[发明专利]机械驱动应用中的燃气涡轮机及操作方法

说明书

技术领域

本文中公开的主题涉及对于在机械驱动应用中使用的燃气涡轮机系统的改进。特别地，但非排它性地，本公开涉及用于驱动压缩机、例如用于液化天然气设施中的制冷剂流体的压缩机的燃气涡轮机系统。

本公开还涉及用于操作包括燃气涡轮机和负载的系统的方法中的改进，该负载例如为用于LNG的压缩机、或用于油气应用的压缩机、泵或其它旋转装置。

背景技术

液化天然气(LNG)来源于液化工艺，在该液化工艺中，利用处于级联(cascade)结构中的一个或多个制冷循环来冷却天然气，直到它变成液体。例如在管道运输是不可能的或在经济上是难以实施的情况下，出于存储或运输的目的，天然气通常是液化的。

利用闭合式或开放式制冷循环来执行天然气的冷却。制冷剂在一个或多个压缩机中进行处理、被冷凝并膨胀。膨胀的、冷冻了的制冷剂用于从在热交换器中流动的天然气中移除热量。

LNG中的制冷剂压缩机、用于管道应用的压缩机或用于油气工业中的多种应用的其它旋转装置通常由燃气涡轮机驱动。该燃气涡轮机动力可获量(power availability)(即可在涡轮机动力轴上获得的动力)取决于诸如空气温度之类的环境状况和诸如老化之类的其它因素。涡轮机动力可获量随着温度的降低而增大，并且相反随着温度的升高而减小。这由于日温度波动和季节性温度波动而导致该动力可获量既在24小时内波动又在一年内波动。

已经建议提供一种与燃气涡轮机相结合以驱动由例如一个或多个压缩机构成的负载的电动机。操作该电动机以向负载补充机械动力，以便在该涡轮机的动力可获量减少时，将负载轴上的全部机械动力维持恒定，和/或增大用于驱动该负载的总机械动力。电动机的该功能被称之为辅助器工作状态(helper duty)。同一电动机通常还用作起动电动机，以将由燃气涡轮机和负载形成的串(string)从零加速至额定速度。

当由涡轮机产生过量的机械动力时，例如在环境温度降低成低于设计温度并且涡轮机的动力可获量随后增大的情况下，在将辅助电动机用作发电机的同时，由燃气涡轮机产生的过量的机械动力被转换成电力。

图1示意性地示出了一种包括燃气涡轮机的系统，该系统燃气涡轮机被设置成用于机械驱动应用、即用于驱动不同于发电机的负载的、特别是用于驱动压缩机或压缩机组。该系统101包括燃气涡轮机103。该燃气涡轮机又由燃气发生器105和动力涡轮机107构成。该燃气发生器105由压缩机109和高压涡轮机111构成。该燃气发生器105包括燃气发生器转子，该燃气发生器转子包括压缩机109的转子109R和高压涡轮机111的转子111R。压缩机109的转子109R和高压涡轮机111的转子111R安装在共同轴上并一起形成燃气发生器转子。

压缩机109对向燃烧室或燃烧器113递送的环境空气进行压缩，在该燃烧室或燃烧器113处，压缩空气与液态或气态燃料混合并且燃料/空气混合物被点燃以产生燃烧气体。高温和高压燃烧气体在高压涡轮机111中被部分膨胀。由高压涡轮机111中的气体膨胀产生的机械动力用于驱动压缩机109。

离开高压涡轮机111的热的且部分膨胀的气体流过动力涡轮机或低压涡轮机107。燃烧气体在动力涡轮机107中膨胀以产生可在负载联接轴115上获得的机械动力。可在负载联接轴115上获得的动力用于驱动总体上被标记为117的负载旋转。例如，该负载117可包括压缩机或压缩机组。在图1的实施例中，负载117包括双压缩机117A、117B。

动力涡轮机107的转子与由压缩机转子109R和高压涡轮机转子111R形成的燃气发生器转子机械地分离开，即，并不扭转地联接于该燃气发生器转子。

燃气发生器转子通过轴119连接于辅助减速齿轮121。该辅助减速齿轮121具有输入轴123，该输入轴123机械地联接至作为起动器起作用的电动机125。变矩器127和可选的离合器129设置在起动器125与辅助减速齿轮121的输入轴123之间。

起动器125连接至以G示意性地示出的配电网。

电动机或起动器125用于使该燃气涡轮机103起动。起动通过为电动机125通电并通过经由变矩器127驱动燃气发生器转子以逐渐增大的旋转速度旋转来执行。一旦足量的空气流经压缩机109，就可通过向燃烧器113递送燃料来点燃该燃气发生器。燃烧气体被经由动力涡轮机107传送并且燃气涡轮机103开始旋转负载117。变矩器127使燃气涡轮机103能够在电动机125根据电网频率以定速旋转时逐渐加速。