的运转期间，在一些状况下，电动机/发电机23可作为 辅助器起作用。电动机/发电机23将在该情况下被切换至电动机模式 以将电力转换成机械动力并向燃气涡轮机3补充机械动力。例如当由 动力涡轮机3产生并可在动力涡轮机轴17上获得的动力不足以以所 需速度驱动该负载21时，可要求电动机/发电机23在电动机模式中 运转。与已经结合图2的实施例描述的情况相似，电动机/发电机23 可同样在其它情况中在电动机模式中运转，例如以便节省燃料并改 为使用电能。

反之亦然，例如在电网损失的情况下，即在无法从配电网G获 得电力时，可将电动机/发电机23切换至发电机模式。在该情况下， 电动机/发电机23将提供电能以向该系统和与其相关联的任何其它设 施或辅助单元供电。电动机/发电机可同样在其它情况下在发电机模 式中运转，例如以校正该系统的动力因数，或者增大燃气涡轮机上 的总负载，由此在负载21需要减少了的动力的情形中减少有害排放 物并提高燃气涡轮机的效率。

为了更好地理解该驱动系统1应对多个可能的运转状况的灵活性 并且为了更为清楚地理解控制该系统的方式，在下面将参照可能在 运转期间出现的一些典型的情形进行说明。

该系统通常基于由负载控制器30提供的信号进行控制。负载控 制器30产生控制信号，该控制信号被向燃气涡轮机控制器31传递。 在一些实施例中，负载控制器30提供速度信号，即作为所要求的负 载旋转速度的函数的信号。如已经结合图2的实施例所提及的那样， 速度信号可用动力涡轮机轴17的额定速度的百分比表示。从稳态状 况开始，在动力涡轮机7以例如其额定速度的95％运行的情况下， 如果需要经过压缩机21A、21B的较高流量，则负载控制器30将向 涡轮机控制器31递送需要加速动力涡轮机轴17的信号，例如使其以 动力涡轮机7的额定旋转速度的100％来旋转。燃气涡轮机控制器31 将增大燃料流量，直到已经达到了所要求的旋转速度。

如上结合图2的实施例所述，在一些运转状况中，可在动力涡轮 机轴17处获得的动力可能不足以获得所需要的旋转速度。例如，如 果环境温度高于设计温度值，则涡轮机将不能获得最大设计动力。 如上所述，当排气温度达到最大温度设定点时，在动力涡轮机轴17 上获得最大动力，其中，该排气温度可由在图3中未示出且与图2的 传感器32相似的排气温度传感器检测到。如果达到最大排气温度并 且尚未达到所要求的旋转速度，则燃气涡轮机控制器31确定可从燃 气涡轮机3获得的动力不足以驱动该负载21。电动机/发电机23由此 被切换到电动机模式中并且提供补充动力以驱动该负载21。

一旦电动机/发电机23已经起动，它会将电力转换成可在燃气发 生器转子5R的轴6上获得的机械动力。燃气发生器转子轴6上的阻 力矩将降低并且燃气发生器转子5R的速度将增大。速度传感器33 可向燃气涡轮机控制器31提供速度信号。当燃气发生器转子5R的 速度增大时，燃气涡轮机控制器31将对可移动的入口导叶16起作 用，从而增大入口导叶的截面。入口导叶的打开将致使流经燃气发 生器压缩机9的空气流量增大并由此使流经动力涡轮机7的燃烧气体 流量增大。这将使可在涡轮机轴17上获得的较高的机械动力用于驱 动该负载21，由此增大其旋转速度。

事实上，由燃气发生器压缩机9取得的增大的空气流量将降低燃 烧气体温度并由此涡轮机控制器31将增大燃料流量，直到再次达到 温度设定点。动力涡轮机7的入口处的较高焓和较高燃烧气体流量将 在动力轴17上产生更多的机械动力。同时，经过燃气发生器压缩机 9的较高的空气流量将致使燃气发生器转子的旋转速度降低，这是由 于需要更多的动力来处理增大的空气流量。

由在辅助器模式中运转的电动机/发电机23提供的补充动力由此 被用热力学的方法向涡轮机轴17传递并且可用于负载驱动的目的。

无法获得设定负载速度的另一情形可由低燃料利用率所导致。 在该情况下，电动机/发电机23再次在辅助器模式中运转，以便向高 压涡轮机轴6提供补充机械动力。入口导叶16被打开以增大空气流 量，并且以与前述情形相似的方式，将来自燃烧气体的附加动力从 高压涡轮机向动力涡轮机传递，并可用于驱动该负载21。

如上所述，在一些情况下，可对该系统1进行控制，使得即使燃 气涡轮机能够由其自身提供足够多的动力来驱动负载，驱动该负载 21所需的动力的一部分也由在辅助器模式中运转的电动机/发电机23 递送，从而限制燃料流量，以便节省燃料。这例如可以在每个电能 单元的成本低于等效燃料量的成本时，例如在夜间时进行。在设施 处的燃烧气体温度达到最大设定点值之前，电动机/发电机23在该情 况下以辅助器模式(电动机模式)投入运转。

如果可从燃气涡轮机获得的动力超过驱动负载21所需的动力， 则电动机/发电机23可被切换至发电机模式并且被驱动旋转，从而将 来自燃气涡轮机的可用机械动力的一部分用于产生电力。

假定将电动机/发电机23连接至配电网G并且假定该动力涡轮机 7在小于额定最大动力下运转，燃烧气体的温度将低于最大温度设定 点。该情形表明该涡轮机可产生比驱动负载21实际使用的动力更多 的动力。电动机/发电机23被切换到发电机模式中并且开始运转。燃 气发生器转子5R的轴6上的阻力矩增大并且燃气发生器转子5R的 旋转速度降低。由燃气发生器压缩机9取得的空气流量由此被减少并 且这导致经过动力涡轮机7的燃烧气体流量减少。较少的动力将由此 可用于驱动动力涡轮机7。

因此，动力涡轮机7的旋转速度和输出轴17的旋转速度将降 低。旋转速度降低由控制器30例如经由速度传感器34进行检测。打 开燃料阀36以增大燃料流量，由此抵消动力涡轮机旋转速度的降 低，从而维持负载旋转速度或使负载旋转速度恢复所需值。该过程 被反复迭代进行，由此在每一步增大由电动机/发电机23产生的动力 并通过增大燃料流量来补偿动力涡轮机速度的降低。该过程可被反 复进行，直到达到最大排气温度(例如由传感器32检测到)，或者 达到电动机/发电机23的最大容量，以先达到的为准。该系统将随后 被维持处于由此获得的该运转状况中，从而使燃气涡轮机3在较高的 整体动力水平下运转。过量的机械动力被转换成电力。同样获得了 更为高效的燃料消耗和可能地更好的有害排放物(有害排放物减 少)，燃气涡轮机以更为接近于设计点的方式运转。

在前述实施例中，已经描述了与相应的传感器和致动器对接的 负载控制器和燃气涡轮机控制器。应该明白的是，在一些实施例 中，可由连接于多个传感器和致动器的单个控制装置来执行控制。 重要的是，可对上述运转参数进行检测并且由相应的致动器对所需 装置起作用，以便例如调整燃料流量等。

尽管本文中所述主题的公开实施例已经示于附图中并且就特殊 性及细节结合若干示例性实施例在上文中进行了充分描述，但本领 域技术人员将明白的是，在不实质上背离本文中所阐述的新颖教 导、原理和概念、以及所附权利要求书中陈述的主题的优点的情况 下，许多改变、变化和省略均是可能的。因此，所公开的革新的适 当范围应该仅由对所附权利要求进行的最为广泛的解释来确定以涵 盖所有的这种改变、变化和省略。此外，任何过程或方法的次序或 顺序均可根据替代实施例加以改变或重新排序。