Газовая турбина в установках с механическим приводом и способы ее работы Российский патент 2018 года по МПК F01D15/10 F02C9/56 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение, описанное в настоящем документе, относится к усовершенствованию газотурбинных установок, используемых в устройствах 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.

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

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ 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 незамкнутых циклов охлаждения. Хладагент пропускают через компрессор или компрессоры, конденсируют и расширяют. Расширенный охлажденный хладагент используют для отвода тепла из природного газа, поступающего в теплообменник.

Холодильные компрессоры в СПГ, компрессоры для трубопроводов или другое вращающееся оборудование для применения в нефтяной и газовой промышленности часто приводятся в действие с помощью газовых турбин. Доступная мощность газовой турбины (т.е. мощность, снимаемая с приводного вала турбины), зависит от условий окружающей среды, например, от температуры воздуха, а также от других факторов, например старения.Доступная мощность газовой турбины 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 газовой турбиной. При работе электрический двигатель сообщает дополнительную механическую мощность нагрузке для поддержания постоянной общей механической мощности на валу нагрузки, если доступная мощность турбины уменьшается и/или для увеличения полной механической мощности, используемой для приведения в действие нагрузки. Эту функцию электрического двигателя называют вспомогательной функцией. Вышеуказанный электрический двигатель используется также в качестве пускового устройства для разгона линии, сформированной газовой турбиной и компрессором или компрессорами, от нуля до номинальной частоты вращения.

Когда турбина вырабатывает избыточную механическую мощность, например, если окружающая температура опускается ниже расчетной температуры и, соответственно, увеличивается доступная мощность турбины, избыточная механическая мощность, вырабатываемая газовой турбиной, преобразуется в электрическую мощность, используя вспомогательный электрический двигатель в качестве генератора.

Фиг. 1 схематически изображает установку, содержащую газовую турбину, предназначенную для механических приводов, т.е. для приведения в действие нагрузки, отличной от электрического генератора, в частности для приведения в действие компрессора или компрессорного узла. Установка 101 содержит газовую турбину 103. Газовая турбина, 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, включая ротор 109R компрессора 109 и ротор 111R турбины 111 высокого давления. Ротор 109R компрессора 109 и ротор 111R турбины 111 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, 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 115 нагрузочной муфты. Мощность, снимаемая с вала 115, используется для приведения во вращение нагрузки, в целом обозначенной номером 117 позиции. Нагрузка 117 может содержать, например, компрессор или блок компрессоров. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, нагрузка 117 содержит двухступенчатый компрессор 117А, 117В.

Ротор силовой турбины 107 механически отделен, т.е. не соединен с возможностью кручения с ротором газогенератора, образованного ротором 109R компрессора и ротором 111R турбины высокого давления.

Ротор газогенератора соединен посредством вала 119 со вспомогательным редуктором 121. Вспомогательный редуктор 121 имеет входной вал 123, который механически соединен с электрическим двигателем 125, работающим в качестве пускового устройства. Между пусковым устройством 125 и входным валом 123 вспомогательного редуктора 121 расположены преобразователь 127 крутящего момента и, необязательно, муфта 129 сцепления.

Пусковое устройство 125 подсоединено к сети распределения электроэнергии, схематически обозначенной как G.

Для запуска газовой турбины 103 используется электрический двигатель или пусковое устройство 125. Запуск выполняется путем подачи питания на электрический двигатель 125 и путем приведения во вращение ротора газогенератора с постепенно увеличивающейся скоростью вращения посредством преобразователя 127 крутящего момента. Как только через компрессор 109 протекает достаточное количество воздуха, в газогенераторе может произойти воспламенение путем подачи топлива в камеру 113 сгорания. Газообразные продукты сгорания проходят через силовую турбину 107, и газовая турбина 103 начинает вращать нагрузку 117. Преобразователь 127 крутящего момента обеспечивает возможность постепенного ускорения газовой турбины 103, тогда как электрический двигатель 125 вращается с постоянной скоростью, соответствующей частоте сети.

Номер 131 позиции обозначает электродвигатель, работающий в качестве вспомогательного двигателя и расположенный на конце линии, содержащей турбину 103 и нагрузку 117, противоположном электрическому двигателю 125. Двигатель 131 преобразует электрическую энергию в механическую энергию для приведения в действие нагрузки 117 совместно с турбиной 103, например, когда мощность, получаемая от турбины 103, падает, например, в результате повышения температуры окружающей среды.

Установка 101 является сложной и занимает большое пространство.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описанное в настоящем документе изобретение предусматривает гибридную установку, в которой газовая турбина с двойным валом скомбинирована с обратимой электрической машиной, которая может быть включена в режиме двигателя или в режиме генератора. При включении в режиме двигателя обратимая электрическая машина может обеспечивать функцию вспомогательного двигателя или пускового устройства, в зависимости от рабочих условий газотурбинной установки. 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 поставляться к сети распределения электроэнергии. В некоторых вариантах выполнения или при выполнении некоторых условиях, например, в случае потери или отсутствия сети распределения электроэнергии, генератор может поставлять электроэнергию к объектам и вспомогательным устройствам установки, содержащей газовую турбину и приводимую ею в действие нагрузку.

Газовая турбина может содержать газогенератор с компрессором, камеру сгорания и турбину высокого давления. Для получения механической мощности, которая используется для приведения в действие компрессора газогенератора, газообразные продукты сгорания из камеры сгорания проходят через турбину высокого давления. Воздух, попавший в компрессор и сжатый компрессором газогенератора, поступает в камеру сгорания, смешивается с потоком топлива и воспламенятся с созданием потока газообразного продукта сгорания. Для приведения в действие нагрузки частично расширенный поток газообразного продукта сгорания дополнительно расширяется в силовой турбине. Силовая турбина имеет силовой ротор, установленный с возможностью вращения на валу силовой турбины, который механически не связан с ротором газогенератора. Обратимая электрическая машина, т.е. электрический двигатель / генератор механически ограничен или выполнен с возможностью соединения с ротором газогенератора, тогда как нагрузка механически ограничена на валу силовой турбины посредством нагрузочной муфты или подобным устройством. Когда электрический двигатель / генератор работает как двигатель, т.е. выполняет вспомогательную функцию, мощность от электрического двигателя / генератора термодинамически передается в силовую турбину, как будет более подробно объяснено ниже со ссылками на некоторые варианты выполнения описанного в настоящем документе объекта изобретения. И наоборот, если электрический двигатель / генератор переключен в режим генератора, снижение передачи мощности от турбины высокого давления к силовой турбине снова происходит термодинамически.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения предложена приводная установка для приведения в действие нагрузки, содержащая газовую турбину, содержащую газогенератор, имеющий ротор и содержащий по меньшей мере один компрессор и одну турбину высокого давления, приводящую в действие компрессор газогенератора, и силовую турбину, ротор которой не связан по крутящему моменту с ротором газогенератора. Несвязанные по крутящему моменту средства, которые с разными скоростями вращения могут вращать ротор силовой турбины и ротор газогенератора, выполнены и расположены как механически отдельные элементы, причем мощность от газогенератора к силовой турбине передается термодинамически через поток газообразного продукта сгорания. Приводная установка дополнительно содержит нагрузочную муфту, соединяющую ротор силовой турбины с нагрузкой, и электрический двигатель / генератор, механически соединенный с ротором газогенератора и электрически соединенный с сетью распределения электроэнергии. Электрический двигатель / генератор выполнен с возможностью работы, в качестве и как генератора для преобразования механической энергии от указанной газовой турбины в электрическую энергию, и как двигателя для дополнительной подачи движущей силы к нагрузке, т.е. в качестве вспомогательного двигателя.

В некоторых вариантах выполнения электрический двигатель / генератор может работать в режиме двигателя, чтобы запускать газовую турбину. Таким образом, можно обойтись без отдельного пускового устройства.

Между электрическим двигателем / генератором и сетью распределения электроэнергии может быть предусмотрен преобразователь частоты. Преобразователь частоты обеспечивает вращение электрического двигателя / генератора со скоростью, которая не зависит от частоты электрической сети. Переменная рабочая частота используется, например, для постепенного ускорения газовой турбины при запуске, так что преобразователь крутящего момента не требуется. Преобразователь частоты используется в дальнейшем для согласования электрической мощности, генерируемой электрическим двигателем / генератором, когда последний работает в режиме генератора и генерирует электрическую мощность на частоте, отличной от частоты сети.

Газовая турбина может быть снабжена устройством для придания свойств потоку, расположенным и управляемым с возможностью изменения воздушного потока или потока газообразного продукта сгорания через газовую турбину. Устройство для придания свойств потоку способно изменять газообразный поток через газовую турбину, например, путем изменения площади поперечного сечения на входе турбомашины. В частности, устройство для придания свойств потоку может содержать подвижные сопловые направляющие лопатки на входе силовой турбины. Подвижными сопловыми направляющими лопатками можно управлять для изменения площади поперечного сечения и, следовательно, давления между турбиной высокого давления и силовой турбиной. Воздействие на подвижные сопловые направляющие лопатки создает изменение падения энтальпии, создаваемого газообразным продуктом сгорания в турбине высокого давления и, таким образом, энтальпии, получаемой на входе силовой турбины.

В некоторых других вариантах выполнения устройство для придания свойств потоку может содержать подвижные входные направляющие лопатки на входе компрессора газогенератора, чтобы изменять состояние притока воздуха, поступающего в компрессор газогенератора.

В соответствии с еще одним аспектом раскрытое в настоящем документе изобретение относится к способу приведения в действие нагрузки с помощью газовой турбины, включающему следующие этапы:

сжатие топочного воздуха в компрессоре газогенератора, имеющем ротор,

смешивание топочного воздуха с топливом, воспламенение топливно-воздушной смеси и генерацию сжатого газообразного продукта сгорания;

частичное расширение газообразного продукта сгорания в турбине высокого давления и генерацию механической энергии для приведения в действие компрессора газогенератора;

дальнейшее расширение газообразного продукта сгорания в силовой турбине, имеющей вал, который не связан по крутящему моменту с турбиной высокого давления;

приведение в действие нагрузки с помощью вала силовой турбины;

механическое соединение электрического двигателя / генератора с ротором газогенератора и электрическое соединение указанного электрического двигателя / генератора с сетью распределения электроэнергии;

приведение в действие электрического двигателя / генератора выборочно:

- в режиме двигателя (т.е. в качестве вспомогательного двигателя) для преобразования электроэнергии в дополнительную механическую энергию, подачи дополнительной механической энергии к ротору газогенератора, термодинамической передачи дополнительной энергии к силовой турбине и преобразования дополнительной энергии в механическую энергию для приведения в действие нагрузки;

- в режиме генератора для преобразования механической энергии, снимаемой с ротора газогенератора, в электроэнергию;

- использование устройства для придания свойств потоку, содержащего набор подвижных сопловых направляющих лопаток на входе силовой турбины, для изменения потока газообразного продукта сгорания через силовую турбину для, выборочно:

- уменьшения мощности, передаваемой от газогенератора к силовой турбине, и преобразования механической энергии, получаемой от турбины высокого давления, в электроэнергию; или

- увеличения мощности, передаваемой от газогенератора к силовой турбине, когда указанный электрический двигатель / генератор работает как двигатель и добавляет механическую энергию к ротору газогенератора.

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 ниже 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 сопутствующих им преимуществ будет легко получено, поскольку они станут более понятны из последующего подробного описания при его рассмотрении в комбинации с прилагаемыми чертежами, на которых:

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

Фиг. 2 и 3 представляют собой две газотурбинные установки, выполненные 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 в масштабе. Соответственно, нижеследующее описание не ограничивает изобретение, вместо этого его объем 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 газовую турбину 3. Газовая турбина 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 газогенератора.

Частично расширенный газообразный продукт сгорания проходит 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 характеристик 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. Таким образом, через силовую турбину 7 получают большее понижение энтальпии, которое может производить больше механической мощности, которая будет сниматься с выходного вала турбины. Как будет уточнено далее, 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 не связан по крутящему моменту с валом 6 газогенератора 5, т.е. вал 17 силовой турбины вращается независимо от вала 6 ротора 5R газогенератора.

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

В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, между валом 17 силовой турбины и валом 19 нагрузочной муфты предусмотрено прямое соединение. Таким образом, нагрузка вращается с той же скоростью вращения, что и силовая турбина. Между силовой турбиной 7 и нагрузкой 21 может быть расположена одна или несколько соединительных муфт, например, одна или большее количество гибких соединительных муфт для корректировки угловых рассогласований и/или для компенсации теплового расширения муфты. В других вариантах выполнения, которые не показаны, например, когда силовая турбина 7 и нагрузка 21 вращаются при разных скоростях вращения, между силовой турбиной 7 и нагрузкой 21 могут быть расположены системы регулирования скорости, такие как коробка передач.

В некоторых вариантах выполнения холодный конец газовой турбины, т.е. конец, противоположный силовой турбине 7, может быть подсоединен к обратимой электрической машине, то есть к электрической машине, которая может работать выборочно и как электрический генератор, и как электрический двигатель. Обратимая электрическая машина будет упоминаться в настоящем документе как электрический двигатель / генератор 23.

Электрический двигатель / генератор 23 может быть электрически соединен с сетью распределения электроэнергии, схематически показанной как G. 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 запуска силовой турбины 3 и/или для обеспечения установки 1 дополнительной механической энергией, например, когда мощность, получаемая от газовой турбины 3, падает, обеспечивая возможность вращения газовой турбины 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.

В частном случае приводная установка 1 может содержать электрический генератор 23, имеющий постоянную скорость вращения. В этом случае электрический генератор 23 должен вращаться с по существу постоянной скоростью, чтобы подавать электроэнергию в сеть на частоте сети. В этой конфигурации VFD (частотно регулируемый привод) не требуется.

Так как желательно поддерживать по существу постоянную скорость вращения электрического генератора 23, мощность, подаваемая на вал 6, должна быть правильно отрегулирована.

Подвижные лопатки 15 лопатки турбины 7 обеспечивают возможность постоянной регулировки понижения энтальпии в турбине 11 высокого давления, регулируя, последовательно, скорость вращения вала 6 и скорость электрогенератора 23, которая может поддерживаться по существу постоянной.

Между валом 6 газогенератора 5 и двигателем / генератором 23 может быть предусмотрен вспомогательный редуктор 27. Редуктор 27 может использоваться для приведения в действие одного или нескольких вспомогательных объектов, таких как масляные насосы и тому подобное, в сочетании с газовой турбиной 3. В других вариантах выполнения редуктор 27 может не использоваться, и между двигателем / генератором 23 и газогенератором 5 может быть предусмотрен прямой привод.

В некоторых вариантах выполнения между двигателем / генератором 23 и вспомогательным редуктором 27 может быть вставлена муфта 29 сцепления. В других вариантах выполнения муфта 29 может быть расположена между редуктором 27 и валом 6 газогенератора 5. Если же редуктор отсутствует, то муфта 29 может быть расположена между двигателем / генератором 23 и валом 6 газогенератора 5.

Работа установки, описанной выше, заключается в следующем.

Для запуска установки двигатель / генератор 23 включают в режиме двигателя и приводят в действие для работы в качестве пускового устройства. С помощью частотно регулируемого привода 25 мощность к двигателю / генератору 23 подают с постепенно возрастающей электрической частотой, так что скорость вращения двигателя / генератора 23 может увеличиваться. Муфта 29 сцепления передает вращение вала 23А двигателя / генератора к вспомогательному редуктору 27 и к ротору 5R газогенератора.

Когда в выпускном отверстии компрессора 9 газогенератора достигнута достаточная скорость потока воздуха, может произойти воспламенение в камере 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, двигатель / генератор 23 может быть установлен в нерабочее состояние, и может быть приведен в свободное вращение (свободный ход), если между двигателем / генератором 23 и газовой турбиной 3 не предусмотрена муфта сцепления. В качестве альтернативы, если муфта 29 сцепления все же имеется, то двигатель / генератор 23 может оставаться неподвижным. Газовая турбина 3 обеспечивает достаточную мощность для приведения в движение нагрузки 21. Однако, как станет очевидно из последующего описания, в некоторых ситуациях от двигателя / генератора 23 может понадобиться добавить мощности к газовой турбине. Электрический двигатель / генератор переключают в режим электрического двигателя и работает в качестве вспомогательного (так называемый вспомогательный режим работы). В некоторых других ситуациях двигатель / генератор 23 может быть необходим для поглощения механической энергии, получаемой от газовой турбины, для выработки электроэнергии. В этом случае двигатель / генератор 23 переводят в режим генератора.

Более конкретно, работа двигателя / генератора 23 в качестве вспомогательного может потребоваться, например, когда мощность, вырабатываемая турбиной 3 и снимаемая с вала силовой 17 турбины, недостаточна для приведения в действие нагрузки 21 с требуемой скоростью. 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, 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 двигатель / генератор 23 будет обеспечивать электроэнергию для питания установки и любого другого связанного с ней объекта или вспомогательного узла.

В некоторых вариантах выполнения двигатель / генератор 23 может быть также настроен для работы в режиме генератора, если мощность, получаемая от газовой турбины, 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 становится экономически выгодными. В некоторых случаях 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 31 газовой турбины.

Несколько факторов могут изменять рабочие условия установки 1, что делает избыточную мощность из газовой турбины 3 доступной или требует 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 газовой турбины 3. Повышение температуры окружающей среды снижает мощность, снимаемую с вала 17 силовой турбины 7. Понижение температуры окружающей среды, наоборот, вызывает увеличение доступной выходной мощности газовой турбины 3.

Когда электрический двигатель / генератор работает в режиме генератора, частотно регулируемый привод 25 обеспечивает возможность вращения двигателя / генератора 23 на частоте, которая не является синхронной с частотой сети G распределения электроэнергии. Электрическая мощность, генерируемая генератором 23, затем согласовывается частотно регулируемым приводом 25, так что электрическая мощность, подводимая к сети G распределения электроэнергии, будет совпадать с частотой сети. Когда 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.

Для лучшего понимания работы описанной установки далее приведены различные примеры условий работы.

Установкой обычно управляют на основе сигнала, подаваемого на контроллер 30 нагрузки. Контроллер 30 вырабатывает управляющий сигнал, который приходит к контроллеру 31 газовой турбины. В некоторых вариантах выполнения контроллер 30 обеспечивает сигнал скорости, то есть сигнал, соответствующий скорости вращения, с которой необходимо вращать нагрузку 21. Сигнал скорости может быть выражен в процентах от номинальной скорости вращения вала 17 силовой турбины. Начиная со стационарного состояния, когда силовая турбина 7 работает, например, с 95% от своей номинальной скорости вращения, если через компрессоры 21А, 21В требуется большая скорость потока, то контроллер 30 нагрузки будет подавать в контроллер 31 турбины сигнал, требующий ускорение вала 17 силовой турбины, например, до 100% от номинальной скорости вращения силовой турбины 7. Контроллер 31 газовой турбины увеличивает расход топлива до тех пор, пока запрашиваемая скорость вращения не будет достигнута. Дополнительный расход топлива вырабатывает больше мощности, которая используется для пропускания потока жидкости в компрессоре 21 с более высокой скоростью.

Даже если запрашиваемая скорость вращения находится в диапазоне, которая может быть достигнута с помощью газовой турбины (которая может работать, например, в диапазоне от 50% до 105% от номинальной скорости вращения), в некоторых рабочих условиях мощности, снимаемой с вала 17 силовой турбины, может быть недостаточно для достижения требуемой скорости вращения. Например, если температура окружающей среды выше, чем расчетное значение температуры, то турбина не будет в состоянии достичь максимальной расчетной мощности.

Максимальная мощность, снимаемая с вала силовой турбины 17, достигается тогда, когда температура выхлопных газов, то есть температура на выходе силовой турбины, достигает максимальной заданной температуры. В некоторых вариантах выполнения контроллер 31 газовой турбины может быть сопряжен с датчиком 32 температуры выхлопных газов. Если максимальная температура выхлопных газов достигнута, а требуемая частота вращения (например, 100% от номинальной скорости в настоящем примере) не достигнута, то контроллер 31 газовой турбины определяет, что мощность, получаемая от газовой турбины 3, недостаточна для управления нагрузкой на скорости вращения, задаваемой контроллером 30 нагрузки. Двигатель / генератор 23 должен быть включен в режиме двигателя и обеспечивать дополнительную мощность для приведения в действие нагрузки. Это может быть выполнено автоматически, т.е. исключительно под управлением контроллера 31. В других вариантах выполнения контроллер 31 может сгенерировать запрос на запуск двигателя / генератора 23, а оператор обеспечивает возможность работы двигателя / генератора 23 в качестве вспомогательного.

После того, как двигатель / генератор 23 запущен, он преобразует электроэнергию в механическую энергию, снимаемую с вала 6 ротора 5R газогенератора. Резистивный крутящий момент на валу 6 ротора газогенератора, таким образом, падает, а скорость ротора 5R газогенератора увеличивается. Датчик 33 скорости может обеспечивать сигнал скорости для контроллера 31 газовой турбины. Когда скорость ротора 5R газогенератора увеличивается, контроллер 31 газовой турбины воздействует на подвижные сопловые направляющие лопатки 15, уменьшая площадь поперечного сечения, через которую протекает газ, увеличивая таким образом давление на выходе турбины 11 высокого давления и, следовательно, на входе силовой турбины 7. Понижение энтальпии через турбину высокого давления уменьшается, тогда как понижение энтальпии через силовую турбину 7 увеличивается, обеспечивая возможность снятия большей механической мощности с вала 17 силовой турбины. Увеличенная энтальпия, получаемая на входе силовой турбины 7, ускоряет вал 17 силовой турбины и нагрузку 21 до тех пор, пока не будет достигнута и не будет поддерживаться требуемая скорость вращения.

Двигатель / генератор 23, работающий во вспомогательном режиме, обеспечивает дополнительную механическую мощность для приведения в действие компрессора 9 газогенератора таким образом, что от газообразных продуктов сгорания получают больше мощности, которая может быть передана из турбины 11 высокого давления в силовую турбину 7 и становится доступной для приведения в действие нагрузки 21.

Еще одна ситуация, когда установленная скорость нагрузки не может быть достигнута, заключается в низком запасе топлива. В этом случае двигатель / генератор 23 вновь работает во вспомогательном режиме, чтобы подавать дополнительную механическую мощность к валу 6 турбины высокого давления, увеличивая тем самым понижение энтальпии через силовую турбину 7. Мощность от газообразных продуктов сгорания передается от турбины высокого давления в силовую турбину и становится доступной для приведения в действие нагрузки.

Всякий раз, когда двигатель / генератор 23 работает в режиме двигателя для подачи механической мощности в газовую турбину, снижение резистивного крутящего момента на роторе 5R газогенератора сдвигает доступное понижение энтальпии от турбины 11 высокого давления к силовой турбине 7.

Как описано выше, в некоторых условиях вспомогательный режим может быть запущен, когда запрашиваемая скорость вращения не может быть достигнута с использованием только мощности, получаемой от газовой турбины, то есть когда подача топлива достигла максимальной величины, так и не приведя к достижению требуемой скорости вращения силовой турбины. Тем не менее, в некоторых случаях установкой 1 можно управлять так, что часть мощности, необходимой для приведения в действие нагрузки 21, поступает от электрического двигателя / генератора, работающего во вспомогательном режиме, ограничивая, в целях экономии, расход топлива, даже если газовая турбина способна обеспечить достаточную мощность для самостоятельного приведения в действие нагрузки. Это может быть сделано, например, когда стоимость единицы электроэнергии ниже, чем стоимость эквивалентного количества топлива, например, в ночное время. Может быть экономически выгодно управлять нагрузкой 21 в гибридном режиме, сочетая электроэнергию от двигателя / генератора 23, работающего во вспомогательном режиме, с механической энергией, вырабатываемой газовой турбиной, причем турбина работает с меньшей мощностью, чем максимальная мощность, и с уменьшенным количеством подаваемого к ней топлива. Режим работы установки будет таким же, как описано выше, но двигатель / генератор будет работать во вспомогательном режиме (режиме двигателя) до тех пор, пока температура газообразного продукта сгорания в стеке достигнет максимального заданного значения.

Когда приводная установка 1 содержит электрический двигатель 23, набор подвижных сопловых направляющих лопаток 15 позволяет избежать опасного превышения скорости газовой турбины 3. В частности, если скорость вращения турбины 11 имеет значение, близкое к максимальной рабочей скорости, а силовая турбина 7 нуждается в дополнительной мощности, вмешательство двигателя 23 создает риск превышения физических пределов машины, приводя к повреждениям газовой турбины.

Чтобы избежать превышения скорости турбины 11, можно перемещать лопатки 15 для регулирования мощности, передаваемой силовой турбине 7. При закрытии лопаток 15 мощность передается от турбины 11 высокого давления к силовой турбине 7. Таким образом, мощность, подаваемая к приводной установке 1 двигателем 23, не перегружает вал турбины 11 высокого давления, а передается в силовую турбину 7. Если мощность, получаемая от газовой турбины, превышает мощность, необходимую для приведения в действие нагрузки 21, двигатель / генератор 23 может быть переключен в режим генератора и приведен во вращение, используя для выработки электроэнергии часть получаемой от газовой турбины механической энергии. Переключают ли электрический двигатель / генератор в режим генератора, чтобы преобразовывать часть получаемой от газовой турбины механической энергии в электроэнергию, или выходная мощность турбины просто уменьшилась за счет уменьшения расхода топлива, зависит, например, от фактического экономического удобства использования топлива для выработки электроэнергии, или от того, доступна ли сеть распределения электроэнергии или нет. Дальнейшие соображения должны быть уделены эффекту снижения нагрузки на коэффициент полезного действия газовой турбины и возможному негативному эффекту снижения нагрузки на химический состав газообразного продукта сгорания. Как известно специалистам в данной области, на самом деле, работа газовой турбины ниже проектной точки может привести к увеличению вредных (NO_X) выбросов.

Для улучшения работы газовой турбины и/или для получения полезной электрической мощности в случае запроса пониженной мощности от нагрузки и/или для обеспечения электроэнергией установки в случае потери сети, двигатель / генератор 23 может работать в режиме генератора, чтобы вырабатывать электроэнергию.

Если предположить, что двигатель / генератор 23 подключен к сети G распределения электроэнергии и силовая турбина работает на меньшей мощности, чем номинальная максимальная мощность, то температура газообразных продуктов сгорания будет ниже заданной максимальной температуры. Эта ситуация показывает, что турбина может вырабатывать больше энергии, чем на самом деле необходимо для управления нагрузкой 21. Электрический двигатель / генератор 23 включают в режим генератора и он начинает работать. Резистивный крутящий момент на валу 6 ротора 5R газогенератора увеличивается, а скорость вращения ротора 5R газогенератора падает. Снижение скорости обнаруживается с помощью поворотного датчика 33 скорости. Контроллер 31 газовой турбины воздействует на подвижные сопловые направляющие лопатки 15 для компенсации падения скорости при открытии подвижных сопловых направляющих лопаток 15. Это приводит к большему понижению энтальпии газообразного продукта сгорания в турбине 11 высокого давления. Таким образом, от частично расширенного газообразного продукта сгорания для приведения в действие силовой турбины 7 получают меньше мощности. Таким образом, обеспечивается другое распределение общего доступного понижения энтальпии, сдвигая часть доступного понижения энтальпии от турбины 7 к турбине 11, преодолевая тем самым увеличение резистивного крутящего момента на валу 6 ротора 5R газогенератора.

Как следствие, скорость вращения силовой турбины 7 и выходного вала 17 уменьшается. Снижение скорости вращения обнаруживают контроллером 30 нагрузки, например, с помощью датчика 34 скорости. Топливный клапан 36 открывают для увеличения расхода топлива, компенсируя тем самым уменьшение скорости вращения силовой турбины, поддерживая требуемую скорость вращения нагрузки или приводя указанную скорость вращения нагрузки обратно к требуемому значению. Этот процесс многократно повторяют, увеличивая тем самым на каждом шаге мощность, вырабатываемую двигателем / генератором 23, и компенсируя падение скорости силовой турбины за счет увеличения расхода топлива. Этот процесс может быть повторен до тех пор, пока не будет достигнута максимальная температура выхлопа или максимальная мощность двигателя / генератора 23, в зависимости от того, что наступит первым. Установку затем поддерживают в этом рабочем состоянии, управляя работой газовой турбины 3 на более высокой общей мощности, преобразуя избыточную механическую энергию в электроэнергию. Также достигается более эффективное потребление топлива и потенциально снижаются вредные (NO_X) выбросы, поскольку газовая турбина работает ближе к проектной точке.

В некоторых вариантах выполнения компрессор 9 газогенератора может иметь подвижные впускные направляющие лопатки. Последними можно управлять для модулирования входного поперечного сечения, в зависимости от температуры окружающей среды и/или от скорости вращения компрессора.

Фиг. 3 иллюстрирует еще один вариант выполнения изобретения, раскрытого в настоящем документе. Те же самые или эквивалентные компоненты, части или элементы, которые показаны на Фиг. 2, обозначены теми же самыми номерами позиций. Механическая приводная установка 1, изображенная на Фиг. 3, содержит газовую турбину 3. Газовая турбина 3, в свою очередь, содержит газогенератор 5 и силовую турбину, или турбину 7 низкого давления. В некоторых вариантах выполнения газогенератор 5 может состоять из компрессора 9 и турбины 11 высокого давления. Ротор компрессора схематически показан номером позиции 9R, а ротор турбины высокого давления показан номером позиции 11R. Роторы 9R и 11R установлены на общем валу 6 и вместе образуют ротор 5R газогенератора.

Компрессор 9 газогенератора имеет подвижные впускные направляющие лопатки, схематически показанные номером 16 позиции. Подвижными впускными направляющими лопатками 16 можно управлять с возможностью изменения скорости потока воздуха на входе, в зависимости от условий работы газовой турбины и приводимой ею в действие нагрузки, как будет описано более подробно далее. В отличие от ранее описанного варианта выполнения, изображенного на Фиг. 2, силовая турбина 7 не имеет подвижных сопловых направляющих лопаток.

Газовая турбина 3, изображенная на Фиг. 3, может, например, представлять собой газовую турбину, выполненную на основе авиационной газовой турбины, такую как PGT25 или PGT25+, доступные от компании GE Oil & Gas, Флоренция, Италия. В других вариантах выполнения турбина 3 может представлять собой газовую турбину для тяжелых условий эксплуатации.

Компрессор 9 газогенератора поглощает и сжимает воздух из окружающей среды. Сжатый воздух подается в камеру 13 сгорания и смешивается с топливом. Топливно-воздушная смесь, образованная в камере сгорания, воспламеняется, чтобы генерировать поток газообразного продукта сгорания, который поступает в турбину 11 высокого давления и частично в ней расширяется, вырабатывая механическую энергию. Механическая энергия, вырабатываемая турбиной 11, используется для приведения в действие компрессора 9 газогенератора.

Частично расширенный газообразный продукт сгорания из турбины 11 протекает через силовую турбину 7, где он еще больше расширяется и вырабатывает дополнительную механическую энергию для приведения в действие нагрузки.

Силовая турбина 7 состоит из ротора 7R, установленного на валу 17 силовой турбины, который не связан по крутящему моменту с валом 6 газогенератора 5, т.е. вал 17 силовой турбины вращается независимо от вала 6 вала 5R газогенератора.

Вал 17 соединен, посредством вала 19 нагрузочной муфты, с нагрузкой, в целом показанной номером 21 позиции, которая приводится во вращение энергией, снимаемой с вала 17 силовой турбины и вырабатываемой за счет расширения газа в турбине 7. Между турбиной 7 и нагрузкой 21 могут быть расположены одна или несколько соединительных муфт, муфт сцепления и устройств регулирования скорости (не показаны). В некоторых вариантах выполнения нагрузка 21 может содержать один или несколько компрессоров, например, два компрессора 21А, 21В, как показано посредством примера в варианте выполнения на Фиг. 3.

Холодный конец газовой турбины может быть соединен с двигателем / генератором 23. Последний может быть электрически соединен с сетью распределения электроэнергии, схематически обозначенной как G. Двигатель / генератор 23 может быть объединен с узлом согласования электроэнергии, например с частотно регулируемым приводом 25. Узел 25 согласования электроэнергии обеспечивает возможность вращения двигателя / генератора 23 со скоростью, которая не зависит от электрической частоты сети G по причинам, указанным выше в связи с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 2.

Между валом 6 газогенератора 5 и двигателем / генератором 23 может быть предусмотрен вспомогательный редуктор 27. В других вариантах выполнения редуктор 27 может быть опущен, а между двигателем / генератором 23 и газогенератором 5 может быть установлен прямой привод. В некоторых вариантах выполнения между двигателем / генератором 23 и валом 6 газогенератора 5 может быть вставлена муфта 29 сцепления.

Запуск газовой турбины 3 может быть выполнен, как уже было описано в отношении варианта выполнения, показанного на Фиг. 2, с помощью электрического двигателя / генератора, работающего в качестве пускового устройства.

Во время работы установки 1, при некоторых условиях, двигатель / генератор 23 может работать в качестве вспомогательного. Двигатель / генератор 23 в этом случае переключают в режим двигателя, чтобы преобразовывать электроэнергию в механическую энергию и добавлять механическую энергию в газовую турбину 3. Работа двигателя / генератора 23 в режиме двигателя может потребоваться, например, когда мощность, вырабатываемая силовой турбиной 3 и снимаемая с вала 17 силовой турбины, недостаточна для приведения в действие нагрузки 21 с требуемой скоростью. Аналогично тому, что было описано в связи с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 2, двигатель / генератор 23 может работать в режиме двигателя и в других ситуациях, например, в целях экономии топлива и использования вместо этого электроэнергии.

И наоборот, двигатель / генератор 23 может быть включен в режиме генератора, например, в случае потери сети, т.е. когда электроэнергия из сети G распределения электроэнергии недоступна. В этом случае двигатель / генератор 23 будет обеспечивать электроэнергию для питания установки и любого другого связанного с ней объекта или вспомогательного узла. Электрический двигатель / генератор может работать в режиме генератора и при других обстоятельствах, например, для корректировки коэффициента мощности установки, либо для увеличения общей нагрузки на газовую турбину, уменьшая тем самым вредные (NO_X) выбросы и повышая коэффициент полезного действия газовой турбины в ситуациях, когда нагрузка 21 требует пониженной мощности.

Для лучшего понимания гибкости приводной установки 1, справляющейся с различными возможными рабочими условиями, и для более ясного понимания способа управления установкой, ссылка ниже будет сделана на некоторые типичные ситуации, которые могут возникнуть во время работы.

Установкой обычно управляют на основе сигнала, подаваемого на контроллер 30 нагрузки. Контроллер 30 генерирует управляющий сигнал, который подается в контроллер 31 газовой турбины. В некоторых вариантах выполнения контроллер 30 обеспечивает сигнал скорости, то есть сигнал, который является функцией требуемой скорости вращения нагрузки. Как уже упоминалось в связи с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 2, сигнал скорости может быть выражен в процентах от номинальной скорости вращения вала 17 силовой турбины. Начиная со стационарного состояния, когда силовая турбина 7 работает, например, при 95% от своей номинальной скорости вращения, если через компрессоры 21А, 21В требуется большая скорость потока, то контроллер 30 посылает контроллеру 31 турбины сигнал, запрашивающий ускорение вала 17 силовой турбины, например, до 100% от номинальной скорости вращения силовой турбины 7. Контроллер 31 газовой турбины увеличивает скорость потока топлива до тех пор, пока не будет достигнута запрашиваемая скорость вращения.

Как отмечено выше в отношении варианта выполнения, показанного на Фиг. 2, в некоторых рабочих условиях мощности на валу 17 силовой турбины может быть недостаточно, чтобы достичь требуемой скорости вращения. Например, если температура окружающей среды выше, чем расчетное значение температуры, турбина будет не в состоянии достичь максимальной расчетной мощности. Как отмечалось выше, максимальная мощность на валу 17 силовой турбины достигается, когда температура выхлопных газов достигает максимальной заданной температуры, которая может быть определена с помощью датчика температуры выхлопных газов, который не показан на Фиг. 3 и похож на датчик 32, показанный на Фиг. 2. Если максимальная температура выхлопных газов достигнута, а требуемая скорость вращения не достигнута, то контроллер 31 определяет, что мощности, получаемой от газовой турбины 3, недостаточно для приведения в действие нагрузки 21. Двигатель / генератор 23, таким образом, переключается в режим двигателя и обеспечивает дополнительную мощность для приведения в действие нагрузки 21.

После того, как двигатель / генератор 23 запущен, он преобразует электроэнергию в механическую энергию, снимаемую с вала 6 ротора 5R газогенератора. Резистивный крутящий момент на валу 6 ротора газогенератора, таким образом, падает, а скорость ротора 5R газогенератора увеличивается. Датчик 33 скорости может послать сигнал скорости контроллеру 31 газовой турбины. Когда скорость ротора 5R газогенератора увеличивается, контроллер 31 газовой турбины воздействует на подвижные впускные направляющие лопатки 16, увеличивая площадь поперечного сечения впускных направляющих лопаток. Открытие впускных направляющих лопаток приводит к увеличению скорости потока воздуха через компрессор 9 газогенератора и, следовательно, к увеличению скорости потока газообразного продукта сгорания через силовую турбину 7. Это приводит к увеличенной механической мощности на валу 17 турбины для приведения в действие нагрузки 21, увеличивая тем самым ее скорость вращения.

Между тем, увеличенная скорость потока воздуха, поступившего в компрессор 9 газогенератора, понижает температуру газообразного продукта сгорания и, таким образом, контроллер 31 турбины увеличивает расход топлива, пока снова не будет достигнуто заданное значение температуры. Повышенная энтальпия и увеличенная скорость потока газообразного продукта сгорания на входе в силовую турбину 7 вырабатывает больше механической мощности на силовом валу 17. Одновременно, увеличенная скорость потока воздуха через компрессор 9 газогенератора приводит к снижению скорости вращения ротора газогенератора, так как для пропускания воздушного потока с увеличенной скоростью требуется больше мощности.

Дополнительная мощность, обеспечиваемая двигателем / генератором 23, работающим во вспомогательном режиме, таким образом, термодинамически передается на вал 17 турбины и снимается в целях приведения в действие нагрузки.

Еще одна ситуация, в которой установленная скорость нагрузки не может быть достигнута, может произойти из-за низкого запаса топлива. В этом случае двигатель / генератор 23 снова работает во вспомогательном режиме, чтобы обеспечить вал 6 турбины высокого давления дополнительной механической мощностью. Впускные направляющие лопатки 16 открывают, чтобы увеличить скорость потока воздуха и, аналогично ранее описанной ситуации, дополнительная мощность от газообразных продуктов сгорания передается от турбины высокого давления к силовой турбине и снимается для приведения в действие нагрузки 21.

Как упоминалось выше, в некоторых случаях установкой 1 можно управлять так, что часть энергии, необходимой для приведения в действие нагрузки 21, поступает от двигателя / генератора 23, работающего во вспомогательном режиме, ограничивая, в целях экономии, расход топлива, даже если газовая турбина способна обеспечивать достаточную мощность для самостоятельного приведения в действие нагрузки. Это может быть сделано, например, когда стоимость единицы электроэнергии ниже, чем стоимость эквивалентного количества топлива, например, в ночное время. Электрический двигатель / генератор будет работать во вспомогательном режиме (режиме двигателя) до тех пор, пока температура газообразных продуктов сгорания в стеке не достигнет максимального заданного значения.

Если мощность, получаемая от газовой турбины, превышает мощность, необходимую для приведения в действие нагрузки 21, то двигатель / генератор 23 может быть переведен в режим генератора и приведен во вращение, используя часть доступной механической энергии от газовой турбины для получения электроэнергии.

Если предположить, что двигатель / генератор 23 подключен к сети G распределения электроэнергии и силовая турбина 7 работает с меньшей мощностью, чем номинальная максимальная мощность, температура газообразного продукта сгорания будет ниже максимальной заданной температуры. Эта ситуация показывает, что турбина может вырабатывать больше энергии, чем та, которая фактически используется для приведения в действие нагрузки 21. Двигатель / генератор 23 включают в режим генератора, и он начинает работать. Резистивный крутящий момент на валу 6 ротора 5R газогенератора увеличивается, а скорость вращения ротора 5R газогенератора падает. Поток воздуха, поступающий в компрессор 9 газогенератора, таким образом, уменьшается, и это приводит к снижению скорости потока газообразного продукта сгорания через силовую турбину 7. Таким образом, для приведения в действие силовой турбины 7 будет доступно меньше мощности.

Следовательно, скорость вращения силовой турбины 7 и выходного вала 17 уменьшается. Падение скорости вращения обнаруживается контроллером 30, например, с помощью датчика 34 скорости. Топливный клапан 36 открывается, чтобы увеличить расход топлива, компенсируя тем самым уменьшение скорости вращения силовой турбины, поддерживая или приводя обратно скорость вращения нагрузки к требуемому значению. Этот процесс многократно повторяется, увеличивая тем самым на каждом шаге мощность, генерируемую двигателем / генератором 23, и компенсируя падение скорости силовой турбины за счет увеличения скорости потока топлива. Этот процесс может быть повторен до тех пор, пока не будет достигнута максимальная температура выхлопа или максимальная мощность двигателя / генератора 23, в зависимости от того, что наступит первым. Затем установку поддерживают в этом рабочем состоянии, управляя работой газовой турбины 3 с более высокой общей мощностью. Также достигается более эффективное потребление топлива и потенциально снижение вредных (NO_X) выбросов (сокращение вредных выбросов), поскольку газовая турбина работает ближе к проектной точке.

В описанных выше вариантах выполнения контроллер нагрузки и контроллер газовой турбины сопряжены с соответствующими датчиками и исполнительными механизмами. Следует понимать, что в некоторых вариантах выполнения управление может обеспечиваться с помощью одного устройства управления, подсоединенного к различным датчикам и исполнительным механизмам. Важно то, что могут быть определены описанные выше рабочие параметры, равно как и необходимые устройства, на которые воздействуют соответствующие исполнительные механизмы, например для регулирования расхода топлива и тому подобного.

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.

Приводная установка для приведения в действие нагрузки содержит газовую турбину, имеющую газогенератор, нагрузочную муфту, электрический двигатель/генератор, устройство для изменения потока, выполненное и управляемое с обеспечением изменения потока газообразного продукта сгорания через газовую турбину. Газогенератор содержит ротор по меньшей мере один компрессор и турбину высокого давления, приводящую в действие по меньшей мере один компрессор газогенератора, и силовую турбину, содержащую ротор, который не связан по крутящему моменту с указанным ротором газогенератора. Нагрузочная муфта соединяет ротор силовой турбины с нагрузкой. Электрический двигатель/генератор механически соединен с ротором газогенератора и электрически соединен с электрической сетью, и выполнен с возможностью работы, выборочно, как генератор для преобразования механической энергии, получаемой от указанной газовой турбины, в электроэнергию, и как двигатель для добавления приводной мощности нагрузке. Устройство для изменения потока содержит набор подвижных сопловых направляющих лопаток, расположенных на входе силовой турбины, для управления скоростью силовой турбины. Подвижные сопловые направляющие лопатки расположены и управляются таким образом, что, когда электрический двигатель/генератор находится в режиме генератора, снижение скорости вращения ротора газогенератора за счет увеличения резистивного крутящего момента, вызванного электрическим двигателем/генератором, компенсируется открытием подвижных сопловых направляющих лопаток с обеспечением увеличения понижения энтальпии в турбине высокого давления. Изобретение направлено на расширение диапазонов работы. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Приводная установка для приведения в действие нагрузки, содержащая:

газовую турбину, содержащую:

газогенератор, содержащий ротор, по меньшей мере один компрессор и турбину высокого давления, приводящую в действие указанный по меньшей мере один компрессор газогенератора, и

силовую турбину, содержащую ротор, который не связан по крутящему моменту с указанным ротором газогенератора,

нагрузочную муфту, соединяющую ротор силовой турбины с нагрузкой,

электрический двигатель/генератор, механически соединенный с ротором газогенератора и электрически соединенный с электрической сетью, при этом электрический двигатель/генератор выполнен с возможностью работы, выборочно, как генератор для преобразования механической энергии, получаемой от указанной газовой турбины, в электроэнергию, и как двигатель для добавления приводной мощности нагрузке,

устройство для изменения потока, выполненное и управляемое с обеспечением изменения потока газообразного продукта сгорания через газовую турбину, причем указанное устройство для изменения потока содержит набор подвижных сопловых направляющих лопаток, расположенных на входе силовой турбины, для управления скоростью силовой турбины, и

при этом подвижные сопловые направляющие лопатки расположены и управляются таким образом, что, когда электрический двигатель/генератор находится в режиме генератора, снижение скорости вращения ротора газогенератора за счет увеличения резистивного крутящего момента, вызванного электрическим двигателем/генератором, компенсируется открытием подвижных сопловых направляющих лопаток с обеспечением увеличения понижения энтальпии в турбине высокого давления.

2. Приводная установка по п. 1, в которой электрический двигатель/генератор обеспечивает пусковое устройство для запуска газовой турбины.

3. Приводная установка по п. 1, в которой указанная нагрузка содержит по меньшей мере один компрессор.

4. Приводная установка по п. 1, дополнительно содержащая механическую муфту сцепления, расположенную между электрическим двигателем/генератором и ротором газогенератора.

5. Приводная установка по п. 1, в которой электрический двигатель/генератор постоянно соединен с ротором газогенератора.

6. Приводная установка по п. 1, дополнительно содержащая частотно-регулируемый привод, расположенный между электрическим двигателем/генератором и электрической сетью, причем частотно-регулируемый привод выполнен и управляется с обеспечением согласования электрической частоты электрической сети с частотой электрического двигателя/генератора и частоты электрического двигателя/генератора с частотой электрической сети.

7. Приводная установка по п. 1, в которой указанное устройство для изменения потока выполнено и управляется так, что, когда электрический двигатель/генератор работает в качестве электрического двигателя, дополнительная мощность, вырабатываемая электрическим двигателем/генератором, термодинамически передается от газогенератора к силовой турбине, и когда электрический двигатель/генератор работает в качестве генератора, механическая энергия, вырабатываемая указанной турбиной высокого давления, преобразуется электрическим двигателем/генератором в электроэнергию.

8. Приводная установка по п. 7, дополнительно содержащая систему управления топливом для управления расходом топлива в газогенераторе, причем указанная система управления топливом выполнена и управляется с обеспечением регулировки указанного расхода топлива с обеспечением поддержания требуемой скорости вращения ротора силовой турбины.

9. Приводная установка по п. 1, в которой указанные подвижные сопловые направляющие лопатки расположены и управляются таким образом, что, когда электрический двигатель/генератор находится в режиме двигателя, увеличение скорости вращения ротора газогенератора за счет снижения резистивного крутящего момента компенсируется закрытием подвижных сопловых направляющих лопаток с обеспечением уменьшения понижения энтальпии в турбине высокого давления и увеличения доступной энтальпии на входе силовой турбины.

10. Приводная установка по п. 1, в которой устройство для изменения потока дополнительно содержит набор регулируемых впускных направляющих лопаток, расположенных на входе в газогенератор.

11. Приводная установка по п. 10, в которой указанные регулируемые впускные направляющие лопатки расположены и управляются таким образом, что, когда электрический двигатель/генератор находится в режиме генератора, снижение скорости вращения ротора газогенератора за счет увеличения резистивного крутящего момента компенсируется уменьшением потока воздуха через указанные лопатки.

12. Приводная установка по п. 8, в которой система управления топливом выполнена и управляется таким образом, что, когда электрический двигатель/генератор находится в режиме генератора, снижение скорости вращения ротора газогенератора за счет увеличения резистивного крутящего момента компенсируется увеличением расхода топлива.

13. Приводная установка по п. 10, в которой указанные регулируемые впускные направляющие лопатки расположены и управляются таким образом, что, когда электрический двигатель/генератор находится в режиме двигателя, увеличение скорости вращения ротора газогенератора за счет снижения резистивного крутящего момента компенсируется увеличением потока воздуха через указанные лопатки.

14. Приводная установка по п. 8, в которой система управления топливом выполнена с возможностью увеличения скорости потока топлива, когда поток воздуха через регулируемые впускные направляющие лопатки возрастает.

15. Способ приведения в действие нагрузки с помощью газовой турбины, включающий:

сжатие топочного воздуха в компрессоре газогенератора, содержащем ротор,

смешивание указанного топочного воздуха с топливом, воспламенение топливно-воздушной смеси и генерацию сжатого газообразного продукта сгорания,

частичное расширение газообразного продукта сгорания в турбине высокого давления и выработку механической энергии для приведения в действие указанного компрессора газогенератора,

дальнейшее расширение газообразного продукта сгорания в силовой турбине, вал которой не связан по крутящему моменту с указанной турбиной высокого давления,

приведение в действие нагрузки с помощью указанного вала силовой турбины,

механическое соединение электрического двигателя/генератора с ротором газогенератора и электрическое соединение указанного электрического двигателя/генератора с электрической сетью,

выборочный запуск указанного электрического двигателя/генератора:

в режиме двигателя для преобразования электроэнергии в дополнительную механическую энергию, доставки указанной дополнительной механической энергии к указанному ротору газогенератора, термодинамической передачи дополнительной энергии к указанной силовой турбине и преобразования указанной дополнительной энергии в механическую энергию для приведения в действие указанной нагрузки, и

в режиме генератора, для преобразования механической энергии, снимаемой с ротора газогенератора, в электроэнергию, и

обеспечение устройства для изменения потока, содержащего набор подвижных сопловых направляющих лопаток на входе силовой турбины, для изменения потока газообразного продукта сгорания через силовую турбину для, выборочно:

уменьшения мощности, передаваемой от газогенератора к силовой турбине и преобразования механической энергии, получаемой от турбины высокого давления, в электроэнергию, или

увеличения мощности, передаваемой от газогенератора к силовой турбине, когда указанный электрический двигатель/генератор работает как двигатель и добавляет механическую энергию к ротору газогенератора, и

переключения электрического двигателя/генератора в режим двигателя и преобразования электроэнергии в дополнительную механическую энергию, используемую для приведения в действие указанного ротора газогенератора; и

передачи энергии от газогенератора к силовой турбине путем закрытия подвижных сопловых направляющих лопаток, уменьшая тем самым понижение энтальпии газообразного продукта сгорания, расширяющегося через указанную турбину высокого давления, и увеличивая энтальпию, имеющуюся на входе указанной силовой турбины.

16. Способ по п. 15, в котором переключают электрический двигатель/генератор в режим генератора для преобразования механической энергии, вырабатываемой турбиной высокого давления, в электроэнергию, и

открывают подвижные сопловые направляющие лопатки, увеличивая понижение энтальпии газообразного продукта сгорания, расширяющегося через турбину высокого давления, и преобразуя избыточную механическую энергию, производимую турбиной высокого давления, в электроэнергию в указанном электрическом двигателе/генераторе.

17. Способ по п. 16, в котором увеличивают расход топлива для компенсации механической энергии, преобразованной в электроэнергию.

18. Способ по п. 15, в котором обеспечивают набор подвижных впускных направляющих лопаток на входе ротора газогенератора.

19. Способ по п. 18, в котором переключают электрический двигатель/генератор в режим двигателя и преобразуют электроэнергию в дополнительную механическую энергию, используемую для приведения в действие указанного ротора газогенератора, и

открывают указанные впускные направляющие лопатки, увеличивая тем самым скорость потока воздуха через компрессор газогенератора и увеличивая расход топлива, передавая таким образом дополнительную энергию от газогенератора к силовой турбине.

20. Способ по п. 18, в котором переключают электрический двигатель/генератор в режим генератора для преобразования механической энергии, вырабатываемой турбиной высокого давления, в электроэнергию, и

увеличивают расход топлива для компенсации механической энергии, преобразуемой в электроэнергию.