ПОРШНЕВАЯ КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ Российский патент 2021 года по МПК F04B35/01 F16H41/22 

Изобретение относится к поршневым компрессорным установкам, в частности к поршневым компрессорным установкам, приводимым в действие турбинами, конкретнее - одновальными газотурбинными двигателями, и способу их работы, предназначено для компримирования газа и может использоваться для подготовки, в частности углеводородных газов, к транспортированию или переработке на объектах газовой и нефтяной промышленности.

Поршневые компрессорные установки широко применяются для компримирования углеводородных газов, особенно выгодно их применение для сжатия газа до больших давлений при его низких расходах (объемах), при изменении режимов по расходу и давлению, при частых пусках и остановах, связанных с условиями технологического процесса. Особенно выгодно их применение на головных и дожимных компрессорных станциях месторождений, а также на узловых компрессорных станциях перед газопроводами-отводами с большой неравномерностью сезонного и суточного газопотребления. Применение других типов компрессоров, к примеру, центробежных, в таких условиях нецелесообразно или невозможно по техническим причинам. Поршневые компрессоры способны сравнительно долго поддерживать низкую производительность на одном уровне. При этом поршневые компрессоры отличаются относительно простой конструкцией и связанной с этим надежностью, удобством обслуживания и малыми эксплуатационными затратами. Поршневые компрессоры отличаются также стабильной работой при перекачивании загрязненных и агрессивных рабочих сред. Поршневые компрессоры приводятся в действие, как правило, электродвигателем или поршневым двигателем внутреннего сгорания и крайне редко турбинами - паровыми или газовыми. Привод приводит в действие компрессор через свой выходной вал, передаточное устройство, входной вал компрессора.

При использовании турбины в качестве привода поршневого компрессора возникает ряд проблем. Попытки решить эти проблемы описаны, к примеру, в патентных документах RU 2635725 (опубл. 15.11.2017), CN 102383866 (опубл. 21.03.2012). Однако механическое сцепление, которое используется в поршневых установках, описанных в этих документах, не решает всех проблем. Решение по RU 2635725 предназначено для двухвальных турбин в качестве привода поршневого компрессора. Решение по CN 102383866 предназначено для паровой турбины в качестве привода поршневого компрессора, при этом не устраняются высокие пусковые нагрузки, крутильные колебания от поршневого компрессора гасятся не полностью. Механическое сцепление не предусматривают широкого диапазона регулирования производительности поршневого компрессора, который необходим из-за условий его работы (см. выше).

В некоторых применениях выгодно использовать в качестве привода поршневого компрессора одновальную газовую турбину. Такие турбины отличаются простотой конструкции и, как следствие, - высокой надежностью, удобством обслуживания и ремонта, низкой стоимостью и низкими эксплуатационными затратами. Такие турбины отличаются также меньшими габаритами и массой, меньшим риском резонансных явлений валопровода. Кроме того они не привязаны к поставкам топлива извне и работают на перекачиваемом компрессорной установкой газе. Однако такую турбину, обладающую высокими скоростями, невозможно запустить, пока она подключена к нагрузке, в данном случае к поршневому компрессору, так как при запуске ее мощность отбираться на воздушный компрессор турбины, а нагрузка препятствует раскрутке турбины. Другой проблемой является то, что турбина в некоторых случаях должна работать непрерывно, даже если компрессор не работает. Проблемой также являются присущие поршневому компрессору крутильные колебания от неуравновешенных масс коленчатого вала, небольшая скорость вращения входного вала. Преимущество поршневых компрессоров, связанное с возможностью работы в широком диапазоне производительности и при изменении режимов по расходу и давлению газа, невозможно реализовать, так как регулирование производительности компрессорной установки путем изменения числа оборотов (скорости) одновальной газовой турбины возможно только в очень узком диапазоне из-за присущих такой турбине особенностей.

Из патентного документа US 7422543 (опубл. 09.09.2008) известна компрессорная установка, содержащая двухвальную газовую турбину, компрессор, приводимый в действие указанной турбиной, редуктор, расположенный между газовой турбиной и компрессором, гидротрансформатор, расположенный между редуктором и компрессором, коробку передач между гидротрансформатором и компрессором, при этом гидротрансформатор имеет блокировочный механизм для механического присоединения входного конца гидротрансформатора к выходному концу гидротрансформатора для образования механического сцепления и обеспечения устойчивого вращения между турбиной и компрессором на синхронизированной скорости. При этом гидротрансформатор имеет регулируемые направляющие лопасти, благодаря которым регулируется скорость выходного вала от ноля до полной скорости. При этом скорости, которые обеспечивают редуктор и коробка передач, не раскрыты. Недостатком такого решения является следующее. Входной вал поршневого компрессора, в отличие от центробежных и осевых компрессоров, имеет большую вибрацию и радиальные, угловые и осевые смещения из-за крутильных колебаний свойственных поршневым компрессорам. Крутильные колебания при механическом сцеплении во время режима устойчивой работы будут полностью передаваться от компрессора на турбину (ротор турбины), что недопустимо, так как это ведет к потере виброустойчивости установки и к аварии. Кроме того постоянное механическое сцепление приводит к износу контактных пар, и, как следствие, к потере точности сцепления, прочности из-за повышающейся вибрации, к повышению температуры, загрязнению масла в гидротрансформаторе и зубчатых передачах продуктами износа. Кроме того регулирование производительности возможно только в узком диапазоне изменением оборотов турбины. Такое техническое решение предпочтительнее для центробежных компрессоров. Применение коробки передач, а также дополнительного пускового устройства для турбины и электродвигателя для компрессора усложняет конструкцию.

Из патентного документа US 2008/0245634 (опубл. 09.10.2008) известна компрессорная установка, содержащая в качестве привода газовую турбину с высокими оборотами с выходным валом, первую трансмиссию с входным и выходным валом, регулируемую гидромуфту (называемую также гидродинамической муфтой) для запуска компрессора, присоединенную к выходному валу первой трансмиссии и имеющую выходной вал, вторую трансмиссию, присоединенную к выходному валу гидромуфты и имеющую выходной вал, приводимый компрессор, работающий на скорости, эквивалентной скорости газовой турбины, присоединенный к выходному валу второй трансмиссии, при этом гидромуфта выполнена с возможностью регулирования скорости выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, при этом гидромуфта содержит фрикционную механическую муфту для сцепления турбинного колеса с подвижным кожухом насосного колеса гидромуфты при синхронизации. Тип трансмиссий не раскрыт. Недостатки такого решения общие с устройством по US 7422543: наличие механического сцепления для обеспечения устойчивого вращения между турбиной и компрессором на синхронизированной скорости - не применимо к поршневым компрессорам из-за свойственных им крутильных колебаний. Кроме того постоянное механическое сцепление приводит к износу контактных пар, и, как следствие, к потере точности сцепления, прочности из-за повышающейся вибрации, к повышению температуры, загрязнению масла в гидромуфте и зубчатых передачах продуктами износа, все это может привести к поломке и аварии. Такое техническое решение предпочтительнее для центробежных компрессоров. Способ работы компрессорной установки следующий. Запускается газовая турбина, при этом компрессор не работает. Заполняется жидкостью гидромуфта. Компрессор запускается приводом в результате заполнения гидромуфты, пока он не будет работать синхронно с приводом. Датчики определяют, когда происходит синхронизация. Затем включается фрикционная механическая муфта, после ее активации крутящий момент передается от газовой турбины к компрессору по двум путям, а именно через гидромуфту, с одной стороны, и через механическую фрикционную муфту, с другой. Два потока мощности идут параллельно друг другу. Затем гидромуфта освобождается от жидкости, так что только фрикционная механическая муфта передает крутящий момент от газовой турбины к компрессору. Для отключения компрессорной установки:

а) газовая турбина отключается и работает на компрессоре, при этом муфта отключается, газовая турбина и компрессор полностью отключены друг от друга, или

б) пустая гидромуфта вновь заполняется жидкостью, механическая фрикционная муфта отключается, гидромуфта освобождается от жидкости, хотя газовая турбина продолжает работать, крутящий момент не передается компрессору и он останавливается. Таким образом, компрессор может работать с перерывами, газовая турбина может работать без остановок.

Такой способ не применим для компрессорных установок с поршневым компрессором из-за механического сцепления, кроме того регулирование производительности возможно только в узком диапазоне изменением частоты оборотов турбины.

За ближайший аналог предлагаемого устройства выбрано техническое решение по патентному документу ЕА 200870207 (опубл. 27.02.2009). Компрессорная установка содержит ротационное оборудование: одновальную газовую турбину с выходным валом; первую понижающую зубчатую передачу с входным и выходным валом, при этом выходной вал зубчатой понижающей передачи вращается на более низкой скорости, чем выходной вал газовой турбины; гидротрансформатор для запуска компрессора, присоединенный к выходному валу понижающей зубчатой передачи и имеющий выходной вал; вторую повышающую зубчатую передачу, присоединенную к выходному валу гидротрансформатора и имеющую выходной вал повышающей зубчатой передачи, вращающийся на большей скорости чем выходной вал гидротрансформатора; приводимый компрессор, присоединенный к выходному валу повышающей зубчатой передачи, при этом скорость вращения выходного вала указанного гидротрансформатора может быть увеличена с помощью повышающей зубчатой передачи, чтобы соответствовать требованиям операционной скорости компрессора. Операционные скорости одновальной газовой турбины могут составлять 9-14 тысяч оборотов в минуту, операционные скорости гидротрансформатора - 2-3 тысячи оборотов в минуту, операционные скорости центробежного компрессора - 5-13 тысяч оборотов в минуту. Для согласования этих скоростей используются первая понижающая и вторая повышающая передачи. При этом гидротрансформатор имеет блокировочный механизм для механического присоединения входного конца гидротрансформатора к выходному концу гидротрансформатора для образования механического сцепления и обеспечения устойчивого вращения между турбиной и компрессором на синхронизированной скорости. При этом гидротрансформатор имеет регулируемые направляющие лопасти, благодаря которым регулируется скорость выходного вала от ноля до полной скорости. При этом зубчатые передачи и гидротрансформатор могут быть в одном или разных кожухах, зубчатые передачи могут быть односпиральными или двухспиральными.

Недостатки такого решения, из-за наличия механического сцепления для обеспечения устойчивого вращения между турбиной и компрессором на синхронизированной скорости, общие с устройствами по US 7422543 и US 2008/0245634 и описаны выше, хотя в таком устройстве возможно обеспечить режим прогрева, холостого хода и плавной загрузки одновальной газовой турбины без подключения нагрузки (с отключенным компрессором). Недостатком также является следующее: предложенная повышающая передача не применима с поршневыми компрессорами, имеющими на входном валу гораздо меньшие скорости вращения (500-1500 оборотов в минуту), чем у распространенных газовых турбин, особенно одновальных (9-14 тысяч оборотов в минуту). Такое техническое решение предпочтительнее для центробежных компрессоров, так как они имеют высокие операционные скорости. Кроме того входной вал поршневого компрессора имеет большую вибрацию и радиальные, угловые и осевые смещения из-за крутильных колебаний по сравнению с ротационным компрессором (центробежным, осевым). Еще одним недостатком является сложная конструкция узла перемещения лопаток гидротрансформатора, наличие блокирующего устройства и как следствие - сложная конструкция гидротрансформатора.

За ближайший аналог предлагаемого способа выбран способ для запуска крупного ротационного оборудования по патентному документу ЕА 200870207 (опубл. 27.02.2009) при котором обеспечивают компрессорную установку, содержащую одновальную газовую турбину, присоединяют понижающую зубчатую передачу к газовой турбине, присоединяют гидротрансформатор для запуска компрессора к понижающей зубчатой передаче, присоединяют к гидротрансформатору повышающую зубчатую передачу, подсоединяют компрессор к повышающей зубчатой передаче, запускают газовую турбину на первой выходной мощности, понижают первую скорость до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, с помощью понижающей передачи, передают возрастающую мощность при помощи гидротрансформатора на выходных скоростях от нуля до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, путем регулирования направляющими лопастями гидравлического насоса подачи рабочей жидкости к гидравлической турбине в гидротрансформаторе, повышают вторую скорость до третей скорости, более высокой, чем вторая скорость, с помощью повышающей зубчатой передачи и поддерживают работу компрессора на третьей скорости, с блокировкой гидротрансформатора на синхронизированной скорости. Недостатком такого способа является следующее. Предложенное повышение скорости не применимо в компрессорных установках с поршневым компрессором из-за низкой скорости вращения его входного вала. В способе не предусмотрена компенсация вибрации, радиальных, угловых и осевых смещений входного вала компрессора, возникающих из-за крутильных колебаний коленчатого вала компрессора, и которые могут передаваться на передаточные устройства и на ротор турбины, что может привести к потере виброустойчивости установки и к аварии. Регулирование производительности в таком способе возможно только в очень узком диапазоне изменением частоты оборотов одновальной газовой турбины. Такой способ предназначен для компрессорных установок с центробежным компрессором.

Таким образом, стоит задача создания поршневой компрессорной установки, в которой в качестве привода поршневого компрессора может использоваться одновальная газовая турбина, для этого в такой поршневой компрессорной установке должен обеспечиваться режим прогрева, холостого хода и плавной загрузки одновальной газовой турбины, должен обеспечиваться широкий диапазон регулирования производительности компрессорной установки, связанный с условиями ее работы, должна быть исключена передача крутильных колебаний от неуравновешенных масс коленчатого вала поршневого компрессора на ротор газовой турбины, а также обеспечена компенсация радиальных, угловых и осевых смещений входного вала поршневого компрессора, также стоит задача создания способа работы такой компрессорной установки, обеспечивающего режим прогрева, холостого хода и плавной загрузки одновальной газовой турбины, широкий диапазон регулирования производительности компрессорной установки, с исключением передачи крутильных колебаний от неуравновешенных масс коленчатого вала поршневого компрессора на ротор газовой турбины, и с обеспечением компенсации радиальных, угловых и осевых смещений входного вала поршневого компрессора.

Для достижения указанного технического результата предложена поршневая компрессорная установка, включающая: одновальную газовую турбину (далее - турбина) с выходным валом; первую понижающую зубчатую передачу с входным и выходным валом (далее - первая понижающая передача), при этом выходной вал первой понижающей передачи вращается на более низкой скорости, чем выходной вал турбины; регулируемую гидродинамическую передачу в качестве которой применена регулируемая гидромуфта (далее - гидромуфта), присоединенную к выходному валу первой понижающей передачи и имеющую входной и выходной вал; вторую понижающую зубчатую передачу (далее - вторая понижающая передача), присоединенную к выходному валу гидромуфты и имеющую входной и выходной вал, при этом выходной вал второй понижающей передачи вращается на меньшей скорости, чем выходной вал гидромуфты; приводимый поршневой компрессор, присоединенный к выходному валу второй понижающей передачи, при этом гидромуфта выполнена с возможностью регулирования скорости выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, между второй понижающей передачей и компрессором расположена пластинчатая упругая муфта (называемая также дисковой муфтой сухого типа, далее - муфта) для компенсации радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора. При этом понижающие передачи и гидромуфта могут быть в одном или разных кожухах (корпусах), понижающие передачи могут быть односпиральными или двухспиральными, первая понижающая передача может быть в одном корпусе с турбиной.

Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что применена гидромуфта, выполненная с возможностью регулирования скорости выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, после гидромуфты применена понижающая передача, вращающаяся на меньшей скорости, чем выходной вал гидромуфты, между второй понижающей передачей и компрессором расположена муфта для компенсации радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора, первая понижающая передача в частном случае может быть в одном корпусе с турбиной, в другом частном случае понижающие передачи и гидромуфта могут быть в одном или разных кожухах, понижающие передачи могут быть односпиральными или двухспиральными.

Применение двух понижающих передач и регулируемой гидродинамической передачи (гидромуфты) позволяет использовать высокоскоростную (высокооборотную) одновальную газовую турбину для привода низкоскоростного (низкооборотного) поршневого компрессора. При этом становится возможным синхронизировать работу турбины, гидромуфты и поршневого компрессора на их оптимальных операционных скоростях (9-14 тысячи оборотов в минуту для турбины, 2-3 тысячи оборотов в минуту для гидромуфты и 500-1500 оборотов в минуту для компрессора). Это также позволяет эффективно передавать мощность от турбины к компрессору. Применение гидромуфты позволяет полностью исключить механическую связь турбины с поршневым компрессором (механическое сцепление), в результате становиться возможным прогрев, плавная загрузка и холостой ход турбины без подключенной нагрузки. Кроме того это позволяет исключить передачу колебаний от вала поршневого компрессора на ротор турбины на режиме работы с нагрузкой. Исключается износ контактных пар и загрязнение продуктами износа. Выполнение гидромуфты с возможностью регулирования скорости ее выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты позволяет регулировать производительность компрессорной установки от ноля до максимальных значений, установленных для поршневого компрессора, а также плавно запускать его. Это позволяет поршневой компрессорной установке работать на разных режимах по расходу и давлению. Разработка газовых месторождений включает три этапа: нарастающей, постоянной и падающей добычи. В таблице 1 приведены основные параметры работы поршневой компрессорной установки в период эксплуатации 2015-2030 г.г. на примере поршневой компрессорной установки с оппозитным четырехрядным поршневым компрессором для компримирования природного газа на дожимной компрессорной станции Пырейного месторождения, Ямало-Ненецкий автономный округ в режиме падающей добычи. Срок службы поршневых компрессорных установок составляет не менее 20 лет. За это время из-за снижения дебита скважины их производительность может значительно снизится, в показанном примере за 15 лет производительность падает почти в 4 раза. При этом техническое перевооружение компрессорной станции - например замена компрессора на компрессор с меньшей производительностью - связано с высокими затратами и нецелесообразно. В предлагаемой поршневой компрессорной установке с одновальной газовой турбиной в качестве привода решается проблема регулирования производительности в широком диапазоне при изменении дебита скважины (при нарастающей и падающей добыче), а также при сезонных и суточных колебаниях, связанных с неравномерностью газопотребления.

Применение пластинчатой упругой муфты позволяет компенсировать радиальные, угловые и осевые смещения соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора. Все вышеперечисленное позволяет устранить проблемы предыдущего уровня техники и использовать одновальную газовую турбину в качестве привода поршневого компрессора. Некоторые известные одновальные газовые турбины имеют понижающую зубчатую передачу на выходном валу, в одном корпусе с турбиной, к примеру, газотурбинный двигатель Д049Р ОАО НПО «Сатурн» имеет встроенный соосный редуктор. Выполнение в частном случае понижающих передач и гидромуфты в одном кожухе позволяет уменьшить габариты устройства, в том числе за счет использования общей системы смазки или общего маслобака для всего оборудования компрессорной установки, а также повысить надежность устройства.

Совокупность всех указанных существенных признаков позволяет создать конструкцию компрессорной установки с поршневым компрессором и с одновальной газовой турбиной в качестве его привода, обеспечивающую режима прогрева, холостого хода и плавной загрузки турбины, широкий диапазон регулирования производительности компрессорной установки, исключающую передачу крутильных колебаний от неуравновешенных масс коленчатого вала компрессора на ротор турбины, и обеспечивающую компенсацию радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и компрессора.

Для достижения указанного технического результата предложен также способ, при котором:

- обеспечивают поршневую компрессорную установку, содержащую одновальную газовую турбину: присоединяют первую - понижающую - зубчатую передачу к турбине, присоединяют регулируемую гидродинамическую передачу, в качестве которой применена регулируемая гидромуфта, к первой понижающей передаче, присоединяют к гидромуфте вторую - понижающую - зубчатую передачу, подсоединяют компрессор ко второй понижающей передаче через пластинчатую упругую муфту;

- на режиме прогрева запускают турбину, при этом компрессор не работает, гидромуфта не заполнена рабочей жидкостью и не работает, достигают скорости холостого хода турбины, соответствующей мощности турбины на холостом ходу;

- на режиме холостого хода, поддерживают скорость холостого хода турбины, соответствующую мощности турбины на холостом ходу, при этом гидромуфта не заполнена рабочей жидкостью и не работает, компрессор не работает, мощность передается на первую понижающую передачу и на входной вал гидромуфты;

- на режиме запуска компрессора и работы с нагрузкой достигают первой выходной скорости, соответствующей номинальной мощности турбины и поддерживают работу турбины на первой скорости, понижают первую скорость до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, с помощью первой понижающей передачи, и плавно передают возрастающую мощность на компрессор при помощи гидромуфты на выходных скоростях от нуля до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, путем плавной подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, при этом мощность передается на выходной вал гидромуфты и входной вал второй понижающей передачи, и понижают вторую скорость до третей скорости более низкой, чем вторая скорость с помощью второй понижающей передачи и поддерживают работу компрессора на третьей скорости, соответствующей мощности компрессора, компенсируя радиальные, угловые и осевые смещения валов компрессора и второй понижающей передачи с помощью пластинчатой упругой муфты;

- на режиме изменения производительности компрессорной установки меняют вторую скорость при помощи гидромуфты путем изменения количества рабочей жидкости в рабочей полости гидромуфты, и третью скорость при помощи второй понижающей передачи;

- при необходимости перехода с режима работы под нагрузкой на режим холостого хода турбины освобождают гидромуфту от рабочей жидкости и отключают компрессор;

- при необходимости остановки турбины: при экстренном останове отключают подачу топлива в турбину и используют выбег турбины для полной остановки компрессорной установки, при этом гидромуфта заполнена рабочей жидкостью; при нормальном останове плавно освобождают гидромуфту от рабочей жидкости, понижают вторую скорость до ноля, отключают гидромуфту, при этом компрессор отключается, охлаждают и останавливают турбину.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что в качестве регулируемой гидродинамической передачи в способе используется регулируемая гидромуфта, в качестве второй зубчатой передачи используется понижающая передача, подсоединяют компрессор ко второй понижающей передаче через пластинчатую упругую муфту; на режиме прогрева запускают турбину, при этом компрессор не работает, гидромуфта не заполнена рабочей жидкостью и не работает, достигают скорости холостого хода турбины, соответствующей мощности турбины на холостом ходу; на режиме холостого хода, поддерживают скорость холостого хода турбины, соответствующую мощности турбины на холостом ходу, при этом гидромуфта не заполнена рабочей жидкостью и не работает, компрессор не работает, мощность передается на первую понижающую передачу и на входной вал гидромуфты; на режиме запуска компрессора и работы с нагрузкой достигают первой выходной скорости, соответствующей номинальной мощности турбины и поддерживают работу турбины на первой скорости, понижают первую скорость до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, с помощью первой понижающей передачи, и плавно передают возрастающую мощность на компрессор при помощи гидромуфты на выходных скоростях от нуля до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, путем плавной подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, при этом мощность передается на выходной вал гидромуфты и входной вал второй понижающей передачи, и понижают вторую скорость до третей скорости, более низкой, чем вторая скорость, с помощью второй понижающей передачи и поддерживают работу компрессора на третьей скорости, соответствующей мощности компрессора, компенсируя радиальные, угловые и осевые смещения валов компрессора и второй понижающей передачи с помощью пластинчатой упругой муфты; на режиме изменения производительности компрессорной установки меняют вторую скорость при помощи гидромуфты путем изменения количества рабочей жидкости в рабочей полости гидромуфты, и третью скорость при помощи второй понижающей передачи; при необходимости перехода с режима работы под нагрузкой на режим холостого хода турбины освобождают гидромуфту от рабочей жидкости и отключают компрессор; при необходимости остановки турбины: при экстренном останове отключают подачу топлива в турбину и используют выбег турбины для полной остановки компрессорной установки, при этом гидромуфта заполнена рабочей жидкостью; при нормальном останове плавно освобождают гидромуфту от рабочей жидкости, понижают вторую скорость до ноля, отключают гидромуфту, при этом компрессор отключается, охлаждают и останавливают турбину.

Благодаря всем существенным признаком реализуется способ работы поршневой компрессорной установки с одновальной газовой турбиной в качестве привода поршневого компрессора, в котором обеспечивается режим прогрева, холостого хода и плавной загрузки турбины, широкий диапазон регулирования производительности компрессорной установки, исключается передача крутильных колебаний от неуравновешенных масс коленчатого вала компрессора на ротор турбины, и обеспечивается компенсации радиальных, угловых и осевых смещений входного вала компрессора.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.

На фигуре 1 представлена поршневая компрессорная установка - принципиальная схема - одно из конкретных воплощений изобретения, на фигуре 2 схематично показан один из примеров исполнения понижающих передач и гидромуфты в общем корпусе, на фигуре 3 представлен один из примеров исполнения упругой пластинчатой муфты, на фигуре 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая работу компрессорной установки на разных режимах, где 1 - поршневой компрессор, 2 - одновальная газовая турбина, 3 - первая понижающая зубчатая передача, 4 - гидромуфта, 5 - вторая понижающая зубчатая передача, 6 - пластинчатая упругая муфта, 7 - входной вал первой понижающей зубчатой передачи (3), 8 - выходной вал второй понижающей зубчатой передачи (5), 9 - рабочая полость гидромуфты (4), 10 - рабочая жидкость в рабочей полости (9) гидромуфты (4), 11 - черпак гидромуфты (4), 12 - полумуфта муфты (6), 13 - проставка муфты (6), 14 - винт муфты (6), 15 - шпоночное соединение муфты (6), 16 - упругие элементы муфты (6).

Компрессорная установка (фиг. 1) содержит поршневой компрессор (1), к примеру, оппозитный крейцкопфный компрессор, которые широко представлены на рынке, к примеру компанией Ariel Corp., США, в качестве привода использована одновальная газовая турбина (2), которые также представлены на рынке. Газовая турбина и компрессор, как правило, устанавливаются на общее основание (раму) и соединены между собой передаточными устройствами: выходной вал газовой турбины (не показан) соединен с входным валом (7) первой понижающей передачи, ее выходной вал соединен в входным валом (не показан) гидромуфты (4), выходной вал (не показан) гидромуфты (4) соединен с входным валом (не показан) второй понижающей передачи (5), выходной вал (8) второй понижающей передачи (5) соединен с упругой пластинчатой муфтой (6), которая в свою очередь соединена с входным валом (не показан) компрессора (1). На фиг. 2 представлен один из вариантов исполнения первой понижающей зубчатой передачи (3), гидромуфты (4) и второй понижающей зубчатой передачи (5) выполненных в едином корпусе. Такие устройства также представлены на рынке. К примеру, фирмой Voith TurboGmbH & Co.KG, Германия, разработана подобная регулируемая редукторная муфта типа R…KGS для центробежных компрессоров с электродвигателем в качестве привода. Корпус такого передаточного устройства имеет нижнюю часть, выполненную в виде емкости (не показана) для масла, которое, как правило, служит рабочей жидкостью (10) для гидромуфты (4) и для смазки зубчатых передач (3, 5). Наполнение рабочей полости (9) гидромуфты (4) маслом (10) во время запуска и рабочего режима изменяется при помощи черпака (11) в любой степени - от полного заполнения до полного опорожнения. Тем самым передаваемая мощность и частота вращения от привода к нагрузке регулируется бесступенчато. Черпак (11) может иметь электрогидравлический сервопривод с автоматическим управлением. При этом выходной вал первой понижающей передачи (3) и входной вал гидромуфты (4) могут быть выполнены как единое целое, так же как и выходной вал гидромуфты (4) и входной вал второй понижающей передачи (5). Такое устройство на примере центробежного компрессора и электродвигателя в качестве его привода работает следующим образом. При запуске черпак (11) в положении 0%, рабочая полость (9) гидромуфты (4) не заполнена маслом (10), отсутствует нагрузка на валу электродвигателя, вал компрессора не вращается, включается подача масла, гидромуфта (4) и компрессор в остановленном состоянии, подшипники смазываются. Осуществляется пуск электродвигателя до номинальной частоты вращения без нагрузки, гидромуфта (4) заполняется маслом (10) и вращается, начинает вращаться вал компрессора. Рабочая полость (9) гидромуфты (4) продолжает постепенно заполняться маслом (10), компрессор начинает вращаться с желаемой частотой вращения, черпак в положении n%…100%, зубчатые передачи (3, 5) позволяют синхронизировать скорости электродвигателя и компрессора. Принцип работы такого устройства с поршневым компрессором (1) и одновальной газовой турбиной (2) в качестве его привода аналогичен. Специалисту в данной области понятно, что устройство зубчатых передач (3, 5) и регулируемой гидромуфты (4) может быть иным. Некоторые одновальные газовые турбины (2) могут иметь на своем выходном валу понижающую зубчатую передачу (3), к примеру, упомянутый выше газотурбинный двигатель Д049Р ОАО НПО «Сатурн». В этом случае гидромуфта (4) и вторая понижающая передача (5) могут быть в одном кожухе (корпусе) (пример - регулируемая редукторная муфта типа R…GS фирмы Voith TurboGmbH & Co.KG) или они могут быть в разных кожухах. Обе передачи (3, 5) и гидромуфта (4) могут иметь собственные кожухи, такие устройства также представлены на рынке. Упругие пластинчатые муфты (6) широко представлены на рынке, к примеру, компанией Rexnord Corp., США. На фиг. 3 показан один из примеров ее выполнения. Конструкция муфты представляет собой жесткое на кручение устройство, и состоит, как правило, из полумуфты (12) двигателя (привода), полумуфты (12) компрессора и проставки (13), которые соединены между собой при помощи винтов (14). Полумуфты соединяются с валом привода (в предлагаемом по изобретению устройстве с выходным валом второй понижающей передачи) и входным валом компрессора (1) при помощи шпоночного соединения (15). В конструкцию проставки (13) муфты (6) входят упругие элементы (16), за счет сложной деформации которых и происходит компенсация муфтой (6) отклонений взаимного положения соединяемых ею валов. Упругая пластинчатая муфта (6) в целях безопасности снабжается кожухом. Соединение валов турбины, понижающих передач, гидромуфты, муфты и компрессора может быть шпоночным, фланцевым или может быть выполнено любым другим известным способом.

На фиг. 4 проиллюстрирована работа компрессорной установки на разных режимах. На режиме прогрева подают топливо в турбину (2) и запускают турбину, затем достигают скорости холостого хода турбины (2), соответствующей мощности турбины (2) на холостом ходу и переходят на холостой ход турбины (2), при этом черпак (11) гидромуфты (4) в положении 0%, рабочая полость (9) гидромуфты (4) не заполнена маслом (10), выходной вал гидромуфты (4) не вращается, компрессор (1) не работает. На режиме холостого хода, поддерживают скорость холостого хода турбины (2), соответствующую мощности турбины (2) на холостом ходу, черпак (11) гидромуфты (4) по прежнему в положении 0%, рабочая полость (9) гидромуфты (4) не заполнена маслом (10), выходной вал гидромуфты (4) не вращается, компрессор (1) не работает, мощность передается на первую понижающую передачу (3) и на входной вал гидромуфты (4).

На режиме запуска компрессора и работы с нагрузкой достигают первой выходной скорости, соответствующей номинальной мощности турбины (2) и поддерживают работу турбины (2) на первой скорости, понижают первую скорость до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, с помощью первой понижающей передачи (3), и плавно передают возрастающую мощность на компрессор (1) при помощи гидромуфты (4) на выходных скоростях от нуля до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, путем плавной подачи масла (10) в рабочую полость (9) гидромуфты (4). Для этого черпак (11) перемещают из положения 0% в положении n%…100%. Рабочая полость (9) гидромуфты (4) постепенно заполняется маслом (10). При этом мощность передается на выходной вал гидромуфты (4) и входной вал (8) второй понижающей передачи (5), при помощи которой понижают вторую скорость до третей скорости более низкой, чем вторая скорость и поддерживают работу компрессора (1) на третьей скорости, соответствующей мощности компрессора (1). При помощи пластинчатой упругой муфты (6) компенсируют радиальные, угловые и осевые смещения входного вала компрессора (1) и выходного вала (8) второй понижающей передачи (5). Благодаря чему, а также благодаря использованию гидромуфты (4), не допускается передача крутильных колебаний от неуравновешенных масс коленчатого вала компрессора (1) на валопровод и через него на ротор турбины (2).

На режиме изменения производительности компрессорной установки меняют вторую скорость при помощи гидромуфты (4) путем изменения количества масла (10) в рабочей полости (9) гидромуфты (10), и третью скорость при помощи второй понижающей передачи (5). При этом черпак (11) перемещают в положение n%. Положение черпака (11) для разной производительности компрессорной установки определяют расчетом или опытным путем. При необходимости перехода с режима работы под нагрузкой на режим холостого хода турбины (2) освобождают гидромуфту (4) от масла (10), при этом черпак (11) плавно перемещают в положение 0% и отключают компрессор (1). При необходимости остановки турбины (2) при экстренном останове отключают подачу топлива в турбину (2) и используют выбег турбины (2) для полной остановки компрессорной установки, при этом гидромуфта (4) заполнена маслом, черпак в положении n%…100%. При нормальном останове плавно освобождают гидромуфту (4) от масла (10). Для этого черпак (11) перемещают из положения n%…100% в положении 0%. Понижают вторую скорость до ноля, отключают гидромуфту (4), при этом компрессор (1) отключается, охлаждают и останавливают турбину (2).

Авторами разработана поршневая компрессорная установка, которая предполагает использование: поршневого оппозитного крейцкопфного шестицилиндрового компрессора фирмы Borsig, Германия, с двумя ступенями повышения давления; газотурбинного двигателя Д049Р ОАО НПО «Сатурн» в качестве привода, с встроенным соосным редуктором (первая понижающая передача); регулируемой редукторной муфты фирмы Voith TurboGmbH & Co.KG типа R…GS - комбинации регулируемой гидромуфты и понижающего редуктора (вторая понижающая передача) в едином корпусе; упругой пластинчатой муфты Rexnord Thomas. Частота вращения ротора силовой турбины 14 тыс. об/мин., частота вращения выходного вала редуктора газотурбинного двигателя 3000 об/мин, частота вращения выходного вала регулируемой редукторной муфты 0…3000 об/мин, частота вращения входного вала поршневого компрессора 0…469 об/мин. Установка предназначена для компримирования углеводородного газа. Давление газа на входе в поршневую компрессорную установку от 0,71 до 3,41 МПа (абс.), давление газа на выходе из установки от 3,38 до 5,40 МПа (абс.), производительность от 1367,3 до 3553,4 тыс. ст.м³/сут. (при температуре 20°С и давлении 760 мм рт.ст.).

Заявляемое техническое решение поршневой компрессорной установки может быть осуществлено в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования и технологии. Установка собирается из стандартного компрессорного, газотурбинного, электротехнического, газового, емкостного и теплообменного оборудования, в установке используются известные передаточные устройства, стандартные контрольные и регулирующие приборы, трубопроводная арматура, трубопроводы, система автоматического управления. Установка может использоваться для промыслового сбора природного и попутного нефтяного газа, для транспортировки газа на переработку в промысловых установках или на газоперерабатывающих заводах, для обратной закачки газа в пласт или в подземные хранилища газа, для газлифта на месторождениях нефти, для повышения давления газа для ГПА и т.п.

Поршневая компрессорная установка предназначена для компримирования газа и может быть использована для подготовки углеводородных газов к транспортированию или переработке на объектах газовой и нефтяной промышленности. Установка включает одновальную газовую турбину с выходным валом, первую понижающую зубчатую передачу с входным и выходным валами. Выходной вал первой понижающей передачи вращается на более низкой скорости, чем выходной вал турбины. Регулируемая гидродинамическая передача присоединена к выходному валу первой понижающей передачи и имеет входной и выходной валы. Вторая зубчатая передача присоединена к выходному валу гидромуфты и имеет входной и выходной валы, приводимый поршневой компрессор, присоединенный к выходному валу второй передачи. В качестве регулируемой гидропередачи применена регулируемая гидромуфта. Вторая зубчатая передача выполнена понижающей и ее выходной вал вращается на меньшей скорости, чем выходной вал гидромуфты. Гидромуфта выполнена с возможностью регулирования скорости своего выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты. Между второй понижающей зубчатой передачей и компрессором расположена пластинчатая упругая муфта для компенсации радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора. Предложен также способ работы поршневой компрессорной установки. Обеспечивается поршневая компрессорная установка с одновальной газовой турбиной в качестве его привода. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Поршневая компрессорная установка, включающая одновальную газовую турбину с выходным валом, первую понижающую зубчатую передачу с входным и выходным валами, при этом выходной вал первой понижающей передачи вращается на более низкой скорости, чем выходной вал турбины, регулируемую гидродинамическую передачу, присоединенную к выходному валу первой понижающей передачи и имеющую входной и выходной валы, вторую зубчатую передачу, присоединенную к выходному валу гидромуфты и имеющую входной и выходной валы, приводимый поршневой компрессор, присоединенный к выходному валу второй передачи, отличающаяся тем, что в качестве регулируемой гидродинамической передачи применена регулируемая гидромуфта, вторая зубчатая передача выполнена понижающей и ее выходной вал вращается на меньшей скорости, чем выходной вал гидромуфты, гидромуфта выполнена с возможностью регулирования скорости своего выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, между второй понижающей зубчатой передачей и компрессором расположена пластинчатая упругая муфта для компенсации радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора.

2. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что первая понижающая передача выполнена в одном корпусе с одновальной газовой турбиной.

3. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что понижающие передачи и гидромуфта выполнены в одном кожухе.

4. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что понижающие передачи и гидромуфта выполнены в разных кожухах.

5. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что понижающие передачи выполнены односпиральными.

6. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что понижающие передачи выполнены двуспиральными.

7. Способ работы поршневой компрессорной установки, при котором поршневую компрессорную установку, содержащую одновальную газовую турбину, обеспечивают присоединяемой первой понижающей зубчатой передачей к турбине, присоединяют регулируемую гидродинамическую передачу к первой понижающей передаче, присоединяют к регулируемой гидродинамической передаче вторую зубчатую передачу, подсоединяют поршневой компрессор ко второй зубчатой передаче, отличающийся тем, что в качестве регулируемой гидродинамической передачи применяют регулируемую гидромуфту, в качестве второй зубчатой передачи используют понижающую передачу, подсоединяют поршневой компрессор ко второй понижающей передаче через пластинчатую упругую муфту, на режиме прогрева запускают турбину, при этом компрессор не работает, гидромуфта не заполнена рабочей жидкостью и не работает, достигают скорости холостого хода турбины, соответствующей мощности турбины на холостом ходу, на режиме холостого хода поддерживают скорость холостого хода турбины, соответствующую мощности турбины на холостом ходу, при этом гидромуфта не заполнена рабочей жидкостью и не работает, компрессор не работает, мощность передается на первую понижающую передачу и на входной вал гидромуфты, на режиме запуска компрессора и работы с нагрузкой достигают первой выходной скорости, соответствующей номинальной мощности турбины, и поддерживают работу турбины на первой скорости, понижают первую скорость до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, с помощью первой понижающей передачи и плавно передают возрастающую мощность на компрессор при помощи гидромуфты на выходных скоростях от нуля до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, путем плавной подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, при этом мощность передается на выходной вал гидромуфты и входной вал второй понижающей передачи, и понижают вторую скорость до третей скорости более низкой, чем вторая скорость с помощью второй понижающей передачи, и поддерживают работу компрессора на третьей скорости, соответствующей мощности компрессора, компенсируя радиальные, угловые и осевые смещения валов компрессора и второй понижающей передачи с помощью пластинчатой упругой муфты, на режиме изменения производительности компрессорной установки меняют вторую скорость при помощи гидромуфты путем изменения количества рабочей жидкости в рабочей полости гидромуфты, и третью скорость при помощи второй понижающей передачи, при необходимости перехода с режима работы под нагрузкой на режим холостого хода турбины, освобождают гидромуфту от рабочей жидкости и отключают компрессор, при необходимости остановки турбины, при экстренном останове, отключают подачу топлива в турбину и используют выбег турбины для полной остановки компрессорной установки, при этом гидромуфта заполнена рабочей жидкостью, при нормальном останове плавно освобождают гидромуфту от рабочей жидкости, понижают вторую скорость до ноля, отключают гидромуфту, при этом компрессор отключается, охлаждают и останавливают турбину.