機(jī)械驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的燃?xì)鉁u輪機(jī)及操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文中公開的主題涉及對(duì)于在機(jī)械驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中使用的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)。特別地，但非排它性地，本公開涉及用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、例如用于液化天然氣設(shè)施中的制冷劑流體的壓縮機(jī)的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)。
[0002]本公開還涉及用于操作包括燃?xì)鉁u輪機(jī)和負(fù)載的系統(tǒng)的方法中的改進(jìn)，該負(fù)載例如為用于LNG的壓縮機(jī)、或用于油氣應(yīng)用的壓縮機(jī)、泵或其它旋轉(zhuǎn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]液化天然氣(LNG)來源于液化工藝，在該液化工藝中，利用處于級(jí)聯(lián)(cascade)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)制冷循環(huán)來冷卻天然氣，直到它變成液體。例如在管道運(yùn)輸是不可能的或在經(jīng)濟(jì)上是難以實(shí)施的情況下，出于存儲(chǔ)或運(yùn)輸?shù)哪康?，天然氣通常是液化的?br>[0004]利用閉合式或開放式制冷循環(huán)來執(zhí)行天然氣的冷卻。制冷劑在一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)中進(jìn)行處理、被冷凝并膨脹。膨脹的、冷凍了的制冷劑用于從在熱交換器中流動(dòng)的天然氣中移除熱量。
[0005]LNG中的制冷劑壓縮機(jī)、用于管道應(yīng)用的壓縮機(jī)或用于油氣工業(yè)中的多種應(yīng)用的其它旋轉(zhuǎn)裝置通常由燃?xì)鉁u輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。該燃?xì)鉁u輪機(jī)動(dòng)力可獲量(power availability)(即可在渦輪機(jī)動(dòng)力軸上獲得的動(dòng)力)取決于諸如空氣溫度之類的環(huán)境狀況和諸如老化之類的其它因素。渦輪機(jī)動(dòng)力可獲量隨著溫度的降低而增大，并且相反隨著溫度的升高而減小。這由于日溫度波動(dòng)和季節(jié)性溫度波動(dòng)而導(dǎo)致該動(dòng)力可獲量既在24小時(shí)內(nèi)波動(dòng)又在一年內(nèi)波動(dòng)。
[0006]已經(jīng)建議提供一種與燃?xì)鉁u輪機(jī)相結(jié)合以驅(qū)動(dòng)由例如一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)構(gòu)成的負(fù)載的電動(dòng)機(jī)。操作該電動(dòng)機(jī)以向負(fù)載補(bǔ)充機(jī)械動(dòng)力，以便在該渦輪機(jī)的動(dòng)力可獲量減少時(shí)，將負(fù)載軸上的全部機(jī)械動(dòng)力維持恒定，和/或增大用于驅(qū)動(dòng)該負(fù)載的總機(jī)械動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)的該功能被稱之為輔助器工作狀態(tài)(helper duty)。同一電動(dòng)機(jī)通常還用作起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以將由燃?xì)獾溳啓C(jī)和負(fù)載形成的串(string)從零加速至額定速度。
[0007]當(dāng)由渦輪機(jī)產(chǎn)生過量的機(jī)械動(dòng)力時(shí)，例如在環(huán)境溫度降低成低于設(shè)計(jì)溫度并且渦輪機(jī)的動(dòng)力可獲量隨后增大的情況下，在將輔助電動(dòng)機(jī)用作發(fā)電機(jī)的同時(shí)，由燃?xì)鉁u輪機(jī)產(chǎn)生的過量的機(jī)械動(dòng)力被轉(zhuǎn)換成電力。
[0008]圖1示意性地示出了一種包括燃?xì)鉁u輪機(jī)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)燃?xì)鉁u輪機(jī)被設(shè)置成用于機(jī)械驅(qū)動(dòng)應(yīng)用、即用于驅(qū)動(dòng)不同于發(fā)電機(jī)的負(fù)載的、特別是用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或壓縮機(jī)組。該系統(tǒng)101包括燃?xì)鉁u輪機(jī)103。該燃?xì)鉁u輪機(jī)又由燃?xì)獍l(fā)生器105和動(dòng)力渦輪機(jī)107構(gòu)成。該燃?xì)獍l(fā)生器105由壓縮機(jī)109和高壓禍輪機(jī)111構(gòu)成。該燃?xì)獍l(fā)生器105包括燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子，該燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子包括壓縮機(jī)109的轉(zhuǎn)子109R和高壓渦輪機(jī)111的轉(zhuǎn)子11 IR。壓縮機(jī)109的轉(zhuǎn)子109R和高壓渦輪機(jī)111的轉(zhuǎn)子IllR安裝在共同軸上并一起形成燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子。
[0009]壓縮機(jī)109對(duì)向燃燒室或燃燒器113遞送的環(huán)境空氣進(jìn)行壓縮，在該燃燒室或燃燒器113處，壓縮空氣與液態(tài)或氣態(tài)燃料混合并且燃料/空氣混合物被點(diǎn)燃以產(chǎn)生燃燒氣體。高溫和高壓燃燒氣體在高壓渦輪機(jī)111中被部分膨脹。由高壓渦輪機(jī)111中的氣體膨脹產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)109。
[0010]離開高壓渦輪機(jī)111的熱的且部分膨脹的氣體流過動(dòng)力渦輪機(jī)或低壓渦輪機(jī)107。燃燒氣體在動(dòng)力渦輪機(jī)107中膨脹以產(chǎn)生可在負(fù)載聯(lián)接軸115上獲得的機(jī)械動(dòng)力?？稍谪?fù)載聯(lián)接軸115上獲得的動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)總體上被標(biāo)記為117的負(fù)載旋轉(zhuǎn)。例如，該負(fù)載117可包括壓縮機(jī)或壓縮機(jī)組。在圖1的實(shí)施例中，負(fù)載117包括雙壓縮機(jī)117A、117B。
[0011]動(dòng)力渦輪機(jī)107的轉(zhuǎn)子與由壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子109R和高壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子IllR形成的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子機(jī)械地分離開，即，并不扭轉(zhuǎn)地聯(lián)接于該燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子。
[0012]燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子通過軸119連接于輔助減速齒輪121。該輔助減速齒輪121具有輸入軸123，該輸入軸123機(jī)械地聯(lián)接至作為起動(dòng)器起作用的電動(dòng)機(jī)125。變矩器127和可選的離合器129設(shè)置在起動(dòng)器125與輔助減速齒輪121的輸入軸123之間。
[0013]起動(dòng)器125連接至以G示意性地示出的配電網(wǎng)。
[0014]電動(dòng)機(jī)或起動(dòng)器125用于使該燃?xì)鉁u輪機(jī)103起動(dòng)。起動(dòng)通過為電動(dòng)機(jī)125通電并通過經(jīng)由變矩器127驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子以逐漸增大的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)來執(zhí)行。一旦足量的空氣流經(jīng)壓縮機(jī)109，就可通過向燃燒器113遞送燃料來點(diǎn)燃該燃?xì)獍l(fā)生器。燃燒氣體被經(jīng)由動(dòng)力渦輪機(jī)107傳送并且燃?xì)鉁u輪機(jī)103開始旋轉(zhuǎn)負(fù)載117。變矩器127使燃?xì)鉁u輪機(jī)103能夠在電動(dòng)機(jī)125根據(jù)電網(wǎng)頻率以定速旋轉(zhuǎn)時(shí)逐漸加速。
[0015]附圖標(biāo)記131表示電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)作為輔助器起作用并設(shè)置于包括燃?xì)鉁u輪機(jī)103和負(fù)載117的該串的與電動(dòng)機(jī)125相對(duì)的端部處。輔助器131將電力轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)力以例如在可從燃?xì)鉁u輪機(jī)103獲得的動(dòng)力例如由于增大的環(huán)境溫度而降低時(shí)與燃?xì)鉁u輪機(jī)103相結(jié)合來驅(qū)動(dòng)負(fù)載117。
[0016]該系統(tǒng)101是復(fù)雜的并具有大覆蓋區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本文中公開的主題提供了一種混合系統(tǒng)，其中，雙軸燃?xì)鉁u輪機(jī)結(jié)合有可在電動(dòng)機(jī)模式中或在發(fā)電機(jī)模式中切換的可逆電機(jī)。當(dāng)被切換到電動(dòng)機(jī)模式中時(shí)，該可逆電機(jī)可根據(jù)燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況提供輔助器工作狀態(tài)或起動(dòng)器工作狀態(tài)。當(dāng)被切換到發(fā)電機(jī)模式中時(shí)，可逆電機(jī)可將通過使混合到壓縮空氣流中的燃料燃燒產(chǎn)生的可用機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)換成電力。該電力可向配電網(wǎng)遞送。在一些實(shí)施例中或在一些狀況下，例如在配電網(wǎng)損失或缺少的情況下，發(fā)電機(jī)可供給用于包括燃?xì)鉁u輪機(jī)和由此驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的該系統(tǒng)的設(shè)施和輔助裝置的電力。
[0018]該燃?xì)鉁u輪機(jī)可包括帶有燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器、燃燒器和高壓渦輪機(jī)。來自燃燒器的燃燒氣體經(jīng)由高壓渦輪機(jī)遞送以產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力，該機(jī)械動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)。由該燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)取得并壓縮的空氣被向燃燒器遞送，與燃料流混合并被點(diǎn)燃以產(chǎn)生燃燒氣體流。部分膨脹的燃燒氣體流在動(dòng)力渦輪機(jī)中進(jìn)一步膨脹，以驅(qū)動(dòng)該負(fù)載。該動(dòng)力渦輪機(jī)具有安裝成用于在動(dòng)力渦輪機(jī)軸上旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力轉(zhuǎn)子，該動(dòng)力轉(zhuǎn)子在機(jī)械方面不受到燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子的影響?？赡骐姍C(jī)、即電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)被機(jī)械地約束于燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子或可連接于該燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子，同時(shí)該負(fù)載經(jīng)由負(fù)載聯(lián)軸器等被機(jī)械地約束于動(dòng)力渦輪機(jī)軸。當(dāng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)起作用、即提供輔助器工作狀態(tài)時(shí)，來自電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的動(dòng)力被用熱力學(xué)的方式向動(dòng)力渦輪機(jī)傳遞，如將在下文中更為詳細(xì)地說明的那樣，參照本文中公開的主題的一些實(shí)施例進(jìn)行說明。相反，如果將電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)切換成發(fā)電機(jī)模式，則用熱力學(xué)的方式再次獲得從高壓渦輪機(jī)向動(dòng)力渦輪機(jī)傳遞的動(dòng)力的降低。
[0019]根據(jù)一些實(shí)施例，由此提供了一種用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括燃?xì)鉁u輪機(jī)，該燃?xì)鉁u輪機(jī)包括:燃?xì)獍l(fā)生器，該燃?xì)獍l(fā)生器具有燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子并包括至少一個(gè)燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)該燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)的一個(gè)高壓渦輪機(jī)；和動(dòng)力渦輪機(jī)，該動(dòng)力渦輪機(jī)具有動(dòng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，該動(dòng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在扭轉(zhuǎn)方面不受到所述燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子的影響。在扭轉(zhuǎn)方面不受影響意指動(dòng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子可以不同的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)并被構(gòu)建和設(shè)置機(jī)械分離的構(gòu)件，從燃?xì)獍l(fā)生器至動(dòng)力渦輪機(jī)的動(dòng)力被用熱力學(xué)的方式經(jīng)過燃燒氣體流傳遞。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括負(fù)載聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，該負(fù)載聯(lián)軸器將動(dòng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子連接于負(fù)載，該電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)機(jī)械地連接于燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子并電氣地連接于電力網(wǎng)。該電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)適于交替地作用為:用于將來自所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)換成電力的發(fā)電機(jī)；和用于向負(fù)載補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)、即輔助器。
[0020]在一些實(shí)施例中，可使電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)在電動(dòng)機(jī)模式中運(yùn)轉(zhuǎn)以起動(dòng)該燃?xì)鉁u輪機(jī)。單獨(dú)的起動(dòng)器可由此被省略掉。
[0021]可在電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與電力網(wǎng)之間設(shè)置頻率轉(zhuǎn)換器。該頻率轉(zhuǎn)換器使電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)能夠以不受到電力頻率影響的速度旋轉(zhuǎn)?？勺冞\(yùn)轉(zhuǎn)頻率用于例如在啟動(dòng)時(shí)使該燃?xì)鉁u輪機(jī)逐漸加速，以致于無需變矩器。該頻率轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步用于在電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)在發(fā)電機(jī)模式中運(yùn)轉(zhuǎn)并以不同于電網(wǎng)頻率的頻率產(chǎn)生電能時(shí)，調(diào)節(jié)由該電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力。
[0022]該燃?xì)鉁u輪機(jī)可設(shè)置有流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，該流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置并控制成用于改變經(jīng)過該燃?xì)鉁u輪機(jī)的空氣流量或燃燒氣體流量。流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)是能夠例如通過改變渦輪機(jī)組的入口處的截面來調(diào)節(jié)經(jīng)過該燃?xì)鉁u輪機(jī)的氣態(tài)流的流量的結(jié)構(gòu)。特別地，該流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可包括處于動(dòng)力渦輪機(jī)的入口處的可移動(dòng)的噴嘴導(dǎo)葉。這些可移動(dòng)的噴嘴導(dǎo)葉可被控制成用于改變流動(dòng)截面并由此改變高壓渦輪機(jī)與動(dòng)力渦輪機(jī)之間的壓力狀況。在可移動(dòng)的噴嘴導(dǎo)葉上的作用導(dǎo)致了對(duì)于由高壓渦輪機(jī)中的燃燒氣體執(zhí)行的焓降的改變并由此導(dǎo)致了對(duì)于可在動(dòng)力渦輪機(jī)的入口處獲得的焓的改變。
[0023]在一些其它實(shí)施例中，該流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可包括處于燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)的入口處的可移動(dòng)的入口導(dǎo)葉，用于改變由燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)取得的空氣的入流狀況。
[0024]根據(jù)另一方面，本文中公開的主題涉及一種用于利用燃?xì)鉁u輪機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方法，所述方法包括下列步驟:
[0025]在具有燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子的燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)中對(duì)燃燒空氣進(jìn)行壓縮，
[0026]將燃燒空氣與燃料混合，點(diǎn)燃空氣/燃料混合物并產(chǎn)生壓縮的燃燒氣體；
[0027]使燃燒氣體在高壓渦輪機(jī)中部分膨脹并產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)；
[0028]使燃燒氣體在具有動(dòng)力渦輪機(jī)軸的動(dòng)力渦輪機(jī)中進(jìn)一步膨脹，該動(dòng)力渦輪機(jī)軸在扭轉(zhuǎn)方面與高壓渦輪機(jī)斷開連接；