機械驅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動應用中使用的燃氣渦輪系統的改進。尤其但不專有地，本公開涉及用于驅動壓縮機的燃氣渦輪系統，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，使用在級聯布置中的一個或更多個制冷循環冷卻天然氣，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執行。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]已經提議，提供一種電動馬達，其結合燃氣渦輪機來驅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電機將由燃氣渦輪產生的過量的機械功率轉換成電能。
[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/發電機機器的燃氣渦輪和壓縮機布置。燃氣渦輪I經由公共軸系3連接至電動馬達/發電機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/發電機5之間的剛性聯接件。另一撓性聯接件6布置在電動馬達/發電機5和負載7(例如，壓縮機)之間。電動馬達/發電機5具有驅動穿過能力，即，設計為允許由燃氣渦輪I生成的機械功率通過馬達/發電機5傳遞至壓縮機7。驅動穿過能力必須等于或大于燃氣渦輪輸出功率。電動馬達/發電機5通過頻率轉換器11連接至電功率網G。
[0009]電動馬達/發電機5用作啟動器來將燃氣渦輪I從零速加速至全速。由于在執行啟動器功能時，電動馬達/發電機5位于公共軸系3上，故馬達/發電機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/發電機5充分強力，來加速連接至公共軸系3的所有旋轉機器的質量，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/發電機。而且，在這些已知構造中，用于燃氣渦輪的專用啟動器提供在燃氣渦輪的冷端側上。
【發明內容】
[0011]在本公開的一個實施例中，提供一種用于驅動負載的驅動系統，其包括燃氣渦輪，該燃氣渦輪構造且布置成用于驅動負載并且具有熱端和冷端。燃氣渦輪設有負載聯接件，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/發電機放置在燃氣渦輪的冷端上使現有裝置的翻新更容易，從而利用現有的附屬基板。基板上的用于電動馬達/發電機的空間可通過移除現有啟動器和轉矩轉換器和/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/發電機可連接至燃氣渦輪的熱端。負載和電動馬達/發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，因為在負載側上要求更多的執行軸/凸緣設計。在一些構造中，熱端軸/凸緣可設計成用于傳遞比冷端聯接件高的功率比。
[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/發電機電連接至電功率網。電動馬達/發電機適于作用為發電機，以用于將來自燃氣渦輪的過量的機械功率轉換成電功率，并且將電功率傳輸至電功率網，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動功率。
[0014]將電動馬達/發電機布置在與負載相反的渦輪端部處具有優于現有技術構造的若干優點。具體而言，相對于電動馬達/發電機超過負載布置在系的端部處的構造，根據在本文中公開的主題的構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的構造，在本文中公開的新穎性構造導致不要求驅動穿過能力的更簡單、更小且更廉價的電機/發電機。
[0016]在一些目前優選的實施例中，燃氣渦輪是單軸燃氣渦輪，其中，電動馬達/發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]根據另一方面，本公開涉及啟動包括燃氣渦輪和負載的系統的方法，該方法包括:提供具有熱端和冷端的燃氣渦輪；將負載聯接至所述熱端和冷端中的一者；將電動馬達/發電機聯接至所述熱端和冷端中的另一者；將電動馬達/發電機切換成馬達模式；電氣地驅動電動馬達/發電機并且在電動馬達/發電機中將電功率轉換成機械功率，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/發電機傳送至負載。
[0018]根據另一方面，本公開涉及操作燃氣渦輪系統的方法，該燃氣渦輪系統包括燃氣渦輪和由燃氣渦輪驅動的負載，該方法包括:提供具有熱端和冷端的燃氣渦輪；將負載聯接至所述熱端和冷端中的一者；將電動馬達/發電機聯接至所述熱端和冷端中的另一者，并且將電動馬達/發電機機械地聯接至負載；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動負載。
[0019]根據一些實施例，當由燃氣渦輪生成的機械功率超出驅動負載所要求的機械功率時，該方法提供如下步驟:以發電機模式操作電動馬達/發電機；將過量的機械功率從燃氣渦輪傳送至電動馬達/發電機；和在電動馬達/發電機中將過量的機械功率轉換成電功率。
[0020]根據一些實施例，當由燃氣渦輪生成的機械功率小于驅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/發電機；電氣地驅動電動馬達/發電機；在電動馬達/發電機中將電功率轉換成補充機械功率；通過燃氣渦輪將補充機械