WO2016173910A1 - Leistungsübertragungsvorrichtung und verfahren zum betreiben eines derartigen leistungsübertragungssystems - Google Patents

Leistungsübertragungsvorrichtung und verfahren zum betreiben eines derartigen leistungsübertragungssystems Download PDF

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    • F25J2280/10Control for or during start-up and cooling down of the installation

Definitions

  • the invention relates to a power transmission device, in detail with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for operating such a power transmission device.
  • Power transmission devices for driving compressors or compressors, in particular for use in plants for the liquefaction of natural gas are already known in different versions of the prior art. These usually include a gas turbine, the gas turbine and the compressor are approached according to a first embodiment of the prior art via a frequency converter and a prime mover.
  • the disadvantage of such a solution is the very high demands of the underlying power grid, in the extremely high costs and the only conditional reliability of the frequency converter, which severely limits the reliability of the overall system.
  • the required frequency converter which should allow a smooth startup of the gas turbine compressor unit, requires an extremely large amount of space.
  • WO 0212692 A1 describes a power transmission device in which a gas turbine is provided, in which a shaft end is the output shaft of the gas turbine and via a switchable speed / torque converter with at least one compressor, which is used for the compression of liquefied natural gas , is coupled.
  • the gas turbine drives the compressor via the variable speed / torque converter, which offers the benefit of gradual smooth startup of the compressor.
  • a switchable hydrodynamic speed / torque converter is arranged between the gas turbine and the compressor, requires that the drive, which is formed in this case by the gas turbine, must be approached separately by an additional starting element. Also, the hydrodynamic component must be able to transfer the entire rated power and torque of the drive train completely safely.
  • the invention therefore an object of the invention to develop a power transmission device of the type mentioned in such a way that it is suitable for powering by means of the starting element to drive the powertrain and also does not have to transmit the full rated power of the train, so that the starting element are designed to be considerably smaller can. Furthermore, the solution should also allow operations with recovery of excess energy.
  • the solution according to the invention is intended to be characterized by a low design effort and can meet a variety of additional tasks with the lowest possible number of components and components.
  • the solution according to the invention is characterized by the features of claims 1, 11 and 12. Advantageous embodiments are described in the subclaims.
  • a power transmission device for driving at least one compressor of a plant for the production of liquefied natural gas (LNG) with a gas turbine, comprising a shaft which is connected to a compressor and a switchable starting element in the form of a hydrodynamic component comprising at least one impeller and a turbine wheel characterized in that the gas turbine and the at least one compressor to form a gas turbine compressor unit are at least indirectly, preferably mechanically coupled directly and an engine is provided, wherein the switchable starting element between the engine and the gas turbine compressor unit is arranged.
  • LNG liquefied natural gas
  • the solution according to the invention is characterized in that the hydrodynamic component is arranged between the drive machine and the gas turbine compressor unit, wherein the hydrodynamic component can be filled and emptied and decoupled via one or more switchable coupling devices of the gas turbine compressor unit and / or the drive machine is, wherein the single switchable coupling device is arranged coaxially to the hydrodynamic component.
  • the switchable coupling device connects the pump and the turbine wheel.
  • Switchable within the meaning of the invention means that the respective component - starting element or switchable coupling has at least two functional states - activated or deactivated.
  • Activation here means the production of the connection between a prime mover and the gas turbine compressor train, while deactivated involves a separation or decoupling of the engine from the gas turbine compressor train. At least indirectly means in particular that the connection or coupling between individual components can be realized either directly or via further intermediate transmission elements with or without speed / torque conversion.
  • the solution according to the invention has the advantage that with a simple and space-saving configuration of the arrangement of a starting element between a prime mover and a gas turbine compressor unit, with only a single starting element of the entire driveline, ie both the gas turbine and the compressor can be driven, the Start-up element does not have to transfer the full rated power of the strand, since this is not arranged between the gas turbine and the compressor and therefore does not need to be transmitted after ignition of the turbine with this introduced power component. Furthermore, the arrangement according to the invention has the advantage that additional power can be transmitted to the gas turbine compressor unit from the prime mover via the starting element at rated load and, on the other hand, regenerative power at higher available power at the turbine to the drive machine when designed as a generator operable electric machine is possible.
  • the solution according to the invention can be operated with little control engineering effort.
  • the starting element is designed as a hydrodynamic component.
  • the hydrodynamic component is designed as a hydrodynamic coupling, comprising at least one pump impeller and one turbine impeller, which together form a working space that can be filled with operating fluid.
  • the pump blade wheel is at least indirectly coupled to the drive machine, while the turbine blade wheel is at least indirectly, preferably directly connected to the gas turbine.
  • the hydrodynamic coupling is designed as a controllable hydrodynamic coupling, that is, the transmittable power is adjusted via an actuator, such as a scoop, on the hydrodynamic coupling by changing the degree of filling.
  • the switchability is realized via the filling and emptying of the working space. This is a particularly simple measure. However, it is also conceivable to leave the clutch filled in an alternative embodiment and to provide a shiftable clutch which takes out the hydrodynamic clutch from the drive train.
  • the hydrodynamic component is designed as a hydrodynamic speed / torque converter.
  • This comprises at least a pump impeller, a turbine blade wheel and a stator functioning as a reaction member.
  • the hydrodynamic speed / torque converter works like a hydrodynamic gearbox, which means that it works with speed / torque conversion.
  • the pump impeller is at least indirectly, preferably connected directly to the drive machine, while the at least one turbine wheel is at least indirectly, preferably coupled directly to the gas turbine.
  • the hydrodynamic torque converter is designed with an actuator, by means of which the transmitted torque and the speed of the turbine is controlled and / or regulated.
  • the actuator may for example be effective in / on the stator and / or the impeller and / or turbine.
  • the hydrodynamic speed / torque converter is switchable by the optional possibility of filling or emptying. Alternatively or additionally, the switchability can also be realized via a switchable coupling, which takes the hydrodynamic components by bridging from the drive train.
  • the speed / torque converter is controlled by means of an actuator (actuator in the guide, pump and / or turbine) and switchable (filling and emptying) running.
  • the starting element is for this purpose equipped with a lock-up clutch, which connects each coupled to the engine part of the starting element and coupled to the gas turbine part of the starting element together.
  • lock-up clutches are known for hydrodynamic components of the prior art in a variety of designs. In the simplest case, the bridging takes place via a claw, disc or multi-plate clutches.
  • An alternative embodiment provides two power branches, wherein the starting element is arranged in one of the two power branches and this power branch can be decoupled from the drive machine.
  • This is preferably designed as an electric machine, in particular an electric motor, which can also be operated in generator mode. This offers the advantage that in the presence of excess power that of the prime mover by coupling with the gas turbine - directly or via the Starting element - fed and can be fed into a network or energy storage device.
  • an auxiliary drive can be provided, which in the simplest case comprises only one auxiliary drive machine of smaller dimensions.
  • This is preferably an electric machine or an internal combustion engine.
  • the starter unit can also include additional components that further improve the function of the auxiliary drive and designed adaptable to the given boundary conditions. This may be, on the one hand to convert a prime mover with a downstream torque converter, a prime mover in the form of an electric motor with frequency converter or a prime mover with Softstart issued. Other versions are conceivable.
  • the auxiliary drive allows easy and quick start-up of the drive machine itself.
  • a rotor rotating device to assist the starting process of the gas turbine compressor unit, which is used between the starting element and the gas turbine compressor unit in the drive train. This allows slow rotation of the gas turbine compressor driveline during the cooling phase and / or assists breakaway of the entire string. Due to the arrangement on the output side of the starting element, this arrangement also corresponds to a conventional arrangement of a rotor turning device in gas turbine starting converters.
  • the solution according to the invention is preferably used for gas turbine compressor trains in the power range of> 50 MW.
  • a particularly advantageous application is the use of the gas turbine compressor unit for generating LPG.
  • a method of driving a compressor having a power transmission device according to any one of claims 1 to 10, in particular for starting up a compressor is by the following
  • either the starting element can be bridged (in particular the pump and turbine wheels of the hydrodynamic component can be connected to each other in a rotationally fixed manner, wherein the hydrodynamic component is optionally entlerrt ) and the prime mover are coupled directly to the gas turbine compressor unit or the prime mover is connected via the starting element to the gas turbine compressor unit.
  • the required additional power can be provided in a simple manner via the drive machine without separate auxiliary drive.
  • Figure 1 a illustrates a basic configuration of the invention
  • FIG. 1 b illustrates the basic configuration according to FIG. 1 a with additional one
  • FIGS. 2a are identical to FIGS. 2a.
  • Figure 3a illustrates a first embodiment of a starting element with associated lock-up clutch for the realization of the mechanical drive between the engine and gas turbine compressor unit;
  • Figure 3b illustrates an alternative embodiment to Figure 3a
  • Figure 3c shows a second embodiment of a starting element with associated
  • Lock-up clutch for realizing the mechanical drive between the engine and the gas turbine compressor unit
  • FIG. 4 shows the configuration according to FIG. 1 b with additional
  • FIG. 5 illustrates a method for operating such a system
  • FIG. 1 a illustrates, in a schematized and greatly simplified illustration, the basic construction and the basic mode of operation of a power transmission device 1 of a drive system according to the invention for producing liquefied natural gas (LNG).
  • the power transmission device 1 serves in particular for starting / driving at least one compressor 2 of such a system.
  • the power transmission device 1 comprises at least one gas turbine 3, comprising a shaft 4, which is coupled to the compressor 2 to form a so-called gas turbine compressor unit 5.
  • the power transmission device 1 further comprises a drive machine 6 and a switchable starting component 7 arranged between the drive machine 6 and the gas turbine compressor unit 5.
  • This is a hydrodynamic power transmission device. which is represented as a controllable hydrodynamic speed / torque converter 8 according to a first embodiment as shown in Figure 2a and according to a second embodiment, shown in Figure 2b, as a controllable hydrodynamic coupling.
  • the drive machine 6 is designed according to a first, particularly advantageous embodiment, as an electrical machine, in particular an electric machine which can be operated as a generator. According to a second embodiment, this may also be designed as an internal combustion engine or another type of prime mover.
  • the drive machine 6 is connected to the starting element 7.
  • the connection is preferably made free of further transmission elements, that is directly.
  • Drive machine 6 and starting element 7 are arranged coaxially with each other. In a preferred embodiment, this also applies to the arrangement of starting element 7 and gas turbine compressor unit.
  • a drive shaft 10 of the drive machine 6 is connected to a shaft 1 1 of the starting element 7.
  • the connection can be direct, non-positive or positive.
  • the starting element 7 is further connected to a shaft 13 of the gas turbine compressor unit 5, preferably an end shaft end of the shaft 4 of the gas turbine.
  • the connection takes place via the coupling of a shaft 12, which in the power transmission direction from the drive machine 6 to the compressor 2 acts as an output shaft of the starting element 7 with a shaft of the gas turbine 3, in particular in single-shaft gas turbines a shaft end of the shaft 4 directed away from the compressor 4
  • the gas turbine also acts in this power transmission direction as an output shaft for coupling to the compressor 2, in particular an input shaft of the compressor 4.
  • the arrangement of starting element and compressor can be designed so that the starting element 7 to the first shaft end and the compressor is coupled to the second shaft end.
  • the term wave is functional and not limited to a specific structural design. This also includes versions of other rotatable components.
  • connection between drive machine 6 and starting element 7, in particular a shaft of the drive machine and the hydrodynamic component and start-up element 7 and gas turbine compressor unit, in particular a shaft of the hydrodynamic component and the gas turbine compressor unit can thereby rotatable positive or non-positive connections, rigid couplings, or preferably realized via compensating couplings.
  • the embodiment shown in FIG. 1 a represents a basic configuration.
  • the individual connections between the components drive machine 6, starting component 7, gas turbine 3 and compressor 4 can each be non-positive or positive-locking.
  • the decisive factor is that the starting element 7 is at least one controllable and switchable speed conversion device, preferably a speed / torque converter.
  • the starting element 7 is used to start the gas turbine 3, with which the compressor 2 connected to the gas turbine 3 is started up.
  • the starting element 7 is switchable, i. This can be an optional interruption or production of the connection between the engine 6 and gas turbine 3 can be realized.
  • the switchability can be realized in the first embodiment with training of the starting element 7 as a hydrodynamic speed / torque converter 8 alone on the filling and emptying, advantageously optionally or additionally via a switchable clutch 14, which is also referred to as lock-up clutch and the Input and output Output component (impeller and turbine) of the hydrodynamic speed / torque converter, bypassing the power flow via the starting element 7 coupled together.
  • a switchable clutch 14 which is also referred to as lock-up clutch and the Input and output Output component (impeller and turbine) of the hydrodynamic speed / torque converter, bypassing the power flow via the starting element 7 coupled together.
  • the switchability on the filling and discharging and / or filled clutch also takes place by bridging.
  • the embodiment of the starting element 7 as hydrodynamic converter 8 and controllable hydrodynamic coupling 9 are shown by way of example in FIGS. 2a and 2b.
  • the embodiment with lock-up clutch 14 is described in FIGS. 3a to 3c.
  • a switchable coupling in the form of a lock-up clutch 14 is provided which connects the impeller with the turbine wheel of the hydrodynamic component. Further, prime mover, shiftable clutch, starting element and gas turbine compressor unit are arranged coaxially with each other. This is not shown separately in Figures 1 and 2.
  • FIG. 1 b illustrates a further development according to FIG. 1 a, in which the drive machine 6 is assigned a component for supporting the drive machine 6, in particular start-up of the drive machine 6. This is referred to here as auxiliary drive 15.
  • FIGS. 1 a and 1 b enable load-free starting of the drive machine 6. This takes place, for example, via the transmittable power that can be set via the starting element 7.
  • the compressor 2 is operated to start in a so-called recycle mode, that is, with reduced power.
  • To start the gas turbine compressor unit 5 is decoupled from the engine 6.
  • the decoupling takes place in each case after execution of the hydrodynamic component as a hydrodynamic speed / torque converter 8 and hydrodynamic Coupling 9, preferably by emptying the hydrodynamic component and / or releasing the bridging. In this state, the engine 6 is approached to the rated speed, while the gas turbine compressor unit 5 is still decoupled from the engine 6.
  • the gas turbine 3 and the coupling between the gas turbine 3 and compressor 5 is driven. From the ignition of the gas turbine 3, this then supports the starting or starting process. As a result, the maximum torque to be transmitted via the starting element 7 is reduced, that is, only a portion of the power transmitted to the compressor 2 is transmitted to the gas turbine 3 via the starting element 7. The other required for driving the compressor power component is then fed directly from the gas turbine 3 to the compressor 2.
  • the transmission of the main power of the train is thus no longer via the starting element 7, whereby they do not have to transmit the full rated power and therefore can be made smaller.
  • the drive train is thus designed such that the power is transmitted to the compressor 2 over a first portion of the entire operating range of the engine 6 via the starting element 7 on the gas turbine compressor unit 5, while in a Further operating range, a part of the power, which is generated in the operation of the gas turbine 3 from the combustion gases used. This applies in particular to nominal operation, in which the main power of the train is not transmitted via the starting element 7 generated by the drive machine 6, but directly from the gas turbine 3 to the compressor 2.
  • bridging of the hydrodynamic component can be achieved via a shiftable clutch, in particular a bridging device, which generates a direct rigid mechanical coupling between the engine and the gas turbine compressor unit 5, wherein additional power is provided by the engine 6 in this mode of operation Power can be introduced into the strand of the power transmission device 1.
  • a direct, rigid mechanical coupling of drive machine 6 and gas turbine compressor unit 5 can optionally be achieved via the bridging device, with the excess power of gas turbine 3 in this case being transmitted to drive machine 6 in the form of an electric machine, in order to operate in generator mode To generate energy.
  • the inventive arrangement thus allows a variety of different modes of operation, which result in that no longer the full power on the starting element 7 must be transmitted and thus this is not interpreted for continuous operation at full rated power. Rather, the combination of the drive machine 6 and the starting component 7 is a supporting device for starting the gas turbine 3, which, due to its configuration, can be used for further advantageous operating modes after reaching the desired operating state.
  • the starting element 7 is designed according to a first embodiment as a hydrodynamic speed / torque converter 8. This is shown in a simplified schematic representation in FIG. 2a. With regard to the specific design of such a converter, there are a multitude of possibilities.
  • this comprises at least one impeller, a turbine wheel T and a so-called reaction member in the form of a stator L, via which the speed / torque variation between impeller and turbine T is realized.
  • the power is transmitted via a liquid operating medium.
  • the impeller P is in the configurations of Figures 1 a and 1 b connected to the shaft 10 of the engine 6, while the turbine T at least indirectly, preferably directly, with a shaft of the gas turbine 3 is connectable.
  • the hydrodynamic speed / torque converter 8 can be designed in one or more stages. The selection of the specific embodiment is dependent on the application requirements and the desired start-up behavior to be set. According to a particularly advantageous embodiment, it is a so-called Lysholm converter, other embodiments are conceivable.
  • hydrodynamic speed / torque converter 8 is characterized in that a speed conversion is accompanied by a torque conversion, this behavior is not given according to FIG. 2b with a hydrodynamic controllable clutch 9.
  • a speed conversion between the input and output that is, a pump P and a turbine T, which form a torus-shaped working space can be filled with operating medium instead.
  • filled hydrodynamic coupling 9 this is realized when starting on the increasingly forming flow circuit between impeller and turbine.
  • the hydrodynamic coupling can be filled and emptied, this can be done via a, the hydrodynamic component associated hydraulic circuit which is arranged inside and outside the clutch or filled with clutches via appropriately provided delay chambers, which is a violation of operating medium from a Allowing provided in the clutch resource reservoir during startup in the work space, the prime mover 6 can Gas turbine 3 load reduced until the ignition of the gas turbine 3 start.
  • a device 16 is provided to control the degree of filling.
  • FIG. 3a illustrates an embodiment with a hydrodynamic speed / torque converter with a shiftable clutch 14.
  • the shiftable clutch 14 is directly associated with the impeller and the turbine wheel T and serves for the mechanical coupling of the latter in the desired transmission mode.
  • the hydrodynamic component can remain filled, with the filling not affecting the power transmission behavior.
  • a rigid mechanical coupling between the engine 6 and the gas turbine compressor unit 5 can be realized to introduce mechanical power directly from the engine 6 in the strand or supply power to the engine 6.
  • the shiftable clutch 14 is not formed as a lock-up clutch, but as shown in Figure 3b, the starting element is arranged in a power branch parallel to the main drive train, wherein the switchable clutch 14 is disposed parallel to the main drive train power branch of this, the is upstream of the hydrodynamic component in the power transmission direction between the engine 6 and gas turbine compressor unit 5.
  • a power component is always transmitted via the direct mechanical coupling between drive machine 6 and gas turbine compressor unit 5.
  • another switchable coupling which is reproduced here only by means of a broken line, would be provided in the second power branch. Both clutches, in the first and second power branch, wherein the first power branch is located directly in the main drive train, would then be individually controllable and switchable.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a power transmission device 1 with optionally additional rotor turning device RDV.
  • This is the input shaft that is called drive shaft of the gas turbine 3, assigned, which is also connected to the compressor 2 and mounted on the output side of the starting element 7, that is on the power transmission from the engine 6 to the gas turbine compressor unit 5 acting as the output shaft shaft 12 of the starting element 7.
  • this has a one-piece with this running or rotatably connected to this sprocket, which acts as a so-called drive pinion.
  • a pinion of the rotor rotating device can be brought into engagement, which may be, for example, a pivot pinion, which is driven via a drive machine and mounted on a pivot lever, wherein on the pivot lever at least two functional positions can be realized, a first, depending on the design of the rotor rotating device Functional position in which the pinion is engaged with the arranged on the output shaft of the starting gear sprocket and a second functional position, which is referred to as disengaged position.
  • FIG. 5 illustrates, in a schematically simplified representation, the sequence of a starting process on the basis of a flowchart. Here only the basic process steps are reproduced. Additional optional additional measures are not indicated.
  • the first method step A is characterized in that, for starting from standstill, the starting element is designed, arranged and operated such that the drive machine 6 is decoupled from the gas turbine compressor unit 5. If this mode of operation is given, the drive machine 6 is started, that is started. In this case, engine 6 is raised in B up to nominal speed. Upon reaching a predefined rated speed, the starting element 7 is activated in C and thus a coupling between the engine and gas turbine compressor unit 5 is produced. From the ignition of the gas turbine, the power component to drive the compressor is provided directly through the gas turbine 3 and thus the compressor 2 on the sum of the power component, transmitted from the gas turbine Drive machine 6 to the gas turbine 3, and the other part of the gas turbine 3 itself driven. Upon reaching the nominal operation of the gas turbine 3, the decoupling of the starting element 7 takes place and the drive of the compressor 2 takes place solely via the gas turbine 3 in method step D.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsübertragungsvorrichtung zum Antrieb zumindest eines Verdichters einer Anlage zur Verdichtung von Flüssiggas (LNG) mit einer Gasturbine, umfassend eine Welle, die mit einem Verdichter verbunden ist und einem schaltbarem Anfahrelement. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine und der zumindest eine Verdichter unter Ausbildung einer Gasturbine-Verdichtereinheit direkt miteinander mechanisch gekoppelt sind und eine Antriebsmaschine vorgesehen ist, wobei das schaltbare Anfahrelement zwischen der Antriebsmaschine und der Gasturbine-Verdichtereinheit angeordnet ist.

Description

Leistungsübertragungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Leistungsübertragungssystems
Die Erfindung betrifft eine Leistungsübertragungsvorrichtung, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Leistungsübertragungsvorrichtung.
Leistungsübertragungsvorrichtungen zum Antrieb von Verdichtern bzw. Kompressoren, insbesondere für den Einsatz in Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas sind in unterschiedlichen Ausführungen aus dem Stand der Technik vorbekannt. Diese umfassen in der Regel eine Gasturbine, wobei die Gasturbine und der Verdichter gemäß einer ersten Ausführung aus dem Stand der Technik über einen Frequenzumrichter und eine Antriebsmaschine angefahren werden. Der Nachteil einer derartigen Lösung besteht in den sehr hohen Anforderungen des zugrundeliegenden Stromnetzes, in den extrem hohen Kosten und der nur bedingten Zuverlässigkeit des Frequenzumrichters, welcher die Betriebszuverlässigkeit des Gesamtsystems stark einschränkt. Des Weiteren benötigt der erforderliche Frequenzumrichter, welcher ein sanftes Anfahren der Gasturbinen-Verdichtereinheit ermöglichen soll, extrem viel Bauraum. In einer alternativen Ausführung beschreibt die WO 0212692 A1 eine Leistungsübertragungsvorrichtung, bei welcher eine Gasturbine vorgesehen ist, bei der ein Wellenende die Ausgangswelle der Gasturbine ist und die über einen schaltbaren Drehzahl-/Drehmomentwandler mit wenigstens einem Verdichter, welcher zur Verdichtung von verflüssigtem Erdgas verwendet wird, gekoppelt ist. Die Gasturbine treibt den Verdichter über den schaltbaren Drehzahl- /Drehmomentwandler an, was den Vorteil eines allmählichen sanften Anfahrens des Verdichters bietet. Die in der WO 0212692 A1 beschriebene Lösung, bei welcher zwischen der Gasturbine und dem Verdichter ein schaltbarer hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler angeordnet ist, bedingt jedoch, dass der Antrieb, welcher in diesem Fall von der Gasturbine gebildet wird, durch ein zusätzliches Anfahrelement separat angefahren werden muss. Auch muss die hydrodynamische Komponente die gesamte Nennleistung und das Drehmoment des Triebstranges vollständig sicher übertragen können.
Aus EP 2 142825 B1 ist bekannt, einen Getriebemechanismus zwischen Turbine und Verdichter mit zwei Leistungszweigen zum Anlaufenlassen des Verdichters vorzusehen. Dabei dient der erste Leistungszweig der mechanischen Durchkupplung über eine entsprechende Kupplung zwischen Gasturbine und Verdichter und der Wandler ist im zweiten Leistungszweig angeordnet, wobei dieser im Falle der mechanischen Durchkopplung entleert ist. Diese Ausführung ist bauraumintensiv und auch hier wird bis zum Nennbetrieb des Verdichters und dann erfolgender Auskopplung des hydrodynamischen Wandlers die volle Nennleistung über den Wandler übertragen. Bei einer weiteren in dieser Druckschrift beschriebenen Ausbildung ist der Getriebemechanismus zwischen einem Hilfsantrieb und dem Verdichter angeordnet, während der Hauptantrieb unabhängig davon mit dem Verdichter gekoppelt ist.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass diese zum einen geeignet ist, mittels des Anfahrelementes stromnetzschonend den Triebstrang anzufahren und ferner nicht die volle Nennleistung des Stranges übertragen zu müssen, sodass das Anfahrelement erheblich kleiner ausgelegt werden kann. Ferner soll die Lösung auch Betriebsweisen mit Rückspeisung von überschüssiger Energie ermöglichen. Die erfindungsgemäße Lösung soll dabei durch einen geringen konstruktiven Aufwand charakterisiert sein und mit möglichst geringer Bauteil- und Komponentenanzahl eine Vielzahl von zusätzlichen Aufgaben erfüllen können. Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 1 1 und 12 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Eine erfindungsgemäße Leistungsübertragungsvorrichtung zum Antrieb zumindest eines Verdichters einer Anlage zur Erzeugung von Flüssiggas (LNG) mit einer Gasturbine, umfassend eine Welle, die mit einem Verdichter verbunden ist und einem schaltbaren Anfahrelement in Form einer hydrodynamischen Komponente, umfassend zumindest ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine und der zumindest eine Verdichter unter Ausbildung einer Gasturbine-Verdichtereinheit wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt miteinander mechanisch gekoppelt sind und eine Antriebsmaschine vorgesehen ist, wobei das schaltbare Anfahrelement zwischen der Antriebsmaschine und der Gasturbine-Verdichtereinheit angeordnet ist. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Lösung dadurch charakterisiert, dass die hydrodynamische Komponente zwischen der Antriebsmaschine und der Gasturbine-Verdichtereinheit angeordnet ist, wobei die hydrodynamische Komponente befüll- und entleerbar ist sowie über eine oder mehrere schaltbare Kupplungseinrichtungen von der Gasturbine-Verdichtereinheit und/oder der Antriebsmaschine entkoppelbar ist, wobei die einzelne schaltbare Kupplungseinrichtung koaxial zur hydrodynamischen Komponente angeordnet ist. Die schaltbare Kupplungseinrichtung verbindet dabei das Pumpen- mit dem Turbinenrad.
Schaltbar im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die jeweilige Komponente - Anfahrelement oder schaltbare Kupplung zumindest zwei Funktionszustände aufweist - aktiviert oder deaktiviert.
Aktivierung bedeutet dabei die Herstellung der Verbindung zwischen einer Antriebsmaschine und dem Gasturbinen-Verdichterstrang, während deaktiviert eine Trennung bzw. Entkopplung der Antriebsmaschine vom Gasturbinen- Verdichterstrang beinhaltet. Wenigstens mittelbar bedeutet insbesondere, dass die Verbindung oder Kopplung zwischen einzelnen Komponenten entweder direkt oder über weitere zwischengeordnete Übertragungselemente mit oder ohne Drehzahl-/Drehmomentwandlung realisiert werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass mit einer einfachen und platzsparenden Konfiguration der Anordnung eines Anfahrelementes zwischen einer Antriebsmaschine und einer Gasturbine-Verdichtereinheit, mit nur einem einzigen Anfahrelement der gesamte Triebstrang, d.h. sowohl die Gasturbine als auch der Verdichters angetrieben werden kann, wobei das Anfahrelement nicht die volle Nennleistung des Stranges übertragen muss, da dieses nicht zwischen der Gasturbine und dem Verdichter angeordnet ist und somit nach Zündung der Turbine den über diese eingebrachten Leistungsanteil nicht mit übertragen muss. Des Weiteren bietet die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, dass über das Anfahrelement bei Nennlast zusätzlich und unterstützend Leistung an die Gasturbine-Verdichtereinheit von der Antriebsmaschine übertragen werden kann und andererseits auch eine Rückspeisung bei höherer zur Verfügung stehender Leistung an der Turbine zur Antriebsmaschine bei Ausbildung als generatorisch betreibbare elektrische Maschine möglich ist.
Die mit der Konfiguration möglichen unterschiedlichen Betriebsweisen erlauben mit einer geringen Komponentenanzahl die Realisierung einer Vielzahl von Nebenfunktionen, ohne zusätzliche Komponenten in den Gasturbinen- Verdichterstrang einfügen zu müssen und baut daher relativ kompakt. Die erfindungsgemäße Lösung ist mit geringem steuerungstechnischem Aufwand betreibbar. Insbesondere bei koaxialer Anordnung von Antriebsmaschine, Anfahrelement (hydrodynamische Komponente) und Gasturbine-Verdichtereinheit können die Funktionen mit minimalstem Bauraumbedarf abgedeckt werden. Das Anfahrelement ist als hydrodynamische Komponente ausgeführt. In einer ersten Ausbildung ist die hydrodynamische Komponente als hydrodynamische Kupplung ausgeführt, umfassend zumindest ein Pumpenschaufelrad und ein Turbinenschaufelrad, die miteinander einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum bilden. Das Pumpenschaufelrad ist dabei wenigstens mittelbar mit der Antriebsmaschine gekoppelt, während das Turbinenschaufelrad wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt, mit der Gasturbine verbunden ist. In einer vorteilhaften Ausbildung ist die hydrodynamische Kupplung als regelbare hydrodynamische Kupplung ausgeführt, das heißt die übertragbare Leistung wird über ein Stellglied, beispielsweise ein Schöpfrohr, an der hydrodynamischen Kupplung durch Änderung des Füllungsgrades eingestellt.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung wird die Schaltbarkeit über die Füllung und Entleerbarkeit des Arbeitsraumes realisiert. Dies stellt eine besonders einfache Maßnahme dar. Denkbar ist jedoch auch in einer alternativen Ausführung die Kupplung befüllt zu lassen und eine schaltbare Kupplung vorzusehen, die die hydrodynamische Kupplung aus dem Antriebsstrang herausnimmt.
Die Ausführung der hydrodynamischen Kupplung als Anfahrelement bietet den Vorteil, dass ein lastreduziertes Anfahren der Antriebsmaschine möglich ist. In einer zweiten, alternativen, besonders bevorzugten Ausbildung ist die hydrodynamische Komponente als hydrodynamischer Drehzahl- /Drehmomentwandler ausgeführt. Dieser umfasst zumindest ein Pumpenschaufelrad, ein Turbinenschaufelrad und ein als Reaktionsglied fungierendes Leitrad. Der hydrodynamische Drehzahl-/Drehmomentwandler arbeitet dabei wie ein hydrodynamisches Getriebe, das heißt fungiert mit Drehzahl-/Drehmomentwandlung. Auch hier ist das Pumpenschaufelrad wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt mit der Antriebsmaschine verbunden, während das zumindest eine Turbinenrad wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt mit der Gasturbine gekoppelt ist. Der hydrodynamische Drehmomentwandler ist mit einem Stellglied ausgeführt, mittels dieses das übertragene Drehmoment und die Drehzahl der Turbine gesteuert und/oder geregelt wird. Das Stellglied kann beispielsweise im/am Leitrad und/oder dem Pumpenrad und/oder Turbinenrad wirksam sein. Der hydrodynamische Drehzahl- /Drehmomentwandler ist schaltbar durch die optionale Möglichkeit der Befüllung oder Entleerung. Alternativ oder auch zusätzlich kann die Schaltbarkeit aber auch über eine schaltbare Kupplung realisiert werden, die die hydrodynamischen Komponenten durch Überbrückung aus dem Triebstrang nimmt. In einer besonders vorteilhaften Ausbildung ist der Drehzahl-/Drehmonnentwandler regelbar mittels eines Stellgliedes (Stellglied in Leit-, Pumpen- und/oder Turbinenrad) und schaltbar (Befüllung und Entleerung) ausgeführt. Bezüglich der konkreten Ausgestaltung eines hydrodynamischen Drehzahl- /Drehmomentwandlers besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten. Hierbei kommen ein- oder mehrstufige bzw. ein- oder mehrphasige Wandler zum Einsatz.
In einer Weiterbildung ist es vorgesehen, eine Möglichkeit zu schaffen, um die Antriebsmaschine direkt mit der Gasturbine zu koppeln und damit einen direkten mechanischen Durchtrieb zu realisieren, um die Gasturbine-Verdichtereinheit zusätzlich Leistung zu zuführen, im Besonderen bei höheren Umgebungstemperaturen, unter welchen der Wirkungsgrad der Gasturbine abnimmt. In einer besonders einfachen Ausgestaltung ist das Anfahrelement dazu mit einer Überbrückungskupplung ausgestattet, welche den jeweils mit der Antriebsmaschine gekoppelten Teil des Anfahrelementes und den mit der Gasturbine gekoppelten Teil des Anfahrelementes miteinander verbindet. Derartige Überbrückungskupplungen sind für hydrodynamische Komponenten aus dem Stand der Technik in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt. Im einfachsten Fall erfolgt die Überbrückung über eine Klauen-, Scheiben- oder Lamellenkupplungen.
Eine alternative Ausgestaltung sieht zwei Leistungszweige vor, wobei das Anfahrelement in einem der beiden Leistungszweige angeordnet ist und dieser Leistungszweig von der Antriebsmaschine entkoppelbar ist.
Bezüglich der Ausgestaltung der Antriebsmaschine besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Vorzugsweise ist diese als elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, der auch im generatorischen Betrieb betreibbar ist, ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass bei Vorliegen überschüssigen Leistung diese der Antriebsmaschine durch Kopplung mit der Gasturbine - direkt oder über das Anfahrelement - zugeführt und in ein Netz oder eine Energiespeichereinrichtung eingespeist werden kann.
Zum Anfahren der Antriebsmaschine selbst kann ein Hilfsantrieb vorgesehen werden, der im einfachsten Fall lediglich eine Hilfs-Antriebsmaschine geringerer Dimensionierung umfasst. Bei dieser handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische Maschine oder eine Verbrennungskraftmaschine. Die Anfahreinheit kann dabei ferner Zusatzkomponenten umfassen, die die Funktion des Hilfantriebes weiter verbessern und an die gegebenen Randbedingungen anpassbar gestaltet. Dabei kann es sich zum einen um eine Antriebsmaschine mit nachgeordnetem Drehmomentwandler wandeln, eine Antriebsmaschine in Form eines Elektromotors mit Frequenzumrichter oder eine Antriebsmaschine mit Softstarteinrichtung. Andere Ausführungen sind denkbar. Der Hilfsantrieb ermöglicht ein einfaches und schnelles Anfahren der Antriebsmaschine selbst.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, zur Unterstützung des Anfahrvorganges der Gasturbine-Verdichtereinheit eine Rotordrehvorrichtung vorzusehen, die zwischen dem Anfahrelement und der Gasturbine- Verdichtereinheit im Antriebsstrang zum Einsatz gelangt. Diese ermöglicht ein langsames Drehen des Gasturbinen-Verdichtertriebstranges während der Abkühlphase und/oder unterstützt das Losbrechen des gesamten Stranges. Aufgrund der Anordnung auf der Abtriebsseite des Anfahrelementes entspricht diese Anordnung auch einer konventionellen Anordnung einer Rotordrehvorrichtung bei Gasturbinen-Startwandlern.
Die erfindungsgemäße Lösung findet vorzugsweise Anwendung für Gasturbinen- Verdichterstränge im Leistungsbereich von > 50 MW. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist der Einsatz der Gasturbinen-Verdichtereinheit zur Erzeugung von Flüssiggas.
Ein Verfahren zum Antreiben eines Verdichters mit einer Leistungsübertragungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere zum Hochfahren eines Verdichters ist durch die nachfolgenden
Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Entkopplung der Antriebsmaschine von der Gasturbine- Verdichtereinheit
- Hochfahren der Antriebsmaschine auf Nenndrehzahl
optional Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl während des Hochfahrens
Zuschaltung des Anfahrelementes und Leistungsübertragung zur Gasturbinen-Verdichtereinheit;
- Zündung der Gasturbine
ab Erreichen der den Nennbetrieb des Verdichters wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe Entkopplung des Anfahrelementes bei Nennbetrieb und Antrieb des Verdichters allein über die Gasturbine. In besonders vorteilhafter Weiterbildung können mit der erfindungsgemäßen Konfiguration bei Erfassung einer eine Nichtabdeckung der erforderlichen Antriebsleistung an der Gasturbine wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe entweder das Anfahrelement überbrückt (insbesondere die Pumpen- und Turbinenrad der hydrodynamischen Komponente miteinander drehfest verbunden werden, wobei die hydrodynamische Komponente optional entlerrt ist) und die Antriebsmaschine direkt mit der Gasturbine-Verdichtereinheit gekoppelt werden oder die Antriebsmaschine über das Anfahrelement mit der Gasturbine- Verdichtereinheit verbunden werden. Die erforderliche Zusatzleistung kann auf einfache Art und Weise über die Antriebsmaschine ohne gesonderten Hilfsantrieb bereitgestellt werden.
Des Weiteren ist es auch möglich, ein Mehrleistungsangebot umzuwandeln und zu speichern. Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt: Figur 1 a verdeutlicht eine Grundkonfiguration der erfindungsgemäßen
Leistungsübertragungsvorrichtung;
Figur 1 b verdeutlicht die Grundkonfiguration gemäß Figur 1 a mit zusätzlichem
Hilfsantrieb;
Figuren 2a
und 2b zeigen vorteilhafte Ausführungen von Anfahrelementen;
Figur 3a verdeutlicht eine erste Ausführung eines Anfahrelementes mit zugeordneter Überbrückungskupplung zur Realisierung des mechanischen Durchtriebes zwischen Antriebsmaschine und Gasturbine-Verdichtereinheit;
Figur 3b verdeutlicht eine alternative Ausführung zur Figur 3a;
Figur 3c eine zweite Ausführung eines Anfahrelementes mit zugeordneter
Überbrückungskupplung zur Realisierung des mechanischen Durchtriebes zwischen Antriebsmaschine und Gasturbine- Verdichtereinheit;
Figur 4 zeigt die Konfiguration gemäß Figur 1 b mit zusätzlicher
Rotordrehvorrichtung,
Figur 5 verdeutlicht ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen
Leistungsübertragungsvorrichtung.
Die Figur 1 a verdeutlicht in schematisiert stark vereinfachter Darstellung den Grundaufbau und die Grundfunktionsweise einer erfindungsgemäß ausgebildeten Leistungsübertragungsvorrichtung 1 einer Antriebsanlage zur Erzeugung von verflüssigtem Erdgas (LNG). Die Leistungsübertragungsvorrichtung 1 dient dabei insbesondere zum Anfahren/dem Antrieb wenigstens eines Verdichters 2 einer derartigen Anlage. Die Leistungsübertragungsvorrichtung 1 umfasst zumindest eine Gasturbine 3, umfassend eine Welle 4, die mit der Verdichter 2 unter Ausbildung einer sogenannten Gasturbine-Verdichtereinheit 5 gekoppelt ist. Die Leistungsübertragungsvorrichtung 1 umfasst erfindungsgemäß ferner eine Antriebsmaschine 6 und eine zwischen Antriebsmaschine 6 und der Gasturbine- Verdichtereinheit 5 angeordnete schaltbare Anfahrkomponente 7. Bei dieser handelt es sich um eine hydrodynamische Leistungsübertragungsvorrichtung, welche gemäß einer ersten Ausführungsform wie in Figur 2a wiedergegeben, als regelbarer hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler 8 ausgebildet ist und gemäß einer zweiten Ausführung, dargestellt in Figur 2b, als regelbare hydrodynamische Kupplung.
Die Antriebsmaschine 6 ist gemäß einer ersten, besonders vorteilhaften Ausbildung, als elektrische Maschine, insbesondere eine als Generator betreibbare elektrische Maschine ausgeführt. Gemäß einer zweiten Ausführung kann diese auch als Verbrennungskraftmaschine oder eine andere Art von Antriebsmaschine ausgebildet sein.
Die Antriebsmaschine 6 ist mit dem Anfahrelement 7 verbunden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise frei von weiteren Übertragungselementen, das heißt direkt. Antriebsmaschine 6 und Anfahrelement 7 sind koaxial zueinander angeordnet. Dies gilt in bevorzugter Ausführung auch für die Anordnung von Anfahrelement 7 und Gasturbine-Verdichtereinheit.
Dazu ist eine Antriebswelle 10 der Antriebsmaschine 6 mit einer Welle 1 1 des Anfahrelementes 7 verbunden. Die Verbindung kann direkt, kraft- oder formschlüssig erfolgen. Das Anfahrelement 7 ist ferner mit einer Welle 13 der Gasturbine-Verdichtereinheit 5, vorzugsweise einem endseitigen Wellenende der Welle 4 der Gasturbine verbunden. Die Verbindung erfolgt über die Kopplung einer Welle 12, welche in Leistungsübertragungsrichtung von der Antriebsmaschine 6 zum Verdichter 2 als Ausgangswelle des Anfahrelementes 7 fungiert mit einer Welle der Gasturbine 3, insbesondere bei einwelligen Gasturbinen einem vom Verdichter 4 weggerichteten Wellenende der Welle 4. Die Welle 4 der Gasturbine fungiert in dieser Leistungsübertragungsrichtung auch als Ausgangswelle zur Kopplung mit dem Verdichter 2, insbesondere einer Eingangswelle des Verdichters 4. Bei einer Ausführung einer Gasturbine mit zwei Wellenenden kann die Anordnung von Anfahrelement und Verdichter so gestaltet sein, dass das Anfahrelement 7 an das erste Wellenende und der Kompressor an das zweite Wellenende gekoppelt ist. Grundsätzlich ist der Begriff Welle funktional zu verstehen und nicht auf eine konkrete konstruktive Ausführung beschränkt. Darunter sind auch Ausführungen von anderen rotierbaren Komponenten zu verstehen.
Die Verbindungen zwischen Antriebsmaschine 6 und Anfahrelement 7, insbesondere einer Welle der Antriebsmaschine und der hydrodynamischen Komponente sowie Anfahrelement 7 und Gasturbine-Verdichtereinheit, insbesondere einer Welle der hydrodynamischen Komponente und der Gasturbine-Verdichtereinheit kann dabei über drehfeste form- oder kraftschlüssige Verbindungen, starre Kupplungen, oder vorzugsweise über Ausgleichskupplungen realisiert werden.
Die in Figur 1 a dargestellte Ausführung stellt eine Grundkonfiguration dar. Die einzelnen Verbindungen zwischen den Komponenten Antriebsmaschine 6, Anfahrkomponente 7, Gasturbine 3 und Verdichter 4 können dabei jeweils kraft- oder formschlüssig ausgeführt sein. Entscheidend ist, dass es sich bei dem Anfahrelement 7 um zumindest eine regelbare und schaltbare Drehzahlwandlungseinrichtung handelt, vorzugsweise eine Drehzahl- /Drehmomentenwandlungseinrichtung. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Antriebsmaschine 6 zum Antrieb der Gasturbine-Verdichtereinheit 5 zum einen schonend anzufahren und insbesondere bei Ausbildung der Antriebsmaschine 6 als elektrische Antriebsmaschine stromnetzschonend den Antriebsstrang anzutreiben. Ferner wird das Anfahrelement 7 zum Starten der Gasturbine 3 verwendet, wobei mit dieser der mit der Gasturbine 3 verbundene Verdichter 2 mit hochgefahren wird. Das Anfahrelement 7 ist schaltbar, d.h. über diese kann eine wahlweise Unterbrechung oder Herstellung der Verbindung zwischen Antriebsmaschine 6 und Gasturbine 3 realisiert werden.
Die Schaltbarkeit kann in der ersten Ausführung mit Ausbildung des Anfahrelementes 7 als hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler 8 zum einem allein über die Befüll- und Entleerbarkeit realisiert werden, vorteilhaft optional oder zusätzlich über eine schaltbare Kupplung 14, welche auch als Überbrückungskupplung bezeichnet ist und die die Ein- und Ausgangskomponente (Pumpenrad und Turbinenrad) des hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers unter Umgehung des Leistungsflusses über das Anfahrelement 7 miteinander koppelt. Bei Ausbildung als hydrodynamische regelbare Kupplung 9 erfolgt die Schaltbarkeit über die Füll- und Entleerbarkeit und/oder bei befüllter Kupplung ebenfalls durch Überbrückung. Die Ausführung des Anfahrelementes 7 als hydrodynamischer Wandler 8 und regelbare hydrodynamische Kupplung 9 sind beispielhaft in den Figuren 2a und 2b wiedergegeben. Die Ausführung mit Überbrückungskupplung 14 wird in den Figuren 3a bis 3c beschrieben.
Um eine besonders kompakte Ausführung mit rein mechanischem Durchtrieb zu erhalten, ist eine schaltbare Kupplung in Form einer Überbrückungskupplung 14 vorgesehen, die das Pumpenrad mit dem Turbinenrad der hydrodynamischen Komponente verbindet. Ferner sind Antriebsmaschine, schaltbare Kupplung, Anfahrelement und Gasturbine-Verdichtereinheit koaxial zueinander angeordnet. Diese ist in den Figuren 1 und 2 nicht separat dargestellt.
Die Figur 1 b verdeutlicht eine Weiterentwicklung gemäß Figur 1 a, bei welcher der Antriebsmaschine 6 eine Komponente zum Unterstützen der Antriebsmaschine 6, insbesondere Hochfahren der Antriebsmaschine 6 zugeordnet ist. Diese ist hier als Hilfsantrieb 15 bezeichnet.
Die in den Figuren 1 a und 1 b dargestellten Grundkonfigurationen ermöglichen dabei ein lastloses Anfahren der Antriebsmaschine 6. Dieses erfolgt beispielsweise über die über das Anfahrelement 7 einstellbare übertragbare Leistung.
Der Verdichter 2 wird zum Anfahren in einem sogenannten Recycle-Modus betrieben, das heißt mit reduzierter Leistung. Zum Anfahren ist die Gasturbine- Verdichtereinheit 5 von der Antriebsmaschine 6 entkoppelt. Die Entkopplung erfolgt dabei jeweils nach Ausführung der hydrodynamischen Komponente als hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler 8 und hydrodynamische Kupplung 9, vorzugsweise durch Entleerung der hydrodynamischen Komponente und/oder Lösen der Überbrückung. In diesem Zustand wird die Antriebsmaschine 6 auf die Nenndrehzahl angefahren, während die Gasturbine-Verdichtereinheit 5 noch von der Antriebsmaschine 6 entkoppelt ist.
Beim Anfahren der Antriebsmaschine 6 mittels Hilfsantrieb bzw. Hilfsmotor 15 muss zuerst dieser hochgefahren werden. Für die Ausführung des Hilfsantriebes 15 und das Anfahren dessen besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Stellvertretend wird nachfolgend genannt:
- kleiner Hilfsantrieb, direkt eingeschaltet
- kleiner Hilfsantrieb mit einem Drehmomentwandler
- kleiner Hilfsantrieb mit VFD
- kleiner Hilfsantrieb mit Softstarter
- kleiner Verbrennungsmotor etc.
Durch Zuschaltung des Anfahrelementes 7, bei hydrodynamischen Komponenten beispielsweise durch Befüllung oder bei befüllter überbrückter hydrodynamischer Komponente durch Deaktivierung der Überbrückungskupplung 14 und Antrieb des Eingangsteils dieser wird die Gasturbine 3 und über die Kopplung zwischen Gasturbine 3 und Verdichter 5 die Gasturbinen-Verdichtereinheit 5 angetrieben. Ab Zündung der Gasturbine 3 unterstützt diese dann den Anfahrvorgang bzw. Anlaufvorgang. Dadurch verringert sich das maximal über das Anfahrelement 7 zu übertragende Drehmoment , das heißt, es wird lediglich nur ein Teil der an den Verdichter 2 übertragenen Leistung über das Anfahrelement 7 zur Gasturbine 3 übertragen. Der andere zum Antrieb des Verdichters erforderliche Leistungsanteil wird dann von der Gasturbine 3 direkt dem Verdichter 2 zugeführt. In dem Betrieb erfolgt damit die Übertragung der Hauptleistung des Stranges nicht mehr über das Anfahrelement 7, wodurch diese nicht die volle Nennleistung übertragen muss und daher kleiner dimensioniert werden kann. Der Antriebsstrang ist damit derart konzipiert, dass die Leistungsübertragung zum Verdichter 2 über einen ersten Teilbereich des gesamten Betriebsbereiches von der Antriebsmaschine 6 über das Anfahrelement 7 auf die Gasturbine-Verdichtereinheit 5 erfolgt, während in einem weiteren Betriebsbereich ein Teil der Leistung, welcher bei der Betriebsweise der Gasturbine 3 aus den Verbrennungsgasen entstehend, genutzt wird. Insbesondere gilt dies für den Nennbetrieb, in welchem die Hauptleistung des Stranges nicht über das Anfahrelement 7 von der Antriebsmaschine 6 erzeugt übertragen wird, sondern direkt von der Gasturbine 3 zum Verdichter 2.
Wird die hydrodynamische Komponente entleert und ist Antriebsmaschine im Nennbetrieb kann über eine schaltbare Kupplung, insbesondere Überbrückungseinrichtung eine Überbrückung der hydrodynamischen Komponente erzielt werden, welche eine direkte starre mechanische Kopplung zwischen Antriebsmaschine und Gasturbine-Verdichtereinheit 5 erzeugt, wobei durch die Antriebsmaschine 6 in dieser Betriebsweise zusätzliche Leistung in den Strang der Leistungsübertragungsvorrichtung 1 eingebracht werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn bei hohen Umgebungstemperaturen der Wirkungsgrad der Gasturbine 3 absinkt und diese somit nicht genügend Leistung abgibt. Des Weiteren kann optional über die Überbrückungseinrichtung eine direkte starre mechanische Kopplung von Antriebsmaschine 6 und Gasturbine- Verdichtereinheit 5 erzielt werden, wobei die überschüssige Leistung der Gasturbine 3 in diesem Fall zur Antriebsmaschine 6 bei Ausführung als elektrische Maschine übertragen wird, um im generatorischen Betrieb diese elektrische Energie zu erzeugen.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht somit eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsweisen, welche darin resultieren, dass nicht mehr die volle Leistung über das Anfahrelement 7 übertragen werden muss und diese somit auch nicht für den Dauerbetrieb bei voller Nennleistung auszulegen ist. Vielmehr handelt es sich bei der Kombination aus Antriebsmaschine 6 und Anfahrkomponente 7 um eine unterstützende Einrichtung zum Anfahren der Gasturbine 3, welche aufgrund ihrer Ausgestaltung nach Erreichen des gewünschten Betriebszustandes für weitere vorteilhafte Betriebsweisen genutzt werden kann. Wie bereits ausgeführt, ist das Anfahrelement 7 gemäß einer ersten Ausführung als hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler 8 ausgebildet. Dies ist in Figur 2a in schematisiert vereinfachter Darstellung wiedergegeben. Bezüglich der konkreten Ausbildung eines derartigen Wandlers besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten. Diese umfasst im einfachsten Fall zumindest ein Pumpenrad, ein Turbinenrad T und ein sogenanntes Reaktionsglied in Form eines Leitrades L, über welches die Drehzahl-/Drehmomentenvariation zwischen Pumpenrad und Turbinenrad T realisiert wird. Die Leistungsübertragung erfolgt über ein flüssiges Betriebsmedium. Das Pumpenrad P ist dabei bei den Konfigurationen der Figuren 1 a und 1 b mit der Welle 10 der Antriebsmaschine 6 verbindbar, während das Turbinenrad T wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt, mit einer Welle der Gasturbine 3 verbindbar ist. Der hydrodynamische Drehzahl-/Drehmomentwandler 8 kann ein- oder mehrstufig ausgebildet sein. Die Auswahl der konkreten Ausgestaltung erfolgt in Abhängigkeit der Einsatzerfordernisse und des gewünschten einzustellenden Anfahrverhaltens. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung handelt es sich um einen sogenannten Lysholm-Wandler, andere Ausführungen sind denkbar. Ist der hydrodynamische Drehzahl- /Drehmomentwandler 8 dadurch charakterisiert, dass eine Drehzahlwandlung mit einer Drehmomentwandlung einhergeht, ist gemäß Figur 2b bei einer hydrodynamischen regelbaren Kupplung 9 dieses Verhalten nicht gegeben. Bei dieser findet lediglich eine Drehzahlwandlung zwischen Eingang und Ausgang, das heißt einem Pumpenrad P und einem Turbinenrad T, die einen mit Betriebsmedium befüllbaren torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, statt. Bei befüllter hydrodynamischer Kupplung 9 wird dies bei Anfahren über den sich zunehmend ausbildenden Strömungskreislauf zwischen Pumpenrad und Turbinenrad realisiert. Ist vorzugsweise die hydrodynamische Kupplung füll- und entleerbar, wobei dies über einen, der hydrodynamischer Komponente zugeordneten hydraulischen Kreislauf erfolgen kann, der in- und außerhalb der Kupplung angeordnet ist oder aber bei befüllten Kupplungen über entsprechend vorgesehenen Verzögerungskammern, die ein Übertreten von Betriebsmedium aus einem in der Kupplung vorgesehenen Betriebsmittelreservoir während des Anfahrens in den Arbeitsraum ermöglichen, kann die Antriebsmaschine 6 die Gasturbine 3 lastreduziert bis zur Zündung der Gasturbine 3 anfahren. Zur Steuerung des Füllungsgrades ist beispielsweise eine Einrichtung 16 vorgesehen.
Die Figur 3a verdeutlicht dabei eine Ausführung mit hydrodynamischen Drehzahl- /Drehmomentwandler mit schaltbaren Kupplung 14. Dabei ist die schaltbare Kupplung 14 direkt dem Pumpenrad und dem Turbinenrad T zugeordnet und dient der mechanischen Kopplung dieser im gewünschten Durchschaltbetrieb. In diesem Fall kann die hydrodynamische Komponente gefüllt bleiben, wobei die Befüllung sich nicht auf das Leistungsübertragungsverhalten auswirkt. Über die mit dieser gebildete Überbrückungseinrichtung kann eine starre mechanische Kopplung zwischen der Antriebsmaschine 6 und der Gasturbine- Verdichtereinheit 5 realisiert werden, um mechanische Leistung direkt von der Antriebsmaschine 6 in den Strang einzubringen oder Leistung der Antriebsmaschine 6 zuzuführen.
In einer alternativen Ausführung ist die schaltbare Kupplung 14 nicht als Überbrückungskupplung ausgebildet, sondern wie in der Figur 3b wiedergegeben, ist das Anfahrelement in einem Leistungszweig parallel zum Hauptantriebsstrang angeordnet, wobei die schaltbare Kupplung 14 den zum Hauptantriebsstrang parallelen Leistungszweig von diesem trennend angeordnet ist, das heißt der hydrodynamischen Komponente in Leistungsübertragungsrichtung zwischen Antriebsmaschine 6 und Gasturbine-Verdichtereinheit 5 vorgeordnet ist. In diesem Fall wird immer ein Leistungsanteil über die direkte mechanische Kopplung zwischen Antriebsmaschine 6 und Gasturbine-Verdichtereinheit 5 übertragen. Um dies auszuschließen, wäre eine weitere schaltbare Kupplung, welche hier nur mittels unterbrochener Linie wiedergegeben ist, im zweiten Leistungszweig vorzusehen. Beide Kupplungen, im ersten und zweiten Leistungszweig, wobei der erste Leistungszweig direkt im Hauptantriebsstrang liegt, wären dann einzeln ansteuerbar und schaltbar.
Figur 4 zeigt eine Ausführung einer Leistungsübertragungsvorrichtung 1 mit optional zusätzlicher Rotordrehvorrichtung RDV. Diese ist der Eingangswelle, das heißt Antriebswelle der Gasturbine 3, zugeordnet, welche auch mit dem Verdichter 2 verbunden ist und auf der Abtriebseite des Anfahrelementes 7 angebracht, das heißt auf der bei Leistungsübertragung von der Antriebsmaschine 6 zur Gasturbine-Verdichtereinheit 5 als Abtriebswelle fungierenden Welle 12 des Anfahrelementes 7. Dazu weist diese einen einteilig mit dieser ausgeführten oder aber mit dieser drehfest verbundenen Zahnkranz auf, welcher als sogenanntes Antriebsritzel fungiert. Mit diesem ist ein Ritzel der Rotordrehvorrichtung in Eingriff bringbar, wobei es sich je nach Ausführung der Rotordrehvorrichtung beispielsweise um ein Schwenkritzel handeln kann, welches über eine Antriebsmaschine angetrieben und an einem Schwenkhebel gelagert ist, wobei über den Schwenkhebel mindestens zwei Funktionsstellungen realisierbar sind, eine erste Funktionsstellung, in welcher sich das Ritzel mit dem an der Abtriebswelle des Anfahrelementes angeordneten Zahnkranz in Eingriff steht und einer zweiten Funktionsstellung, die als Außer-Eingriffstellung bezeichnet wird.
Die Figur 5 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung den Ablauf eines Anfahrvorganges anhand eines Flussdiagrammes. Hier sind lediglich die Grundverfahrensschritte wiedergegeben. Zusätzliche optionale weitere Maßnahmen sind nicht mit angegeben.
Der erste Verfahrensschritt A ist dadurch charakterisiert, dass zum Anfahren aus dem Stillstand das Anfahrelement derart ausgebildet, angeordnet und betrieben ist, dass die Antriebsmaschine 6 von der Gasturbine-Verdichtereinheit 5 entkoppelt ist. Ist diese Betriebsweise gegeben, wird die Antriebsmaschine 6 angefahren, das heißt gestartet. Dabei wird Antriebsmaschine 6 in B bis auf Nenndrehzahl hochgefahren. Bei Erreichen einer vordefinierten Nenndrehzahl wird das Anfahrelement 7 in C aktiviert und damit eine Kopplung zwischen Antriebsmaschine und Gasturbine-Verdichtereinheit 5 hergestellt. Über diese erfolgt das Anfahren der Gasturbine und damit ein Durchtrieb auf den Verdichter 5. Ab dem Zündzeitpunkt der Gasturbine wird der Leistungsanteil zum Antrieb des Verdichters direkt über die Gasturbine 3 erbracht und somit der Verdichter 2 über die Summe aus dem Leistungsanteil, übertragen von der Antriebsmaschine 6 zur Gasturbine 3, und der andere Teil von der Gasturbine 3 selbst angetrieben. Bei Erreichen des Nennbetriebes der Gasturbine 3 erfolgt die Entkopplung des Anfahrelementes 7 und der Antrieb des Verdichters 2 erfolgt allein über die Gasturbine 3 in Verfahrensschritt D.
Bezugszeichenliste
1 Leistungsübertragungsvorrichtung
2 Verdichter
3 Gasturbine
4 Welle
5 Gasturbine-Verdichtereinheit
6 Antriebsmaschine
7 Anfahrkomponente
8 hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler
9 regelbare hydrodynamische Kupplung
10 Antriebswelle der Antriebsmaschine
1 1 Welle
12 Welle
13 Eingangswelle
14 schaltbare Kupplung
15 Hilfsantrieb
16 Einrichtung
RDV Rotordrehvorrichtung
P Pumpenrad
T Turbinenrad
L Leitrad

Claims

Patentansprüche
1 . Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) zum Antrieb zumindest eines Verdichters (2) einer Anlage zur Erzeugung von Flüssiggas (LNG)
mit einer Gasturbine (3), umfassend eine Welle, die mit einem Verdichter (2) verbunden ist und einem schaltbarem Anfahrelement (7) in Form einer hydrodynamischen Komponente, umfassend zumindest ein Pumpenrad (P) und ein Turbinenrad (T),
dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (3) und der zumindest eine Verdichter (2) unter Ausbildung einer Gasturbine-Verdichtereinheit (5) wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt miteinander mechanisch gekoppelt sind und eine Antriebsmaschine (6) vorgesehen ist, wobei
- die hydrodynamische Komponente zwischen der Antriebsmaschine (6) und der Gasturbine-Verdichtereinheit (5) angeordnet ist,
- die hydrodynamische Komponente befüll- und entleerbar ist;
- die hydrodynamische Komponente über eine oder mehrere schaltbare Kupplungseinrichtungen von der Gasturbine-Verdichtereinheit (5) und/oder der Antriebsmaschine (6) entkoppelbar ist, wobei die einzelne schaltbare Kupplungseinrichtung koaxial zur hydrodynamischen Komponente angeordnet ist.
2. Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftfluss die Verbindung zwischen Antriebsmaschine und Gasturbine-Verdichtereinheit (5) und umgekehrt frei von zusätzlich zur schaltbaren hydrodynamische Komponente vorgesehenen Übertragungselementen ist.
3. Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamischen Komponente Steuer- und/oder regelbar ist.
4. Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare Anfahrelement (7) von einer regelbaren hydrodynamischen Kupplung (9) gebildet ist, umfassend zumindest ein Pumpenrad (P) und ein Turbinenrad (T), die einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum bilden, wobei das Pumpenschaufelrad (P) wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt mit der Antriebsmaschine (6) verbunden ist und das Turbinenrad (T) wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt mit einer Welle der Gasturbine (3), insbesondere der mechanischen Kopplung zwischen Gasturbine (3) und Verdichter (2) verbunden ist.
5. Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahrelement (7) von einer hydrodynamischen Komponente in Form eines regelbaren hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers (8) gebildet ist, umfassend zumindest ein Pumpenschaufelrad (P), ein Turbinenschaufelrad (T) und ein Leitrad (L), wobei das Pumpenschaufelrad (P) mit einer Welle der Antriebsmaschine (6) wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt verbunden ist und das Turbinenrad (T) mit einer Welle der Gasturbine (3), insbesondere der mechanischen Kopplung zwischen Gasturbine (3) und Verdichter (2) wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt verbunden ist.
6. Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem schaltbaren Anfahrelement (7) eine Überbrückungseinrichtung zugeordnet ist zur Realisierung eines mechanischen Durchtriebes zwischen den jeweils eingangs- und ausgangsseitig mit dem Anfahrelement (7) gekoppelten Wellen. Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine (6) als elektrische Maschine, insbesondere als Motor und Generator betreibbare elektrische Maschine ausgebildet ist.
Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmaschine (6) ein Hilfsantrieb (15) zugeordnet ist, welcher gemäß einer der nachfolgenden Varianten ausgebildet ist:
- ein Elektromotor
- ein Elektromotor mit einem nachgeordneten hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandler
- Elektromotor mit hydrodynamischer Kupplung
- Elektromotor mit Frequenzumrichter
- Elektromotor mit Softstarter
- kleiner Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch einen Leistungsbereich von < 5 MW.
Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Gasturbine (3) und dem Verdichter (2) der Gasturbine-Verdichtereinheit (5) frei von zusätzlichen drehzahl-/drehmomentwandelnden Übertragungselementen ist und lediglich über die Kopplung der Wellen von Gasturbine (3) und Verdichter (2) realisiert wird.
Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasturbine (3) eine Rotordrehvorrichtung (RDV) zugeordnet ist, wobei die Rotordrehvorrichtung (RDV) einer Welle der Gasturbine (3) oder der mit dem Anfahrelement (7) gekoppelten Abtriebswelle zugeordnet ist. Verwendung einer Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Antrieb eines Verdichters (2) in einer Anlage zur Erzeugung von Flüssiggas (LNG).
Verfahren zum Antreiben eines Verdichters (2) mit einer Leistungsübertragungsvorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:
Entkopplung der Antriebsmaschine (6) von der Gasturbine- Verdichtereinheit (5)
Hochfahren der Antriebsmaschine (6) auf Nenndrehzahl
optional Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl der
Antriebsmaschine während des Hochfahrens
Zuschaltung des Anfahrelementes (7) und Leistungsübertragung zur
Gasturbinen-Verdichtereinheit;
Zünden der Gasturbine;
ab Erreichen der den Nennbetrieb des Verdichters wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe Entkopplung des Anfahrelementes (7) und Antrieb des Verdichters (2) allein über die Gasturbine (3).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfassung einer eine Nichtabdeckung der erforderlichen Antriebsleistung an der Gasturbine (3) wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe entweder das Anfahrelement (7) überbrückt und die Antriebsmaschine (6) direkt mit der Gasturbine-Verdichtereinheit gekoppelt wird oder die Antriebsmaschine (6) über das Anfahrelement (7) mit der Gasturbine-Verdichtereinheit (5) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfassung einer die abgebbare Leistung an der Gasturbine (3) wenigstens mittelbar beschreibenden Größe, welche eine Mehrleistung beinhaltet, die Gasturbine-Verdichtereinheit (5) mit der Antriebsmaschine (6) mechanisch zur Leistungsübertragung zur Antriebsmaschine (6) gekoppelt wird, insbesondere die Pumpen- und Turbinenrad der hydrodynamischen Komponente miteinander drehfest verbunden werden, wobei die hydrodynamische Komponente optional entleert ist.
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