機械驅動應用中的燃氣渦輪機及操作方法
【技術領域】
[0001]本文中公開的主題涉及對于在機械驅動應用中使用的燃氣渦輪機系統(tǒng)的改進。特別地，但非排它性地，本公開涉及用于驅動壓縮機、例如用于液化天然氣設施中的制冷劑流體的壓縮機的燃氣渦輪機系統(tǒng)。
[0002]本公開還涉及用于操作包括燃氣渦輪機和負載的系統(tǒng)的方法中的改進，該負載例如為用于LNG的壓縮機、或用于油氣應用的壓縮機、泵或其它旋轉裝置。
【背景技術】
[0003]液化天然氣(LNG)來源于液化工藝，在該液化工藝中，利用處于級聯(lián)(cascade)結構中的一個或多個制冷循環(huán)來冷卻天然氣，直到它變成液體。例如在管道運輸是不可能的或在經(jīng)濟上是難以實施的情況下，出于存儲或運輸?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。制冷劑在一個或多個壓縮機中進行處理、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的天然氣中移除熱量。
[0005]LNG中的制冷劑壓縮機、用于管道應用的壓縮機或用于油氣工業(yè)中的多種應用的其它旋轉裝置通常由燃氣渦輪機驅動。該燃氣渦輪機動力可獲量(power availability)(即可在渦輪機動力軸上獲得的動力)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。渦輪機動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。這由于日溫度波動和季節(jié)性溫度波動而導致該動力可獲量既在24小時內波動又在一年內波動。
[0006]已經(jīng)建議提供一種與燃氣渦輪機相結合以驅動由例如一個或多個壓縮機構成的負載的電動機。操作該電動機以向負載補充機械動力，以便在該渦輪機的動力可獲量減少時，將負載軸上的全部機械動力維持恒定，和/或增大用于驅動該負載的總機械動力。電動機的該功能被稱之為輔助器工作狀態(tài)(helper duty)。同一電動機通常還用作起動電動機，以將由燃氣禍輪機和負載形成的串(string)從零加速至額定速度。
[0007]當由渦輪機產生過量的機械動力時，例如在環(huán)境溫度降低成低于設計溫度并且渦輪機的動力可獲量隨后增大的情況下，在將輔助電動機用作發(fā)電機的同時，由燃氣渦輪機產生的過量的機械動力被轉換成電力。
[0008]圖1示意性地示出了一種包括燃氣渦輪機的系統(tǒng)，該系統(tǒng)燃氣渦輪機被設置成用于機械驅動應用、即用于驅動不同于發(fā)電機的負載的、特別是用于驅動壓縮機或壓縮機組。該系統(tǒng)101包括燃氣渦輪機103。該燃氣渦輪機又由燃氣發(fā)生器105和動力渦輪機107構成。該燃氣發(fā)生器105由壓縮機109和高壓禍輪機111構成。該燃氣發(fā)生器105包括燃氣發(fā)生器轉子，該燃氣發(fā)生器轉子包括壓縮機109的轉子109R和高壓渦輪機111的轉子11 IR。壓縮機109的轉子109R和高壓渦輪機111的轉子IllR安裝在共同軸上并一起形成燃氣發(fā)生器轉子。
[0009]壓縮機109對向燃燒室或燃燒器113遞送的環(huán)境空氣進行壓縮，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/空氣混合物被點燃以產生燃燒氣體。高溫和高壓燃燒氣體在高壓渦輪機111中被部分膨脹。由高壓渦輪機111中的氣體膨脹產生的機械動力用于驅動壓縮機109。
[0010]離開高壓渦輪機111的熱的且部分膨脹的氣體流過動力渦輪機或低壓渦輪機107。燃燒氣體在動力渦輪機107中膨脹以產生可在負載聯(lián)接軸115上獲得的機械動力?？稍谪撦d聯(lián)接軸115上獲得的動力用于驅動總體上被標記為117的負載旋轉。例如，該負載117可包括壓縮機或壓縮機組。在圖1的實施例中，負載117包括雙壓縮機117A、117B。
[0011]動力渦輪機107的轉子與由壓縮機轉子109R和高壓渦輪機轉子IllR形成的燃氣發(fā)生器轉子機械地分離開，即，并不扭轉地聯(lián)接于該燃氣發(fā)生器轉子。
[0012]燃氣發(fā)生器轉子通過軸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機械地聯(lián)接至作為起動器起作用的電動機125。變矩器127和可選的離合器129設置在起動器125與輔助減速齒輪121的輸入軸123之間。
[0013]起動器125連接至以G示意性地示出的配電網(wǎng)。
[0014]電動機或起動器125用于使該燃氣渦輪機103起動。起動通過為電動機125通電并通過經(jīng)由變矩器127驅動燃氣發(fā)生器轉子以逐漸增大的旋轉速度旋轉來執(zhí)行。一旦足量的空氣流經(jīng)壓縮機109，就可通過向燃燒器113遞送燃料來點燃該燃氣發(fā)生器。燃燒氣體被經(jīng)由動力渦輪機107傳送并且燃氣渦輪機103開始旋轉負載117。變矩器127使燃氣渦輪機103能夠在電動機125根據(jù)電網(wǎng)頻率以定速旋轉時逐漸加速。
[0015]附圖標記131表示電動機，該電動機作為輔助器起作用并設置于包括燃氣渦輪機103和負載117的該串的與電動機125相對的端部處。輔助器131將電力轉換成機械動力以例如在可從燃氣渦輪機103獲得的動力例如由于增大的環(huán)境溫度而降低時與燃氣渦輪機103相結合來驅動負載117。
[0016]該系統(tǒng)101是復雜的并具有大覆蓋區(qū)。
【發(fā)明內容】
[0017]本文中公開的主題提供了一種混合系統(tǒng)，其中，雙軸燃氣渦輪機結合有可在電動機模式中或在發(fā)電機模式中切換的可逆電機。當被切換到電動機模式中時，該可逆電機可根據(jù)燃氣渦輪機系統(tǒng)的運轉狀況提供輔助器工作狀態(tài)或起動器工作狀態(tài)。當被切換到發(fā)電機模式中時，可逆電機可將通過使混合到壓縮空氣流中的燃料燃燒產生的可用機械動力轉換成電力。該電力可向配電網(wǎng)遞送。在一些實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)電機可供給用于包括燃氣渦輪機和由此驅動的負載的該系統(tǒng)的設施和輔助裝置的電力。
[0018]該燃氣渦輪機可包括帶有燃氣發(fā)生器壓縮機的燃氣發(fā)生器、燃燒器和高壓渦輪機。來自燃燒器的燃燒氣體經(jīng)由高壓渦輪機遞送以產生機械動力，該機械動力用于驅動燃氣發(fā)生器壓縮機。由該燃氣發(fā)生器壓縮機取得并壓縮的空氣被向燃燒器遞送，與燃料流混合并被點燃以產生燃燒氣體流。部分膨脹的燃燒氣體流在動力渦輪機中進一步膨脹，以驅動該負載。該動力渦輪機具有安裝成用于在動力渦輪機軸上旋轉的動力轉子，該動力轉子在機械方面不受到燃氣發(fā)生器轉子的影響。可逆電機、即電動機/發(fā)電機被機械地約束于燃氣發(fā)生器轉子或可連接于該燃氣發(fā)生器轉子，同時該負載經(jīng)由負載聯(lián)軸器等被機械地約束于動力渦輪機軸。當電動機/發(fā)電機作為電動機起作用、即提供輔助器工作狀態(tài)時，來自電動機/發(fā)電機的動力被用熱力學的方式向動力渦輪機傳遞，如將在下文中更為詳細地說明的那樣，參照本文中公開的主題的一些實施例進行說明。相反，如果將電動機/發(fā)電機切換成發(fā)電機模式，則用熱力學的方式再次獲得從高壓渦輪機向動力渦輪機傳遞的動力的降低。
[0019]根據(jù)一些實施例，由此提供了一種用于驅動負載的驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)包括燃氣渦輪機，該燃氣渦輪機包括:燃氣發(fā)生器，該燃氣發(fā)生器具有燃氣發(fā)生器轉子并包括至少一個燃氣發(fā)生器壓縮機和驅動該燃氣發(fā)生器壓縮機的一個高壓渦輪機；和動力渦輪機，該動力渦輪機具有動力渦輪機轉子，該動力渦輪機轉子在扭轉方面不受到所述燃氣發(fā)生器轉子的影響。在扭轉方面不受影響意指動力渦輪機轉子和燃氣發(fā)生器轉子可以不同的旋轉速度旋轉并被構建和設置機械分離的構件，從燃氣發(fā)生器至動力渦輪機的動力被用熱力學的方式經(jīng)過燃燒氣體流傳遞。該驅動系統(tǒng)還包括負載聯(lián)軸器和電動機/發(fā)電機，該負載聯(lián)軸器將動力渦輪機轉子連接于負載，該電動機/發(fā)電機機械地連接于燃氣發(fā)生器轉子并電氣地連接于電力網(wǎng)。該電動機/發(fā)電機適于交替地作用為:用于將來自所述燃氣渦輪機的機械動力轉換成電力的發(fā)電機；和用于向負載補充驅動動力的電動機、即輔助器。
[0020]在一些實施例中，可使電動機/發(fā)電機在電動機模式中運轉以起動該燃氣渦輪機。單獨的起動器可由此被省略掉。
[0021]可在電動機/發(fā)電機與電力網(wǎng)之間設置頻率轉換器。該頻率轉換器使電動機/發(fā)電機能夠以不受到電力頻率影響的速度旋轉?？勺冞\轉頻率用于例如在啟動時使該燃氣渦輪機逐漸加速，以致于無需變矩器。該頻率轉換器進一步用于在電動機/發(fā)電機在發(fā)電機模式中運轉并以不同于電網(wǎng)頻率的頻率產生電能時，調節(jié)由該電動機/發(fā)電機產生的電力。
[0022]該燃氣渦輪機可設置有流量調節(jié)結構，該流量調節(jié)結構設置并控制成用于改變經(jīng)過該燃氣渦輪機的空氣流量或燃燒氣體流量。流量調節(jié)結構是能夠例如通過改變渦輪機組的入口處的截面來調節(jié)經(jīng)過該燃氣渦輪機的氣態(tài)流的流量的結構。特別地，該流量調節(jié)結構可包括處于動力渦輪機的入口處的可移動的噴嘴導葉。這些可移動的噴嘴導葉可被控制成用于改變流動截面并由此改變高壓渦輪機與動力渦輪機之間的壓力狀況。在可移動的噴嘴導葉上的作用導致了對于由高壓渦輪機中的燃燒氣體執(zhí)行的焓降的改變并由此導致了對于可在動力渦輪機的入口處獲得的焓的改變。
[0023]在一些其它實施例中，該流量調節(jié)結構可包括處于燃氣發(fā)生器壓縮機的入口處的可移動的入口導葉，用于改變由燃氣發(fā)生器壓縮機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氣渦輪機驅動負載的方法，所述方法包括下列步驟:
[0025]在具有燃氣發(fā)生器轉子的燃氣發(fā)生器壓縮機中對燃燒空氣進行壓縮，
[0026]將燃燒空氣與燃料混合，點燃空氣/燃料混合物并產生壓縮的燃燒氣體；
[0027]使燃燒氣體在高壓渦輪機中部分膨脹并產生機械動力以驅動燃氣發(fā)生器壓縮機；
[0028]使燃燒氣體在具有動力渦輪機軸的動力渦輪機中進一步膨脹，該動力渦輪機軸在扭轉方面與高壓渦輪機斷開連接；