机械驱动应用中的燃气涡轮和操作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及对在机械驱动应用中使用的燃气涡轮系统的改进。尤其但不专有地，本公开涉及用于驱动压缩机的燃气涡轮系统，例如用于在液化天然气设备中的制冷液的压缩机。
[0002]本公开还涉及在用于操作包括燃气涡轮和负载(例如，用于LNG或油气应用的压缩机)的系统的方法上的改进。
【背景技术】
[0003]液化天然气(LNG)来源于液化工艺，在其中，使用在级联布置中的一个或更多个制冷循环冷却天然气，直至其变成液体。天然气通常被液化以用于贮存或运输目的，例如，在管道运输是不可能的或经济上不可行时。
[0004]天然气的冷却使用闭合或开放的制冷循环执行。制冷在压缩机或多个压缩机中加工、冷凝以及膨胀。该膨胀、冷冻的制冷剂用来从在换热器中流动的天然气移除热。
[0005]在油气工业中，在LNG、管道应用或其它应用中的制冷剂压缩机通常由燃气涡轮驱动。燃气涡轮功率可得性(S卩，可在涡轮功率轴上获得的功率)取决于环境条件，例如空气温度、和其它因素，例如老化。涡轮功率可得性随着降低的温度而增加，并且相反地，随着升高的温度而下降。由于每天和季节温度波动，故这引起了 24小时和一年期间的功率可得性波动。
[0006]已经提议，提供一种电动马达，其结合燃气涡轮机来驱动由例如一个或更多个压缩机组成的负载。操作电动马达为压缩机或多个压缩机补充机械功率，来在涡轮的功率可得性下降和/或增加用来驱动负载的总机械功率时维持在压缩机轴上的整体机械功率不变。电动马达的这种功能称为辅助器作用。通常还将相同的电动马达用作启动器马达，来将通过燃气涡轮和压缩机或多个压缩机形成的列从零加速至额定速度。
[0007]在由涡轮生成过量的机械功率时，例如，如果环境温度下降在设计温度下和涡轮的功率可得性的随之增加，那么使用电辅助器马达作为发电机将由燃气涡轮产生的过量的机械功率转换成电能。
[0008]图1示出了典型地在LNG设备中使用的具有辅助器/启动器/发电机机器的燃气涡轮和压缩机布置。燃气涡轮I经由公共轴系3连接至电动马达/发电机5。轴系可由多个轴部分3A、3B、3C、3D组成。参考标号4指示布置在燃气涡轮和电动马达/发电机5之间的刚性联接件。另一挠性联接件6布置在电动马达/发电机5和负载7(例如，压缩机)之间。电动马达/发电机5具有驱动穿过能力，即，设计为允许由燃气涡轮I生成的机械功率通过马达/发电机5传递至压缩机7。驱动穿过能力必须等于或大于燃气涡轮输出功率。电动马达/发电机5通过频率转换器11连接至电功率网G。
[0009]电动马达/发电机5用作启动器来将燃气涡轮I从零速加速至全速。由于在执行启动器功能时，电动马达/发电机5位于公共轴系3上，故马达/发电机5还加速整个压缩列，即，压缩机或多个压缩机7。这要求电动马达/发电机5充分强力，来加速连接至公共轴系3的所有旋转机器的质量，并且还来克服压缩机或多个压缩机7的空气动力负载，因为在启动期间，存在于压缩机或多个压缩机7中的工作流体开始流动，并且其压力上升。
[0010]在其它已知天然气液化设备中，电动马达/发电机连接在压缩机或多个压缩机的一个端部处，并且燃气涡轮布置在压缩机的相反端部处。压缩机或多个压缩机因而定位在燃气涡轮和电辅助器/发电机之间。当压缩机为竖直地剖分的压缩机时，如果压缩机要求维护，那么必须移除电动马达/发电机。而且，在这些已知构造中，用于燃气涡轮的专用启动器提供在燃气涡轮的冷端侧上。
【发明内容】
[0011]在本公开的一个实施例中，提供一种用于驱动负载的驱动系统，其包括燃气涡轮，该燃气涡轮构造且布置成用于驱动负载并且具有热端和冷端。燃气涡轮设有负载联接件，其用于将所述燃气涡轮连接到负载，布置在燃气涡轮的所述热端和冷端中的一个处。还提供一种电动马达/发电机，其布置在燃气涡轮的相反端部。在一些实施例中，电动马达/发电机连接在燃气涡轮的冷端处，并且负载连接在燃气涡轮的热端处。将电动马达/发电机放置在燃气涡轮的冷端上使现有装置的翻新更容易，从而利用现有的附属基板。基板上的用于电动马达/发电机的空间可通过移除现有启动器和转矩转换器和/或其它附属设备而获得。在其它实施例中，例如，当燃气涡轮为多轴燃气涡轮时，负载可连接至燃气涡轮的冷端，并且电动马达/发电机可连接至燃气涡轮的热端。负载和电动马达/发电机相对于燃气涡轮的热和冷端的具体定位还可取决于设计约束，因为在负载侧上要求更多的执行轴/凸缘设计。在一些构造中，热端轴/凸缘可设计成用于传递比冷端联接件高的功率比。
[0012]在一些实施例中，负载可包括一个或更多个压缩机，例如LNG设备的(多个)压缩机。
[0013]在一些实施例中，电动马达/发电机电连接至电功率网。电动马达/发电机适于作用为发电机，以用于将来自燃气涡轮的过量的机械功率转换成电功率，并且将电功率传输至电功率网，并且作用为马达以用于当由燃气涡轮生成的机械功率减少时对压缩机补充驱动功率。
[0014]将电动马达/发电机布置在与负载相反的涡轮端部处具有优于现有技术构造的若干优点。具体而言，相对于电动马达/发电机超过负载布置在系的端部处的构造，根据在本文中公开的主题的构造导致对负载的改善的可接近性。具体而言，当压缩机具有竖直剖分的壳体时，有助于对压缩机的接近，这导致了更简单的维护。用于调试阶段期间的燃气涡轮单独运行的燃气涡轮的冷端处的单独的启动器可省略。在马达/发电机的短路的情况下，减轻压缩机上的应力。
[0015]关于图1的构造，在本文中公开的新颖性构造导致不要求驱动穿过能力的更简单、更小且更廉价的电机/发电机。
[0016]在一些目前优选的实施例中，燃气涡轮是单轴燃气涡轮，其中，电动马达/发电机还作为启动器马达操作，该启动器马达用于包括燃气涡轮和负载的列。
[0017]根据另一方面，本公开涉及启动包括燃气涡轮和负载的系统的方法，该方法包括:提供具有热端和冷端的燃气涡轮；将负载联接至所述热端和冷端中的一者；将电动马达/发电机联接至所述热端和冷端中的另一者；将电动马达/发电机切换成马达模式；电气地驱动电动马达/发电机并且在电动马达/发电机中将电功率转换成机械功率，和使用机械功率以用于启动燃气涡轮和负载，机械功率通过燃气涡轮从电动马达/发电机传送至负载。
[0018]根据另一方面，本公开涉及操作燃气涡轮系统的方法，该燃气涡轮系统包括燃气涡轮和由燃气涡轮驱动的负载，该方法包括:提供具有热端和冷端的燃气涡轮；将负载联接至所述热端和冷端中的一者；将电动马达/发电机联接至所述热端和冷端中的另一者，并且将电动马达/发电机机械地联接至负载；借助于燃气涡轮来生成机械功率；用由燃气涡轮生成的机械功率驱动负载。
[0019]根据一些实施例，当由燃气涡轮生成的机械功率超出驱动负载所要求的机械功率时，该方法提供如下步骤:以发电机模式操作电动马达/发电机；将过量的机械功率从燃气涡轮传送至电动马达/发电机；和在电动马达/发电机中将过量的机械功率转换成电功率。
[0020]根据一些实施例，当由燃气涡轮生成的机械功率小于驱动负载所要求的功率时，该方法提供如下步骤:以马达模式操作电动马达/发电机；电气地驱动电动马达/发电机；在电动马达/发电机中将电功率转换成补充机械功率；通过燃气涡轮将补充机械