CN109139134B - 涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种涡轮机。所述涡轮机包括涡轮机构，所述涡轮机构设置有壳体且具有安装在被支撑以在所述壳体中旋转的轴上的转子，所述轴与适于支撑所述壳体中的所述轴的多个主动磁性轴承相关联且通过多个电线与控制系统相关联，其中所述控制系统容纳于在所述壳体外部且被定位成接近所述壳体的控制系统隔室中。

Description

涡轮机
技术领域
本发明涉及一种涡轮机。本文中所公开的实施例具体地说涉及压缩机、涡轮、涡轮压缩机、电动机、发电机、汽轮发电机、膨胀机发电机。
背景技术
电动机压缩机单元通常由一个或两个外部壳体组成，所述一个或两个外部壳体容纳由驱动轴彼此连接的电动机和压缩机。轴由多个轴承支撑。在一些集成应用中，壳体是压力壳体，其包括室容纳电动机的电动机隔室和容纳压缩机的压缩机隔室。
涡轮膨胀机单元是用于将压缩气体流中包括的动力转换成可在涡轮膨胀机的输出轴上使用的有用机械动力的常用机器。输出轴可用以机械地驱动旋转机器，例如压缩机或发电机。集成涡轮膨胀机单元通常包括容纳涡轮膨胀机的气密壳体，所述涡轮膨胀机具有一个或多个旋转轮，所述旋转轮设置有安装在旋转轴上的叶片。轴被支撑用于在壳体中旋转且机械地连接到压缩机或发电机的转子，其定子固定地安装在壳体中。
这些涡轮机的旋转轴通常借助于多个轴承支撑在壳体中。在较早单元中，经过油润滑的轴承用于此目的。近年来，已开发了主动磁性轴承(以下还被称作AMB)。AMB避免了润滑油的需求且因此克服了与通过单元的气体流中存在油相关的缺点。
AMB由电子控制系统控制。电子控制系统必须连接到容纳于机器壳体中的磁性轴承，因此线缆连接件使控制系统与机器壳体的内部电连接。
使用压缩气体工作的涡轮机构通常位于被分类为危险的位点，所述危险归因于与存在可燃气体或蒸汽相关联的爆裂的风险。AMB控制系统放置在机器壳体的外部，在分类区域外部的安全区域中，且距其可变距离达数百米。接线盒通常用于充当涡轮机与控制系统之间的分离元件。在接线盒的涡轮机侧上，存在连接到涡轮机的线缆，在接线盒的控制侧上，存在连接到控制系统的线缆。在加压机器的情况下，接线盒的涡轮机侧上的线缆穿过能够经受涡轮机室与外部环境之间的差压的保护系统，但对于控制系统侧的线缆，除需要取决于长度增大其截面以避免动力损耗之外，不需要特别要求。
相对大数目的长线缆的使用使得这些已知系统昂贵且繁琐。此外，由于用于生产调测和设置的线缆与安装到位的线缆之间的不同线缆长度和区段，已知系统需要一些现场调谐活动。因此需要与涡轮机单元中主动磁性轴承的控制系统的布置相关的改进。
发明内容
根据示范性实施例，涡轮机被描述成包括：壳体；涡轮机构，其具有安装在轴上的转子，所述轴与多个AMB连接且被支撑用于在壳体中旋转。AMB由通过多个线缆和电线连接的且容纳于控制系统隔室中的AMB控制系统管理，所述控制系统隔室在壳体外部且被定位成接近所述壳体。因此，将AMB连接到AMB控制系统的线缆比常见线缆短得多且具有小得多的截面，此外不需要接线盒，在紧密性、可靠性和成本减少方面得到改善。
有利的是，控制系统隔室包括可以是加压的或防爆的或两者的柜。防爆柜允许未被设计用于分类危险区域的AMB控制系统被采用。对控制系统隔室的柜的加压避免了电子件内部受到涡轮机的处理气体的可能的污染。
AMB控制系统可从远端管理且因此操作者不需要在涡轮机构和AMB控制系统所在的分类区域中工作。
如果磁性轴承控制系统被设计成在分类危险区域中工作，那么其可直接放置在极为接近涡轮机的位置，而不需要防爆容器。
控制系统隔室可容纳一个或多个电部件和电子部件。在一些实施例中，此类部件被配置和布置成控制磁性轴承且为磁性轴承供电，所述磁性轴承支撑涡轮机构的轴。在一些实施例中，控制系统是集成控制系统，其包括用于控制磁性轴承的区段和用于控制涡轮机构的另一区段。
示范性实施例还公开以下技术方案。
技术方案1：一种涡轮机，其包括：
壳体；
涡轮机构，其具有安装在轴上的转子，所述轴被支撑以在所述壳体中旋转；
多个主动磁性轴承，其被配置和布置成支撑所述壳体中的所述轴；
主动磁性轴承控制系统，其用于通过多个线缆控制所述磁性轴承；
其中所述主动磁性轴承控制系统容纳于在所述壳体外部且被定位成接近所述壳体的控制系统隔室中。
技术方案2：根据技术方案1所述的涡轮机，其中，对所述控制系统隔室加压。
技术方案3：根据技术方案2所述的涡轮机，其中，使用空气或惰性气体对所述控制系统隔室加压。
技术方案4：根据技术方案3所述的涡轮机，其中，所述惰性气体选自包括氮气、氦气以及主要由氮气或氦气组成的气体混合物的群组。
技术方案5：根据技术方案1到4中的一项或多项权利要求所述的涡轮机，其中，所述控制系统隔室包括防爆柜。
技术方案6：根据技术方案1到5中的一项或多项权利要求所述的涡轮机，其中，所述控制系统隔室包括符合欧盟指令2014/34/EU的柜。
技术方案7：根据技术方案1到6中的一项或多项权利要求所述的涡轮机，其中，所述线缆包括电力线缆和信号线缆，所述电力线缆将所述控制系统与所述磁性轴承的线圈连接以控制流动到所述线圈的电流，所述信号线缆将所述控制系统与所述壳体中的传感器连接，此类传感器包括用以监测所述转子的位置的位置传感器。
技术方案8：根据技术方案7所述的涡轮机，其中，所述电力线缆对于每个线圈至少为两个，每个磁性轴承包括至少两个线圈，通常每个径向轴承四个线圈，每个轴向轴承两个线圈。
技术方案9：根据技术方案7到8中的一项或多项权利要求所述的涡轮机，其中，所述信号线缆对于每个传感器为两个、四个或八个线缆，所述传感器包括选自包括以下各项的群组的一个或多个传感器：轴向位置传感器、径向位置传感器、轴速度传感器、振动传感器、温度传感器。
技术方案10.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的涡轮机，其中，所述线缆穿过保护系统，将所述壳体连接到所述控制系统隔室。
技术方案11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的涡轮机，其中，所述涡轮机构包括：
涡轮膨胀机或电动机，其具有安装在轴上的转子，所述轴被支撑以在所述壳体中旋转；
压缩机，其布置于所述壳体中且由安装在所述轴上以与涡轮膨胀机/电动机转子同向旋转的转子组成。
技术方案12.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的涡轮机，其中，包括用于控制所述涡轮机构的单元控制系统，其中所述磁性轴承控制系统和所述单元控制系统容纳在所述控制系统隔室中。
技术方案13根据权利要求12所述的涡轮机，其中，进一步包括用户界面，所述用户界面与所述单元控制系统连接且定位在远程控制室中，所述远程控制室位于离所述涡轮机构很远的安全区域中。
技术方案14：根据技术方案12到13中的一项或多项权利要求所述的涡轮机，其中，所述磁性轴承控制系统和所述单元控制系统是分离的单元，所述单元控制系统位于远离所述机构的安全区域中，而所述磁性轴承控制系统位于所述控制系统隔室中，所述控制系统隔室在接近所述机构的危险区域中采用防爆保护。
技术方案15：根据技术方案14所述的涡轮机，其中，所述用户界面位于容纳所述单元控制系统的相同安全区域中。
技术方案16：根据技术方案12到15中的一项或多项权利要求所述的涡轮机，其中，所述单元控制系统包括主控制器和安全控制器，所述主控制器实施对所述机构的主要控制，所述主要控制选自包括以下各项的群组：包括辅助设备的开始/停止序列、防喘振控制、性能控制、负载分配控制，而所述安全控制器执行安全功能，如跳闸逻辑。
附图说明
当结合附图考虑时本文中所描述的示范性实施例将变为更加显而易见，在附图中：
图1说明根据现有技术的连接到AMB控制系统的涡轮机，即膨胀机压缩机单元；
图2说明根据本文中所描述的实施例的涡轮机；
图3说明根据本文中所描述的实施例的集成控制系统；
图4说明图3中所描绘的集成控制系统的控制系统的网络拓扑结构；
图5说明根据本文中所描述的实施例的与单元控制系统分离的AMB控制系统；以及
图6说明图5中所描绘的控制系统的网络拓扑结构。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的连接到AMB控制系统的示范性涡轮机1，即膨胀机压缩机单元。
当AMB控制系统位于离涡轮机很远的控制系统隔室4中时，使用中间接线盒10。这些接线盒充当涡轮机1与AMB控制系统之间的分离元件。
接线盒10被安装在安装涡轮机的分类区域中距涡轮机不远的位置，一个用于电力线缆且一个用于信号线缆。通常，接线盒10可安装在支撑涡轮机的垫木上或其附近，而AMB控制系统安装在位于安全区域中的控制系统隔室4中，其相隔距离可达数百米且通常在100m到700m范围内。
从接线盒10到AMB控制系统的线缆大小取决于现场与控制系统隔室4之间的距离。距离越长，用以减少动力损耗的所需电力线缆截面越大。
在涡轮机侧上，在典型应用中，归因于短距离，电力线缆和信号线缆分别具有小于10mm2和1mm2的截面。更大截面显然是可能的。
图2示范性地示出根据本文中实施例的涡轮机。涡轮机1包括：壳体；膨胀机2，其具有安装在轴15上的转子，所述轴15被支撑用于在壳体中旋转；压缩机3，其布置于壳体中且由安装在轴上的用于与涡轮膨胀机转子同向旋转的转子组成。
轴15借助于多个轴承支撑在壳体中。在一些实施例中，第一径向轴承可布置在轴15的第一端部处。第二径向轴承可设置在轴15的第二端部处。在一些实施例中，可进一步提供一个或多个轴向轴承。例如取决于膨胀机压缩机单元的设计选择和/或要求可预见不同数目个磁性轴承。在为本发明的部分的电动机压缩机单元中可发现轴承数目以及因此线缆数目的更多可变性。
一个、一些或所有所述轴承可以是磁性轴承且更具体地说AMB14。AMB 14为所属领域的技术人员所已知且将不在本文中更详细地描述。
AMB 14需要电子控制系统7，所述电子控制系统7将动力和控制信号提供到磁性轴承。根据本文中所公开的实施例，AMB控制系统7容纳于在壳体外部且被定位成接近壳体的控制系统隔室4中。在一些实施例中，控制系统隔室4被加压以保证内部的电子件是安全的，免受涡轮机的处理气体的可能的污染。在实施例中，控制系统隔室4位于距涡轮机1的壳体通常不超过20m的位置处。
控制系统隔室4可仅容纳AMB控制系统7或包括AMB控制系统7和涡轮机构单元控制系统8(UCS)的集成控制系统。
涡轮机构控制系统8基于PLC硬件且通常包括主控制器108和安全控制器208。主控制器108实施包括所有辅助设备的机器开始/停止序列、防喘振控制、性能控制、负载分配控制，而安全控制器208实施跳闸逻辑和其它安全功能。
单元控制系统8大体上容纳于控制柜中，所述控制柜的前门开口位于离涡轮机很远的安全区域中。操作者界面通常是具有触摸屏面板的PC，所述PC位于柜中(HMI 121)或通过优选地具有冗余连接的防火墙123远程连接(DCS 122)。
在现有系统中，单元控制系统和AMB控制系统7是独立的且位于安全区域中。
图3示出根据本文中实施例的集成控制系统。在此配置中，AMB控制系统7、主控制器108和安全控制器208均容纳在控制系统隔室4中，所述控制系统隔室4包括防爆柜且位于接近机构和辅助底板11的分类危险区域中，而用户界面121(HMI)定位在位于安全区域中的远程控制室12中，如图4中最佳示出。
图5示出根据另一实施例的控制系统，其中AMB控制系统7和单元控制系统8是分离的单元。如在现有系统中，主控制器108和安全控制器208位于远离涡轮机构2的安全区域13中。
用户界面121(HMI)可定位在单元控制系统区域13中或在连接到单元控制系统8的安全区域中的专用控制室12中，而AMB控制系统7安装在控制系统隔室4中，所述控制系统隔室4包括防爆柜且位于接近机构和辅助底板11的危险区域中，如图6中最佳示出。
在现有系统中同样可采用通过优选地具有冗余连接的防火墙123远程连接的用户界面122(DCS)，以及与单元控制系统8介接的紧急关闭系统124(ESD)。
由于电部件和电子部件可能受到涡轮机的处理后气体影响，因此优选地对控制系统隔室4加压且使其填充有空气或惰性气体，例如氮气。在本发明描述和所附权利要求书的上下文中，术语惰性气体还涵盖稀有气体，例如氦气，以及气体混合物，例如主要由氮气或氦气组成的混合物。
在一些实施例中，控制系统隔室4包括加压柜，例如根据欧洲指令2014/34/EU的ATEX柜。
在一些实施例中，连接器凸缘可设置在涡轮机的壳体上且在控制系统隔室4上，以用于将膨胀机压缩机单元1连接到控制系统隔室4的线缆5、6通过。实际上，合适的通道、槽道或保护护套304可用以保护和包括布线，以便防止在组装膨胀机压缩机单元的部件期间和/或在其操作期间产生的损害。在一些实施例中，线缆穿过保护系统，将壳体连接到控制系统隔室4。
控制系统隔室的电子部件与磁性轴承之间的电连接可例如借助于布置在壳体的表面上以及控制系统隔室4的柜的表面上的电连接器对101到204、201到104获得。
在一些实施例中，控制系统隔室4包括防爆柜，例如根据欧洲指令2014/34/EU的ATEX柜。
将控制系统隔室4与涡轮机1的壳体连接的线缆通常包括电力线缆5和信号线缆6。电力线缆5将控制系统隔室4与主动磁性轴承的线圈连接以控制流动到所述线圈的电流，而信号线缆6将控制系统与位于壳体中的传感器9连接。此类传感器可例如包括用以监测转子的位置的径向和/或轴向位置传感器、温度传感器、振动传感器、轴速度传感器、加速度计。
在实施例中，每个主动磁性轴承包括至少两个线圈，通常每个径向轴承四个线圈，每个轴向轴承两个线圈，每个线圈由一对电力线缆驱动。
已参考膨胀机压缩机单元主要说明了实施例，但本发明的教示可用于具有磁性轴承的任何类型的涡轮机，例如膨胀机发电机、电动机压缩机、电动机、发电机、涡轮发电机单元。
示范性实施例的描述参考附图。不同附图中的相同参考标号标识相同或类似的元件。以下详细描述并不限制本发明。实际上，本发明的范围由所附权利要求书限定。
说明书中各处提到“一个实施例”或“实施例”意味着结合一个实施例描述的特定特性、结构或特征包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各种位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必是指同一实施例。另外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合在一个或多个实施例中。

Claims (15)

1.一种涡轮机，其包括：
壳体；
涡轮机构，其具有安装在轴上的转子，所述轴被支撑以在所述壳体中旋转；
多个主动磁性轴承，其被配置和布置成支撑所述壳体中的所述轴；
主动磁性轴承控制系统，其用于通过多个线缆控制所述磁性轴承；
其中所述主动磁性轴承控制系统容纳于在所述壳体外部且被定位成接近所述壳体的主动磁性轴承控制系统隔室中；
其中所述线缆包括电力线缆和信号线缆，所述电力线缆将所述控制系统与所述磁性轴承的线圈连接以控制流动到所述线圈的电流，所述信号线缆将所述控制系统与所述壳体中的传感器连接，此类传感器包括用以监测所述转子的位置的位置传感器。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，对所述主动磁性轴承控制系统隔室加压。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中，使用空气或惰性气体对所述主动磁性轴承控制系统隔室加压。
4.根据权利要求3所述的涡轮机，其中，所述惰性气体选自包括氮气、氦气以及主要由氮气或氦气组成的气体混合物的群组。
5.根据权利要求1到4中的任意一项权利要求所述的涡轮机，其中，所述主动磁性轴承控制系统隔室包括防爆柜。
6.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述电力线缆对于每个线圈至少为两个，每个磁性轴承包括至少两个线圈，每个径向轴承四个线圈，每个轴向轴承两个线圈。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述信号线缆对于每个传感器为两个、四个或八个线缆，所述传感器包括选自包括以下各项的群组的一个或多个传感器：轴向位置传感器、径向位置传感器、轴速度传感器、振动传感器、温度传感器。
8.根据权利要求1到4中的任意一项权利要求所述的涡轮机，其中，所述电力线缆和所述信号线缆穿过保护系统，将所述壳体连接到所述主动磁性轴承控制系统隔室。
9.根据权利要求1到4中的任意一项权利要求所述的涡轮机，其中，所述涡轮机构包括：
涡轮膨胀机或电动机，其具有安装在轴上的转子，所述轴被支撑以在所述壳体中旋转；
压缩机，其布置于所述壳体中且由安装在所述轴上以与涡轮膨胀机/电动机转子同向旋转的转子组成。
10.根据权利要求1到4中的任意一项权利要求所述的涡轮机，其中，包括用于控制所述涡轮机构的单元控制系统，其中所述磁性轴承控制系统和所述单元控制系统容纳在所述主动磁性轴承控制系统隔室中。
11.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，进一步包括用户界面，所述用户界面与所述单元控制系统连接且定位在远程控制室中，所述远程控制室位于离所述涡轮机构很远的安全区域中。
12.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述磁性轴承控制系统和所述单元控制系统是分离的单元，所述单元控制系统位于远离所述机构的安全区域中，而所述磁性轴承控制系统位于所述主动磁性轴承控制系统隔室中，所述主动磁性轴承控制系统隔室在接近所述涡轮机构的危险区域中采用防爆保护。
13.根据权利要求12所述的涡轮机，其中，所述用户界面位于容纳所述单元控制系统的相同安全区域中。
14.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，所述单元控制系统包括主控制器和安全控制器，所述主控制器实施对所述涡轮机构的主要控制，所述主要控制选自包括以下各项的群组：包括辅助设备的开始/停止序列、防喘振控制、性能控制、负载分配控制，而所述安全控制器执行安全功能。
15.根据权利要求14所述的涡轮机，其中，所述安全控制器执行跳闸逻辑。
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