ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В УСТАНОВКАХ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ И СПОСОБЫ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2018 года по МПК F01D15/08 F02C6/06 F01D15/10 F02C7/36 F02C7/268 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к усовершенствованию газотурбинных систем, используемых в установках с механическим приводом. В частности, но не исключительно, изобретение относится к газотурбинным системам для приведения в действие компрессоров, например, компрессоров для жидкого хладагента в установках сжижения природного газа (СПГ).

Изобретение также относится к усовершенствованиям способов работы системы, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку, например, компрессор для СПГ или нефтегазовых установок.

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 закрытых или открытых 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, трубопроводах или других объектах нефтегазовой промышленности часто приводятся в действие с помощью газотурбинного двигателя. Полезная мощность газотурбинного двигателя (т.е. мощность, снимаемая с его приводного вала) зависит от условий окружающей среды, например, от температуры воздуха, а также от других факторов, например, старения. Полезная мощность 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. При работе электрический двигатель сообщает дополнительную механическую энергию компрессору или компрессорам, с целью поддержания постоянной общей механической мощности на валу компрессора, если полезная мощность газотурбинного двигателя 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 газотурбинным двигателем и компрессором или компрессорами, от нуля до полезной частоты вращения.

Когда двигатель вырабатывает избыточную механическую энергию, например, если окружающая температура опускается ниже расчетной температуры и, соответственно, увеличивается полезная мощность двигателя, избыточная механическая энергия, вырабатываемая газотурбинным двигателем, преобразуется в электрическую энергию, используя вспомогательный электрический двигатель в качестве генератора.

Фиг. 1 иллюстрирует конструкцию газотурбинного двигателя и компрессора с вспомогательным устройством/пусковым устройством/генератором, обычно используемым в установке СПГ. Газотурбинный двигатель 1 соединен общим трансмиссионным валом 3 с электрическим двигателем/генератором 5. Трансмиссионный вал может состоять из нескольких участков 3А, 3В, 3С, 3D. Номер 4 позиции обозначает жесткую муфту, расположенную между газотурбинным двигателем и электрическим двигателем/генератором 5. Дополнительная гибкая муфта 6 расположена между электрическим двигателем/генератором 5 и нагрузкой 7, например компрессором. Электрический двигатель/генератор 5 может быть подключен обоими концами, то есть выполнен таким образом, что он обеспечивает передачу механической мощности, вырабатываемой газотурбинным двигателем 1, компрессору 7. При этом мощность, передаваемая компрессору, должна быть равной или больше выходной мощности газотурбинного двигателя. Электрический двигатель/генератор 5 подключен к электроэнергетической системе G посредством преобразователя 11 частоты.

Двигатель/генератор 5 используется в качестве пускового устройства для разгона газотурбинного двигателя 1 от нулевой скорости вращения до максимальной скорости. Учитывая, что электрический двигатель/генератор 5 расположен на общем трансмиссионном валу 3, при выполнении функции запуска двигатель/генератор 5 также запускает всю компрессорную линию, то есть компрессор или компрессоры 7. При этом необходим достаточно мощный двигатель/генератор 5, обеспечивающий возможность ускорения всей линии вращающихся машин, подключенных к общему валу 3, а также для преодоления аэродинамической нагрузки, действующей на компрессор или компрессоры 7, так как при запуске начинается протекание рабочей текучей среды в компрессоре или компрессорах 7, и давление в нем (в них) возрастает.

В других известных установках сжижения природного газа электрический двигатель/генератор установлен на одном конце компрессора или компрессоров, а газотурбинный двигатель расположен на противоположном конце компрессоров. Компрессор или компрессоры, таким образом, расположены между газотурбинным двигателем и электрическим вспомогательным устройством/генератором. Если компрессор представляет собой компрессор с вертикальным разъемом корпуса, для проведения технического обслуживания компрессора электрический двигатель/генератор необходимо удалить. Кроме того, в указанных известных устройствах на холодном конце газотурбинного двигателя предусмотрено специальное пусковое устройство.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является приводная система, описанная в заявке на патент РФ 2010117378, МПК F01D 15/10, 10.11.2011. Указанная система предназначена для приведения в действие нагрузки и содержит паровую турбину, генератор и нагрузку, выполненную с возможностью приведения в действие турбиной. Генератор соединен с турбиной для преобразования вырабатываемой ею механической энергии в электрическую энергию и подачи ее в электрическую сеть. В указанной приводной системе не обеспечена возможность накапливания избыточной механической энергии для ее последующей подачи в качестве дополнительной механической энергии к турбине для приведения во вращение нагрузки в случае, если механической энергии, вырабатываемой турбиной, недостаточно. Таким образом, если полезная мощность турбины уменьшится, например, по причине возрастания температуры окружающей среды, указанная система не сможет обеспечить своевременное увеличение механической энергии для приведения во вращение нагрузки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном варианте выполнения настоящего изобретения предложена приводная система для приведения в действие нагрузки, содержащая газотурбинный двигатель, выполненный и расположенный с возможностью приведения в действие нагрузки и имеющий горячий конец и холодный конец. Газотурбинный двигатель имеет нагрузочную муфту для соединения с нагрузкой, расположенной на одном из указанных концов газотурбинного двигателя, горячем или холодном. На противоположном конце газотурбинного двигателя дополнительно предусмотрен электрический двигатель/генератор. В некоторых вариантах выполнения электрический двигатель/генератор подсоединен на холодном конце газотурбинного двигателя, а нагрузка подсоединена на горячем конце газотурбинного двигателя.

В отличие от известных конструкций, в заявленной приводной системе электрический двигатель/генератор, с одной стороны, выполнен с возможностью работы в качестве генератора для преобразования избыточной механической энергии, вырабатываемой газотурбинным двигателем, в электрическую энергию и доставки этой электрической энергии в электроэнергетическую систему, а, с другой стороны, в качестве двигателя для добавления приводной мощности указанной нагрузке. Таким образом, двигатель/генератор оказывает двунаправленное действие, обеспечивая преобразование избыточной механической энергии в электрическую энергию и подачу этой энергии к газотурбинному двигателю в том случае, если механической энергии, вырабатываемой газотурбинным двигателем, недостаточно для приведения в действие нагрузки.

Кроме того, установка электрического двигателя/генератора на холодном конце газотурбинного двигателя упрощает модификацию существующих установок при использовании вспомогательной опорной плиты. Пространство на опорной плите для электрического двигателя/генератора может быть получено при удалении пускового устройства и гидротрансформатора и/или других вспомогательных средств. В других вариантах выполнения, например, когда газотурбинный двигатель представляет собой газотурбинный двигатель с несколькими валами, нагрузка может быть подсоединена на холодном конце газотурбинного двигателя, а электрический двигатель/генератор может быть подсоединен на горячем конце газотурбинного двигателя. Конкретное размещение нагрузки и электрического двигателя/генератора относительно горячего и холодного конца газотурбинного двигателя может также зависеть от конструктивных ограничений, поскольку требует дополнительного конструктивного выполнения вала/фланцев на стороне нагрузки. В некоторых конфигурациях для передачи большей мощности предназначен вал/фланцы горячего конца, а не муфты холодного конца.

В некоторых вариантах выполнения нагрузка может содержать один или несколько компрессоров, таких как компрессор(ы) установки СПГ.

В некоторых вариантах выполнения электрический двигатель/генератор электрически подсоединен к электроэнергетической системе. Электрический двигатель/генератор выполнен с возможностью работы в качестве генератора для преобразования избыточной механической энергии, вырабатываемой газотурбинным двигателем, в электрическую энергию, доставки электрической энергии в электроэнергетическую систему, и в качестве электрического двигателя для дополнения приводной мощности компрессору при снижении механической энергии, вырабатываемой газотурбинным двигателем.

Благодаря размещению электрического двигателя/генератора на конце газотурбинного двигателя, противоположном концу, на котором расположена нагрузка, обеспечивается несколько преимуществ по сравнению с конфигурациями предшествующего уровня техники. В частности в конфигурации согласно настоящему изобретению, в которой электрический двигатель/генератор расположен на одном конце двигателя, а нагрузка расположена на противоположном конце двигателя, обеспечивается возможность свободного доступа к другим компонентам приводной системы, в том числе к нагрузке. В частности, если нагрузка представляет собой компрессор с вертикальным разъемом, может быть обеспечен еще более удобный доступ к нагрузке для выполнения ее технического обслуживания. На этапе ввода в эксплуатацию при узловой обкатке газотурбинного двигателя благодаря наличию двигателя/генератора на одном из его концов исключена необходимость использования отдельного пускового устройства для его приведения в действие. Кроме того, при расположении двигателя/генератора на конце, противоположном концу, на котором расположена нагрузка, и, соответственно, при размещении газотурбинного двигателя между генератором и нагрузкой в случае короткого замыкания в двигателе/генераторе воздействие на нагрузку будет значительно снижено, поскольку благодаря наличию газотурбинного двигателя между генератором и нагрузкой будет предотвращена передача возникающих при коротком замыкании избыточных колебаний от генератора к нагрузке. Это преимущественно отличает конструкцию заявленной системы от конструкций известного уровня техники, в которых двигатель/генератор непосредственно соединен с приводным валом нагрузки.

В соответствии с конфигурацией, изображенной на Фиг. 1, новая конфигурация, раскрытая в настоящем документе, обеспечивает более простой, малогабаритный и менее дорогой электрический двигатель/генератор, не требующий необходимости подключения обоими выходными валами.

В некоторых предпочтительных вариантах выполнения газотурбинный двигатель представляет собой одновальный газотурбинный двигатель, при этом электрический двигатель/генератор также работает как пусковое устройство для линии, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку.

В соответствии с одним дополнительным аспектом, изобретение относится к способу запуска системы, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку, причем способ включает использование газотурбинного двигателя, имеющего горячий конец и холодный конец; соединение нагрузки с одним из указанных концов, горячим или холодным; соединение электрического двигателя/генератора с другим из указанных концов; включение электрического двигателя/генератора в режиме двигателя; подачу питания на электрический двигатель/генератор; преобразование электрической энергии в механическую энергию в электрическом двигателе/генераторе, и использование механической энергии для запуска газотурбинного двигателя и нагрузки, при этом механическая энергия передается от электрического двигателя/генератора к нагрузке через газотурбинный двигатель.

В соответствии с другим аспектом, изобретение относится к способу работы газотурбинной системы, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку, приводимую в действие газотурбинным двигателем, причем способ включает использование газотурбинного двигателя, имеющего горячий конец и холодный конец; соединение нагрузки с одним из указанных концов, горячим или холодным; соединение электрического двигателя/генератора с другим из указанных концов; механическое соединение электрического двигателя/генератора с нагрузкой; выработку механической энергии с помощью газотурбинного двигателя; подачу электропитания на нагрузку с помощью механической энергии, вырабатываемой с помощью газотурбинного двигателя.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, когда механическая энергия, вырабатываемая газотурбинным двигателем, превышает механическую энергию, необходимую для приведения в действие нагрузки, способ предусматривает следующие этапы: приведение в действие электрического двигателя/генератора в режиме генератора; передачу избыточной механической энергии от газотурбинного двигателя электрическому двигателю/генератору; преобразование избыточной механической энергии в электрическую энергию в электрическом двигателе/генераторе.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, когда механическая энергия, вырабатываемая газотурбинным двигателем, меньше энергии, необходимой для приведения в действие нагрузки, способ предусматривает следующие этапы: приведение в действие электрического двигателя/генератора в режиме двигателя; подачу электропитания на электрический двигатель/генератор; преобразование электрической энергии в дополнительную механическую энергии в электрическом двигателе/генераторе; передачу дополнительной механической энергии от электрического двигателя/генератора через газотурбинный двигатель на нагрузку; приведение в действие нагрузки с комбинированной выработкой электрической энергии с помощью газотурбинного двигателя и дополнительной механической энергии, вырабатываемой электрическим двигателем/генератором.

Отличительные признаки и варианты выполнения раскрыты ниже в данном документе и изложены затем в прилагаемой формуле изобретения, которая представляет собой неотъемлемую часть настоящей заявки. В приведенном выше кратком описании изложены признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для того, чтобы было понятнее следующее ниже подробное описание и для лучшей оценки приведенных усовершенствований существующего уровня техники. Конечно, имеются также 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 относительно деталей конструкции и расположения компонентов, как это раскрыто в последующем описании или проиллюстрировано на чертежах. Изобретение допускает альтернативные варианты выполнения и различные способы его осуществления 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 изобретение, может без труда использоваться в качестве основы для разработки других конструкций, способов и систем для осуществления отдельных целей настоящего изобретения. В этой связи важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции, если они соответствуют объему и сущности изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение газотурбинного двигателя и компрессора, в соответствии с современным уровнем развития техники;

Фиг. 2-6 представляют собой схематичные изображения конфигураций газотурбинного двигателя и компрессора, в соответствии с двумя вариантами выполнения настоящего изобретения.

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.

В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 2, предлагается газотурбинный двигатель 101 для приведения в действие нагрузки 103.

Двигатель 101 имеет первый конец 101Н и второй конец 101С. Первый конец 101Н называют горячим концом, тогда как второй конец 101С называют холодным концом. Горячий конец 101Н расположен обычно на конце, где отработавшие продукты сгорания выводятся из силовой турбины 104, тогда как холодный конец 101С обычно представляет собой конец, на котором расположено впускное отверстие компрессора 102 двигателя 101.

В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 2, нагрузка 103 содержит компрессор, например, центробежный компрессор, такой как холодильный компрессор установки СПГ или компрессор для трубопровода или т.п.В других вариантах выполнения нагрузка может состоять из более чем одного компрессора, т.е. линии из двух или большего количества компрессоров, вращающихся с одной и той же частотой вращения или с разными частотами вращения, например, при размещении одного или большего количества устройств для управления скоростью, таких как редуктор, между последовательно расположенными компрессорами линии.

В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 2, нагрузка 103 соединена с возможностью передачи приводного усилия с горячей стороной 101Н двигателя 101 посредством нагрузочной муфты 105. Если нагрузка 103 требует частоты вращения, отличающейся от полезной частоты вращения двигателя 101, устройство 107 для управления скоростью размещают между газотурбинным двигателем 101 и нагрузкой 103. Например, устройство для управления скоростью может состоять из редуктора. В других вариантах выполнения устройство 107 может состоять из редуктора гидротрансформатора. Номер позиции 109 обозначает приводной вал, соединяющий устройство 107 для управления скоростью с нагрузкой 103.

Конец двигателя 101, противоположный нагрузочной муфте 105, то есть холодный конец 101С, соединен с обратимой электрической машиной 111, которая представляет собой электрический двигатель/генератор, т.е. устройство, способное преобразовывать механическую энергию, снимаемую с вала, в электрическую энергию, снимаемую с электрических клемм машины, или наоборот, преобразовывать электрическую энергию, снимаемую с электрических клемм, в механическую энергию, снимаемую с вала машины. Электрический двигатель/генератор 111 электрически соединен с электроэнергетической системой G.

Между электрическими клеммами электрического двигателя/генератора 111 и электроэнергетической системой G может быть установлен преобразователь частоты или частотно регулируемый привод 113. Преобразователь 113 частоты обеспечивает электрическую энергию на частоте сети, например, 50 Гц или 60 Гц, используемую при необходимости для вращения электрического двигателя/генератора 111 с любой скоростью, в зависимости от функции, выполняемой электрическим двигателем/генератором 111, путем изменения частоты для соответствия частоте вращения электрического двигателя/генератора 111. Преобразователь 113 также обеспечивает преобразование частоты электрической энергии, вырабатываемой электрическим двигателем/генератором 111, в частоту сети. Преобразователь 113, таким образом, обеспечивает вращение системы с регулируемой частотой вращения, в зависимости от технических требований.

Электрический двигатель/генератор 111 механически соединен с холодным концом 101С двигателя 101 посредством выходного вала 115 двигателя. В некоторых вариантах выполнения механический между выходным валом 115 двигателя и двигателем 101 может быть расположен механический предохранитель 119, который представляет собой устройство, которое способно ломаться при перегрузке. В вариантах выполнения, описанных в данном документе, механический предохранитель защищает, например, турбомашины 101 и 103 в случае короткого замыкания в электрическом двигателе/генераторе 111.

В других вариантах выполнения между выходным валом 115 двигателя и двигателем 101 может быть расположена муфта 117 сцепления для избирательного присоединения электрического двигателя/генератора 111 к двигателю 101 и отсоединения его от двигателя 101. В некоторых вариантах выполнения между электрическим двигателем/генератором 111 и газотурбинным двигателем может быть расположен редуктор или другое устройство для управления скоростью.

В некоторых вариантах выполнения, как показано на Фиг. 2, механический предохранитель и муфта сцепления могут использоваться в комбинации.

В некоторых вариантах выполнения двигатель 101 может представлять собой газотурбинный двигатель большой мощности. В других вариантах выполнения двигатель 101 может представлять собой газотурбинный двигатель на базе авиационного двигателя. Может быть предусмотрена комбинация из двух или большего количества газотурбинных двигателей для приведения в действие одного и того же компрессора или компрессоров.

В некоторых вариантах выполнения двигатель 101 представляет собой одновальный газотурбинный двигатель, который содержит ротор компрессора и ротор турбины, установленные на общем вращающемся валу. Один конец вала механически соединен с двигателем/генератором 111, а другой конец вала механически соединен с нагрузкой 103 посредством нагрузочной муфты 105.

Таким образом, двигатель/генератор 111 соединен с одновальным приводом и приводит в действие компрессор и силовую турбину газотурбинного двигателя, а также компрессор или компрессоры, образующие нагрузку 103.

В конфигурации одновального газотурбинного двигателя двигатель/генератор 111 может выполнять функцию пускового устройства, вспомогательную функцию и функцию генератора, как будет описано далее. Механическая энергия, снимаемая с двигателя/генератора 111, механически передается на нагрузку через общую линию вала. Избыточная механическая энергия, снимаемая с вала силовой турбины, непосредственно передается на двигатель/генератор 111 и преобразуется в электрическую энергию.

В одновальном газотурбинном двигателе 101, при неподвижном положении двигателя 101 и нагрузки 103, запуск линии осуществляется с помощью двигателя/генератора 111, выполняющего функцию пускового устройства. Двигатель/генератор 111 переключается в режим электрического двигателя. Электрическая энергия от электроэнергетической системы G подается к двигателю/генератору 111 через преобразователь 113 частоты. Частота электрической энергии, подаваемой на электрический двигатель/генератор, регулируется для разгона двигателя/генератора 111 от нуля до необходимой частоты вращения, которая может представлять собой полезную частоту вращения двигателя 101 или другую меньшую частоту вращения.

Механическая энергия, вырабатываемая двигателем/генератором 111, вращает вал двигателя 101, муфту 105, а также компрессор или компрессоры 103. Таким образом, двигатель/генератор 111 предназначен для обеспечения достаточной энергии при запуске, необходимой для ускорения газотурбинного двигателя, компрессора или компрессоров, образующих нагрузку 103. Это предполагает преодоление действия инерции турбомашин, а также аэродинамической нагрузки компрессора или компрессоров 103. Аэродинамическая нагрузка представляет собой нагрузку, созданную текучей средой, прошедшей через компрессор или компрессоры, составляющие нагрузку 103. Аэродинамическая нагрузка увеличивается при увеличении скорости вращения компрессора по мере возрастания давления текучей среды, прошедшей через компрессор. Двигатель/генератор 111 предназначен, таким образом, для обеспечения энергии, достаточной для преодоления инерциальных и аэродинамических нагрузок турбомашин, приводимых в действие с помощью двигателя/генератора 111, по меньшей мере на скорости вращения, необходимой для воспламенения газотурбинного двигателя.

Как только двигатель 101 принимает на себя задачу приведения в действие нагрузки, электрический двигатель/генератор может быть отключен. В некоторых вариантах выполнения электрический двигатель/генератор может продолжать функционировать в режиме двигателя для обеспечения дополнительной механической энергии, которая используется в комбинации с механической энергией, вырабатываемой с помощью газотурбинного двигателя, для приведения в действие нагрузки.

В некоторых вариантах выполнения двигатель 101 работает с постоянной частотой вращения и полной нагрузкой для обеспечения максимальной эффективности газотурбинного двигателя. Если механическая энергия, вырабатываемая двигателем 101, превышает энергию, необходимую для приведения в действие нагрузки 103, например, вследствие снижения температуры окружающей среды и последующего увеличенная полезной мощности двигателя, двигатель/генератор 111 переключается в режим генератора и преобразует механическую энергию, снимаемую с вала двигателя, в электрическую энергию. Электроэнергия, вырабатываемая двигателем/генератором 111, подается в электрическую сеть G. При необходимости частота электроэнергии может быть преобразована с помощью преобразователя 113 частоты.

Если механической энергии, вырабатываемой двигателем 101, недостаточно для приведения в действие нагрузки, например, вследствие повышения температуры окружающей среды и последующего уменьшения полезной мощности двигателя, двигатель/генератор 111 переключается в режим электрического двигателя и функционирует как вспомогательный двигатель. Электроэнергия из электросети G преобразуется с помощью двигателя/генератора 111 в механическую энергию на выходном валу 115 двигателя. В некоторых вариантах выполнения, как отмечалось выше, электрический двигатель/генератор может функционировать в режиме двигателя непрерывно, а не только при уменьшении полезной мощности газотурбинного двигателя. В обоих случаях, общая механическая мощность, снимаемая с нагрузочной муфты 105, равна сумме механической энергии, вырабатываемой двигателем 101 и механической энергии, вырабатываемой двигателем/генератором 111.

Двигатель/генератор 111 на холодном конце двигателя 101 не требует подключения обоими концами, при этом вал газотурбинного двигателя не требует поддержки полезной мощности двигателя 101 при полной нагрузке.

На Фиг. 3 показан еще один вариант выполнения компрессорного устройства, приводимого в действие газотурбинным двигателе, например для пропускания жидкого хладагента в установке СПГ. Одинаковые номера позиций используются для обозначения одинаковых или эквивалентных компонентов, как показано на Фиг. 2. В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 3, нагрузка 103 состоит из компрессорного устройства, состоящего из первого компрессора 103А и второго компрессора 103В. В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 3, компрессоры приводятся в действие непосредственно газотурбинным двигателем 101, без расположенного между ними устройства для управления скоростью. В других вариантах выполнения устройство для управления скоростью, например, редуктор, может быть расположен между газотурбинным двигателем 101 и компрессором 103А и/или между компрессором 103А и компрессором 103В.

Установка, изображенная на Фиг. 3, функционирует по существу точно таким же образом, что и установка, изображенная на Фиг. 2.

В обоих вариантах выполнения, показанных на Фиг. 2 и 3, двигатель/генератор 111 не предусматривает необходимость подключения обоими выходными валами, поскольку он расположен на одном конце линии. Кроме того, размещение двигателя/генератора 111 предусматривает вмешательство в работу последнего компрессора, даже если последний представляет собой компрессор с вертикальным разъемом корпуса, облегчая, тем самым, обслуживание. Кроме того, расположение двигателя/генератора 111 дополнительно снижает механические нагрузки на приводной вал компрессорной линии в случае короткого замыкания в двигателе/генераторе 111, по сравнению с конструкциями современного уровня техники, в которых двигатель/генератор 111 непосредственно соединен с приводным валом.

На Фиг. 4 изображен еще один вариант выполнения системы, содержащей газотурбинный двигатель 101 и нагрузку 103, приводимую им в действие, в соответствии с настоящим изобретением. Одинаковые номера позиций используются для обозначения одинаковых или аналогичных компонентов, элементов или частей, как и в предыдущих вариантах выполнения, и не будут описаны далее подробно. Двигатель/генератор 111 подсоединен на холодном конце 101С двигателя 101, а нагрузка 103 подсоединена на горячем конце 101Н двигателя 101. В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 4, нагрузка 103 содержит первый компрессор 103А и второй компрессор 103В. Нагрузочная муфта 105 поддерживается промежуточной опорной конструкцией 120. Между промежуточной опорной конструкцией 120 и валом компрессора может быть установлена гибкая муфта 122. В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 4, нагрузка, следовательно, приводится в действие двигателем 101 посредством частично жесткой и частично гибкой муфты. Гибкая муфта, как предусмотрено в данном документе, представляет собой муфту, содержащую гибкий или упругий элемент, схематично обозначенный номером 124 позиции, например, гибкое или упругое соединение. И наоборот, жесткая муфта представляет собой муфту, не содержащую гибкий или упругий элемент.

Гибкие муфты компенсируют тепловое расширение валов, соединяющих турбомашины, а также возможное угловое рассогласование, уменьшая нагрузки на подшипники и уровень вибрации машины.

Установка гибкой муфты между газотурбинным двигателем и нагрузкой улучшает функциональность и эффективность сухих газовых уплотнений компрессора(ов), приводимого в действие газотурбинным двигателем, и упрощает согласование между турбомашинами, а также расчет ротодинамической конструкции.

На Фиг. 5 показан еще один вариант выполнения изобретения, раскрытого в настоящем документе. Одинаковые или эквивалентные компоненты, элементы или части, как и на Фиг. 4, приводятся с теми же номерами позиций и не описаны далее подробно. Вариант выполнения, изображенный на Фиг. 5, отличается от варианта выполнения, показанного на Фиг. 4, поскольку первый содержит нагрузочную муфту 105, которая содержит только гибкую муфту, непосредственно соединенную с двигателем 101 и нагрузкой 103. Номер позиции 124 обозначает гибкий или упругий элемент гибкой муфты 105.

В некоторых вариантах выполнения нагрузка 103 может состоять из двух или большего количества компрессоров, соединенных друг с другом посредством промежуточной гибкой муфты. На Фиг. 5 показан иллюстративный вариант выполнения третьего компрессора 103С, соединенного с первым и вторым компрессорами 103А, 103В посредством гибкой муфты 126.

На Фиг. 2-5 показан одновальный газотурбинный двигатель 101. Соответствующими газотурбинными двигателями, которые могут быть использованы в описанных выше конструкциях, являются MS9001, MS7001, MS6001, MS5001, GELO-1, газотурбинные двигатели большой мощности, одновальные газотурбинные двигатели, поставляемые компанией GE Oil & Gas.

В других вариантах выполнения газотурбинный двигатель может быть газотурбинным двигателем с несколькими валами, имеющим два или большее количество концентрично расположенных валов. На Фиг. 6 схематично показан двухвальный газотурбинный двигатель, обозначенный в целом номером 201 позиции. Подходящим двухвальным газотурбинным двигателем является газотурбинный двигатель LM6000^®, поставляемый компанией General Electric, Evendale, штат Огайо, США. Двухвальный газотурбинный двигатель 101 содержит центральный узел 203, компрессор 205 низкого давления и силовую турбину или турбину 207 низкого давления. Центральный узел 203, в свою очередь, содержит компрессор 209 высокого давления и турбину 211 высокого давления. Ротор компрессора 209 высокого давления и ротор турбины 211 высокого давления установлены на общем валу центрального узла или внешнем валу 213. Ротор компрессора 205 низкого давления и ротор турбины низкого давления или силовой турбины 207 установлены на внутреннем валу или приводном валу 215. Внутренний вал 215 проходит соосно с внешним валом 213 и через него. Горячий конец и холодный конец газотурбинного двигателя 201 схематично обозначены номерами позиций, соответственно, 201Н и 201С.Электрический двигатель/генератор 221 механически соединен с внутренним валом 215 на холодном конце 201С газотурбинного двигателя 201 и электрически соединен с электроэнергетической системой G посредством преобразователя частоты или частотного преобразователя 223. Муфта сцепления и/или механический предохранитель и/или редуктор, в целом обозначенные номером позиции 225, могут быть расположены между холодным концом внутреннего вала 215 и валом 221А электрического двигателя/генератора 221.

Горячий конец вала 215 может быть механически соединен с нагрузкой 226. Для этих целей может использоваться гибкая муфта. Номер 227 позиции схематично показывает гибкий элемент гибкой муфты. Редуктор или любое другое устройство для управления скоростью может быть расположено между горячим концом 201Н газотурбинного двигателя 201 и нагрузкой 226 и/или между последовательно расположенными приводными механизмами нагрузки 226.

В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 6, нагрузка 226 состоит из первого компрессора 226А и дополнительного второго компрессора 226В. Гибкая муфта, схематично обозначенная номером позиции 229, может быть установлена между двумя компрессорами 226А, 226В.

В некоторых вариантах выполнения пусковое устройство 231 предназначено для запуска центрального узла 203 газотурбинного двигателя 201.

Наружный воздух подается в компрессор 205 низкого давления и сжимается при первом давлении. Частично сжатый воздух поступает в компрессор 209 высокого давления центрального узла 203 и сжимается до высокого давления. Сжатый воздух подается в камеру 204 сгорания и смешивается с топливом, например, с газообразным или жидким топливом. Горючая смесь воздуха с топливом воспламеняется и газообразные продукты сгорания последовательно расширяются в турбине 211 высокого давления и силовой турбине 207 или турбине низкого давления. Механическая энергия, вырабатываемая турбиной 211 высокого давления, используется для приведения в действие компрессора 209 высокого давления центрального узла 203 турбины, тогда как механическая энергия, вырабатываемая силовой турбиной 211 или турбиной низкого давления, снимается с внутреннего вала 215 и используется для приведения в действие нагрузки 226.

Избыточная механическая энергия, снимаемая с внутреннего вала 215 силовой турбины 207, передается к электрическому двигателю/генератору 211 и преобразуется, таким образом, в электрическую энергию, при этом двигатель/генератор 211 работает в режиме генератора. Электрическая энергия регулируется преобразователем 223 частоты и подается в электроэнергетическую систему G. Если механической энергии, вырабатываемой газотурбинным двигателем 207, недостаточно для приведения в действие нагрузки 226, например, вследствие уменьшения полезной мощности турбины, вызванной повышением температуры окружающей среды, то двигатель/генератор 221 может переключиться в режим электрического двигателя и преобразовывать электрическую энергию электроэнергетической системы G в механическую энергию, снимаемую с внутреннего вала 215, для приведения в действие нагрузки, в комбинации с механической энергией, вырабатываемой силовой турбиной 207.

В данном варианте выполнения функция пускового устройства обеспечивается не двигателем/генератором 221, а скорее, пусковым устройством 231, установленным в центральном узле 203. При запуске турбины 201 устройство 231 приводит во вращение наружный вал 213, в результате чего узел 203 может начать запуск. После воспламенения топлива в турбине 211 высокого давления образуемые при этом газообразные продукты сгорания подаются в силовую турбину 207 для запуска секций низкого давления турбины 201, т.е. компрессора 205 низкого давления и турбины 207 низкого давления.

Несмотря на то, что раскрытые варианты выполнения описанного выше изобретения показаны на чертежах и описаны выше подробно и в деталях вместе с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам 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 изобретения, перечисленных в формуле изобретения. Следовательно, соответствующий объем раскрытых усовершенствований будет определен только в самом широком толковании формулы изобретения, чтобы охватить 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 система для приведения в действие по меньшей мере одного компрессора. Система содержит газотурбинный двигатель (101), выполненный и установленный с возможностью приведения в действие компрессора (103). Газотурбинный двигатель имеет горячей конец (101Н) и холодный конец (101С). Нагрузочная муфта (105) для соединения указанного газотурбинного двигателя (101) с компрессором (103) расположена на горячем конце (101Н) двигателя (101). Электрический двигатель/генератор (111) расположен на холодном конце (101С) двигателя (101). Электрический двигатель/генератор (111) электрически соединен с электроэнергетической системой (G) и выполнен с возможностью работы в качестве генератора для преобразования вырабатываемой газотурбинным двигателем (101) избыточной механической энергии в электрическую энергию, доставки этой электрической энергии в электроэнергетическую систему и в качестве электрического двигателя для добавления дополнительной приводной мощности компрессору (103). Расположение двигателя/генератора на холодном конце перед газотурбинным двигателем, т.е. у его впуска, позволяет, во-первых, использовать для указанного генератора вал меньшего размера, поскольку в этом случае генератор не должен обеспечивать передачу всего крутящего момента от турбины к нагрузке, и, во-вторых, обеспечивает возможность легко осуществить техническое обслуживание компрессора, который расположен на конце указанной линии. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Приводная система для приведения в действие нагрузки, которая содержит по меньшей мере один компрессор, при этом система содержит:

газотурбинный двигатель, выполненный и расположенный с возможностью приведения в действие нагрузки и имеющий горячий конец и холодный конец,

нагрузочную муфту, соединяющую газотурбинный двигатель с указанной нагрузкой и расположенную на горячем конце газотурбинного двигателя,

электрический двигатель/генератор, установленный на холодном конце газотурбинного двигателя, электрически соединенный с электроэнергетической системой и механически соединенный с указанной нагрузочной муфтой,

причем электрический двигатель/генератор выполнен с возможностью работы в качестве генератора для преобразования избыточной механической энергии, вырабатываемой газотурбинным двигателем, в электрическую энергию и доставки этой электрической энергии в электроэнергетическую систему и в качестве двигателя для добавления приводной мощности нагрузке.

2. Приводная система по п. 1, содержащая механический предохранитель, расположенный между электрическим двигателем/генератором и газотурбинным двигателем.

3. Приводная система по п. 1, содержащая муфту сцепления, расположенную между электрическим двигателем/генератором и газотурбинным двигателем.

4. Приводная система по п. 1, в которой электрический двигатель/генератор постоянно соединен с холодным концом или горячим концом газотурбинного двигателя.

5. Приводная система по п. 1, в которой электрический двигатель/генератор выполнен с возможностью работы также в качестве пускового устройства для запуска газотурбинного двигателя и нагрузки.

6. Приводная система по п. 1, в которой газотурбинный двигатель представляет собой одновальный газотурбинный двигатель.

7. Приводная система по п. 1, в которой газотурбинный двигатель представляет собой двухвальный газотурбинный двигатель, содержащий центральный узел, содержащий компрессор высокого давления и турбину высокого давления, соединенные посредством первого вала, пусковое устройство для запуска указанного центрального узла, компрессор низкого давления и турбину низкого давления, причем турбина низкого давления и компрессор низкого давления соединены посредством второго вала, проходящего от горячего конца к холодному концу газотурбинного двигателя, и нагрузка механически соединена с указанным вторым валом на одном из указанных концов газотурбинного двигателя, горячем или холодном, а указанный электрический двигатель/генератор механически соединен с указанным вторым валом на другом из указанных концов газотурбинного двигателя.

8. Приводная система по любому из пп. 1-7, содержащая преобразователь частоты, установленный между электрическим двигателем/генератором и электроэнергетической системой, при этом указанный преобразователь частоты выполнен и управляется с возможностью согласования электрической частоты электроэнергетической системы с частотой электрического двигателя/генератора и согласования частоты электрического двигателя/генератора с частотой электроэнергетической системы.

9. Способ запуска системы, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку, включающий:

использование газотурбинного двигателя, имеющего горячий конец и холодный конец,

соединение нагрузки с указанным горячим концом,

соединение электрического двигателя/генератора с указанным холодным концом,

включение электрического двигателя/генератора в режиме двигателя,

подачу питания на электрический двигатель/генератор, преобразование электрической энергии в механическую энергию в электрическом двигателе/генераторе и использование указанной механической энергии для запуска газотурбинного двигателя и нагрузки, при этом механическую энергию передают от электрического двигателя/генератора к нагрузке через газотурбинный двигатель,

причем указанная нагрузка содержит по меньшей мере один компрессор.

10. Способ работы газотурбинной системы, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку, приводимую в действие указанным газотурбинным двигателем, включающий:

использование газотурбинного двигателя, имеющего горячий конец и холодный конец,

соединение нагрузки с указанным горячим концом,

соединение электрического двигателя/генератора с указанным холодным концом и механическое соединение указанного электрического двигателя/генератора с указанной нагрузкой,

выработку механической энергии с помощью газотурбинного двигателя,

подачу питания на нагрузку с помощью механической энергии, вырабатываемой при помощи газотурбинного двигателя,

причем когда механическая энергия, вырабатываемая газотурбинным двигателем, превышает механическую энергию, необходимую для приведения в действие нагрузки:

обеспечивают работу электрического двигателя/генератора в режиме генератора,

передают избыточную механическую энергию от газотурбинного двигателя к электрическому двигателю/генератору и

преобразуют указанную избыточную механическую энергию в электрическую энергию в электрическом двигателе/генераторе,

причем указанная нагрузка содержит по меньшей мере один компрессор.

11. Способ работы газотурбинной системы, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку, приводимую в действие указанным газотурбинным двигателем, включающий:

использование газотурбинного двигателя, имеющего горячий конец и холодный конец,

соединение нагрузки с указанным горячим концом,

соединение электрического двигателя/генератора с указанным холодным концом и механическое соединение указанного электрического двигателя/генератора с указанной нагрузкой,

выработку механической энергии с помощью газотурбинного двигателя,

подачу питания на нагрузку с помощью механической энергии, вырабатываемой при помощи газотурбинного двигателя,

причем когда механическая энергия, вырабатываемая газотурбинным двигателем, меньше энергии, необходимой для приведения в действие нагрузки:

обеспечивают работу указанного электрического двигателя/генератора в режиме двигателя,

подают электропитание на электрический двигатель/генератор,

преобразуют электрическую энергию в дополнительную механическую энергию в электрическом двигателе/генераторе,

передают дополнительную механическую энергию от электрического двигателя/генератора через газотурбинный двигатель на нагрузку,

приводят в действие нагрузку с помощью комбинированной энергии, вырабатываемой газотурбинным двигателем, и дополнительной механической энергии, вырабатываемой электрическим двигателем/генератором,

причем указанная нагрузка содержит по меньшей мере один компрессор.