機械驅(qū)動應用中的燃氣渦輪和操作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及對在機械驅(qū)動應用中使用的燃氣渦輪系統(tǒng)的改進。尤其但不專有地，本公開涉及用于驅(qū)動壓縮機的燃氣渦輪系統(tǒng)，例如用于在液化天然氣設備中的制冷液的壓縮機。
[0002]本公開還涉及在用于操作包括燃氣渦輪和負載(例如，用于LNG或油氣應用的壓縮機)的系統(tǒng)的方法上的改進。
【背景技術】
[0003]液化天然氣(LNG)來源于液化工藝，在其中，使用在級聯(lián)布置中的一個或更多個制冷循環(huán)冷卻天然氣，直至其變成液體。天然氣通常被液化以用于貯存或運輸目的，例如，在管道運輸是不可能的或經(jīng)濟上不可行時。
[0004]天然氣的冷卻使用閉合或開放的制冷循環(huán)執(zhí)行。制冷在壓縮機或多個壓縮機中加工、冷凝以及膨脹。該膨脹、冷凍的制冷劑用來從在換熱器中流動的天然氣移除熱。
[0005]在油氣工業(yè)中，在LNG、管道應用或其它應用中的制冷劑壓縮機通常由燃氣渦輪驅(qū)動。燃氣渦輪功率可得性(S卩，可在渦輪功率軸上獲得的功率)取決于環(huán)境條件，例如空氣溫度、和其它因素，例如老化。渦輪功率可得性隨著降低的溫度而增加，并且相反地，隨著升高的溫度而下降。由于每天和季節(jié)溫度波動，故這引起了 24小時和一年期間的功率可得性波動。
[0006]已經(jīng)提議，提供一種電動馬達，其結(jié)合燃氣渦輪機來驅(qū)動由例如一個或更多個壓縮機組成的負載。操作電動馬達為壓縮機或多個壓縮機補充機械功率，來在渦輪的功率可得性下降和/或增加用來驅(qū)動負載的總機械功率時維持在壓縮機軸上的整體機械功率不變。電動馬達的這種功能稱為輔助器作用。通常還將相同的電動馬達用作啟動器馬達，來將通過燃氣渦輪和壓縮機或多個壓縮機形成的列從零加速至額定速度。
[0007]在由渦輪生成過量的機械功率時，例如，如果環(huán)境溫度下降在設計溫度下和渦輪的功率可得性的隨之增加，那么使用電輔助器馬達作為發(fā)電機將由燃氣渦輪產(chǎn)生的過量的機械功率轉(zhuǎn)換成電能。
[0008]圖1示出了典型地在LNG設備中使用的具有輔助器/啟動器/發(fā)電機機器的燃氣渦輪和壓縮機布置。燃氣渦輪I經(jīng)由公共軸系3連接至電動馬達/發(fā)電機5。軸系可由多個軸部分3A、3B、3C、3D組成。參考標號4指示布置在燃氣渦輪和電動馬達/發(fā)電機5之間的剛性聯(lián)接件。另一撓性聯(lián)接件6布置在電動馬達/發(fā)電機5和負載7(例如，壓縮機)之間。電動馬達/發(fā)電機5具有驅(qū)動穿過能力，即，設計為允許由燃氣渦輪I生成的機械功率通過馬達/發(fā)電機5傳遞至壓縮機7。驅(qū)動穿過能力必須等于或大于燃氣渦輪輸出功率。電動馬達/發(fā)電機5通過頻率轉(zhuǎn)換器11連接至電功率網(wǎng)G。
[0009]電動馬達/發(fā)電機5用作啟動器來將燃氣渦輪I從零速加速至全速。由于在執(zhí)行啟動器功能時，電動馬達/發(fā)電機5位于公共軸系3上，故馬達/發(fā)電機5還加速整個壓縮列，即，壓縮機或多個壓縮機7。這要求電動馬達/發(fā)電機5充分強力，來加速連接至公共軸系3的所有旋轉(zhuǎn)機器的質(zhì)量，并且還來克服壓縮機或多個壓縮機7的空氣動力負載，因為在啟動期間，存在于壓縮機或多個壓縮機7中的工作流體開始流動，并且其壓力上升。
[0010]在其它已知天然氣液化設備中，電動馬達/發(fā)電機連接在壓縮機或多個壓縮機的一個端部處，并且燃氣渦輪布置在壓縮機的相反端部處。壓縮機或多個壓縮機因而定位在燃氣渦輪和電輔助器/發(fā)電機之間。當壓縮機為豎直地剖分的壓縮機時，如果壓縮機要求維護，那么必須移除電動馬達/發(fā)電機。而且，在這些已知構(gòu)造中，用于燃氣渦輪的專用啟動器提供在燃氣渦輪的冷端側(cè)上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]在本公開的一個實施例中，提供一種用于驅(qū)動負載的驅(qū)動系統(tǒng)，其包括燃氣渦輪，該燃氣渦輪構(gòu)造且布置成用于驅(qū)動負載并且具有熱端和冷端。燃氣渦輪設有負載聯(lián)接件，其用于將所述燃氣渦輪連接到負載，布置在燃氣渦輪的所述熱端和冷端中的一個處。還提供一種電動馬達/發(fā)電機，其布置在燃氣渦輪的相反端部。在一些實施例中，電動馬達/發(fā)電機連接在燃氣渦輪的冷端處，并且負載連接在燃氣渦輪的熱端處。將電動馬達/發(fā)電機放置在燃氣渦輪的冷端上使現(xiàn)有裝置的翻新更容易，從而利用現(xiàn)有的附屬基板?；迳系挠糜陔妱玉R達/發(fā)電機的空間可通過移除現(xiàn)有啟動器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器和/或其它附屬設備而獲得。在其它實施例中，例如，當燃氣渦輪為多軸燃氣渦輪時，負載可連接至燃氣渦輪的冷端，并且電動馬達/發(fā)電機可連接至燃氣渦輪的熱端。負載和電動馬達/發(fā)電機相對于燃氣渦輪的熱和冷端的具體定位還可取決于設計約束，因為在負載側(cè)上要求更多的執(zhí)行軸/凸緣設計。在一些構(gòu)造中，熱端軸/凸緣可設計成用于傳遞比冷端聯(lián)接件高的功率比。
[0012]在一些實施例中，負載可包括一個或更多個壓縮機，例如LNG設備的(多個)壓縮機。
[0013]在一些實施例中，電動馬達/發(fā)電機電連接至電功率網(wǎng)。電動馬達/發(fā)電機適于作用為發(fā)電機，以用于將來自燃氣渦輪的過量的機械功率轉(zhuǎn)換成電功率，并且將電功率傳輸至電功率網(wǎng)，并且作用為馬達以用于當由燃氣渦輪生成的機械功率減少時對壓縮機補充驅(qū)動功率。
[0014]將電動馬達/發(fā)電機布置在與負載相反的渦輪端部處具有優(yōu)于現(xiàn)有技術構(gòu)造的若干優(yōu)點。具體而言，相對于電動馬達/發(fā)電機超過負載布置在系的端部處的構(gòu)造，根據(jù)在本文中公開的主題的構(gòu)造導致對負載的改善的可接近性。具體而言，當壓縮機具有豎直剖分的殼體時，有助于對壓縮機的接近，這導致了更簡單的維護。用于調(diào)試階段期間的燃氣渦輪單獨運行的燃氣渦輪的冷端處的單獨的啟動器可省略。在馬達/發(fā)電機的短路的情況下，減輕壓縮機上的應力。
[0015]關于圖1的構(gòu)造，在本文中公開的新穎性構(gòu)造導致不要求驅(qū)動穿過能力的更簡單、更小且更廉價的電機/發(fā)電機。
[0016]在一些目前優(yōu)選的實施例中，燃氣渦輪是單軸燃氣渦輪，其中，電動馬達/發(fā)電機還作為啟動器馬達操作，該啟動器馬達用于包括燃氣渦輪和負載的列。
[0017]根據(jù)另一方面，本公開涉及啟動包括燃氣渦輪和負載的系統(tǒng)的方法，該方法包括:提供具有熱端和冷端的燃氣渦輪；將負載聯(lián)接至所述熱端和冷端中的一者；將電動馬達/發(fā)電機聯(lián)接至所述熱端和冷端中的另一者；將電動馬達/發(fā)電機切換成馬達模式；電氣地驅(qū)動電動馬達/發(fā)電機并且在電動馬達/發(fā)電機中將電功率轉(zhuǎn)換成機械功率，和使用機械功率以用于啟動燃氣渦輪和負載，機械功率通過燃氣渦輪從電動馬達/發(fā)電機傳送至負載。
[0018]根據(jù)另一方面，本公開涉及操作燃氣渦輪系統(tǒng)的方法，該燃氣渦輪系統(tǒng)包括燃氣渦輪和由燃氣渦輪驅(qū)動的負載，該方法包括:提供具有熱端和冷端的燃氣渦輪；將負載聯(lián)接至所述熱端和冷端中的一者；將電動馬達/發(fā)電機聯(lián)接至所述熱端和冷端中的另一者，并且將電動馬達/發(fā)電機機械地聯(lián)接至負載；借助于燃氣渦輪來生成機械功率；用由燃氣渦輪生成的機械功率驅(qū)動負載。
[0019]根據(jù)一些實施例，當由燃氣渦輪生成的機械功率超出驅(qū)動負載所要求的機械功率時，該方法提供如下步驟:以發(fā)電機模式操作電動馬達/發(fā)電機；將過量的機械功率從燃氣渦輪傳送至電動馬達/發(fā)電機；和在電動馬達/發(fā)電機中將過量的機械功率轉(zhuǎn)換成電功率。
[0020]根據(jù)一些實施例，當由燃氣渦輪生成的機械功率小于驅(qū)動負載所要求的功率時，該方法提供如下步驟:以馬達模式操作電動馬達/發(fā)電機；電氣地驅(qū)動電動馬達/發(fā)電機；在電動馬達/發(fā)電機中將電功率轉(zhuǎn)換成補充機械功率；通過燃氣渦輪將補充機械