本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机涉及一种大容量的在高、中、低负荷区间，高效节能、低碳排放、可控性好、运行灵活、启停快速、一次调频能力强的电站使用的重型燃气轮机。
(二)
背景技术：
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20世纪90年代以来，燃气-蒸汽联合循环的成熟发展，联合循环机组的热效率整体得到较大提高，电站用重型燃气轮机已成为电网中发电设备的重要组成部分。
根据工作时燃烧温度的高低和机组功率大小，现有技术电站用重型燃气轮机共分为a-b-c-d-e-f-g-h八个级别。燃气轮机的进气温度越高，机组功率越大，级别越高，热效率越高，通常燃气轮机的排气温度也越高。
已投入商业运行的最先进的现有技术电站用重型燃气轮机为h级燃气轮机；世界上，不同制造商设计、生产的h级燃气轮机具有的共有技术特征是：
a.透平式压气机与燃气涡轮同轴、同转速，发电机并网后，透平式压气机转速不可调；
b.透平式压气机的级数分布在13级至17级；
c.压缩比分布在19.2至23；
d.配置1级可调进口导叶和3级可调静叶，空气流量调节范围大致在50％～100％。
现有技术燃气轮机通常与余热锅炉、蒸汽轮机组成燃气-蒸汽联合循环系统；该蒸汽轮机再热或不再热、无回热抽汽口，具有中、低压补汽进口；该蒸汽轮机配有必要的辅机，如凝结水泵、循环水泵、凝汽器、真空泵、冷却塔、润滑油系统、控制油系统、旁路系统等；该余热锅炉通常设计成双压或者三压，分别提供不同压力的过热蒸汽，每一压力均有自己的省煤器、蒸发器、汽包、过热器；通常燃气轮机驱动的发电机所发电量约占燃气-蒸汽联合循环机组的2/3；蒸汽轮机驱动的发电机所发电量约占燃气-蒸汽联合循环机组的1/3。
现有技术也有用集群的现有技术的重型燃气轮机与压水堆蒸汽轮机组成联合循环，以期取得更高的热效率。
(三)
技术实现要素：
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所要解决的技术问题：
现有技术的电站用重型燃气轮机透平式压气机与燃气涡轮同轴、同转速，发电机并网后，透平式压气机转速不可调；依靠所配置的1级可调进口导叶和3级可调静叶，空气流量由100％负荷，向下调节到50％负荷，压气机效率已明显下降，再继续降负荷，压气机效率将急剧下降，还有陷入喘振的可能；
与煤炭相比较天然气价格昂贵，电站用重型燃气轮机通常用于调峰，以弥补风电、光伏等新能源的反调峰特性，但现有技术的电站用重型燃气轮机低负荷下热耗剧增，低负荷下，压气机的工作效率连40％都不到，现有技术的电站用重型燃气轮机的调峰特性并不理想，甚至于还不如现有技术的燃煤机组。
解决其技术问题采用的技术方案：
本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机采取与现有技术完全不同的技术路线，改变“透平式压气机与燃气涡轮同轴、同转速，发电机并网后，透平式压气机转速不可调；”的设计，透平式压气机由变速同步电机驱动，从启动、带低负荷、中间负荷、高负荷，全程变转速调节，透平式压气机全程运行在高效率工况下；燃气涡轮产生的轴功率经由相应的发电机全部转换为电能。
本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机包括压气机(1)、变速同步电机(2)、静态励磁装置(3)、变频电源(4)、燃烧室(5)、燃气涡轮(6)、发电机(7)；变频电源(4)输入端接3相10kv、50hz厂用高压母线，输出3相1hz到120hz/3相1hz到60hz的波形良好的交流，输出电压随输出频率的升高而升高，在输出频率达到120hz/60hz时，输出电压达到10kv；变速同步电动机(2)配有静态励磁装置(3)；变速同步电动机(2)受变频电源(4)驱动，转速在60rpm到7200rpm/60rpm到3600rpm无级可调；变速同步电动机(2)与压气机(1)经对轮直联，最高转速时输出轴功率足以将额定的空气量压缩到额定的压缩比，并留有必要的余量；压气机(1)的吸入口经过滤组件集群吸入空气，压气机(1)的出口经管道与燃烧室(5)的空气入口相连接；燃烧室(5)的高温烟气出口经高温烟道与燃气涡轮(6)相连接；燃气涡轮(6)出口的燃气涡轮尾气送余热锅炉烟气入口；燃气涡轮(6)的输出轴与发电机(7)经对轮直联；发电机(7)将燃气涡轮(6)的输出轴功率最高效率地转化为电功率。
发明的有益效果：
·变速同步电机驱动的压气机，转速在0至100％区间内无级可调，压气机在整个高、中、低负荷区间内可保持高效率运行，也不会发生喘振；
·变速同步电机驱动的压气机可以精确调节燃气轮机不同负荷下，不同气象条件下所需要的空气的质量流量和压缩比；
·变速同步电机驱动的压气机可以全部由透平级构成；也可以由透平级和离心级混合构成；
·变速同步电机驱动的压气机的最高转速可以与燃气涡轮转速相同，以便充分利用现有技术传统同步电机的成熟产品线；
·变速同步电机驱动的压气机的最高转速也可以是燃气涡轮转速一倍或者更高，同样压缩比、同样质量流量的压气机，其体积、重量、级数、制造成本将明显下降；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，可以设计、制造压缩比大于23的，燃气初温高于1700℃的电站用重型燃气轮机，以取得更高的燃气轮机单循环效率和燃气轮机-蒸汽轮机联合循环效率；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，重型燃气轮机轴输出最高电功率将成倍增加，燃气轮机-蒸汽轮机联合循环的发电热耗大幅度显著降低；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，重型燃气轮机轴输出电功率将成倍增加，燃气轮机-蒸汽轮机联合循环中、低负荷下的供电热耗显著降低，高负荷下的供电热耗也有所降低；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，可以设计、制造燃气轮机轴输出电功率达1000mw或更高出力的重型燃气轮机；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，通过精细调节压气机出口空气压力、质量流量及燃料量的方法，同一型号的重型燃气轮机，容易匹配不同安装地点的大气压力、不同季节的大气温度，取得优良的技术经济指标；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，通过精细调节压气机出口空气压力、质量流量及燃料量的方法，可以安全、平稳、快速启停重型燃气轮机；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，通过精细调节压气机出口空气压力、质量流量及燃料量的方法，可以扩大重型燃气轮机的调峰负荷响应区间，并维持重型燃气轮机尾气温度在目标值，只在较小的需要的范围内波动；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，驱动压气机的变速同步电机的启动电流不会超过该变速同步电机的额定电流；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，燃烧室有较大的布置空间，容易实现分级送风、烟气再循环、喷水等低氮燃烧措施，大幅度降低nox生成量；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，容易实现燃气-蒸汽联合循环之间的回热安排，显著降低燃气-蒸汽联合循环的热耗；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，压气机在启动工况和低负荷工况远离喘振临界线，发生喘振的可能性大大减少，也无需在压气机的中间级设置排气孔，以防止喘振发生，运行的安全性和经济性显著提高；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，高精度大件机械加工工作量大幅度减少，转子重量、转子转动惯量大幅度减少，设计、制造、安装、调试成本降低，容易实现模块化，系列化，大型化；
·依托本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机，特别适合与压水堆蒸汽轮机组成联合循环，以较高的燃烧室燃烧温度和燃气涡轮尾气温度，取得更高的联合循环热效率。
(四)附图说明：
图1为变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机系统图。
在图1中：
1压气机、2变速同步电机
3静态励磁装置、4变频电源、
5燃烧室、6燃气涡轮、
7发电机。
(五)具体实施方式：
实施例1：
现结合图1以一台h级(仅指其燃气涡轮进口温度和最大尾气质量流量与现有技术h级相若)变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机(120hz方案)为例，说明实现本发明的优选方式。
本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机包括压气机(1)、变速同步电机(2)、静态励磁装置(3)、变频电源(4)、燃烧室(5)、燃气涡轮(6)、发电机(7)；变频电源(4)输入端接3相10kv、50hz厂用母线，输出3相1hz到120hz的波形良好的交流，输出电压随输出频率的升高而升高，在输出频率达到120hz时，输出电压达到10kv；变速同步电动机(2)配有静态励磁装置(3)；变速同步电动机(2)受变频电源(4)驱动，转速在60rpm到7200rpm无级可调；变速同步电动机(2)与压气机(1)经对轮直联，最高转速时输出轴功率720mw；压气机(1)的吸入口经过滤组件集群吸入空气，压气机(1)的出口经管道与燃烧室(5)的空气入口相连接；燃烧室(5)的高温烟气出口经高温烟道与燃气涡轮(6)相连接；燃气涡轮(6)出口的燃气涡轮尾气送余热锅炉烟气入口；燃气涡轮(6)的输出轴与发电机(7)经对轮直联；发电机(7)的最高输出功率1200mw。
变频电源(4)为功率模块串联式高压变频电源，输入3相10kv工频、输出3相1hz到120hz、0.08kv-10kv的交流、过载系数1.5；具有启动模式和节能模式两种运行模式；启动模式，包括0转速启动和旋转启动具有矢量控制特性；节能模式，具有vvvf特性；变频电源(4)的主控板与静态励磁装置(3)的主控板之间互相通讯，保证变速同步电机(2)不失步同时保持高效率、高功率因素；变频电源(4)的移相变压器及功率电子器件均为水冷、防护等级ip67。
变速同步电机(2)输入1hz-120hz、0.08kv-10kv；转速60rpm-7200rpm；静态励磁、f级绝缘、水氢氢冷却，氢压0.4mpa、防护等级ip67；滑动轴承、强制润滑。
静态励磁装置(3)受变频电源(4)的协调控制，满足启动模式、节能模式和故障停机各工况下变速同步电机(2)的励磁需要；静态励磁装置(3)自带灭磁回路。
压气机(1)采用全透平级，7级；吸气温度20℃时，最高压缩比21，滑动轴承，强制润滑。
实施例2：
现结合图1以一台h级(仅指其燃气涡轮进口温度和最大尾气质量流量与现有技术h级相若)变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机(60hz方案)为例，说明实现本发明的优选方式。
本发明变速同步电机驱动压气机的重型燃气轮机包括压气机(1)、变速同步电机(2)、静态励磁装置(3)、变频电源(4)、燃烧室(5)、燃气涡轮(6)、发电机(7)；变频电源(4)输入端接3相10kv、50hz厂用母线，输出3相1hz到60hz的波形良好的交流，输出电压随输出频率的升高而升高，在输出频率达到60hz时，输出电压达到10kv；变速同步电动机(2)配有静态励磁装置(3)；变速同步电动机(2)受变频电源(4)驱动，转速在60rpm到3600rpm无级可调；变速同步电动机(2)与压气机(1)经对轮直联，最高转速时输出轴功率720mw；压气机(1)的吸入口经过滤组件集群吸入空气，压气机(1)的出口经管道与燃烧室(5)的空气入口相连接；燃烧室(5)的高温烟气出口经高温烟道与燃气涡轮(6)相连接；燃气涡轮(6)出口的燃气涡轮尾气送余热锅炉烟气入口；燃气涡轮(6)的输出轴与发电机(7)经对轮直联；发电机(7)的最高输出功率1200mw。
变频电源(4)为功率模块串联式高压变频电源，输入3相10kv工频、输出3相1hz到60hz、0.16kv-10kv的交流、过载系数1.5；具有启动模式和节能模式两种运行模式；启动模式，包括0转速启动和旋转启动具有矢量控制特性；节能模式，具有vvvf特性；变频电源(4)的主控板与静态励磁装置(3)的主控板之间互相通讯，保证变速同步电机(2)不失步同时保持高效率、高功率因素；变频电源(4)的移相变压器及功率电子器件均为水冷、防护等级ip67。
变速同步电机(2)输入1hz-60hz、0.16kv-10kv；转速60rpm-3600rpm；静态励磁、f级绝缘、水氢氢冷却，氢压0.4mpa、防护等级ip67；滑动轴承、强制润滑。
静态励磁装置(3)受变频电源(4)的协调控制，满足启动模式、节能模式和故障停机各工况下变速同步电机(2)的励磁需要；静态励磁装置(3)自带灭磁回路。
压气机(1)采用全透平级，15级；吸气温度20℃时，最高压缩比21，滑动轴承，强制润滑。