BR112015009904B1

BR112015009904B1 - sistema de acionamento para acionar uma carga, método de início de um sistema e método de operação de um sistema de turbina a gás

Info

Publication number: BR112015009904B1
Application number: BR112015009904-1A
Authority: BR
Inventors: Marco Scarponi; Annunzio Lazzari; Antonio Pelagotti; Claudio Antonini; Damiano Agostini; Graziano Dell'Anna; Giuliano Milani; Lorenzo Naldi; Mirko Libraschi; Paolo Battagli; Paolo Bianchi
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2021-05-25
Also published as: RU2015116482A; AU2013343548A1; US20150285089A1; EP2917504B1; ITFI20120245A1; KR20150079976A; CA2890292C; JP2015535046A; CA2890292A1; JP6334547B2; WO2014072433A1; BR112015009904A2; EP2917504A1; CN104956036B; CN104956036A; RU2674107C2; KR102134321B1; AU2013343548B2; US10174630B2

Abstract

“SISTEMA DE ACIONAMENTO PARA ACIONAR UMA CARGA, MÉTODO DE INÍCIO DE UM SISTEMA E MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE TURBINA A GÁS”A presente invenção diz respeito a aprimoramentos para sistemas de turbina a gás usadas em aplicações de acionamento mecânico. Em particular, porém não exclusivamente, a invenção diz respeito a sistemas de turbina a gás para acionar compressores, por exemplo, compressores para fluidos refrigerantes em instalações de gás natural liquefeito. O sistema de acionamento para acionar uma carga (103), em que a carga (103) compreende pelo menos um compressor, compreende: uma turbina a gás (101) configurada e disposta para acionar a carga (103), sendo que a turbina a gás (101) tem uma extremidade aquecida (101H) e uma extremidade resfriada (101C); um acoplamento de carga (105) que conecta a turbina a gás (101) ao pelo menos um compressor da carga (103), disposto em um dentre a extremidade aquecida (101H) e a extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101); um motor/gerador elétrico (111) disposto na outra dentre a extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101), sendo que o motor/gerador elétrico (111) é eletricamente conectado a uma rede de potência elétrica (G) e mecanicamente conectado ao acoplamento de carga (105); e em que o motor/gerador elétrico (111) é adaptado para funcionar como um gerador para converter potência mecânica em excesso da turbina a gás (101) em potência elétrica, e entregar a potência elétrica à rede de potência elétrica (G), e como um motor para suplementar a potência de acionamento à carga (103).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção diz respeito a aprimoramentos para sistemas de turbina a gás usadas em aplicações de acionamento mecânico. Em particular, porém não exclusivamente, a invenção diz respeito a sistemas de turbina a gás para acionar compressores, por exemplo, compressores para fluidos refrigerantes em instalações de gás natural liquefeito.

[002] A invenção também diz respeito a aprimoramentos em métodos para operar um sistema que compreende uma turbina a gás e uma carga, por exemplo, um compressor para LNG, ou aplicações de petróleo e gás.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] O gás Natural Liquefeito (LNG) resulta de um processo de liquefação, no qual o gás natural é resfriado com o uso de um ou mais ciclos de refrigeração em uma disposição em cascata, até que o mesmo se torne líquido. Gás natural é frequentemente liquefeito para fins de armazenamento ou transporte, por exemplo, se transporte de oleoduto não for possível ou economicamente viável.

[004] O resfriamento do gás natural é realizado com o uso de ciclos de refrigeração fechado ou aberto. Um agente refrigerante é processado em um compressor ou compressores, condensado e expandido. O agente refrigerante refrigerado expandido é usado para remover calor do gás natural que flui em um permutador de calor.

[005] Compressores de agente refrigerante em LNG, aplicações de oleoduto ou outras aplicações na indústria de óleo e gás são frequentemente acionados por turbinas a gás. A disponibilidade de potência de turbina a gás (isto é, a potência disponível no eixo de potência de turbina) depende de condições ambientes, por exemplo, temperatura do ar, e outros fatores, tais como envelhecimento. A disponibilidade de potência de turbina aumenta com temperaturas decrescentes e, em contrapartida, diminui com temperaturas crescentes. Isso causa flutuações de disponibilidade de potência tanto nas 24 horas como durante o ano, devido a flutuações de temperatura diárias e sazonais.

[006] Foi sugerido fornecer um motor elétrico em combinação com uma turbina a gás para acionar uma carga, compreendida de, por exemplo, um ou mais compressores. O motor elétrico é operado para suplementar a potência mecânica ao compressor ou compressores para manter a potência mecânica geral no eixo compressor constante, quando a disponibilidade de potência da turbina diminui e/ou para aumentar a potência mecânica total usada para acionar a carga. Essa função do motor elétrico é denominada como trabalho auxiliar. O mesmo motor elétrico é geralmente usado também como um motor de arranque, para acelerar a coluna formada pela turbina a gás e o compressor ou compressores de zero à velocidade nominal.

[007] Quando uma potência mecânica em excesso é gerada pela turbina, por exemplo, se a temperatura ambiente cair abaixo da temperatura projetada e consequente aumento de disponibilidade de potência da turbina, a potência mecânica excessiva gerada pela turbina a gás é convertida em energia elétrica, com o uso do motor auxiliar elétrico como um gerador.

[008] A Figura 1 ilustra uma disposição de turbina a gás e compressor com uma máquina auxiliar/motor de arranque/gerador, tipicamente usada em uma instalação de LNG. A turbina a gás 1 é conectada por meio de uma linha de eixo comum 3 a um motor/gerador elétrico 5. A linha de eixo pode ser compreendida de uma pluralidade de porções de eixo 3A, 3B, 3C, 3D. O numeral de referência 4 designa um acoplamento rígido disposto entre a turbina a gás e o motor/gerador elétrico 5. Um acoplamento flexível adicional 6 é disposto entre o motor/gerador elétrico 5 e uma carga 7, por exemplo, um compressor. O motor/gerador elétrico 5 tem uma capacidade drive-through, isto é, é projetada para permitir que a potência mecânica gerada pela turbina a gás 1 seja transmitida através do motor/gerador 5 ao compressor 7. A capacidade drive-through precisa ser igual ou maior do que a potência de liberação de turbina a gás. O motor/gerador elétrico 5 é conectado a uma rede de potência elétrica G através de um conversor de frequência 11.

[009] O motor/gerador elétrico 5 é usado como um motor de arranque para acelerar a turbina a gás 1 da velocidade zero à velocidade total. Visto que o motor/gerador elétrico 5 está localizado na linha de eixo comum 3, ao realizar a função de motor de arranque, o motor/gerador 5 também acelera a coluna de compressão inteira, ou seja, o compressor ou compressores 7. Isso exige que o motor/gerador elétrico 5 seja suficientemente forte para acelerar a massa de todas as máquinas rotacionais conectadas à linha de eixo comum 3, e também superar a carga aerodinâmica do compressor ou compressores 7, visto que, durante o disparo, o fluido de trabalho presente no compressor ou compressores 7 começa a fluir e a pressão da mesma aumenta.

[010] Em outras instalações conhecidas de liquefação de gás natural, o motor/gerador elétrico é conectado em uma extremidade do compressor ou compressores e a turbina a gás é disposta na extremidade oposta dos compressores. O compressor ou compressores é, desse modo, localizado entre a turbina a gás e o auxiliar/gerador elétrico. Quando o compressor é um compressor verticalmente dividido, o motor/gerador elétrico precisa ser removido se o compressor exigir manutenção. Ademais, nessas configurações conhecidas, um motor de arranque dedicado para a turbina a gás é fornecido no lado de extremidade resfriada da turbina a gás.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[011] Em uma realização da presente invenção, é fornecido um sistema de acionamento para acionar uma carga, que compreende uma turbina a gás configurada e disposta para acionar a carga e que tem uma extremidade aquecida e uma extremidade resfriada. A turbina a gás é dotada de um acoplamento de carga para conexão da dita turbina a gás à carga, disposta em uma dentre as ditas extremidade aquecida e extremidade resfriada da turbina a gás. Um motor/gerador elétrico é adicionalmente fornecido, disposto na extremidade oposta da turbina a gás. Em algumas realizações, o motor/gerador elétrico é conectado à extremidade resfriada da turbina a gás e a carga é conectada à extremidade aquecida da turbina a gás. Colocar o motor/gerador elétrico na extremidade resfriada da turbina a gás torna o retroajuste de plantas existentes mais fácil, explorando a placa de base auxiliar existente. Espaço na placa de base para o motor/gerador elétrico pode ser obtida removendo-se o motor de arranque existente e conversor de torque e/ou outras instalações auxiliares. Em outras realizações, por exemplo, quando a turbina a gás é uma turbina a gás de múltiplos eixos, a carga pode ser conectada à extremidade resfriada da turbina a gás e o motor/gerador elétrico pode ser conectado à extremidade aquecida da turbina a gás. O posicionamento específico da carga e o motor/gerador elétrico em relação à extremidade aquecida e resfriada da turbina a gás também pode depender de restrições de projeto, visto que um projeto de eixo/flanges mais realizável é exigido no lado de carga. Em algumas configurações, os eixo/flanges de extremidade aquecida podem ser projetados para transmitir maiores taxas de potência do que o acoplamento de extremidade resfriada.

[012] Em algumas realizações a carga pode compreender um ou mais compressores, tais como compressor(es) de uma instalação de LNG.

[013] Em algumas realizações, o motor/gerador elétrico é eletricamente conectado a uma rede de potência elétrica. O motor/gerador elétrico é adaptado para funcionar como um gerador para converter potência mecânica em excesso da turbina a gás em potência elétrica e entregar a potência elétrica à rede de potência elétrica, e como um motor para suplementar potência de acionamento ao compressor quando a potência mecânica gerada pela turbina a gás é reduzida.

[014] Dispor o motor/gerador elétrico na extremidade de turbina oposta à carga tem diversas vantagens nas configurações do estado da técnica. Em particular, em relação a configurações em que o motor/gerador elétrico é disposto na extremidade da linha, além da carga, a configuração de acordo com a matéria revelada no presente documento resulta em acessibilidade aprimorada à carga. Em particular quando o compressor tem um invólucro dividido vertical, acesso ao compressor é facilitado, o que resulta em manutenção mais fácil. Um motor de arranque separado na extremidade resfriada da turbina a gás para execução solo de turbina a gás durante a fase de comissionamento pode ser dispensado. Em caso de curto circuito do motor/gerador, o estresse no compressor é mitigado.

[015] Em relação à configuração da Figura 1, a configuração inovadora revelada no presente documento resulta em uma máquina/gerador elétrico mais simples, menor e menos custoso, que não exige capacidade do tipo drive-through.

[016] Em algumas realizações atualmente preferenciais, a turbina a gás é uma turbina a gás de eixo único, em que o motor/gerador elétrico também opera como um motor de arranque para a coluna que compreende a turbina a gás e a carga.

[017] De acordo com um aspecto adicional, a invenção diz respeito a um método de início de um sistema que compreende uma turbina a gás e uma carga, sendo que o método compreende: fornecer uma turbina a gás com uma extremidade aquecida e uma extremidade resfriada; acoplar uma carga a uma dentre as ditas extremidade aquecida e extremidade resfriada; acoplar um motor/gerador elétrico à outra dentre as ditas extremidade aquecida e extremidade resfriada; comutar o motor/gerador elétrico em um modo de motor; alimentar eletricamente o motor/gerador elétrico e converter potência elétrica em potência mecânica no motor/gerador elétrico e usar a potência mecânica para dar partida na turbina a gás e a carga, sendo que a potência mecânica é transferida do motor/gerador elétrico à carga através da turbina a gás.

[018] De acordo com outro aspecto, a invenção se refere ao método de operação de um sistema de turbina a gás que compreende uma turbina a gás e uma carga acionada pela turbina a gás, sendo que o método compreende: fornecer uma turbina a gás com uma extremidade aquecida e uma extremidade resfriada; acoplar uma carga a uma dentre as ditas extremidade aquecida e extremidade resfriada; acoplar um motor/gerador elétrico à outra dentre as ditas extremidade aquecida e extremidade resfriada, e acoplar mecanicamente o motor/gerador elétrico à carga; gerar potência mecânica por meio da turbina a gás; alimentar a carga com a potência mecânica gerada pela turbina a gás.

[019] De acordo com algumas realizações, quando a potência mecânica gerada pela turbina a gás excede a potência mecânica exigida para acionar a carga, o método fornece as seguintes etapas: operar o motor/gerador elétrico em um modo de gerador; transferir a potência mecânica em excesso da turbina a gás ao motor/gerador elétrico; e converter a potência mecânica em excesso em potência elétrica no motor/gerador elétrico.

[020] De acordo com algumas realizações, quando a potência mecânica gerada pela turbina a gás é menor do que a potência exigida para acionar a carga, o método fornece as seguintes etapas: operar o motor/gerador elétrico em um modo de motor; alimentar eletricamente o motor/gerador elétrico; converter potência elétrica em potência mecânica suplementar no motor/gerador elétrico; transferir a potência mecânica suplementar do motor/gerador elétrico através da turbina a gás à carga; acionar a carga com potência combinada gerada pela turbina a gás e potência mecânica suplementar gerada pelo motor/gerador elétrico.

[021] Recursos e realizações são revelados no presente documento abaixo e são adicionalmente apresentados nas reivindicações anexas, que formam uma parte integral da presente descrição. A breve descrição acima apresenta recursos das várias realizações da presente invenção de modo que a descrição detalhada que segue pode ser mais bem entendida e de modo que as presentes contribuições à técnica possam ser mais bem verificadas. Há, evidentemente, outros recursos da invenção que serão descritos doravante e que serão apresentados nas reivindicações anexas. A esse respeito, antes de explicar diversas realizações da invenção em detalhes, entende-se que as várias realizações da invenção não são limitadas em sua aplicação aos detalhes da construção e às disposições dos componentes apresentados na descrição a seguir ou ilustrados nos desenhos. A invenção tem capacidade de outras realizações e de ser praticada e executada de várias formas. Além disso, deve-se entender que a fraseologia e terminologia empregada no presente documento são para o propósito de descrição e não devem ser associadas como limitantes.

[022] Sendo assim, aqueles técnicos no assunto verificarão que a concepção, mediante a qual a invenção se baseia, pode ser prontamente utilizada como uma base para designar outras estruturas, métodos, e/ou sistemas para executar os diversos propósitos da presente invenção. É importante, portanto, que as reivindicações sejam associadas como incluindo tais construções equivalentes desde que as mesmas não se afastem do escopo da presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[023] Uma verificação mais completa das realizações reveladas da invenção e muitas das vantagens adicionais das mesmas serão prontamente obtidas como as mesmas se tornam melhor entendidas a título de referência à descrição detalhada a seguir quando considerada em conexão com os desenhos anexos, em que:- A Figura 1 ilustra um diagrama esquemático de uma turbina a gás e compressor de acordo com a técnica atual;- As Figuras 2 a 6 ilustram diagramas esquemáticos de disposições de turbina a gás e compressores de acordo com duas realizações de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[024] A descrição detalhada a seguir das realizações exemplificadoras se refere aos desenhos anexos. Os mesmos numerais de referências em desenhos diferentes identificam os mesmos elementos ou elementos similares. Adicionalmente, os desenhos não são necessariamente desenhados em escala. Além disso, a descrição detalhada a seguir não limita a invenção. Em vez disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexas.

[025] A referência ao longo do relatório descritivo a "uma (1) realização" ou "uma realização" ou “algumas realizações” significa que o recurso, estrutura ou característica particular descrita em conexão com uma realização é incluída em pelo menos uma realização da matéria revelada. Desse modo, a aparição da expressão "em uma(1) realização" ou "em uma realização" ou "em algumas realizações" em vários lugares em todo o relatório descritivo não se refere necessariamente à(s) mesma(s) realização(s). Além disso, os recursos, estruturas ou características particulares podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais realizações.

[026] Na realização da Figura 2, uma turbina a gás 101 é fornecida para acionar uma carga 103.

[027] A turbina a gás 101 tem uma primeira extremidade 101H e uma segunda extremidade 101C. A primeira extremidade 101H é denominada como a extremidade aquecida da turbina, enquanto a segunda extremidade 101C é denominada como a extremidade resfriada da turbina. A extremidade aquecida 101H é geralmente a extremidade em que os gases de combustão de exaustão são descarregados da turbina de potência 104, enquanto a extremidade resfriada 101C é geralmente a extremidade em que a entrada do compressor 102 da turbina a gás 101 está localizada.

[028] Na realização da Figura 2 a carga 103 compreende um compressor, por exemplo, um compressor centrífugo, tal como um compressor de refrigeração de uma instalação de LNG ou um compressor de oleoduto ou similares. Em outras realizações a carga pode ser compreendida de mais do que somente um compressor, isto é, uma coluna de dois ou mais compressores, que giram na mesma velocidade rotacional ou em diferentes velocidades rotacionais, por exemplo, interpondo-se um ou mais dispositivos de manipulação de velocidade, tais como uma caixa de engrenagem, entre compressores consecutivamente dispostos da coluna.

[029] Na realização da Figura 2, a carga 103 é conectada em modo de acionamento à extremidade aquecida 101H da turbina a gás 101 através de um acoplamento de carga 105. Se a carga 103 exige uma velocidade rotacional diferente da velocidade rotacional classificada da turbina a gás 101, um dispositivo de manipulação de velocidade 107 é disposto entre a turbina a gás 101 e a carga 103. Por exemplo, o dispositivo de manipulação de velocidade pode ser que compreende uma caixa de engrenagem. Em outras realizações o dispositivo de manipulação de velocidade 107 pode ser que compreende um conversor de torque. O numeral de referência 109 indica um eixo acionado que conecta o dispositivo de manipulação de velocidade 107 à carga 103.

[030] A extremidade da turbina a gás 101 oposta ao acoplamento de carga 105, isto é, a extremidade resfriada 101C, é conectada a uma máquina elétrica reversível 111. A máquina elétrica reversível 111 é um motor/gerador, isto é, uma máquina com capacidade de converter potência mecânica disponível no eixo da mesma em potência elétrica disponível nos terminais elétricos da máquina, ou vice-versa que converte potência elétrica disponível nos terminais elétricos da mesma em potência mecânica no eixo de máquina. O motor/gerador elétrico 111 é eletricamente conectado a uma rede de potência elétrica G.

[031] Um conversor de frequência ou acionador de frequência variável 113 pode ser fornecido entre os terminais elétricos do motor/gerador elétrico 111 e a rede de potência elétrica G. O conversor de frequência 113 permite que a energia elétrica na frequência de rede, por exemplo, 50 Hz ou 60 Hz seja usada para girar o motor/gerador elétrico 111 em qualquer velocidade conforme exigido, dependendo da função realizada pelo motor/gerador elétrico 111, modificando-se a frequência para ser compatível com a frequência de rotação do motor/gerador elétrico 111. Vice-versa, o conversor de frequência 113 também tem capacidade de converter a frequência de potência elétrica gerada pelo motor/gerador elétrico 111 à frequência de rede. O conversor de frequência 113 permite desse modo que o sistema gire em uma velocidade rotatória variável, dependendo das exigências.

[032] O motor/gerador elétrico 111 é mecanicamente conectado à extremidade resfriada 101C da turbina a gás 101 por meio de um eixo de saída de motor 115. Em algumas realizações um fusível mecânico 119 pode ser disposto entre o eixo de saída de motor 115 e a turbina a gás 101. Um fusível mecânico é um dispositivo com capacidade de romper em caso de sobrecarga no dispositivo. Nas realizações descritas no presente documento, o fusível mecânico protege, por exemplo, as turbomáquinas 101 e 103 em caso de curto circuito no motor/gerador elétrico 111.

[033] Em outras realizações, entre o eixo de saída de motor 115 e a turbina a gás 101, uma embreagem 117 pode ser disposta, para conectar e desconectar de forma seletiva o motor/gerador elétrico 111 e da turbina a gás 101. Em algumas realizações uma caixa de engrenagem ou outro dispositivo de manipulação de velocidade pode ser disposta entre o motor/gerador elétrico 111 e a turbina a gás.

[034] Em algumas realizações, conforme mostrado na Figura 2, um fusível mecânico e uma embreagem pode ser usada em combinação.

[035] Em algumas realizações, a turbina a gás 101 pode ser uma turbina a gás de trabalho pesado. Em outras realizações a turbina a gás 101 pode ser uma turbina a gás aeroderivada. Uma combinação de duas ou mais turbinas a gás para acionar o mesmo compressor ou compressores também pode ser fornecida.

[036] Em algumas realizações a turbina a gás 101 é uma turbina a gás de eixo único. A turbina a gás de eixo único compreende um compressor rotor e uma turbina rotor montado em um eixo de rotação comum. Uma extremidade do eixo é mecanicamente ligada ao motor/gerador elétrico 111 e a extremidade oposta do eixo é mecanicamente ligada à carga 103 através do acoplamento de carga 105. O motor/gerador elétrico 111 é, portanto, conectado a uma única linha de eixo e aciona em rotação o compressor e a turbina de potência da turbina a gás, assim como o compressor ou compressores que formam a carga 103.

[037] Na configuração de turbina a gás de eixo único, o motor/gerador elétrico 111 pode realizar uma função de motor de arranque, uma função auxiliar e uma função de gerador conforme será agora descrito. A potência mecânica disponível no motor/gerador elétrico 111 é mecanicamente transmitida à carga por meio da linha de eixo comum. A potência mecânica em excesso disponível na turbina de potência eixo é diretamente transmitida ao motor/gerador elétrico 111 e convertida em potência elétrica.

[038] Em uma turbina a gás de eixo único 101, quando a turbina a gás 101 e a carga 103 estão em repouso, o início da linha é operado pelo motor/gerador elétrico 111 que funciona como um motor de arranque. O motor/gerador elétrico 111 é comutado no modo de motor. A potência elétrica da rede de potência elétrica G é entregue ao motor/gerador elétrico 111 por meio do conversor de frequência 113. A frequência da potência elétrica entregue ao motor/gerador elétrico é controlada para acelerar o motor/gerador elétrico 111 de zero a uma velocidade rotacional exigida, que pode ser a velocidade nominal da turbina a gás 101, ou ainda uma velocidade inferior.

[039] A potência mecânica gerada pelo motor/gerador elétrico 111 gira o eixo da turbina a gás 101 e o acoplamento de carga 105, assim como o compressor ou compressores 103. O gerador/motor elétrico 111 é projetado desse modo para fornecer potência suficiente para acelerar a turbina a gás e o compressor ou compressores que formam a carga 103 no disparo. Isso exige superar a inércia das turbomáquinas assim como a carga aerodinâmica do compressor ou compressores 103. A carga aerodinâmica é a carga gerada pelo fluido processado pelo compressor ou compressores que formam a carga 103. A carga aerodinâmica aumenta à medida que a velocidade rotacional do compressor aumenta, devido à pressão aumentada do fluido processado pelo compressor. O motor/gerador elétrico 111 é, portanto, projetado para fornecer uma potência suficiente para superar as cargas inertes e aerodinâmicas das turbomáquinas acionadas pelo motor/gerador elétrico 111 pelo menos na velocidade rotacional exigida para dar partida na turbina a gás.

[040] Uma vez que a turbina a gás 101 assume a tarefa de acionar a carga, o motor/gerador elétrico pode ser desligado. Em algumas realizações, o motor/gerador elétrico pode continuar a operar no modo de motor para fornecer potência mecânica adicional que é usada em combinação com a potência mecânica gerada pela turbina a gás para acionar a carga.

[041] Em algumas realizações, a turbina a gás 101 é operada em uma velocidade rotacional fixa e carga total, para maximizar a eficiência de turbina a gás. Se a potência mecânica gerada pela turbina a gás 101 excede a potência exigida para acionar a carga 103, por exemplo, devido à temperatura ambiente diminuída e consequente disponibilidade de potência aumentada da turbina, o motor/gerador elétrico 111 é comutado no modo de gerador e converte a potência mecânica em excesso disponível na turbina eixo em energia elétrica. A potência elétrica gerada pelo motor/gerador elétrico 111 é entregue à rede de potência elétrica G. A frequência da potência elétrica pode ser convertida pelo conversor de frequência 113 se for exigido.

[042] Se a potência mecânica gerada pela turbina a gás 101 é insuficiente para acionar a carga, por exemplo, devido à temperatura ambiente aumentada e consequente queda de disponibilidade de potência da turbina, o motor/gerador elétrico 111 é comutado ao modo de motor e opera como um auxiliar. Potência elétrica da rede de potência elétrica G é convertida pelo motor/gerador elétrico 111 em potência mecânica no eixo de saída de motor 115. Em algumas realizações, conforme observado acima, o motor/gerador elétrico pode ser operado continuamente no modo de motor em vez de somente em caso de queda na disponibilidade de potência de turbina a gás. Em ambos os casos, a potência mecânica total disponível no acoplamento de carga 105 será a soma da potência mecânica gerada pela turbina a gás 101 e a potência mecânica gerada pelo motor/gerador elétrico 111.

[043] O motor/gerador elétrico 111 não exige uma capacidade drive-through, sendo disposto na extremidade resfriada da turbina a gás 101 e o eixo do mesmo não exige ser projetado para suportar a potência classificada da turbina a gás 101 na carga total.

[044] A Figura 3 ilustra uma realização adicional de uma disposição de compressor acionado por turbina. Por exemplo, para processar um fluido refrigerante em uma instalação de LNG. Os mesmos numerais de referência são usados para designar os mesmos componentes ou componentes equivalentes como na Figura 2. Na realização da Figura 3, a carga 103 é compreendida de uma disposição de compressor, que inclui um primeiro compressor 103A e um segundo compressor 103B. Na realização exemplificadora da Figura 3 os compressores são diretamente acionados pela turbina a gás 101 com nenhum dispositivo de manipulação de velocidade entre os mesmos. Em outras realizações um dispositivo de manipulação de velocidade, por exemplo, uma caixa de engrenagem, pode ser fornecida entre a turbina a gás 101 e o compressor 103A e/ou entre o compressor 103A e o compressor 103B.

[045] A instalação da Figura 3 opera substancialmente da mesma maneira que aquela da Figura 2.

[046] Em ambas as realizações mostradas nas Figuras 2 e 3, o motor/gerador elétrico 111 não exige capacidade drive-through, visto que o mesmo está localizado em uma extremidade da coluna. Ademais, o local do motor/gerador elétrico 111 permite a intervenção no último compressor inclusive se o último for um compressor verticalmente dividido, facilitando desse modo a manutenção do mesmo. O local do motor/gerador elétrico 111 mitiga adicionalmente os estresses mecânicos na linha de compressor acionada por eixo em caso de curto circuito do motor/gerador elétrico 111, em relação às configurações de estado da técnica, em que o motor/gerador elétrico 111 é conectado diretamente à linha de eixo acionada.

[047] A Figura 4 ilustra uma realização adicional de um sistema que compreende uma turbina a gás 101 e uma carga 103 acionada desse modo, de acordo com a presente revelação. Os mesmos numerais de referência indicam os mesmos componentes ou componentes correspondentes, elementos ou partes como nas realizações anteriores e não serão descritos em detalhes novamente. O motor/gerador 111 é conectado na extremidade resfriada 101C da turbina a gás 101 enquanto a carga 103 é conectada na extremidade aquecida 101H da turbina a gás 101. Na realização exemplificadora da Figura 4 a carga 103 compreende um primeiro compressor 103A e um segundo compressor 103B. O acoplamento de carga 105 é suportado por uma disposição de mancal intermediário 120. Um acoplamento flexível 122 pode ser fornecido entre a disposição de mancal 120 e o eixo compressor. Na realização da Figura 4, a carga é, portanto, acionada pela turbina a gás 101 por meio de um acoplamento parcialmente rígido e parcialmente flexível. Um acoplamento flexível conforme destinado no presente documento é um acoplamento que inclui um elemento flexível ou elástico, esquematicamente mostrado em 124, tal como uma junta flexível ou elástica. Um acoplamento rígido é, em contrapartida, um acoplamento que não contém um elemento flexível ou elástico.

[048] Acoplamentos flexíveis deslocam a expansão térmica dos eixos que conectam o turbomaquinário bem como o desalinhamento possível angular, que reduz as cargas nos mancais e vibrações de máquina.

[049] Dispor um acoplamento flexível entre a turbina a gás e a carga induz a funcionalidade aprimorada e eficiência das vedações de gás seco do(s) compressor(es) acionado(s) pela turbina a gás e simplifica o alinhamento entre as turbomáquinas, assim como o projeto rotodinâmico.

[050] A Figura 5 ilustra uma realização adicional da matéria revelada no presente documento. Os mesmos componentes ou componentes equivalentes, elementos ou partes como na Figura 4 são dotados dos mesmos numerais de referência e não serão descritos em detalhes novamente. A realização da Figura 5 difere da realização da Figura 4 em vista que a primeira compreende um acoplamento de carga 105, que inclui somente um acoplamento flexível que conecta diretamente a turbina a gás 101 e a carga 103. O numeral de referência 124 indica um elemento flexível ou elástico do acoplamento flexível 105.

[051] Em algumas realizações a carga 103 pode compreender dois ou mais compressores conectados um ao outro por meio de um intermediário acoplamento flexível. A Figura 5 mostra uma realização exemplificadora de um terceiro compressor 103C conectado ao primeiro e ao segundo compressores 103A, 103B por meio de um acoplamento flexível 126.

[052] Nas Figuras 2 a 5 uma turbina a gás de eixo único 101 é ilustrada. Turbinas a gás adequadas que pode ser usada nas disposições descritas acima são turbinas a gás de eixo único de trabalho pesado MS9001, MS7001, MS6001, MS5001, GE10-1 todas disponíveis junto à GE Oil & Gas.

[053] Em outras realizações, a turbina a gás pode ser uma turbina a gás de múltiplos eixos que tem dois ou mais eixos dispostos de modo concêntrico. A Figura 6 esquematicamente ilustra uma turbina a gás de eixo duplo, designada 201 como um todo. Uma turbina a gás de eixo duplo adequada é a turbina a gás LM6000® disponível junto à General Electric, Evendale, OH, E.U.A. A turbina a gás de eixo duplo 101 compreende um núcleo 203, um compressor de baixa pressão 205 e uma turbina de potência ou baixa pressão 207. O núcleo 203 compreende, por sua vez um compressor de alta pressão 209 e uma turbina de alta pressão 211. O rotor do compressor de alta pressão 209 e o rotor da turbina de alta pressão 211 são montados em um núcleo de eixo comum ou eixo externo 213. O rotor do compressor de baixa pressão 205 e o rotor da turbina de baixa pressão ou turbina de potência 207 são montados em um eixo interno ou de potência 215. O eixo interno 215 se estende coaxialmente ao eixo externo 213 e através do mesmo. A extremidade aquecida e a extremidade resfriada da turbina a gás 201 são esquematicamente mostradas em 201H e 201C, respectivamente. Um motor/gerador elétrico 221 é mecanicamente conectado ao eixo interno 215 na extremidade resfriada 201C da turbina a gás 201 e eletricamente conectado a uma rede de potência elétrica G por meio de um conversor de frequência ou um acionador de frequência variável 223. Uma embreagem e/ou um fusível mecânico e/ou uma caixa de engrenagem, mostrados de maneira genérica em 225, podem ser dispostos entre lado de extremidade resfriada do eixo interno 215 e o eixo 221A do motor/gerador elétrico 221.

[054] O lado de extremidade aquecida do eixo interno 215 pode ser mecanicamente acoplado a uma carga 226. Um acoplamento flexível pode ser usado para esse propósito. O numeral de referência 227 indica esquematicamente um elemento flexível do acoplamento flexível. Uma caixa de engrenagem ou qualquer outro dispositivo de manipulação de velocidade pode ser disposta entre a extremidade aquecida 201H da turbina a gás 201 e a carga 226 e/ou entre as máquinas acionadas consecutivamente dispostas da carga 226.

[055] Na realização exemplificadora da Figura 6, a carga 226 é compreendida de um primeiro compressor 226A e um segundo compressor 226B opcional. Um acoplamento flexível esquematicamente mostrado em 229 pode ser fornecido entre os dois compressores 226A, 226B.

[056] Em algumas realizações, um motor de arranque 231 é fornecido para iniciar o núcleo 203 da turbina a gás 201.

[057] O ar ambiente é entregue ao compressor de baixa pressão 205 e comprimido em uma primeira pressão. O ar parcialmente comprimido entra no compressor de alta pressão 209 do núcleo 203 e é comprimido a uma alta pressão. O ar pressurizado é entregue a um combustor 204 e misturado com um combustível, por exemplo, um combustível gasoso ou líquido. A mistura de combustível e ar é disparada e os gases de combustão são sequencialmente expandidos na turbina de alta pressão 211 e na turbina de baixa pressão ou potência 207. A potência mecânica gerada pela turbina de alta pressão 211 é usada para acionar o compressor de alta pressão 209 da turbina núcleo 203, enquanto a potência mecânica gerada pela turbina de baixa pressão ou potência 211 está disponível no eixo interno 215 e é usada para acionar a carga 226.

[058] Potência mecânica em excesso disponível a partir da turbina de potência 207 no eixo interno 215 pode ser transferida ao motor/gerador elétrico 211 e convertida desse modo em potência elétrica, sendo que o motor/gerador elétrico 211 opera no modo de gerador. A potência elétrica é condicionada pelo conversor de frequência 223 e disponibilizada na rede de potência elétrica G. Se a potência mecânica gerada pela turbina de potência 207 for insuficiente para acionar a carga 226, por exemplo, devido à queda da disponibilidade de potência de turbina causada por um aumento na temperatura ambiente, o motor/gerador elétrico 221 pode ser comutado no modo de motor e converte potência elétrica da rede de potência elétrica G em potência mecânica, disponibilizada no eixo interno 215 para ser combinada com a potência mecânica gerada pela turbina de potência 207 para acionar a carga 226.

[059] Nessa realização, o trabalho de motor de arranque não é fornecido pelo motor/gerador elétrico 221, mas, em vez disso, por um motor de arranque 231 fornecido no núcleo 203. Quando a turbina a gás 201 precisa ser iniciada, o motor de arranque 231 aciona o eixo externo 213 em rotação, de modo que o núcleo 203 possa iniciar. Uma vez que a turbina de alta pressão 211 foi disparada, os gases de combustão gerados desse modo são entregues à turbina de potência 207 para iniciar as seções de baixa pressão da turbina a gás 201, isto é, o compressor de baixa pressão 205 e a turbina de baixa pressão a gás 207.

[060] Embora as realizações reveladas da matéria descritas no presente documento tenham sido mostradas nos desenhos e completamente descritas acima com particularidade e detalhes em conexão com diversas realizações exemplificadoras, será evidente a aqueles técnicos no assunto que muitas modificações, mudanças, e omissões são possíveis sem se afastar de forma material dos ensinamentos inovadores, os princípios e conceitos apresentados no presente documento, e vantagens da matéria citadas nas reivindicações anexas. Portanto, o escopo apropriado das inovações reveladas deve ser determinado somente pela interpretação mais ampla das reivindicações anexas a fim de abranger todas as tais modificações, mudanças e omissões. Adicionalmente, a ordem ou sequência de qualquer processo ou etapa de método pode ser variada ou ressequenciada de acordo com realizações alternativas.

Claims

1. SISTEMA DE ACIONAMENTO PARA ACIONAR UMACARGA (103), em que a carga (103) compreende pelo menos um compressor, caracterizado por compreender:uma turbina a gás (101) configurada e disposta para acionar a carga (103), sendo que a turbina a gás (101) tem uma extremidade aquecida (101H) e uma extremidade resfriada (101C);um acoplamento de carga (105) que conecta a turbina a gás (101) ao pelo menos um compressor da carga (103), disposto em um dentre a extremidade aquecida (101H) e a extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101);um motor/gerador elétrico (111) disposto na outra dentre a extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101), sendo que o motor/gerador elétrico (111) é eletricamente conectado a uma rede de potência elétrica (G) e mecanicamente conectado ao acoplamento de carga (105); eem que o motor/gerador elétrico (111) é adaptado para funcionar como um gerador para converter potência mecânica em excesso da turbina a gás (101) em potência elétrica, e entregar a potência elétrica à rede de potência elétrica (G), e como um motor para suplementar a potência de acionamento à carga (103).

2. SISTEMA DE ACIONAMENTO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo motor/gerador elétrico (111) ser disposto na extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101), e o acoplamento de carga (105) ser disposto na extremidade aquecida (101H) da turbina a gás (101).

3. SISTEMA DE ACIONAMENTO, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por compreender adicionalmente, um fusível mecânico (119) entre o motor/gerador elétrico (111) e a turbina a gás (101).

4. SISTEMA DE ACIONAMENTO, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender, adicionalmente, uma embreagem (117) entre o motor/gerador elétrico (111) e a turbina a gás (101).

5. SISTEMA DE ACIONAMENTO, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo motor/gerador elétrico (111) ser conectado de modo permanente à extremidade resfriada (101C) ou à extremidade aquecida (101H) da turbina a gás (101).

6. SISTEMA DE ACIONAMENTO, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo motor/gerador elétrico (111) ser adaptado, adicionalmente, para funcionar como um motor de arranque para dar partida na turbina a gás (101) e a carga (103).

7. SISTEMA DE ACIONAMENTO, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pela turbina a gás (101) ser uma turbina a gás de eixo único.

8. SISTEMA DE ACIONAMENTO, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pela turbina a gás (101) ser uma turbina a gás de eixo duplo (201) que compreende: um núcleo (203) que compreende um compressor de alta pressão (209) e uma turbina de alta pressão (211) conectada por um primeiro eixo; um motor de arranque para iniciar o núcleo (203); um compressor de baixa pressão (205); uma turbina de baixa pressão (207); em que a turbina de baixa pressão (207) e o compressor de baixa pressão (205) são conectados por um segundo eixo que se estende da extremidade aquecida (101H) à extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101); e em que a carga (103) é mecanicamente conectada ao segundo eixo em uma dentre as extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101), e o motor/gerador elétrico (111) é mecanicamente conectado no segundo eixo na outra dentre as extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101).

9. SISTEMA DE ACIONAMENTO, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por compreender, adicionalmente, um conversor de frequência (113) conectado entre o motor/gerador elétrico (111) e a rede de potência elétrica (G), sendo que o conversor de frequência (113) é configurado e controlado para condicionar a frequência elétrica da rede de potência elétrica (G) ao motor/gerador elétrico (111) e do motor/gerador elétrico (111) à rede de potência elétrica (G).

10. MÉTODO DE INÍCIO DE UM SISTEMA, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, que compreende uma turbina a gás (101) e uma carga (103), caracterizado por compreender:fornecer uma turbina a gás (101) com uma extremidade aquecida (101H) e uma extremidade resfriada (101C);acoplar uma carga (103) a uma dentre as extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C);acoplar um motor/gerador elétrico (111) à outra dentre as extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C);comutar o motor/gerador elétrico (111) em um modo de motor; ealimentar eletricamente o motor/gerador elétrico (111) e converter potência elétrica em potência mecânica no motor/gerador elétrico (111) e usar a potência mecânica para dar partida na turbina a gás (101) e a carga (103), sendo que a potência mecânica é transferida do motor/gerador elétrico (111) à carga através da turbina a gás (101);em que a carga (103) compreende pelo menos um compressor.

11. MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE TURBINA A GÁS, que compreende uma turbina a gás (101) e uma carga (103) acionada pela turbina a gás (101), caracterizado por compreender: fornecer uma turbina a gás (101) com uma extremidade aquecida (101H) e uma extremidade resfriada (101C);acoplar uma carga (103) a uma dentre as extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C);acoplar um motor/gerador elétrico (111) à outra dentre as extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C), e acoplar mecanicamente o motor/gerador elétrico (111) à carga (103);gerar potência mecânica por meio da turbina a gás (101);alimentar a carga (103) com a potência mecânica gerada pela turbina a gás (101);quando a potência mecânica gerada pela turbina a gás (101) excede a potência mecânica exigida para acionar a carga (103):operar o motor/gerador elétrico (111) em um modo de gerador;transferir potência mecânica em excesso da turbina a gás (101) ao motor/gerador elétrico (111); econverter a potência mecânica em excesso em potência elétrica no motor/gerador elétrico (111);em que a carga (103) compreende pelo menos um compressor.

12. MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE TURBINA A GÁS, que compreende uma turbina a gás (101) e uma carga acionada pela turbina a gás (101), caracterizado por compreender:fornecer uma turbina a gás (101) com uma extremidade aquecida (101H) e uma extremidade resfriada (101C);acoplar uma carga a uma dentre as extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C);acoplar um motor/gerador elétrico (111) à outra dentre as extremidade aquecida (101H) e extremidade resfriada (101C), e acoplar mecanicamente o motor/gerador elétrico (111) à carga (103); gerar potência mecânica por meio da turbina a gás (101);alimentar a carga (103) com a potência mecânica gerada pela turbina a gás (101);quando a potência mecânica gerada pela turbina a gás (101) é menor do que a potência exigida para acionar a carga (103):operar o motor/gerador elétrico (111) em um modo de motor;alimentar eletricamente o motor/gerador elétrico (111);converter potência elétrica em potência mecânica suplementar no motor/gerador elétrico (111);transferir a potência mecânica suplementar do motor/gerador elétrico (111) através da turbina a gás (101) à carga (103); eacionar a carga (103) com potência combinada gerada pela turbina a gás (101) e potência mecânica suplementar gerada pelo motor/gerador elétrico (111);em que a carga (103) compreende pelo menos um compressor.

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações10 a 12, caracterizado por compreender as etapas de:acoplar o motor/gerador elétrico (111) à extremidade resfriada (101C) da turbina a gás (101); eacoplar a carga (103) à extremidade aquecida (101H) da turbina a gás (101).