ES2833284T3 - Sistema de accionamiento y método para accionar una carga con una turbina de gas - Google Patents

Sistema de accionamiento y método para accionar una carga con una turbina de gas Download PDF

Info

Publication number
ES2833284T3
ES2833284T3 ES13811921T ES13811921T ES2833284T3 ES 2833284 T3 ES2833284 T3 ES 2833284T3 ES 13811921 T ES13811921 T ES 13811921T ES 13811921 T ES13811921 T ES 13811921T ES 2833284 T3 ES2833284 T3 ES 2833284T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
generator
gas
turbine
electric motor
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES13811921T
Other languages
English (en)
Inventor
Marco Santini
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nuovo Pignone SpA
Nuovo Pignone SRL
Original Assignee
Nuovo Pignone SpA
Nuovo Pignone SRL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=47748701&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=ES2833284(T3) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Nuovo Pignone SpA, Nuovo Pignone SRL filed Critical Nuovo Pignone SpA
Application granted granted Critical
Publication of ES2833284T3 publication Critical patent/ES2833284T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/045—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor having compressor and turbine passages in a single rotor-module
    • F02C3/05—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor having compressor and turbine passages in a single rotor-module the compressor and the turbine being of the radial flow type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/10—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor with another turbine driving an output shaft but not driving the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26—Starting; Ignition
    • F02C7/268—Starting drives for the rotor, acting directly on the rotor of the gas turbine to be started
    • F02C7/275—Mechanical drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • F02C9/20—Control of working fluid flow by throttling; by adjusting vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/28—Regulating systems responsive to plant or ambient parameters, e.g. temperature, pressure, rotor speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/48—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant
    • F02C9/56—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with power transmission control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/005—Adaptations for refrigeration plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26—Starting; Ignition
    • F02C7/268—Starting drives for the rotor, acting directly on the rotor of the gas turbine to be started
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/40—Transmission of power
    • F05D2260/402—Transmission of power through friction drives
    • F05D2260/4023—Transmission of power through friction drives through a friction clutch

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

Un sistema (1) de accionamiento para accionar una carga, comprendiendo el sistema de accionamiento: una turbina (3) de gas que comprende: un generador (5) de gas que tiene un rotor de generador de gas y que comprende al menos un compresor (9) de generador de gas y una turbina (11) de alta presión que acciona dicho compresor (9) de generador de gas; y una turbina (7) de potencia que tiene un rotor (7R) de turbina de potencia, siendo dicho rotor (7R) de turbina de potencia torsionalmente independiente de dicho rotor de generador de gas; un acoplamiento de carga que conecta el rotor de turbina de potencia a la carga (21); un motor/generador eléctrico (23) conectado mecánicamente al rotor de generador de gas y conectado eléctricamente a una red (G) de potencia eléctrica; en donde dicho motor/generador eléctrico (23) está adaptado para funcionar de forma alternativa: como un generador para convertir energía mecánica procedente de dicha turbina (3) de gas en energía eléctrica; y como un motor para suministrar energía adicional de accionamiento a la carga (21); una disposición de acondicionamiento de flujo, dispuesta y controlada para modificar un flujo de gas de combustión a través de la turbina (3) de gas; en donde dicha disposición de acondicionamiento de flujo comprende un conjunto de álabes (15) de guía de tobera móviles en la entrada de la turbina (7) de potencia para controlar la velocidad de la turbina (7) de potencia.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de accionamiento y método para accionar una carga con una turbina de gas
Campo de la invención
El objeto descrito en la presente memoria se refiere a mejoras en sistemas de turbina de gas utilizados en aplicaciones de accionamiento mecánico. En particular, pero no de forma exclusiva, la descripción se refiere a sistemas de turbina de gas para accionar compresores, por ejemplo, compresores para fluidos refrigerantes en instalaciones de gas natural licuado.
La descripción se refiere además a mejoras en métodos para operar un sistema que comprende una turbina de gas y una carga, por ejemplo, un compresor para LNG, o para aplicaciones de petróleo y gas, una bomba u otro equipo rotatorio.
Descripción de la técnica relacionada
El documento EP 1712 761 A2 describe un motor de turbina de gas de dos ejes con acoplamiento eléctrico.
El documento US-2006/0150633 A1 describe un motor de turbina de gas de dos bobinas.
El Liquefied Natural Gas (Gas Natural Licuado - LNG) resulta de un proceso de licuefacción, en el cual el gas natural se enfría utilizando uno o más ciclos de refrigeración en una disposición en cascada, hasta que se vuelve líquido. El gas natural se licua con frecuencia para fines de almacenamiento o transporte, por ejemplo, si el transporte por tuberías no es posible o es económicamente inviable.
El enfriamiento del gas natural se realiza utilizando ciclos de refrigeración cerrados o abiertos. Un refrigerante se procesa en un compresor o compresores, se condensa y se expande. El refrigerante enfriado expandido se utiliza para extraer calor del gas natural que fluye en un intercambiador de calor.
Los compresores de refrigerante en LNG, los compresores para aplicaciones de oleoductos u otros equipos rotatorios para aplicaciones en la industria del petróleo y el gas, están accionados frecuentemente por turbinas de gas. La disponibilidad de potencia de turbina de gas (es decir, la potencia disponible en el eje de potencia de turbina) depende de las condiciones ambientales, por ejemplo, la temperatura del aire, y otros factores, tales como envejecimiento. La disponibilidad de potencia de turbina aumenta con la disminución de las temperaturas y, a la inversa, disminuye con el aumento de las temperaturas. Esto provoca fluctuaciones de disponibilidad de potencia tanto en 24 horas como durante el año, debido a fluctuaciones de temperatura diarias y estacionales.
Se ha sugerido proporcionar un motor eléctrico, en combinación con una turbina de gas, para accionar una carga, que comprenda, por ejemplo, uno o más compresores. El motor eléctrico funciona para proporcionar energía mecánica adicional a la carga, para mantener constante la energía mecánica general sobre el eje de carga, cuando disminuye la disponibilidad de potencia de la turbina y/o para aumentar la energía mecánica total utilizada para accionar la carga. Esta función del motor eléctrico se denomina tarea auxiliar. El mismo motor eléctrico se utiliza normalmente también como un motor de arranque para acelerar la cadena formada por la turbina de gas y la carga de cero a la velocidad nominal.
Cuando la turbina genera un exceso de potencia mecánica, por ejemplo, si la temperatura ambiente cae por debajo de la temperatura de diseño y con el consiguiente aumento de disponibilidad de potencia de la turbina, la energía mecánica excesiva generada por la turbina de gas se convierte a energía eléctrica, utilizando el motor eléctrico auxiliar como generador.
La Fig. 1 ilustra esquemáticamente un sistema que comprende una turbina de gas dispuesta para aplicaciones de accionamiento mecánico, es decir, para accionar una carga distinta de un generador eléctrico, en particular, para accionar un compresor o tren de compresores. El sistema 101 comprende una turbina 103 de gas. La turbina de gas comprende, a su vez, un generador 105 de gas y una turbina 107 de potencia. El generador 105 de gas comprende un compresor 109 y una turbina 111 de alta presión. El generador 105 de gas comprende un rotor de generador de gas que incluye el rotor 109R del compresor 109 y el rotor 111R de la turbina 111 de alta presión. El rotor 109R del compresor 109 y el rotor 111R de la turbina 111 de alta presión están montados en un eje común y juntos forman un rotor de generador de gas.
El compresor 109 comprime aire ambiental, que se suministra a una cámara de combustión o combustor 113, en donde el aire comprimido se mezcla con un combustible líquido o gaseoso y la mezcla de combustible/aire se enciende para generar gas de combustión. El gas de combustión a alta temperatura y a alta presión se expande parcialmente en la turbina 111 de alta presión. La energía mecánica generada por la expansión de gas en la turbina 111 de alta presión se utiliza para accionar el compresor 109.
El gas caliente y parcialmente expandido que sale de la turbina 111 de alta presión fluye a través de la turbina de potencia o turbina 107 de baja presión. El gas de combustión se expande en la turbina 107 de potencia para generar energía mecánica disponible en un eje 115 de acoplamiento de carga. La energía disponible en el eje 115 de acoplamiento de carga se utiliza para accionar la rotación de una carga marcada globalmente como 117. La carga 117 puede comprender un compresor o un tren de compresores, por ejemplo. En la realización de la Fig. 1, la carga 117 comprende un compresor doble 117A, 117B.
El rotor de la turbina 107 de potencia está separado mecánicamente del, es decir, no está acoplado torsionalmente al, rotor de generador de gas formado por el rotor 109R de compresor y el rotor 111R de turbina de alta presión.
El rotor de generador de gas está conectado a través de un eje 119 a un engranaje 121 de reducción auxiliar. El engranaje 121 de reducción auxiliar tiene un eje 123 de entrada que está conectado mecánicamente a un motor eléctrico 125 que funciona como un motor de arranque. Un convertidor 127 de par y, opcionalmente, un embrague 129, están dispuestos entre el motor 125 de arranque y el eje 123 de entrada del engranaje 121 de reducción auxiliar.
El motor 125 de arranque está conectado a una red de distribución de energía eléctrica que se muestra esquemáticamente en G.
El motor eléctrico o motor 125 de arranque se utiliza para arrancar la turbina 103 de gas. El arranque se realiza proporcionando energía al motor eléctrico 125 y accionando la rotación a una velocidad de rotación gradualmente creciente del rotor de generador de gas a través del convertidor 127 de par. Una vez que ha fluido aire suficiente a través del compresor 109, el generador de gas puede encenderse suministrando combustible al combustor 113. Los gases de combustión se transportan a través de la turbina 107 de potencia y la turbina 103 de gas empieza a rotar la carga 117. El convertidor 127 de par permite una aceleración gradual de la turbina 103 de gas mientras el motor eléctrico 125 rota a velocidad constante según la frecuencia de la red.
El número 131 de referencia indica un motor eléctrico, que funciona como un auxiliar y está dispuesto en el extremo de la cadena que comprende la turbina 103 de gas y la carga 117, opuesta al motor eléctrico 125. El auxiliar 131 convierte energía eléctrica en energía mecánica para accionar la carga 117 en combinación con la turbina 103 de gas, por ejemplo, cuando cae la energía disponible de la turbina 103 de gas, por ejemplo, debido a un aumento de la temperatura ambiente.
El sistema 101 es complejo y ocupa una gran superficie.
Resumen de la invención
La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
El objeto descrito en la presente memoria proporciona un sistema híbrido, en donde se combina una turbina de gas de doble eje con una máquina eléctrica reversible que puede conmutarse a un modo de motor o a un modo de generador. Cuando se conmuta al modo de motor, la máquina eléctrica reversible puede proporcionar un servicio auxiliar o un servicio de motor de arranque, dependiendo de las condiciones operativas del sistema de turbina de gas. Cuando se conmuta a modo de generador, la máquina eléctrica reversible puede convertir energía mecánica disponible, producida al quemar un combustible mezclado en un flujo de aire comprimido, a energía eléctrica. La energía eléctrica puede suministrarse a una red de distribución de energía eléctrica. En algunas realizaciones o en algunas condiciones, por ejemplo, en caso de pérdida o falta de una red de distribución de energía eléctrica, el generador puede suministrar energía eléctrica para las instalaciones y dispositivos auxiliares del sistema que comprenden la turbina de gas y la carga accionada de este modo.
La turbina de gas comprende un generador de gas con un compresor de generador de gas, una cámara de combustión y una turbina de alta presión. Los gases de combustión desde el combustor se suministran a través de la turbina de alta presión para producir energía mecánica, que se utiliza para accionar el compresor de generador de gas. El aire tomado y comprimido por el compresor de generador de gas se suministra al combustor, se mezcla con un flujo de combustible y se enciende para generar el flujo de gas de combustión. El flujo de gas de combustión parcialmente expandido se expande adicionalmente en la turbina de potencia, para accionar la carga. La turbina de potencia tiene un rotor de potencia montado para su rotación en un eje de turbina de potencia, que es mecánicamente independiente del rotor del generador de gas. La máquina eléctrica reversible, es decir, el motor/generador eléctrico, se limita mecánicamente o puede conectarse al rotor de generador de gas, mientras que la carga se limita mecánicamente a través de un acoplamiento de carga o similar al eje de turbina de potencia. Cuando el motor/generador eléctrico funciona como un motor, es decir, proporciona un servicio auxiliar, la energía procedente del motor/generador eléctrico se transfiere de forma termodinámica a la turbina de potencia, como se explicará con más detalle posteriormente en la presente descripción, haciéndose referencia a algunas realizaciones del objeto descrito en la presente memoria. En cambio, si el motor/generador eléctrico se conmuta al modo de generador, se obtiene de nuevo de forma termodinámica una reducción de la transferencia de potencia desde la turbina de alta presión a la turbina de potencia.
Por lo tanto, se proporciona un sistema de accionamiento según la reivindicación 1 para accionar una carga, que comprende una turbina de gas que comprende: un generador de gas que tiene un rotor de generador de gas y que comprende al menos un compresor de generador de gas y una turbina de alta presión que acciona el compresor de generador de gas; y una turbina de potencia que tiene un rotor de turbina de potencia, que es torsionalmente independiente de dicho rotor de generador de gas. Torsionalmente independiente significa que el rotor de turbina de potencia y el rotor de generador de gas pueden rotar a diferentes velocidades de rotación y están construidos y dispuestos en elementos mecánicamente separados, transfiriéndose de forma termodinámica la energía procedente del generador de gas a la turbina de potencia, a través del flujo de gas de combustión. El sistema de accionamiento comprende además un acoplamiento de carga que conecta el rotor de turbina de potencia a la carga y un motor/generador eléctrico conectado mecánicamente al rotor de generador de gas y conectado eléctricamente a una red de potencia eléctrica. El motor/generador eléctrico está adaptado para funcionar de forma alternativa: como un generador para convertir energía mecánica procedente de dicha turbina de gas en energía eléctrica; y como un motor para suministrar energía de adicional a la carga, es decir, como auxiliar.
En algunas realizaciones, el motor/generador eléctrico puede funcionar en el modo de motor para arrancar la turbina de gas. Por lo tanto, puede prescindirse de un motor de arranque separado.
Puede proporcionarse un convertidor de frecuencia entre el generador/motor eléctrico y la red de energía eléctrica. El convertidor de frecuencia permite que el motor/generador eléctrico rote a una velocidad que es independiente de la frecuencia de la energía eléctrica. Se utiliza una frecuencia operativa variable, por ejemplo, para acelerar gradualmente la turbina de gas en el arranque, de modo que no sea necesario un convertidor de par. El convertidor de frecuencia se utiliza además para acondicionar la energía eléctrica generada por el motor/generador eléctrico cuando este último funciona en el modo de generador y genera energía eléctrica a una frecuencia distinta de la frecuencia de la red.
La turbina de gas está provista de una disposición de acondicionamiento de flujo, dispuesta y controlada para modificar un flujo de aire o gas de combustión a través de la turbina de gas. Una disposición de acondicionamiento de flujo es una que sea capaz de modificar el flujo de una corriente gaseosa a través de la turbina de gas, por ejemplo, modificando la sección transversal en la entrada de una turbomáquina. En particular, el acondicionamiento de flujo comprende álabes de guía de tobera móviles en la entrada de la turbina de potencia. Los álabes de guía de tobera móviles se controlan para modificar la sección transversal del flujo y, por lo tanto, las condiciones de presión entre la turbina de alta presión y la turbina de potencia. La acción sobre los álabes de guía de tobera móviles provoca una modificación en la caída de entalpía realizada por el gas de combustión en la turbina de alta presión y, por lo tanto, en la entalpía disponible en la entrada de la turbina de potencia.
En algunas realizaciones adicionales, la disposición de acondicionamiento de flujo puede comprender álabes de guía de entrada móviles en la entrada del compresor de generador de gas, para modificar la condición de entrada del aire tomado por el compresor de generador de gas.
Según un aspecto adicional, el objeto descrito en la presente memoria se refiere a un método según la reivindicación 15 para accionar una carga con una turbina de gas, comprendiendo dicho método las etapas de:
comprimir aire de combustión en un compresor de generador de gas que tenga un rotor de generador de gas, mezclar el aire de combustión con un combustible, encender una mezcla de aire/combustible y generar gas de combustión comprimido;
expandir parcialmente el gas de combustión en una turbina de alta presión y generar energía mecánica para accionar el compresor de generador de gas;
expandir adicionalmente el gas de combustión en una turbina de potencia que tiene un eje de turbina de potencia, que está desconectado torsionalmente de la turbina de alta presión;
accionar una carga con el eje de turbina de potencia;
conectar mecánicamente un motor/generador eléctrico al rotor de generador de gas y conectar eléctricamente dicho motor/generador eléctrico a una red de energía eléctrica;
operar el motor/generador eléctrico de forma selectiva:
- en un modo de motor (es decir, como un auxiliar) para convertir energía eléctrica en energía mecánica suplementaria, suministrar la energía mecánica adicional al rotor de generador de gas, transfiriendo de forma termodinámica energía adicional a la turbina de potencia y convirtiendo la energía adicional en energía mecánica para accionar la carga;
- en un modo de generador para convertir energía mecánica disponible del rotor de generador de gas en energía eléctrica;
- proporcionar una disposición de acondicionamiento de flujo que comprende un conjunto de álabes de guía de tobera móviles en la entrada de la turbina de potencia para modificar un flujo de gas de combustión a través de la turbina de potencia para, de forma selectiva:
- disminuir la energía transferida desde el generador de gas a la turbina de potencia y convertir energía mecánica disponible de la turbina de alta presión en energía eléctrica; o
- aumentar la energía transferida desde el generador de gas a la turbina de potencia, cuando dicho motor/generador eléctrico funciona como un motor y proporciona energía mecánica adicional al rotor de generador de gas.
Las características y realizaciones se desvelan a continuación y se explican además en las reivindicaciones adjuntas, que forman parte integrante de la presente descripción. La breve descripción anterior explica características de las diversas realizaciones de la presente invención con el fin de que la siguiente descripción detallada pueda entenderse mejor y de que las presentes contribuciones a la técnica puedan apreciarse mejor. Evidentemente, hay otras características de la invención que se describirán a continuación y que se explicarán en las reivindicaciones adjuntas. En este sentido, antes de explicar diversas realizaciones de la invención en detalle, se entiende que las diversas realizaciones de la invención no se limitan en su aplicación a los detalles de la construcción y a las disposiciones de los componentes explicados en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. La invención es susceptible de otras realizaciones y de practicarse y llevarse a cabo de diversas maneras. Además, se entenderá que la fraseología y terminología empleadas en este documento tienen fines descriptivos y no se interpretarán como limitativas.
Como tal, los expertos en la técnica apreciarán que la concepción, en la que se basa la divulgación, puede utilizarse fácilmente como base para diseñar otras estructuras, métodos y/o sistemas para llevar a cabo los diversos objetos de la presente invención. Por lo tanto, es importante considerar que las reivindicaciones incluyen estas estructuras equivalentes, siempre que las mismas no se aparten del alcance de la presente invención.
Breve descripción de los dibujos
Una apreciación más completa de las realizaciones desveladas de la invención y muchas de sus ventajas relacionadas se obtendrá fácilmente a medida que la misma se entienda mejor por referencia a la siguiente descripción detallada al considerarse en relación con los dibujos adjuntos, en donde:
La Fig. 1 ilustra una disposición de turbina de gas según la técnica anterior;
las Figs. 2 y 3 ilustran dos disposiciones de turbina de gas según la presente descripción.
Descripción detallada de realizaciones de la invención
La siguiente descripción detallada de las realizaciones ejemplares se refiere a los dibujos adjuntos. Los mismos números de referencia en diferentes dibujos identifican elementos idénticos o similares. De manera adicional, los dibujos no están necesariamente dibujados a escala. Además, la siguiente descripción detallada no limita la invención. En lugar de ello, el alcance de la invención queda definido por las reivindicaciones adjuntas.
En la memoria descriptiva, las referencias a “una realización” o “algunas realizaciones” significan que un elemento, estructura o característica particular descrito en relación con una realización está incluido en al menos una realización del objeto descrito. Por lo tanto, la utilización de la expresión “en una realización” o “en algunas realizaciones” en varias partes de la memoria descriptiva no se refiere necesariamente a la misma realización o realizaciones. Además, los elementos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier forma adecuada en una o más realizaciones.
La Fig. 2 ilustra una primera realización del objeto descrito en la presente memoria. Un sistema 1 de accionamiento mecánico comprende una turbina 3 de gas. La turbina 3 de gas comprende un generador 5 de gas y una turbina de potencia o turbina 7 de baja presión. El generador 5 de gas puede comprender un compresor 9 de generador de gas y una turbina 11 de alta presión. El rotor de compresor se muestra esquemáticamente en 9R y el rotor de turbina de alta presión se muestra en 11R. Los rotores 9R y 11R están montados sobre un eje común 6 y juntos forman un rotor 5R de generador de gas.
El compresor 9 de generador de gas comprime aire procedente del ambiente, que se suministra a un combustor 13. En el combustor 13 se añade combustible al flujo de aire y se forma y se enciende una mezcla de combustible/aire. El gas de combustión generado en el combustor se suministra a la turbina 11 de alta presión y se expande parcialmente en la misma, generando energía mecánica. La energía mecánica generada por la turbina 11 de alta presión se utiliza para accionar el compresor 9 de generador de gas.
El gas de combustión parcialmente expandido fluye a través de la turbina 7 de potencia, en donde se expande adicionalmente para generar energía mecánica adicional. En la realización ilustrada en la Fig. 2, la turbina 7 de potencia comprende álabes de guía de tobera móviles que se muestran esquemáticamente en 15. Los álabes 15 de guía de tobera móviles pueden utilizarse para modificar las condiciones de flujo del gas de combustión que entra en la turbina 7 de potencia. En algunas realizaciones, los álabes 15 de guía de tobera móviles pueden utilizarse para modificar la sección de flujo de gas de combustión, aumentando o disminuyendo de este modo la presión en la salida de la turbina 11 de alta presión. Aumentar la presión de gas en la salida de la turbina 11 de alta presión reduce la caída de entalpía a través de la turbina 11 de alta presión. Por lo tanto, hay disponible una caída de entalpía más alta a través de la turbina 7 de potencia, lo que puede producir más energía mecánica, que estará disponible en el eje de salida de turbina. Como se aclarará más adelante, regulando los álabes 15 de guía de tobera móviles, puede ajustarse la velocidad de rotación del rotor 5R de generador de gas y puede modularse la cantidad de potencia disponible en el eje de salida de la turbina 7 de potencia. La turbina 7 de potencia comprende un rotor 7R de turbina de potencia montado en un eje 17 de turbina de potencia, que es torsionalmente independiente del eje 6 del generador 5 de gas, es decir, el eje 17 de turbina de potencia rota independientemente del eje 6 del eje 5R de generador de gas.
El eje 17 de turbina de potencia está conectado, a través de un eje 19 de acoplamiento de carga, a una carga que se muestra de forma general en 21, la rotación de la cual es accionada por la energía disponible en el eje 17 de turbina de potencia y generada por la expansión de gas en la turbina 7 de potencia. En algunas realizaciones, la carga 21 puede incluir uno o más compresores, por ejemplo, dos compresores 21 A, 21B como se muestra a modo de ejemplo en la realización de la Fig. 2.
En la realización mostrada en la Fig. 2 se proporciona un acoplamiento directo entre el eje 17 de turbina de potencia y el eje 19 de acoplamiento de carga. Por lo tanto, la carga rota a la misma velocidad de rotación que la turbina de potencia. Pueden disponerse una o más juntas entre la turbina 7 de potencia y la carga 21, por ejemplo, una o más juntas flexibles, para regular las diferencias angulares y/o para compensar la expansión térmica del acoplamiento. En otras realizaciones no mostradas, puede disponerse un sistema de manipulación de velocidad, tal como un engranaje, entre la turbina 7 de potencia y la carga 21, por ejemplo, cuando la turbina 7 de potencia y la carga 21 rotan a diferentes velocidades de rotación.
El extremo frío de la turbina de gas, es decir, el extremo opuesto de la turbina 7 de potencia, está conectado a una máquina eléctrica reversible, es decir, una máquina eléctrica que puede funcionar de forma selectiva como un generador eléctrico o un motor eléctrico. En la presente descripción se hará referencia a la máquina eléctrica reversible como un motor/generador eléctrico 23.
El motor/generador eléctrico 23 puede estar conectado eléctricamente a una red de distribución de potencia eléctrica, que se muestra esquemáticamente en G. Preferentemente, el motor/generador eléctrico 23 se combina con una unidad de acondicionamiento de potencia eléctrica, por ejemplo, una unidad 25 de accionamiento de frecuencia variable. Para los fines que quedarán más claros más adelante, la unidad 25 de accionamiento de frecuencia variable permite que el motor/generador eléctrico 23 rote a una velocidad que es independiente de la frecuencia eléctrica en la red G, de modo que el motor/generador eléctrico 23 pueda utilizarse para arrancar la turbina 3 de potencia y/o para proporcionar energía mecánica adicional al sistema 1, por ejemplo, cuando la energía disponible de la turbina 3 de gas cae, permitiendo que la turbina de gas rote a una velocidad que es independiente de la frecuencia de la red. La misma unidad de accionamiento de frecuencia variable también permite que el motor/generador eléctrico opere en el modo de generador y suministre energía eléctrica a la red, rotando el motor/generador eléctrico 23 a una velocidad distinta de la frecuencia de la red e independiente de la misma.
En un caso particular, el sistema 1 de accionamiento podría comprender un generador eléctrico 23 que tiene una velocidad de rotación constante. En este caso, el generador eléctrico 23 necesita rotar a una velocidad sustancialmente constante para suministrar energía eléctrica a la red con la frecuencia de la red. En esta configuración no se requiere un VFD (variable frequency driver [unidad de accionamiento de frecuencia variable]).
Puesto que es deseable una velocidad de rotación sustancialmente constante del generador eléctrico 23, la energía suministrada en el eje 6 necesita regularse correctamente.
Los álabes 15 de guía de tobera móviles de la turbina 7 de potencia permiten un ajuste constante de la caída de entalpía en la turbina 11 de alta presión, regulando en consecuencia la velocidad de rotación del eje 6 y la velocidad del generador eléctrico 23 que podría mantenerse sustancialmente constante.
Entre el eje 6 del generador 5 de gas y el motor/generador eléctrico 23 puede proporcionarse un engranaje auxiliar 27. El engranaje 27 puede utilizarse para accionar una o más instalaciones auxiliares, tales como bombas de aceite lubricante y similares, combinadas con la turbina 3 de gas. En otras realizaciones, el engranaje 27 puede omitirse y puede proporcionarse un accionamiento directo entre el generador de motor/generador eléctrico 23 y el generador 5 de gas.
En algunas realizaciones, puede intercalarse un embrague 29 entre el motor/generador eléctrico 23 y el engranaje auxiliar 27. En otras realizaciones, el embrague 29 puede disponerse entre el engranaje 27 y el eje 6 del generador 5 de gas. Si no se proporciona un engranaje, puede disponerse un embrague 29 entre el motor/generador eléctrico 23 y el eje 6 del generador 5 de gas.
El funcionamiento del sistema descrito hasta ahora es el siguiente.
Para arrancar el sistema, el motor/generador eléctrico 23 se conmuta al modo de motor y se proporciona energía para funcionar como un motor de arranque. A través de la unidad 25 de accionamiento de frecuencia variable, el motor/generador eléctrico 23 se alimenta con una frecuencia eléctrica gradualmente creciente, de modo que la velocidad de rotación del motor/generador 23 pueda acelerar. El embrague 29 transmite la rotación del eje de motor/generador eléctrico 23A al engranaje auxiliar 27 y al rotor 5R de generador de gas.
Cuando ha se logrado un caudal de aire suficiente en la salida del compresor 9 de generador de gas, puede encenderse el combustor 13 y el generador 5 de gas comienza a funcionar. Un flujo de gas de combustión presurizado caliente se forma en el combustor 13 y se suministra a través de la turbina 11 de alta presión, que asume gradualmente la tarea de rotación del compresor 9 de generador de gas y a través de la turbina 7 de potencia.
El accionamiento del generador 5 de gas finalmente es asumido totalmente por la turbina 11 de alta presión y la turbina 7 de potencia se acelera gradualmente, accionando la rotación de la carga 21.
Cuando la turbina 1 de gas ha alcanzado una condición de estado estacionario, el motor/generador eléctrico 23 puede establecerse en una condición no operativa y puede accionarse su rotación libre (giro libre) si no se proporciona un embrague entre el motor/generador eléctrico 23 y la turbina 3 de gas. De forma alternativa, si se proporciona un embrague 29, el motor/generador eléctrico 23 puede permanecer estacionario. La turbina 3 de gas proporciona energía suficiente para accionar la carga 21. Sin embargo, como será evidente a partir de la siguiente descripción, en algunas situaciones, puede ser necesario que el motor/generador eléctrico 23 proporcione energía adicional a la turbina de gas. El motor/generador eléctrico conmutará al modo de motor y funcionará como auxiliar (en lo que se denomina servicio auxiliar). En algunas otras situaciones, puede ser necesario que el motor/generador eléctrico 23 absorba energía mecánica disponible de la turbina de gas para generar energía eléctrica. El motor/generador eléctrico 23 conmutará entonces al modo de generador.
Más específicamente, el funcionamiento del motor/generador eléctrico 23 como auxiliar puede ser necesario, por ejemplo, cuando la energía generada por la turbina 3 de potencia y que está disponible en el eje 17 de turbina de potencia es insuficiente para accionar la carga 21 a la velocidad requerida. El motor/generador eléctrico 23 puede funcionar en el modo de motor también en otras situaciones, por ejemplo, para ahorrar combustible y utilizar energía eléctrica en vez. Esto puede ser útil, por ejemplo, durante la noche, cuando el coste de la energía eléctrica disponible de la red G de distribución eléctrica sea inferior al coste del combustible.
Y al revés, el motor/generador eléctrico 23 puede conmutar al modo de generador, por ejemplo, en caso de pérdida de red, es decir, cuando no hay disponible energía eléctrica procedente de la red G de distribución de energía eléctrica. En este caso, el motor/generador eléctrico 23 proporcionará energía eléctrica para alimentar el sistema y cualquier otra instalación o unidad auxiliar asociada al mismo.
En algunas realizaciones, el motor/generador eléctrico 23 puede ajustarse para funcionar en modo de generador también si la energía disponible de la turbina de gas excede a la energía requerida para accionar la carga y, por ejemplo, el coste de la energía eléctrica es más alto que el coste del combustible, por ejemplo, durante las horas punta, de modo que producir energía eléctrica por medio de combustible fósil (líquido o gaseoso) y vender la energía eléctrica producida se vuelve económicamente ventajoso. En algunas circunstancias, el motor/generador eléctrico 23 puede conmutar al modo de generador también para corregir el factor de potencia.
Puede proporcionarse un controlador electrónico 31 de turbina de gas para controlar el sistema 1 en los diversos y distintos modos de funcionamiento.
Varios factores pueden modificar las condiciones operativas del sistema 1, haciendo que haya disponible un excedente de potencia procedente de la turbina 3 de gas o que se requiera energía adicional para accionar la carga 21. Por ejemplo, si la carga 21 comprende uno o más compresores, el flujo de gas a través de los compresores puede fluctuar, provocando por tanto una fluctuación en la energía requerida para accionar la carga.
Las condiciones ambientales, en particular, la temperatura ambiente, pueden modificar las condiciones operativas de la turbina 3 de gas. El aumento de la temperatura ambiente reduce la energía disponible en el eje 17 de turbina de potencia de la turbina 7 de potencia. En cambio, una caída en la temperatura ambiente provoca un aumento en la disponibilidad de la salida de la turbina 3 de gas.
Cuando el motor/generador eléctrico funciona en el modo de generador, la unidad 25 de accionamiento de frecuencia variable permite que el motor/generador eléctrico 23 rote a una frecuencia no síncrona con la frecuencia de la red de distribución de potencia eléctrica G. La energía eléctrica generada por el generador 23 estará entonces condicionada por la unidad 25 de accionamiento de frecuencia variable, de modo que la energía eléctrica suministrada a la red de distribución de potencia eléctrica G será idéntica a la frecuencia de la red. Cuando el motor/generador eléctrico 23 funciona en el modo de motor, la unidad 25 de accionamiento de frecuencia variable permite que el motor rote a la velocidad requerida, correspondiente a la velocidad de rotación del rotor de generador de gas R, siendo dicha velocidad independiente de la frecuencia eléctrica de la red de distribución de potencia eléctrica G. Por lo tanto, la velocidad de rotación del generador de gas se vuelve independiente de la frecuencia de la red.
Para una mejor comprensión del funcionamiento del sistema descrito hasta ahora, se describirán a continuación varios ejemplos de condiciones operativas.
El sistema se controla habitualmente en función de una señal proporcionada por un controlador 30 de carga. El controlador 30 de carga genera una señal de control, que se suministra al controlador 31 de turbina de gas. En algunas realizaciones, el controlador 30 de carga proporciona una señal de velocidad, es decir, una señal correspondiente a la velocidad de rotación, a la que se requiere que rote la carga 21. La señal de velocidad puede expresarse en términos de porcentaje de la velocidad nominal del eje 17 de turbina de potencia. Partiendo de una condición de estado estacionario, con la turbina 7 de potencia funcionando, por ejemplo, a un 95 % de su velocidad nominal, si se requiere un caudal más alto a través de los compresores 21A, 21B, el controlador 30 de carga suministrará al controlador 31 de turbina una señal que requiere una aceleración del eje 17 de turbina de potencia, por ejemplo, al 100 % de la velocidad de rotación nominal de la turbina 7 de potencia. El controlador 31 de turbina de gas aumentará el caudal de combustible hasta que se haya logrado la velocidad de rotación solicitada. El caudal de combustible adicional genera más energía, que se utiliza para procesar un caudal de fluido más alto en el compresor 21.
Aunque la velocidad de rotación solicitada esté dentro del intervalo que puede alcanzar la turbina de gas (que puede funcionar, por ejemplo, entre un 50 % y un 105 % de la velocidad de rotación nominal), en algunas condiciones operativas, la energía disponible en el eje 17 de turbina de potencia puede ser insuficiente para lograr la velocidad de rotación requerida. Por ejemplo, si la temperatura ambiente es más alta que el valor de la temperatura de diseño, la turbina no podrá alcanzar la potencia de diseño máxima.
La potencia máxima disponible en el eje 17 de turbina de potencia se alcanza cuando la temperatura de los gases de escape, es decir, la temperatura en la salida de turbina de potencia, alcanza un punto fijado de temperatura máxima. En algunas realizaciones, el controlador 31 de turbina de gas puede interconectarse con un sensor 32 de temperatura de gases de escape. Si se alcanza la temperatura de gas de escape máxima y no se ha alcanzado la velocidad de rotación solicitada (por ejemplo, un 100 % de la velocidad nominal en el presente ejemplo), el controlador 31 de turbina de gas determina que la energía disponible de la turbina 3 de gas es insuficiente para accionar la carga a la velocidad de rotación requerida por el controlador 30 de carga. El motor/generador eléctrico 23 debe conmutarse a modo de motor y proporcionar energía adicional para accionar la carga. Esto puede realizarse automáticamente, es decir, bajo el control exclusivo del controlador 31 de turbina de gas. En otras realizaciones, el controlador 31 de turbina de gas puede activar una solicitud para arrancar el motor/generador eléctrico 23, y un operario permitirá que el motor/generador eléctrico 23 funcione como auxiliar.
Una vez que el motor/generador eléctrico 23 ha arrancado, este convertirá energía eléctrica en energía mecánica disponible en el eje 6 del rotor 5R de generador de gas. Por lo tanto caerá el par resistivo en el eje 6 de rotor de generador de gas, y aumenta la velocidad del rotor 5R de generador de gas. Un sensor 33 de velocidad puede proporcionar una señal al controlador 31 de turbina de gas. Cuando la velocidad del rotor 5R de generador de gas aumenta, el controlador 31 de turbina de gas actuará sobre los álabes 15 de guía de tobera móviles reduciendo el área en sección transversal a través de la cual está fluyendo el gas, aumentando de este modo la presión en la salida de la turbina 11 de alta presión y, por tanto, en la entrada de la turbina 7 de potencia. La caída de entalpía a través de la turbina de alta presión disminuye, mientras que la caída de entalpía a través de la turbina 7 de potencia aumenta, haciendo que haya disponible más energía mecánica en el eje 17 de turbina de potencia. La mayor entalpía disponible en la entrada de la turbina 7 de potencia acelera el eje 17 de turbina de potencia y la carga 21 hasta que se logra y se mantiene la velocidad de rotación requerida.
El motor/generador eléctrico 23 que funciona en modo auxiliar proporciona por lo tanto energía mecánica adicional para accionar el compresor 9 de generador de gas, de modo que hay disponible más energía procedente del gas de combustión y que puede transferirse desde la turbina 11 de alta presión a la turbina 7 de potencia y facilitarse para accionar la carga 21.
Una situación adicional en la que no puede alcanzarse la velocidad de carga establecida puede deberse a una baja disponibilidad de combustible. En este caso, el motor/generador 23 funciona de nuevo en modo auxiliar, para proporcionar energía mecánica adicional al eje de turbina de alta presión 6, aumentando de este modo la caída de entalpía disponible a través de la turbina 7 de potencia. La energía procedente del gas de combustión se transfiere de la turbina de alta presión a la turbina de potencia, y se facilita para accionar la carga.
Siempre que el motor/generador 23 se haga funcionar en modo de motor para suministrar energía mecánica a la turbina de gas, la reducción del par resistivo en el rotor 5R de generador de gas desplaza la caída de entalpía disponible de la turbina 11 de alta presión a la turbina 7 de potencia.
Como se ha descrito anteriormente, en algunas condiciones, el modo de auxiliar puede activarse cuando no puede alcanzarse la velocidad de rotación solicitada utilizando únicamente la energía disponible de la turbina de gas, es decir, cuando el suministro de combustible alcanzó el valor máximo sin alcanzar la velocidad de rotación solicitada de la turbina de potencia. Sin embargo, en algunas circunstancias, el sistema 1 puede controlarse de modo que parte de la energía requerida para accionar la carga 21 sea suministrada por el motor/generador eléctrico que funciona en el modo auxiliar, limitando el caudal de combustible para ahorrar combustible, aun cuando la turbina de gas fuera capaz de proporcionar energía suficiente para accionar la carga por sí misma. Esto puede hacerse, por ejemplo, cuando el coste por unidad de potencia eléctrica es más bajo que el coste de la cantidad equivalente de combustible, por ejemplo, durante la noche. Puede ser económicamente ventajoso accionar la carga 21 en un modo híbrido, combinando energía eléctrica procedente del motor/generador eléctrico 23 funcionando en el modo de auxiliar, con energía mecánica generada por la turbina de gas, haciéndose funcionar la turbina a menos de su tasa de potencia máxima, con una cantidad reducida de combustible suministrada a la misma. El modo de funcionamiento del sistema sería el mismo que el descrito anteriormente, pero el motor/generador eléctrico se pondría en funcionamiento en el modo auxiliar (modo de motor) antes de que la temperatura de gas de combustión en la pila alcance el valor máximo de punto de ajuste.
Debido a que el sistema 1 de accionamiento comprende un motor eléctrico 23, el conjunto de álabes 15 de guía de tobera móviles permite impedir una velocidad excesiva peligrosa de la turbina 3 de gas. En particular, si la velocidad de rotación de la turbina 11 de alta presión está cerca de la velocidad operativa máxima y la turbina 7 de potencia necesita energía adicional, se corre el riesgo de que la intervención del motor eléctrico 23 sobrepase los límites físicos de la máquina, creando daños en la turbina de gas.
Para evitar una velocidad excesiva de la turbina 11 de alta presión, es posible mover los álabes 15 de guía de tobera móviles para regular la energía transferida a la turbina 7 de potencia. Al cerrar los álabes 15 de guía de tobera móviles, la energía se transfiere de la turbina 11 de alta presión a la turbina 7 de potencia. De este modo, la energía suministrada al sistema 1 de accionamiento por el motor eléctrico 23 no sobrecarga el eje de la turbina 11 de alta presión, sino que se transfiere a la turbina 7 de potencia. Si la energía disponible de la turbina de gas excede la energía requerida para accionar la carga 21, el motor/generador eléctrico 23 puede conmutar al modo de generador y ponerse en rotación aprovechando parte de la energía mecánica disponible procedente de la turbina de gas para producir energía eléctrica. Que el motor/generador eléctrico conmute al modo de generador para convertir parte de la energía mecánica disponible procedente de la turbina de gas en energía eléctrica o si simplemente se reduzca la energía de turbina de salida al reducir el caudal de combustible, depende, por ejemplo, de la conveniencia económica real de aprovechar combustible para generar energía eléctrica, o de si la red de distribución de potencia eléctrica no está disponible. Deberán tenerse en cuenta el efecto de la reducción de carga sobre la eficiencia de la turbina de gas y el efecto negativo potencial de la reducción de carga sobre la composición química del gas de combustión. Como es conocido por los expertos en la técnica, de hecho, hacer funcionar la turbina de gas por debajo del punto de diseño podría dar lugar a un aumento de emisiones perjudiciales.
Para mejorar el funcionamiento de la turbina de gas y/o para producir energía eléctrica útil en caso de realizar la carga una solicitud de potencia reducida, y/o para proporcionar energía eléctrica a la planta en caso de pérdida de red, el motor/generador eléctrico 23 puede funcionar en el modo de generador para generar la energía eléctrica.
Suponiendo que el motor/generador eléctrico 23 está conectado a la red de distribución de potencia eléctrica G y que la turbina de potencia está funcionando a una potencia inferior a la máxima nominal, la temperatura del gas de combustión estará por debajo del punto de ajuste de temperatura máxima. Esta situación indica que la turbina puede generar más energía que la realmente necesaria para accionar la carga 21. El motor/generador eléctrico 23 se conmuta al modo de generador y empieza a funcionar. El par resistivo en el eje 6 del rotor 5R de generador de gas aumenta y la velocidad de rotación del rotor 5R de generador de gas cae. La reducción de velocidad se detecta mediante un sensor 33 de velocidad de rotación. El controlador 31 de turbina de gas actúa sobre los álabes 15 de guía de tobera móviles para contrarrestar la caída de velocidad abriendo los álabes 15 de guía de tobera. Esto da lugar a que el gas de combustión realice una caída de entalpía más grande en la turbina 11 de alta presión. Por lo tanto, habrá menos energía disponible en el gas de combustión parcialmente expandido para accionar la turbina 7 de potencia. Es decir, se proporciona una distribución diferente de la caída de entalpía total disponible, desplazando parte de la caída de entalpía disponible de la turbina 7 de potencia a la turbina 11 de alta presión, superando de este modo el mayor par resistivo en el eje 6 del rotor 5R de generador de gas.
Por consiguiente, la velocidad de rotación de la turbina 7 de potencia y del eje 17 de salida disminuirá. La reducción de velocidad de rotación es detectada por el controlador 30 de carga, por ejemplo, a través de un sensor 34 de velocidad. La válvula 36 de combustible se abre para aumentar el caudal de combustible, contrarrestando de este modo la reducción de la velocidad de rotación de turbina de potencia, manteniendo la velocidad de rotación de carga requerida o llevando dicha velocidad de rotación de carga de vuelta al valor requerido. Este proceso se repite iterativamente, aumentando de este modo en cada etapa la potencia generada por el motor/generador eléctrico 23 y compensando la caída en la velocidad de la turbina de potencia aumentando el caudal de combustible. Este proceso puede repetirse hasta que se haya alcanzado la temperatura de escape máxima, o se haya alcanzado la capacidad máxima del motor/generador eléctrico 23, lo que suceda en primer lugar. El sistema se mantendrá entonces en esta condición operativa, haciendo funcionar la turbina 3 de gas a un nivel de potencia total más alto, convirtiendo el exceso de potencia mecánica a energía eléctrica. Al funcionar la turbina de gas más cerca del punto de diseño también se obtiene un consumo de combustible más eficiente y, potencialmente, una reducción de las emisiones nocivas.
En algunas realizaciones, el compresor 9 de generador de gas puede estar provisto de álabes de guía de entrada móviles. Estos últimos pueden controlarse para modular la sección transversal de entrada sobre la base de la temperatura ambiente y/o de la velocidad de rotación del compresor.
La Fig. 3 ilustra una realización adicional del objeto descrito en la presente memoria. Los mismos componentes, partes o elementos, o los equivalentes a los de la Fig. 2, se indican con los mismos números de referencia. El sistema 1 de accionamiento mecánico de la Fig. 3 comprende una turbina 3 de gas. La turbina 3 de gas comprende, a su vez, un generador 5 de gas y una turbina de potencia o turbina 7 de baja presión. En algunas realizaciones, el generador 5 de gas puede comprender un compresor 9 de generador de gas y una turbina 11 de alta presión. El rotor de compresor se muestra esquemáticamente en 9R y el rotor de turbina de alta presión se muestra en 11R. Los rotores 9R y 11R están montados sobre un eje común 6 y juntos forman un rotor 5R de generador de gas.
El compresor 9 de generador de gas está provisto de álabes de guía de entrada móviles que se muestran esquemáticamente en 16. Los álabes 16 de guía de entrada móviles pueden controlarse para modificar el caudal de entrada de aire dependiendo de las condiciones operativas de la turbina de gas y de la carga accionada por la misma, como se describirá con mayor detalle más adelante. A diferencia de la realización previamente descrita de la Fig. 2, la turbina 7 de potencia no está provista de álabes de guía de tobera móviles.
La turbina 3 de gas de la Fig. 3 puede ser, por ejemplo, una turbina de gas aeroderivativa, tal como una PGT25 o una PGT25+, comercializada por GE Oil & Gas, Florencia, Italia. En otras realizaciones, la turbina 3 de gas puede ser una turbina de gas pesada.
El compresor 9 de generador de gas toma y comprime aire procedente del ambiente. El aire comprimido se suministra a un combustor 13 y se mezcla con combustible. La mezcla combustible/aire formada en el combustor se enciende, para generar un flujo de gas de combustión, que se suministra a la turbina 11 de alta presión y se expande parcialmente en la misma, generando energía mecánica. La energía mecánica generada por la turbina 11 de alta presión se utiliza para accionar el compresor 9 de generador de gas.
El gas de combustión parcialmente expandido procedente de la turbina 11 de alta presión fluye a través de la turbina 7 de potencia, donde se expande adicionalmente y genera energía mecánica adicional para accionar una carga.
La turbina 7 de potencia comprende un rotor 7R de turbina de potencia montado en un eje 17 de turbina de potencia, que es torsionalmente independiente del eje 6 del generador 5 de gas, es decir, el eje 17 de turbina de potencia rota independientemente del eje 6 del eje 5R de generador de gas.
El eje 17 de turbina de potencia está conectado, a través de un eje 19 de acoplamiento de carga, a una carga que se muestra de forma general en 21, la rotación de la cual es accionada por la energía disponible en el eje 17 de turbina de potencia y generada por la expansión de gas en la turbina 7 de potencia. Puede haber dispuestos una o más juntas, embragues o dispositivos de manipulación de velocidad (no mostrados) entre la turbina 7 de potencia y la carga 21. En algunas realizaciones, la carga 21 puede incluir uno o más compresores, por ejemplo, dos compresores 21A, 21B como se muestra a modo de ejemplo en la realización de la Fig. 3.
El extremo frío de la turbina de gas puede conectarse a un motor/generador eléctrico 23. Este último puede estar conectado eléctricamente a una red de distribución de potencia eléctrica que se muestra esquemáticamente en G. El motor/generador eléctrico 23 puede combinarse con una unidad de acondicionamiento de potencia eléctrica, por ejemplo, una unidad 25 de accionamiento de frecuencia variable. La unidad 25 de acondicionamiento de potencia eléctrica permite que el motor/generador eléctrico 23 rote a una velocidad que es independiente de la frecuencia eléctrica en la red G por las razones mencionadas anteriormente en relación con la realización de la Fig. 2.
Entre el eje 6 del generador 5 de gas y el motor/generador eléctrico 23 puede proporcionarse un engranaje auxiliar 27. En otras realizaciones, el engranaje 27 puede omitirse y puede proporcionarse un accionamiento directo entre el generador de motor/generador eléctrico 23 y el generador 5 de gas. En algunas realizaciones, puede intercalarse un embrague 29 entre el motor/generador eléctrico 23 y el eje 6 del generador 5 de gas.
El arranque de la turbina 3 de gas puede realizarse como ya se ha descrito con respecto a la realización de la Fig. 2, utilizando el motor/generador eléctrico como un motor de arranque.
Durante el funcionamiento del sistema 1, en algunas condiciones, el motor/generador eléctrico 23 puede funcionar como un auxiliar. En este caso, el motor/generador eléctrico 23 conmutará al modo de motor para convertir energía eléctrica en energía mecánica y proporcionar energía mecánica adicional a la turbina 3 de gas. El funcionamiento del motor/generador eléctrico 23 en el modo de motor puede ser necesario, por ejemplo, cuando la energía generada por la turbina 3 de potencia y que está disponible en el eje 17 de turbina de potencia es insuficiente para accionar la carga 21 a la velocidad requerida. De forma similar a lo que se ha descrito en relación con la realización de la Fig. 2, el motor/generador eléctrico 23 también puede funcionar en modo de motor en otras situaciones, por ejemplo, para ahorrar combustible y en vez de ello utilizar energía eléctrica.
Y al revés, el motor/generador eléctrico 23 puede conmutar al modo de generador, por ejemplo, en caso de pérdida de red, es decir, cuando no hay disponible energía eléctrica procedente de la red G de distribución de potencia eléctrica. En este caso, el motor/generador eléctrico 23 proporcionará energía eléctrica para alimentar el sistema y cualquier otra instalación o unidad auxiliar asociada al mismo. El motor/generador eléctrico también puede funcionar en modo de generador en otras circunstancias, por ejemplo, para corregir el factor de potencia del sistema o, si no, para aumentar la carga total en la turbina de gas, reduciendo por tanto las emisiones nocivas y mejorando la eficacia de la turbina de gas, en situaciones en las que la carga 21 requiera energía reducida.
Para una mejor comprensión de la flexibilidad del sistema 1 de accionamiento para hacer frente a las diversas condiciones operativas posibles y para una comprensión más clara de la forma de controlar el sistema, se hará referencia posteriormente en la presente descripción a algunas situaciones típicas que pueden producirse durante el funcionamiento.
El sistema se controla habitualmente en función de una señal proporcionada por un controlador 30 de carga. El controlador 30 de carga genera una señal de control, que se suministra a un controlador 31 de turbina de gas. En algunas realizaciones, el controlador 30 de carga proporciona una señal de velocidad, es decir, una señal que es una función de la velocidad de rotación de carga requerida. Como ya se ha mencionado en relación con la realización de la Fig. 2, la señal de velocidad puede expresarse en términos de porcentaje de la velocidad nominal del eje 17 de turbina de potencia. Partiendo de una condición de estado estacionario, con la turbina 7 de potencia funcionando, por ejemplo, a un 95 % de su velocidad nominal, si se requiere un caudal más alto a través de los compresores 21 A, 21B, el controlador 30 de carga suministrará al controlador 31 de turbina una señal que requiere una aceleración del eje 17 de turbina de potencia, por ejemplo, al 100 % de la velocidad de rotación nominal de la turbina 7 de potencia. Un controlador 31 de turbina de gas aumentará el caudal de combustible hasta que se haya alcanzado la velocidad de rotación solicitada.
Como se ha indicado anteriormente con respecto a la realización de la Fig. 2, en algunas condiciones operativas, la energía disponible en el eje 17 de turbina de potencia puede ser insuficiente para lograr la velocidad de rotación requerida. Por ejemplo, si la temperatura ambiente es más alta que el valor de la temperatura de diseño, la turbina no podrá alcanzar la potencia de diseño máxima. Como se ha indicado anteriormente, la potencia máxima en el eje 17 de turbina de potencia se logra cuando la temperatura de gas de escape alcanza un punto de ajuste de temperatura máxima, que puede ser detectado por un sensor de temperatura de gas de escape, no mostrado en la Fig. 3, similar al sensor 32 de la Fig. 2. Si se alcanza la temperatura de gas de escape máxima y no se ha alcanzado la velocidad de rotación solicitada, el controlador 31 de turbina de gas determina que la potencia disponible de la turbina 3 de gas es insuficiente para accionar la carga 21. El motor/generador eléctrico 23 conmuta por lo tanto al modo de motor y proporciona energía adicional para accionar la carga 21.
Una vez que el motor/generador eléctrico 23 ha arrancado, este convertirá energía eléctrica en energía mecánica disponible en el eje 6 del rotor 5R de generador de gas. El par resistivo en el eje de rotor de generador de gas 6 caerá y la velocidad del rotor 5R de generador de gas aumentará. Un sensor 33 de velocidad puede proporcionar una señal al controlador 31 de turbina de gas. Cuando la velocidad del rotor 5R de generador de gas aumenta, el controlador 31 de turbina de gas actuará sobre las guías 16 de álabe de entrada móviles, aumentando la sección transversal de los álabes de guía de entrada. La apertura de los álabes de guía de entrada hará que aumente el caudal de aire a través del compresor 9 de generador de gas y, por lo tanto, aumente el caudal de gas de combustión a través de la turbina 7 de potencia. Esto hará que haya más energía mecánica disponible en el eje 17 de turbina para accionar la carga 21, aumentando de este modo la velocidad de rotación del mismo.
De hecho, el aumento en el caudal de aire tomado por el compresor 9 de generador de gas hará caer la temperatura de gas de combustión y, por lo tanto, el controlador de turbina 31 aumentará el caudal de combustible hasta que se haya alcanzado de nuevo el punto de ajuste de temperatura. La entalpía más alta y el caudal de gas de combustión más alto en la entrada de la turbina 7 de potencia generarán más energía mecánica en el eje 17 de potencia. Al mismo tiempo, el caudal de aire más alto a través del compresor 9 del generador de gas producirá una reducción de la velocidad de rotación del rotor de generador de gas, puesto que se requiere más energía para procesar el mayor caudal de aire.
La energía adicional suministrada por el motor/generador eléctrico 23 que funciona en el modo auxiliar se transfiere por tanto de forma termodinámica al eje 17 de turbina y queda disponible para fines de accionamiento de carga.
Una situación adicional en la que no puede alcanzarse la velocidad de carga establecida puede deberse a una baja disponibilidad de combustible. En este caso, el motor/generador 23 se opera de nuevo en el modo auxiliar, para proporcionar energía mecánica suplementaria al eje 6 de turbina de alta presión. Los álabes 16 de guía de entrada se abren para aumentar el caudal de aire y, de forma similar a la situación previamente descrita, la energía adicional procedente del gas de combustión se transfiere desde la turbina de alta presión a la turbina de potencia y está disponible para accionar la carga 21.
Como se ha mencionado anteriormente, en algunas circunstancias, el sistema 1 puede controlarse de modo que parte de la energía requerida para accionar la carga 21 sea suministrada por el motor/generador eléctrico 23 que funciona en el modo auxiliar, limitando el caudal de combustible, para ahorrar combustible, aun cuando la turbina de gas fuera capaz de proporcionar energía suficiente para accionar la carga por sí misma. Esto puede hacerse, por ejemplo, cuando el coste por unidad de potencia eléctrica es más bajo que el coste de la cantidad equivalente de combustible, por ejemplo, durante la noche. En este caso, el motor/generador eléctrico 23 se pone en funcionamiento en modo auxiliar (modo de motor) antes de que la temperatura de gas de combustión en la pila logre el valor del punto máximo fijado.
Si la energía disponible de la turbina de gas excede la energía requerida para accionar la carga 21, el motor/generador eléctrico 23 puede conmutar al modo de generador y accionar su rotación aprovechando parte de la energía mecánica disponible procedente de la turbina de gas para producir energía eléctrica.
Suponiendo que el motor/generador eléctrico 23 está conectado a la red G de distribución de potencia eléctrica y que la turbina 7 de potencia está funcionando a una potencia inferior a la máxima nominal, la temperatura del gas de combustión estará por debajo del punto de ajuste de temperatura máxima. Esta situación indica que la turbina puede generar más energía que la que se utiliza realmente para accionar la carga 21. El motor/generador eléctrico 23 conmuta al modo de generador y empieza a funcionar. El par resistivo en el eje 6 del rotor 5R de generador de gas aumenta y la velocidad de rotación del rotor 5R de generador de gas cae. Por lo tanto, el flujo de aire tomado por el compresor 9 de generador de gas se reduce, dando esto lugar a una reducción del caudal de gas de combustión a través de la turbina 7 de potencia. Por lo tanto, habrá menos energía disponible para accionar la turbina 7 de potencia.
Por consiguiente, la velocidad de rotación de la turbina 7 de potencia y del eje 17 de salida disminuirá. La caída de velocidad de rotación es detectada por el controlador 30, por ejemplo, a través de un sensor 34 de velocidad. La válvula 36 de combustible se abre para aumentar el caudal de combustible, contrarrestando de este modo la reducción de la velocidad de rotación de turbina de potencia, manteniendo o llevando dicha velocidad de rotación de carga de vuelta al valor requerido. Este proceso se repite iterativamente, aumentando de este modo en cada etapa la potencia generada por el motor/generador eléctrico 23 y compensando la caída en la velocidad de la turbina de potencia aumentando el caudal de combustible. Este proceso puede repetirse hasta que se haya alcanzado la temperatura de escape máxima (p. ej., detectada por el sensor 32), o se haya alcanzado la capacidad máxima del motor/generador eléctrico 23, lo que suceda en primer lugar. El sistema se mantendrá entonces en la condición operativa obtenida de esta forma, haciendo funcionar la turbina 3 de gas a un nivel de potencia total más alto. El exceso de potencia mecánica se convierte en energía eléctrica. También se obtiene un consumo de combustible más eficiente y, potencialmente, unas mejores emisiones nocivas (reducción de las emisiones nocivas) al funcionar la turbina de gas más cerca del punto de diseño.
En las realizaciones descritas anteriormente se han descrito un controlador de carga y un controlador de turbina de gas interconectados con los sensores y accionadores correspondientes. Debe entenderse que, en algunas realizaciones, el control puede ser llevado a cabo por un único dispositivo de control, conectado a los diversos sensores y accionadores. Lo que importa es que los parámetros operativos descritos anteriormente pueden detectarse y que puede actuarse sobre los dispositivos requeridos mediante los accionadores correspondientes, por ejemplo, para ajustar el caudal de combustible y similares.
Aunque las realizaciones descritas del objeto descrito en la presente descripción se han mostrado en los dibujos y se han descrito anteriormente en su totalidad con particularidad y en detalle en relación con diversas realizaciones ilustrativas, resultará evidente para los expertos en la técnica que son posibles numerosas modificaciones, cambios y omisiones sin apartarse sustancialmente de las nuevas enseñanzas, de los principios y de los conceptos descritos en la presente descripción, ni de las ventajas del objeto descrito en las reivindicaciones adjuntas. Por consiguiente, el alcance correcto de las innovaciones desveladas solo debería determinarse con la interpretación más general de las reivindicaciones adjuntas para englobar todas esas modificaciones, cambios y omisiones. Es más, el orden o la secuencia de cualesquiera etapas del proceso o método puede modificarse o volver a secuenciarse según realizaciones alternativas.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un sistema (1) de accionamiento para accionar una carga, comprendiendo el sistema de accionamiento: una turbina (3) de gas que comprende:
    un generador (5) de gas que tiene un rotor de generador de gas y que comprende al menos un compresor (9) de generador de gas y una turbina (11) de alta presión que acciona dicho compresor (9) de generador de gas; y
    una turbina (7) de potencia que tiene un rotor (7R) de turbina de potencia, siendo dicho rotor (7R) de turbina de potencia torsionalmente independiente de dicho rotor de generador de gas; un acoplamiento de carga que conecta el rotor de turbina de potencia a la carga (21);
    un motor/generador eléctrico (23) conectado mecánicamente al rotor de generador de gas y conectado eléctricamente a una red (G) de potencia eléctrica;
    en donde dicho motor/generador eléctrico (23) está adaptado para funcionar de forma alternativa: como un generador para convertir energía mecánica procedente de dicha turbina (3) de gas en energía eléctrica; y como un motor para suministrar energía adicional de accionamiento a la carga (21);
    una disposición de acondicionamiento de flujo, dispuesta y controlada para modificar un flujo de gas de combustión a través de la turbina (3) de gas;
    en donde dicha disposición de acondicionamiento de flujo comprende un conjunto de álabes (15) de guía de tobera móviles en la entrada de la turbina (7) de potencia para controlar la velocidad de la turbina (7) de potencia.
  2. 2. El sistema de accionamiento de la reivindicación 1, en donde dicho motor/generador eléctrico (23) proporciona una instalación de motor de arranque, para arrancar la turbina (3) de gas.
  3. 3. El sistema de accionamiento de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde dicha carga (21) comprende al menos un compresor.
  4. 4. El sistema de accionamiento de la reivindicación 1 o 2 o 3, que comprende además un embrague mecánico (29) entre el motor/generador eléctrico (23) y el rotor de generador de gas.
  5. 5. El sistema de accionamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicho motor/generador eléctrico (23) está conectado permanentemente al rotor de generador de gas.
  6. 6. El sistema de accionamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además un convertidor (25) de frecuencia entre el motor/generador eléctrico (23) y la red (G) de energía eléctrica, estando dicho convertidor (25) de frecuencia configurado y controlado para acondicionar la frecuencia eléctrica procedente de la red (G) de energía eléctrica al motor/generador eléctrico (23) y desde el motor/generador eléctrico (23) a la red (G) de energía eléctrica.
  7. 7. El sistema de accionamiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha disposición de acondicionamiento de flujo está configurada y controlada de modo que:
    cuando dicho motor/generador eléctrico (23) funciona como un motor, la energía adicional suministrada por dicho motor/generador eléctrico (23) se transfiere de forma termodinámica desde el generador (5) de gas a la turbina de potencia (7); y
    cuando dicho motor/generador eléctrico (23) funciona como un generador, la energía mecánica generada por dicha turbina (11) de alta presión es convertida por el motor/generador eléctrico (23) en energía eléctrica.
  8. 8. El sistema de accionamiento de la reivindicación 7, que comprende además un sistema de control de combustible para controlar un caudal de combustible al generador (5) de gas; y en donde dicho sistema de control de combustible está configurado y controlado para ajustar dicho caudal de combustible para mantener una velocidad de rotación requerida del rotor (7R) de turbina de potencia.
  9. 9. El sistema de accionamiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los álabes (15) de guía de tobera móviles están dispuestos y controlados de forma que, cuando el motor/generador eléctrico (23) se pone en modo de generador, se contrarresta una reducción de velocidad de rotación del rotor de generador de gas debido a un par resistivo aumentado provocado por el motor/generador eléctrico (23) abriendo los álabes (15) de guía de tobera móviles para aumentar una caída de entalpía en la turbina de alta presión.
  10. 10. El sistema de accionamiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos álabes (15) de guía de tobera móviles están dispuestos y controlados de modo que, cuando el motor/generador eléctrico(23) se pone en modo de motor, se contrarresta un aumento de velocidad de rotación del rotor de generador de gas debido a un par resistivo reducido cerrando los álabes (15) de guía de tobera móviles para reducir la caída de entalpia en la turbina (11) de alta presión y aumentar la entalpia disponible en la entrada de la turbina (7) de potencia.
  11. 11. El sistema de accionamiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde dicha disposición de acondicionamiento de flujo comprende un conjunto de álabes (16) de guía de entrada variables en la entrada del generador (5) de gas.
  12. 12. El sistema de accionamiento de la reivindicación 11, en donde dichos álabes de guia de entrada variables están dispuestos y controlados de modo que, cuando el motor/generador eléctrico (23) se pone en modo de generador, se contrarresta una reducción de velocidad de rotación del rotor de generador de gas debido a un par resistivo aumentado reduciendo el flujo de aire a través de dichos álabes de guía de entrada variables.
  13. 13. El sistema de accionamiento de las reivindicaciones 8 y 9, o de las reivindicaciones 8 y 12, en donde dicho sistema de control de combustible está dispuesto y controlado de modo que, cuando el motor/generador eléctrico (23) se pone en modo de generador, se contrarresta una reducción de velocidad de rotación del rotor de generador de gas debida a un par resistivo aumentado aumentando el caudal de combustible.
  14. 14. El sistema de accionamiento de la reivindicación 11 o 12 o 13, en donde dichos álabes de guía de entrada variables están dispuestos y controlados de modo que, cuando el motor/generador eléctrico (23) se pone en modo de motor, se contrarresta un aumento de velocidad de rotación del rotor de generador de gas debido a un par resistivo reducido aumentando el flujo de aire a través de dichos álabes de guía de entrada variables.
  15. 15. Un método para accionar una carga (21) con una (3) turbina de gas, comprendiendo dicho método las etapas de:
    comprimir aire de combustión en un compresor (9) de generador de gas que tiene un rotor de generador de gas,
    mezclar dicho aire de combustión con un combustible, encender una mezcla de aire/combustible y generar gas de combustión comprimido;
    expandir parcialmente el gas de combustión en una turbina (11) de alta presión y generar energía mecánica para accionar dicho compresor (9) de generador de gas;
    expandir adicionalmente el gas de combustión en una turbina (7) de potencia que tiene un eje (17) de turbina de potencia, que está desconectado torsionalmente de dicha turbina (11) de alta presión;
    accionar una carga (21) con dicho eje (17) de turbina de potencia;
    conectar mecánicamente un motor/generador eléctrico (23) al rotor de generador de gas y conectar eléctricamente dicho motor/generador eléctrico (23) a una red de potencia eléctrica (G);
    operar dicho motor/generador eléctrico (23) de forma selectiva:
    en un modo de motor para convertir energía eléctrica en energía mecánica adicional, suministrar dicha energía mecánica adicional a dicho rotor de generador de gas, transfiriendo de forma termodinámica energía adicional a dicha turbina (7) de potencia y convirtiendo dicha energía adicional en energía mecánica para accionar dicha carga (21);
    en un modo de generador para convertir energía mecánica disponible del rotor de generador de gas a energía eléctrica;
    proporcionar una disposición de acondicionamiento de flujo que comprende un conjunto de álabes (15) de guía de tobera móviles en la entrada de la turbina (7) de potencia para modificar un flujo de gas de combustión a través de la turbina (7) de potencia para, de forma selectiva:
    reducir la energía transferida desde el generador (5) de gas a la turbina (7) de potencia y convertir energía mecánica disponible de la turbina (11) de alta presión en energía eléctrica; o
    aumentar la energía transferida desde el generador de gas (5) a la turbina (7) de potencia, cuando dicho motor/generador eléctrico (23) funciona como un motor y suplementa energía mecánica al rotor de generador de gas.
ES13811921T 2012-12-24 2013-12-18 Sistema de accionamiento y método para accionar una carga con una turbina de gas Active ES2833284T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT000292A ITFI20120292A1 (it) 2012-12-24 2012-12-24 "gas turbines in mechanical drive applications and operating methods"
PCT/EP2013/077261 WO2014102127A1 (en) 2012-12-24 2013-12-18 Gas turbines in mechanical drive applications and operating methods

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2833284T3 true ES2833284T3 (es) 2021-06-14

Family

ID=47748701

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES13811921T Active ES2833284T3 (es) 2012-12-24 2013-12-18 Sistema de accionamiento y método para accionar una carga con una turbina de gas

Country Status (13)

Country Link
US (1) US9488102B2 (es)
EP (1) EP2935802B1 (es)
CN (1) CN104995376B (es)
AU (1) AU2013369436B2 (es)
BR (1) BR112015015177B8 (es)
CA (1) CA2894762C (es)
ES (1) ES2833284T3 (es)
IT (1) ITFI20120292A1 (es)
MX (1) MX2015008237A (es)
PE (1) PE20151571A1 (es)
RU (1) RU2659603C2 (es)
TN (1) TN2015000290A1 (es)
WO (1) WO2014102127A1 (es)

Families Citing this family (68)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9140110B2 (en) 2012-10-05 2015-09-22 Evolution Well Services, Llc Mobile, modular, electrically powered system for use in fracturing underground formations using liquid petroleum gas
US11255173B2 (en) 2011-04-07 2022-02-22 Typhon Technology Solutions, Llc Mobile, modular, electrically powered system for use in fracturing underground formations using liquid petroleum gas
US11708752B2 (en) 2011-04-07 2023-07-25 Typhon Technology Solutions (U.S.), Llc Multiple generator mobile electric powered fracturing system
DE102013206992A1 (de) * 2013-04-18 2014-10-23 Siemens Aktiengesellschaft Bereitstellung negativer Regelleistung durch eine Gasturbine
ITFI20130130A1 (it) * 2013-05-31 2014-12-01 Nuovo Pignone Srl "gas turbines in mechanical drive applications and operating methods"
PL3075982T3 (pl) * 2013-11-27 2020-05-18 Hitachi, Ltd. Turbina gazowa odpowiednia dla energii odnawialnej i sposób sterowania turbiną gazową
CN104407531A (zh) * 2014-12-10 2015-03-11 中国建材国际工程集团有限公司 用于玻璃厂的主传动控制方法
EP3719281B1 (en) 2014-12-19 2022-11-23 Typhon Technology Solutions, LLC Mobile electric power generation for hydraulic fracturing of subsurface geological formations
US10378326B2 (en) 2014-12-19 2019-08-13 Typhon Technology Solutions, Llc Mobile fracturing pump transport for hydraulic fracturing of subsurface geological formations
JPWO2016129030A1 (ja) * 2015-02-09 2017-11-02 三菱重工コンプレッサ株式会社 ガスタービンシステム
US9828887B2 (en) * 2015-03-19 2017-11-28 General Electric Company Power generation system having compressor creating excess air flow and turbo-expander to increase turbine exhaust gas mass flow
US9822670B2 (en) 2015-03-19 2017-11-21 General Electric Company Power generation system having compressor creating excess air flow and turbo-expander for cooling inlet air
US9863284B2 (en) 2015-03-19 2018-01-09 General Electric Company Power generation system having compressor creating excess air flow and cooling fluid injection therefor
ITUB20155049A1 (it) * 2015-10-20 2017-04-20 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Treno integrato di generazione di potenza e compressione, e metodo
JP6626328B2 (ja) * 2015-12-02 2019-12-25 株式会社Ihi 航空機の電動タキシングシステム
WO2017137227A1 (de) * 2016-02-12 2017-08-17 Siemens Aktiengesellschaft Gasturbinen-strang mit startmotor
JP6288529B2 (ja) * 2016-07-22 2018-03-07 三菱日立パワーシステムズ株式会社 二軸ガスタービン発電設備、及びその制御方法
US11022042B2 (en) 2016-08-29 2021-06-01 Rolls-Royce North American Technologies Inc. Aircraft having a gas turbine generator with power assist
JP6687485B2 (ja) * 2016-08-31 2020-04-22 三菱日立パワーシステムズ株式会社 二軸ガスタービン発電設備
IT201700008681A1 (it) * 2017-01-26 2018-07-26 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Sistema di turbina a gas
US10125628B2 (en) * 2017-04-13 2018-11-13 General Electric Company Systems and methods for power generation synchronous condensing
US11624326B2 (en) 2017-05-21 2023-04-11 Bj Energy Solutions, Llc Methods and systems for supplying fuel to gas turbine engines
US11230385B2 (en) * 2017-06-08 2022-01-25 General Electric Company Hybrid-electric propulsion system for an aircraft
US20180372003A1 (en) * 2017-06-23 2018-12-27 General Electric Company Propulsion system for an aircraft
US10006375B1 (en) * 2017-07-11 2018-06-26 General Electric Company Propulsion system for an aircraft
US10830438B2 (en) * 2017-10-12 2020-11-10 Raytheon Technologies Corporation Modulated combustor bypass
CN108278156A (zh) * 2018-01-17 2018-07-13 中国科学院工程热物理研究所 新风冷热电联供系统
IT201800006394A1 (it) * 2018-06-18 2019-12-18 Sistema di spurgo per cassa cuscino
FR3093769B1 (fr) 2019-03-15 2021-04-02 Safran Aircraft Engines Procédé de régulation de la température des gaz d’échappement d’une turbomachine
EP3963178A4 (en) * 2019-05-01 2022-12-14 Typhon Technology Solutions, LLC MOBILE ELECTRIC MOBILE TRANSPORT POWER GENERATION
US11560845B2 (en) 2019-05-15 2023-01-24 Bj Energy Solutions, Llc Mobile gas turbine inlet air conditioning system and associated methods
US11015594B2 (en) 2019-09-13 2021-05-25 Bj Energy Solutions, Llc Systems and method for use of single mass flywheel alongside torsional vibration damper assembly for single acting reciprocating pump
CA3092859A1 (en) 2019-09-13 2021-03-13 Bj Energy Solutions, Llc Fuel, communications, and power connection systems and related methods
CA3092829C (en) 2019-09-13 2023-08-15 Bj Energy Solutions, Llc Methods and systems for supplying fuel to gas turbine engines
US11604113B2 (en) 2019-09-13 2023-03-14 Bj Energy Solutions, Llc Fuel, communications, and power connection systems and related methods
CA3092865C (en) 2019-09-13 2023-07-04 Bj Energy Solutions, Llc Power sources and transmission networks for auxiliary equipment onboard hydraulic fracturing units and associated methods
US10961914B1 (en) 2019-09-13 2021-03-30 BJ Energy Solutions, LLC Houston Turbine engine exhaust duct system and methods for noise dampening and attenuation
US11002189B2 (en) 2019-09-13 2021-05-11 Bj Energy Solutions, Llc Mobile gas turbine inlet air conditioning system and associated methods
US10815764B1 (en) 2019-09-13 2020-10-27 Bj Energy Solutions, Llc Methods and systems for operating a fleet of pumps
US10895202B1 (en) 2019-09-13 2021-01-19 Bj Energy Solutions, Llc Direct drive unit removal system and associated methods
US11111859B2 (en) * 2019-10-08 2021-09-07 Solar Turbines Incorporated Method and control system for controlling compressor output of a gas turbine engine
GB201915310D0 (en) * 2019-10-23 2019-12-04 Rolls Royce Plc Turboelectric generator system
UA144166U (uk) * 2020-03-13 2020-09-10 Магомет Фуадович Малхозов Мультифункціональна енергетична установка
US11708829B2 (en) 2020-05-12 2023-07-25 Bj Energy Solutions, Llc Cover for fluid systems and related methods
US10968837B1 (en) 2020-05-14 2021-04-06 Bj Energy Solutions, Llc Systems and methods utilizing turbine compressor discharge for hydrostatic manifold purge
US11428165B2 (en) 2020-05-15 2022-08-30 Bj Energy Solutions, Llc Onboard heater of auxiliary systems using exhaust gases and associated methods
US11208880B2 (en) 2020-05-28 2021-12-28 Bj Energy Solutions, Llc Bi-fuel reciprocating engine to power direct drive turbine fracturing pumps onboard auxiliary systems and related methods
US11208953B1 (en) 2020-06-05 2021-12-28 Bj Energy Solutions, Llc Systems and methods to enhance intake air flow to a gas turbine engine of a hydraulic fracturing unit
US11109508B1 (en) 2020-06-05 2021-08-31 Bj Energy Solutions, Llc Enclosure assembly for enhanced cooling of direct drive unit and related methods
US11066915B1 (en) 2020-06-09 2021-07-20 Bj Energy Solutions, Llc Methods for detection and mitigation of well screen out
US11111768B1 (en) 2020-06-09 2021-09-07 Bj Energy Solutions, Llc Drive equipment and methods for mobile fracturing transportation platforms
US10954770B1 (en) 2020-06-09 2021-03-23 Bj Energy Solutions, Llc Systems and methods for exchanging fracturing components of a hydraulic fracturing unit
US11028677B1 (en) 2020-06-22 2021-06-08 Bj Energy Solutions, Llc Stage profiles for operations of hydraulic systems and associated methods
US11939853B2 (en) 2020-06-22 2024-03-26 Bj Energy Solutions, Llc Systems and methods providing a configurable staged rate increase function to operate hydraulic fracturing units
US11933153B2 (en) 2020-06-22 2024-03-19 Bj Energy Solutions, Llc Systems and methods to operate hydraulic fracturing units using automatic flow rate and/or pressure control
US11125066B1 (en) 2020-06-22 2021-09-21 Bj Energy Solutions, Llc Systems and methods to operate a dual-shaft gas turbine engine for hydraulic fracturing
US11473413B2 (en) 2020-06-23 2022-10-18 Bj Energy Solutions, Llc Systems and methods to autonomously operate hydraulic fracturing units
US11466680B2 (en) 2020-06-23 2022-10-11 Bj Energy Solutions, Llc Systems and methods of utilization of a hydraulic fracturing unit profile to operate hydraulic fracturing units
US11220895B1 (en) 2020-06-24 2022-01-11 Bj Energy Solutions, Llc Automated diagnostics of electronic instrumentation in a system for fracturing a well and associated methods
US11149533B1 (en) 2020-06-24 2021-10-19 Bj Energy Solutions, Llc Systems to monitor, detect, and/or intervene relative to cavitation and pulsation events during a hydraulic fracturing operation
IT202000016009A1 (it) * 2020-07-02 2022-01-02 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Metodo per monitorare e controllare un sistema di turbina a gas ibrida e relativo sistema
US11193361B1 (en) 2020-07-17 2021-12-07 Bj Energy Solutions, Llc Methods, systems, and devices to enhance fracturing fluid delivery to subsurface formations during high-pressure fracturing operations
CN112554956B (zh) * 2020-11-26 2022-06-07 思科涡旋科技(杭州)有限公司 一种减焓稳速涡旋膨胀机及减焓稳速方法
US11639654B2 (en) 2021-05-24 2023-05-02 Bj Energy Solutions, Llc Hydraulic fracturing pumps to enhance flow of fracturing fluid into wellheads and related methods
US11725582B1 (en) 2022-04-28 2023-08-15 Typhon Technology Solutions (U.S.), Llc Mobile electric power generation system
CN114961885B (zh) * 2022-05-07 2023-08-08 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种双动力驱动机组的动力切换方法
WO2024002524A1 (en) * 2022-06-30 2024-01-04 Nuovo Pignone Tecnologie - S.R.L. Improved clutch boxes for hybrid train applications
US11955782B1 (en) 2022-11-01 2024-04-09 Typhon Technology Solutions (U.S.), Llc System and method for fracturing of underground formations using electric grid power

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1751851B2 (de) * 1968-08-08 1973-12-13 Motoren- Und Turbinen-Union Muenchen Gmbh, 8000 Muenchen Gasturbinenanlage
DE1933792C3 (de) * 1969-07-02 1980-06-04 United Turbine Ab & Co., Kommanditbolag, Malmoe (Schweden) Gasturbinenwerk, insbesondere für Kraftfahrzeuge
US3731483A (en) * 1971-12-29 1973-05-08 Power Technology Corp Free power gas turbine engine with aerodynamic torque converter drive
CH628400A5 (en) * 1977-11-17 1982-02-26 Bbc Brown Boveri & Cie Gas turbine plant for very large load surges and method for its operation
US4266401A (en) * 1977-12-22 1981-05-12 The Garrett Corporation Gas turbine engine fuel control
CH659855A5 (de) * 1981-11-16 1987-02-27 Bbc Brown Boveri & Cie Luftspeicher-kraftwerk.
US4529887A (en) * 1983-06-20 1985-07-16 General Electric Company Rapid power response turbine
US4638173A (en) * 1985-05-14 1987-01-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Electromechanical power source
US6199366B1 (en) * 1997-11-04 2001-03-13 Hitachi, Ltd. Gas turbine
EP1510676B1 (de) * 2003-08-13 2007-11-07 Siemens Aktiengesellschaft Gasturbinenanlage
US6931856B2 (en) 2003-09-12 2005-08-23 Mes International, Inc. Multi-spool turbogenerator system and control method
JP4819690B2 (ja) * 2003-11-06 2011-11-24 エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー 冷凍用のコンプレッサの非同期運転のための駆動システムおよびガスタービン出力冷凍コンプレッサの運転方法
US7188475B2 (en) * 2003-12-18 2007-03-13 Honeywell International, Inc. Starting and controlling speed of a two spool gas turbine engine
US7513120B2 (en) * 2005-04-08 2009-04-07 United Technologies Corporation Electrically coupled supercharger for a gas turbine engine
RU2322588C1 (ru) * 2006-08-04 2008-04-20 Николай Борисович Болотин Газотурбинный двигатель
US7622817B2 (en) * 2006-12-13 2009-11-24 General Electric Company High-speed high-pole count generators
FR2914697B1 (fr) * 2007-04-06 2012-11-30 Turbomeca Dispositif d'assistance aux phases transitoires d'acceleration et de deceleration
JP4726930B2 (ja) * 2008-07-10 2011-07-20 株式会社日立製作所 ２軸式ガスタービン
JP2010168957A (ja) * 2009-01-21 2010-08-05 Hitachi Ltd ２軸式ガスタービンと、２軸式ガスタービン用の燃焼器の予混合燃焼開始方法
JP5639568B2 (ja) * 2011-11-15 2014-12-10 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ２軸式ガスタービン
ITFI20120245A1 (it) * 2012-11-08 2014-05-09 Nuovo Pignone Srl "gas turbine in mechanical drive applications and operating methods"
ITFI20130130A1 (it) * 2013-05-31 2014-12-01 Nuovo Pignone Srl "gas turbines in mechanical drive applications and operating methods"

Also Published As

Publication number Publication date
BR112015015177B8 (pt) 2022-04-12
ITFI20120292A1 (it) 2014-06-25
CN104995376A (zh) 2015-10-21
EP2935802B1 (en) 2020-09-02
BR112015015177A2 (pt) 2020-09-29
CA2894762C (en) 2020-10-27
RU2015123294A (ru) 2017-01-26
BR112015015177B1 (pt) 2022-03-22
MX2015008237A (es) 2015-09-29
RU2659603C2 (ru) 2018-07-03
CA2894762A1 (en) 2014-07-03
AU2013369436B2 (en) 2017-01-19
WO2014102127A1 (en) 2014-07-03
CN104995376B (zh) 2017-03-15
AU2013369436A1 (en) 2015-07-02
TN2015000290A1 (en) 2016-10-03
US20150345385A1 (en) 2015-12-03
EP2935802A1 (en) 2015-10-28
PE20151571A1 (es) 2015-11-05
US9488102B2 (en) 2016-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2833284T3 (es) Sistema de accionamiento y método para accionar una carga con una turbina de gas
KR102282212B1 (ko) 기계 구동 용례에서의 가스 터빈 및 작동 방법
RU2674107C2 (ru) Газотурбинный двигатель в установках с механическим приводом и способы его работы
US9249728B2 (en) Power generation system and power generation method
CA2996351C (en) Constant flow function air expansion train with combustor
OA17439A (en) Gas turbines in mechanical drive applications and operating methods.