Приводная установка (варианты) и способ управления приводной установкой - RU2703189C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложенное изобретение относится к усовершенствованию газотурбинных установок, используемых в системах с механическим приводом. В частности, но не исключительно, изобретение относится к газотурбинным установкам для приведения в действие компрессоров, например, компрессоров для жидкого хладагента в установках сжижения природного газа, компрессорах для сжатия газа в трубопроводах и т.д.

Изобретение также относится к усовершенствованиям в способах работы установки, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку, например, компрессор, для СПГ или нефтегазовых установок, насоса или другого вращающегося оборудования.

Дальнейшее описание относится к системе для хранения энергии давления в трубопроводе для газа.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Сжиженный природный газ (СПГ) получают в процессе сжижения, в котором природный газ охлаждают до жидкого состояния, используя один или несколько последовательных охлаждающих циклов. Природный газ часто сжижают с целью его хранения или транспортировки, например, если транспортировка по трубопроводу невозможна или экономически нецелесообразна.

Охлаждение природного газа осуществляют с использованием замкнутых или разомкнутых циклов охлаждения. Хладагент пропускают через компрессор или компрессоры, конденсируют и расширяют. Расширенный, охлажденный хладагент используют для отвода тепла из природного газа, поступающего в теплообменник.

Напротив, когда возможно или экономически обоснованно, для транспортировки газа, как правило, используют транспортировку по трубопроводу. Для поддержания газа под давлением в трубопроводе, один или несколько компрессоров расположены вдоль трубопровода.

Холодильные компрессоры в СПГ, компрессоры для трубопроводов или другое вращающееся оборудование для применения в нефтяной и газовой промышленности часто приводятся в действие с помощью газотурбинных двигателей. Доступность мощности газотурбинного двигателя (т.е. мощности, снимаемой с приводного вала двигателя) зависит от условий окружающей среды, например, от температуры воздуха, а также от других факторов, например, старения. Доступная мощность от газотурбинного двигателя возрастает с понижением температуры и, наоборот, уменьшается с возрастанием температуры. Это приводит к колебаниям мощности в течение 24 часов, а также в течение года, в зависимости от суточных и сезонных температурных колебаний.

Для приведения в действие нагрузки, которая состоит, например, из одного или нескольких компрессоров, было предложено использовать электрический двигатель в комбинации с газотурбинным двигателем (например газотурбинным двигателем большой мощности или авиационным газотурбинным двигателем). При работе электрический двигатель сообщает дополнительную механическую мощность нагрузке, с целью поддержания постоянной общей механической мощности на валу нагрузки, если доступная мощность турбинного двигателя уменьшается и/или для увеличения полной механической мощности, используемой для приведения в действие нагрузки. Эту функцию электрического двигателя называют вспомогательной функцией. Другой электродвигатель или, в качестве альтернативы, пневматический двигатель, как правило, используется также в качестве стартера, чтобы ускорять газотурбинный двигатель от нуля до номинальной скорости.

Когда турбинный двигатель вырабатывает избыточную механическую мощность, например, если окружающая температура опускается ниже расчетной температуры и, соответственно, увеличивается доступная мощность двигателя, или же падает механическая нагрузка, требуемая компрессором, то избыточная механическая мощность, вырабатываемая газотурбинным двигателем, преобразуется в электрическую мощность, используя вспомогательный электрический двигатель в качестве генератора.

Фиг. 1 схематически изображает установку, содержащую газотурбинный двигатель, предназначенный для применения в качестве механического привода, в частности, для приведения в действие компрессора или компрессорного блока. Установка 101 содержит газотурбинный двигатель 103 большой мощности. Газотурбинный двигатель, в свою очередь, состоит из газогенератора 105 и силовой турбины 107. Газогенератор 105 состоит из компрессора 109 и турбины 111 высокого давления. Газогенератор 105 содержит ротор, содержащий ротор 109R компрессора 109 и ротор 111R турбины 111 высокого давления. Ротор 109R компрессора 109 и ротор 111R турбины 111 высокого давления установлены на общем валу и вместе образуют ротор газогенератора.

Компрессор 109 сжимает окружающий воздух, который поступает в камеру сгорания или камеру 113 сжигания, где сжатый воздух смешивается с жидким или газообразным топливом, а топливно-воздушная смесь воспламеняется с созданием газообразного продукта сгорания. Высокотемпературный газообразный продукт сгорания под высоким давлением частично расширяется в турбине 111 высокого давления. Механическая мощность, создаваемая в результате расширения газа в турбине 111 высокого давления, используется для приведения в действие компрессора 109.

Горячий и частично расширенный газ, выходящий из турбины 111 высокого давления, проходит через силовую турбину или турбину 107 низкого давления. Газообразный продукт сгорания расширяется в силовой турбине 107 для создания механической мощности, снимаемой с вала 117 нагрузочной муфты. Мощность, снимаемая с вала 117 нагрузочной муфты, используется для приведения во вращение нагрузки, в целом обозначенной номером позиции 121. Нагрузка 121 может содержать, например, компрессор или компрессорный блок, расположенный в трубопроводе 118 для транспортировки газа пользователям 120.

Ротор силовой турбины 107 механически отделен, т.е. рассоединен по крутящему моменту с ротором газогенератора, образованного ротором 109R компрессора и ротором 111R турбины высокого давления.

Ротор газогенератора подсоединен к стартеру 124. В качестве примера, этот стартер может представлять собой электродвигатель, соединенный, через вал 106, с ротором газогенератора.

Номер позиции 123 обозначает обратимую электрическую машину, работающую в качестве вспомогательного двигателя / генератора и расположенного на конце линии, содержащем газотурбинный двигатель 103 и компрессор 121, противоположном стартеру 124. Электрическая машина 123, при работе в качестве вспомогательной, преобразует электрическую энергию в механическую энергию для приведения в действие нагрузки 117 совместно с газотурбинным двигателем 103, например, когда мощность, получаемая от двигателя 103, падает, например, в результате повышения температуры окружающей среды. Когда электрическая машина 123 действует как генератор, обратимая электрическая машина может преобразовывать доступную механическую энергию, произведенную турбинным двигателем, в электрическую энергию. Электрическая энергия может подаваться в сеть распределения электрической энергии.

Установка 101 является сложной, имеет ограниченную операционную гибкость и некоторые недостатки. В качестве примера, в системе транспортировки по трубопроводам, когда выполняют техническое обслуживание или возникает поломка газотурбинного двигателя, пользователи 120 не могут извлекать газ без значительного падения давления в трубопроводе 118.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описанное в настоящем документе изобретение предусматривает гибридную установку, в которой газотурбинный двигатель объединен с обратимой электрической машиной, которая может быть включена в режиме двигателя или в режиме генератора. В соответствии с изобретением, установка обеспечивает обратимые средства для отсоединения передачи мощности от нагрузки к газотурбинному двигателю, и наоборот. При включении в режиме двигателя обратимая электрическая машина может обеспечивать функцию вспомогательного двигателя или полного электрического питания нагрузки, также обеспечивая функцию хранения энергии, как подробно описано ниже, в зависимости от рабочих условий газотурбинной установки и нужд. При включении в режиме генератора обратимая электрическая машина может преобразовывать доступную механическую энергию, производимую благодаря сжиганию топлива, смешанного в потоке сжатого воздуха, в электроэнергию. Электроэнергия может быть доставлена к сети распределения электроэнергии. В некоторых вариантах выполнения или при выполнении некоторых условиях, например, в случае потери или отсутствия сети распределения электроэнергии, генератор может доставлять электроэнергию к объектам и вспомогательным устройствам установки, содержащей газотурбинный двигатель и приводимую им в действие нагрузку.

Более конкретно, приводная установка для приведения в действие нагрузки, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, содержит газотурбинный двигатель, выполненный и расположенный с возможностью приведения в действие нагрузки, первую нагрузочную муфту, соединяющую газотурбинный двигатель с нагрузкой, электродвигатель / генератор, электрически соединенный с сетью распределения электроэнергии, способной принимать и/или доставлять электроэнергию, вторую нагрузочную муфту, соединяющую нагрузку с указанным электродвигателем / генератором, причем электродвигатель / генератор выполнен с возможностью работы как в качестве генератора для преобразования избыточной механической мощности от указанного газотурбинного двигателя в электрическую мощность и доставки электрической энергии к сети распределения электроэнергии, так и в качестве двигателя для добавления движущей силы к нагрузке. Приводная установка также содержит отсоединяющее устройство для обратимого отсоединения нагрузки от газотурбинного двигателя, так что нагрузка может приводиться в действие только с помощью указанного двигателя, что обеспечивает возможность полностью электрической работы нагрузки.

Нагрузочная муфта представляет собой предпочтительно механическое соединение, способное передавать механическую мощность (предпочтительно, в основном, посредством крутящего момента) от элемента к нагрузке, и наоборот. Механическое соединение может быть обеспечено с помощью вала. Согласно описанию, вал может быть выполнен из одной части, или же двух или большего количества частей, скрепленных вместе в осевом направлении и связанных по крутящему моменту друг с другом.

Термин «связанные по крутящему моменту» означает, что части скреплены вместе и не могут вращаться с разными скоростями вращения и выполнены и расположены как механически соединенные элементы.

Термин «несвязанные по крутящему моменту» означает, что части могут вращаться с разными скоростями вращения и выполнены и расположены как механически отдельные элементы.

Предпочтительно, отсоединение или соединение, осуществляемые с помощью указанного отсоединяющего устройства, управляются вручную оператором или автоматически с помощью электропривода или без электропривода. Преимущественно, отсоединяющее устройство может представлять собой или содержать сцепление (например, самосинхронизирующееся сцепление) между нагрузкой и газотурбинным двигателем, в качестве примера, связанное, соответственно, с концом оси, связанной по крутящему моменту с нагрузкой, и с концом противоположной оси, связанной по крутящему моменту с газотурбинным двигателем. В качестве альтернативы, отсоединяющее устройство может представлять собой или может содержать съемную муфту или гидротрансформатор.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, вторая муфта может быть установлена с противоположной стороны указанной первой муфты по отношению к нагрузке, например, так, что нагрузка расположена между указанным газотурбинным двигателем и электродвигателем / генератором.

Предпочтительно, между указанными по меньшей мере одним компрессором и указанным электродвигателем / генератором предусмотрена муфта прямой передачи; предпочтительно, указанный по меньшей мере один компрессор и указанный электродвигатель / генератор имеют общий вал.

В других вариантах выполнения между указанным по меньшей мере одним компрессором и указанным электродвигателем / генератором муфта содержит дополнительное сцепление.

Надлежащим образом, во многих предпочтительных вариантах выполнения нагрузка содержит по меньшей мере один компрессор. Предпочтительно, указанный компрессор расположен в трубопроводе для транспортировки газа, для сжатия газа в трубопроводе.

Во многих предпочтительных вариантах выполнения газотурбинный двигатель содержит газогенератор с ротором и силовую турбину с ротором, причем ротор силовой турбины механически отделен от указанного ротора газогенератора или не связан с ним по крутящему моменту. Термин «не связан по крутящему моменту» означает, что ротор силовой турбины и ротор газогенератора могут вращаться на разных скоростях вращения и выполнены и расположены как механически отдельные элементы, причем мощность от газогенератора к силовой турбине передается термодинамически, посредством потока газообразных продуктов сгорания.

В некоторых предпочтительных вариантах выполнения газогенератор состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины высокого давления; указанный ротор газогенератора содержит первый ротор указанного компрессора и второй ротор указанной турбины высокого давления, при этом указанный первый ротор указанного компрессора и указанный второй ротор указанной турбины высокого давления установлены на общем валу.

В некоторых предпочтительных вариантах выполнения силовая турбина может содержать подвижные сопловые направляющие лопатки, которые могут использоваться для изменения условий потока газообразных продуктов сгорания, поступающих в силовую турбину из газогенератора. Газотурбинный двигатель может представлять собой газотурбинный двигатель большой мощности.

В других предпочтительных вариантах выполнения компрессор газогенератора имеет подвижные впускные направляющие лопатки, выполненные с возможностью изменения скорости потока впускаемого воздуха, в зависимости от условий работы газотурбинного двигателя и приводимой в действие нагрузки. Газотурбинный двигатель может быть авиационного типа.

Некоторые предпочтительные варианты выполнения могут содержать преобразователь частоты, подсоединенный между электродвигателем / генератором и сетью распределения электроэнергии, причем указанный преобразователь частоты выполнен и управляется с возможностью регулирования электрической частоты от сети распределения электроэнергии к электродвигателю / генератору и от электродвигателя / Генератор к сети распределения электроэнергии. Предпочтительно, электродвигатель / генератор имеет тип частотно-регулируемого привода (VFD).

Предпочтительно, сеть распределения электроэнергии может содержать модули для генерации возобновляемой электроэнергии, такие как ветровые турбины, солнечные батареи и т.д.

В соответствии со вторым аспектом, изобретение относится к способу управления газотурбинной установкой, состоящей из газотурбинного двигателя и нагрузки, приводимой в действие указанным газотурбинным двигателем, причем указанный способ включает:

механическое присоединение нагрузки к указанному газотурбинному двигателю,

механическое присоединение электрического двигателя / генератора к указанной нагрузке, причем указанный электродвигатель / генератор расположен с противоположной стороны указанного газотурбинного двигателя по отношению к указанной нагрузке,

генерирование механической мощности посредством газотурбинного двигателя,

запитывание нагрузки механической мощностью, генерируемой газотурбинным двигателем;

причем когда механическая мощность, генерируемая газотурбинным двигателем, превышает механическую мощность, необходимую для приведения в действие нагрузки, управляют электродвигателем / генератором в режиме генератора, передают избыточную механическую мощность от газотурбинного двигателя к электрическому двигателю / генератору; и преобразуют указанную избыточную механическую мощность в электрическую мощность в электродвигателе / генераторе;

когда механическая мощность, генерируемая газотурбинным двигателем, не равна нулю, и меньше, чем мощность, требуемая для приведения в действие нагрузки, управляют электродвигателем / генератором в режиме двигателя; электрически запитывают электродвигатель / генератор; преобразуют электрическую мощность в дополнительную механическую мощность в электродвигателе / генераторе; передают дополнительную механическую мощность от электродвигателя / генератора к нагрузке; приводят в действие нагрузку комбинированной мощностью, генерируемой газотурбинным двигателем и дополнительной механической мощностью, генерируемой электродвигателем / генератором;

когда механическая мощность, генерируемая газотурбинным двигателем, равна нулю, или газотурбинный двигатель выключен, отсоединяют газотурбинный двигатель от нагрузки, управляют электродвигателем / генератором в режиме двигателя, преобразуют электрическую мощности в механическую мощность в электрическом двигателе / генераторе, передают механическую мощность от электродвигателя / генератора к нагрузке, приводят в действие нагрузку механической мощностью, генерируемой электродвигателем / генератором.

Во многих предпочтительных вариантах выполнения способа нагрузка содержит по меньшей мере один компрессор. Предпочтительно, указанный по меньшей мере один компрессор сжимает газ в трубопроводе для транспортировки газа или тому подобного.

В соответствии с третьим аспектом, изобретение относится к системе для хранения энергии давления в трубопроводе для газа, содержащей:

по меньшей мере один компрессор, расположенный в трубопроводе и выполненный с возможностью сжатия указанного газа в трубопроводе,

газотурбинный двигатель, выполненный и расположенный с возможностью приведения в действие указанного по меньшей мере одного компрессора,

электродвигатель / генератор, электрически соединенный с сетью распределения электроэнергии,

первую нагрузочную муфту, соединяющую газотурбинный двигатель с указанным по меньшей мере одним компрессором,

вторую нагрузочную муфту, соединяющую указанный по меньшей мере один компрессор с указанным электродвигателем / генератором, причем указанный электродвигатель / генератор выполнен с возможностью работы в качестве генератора для преобразования избыточной механической мощности от указанного газотурбинного двигателя в электрическую мощность и доставки электрической мощности к сети распределения электроэнергии, и в качестве двигателя для добавки приводной мощности к указанному по меньшей мере одному компрессору,

отсоединяющее устройство для обратимого отсоединения указанного по меньшей мере одного компрессор от указанного газотурбинного двигателя, так что указанный по меньшей мере один компрессор может приводиться в действие только указанным двигателем;

причем указанная система обеспечивает возможность выполнения этапа отсоединения указанного по меньшей мере одного компрессора от указанного газотурбинного двигателя, и последующего этапа сжатия газа в указанном трубопроводе путем управления указанным по меньшей мере одним компрессором только при помощи указанного электродвигателя. Газ своевременно сжимают до величины давления в трубопроводе выше расчетного значения газа в трубопроводе.

Отличительные признаки и варианты выполнения раскрыты ниже в настоящем документе и изложены затем в прилагаемой формуле изобретения, которая представляет собой неотъемлемую часть настоящего описания. В приведенном выше кратком описании изложены признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для того, чтобы было понятнее приведенное далее подробное описание, и для лучшей оценки приведенных усовершенствований существующего уровня техники. Конечно, имеются также и другие признаки изобретения, которые будут описаны ниже и изложены в прилагаемой формуле изобретения. Прежде чем подробно изложить несколько вариантов выполнения настоящего изобретения, следует понимать, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в своем применении деталями конструкции и расположениями компонентов, как раскрыто в последующем описании или проиллюстрировано на чертежах. Изобретение допускает альтернативные варианты выполнения и различные способы его использования и реализации. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в данном описании, употребляются лишь с целью описания и не рассматриваются в качестве ограничений.

Таким образом, специалистам будет понятно, что концепция, на которой основано раскрытие сущности изобретения, может без труда использоваться в качестве основы для разработки других конструкций, способов и установок для достижения отдельных целей настоящего изобретения. В этой связи важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции, если они не отходят от объема и сущности настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полное понимание описанных вариантов выполнения изобретения и многих из сопутствующих им преимуществ будет легко получено, поскольку они станут более понятны при ссылке на последующее подробное описание при его рассмотрении в комбинации с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 представляет собой схему газотурбинной установки, выполненной в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг. 2 представляет собой схему газотурбинной установки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 3 иллюстрирует вариант газотурбинного двигателя, изображенного на Фиг. 2, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения дано со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно приведены с соблюдением масштаба. Соответственно, нижеследующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.

Ссылка в настоящем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включены в по меньшей мере один вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, когда в различных местах в настоящем описании встречаются фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения», они могут относиться к разным вариантам выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом.

Фиг. 2 иллюстрирует первый вариант выполнения настоящего изобретения, раскрытый в настоящем документе. Механическая приводная установка 1 содержит газотурбинный двигатель 3. Двигатель 3 содержит газогенератор 5 и силовую турбину, или турбину 7 низкого давления. Газогенератор 5 может состоять из компрессора 9 и турбины 11 высокого давления. Ротор компрессора схематически показан как 9R, а ротор турбины высокого давления показан как 11R. Роторы 9R и 11R установлены на общем валу 6 и вместе образуют ротор 5R газогенератора.

Компрессор 9 газогенератора сжимает воздух из окружающей среды, который подается в камеру 13 сгорания. В камере 13 сгорания топливо добавляется к потоку воздуха, при этом образуется и воспламеняется топливно-воздушная смесь. Газообразный продукт сгорания, создаваемый в камере сгорания, подается в турбину 11 высокого давления и частично расширяется в ней, генерируя механическую энергию. Механическая энергия, вырабатываемая турбиной 11 высокого давления, используется для приведения в действие компрессора 9.

Частично расширенный газообразный продукт сгорания протекает по линии 8 через силовую турбину 7, где он дополнительно расширяется, чтобы произвести дополнительную механическую энергию. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, силовая турбина 7 содержит подвижные сопловые направляющие лопатки, схематически обозначенные номером 15 позиции. Лопатки 15 могут использоваться для изменения условий потока газообразного продукта сгорания, поступающего в силовую турбину 7. В некоторых вариантах выполнения лопатки 15 могут использоваться для изменения проходного сечения потока газообразного продукта сгорания, увеличивая или уменьшая, тем самым, давление на выходе из турбины 11 высокого давления. Повышение давления газа на выходе из турбины 11 уменьшает понижение энтальпии через турбину 11 высокого давления. Таким образом, через силовую турбину 7 получают большее понижение энтальпии, в результате чего может производиться больше механической мощности, которая будет сниматься с выходного вала турбинного двигателя. Путем регулировки подвижных сопловых направляющих лопаток 15 скорость вращения ротора 5R газогенератора можно регулировать, а количество мощности, снимаемой с выходного вала силовой турбины 7, можно модулировать.

Силовая турбина 7 содержит ротор 7R, установленный на валу 17 силовой турбины, который развязан по крутящему моменту от вала 6 газогенератора 5, т.е. вал 17 силовой турбины вращается независимо от вала 6 ротора 5R газогенератора. Вал 6 газогенератора соединен со стартером 24, т.е. электродвигателем или гидравлическим двигателем.

Газотурбинный двигатель 3, в качестве примера, представляет собой газотурбинный двигатель большой мощности.

Вал 17 силовой турбины соединен, посредством первого вала 19 нагрузочной муфты (то есть механического соединения), с нагрузкой, показанной в целом номером позиции 21, которая приводится во вращение энергией, снимаемой с вала 17 и генерируемой расширением газа в силовой турбине 7. В некоторых вариантах выполнения нагрузка 21 может содержать один или несколько компрессоров, например, один компрессор 21, как показано посредством примера в варианте выполнения, показанном на Фиг. 2.

В качестве примера, компрессор 21 расположен в трубопроводе 18 для транспортировки газа пользователям 20.

Установка 1 содержит отсоединяющее устройство 14 для обратимого отсоединения нагрузки 21 от газотурбинного двигателя 3. В качестве примера, отсоединяющее устройство 14 расположено между валом 17 силовой турбины и валом 19 первой нагрузочной муфты. На практике отсоединяющее устройство 14 имеет по меньшей мере два режима работы: подсоединенный режим работы, в котором мощность (крутящий момент) от газотурбинного двигателя 3 передается нагрузке, и отсоединенный режим работы, в котором мощность (крутящий момент) от газотурбинного двигателя к нагрузке не может быть передана (в качестве примера, отсутствие передачи может случиться из-за физического разделения между частью, соединенной с газотурбинным двигателем, и частью, соединенной с нагрузкой).

Отсоединяющее устройство может управляться вручную оператором или автоматически с помощью электропривода или привода или самосинхронизирующегося сцепления.

В этом варианте выполнения отсоединяющее устройство 14 является механическим сцеплением, соединяющим вал 17 силовой турбины и вал 19 первой нагрузочной муфты.

В качестве примера, соединительные части сцепления могут быть соединены или разъединены посредством привода, автоматически управляемого оператором или с помощью электронного контроллера, запрограммированного для отсоединения турбинного двигателя от нагрузки / подсоединения турбинного двигателя к нагрузке при определенных условиях, как лучше объяснено ниже. В других вариантах выполнения привод может управляться оператором вручную.

В других вариантах выполнения отсоединяющее устройство 14 может содержать гидротрансформатор.

В других вариантах выполнения сцепление может быть магнитного типа.

В других дополнительных вариантах выполнения отсоединяющее устройство 14 может содержать съемную муфту, в качестве примера, съемную муфту с болтами, прикрепляющими вместе противоположные части муфты, связанные с нагрузкой и с газотурбинным двигателем.

Между силовой турбиной 7 и нагрузкой 21 может быть расположен один или нескольких шарниров, например, один или несколько гибких шарниров, для корректировки углового несовпадения и/или для компенсации теплового расширения муфты. В других вариантах осуществления, которые не показаны, система управления скоростью, такая как коробка передач, может быть расположена между силовой турбиной 7 и нагрузкой 21, например, когда силовая турбина 7 и нагрузка 21 вращаются с разными скоростями вращения. Понятно, что этот один или несколько шарниров и система управления скоростью связаны с валом 17 силовой турбины или с валом 19 первой нагрузочной муфты и используются в дополнение к отсоединяющему устройству 14 и отличаются от него.

Электрическая машина 23, т.е. электрическая машина, которая может работать выборочно и как электрический генератор, и как электрический двигатель, соединена с нагрузкой 17 (в этом варианте выполнения с компрессором) посредством вала 22 второй нагрузочной муфты 22. Обратимая электрическая машина будет упоминаться ниже как электрический двигатель / генератор 23.

Предпочтительно, между нагрузкой 21 и электродвигателем / генератором 23 предусмотрен соединительный вал 22 прямой передачи. В других вариантах выполнения, с соединительным валом 22 может быть связан один или несколько подвижных шарниров, для корректировки углового несовпадения и/или для компенсации теплового расширения муфты. В других вариантах выполнения на соединительном валу 22 может быть предусмотрено дополнительное сцепление, так что нагрузка может быть отделена от электродвигателя / генератора 23.

Электродвигатель / генератор 23 выполнен с возможностью работы в качестве генератора для преобразования избыточной механической мощности от газотурбинного двигателя 3 в электрическую мощность и доставки электроэнергии к сети G распределения электроэнергии, и в качестве электродвигателя для передачи мощности к нагрузке 21.

Предпочтительно, электрический двигатель / генератор 23 скомбинирован с узлом согласования электроэнергии, например, с частотно регулируемым приводом 25. В целях, которые станут более понятными в дальнейшем, частотно регулируемый привод 25 обеспечивает возможность вращения электрического двигателя / генератора 23 со скоростью, которая не зависит от электрической частоты в сети G, так что электрический двигатель / генератор 23 может быть использован для подачи дополнительной механической мощности установке 1, например, когда мощность, получаемая от газотурбинного двигателя 3, падает, обеспечивая возможность его вращения со скоростью, которая не зависит от частоты сети. Тот же самый частотно регулируемый привод обеспечивает возможность работы электрического двигателя / генератора в режиме генератора и подачи электроэнергии в сеть, вращая электрический двигатель / генератор 23 со скоростью, отличной от частоты сети и независимой от нее.

Работа установки, описанной выше, заключается в следующем.

Для запуска установки на стартер 24 подается питание, так что ротор 5R газогенератора вращается.

Когда в выпускном отверстии компрессора 9 газогенератора достигнута достаточная скорость потока воздуха, может быть воспламенена камера 13 сгорания и газогенератор 5 начинает работать. В камере 13 сгорания образуется поток горячего газообразного продукта сгорания под давлением, который проходит через турбину 11 высокого давления, которая постепенно берет на себя задачу вращения компрессора 9 газогенератора, и через силовую турбину 7.

Приведение в действие газогенератора 5, наконец, полностью выполняется турбиной 11 высокого давления, при этом силовая турбина 7 постепенно ускоряется, приводя во вращение нагрузку 21.

Когда газовая турбина 1 достигла стационарного состояния, стартер 24 может быть установлен в нерабочее состояние. Относительно работы электродвигателя / генератора 23, режим работы в качестве вспомогательного (режим двигателя) может потребоваться, например, когда мощность, вырабатываемая двигателем 3 и снимаемая с вала силовой 17 турбины, недостаточна для приведения в действие нагрузки 21 с требуемой скоростью. Электрический двигатель / генератор 23 может работать в режиме двигателя также и в других ситуациях, например, в целях экономии топлива и использования вместо этого электрической энергии. Это может быть полезно, например, в ночное время, когда стоимость электроэнергии из сети G распределения электроэнергии меньше, чем стоимость топлива.

И наоборот, электрический двигатель / генератор 23 может быть включен в режиме генератора, например, в случае потери сети, т.е., когда электроэнергия из сети G распределения электроэнергии не доступна. В этом случае электрический двигатель / генератор 23 будет обеспечивать электроэнергию для питания установки и любого другого связанного с ней объекта или вспомогательного узла.

В некоторых вариантах выполнения электрический двигатель / генератор 23 может быть также выполнен с возможностью работы в режиме генератора, если мощность, получаемая от газотурбинного двигателя, превышает мощность, необходимую для приведения в действие нагрузки и, например, стоимость электроэнергии выше, чем стоимость топлива, например, в часы пиковой нагрузки, то производство электроэнергии с помощью ископаемого топлива (жидкого или газообразного) и продажа произведенной электроэнергии становятся экономически выгодными. В некоторых случаях электрический двигатель / генератор 23 может быть переведен в режим генератора и для коррекции коэффициента мощности.

Для управления установкой 1 в различных режимах работы может быть предусмотрен электронный контроллер (не показан) газотурбинного двигателя.

Несколько факторов могут изменять рабочие условия установки 1, что делает избыточную мощность от газотурбинного двигателя 3 доступной или требующей дополнительной мощности для приведения в действие нагрузки 21. Например, если нагрузка 21 содержит один или несколько компрессоров, то поток газа через компрессоры может колебаться, провоцируя, тем самым, колебания мощности, необходимой для приведения в действие нагрузки.

Условия окружающей среды, в частности, температура окружающей среды, могут изменять условия работы газотурбинного двигателя 3.

Повышение температуры окружающей среды снижает мощность, снимаемую с вала 17 силовой турбины 7. Понижение температуры окружающей среды, наоборот, вызывает увеличение доступной выходной мощности газотурбинного двигателя 3.

Когда электрический двигатель / генератор работает в режиме генератора, частотно регулируемый привод 25 обеспечивает возможность вращения электрического двигателя / генератора 23 на частоте, которая не является синхронной с частотой сети G распределения электроэнергии. Электрическая энергия, генерируемая генератором 23, затем согласовывается частотно регулируемым приводом 25, так что электрическая энергия, подводимая к сети G распределения электроэнергии, будет совпадать с частотой сети. Когда электрический двигатель / генератор 23 работает в режиме двигателя, частотно регулируемый привод 25 обеспечивает возможность вращения двигателя с требуемой скоростью, соответствующей скорости вращения ротора R газогенератора, причем указанная скорость не зависит от электрической частоты сети G распределения электроэнергии. Скорость вращения газогенератора, таким образом, становится независимой от частоты сети.

Как описано выше, в некоторых условиях вспомогательный режим может быть запущен, когда запрашиваемая скорость вращения не может быть достигнута с использованием только мощности, доступной от газотурбинного двигателя, то есть когда подача топлива достигла максимальной величины, не достигнув требуемой скорости вращения силовой турбины. Тем не менее, в некоторых случаях установка 1 может управляться так, что часть мощности, необходимой для приведения в действие нагрузки 21, поступает от электродвигателя / генератора, работающего во вспомогательном режиме, ограничивая расход топлива, в целях экономии топлива, даже если газотурбинный двигатель сам по себе будет способен обеспечивать достаточную мощность для управления нагрузкой. Это может быть сделано, например, когда стоимость за единицу электрической энергии ниже, чем стоимость эквивалентного количества топлива, например, в ночное время. Может быть экономически выгодно управлять нагрузкой 21 в гибридном режиме, объединяя электроэнергию от электродвигателя / генератора 23, работающего во вспомогательном режиме, с механической энергией, генерируемой газотурбинным двигателем, причем двигатель работает при менее чем максимальной номинальной мощности, с уменьшенным количеством подаваемого к ней топлива. Режим работы установки будет таким же, как описано выше, но электродвигатель / генератор будет введен в работу во вспомогательном режиме (режиме двигателя) еще до того, как температура газообразных продуктов сгорания в выхлопной трубе достигнет максимального заданного значения.

Когда электродвигатель / генератор 23 работает в режиме генератора, очевидно, что отсоединяющее устройство 14 должно находиться в подсоединенном режиме работы, так как ему нужна механическая энергия от газотурбинного двигателя 3 через первую механическую нагрузочную муфту (валы 17-19), соединяющую двигатель 3 с нагрузкой 21, и через вторую механическую нагрузочную муфту (вал 22), соединяющую нагрузку с электродвигателем / генератором 23. Отсоединяющее устройство 14 в подсоединенном режиме работы передает крутящий момент от вала 17 к валу 18 нагрузки 21.

Когда электродвигатель / генератор 23 находится в режиме двигателя, то отсоединяющее устройство 14 может находиться в подсоединенном режиме работы или в отсоединенном режиме работы.

Электродвигатель / генератор 23 работает в качестве вспомогательного для газотурбинного двигателя 3, когда находится в режиме двигателя. В некоторых условиях вспомогательный режим может быть запущен, когда запрашиваемая скорость вращения нагрузки не может быть достигнута с использованием только мощности, доступной от газотурбинного двигателя, то есть когда подача топлива достигла максимальной величины, а силовая турбина не достигла требуемой скорости вращения. Тем не менее в некоторых случаях установкой 1 можно управлять так, что часть мощности, необходимая для приведения в действие нагрузки 21, поступает от электродвигателя / генератора, работающего во вспомогательном режиме, ограничивая расход топлива, в целях экономии топлива, даже если газотурбинный двигатель будет способен обеспечить достаточную мощность, чтобы самому управлять нагрузкой. Это может быть сделано, например, когда стоимость за единицу электрической энергии ниже, чем стоимость эквивалентного количества топлива, например, в ночное время. Может быть экономически выгодно управлять нагрузкой 21 в гибридном режиме, сочетая электроэнергию от электродвигателя / генератора 23, работающего во вспомогательном режиме, с механической энергией, генерируемой газотурбинным двигателем, причем двигатель работает при менее чем максимальной номинальной мощности с уменьшенным количеством подаваемого к нему топлива.

Вспомогательный режим является по существу гибридным режимом для управления нагрузкой (мощность частично от газотурбинного двигателя 3, частично от электродвигателя 23). Понятно, что, в соответствии с таким типом управления нагрузкой, отсоединяющее устройство 14 должно находиться в подсоединенном режиме работы, поскольку, как указано выше, существует необходимость в механической мощности от газотурбинного двигателя 3 через первую механическую нагрузочную муфту (валы 17-19), соединяющую газотурбинный двигатель 3 и нагрузку 21, и через вторую механическую нагрузочную муфту (вал 22), соединяющую нагрузку с электродвигателем / генератором 23. Отсоединяющее устройство 14 в подсоединенном режиме работы передает крутящий момент от вала 17 к валу 18 нагрузки 21.

В некоторых условиях отсоединяющее устройство 14 находится в отсоединенном режиме работы. Таким образом, нет передачи мощности (передачи крутящего момента) от газотурбинного двигателя 3 к нагрузке 21 (в качестве примера, в случае отсоединяющего устройства в виде сцепления, две противоположные части сцепления 21 отделены). В таком случае, когда электродвигатель / генератор 23 работает в качестве двигателя, нагрузка 21 приводится в действие лишь электродвигателем 21, запитанного от сети G распределения электрической энергии.

Эта конфигурация особенно полезна по нескольким причинам.

Прежде всего, когда газотурбинный двигатель отказывает или выключен, или находится на техническом обслуживании, после отключения нагрузки от газотурбинного двигателя с помощью отсоединяющего устройства 14 нагрузка может приводиться в действие электрическим двигателем 23, обеспечивая мощность и работоспособность установки.

Отключение нагрузки от газотурбинного двигателя обеспечивает возможность работы нагрузки в полностью электрическом режиме в определенные периоды в течение дня или недели, когда стоимость электроэнергии является низкой (как, например, в ночное время или в конце недели).

Полностью электрический режим работы также полезен в периоды времени, когда существует перепроизводство электроэнергии, в основном за счет возобновляемых источников, например, источников солнечной или ветровой энергии, если электродвигатель / генератор подключен к установке возобновляемой электрической энергии (солнечные батареи, ветряные турбины и т.д.).

Другие преимущества, связанные с наличием отсоединяющего устройства, связаны с возможностью хранения энергии (в виде энергии давления в трубопроводе) для транспортировки газа. Со ссылкой на Фиг. 2, принимая во внимание трубопровод 18 для транспортировки газа пользователям 20, нагрузка 21 представляет собой компрессор (или компрессорный блок) для сжатия газа в трубопроводе. Во время нормального использования газотурбинный двигатель 3 (в конечном счете, при помощи двигателя / генератора 23 в качестве вспомогательного) приводит в действие компрессор 21, пока в трубопроводе не будет достигнута определенная величина (рабочее значение) давления. Когда пользователем 20 запрашивается определенное количество газа, давление в трубопроводе уменьшается. Когда значение давления падает ниже заданного давления, газотурбинный двигатель включают, приводя в действие компрессор.

В этой ситуации, когда значение давления равно рабочему значению, газотурбинный двигатель выключают. Если отсоединяющее устройство 14 находится в отсоединенном режиме работы, управление компрессором 21 посредством электродвигателя 23 приводит к повышению уровня давления в трубопроводе выше рабочего значения. Поэтому, когда пользователем 20 запрашивается определенное количество газа, момент приведения в действие газотурбинного двигателя постоянно откладывается, экономя топливо.

Увеличение давления в трубопроводе можно считать накоплением энергии давления. Это накопление энергии особенно удобно, когда стоимость электроэнергии является низкой, как, например, в ночное время, в конце недели или если электроэнергия поступает из возобновляемого источника электрической энергии.

Фиг. 3 иллюстрирует вариант газотурбинного двигателя 3, изображенного на Фиг. 2. Те же самые или эквивалентные компоненты, части или элементы, что и на Фиг. 2, обозначены теми же самыми номерами позиций.

В этом случае компрессор 9 газогенератора имеет подвижные впускные направляющие лопатки, схематично показанные номером позиции 16. Подвижными впускными направляющими лопатками 16 можно управлять для изменения скорости потока воздуха на впуске, в зависимости от условий работы газотурбинного двигателя и от приводимой в действие в результате этого нагрузки. В отличие от ранее описанного варианта выполнения, показанного на Фиг. 2, силовая турбина 7 не имеет подвижных сопловых направляющих лопаток.

Газотурбинный двигатель 3, показанный на Фиг. 3, может, например, иметь авиационный тип, например, PGT25 или PGT25+, доступной от компании GE Oil & Gas из Флоренции, Италия. В соответствии с настоящим изобретением, работа установки 1 по существу такая же, что и в случае газотурбинного двигателя, показанного на Фиг. 2, и в случае газотурбинного двигателя, показанного на Фиг. З.

Таким образом, данное изобретение обеспечивает также способ управления газотурбинной установкой, состоящей из газотурбинного двигателя 3 и нагрузки, предпочтительно, по меньшей мере компрессора 21, расположенного в трубопроводе 18 для транспортировки газа пользователям 20, причем компрессор приводится в действие газовой турбиной 3. Способ предусматривает этап выбора двигателем 3, этап механического соединения по меньшей мере компрессора 21 с газотурбинным двигателем 3, этап механического соединения электрического двигателя / генератора 23 с компрессором 21, причем указанный электродвигатель / генератор 23 расположен с противоположной стороны указанного газотурбинного двигателя 3 по отношению к указанному компрессору, этап генерации механической энергии с помощью газотурбинного двигателя 3, и этап подачи питания на компрессор с помощью механической энергии, генерируемой газотурбинным двигателем 3. Когда механическая мощность, вырабатываемая газотурбинным двигателем 3, превышает механическую мощность, необходимую для приведения в действие компрессора 21, способ обеспечивает этап управления электродвигателем / генератором 23 в режиме генератора, этап передачи избыточной механической мощности от газотурбинного двигателя 3 электродвигателю / генератору 23, и этап преобразования указанной избыточной механической мощности в электрическую мощность в электродвигателе / генераторе 23. Когда механическая мощность, генерируемая газотурбинным двигателем 3, не равна нулю, и меньше, чем мощность, требуемая для приведения в действие нагрузки (это означает, что газотурбинный двигатель не выключен), способ предусматривает этап управления указанным электродвигателем / генератором 23 в режиме двигателя, этап подачи электропитания к электродвигателю / генератору 23, этап преобразования электрической мощности в дополнительную механическую мощность в электродвигателе / генераторе 23, этап передачи дополнительной механической мощности от электродвигателя / генератора 23 к компрессору, и этап приведения в действие компрессора комбинированной мощностью, вырабатываемой газотурбинным двигателем 3, и дополнительной механической мощностью, генерируемой электродвигателем / генератором 23. Когда механическая мощность, генерируемая газотурбинным двигателем 3, равна нулю или газотурбинный двигатель выключен, способ обеспечивает этап отсоединения газотурбинного двигателя от компрессора (так, что газотурбинный двигатель и компрессор не связаны посредством крутящего момента и никакой механической мощности не передается), этап управления электродвигателем / генератором 23 в режиме двигателя, этап преобразования электрической мощности в механическую мощность в электродвигателе / генераторе, этап передачи механической мощности от электродвигателя / генератора 23 к компрессору, этап приведения в действие компрессора с помощью механической мощности, генерируемой электродвигателем / генератором.

В соответствии с тем, что было сказано выше, изобретение также обеспечивает систему для хранения энергии давления в трубопроводе для газа, содержащую: по меньшей мере один компрессор 21, расположенный в трубопроводе 18 и выполненный с возможностью сжатия указанного газа в трубопроводе 18, газотурбинный двигатель 3, расположенный и выполненный с возможностью приведения в действие по меньшей мере одного компрессора 21, электродвигатель / генератор 23, электрически соединенный с сетью G распределения электрической энергии, первую нагрузочную муфту 17-19, соединяющую газотурбинный двигатель 3 с указанным по меньшей мере одним компрессором, вторую нагрузочную муфту 22, соединяющую компрессор 21 с электродвигателем / генератором 23, причем электродвигатель / генератор выполнен с возможностью работы в качестве генератора для преобразования избыточной механической мощности от газотурбинного двигателя в электрическую мощность и доставки электроэнергии к сети распределения электрической энергии; и в качестве двигателя для дополнения движущей силы к указанному по меньшей мере одному компрессору. Соответственно, система содержит отсоединяющее устройство, обратимо отсоединяющее компрессор 21 от газотурбинного двигателя 3, так что указанный по меньшей мере один компрессор может приводиться в действие только указанным двигателем. Система обеспечивает этап отсоединения компрессора от газотурбинного двигателя, и последующий этап сжатия газа в трубопроводе 18 при работе компрессора 21 только посредством электродвигателя 23. Газ сжимают до давления в трубопроводе, которое выше, чем рабочее давление газа в трубопроводе.

Несмотря на то, что раскрытые варианты выполнения изобретения, описанного в настоящем документе, показаны на чертежах и описаны выше подробно и в деталях, вместе с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны различные модификации, изменения и исключения, без существенного отхода от новых идей, принципов и концепций, изложенных в настоящем документе, а также преимуществ, свойственных изобретению, определенному в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, соответствующий объем раскрытых усовершенствований будет определен только в самом широком толковании прилагаемой формулы изобретения, чтобы охватывать все такие модификации, изменения и исключения. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа могут быть изменены или повторно упорядочены в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.

Реферат

Изобретение относится к приводным установкам и способу управления такими установками. Приводная установка (1) для приведения в действие нагрузки (21) содержит газотурбинный двигатель (3), выполненный с возможностью приведения в действие нагрузки (21), электрический двигатель / генератор (23), соединенный с сетью (G) распределения электроэнергии, первую нагрузочную муфту (19), соединяющую турбину (3) с нагрузкой (21), и вторую нагрузочную муфту (22), соединяющую нагрузку (21) с электродвигателем / генератором (23). Газотурбинный двигатель (3) содержит газогенератор (5) с ротором (9R, 11R) и силовую турбину (7) с ротором (7R), причем ротор силовой турбины механически отделен от ротора газогенератора или не связан с ним по крутящему моменту. Электродвигатель / генератор (23) выполнен с возможностью работы в качестве генератора и в качестве двигателя. Приводная установка (1) также содержит преобразователь (25) частоты, подсоединенный между электродвигателем / генератором (23) и сетью (G) распределения электроэнергии и выполненный с возможностью регулирования электрической частоты от сети к электродвигателю / генератору и от электродвигателя / генератора к сети. Изобретение заключается в достижении работы установки в необходимом режиме с повышением тем самым ее операционной гибкости благодаря тому, что нагрузка не зависит как от рабочих условий газогенератора, так и от частоты сети распределения электроэнергии и имеется возможность независимого изменения рабочих условий цепи, образованной газотурбинным двигателем, нагрузкой и электродвигателем/генератором. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула