燃气涡轮机系统及操作包括载荷的燃气涡轮机系统的方法 |
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申请号 | CN201380041258.X | 申请日 | 2013-08-01 | 公开(公告)号 | CN104662258B | 公开(公告)日 | 2017-10-24 |
申请人 | 诺沃皮尼奥内股份有限公司; | 发明人 | M.D.加贝罗尼; G.阿奎斯蒂; | ||||
摘要 | 本 发明 公开一种燃气 涡轮 机系统,所述燃气 涡轮机 系统包括燃气涡轮机(23)、由所述燃气涡轮机供能的至少第一 载荷 (71)和第二载荷(72)。所述燃气涡轮机(23)包括: 燃气发生器 (27);低压涡轮(50);由低压涡轮(50)供能的动 力 轴(65)。所述动力轴具有驱动地连接到所述第一载荷的第一轴端(65H)和驱动地连接到所述第二载荷的第二轴(65C)。所述第一载荷和所述第二载荷布置在所述燃气涡轮机的相反侧处,并且所述动力轴(65)从所述燃气涡轮机的第一端向第二端轴向延伸穿过所述燃气涡轮机。 | ||||||
权利要求 | 1.一种燃气涡轮机系统,所述燃气涡轮机系统包括燃气涡轮机、由所述燃气涡轮机供能的至少第一载荷和第二载荷;其中所述燃气涡轮机包括: |
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说明书全文 | 燃气涡轮机系统及操作包括载荷的燃气涡轮机系统的方法技术领域背景技术[0002] 燃气涡轮机通常用作用于驱动各种各样的操作机器的机械动力发生器。更确切地,燃气涡轮机通常用于驱动大涡轮机器,如轴流式压缩机或离心式压缩机。典型地,燃气涡轮机应用于天然气液化(LNG)、CO2回收以及燃气工业的其他行业的领域中。燃气涡轮机另外用作用于驱动发电机的机械动力发生器。 [0003] 图1示出根据现有技术的包括燃气涡轮机以及由燃气涡轮机驱动的压缩机组的系统。 [0004] 燃气涡轮机作为整体标记为1,并且包括燃气发生器2和动力涡轮3。燃气发生器2包括借助于轴6彼此机械连接的空气压缩机4和高压涡轮5。由压缩机4吸入的空气被压缩到高压值,并且被递送到以7示意性地示出的燃烧器。燃料与燃烧器7中的压缩空气混合,并且混合物燃烧以产生处于高温和高压的燃烧气体流。 [0005] 高温和高压燃烧气体在高压涡轮5中膨胀以产生用于通过轴6来驱动空气压缩机4的机械动力。部分膨胀的燃烧气体被进一步递送到动力涡轮3,在动力涡轮3中,它们进一步膨胀以产生另外的在动力轴9上可获得的机械动力。所排出燃烧气体随后通过排气器11来排放。 [0006] 由高压涡轮5产生的机械动力完全用于驱动空气压缩机4,而由动力涡轮3产生的机械动力在动力轴9上可获得以驱动作为整体标记为13的载荷。在所示实例中,载荷13包括压缩机组。压缩机组由第一压缩机15和第二压缩机17组成,例如天然气液化系统的离心式压缩机。在图1的示意性表示中,两个压缩机15和17串联布置并且在相同速度下被驱动:动力通过包括连接件19的载荷联轴器18传输到第一压缩机15,并且通过第二连接件21从第一压缩机15传输到第二压缩机17。 [0007] 这种布置具有若干缺点。具体地,载荷联轴器18必须针对驱动压缩机15和17所需的最大动力来设定尺寸并且设计。此外,如果压缩机是所谓的垂直剖分类型,即具有由沿垂直剖分平面连接的两个或更多个部分形成的壳体,打开第一压缩机15的壳体需要移动第二压缩机17远离第一压缩机15。发明内容 [0008] 根据实施例,提供一种燃气涡轮机系统,所述燃气涡轮机系统包括燃气涡轮机以及由燃气涡轮机供能的至少第一载荷和第二载荷。燃气涡轮机包括:燃气发生器;低压涡轮;由低压涡轮供能的动力轴。动力轴具有驱动地连接到第一载荷的第一轴端和驱动地连接到第二载荷的第二轴端。前述第一载荷和第二载荷布置在燃气涡轮机的相反侧处,并且动力轴从燃气涡轮机的第一端向第二端轴向延伸穿过燃气涡轮机。 [0009] 在一些实施例中,燃气涡轮机是航改燃气涡轮机。 [0010] 第一轴端和第二轴端大体布置在燃气涡轮机的所谓热端和冷端处。燃气涡轮机的热端是在排气器处的末端,即在燃烧气体离开低压涡轮的出口侧上。燃气涡轮机的冷端是进气腔室被布置处的末端。 [0011] 术语低压涡轮指示涡轮机械的一部分,在这一部分处,由燃气发生器产生的燃烧气体膨胀以产生在动力轴上可获得用于载荷驱动目的的动力。术语“低压”大体用于区分涡轮机械的这个部分与就布置在燃烧室下游的第一高压涡轮,在第一高压涡轮处,高压高温燃烧气体经历第一膨胀,用于驱动燃气发生器轴旋转,这反过来驱动燃气涡轮机压缩机。 [0012] 根据一些实施例,燃气涡轮机包括组合并且循序布置的以下各项:低压压缩机;高压压缩机,高压压缩机布置在低压压缩机下游并且接收由所述低压压缩机压缩的空气;燃烧器,燃烧器布置用于接收来自第二高压压缩机的压缩空气以及气态燃料或液态燃料;高压涡轮,高压涡轮接收来自燃烧器的燃烧气体,并且布置用于从在其中部分地膨胀的燃烧气体产生机械动力,高压涡轮与低压涡轮流体连通。来自高压涡轮的燃烧气体在低压涡轮中膨胀。燃气涡轮机进一步包括驱动地连接高压涡轮和高压压缩机的第二轴。动力轴和第二轴同轴地布置,并且动力轴驱动地连接低压涡轮和低压压缩机。 [0013] 在一些实施例中,排气布置可设置在低压压缩机与高压压缩机之间。 [0014] 在一些实施例中,第一载荷和第二载荷分别包括第一压缩机和第二压缩机。前述第一压缩机和第二压缩机中的至少一个可包括垂直剖分壳体,即可以是筒式压缩机。在一些实施例中,第一压缩机和第二压缩机两者包括相应的垂直剖分壳体,即每个压缩机是筒式压缩机。 [0015] 在其他实施例中,第一载荷或第二载荷中的一个包括具有垂直剖分壳体的压缩机,即是筒式压缩机,而所述第一载荷和所述第二载荷中的另一个包括不同的机器,例如发电机。 [0016] 通过将两个载荷布置成驱动地连接在燃气涡轮机的贯穿轴的相反端处,替代水平剖分式压缩机,可使用垂直剖分式压缩机。这导致更高的系统效率。 [0017] 压缩机可布置并且配置用于处理天然气液化(LNG)系统中的至少一种制冷气体。LNG系统通常包括一个或多个压缩机组,每个压缩机组由一个或多个燃气涡轮机驱动并且包括一个或多个压缩机。出于存储和/或运输目的,压缩机用于压缩用于使天然气冷却和液化的一种或多种不同的制冷液。因此,本说明书公开的一些实施例包括:燃气涡轮机;至少两个压缩机,至少两个压缩机由燃气涡轮机驱动并且布置在涡轮机的相反端处,即在涡轮机的热端和冷端处;至少一个制冷回路,制冷液在其中流动,所述制冷液由前述压缩机中的至少一个压缩并且在至少一个热交换器中流动以用于冷却有待液化的天然气。 [0018] 在其他实施例中,空气冷却系统设置、配置并且布置用于冷却进入燃气发生器的空气流。冷却系统包括制冷回路,制冷回路具有处理在制冷回路中循环的制冷液的压缩机。制冷回路的压缩机机械连接到燃气涡轮机的第一轴端和第二轴端,从而形成由燃气涡轮机供能的前述第一载荷和第二载荷中的一个。在一些实施例中,冷却系统进一步包括热交换器,其中在制冷回路中循环的制冷液与在第二回路中流动的第二流体交换热量。所述第二回路包括流体/空气交换器,其中递送到燃气涡轮机的燃烧空气通过与在第二回路中流动的第二流体交换热量而被冷却。从空气流提取的热量传输到制冷回路的蒸发器中的制冷液。 [0019] 在优选实施例中,冷却回路的压缩机驱动地连接到在燃气涡轮机的所述冷端处的第一轴端。 [0020] 在不同实施例中,第一载荷和第二载荷中的至少一个包括发电机。在一些实施例中,发电机布置并且配置用于为燃气涡轮机的辅助装置供电。发电机可驱动地连接到动力轴在所述燃气涡轮机的冷端处的第一轴端。 [0021] 根据另一方面,本发明涉及用于操作燃气涡轮机系统的方法。 [0022] 根据一些实施例,提供一种操作燃气涡轮机系统的方法,所述方法包括以下步骤: [0023] 提供燃气发生器、低压涡轮和动力轴,动力轴具有分别可在所述燃气涡轮机的第一端和第二端处接取的第一轴端和第二轴端; [0024] 将第一载荷驱动地连接到第一轴端,并且将第二载荷驱动地连接到第二轴端; [0025] 借助于低压涡轮产生机械动力; [0026] 通过第一载荷联轴器将由低压涡轮产生的动力的第一部分用于驱动第一载荷,并且通过第二载荷联轴器将由低压涡轮产生的动力的第二部分用于驱动第二载荷。 [0028] 以上简要说明陈述了本发明的各实施例的特征,以便可更好地理解以下详细说明并且可更好地了解本发明对所属领域的贡献。当然,存在将在此后描述并且将在所附权利要求书中陈述的本发明的其他特征。就此而言,在详细解释本发明的若干实施例之前,应当理解,本发明的各实施例不限于将它们应用到以下说明中陈述的或在附图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施例并能够以各种方式来实践和实行。另外,应理解,本说明书采用的词组和术语用于进行说明,而不应视为限制。 [0029] 因此,所属领域的技术人员应理解,可以以本说明书的基础概念为基础,简便地设计用于实现本发明若干目的的其他结构、方法和/或系统。因此,重要的是,权利要求书被视为包括此类等效构造,只要这些等效构造不背离本发明的精神和范围。 附图说明[0030] 由于结合附图阅读以下详细说明可以更好地了解本发明的公开实施例和许多附带优点,因此能够更完整地理解这些实施例和优点,在附图中: [0031] 图1示出根据现有技术的系统的示意性表示; [0032] 图2示出沿在根据本发明的系统中有用的燃气涡轮机轴平面的横截面; [0033] 图3、图4和图5示出根据本发明的系统的示意性表示。 具体实施方式[0034] 下文将参考附图详细描述示例性实施例。不同附图中的相同参考数字是指相同或类似的元件。另外,所述附图不一定按比例绘制。此外,以下详细描述并不限制本发明。相反,本发明的范围由所附权利要求书限定。 [0035] 整个说明书中对“一个实施例”或“一项实施例”或“一些实施例”的引用表示结合所述实施例描述的具体特征、结构或者特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此,整个说明书中不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在一项实施例中”并不一定是指相同的实施例。另外,具体特征、结构或者特性能以任何合适方式组合在一个或多个实施例中。 [0036] 图2示出用于在根据本发明的系统中使用的航改燃气涡轮机23的纵切面。燃气涡轮机23包括燃气发生器段27,燃气发生器段27包括具有位于吸入侧处的一组固定进口叶片33的低压轴流式压缩机31。多个低压压缩级35布置在固定进口叶片33下游。每个低压压缩级35包括一组旋转叶片和一组固定叶片。旋转叶片由低压压缩机转子37支撑,并且固定叶片由低压轴流式压缩机31的外壳支撑。 [0037] 低压轴流式压缩机31与布置在低压轴流式压缩机31下游的高压轴流式压缩机39流体连通。高压轴流式压缩机39包括多个高压压缩级43。每个高压压缩级43包括一组旋转叶片和一组固定叶片。旋转叶片由高压压缩机转子45支撑。固定叶片由高压轴流式压缩机39的壳体支撑。 [0038] 高压轴流式压缩机39的出口与燃烧器47流体连通。来自高压轴流式压缩机39的压缩空气流动到所述燃烧器47中并且气态燃料或液态燃料与压缩空气混合,并且空气/燃料混合物被点燃以产生压缩的热燃烧气体。 [0039] 在燃烧器47下游,第一高压涡轮49布置成与燃烧器47流体连通。高压涡轮49包括一组固定进口叶片48,之后是各自包括一组固定叶片和一组旋转叶片的一个或多个膨胀级51。旋转叶片由高压涡轮转子53支撑。高压涡轮转子53和高压压缩机转子45由燃气发生器轴55支撑并且扭力地受限于燃气发生器轴55。 [0040] 从燃烧器47流动穿过高压涡轮49的燃烧气体膨胀产生机械动力,所述机械动力驱动燃气发生器轴55并且用于为高压轴流式压缩机39供能。 [0041] 高压涡轮49的出口与低压涡轮50的进口流体连通。流动穿过高压涡轮49的燃烧气体仅部分地膨胀,并且它们的膨胀在低压涡轮50中继续。低压涡轮50的进口包括由涡轮机械的壳体支撑的一组固定叶片59,之后是多个低压膨胀级61。每个低压膨胀级61包括一组旋转叶片和一组固定叶片。旋转叶片由低压涡轮转子63支撑,并且固定叶片由燃气涡轮机23的壳体支撑。低压涡轮转子63旋转地受限于动力轴65并且由动力轴65支撑。动力轴65延伸穿过燃气涡轮机并且与燃气发生器轴55同轴地延伸。低压压缩机转子37由同一动力轴65支撑并且受限于同一动力轴65。 [0042] 在低压涡轮50中膨胀的燃烧气体产生在动力轴65上可获得的机械动力,并且部分地用于驱动低压轴流式压缩机31。超过驱动低压轴流式压缩机31所需动力的动力可用于驱动载荷。 [0043] 如从图2可了解,动力轴65从第一端65C延伸到相反第二端65H。动力轴65的第一端65C布置在燃气涡轮机23的所谓冷端或冷侧23C处,即在燃气涡轮机23的冷空气进口侧处。 第二端65H布置在燃气涡轮机23的所谓热端或热侧23H处,即在以下一侧处:在高压涡轮49和低压涡轮50中膨胀之后,所排出热燃烧气体从所述一侧在67处被排放。 [0044] 图2所示种类的燃气涡轮机23可在图3示意性示出的系统中使用。 [0045] 除燃气涡轮机23之外,系统包括第一载荷71和第二载荷72。在图3的示例性实施例中,第一载荷71和第二载荷72两者都是例如LNG管线的离心式压缩机。一个、另一个或两个压缩机71和72可以是垂直剖分类型的,具有设计成沿垂直延伸平面打开的壳体。由于两个压缩机71和72连接在燃气涡轮机23的相反侧上,它们各自可出于修理或维护目的而轻易地打开,无需拆卸、移除和移置另一压缩机。 [0046] 第一压缩机71通过载荷联轴器67H连接到燃气涡轮机23的热端或热侧65H,联轴器67H包括例如连接件、可能包括离合器或类似物。 [0047] 第二压缩机72借助于第二载荷联轴器67C连接到燃气涡轮机23的冷端或冷侧65C,第二载荷联轴器67C包括例如连接件、离合器或两者。 [0048] 在图3示出的示例性实施例中,两个压缩机71和72与低压涡轮50在相同旋转速度下并且在相同方向上被驱动。在其他实施例(未示出)中,齿轮箱可设置在载荷联轴器67H与相应压缩机71之间和/或在载荷联轴器65C与压缩机72之间。齿轮箱可用于使旋转方向反向和/或修改涡轮旋转速度与相应压缩机71和/或72的旋转速度之间的比。 [0049] 在其他实施例(未示出)中,如果多于两个压缩机必须由同一燃气涡轮机23驱动,一个或多个另外压缩机可布置在燃气涡轮机23的一端或两端65H、65C处。 [0050] 图4示出根据本发明的系统的第二实施例。相同的参考数字指示与图3中相同或等效的部分。更确切地,图4的实施例包括燃气涡轮机23,燃气涡轮机23包括燃气发生器27和低压涡轮50。 [0051] 图4的燃气涡轮机23可以是图2所示的相同种类。不对燃气涡轮机23的各种部件进行再次描述。 [0052] 在图4的实施例中,第一载荷71和第二载荷73分别驱动地连接到燃气涡轮机23的热侧或热端65H和冷侧或冷端65C。在图4所示的实施例中,第一载荷71再次是压缩机,例如离心式压缩机,而第二载荷73是发电机。发电机73可连接到配电网74。电网74可以是本地网,用于为连接到燃气涡轮机23和/或燃气涡轮机23布置在其中的设备的电气设施供能。在图4的示例性实施例中,齿轮箱76布置在燃气涡轮机23与发电机73之间,以便增大旋转速度。压缩机71可再一次是垂直剖分式压缩机,如附图中示意性地示出。 [0053] 在图4的示例性实施例中,压缩机71布置在燃气涡轮机23的热端处,而发电机73布置在燃气涡轮机23的冷端处。在其他实施例中,两个载荷71、73的位置可颠倒:压缩机布置在燃气涡轮机的热端处并且发电机布置在燃气涡轮机的热端处。 [0054] 图5示意性地示出另外的系统,所述系统包括如例如图2所示的燃气涡轮机23、第一载荷71和第二载荷72。在图5所示的实例中,第一载荷71再次是压缩机,例如离心式压缩机,由燃气涡轮机23的动力轴65通过布置在燃气涡轮机23的热端或热侧65H处的载荷联轴器67H来驱动。 [0055] 在这个实施例中,第二载荷72包括冷却系统81的压缩机,冷却系统81被设计并且布置用于冷却进入燃气涡轮机23的燃烧空气。 [0056] 在图5所示的实施例中,冷却系统81包括制冷回路83,制冷回路83包括以上提及的压缩机72、冷凝器85、膨胀器或节流阀86以及形成热交换器88的一部分的蒸发器87。制冷液在制冷回路83中循环,由压缩机72压缩并且在冷凝器85中冷凝,借助于例如与空气或水的热交换来从冷凝器85中的制冷液移除热量。已冷的和冷凝的制冷液随后在膨胀器86中膨胀,并且流动穿过蒸发器87以从在第二回路89中循环的液体移除热量。在第二回路89中循环的液体可例如是冷却水。 [0057] 第二回路89包括泵91,泵91使冷却液例如水循环穿过热交换器93,热交换器93被布置在热交换器88中与在制冷回路83中循环的冷却液交换热量。在热交换器88中冷却的水随后流动穿过布置在吸气管97的进口处的第二热交换器95,燃烧空气由压缩机31和39通过吸气管97吸入。以这种方式,燃烧空气接触水热交换器95,水热交换器95将空气冷却到低于周围温度的温度,从而提高燃气涡轮机23的总效率。在有利实施例中,冷却系统81可被控制以使得燃烧空气在进入在燃气涡轮机23的冷端处的进气腔室时被维持在大致上恒定的空气温度下,所述空气温度被设定以便使燃气涡轮机23的总效率最大化。 [0059] 在未示出的修改实施例中,图5所示的系统的载荷71可以是发电机而不是压缩机。 [0060] 虽然本说明书中所描述主题的公开实施例已经在附图中示出,并在以上结合若干示例性实施例具体且详细地完整描述,但所属领域的普通技术人员清楚地了解,在实质上不背离本说明书中阐述的新颖教示、原理和概念以及所附权利要求书中所陈述主题的优点的情况下,可以做出许多修改、改变和省略。因此,本发明的适当范围应仅由所附权利要求书的最宽泛解释确定,以便涵盖所有此类修改、改变和省略。另外,根据各替代性实施例,任何工艺或方法步骤的顺序均可进行变化或重新排序。 |