专利名称：起动燃气轮机的方法和实施该方法的燃气轮机发电机的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及发电机，尤其涉及燃气轮机发电机和其起动方法。
背景技术：
燃气轮机发电机广泛由电功率公司用来发电。燃气轮机发电机包括发电机和驱动该发电机的燃气轮机。发电机包括由定子包围的转子，当转子在定子中转动时便发电。燃气轮机发电机通过转动连接于转子的轴驱动发电机。该轴通过高温气体在燃气轮机中的膨胀进行转动。空气通过入口进入，并由空气压缩机压缩，然后输送到其中燃烧燃料(例如天然气)的燃烧器，产生高温气体，该高温气体进入燃气轮机，在燃气轮机中，气体膨胀，驱动该轴，从而转动转子。
发电机需要受激励，以便产生发电所需的磁通量。励磁机例如无电刷DC场励磁机可以提供必需的激励电功率。励磁机通常包括连接于转轴的转动电枢和包围该电枢的电场。当燃气轮机转动该轴时，该轴使电枢在包围的磁电场中转动，由此向转子提供电流。
常规的燃气轮机发电机通常缺乏自起动能力。因此起动需要马达或者其它外部装置，以增加轴的转动，一直将转速增加到燃气轮机可以接管和驱动该转轴的转速。
可以应用静态起动系统静态起动常规燃气轮机发电机，这种方法采用静态变频器FSC向发电机定子提供频率和振幅变化的三相交流电，而激励系统同时向电场提供直流激励。同步发电机操作为同步马达。当定子频率增加时，轴加速转动，保持同步，直至达到燃气轮机系统的点火速度。现在的静态起动系统采用静态激励系统，应用滑环和碳刷来提供直流激励电功率。在共同发明人自己专利中一个，美国专利No.6285089B1中公开另一种起动系统，该专利与本发明为同一受让人。该专利公开一种交流感应励磁机，该励磁机可以对转子进行激励，而不管轴的转动速度如何，而且不应用滑环或者电刷。然而常规燃气轮机发电机不装备交流感应励磁机。
一般认为，采用无电刷直流场励磁机的发电机不可能静态起动，除非在起动期间应用单独一组滑环和碳刷向转子提供激励。安装和维修滑环和电刷成本仍然很高。而且维持单独的起动源也是很费钱的。另外，应用起动静态激励系统造成振动和操作的机械问题。
发明概要考虑到上述背景，本发明的目的是应用直流场励磁机提供一种起动燃气轮机发电机的方法，不用滑环或者电刷。
利用一种起动燃气轮机发电机的方法可以达到本本发明的这一目的、特征和优点，以及其它的目的，特征和优点，该方法通过转动发电机的轴，使轴驱动的直流场励磁机向发电机转子电场提供所有激励电功率，以及通过用例如静态变频器向发电机定子输送电功率，由此起动燃气轮机发电机。结果造成在转轴上受到电矩的作用，该电矩增加了轴的转速。该转矩加速轴的转动，由此增加了由无电刷励磁机提供的场电流。因而增加送到转子的功率，增加的功率引起不断加速，直到燃气轮机以点火速度转动。
具体是燃气轮机发电机包括轴和驱动该轴的燃气轮机。在该转轴不由燃气轮机驱动时，可以用转动装置转动该轴，从而可以有效消除轴的变形。燃气轮机发电机通常还包括连接于该轴的转子和包围该转子的定子。直流场励磁机也是燃气轮机发电机的一部分，该直流场励磁机包括连接于该轴的电枢和包围该电枢的电场。
本方法包括按特殊形式装配燃气轮机发电机，使得转子连接成可以接收起动所需的所有直流电功率。因此燃气轮机发电机的这种特殊装配包括使转子不用电刷或者滑环，或者如果转子已经包含电刷和滑环，则只需要简单的不用这些电刷和滑环。
燃气轮机发电机的转动装置具有标称转动速度和高转动速度。因此起动燃气轮机发电机的方法包括增加转轴的速度，从标称转速增加到高转速。转动装置可以转动该轴，由此转动无电刷的直流场励磁机，使该装置在发电机转子中产生直流电流，而在发电机转子和定子之间的间隙中产生相应的磁通。当速度增加时，电场电流也增加，因而磁通也增加。
当轴转动时，电功率输送到定子。结果是产生定子电流，该电流也产生相应磁通。转子中的磁通和定子中的磁通相互作用，形成作用在该轴上的转矩，从而增加其速度。
一当转轴达到高转速时，电场电压便加到直流场励磁机上。然后转动装置脱开。当该轴转动时，在轴的转速达到高的转速时，便可向定子输送电功率。
燃气轮机发电机具有最长起动时间。因此可以向定子输送电功率，使得在最长的起动时间之前达到起动转速。流过定子的电流可以产生内部定子电压。因此电功率还可以加在定子上，以避免定子的“过激励”或者“过磁通”(即过大的伏/赫)状态，同时仍能提供足够大的转矩，使转子加速，或者在适当时，使转子保持在一定的速度。
本发明的另一方面涉及燃气轮机发电机，该燃气轮机发电机按特殊形式装配成可以实施上述起动方法。该燃气轮机发电机包括轴、驱动该轴的燃气轮机、连接于该轴的转子、包围该转子的定子以及直流场励磁机，该励磁机包括连接于该轴的电枢和包围该电枢的直流电场。可以采用转动装置来转动该轴。燃气轮机发电机还可以包括在起动期间将电功率输送到定子的定子电源。
起动控制器连接于转动装置和定子电源。该起动控制器可以控制转动该轴的转动装置，使得直流场励磁机向转子提供所有的直流电功率。该起动控制器还控制定子电源，使得在转轴转动时向定子输送电功率。
附图的简要说明
图1是示意方块图，示出本发明的燃气轮机发电机。
图2是流程图，示出起动图1所示燃气轮机发电机的方法。
图3是发电机转轴的转速在实际起动试验期间对时间的函数曲线，该时间代表本发明所用的值。
图4是起动试验期间发电机转轴实际转速对时间的函数曲线和计算转速对代表发明所用值的时间函数曲线。
图5是一组曲线，示出用静态励磁机起动系统的起动时间和无电刷激励的起动时间，后者代表本发明所用值的无电刷激励起动。
图6是更详细的示意图，示出图1所示燃气轮机发电机的控制器。
优选实施例的详细说明下面参考附图，更详细说明本发明，在这些附图中示出本发明的优选实施例。然而本发明可以很多不同的方式实施，因此不应当解释为受到本文所述实施例的限制。相反，示出这些实施例是为了彻底而详细地理解本发明，并将发明的范围传给了技术人员。相同的编号表示图中相同的部件。
首先参考图1和图2，说明本发明的起动燃气轮机发电机10的方法。该燃气轮机发电机10例示性包括轴12和在操作期间驱动该轴的燃气轮机14。该燃气轮机发电机10还包括由该轴驱动的转子16和包围该转子的定子18。直流场励磁机20由该轴12驱动，由此可以向转子提供直流功率。该燃气轮机发电机10还包括在发电机停机时转动该轴12的转动装置22。该燃气轮机发电机10还包括啮合转动轴12的转动装置的离合器24。
通常在不用燃气轮机发电机10提供电功率时，该转动装置22被啮合，以便转动该轴，从而减小轴的形变，这种转动通常在标称转速下转动。
如上所述，直流场励磁机20由轴12驱动。该直流场励磁机20包括装在轴12上的转动电枢以及包围该转动电枢的静态直流电场。该直流场励磁机20是技术人员容易理解的无电刷直流励磁机。在转动装置22转动轴12时，该转动电枢30在静态电场32中转动，产生交流电。该交流电可以采用例如未示出的装在轴12上的二极管轮振流器转换成直流。将该直流输送到转子16，激励发电机，这一点技术人员很容易理解。当发电机10停机，而转动装置22在标称转动速度下转动轴12时，由励磁机20产生的发电机转子电流也相应低。
如流程34所示，起动燃气轮机发电机10的方法包括在起动(方块36)后，发电机特别形式的装配使得转子16在起动期间连接成可以从直流场励磁机20(方块38)接收起动期间所需的所有直流功率。这种装配包括按特殊形式装配转子16，使其没有起动电刷和滑环。然而在随后说明的以下步骤同样适用于起动已经如此装配的燃气轮机。在另一实施例中，本发明提出一种起动如此特别装配的燃气轮机发电机的方法，使得转子16连接成可以接收直流场励磁机20电枢30的所有直流功率，包括例如没有起动电刷和滑环的燃气轮机。
由于燃气轮机发电机10如此装配，使得转子16可以接收直流场励磁机20的所有直流功率，所以可以利用转动装置22转动轴12，使直流场励磁机可以向转子提供所有的直流电功率。该转轴12具有比标称转速大的高转速。因此在方块40中，通过增加转动装置22转动轴的转速，可以增加轴12的转速。
如业内人士容易理解的，由励磁机20提供给转子16的发电机转子电流可以随轴12转速的增加而增加。因此，利用转动装置22增加轴12的转速时，可以增加发电机转子电流，在方块42中，用转动装置22将轴12的转速增加到高转速，由此产生增加的电流和相应的磁通量。
在方块44中，在轴正转动时，基本上与电功率加在定子18上的同时，电场电压加在直流场励磁机20上。如图所示当转动轴12的转动装置22达到高转速时，便加上该电场电压，在不同的操作条件下，如技术人员容易看出的，该高转速不一定是限定的转速，可以根据操作条件改变。
一当转动装置22达到高转速(方块46)时，转动装置22脱开。该转动装置22与离合器24脱开。在方块48中由定子电源向定子18输送电功率，该定子电源图上表示为由连接于定子的静态变频器26形成。电功率通过输送静态变频器26的电流而输送到定子18，由此在定子中产生定子电流。如技术人员容易看出的，还可以采和其它的电源装置。定子电流也产生相应的磁通，这种磁通与发电机转子电流产生的磁相互作用，使得发电机起马达的作用。
当轴12的转速增加时，发电机转子电流也增加。这种发电机转子电流的增加也增加了磁通强度，结果是更加增加轴12的转速，直到轴12的转速最后达到燃气轮机14的起动转速。一旦轴12达到起动转速，燃气轮机14便接管该轴，并驱动该轴。随后定子电源26脱开，而发电机开始供电。
燃气轮机具有最长起动时间。因此将功率输送到定子(方块48)，使得轴在最长起动时间之前达到要求的起动转速(方块50)。如果如此，则在方块57起动燃气轮14。如果因为某种原因，在最长起动时间中没有达到起动，则起动过程出故障(方块56)。还提供功率，以避免在定子18中出现过激励或者过磁通(即过大的伏/赫)状态。如果发生这种状态，如方块52确定的，起动过程也出故障，或者可以通过实施“场弱化”方法，简单地降低电场电压，如业内人士周知的。
下面提供例示性的计算方法，以证明可以对不用滑环的同步发电机采用表态起动，只要发电机转子可以在充分高的速度下转动，以确保可以产生足够大的激励电压，从而为超过发电机阻尼转矩的起始起矩提供足够大的转子磁通。这种转矩随转子速度成正比地增加，如果保持恒定的发电机激励。虽然说明的系统不能正好使同等系统的容量与静态激励相匹配(这种系统具有在表态施加很大的发电机转子激励，因此在低速时，具有较高的可用转矩)，但是通过适当设计，可以使系统的容量与静态激励相匹配。最重要的是该系统在北美洲看来应当满足商用燃气轮机发电机的性能要求。
例示性的计算用于正常燃气轮机发电机的计算，这种发电机的发电容量超过200MW，发电机端子电压Vt为16kV线间电压，具有无电刷励磁机和100r/m的转动装置。可以采用该方法来模拟应用静态变频器和静态激励的起动系统的性能。然后考虑到无电刷励磁机的运用，修改这种模拟模型。
图3所示的曲线35表示在实际起动测试期间，作为速度的发电机轴的转速随时间的增加。对于这种燃气轮机，点火速度从100r/m的起始转速开始，发生在大约850r/m。随后模拟起动过程，方法是，写出轴系统的运动方程，然后用测试结果确定适当的系数，该运动方程是Telec＝Jdω/dt+Dω2其中Telec＝由定子中表态变频器(SFC)电流产生的磁通和转子中激励电流产生的磁通相互作用形成的电矩；J＝转子轴惯量(燃气轮机、发电机、励磁机惯量之和，如果采用的话，还加上收集器、转动装置联轴节、传动箱等的惯量；ω＝转动速度(弧度/s或者r/m)；D＝转动系统阻尼转矩系数(涉及燃气轮机压缩机风阻、发电机风阻、支承件阻力等)。
虽然这是一种简化的模型，忽略了某些次级效应，例如发电机的绕组损耗和转子表面的涡流损耗，但是已经证实，为了计算尺寸目的，可以达到充分的准确度。
可以采用在起动期间输入到发电机定子中的功率计算电矩TelecTelec＝{Pelec/ω＝K×31/2×lsfc×Ei/ω，其中Isfc＝由SFC提供的每相定子电流；Ei＝由激励转子转动提供的内部电动力(对于3600r/m同步发电机，(Ei＝Irotor/IFNL×ω/377×Vt，其中Irotor是送到发电机转子的电场电流)；K＝比例常数，该比例常数是组合装置、Ei和Isfc之间相角差和其它经验确定参数的函数。
用测试结果可以得到适当的参数，然后采用如此说明的参数进行模拟。模拟结果和原来试验结果示于图4。图4中计算的速度-时间曲线37似乎很准确地重合实际测试的曲线35，主要差别可能是由于上述已经忽略的次级效应产生的。
然后对装有无电刷励磁机的空冷发电机的应用以及用无电刷励磁机代替静态激励系统，调整这种模拟。激励器替代这样进行，即将Ei方程中的量Irotor变成转子速度的函数。这种励磁机的特征在于，在励磁机激励最大时，该励磁机在100r/m时，输送1/3的发电机无载场电流(IFNL)，而在300r/m时，增加到100％的IFNL。在这种尺寸发电机的起动过程中，发电机场电流习惯上限于100％-120％的IFNL，以避免不良低速通风区域中转子电场的过热。发电机替换需要调整端子电压和调整转子轴的惯量。由SFC输送的电流(对于这种情况是30％额定FSC电流)，对两种情况保持恒定，而对于第三种模拟允许增加到50％。
图5示出三种模拟的比较。如图所示，模拟用静态励磁机起动系统(SES)的起动(曲线39)并和分别采和50％SFC电流(曲线41)和30％SFC(曲线43)的模拟无电刷激励的起动进行了比较。虽然应用无电刷励磁机使得从100r/m到300r/m所需的时间约增加一倍(其中转子电流是相同的)，但是采用无电刷和静态激励系统的性能几乎是相同的，均高于此水平。起动时间仅增加约25秒，而且应用稍微高的SFC电流(到额定值的50％)将使起动时间降低到低于用静态激励系统的同样起动系统的起动时间。因为连续SFC电流通常基于要求起动系统高速度运行(点火后)，而不要求低速加速(受机械原因的影响)，所以可以使无电刷励磁机的起动系统性完全比得上采用静态激励系统的起动系统的性能。
这些模拟证明，可以应用说明的技术，以发电机作起动马达，用输送发电机转子电流的静态变频器和输送发电机场电流的无无电刷励磁机，起动具有无电刷励磁机的燃气轮机发电机。虽然这种方案稍慢于采用具有同样FSC电流的静态激励方案，但是，通过优化设备参数和其使用，可以接近用静态激励方法静态起动的速度。对于采用无电刷激励作为其常规激励方法的发电机，无电刷激励方案应当远比静态起动的其它起动替代方案经济。
下面另外参照图6，说明按特殊形式装配成可以实施上述方法的燃气轮机发电机10。除已经说明的部件轴12、燃气轮机14、转子16、定子18、励磁机20、转动装置22和定子电源26以外，该燃气轮机发电机10还例示性示出包括起动控制器28。该起动控制器28连接于转动装置22和定子电源26。
该起动控制器28例示性包括处理器58和连接于该处理器的存贮器60，该控制器28连接于输入/输出装置，利用这种装置，通过键盘可以键入指令，同时通过显示屏64将数据显示给使用人。
该起控制器28还例示性包括连接于处理器58的转轴传感器66，该传感器用于显示轴12的转动速度。检测轴12的转动还可以检测到转动装置22的转动速度。该起动控制器28除轴传感器66而外，还包括转动装置传感器，这种传感器或者可代替该轴传感器66。
另外，起动控制28还例示性包括连接在处理器58和转动装置22之间的转动装置界面68。处理器53通过转动装置介面68控制转动装置22的转动速度。如上所述，转动装置22通常具有在燃气轮机发电机10不操作时的转动该轴的标称速度和高转速，轴在该转速下转动，使直流场励磁机20的电枢30转动，从而向定18输送直流功率。因此在起动期间，轴传感器66将检测轴12的转动速度，并且处理器58将通过转动装置介面68使转动装置22将轴12的转动速度增加到高转动速度。
起动控制器28还使定子电源26在轴12转动转子16达到高转动速度时向定子18输送电功率。因此，起动控制器28例示性包括连接在处理器58和定子电源26之间的定子电界面70。处理器58通过该定子电源界面70使定子电源26向定子18输送电流。
起动控制器28还例示性包含连接在处理器和转动装置离合器装置24之间的转动装置离合器控制器72，以便在定子电源向定子18提供电功率之后，使转动装置22与轴12脱离。另外，起动控制器28还例示性包括连接于处理器58的计时器74，以便使起动控制器终止起动，除非轴12在最长起动时间之前达到起动转速。另外，起动控制器28还例示性包括连接于处理器58的过电压检测器76和检测定子18电压的传感器78。如果需要降低定子18可能出现的过电压状态，可以降低处理器控制的从定子电源26输送到定子18的输送功率。
阅读了上文中和相关附图中说明，业内人士可以想出本发明的很多变型和其它实施例，因此应当明白，本发明不限于所说明的特定实施例，而且其它变型和其它实施例应当包含在所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种起动燃气轮机发电机的方法，该燃气轮机发电机包括一根轴；用于在操作时驱动该轴和具有起动转速的一燃气轮机；一根连接于该轴的转子；一个包围该转子的定子；一个包含一电枢和连接于该轴的旋转整流器的直流电场励磁机；包围该电枢的直流电场以及转动该轴的转动装置；该方法包括构制燃气轮机发电机，将该转子连接成接收来自该直流电场励磁机的旋转整流器的所有直流电功率；用该转动装置转动该轴，使直流电场励磁机向该发电机转子提供直流电场功率；随着该轴的转动，向该定子提供可变频率和可变电压的电功率，使得该定子与转子配合，作为一马达来工作，由此将该轴的转速提高到该燃气轮机的起动转速。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该构制步骤包括将该转子构制成没有电刷或者滑环。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该转动装置具有一标称旋转速度和一高旋转速度；其中用该转动装置转动该轴的步骤包括将轴的转速从该标称转速提高到该高转速。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在该转动装置达到高转速时，完成向该定子输送电功率。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，基本上在与开始向该定子输送电功率的同时，还包括脱开该转动装置。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该燃气轮机具有最长起动时间；其中向该定子输送电功率的步骤包括这样输送电功率，使得在该最长起始时间之前，该轴达到该起动转速。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该直流电场励磁机包括无刷直流电场励磁机。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括向该直流电场励磁机的电场输送电功率。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，向该定子输送电功率的步骤包括从一静态变频器输送电功率。
10.一种起动燃气轮机发电机的方法，该发电机包括一根轴；用于在操作时驱动该轴和具有起动转速的一燃气轮机；一根连接于该轴的转子；一个包围该转子的定子；一个包括连接于该轴的一电枢和围绕该电枢的一电场，将该转子连接成接收来自该直流电场励磁机的电枢的所有直流功率的直流电场励磁机；以及在标称旋转速度和高旋转速度之间用以转动该轴的一转动装置；该方法包括用该转动装置转动该轴达到其高旋转速度，由此使该直流电场励磁机向该转子提供所有直流电功率；在达到该高转速时，随着该轴的转动，向该定子输送电功率，使得该定子与该转子配合，作为一马达工作，从而将该轴的转速提高到该燃气轮机的起动转速。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括在向该定子输送电功率之后断开该转动装置。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该燃气轮机具有最长起动时间；其中向该定子输送电功率的步骤包括这样输送电功率，使得该轴在该最长时间之前达到该起动转速。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该直流电场励磁机包含无刷的直流场励磁机。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括向该直流电场励磁机的电场输送电功率。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，向定子输送电功力的步骤包括输送电功率力，以避免该定子的过电压状态。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，向该定子输送电功率的步骤包括从静态变频器输送电功率。
17.一种燃气轮机发电机，包括一根轴；一个用于在操作时驱动上述轴并具有起动转速的燃气轮机；一个连接于上述轴的转子；一个包围上述转子的定子；一个直流电场励磁机，包括连接于上述轴的一个电枢和包围上述电枢的向该旋转整流器供电的一个电场，上述整流器连接于上述转子，从而向该转子提供所有的直流电功率；用于转动上述轴的一转动装置；定子电源，用于向上述定子提供频率和振幅可变的电功率；起动控制器，该控制器连接于上述转动装置和上述定子电源，以便控制转动上述轴的上述转动装置，使得上述直流电场励磁机向上述转子提供所有的直流电功率；控制上述定子电源，以便随着上述轴的转动，向上述定子输送电功率，使得上述定子与上述转子配合，作为一马达工作，从而将上述轴的转速提高到上述燃气轮机的起动转速。
18.如权利要求17所述的燃气轮机发电机，其特征在于，该转子没有电刷或滑环。
19.如权利要求18所述的燃气轮机发电机，其特征在于，该转动装置具有标称转速和高转速；其中上述起动控制器使该轴与该转动装置一起转动，而该轴的转速从该标称转速提高到该高转速。
20.如权利要求19所述的燃气轮机发电机，其特征在于，该定子电源在该轴达到该高转速时，向该定子输送电功率。
21.如权利要求20所述的燃气轮机发电机，其特征在于，基本上在该定子电源开始向该定子输送电功率的同时，该转动装置与该轴脱开。
22.如权利要求17所述的燃气轮机发电机，其特征在于，该燃气轮机具有最长的起动时间；其中上述起动控制器使该转动装置转动该轴，并且该定子电源向该定子输送电功率，使得该轴在该最长动时间之前达到该起动转速。
23.如权利要求17所述的燃气轮机发电机，其特征在于，该直流电场励磁机包括一无电刷的直流电场励磁机。
24.如权利要求17所述的燃气轮机发电机，其特征在于，该定子电源是一静态变频器。
全文摘要
起动燃气轮机发电机10的方法包括按一定形式装配发电机，使得发电机的转子16连接成可以从直流电场无电刷励磁机20的电枢30接收旋转整流器整流后的所有直流电功率。该方法还包括使直流电场无电刷励磁机20向转子16提供所有直流电功率，提供方法是用转动装置22转动轴12，使其驱动直流电场无电刷励磁机20和转子16。方法还包括在转子12转动时，向发电机的定子18输送电功率，使得定子18提供加速转矩而操作为同步马达，将轴12的转速提高到起动转速。燃气轮机发电机包括起动控制器28，用于控制轴12的转速和向定子18输送的电功率。
文档编号F02C7/268GK1653262SQ03810592
公开日2005年8月10日 申请日期2003年4月18日 优先权日2002年5月10日
发明者R·J·纳尔逊 申请人:西门子西屋电力公司