機械驅動應用中的燃氣輪機和操作方法
【技術領域】
[0001]本文中公開的主題涉及對機械驅動應用中使用的燃氣輪機系統(tǒng)的改進。特別地，但不是唯一地，本公開涉及用于驅動壓縮機的燃氣輪機系統(tǒng)，例如，用于液化天然氣設施中的制冷液的壓縮機，用于在管道運輸中壓縮氣體的壓縮機等。
[0002]本公開進一步涉及操作系統(tǒng)的方法的改進，該系統(tǒng)包括燃氣輪機和負載，負載例如是用于LNG或用于油和氣體應用的壓縮機、栗或其它旋轉設備。
[0003]本公開進一步涉及用于在氣體管道中存儲壓力能的系統(tǒng)。
【背景技術】
[0004]液化天然氣(LNG)由液化過程產生，其中，利用在串級布置中的一個或更多個制冷循環(huán)來冷卻天然氣，直到它變成液體。天然氣通常被液化用于存儲或運輸目的，例如如果管道運輸不可能或從經濟上說難以實行。
[0005]使用閉式或開式制冷循環(huán)來執(zhí)行天然氣的冷卻。冷凍劑在一個壓縮機或多個壓縮機中被處理，冷凝或膨脹。膨脹的、已經冷卻的冷凍劑被用來從流入換熱器中的天然氣吸熱。
[0006]反之，當可能或經濟上合算時，通常使用管道運輸來運送氣體。為了將管道中氣體維持在一定壓力下，沿著該管道布置一個或更多個壓縮機。
[0007]LNG中的冷凍劑壓縮機，用于管道應用的壓縮機或用于油氣工業(yè)應用中的其它旋轉設備，通常由燃氣輪機驅動。燃氣輪機功率可用性(即，在渦輪動力軸上的可用功率)取決于環(huán)境狀態(tài)(例如空氣溫度)以及其它因素(例如壽命)。渦輪機功率可用性隨著降低的溫度升高，并且反之，隨著升高的溫度降低。這導致功率可用性在24小時內以及一年中均發(fā)生波動，這歸咎于日常的和季節(jié)性的溫度波動。
[0008]已經提出提供結合燃氣輪機(例如，重型燃氣輪機或航空燃氣輪機)的電動機來驅動負載。當渦輪機的功率可用性減小和/或為了增大用來驅動負載的總機械能時，電動機被操作從而為負載補充機械能，從而將負載軸上的全部機械能維持常量。電動機的該功能被稱為助手職能。另一電動機或者備選地氣動馬達通常也被用作啟動發(fā)動機，從而將燃氣輪機的速度從零加速至額定轉速。
[0009]當由渦輪機生成了過量的機械能時，例如如果環(huán)境溫度降低到設計溫度以下并且隨之增大渦輪機的功率可用性，或者壓縮機需要的機械負載降低，使用電助手發(fā)動機作為發(fā)生器，將渦輪機生成的過量的機械能轉變?yōu)殡娔堋?br>[0010]圖1示意性地示出了一種系統(tǒng)，其包括被布置用來在機械驅動應用中也就是驅動一個壓縮機或壓縮機組的燃氣輪機。系統(tǒng)101包括重型燃氣輪機103。燃氣輪機依次由燃氣發(fā)生器105和動力渦輪107組成。燃氣發(fā)生器105由壓縮機109和高壓渦輪111組成。燃氣發(fā)生器105包括燃氣發(fā)生器轉子，燃氣發(fā)生器轉子包括壓縮機109的轉子109R和高壓渦輪111的轉子11 IR。壓縮機109的轉子109R和高壓渦輪111的轉子11 IR被安裝在公共軸上并且一起形成燃氣發(fā)生器轉子。[0011 ]壓縮機109壓縮環(huán)境空氣，其被輸送到燃燒室或燃燒器113，在那里壓縮空氣與液態(tài)或氣態(tài)燃料混合并且燃料/空氣混合物被點燃從而生成燃氣。高溫和高壓燃氣部分地被膨脹進入高壓渦輪111。通過高壓渦輪111中的氣體膨脹生成的機械能被用來驅動壓縮機109。
[0012]從高壓渦輪111流出的熱的和部分地膨脹的燃氣流過動力渦輪或低壓渦輪107。燃氣膨脹進入動力渦輪107從而生成可以用在負載聯(lián)接軸117上的機械能。負載聯(lián)接軸117上的可用能被用來驅動全局標記的負載121旋轉。負載121可以包括一個壓縮機或壓縮機組，舉例來說，布置在用于給用戶120輸送氣體的管道118中的一個壓縮機或壓縮機組。
[0013]動力渦輪107的轉子與由壓縮機轉子109R和高壓渦輪轉子11IR形成的燃氣發(fā)生器轉子機械地分離，也就是沒有扭轉地聯(lián)接到燃氣發(fā)生器轉子。
[0014]燃氣發(fā)生器轉子連接到啟動發(fā)動機124。舉例來說，該啟動發(fā)動機可以是電動機，其通過軸106連接到燃氣發(fā)生器轉子。
[0015]參考標記123表示可逆電機，其作為助手/發(fā)生器運轉并且被布置在包括燃氣輪機103和壓縮機121的串的末端，與啟動發(fā)動機124相對。電機123，當作為助手運轉時，將電能轉換為機械能以聯(lián)合燃氣輪機103驅動負載117，例如當來自燃氣輪機103的可用功率例如源于上升的環(huán)境溫度而下降時。當電機123擔當發(fā)生器時，可逆電機能將渦輪機生成的可利用機械能轉換為電能。電能能被輸送到配電網。
[0016]系統(tǒng)101是復雜的，具有適度的操作靈活性，并且承受一些不利情況。舉例來說，在管道運輸系統(tǒng)中，當燃氣輪機去維護或故障時，在沒有承受管道118中明顯的壓力下降的情況下，用戶120不能提取氣體。

【發(fā)明內容】

[0017]本文中公開的主題提供一種混合系統(tǒng)，其中燃氣輪機與可逆的電機結合，可逆的電機能切換為發(fā)動機模式或發(fā)生器模式。根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)提供可逆工具以斷開從負載到燃氣輪機的能量輸送并且反之亦然。當切換至發(fā)動機模式時，如下面更好說明的那樣，取決于燃氣輪機系統(tǒng)的操作狀態(tài)和需求，可逆電機可以提供助手職能或負載的完全電供能，還允許能量儲存職能。當切換至發(fā)生器模式時，可逆電機能將可利用的機械能轉換為電能，其中可利用的機械能通過焚燒混合到壓縮空氣流的燃料產生。電能能被輸送到配電網。在一些實施例中或一些條件下，例如在配電網故障或缺少的情況下，發(fā)生器能為系統(tǒng)的設施和輔助裝置供應電能，其中系統(tǒng)包括燃氣輪機和由此被驅動的負載。
[0018]更具體地說，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，用于驅動負載的驅動系統(tǒng)，包括構造并布置成用于驅動負載的燃氣輪機，將燃氣輪機連接到負載的第一負載聯(lián)接器，電連接到能接收和/或供給電能的電網的電動機/發(fā)電機，將負載連接到所述電動機/發(fā)電機的第二負載聯(lián)接器，其中所述電動機/發(fā)電機適于作為發(fā)電機起作用以用于將來自所述燃氣輪機的過量的機械能轉換為電能并將電能輸送至電網，以及作為電動機起作用以用于為負載補充驅動功率。驅動系統(tǒng)還包括斷開裝置以將負載從燃氣輪機可逆地斷開，使得負載能僅由所述發(fā)動機驅動，允許負載的完全電操作。
[0019]負載聯(lián)接器優(yōu)選地為機械聯(lián)接器，其能夠將機械能從部件傳送至負載(優(yōu)選地主要通過轉矩)并且反之亦然?？梢酝ㄟ^軸來提供機械聯(lián)接。根據(jù)本公開，軸能被制造成單件或軸向安裝在一起并且一個接一個地轉矩依靠的兩件或更多件。
[0020]轉矩依靠的意思是安裝在一起的零件不能以不同的旋轉速度旋轉并且作為機械結合的部件被構造和布置。
[0021]轉矩獨立的意思是零件能夠以不同的旋轉速度旋轉并且作為機械地分開的部件被構造和布置。
[0022]優(yōu)選地，通過所述斷開裝置造成的斷開或連接是可以通過操作員手動地或通過機械化或沒有機械化來自動地操作的。有利地，斷開裝置可以是或包括位于負載和燃氣輪機之間的離合器(例如，自動同步離合器)，舉例來說，分別關聯(lián)到轉矩地聯(lián)接到負載的軸線的端部以及轉矩地聯(lián)接到燃氣輪機地相對的軸線的端部。備選地，斷開裝置可以是或能夠包括可移除的聯(lián)接器或液壓轉矩變換器。
[0023]根據(jù)一些實施例，第二聯(lián)接器可關于負載與所述第一聯(lián)接器相對地布置，使得負載被布置在所述燃氣輪機和所述電動機/發(fā)電機之間。
[0024]優(yōu)選地，在所述至少一個壓縮機和所述電動機/發(fā)電機之間提供直接聯(lián)接器;優(yōu)選地所述至少一個壓縮機和所述電動機/發(fā)電機具有公共的軸。
[0025]在其它實施例中，在所述至少一個壓縮機和所述電動機/發(fā)電機之間提供包括另外的離合器的聯(lián)接器。
[0026]合時宜地，在許多優(yōu)選的實施例中，負載包括至少一個壓縮機。優(yōu)選地，所述壓縮機被布置在用于輸送氣體的管道中，以用于壓縮管道中的氣體。
[0027]在許多優(yōu)選的實施例中，燃氣輪機包括:包括燃氣發(fā)生器轉子的燃氣發(fā)生器和包括動力渦輪轉子的動力渦輪，其中動力渦輪的轉子與所述燃氣發(fā)生器轉子機械地分開或未轉矩地聯(lián)接。轉矩獨立的意思是動力渦輪轉子和燃氣發(fā)生器轉子能夠以不同旋轉速度旋轉并且作為機械地分開的部件被構造和布置，從燃氣發(fā)生器到動力渦輪的功率通過燃氣流來熱力學地傳遞。
[0028]在一些優(yōu)選的實施例中，燃氣發(fā)生器由壓縮機、燃燒室以及高壓渦輪組成;所述燃氣發(fā)生器轉子包括所述壓縮機的第一轉子和所述高壓渦輪的第二轉子，所述壓縮機的所述第一轉子和所述高壓渦輪的所述第二轉子被安裝到公共軸上。
[0029]在一些優(yōu)選的實施例中，動力渦輪可以由可移動的噴嘴導流葉片組成，可移動的導流葉片能夠被用來調節(jié)從燃氣發(fā)生器進入所述動力渦輪的燃氣的流動狀態(tài)。燃氣輪機可以是重型燃氣輪機。
[0030]在其他優(yōu)選的實施例中，燃氣發(fā)生器壓縮機設有可移動的進口導流葉片，可移動的進口導流葉片被控制以取決于燃氣輪機和被驅動的負載的操作狀態(tài)調節(jié)空氣進口流量。燃氣輪機可以是航空衍生型。
[0031]一些優(yōu)選的實施例可以包括連接在電動機/發(fā)電機和電網之間的頻率轉換器，所述頻率轉換器被構造以及控制用于調節(jié)從電網到電動機/發(fā)電機以及從電動機/發(fā)電機到電網的電頻。優(yōu)選地，電動機/發(fā)電機是變頻驅動(VFD)型。
[0032]優(yōu)選地，電網可包括用于生成可再生電能的單元，例如風力渦輪、太陽能電池板等。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本公開的主題涉及操作燃氣輪機系統(tǒng)的方法，燃氣輪機系統(tǒng)由燃氣輪機和受所述燃氣輪機驅動的負載組成，所述方法包括:
[0034]提供燃氣輪機，
[0035]將負載機械地聯(lián)接到所述燃氣輪機，