SE521349C2 - Kompressorenhet med styrsystem - Google Patents

Description

521 349 P20-01709-030408 överskottsflöden strypas bort eller avledas till atmosfären vid partiella belastningskrav, vilket resulterar i en hög effektförlust och därmed en låg total verkningsgrad.

En gasturbindriven turbokompressorenhet av denna typ är tidigare beskriven i USA-patentet 4,809,497. För att uppnå en tillfredsställande beredskap för att snabbt kunna leverera full flödesvolym drivs kompressorn med fullt varvtal, och en reduktion i belastningskravet från förbrukaren möts genom öppning av en by-pass-ledning för avledning av överskottsflödet till atmosfären. Denna flödesavledande anordning är avsedd att förhindra s.k. "surging" i turbinen och en påföljande skaderisk för kompressorn. Avledning av överskottsflöde till atmosfären via en by-pass-ledning vid fulleffektdrift av gasturbinen innebär emellertid en oönskad effektförlust och en làg verkningsgrad hos kompressorenheten.

I USA-patentet 5,l17,625 är tidigare beskriven en gasturbindriven turbokompressor som är avsedd att i önskad omfattning avleda tryckluft genom en avledningsledning.

Gasturbinen är emellertid även mekaniskt kopplad till en annan last i form av en generator, hydraulpump etc., och i situationer där endast ett mindre effektuttag krävs fràn denna last och samtidigt en mindre flödesvolym fràn kompressorn krävs avleds en större del till atmosfären i form av ett avloppsflöde genom avledningsledningen. Detta innebär en väsentlig effektförlust och en låg verkningsgrad hos kompressorn.

I WO Ol/27452 beskrivs en gasturbinmotor som är ansluten till en last och som innefattar en turbokompressor som delvis matas med ätercirkulerade avgaser från turbinen. Vid ökat effektbehov matas kompressorn med en ökad andel friskluft, och kompressorn är försedd med ett antal utloppsöppningar för stegvis avledning av överskottsgas 521 34-9 P20-01709-030408 till atmosfären vid varierande belastningskrav från förbrukaren. För begränsning av effektförlusterna är anordnad en extra turbin som drivs av överskottsgas från en öppning i en högtryckszon i kompressorn och som är anordnad att driva en friskluftkompressor för matning av friskluft till kompressorn vid höga belastningskrav. Denna anordning för överskottsåtervinning används bara vid höga belastningskrav, eftersom det vid låga belastningskrav krävs mycket lite friskluft till turbinens brännkammare.

Detta innebär att vid låga belastningskrav största delen av överskottsgasen dumpas till atmosfären utan effektåtervinning.

Huvudändamålet med uppfinningen är att förse en turbokompressorenhet för avgivande av ett trycksatt gasmedium med en hög grad av beredskap för snabba förändringar i belastningskraven, varvid kompressorns rotor eller rotorer drivs på ett kontinuerligt högt varvtal och med en hög utloppsflödesvolym och överskottsflödet från kompressorns rotor eller rotorer vid reducerat belastningskrav används för energiåtervinning.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att skapa en kompressorenhet för leverans av ett trycksatt gasmedium av varierande flödesvolym vid ett kontinuerligt högt rotorvarvtal med avgivande av en stor flödesvolym, varvid överskottsflödet från kompressorns rotor eller rotorer vid dellastkrav används för drivning av en eller fler energiåtervinnande turbiner vilka är mekaniskt hopkopplade med drivlinan för kompressorns rotor eller rotorer för återföring av mekanisk energi till kompressorns drivlina.

Ytterligare ändamål och fördelar med uppfinningen framgår av den följande beskrivningen och patentkraven.

Föredragna utföringsformer av uppfinningen beskrivs nedan under hänvisning till bifogade ritning. 521 3119 P20-01709-030408 Ritningsförteckning: Fig. 1 visar schematiskt en kompressorenhet enligt en utföringsform av uppfinningen.

Fig. 2 visar schematiskt en två-stegs kompressorenhet enligt en annan utföringsform av uppfinningen.

Kompressorenheten som illustreras schematiskt i Fig. 1 innefattar en drivmotor M, och en kompressorrotor K ansluten till motorn M via en drivlina N. Drivlinan N innefattar lämpligen en roterande axel i en eller fler sektioner. Kompressorns rotor K är anordnad att matas med luft av atmosfärstryck Pl och avge tryckluft med trycket P2 Kompressorns rotor K är anordnad att drivas av motorn M med ett konstant varvtal och att avge ett konstant flödesvolym tryckluft. Denna konstanta varvtalsnivå har valts med hänsyn till rotorns K karakteristika så att rotorn arbetar under optimala förhållanden.

Kompressorenheten är avsedd att anslutas till en luftförbrukare (icke visad) uppvisande ett belastningsbehov som snabbt kan varieras mellan noll och full kapacitet hos kompressorrotorn K. Då full kapacitet på flödesvolymen inte krävs av förbrukaren avleds överskottsflödet till en spillflödeskrets via en ventil V. Denna spillflödeskrets innefattar en energiåtervinnande turbin TR vilken är mekaniskt hopkopplad med drivlinan N och som drivs av spillflödet. Det aktuella spillflödet driver energiåtervinningsturbinen TR som i sin tur återför energi till drivlinan N och drivmotorn M, varigenom den energi som momentant inte krävs av förbrukaren återvinnes. Härigenom kan kraftförsörjningen till motorn M reduceras till en nivå där varvtalet på kompressorns K rotor just hålls uppe vid dess optimala nivå.

Spillflödesventilen V styrs lämpligen av trycket vid kompressorrotorns K utloppsände så att exakt den 521 3.519 š'=í":'-,.-' 533 .,.., .. .... . 1 _.,. , H . . .

P20-01709-030408 flödesvolym som inte krävs av förbrukaren kontinuerligt avleds till återvinningsturbinen TR _ En kraftstyrenhet PCU är ansluten både till spillflödesventilen V och till drivmotorn M och är avsedd att kontinuerligt anpassa krafttillförseln till motorn M för upprätthållande av det optimala varvtalet hos kompressorrotorn K.

Drivmotorn M kan vara av valfritt slag, en elektrisk synkronmotor, en gasturbin etc.

Den kompressorenhet som illustreras i Fig. 1 innefattar två kompresorrotorer 10,11 anordnade i serie via en mellankylare 12 för bildande av en tvåstegskompressor.

Kompressorenheten har ett luftinlopp 13 för atmosfärsluft och ett tryckluftutlopp 14 för avgivande av tryckluft till en förbrukare (icke visad) via en luftkylare 15.

Förbrukaren kan mycket väl vara av den typ som uppvisar varierande behovskrav med snabba växlingar mellan låga och höga behovskrav.

Kompressorns rotorer 10,11 är förbundna med två separata drivlinor 17,18 bildade av två roterande axlar drivna av en gasturbin 19 innefattande två rotorer 20,21, var och en förbunden med en av drivlinorna 17,18. I vissa applikationer kan turbinens rotorer 20,21 och de två drivlinorna 17,18 rotera i mosatta riktningar för uppnående av en fördelaktig verkningsgrad på turbinen 19. Till drivlinorna 17,18 är mekaniskt kopplade två energiåtervinnande turbiner 22,23 vilka drivs av det överflödiga spillflödet från kompressorn vid dellastkrav från tryckluftförbrukaren.

Anledningen till att två separata drivlinor används är att möjliggöra olika optimala varvtalsnivåer för de två seriekopplade kompressorrotorerna 10,11.

P20-01709-030408 En spillflödeskrets är ansluten till tryckluftutloppet 14 hos kompressorn 10,11 via en ventil 25 och innefattar en gren till var och en av energiåtervinningsturbinerna 22,23.

Ventilen 25 är även anordnad att styra luftmatningen till en brännkammare 27 ansluten till turbinen 19. Storleken på det luftflöde som avleds till brännkammaren 27 är det överskottsspillflöde som för tillfället inte krävs varken av förbrukaren eller brännkammaren 27. Vid lågt behovskrav uppstår ett stort överskjutande spillflöde som avleds till energiåtervinningsturbinerna 22,23, och följaktligen skapas en avsevärd energiåterföring till drivlinorna 17,18. Ändå avleds ett visst luftflöde till brännkammaren 27 för drivning av turbinen 19 med ett till en förutbestämd nivå upprätthållet rotorvarvtal.

Brännkammaren 27 förses med bränsle från en bränslematningsenhet 28 och med luft från kompressorns 10,11 utloppsände 14 via ventilen 25. Luft matas till brännkammaren 27 via en värmeväxlare 29 som upphettas av avgaserna från turbinen 19. Bränslematningsenheten 28 uppvisar även en tändanordning för uppstartning av brännkammaren27.

Den drivlina som är förbunden med första stegets kompressorrotor 20 är också förbunden med en elektrisk motor 30 vilken är avsedd uppstartning av turbinen 19.

Motorn 30 drivs av en ackumulator 31 eller via en nätanslutning.

För åstadkommande av en tillfredsställande funktion hos energiåtervinningsturbinerna 22,23 vid olika flödesvolymer är dessa turbiner lämpligen försedda med justerbara ledskenor 32,33. Vidare styrs det individuella spillflödet till var och en av energiåtervinningsturbinerna 22,23 av två separata ventiler 34,35 placerade i spillflödeskretsen.

Det kan också vara lämpligt att förse första steget 20 av gasturbinen 19 med justerbara ledskenor (icke visade) för 521 349 " P20-01709-030408 i * it; att optimera turbinens arbete vid olika belastningskrav.

Ledskenorna 32,33 och ventilerna 25,34,35 justeras i förhållande till ett antal parametrar såsom rotor varvtal, aktuella trycknivåer Pl, P2, P3, P4, P5 och temperaturerna Tl, T2, T3, T4, T5, T6, T,, T8 och T9. Se Fig. 2. Sensorer för dessa parametrar visas inte i detalj.

Den ovan beskrivna kompressorenheten kan köras på ett antal olika sätt beroende på karaktären hos luftförbrukaren.

Skulle luftförbrukaren vara av det slaget att den kräver en mycket kort beredskapstid för full flödesvolym måste kompressorn köras med fullt varvtal hela tiden och den uppkomna överskottsenergin skulle återvinnas genom spillflödet genom energiåtervinningsturbinerna 22,23. Vid låga behovskrav är spillflödet stort och den energi som återföres till drivlinorna 15,16 och motorn, dvs. gasturbinen, är hög, varvid den förbrukade energin är tämligen låg. Skulle behovskravet öka snabbt till full flödeskapacitet hos kompressorn är kompressorn som ju roterar med fullt varvtal i stånd att direkt leverera full flödesvolym.

Skulle emellertid den anslutna tryckluftförbrukaren kräva full flödesvolym med en viss fördröjning är det möjligt att tillämpa en något lägre beredskapsnivå hos kompressorenheten. Detta innebär att gasturbinen 19 och kompressorns rotorer 10,11 kan köras med ett något reducerat varvtal vid dellastkrav eller vid nolluttag av tryckluft, t.ex. med 80-90% av fullt varvtal. Fördröjningen för att uppnå full flödesvolym från kompressorn skulle ändå vara mycket kort, men behovet av energitillförsel till gasturbinen skulle reduceras ytterligare. Ändå skulle spillflödesenergin vid dellast återvinnas och återföras i form av mekanisk energi via energiåtervinningsturbinerna 22,23.

Claims (5)

521 34-9 P20-01709-030408

1. Kompressorenhet för avgivande av ett trycksatt gasmedium vid varierande avgiven flödesvolym till en förbrukare med varierande behovskrav, innefattande en eller fler rotorer (K;lO,ll) bildande ett eller fler kompressorsteg och anordnade att arbeta kontinuerligt vid ett högt varvtal och därigenom avge en bestämd fullflödesvolym, en drivmotor (M;l9), samt en drivlineanordning (N;17,l8) för mekanisk koppling av kompressorns rotor eller rotorer (K;10,l1) till drivmotorn (M;l9), k ä n n e t e c k n a d av att en spillflödeskrets är ansluten till utloppsänden (14) hos nämnda ett eller fler kompressorsteg och anordnat att motta den del av nämnda bestämda utloppsflödesvolym som inte täcks av det aktuella behovskravet, att nämnda spillflödeskrets innefattar minst en energiätervinnande turbin (T§;22,23) som är mekaniskt förbunden med nämnda drivlineanordning (N;l7,l8), att minst en ventil (V;25,34,35) är anordnad att styra spillflödeskretsen i förhållande till förbrukarens aktuella behovskrav, varvid nämnda minst en energiätervinnande turbin (T§;22,23) drivs av spillflödet i nämnda spillflödeskrets för äterföring av energi till nämnda drivlineanordning (N;17,l8) vid behovskrav hos förbrukaren understigande nämnda bestämda fullflödesvolym.

2. Kompressorenhet enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att en styrenhet (PCU;36) är anordnad att styra både funktionen hos nämnda ventil eller ventiler (V;25,34,35) i förhållande till förbrukarens aktuella behovskrav och energiförsörjningen till drivmotorn (M;l9) för att upprätthålla varvtalet på en hög nivå hos nämnda en 5 2 1 5 4 9 P2o-o17o9-o3o4os eller fler kompressorrotorer (K;lO,11) vid varierande behovskrav.

3. Kompressorenhet enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda en eller fler kompressorrotorer (K;lO,11) innefattar två separata rotorer (lO,ll), att nämnda drivlineanordning (N;l7,l8) innefattar två separata drivlinesektioner (l7,l8), att var och en av nämnda två kompressorrotorer (l0,ll) är mekaniskt hopkopplade med en av nämnda drivlinesektioner (l7,l8), att nämnda drivmotor (19) består av en gasturbin uppvisande två rotorer (20,21) var och en mekaniskt hopkopplad med en av nämnda drivlinesektioner (l7,l8), att nämnda minst en energiåtervinnande turbiner (22,23) är två till antalet var och en mekaniskt hopkopplad med en av nämnda drivlinesektioner (l7,l8), att spillflödeskretsen är fördelad till båda nämnda energiåtervinnande turbiner (22,23), och att en eller fler ventiler (25,34,35) är anordnade att styra spillflödet genom båda nämnda energiåtervinnande turbiner (22,23).

4. Kompressorenhet enligt kravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda två kompressorrotorer (lO,ll) är kopplade i serie för bildande av ett första kompressorsteg och ett andra kompressorsteg, varvid nämnda spillflödeskrets är ansluten till utloppsänden (14) hos nämnda andra kompressorsteg.

5. Kompressorenhet enligt kravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda två drivlinesektioner (l7,18) är motroterande.