机械驱动应用中的燃气涡轮机及操作方法技术

本发明专利技术公开了一种用于借助于燃气涡轮机(3)驱动负载(21)的驱动系统。该燃气涡轮机包括燃气发生器(5)，该燃气发生器(5)具有燃气发生器转子(5R)并包括至少一个燃气发生器压缩机(9)和驱动该燃气发生器压缩机的一个高压涡轮机(11)。该燃气涡轮机还包括动力涡轮机(7)，该动力涡轮机具有动力涡轮机转子(7R)，该动力涡轮机转子在产生扭转方面独立于燃气发生器转子(5R)。负载连接于动力涡轮机转子(7R)。该系统还包括电动机/发电机(23)，该电动机/发电机机械地连接于燃气发生器转子(5R)并电气地连接于电力网(G)。该电动机/发电机(23)适于交替地作用为：用于将来自燃气涡轮机(3)的机械动力转换成电力的发电机；和用于向负载(21)补充驱动动力的电动机。在动力涡轮机(7)的入口处设置一组可移动的喷嘴导叶(15)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】机械驱动应用中的燃气涡轮机及操作方法
本文中公开的主题涉及对于在机械驱动应用中使用的燃气涡轮机系统的改进。特别地，但非排它性地，本公开涉及用于驱动压缩机、例如用于液化天然气设施中的制冷剂流体的压缩机的燃气涡轮机系统。本公开还涉及用于操作包括燃气涡轮机和负载的系统的方法中的改进，该负载例如为用于LNG的压缩机、或用于油气应用的压缩机、泵或其它旋转装置。
技术介绍
液化天然气(LNG)来源于液化工艺，在该液化工艺中，利用处于级联(cascade)结构中的一个或多个制冷循环来冷却天然气，直到它变成液体。例如在管道运输是不可能的或在经济上是难以实施的情况下，出于存储或运输的目的，天然气通常是液化的。利用闭合式或开放式制冷循环来执行天然气的冷却。制冷剂在一个或多个压缩机中进行处理、被冷凝并膨胀。膨胀的、冷冻了的制冷剂用于从在热交换器中流动的天然气中移除热量。LNG中的制冷剂压缩机、用于管道应用的压缩机或用于油气工业中的多种应用的其它旋转装置通常由燃气涡轮机驱动。该燃气涡轮机动力可获量(poweravailability)(即可在涡轮机动力轴上获得的动力)取决于诸如空气温度之类的环境状况和诸如老化之类的其它因素。涡轮机动力可获量随着温度的降低而增大，并且相反随着温度的升高而减小。这由于日温度波动和季节性温度波动而导致该动力可获量既在24小时内波动又在一年内波动。已经建议提供一种与燃气涡轮机相结合以驱动由例如一个或多个压缩机构成的负载的电动机。操作该电动机以向负载补充机械动力，以便在该涡轮机的动力可获量减少时，将负载轴上的全部机械动力维持恒定，和/或增大用于驱动该负载的总机械动力。电动机的该功能被称之为辅助器工作状态(helperduty)。同一电动机通常还用作起动电动机，以将由燃气涡轮机和负载形成的串(string)从零加速至额定速度。当由涡轮机产生过量的机械动力时，例如在环境温度降低成低于设计温度并且涡轮机的动力可获量随后增大的情况下，在将辅助电动机用作发电机的同时，由燃气涡轮机产生的过量的机械动力被转换成电力。图1示意性地示出了一种包括燃气涡轮机的系统，该系统燃气涡轮机被设置成用于机械驱动应用、即用于驱动不同于发电机的负载的、特别是用于驱动压缩机或压缩机组。该系统101包括燃气涡轮机103。该燃气涡轮机又由燃气发生器105和动力涡轮机107构成。该燃气发生器105由压缩机109和高压涡轮机111构成。该燃气发生器105包括燃气发生器转子，该燃气发生器转子包括压缩机109的转子109R和高压涡轮机111的转子111R。压缩机109的转子109R和高压涡轮机111的转子111R安装在共同轴上并一起形成燃气发生器转子。压缩机109对向燃烧室或燃烧器113递送的环境空气进行压缩，在该燃烧室或燃烧器113处，压缩空气与液态或气态燃料混合并且燃料/空气混合物被点燃以产生燃烧气体。高温和高压燃烧气体在高压涡轮机111中被部分膨胀。由高压涡轮机111中的气体膨胀产生的机械动力用于驱动压缩机109。离开高压涡轮机111的热的且部分膨胀的气体流过动力涡轮机或低压涡轮机107。燃烧气体在动力涡轮机107中膨胀以产生可在负载联接轴115上获得的机械动力。可在负载联接轴115上获得的动力用于驱动总体上被标记为117的负载旋转。例如，该负载117可包括压缩机或压缩机组。在图1的实施例中，负载117包括双压缩机117A、117B。动力涡轮机107的转子与由压缩机转子109R和高压涡轮机转子111R形成的燃气发生器转子机械地分离开，即，并不扭转地联接于该燃气发生器转子。燃气发生器转子通过轴119连接于辅助减速齿轮121。该辅助减速齿轮121具有输入轴123，该输入轴123机械地联接至作为起动器起作用的电动机125。变矩器127和可选的离合器129设置在起动器125与辅助减速齿轮121的输入轴123之间。起动器125连接至以G示意性地示出的配电网。电动机或起动器125用于使该燃气涡轮机103起动。起动通过为电动机125通电并通过经由变矩器127驱动燃气发生器转子以逐渐增大的旋转速度旋转来执行。一旦足量的空气流经压缩机109，就可通过向燃烧器113递送燃料来点燃该燃气发生器。燃烧气体被经由动力涡轮机107传送并且燃气涡轮机103开始旋转负载117。变矩器127使燃气涡轮机103能够在电动机125根据电网频率以定速旋转时逐渐加速。附图标记131表示电动机，该电动机作为辅助器起作用并设置于包括燃气涡轮机103和负载117的该串的与电动机125相对的端部处。辅助器131将电力转换成机械动力以例如在可从燃气涡轮机103获得的动力例如由于增大的环境温度而降低时与燃气涡轮机103相结合来驱动负载117。该系统101是复杂的并具有大覆盖区。
技术实现思路
本文中公开的主题提供了一种混合系统，其中，双轴燃气涡轮机结合有可在电动机模式中或在发电机模式中切换的可逆电机。当被切换到电动机模式中时，该可逆电机可根据燃气涡轮机系统的运转状况提供辅助器工作状态或起动器工作状态。当被切换到发电机模式中时，可逆电机可将通过使混合到压缩空气流中的燃料燃烧产生的可用机械动力转换成电力。该电力可向配电网递送。在一些实施例中或在一些状况下，例如在配电网损失或缺少的情况下，发电机可供给用于包括燃气涡轮机和由此驱动的负载的该系统的设施和辅助装置的电力。该燃气涡轮机可包括带有燃气发生器压缩机的燃气发生器、燃烧器和高压涡轮机。来自燃烧器的燃烧气体经由高压涡轮机递送以产生机械动力，该机械动力用于驱动燃气发生器压缩机。由该燃气发生器压缩机取得并压缩的空气被向燃烧器递送，与燃料流混合并被点燃以产生燃烧气体流。部分膨胀的燃烧气体流在动力涡轮机中进一步膨胀，以驱动该负载。该动力涡轮机具有安装成用于在动力涡轮机轴上旋转的动力转子，该动力转子在机械方面不受到燃气发生器转子的影响。可逆电机、即电动机/发电机被机械地约束于燃气发生器转子或可连接于该燃气发生器转子，同时该负载经由负载联轴器等被机械地约束于动力涡轮机轴。当电动机/发电机作为电动机起作用、即提供辅助器工作状态时，来自电动机/发电机的动力被用热力学的方式向动力涡轮机传递，如将在下文中更为详细地说明的那样，参照本文中公开的主题的一些实施例进行说明。相反，如果将电动机/发电机切换成发电机模式，则用热力学的方式再次获得从高压涡轮机向动力涡轮机传递的动力的降低。根据一些实施例，由此提供了一种用于驱动负载的驱动系统，该驱动系统包括燃气涡轮机，该燃气涡轮机包括：燃气发生器，该燃气发生器具有燃气发生器转子并包括至少一个燃气发生器压缩机和驱动该燃气发生器压缩机的一个高压涡轮机；和动力涡轮机，该动力涡轮机具有动力涡轮机转子，该动力涡轮机转子在扭转方面不受到所述燃气发生器转子的影响。在扭转方面不受影响意指动力涡轮机转子和燃气发生器转子可以不同的旋转速度旋转并被构建和设置机械分离的构件，从燃气发生器至动力涡轮机的动力被用热力学的方式经过燃烧气体流传递。该驱动系统还包括负载联轴器和电动机/发电机，该负载联轴器将动力涡轮机转子连接于负载，该电动机/发电机机械地连接于燃气发生器转子并电气地连接于电力网。该电动机/发电机适于交替地作用为：用于将来自所述燃气涡轮机的机械动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于驱动负载的驱动系统，包括：燃气涡轮机，包括：燃气发生器，所述燃气发生器具有燃气发生器转子并包括至少一个燃气发生器压缩机和驱动所述燃气发生器压缩机的一个高压涡轮机；和动力涡轮机，所述动力涡轮机具有动力涡轮机转子，所述动力涡轮机转子在在产生扭转方面独立于所述燃气发生器转子；负载联轴器，所述负载联轴器将所述动力涡轮机转子连接于所述负载；电动机/发电机，所述电动机/发电机机械地连接到所述燃气发生器转子并且电气地连接到电力网；其中，所述电动机/发电机适于交替地作用为：用于将来自所述燃气涡轮机的机械动力转换成电力的发电机；和用于向所述负载补充驱动动力的电动机；流量调节结构，所述流量调节结构被设置并控制成用以改变经过所述燃气涡轮机的燃烧气体流量；其中，所述流量调节结构包括处于所述动力涡轮机的入口处的一组可移动的喷嘴导叶，用于控制所述动力涡轮机的速度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.12.24 IT FI2012A0002921.一种用于驱动负载的驱动系统，包括：燃气涡轮机，包括：燃气发生器，所述燃气发生器具有燃气发生器转子并包括至少一个燃气发生器压缩机和驱动所述燃气发生器压缩机的一个高压涡轮机；和动力涡轮机，所述动力涡轮机具有动力涡轮机转子，所述动力涡轮机转子在产生扭转方面独立于所述燃气发生器转子；负载联轴器，所述负载联轴器将所述动力涡轮机转子连接于所述负载；电动机/发电机，所述电动机/发电机机械地连接到所述燃气发生器转子并且电气地连接到电力网；其中，所述电动机/发电机适于交替地作用为：用于将来自所述燃气涡轮机的机械动力转换成电力的发电机；和用于向所述负载补充驱动动力的电动机；流量调节结构，所述流量调节结构被设置并控制成用以改变经过所述燃气涡轮机的燃烧气体流量；其中，所述流量调节结构包括处于所述动力涡轮机的入口处的一组可移动的喷嘴导叶，用于控制所述动力涡轮机的速度；其中所述可移动的喷嘴导叶被设置成，使得当所述电动机/发电机被设定在所述发电机模式中时，所述燃气发生器转子因增大的阻力矩所造成的旋转速度降低通过打开所述可移动的喷嘴导叶以增大所述高压涡轮机中的焓降加以抵消，其中，所述增大的阻力矩由所述电动机/发电机所导致。2.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述电动机/发电机提供用于起动所述燃气涡轮机的起动器设施。3.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中所述负载包括至少一个压缩机。4.根据权利要求1或2所述的驱动系统，所述驱动系统还包括处于所述电动机/发电机与所述燃气发生器转子之间的机械离合器。5.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中所述电动机/发电机永久地连接到所述燃气发生器转子。6.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中所述驱动系统还包括处于所述电动机/发电机与所述电力网之间的频率转换器，所述频率转换器被构造成并控制成用于调节从所述电力网至所述电动机/发电机的电频率和从所述电动机/发电机至所述电力网的电频率。7.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其中所述流量调节结构被构造成并控制成，使得：当所述电动机/发电机作为电动机起作用时，由所述电动机/发电机递送的补充动力被从所述燃气发生器用热力学方法向所述动力涡轮机传递；以及当所述电动机/发电机作为发电机起作用时，由所述高压涡轮机产生的机械动力由所述电动机/发电机转换成电力。8.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述驱动系统还包括用于控制流向所述燃气发生器的燃料流量的燃料控制系统；并且，所述燃料控制系统被设置并控制成用于调节所述燃料流量，以维持所述动力涡轮机转子的所需旋转速度。9.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述可移动的喷嘴导叶被设置并控制成，使得当所述电动机/发电机被设定在所述电动机模式中时，所述燃气发生器转子因减小的阻力矩所造成的旋转速度增大通过闭合所述可移动的喷嘴导叶以降低所述高压涡轮机中的焓降并增大可在所述动力涡轮机的入口处获得的焓加以抵消。10.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述流量调节结构包括处于所述燃气发生器的入口处的一组可变的入口导叶。11.根据权利要求10所述的驱动系统，其中所述可变的入口导叶被设置并控制成，使得当所述电动机/发电机被设定在所述发电机模式中时，所述燃气发生器转子因增大的阻力矩所造成的旋转速度降低通过减少经过所述可变的入口导叶的空气流量加以抵消。12.根据权利要求8所述的驱动系统，其中所述燃料控制系统被设置和控制成，使得当所述电动机/发电机被设定在发电机模式中时，所述燃气发生器转子因增大的阻力矩所造成的旋转速度降低通过增大所述燃料流量加以抵消。13.根据权利要求10所述的驱动系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：M桑蒂尼，
申请(专利权)人：诺沃皮尼奥内股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT