KR102134321B1

KR102134321B1 - 기계식 구동 어플리케이션의 가스 터빈 및 작동 방법

Info

Publication number: KR102134321B1
Application number: KR1020157015023A
Authority: KR
Inventors: 마르코 스카르포니; 안토니오 펠라고티; 파올로 비안치; 로렌조 날디; 지우리아노 밀라니; 클라우디오 안토니니; 그라지아노 델라나; 파올로 바타글리; 미르코 리브라스치; 아눈지오 라자리; 다미아노 아조스티니
Original assignee: 누보 피그노네 에스알엘
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2033-11-07
Also published as: CA2890292A1; AU2013343548A1; AU2013343548B2; JP6334547B2; EP2917504B1; BR112015009904A2; US10174630B2; CN104956036B; RU2674107C2; ITFI20120245A1; KR20150079976A; RU2015116482A; BR112015009904B1; CN104956036A; CA2890292C; EP2917504A1; US20150285089A1; WO2014072433A1; JP2015535046A

Abstract

적어도 하나의 압축기를 구동하기 위한 구동 시스템이 설명된다. 구동 시스템은 압축기(103)를 구동하도록 구성 및 배치되는 가스 터빈(101)을 포함한다. 가스 터빈은 고온 단부(101H)와 저온 단부(101C)를 갖는다. 가스 터빈(101)의 고온 단부(101H)에는 상기 가스 터빈(101)을 압축기(103)에 연결하기 위한 부하 커플링(105)이 배치된다. 가스 터빈의 저온 단부(101C)에는 전기 모터/발전기(111)가 배치된다. 전기 모터/발전기(11)는 전력망(G)에 전기 접속되고, 가스 터빈(101)으로부터 나온 과량의 기계적 동력을 전력으로 변환하고, 전력을 전력망(G)으로 전달하기 위한 발전기로서 그리고 압축기(103)에 구동력을 보충하기 위한 모터로서 기능하도록 되어 있다.

Description

기계식 구동 어플리케이션의 가스 터빈 및 작동 방법{GAS TURBINE IN MECHANICAL DRIVE APPLICATIONS AND OPERATING METHODS}

본 개시는 기계식 구동 어플리케이션에 사용되는 가스 터빈 시스템에 대한 개선에 관한 것이다. 제한하는 것은 아니지만, 구체적으로 본 개시는 압축기, 예컨대 액화 천연 가스 설비에 있는 냉매 유체용 압축기를 구동하기 위한 가스 터빈 시스템에 관한 것이다.

본 개시는 또한 가스 터빈과 부하, 예컨대 LNG용 압축기 또는 오일 및 가스 어플리케이션를 포함하는 시스템을 작동시키기 위한 방법에서의 개선에 관한 것이다.

액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas; LNG)는, 캐스캐이드 장치에서 하나 이상의 냉각 사이클을 이용하여 천연 가스가 액체로 될 때까지 냉각되는 액화 프로세스로부터 발생된다. 예컨대, 파이프라인 이송이 불가능하거나 경제적으로 실행 불가능한 경우에, 천연 가스는 통상 저장 또는 이송 목적으로 액화된다.

천연 가스의 냉각은 폐쇄형 또는 개방형 냉각 사이클을 이용하여 수행된다. 냉매가 압축기 또는 압축기들에서 처리되고, 응결되며, 팽창된다. 팽창 냉각된 냉매는 열교환기 내를 흐르는 천연 가스로부터 열을 제거하는 데 사용된다.

오일 및 가스 산업에서의 LNG, 파이프라인 어플리케이션 또는 다른 어플리케이션의 냉매 압축기는 통상 가스 터빈에 의해 구동된다. 가스 터빈 동력 이용 가능성(gas turbine power availability)(즉, 터빈 동력 샤프트에 대해 이용 가능한 동력)은 주위 조건, 예컨대 공기 온도나 에이징(ageing)과 같은 다른 요인에 좌우된다. 터빈 동력 이용 가능성은 온도가 감소하면 증가하고, 그 반대로 온도가 증가하면 감소한다. 이것은, 일교차 또는 연간 온도 변화로 인해 24시간 동안뿐만 아니라 연간 동력 이용 가능성 변동을 유발한다.

하나 이상의 압축기로 이루어진 부하를 구동하기 위해 가스 터빈과 함께 전기 모터를 제공하는 것이 제안되었다. 전기 모터는, 터빈의 동력 이용 가능성이 감소할 때에 압축기 샤프트에 대한 전체 기계적 동력을 일정하게 유지하기 위해 및/또는 부하를 구동하는 데 사용되는 총 기계적 동력을 증가시키기 위해 압축기 또는 압축기들에 대한 기계적 동력을 보충하도록 작동된다. 전기 모터의 이러한 기능은 헬퍼 듀티(helper duty)로 일컬어진다. 동일한 전기 모터는 대개, 가스 터빈 및 압축기 또는 압축기들에 의해 형성된 스트링을 0에서 정격 속도로 가속하는 스타터 모터로서도 또한 사용된다.

과량의 기계적 동력이 터빈에 의해 생성될 때, 예컨대 주위 온도가 설계 온도 미만으로 떨어지고, 그 결과로 터빈 동력 이용 가능성이 증가하는 경우, 가스 터빈에 의해 생성되는 과량의 기계적 동력은 전기 헬퍼 모터를 발전기로서 사용하여 전기 에너지로 변환된다.

도 1은 LNG 설비에서 통상적으로 사용되는 헬퍼/스타터/발전기 기계를 구비하는 가스 터빈 및 압축기 장치를 예시한다. 가스 터빈(1)은 공통 샤프트 라인(3)을 통해 전기 모터/발전기(5)에 연결된다. 샤프트 라인은 복수 개의 샤프트 부분(3A, 3B, 3C, 3D)으로 이루어질 수 있다. 도면부호 4는 가스 터빈과 전기 모터/발전기(5) 사이에 배치되는 견고한 커플링을 나타낸다. 전기 모터/발전기(5)와 부하(7), 예컨대 압축기 사이에는 다른 유연한 커플링(6)이 배치된다. 전기 모터/발전기(5)는 드라이브스루(drive-through) 능력을 갖는데, 즉 가스 터빈(1)에 의해 생성된 기계적 동력이 전기 모터/발전기(5)를 통해 압축기(7)로 전달되게 하도록 설계된다. 드라이브스루 능력은 가스 터빈 출력 동력 이상이어야만 한다. 전기 모터/발전기(5)는 주파수 변환기(11)를 통해 전력망(G)에 연결된다.

전기 모터/발전기(5)는 가스 터빈(1)을 0에서 최고 속도로 가속하는 스타터로서 사용된다. 전기 모터/발전기(5)는 스타터 기능을 수행할 때에 공통 샤프트 라인(3) 상에 배치되기 때문에, 전기 모터/발전기(5)도 또한 전체 압축 스트링, 즉 압축기 또는 압축기(7)들을 가속시킨다. 이것은, 전기 모터/발전기(5)가 공통 샤프트 라인에 연결된 회전 기계체 모두를 가속시킬 만큼 그리고 또한 압축기 또는 압축기(7)들의 공기역학적 부하를 극복할 만큼 충분히 강력할 것을 필요로 하는데, 그 이유는 시동 시에 압축기 또는 압축기(7)들에 존재하는 작동 유체가 흐르기 시작하여 그 압력이 증가하기 때문이다.

다른 알려진 천연 가스 액화 설비에서, 전기 모터/발전기는 압축기 또는 압축기들의 일단부에 연결되고, 가스 터빈은 압축기의 반대측 단부에 배치된다. 이에 따라, 압축기 또는 압축기들은 가스 터빈과 전기 헬퍼/발전기 사이에 배치된다. 압축기가 수직 분할 압축기인 경우, 전기 모터/발전기는 압축기가 보수 관리를 필요로 하는 경우에 제거되어야만 한다. 더욱이, 이러한 기지의 구성에서는, 가스 전용 스타터가 가스 터빈의 저온 단부측에 마련된다.

본 개시의 일실시예에는, 부하를 구동하기 위한 구동 시스템으로서, 부하를 구동하도록 구성 및 배치되고, 고온 단부와 저온 단부를 갖는 가스 터빈을 포함하는 구동 시스템이 제공된다. 가스 터빈에는 상기 가스 터빈을 부하에 연결하고, 가스 터빈의 고온 단부와 저온 단부 중 어느 하나에 배치되는 부하 커플링이 마련된다. 가스 터빈의 반대측 단부에 배치되는 전기 모터/발전기가 더 마련된다. 몇몇 실시예에서, 전기 모터/발전기는 가스 터빈의 저온 단부에 연결되고, 부하는 가스 터빈의 고온 단부에 연결된다. 가스 터빈의 저온 단부 상에 전기 모터/발전기를 배치하는 것은 기존의 보조 베이스판을 활용하여 기존의 플랜트의 개장을 보다 용이하게 한다. 전기 모터/발전기를 위한 베이스 플레이트 상의 공간은 기존의 스타터 및 토크 변환기 및/또는 다른 보조 설비를 제거하는 것에 의해 얻을 수 있다. 다른 실시예에서, 예컨대 가스 터빈이 멀티 샤프트 가스 터빈인 경우에 부하는 가스 터빈의 저온 단부에 연결될 수 있고, 전기 모터/발전기는 가스 터빈의 고온 단부에 연결될 수 있다. 가스 터빈의 고온 단부와 저온 단부에 대한 부하와 전기 모터/발전기의 특정 위치 설정도 또한 설계 제약에 좌우될 수 있는데, 그 이유는 부하측에서 보다 많은 샤프트/플랜지 성능 설계가 요구되기 때문이다. 몇몇 구성에서, 고온 단부 샤프트/플랜지는 저온 단부 커플링보다 높은 동력비를 전달하도록 설계될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 부하는 LNG 설비의 압축기(들)와 같은 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 전기 모터/발전기는 전력망에 전기 접속될 수 있다. 전기 모터/발전기는 가스 터빈에서 나온 과량의 기계적 동력을 전력으로 변환하고, 이 전력을 전력망에 공급하는 발전기로서 그리고 가스 터빈에 의해 생성되는 기계적 동력이 감소될 때에 압축기에 대한 구동력을 보충하는 모터로서 기능하도록 되어 있다.

부하 반대측의 터빈 단부에 전기 모터/발전기를 배치하는 것은 종래 기술의 구성에 비해 다수의 장점을 갖는다. 특히, 전기 모터/발전기가 라인의 단부에서 부하 뒤에 배치되는 구성에 대하여, 여기에 개시되는 보호 대상에 따른 구성은 부하에 대한 개선된 접근성을 초래한다. 특히, 압축기가 수직 분할 케이싱을 가질 때, 압축기에 대한 접근이 용이하고, 이로 인해 유지 보수가 보다 용이해진다. 예비 단계 동안에 가스 터빈 단독 작동을 위한 가스 터빈의 저온 단부에 있는 별개의 스타터를 생략할 수 있다. 전기 모터/발전기의 단락의 경우, 압축기에 대한 응력이 완화된다.

도 1의 구성에 대하여, 여기에 개시되는 신규한 구성은 드라이브스루 능력을 요하지 않으면서 보다 간단하고, 소형이며, 비용이 더 저렴한 전기 모터/발전기를 제공한다.

일반적으로 바람직한 몇몇 실시예에서, 가스 터빈은, 전기 모터/발전기가 가스 터빈 및 부하를 포함하는 스트링을 위한 스타터 모터로서도 작동하는 단일 샤프트 가스 터빈이다.

다른 일양태에 따르면, 본 개시는 가스 터빈과 부하를 포함하는 시스템을 시동시키는 방법으로서, 고온 단부와 저온 단부를 지닌 가스 터빈을 마련하는 단계; 고온 단부와 저온 단부 중 어느 하나에 부하를 커플링하는 단계; 상기 고온 단부와 저온 단부 중 다른 하나에 전기 모터/발전기를 커플링하는 단계; 전기 모터/발전기를 모터 모드로 전환하는 단계; 전기 모터/발전기에 전력을 공급하고, 전기 모터/발전기에서 전력을 기계적 동력로 변환하며, 가스 터빈과 부하를 시동시키기 위해 기계적 동력을 사용하는 단계를 포함하며, 기계적 동력은 전기 모터/발전기에서 가스 터빈을 통해 부하로 전달되는 것인 방법에 관한 것이다.

다른 양태에 따르면, 본 개시는 가스 터빈과 가스 터빈에 의해 구동되는 부하를 포함하는 가스 터빈 시스템을 작동시키는 방법으로서, 고온 단부와 저온 단부를 지닌 가스 터빈을 마련하는 단계; 고온 단부와 저온 단부 중 어느 하나에 부하를 커플링하는 단계; 고온 단부와 저온 단부 중 다른 하나에 전기 모터/발전기를 커플링하고, 부하에 전기 모터/발전기를 기계적으로 커플링하는 단계; 가스 터빈에 의해 기계적 동력을 생성하는 단계; 및 가스 터빈에 의해 생성된 기계적 동력으로 부하를 작동시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

몇몇 실시예에 따르면, 가스 터빈에 의해 생성된 기계적 동력이 부하를 구동하는 데 요구되는 기계적 동력을 초과할 때, 상기 방법은 다음의 단계들; 즉 전기 모터/발전기를 발전기 모드로 작동시키는 단계; 가스 터빈으로부터 나온 과량의 기계적 동력을 전기 모터/발전기로 전달하는 단계; 및 전기 모터/발전기에서 과량의 기계적 동력을 전력으로 변환하는 단계를 제공한다.

몇몇 실시예에 따르면, 가스 터빈에 의해 생성되는 기계적 동력이 부하를 구동하는 데 요구되는 동력보다 작을 때, 상기 방법은 다음의 단계; 즉 전기 모터/발전기를 모터 모드로 작동시키는 단계; 전기 모터/발전기에 전력을 공급하는 단계; 전기 모터/발전기에서 전력을 보충 기계적 동력으로 변환하는 단계; 전기 모터/발전기로부터 나온 보충 기계적 동력을 가스 터빈을 통해 부하로 전달하는 단계; 가스 터빈에 의해 생성된 동력과 전기 모터/발전기에 의해 생성된 보충 기계적 동력을 결합하여 부하를 구동하는 단계를 제공한다.

피쳐 및 실시예가 아래에 개시되고, 본 명세서와 일체의 부분을 형성하는 첨부된 청구범위에서 더 기술된다. 상기한 간단한 설명은 후속하는 상세한 설명을 보다 양호하게 이해할 수 있도록 그리고 당업계에 대한 본 발명의 기여를 보다 양호하게 이해할 수 있도록 본 발명의 다양한 피쳐들을 기술한다. 이후에 설명되고 첨부된 청구범위에 기술되는 다른 피쳐도 있음은 물론이다. 이에 관하여, 본 발명의 다수의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명의 다양한 실시예는 그 어플리케이션에 있어서 아래의 설명에 기술되거나 도면에 예시된 구성요소들의 구성 및 배열의 상세로 제한되는 것이 아니라는 점을 이해해야만 한다. 본 발명은 다른 실시예도 가능하며, 다양한 방식으로 실시 및 실행 가능하다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 특수 용어 및 기술 용어는 설명을 목적으로 하는 것이지, 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

이와 같이, 당업자라면 본 개시가 기초로 하는 개념이 본 발명의 여러 목적을 달성하기 위한 다른 구조, 방법 및/또는 시스템에 대한 근간으로서 용이하게 활용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 청구범위는 그러한 등가의 구성이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그러한 등가의 구성을 포함하는 것으로 간주된다는 점이 중요하다.

본 발명의 개시된 실시예와 본 발명의 다수의 수반되는 장점은, 이들이 첨부 도면과 함께 고려될 때에 아래의 상세한 설명을 참고로 하여 보다 양호하게 이해되는 것처럼 용이하게 보다 완벽하게 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 가스 터빈과 압축기의 개략도를 예시하고,
도 2 내지 도 6은 본 개시에 따른 2개의 실시예에 따른 가스 터빈과 압축기 장치의 개략도를 예시한다.

예시적인 실시예에 관한 아래의 설명은 첨부도면을 참고로 한다. 상이한 도면에 있는 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 또한, 도면은 반드시 축척에 맞게 도시되지는 않는다. 아울러, 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.

본 명세서 전반에 걸쳐 "일실시예" 또는 "실시예"라는 언급은 실시예와 연계하여 설명되는 특정 피쳐, 구조 또는 특징이 개시되는 보호 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 부위에서의 "일실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 구문의 출현이 반드시 동일한 실시예를 일컫는 것은 아니다. 더욱이, 특정 피쳐, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

도 2의 실시예에서, 가스 터빈(101)은 부하(103)를 구동하기 위해 제공된다.

가스 터빈(101)은 제1 단부(101H)와 제2 단부(101C)를 갖는다. 제1 단부(101H)는 터빈의 고온 단부라고 칭하고, 제2 단부(101C)는 터빈의 저온 단부라고 칭한다. 고온 단부(101H)는 통상, 배기 연소 가스가 출력 터빈(104)으로부터 배출되는 단부이고, 저온 단부(101C)는 통상, 가스 터빈(101) 압축기(102)의 유입구가 배치되는 단부이다.

도 2의 실시예에서, 부하(103)는 압축기, 예컨대 LNG 설비의 냉각 압축기나 파이프라인 압축기 등과 같은 원심 압축기를 포함한다. 다른 실시예에서, 부하는, 예컨대 스트링의 연속적으로 배치되는 압축기들 사이에 기어박스와 같은 하나 이상의 속도 조작 디바이스를 개재하는 것에 의해, 동일한 회전 속도로 또는 상이한 회전 속도로 회전하는 1개 보다 많은 압축기, 즉 2개 이상의 압축기의 스트링으로 구성될 수 있다.

도 2의 실시예에서, 부하(103)는 부하 커플링(105)을 통해 가스 터빈(101)의 고온 단부(101H)에 구동 가능하게 연결된다. 부하(103)가 가스 터빈(101)의 정격 회전 속도와 다른 회전 속도를 필요로 하는 경우, 가스 터빈(101)과 부하(103) 사이에 속도 조작 디바이스(107)가 배치된다. 예컨대, 속도 조작 디바이스는 기어박스로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 속도 조작 디바이스(107)는 토크 변환기로 구성될 수 있다. 도면부호 109는 속도 조작 디바이스(107)를 부하(103)에 연결하는 피동 샤프트를 나타낸다.

부하 커플링(105) 반대측에 있는 가스 터빈(101)의 단부, 즉 저온 단부(101C)는 가역적 전기 기계(111)에 연결된다. 가역적 전기 기계(111)는 모터/발전기, 즉 전기 기계의 샤프트에 대해 이용 가능한 기계적 동력을 전기 기계의 전기 단자에 대해 이용 가능한 전력으로 변환할 수 있거나, 반대로 전기 기계의 전기 단자에서 이용 가능한 전력을 전기 기계 샤프트에 대한 기계적 동력로 변환할 수 있는 기계이다. 전기 모터/발전기(111)는 전력망(G)에 전기 접속된다.

전기 모터/발전기(111)와 전력망(G) 사이에 주파수 변환기 또는 가변 주파수 드라이버(113)가 마련될 수 있다. 주파수 변환기(113)는, 전기 모터/발전기(11)에 의해 수행되는 기능에 따라, 전기 모터/발전기(11)를 요구되는 임의의 속도로 회전시키기 위해, 전기 모터/발전기(111)의 회전 주파수와 매칭하도록 주파수를 수정하는 것에 의해 송전 주파수, 예컨대 50 Hz 또는 60 Hz의 전기 에너지가 사용되도록 한다. 이와 반대로, 주파수 변환기(113)는 또한 전기 모터/발전기(111)에 의해 생성되는 전력의 주파수를 송전 주파수로 변환할 수도 있다. 주파수 변환기(113)는 이에 따라 시스템이 요구조건에 따라 가변 회전 속도로 회전할 수 있게 한다.

전기 모터/발전기(11)는 모터 출력 샤프트(115)에 의해 가스 터빈(101)의 저온 단부(101C)에 기계적으로 연결된다. 몇몇 실시예에서는, 모터 출력 샤프트(115)와 가스 터빈(101) 사이에 기계적 퓨즈(119)가 배치될 수 있다. 기계적 퓨즈는 디바이스에 대한 과부하의 경우에 파손 가능한 디바이스이다. 여기에서 설명하는 실시예에서, 기계적 퓨즈는, 예컨대 전기 모터/발전기(111)에 대한 단락의 경우에 터보기계(101, 103)을 보호한다.

다른 실시예에서는, 전기 모터/발전기(11)를 가스 터빈(101)에 대해 선택적으로 연결 및 분리하기 위해 모터 출력 샤프트(115)와 가스 터빈(101) 사이에 클러치(117)가 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 전기 모터/발전기(111)와 가스 터빈 사이에 기어박스 또는 다른 속도 조작 디바이스가 배치될 수 있다.

몇몇 실시예에서는 도 2에 도시한 바와 같이, 기계적 퓨즈와 클러치가 함께 사용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 가스 터빈(101)은 헤비 듀티 가스 터빈(heavy duty gas turbine)일 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 터빈(101)은 항공 가스 터빈일 수 있다. 동일한 압축기 또는 압축기들을 구동하기 위해 2개 이상의 가스 터빈의 조합체도 또한 마련될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 가스 터빈(101)은 단일 샤프트 가스 터빈이다. 단일 샤프트 가스 터빈은 공통 회전 샤프트에 장착되는 압축기 로터와 터빈 로터를 포함한다. 샤프트의 일단부는 전기 모터/발전기(111)에 기계적으로 링크되고, 샤프트의 반대측 단부는 부하 커플링(105)을 통해 부하(103)에 기계적으로 링크된다. 전기 모터/발전기(111)는 이에 따라 단일 샤프트 라인에 연결되고, 가스 터빈의 압축기 및 출력 터빈뿐만 아니라 부하(103)를 형성하는 압축기 또는 압축기들을 회전 구동한다.

단일 샤프트 가스 터빈 구성에서, 전기 모터/발전기(111)는 스타터 기능, 헬퍼 기능 및 발전기 기능을 수행할 수 있으며, 이제 이들 기능을 설명하겠다. 전기 모터/발전기(111)에 대해 이용 가능한 기계적 동력은 공통 샤프트 라인을 통해 부하에 기계적으로 전달된다. 출력 터빈 샤프트에 대해 이용 가능한 과량의 기계적 동력은 전기 모터/발전기(111)로 직접 전달되어 전력으로 변환된다.

단일 샤프트 가스 터빈(101)에서, 가스 터빈(101)과 부하(103)가 휴지 상태일 때에 라인의 시동은 스타터로서 기능하는 전기 모터/발전기에 의해 조작된다. 전기 모터/발전기(111)는 모터 모드로 전환된다. 전력망(G)으로부터 나온 전력은 주파수 변환기(113)를 통해 전기 모터/발전기(111)로 전달된다. 전기 모터/발전기로 전달되는 전력의 주파수는 전기 모터/발전기를 0에서부터 요구되는 정격 속도 - 가스 터빈(101)의 정격 속도일 수 있음 - 나 그 외의 보다 낮은 속도로 가속하도록 제어된다.

전기 모터/발전기(111)에 의해 생성되는 기계적 동력은 가스 터빈(101)의 샤프트와 부하 커플링(105)뿐만 아니라 압축기 또는 압축기(103)들도 회전시킨다. 전기 모터/발전기(111)는 이에 따라 시동 시에 가스 터빈과 부하(103)를 형성하는 압축기 또는 압축기들을 가속하기에 충분한 동력을 제공하도록 구성된다. 이것은 터보기계의 관성뿐만 아니라 압축기 또는 압축기(103)들의 공기역학적 하중도 또한 극복할 것을 요구한다. 공기역학적 하중은 부하(103)를 형성하는 압축기 또는 압축기들에 의해 처리되는 유체에 의해 생성되는 하중이다. 공기 역학적 하중은 압축기의 회전 속도가 증가할 때에 압축기에 의해 처리되는 유체의 증가되는 압력으로 인해 증가한다. 이에 따라, 전기 모터/발전기(111)는 적어도 가스 터빈을 점화하기 위해 요구되는 회전 속도인 전기 모터/발전기(111)에 의해 구동되는 터보기계의 관성 및 공기역학적 하중을 극복하기에 충분한 동력을 제공하도록 구성된다.

일단 가스 터빈(101)이 부하를 구동하는 기능을 하게 되면, 전기 모터/발전기는 동력이 끊길 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 모터/발전기는, 부하를 구동하기 위해 가스 터빈에 의해 생성되는 기계적 동력와 함께 사용되는 추가의 기계적 동력을 제공하기 위해 계속해서 모터 모드로 작동할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 가스 터빈(101)은 가스 터빈 효율을 최대화하기 위해 고정 회전 속도 및 최대 부하로 작동된다. 가스 터빈(101)에 의해 생성되는 기계적 동력이, 예컨대 감소된 주위 온도와 그 결과로 증가된 터빈의 동력 이용 가능성으로 인해 부하(103)를 구동하는 데 요구되는 동력을 초과하는 경우, 전기 모터/발전기(111)는 발전기 모드로 전환되어 터빈 샤프트에 대해 이용 가능한 과량의 기계적 동력을 전기 에너지로 변환한다. 전기 모터/발전기(111)에 의해 생성되는 전력은 전력망(G)에 전달된다. 전력 주파수는 요구되는 경우에 주파수 변환기(113)에 의해 변환될 수 있다.

가스 터빈(101)에 의해 생성되는 기계적 동력이, 예컨대 증가된 주위 온도와 그 결과로 터빈의 동력 이용 가능성에서의 저하로 인해 부하를 구동하기에 불충한 경우, 전기 모터/발전기(111)는 모터 모드로 전환되어 헬퍼로서 작동한다. 전력망(G)으로부터의 전력은 전기 모터/발전기(111)에 의해 모터 출력 샤프트(115)에 대한 기계적 동력로 변환된다. 몇몇 실시예에서는 앞서 언급한 바와 같이, 전기 모터/발전기가 단지 가스 터빈 동력 이용 가능성에서의 저하의 경우에서만이 아니라, 계속해서 모터 모드로 작동될 수 있다. 양자의 경우에, 부하 커플링(105)에 대해 이용 가능한 총 기계적 동력은 가스 터빈(101)에 의해 생성되는 기계적 동력과 전기 모터/발전기(111)에 의해 생성되는 기계적 동력의 합일 것이다.

전기 모터/발전기(111)는 드라이브스루 능력을 필요로 하지 않기 때문에 가스 터빈(101)의 저온 단부에 배치되고, 가스 터빈의 샤프트는 최대 부하에서의 가스 터빈(101)의 정격 출력을 견디도록 구성될 필요가 없다.

도 3은, 예컨대 LNG 설비에서 냉매 유체를 처리하기 위한 터빈 구동식 압축기 장치의 다른 실시예를 예시한다. 도 2에서 구성요소와 동일하거나 동등한 구성요소를 나타내는 데에는 동일한 도면부호가 사용된다. 도 3의 실시예에서, 부하(103)는 제1 압축기(103A)와 제2 압축기(103B)를 포함하는 압축기 장치로 이루어진다. 도 3의 예시적인 실시예에서, 압축기들은 그 사이에 속도 조작 디바이스가 개재되지 않고 가스 터빈(101)에 의해 직접 구동된다. 다른 실시예에서는, 가스 터빈(101)과 압축기(103A) 사이 및/또는 압축기(103A)와 압축기(103B) 사이에 속도 조작 디바이스, 예컨대 기어박스가 마련될 수 있다.

도 3의 설비는 도 2의 설비와 실질적으로 동일한 방식으로 작동한다.

도 2 및 도 3에 도시한 2개의 실시예에서, 전기 모터/발전기(111)는 스트링의 일단부에 배치되기 때문에 드라이브스루 능력을 필요로 하지 않는다. 더욱이, 전기 모터/발전기(111)의 위치는 마지막 압축기가 수직 분할 압축기인 경우에도 마지막 압축기에 대한 조정을 허용하기 때문에, 마지막 압축기의 유지 관리를 용이하게 한다. 전기 모터/발전기(111)의 위치는, 전기 모터/발전기(111)가 피동 샤프트 라인에 직접 연결되는 종래 기술의 구성에 대하여 전기 모터/발전기(111) 단락의 경우에 피동 압축기 샤프트 라인에 대한 기계적 응력을 더욱 완화한다.

도 4는 본 개시에 따른, 가스 터빈(101)과 가스 터빈에 의해 구동되는 부하(103)를 포함하는 시스템의 다른 실시예를 예시한다. 동일한 도면부호는 이전 실시예에서의 구성요소, 부재 또는 부품과 동일하거나 이들에 대응하는 구성요소, 부재 또는 부품을 나타내므로, 또다시 상세히 설명하지 않겠다. 전기 모터/발전기(111)는 가스 터빈(101)의 저온 단부(101C)에 연결되고, 부하(103)는 가스 터빈(101)의 고온 단부(101H)에 연결된다. 도 4의 예시적인 실시예에서, 부하(103)는 제1 압축기(103A)와 제2 압축기(103B)를 포함한다. 부하 커플링(105)은 중간 베어링 장치(120)에 의해 지지된다. 베어링 장치(120)와 압축기 샤프트 사이에는 유연한 커플링(122)이 마련될 수 있다. 도 4의 실시예에서, 부하는 이에 따라 부분적으로는 견고하고 부분적으로는 유연한 커플링을 통해 가스 터빈(101)에 의해 구동된다. 여기에서 의도하는 바와 같은 유연한 커플링은 도면부호 124로 개략적으로 도시한, 유연한 조인트나 탄성 조인트와 같은 유연하거나 탄성인 요소를 포함하는 커플링이다. 견고한 커플링은 이와 반대로 유연하거나 탄성인 요소를 포함하지 않는 커플링이다.

유연한 커플링은 터보기계류를 연결하는 샤프트의 열팽창뿐만 아니라 가능한 각도 오정렬을 상쇄하여, 베어링에 대한 하중과 기계 진동을 줄인다.

가스 터빈과 부하 사이에 유연한 커플링을 배치함으로써, 가스 터빈에 의해 구동되는 압축기(들)의 기능 및 건조 가스 시일의 효율이 향상되고, 터보기계류들 간의 정렬뿐만 아니라 회전 동력 구성이 간단해진다.

도 5는 여기에 개시된 보호 대상에 관한 다른 실시예를 예시한다. 도 4에서의 구성요소, 부재 또는 부품과 동일하거나 이들에 대응하는 구성요소, 부재 또는 부품은 동일한 도면부호를 붙이고, 또다시 상세히 설명하지 않겠다. 도 5의 실시예는, 도 5의 실시예가 가스 터빈(101)과 부하(103)를 직접 연결하는 유연한 커플링만을 포함한다는 점에서 도 4의 실시예와 상이하다. 도면부호 124는 유연한 커플링(105)의 유연하거나 탄성의 요소를 나타낸다.

몇몇 실시예에서, 부하(103)는 유연한 중간 커플링에 의해 서로 연결되는 2개 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 도 5는 유연한 커플링(126)을 통해 제1 압축기(103A) 및 제2 압축기(103B)에 연결되는 제3 압축기(103C)의 예시적인 실시예를 보여준다.

도 2 내지 도 5에서는, 단일 샤프트 가스 터빈(101)이 예시된다. 전술한 구성으로 사용될 수 있는 적절한 가스 터빈은 모두가 GE Oil & Gas로부터 입수 가능한 MS9001, MS7001, MS6001, MS5001, GElO-1 헤비 듀티 단일 샤프트 가스 터빈이다.

다른 실시예에서, 가스 터빈은 2개 이상의 샤프트가 동심으로 배치된 멀티 샤프트 가스 터빈일 수 있다. 도 6은 전체적으로 201로 나타내는 이중 샤프트 가스 터빈을 개략적으로 예시한다. 적절한 이중 샤프트 가스 터빈은 미국 오하이오주 이븐데일에 소재하는 General Electric으로부터 입수 가능한 LM6000® 가스 터빈이다. 이중 샤프트 가스 터빈(101)은 코어(203), 저압 압축기(205) 및 출력 또는 저압 터빈(207)을 포함한다. 코어(203)는 고압 압축기(209)와 고압 터빈(211)을 차례로 포함한다. 고압 압축기(209)의 로터와 고압 터빈(211)의 로터는 공통 코어 샤프트 또는 외측 샤프트(213) 상에 장착된다. 저압 압축기(205)의 로터와 저압 터빈 또는 출력 터빈(207)의 로터는 내측 또는 동력 샤프트(215) 상에 장착된다. 내측 샤프트(215)는 외측 샤프트(213)와 동축으로 외측 샤프트를 통과하여 연장된다. 가스 터빈(201)의 고온 단부와 저온 단부는 201H와 201C로 각각 개략적으로 도시되어 있다. 전기 모터/발전기(221)는 가스 터빈(201)의 저온 단부(201C)에서 내측 샤프트(215)에 기계적으로 연결되고, 주파수 변환기 또는 가변 주파수 드라이버(223)를 통해 전력망(G)에 전기 접속된다. 일반적으로 225로 도시한 클러치 및/또는 기계적 퓨즈 및/또는 기어박스가 내측 샤프트(215)의 저온 단부측과 전기 모터/발전기(221)의 샤프트(221A) 사이에 배치될 수 있다.

내측 샤프트(215)의 고온 단부측은 부하(226)에 기계적으로 커플링될 수 있다. 유연한 커플링이 그러한 목적으로 사용될 수 있다. 도면부호 227은 유연한 커플링의 유연한 요소를 개략적으로 나타낸다. 기어박스 또는 임의의 다른 속도 조작 디바이스가 가스 터빈(201)의 고온 단부(201H)와 부하(226) 사이 및/또는 부하(226)의 연속적으로 배치되는 피동 기계들 사이에 배치될 수 있다.

도 6의 예시적인 실시예에서, 부하(226)는 제1 압축기(226A)와 선택적인 제2 압축기(226B)로 이루어진다. 229로 개략적으로 도시한 유연한 커플링이 2개의 압축기(226A, 226B) 사이에 마련될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 가스 터빈(201)의 코어(203)를 시동시키기 위해 스타터(231)가 마련된다.

주위 공기가 저압 압축기(205)로 이송되고, 제1 압력으로 압축된다. 부분 압축된 공기가 코어(203)의 고압 압축기(209)에 진입하여 고압으로 압축된다. 압축 공기가 연소기(204)로 이송되어 연료, 예컨대 가스상 또는 액체 연료와 혼합된다. 공기-연료 혼합물이 점화되고, 연소 가스가 고압 터빈(211)에서 그리고 저압 또는 출력 터빈(207)에서 순차적으로 팽창된다. 고압 터빈(211)에 의해 생성된 기계적 동력은 터빈 코어(203)의 고압 압축기(209)를 구동하는 데 사용되고, 저압 또는 출력 터빈(211)에 의해 생성된 기계적 동력은 내측 샤프트(215)에 대해 이용 가능하고 부하(226)를 구동하는 데 사용된다.

내측 샤프트(215) 상의 출력 터빈(207)으로부터 이용 가능한 과량의 기계적 동력은 전기 모터/발전기(211)로 전달될 수 있고, 이에 따라 전력으로 변환될 수 있으며, 전기 모터/발전기(211)는 발전기 모드로 작동한다. 전력은 주파수 변환기(223)에 의해 조절되고, 전력망(G)에 대해 이용가능해진다. 출력 터빈(207)에 의해 생성되는 기계적 동력이, 예컨대 주위 온도의 증가에 의해 야기되는 터빈 동력 이용 가능성의 저하로 인해 부하(226)를 구동하기에 불충한 경우, 전기 모터/발전기(221)는 모터 모드로 전환될 수 있고, 전력망(G)으로부터 나온 전력을 기계적 동력로 변환하며, 이 기계적 동력은 부하(226)를 구동하기 위해 출력 터빈(207)에 의해 생성된 기계적 동력와 결합되어 내측 샤프트(215)에 대해 이용 가능하다.

이 실시예에서, 스타터 듀티는 전기 모터/발전기(221)가 아니라 코어(203)에 마련되는 스타터 모터(231)에 의해 제공된다. 가스 터빈(201)이 시동될 때, 스타터 모터(231)가 외측 샤프트(213)를 회전 구동함으로써, 코어(203)가 시동될 수 있다. 일단 고압 터빈(211)이 점화되고 나면, 이로 인해 생성된 연소 가스가 출력 터빈(207)으로 이송되어 가스 터빈(202)의 저압 섹션, 즉 저압 압축기(205)와 저압 가스 터빈(207)을 시동시킨다.

여기에서 설명하는 보호 대상에 관한 개시된 실시예가 도면에 도시되고 다수의 예시적인 실시예와 연계하여 구체적으로 그리고 상세하게 충분히 설명되었지만, 여기에서 기술하는 신규의 교시, 원리 및 개념과 첨부된 청구범위에 기재된 보호 대상의 장점으로부터 실질적으로 벗어나는 일 없이 다수의 수정, 변경 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 개시된 사상의 적절한 범위는, 상기한 수정, 변경 및 생략 모두를 망라하는 첨부된 청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야만 한다. 또한, 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 차례는 변형예에 따라 변하거나 다시 정해질 수 있다.

Claims

부하를 구동하기 위한 구동 시스템에 있어서,
압축기로서, 상기 부하는 압축기를 포함하는 것인 압축기;
압축기를 구동하도록 구성 및 배치되고, 고온 단부와 저온 단부를 갖는 가스 터빈;
가스 터빈을 압축기에 연결하고, 가스 터빈의 고온 단부와 저온 단부 중 어느 하나에 배치되는 부하 커플링; 및
가스 터빈의 고온 단부와 저온 단부 중 다른 하나에 배치되고, 전력망에 전기 접속되며, 부하 커플링에 기계적으로 연결되는 전기 모터/발전기
를 포함하고,
전기 모터/발전기는, 가스 터빈으로부터 나온 과량의 기계적 동력을 전력으로 변환하고 이 전력을 전력망으로 전달하기 위한 발전기로서 그리고 압축기에 구동력을 보충하기 위한 모터로서 기능하도록 구성되는 것인 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전기 모터/발전기와 가스 터빈 사이에 기계적 퓨즈를 더 포함하는 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전기 모터/발전기와 가스 터빈 사이에 클러치를 더 포함하는 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전기 모터/발전기는 가스 터빈의 저온 단부 또는 고온 단부에 영구적으로 연결되는 것인 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전기 모터/발전기는 또한 가스 터빈과 부하를 시동시키는 스타터로서도 기능하도록 구성되는 것인 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 가스 터빈은 단일 샤프트 가스 터빈인 것인 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 가스 터빈은 이중 샤프트 가스 터빈이고, 상기 이중 샤프트 가스 터빈은
제1 샤프트에 의해 연결되는 고압 압축기 및 고압 터빈으로 이루어진 코어;
상기 코어를 시동시키기 위한 스타터;
저압 압축기; 및
저압 터빈
을 포함하고, 상기 저압 터빈과 저압 압축기는 가스 터빈의 고온 단부에서 저온 단부로 연장되는 제2 샤프트에 의해 연결되고, 상기 부하는 가스 터빈의 고온 단부와 저온 단부 중 어느 하나에서 제2 샤프트에 기계적으로 연결되며, 상기 전기 모터/발전기는 가스 터빈의 고온 단부와 저온 단부 중 다른 하나에서 제2 샤프트에 기계적으로 연결되는 것인 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 구동 시스템은 상기 전기 모터/발전기와 전력망 사이에 연결되는 주파수 변환기를 더 포함하고, 상기 주파수 변환기는 전력망으로부터 전기 모터/발전기로 그리고 전기 모터/발전기로부터 전력망으로의 전기 주파수를 조절하도록 구성 및 제어되는 것인 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전기 모터/발전기는 가스 터빈의 저온 단부에 배치되고, 상기 부하 커플링은 가스 터빈의 고온 단부에 배치되는 것인 구동 시스템.
제9항에 있어서, 상기 전기 모터/발전기와 가스 터빈 사이에 기계적 퓨즈를 더 포함하는 구동 시스템.
제10항에 있어서, 상기 전기 모터/발전기와 가스 터빈 사이에 클러치를 더 포함하는 구동 시스템.
가스 터빈과 부하로 이루어진 시스템을 시동시키는 방법으로서,
고온 단부와 저온 단부를 지닌 가스 터빈을 마련하는 단계;
상기 고온 단부와 저온 단부 중 어느 하나에 부하를 커플링하는 단계;
상기 고온 단부와 저온 단부 중 다른 하나에 전기 모터/발전기를 커플링하는 단계;
전기 모터/발전기를 모터 모드로 전환하는 단계; 및
전기 모터/발전기에 전력을 공급하고, 전기 모터/발전기에서 전력을 기계적 동력으로 변환하며, 가스 터빈과 부하를 시동시키기 위해 기계적 동력을 사용하는 단계
를 포함하고,
기계적 동력은 전기 모터/발전기로부터 가스 터빈을 통해 부하로 전달되며,
상기 부하는 압축기를 포함하는 것인 방법.
제12항에 있어서,
전기 모터/발전기를 가스 터빈의 저온 단부에 커플링하는 단계; 및
부하를 가스 터빈의 고온 단부에 커플링하는 단계
를 더 포함하는 방법.
가스 터빈과 이 가스 터빈에 의해 구동되는 부하로 이루어진 가스 터빈 시스템을 작동시키는 방법으로서,
고온 단부와 저온 단부를 지닌 가스 터빈을 마련하는 단계;
고온 단부와 저온 단부 중 어느 하나에 부하를 커플링하는 단계;
고온 단부와 저온 단부 중 다른 하나에 전기 모터/발전기를 커플링하고, 부하에 전기 모터/발전기를 기계적으로 커플링하는 단계;
가스 터빈에 의해 기계적 동력을 생성하는 단계;
가스 터빈에 의해 생성된 기계적 동력으로 부하를 작동시키는 단계; 및
가스 터빈에 의해 생성된 기계적 동력이 부하를 구동하는 데 필요한 기계적 동력을 초과하는 경우,
전기 모터/발전기를 발전기 모드로 작동시키는 단계;
가스 터빈으로부터 나온 과량의 기계적 동력을 전기 모터/발전기로 전달하는 단계; 및
전기 모터/발전기에서 과량의 기계적 동력을 전력으로 변환하는 단계
를 포함하고,
상기 부하는 압축기를 포함하는 것인 방법.
제14항에 있어서,
가스 터빈에 의해 생성된 기계적 동력이 부하를 구동하는 데 필요한 동력보다 작은 경우,
전기 모터/발전기를 모터 모드로 작동시키는 단계;
전기 모터/발전기에 전력을 공급하는 단계;
전기 모터/발전기에서 전력을 보충 기계적 동력으로 변환하는 단계;
보충 기계적 동력을 전기 모터/발전기로부터 가스 터빈을 통해 부하로 전달하는 단계; 및
가스 터빈에 의해 생성된 동력과 전기 모터/발전기에 의해 생성된 보충 기계적 동력을 결합하여 부하를 구동하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 가스 터빈의 저온 단부에 전기 모터/발전기를 커플링하는 단계; 및
상기 가스 터빈의 고온 단부에 부하를 커플링하는 단계
를 더 포함하는 방법.