机械驱动应用中的燃气涡轮机及操作方法
【技术领域】
[0001]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。
[0002]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。
【背景技术】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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(power availability)(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。
[0006]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(helper duty)。同一电动机通常还用作起动电动机，以将由燃气祸轮机和负载形成的串(string)从零加速至额定速度。
[0007]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。
[0008]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和高压祸轮机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11 IR。压缩机109的转子109R和高压涡轮机111的转子IllR安装在共同轴上并一起形成燃气发生器转子。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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IllR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。
[0012]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。
[0013]起动器125连接至以G示意性地示出的配电网。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]该系统101是复杂的并具有大覆盖区。
【发明内容】
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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力转换成电力的发电机；和用于向负载补充驱动动力的电动机、即辅助器。
[0020]在一些实施例中，可使电动机/发电机在电动机模式中运转以起动该燃气涡轮机。单独的起动器可由此被省略掉。
[0021]可在电动机/发电机与电力网之间设置频率转换器。该频率转换器使电动机/发电机能够以不受到电力频率影响的速度旋转。可变运转频率用于例如在启动时使该燃气涡轮机逐渐加速，以致于无需变矩器。该频率转换器进一步用于在电动机/发电机在发电机模式中运转并以不同于电网频率的频率产生电能时，调节由该电动机/发电机产生的电力。
[0022]该燃气涡轮机可设置有流量调节结构，该流量调节结构设置并控制成用于改变经过该燃气涡轮机的空气流量或燃烧气体流量。流量调节结构是能够例如通过改变涡轮机组的入口处的截面来调节经过该燃气涡轮机的气态流的流量的结构。特别地，该流量调节结构可包括处于动力涡轮机的入口处的可移动的喷嘴导叶。这些可移动的喷嘴导叶可被控制成用于改变流动截面并由此改变高压涡轮机与动力涡轮机之间的压力状况。在可移动的喷嘴导叶上的作用导致了对于由高压涡轮机中的燃烧气体执行的焓降的改变并由此导致了对于可在动力涡轮机的入口处获得的焓的改变。
[0023]在一些其它实施例中，该流量调节结构可包括处于燃气发生器压缩机的入口处的可移动的入口导叶，用于改变由燃气发生器压缩机取得的空气的入流状况。
[0024]根据另一方面，本文中公开的主题涉及一种用于利用燃气涡轮机驱动负载的方法，所述方法包括下列步骤:
[0025]在具有燃气发生器转子的燃气发生器压缩机中对燃烧空气进行压缩，
[0026]将燃烧空气与燃料混合，点燃空气/燃料混合物并产生压缩的燃烧气体；
[0027]使燃烧气体在高压涡轮机中部分膨胀并产生机械动力以驱动燃气发生器压缩机；
[0028]使燃烧气体在具有动力涡轮机轴的动力涡轮机中进一步膨胀，该动力涡轮机轴在扭转方面与高压涡轮机断开连接；