Комплексный блок генерации энергии и сжатия и соответствующий способ Российский патент 2020 года по МПК F01D15/10 F02C3/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, применяемым в качестве механического привода и для генерации энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Газотурбинные двигатели обычно используются для приведения в действие вращательного оборудования, такого как электрические генераторы и турбомашины. В некоторых вариантах выполнения газотурбинные двигатели используются для производства механической энергии, которая используется для вращения электрического генератора. Данный генератор преобразует механическую энергию в электрическую энергию, которая, в свою очередь, используется для приведения в действие электродвигателя. Электродвигатель приводит во вращение вращательную нагрузку, такую как насос или компрессор.

Устройство такого типа, в котором вращательная нагрузка содержит газовый компрессор, описано в патентном документе США №2013/0121846. Компрессор вращается с регулируемой скоростью, зависящей от требований процесса, в котором участвует компрессор. Скорость газотурбинного двигателя изменяется для регулирования выходной частоты электрического генератора и, следовательно, скорости вращения двигателя, который, в свою очередь, приводит во вращение компрессор.

Установки такого типа часто используются в открытом море, где блоки компрессоров обрабатывают охлаждающую текучую среду, используемую для сжижения природного газа в целях транспортировки. Природный газ извлекают из морских нефтяных и газовых месторождений и сжижают с помощью установки для сжижения природного газа. Сжиженный природный газ (СПГ) затем погружают на корабль и перевозят на землю, где его опять переводят в газообразную форму и распространяют по газораспределительной сети.

В установках для производства СПГ используются один или более циклов охлаждения, в рамках которых охладитель подвергается обработке в ходе термодинамического цикла для отбора тепла от природного газа и выпуска отобранного тепла в окружающую среду. Охладитель сжимается компрессором или блоком компрессоров до его расширения в детандере или лепестковом клапане. Компрессор или блок компрессоров обычно приводится в действие непосредственно газотурбинным двигателем или электродвигателем. Электрическая энергия для питания электродвигателя генерируется электрическим генератором, приводимым во вращение газотурбинным двигателем. Часть электрической энергии, произведенной электрическим генератором, может быть распределена по электрораспределительной сети к различным устройствам или приборам морской платформы или корабля, на которых расположена установка СПГ, в то время как основная часть электрической энергии подается на электродвигатель. Частотно-регулируемый привод используется для вращения электродвигателя с требуемой скоростью вращения, которая может отличаться от скорости вращения электрического генератора и может изменяться для удовлетворения потребностей процесса, в котором участвуют компрессор или блок компрессоров.

В нефтяной и газовой отрасли в месторождение нефти или газа иногда вводят углекислый газ для извлечения из указанного месторождения углеводородов. Углекислотные компрессоры обычно приводятся в действие непосредственно газотурбинным двигателем или с помощью электродвигателя. Электрическая энергия для электродвигателя может генерироваться электрическим генератором, приводимым в действие газотурбинным двигателем.

Необходимость наличия двух электрических машин (электрического генератора и электродвигателя) имеет ряд недостатков. В частности, преобразование из механической энергии в электрическую энергию (при помощи электрического генератора) и обратно в механическую энергию (при помощи электродвигателя) снижает общий КПД системы вследствие неизбежных потерь в ходе процессов преобразования. Кроме того, указанные две электрические машины вносят вклад в площадь, занимаемую энергетической установкой. Этот фактор особенно критичен при использовании в открытом море, где доступное пространство ограничено. Кроме того, использование двух электрических машин снижает надежность системы, так как обе машины подвержены поломкам, которые приводят к останову промышленной установки. Для повышения надежности системы требуются запасные электрические машины, что означает необходимость наличия по меньшей мере одного дополнительного электродвигателя и одного дополнительного электрического генератора для замены. Запасные машины требуют еще большего дополнительного пространства на морской установке и денежных затрат.

Таким образом, существует потребность в энергетической установке, которая требует меньшего пространства и имеет повышенный КПД.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту в данном документе предложена комплексная установка для генерации энергии и приведения в действие нагрузки, содержащая многовальный газотурбинный двигатель, содержащий турбину высокого давления, механически соединенную с воздушным компрессором газогенератора указанного многовального газотурбинного двигателя, и турбину низкого давления, проточно соединенную с указанной турбиной высокого давления, но механически отделенную от нее, и механически присоединенную к валу отбора мощности, который присоединен к линии валов. Указанная установка также содержит электрический генератор, механически присоединенный к линии валов и приводимый во вращение указанным газотурбинным двигателем, вращательную нагрузку, механически присоединенную к линии валов и приводимую во вращение газотурбинным двигателем, устройство управления нагрузкой, предназначенное для регулирования по меньшей мере одного рабочего параметра вращательной нагрузки с обеспечением приведения условий ее работы в соответствие с требованиями процесса, в котором указанная нагрузка участвует, при этом турбина низкого давления и электрический генератор вращаются с по существу постоянной скоростью, которая не зависит от скорости турбины высокого давления.

Нагрузка может представлять собой приводную турбомашину, такую как компрессор или насос. Турбомашина выполнена с возможностью обработки текучей среды, циркулирующей в рамках процесса, в котором указанная турбомашина участвует. Таким образом, рабочий параметр, регулируемый устройством управления, является параметром, от которого зависит воздействие на технологическую текучую среду. Например, рабочий параметр может представлять собой скорость вращения или другой параметр приводной турбомашины, от которого зависит расход обрабатываемой текучей среды. Примеры рабочих параметров рассмотрены ниже.

Турбина высокого давления генерирует энергию для приведения в действие воздушного компрессора газотурбинного двигателя. Воздушный компрессор, турбина высокого давления и расположенная между ними камера сгорания образуют газогенератор многовального газотурбинного двигателя. Поскольку скорость вращения газогенератора может регулироваться независимо от скорости вращения турбины низкого давления и генератора, достигается повышенная гибкость установки.

Использование двухвального газотурбинного двигателя позволяет обойтись без пускового электродвигателя и, соответственно, без частотно-регулируемого привода.

Дополнительные преимущественные особенности и варианты выполнения комплексной установки согласно данному изобретению описаны более подробно ниже и изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть данного описания.

Согласно другому аспекту в данном документе предложен способ эксплуатации комплексной установки для генерации энергии и приведения в действие нагрузки, включающий следующие этапы:

- вращение газотурбинного двигателя и электрического генератора со скоростью вращения, изменение которой ограничено изменением частоты, допускаемым электрораспределительной сетью, с которой электрически соединен указанный электрический генератор,

- регулирование по меньшей мере одного рабочего параметра вращательной нагрузки с помощью устройства управления нагрузкой для приведения условий ее работы в соответствие с требованиями процесса, в котором указанная нагрузка участвует, без изменения скорости вращения электрического генератора.

Согласно способу, описанному в данном документе, газотурбинный двигатель представляет собой многовальный газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере первый вал, механически соединяющий воздушный компрессор с турбиной высокого давления, и приводной вал, присоединенный с возможностью передачи приводного усилия к турбине низкого давления, которая проточно соединена с турбиной высокого давления, но механически отделена от нее, и принимает от нее частично расширенный газ сгорания. Высокотемпературный газ сгорания, образованный в камере сгорания, которая принимает сжатый воздух от воздушного компрессора и топливо, частично расширяется в турбине высокого давления с образованием механической энергии для приведения в действие воздушного компрессора и частично расширяется в турбине низкого давления с образованием механической энергии, доступной для снятия на линии валов.

Ниже описаны характерные особенности и варианты выполнения, которые изложены также в прилагаемой формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть данного описания. В вышеизложенном кратком описании приведены характерные особенности различных вариантов выполнения данного изобретения для лучшего понимания нижеследующего подробного описания и оценки вклада, вносимого в уровень техники. Разумеется, существуют и другие характерные особенности изобретения, которые описаны ниже и изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, прежде чем перейти к подробному объяснению некоторых вариантов выполнения изобретения, следует отметить, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в их применении элементами конструкции и расположением компонентов, указанными в нижеприведенном описании или изображенными на чертежах. Изобретение может иметь другие варианты выполнения и может быть реализовано на практике и осуществлено различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в данном документе, служат для описательных целей и не должны считаться ограничивающими.

По существу, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что принцип, на котором основано изобретение, может быть легко применен в качестве базы для разработки других конструкций, способов и/или систем для реализации некоторых целей данного изобретения. Таким образом, важно рассматривать формулу изобретения как охватывающую такие эквивалентные конструкции, если они не выходят за рамки сущности и объема данного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полная оценка и понимание предложенных вариантов выполнения изобретения и многочисленных присущих им преимуществ могут быть получены при рассмотрении нижеприведенного подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает схему первого варианта выполнения энергетической установки согласно данному изобретению,

фиг. 2-6 изображают другие варианты выполнения энергетической установки согласно данному изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Более того, нижеприведенное подробное описание не ограничивает изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.

Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения», «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения», «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения (одним и тем же вариантам выполнения). Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.

На фиг. 1 схематически изображен первый вариант выполнения комплексной установки 1 для генерации энергии и приведения в действие нагрузки, выполненной согласно данному изобретению. Комплексная установка 1 содержит многовальный газотурбинный двигатель 3, электрический генератор 5 и вращательную нагрузку. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 1, вращательная нагрузка представляет собой центробежный газовый компрессор 7. В других вариантах выполнения могут быть предусмотрены другие вращательные нагрузки, например, с другой технологией сжатия, такие как осевой компрессор или насос. Нагрузка также может содержать более одной вращательной машины. Газовый компрессор может быть выполнен с возможностью введения углекислого газа в месторождение нефти или газа, например в подводное месторождение углеводорода.

Линия 9 валов механически соединяет вал 11 отбора мощности многовального газотурбинного двигателя 3 с электрическим генератором 5 и вращательной нагрузкой, то есть в данном случае с газовым компрессором 7. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 1, генератор 5 расположен вдоль линии 9 между двигателем 3 и компрессором 7. В других вариантах выполнения, как описано более подробно ниже, может быть предусмотрено другое расположение, например, с размещением компрессора 7 между двигателем 3 и генератором 5. При определенных обстоятельствах первое расположение может иметь некоторые преимущества перед вторым расположением. Например, в случае компрессоров с вертикальной плоскостью разъема открывание корпуса компрессора может быть облегчено, если компрессор расположен на конце линии 9 валов. Размещение генератора 5 на конце линии 9 так, что компрессор 7 расположен между двигателем 3 и генератором 5, устраняет необходимость передачи всей механической энергии, получаемой от двигателя 3, через вал электрического генератора, который, таким образом, может работать с меньшей производительностью.

Многовальный газотурбинный двигатель 3 может быть авиационным газотурбинным двигателем, то есть газотурбинным двигателем, относящимся к турбореактивному двигателю для воздушной навигации.

В иллюстративных вариантах выполнения двигатель 3 представляет собой двухвальный газотурбинный двигатель.

Многовальный газотурбинный двигатель 3 может содержать газогенератор 310 и силовую турбину 320, также называемую турбиной низкого давления. Газогенератор 310, в свою очередь, содержит воздушный компрессор 312, камеру 314 сгорания, турбину 316 высокого давления и первый вал 318, который механически соединяет турбину 316 с воздушным компрессором 312. Камера 314 сгорания проточно присоединена к выходной стороне компрессора 312 и ко входу турбины 316 высокого давления.

Выход турбины 316 высокого давления проточно присоединен к силовой турбине, или турбине 320 никого давления. Турбина 320, в свою очередь, механически присоединена к валу 11 отбора мощности в двигателе 3. Таким образом, согласно варианту выполнения, изображенному на фиг. 1, двигатель 3 является двухвальным газотурбинным двигателем, содержащим первый вал 318, который соединяет турбину 316 высокого давления с воздушным компрессором 312, и второй вал 11, на который поступает механическая энергия от турбины низкого давления, или силовой турбины 320.

Номером 320 позиции обозначен пусковой двигатель газовой турбины, например гидравлический двигатель, который используется для запуска вращения газогенератора 310.

Как указано выше, газовый компрессор 7 может быть частью открытого контура, например контура ввода углекислого газа. В других вариантах выполнения компрессор 7 может быть частью закрытого контура, например контура охлаждения. В целом, компрессор 7 может быть частью процесса, который схематически проиллюстрирован под номером 13 позиции. Номером 15 позиции обозначена впускная сторона, а номером 17 позиции обозначена выходная сторона компрессора 7, через которую компрессор 7 соединен с процессом 13.

Предпочтительно предусмотрено устройство управления нагрузкой, которое выполнено и расположено с возможностью регулирования по меньшей мере одного рабочего параметра компрессора 7 в зависимости от требований процесса 13. Устройство управления нагрузкой может содержать контроллер компрессора, схематически показанный под номером 19 позиции, для регулирования одного или более рабочих параметров компрессора 7 исходя из требований процесса 13. Контроллер 19 принимает от процесса 13 входной сигнал, основанный на одном или более параметрах, и генерирует выходной сигнал, представленный одним или более рабочими параметрами компрессора 7.

Устройство управления нагрузкой может также содержать одно или более средств, объединенных с газовым компрессором 7 и регулирующих, на основании рабочего параметра (рабочих параметров), одно или более из следующего: скорость вращения компрессора 7, давление на входе компрессора, давление на выходе компрессора, отношение давлений компрессора 7. Как вариант или в дополнение, устройство управления нагрузкой может содержать одно или более средств, которые на основании рабочего параметра (параметров) регулируют расход рабочего газа, обрабатываемого компрессором 7.

В некоторых вариантах выполнения указанные средства могут содержать регулируемые входные направляющие лопатки (ВНЛ) 7А, которые могут использоваться для регулирования расхода рабочего газа, обрабатываемого компрессором 7. Входной сигнал от контроллера 19 компрессора может быть передан к исполнительному устройству, которое избирательно открывает и закрывает регулируемые ВНЛ 7А.

В иллюстративных вариантах выполнения на выходной стороне компрессора 7 может быть расположен дроссельный или лепестковый клапан 21 для регулирования давления на выходе. Дроссельный или лепестковый клапан 21 может быть постепенно и избирательно открыт или закрыт с помощью исполнительного устройства (не показано), которое управляется входным сигналом, поступающим от контроллера 19. Ниже со ссылкой на другие иллюстративные варианты выполнения приведено более подробное описание других средств для регулирования рабочих параметров газового компрессора 7.

В целом, контроллер 19 может регулировать один или более рабочих параметров компрессора 7 или любой вращательной нагрузки, приводимой в действие многовальным газотурбинным двигателем 3 через линию 9 валов, исходя из требований процесса 13 так, что нагрузка 7 работает при требуемом рабочем значении или вблизи него, без необходимости изменения скорости вращения турбины 320 низкого давления двигателя 3 и генератора 5. Это обеспечивает возможность вращения турбины 320 двигателя 3 и электрического генератора 5 с по существу постоянной скоростью вращения.

В данном контексте выражение «по существу постоянный» означает, что изменение скорости вращения и, следовательно, электрической частоты остается в пределах диапазона отклонений частоты (диапазона допустимых значений), допускаемых электрораспределительной сетью 23, к которой присоединен генератор 5 и которая распределяет электрическую энергию к вспомогательным устройствам комплексной установки 1, процесса 13 и/или корабля или морской платформы, на которой (котором) может быть расположена установка 1. Диапазоны допустимых значений могут составлять +/-5%, предпочтительно +/-2,5%,

Комплексная энергетическая установка, описанная выше, работает следующим образом. Воздух сжимается компрессором 312 многовального газотурбинного двигателя 3 и смешивается с топливом F в камере 314 сгорания. Воздушно-топливная смесь сжигается в камере 314 с образованием сжатого, высокотемпературного газа сгорания. Газ сгорания частично расширяется в турбине 316 высокого давления с образованием механической энергии для поддержания вращения воздушного компрессора 312.

Частично расширенный газ сгорания дополнительно расширяется в силовой турбине 320. Снижение энтальпии газа сгорания в силовой турбине или турбине 320 низкого давления приводит к образованию дополнительной механической энергии, которая может быть снята с вала 11 отбора мощности и линии 9 валов, для вращения электрического генератора 5 и компрессора 7 или любой другой вращательной нагрузки, механически присоединенной к линии 9.

Механическая энергия, доступная на валу 11, присоединенном к турбине 320 двигателя 3, таким образом, преобразовывается генератором 5 в электрическую энергию и распределяется по сети 23. Если/когда на линии 9 доступна избыточная механическая энергия, указанная избыточная энергия используется для сжатия рабочего газа, обрабатываемого с помощью компрессора 7.

При работе генератора 5 с фиксированной скоростью вращения, определяемой частотой сети 23, достигается максимальная эффективность в той части установки 1, которая предназначена для производства электрической энергии.

Когда линия 9 валов вращается с по существу постоянной скоростью, задаваемой сетью 23, изменения рабочих условий компрессора 7, требуемые процессом 13, достигаются с помощью управляющего входного сигнала от контроллера 19. Например, давление на впуске и/или давление на выходе могут быть отрегулированы путем воздействия на регулируемые ВНЛ 7А и/или на дроссельный или лепестковый клапан 21, либо расход рабочего газа может быть отрегулирован путем воздействия на регулируемые ВНЛ 7А. Как описано ниже, для дополнительного изменения одного или более рабочих параметров компрессора 7, таких как скорость вращения, расход или коэффициент сжатия, могут быть выполнены различные действия без оказания влияния на скорость вращения турбины 320 низкого давления газотурбинного двигателя 3 и скорость вращения генератора 5.

Комплексная энергетическая установка 1 имеет повышенный КПД по сравнению с установками, известными в настоящее время, поскольку механическая энергия, генерируемая многовальным газотурбинным двигателем 3, используется непосредственно для приведения в действие компрессора 7 без необходимости ее преобразования в электрическую энергию и затем обратно в механическую энергию. Кроме того, турбина 320 двигателя 3 может работать при постоянной скорости с максимизацией, таким образом, КПД турбины и генерацией электрической энергии по существу при постоянной частоте. Поскольку генератор 5 вращается с по существу постоянной скоростью, он может быть непосредственно присоединен к электрораспределительной сети 23 без необходимости преобразования электрической энергии, например, с помощью частотно-регулируемого привода.

Использование одной линии 9 валов с единственной электрической машиной 5 уменьшает общую площадь, занимаемую установкой, с экономией пространства на морской платформе.

При использовании двухвального газотурбинного двигателя 3 не требуется, чтобы электрический генератор 5 работал в режиме электродвигателя в качестве стартера для газотурбинного двигателя 3. Запуск двигателя 3 достигается путем запуска сначала газогенератора 310, при этом силовая турбина 320 и, следовательно, линия 9 валов остаются в неработающем состоянии. Запуск газогенератора 310 требует только ограниченной энергии, которая может быть обеспечена пусковым двигателем 322, который может представлять собой гидравлический двигатель.

Также отсутствует необходимость работы генератора 5 в качестве вспомогательного двигателя, поскольку многовальный газотурбинный двигатель 3 выполнен или выбран таким образом, что он обеспечивает уровень мощности, достаточный для приведения в действие генератора 5, и таким образом, что на линии 9 валов может быть доступна избыточная механическая мощность. Указанная избыточная механическая мощность, если она доступна, используется для приведения в действие компрессора 7.

Возможно большое количество альтернативных конфигураций комплексной энергетической установки 1, описанной выше. Альтернативный иллюстративный вариант выполнения установки 1 согласно данному изобретению схематически изображен на фиг. 2. Одинаковые или эквивалентные компоненты, описанные выше в связи с вариантом выполнения, изображенным на фиг. 1, обозначены теми же номерами позиций, и их повторное описание не приводится. Главное различие между вариантом выполнения, изображенным на фиг. 2, и вариантом выполнения, изображенным на фиг. 1, заключается в расположении газового компрессора 7 и электрического генератора 5 вдоль линии 9 валов. На фиг. 2 компрессор 7 расположен между двигателем 3 и генератором 5.

По меньшей мере в некоторых вариантах выполнения, описанных ниже, также возможно расположение генератора 5 и компрессора 7 в обратном порядке.

Комплексная энергетическая установка 1, изображенная на фиг. 3, выполнена по существу так же, как установка, показанная на фиг. 1, но вдоль линии 9 валов, между генератором 5 и компрессором 7, расположена муфта 31. Таким образом, две приводные машины 5 и 7 могут быть разъединены, например, если требуется останов компрессора 7, с продолжением при этом генерирования электрической энергии для сети 23.

Вместо простой муфты между генератором 5 и компрессором 7 может быть расположено соединение 33 с регулируемой скоростью, как показано на фиг. 4. Для этого может использоваться любое подходящее соединение 33, например планетарный зубчатый механизм с регулируемой скоростью, такой как привод Vorecon с регулируемой скоростью, поставляемый компанией Voith Turbo GmbH &Со KG, г. Крайльсхайм, Германия.

В соответствии с вариантом выполнения, изображенным на фиг. 4, скорость компрессора 7 может быть изменена во время работы установки 1 в ответ на запросы от процесса 13 без изменения скорости генератора 5. Изменение скорости, получаемое с помощью соединения 33, может быть объединено с другими регулируемыми параметрами компрессора 7, такими как давление и расход. Соотношение скоростей между входным валом и выходным валом соединения 33 может избирательно регулироваться с помощью контроллера 19 компрессора.

Таким образом, в варианте выполнения, изображенном на фиг. 4, часть линии 9 валов имеет скорость вращения, которая поддерживается вблизи постоянной величины, задаваемой частотой сети 23. Эта часть линии 9 проходит от выходного вала 11 двигателя 3 ко входу соединения 33. Остальная часть линии 9 валов, от выхода соединения 33 до компрессора 7, вращается с регулируемой скоростью, которая может отличаться от скорости вращения турбины 320 низкого давления газотурбинного двигателя 3 и от скорости вращения электрического генератора 5.

Как правило, газовая установка, например установка СПГ, охватывает несколько вторичных газовых процессов и контуров, которые могут требовать выполнения этапа снижения давления. Обычно это достигается на этапе расслоения газа с потерей энергии газа или при помощи самостоятельного турбодетандерного блока (турбодетандер + генератор). В этом случае электрическая энергия, полученная при расширении газа в турбодетандере, становится доступной для сети 23. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения, описанного в данном документе, вместо использования самостоятельного блока из турбодетандера и электрического генератора турбодетандер может быть встроен в комплексную энергетическую установку 1, как схематически показано на фиг. 5, на которой одинаковые части и компоненты, описанные в связи с вышерассмотренными вариантами выполнения, обозначены теми же номерами позиции, и их повторное описание не приводится.

На фиг. 5 турбодетандер 35 расположен на линии 9 валов. Для механического отсоединения турбодетандера 35 от линии 9 может быть выполнена муфта 37.

Турбодетандер 35 имеет вход 35А и выход 35В. Рабочая текучая среда под давлением, например сжатый газ, который требует снижения давления, проходит от источника текучей среды под высоким давлением, показанного в целом под номером 36 позиции, через турбодетандер 35. Механическая энергия, выделяемая при уменьшении давления в потоке газа, становится доступной для снятия с линии 9 валов и используется для подачи приводной энергии к газовому компрессору 7, к электрическому генератору 5 или к ним обоим с внесением, таким образом, вклада в общий КПД установки 1. Если через турбодетандер 35 не проходит газ, он может быть механически отсоединен от линии 9 валов путем отсоединения муфты 37 так, что установка 1 может работать с нахождением турбодетандера в неработающем состоянии.

Турбодетандер 35, показанный на фиг. 5, также может использоваться в вариантах выполнения, изображенных на фиг. 1-4.

При включении турбодетандера 35 в установку 1 могут быть получены дополнительные преимущества по сравнению с конфигурациями, в которых турбодетандер присоединен к отдельному электрическому генератору. Требуется меньше этапов преобразования энергии и исключается дополнительный электрический генератор, присоединенный к турбодетандеру. Таким образом, дополнительно уменьшается занимаемая площадь и расходы на установку.

На фиг. 6 изображен еще один вариант выполнения комплексной установки 1 для генерации энергии и приведения в действие нагрузки, выполненной согласно данному изобретению. Одинаковые или эквивалентные компоненты, описанные в связи с фиг. 1-5, обозначены теми же номерами позиций, и их повторное описание не приводится. Вариант выполнения, изображенный на фиг. 6, аналогичен варианту выполнения, изображенному на фиг. 1. Вдоль перепускной линии 43, расположенной между выходной стороной и впускной стороной компрессора 7 дополнительно предусмотрен перепускной клапан 41. Между выходной стороной компрессора 7 и перепускным клапаном 41 также может быть выполнен теплообменник 45.

В некоторых вариантах выполнения перепускной клапан 41 может представлять собой противопомпажный клапан компрессора 7.

Перепускной клапан 41 может находиться под управлением контроллера 19 компрессора и может использоваться для рециркуляции части рабочего газа, обрабатываемого компрессором 7, с обеспечением изменения расхода потока, подаваемого компрессором 7 в процесс 13, в соответствии с требованиями процесса 13 без оказания влияния на скорость вращения электрического генератора 5 и турбины 320 низкого давления многовального газотурбинного двигателя 3. Перепускная линия 43 и соответствующий перепускной клапан 41 могут быть выполнены в комбинации с регулируемыми ВНЛ 7А и/или другими средствами для изменения рабочих параметров газового компрессора 7, такими как дроссельный или лепестковый клапан 21 или турбодетандер 35, как показано на фиг. 5. Кроме того, вместо муфты 31 между компрессором 7 и генератором 5 может быть расположено соединение 35 с регулируемой скоростью.

Установка 1, изображенная на фиг. 2-6, работает по существу так же, как описано выше при рассмотрении фиг. 1, за исключением того что возможно регулирование дополнительных рабочих параметров компрессора 7, таких как расход потока через турбодетандер 35 или скорость вращения.

В зависимости от доступных средств, связанных с компрессором 7 или другой вращательной нагрузкой, присоединенной к линии 9 валов, могут быть предприняты различные действия для изменения рабочего режима компрессора 7 в ответ на требования процесса 13 без оказания влияния на скорость вращения турбины низкого давления или силовой турбины 320 многовального газотурбинного двигателя 3 и на скорость вращения электрического генератора 5.

Возможны многочисленные дополнительные комбинации и модификации комплексной установки 1 для генерации энергии и приведения в действие нагрузки, выполненной согласно данному изобретению. Например, вдоль линии 9 валов, между расположенными вдоль нее вращательными машинами, могут быть предусмотрены одна или более коробок передач. Если генератор 5 расположен между турбиной 320 двигателя 3 и компрессором 7, коробка передач может быть расположена между турбиной 320 двигателя 3 и генератором 5 и/или между генератором 5 и компрессором 7 или другой вращательной нагрузкой. Если компрессор 7 расположен между двигателем 3 и генератором 5, коробка передач может быть расположена между двигателем 3 и компрессором 7 и/или между компрессором 7 и генератором 5.

Использование коробки (коробок) передач обеспечивает возможность получения различных скоростей установившегося вращения для различных приводных машин и турбины 320 двигателя 3.

Также, несмотря на то что в вышеописанных вариантах выполнения сделана ссылка на газовый компрессор 7, может быть предусмотрен блок компрессоров или другое устройство из одной или более вращательных нагрузок. Например, вращательная нагрузка может содержать центробежный насос или осевой насос. Также возможно использование комбинаций различных приводимых в действие турбомашин, таких как компрессоры и насосы, на одной и той же линии 9 валов.

Кроме того, следует понимать, что различные устройства и средства, описанные в связи с отдельными вариантами выполнения, изображенными не чертежах, могут различным образом комбинироваться друг с другом. Например, перепускной клапан 41, изображенный на фиг. 6, может быть предусмотрен в вариантах выполнения, изображенных на фиг. 1-5, и использоваться в качестве (дополнительного) средства для управления рабочими параметрами газового компрессора 7. В других вариантах выполнения одно или более из вышеописанных средств может отсутствовать. Например, регулируемые ВНЛ 7А могут быть исключены, если другие средства обеспечивают достаточное управление рабочими параметрами нагрузки 7.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, применяемым в качестве механического привода и для генерации энергии. Комплексная установка (1) для генерации энергии и приведения в действие нагрузки, содержащая в комбинации следующие элементы: многовальный газотурбинный двигатель (3), содержащий турбину (316) высокого давления, механически соединенную с воздушным компрессором (312), и турбину (320) низкого давления, проточно соединенную с турбиной (316) высокого давления, но механически отделенную от нее и механически присоединенную к валу (11) отбора мощности, который присоединен к линии (9) валов, электрический генератор (5), механически присоединенный к линии (9) валов и приводимый во вращение газотурбинным двигателем (3), вращательную нагрузку (7), механически присоединенную к линии (9) валов и приводимую во вращение газотурбинным двигателем (3), устройство управления нагрузкой, предназначенное для регулирования по меньшей мере одного рабочего параметра вращаемой нагрузки (7) для приспособления рабочих условий вращаемой нагрузки (7) для выработки требований от процесса (13). При этом турбина (320) низкого давления газотурбинного двигателя (3) и электрический генератор (5) вращаются с по существу постоянной скоростью, которая не зависит от скорости турбины (316) высокого давления. Также представлен способ эксплуатации комплексной установки. Изобретение позволяет уменьшить габариты установки, а также повысить её КПД. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Комплексная установка (1) для генерации энергии и приведения в действие нагрузки, содержащая в комбинации следующие элементы:

многовальный газотурбинный двигатель (3), содержащий турбину (316) высокого давления, механически соединенную с воздушным компрессором (312), и турбину (320) низкого давления, проточно соединенную с указанной турбиной (316) высокого давления, но механически отделенную от нее и механически присоединенную к валу (11) отбора мощности, который присоединен к линии (9) валов,

электрический генератор (5), механически присоединенный к линии (9) валов и приводимый во вращение газотурбинным двигателем (3),

вращательную нагрузку (7), механически присоединенную к линии (9) валов и приводимую во вращение газотурбинным двигателем (3),

устройство управления нагрузкой, предназначенное для регулирования по меньшей мере одного рабочего параметра вращательной нагрузки (7) с обеспечением приведения условий ее работы в соответствие с требованиями процесса (13), в котором указанная нагрузка (7) участвует, при этом турбина (320) низкого давления и электрический генератор (5) вращаются с по существу постоянной скоростью, которая не зависит от скорости турбины (316) высокого давления.

2. Комплексная установка (1) по п. 1, в которой указанная по существу постоянная скорость турбины (320) низкого давления газотурбинного двигателя (3) и электрического генератора (5) определяется электрической частотой электрораспределительной сети (23), к которой присоединен электрический генератор (5).

3. Комплексная установка (1) по п. 1 или 2, в которой устройство управления нагрузкой выполнено и расположено с возможностью регулирования одного или более из следующих параметров: давление поступающей рабочей текучей среды, обрабатываемой вращательной нагрузкой (7), давление выпускаемой рабочей текучей среды, обрабатываемой вращательной нагрузкой (7), отношение давлений между выходной стороной и впускной стороной вращательной нагрузки (7), расход рабочей текучей среды через вращательную нагрузку (7), скорость вращения указанной нагрузки (7).

4. Комплексная установка (1) по одному или более из предыдущих пунктов, в которой вращательная нагрузка (7) представляет собой турбомашину, с помощью которой происходит обработка текучей среды из указанного процесса, в котором указанная турбомашина участвует.

5. Комплексная установка (1) по одному или более из предыдущих пунктов, в которой устройство управления нагрузкой содержит одно или более из следующего: перепускной клапан (41), расположенный параллельно вращательной нагрузке (7) и соединяющий выходную сторону и впускную сторону вращательной нагрузки, регулируемый входной направляющий лопаточный аппарат (7А), дроссельный или лепестковый клапан (21), проточно соединенный с выходной стороной вращательной нагрузки (7), и соединение (33) с регулируемой скоростью, расположенное вдоль линии (9) валов между электрическим генератором (5) и вращательной нагрузкой (7), выполненное и управляемое с возможностью изменения скорости вращения нагрузки (7) при сохранении скорости вращения электрического генератора (5) по существу постоянной.

6. Комплексная установка (1) по одному или более из предыдущих пунктов, содержащая муфту (31), расположенную между электрическим генератором (5) и вращательной нагрузкой (7).

7. Комплексная установка (1) по одному или более из предыдущих пунктов, содержащая турбодетандер (35), механически присоединенный к линии (9) валов, выполненный и расположенный с возможностью приема рабочей текучей среды под давлением из источника (36) рабочей текучей среды под давлением и преобразования энергии давления указанной текучей среды в механическую энергию, доступную для снятия на линии (9) валов.

8. Комплексная установка (1) по п. 7, в которой турбодетандер (35) механически присоединен к линии (9) валов с помощью муфты (37).

9. Комплексная установка (1) по одному или более из предыдущих пунктов, в которой электрический генератор (5) выполнен без возможности работы в режиме двигателя.

10. Комплексная установка (1) по одному или более из предыдущих пунктов, в которой электрический генератор (5) расположен между газотурбинным двигателем (3) и вращательной нагрузкой (7) или, как вариант, вращательная нагрузка (7) расположена между газотурбинным двигателем (3) и электрическим генератором (5).

11. Комплексная установка (1) по одному или более из предыдущих пунктов, в которой вращательная нагрузка (7) управляется с обеспечением ее вращения с по существу постоянной скоростью.

12. Способ эксплуатации комплексной установки (1) для генерации энергии и приведения в действие нагрузки, содержащей газотурбинный двигатель (3), электрический генератор (5), вращательную нагрузку (7) и линию (9) валов, механически соединяющую электрический генератор (5) и вращательную нагрузку (7) с газотурбинным двигателем (3), причем способ включает следующие этапы:

обеспечение вращения газотурбинного двигателя (3) и электрического генератора (5) со скоростью вращения, причем изменение скорости вращения ограничено изменением частоты, допускаемым электрораспределительной сетью (23), с которой электрически соединен указанный электрический генератор (5),

регулирование по меньшей мере одного рабочего параметра вращательной нагрузки (7) с помощью устройства управления нагрузкой для приведения условий ее работы в соответствие с требованиями процесса (13), в котором указанная нагрузка участвует, без изменения скорости вращения электрического генератора (5),

причем газотурбинный двигатель (3) представляет собой многовальный газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере первый вал (318), механически соединяющий воздушный компрессор (312) с турбиной (316) высокого давления, и приводной вал (11), присоединенный с возможностью передачи приводного усилия к турбине (320) низкого давления, которая проточно соединена с турбиной (316) высокого давления, но механически отделена от нее и принимает от нее частично расширенный газ сгорания, при этом высокотемпературный газ сгорания, образованный в камере (314) сгорания, которая принимает сжатый воздух от воздушного компрессора (312) и топливо, частично расширяется в турбине (316) высокого давления с образованием механической энергии для приведения в действие воздушного компрессора (312) и частично расширяется в турбине (320) низкого давления с образованием механической энергии, доступной для снятия на линии (9) валов.

13. Способ по п. 12, в котором вращательная нагрузка (7) является вращательной турбомашиной, при этом рабочий режим турбомашины регулируют в ответ на требования процесса путем воздействия на по меньшей мере один из следующих параметров: давление поступающей рабочей текучей среды, обрабатываемой вращательной нагрузкой (7), давление выпускаемой рабочей текучей среды, обрабатываемой вращательной нагрузкой (7), отношение давлений между выходной стороной и впускной стороной вращательной нагрузки (7), расход рабочей текучей среды через вращательную нагрузку (7) и скорость вращения указанной нагрузки (7).