RU199148U1 - PISTON COMPRESSOR UNIT - Google Patents

Abstract

Поршневая компрессорная установка предназначена для компримирования газа, и может использоваться для подготовки углеводородных газов к транспортированию или переработке на объектах газовой и нефтяной промышленности. Поршневая компрессорная установка включает: одновальную газовую турбину с выходным валом; первую понижающую зубчатую передачу с входным и выходным валом, при этом выходной вал первой понижающей передачи вращается на более низкой скорости, чем выходной вал турбины; регулируемую гидродинамическую передачу, присоединенную к выходному валу первой понижающей передачи и имеющую входной и выходной вал; вторую зубчатую передачу, присоединенную к выходному валу гидромуфты и имеющую входной и выходной вал; приводимый поршневой компрессор, присоединенный к выходному валу второй передачи. При этом в качестве регулируемой гидропередачи применена регулируемая гидромуфта. Вторая зубчатая передача выполнена понижающей и ее выходной вал вращается на меньшей скорости, чем выходной вал гидромуфты. Гидромуфта выполнена с возможностью регулирования скорости своего выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты. Между второй понижающей зубчатой передачей и компрессором расположена пластинчатая упругая муфта для компенсации радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора. Первая понижающая передача может быть выполнена в одном корпусе с одновальной газовой турбиной. Понижающие передачи и гидромуфта могут быть выполнены в одном или разных кожухах. Понижающие передачи могут быть выполнены односпиральными двухспиральными. Обеспечивается поршневая компрессорная установка с одновальной газовой турбиной в качестве его привода.The piston compressor unit is designed to compress gas and can be used to prepare hydrocarbon gases for transportation or processing at gas and oil industry facilities. The piston compressor unit includes: a single-shaft gas turbine with an output shaft; a first reduction gear with input and output shafts, wherein the output shaft of the first reduction gear rotates at a lower speed than the turbine output shaft; an adjustable hydrodynamic transmission connected to the output shaft of the first reduction gear and having an input and an output shaft; a second gear train connected to the output shaft of the fluid coupling and having an input and output shaft; driven piston compressor coupled to the second gear output shaft. At the same time, an adjustable hydraulic clutch is used as an adjustable hydraulic transmission. The second gear train is designed as a reduction gear and its output shaft rotates at a lower speed than the output shaft of the fluid coupling. The fluid coupling is made with the ability to control the speed of its output shaft from zero to full speed by adjusting the supply of working fluid to the working cavity of the fluid coupling. Between the second reduction gear and the compressor there is an elastic plate clutch to compensate for the radial, angular and axial displacements of the connected shafts of the second reduction gear and the piston compressor. The first reduction gear can be made in one housing with a single-shaft gas turbine. Reduction gears and hydraulic clutch can be made in one or different casings. The crawler gears can be single-spiral double-spiral. A piston compressor unit with a single-shaft gas turbine as its drive is provided.

Description

Полезная модель относится к поршневым компрессорным установкам, в частности к поршневым компрессорным установкам, приводимым в действие турбинами, конкретнее - одновальными газотурбинными двигателями, и предназначена для компримирования газа и может использоваться для подготовки, в частности углеводородных газов, к транспортированию или переработке на объектах газовой и нефтяной промышленности.The utility model relates to reciprocating compressor units, in particular to reciprocating compressor units driven by turbines, more specifically, to single-shaft gas turbine engines, and is intended for gas compression and can be used for preparation, in particular, hydrocarbon gases, for transportation or processing at gas and oil industry.

Поршневые компрессорные установки широко применяются для компримирования углеводородных газов, особенно выгодно их применение для сжатия газа до больших давлений при его низких расходах (объемах), при изменении режимов по расходу и давлению, при частых пусках и остановах, связанных с условиями технологического процесса. Особенно выгодно их применение на головных и дожимных компрессорных станциях месторождений, а также на узловых компрессорных станциях перед газопроводами-отводами с большой неравномерностью сезонного и суточного газопотребления. Применение других типов компрессоров, к примеру, центробежных, в таких условиях нецелесообразно или невозможно по техническим причинам. Поршневые компрессоры способны сравнительно долго поддерживать низкую производительность на одном уровне. При этом поршневые компрессоры отличаются относительно простой конструкцией и связанной с этим надежностью, удобством обслуживания и малыми эксплуатационными затратами. Поршневые компрессоры отличаются также стабильной работой при перекачивании загрязненных и агрессивных рабочих сред. Поршневые компрессоры приводятся в действие, как правило, электродвигателем или поршневым двигателем внутреннего сгорания и крайне редко турбинами - паровыми или газовыми. Привод приводит в действие компрессор через свой выходной вал, передаточное устройство, входной вал компрессора.Reciprocating compressor units are widely used for the compression of hydrocarbon gases, their use is especially advantageous for compressing gas to high pressures at its low flow rates (volumes), when changing modes in terms of flow and pressure, with frequent starts and stops associated with the conditions of the technological process. It is especially advantageous to use them at the head and booster compressor stations of the fields, as well as at the nodal compressor stations in front of the branch pipelines with a high irregularity of seasonal and daily gas consumption. The use of other types of compressors, for example, centrifugal, in such conditions is impractical or impossible for technical reasons. Reciprocating compressors are capable of maintaining low performance at the same level for a relatively long time. At the same time, reciprocating compressors are distinguished by a relatively simple design and the associated reliability, ease of maintenance and low operating costs. Reciprocating compressors are also distinguished by their stable operation when pumping contaminated and aggressive working media. Reciprocating compressors are usually driven by an electric motor or a reciprocating internal combustion engine and, very rarely, by steam or gas turbines. The drive drives the compressor through its output shaft, transmission device, compressor input shaft.

При использовании турбины в качестве привода поршневого компрессора возникает ряд проблем. Попытки решить эти проблемы описаны, к примеру, в патентных документах RU 2635725 (опубл. 15.11.2017), CN 102383866 (опубл. 21.03.2012). Однако механическое сцепление, которое используется в поршневых установках, описанных в этих документах, не решает всех проблем. Решение по RU 2635725 предназначено для двухвальных турбин в качестве привода поршневого компрессора. Решение по CN 102383866 предназначено для паровой турбины в качестве привода поршневого компрессора, при этом не устраняются высокие пусковые нагрузки, крутильные колебания от поршневого компрессора гасятся не полностью. Механическое сцепление не предусматривают широкого диапазона регулирования производительности поршневого компрессора, который необходим из-за условий его работы (см. выше).When using a turbine as a drive for a reciprocating compressor, a number of problems arise. Attempts to solve these problems are described, for example, in patent documents RU 2635725 (publ. 11/15/2017), CN 102383866 (publ. 03/21/2012). However, the mechanical clutch used in the reciprocating systems described in these documents does not solve all the problems. The solution according to RU 2635725 is intended for twin-shaft turbines as a drive for a reciprocating compressor. The solution according to CN 102383866 is intended for a steam turbine as a drive for a reciprocating compressor, while high starting loads are not eliminated, torsional vibrations from the reciprocating compressor are not completely damped. The mechanical clutch does not provide for a wide range of piston compressor capacity control, which is necessary due to its operating conditions (see above).

В некоторых применениях выгодно использовать в качестве привода поршневого компрессора одновальную газовую турбину. Такие турбины отличаются простотой конструкции и, как следствие, - высокой надежностью, удобством обслуживания и ремонта, низкой стоимостью и низкими эксплуатационными затратами. Такие турбины отличаются также меньшими габаритами и массой, меньшим риском резонансных явлений валопровода. Кроме того они не привязаны к поставкам топлива извне и работают на перекачиваемом компрессорной установкой газе. Однако такую турбину, обладающую высокими скоростями, невозможно запустить, пока она подключена к нагрузке, в данном случае к поршневому компрессору, так как при запуске ее мощность отбираться на воздушный компрессор турбины, а нагрузка препятствует раскрутке турбины. Другой проблемой является то, что турбина в некоторых случаях должна работать непрерывно, даже если компрессор не работает. Проблемой также являются присущие поршневому компрессору крутильные колебания от неуравновешенных масс коленчатого вала, небольшая скорость вращения входного вала. Преимущество поршневых компрессоров, связанное с возможностью работы в широком диапазоне производительности и при изменении режимов по расходу и давлению газа, невозможно реализовать, так как регулирование производительности компрессорной установки путем изменения числа оборотов (скорости) одновальной газовой турбины возможно только в очень узком диапазоне из-за присущих такой турбине особенностей.In some applications, it is beneficial to use a single-shaft gas turbine to drive a reciprocating compressor. Such turbines are distinguished by their simple design and, as a result, high reliability, ease of maintenance and repair, low cost and low operating costs. Such turbines are also distinguished by smaller dimensions and weight, and a lower risk of resonance phenomena of the shafting. In addition, they are not tied to external fuel supplies and operate on the gas pumped by the compressor unit. However, such a high-speed turbine cannot be started while it is connected to a load, in this case to a reciprocating compressor, since at startup its power is taken to the turbine air compressor, and the load prevents the turbine from spinning up. Another problem is that the turbine must in some cases run continuously even if the compressor is not running. The problem is also inherent in the piston compressor torsional vibrations from unbalanced masses of the crankshaft, low speed of rotation of the input shaft. The advantage of reciprocating compressors associated with the ability to operate in a wide range of capacities and when changing modes in terms of gas flow and pressure cannot be realized, since control of the capacity of a compressor unit by changing the number of revolutions (speed) of a single-shaft gas turbine is possible only in a very narrow range due to the features inherent in such a turbine.

Из патентного документа US 7422543 (опубл. 09.09.2008) известна компрессорная установка, содержащая двухвальную газовую турбину, компрессор, приводимый в действие указанной турбиной, редуктор, расположенный между газовой турбиной и компрессором, гидротрансформатор, расположенный между редуктором и компрессором, коробку передач между гидротрансформатором и компрессором, при этом гидротрансформатор имеет блокировочный механизм для механического присоединения входного конца гидротрансформатора к выходному концу гидротрансформатора для образования механического сцепления и обеспечения устойчивого вращения между турбиной и компрессором на синхронизированной скорости. При этом гидротрансформатор имеет регулируемые направляющие лопасти, благодаря которым регулируется скорость выходного вала от ноля до полной скорости. При этом скорости, которые обеспечивают редуктор и коробка передач, не раскрыты. Недостатком такого решения является следующее. Входной вал поршневого компрессора, в отличие от центробежных и осевых компрессоров, имеет большую вибрацию и радиальные, угловые и осевые смещения из-за крутильных колебаний свойственных поршневым компрессорам. Крутильные колебания при механическом сцеплении во время режима устойчивой работы будут полностью передаваться от компрессора на турбину (ротор турбины), что недопустимо, так как это ведет к потере виброустойчивости установки и к аварии. Кроме того постоянное механическое сцепление приводит к износу контактных пар, и, как следствие, к потере точности сцепления, прочности из-за повышающейся вибрации, к повышению температуры, загрязнению масла в гидротрансформаторе и зубчатых передачах продуктами износа. Кроме того регулирование производительности возможно только в узком диапазоне изменением оборотов турбины. Такое техническое решение предпочтительнее для центробежных компрессоров. Применение коробки передач, а также дополнительного пускового устройства для турбины и электродвигателя для компрессора усложняет конструкцию.From the patent document US 7422543 (publ. 09.09.2008) known compressor installation containing a two-shaft gas turbine, a compressor driven by the specified turbine, a reducer located between the gas turbine and the compressor, a torque converter located between the reducer and the compressor, a gearbox between the torque converter and a compressor, wherein the torque converter has a locking mechanism for mechanically connecting the input end of the torque converter to the output end of the torque converter to form a mechanical clutch and ensure stable rotation between the turbine and the compressor at a synchronized speed. In this case, the torque converter has adjustable guide vanes, thanks to which the speed of the output shaft is regulated from zero to full speed. At the same time, the speeds provided by the reducer and the transmission are not disclosed. The disadvantage of this solution is the following. The input shaft of a reciprocating compressor, unlike centrifugal and axial compressors, has a large vibration and radial, angular and axial displacements due to torsional vibrations inherent in reciprocating compressors. Torsional vibrations during mechanical coupling during stable operation will be completely transmitted from the compressor to the turbine (turbine rotor), which is unacceptable, since this leads to a loss of vibration resistance of the installation and to an accident. In addition, permanent mechanical clutch leads to wear of the contact pairs, and, as a result, to a loss of clutch accuracy, strength due to increased vibration, to an increase in temperature, contamination of oil in the torque converter and gear drives with wear products. In addition, capacity control is possible only in a narrow range by changing the turbine speed. This technical solution is preferable for centrifugal compressors. The use of a gearbox, as well as an additional starting device for the turbine and an electric motor for the compressor, complicates the design.

Из патентного документа US 2008/0245634 (опубл. 09.10.2008) известна компрессорная установка, содержащая в качестве привода газовую турбину с высокими оборотами с выходным валом, первую трансмиссию с входным и выходным валом, регулируемую гидромуфту (называемую также гидродинамической муфтой) для запуска компрессора, присоединенную к выходному валу первой трансмиссии и имеющую выходной вал, вторую трансмиссию, присоединенную к выходному валу гидромуфты и имеющую выходной вал, приводимый компрессор, работающий на скорости, эквивалентной скорости газовой турбины, присоединенный к выходному валу второй трансмиссии, при этом гидромуфта выполнена с возможностью регулирования скорости выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, при этом гидромуфта содержит фрикционную механическую муфту для сцепления турбинного колеса с подвижным кожухом насосного колеса гидромуфты при синхронизации. Тип трансмиссий не раскрыт.Недостатки такого решения общие с устройством по US 7422543: наличие механического сцепления для обеспечения устойчивого вращения между турбиной и компрессором на синхронизированной скорости - не применимо к поршневым компрессорам из-за свойственных им крутильных колебаний. Кроме того постоянное механическое сцепление приводит к износу контактных пар, и, как следствие, к потере точности сцепления, прочности из-за повышающейся вибрации, к повышению температуры, загрязнению масла в гидромуфте и зубчатых передачах продуктами износа, все это может привести к поломке и аварии. Такое техническое решение предпочтительнее для центробежных компрессоров. Способ работы компрессорной установки следующий. Запускается газовая турбина, при этом компрессор не работает. Заполняется жидкостью гидромуфта. Компрессор запускается приводом в результате заполнения гидромуфты, пока он не будет работать синхронно с приводом. Датчики определяют, когда происходит синхронизация. Затем включается фрикционная механическая муфта, после ее активации крутящий момент передается от газовой турбины к компрессору по двум путям, а именно через гидромуфту, с одной стороны, и через механическую фрикционную муфту, с другой. Два потока мощности идут параллельно друг другу. Затем гидромуфта освобождается от жидкости, так что только фрикционная механическая муфта передает крутящий момент от газовой турбины к компрессору. Для отключения компрессорной установки:From the patent document US 2008/0245634 (publ. 09.10.2008) known compressor installation, containing as a drive a gas turbine with a high speed with an output shaft, a first transmission with input and output shafts, an adjustable fluid coupling (also called a hydrodynamic clutch) for starting the compressor connected to the output shaft of the first transmission and having an output shaft, a second transmission connected to the output shaft of the fluid coupling and having an output shaft, a driven compressor operating at a speed equivalent to the speed of the gas turbine, connected to the output shaft of the second transmission, while the fluid coupling is configured regulating the speed of the output shaft from zero to full speed by regulating the supply of the working fluid to the working cavity of the fluid coupling, while the fluid coupling contains a friction mechanical clutch for coupling the turbine wheel with the movable casing of the impeller impeller of the fluid coupling during synchronization. The type of transmission is not disclosed. The disadvantages of this solution are common with the device according to US 7422543: the presence of a mechanical clutch to ensure stable rotation between the turbine and the compressor at a synchronized speed is not applicable to reciprocating compressors due to their inherent torsional vibrations. In addition, permanent mechanical clutch leads to wear of contact pairs, and, as a result, to a loss of adhesion accuracy, strength due to increased vibration, to an increase in temperature, contamination of oil in the hydraulic clutch and gear drives with wear products, all this can lead to breakdowns and accidents. ... This technical solution is preferable for centrifugal compressors. The method of operation of the compressor unit is as follows. The gas turbine starts up without the compressor running. Filled with fluid fluid coupling. The compressor is started by the drive by filling the fluid coupling until it runs in sync with the drive. Sensors detect when synchronization occurs. Then the friction mechanical clutch is turned on, after its activation, the torque is transmitted from the gas turbine to the compressor in two ways, namely through the fluid coupling, on the one hand, and through the mechanical friction clutch, on the other. The two power streams run parallel to each other. The fluid is then freed from the fluid so that only the friction mechanical clutch transfers torque from the gas turbine to the compressor. To shut down the compressor unit:

а) газовая турбина отключается и работает на компрессоре, при этом муфта отключается, газовая турбина и компрессор полностью отключены друг от друга, илиa) the gas turbine turns off and runs on the compressor, while the clutch is turned off, the gas turbine and compressor are completely disconnected from each other, or

б) пустая гидромуфта вновь заполняется жидкостью, механическая фрикционная муфта отключается, гидромуфта освобождается от жидкости, хотя газовая турбина продолжает работать, крутящий момент не передается компрессору и он останавливается. Таким образом, компрессор может работать с перерывами, газовая турбина может работать без остановок.b) the empty fluid clutch is filled with liquid again, the mechanical friction clutch is disconnected, the fluid clutch is released from the fluid, although the gas turbine continues to operate, the torque is not transmitted to the compressor and it stops. Thus, the compressor can run intermittently, the gas turbine can run continuously.

Такой способ не применим для компрессорных установок с поршневым компрессором из-за механического сцепления, кроме того регулирование производительности возможно только в узком диапазоне изменением частоты оборотов турбины.This method is not applicable for compressor units with a reciprocating compressor due to mechanical coupling, in addition, capacity control is possible only in a narrow range by changing the turbine speed.

За ближайший аналог предлагаемого устройства выбрано техническое решение по патентному документу ЕА 200870207 (опубл. 27.02.2009). Компрессорная установка содержит ротационное оборудование: одновальную газовую турбину с выходным валом; первую понижающую зубчатую передачу с входным и выходным валом, при этом выходной вал зубчатой понижающей передачи вращается на более низкой скорости, чем выходной вал газовой турбины; гидротрансформатор для запуска компрессора, присоединенный к выходному валу понижающей зубчатой передачи и имеющий выходной вал; вторую повышающую зубчатую передачу, присоединенную к выходному валу гидротрансформатора и имеющую выходной вал повышающей зубчатой передачи, вращающийся на большей скорости чем выходной вал гидротрансформатора; приводимый компрессор, присоединенный к выходному валу повышающей зубчатой передачи, при этом скорость вращения выходного вала указанного гидротрансформатора может быть увеличена с помощью повышающей зубчатой передачи, чтобы соответствовать требованиям операционной скорости компрессора. Операционные скорости одновальной газовой турбины могут составлять 9-14 тысяч оборотов в минуту, операционные скорости гидротрансформатора - 2-3 тысячи оборотов в минуту, операционные скорости центробежного компрессора - 5-13 тысяч оборотов в минуту. Для согласования этих скоростей используются первая понижающая и вторая повышающая передачи. При этом гидротрансформатор имеет блокировочный механизм для механического присоединения входного конца гидротрансформатора к выходному концу гидротрансформатора для образования механического сцепления и обеспечения устойчивого вращения между турбиной и компрессором на синхронизированной скорости. При этом гидротрансформатор имеет регулируемые направляющие лопасти, благодаря которым регулируется скорость выходного вала от ноля до полной скорости. При этом зубчатые передачи и гидротрансформатор могут быть в одном или разных кожухах, зубчатые передачи могут быть односпиральными или двухспиральными. Недостатки такого решения, из-за наличия механического сцепления для обеспечения устойчивого вращения между турбиной и компрессором на синхронизированной скорости, общие с устройствами по US 7422543 и US 2008/0245634 и описаны выше, хотя в таком устройстве возможно обеспечить режим прогрева, холостого хода и плавной загрузки одновальной газовой турбины без подключения нагрузки (с отключенным компрессором). Недостатком также является следующее: предложенная повышающая передача не применима с поршневыми компрессорами, имеющими на входном валу гораздо меньшие скорости вращения (500-1500 оборотов в минуту), чем у распространенных газовых турбин, особенно одновальных (9-14 тысяч оборотов в минуту). Такое техническое решение предпочтительнее для центробежных компрессоров, так как они имеют высокие операционные скорости. Кроме того входной вал поршневого компрессора имеет большую вибрацию и радиальные, угловые и осевые смещения из-за крутильных колебаний по сравнению с ротационным компрессором (центробежным, осевым). Еще одним недостатком является сложная конструкция узла перемещения лопаток гидротрансформатора, наличие блокирующего устройства и как следствие - сложная конструкция гидротрансформатора.For the closest analogue of the proposed device, a technical solution was chosen according to the patent document EA 200870207 (published on February 27, 2009). The compressor unit contains rotary equipment: a single-shaft gas turbine with an output shaft; a first reduction gear train with input and output shafts, the output shaft of the gear reduction gear rotating at a lower speed than the output shaft of the gas turbine; a torque converter for starting the compressor, connected to an output shaft of the reduction gear and having an output shaft; a second overdrive gear coupled to a torque converter output shaft and having an overdrive output shaft rotating at a faster speed than the torque converter output shaft; a driven compressor coupled to the output shaft of the overdrive gear, wherein the rotational speed of the output shaft of said torque converter can be increased by the overdrive gear to meet the operating speed requirements of the compressor. The operating speeds of a single-shaft gas turbine can be 9-14 thousand rpm, the operating speed of the torque converter is 2-3 thousand rpm, the operating speed of a centrifugal compressor is 5-13 thousand rpm. The first down and second up gears are used to match these speeds. In this case, the torque converter has a locking mechanism for mechanically connecting the input end of the torque converter to the output end of the torque converter to form a mechanical clutch and ensure stable rotation between the turbine and the compressor at a synchronized speed. In this case, the torque converter has adjustable guide vanes, thanks to which the speed of the output shaft is regulated from zero to full speed. In this case, the gear drives and the torque converter can be in the same or different casings, the gear drives can be single-spiral or double-spiral. The disadvantages of such a solution, due to the presence of a mechanical clutch to ensure stable rotation between the turbine and the compressor at a synchronized speed, are common with devices according to US 7422543 and US 2008/0245634 and are described above, although in such a device it is possible to provide a warm-up, idle and smooth loading a single-shaft gas turbine without connecting the load (with the compressor off). The disadvantage is the following: the proposed overdrive is not applicable with reciprocating compressors having much lower rotation speeds on the input shaft (500-1500 rpm) than common gas turbines, especially single-shaft ones (9-14 thousand rpm). This technical solution is preferable for centrifugal compressors, since they have high operating speeds. In addition, the input shaft of a reciprocating compressor has greater vibration and radial, angular and axial displacements due to torsional vibrations compared to a rotary compressor (centrifugal, axial). Another drawback is the complex design of the torque converter blade movement unit, the presence of a blocking device and, as a consequence, the complex design of the torque converter.

Таким образом, стоит задача создания поршневой компрессорной установки, в которой в качестве привода поршневого компрессора может использоваться одновальная газовая турбина, для этого в такой поршневой компрессорной установке должен обеспечиваться режим прогрева, холостого хода и плавной загрузки одновальной газовой турбины, должен обеспечиваться широкий диапазон регулирования производительности компрессорной установки, связанный с условиями ее работы, должна быть исключена передача крутильных колебаний от неуравновешенных масс коленчатого вала поршневого компрессора на ротор газовой турбины, а также обеспечена компенсация радиальных, угловых и осевых смещений входного вала поршневого компрессора.Thus, the task is to create a reciprocating compressor unit, in which a single-shaft gas turbine can be used as a piston compressor drive; for this, such a reciprocating compressor unit should provide a warm-up, idle and smooth loading of a single-shaft gas turbine, a wide range of capacity regulation should be provided. of the compressor unit associated with the conditions of its operation, the transmission of torsional vibrations from the unbalanced masses of the crankshaft of the piston compressor to the rotor of the gas turbine should be excluded, and compensation for radial, angular and axial displacements of the input shaft of the piston compressor should be provided.

Для достижения указанного технического результата предложена поршневая компрессорная установка, включающая: одновальную газовую турбину (далее - турбина) с выходным валом; первую понижающую зубчатую передачу с входным и выходным валом (далее - первая понижающая передача), при этом выходной вал первой понижающей передачи вращается на более низкой скорости, чем выходной вал турбины; регулируемую гидродинамическую передачу в качестве которой применена регулируемая гидромуфта (далее - гидромуфта), присоединенную к выходному валу первой понижающей передачи и имеющую входной и выходной вал; вторую понижающую зубчатую передачу (далее - вторая понижающая передача), присоединенную к выходному валу гидромуфты и имеющую входной и выходной вал, при этом выходной вал второй понижающей передачи вращается на меньшей скорости, чем выходной вал гидромуфты; приводимый поршневой компрессор, присоединенный к выходному валу второй понижающей передачи, при этом гидромуфта выполнена с возможностью регулирования скорости выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, между второй понижающей передачей и компрессором расположена пластинчатая упругая муфта (называемая также дисковой муфтой сухого типа, далее - муфта) для компенсации радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора. При этом понижающие передачи и гидромуфта могут быть в одном или разных кожухах (корпусах), понижающие передачи могут быть односпиральными или двухспиральными, первая понижающая передача может быть в одном корпусе с турбиной.To achieve the specified technical result, a piston compressor unit is proposed, including: a single-shaft gas turbine (hereinafter referred to as the turbine) with an output shaft; a first reduction gear with an input and an output shaft (hereinafter referred to as the first reduction gear), wherein the output shaft of the first reduction gear rotates at a lower speed than the turbine output shaft; an adjustable hydrodynamic transmission in the capacity of which an adjustable fluid coupling (hereinafter referred to as a fluid coupling) is used, connected to the output shaft of the first reduction gear and having an input and output shaft; a second reduction gear (hereinafter referred to as the second reduction gear) connected to the output shaft of the fluid coupling and having an input and output shaft, while the output shaft of the second reduction gear rotates at a lower speed than the output shaft of the fluid coupling; a driven piston compressor connected to the output shaft of the second reduction gear, while the fluid coupling is configured to adjust the output shaft speed from zero to full speed by adjusting the supply of working fluid to the working cavity of the fluid coupling, between the second reduction gear and the compressor there is a lamellar elastic clutch (also called dry type disc clutch, hereinafter referred to as the clutch) to compensate for the radial, angular and axial displacements of the connected shafts of the second reduction gear and the piston compressor. In this case, the reduction gears and the hydraulic clutch can be in one or different casings (housings), the reduction gears can be single-spiral or double-spiral, the first reduction gear can be in the same housing with the turbine.

Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что применена гидромуфта, выполненная с возможностью регулирования скорости выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, после гидромуфты применена понижающая передача, вращающаяся на меньшей скорости, чем выходной вал гидромуфты, между второй понижающей передачей и компрессором расположена муфта для компенсации радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора, первая понижающая передача в частном случае может быть в одном корпусе с турбиной, в другом частном случае понижающие передачи и гидромуфта могут быть в одном или разных кожухах, понижающие передачи могут быть односпиральными или двухспиральными.Distinctive features of the proposed device from the above known, closest to it, is that a fluid coupling is used, made with the ability to regulate the speed of the output shaft from zero to full speed by regulating the supply of working fluid into the working cavity of the fluid coupling, after the fluid coupling, a reduction gear is applied, rotating at a lower speed than the output shaft of the fluid coupling, between the second reduction gear and the compressor, a clutch is located to compensate for the radial, angular and axial displacements of the connected shafts of the second reduction gear and the piston compressor, the first reduction gear in a particular case can be in one housing with a turbine, in the other in a particular case, the reduction gears and the hydraulic clutch can be in the same or different casings, the reduction gears can be single-spiral or double-spiral.

Применение двух понижающих передач и регулируемой гидродинамической передачи (гидромуфты) позволяет использовать высокоскоростную (высокооборотную) одновальную газовую турбину для привода низкоскоростного (низкооборотного) поршневого компрессора. При этом становится возможным синхронизировать работу турбины, гидромуфты и поршневого компрессора на их оптимальных операционных скоростях (9-14 тысячи оборотов в минуту для турбины, 2-3 тысячи оборотов в минуту для гидромуфты и 500-1500 оборотов в минуту для компрессора). Это также позволяет эффективно передавать мощность от турбины к компрессору. Применение гидромуфты позволяет полностью исключить механическую связь турбины с поршневым компрессором (механическое сцепление), в результате становиться возможным прогрев, плавная загрузка и холостой ход турбины без подключенной нагрузки. Кроме того это позволяет исключить передачу колебаний от вала поршневого компрессора на ротор турбины на режиме работы с нагрузкой. Исключается износ контактных пар и загрязнение продуктами износа. Выполнение гидромуфты с возможностью регулирования скорости ее выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты позволяет регулировать производительность компрессорной установки от ноля до максимальных значений, установленных для поршневого компрессора, а также плавно запускать его. Это позволяет поршневой компрессорной установке работать на разных режимах по расходу и давлению. Разработка газовых месторождений включает три этапа: нарастающей, постоянной и падающей добычи. В таблице 1 приведены основные параметры работы поршневой компрессорной установки в период эксплуатации 2015-2030 г.г. на примере поршневой компрессорной установки с оппозитным четырехрядным поршневым компрессором для компримирования природного газа на дожимной компрессорной станции Пырейного месторождения, Ямало-Ненецкий автономный округ в режиме падающей добычи. Срок службы поршневых компрессорных установок составляет не менее 20 лет. За это время из-за снижения дебита скважины их производительность может значительно снизится, в показанном примере за 15 лет производительность падает почти в 4 раза. При этом техническое перевооружение компрессорной станции - например замена компрессора на компрессор с меньшей производительностью - связано с высокими затратами и нецелесообразно. В предлагаемой поршневой компрессорной установке с одновальной газовой турбиной в качестве привода решается проблема регулирования производительности в широком диапазоне при изменении дебита скважины (при нарастающей и падающей добыче), а также при сезонных и суточных колебаниях, связанных с неравномерностью газопотребления.The use of two reduction gears and an adjustable hydrodynamic transmission (fluid coupling) makes it possible to use a high-speed (high-speed) single-shaft gas turbine to drive a low-speed (low-speed) reciprocating compressor. This makes it possible to synchronize the operation of the turbine, fluid coupling and reciprocating compressor at their optimum operating speeds (9-14 thousand rpm for the turbine, 2-3 thousand rpm for the fluid coupling and 500-1500 rpm for the compressor). It also allows for efficient transmission of power from the turbine to the compressor. The use of a fluid coupling allows completely eliminating the mechanical connection of the turbine with the piston compressor (mechanical clutch), as a result, it becomes possible to warm up, smooth loading and idle of the turbine without a connected load. In addition, this makes it possible to exclude the transmission of vibrations from the piston compressor shaft to the turbine rotor in the load mode. Wear of contact pairs and contamination with wear products are excluded. The implementation of the fluid coupling with the ability to adjust the speed of its output shaft from zero to full speed by adjusting the supply of working fluid to the working cavity of the fluid coupling allows you to adjust the performance of the compressor unit from zero to the maximum values set for the reciprocating compressor, as well as smoothly start it. This allows the reciprocating compressor unit to operate at different flow and pressure modes. Gas field development includes three stages: increasing, constant and declining production. Table 1 shows the main operating parameters of the reciprocating compressor unit during the operation period 2015-2030. by the example of a reciprocating compressor unit with an opposed four-row reciprocating compressor for compressing natural gas at a booster compressor station at the Pyreinoye field, Yamalo-Nenets Autonomous District in a declining production mode. The service life of reciprocating compressor units is at least 20 years. During this time, due to a decrease in the flow rate of the well, their productivity can significantly decrease; in the example shown, over 15 years, productivity drops by almost 4 times. At the same time, the technical re-equipment of a compressor station - for example, replacing a compressor with a compressor with a lower capacity - is associated with high costs and is impractical. The proposed piston compressor unit with a single-shaft gas turbine as a drive solves the problem of regulating productivity in a wide range when the well flow rate changes (with increasing and decreasing production), as well as with seasonal and daily fluctuations associated with uneven gas consumption.

Применение пластинчатой упругой муфты позволяет компенсировать радиальные, угловые и осевые смещения соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора. Все вышеперечисленное позволяет устранить проблемы предыдущего уровня техники и использовать одновальную газовую турбину в качестве привода поршневого компрессора. Некоторые известные одновальные газовые турбины имеют понижающую зубчатую передачу на выходном валу, в одном корпусе с турбиной, к примеру, газотурбинный двигатель Д049Р ОАО НПО «Сатурн» имеет встроенный соосный редуктор. Выполнение в частном случае понижающих передач и гидромуфты в одном кожухе позволяет уменьшить габариты устройства, в том числе за счет использования общей системы смазки или общего маслобака для всего оборудования компрессорной установки, а также повысить надежность устройства.The use of a lamellar elastic coupling makes it possible to compensate for the radial, angular and axial displacements of the connected shafts of the second reduction gear and the piston compressor. All of the above makes it possible to eliminate the problems of the prior art and to use a single-shaft gas turbine as a drive for a reciprocating compressor. Some well-known single-shaft gas turbines have a reduction gear on the output shaft, in the same housing with the turbine, for example, the D049R gas turbine engine of NPO Saturn has a built-in coaxial gearbox. In a particular case, the implementation of reduction gears and fluid couplings in one casing allows to reduce the dimensions of the device, including through the use of a common lubrication system or a common oil tank for the entire equipment of the compressor unit, and also to increase the reliability of the device.

Совокупность всех указанных существенных признаков позволяет создать конструкцию компрессорной установки с поршневым компрессором и с одновальной газовой турбиной в качестве его привода, обеспечивающую режима прогрева, холостого хода и плавной загрузки турбины, широкий диапазон регулирования производительности компрессорной установки, исключающую передачу крутильных колебаний от неуравновешенных масс коленчатого вала компрессора на ротор турбины, и обеспечивающую компенсацию радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и компрессора.The combination of all these essential features makes it possible to create a design of a compressor unit with a reciprocating compressor and with a single-shaft gas turbine as its drive, providing a heating mode, idling and smooth loading of the turbine, a wide range of regulation of the compressor unit capacity, excluding the transmission of torsional vibrations from unbalanced masses of the crankshaft compressor on the turbine rotor, and provides compensation for radial, angular and axial displacements of the connected shafts of the second reduction gear and the compressor.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами.The proposed utility model is illustrated by drawings.

На фигуре 1 представлена поршневая компрессорная установка -принципиальная схема - одно из конкретных воплощений полезной модели, на фигуре 2 схематично показан один из примеров исполнения понижающих передач и гидромуфты в общем корпусе, на фигуре 3 представлен один из примеров исполнения упругой пластинчатой муфты, на фигуре 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая работу компрессорной установки на разных режимах, где 1 - поршневой компрессор, 2 -одновальная газовая турбина, 3 - первая понижающая зубчатая передача, 4 - гидромуфта, 5 - вторая понижающая зубчатая передача, 6 - пластинчатая упругая муфта, 7 - входной вал первой понижающей зубчатой передачи (3), 8 - выходной вал второй понижающей зубчатой передачи (5), 9 - рабочая полость гидромуфты (4), 10 - рабочая жидкость в рабочей полости (9) гидромуфты (4), 11 - черпак гидромуфты (4), 12 - полумуфта муфты (6), 13 - проставка муфты (6), 14 - винт муфты (6), 15 - шпоночное соединение муфты (6), 16 - упругие элементы муфты (6).Figure 1 shows a piston compressor unit - a schematic diagram - one of the specific embodiments of the utility model, figure 2 schematically shows one of the examples of the reduction gears and fluid couplings in a common housing, figure 3 shows one of the examples of the elastic plate clutch, figure 4 is a block diagram illustrating the operation of the compressor unit in different modes, where 1 is a piston compressor, 2 is a single-shaft gas turbine, 3 is the first reduction gear, 4 is a hydraulic clutch, 5 is a second reduction gear, 6 is an elastic plate clutch, 7 - input shaft of the first reduction gear (3), 8 - output shaft of the second reduction gear (5), 9 - working cavity of the fluid coupling (4), 10 - working fluid in the working cavity (9) of the hydraulic clutch (4), 11 - scoop fluid couplings (4), 12 - coupling half-coupling (6), 13 - coupling spacer (6), 14 - coupling screw (6), 15 - keyed coupling of the coupling (6), 16 - elastic coupling elements (6).

Компрессорная установка (фиг. 1) содержит поршневой компрессор (1), к примеру, оппозитный крейцкопфный компрессор, которые широко представлены на рынке, к примеру компанией Ariel Corp., США, в качестве привода использована одновальная газовая турбина (2), которые также представлены на рынке. Газовая турбина и компрессор, как правило, устанавливаются на общее основание (раму) и соединены между собой передаточными устройствами: выходной вал газовой турбины (не показан) соединен с входным валом (7) первой понижающей передачи, ее выходной вал соединен в входным валом (не показан) гидромуфты (4), выходной вал (не показан) гидромуфты (4) соединен с входным валом (не показан) второй понижающей передачи (5), выходной вал (8) второй понижающей передачи (5) соединен с упругой пластинчатой муфтой (6), которая в свою очередь соединена с входным валом (не показан) компрессора (1). На фиг. 2 представлен один из вариантов исполнения первой понижающей зубчатой передачи (3), гидромуфты (4) и второй понижающей зубчатой передачи (5) выполненных в едином корпусе. Такие устройства также представлены на рынке. К примеру, фирмой Voith TurboGmbH & Co. KG, Германия, разработана подобная регулируемая редукторная муфта типа R…KGS для центробежных компрессоров с электродвигателем в качестве привода. Корпус такого передаточного устройства имеет нижнюю часть, выполненную в виде емкости (не показана) для масла, которое, как правило, служит рабочей жидкостью (10) для гидромуфты (4) и для смазки зубчатых передач (3, 5). Наполнение рабочей полости (9) гидромуфты (4) маслом (10) во время запуска и рабочего режима изменяется при помощи черпака (11) в любой степени - от полного заполнения до полного опорожнения. Тем самым передаваемая мощность и частота вращения от привода к нагрузке регулируется бесступенчато. Черпак (11) может иметь электрогидравлический сервопривод с автоматическим управлением. При этом выходной вал первой понижающей передачи (3) и входной вал гидромуфты (4) могут быть выполнены как единое целое, так же как и выходной вал гидромуфты (4) и входной вал второй понижающей передачи (5). Такое устройство на примере центробежного компрессора и электродвигателя в качестве его привода работает следующим образом. При запуске черпак (11) в положении 0%, рабочая полость (9) гидромуфты (4) не заполнена маслом (10), отсутствует нагрузка на валу электродвигателя, вал компрессора не вращается, включается подача масла, гидромуфта (4) и компрессор в остановленном состоянии, подшипники смазываются. Осуществляется пуск электродвигателя до номинальной частоты вращения без нагрузки, гидромуфта (4) заполняется маслом (10) и вращается, начинает вращаться вал компрессора. Рабочая полость (9) гидромуфты (4) продолжает постепенно заполняться маслом (10), компрессор начинает вращаться с желаемой частотой вращения, черпак в положении n%…100%, зубчатые передачи (3, 5) позволяют синхронизировать скорости электродвигателя и компрессора. Принцип работы такого устройства с поршневым компрессором (1) и одновальной газовой турбиной (2) в качестве его привода аналогичен. Специалисту в данной области понятно, что устройство зубчатых передач (3,5) и регулируемой гидромуфты (4) может быть иным. Некоторые одновальные газовые турбины (2) могут иметь на своем выходном валу понижающую зубчатую передачу (3), к примеру, упомянутый выше газотурбинный двигатель Д049Р ОАО НПО «Сатурн». В этом случае гидромуфта (4) и вторая понижающая передача (5) могут быть в одном кожухе (корпусе) (пример -регулируемая редукторная муфта типа R…GS фирмы Voith TurboGmbH & Co.KG) или они могут быть в разных кожухах. Обе передачи (3,5) и гидромуфта (4) могут иметь собственные кожухи, такие устройства также представлены на рынке. Упругие пластинчатые муфты (6) широко представлены на рынке, к примеру, компанией Rexnord Corp., США. На фиг. 3 показан один из примеров ее выполнения. Конструкция муфты представляет собой жесткое на кручение устройство, и состоит, как правило, из полумуфты (12) двигателя (привода), полумуфты (12) компрессора и проставки (13), которые соединены между собой при помощи винтов (14). Полумуфты соединяются с валом привода (в предлагаемом по полезной модели устройстве с выходным валом второй понижающей передачи) и входным валом компрессора (1) при помощи шпоночного соединения (15). В конструкцию проставки (13) муфты (6) входят упругие элементы (16), за счет сложной деформации которых и происходит компенсация муфтой (6) отклонений взаимного положения соединяемых ею валов. Упругая пластинчатая муфта (6) в целях безопасности снабжается кожухом. Соединение валов турбины, понижающих передач, гидромуфты, муфты и компрессора может быть шпоночным, фланцевым или может быть выполнено любым другим известным способом.The compressor unit (Fig. 1) contains a reciprocating compressor (1), for example, an opposed crosshead compressor, which are widely available on the market, for example, by Ariel Corp., USA, a single-shaft gas turbine (2) is used as a drive, which are also presented on the market. The gas turbine and the compressor, as a rule, are installed on a common base (frame) and are interconnected by transmission devices: the output shaft of the gas turbine (not shown) is connected to the input shaft (7) of the first reduction gear, its output shaft is connected to the input shaft (not shown) of the fluid coupling (4), the output shaft (not shown) of the fluid coupling (4) is connected to the input shaft (not shown) of the second reduction gear (5), the output shaft (8) of the second reduction gear (5) is connected to an elastic plate clutch (6 ), which in turn is connected to the input shaft (not shown) of the compressor (1). FIG. 2 shows one of the embodiments of the first reduction gear (3), hydraulic clutch (4) and the second reduction gear (5) made in a single housing. Such devices are also on the market. For example, Voith Turbo GmbH & Co. KG, Germany, has developed a similar type R ... KGS adjustable gear coupling for centrifugal compressors with an electric motor as a drive. The housing of such a transmission device has a lower part made in the form of a container (not shown) for oil, which, as a rule, serves as a working fluid (10) for a hydraulic clutch (4) and for lubricating gears (3, 5). The filling of the working cavity (9) of the hydraulic coupling (4) with oil (10) during start-up and operating mode is changed with the help of the scoop (11) in any degree - from full filling to complete emptying. In this way, the transmitted power and the speed from the drive to the load are infinitely variable. The bucket (11) can have an electro-hydraulic servo drive with automatic control. In this case, the output shaft of the first reduction gear (3) and the input shaft of the hydraulic clutch (4) can be made as a single whole, as well as the output shaft of the hydraulic clutch (4) and the input shaft of the second reduction gear (5). Such a device, using the example of a centrifugal compressor and an electric motor as its drive, works as follows. When starting, the scoop (11) is in the 0% position, the working chamber (9) of the fluid coupling (4) is not filled with oil (10), there is no load on the electric motor shaft, the compressor shaft does not rotate, the oil supply is turned on, the fluid coupling (4) and the compressor is stopped. condition, the bearings are lubricated. The electric motor is started up to the rated speed without load, the hydraulic coupling (4) is filled with oil (10) and rotates, the compressor shaft begins to rotate. The working cavity (9) of the fluid coupling (4) continues to gradually fill with oil (10), the compressor starts to rotate at the desired speed, the scoop is in position n% ... 100%, gears (3, 5) allow synchronizing the speed of the electric motor and compressor. The principle of operation of such a device with a piston compressor (1) and a single-shaft gas turbine (2) as its drive is similar. The person skilled in the art understands that the arrangement of gears (3,5) and variable fluid clutch (4) may be different. Some single-shaft gas turbines (2) may have a reduction gear (3) on their output shaft, for example, the above-mentioned D049R gas turbine engine of NPO Saturn. In this case, the hydraulic clutch (4) and the second reduction gear (5) can be in one casing (casing) (for example, an adjustable gear clutch type R ... GS from Voith Turbo GmbH & Co.KG) or they can be in different casings. Both gears (3,5) and the fluid coupling (4) can have their own covers, such devices are also on the market. Flexible plate couplings (6) are widely available on the market, for example, by Rexnord Corp., USA. FIG. 3 shows one of the examples of its implementation. The design of the clutch is a torsionally rigid device, and usually consists of a half-coupling (12) of the engine (drive), a half-coupling (12) of the compressor and a spacer (13), which are connected to each other by screws (14). The half-couplings are connected to the drive shaft (in the device proposed for the utility model with the output shaft of the second reduction gear) and the input shaft of the compressor (1) by means of a keyed connection (15). The design of the spacer (13) of the clutch (6) includes elastic elements (16), due to the complex deformation of which the clutch (6) compensates for the deviations of the relative position of the shafts connected by it. The flexible plate coupling (6) is provided with a cover for safety reasons. The connection of the shafts of the turbine, reduction gears, fluid couplings, clutches and compressor can be keyed, flanged, or can be performed in any other known way.

На фиг. 4 проиллюстрирована работа компрессорной установки на разных режимах. На режиме прогрева подают топливо в турбину (2) и запускают турбину, затем достигают скорости холостого хода турбины (2), соответствующей мощности турбины (2) на холостом ходу и переходят на холостой ход турбины (2), при этом черпак (11) гидромуфты (4) в положении 0%, рабочая полость (9) гидромуфты (4) не заполнена маслом (10), выходной вал гидромуфты (4) не вращается, компрессор (1) не работает. На режиме холостого хода, поддерживают скорость холостого хода турбины (2), соответствующую мощности турбины (2) на холостом ходу, черпак (11) гидромуфты (4) по прежнему в положении 0%, рабочая полость (9) гидромуфты (4) не заполнена маслом (10), выходной вал гидромуфты (4) не вращается, компрессор (1) не работает, мощность передается на первую понижающую передачу (3) и на входной вал гидромуфты (4).FIG. 4 illustrates the operation of the compressor unit in different modes. In the heating mode, fuel is supplied to the turbine (2) and the turbine is started, then the idling speed of the turbine (2) is reached, corresponding to the power of the turbine (2) at idle speed, and the turbine (2) is switched to idle speed, while the bucket (11) of the hydraulic coupling (4) in the 0% position, the working cavity (9) of the fluid coupling (4) is not filled with oil (10), the output shaft of the fluid coupling (4) does not rotate, the compressor (1) does not work. At idle, the idle speed of the turbine (2) is maintained, corresponding to the power of the turbine (2) at idle, the bucket (11) of the fluid coupling (4) is still in the 0% position, the working cavity (9) of the fluid coupling (4) is not filled oil (10), the output shaft of the fluid coupling (4) does not rotate, the compressor (1) does not work, power is transferred to the first reduction gear (3) and to the input shaft of the fluid coupling (4).

На режиме запуска компрессора и работы с нагрузкой достигают первой выходной скорости, соответствующей номинальной мощности турбины (2) и поддерживают работу турбины (2) на первой скорости, понижают первую скорость до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, с помощью первой понижающей передачи (3), и плавно передают возрастающую мощность на компрессор (1) при помощи гидромуфты (4) на выходных скоростях от нуля до второй скорости, более низкой, чем первая скорость, путем плавной подачи масла (10) в рабочую полость (9) гидромуфты (4). Для этого черпак (11) перемещают из положения 0% в положении n%…100%. Рабочая полость (9) гидромуфты (4) постепенно заполняется маслом (10). При этом мощность передается на выходной вал гидромуфты (4) и входной вал (8) второй понижающей передачи (5), при помощи которой понижают вторую скорость до третей скорости более низкой, чем вторая скорость и поддерживают работу компрессора (1) на третьей скорости, соответствующей мощности компрессора (1). При помощи пластинчатой упругой муфты (6) компенсируют радиальные, угловые и осевые смещения входного вала компрессора (1) и выходного вала (8) второй понижающей передачи (5). Благодаря чему, а также благодаря использованию гидромуфты (4), не допускается передача крутильных колебаний от неуравновешенных масс коленчатого вала компрессора (1) на валопровод и через него на ротор турбины (2).In the mode of starting the compressor and working with load, the first output speed is reached corresponding to the rated power of the turbine (2) and the operation of the turbine (2) is maintained at the first speed, the first speed is reduced to a second speed lower than the first speed using the first reduction gear (3), and smoothly transmit the increasing power to the compressor (1) using the fluid coupling (4) at output speeds from zero to the second speed, lower than the first speed, by smoothly feeding oil (10) into the working cavity (9) of the fluid coupling (4). For this, the ladle (11) is moved from the 0% position to the n% ... 100% position. The working cavity (9) of the fluid coupling (4) is gradually filled with oil (10). In this case, power is transmitted to the output shaft of the fluid coupling (4) and the input shaft (8) of the second reduction gear (5), with the help of which the second speed is reduced to a third speed lower than the second speed and the operation of the compressor (1) is maintained at the third speed, corresponding compressor capacity (1). Using a lamellar elastic clutch (6), radial, angular and axial displacements of the input shaft of the compressor (1) and the output shaft (8) of the second reduction gear (5) are compensated. Due to this, as well as due to the use of a fluid coupling (4), the transmission of torsional vibrations from unbalanced masses of the compressor crankshaft (1) to the shaft line and through it to the turbine rotor (2) is not allowed.

На режиме изменения производительности компрессорной установки меняют вторую скорость при помощи гидромуфты (4) путем изменения количества масла (10) в рабочей полости (9) гидромуфты (10), и третью скорость при помощи второй понижающей передачи (5). При этом черпак (11) перемещают в положение n%. Положение черпака (11) для разной производительности компрессорной установки определяют расчетом или опытным путем. При необходимости перехода с режима работы под нагрузкой на режим холостого хода турбины (2) освобождают гидромуфту (4) от масла (10), при этом черпак (11) плавно перемещают в положение 0% и отключают компрессор (1). При необходимости остановки турбины (2) при экстренном останове отключают подачу топлива в турбину (2) и используют выбег турбины (2) для полной остановки компрессорной установки, при этом гидромуфта (4) заполнена маслом, черпак в положении n%…100%. При нормальном останове плавно освобождают гидромуфту (4) от масла (10). Для этого черпак (11) перемещают из положения n%…100% в положении 0%. Понижают вторую скорость до ноля, отключают гидромуфту (4), при этом компрессор (1) отключается, охлаждают и останавливают турбину (2).In the mode of changing the performance of the compressor unit, the second speed is changed with the help of the fluid coupling (4) by changing the amount of oil (10) in the working cavity (9) of the fluid coupling (10), and the third speed with the help of the second reduction gear (5). In this case, the ladle (11) is moved to position n%. The position of the scoop (11) for different capacities of the compressor unit is determined by calculation or experimentally. If it is necessary to switch from the operating mode under load to the idling mode of the turbine (2), the fluid coupling (4) is freed from oil (10), while the scoop (11) is smoothly moved to the 0% position and the compressor (1) is turned off. If it is necessary to stop the turbine (2) during an emergency shutdown, the fuel supply to the turbine (2) is turned off and the turbine (2) run-out is used to completely stop the compressor unit, while the hydraulic coupling (4) is filled with oil, the scoop is in position n% ... 100%. During normal shutdown, fluid coupling (4) is smoothly freed from oil (10). For this, the scoop (11) is moved from position n% ... 100% to position 0%. The second speed is reduced to zero, the fluid coupling (4) is turned off, while the compressor (1) is turned off, cooled and the turbine (2) is stopped.

Авторами разработана поршневая компрессорная установка, которая предполагает использование: поршневого оппозитного крейцкопфного шестицилиндрового компрессора фирмы Borsig, Германия, с двумя ступенями повышения давления; газотурбинного двигателя Д049Р ОАО НПО «Сатурн» в качестве привода, с встроенным соосным редуктором (первая понижающая передача); регулируемой редукторной муфты фирмы Voith TurboGmbH & Co.KG типа R…GS - комбинации регулируемой гидромуфты и понижающего редуктора (вторая понижающая передача) в едином корпусе; упругой пластинчатой муфты Rexnord Thomas. Частота вращения ротора силовой турбины 14 тыс.об/мин., частота вращения выходного вала редуктора газотурбинного двигателя 3000 об/мин, частота вращения выходного вала регулируемой редукторной муфты 0…3000 об/мин, частота вращения входного вала поршневого компрессора 0…469 об/мин. Установка предназначена для компримирования углеводородного газа. Давление газа на входе в поршневую компрессорную установку от 0,71 до 3,41 МПа (аба), давление газа на выходе из установки от 3,38 до 5,40 МПа (аба), производительность от 1367,3 до 3553,4 тыс.ст.м³/сут.(при температуре 20°С и давлении 760 мм.рт.ст.).The authors have developed a piston compressor unit, which involves the use of: a piston opposed crosshead six-cylinder compressor from Borsig, Germany, with two stages of pressure increase; gas turbine engine D049R of JSC NPO Saturn as a drive, with a built-in coaxial gearbox (first reduction gear); variable speed reduction clutch from Voith TurboGmbH & Co.KG type R… GS - a combination of variable hydraulic clutch and reduction gear (second reduction gear) in a single housing; flexible plate coupling Rexnord Thomas. The rotor speed of the power turbine is 14 thousand rpm, the speed of the output shaft of the gas turbine engine reducer is 3000 rpm, the speed of the output shaft of the variable reduction gear clutch is 0 ... 3000 rpm, the speed of the input shaft of the piston compressor is 0 ... 469 rpm min. The unit is designed to compress hydrocarbon gas. Gas pressure at the inlet to the reciprocating compressor unit from 0.71 to 3.41 MPa (aba), gas pressure at the outlet from the unit from 3.38 to 5.40 MPa (aba), capacity from 1367.3 to 3553.4 thousand .st.m ³ / day ⁽ at a temperature of 20 ° C and a pressure of 760 mm Hg).

Заявляемое техническое решение поршневой компрессорной установки может быть осуществлено в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования и технологии. Установка собирается из стандартного компрессорного, газотурбинного, электротехнического, газового, емкостного и теплообменного оборудования, в установке используются известные передаточные устройства, стандартные контрольные и регулирующие приборы, трубопроводная арматура, трубопроводы, система автоматического управления. Установка может использоваться для промыслового сбора природного и попутного нефтяного газа, для транспортировки газа на переработку в промысловых установках или на газоперерабатывающих заводах, для обратной закачки газа в пласт или в подземные хранилища газа, для газлифта на месторождениях нефти, для повышения давления газа для ГПА и т.п.The claimed technical solution of the reciprocating compressor unit can be implemented in industrial production using standard equipment and technology. The installation is assembled from standard compressor, gas turbine, electrical, gas, tank and heat exchange equipment; the installation uses well-known transfer devices, standard control and regulating devices, pipeline fittings, pipelines, and an automatic control system. The unit can be used for field gathering of natural and associated petroleum gas, for transporting gas for processing in field installations or at gas processing plants, for re-injection of gas into a reservoir or underground gas storage facilities, for gas lift in oil fields, for increasing gas pressure for GPU and etc.

Claims (6)

1. Поршневая компрессорная установка, включающая одновальную газовую турбину с выходным валом, первую понижающую зубчатую передачу с входным и выходным валами, при этом выходной вал первой понижающей передачи вращается на более низкой скорости, чем выходной вал турбины, регулируемую гидродинамическую передачу, присоединенную к выходному валу первой понижающей передачи и имеющую входной и выходной валы, вторую зубчатую передачу, присоединенную к выходному валу гидромуфты и имеющую входной и выходной вал, приводимый поршневой компрессор, присоединенный к выходному валу второй передачи, отличающаяся тем, что в качестве регулируемой гидропередачи применена регулируемая гидромуфта, вторая зубчатая передача выполнена понижающей и ее выходной вал вращается на меньшей скорости, чем выходной вал гидромуфты, гидромуфта выполнена с возможностью регулирования скорости своего выходного вала от ноля до полной скорости путем регулирования подачи рабочей жидкости в рабочую полость гидромуфты, между второй понижающей зубчатой передачей и компрессором расположена пластинчатая упругая муфта для компенсации радиальных, угловых и осевых смещений соединяемых валов второй понижающей передачи и поршневого компрессора.1. Piston compressor unit, including a single-shaft gas turbine with an output shaft, a first reduction gear with input and output shafts, while the output shaft of the first reduction gear rotates at a lower speed than the turbine output shaft, an adjustable hydrodynamic transmission connected to the output shaft the first reduction gear and having input and output shafts, a second gear gear connected to the output shaft of the fluid coupling and having an input and output shaft, a driven piston compressor connected to the output shaft of the second gear, characterized in that an adjustable hydraulic clutch is used as the variable hydraulic transmission, the second the gear train is made downward and its output shaft rotates at a lower speed than the output shaft of the fluid coupling, the fluid coupling is configured to regulate the speed of its output shaft from zero to full speed by regulating the supply of working fluid into the working cavity of the fluid coupling, between W Another reduction gearing and a compressor is a lamellar elastic clutch to compensate for the radial, angular and axial displacements of the connected shafts of the second reduction gear and the piston compressor. 2. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что первая понижающая передача выполнена в одном корпусе с одновальной газовой турбиной.2. Reciprocating compressor installation according to claim 1, characterized in that the first reduction gear is made in one housing with a single-shaft gas turbine. 3. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что понижающие передачи и гидромуфта выполнены в одном кожухе.3. A piston compressor unit according to claim 1, characterized in that the reduction gears and the hydraulic clutch are made in one casing. 4. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что понижающие передачи и гидромуфта выполнены в разных кожухах.4. A piston compressor unit according to claim 1, characterized in that the reduction gears and the hydraulic coupling are made in different casings. 5. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что понижающие передачи выполнены односпиральными.5. The piston compressor unit according to claim 1, characterized in that the reduction gears are single-spiral. 6. Поршневая компрессорная установка по п. 1, отличающаяся тем, что понижающие передачи выполнены двухспиральными.6. Reciprocating compressor installation according to claim 1, characterized in that the reduction gears are double-spiral.

Images