机械驱动应用中的燃气轮机和操作方法
【技术领域】
[0001]本文中公开的主题涉及对机械驱动应用中使用的燃气轮机系统的改进。特别地，但不是唯一地，本公开涉及用于驱动压缩机的燃气轮机系统，例如，用于液化天然气设施中的制冷液的压缩机，用于在管道运输中压缩气体的压缩机等。
[0002]本公开进一步涉及操作系统的方法的改进，该系统包括燃气轮机和负载，负载例如是用于LNG或用于油和气体应用的压缩机、栗或其它旋转设备。
[0003]本公开进一步涉及用于在气体管道中存储压力能的系统。
【背景技术】
[0004]液化天然气(LNG)由液化过程产生，其中，利用在串级布置中的一个或更多个制冷循环来冷却天然气，直到它变成液体。天然气通常被液化用于存储或运输目的，例如如果管道运输不可能或从经济上说难以实行。
[0005]使用闭式或开式制冷循环来执行天然气的冷却。冷冻剂在一个压缩机或多个压缩机中被处理，冷凝或膨胀。膨胀的、已经冷却的冷冻剂被用来从流入换热器中的天然气吸热。
[0006]反之，当可能或经济上合算时，通常使用管道运输来运送气体。为了将管道中气体维持在一定压力下，沿着该管道布置一个或更多个压缩机。
[0007]LNG中的冷冻剂压缩机，用于管道应用的压缩机或用于油气工业应用中的其它旋转设备，通常由燃气轮机驱动。燃气轮机功率可用性(即，在涡轮动力轴上的可用功率)取决于环境状态(例如空气温度)以及其它因素(例如寿命)。涡轮机功率可用性随着降低的温度升高，并且反之，随着升高的温度降低。这导致功率可用性在24小时内以及一年中均发生波动，这归咎于日常的和季节性的温度波动。
[0008]已经提出提供结合燃气轮机(例如，重型燃气轮机或航空燃气轮机)的电动机来驱动负载。当涡轮机的功率可用性减小和/或为了增大用来驱动负载的总机械能时，电动机被操作从而为负载补充机械能，从而将负载轴上的全部机械能维持常量。电动机的该功能被称为助手职能。另一电动机或者备选地气动马达通常也被用作启动发动机，从而将燃气轮机的速度从零加速至额定转速。
[0009]当由涡轮机生成了过量的机械能时，例如如果环境温度降低到设计温度以下并且随之增大涡轮机的功率可用性，或者压缩机需要的机械负载降低，使用电助手发动机作为发生器，将涡轮机生成的过量的机械能转变为电能。
[0010]图1示意性地示出了一种系统，其包括被布置用来在机械驱动应用中也就是驱动一个压缩机或压缩机组的燃气轮机。系统101包括重型燃气轮机103。燃气轮机依次由燃气发生器105和动力涡轮107组成。燃气发生器105由压缩机109和高压涡轮111组成。燃气发生器105包括燃气发生器转子，燃气发生器转子包括压缩机109的转子109R和高压涡轮111的转子11 IR。压缩机109的转子109R和高压涡轮111的转子11 IR被安装在公共轴上并且一起形成燃气发生器转子。[0011 ]压缩机109压缩环境空气，其被输送到燃烧室或燃烧器113，在那里压缩空气与液态或气态燃料混合并且燃料/空气混合物被点燃从而生成燃气。高温和高压燃气部分地被膨胀进入高压涡轮111。通过高压涡轮111中的气体膨胀生成的机械能被用来驱动压缩机109。
[0012]从高压涡轮111流出的热的和部分地膨胀的燃气流过动力涡轮或低压涡轮107。燃气膨胀进入动力涡轮107从而生成可以用在负载联接轴117上的机械能。负载联接轴117上的可用能被用来驱动全局标记的负载121旋转。负载121可以包括一个压缩机或压缩机组，举例来说，布置在用于给用户120输送气体的管道118中的一个压缩机或压缩机组。
[0013]动力涡轮107的转子与由压缩机转子109R和高压涡轮转子11IR形成的燃气发生器转子机械地分离，也就是没有扭转地联接到燃气发生器转子。
[0014]燃气发生器转子连接到启动发动机124。举例来说，该启动发动机可以是电动机，其通过轴106连接到燃气发生器转子。
[0015]参考标记123表示可逆电机，其作为助手/发生器运转并且被布置在包括燃气轮机103和压缩机121的串的末端，与启动发动机124相对。电机123，当作为助手运转时，将电能转换为机械能以联合燃气轮机103驱动负载117，例如当来自燃气轮机103的可用功率例如源于上升的环境温度而下降时。当电机123担当发生器时，可逆电机能将涡轮机生成的可利用机械能转换为电能。电能能被输送到配电网。
[0016]系统101是复杂的，具有适度的操作灵活性，并且承受一些不利情况。举例来说，在管道运输系统中，当燃气轮机去维护或故障时，在没有承受管道118中明显的压力下降的情况下，用户120不能提取气体。
【发明内容】
[0017]本文中公开的主题提供一种混合系统，其中燃气轮机与可逆的电机结合，可逆的电机能切换为发动机模式或发生器模式。根据本发明，系统提供可逆工具以断开从负载到燃气轮机的能量输送并且反之亦然。当切换至发动机模式时，如下面更好说明的那样，取决于燃气轮机系统的操作状态和需求，可逆电机可以提供助手职能或负载的完全电供能，还允许能量储存职能。当切换至发生器模式时，可逆电机能将可利用的机械能转换为电能，其中可利用的机械能通过焚烧混合到压缩空气流的燃料产生。电能能被输送到配电网。在一些实施例中或一些条件下，例如在配电网故障或缺少的情况下，发生器能为系统的设施和辅助装置供应电能，其中系统包括燃气轮机和由此被驱动的负载。
[0018]更具体地说，根据本发明的第一方面，用于驱动负载的驱动系统，包括构造并布置成用于驱动负载的燃气轮机，将燃气轮机连接到负载的第一负载联接器，电连接到能接收和/或供给电能的电网的电动机/发电机，将负载连接到所述电动机/发电机的第二负载联接器，其中所述电动机/发电机适于作为发电机起作用以用于将来自所述燃气轮机的过量的机械能转换为电能并将电能输送至电网，以及作为电动机起作用以用于为负载补充驱动功率。驱动系统还包括断开装置以将负载从燃气轮机可逆地断开，使得负载能仅由所述发动机驱动，允许负载的完全电操作。
[0019]负载联接器优选地为机械联接器，其能够将机械能从部件传送至负载(优选地主要通过转矩)并且反之亦然。可以通过轴来提供机械联接。根据本公开，轴能被制造成单件或轴向安装在一起并且一个接一个地转矩依靠的两件或更多件。
[0020]转矩依靠的意思是安装在一起的零件不能以不同的旋转速度旋转并且作为机械结合的部件被构造和布置。
[0021]转矩独立的意思是零件能够以不同的旋转速度旋转并且作为机械地分开的部件被构造和布置。
[0022]优选地，通过所述断开装置造成的断开或连接是可以通过操作员手动地或通过机械化或没有机械化来自动地操作的。有利地，断开装置可以是或包括位于负载和燃气轮机之间的离合器(例如，自动同步离合器)，举例来说，分别关联到转矩地联接到负载的轴线的端部以及转矩地联接到燃气轮机地相对的轴线的端部。备选地，断开装置可以是或能够包括可移除的联接器或液压转矩变换器。
[0023]根据一些实施例，第二联接器可关于负载与所述第一联接器相对地布置，使得负载被布置在所述燃气轮机和所述电动机/发电机之间。
[0024]优选地，在所述至少一个压缩机和所述电动机/发电机之间提供直接联接器;优选地所述至少一个压缩机和所述电动机/发电机具有公共的轴。
[0025]在其它实施例中，在所述至少一个压缩机和所述电动机/发电机之间提供包括另外的离合器的联接器。
[0026]合时宜地，在许多优选的实施例中，负载包括至少一个压缩机。优选地，所述压缩机被布置在用于输送气体的管道中，以用于压缩管道中的气体。
[0027]在许多优选的实施例中，燃气轮机包括:包括燃气发生器转子的燃气发生器和包括动力涡轮转子的动力涡轮，其中动力涡轮的转子与所述燃气发生器转子机械地分开或未转矩地联接。转矩独立的意思是动力涡轮转子和燃气发生器转子能够以不同旋转速度旋转并且作为机械地分开的部件被构造和布置，从燃气发生器到动力涡轮的功率通过燃气流来热力学地传递。
[0028]在一些优选的实施例中，燃气发生器由压缩机、燃烧室以及高压涡轮组成;所述燃气发生器转子包括所述压缩机的第一转子和所述高压涡轮的第二转子，所述压缩机的所述第一转子和所述高压涡轮的所述第二转子被安装到公共轴上。
[0029]在一些优选的实施例中，动力涡轮可以由可移动的喷嘴导流叶片组成，可移动的导流叶片能够被用来调节从燃气发生器进入所述动力涡轮的燃气的流动状态。燃气轮机可以是重型燃气轮机。
[0030]在其他优选的实施例中，燃气发生器压缩机设有可移动的进口导流叶片，可移动的进口导流叶片被控制以取决于燃气轮机和被驱动的负载的操作状态调节空气进口流量。燃气轮机可以是航空衍生型。
[0031]一些优选的实施例可以包括连接在电动机/发电机和电网之间的频率转换器，所述频率转换器被构造以及控制用于调节从电网到电动机/发电机以及从电动机/发电机到电网的电频。优选地，电动机/发电机是变频驱动(VFD)型。
[0032]优选地，电网可包括用于生成可再生电能的单元，例如风力涡轮、太阳能电池板等。
[0033]根据本发明的第二方面，本公开的主题涉及操作燃气轮机系统的方法，燃气轮机系统由燃气轮机和受所述燃气轮机驱动的负载组成，所述方法包括:
[0034]提供燃气轮机，
[0035]将负载机械地联接到所述燃气轮机，