СПОСОБ И СИСТЕМА ЗАПУСКА И РАБОТЫ ПРИВОДИМОЙ В ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НАГРУЗКИ
METHOD AND SYSTEM OF START AND OPERATION OF ELECTRICALLY DRIVEN LOAD

Область изобретения
В целом, настоящее изобретение относится к мощным электрическим приводам с нерегулируемой скоростью, прежде всего, к приводам с мощностью от 10 МВт и более. При использовании в подводных условиях изобретение может быть использовано в приводах любой мощности (а также в оборудовании с уменьшенным потреблением энергии, например, питающемся от маломощной системы энергоснабжения). Настоящее изобретение применимо, в частности, для мощных и сверхмощных приводов газовых компрессоров и для приводов насосов, но может быть использовано для работы других типов сверхмощного оборудования различного назначения. Оно особенно подходит для рабочего оборудования для переработки природного газа, например, при производстве сжиженного природного газа на заводах по сжижению природного газа, на которых компрессоры для сжижения природного газа приводятся в действие электрическим приводом.
Предпосылки к созданию и уровень техники
Имеющие отношение к нефтегазовой отрасли устройства часто включают в себя мощные приводы насосов и/или компрессоров, которые разработаны для использования в экономичных конструкциях, запуска и работы в различных условиях. Примером такого проекта может быть завод по сжижению природного газа.
Сжиженный природный газ (Liquefied Natural Gas) является продуктом охлаждения природного газа до температуры, при которой природный газ становится жидкостью. Природный газ может транспортироваться в больших объемах в сжиженном состоянии экономичным способом, в частности, в тех случаях, когда трубопроводы недоступны или слишком дороги, или требуется много времени для их прокладки. Обычно, танкеры для сжиженного природного газа перевозят большие объемы природного газа по морю от места его производства до места потребления или временного хранения.
В международной патентной заявке WO 97/33131 описана установка для производства сжиженного природного газа, в которой основные ступени охлаждения механически взаимосвязаны и скомпонованы для привода в действие от единой общей газовой турбины, при этом для запуска газовой турбины установлен вспомогательный двигатель. Недостатками механически взаимосвязанных приводящих и приводимых агрегатов установки являются, среди прочего, длинная кинематическая цепь вращающихся на общем валу машин, которая занимает много места и требует тщательной балансировки вала, а также то, что приводимые и приводящие агрегаты необходимо располагать близко друг к другу.
В настоящее время производство сжиженного природного газа часто основано на применении газовых или паровых турбин для обеспечения подачи электроэнергии на привод используемых при сжижении природного газа охлаждающих агрегатов. Например, в международной патентной заявке WO 2005/047789 А2 описана система привода для производства сжиженного природного газа, в которой холодильный компрессор приводится в действие газовой турбиной, соединенной с пусковым электродвигателем через общий приводной вал между газовой турбиной и компрессором.
Расположенные в относительной близости к компрессору приводы компрессоров на основе газовой турбины в качестве механического привода представляют собой источники опасности в связи с тем, что система для сжигания газа, обычно работающая при довольно высокой температуре, установлена на заводе по сжижению природного газа достаточно близко к холодильному компрессору. Кроме того, газовая турбина обычно вырабатывает некоторое количество отработанных газов, которые следует так или иначе принимать во внимание, чтобы свести к минимуму риски на заводе по переработке природного газа. Для всех, кто связан с проектированием или эксплуатацией заводов по сжижению природного газа на берегу, в море или где угодно, должно быть ясно, что расположенные поблизости газовые горелки и истечение горячих отработанных газов вблизи от опасной зоны не являются удачным решением, и, вероятно, наиболее привлекательным было бы другое решение, которое также может улучшить беспрерывность производства. Очевидным альтернативным предложением является частотно-управляемый электропривод, который также должен использоваться в различных сочетаниях с турбинными приводами. Завод, находящийся под управлением компании «Statoil» в городе Хаммерфест (Hammerfest) в Норвегии, представляет собой пример завода по сжижению природного газа, с использованием частотного регулирования.
В патентной публикации US 5,689,141 описывается система привода компрессора для завода по сжижению природного газа, имеющая поддерживающий преобразователем частоты пуск путем разгона газовой турбины до ram-скорости и воспламенения. В процессе обычной эксплуатации при постоянной скорости электрический двигатель работает в качестве генератора для преобразования вырабатываемой газовой турбиной избыточной механической мощности в электрическую энергию и передачи этой электрической энергии на основной источник электрической мощности на заводе. В этом случае газовая турбина и компрессор смонтированы на общем валу.
2
Преобразователь частоты представляет собой достаточно крупный элемент оборудования. Чтобы передать мощность порядка 50 МВт, преобразователь частоты мог бы заполнить четырех- или пятиэтажное здание площадью около 1000 м. Несмотря на размеры и стоимость таких преобразователей частоты, они зачастую рассматриваются в качестве необходимого оборудования при передаче электрической мощности между приводящими и приводимыми агрегатами, если передаваемая мощность находится в диапазоне порядка 10 МВт или более.
В патентной заявке US 6,640,586 В1 описана технологическая система для сжижения природного газа, использующая механические приводы и электрические двигатели в качестве приводов компрессора. Описываются различные сочетания компрессоров и электрических двигателей, используемые для различных типов охлаждающих веществ. В этой публикации содержатся краткие описания нескольких недостатков использования обычных газовых турбин на заводах по сжижению природного газа и описываются различные способы сочетания компрессоров и электродвигателей для привода в действие компрессоров на заводах по сжижению природного газа. Электродвигатели в этих технических решениях зачастую используются для запуска посредством различных способов и, по возможности, для содействия газовой турбине в процессе нормальной работы, а механически приводимая в действие кинематическая цепь иногда содержит также паровые турбины.
Принимая во внимание вышеописанный известный уровень техники и недостатки, отмеченные у ближайших аналогов, желательно разработать новые и изобретательские решения, которые смогут преодолеть один или несколько из вышеперечисленных недостатков, достигая оптимальную функциональность в системе привода компрессора для завода по сжижению природного газа или для других целей.
Цель изобретения
Главной целью настоящего изобретения является создание системы силового привода, например, для компрессора или насоса, в которой необходимость в дорогостоящем и крупногабаритном частотном преобразователе значительно уменьшена. Тем самым, будет уменьшена стоимость, вес и объем всей системы, что, в свою очередь, уменьшит сложность эксплуатации и проектирования завода.
Другой целью настоящего изобретения является создание системы привода для главной нагрузки, например для компрессора или насоса, которая может быть использована для перерабатывающего завода, прежде всего, для завода по сжижению природного газа, а также для уменьшения стоимости резервных агрегатов и запасных частей для резервных целей.
Следующей дополнительной целью настоящего изобретения является создание новой компоновки привода компрессора или насоса, прежде всего, для завода по переработке нефти и/или природного газа, в которой является нецелесообразным соединение газовой или паровой турбины с механическим валом компрессора или насоса для привода его в действие, например, в замкнутых пространствах, где предпочтительна лишь компоновка электрического привода.
Следующей дополнительной целью настоящего изобретения является создание новой компоновки привода, предназначенной для применений, в которых она может обеспечить связь на удалении, что зачастую препятствует использованию способов плавного пуска или прямого старта, характерного для работы привода с нерегулируемой скоростью. Типичными примерами могут быть удаленные расположения привода, которые могут быть совершенно недоступны, прежде всего, если они находятся в подводном положении.
Следующей дополнительной целью настоящего изобретения является создание новой компоновки привода, предназначенной для изменяемого соотнесения генератора с электродвигателем, для обеспечения возможности пуска и работы различных сочетаний электродвигателей и генераторов совершенно независимо друг от друга и на сосуществующих электроэнергетических системах. Кроме того, цель изобретения состоит в обеспечении работы сосуществующих энергосистем, частично независимых друг от друга, то есть в изолированном режиме, с совершенно свободно выбираемой частотой в каждой энергосистеме, которая работает в изолированном режиме. Для этого, использование различных принципов преобразования электрической энергии могло бы сделать возможным обмен электрической энергии для улучшения диапазона выработки электроэнергии в каждой из энергосистем, работающих в изолированном режиме.
Краткое изложение существа изобретения
В первом аспекте изобретения предлагается способ пуска и работы электрически приводимой в действие нагрузки, например компрессора (1) или насоса, путем подвода энергии от механического привода, например турбины или двигателя внутреннего сгорания, посредством чего нагрузка механически подсоединятся к первой электрической машине, а названный механический привод механически присоединен ко второй электрической машине, отличающийся тем, что
1) электрическое соединение первой электрической машины ко второй электрической машине осуществляется в неподвижном состоянии или когда первая и вторая машины имеют низкую скорость вращения;
2) в фазе разгона ускорение первой электрической машины осуществляется ускорением второй электрической машины с механическим приводом;
3) если первая электрическая машина достигла предварительно заданной скорости вращения, осуществляется синхронизация ее с локальной сетью электроснабжения и подключение ее к этой сети. Благодаря этому способу становятся возможными запуск и привод в действие первой электрической машины в любое время вне зависимости от наличия частотного преобразователя между генератором и электродвигателем.
Во втором аспекте изобретения предлагается способ запуска и работы электрически приводимой в действие нагрузки, например компрессора (1) или насоса, которая приводится в действие первой электрической машиной путем подачи энергии от механического привода, такого как турбина или двигатель внутреннего сгорания, или от частотного преобразователя, получающего энергию от внешней сети энергоснабжения, или от местного источника, такого как механический привод,
отличающийся тем, что
1) в фазе ускорения разгон первой электрической машины, такой как электродвигатель, для названной нагрузки осуществляется от нулевой, близкой к нулевой, или малой скорости посредством либо
a) разгона второй электрической машины, соединенной с механическим приводом, при этом вторая электрическая машина электрически подключена к первой электрической машине и функционирует в качестве электрогенератора, либо
b) подачи электроэнергии к первой электрической машине от частотного преобразователя,
2) осуществляется синхронизация первой электрической машины с местной сетью энергоснабжения, после чего
3) после завершения фазы ускорения работа первой электрической машины осуществляется путем подачи к ней электроэнергии от местной сети энергоснабжения, при этом сеть снабжается энергией от
a) внешней сети энергоснабжения, или
b) по меньшей мере одного механического привода, соединенного с по меньшей мере одной второй электрической машиной, высвобождая, тем самым, частотный преобразователь для других задач.
Предпочтительно частотный преобразователь, если он используется, отсоединяется, когда подсоединена вторая электрическая машина, или после этого. Тем самым, частотный преобразователь высвобождается для использования при пуске другой пары «генератор - электродвигатель» или для иных целей.
В предпочтительном варианте осуществления способа согласно первому или второму аспектам настоящего изобретения ускорение второй электрической машины обеспечивается запуском паровой турбины при нулевой или близкой к нулевой скорости вращения. Паровая турбина механически соединена с названной второй электрической машиной. Благодаря этому, использование частотного преобразователя для запуска становится излишним.
В другом предпочтительном варианте осуществления способа согласно первому или второму аспектам настоящего изобретения ускорение второй электрической машины обеспечивается ускорением газовой турбины от ее минимальной скорости вращения до номинальной скорости, в то время как она механически соединена со второй электрической машиной. Тем самым, также исключается потребность в частотном преобразователе для запуска.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления согласно второму аспекту настоящего изобретения частотный преобразователь используется после фазы разгона для согласования электроэнергии от внешней сети энергоснабжения с характеристиками местной сети электроснабжения или для согласования электроэнергии от местной сети электроснабжения с характеристиками внешней сети энергоснабжения, создавая тем самым возможность приема электроэнергии из местной сети энергоснабжения и/или отправки электроэнергии в местную сеть энергоснабжения.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предлагается система запуска и работы по меньшей мере одной механической нагрузки, при этом нагрузка подключена к по меньшей мере одной первой электрической машине и приводится от нее в действие, отличающаяся тем, что подача электроэнергии к первой электрической машине обеспечена механическим приводом, который механически подключен ко второй электрической машине, функционирующей в качестве генератора, при этом вторая электрическая машина предназначена быть однозначно подключенной к первой электрической машине или к нескольким первым электрическим машинам, посредством чего система приспособлена разгонять первую электрическую машину (машины) путем регулируемой подачи энергии от второй электрической машины к первой электрической машине.
В предпочтительном варианте осуществления согласно третьему аспекту настоящего изобретения нагрузка в процессе нормальной работы приспособлена для работы при постоянной скорости или при скорости, синхронизированной со скоростью генератора. Тем самым устраняется потребность в частотном преобразователе, включаемом между генератором и нагрузкой.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предлагается система запуска и работы для осуществления запуска и работы по меньшей мере одной механической нагрузки, такой как компрессор или насос, при этом нагрузка подключена к по меньшей мере одной первой электрической машине и приводится от нее в действие, отличающаяся тем, что система содержит:
- механический привод, подключенный ко второй электрической машине, при этом вторая электрическая машина приспособлена быть однозначно электрически подключенной к одной или нескольким первым электрическим машинам, работая тем самым в качестве генератора в течение фазы ускорения или последующей рабочей фазы,
- частотный преобразователь, такой как привод с частотным регулированием, приспособленный быть однозначно подключенным к одной или нескольким первым электрическим машинам, разгоняя тем самым первую электрическую машину в фазе ускорения или обеспечивая работу первой электрической машины в рабочей фазе, посредством чего
- частотный преобразователь приспособлен для снабжения электроэнергией либо от внешней сети энергоснабжения, либо от местной сети энергоснабжения.
В предпочтительном варианте осуществления согласно третьему или четвертому аспектам настоящего изобретения система содержит линию электроснабжения с по меньшей мере двойной системой шин для обеспечения параллельного использования другого электрического оборудования независимо от действий второй электрической машины для запуска первой электрической машины.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления системы согласно настоящему изобретению вторая электрическая машина приводится в действие турбинным агрегатом или двигателем внутреннего сгорания и т.п.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления системы согласно настоящему изобретению турбина включает в себя собой газовую турбину и/или паровую турбину.
В другом предпочтительном варианте осуществления системы согласно настоящему изобретению первая электрическая машина включает в себя синхронную электрическую машину и/или электрический асинхронный двигатель.
В следующем предпочтительном варианте осуществления системы согласно четвертому аспекту настоящего изобретения частотный преобразователь приспособлен для приведения в соответствие электроэнергии из местной сети с характеристиками внешней сети энергоснабжения, создавая тем самым возможность выведения электроэнергии из местной сети во внешнюю сеть энергоснабжения.
Отметив теперь наиболее важные аспекты изобретения, далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет известное из уровня техники решение для привода в действие холодильного компрессора для сжижения природного газа, типовое для специализированных частотных преобразователей.
Фиг.2 представляет цепь привода компрессора для сжижения природного газа согласно существу изобретения для осуществления способов в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 представляет более подробно схему первого примера осуществления цепи привода в действие компрессора для сжижения природного газа в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 представляет более подробно схему второго примера осуществления цепи привода в действие компрессора для сжижения природного газа в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 представляет более подробную схему для совместно используемых силовых систем, которые могут работать на различных частотах.
Фиг.1 приводится для описания обычного уровня техники в качестве введения к описанию изобретения. На фиг.1 показан общий цикл выработки энергии (выработки пара и электроэнергии на парогенераторной установке), в котором электропривод с переменной скоростью вращения регулирует скорость электродвигателя. Холодильный компрессор 1 приводится в действие электродвигателем 2, который механически связан с приводным валом 10 компрессора 1. Чтобы регулировать скорость электродвигателя 2, известна методика введения привода с регулируемой скоростью (называемого также приводом с частотным регулированием) 3 между электрогенератором 4, 5 и электродвигателем 2. Привод с частотным регулированием действует путем преобразования входного сигнала переменного тока в постоянный ток и последующего генерирования переменного тока с иной частотой. Частота выходного электрического сигнала в приводе с частотным регулированием управляет скоростью электродвигателя, и привод с частотным регулированием обеспечивает частотное управление и, таким образом, регулирование частоты вращения. Благодаря приводу с регулируемой скоростью / с частотным регулированием турбина 7 и генератор 5 могут работать при относительно постоянной скорости, тогда как электродвигатель 2 и компрессор 1 могут менять скорость по мере необходимости. Эти принципы часто используются для широкого диапазона компрессорных приводов.
Для сжижения природного газа как части завода по переработке газа требуется несколько десятков мегаватт электроэнергии для привода в действие компрессора достаточной мощности, поэтому компоненты, например приводы с частотным регулированием, являются обычно крупными агрегатами, имеющими значительные затраты на их проектирование, монтаж и обслуживание.
На фиг.2 показано, как такой привод компрессора для сжижения природного газа согласно настоящему изобретению может иметь упрощенный вид, предусматривающий запуск компрессоров определенным способом, и при этом компрессор при нормальной работе установлен для его привода в действие со скоростью, которая синхронизирована со скоростью турбины. Соответствующие способы для работы представленной на фиг.2 системы будут пояснены далее, при этом отдельные детали будут объяснены в отношении процедур запуска компрессора.
На фиг.2 показано, как холодильный компрессор 1 приводится в действие электродвигателем 2. На электродвигатель 2 подается электрическое питание через сеть 40 передачи электрической энергии с помощью электрогенератора 4 и/или электрогенератора 5. Питание передается напрямую, без использования привода с регулируемой скоростью или привода с частотным регулированием. Электрогенераторы 4, 5 могут приводиться в действие паровой турбиной 6 и газовой турбиной 7, соответственно.
На фиг.3 показан более подробно пример осуществления изобретения, как существо изобретения, показанного на фиг.2, может быть реализовано в более сложной системе. Как и на фиг.2, холодильный компрессор 1А, 1В приводится в действие электродвигателем 2А, 2В, при этом электродвигатель механически связан с приводным валом 10А, 10В компрессора. Электродвигатель может быть подключен, например, через обычное коммутационное устройство или через распределительный щит, состоящее из двух секционных выключателей и выключателя питания (типовой для компоновок распределительных устройств с газовой изоляцией) 50А, 50В, к сети 40 передачи электрической энергии, которая в данном примере состоит из двух электрических шин 40а, 40b. Питание электродвигателя 2А, 2В в представленном на фиг.3 примере осуществляется от электрогенератора 4, который приводится в действие от паровой турбины 6. Электрогенератор 4 подключен к сети 40 передачи электрической энергии через второе коммутационное устройство 50В, которое может быть таким же, что и коммутационное устройство 50А.
Предпочтительно сеть 40 передачи электрической энергии содержит сеть с двойной системой электрических шин, чтобы сделать возможным параллельное использование другого электрического оборудования вне зависимости от работы электрогенератора 4 для запуска электродвигателя 2А, 2В, который приводит в действие компрессор 1А, 1В. Это означает, что электрогенераторы 4, 5а, 5b могут быть подключены к электродвигателям 2а, 2b через любую из электрических шин 40а, 40b.
Сеть 40 может быть подключена к другой сети через межшинные соединения 60.
Помимо паровой турбины 6 и электрогенератора 4 система содержит также газовые турбины 7А, 7В и взаимосвязанные с ними электрогенераторы 5А, 5В. Они также могут использоваться для привода электродвигателей 2А, 2В или совместно с паровой турбиной 6 подавать питание на электродвигатели 2А, 2В.
На фиг.4 показан второй подробный пример осуществления привода для сжижения природного газа согласно настоящему изобретению. Представленная на фиг.4 система в своей основе подобна системе на фиг.3. Однако она содержит блок 80 частотного преобразователя. Он может быть приспособлен для вращения привода компрессора на основе обычного частотного преобразователя. В этом случае блок 80 частотного преобразователя, который представляет собой интерфейс вставок постоянного тока, присоединяет первую силовую сеть 40В, к которой подключены механически связанные с газовыми турбинами 6А и 6В электрогенераторы 4А и 4В, ко второй силовой сети 40А, к которой подключены электродвигатель 2В и электрогенератор 5А. Электродвигатель 2В механически связан с компрессором 1В, а электрогенератор 5А механически связан с паровой турбиной 7А.
Через частотный преобразователь 80 электроэнергия с переменной частотой может быть подана на электродвигатель 2В при его запуске, например, от газового компрессора 6А и электрогенератора 4А. После того как запуск пошел, электродвигатель 2В может работать при постоянной частоте тока, например в 60 Гц, подаваемого от электрогенератора 4а.
После такой последовательности запуска синхронизированная обходная система, включая в себя межшинное соединение 60 или 70, может заменить блок 80 частотного преобразователя, то есть система частотного преобразователя отключается, тогда как межшинное соединение 60 или 70 объединяет первую и вторую силовые сети 40А, 40В. Поэтому становится возможным перевести электродвигатель 2В, как только он запущен, на местную сеть с фиксированной частотой и уровнями напряжения. Блок 80 частотного преобразователя теперь свободен и может быть использован для запуска другого электродвигателя.
В качестве примера, повторное использование мощного частотного преобразователя для синхронизации скорости вращения следует использовать в качестве одного конца в соединении линии постоянного тока высокого напряжения (HVDC-Light), например, производства компании ABB, или в соединении линии постоянного тока высокого напряжения (HVDC-Plus), например, производства компании Siemens AG, или подобной системной компоновки, обычно предназначенной для местных приводов или в качестве альтернативы линиям электропередачи для межсистемной связи, используемой для шунтирования региональных различий или подсоединения к некоторым другим отдаленным местностям, в которых существует рынок электроэнергии.
Соединение линии постоянного тока высокого напряжения может быть включено, например, в принципы экономии/резервирования при выработке электроэнергии, если существуют возможности как для отправки, так и для ее получения в отдаленном месте, то есть становится возможным снижать затраты путем уменьшения количества приводов газовых турбин. Запуск электроснабжения может быть выполнен от местного или удаленного соединения в дополнение или вместо выработки указанными электрогенераторами.
После того как описаны некоторые варианты осуществления привода компрессора для сжижения природного газа согласно настоящему изобретению, далее будут подробно рассмотрены некоторые способы запуска электродвигателя 2.
Первый способ запуска
Запуск крупного или особо крупного компрессорного привода с помощью электрической схемы изменения частоты и напряжения, в частности, с использованием электрогенератора, приводимого в действие паровой турбиной (см. фиг.3).
1. Приводимый в действие от паровой турбины электрогенератор 4 неподвижен (паровая турбина обычно должна быть прогрета перед подключением к ней какой-либо существенной нагрузки) и предназначен для запуска приводимого в действие конкретным электродвигателем 2А компрессора 1А. Предпочтительно электрогенератор и электродвигатель соединены в «автономном режиме», то есть эти два агрегата соединены так, чтобы на них не оказывали влияния другие системы, например, путем использования только одной электрической шины 40а, 40b из двойной системы электрических шин, как показано на фиг.3.
2. Затем электрогенератор 4 и электродвигатель 2А электрически переводятся в режим бездействия, и их система возбуждения активируется подачей питания от другого источника.
3. Затем вся линия, включающая турбину 6, электрогенератор 4, электродвигатель 2А и компрессор 1А, одновременно запускается. Если валоповоротные устройства газовой турбины 6 работают в то время, когда электрогенератор 4 и электродвигатель 2А переходят в возбужденное состояние, тогда компрессор 1А будет пытаться следовать за ними.
4. Теперь запущен поток пара, и приводимый в движение паровой турбиной электрогенератор 4 будет создавать электрическую мощность, подобную частотному преобразователю, и вся электрически взаимосвязанная кинематическая цепь 4, 2А, через сеть 40 передачи электрической энергии (как показано, через электрическую шину 40а) будет плавно запускаться и разгонять две синхронные машины 4, 2А.
5. Когда две синхронные машины 4, 2А, работающие как электрогенератор 4 и электродвигатель 2А, достигают заданной скорости, вся кинематическая цепь 2А, 4 может быть синхронизирована через сеть 40 передачи электрической энергии с остальной электрический сетью (через межшинные соединения 60, 65).
Описанный выше способ может также быть использован, чтобы создать возможность для псевдоодновременного пуска нескольких электрически взаимосвязанных синхронных машин, то есть как электродвигателей, так и электрогенераторов. Вероятно, этот способ хорошо подходит для производства сжиженного природного газа из удаленных и изолированных газовых месторождений, а также небольших месторождений нефти и/или газа, не имеющих доступа к трубопроводам. В этом способе запуска двухвальная или многовальная газовая турбина могла бы заменить паровую турбину.
Второй способ запуска
Запуск крупного или особо крупного компрессорного привода с помощью электрической схемы изменяемой частоты и напряжения с использованием приводимого в действие паровой турбиной электрогенератора (см. фиг.3).
1. В исходном положении приводимый в действие от газовой турбины 7А электрогенератор 5А замедляет скорость вращения до обычно 60% или до минимальной скорости, развозбуждается и предназначается для запуска приводимого в действие конкретным электродвигателем 2А компрессора 1А.
2. Электрогенератор 5А и электродвигатель 2А затем электрически объединяются в невозбужденный режим, и затем активируется система возбуждения электрогенератора для плавного запуска невозбужденной синхронной машины в качестве асинхронного электродвигателя обычно при 60% рабочей частоты. Демпфирующая обмотка синхронной машины не должна быть перегружена в асинхронном режиме или при работе асинхронной машины, так как необходимый для разгона компрессора до приблизительно 60% скорости момент довольно ограничен.
3. Когда «асинхронный двигатель» приближается к синхронной скорости, он возбуждается и входит в синхронный режим работы совместно с приданым электрогенератором.
4. Когда работающие в качестве электрогенератора синхронные машины и электродвигатель достигают установленной скорости, тогда вся последовательность может быть синхронизирована с остальной системой электроснабжения.
Этот второй способ запуска рассматривается как достаточно надежный способ запуска и рассматривается также для обеспечения одновременного запуска нескольких электрически соединенных между собой синхронных машин, даже если применяются блоки трансформаторов. Таким образом, этот способ обеспечивает гибкость в выборе дополнительного оборудования.
Третий способ запуска
Запуск с регулируемой частотой с использованием синхронизирующего шунтирования при номинальной скорости (см. фиг.4).
1. Синхронизирующая обходная цепь 60, 70 для синхронизации скорости разомкнута, и между электродвигателем 2В и одним или более электрогенераторами 4А, 4В подключается блок 80 частотного преобразователя. Электрогенераторы 4А, 4В подают питание для разгона электродвигателя 2В из, по возможности, бездействующего состояния.
2. Когда компрессор 1В достигает номинальной скорости, блок 80 частотного преобразователя отключается, а синхронизирующая обходная цепь 60, 70 подключается к незагруженному частотному преобразователю и позволяет электродвигателю быть приводимым в действие от местной силовой цепи 40а, 40b. Когда этот процесс завершается, схема «переменный ток - постоянный ток - постоянный ток - переменный ток» или блок 80 частотного преобразователя высвобождаются для использования для запуска другого электродвигателя, например электродвигателя 2А, или для других целей.
Этот третий способ запуска может быть достаточно удобным для устройств, в которых возможно использовать блок частотного преобразователя для более чем одного назначения. Если это устройство является применимым для соединения с другой системой энергоснабжения через интерфейс вставок постоянного тока, следует обратить внимание на то, что при описанной компоновке будет возможно запускать привод компрессора с постоянной скоростью независимо от других удаленных концов вставок постоянного тока, см. фиг.4. С помощью этого способа запуска электрогенераторы и электродвигатели могут быть запущены обычным способом, но без необходимости в специальном частотном преобразователе для каждого электродвигателя. Следовательно, количество частотных преобразователей может быть уменьшено всего лишь до одного.
Три вышеописанных способа предназначены, прежде всего, для электроприводов компрессоров без газовой или паровой турбины в механической кинематической цепи для приведения их в действие. Однако операция синхронизации скорости пригодна не только для компрессора. Главный принцип может быть с одинаковым успехом применен для запуска любого другого оборудования. Если на приведенных фигурах и в описании заменить холодильный компрессор (компрессоры) 1 на другое оборудование, такое, например, как газовый компрессор, насос или газовая турбина, которому необходим мощный электродвигатель для запуска, то привод с нерегулируемой скоростью и связанный с ним способ запуска раскрыты выше. Следует обратить внимание на то, что синхронный электродвигатель в вышеописанных способах запуска может быть заменен асинхронным электродвигателем, если существующий диапазон мощностей является подходящим.
В примере, привод одновальной промышленной газовой турбины, включающий в кинематической цепи соответствующую электрическую машину, может быть разогнан от нулевой скорости до ram-скорости для газовой турбины на тех же принципах, что описаны для приводимых выше концепций электрически нерегулируемой скорости.
Со ссылкой на фиг.5 будет описана система, которая является подобной, однако несколько более сложной, чем представленная на фиг.4 система.
В этом устройстве имеются четыре электрические шины 40а, 40b, 40 с, 40d, к которым может быть подключено множество электрогенераторов 4а-е, 5а-b и электродвигателей 2a-f. Каждый из электрогенераторов и электродвигателей может быть подключен к по меньшей мере двум из электрических шин 40a-d, a четыре электрических шины 40a-d могут быть подключены к любой другой электрической шине 40a-d через межшинные соединения 60а-b и 70а-b. Электрические шины могут быть также подключены к местной сети 90 энергоснабжения для подачи электроэнергии другим потребителям, помимо электродвигателей 2a-f, или для использования излишков электроэнергии, произведенной в местной сети 90 энергоснабжения. Для обмена электрической энергией переменного тока электрические шины 40a-d могут также быть подключены к сети 100 внешнего энергоснабжения, которая может быть национальной или региональной энергетической системой.
Если электрические шины 40a-d не взаимосвязаны между собой, они могут действовать на различных частотах, например, как показано, электрические шины 40а и 40с могут работать при частоте 56 Гц, а электрические шины 40b и 40d - при частоте 61 Гц. В случае работы электрических шин с одинаковой частотой, они могут быть соединены между собой. Такая приспособляемость создает возможность для адаптации компрессоров к различной производительности. Поэтому поставка, например, сжиженного природного газа может быть адаптирована к внешним потребностям без необходимости изменения скорости компрессоров.
Если передача электроэнергии осуществляется между любой из электрических шин 40a-d и местной сетью 90, осуществление этого становится возможным через вставку 91 постоянного тока, так что частота электрической шины 40a-d и местной электрической сети могут быть различны.
Кроме того, существует возможность подачи электроэнергии на частотный преобразователь 80 для запуска комбинации электрогенератора и электродвигателя от местной сети 90, как показано, с помощью звена 92.
Возможна также система с количеством электрических шин более четырех.
Во всех приведенных выше примерах приводящий агрегат (турбина) и приводимый агрегат (компрессор) могут быть заменены агрегатами других типов, например дизельным двигателем в качестве приводящего агрегата и насосом в качестве приводимого агрегата, без отступления от сущности настоящего изобретения.
Не повторяя подробное описание для всех возможных применений, приведенное выше описание должно быть достаточным для любого специалиста, чтобы использовать сходную технику привода с нерегулируемой скоростью и соответствующий способ для любого другого применения, помимо предложенных компрессора или газовой турбины, при условии отсутствия внутренних особенностей этого применения, которые препятствовали бы такой компоновке системы. Вышеописанные компоновка системы и способ могут с тем же успехом быть использованы в приводах вращающегося оборудования всех типов, которое может монтироваться на валу, и обычно являются приводимыми в действие приводами, такими как, например, электрические машины и газовые турбины.
В том случае если турбины или генераторы, соответственно, вырабатывают больше энергии, чем это необходимо для первой электрической машины (машин), можно использовать частотный преобразователь 80 для выработки постоянного тока, пригодного для передачи в другие системы или сети. Также, частотный преобразователь 80 можно использовать для выработки электроэнергии, адаптированной к внешней электрической сети переменного тока, такой как внешняя сеть 100.
В целом было описано, как приводы компрессора применимы для электрически приводимой в действие работы с нерегулируемой скоростью, со ссылкой на завод по сжижению природного газа в качестве типичного примера. Благодаря устранению специального привода с регулируемой скоростью из электрического привода сжижающего газ компрессора или специальной паровой и/или газовой турбины из механического привода компрессора ожидается получение существенных преимуществ в стоимости, весе, пространстве.
Подобная цепочка аргументации могла бы наиболее полно использоваться для привода магистрального подпорного компрессора и других крупных приводов, подходящих для работы с нерегулируемой скоростью, с целью улучшения бесперебойности и сокращения затрат на техническое обслуживание, строительство и т.д.
Три описанные принципа синхронизации скорости соответствуют определенному переходному режиму и режиму бездействия завода по сжижению природного газа, включая запуск, и, кроме того, принципы нерегулируемой скорости являются более надежными по сравнению с неустановившимися изменениями или падениями напряжения, чем сопоставимые регулируемые приводы с частотным преобразователем.
Следует также обратить особое внимание на то, что конструкция электрической системы, которая допускает запуск и работу крупных и/или удаленных приводов с нерегулируемой скоростью, основанная на представленных для настоящего изобретения принципах, предполагает приспособляемость, которая может дать возможность работы электрических приводов с нерегулируемой скоростью в сети электроснабжения с переменной сетевой частотой независимо от распределения электроэнергии с фиксированной частотой к нуждающимся потребителям и возможных соединений с местной, региональной или национальной энергосистемой.