Поршневая компрессорная установка и способ ее работы
PISTON COMPRESSOR PLANT AND METHOD OF ITS OPERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения данного изобретения относятся, в целом, к поршневым компрессорным установкам, в частности к поршневым компрессорным установкам, приводимым в действие турбинами, например паровыми турбинами.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В промышленности в широком диапазоне прикладных задач для сжатия газа обычно используют поршневые компрессоры. Поршневые компрессоры обычно приводятся в действие первичным приводом, который может быть электродвигателем, поршневым двигателем внутреннего сгорания либо газовой или паровой турбиной.
Фиг.1 иллюстрирует устройство 1, содержащее поршневой компрессор 3 и паровую турбину 5, используемую для приведения в действие компрессора 3. На фиг.1 показано, что поршневой компрессор 3 содержит цилиндры 3A, 3B, 3C и 3D. Общий коленчатый вал 7 приводит в действие четыре указанных цилиндра 3A-3D и поддерживает маховик (не показан). Коленчатый вал 7, выполненный с возможностью вращения, поддерживается в корпусе 9 и приводится во вращение паровой турбиной 5 через редуктор 11, имеющий входной вал 13 и выходной вал 15. Входной вал 13 (высокоскоростное соединение) совершает вращение со скоростью вращения паровой турбины 5, тогда как выходной ведомый вал 15 (низкоскоростное соединение), который соединяет редуктор 11 с коленчатым валом 7, совершает вращение с существенно меньшей скоростью.
Коленчатый вал 7 обычно поддерживается гидродинамическими подшипниками 17. Правильная работа гидродинамических подшипников зависит от относительной скорости перемещения взаимно подвижных частей, например неподвижного вкладыша и вращающегося элемента, например оси или вала. Между указанными подвижными компонентами при достижении достаточной скорости образуется пленка из смазочного масла. Смазка других компонентов и частей поршневого компрессора, например смазка крейцкопфов и направляющих, штоков поршней и подобных компонентов, зависит от рабочей скорости компрессора.
Валы в редукторе 11 также могут поддерживаться гидродинамическими подшипниками, при этом для предотвращения повреждения подшипников необходимо, чтобы скорость вращения валов была достаточной для образования масляной пленки.
Когда паровую турбину 5 отключают, то необходимо поддерживать ее вращение при малой частоте, чтобы предотвратить искривления и изгибы ротора турбины, обусловленные температурными градиентами внутри турбины. Внутри турбины во время ее отключения возникают неоднородные температурные поля, поскольку нижние части турбины охлаждаются быстрее верхних частей. Для предотвращения искривления турбинного ротора его поддерживают в состоянии медленного вращения. Этот этап работы турбины обычно называют «валоповоротом».
Для этого установка 1 дополнительно содержит малооборотный двигатель 19, называемый также «валоповоротным двигателем» или «валоповоротным устройством». Двигатель 19 обычно является электродвигателем, который при необходимости может быть выборочно соединен с ротором паровой турбины 5 и отсоединен от него. Во время режима валоповорота паровой турбины 5 вся линия вала, т.е. цепь, содержащая ротор паровой турбины, редуктор 11, коленчатый вал 7, маховик и компоненты с возвратно-поступательным перемещением, приводится в движение коленчатым валом 7, например крейцкопфы и поршни возвратно-поступательного хода одного или более цилиндров 3A-3D компрессора. Соответственно, валоповоротный двигатель 19 должен иметь номинальную мощность, достаточную для преодоления большой инертности указанной цепи компонентов и большого пускового момента. Таким образом, номинальная мощность двигателя 19 должна намного превышать мощность, необходимую для вращения только ротора паровой турбины.
Помимо этого, указанная скорость валоповорота является недостаточной для образования в гидродинамических подшипниках пленки смазочного масла, и, соответственно, во время медленного вращения турбины указанные подшипники работают в условиях ограниченной смазки, что приводит к высокой интенсивности износа.
Помимо этого, в случае внезапного выхода из строя поршневого компрессора 3 возникает опасность повреждения вала паровой турбины и уплотнений, если валоповоротное устройство 19 не имеет возможности работать, например в случае заклинивания коленчатого вала 7.
Во время запуска частоту вращения турбины постепенно увеличивают до номинальной частоты. Во время ускорения указанная частота вращения становится равной собственным частотам крутильных колебаний установки. Это может повлечь за собой явление резонанса, который может вызывать повреждение компонентов указанной установки, включая редуктор.
Во время режима запуска турбины необходимо время для устранения температурных градиентов внутри турбоустановки. Во время этого переходного режима турбина не может вырабатывать достаточно энергии, чтобы приводить в действие поршневой компрессор под нагрузкой. С другой стороны, поршневой компрессор не может работать в условиях отсутствия нагрузки в течение длительного периода времени.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Рассмотренные в данном документе варианты выполнения уменьшают или устраняют одну или более из вышеупомянутых проблем, связанных с известными поршневыми компрессорными установками, приводимыми в действие турбиной.
В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения предложена поршневая компрессорная установка, содержащая турбину и по меньшей мере один поршневой компрессор, приводимый в действие указанной турбиной. В одном варианте выполнения указанная турбина является паровой турбиной. В указанной установке может быть предусмотрен редуктор, расположенный между турбиной и поршневым компрессором. Между турбиной и поршневым компрессором расположена муфта, предназначенная для механического отсоединения турбины от поршневого компрессора во время переходного режима работы установки, например во время режима валоповорота или во время режима прогрева турбины. Дополнительно предусмотрено валоповоротное устройство для обеспечения медленного вращения турбины во время режима валоповорота.
Указанная установка может содержать секцию поршневого компрессора, содержащую по меньшей мере один поршневой компрессор с одним или более цилиндрами и общий коленчатый вал, приводящий в движение поршни цилиндров компрессора. Коленчатый вал обычно поддерживается гидродинамическими подшипниками.
Указанная муфта может быть разъединена, например, во время отключения турбины. Поршневой компрессор при этом остается неподвижным, в то время как турбина медленно вращается со скоростью валоповорота для предотвращения искривления ротора турбины во время остывания. Скорость валоповорота может быть задана очень низкой, так как подшипники поршневого компрессора не выходят из строя из-за недостаточной скорости вращения гидродинамических подшипников, поскольку компрессор находится в неработающем состоянии. Соответственно, валоповоротное устройство может быть конструктивно выполнено с обеспечением ограниченной мощности, тем самым уменьшая стоимость и габариты валоповоротного устройства.
В некоторых иллюстративных вариантах выполнения муфта может быть расположена и может регулироваться с обеспечением переходного режима, включающего прогрев турбины. Затем турбина может быть приведена в постоянное и непрерывное вращение при одной или более скоростях прогрева, которые могут быть равны или приблизительно равны одной или более критическим скоростям линии вала. Благодаря отсоединению турбины от остальной части линии валов предотвращается возникновение явления резонанса установки. Таким образом, турбина может эксплуатироваться при частоте вращения, которая приблизительно равна или соответствует одной или более собственных частот крутильных колебаний указанной цепи, т.е. установки, состоящей из различных компонентов, приводимых в действие турбиной.
Указанная муфта может быть расположена между выходным валом (низкоскоростное соединение) редуктора и коленчатым валом поршневого компрессора. Однако в предпочтительных в настоящее время вариантах выполнения указанная муфта расположена между турбиной и входным валом (высокоскоростное соединение) редуктора. Когда муфта разъединена, то редуктор, а также компрессор могут поддерживаться в неподвижном состоянии, в то время как турбина работает в переходном режиме, например в режиме валоповорота или в режиме прогрева.
В некоторых вариантах выполнения управление указанной муфтой выполняется извне, например, посредством соответствующего исполнительного механизма. В других иллюстративных вариантах выполнения указанная муфта является самосинхронизирующейся муфтой.
Валоповоротное устройство может состоять из исполнительного механизма, например электродвигателя или гидравлического устройства. Между исполнительным механизмом и ротором турбины может быть выполнен валоповоротный передаточный механизм или валоповоротный редуктор. Для отделения валоповоротного устройства от ротора турбины, когда турбина работает, может быть предусмотрена муфта.
В некоторых вариантах выполнения указанная установка может быть установкой с двойным приводом. В таком случае во время переходного режима с низкой скоростью вращения или во время режима прогрева турбины поршневой компрессор может приводиться в действие, например, вторичным приводом, таким как электродвигатель или реверсивная электрическая машина, при рабочей скорости, которая отличается (например, превышает) от скорости, которую может обеспечивать медленно вращающаяся турбина. Реверсивная электрическая машина является машиной, способной работать в режиме двигателя или генератора. При использовании указанной машины она может приводиться в действие турбиной и работать в режиме генератора, когда турбина работает в установившемся режиме. Если турбина вырабатывает механическую энергию в количестве, большем, чем это необходимо для приведения в действие поршневого компрессора (компрессоров), то избыточная энергия может преобразовываться в электроэнергию и использоваться для питания устройств, входящих в состав поршневой компрессорной установкой, и/или отводиться в распределительную электросеть.
Указанная электрическая машина может быть расположена на вспомогательном валу с возможностью соединения с основной линией валов или отсоединения от нее. В других вариантах выполнения электрическая машина может быть расположена на вспомогательном валу с постоянным соединением с основной линией валов, например, через редуктор. В еще одних вариантах выполнения электрическая машина содержит сквозной вал, имеющий первый и второй концы, постоянно соединенные с основной линией валов, соединяющей турбину и поршневой компрессор. Например, указанная электрическая машина может быть расположена между редуктором и коленчатым валом поршневого компрессора.
В соответствии с другим вариантом выполнения предложен способ работы поршневой компрессорной установки, приводимой в действие турбиной. Указанный способ включает механическое отсоединение турбины по меньшей мере от одного поршневого компрессора и работу указанной установки по меньшей мере в переходном режиме, при этом турбина вращается со скоростью, отличной от скорости вращения при установившемся режиме или от диапазона скоростей вращения. В некоторых иллюстративных вариантах выполнения указанный способ включает вращение турбины посредством валоповоротного устройства со скоростью валоповорота, которая ниже диапазона рабочих скоростей, после отключения указанной турбины, и/или в направлении, противоположном нормальному направлению вращения турбины.
В других вариантах выполнения указанный способ включает этап механического отсоединения турбины от редуктора, расположенного между турбиной и поршневым компрессором, когда указанная установка находится в переходном режиме, например в режиме валоповорота.
В других вариантах выполнения способ может включать этапы:
расположения муфты между турбиной и редуктором;
приведения в действие с рабочей скоростью поршневого компрессора посредством турбины через указанную муфту и указанный редуктор;
отключения турбины и разъединения муфты, вращения турбины после отключения посредством валоповоротного устройства со скоростью валоповорота, меньшей, чем рабочая скорость (т.е. номинальная скорость в установившемся режиме или в рабочем диапазоне скоростей), и/или в направлении, противоположном нормальному направлению вращения турбины, с поддержанием компрессора и редуктора в неподвижном состоянии.
В других вариантах выполнения при отключении турбины поршневой компрессор может поддерживаться в рабочем состоянии путем приведения его в действие вторичным приводом.
В соответствии с другими вариантами выполнения предложен способ, включающий этапы:
запуска турбины, в то время как она отсоединена от редуктора и поршневого компрессора;
увеличения скорости турбины по меньшей мере выше одной критической скорости вращения линии вала;
соединения турбины с редуктором и поршневым компрессором, запуск поршневого компрессора.
В соответствии с еще одними вариантами выполнения предложен способ, включающий этапы:
запуска поршневого компрессора с номинальной скоростью посредством вторичного привода;
запуска турбины, в то время как она отсоединена от редуктора и поршневого компрессора;
прогрева турбины со скоростью ниже минимальной расчетной скорости;
увеличения скорости турбины;
соединения турбины с редуктором и поршневым компрессором;
отключения вторичного привода.
Особенности и варианты выполнения изложены в данном документе ниже и дополнительно указаны в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть данного описания. В вышеприведенном кратком описании указаны свойства различных вариантов выполнения данного изобретения для лучшего понимания нижеследующего подробного описания, а также для лучшего понимания вклада в усовершенствование существующей техники. Естественно, данное изобретение имеет и другие особенности, которые будут рассмотрены ниже в данном документе и которые будут указаны в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим перед подробным объяснением нескольких вариантов выполнения данного изобретения следует уяснить, что различные варианты выполнения изобретения не ограничиваются их применением к деталям конструкции и расположению компонентов, рассмотренных в нижеследующем описании или проиллюстрированных на чертежах. Данное изобретение может иметь другие варианты выполнения, которые могут быть реализованы на практике или выполнены различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, применительно к данному документу, используется с описательной целью и не должна рассматриваться как ограничительная.
По существу специалисты должны понимать, что концепция, которая заложена в данное изобретение, может легко использоваться в качестве основополагающего принципа для создания других конструкций, способов и/или систем для осуществления нескольких целей изобретения. Соответственно, важно понимать, что формула изобретения должна рассматриваться как включающая такие равнозначные конструкции в той мере, насколько они не отклоняются от сущности и объема правовой охраны изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание приведенных вариантов выполнения данного изобретения и множества присущих ему преимуществ можно легко получить при рассмотрении нижеследующего подробного описания в сочетании с приложенными чертежами, на которых
фиг.1 иллюстрирует поршневую компрессорную установку, приводимую в действие паровой турбиной, в соответствии с известным уровнем техники;
фиг.2 иллюстрирует поршневую компрессорную установку, приводимую в действие паровой турбиной, в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения;
фиг.3 иллюстрирует другой вариант выполнения данного изобретения;
фиг.4-7 иллюстрируют переходные режимы установки, содержащей поршневой компрессор и паровую турбину, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на приложенные чертежи. Одинаковыми номерами позиций на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, указанные чертежи выполнены не обязательно в масштабе. Помимо этого, нижеследующее подробное описание не ограничивает данное изобретение. Наоборот, объем правовой охраны данного изобретения ограничен приложенной формулой изобретения.
Ссылка в различных местах данного описания на «один вариант выполнения», или «вариант выполнения», или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретная особенность, конструкция или характеристика, описанные в отношении варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения рассматриваемого объекта изобретения. Таким образом, появление формулировки «в одном варианте выполнения», или «в варианте выполнения», или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту (вариантам) выполнения. Кроме того, конкретные особенности, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения.
Нижеследующие иллюстративные варианты выполнения рассматриваемого в данном документе изобретения содержат паровую турбину. По меньшей мере некоторые преимущества данного изобретения могут быть получены также в установке, в которой используется другая турбина, например газовая турбина.
На фиг.2 показана установка 101, содержащая поршневой компрессор 103. Указанный компрессор 103 может иметь конструкцию с одним или более цилиндрами и соответствующими поршнями, приводимыми в действие общим первичным приводом, как будет рассмотрено в данном документе в дальнейшем. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на фиг.2, поршневой компрессор 103 содержит четыре цилиндра, обозначенные позициями 103A, 103B, 103C, 103D. Возможно выполнение другого количества поршневых компрессоров или другого количества цилиндров компрессора. Коленчатый вал 105 приводит в движение поршни, расположенные в цилиндрах 103A-103D компрессора 103. Коленчатый вал 105 может поддерживаться подшипниками 107, 109, 111, схематически показанными на фиг.2. Подшипники 107, 109 и 111 могут быть гидродинамическими подшипниками, в которых при вращении коленчатого вала 105 с достаточно высокой скоростью образуется гидродинамическая пленка смазочного масла.
Установка 101 дополнительно содержит турбину 115, например паровую турбину. Паровая турбина 115 является первичным приводом, который обеспечивает вращение коленчатого вала 105 и приведение в возвратно-поступательное движение поршней и крейцкопфов (не показанных) в цилиндрах 103A-103D компрессора 103.
Паровая турбина 115 соединена с коленчатым валом 105 посредством механического сопряжения, обозначенного в целом позицией 117. В некоторых иллюстративных вариантах выполнения указанное механическое сопряжение или соединение 117 содержит редуктор 119 с входным валом, или высокоскоростным соединением 121, и выходным валом, или низкоскоростным соединением 123. Редуктор 119 может быть планетарным редуктором, обеспечивающим понижение скорости вращения паровой турбины 115 до относительно низкой скорости вращения коленчатого вала 105. Между выходным валом 123 редуктора 119 и коленчатым валом 105 могут быть выполнены одно или более мест соединений, сцепных муфт, соединительных муфт, маховиков или подобных, не показанных на чертеже, элементов.
Между турбиной 115 и входным валом 121 редуктора 119 расположена муфта 125, которая может быть самосинхронизирующейся муфтой. В других вариантах выполнения управление муфтой 125 может выполняться извне, например, с помощью соответствующего исполнительного механизма, не показанного на чертеже.
Самосинхронизирующаяся муфта конструктивно выполнена так, что она автоматически вводится в сцепление после того, как скорость вращения ее входного вала достигает заданного значения. И, наоборот, указанная муфта автоматически выводится из соединения, когда скорость вращения входного вала падает ниже заданного значения или если вал начинает вращаться в обратную сторону. Поскольку самосинхронизирующиеся муфты известны специалистам, подробное их описание не требуется. Посредством самосинхронизирующейся муфты 125 выходной вал 115А турбины будет соединяться с входным валом 121 редуктора 119 только при достижении турбиной определенной скорости вращения. Ниже этой скорости и в случае вращения ротора паровой турбины в обратную сторону муфта 125 отсоединяет выходной вал 115А турбины 115 от входного вала 121 редуктора 119.
На фиг.2 номером 126 схематически обозначен вал ротора паровой турбины 115. Вал 126 может быть соединен с возможностью передачи приводного усилия с валоповоротным передаточным механизмом 129. Механизм 129 может быть выборочно соединен с валоповоротным устройством или обеспечивающим медленное вращение устройством 131 либо отсоединен от него. В некоторых вариантах выполнения обеспечивающее медленное вращение устройство, или валоповоротное устройство 131, является электродвигателем. Между устройством 131 и механизмом 129 может быть выполнена муфта 133 с возможностью выборочного соединения и отсоединения. При необходимости валоповорота или медленного вращения паровой турбины 115 устройство 131 приводится в действие для обеспечения вращения ротора турбины посредством валоповоротного механизма 129.
Когда турбину 115 отключают и ротор турбины с помощью устройства 131 приводится в медленное вращение, муфта 125 предпочтительно выводится из соединения. Соответственно, линия вала, расположенная по ходу передачи вращения за муфтой 125, остается неподвижной, в то время как ротор турбины поддерживается в режиме валоповорота с низкой скоростью вращения. В некоторых вариантах выполнения направление вращения в режиме вращения с низкой скоростью может быть изменено на обратное относительно направления вращения при нормальной рабочей скорости.
Таким образом, валоповоротное устройство 131 может быть спроектировано так, чтобы развивать крутящий момент, достаточный для приведения во вращение только ротора турбины 115, без приведения во вращение остальной части линии вала. Поскольку редуктор 119 и поршневой компрессор 103 отсоединены от выходного вала 115А турбины 115, то отпадает необходимость гидродинамической опоры в подшипниках редуктора 119 и коленчатого вала 105. Кроме того, не требуется смазка остальных компонентов поршневого компрессора. Медленное вращение турбины 115 не будет повреждать подшипники и механические компоненты указанной установки, расположенные по ходу передачи вращения после муфты 125.
Муфта 125, находящаяся между турбиной 115 и редуктором 119, при необходимости также обеспечивает возможность вращения турбины 115 в режиме валоповорота в направлении, противоположном направлению вращения при нормальной рабочей скорости.
Поскольку ротор паровой турбины может быть введен в режим валоповорота путем расцепления муфты 125 и приведения в действие валоповоротного устройства 131, то неожиданный выход из строя компрессора 103, например в результате заклинивания коленчатого вала 105, не вызовет повреждений вала и уплотнений паровой турбины.
На фиг.3 схематически показан другой иллюстративный вариант выполнения данного изобретения. Для обозначения компонентов, подобных или аналогичных показанным на фиг.2, используются те же номера позиций, поэтому эти компоненты не будут описываться повторно.
Вариант выполнения, показанный на фиг.3, содержит устройство поршневого компрессора с двойным приводом, причем поршневой компрессор 103, содержащий цилиндры 103A-103D, может выборочно приводиться в действие первичным приводом, содержащим паровую турбину 115, либо вторичным приводом, содержащим электрическую машину 128. В некоторых вариантах выполнения электрическая машина 128 является реверсивной электрической машиной. Реверсивная электрическая машина 128 может работать поочередно для преобразования электрической энергии в механическую (в режиме двигателя) или для преобразования механической энергии в электрическую (в режиме генератора). Электрическая машина 128 электрически присоединена к распределительной электросети, схематически обозначенной символом G. Между указанной электрической машиной и сетью могут быть выполнены устройства и схемы, не показанные на чертеже, обеспечивающие управление параметрами электропитания.
В некоторых вариантах выполнения электрическая машина 128 содержит сквозной вал 130 с противоположными концами, присоединенными, например, через соединения 130A и 130B соответственно к выходному валу 123 редуктора 119 и к коленчатому валу 105 компрессора 103.
В этом варианте выполнения поршневой компрессор 103 может приводиться в действие поочередно реверсивной электрической машиной 128 или паровой турбиной 115. При переключении электрической машины 128 в режим электродвигателя для приведения в действие компрессора 103 муфта 125 может быть расцеплена и паровая турбина 115 может поддерживаться в нерабочем состоянии или может быть приведена во вращение с малой скоростью в режиме валоповорота или с малой скоростью в режиме прогрева.
Например, в случае неполадок в процессе работы паровой турбины 115 она может быть отключена и введена в режим валоповорота, в то время как работа компрессора 103 будет продолжать поддерживаться с помощью электрической машины 128.
В переходном режиме прогрева паровая турбина может приводиться во вращение со скоростью ниже номинальной до тех пор, пока не будет достигнут требуемый температурный режим, в то время как компрессор 103 приводится в действие указанной электрической машиной.
При работе турбины 115 с приведением в действие компрессора 103 через муфту 125 и редуктор 119 реверсивную электрическую машину 128 переключают в режим генератора. Избыточная механическая энергия, создаваемая турбиной 115, может преобразовываться в электрическую энергию посредством машины 128 и отводиться в распределительную электросеть G.
Таким образом, режим работы турбины 115 до некоторой степени не зависит от режима работы поршневого компрессора 103. Турбина 115 может работать в расчетном режиме с максимальной эффективностью термодинамического цикла, независимо от изменений режима работы компрессора 103. При этом избыточная механическая энергия, создаваемая турбиной 115, преобразуется в полезную электрическую энергию.
В менее предпочтительных вариантах выполнения машина 128 может работать только в качестве электродвигателя, при этом она будет пассивно вращаться, когда турбина 115 приводит в действие компрессор 103.
На фиг.4 схематически проиллюстрирован способ работы установки 101 в переходном режиме, связанный с отключением паровой турбины 115. Процесс отключения начинается на этапе 150. Компрессор 103 и редуктор 119 останавливают (на этапе 151) и расцепляют муфту 125 (на этапе 153), при этом паровая турбина 115 механически отсоединяется от редуктора 119 и компрессора 103.
После расцепления муфты 125 с помощью валоповоротного двигателя 131 и валоповоротного передаточного механизма 121 может быть выполнен запуск турбины 115 (на этапе 154) для вращения с малой скоростью (в режиме валоповорота), которое будет продолжаться до тех пор, пока турбина 115 не будет охлаждена до температуры, достаточной, чтобы избежать искривления или температурной деформации ротора паровой турбины. По достижении этих условий паровая турбина может быть остановлена (на этапе 155).
Использование муфты 125 для соединения и отсоединения турбины 115 относительно остальной линии вала во время запуска или возобновления работы паровой турбины обусловливает дополнительные преимущества. Фиг.5 иллюстрирует способ работы установки 101 во время переходного режима, связанного с запуском турбины 115.
При запуске паровой турбины 115 обычно необходима ее работа в режиме прогрева. Во время прогрева паровой турбины 115 может быть необходимым, или может потребоваться, обеспечить вращение турбины при переходной скорости вращения, которая ниже номинальной скорости вращения установки, т.е. скорости вращения при работе установки в установившемся режиме.
Паровая турбина 115 может быть приведена в действие при постепенном увеличении скорости ее вращения от нулевой до номинальной скорости вращения. Ускорение турбины 115 может быть ступенчатым или непрерывным. В некоторых вариантах выполнения в течение определенного периода времени могут поддерживаться промежуточные скорости вращения переходного режима, чтобы обеспечить возможность плавного достижения конечных условий паротурбинного цикла при установившемся режиме работы.
Линия вала или цепь, образованная паровой турбиной 115, редуктором 119, поршневым компрессором 103 с коленчатым валом 105, соответствующими крейцкопфами, поршнями и реверсивной электрической машиной (если она предусмотрена, как показано на фиг.3), характеризуется одной или более собственной частотой крутильных колебаний (критические скорости вращения), которые обычно ниже частоты при номинальной скорости вращения установки. Это означает, что во время режима прогрева паровой турбины 115 вал турбины будет вращаться с постепенным увеличением скорости и прохождением через собственные частоты крутильных колебаний установки.
В известных установках для предотвращения повреждения цепи или последовательности роторных машин вращение паровой турбины 115 не должно поддерживаться на скоростях вращения, которые близки к собственным частотам крутильных колебаний всей указанной цепочки компонентов или равны им. Однако использование муфты 125 снимает это ограничение. Если муфта 125 расцеплена, паровая турбина 115 может вращаться во время режима прогрева со скоростью, которая близка к собственной частоте крутильных колебаний указанной цепи, поскольку линия вала, расположенная по ходу передачи вращения после муфты 125, остается неподвижной или приводится во вращение вторичным приводом независимо от паровой турбины. Таким образом, возникновение явления резонанса исключается. Муфта 125 может быть введена в сцепление после выхода паровой турбины 115 на скорость вращения, превышающую собственные частоты крутильных колебаний указанной установки.
Фиг.5 обобщает способ работы установки 101 во время переходного режима, от запуска паровой турбины 115 до ее работы в установившемся режиме. На этапе 161 выполняют запуск паровой турбины 115. Затем следует этап 162 прогрева турбины, во время которого паровая турбина 115 может вращаться со скоростью, приблизительно равной собственной частоте крутильных колебаний указанной цепи компонентов. Затем муфту 125 расцепляют. При этом редуктор 119, реверсивная электрическая машина 128 (если она имеется) и компрессор 103 находятся в режиме бездействия.
На этапе 163 скорость турбины увеличивают с выходом за пределы собственных частот крутильных колебаний указанной цепи компонентов и, наконец, на этапе 164 вводят в сцепление муфту 125, при этом компрессор 103 начинает работать.
Фиг.6 иллюстрирует способ запуска турбины в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения с использованием установки с двойным приводом, например, показанной на фиг.3. Первый этап процесса запуска (этап 165) включает запуск электрической машины 128 в режиме двигателя с приведением в действие поршневого компрессора 103. Когда муфта 125 поддерживается в расцепленном состоянии, паровая турбина 115 может начинать работать в режиме прогрева. Режим прогрева может начинаться до, во время или после запуска электрической машины 128 и компрессора 103. На блок-схеме, изображенной на фиг.6, показан иллюстративный вариант выполнения, в котором режим прогрева начинается (на этапе 166) после запуска вторичного привода. Однако это не является обязательным условием.
Затем скорость вращения паровой турбины можно постепенно увеличивать (на этапе 167) до тех пор, пока не будет достигнута номинальная скорость, при которой муфта 125 может быть введена в сцепление. Электрическая машина 128 (вторичный привод) может быть остановлена или переключена в режим генератора (на этапе 168).
Соответственно, компрессор 103 может быть запущен с обеспечением постепенного ускорения до достижения номинальной скорости, с исключением при этом работы компрессора 103 в ненагруженном состоянии в течение слишком длительного времени, т.е. в состоянии, которое может привести к механическим повреждениям. Паровая турбина 115 может работать в переходном режиме прогрева, при этом ее скорость можно увеличивать в оптимальной последовательности скоростей без влияния на работу компрессора 103. Только после достижения турбиной 115 номинальной скорости вращения она начинает приводить в действие компрессор 103.
На фиг.7 показана блок-схема, иллюстрирующая вариант выполнения другого способа работы установки 101 во время переходного режима. В частности, фиг.7 иллюстрирует процедуру отключения паровой турбины в установке с двойным приводом, показанной, например, на фиг.3. Способ отключения, показанный на фиг.7, предназначен для отключения паровой турбины 115 с поддержанием компрессора 113 в рабочем состоянии. При необходимости отключения паровой турбины 115 запускают (на этапе 171) с номинальной скоростью вращения вторичный привод, содержащий электрическую машину 128. Затем начинается отключение (на этапе 172) паровой турбины 115 и расцепление (на этапе 173) муфты 125. Затем следует (на этапе 174) медленное вращение или режим валопроворота паровой турбины 115 до тех пор, пока паровая турбина 115 не остановится окончательно (этап 175). Во время этапов 174 и 175 компрессор 103 продолжает работать, приводимый в действие вторичным приводом 128.
Несмотря на то что раскрытые в данном документе варианты выполнения объекта изобретения были проиллюстрированы на чертежах и полностью подробно описаны выше в отношении нескольких иллюстративных вариантов выполнения, тем не менее, специалистам в данной области техники следует понимать, что возможно внесение множества модификаций, изменений и изъятий без существенного отклонения от новаторских основных идей, принципов и концепций, изложенных в данном документе, и преимуществ объекта изобретения, указанных в прилагаемой формуле изобретения. Соответственно, надлежащий объем правовой охраны раскрытых нововведений должен определяться только самым широким толкованием прилагаемой формулы изобретения для охвата всех подобных модификаций, изменений и изъятий. Кроме того, порядок или последовательность выполнения любого процесса или этапов способа могут быть изменены в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.