机械驱动应用中的气体涡轮及其操作方法与流程

1.本公开涉及对在机械驱动应用中使用的气体涡轮系统的改进，从而在需要全功率发电模式时能够增加效率。具体地但并非完全地，本公开涉及用于驱动负载的混合气体涡轮系统，该负载为例如用于液化天然气设施中的制冷剂流体的压缩机、用于压缩管道运输中的气体的压缩机、泵或任何其它旋转机器。
2.本公开进一步涉及对用于操作气体涡轮系统的方法的改进。


背景技术：

3.液化天然气(lng)产生于液化过程，在这个过程中，天然气使用一个或多个级联布置的制冷循环进行冷却，直到其变成液体。天然气通常被液化以用于储存或运输目的，特别是当管道运输不可能时。
4.天然气的冷却采用封闭式或开放式制冷循环来执行。制冷剂在一个或多个压缩机中处理，进行冷凝和膨胀。经膨胀和冷却的制冷剂用于从热交换器中流动的天然气中去除热量。
5.在可能的情况下，或在经济上可行的情况下，通常使用管道运输来运输天然气。为了保持管道中的气体处于压力下，沿管道布置有一个或多个压缩机。
6.lng中的制冷剂压缩机、用于管道应用的压缩机或用于石油和天然气工业中的应用的其他旋转设备通常由气体涡轮驱动。气体涡轮功率可用性取决于环境条件，即空气温度以及其它特定因素。涡轮功率可用性与环境温度成反比。这导致功率可用性由于每日或季节性温度波动而波动。
7.市场上出售所谓的混合气体涡轮，其中电机，或更具体地说，电动马达/发电机与气体涡轮相结合以驱动负载，诸如一个或多个压缩机或泵。电动马达/发电机最初用于补充负载的机械功率，以当涡轮的功率可用性下降时保持负载轴上的总机械功率恒定，和/或增加总机械功率以驱动负载。电动马达/发电机的此功能被称为辅助功率。另一个电动马达或替代地气动马达/发电机通常也用作启动马达，以使气体涡轮从零加速到额定速度。
8.相反，当涡轮产生过量的机械功率时，例如，如果环境温度下降到设计温度以下从而导致涡轮的功率可用性增加，或者压缩机所需的机械负载下降，则气体涡轮产生的过量的机械功率转化为电功率，从而将电动辅助马达/发电机用作发电机。
9.现在，对能够在必要时(例如在电网出现用电高峰时)供电的系统的需求越来越大。
10.为此，采用上述系统构型，也称为传动构型系统。更具体地，该系统通常包括如上所述气体涡轮、负载诸如压缩机、泵等、通过轴连接到负载的电动马达/发电机、以及插置在气体涡轮与负载之间的自动同步离合器。另外，电动马达/发电机连接到电网。因此，电动马达/发电机可以作为马达操作，从而从电网吸收电功率，使得其驱动(或有助于驱动)负载，或可作为发电机操作，从而向电网供应多余的电功率。
11.混合气体涡轮系统能够以四种模式操作：辅助模式、发电机模式、全电动模式和全
气体涡轮模式(也称为全功率发电模式)。
12.在辅助模式下，气体涡轮和电动马达/发电机两者供给负载。在这种情况下，离合器连接，电动马达/发电机从电网吸收能量，从而作为马达操作，并且气体涡轮也将能量供应到负载。因此，由负载接收的功率是由气体涡轮和由电动马达/发电机生成的功率的总和。
13.在发电机模式下，离合器连接，气体涡轮将能量供应到负载，并且电动马达/发电机作为发电机操作，从而将可能的多余能量馈送到电网中。在此类操作模式下，由气体涡轮产生的功率实际上被分割，从而供给负载并将能量引入电网中。
14.在全电动模式下，离合器断开，即其被打开，使得可甚至处于关闭状态的气体涡轮可能因此不工作，而电动马达/发电机驱动负载，从而从电网吸收能量，使得电动马达/发电机作为马达操作。在此构型中，离合器用于在零排放运行中转换传动系统。
15.最后，在全功率发电模式下，即第四操作模式下，离合器连接，负载诸如压缩机或泵吸收最小扭矩，因为速度保持在最小操作速度，电动马达/发电机作为发电机操作，并且气体涡轮生成功率。该操作模式通常在存在电网所请求的功率吸收峰时操作，因此由涡轮生成的功率必须转化为电能并注入电网。
16.在功率需求较高的情况下，需要提供最大能量。因此，需要增加由电机产生的功率。考虑到在这种情况下，电网的阻力矩由于较高的能量需求而增大，气体涡轮必然在全功率低速模式下操作。这意味着气体涡轮每分钟的转数非常低。具体地，以下等式成立
[0017][0018]
其中是电动马达吸收的功率，c是阻力矩，并且n是电动马达/发电机的转数。
[0019]
然而，负载诸如压缩机或泵吸收来自气体涡轮的功率，这导致电动马达/发电机作为发电机操作时吸收的功率减少。
[0020]
据知，具体地例如压缩机(或甚至任何机械负载诸如泵等)的转数不能低于阈值n，主要出于稳定性/可操作性原因。因此，不可避免地损失部分所生成的功率。
[0021]
负载的正确操作所需的最小操作速度的问题通常是由于两个主要方面。第一方面具有流体动力性质，而另一方面具有旋转动力性质。对于第一方面，其可被认为是压缩机的喘振或阻塞，或泵的气穴现象。关于旋转动力问题，通常对于压缩机涡轮轴在某些旋转阈值以下可能存在临界速度，这导致轴大幅振动，从而导致各种操作问题，甚至轴断裂。
[0022]
换句话说，根据上述构型的根据现有技术的混合气体涡轮系统在全功率发电模式期间具有功率损失，因为压缩机/泵始终处于转动模式，并且即使其处于完全循环的状态下，所吸收的功率(被认为是功率损失)是气体涡轮生成的功率的几个百分点(约7％-12％)的数量级。
[0023]
因此，一种能够在必要情况下使传输到负载的功率最大化的改进的混合气体涡轮系统将在本领域中受到欢迎。更具体地，一种包括混合气体涡轮从而在需要全功率发电模式时增加效率的传动系统将受到欢迎。


技术实现要素：

[0024]
在一个方面，本文公开的主题涉及用于驱动负载诸如泵、压缩机等的驱动系统。驱
动系统包括用于生成功率的气体涡轮和可连接到电网的电动马达/发电机，诸如变频驱动电动马达(vfd电动马达)。电动马达/发电机能够作为马达操作，从而从电网吸收功率，并且作为发电机操作，从而将功率注入电网。
[0025]
驱动系统还包括连接在气体涡轮与vfd电动马达之间的第一自动同步离合器或超越离合器以断开气体涡轮，以及连接在负载与vfd电动马达之间的第二自动同步离合器或超越离合器以断开负载。
[0026]
在另一方面，本文公开的主题涉及一种驱动系统，其中第一自动同步离合器和第二自动同步离合器由操作者手动操作或由致动器自动操作。
[0027]
在另一方面，本文公开了一种用于操作用于驱动负载的驱动系统的方法，该方法包括以下步骤：闭合第一断开装置；打开第二断开装置；将电动马达/发电机作为发电机操作；以将驱动系统在全气体涡轮模式下操作，其中负载断开，并且可将由气体涡轮生成的功率传输到电网。
附图说明
[0028]
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
[0029]
图1示出了根据本公开的驱动系统布置的图示；并且
[0030]
图2示出了用于操作根据本公开的驱动系统的方法的流程图。
具体实施方式
[0031]
有时会出现用电高峰，对电网造成压力。为了提供额外的能量，使用了用于驱动机械负载诸如泵或压缩机的气体涡轮。由气体涡轮产生的机械能通过电动马达/发电机装置转换为电能。为了优化从气体涡轮到电网的能量传递效率，采用了提供断开装置的一种新的布局。以这种方式，可以机械地排除负载并将其与气体涡轮脱离，使得气体涡轮的所有能量可以通过马达/发电机装置注入电网。
[0032]
更具体地，根据一个方面，本发明主题涉及用于机械驱动应用中的包括气体涡轮和电动马达/发电机的混合气体涡轮驱动系统。驱动系统能够以常规模式操作，即以辅助模式、发电机模式、全电动模式和全功率发电模式操作，以便在任何操作中或在必要时具有灵活性。系统的布局使得当系统在全功率发电模式下操作时，可以从功率发电电路中排除气体涡轮适于驱动的负载，从而防止负载吸收由气体涡轮产生的部分功率，从而使传输到负载的功率最大化。
[0033]
负载排除通过断开装置来实现，该断开装置可根据需要选择性地打开或闭合。该解决方案允许气体涡轮在全功率发电模式下运行，并且断开机械驱动设备(负载)。以此方式，气体涡轮的所有功率都转化为电功率。这可以实现防止始终连接机械驱动设备(诸如泵或离心机压缩机)，并且因此防止机械驱动设备在需要全功率发电模式时也吸收功率。
[0034]
当对电功率需求较高时，(连接到负载的)断开装置打开，使得气体涡轮和电动马达/发电机可以生成最大功率并将其传输到电网中，以供应能量并应对所请求的能量峰值。
[0035]
现在参考附图，图1示出了本文公开的主题的实施方案。具体地示出了机械驱动系统1，其包括气体涡轮2、第一断开装置3、电动马达/发电机4、第二断开装置5和负载6。
[0036]
气体涡轮2例如重型或航改式气体涡轮包括气体发生器21和动力涡轮或低压涡轮22。气体发生器21还包括气体发生器压缩机211和高压涡轮212。气体发生器压缩机211压缩环境中的空气，该空气被递送到燃烧器213。在燃烧器213中，燃料被添加到气流中，并且形成燃料/空气混合物并点燃。燃烧器中产生的燃烧气体被递送到高压涡轮212并在其中部分地膨胀，从而产生机械功率。由高压涡轮212产生的机械功率用于驱动气体发生器压缩机213。部分膨胀的燃烧气体流动通过动力涡轮22，其中该燃烧气体进一步膨胀以产生附加的机械功率。动力涡轮22通常包括位于动力涡轮轴(图中未示出)上的动力涡轮转子(图中未示出)。
[0037]
气体涡轮2，或更具体地，动力涡轮22，通过联接轴23连接到第一断开装置3，该第一断开装置继而连接到电动马达/发电机4。
[0038]
电动马达/发电机4是变频驱动电动马达(也称为vfd电动马达)。这种电动马达/发电机4基于一种技术，该技术可以实现减少排放，具有显著灵活性和运行可靠性，以及降低维护成本。
[0039]
vfd电机4连接到电网n，这样，其可以向电网n注入功率，从而作为发电机操作，或可由电网n供电，使得其作为马达操作。vfd电机4的使用很方便，因为其可以跟随机械负载的速度，为了满足例如管道等中的流程，该机械负载需要改变其转数，因为最终的压力取决于速度负载，如上所述，该速度负载可以是例如压缩机或泵。
[0040]
电网n可以连接到可再生能源发电厂，例如太阳能或风能发电厂。
[0041]
在一些实施方案中，还可以安装能够作为发电机或作为电动马达操作的其它类型的电动马达/发电机。
[0042]
仍然参考图1，第二断开装置5插置在vfd电动马达4与连接到驱动系统1的负载6之间，并且被操作为针对某些操作构型将系统1的整个功率发电部分与负载6脱离，如下文更好地描述。
[0043]
第一断开装置3能够将通过vfd电动马达4从气体涡轮2传输到负载6的扭矩可逆地断开。相反，操作第二断开装置5以将vfd电动马达4与负载6可逆地断开。
[0044]
作为一个实施方案，第一断开装置3布置在电动涡轮轴23与vfd电动马达4之间。断开装置3具有两种操作模式，即连接操作模式，其中来自气体涡轮2的功率(扭矩)被传输到电动马达/发电机4，以及断开操作模式，其中气体涡轮2与vfd电动马达4断开。
[0045]
同样，如所述布置在vfd电动马达4与负载6之间的第二断开装置5具有两种操作模式，即连接操作模式，其中来自vfd电动马达4的功率(扭矩)被传输到负载6，以及断开操作模式，其中来自气体涡轮2和vfd电动马达4的功率(扭矩)无法被传输。
[0046]
第一断开装置3和/或第二断开装置5可由操作者手动操作，或者由致动器或使用自动同步离合器自动操作。在图1的实施方案中，第一断开装置3和第二断开装置5两者是自动同步离合器。
[0047]
另外，通常自动同步离合器或超越离合器配备有被称为锁定(lock in)装置和锁止(lock out)装置的装置，该装置在被激活时具有将离合器锁定在接合位置或脱离位置的功能。
[0048]
具体参考第二断开装置5，由于其主要应用于相关技术领域，因此其通常是一种自动同步离合器。对于这种特定种类的离合器，电动马达/发电机4即vfd电动马达与负载6之
间的脱离可通过两种操作模式来实现。初步认为离合器的两个部件之间的接合是通过形状合适的齿轮来实现的，该齿轮可以通过挂钩连接机构来连接。因此，在使自动同步离合器脱离之前，必须执行机械部件之间的安全断开。第一脱离模式使得vfd电动马达4被操作以便使离合器的其中一个部件相对于另一个部件反向旋转通常半周/一整周，以确保上述机械部件的机械脱离。此反向旋转功能可以通过针对此特定功能使电机通电来实现。
[0049]
作为替代方案，负载6可以配备有盘车齿轮装置61，该盘车齿轮装置可操作以用于反向旋转负载6的驱动轴62，以使第二断开装置5脱离。
[0050]
另外，第一断开装置3和/或第二断开装置5可由操作者或由被编程为在一定条件下将气体涡轮2与电动马达/发电机4和负载6断开/将气体涡轮2连接到电动马达/发电机4和负载6的电子控制器自动操作。在其它实施方案中，如上所述，用于控制第一断开装置3和第二断开装置5的致动器可由操作者手动操作。
[0051]
作为电致动离合器的替代方案，可以安装液压离合器，尽管可能存在机械损失。
[0052]
在其它实施方案中，断开装置3和5可以包括液压扭矩转换器。另外，在其它实施方案中，断开装置3和5可以是超越离合器或磁性的断开装置。
[0053]
可以应用能够机械地断开机械驱动部件如负载6或气体涡轮2的其它断开装置。
[0054]
本实施方案的负载6是泵，尽管如上所述可应用不同的负载如压缩机。
[0055]
驱动系统1以如下方式操作。
[0056]
如上所述，驱动系统1可以根据不同模式操作，并且具体地，如以下更好地解释，可具有四种模式：辅助模式、发电机模式、全电动模式和全功率发电模式。
[0057]
具体地，继续参考图1以及也参考图2，示出了方法200，该方法示出了在机械驱动应用中使用的驱动系统1可采用的若干构型或操作步骤。
[0058]
更具体地，当机械驱动系统1在辅助模式201下操作时，可以看到(参见步骤202)第一断开装置3闭合，第二断开装置5闭合，并且vfd电动马达4作为马达操作。因此，在这种情况下，负载6从气体涡轮2以及从电网n接收能量。
[0059]
当机械驱动系统1在发电机模式23下操作时，驱动系统1的构型使得(参见步骤204)第一断开装置3闭合，第二断开装置5闭合，并且电动马达/发电机作为发电机操作。在此构型中，由气体涡轮2产生的功率的一部分被递送到负载6，并且一部分被递送到电网n。
[0060]
在全电动模式下，参考图2的操作方法200的步骤205，第一断开装置3打开，第二断开装置5闭合，并且vfd电动马达4作为马达操作。在这种情况下，通常气体涡轮2与机械驱动系统1断开，并且负载6由vfd电动马达4通过来自电网n的功率供电(参见步骤206)。
[0061]
最后，当机械驱动系统1在全功率发电模式(全气体涡轮模式)下操作时，则(步骤208)第一断开装置3闭合，第二断开装置5打开，并且vfd电动马达4作为发电机操作。
[0062]
当电网n需要最大功率例如需要能量峰值时使用此构型。在这种情况下，虽然第二断开装置5断开或打开并且第一断开装置3闭合或连接，但是气体涡轮2可将全功率传输到作为发电机操作的vfd电动马达4，从而将气体涡轮2产生的功率传输到电网n。驱动系统1连接到负载6不会造成损失，该负载实际上由(断开的)第二断开装置5排除。
[0063]
在此构型中，由于第二断开装置5打开，因此实际上负载即泵6与vfd电动马达4机械地分离。
[0064]
如可以理解的，分别用附图标记3和5指示的两个断开装置或离合器在负载6选择/
连接中提供了充分的灵活性。实际上，当需要机械驱动功能时，随着驱动轴转动，自动同步离合器类型将接合，相反，其由于离合器上的锁止装置已通电而不会接合。通常由于机械驱动负载6或设备(泵、压缩机
…
)，该特定条件允许在纯发电模式下运行气体涡轮2，而没有任何机械损失。
[0065]
相同的概念适用于第一断开装置3，以便在全电动模式下运行泵6。
[0066]
如上所述，为了使第二断开装置5脱离，当气体涡轮2处于零速度时，为了确保在没有任何致动器的情况下脱离，电机即vfd电动马达4将通电以反向旋转约半周或1周-2周。作为替代方案，在其它实施方案中，盘车齿轮装置61操作反向旋转以实现第二断开装置5的脱离。
[0067]
虽然已经依据各种特定实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将明白，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，许多修改、变化和省略是可能的。此外，除非本文另外指明，否则任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据另选的实施方案改变或重新排序。
[0068]
已详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而非限制本公开来提供每个示例。事实上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可对本公开进行各种修改和变型。本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”或“一些实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整篇说明书的多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
[0069]
当介绍各个实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意指存在要素中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除列出要素外还可以存在附加要素。