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KR101117084B1 - 효율적인 비동기 ｌｎｇ 제조 방법 - Google Patents

효율적인 비동기 ｌｎｇ 제조 방법 Download PDF

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KR101117084B1
KR101117084B1 KR1020067006851A KR20067006851A KR101117084B1 KR 101117084 B1 KR101117084 B1 KR 101117084B1 KR 1020067006851 A KR1020067006851 A KR 1020067006851A KR 20067006851 A KR20067006851 A KR 20067006851A KR 101117084 B1 KR101117084 B1 KR 101117084B1
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KR
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turbine
power
compressor
drive
motor
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KR1020067006851A
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Inventor
피터 씨. 라스무센
스티븐 라이트
존. 디. 월터
Original Assignee
엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Abstract

냉동 압축기용 구동 시스템은 천연 가스 액화 플랜트에 사용되어, 원하는 압축 속도 및 최대 터빈이 가변하는 주위 온도 조건들을 통하여 효율적으로 유지되게 한다. 가스 터빈은 터빈과 압축기 사이의 공통 구동 샤프트 상에 배치된 구동 능력을 가진 전기 스타터 모터에 사용된다. 가변 주파수 드라이브(VFD)는 부드러운 시동을 위하여 전력 그리드 및 전기 모터 사이에 접속되지만, 과도한 터빈 기계적인 힘이 발전기로서 동작하는 모터에 의한 전력으로 변환되게 하고 그리드 주파수에서 그리드에 전달되게 한다. 펄스-폭 변조 기술은 VFD 출력의 고조파 왜곡을 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 스타터 모터는 터빈 출력이 처리량 요구들을 부합하도록 요구되는 회전 속도에서 압축기를 구동하기에 불충분할 때 헬퍼 모터로서 기능한다.
압축기, 가스 터빈, 전기 모터, 주파수 변환기, 구동 시스템

Description

효율적인 비동기 ＬＮＧ 제조 방법{METHOD FOR EFFICIENT, NONSYNCHRONOUS ＬＮＧ PRODUCTION}
본 발명은 일반적으로 천연 가스 액화 플랜트들에 관한 것이고, 특히 가스 터빈에 의해 구동되는 LNG(액화 천연 가스) 플랜트들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가스 터빈이 최대 효율(최대 전력) 정격에서 연속적으로 동작하게 하고 또한 주위 온도 변동에도 불구하고 압축기의 회전 주파수 변동을 통하여 처리량 제어를 허용하는 LNG 냉동 압축기 및 관련된 스타터/헬퍼 모터(starter/helper motor)를 동작시키는 방법에 관한 것이다.
LNG, 즉 액화 천연 가스는 천연 가스가 액화될 때까지 냉각되는 처리공정에서 발생한다. 액화 천연 가스는 배관(pipeline) 운송이 비경제적일 때 천연 가스를 경제적으로 운송할 수 있다.
LNG용 냉동 처리공정들은 일반적으로 냉동 압축기들 및 압축기 드라이버들(drivers)을 필요로 하며, LNG 설비의 크기에 따라, 다중 냉각 압축기들 및 드라이버들을 필요로 한다.
현재, LNG 생산은 천연 가스를 냉각 또는 냉동하기 위하여 사용된 냉동 압축기들을 구동시키는 기계적 동력에 의한 산업용 가스 터빈들에 의존한다. LNG 설비들에 사용된 대부분의 산업용 가스 터빈들은 초기에 전력 산업을 위하여 개발되었고 압축기 드라이버들로서 사용하기 위하여 채택되었다. 이들 가스 터빈들은 가스 터빈이 3000rpm에서 동작하는 50Hz의 전기 시장(electrical market) 또는 3600rpm의 동작 속도를 갖는 60Hz의 전기 시장을 위해 설계되었다. 발전에서의 속도 변화는 50Hz 또는 60Hz 전력의 정확한 요구로 인해 허용되지 않는다. 50Hz 및 60Hz 각각의 전력을 위한 3000rpm 또는 3600rpm으로부터의 임의의 일탈은 각각 전기 사용자들에 대해 상당한 문제를 발생시킨다. 예를 들어, 만약 터빈 및 관련된 압축기는 3100rpm에서 동작하지만, 전기 그리드 주파수가 50Hz(3000rpm)이면, 발생된 주파수는 51.7Hz이다. 51.7Hz에서 전력의 발생은 전기 시스템에 접속된 사용자들에게 상당한 문제들을 발생시킨다. 통상적으로, 전기 시스템들은 ±0.5Hz만의 주파수 허용 오차를 가진다. 그럼에도 불구하고, 발전용으로 설계된 통상적인 가스 터빈들은 ±5% 정도의 약간의 주파수 변동을 가진다. 이것은 LNG 생산을 최대화하는데 유용하다. 상기 가스 터빈들의 다른 특성은 최대 전력에서 동작할 때 가장 효율적이도록 설계된다. 터빈을 임의의 속도로 충분히 로딩(loading)하는 것은 피크 효율성에서 동작을 허용하고 배출물 및 특정 연료 소비를 감소시킨다. 연료 흐름 속도는 터빈이 생산하는 기계적 에너지 양을 증가 또는 감소시키기 위하여 가변된다. 가스 터빈 샤프트 속도가 3000 또는 3600rpm으로 일정하게 유지되도록 연료 흐름 속도를 증가 및 감소시킬 수 있다. 낮은 연료 속도에서 가스 터빈을 동작시키는 것은 효율성을 상당히 감소시키고 배출물을 증가시킬 것이다.
발전용으로 사용되는 가스 터빈을 시동하는 것은 발전기에 에너지가 인가되지 않고 필요로 하는 유일한 전력이 동작 속도까지 가스 터빈과 발전기를 회전시키는 전력이기 때문에 비교적 쉽다. 동작 속도에서, 스타터는 분리되고 가스 터빈이 대신하여 발전기에 전력을 인가한다. 다른 한편, 압축기 드라이버로서 사용되는 가스 터빈을 시동하는 것은 전기 발전기를 구동하는 가스 터빈을 시작하는 것과 비교하여 더 많은 요구사항이 있다. 일반적으로, 가스 터빈과 압축기를 시동하는데 필요로 하는 전력은 압축하중 때문에 상당히 크다. 냉매는 시동 공정 동안 압축기를 통해 유동하고 필요한 전력은 속도 증가와 함께 상당히 증가한다. 큰 시동 모터는 동작 속도까지 터빈과 압축기를 회전시키기 위하여 요구된다. 통상적으로, 이런 스타터 모터는 전기 모터이다.
도 1에 도시된 통상적인 LNG 냉동 구조에서, 공통 구동 샤프트(5)는 가스 터빈(2)을 압축기(3)의 일 단부에 그리고 스타터 모터(1)를 압축기(3)의 다른 단부에 접속한다. 3개가 접속된 장치들은 압축 스트링(string)이라 하고 다중 압축 스트링들은 LNG 트레인(train)이라 한다.
"라인 횡단(across the line)" 시동시 구동 트레인 충격(the drive train shock)을 방지하기 위하여, 주파수 변환기(4)는 전력 공급원과 스타터 모터(1) 사이에 사용된다. 스타터 모터(1)는 점차적으로 0(zero)Hz에서 라인 주파수(50 또는 60Hz)에 도달한다. 상기 적용(application)에 대한 일반적인 형태의 주파수 변환기는 가변 주파수 드라이브, 즉 "VFD"라 불린다.
일단 스타터 모터가 원하는 동작 속도로 스트링을 가속하면, 가스 터빈은 모든 필요한 샤프트 전력을 인도하고 제공한다. 이때에, 스타터 모터에 대한 전기는 차단되고 모터는 "프리 휠(free-wheel)"로 허용된다. 몇몇 LNG 플래트들에서, 스타터 모터는 가스 터빈과 압축기가 동작 속도로 작동하는 동안 보조 샤프트 전력을 공급하기 위하여 필요에 따라 사용된다. 가스 터빈이 동작하는 동안 샤프트 전력을 부가하는 것은 "헬퍼(helper)" 듀티(duty)라 불린다.
헬퍼 기능에 대한 제 1 이유는 가스 터빈 출력 전력이 환경 조건들에 따르기 때문이다. 주위 온도가 증가할 때, 공기 밀도는 감소하고 그러므로 가스 터빈 전력은 감소한다. 반대로, 주위 온도가 감소할 때, 가스 터빈 전력은 증가한다. 그러므로, LNG 생산은 보다 따뜻한 달에 감소하는 경향이 있을 것이고, 차가운 달에 증가할 것이다. 보다 작은 생산 변수들은 온도가 낮동안 상승하고 밤에 떨어지기 때문에 24 시간의 주기에 걸쳐 발생할 것이다. 헬퍼 기능은 부가적인 전력을 제공함으로써 일정한 LNG 생산 속도를 유지하기 위하여 사용된다. 헬퍼 기능은 가스 터빈 전력이 감소되는 낮 시간과 일년 중 따뜻한 날에만 필요하다. 일년 중 차가운 때 및 밤 동안, 가스 터빈은 과도한 기계적인 힘을 생산할 수 있다. 상기 시간들 동안, 실제로는 과도한 전력 생산(회전 속도 유지)을 피하기 위해 그리고 최적이 아닌 가스 터빈 동작 효율을 수용하기 위해 가스 터빈에 대한 연료 흐름 속도를 충분히 감소시키고 있다. 그러나, 키카와(Kikkawa)는 전기 발전기로서 스타터/헬퍼 모터를 사용함으로써 과도한 기계적인 힘을 전력으로 변환하기 위한 방법(미국특허 5,689,141)을 개시한다. 전기 모터가 또한 AC 발전기로도 기능할 수 있도록 가역가능한 전기 모터를 형성하는데 주요한 변경들을 필요로 하지 않는다. 변환되는 과도한 터빈 전력은 외부에 있거나 또는 - 많은 LNG 플랜트들의 경우 - 연료로서 이용 가능한 천연 가스를 사용하여 자체 생성될 수 있는 전력 공급 그리드에 전달된다.
터빈은 일년 중 가장 따뜻한 날에 관련된 압축기가 요구하는 전력을 제공하기 위한 크기일 수 있다. 온도가 떨어지고 보다 낮은 전력이 요구될 때, 터빈은 가장 효율적인 경우 최대 전력 출력에서 계속 동작하고, 과도한 기계적 에너지는 발전기 모드에서 동작하는 스타터 모터에 의해 전력으로 변환된다.(가스 터빈에 대한 연료/공기 혼합물은 온도가 변화할 때 재조절된다).
키카와는 생성된 전기 주파수가 전기 시스템 주파수에 부합하도록 3000rpm(만약 그리드 주파수가 50Hz이면) 또는 3600rpm(만약 그리드 주파수가 60Hz이면)의 정밀한 회전 속도에서 압축 스트링을 동작시키는 것을 주장한다. 이것은 "동기" 동작이라 불릴 수 있다. 키카와는 비동기 동작이 대안인 것을 인식하고, 주파수 변환기는 생성된 전력 주파수를 그리드 주파수로 변경하기 위하여 사용된다. 주파수 변환기는 스타터 모터가 동작 속도까지 LNG 트레인을 유도하기 위하여 사용될 때 점진적으로 시동하기 위하여 사용된 것과 동일하다. 그러나, 키카와는 값비싼 장치인 주파수 변환기의 증가된 사용은 독립된 주파수 변환기를 가지는 것을 요구하였을 것이라고 주장한다. 키카와는 이런 중요하고 부가된 자본 투자를 방지하기 위하여 동기 동작을 지시한다. 키카와의 방법은 가스 터빈이 가장 효율적으로 동작되게 하지만, 처리량 제어를 제공하지 못하고, 예를 들어 그러한 구성에서 가스 터빈들은 동기 속도에서 최대 전력으로 작동하지만 임의의 다른 속도에서 최대 전력으로 동작할 수 없었다. 게다가, 키카와는 압축기 스트링 동작의 전이 기간들 동안 안정성을 유지하기 위한 여유를 허용하지 않는다. 프로판 냉매 압축 스트링과 혼합 냉매 압축 스트링 사이의 전기 접속은 기계적으로 고정 결합되는 것과 같아서, 안정된 동작을 보다 제어하기 어렵게 한다. 이 구성은 이들 전이 기간들 동안 플랜트의 다른 부분들 또는 플랜트 외부 부분들에 사용하기 위한 그리드에 과도한 전력을 전송하기 위한 능력을 포함하지 않는다.
본 발명은 천연 가스 액화 플랜트들에 사용된 바와 같은 냉동 압축기용 구동 시스템이고, 일실시예에서 압축기를 운행하기 위하여 일차 전력을 제공하기 위한 가스 터빈, 이 터빈과 공통 구동 샤프트 상의 압축기 사이에 배치된 구동(drive-through) 능력을 가진 전기 스타터/헬퍼 모터/발전기, 및 전기 모터/발전기 및 전력 그리드 사이에 전기적으로 접속된 주파수 변환기를 포함한다. 주파수 변환기는 AC 주파수를 조절하여 그리드가 보다 부드러운 시동 및 비동기 헬퍼 듀티로 작동하도록 할 뿐만 아니라, 터빈의 과도한 기계적인 힘이 발전기에 의해 전력으로 변환되어 그리드 주파수에서 그리드에 공급될 수 있게 하며, 따라서 터빈 속도가 처리량 요구(throughput needs)에 따라갈 수 있게 한다. 몇몇 실시예들에서, 주파수 변환기는 주파수 변환기의 출력에서 고조파 왜곡(harmonic distortion)을 감소시키기 위하여 펄스-폭 변조 회로를 갖는 VFD이다. 본 발명은 가스 터빈 출력 전력에 영향을 주는 주위 온도 조건들이 가변하더라도, 최대 효율을 위해 최대 전력에서 가스 터빈을 운행하고 또한 처리량 제어를 위하여 압축기 회전 속도를 변화시키기에 바람직한 천연 가스 액화 플랜트들에 특히 적당하다.
터빈은 그 정격 전력 출력이 압축기를 예상 평균 주위 온도 조건으로 구동하기 위하여 필요한 전력과 실질적으로 동일한 크기이다. 전기 모터는 압축기가 가장 뜨거운 예상 주위 온도 조건들에서 원하는 회전 속도로 동작될 수 있도록 터빈의 전력을 보충하기 위하여 충분한 전력을 생성하도록 구성된다.
본 발명 및 그 장점들은 다음 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 이해될 것이다.
도 1은 현재 사용중인 통상적인 LNG 냉동 구조의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 필요한 장비 시스템 및 구조를 도시한다.
도 3은 편리한 관리를 위하여 하나의 단부로부터 추출된 내부 부분들을 가진 배럴 압축기의 사진이다.
본 발명은 바람직한 실시예들과 관련하여 기술될 것이다. 그러나, 다음 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예 또는 특정 경우에 특정되는 범위까지, 이것은 도시적이고, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 구성되지 않는다. 반대로, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위내에 포함되는 모든 대안, 변형들 및 등가물들을 커버하는 것으로 의도된다.
본 발명은 천연 가스 액화 플랜트에 사용되는 바와 같은 냉동 압축기용 비동기 구동 시스템이다. 도 2는 본 발명의 장비 시스템의 구성을 도시한다. 제 1 구동 전력은 예상될 수 있는 매우 바람직한 주위 온도 조건하에서 냉동 압축기(또는 압축기들)(3)를 구동하고 또한 과도한 기계적인 힘을 생성할 수 있도록 구성된 가스 터빈(2)에 의해 공급된다. 시스템은 전기 스타터 모터/발전기(1)를 포함한다. VFD 같은 주파수 변환기(4)에 의해 조절되는 이러한 모터는 압축 스트링을 정지로부터 시작하고, 따뜻한 날씨가 터빈 전력 출력을 감소시키는 것을 보상하기 위하여 필요에 따라 헬퍼 모드에 부가적인 토크를 공급한다. 발전기 모드 동작시 모터는 과도한 기계적인 힘을 전력으로 변환한다. 압축기 속도는 플랜트 LNG 처리량 요구에 따라 정해진다. VFD는 시동 및 헬퍼 듀티뿐만 아니라, 그리드 요구들에 부합하도록 생성된 전력 주파수를 조절하기 위하여 사용된다.
상술한 바와 같이, 가스 터빈들은 일정 범위의 속도 변화를 갖는다. 비교적 작을지라도, 이러한 범위는 여전히 압축기(들)의 속도를 변화시킴으로써 LNG 처리량을 변화시키기 위한 능력을 통해 플랜트 경제에 상당한 영향을 미친다. 특히, 동기 속도보다 5% 빠른 압축기를 운행하기 위한 능력, 및 압축기 속도를 감소시킴으로써 비례적으로 LNG 출력을 증가 또는 감소시키는 능력은 중대하고, 이런 융통성은 본 발명의 중요한 특징이다. 종래의 시동 기능(하기에 보다 상세히 기술됨)을 뛰어 넘는 VFD의 사용은 이러한 비동기 동작을 가능하게 한다.
본 발명의 동작 모드를 위한 에너지 밸런스 방정식은 다음과 같다:
터빈 전력 + [ 헬퍼 /발전기 모터 전력] = 압축기 전력 요구량
상기 방정식의 우측 항인 압축기 전력 요구량은 플랜트 LNG 처리량의 측정치이고 LNG 스트링의 회전 속도와 함께 증가 또는 감소한다. 좌측편 제 1 항인, 터빈 전력은 효율성 때문에 최대 전력에서 연료 공급 밸브를 통하여 유지된다. 최대 전력은 주위 온도의 함수이고 연료/공기 혼합물은 온도가 변화할 때 조절된다. 좌측편 제 2 항인, 헬퍼/발전기 모터 전력은 주파수가 플랜트 LNG 처리량 제어를 위한 비동기 주파수들로 가변될 때에 방정식을 동일하게 균형을 유지하는 수단을 제공한다. 이 항은 모터가 헬퍼 모드에서 사용될 때 양(positive)이고 발전기 모드에서 사용될 때 음(negative)이다. 다음에 본 발명이 보다 상세히 기술될 것이다.
스타터/ 헬퍼 /발전기 기능들
모터/발전기는 3개의 통합 기능들 : 스타터/헬퍼/발전기를 가진다. 스타터 기능은 터빈을 기계의 예정 요구에 따라 0(zero) 속도에서 충분한 속도로 가속시킨다. 상기 터빈에 부가하여, 스타터 모터는 압축기들의 공기 역학적 로드(load) 플러스 전체 압축 스트링의 관성을 가속시켜야 한다. 관성은 회전자(로터) 질량을 영의 속도로부터 전체 속도로 가속시키기 위하여 필요한 샤프트의 질량 및 전력이라 한다. 공기 역학적 로드는 압축 스트링이 충분한 속도로 가속될 때 냉동 가스를 압축하기 위하여 필요한 전력이라 한다. 시동 공정 동안 필요한 압축 전력은 실질적으로 속도가 증가할 때 증가한다. 관성 및 공기 역학적 압축기 로드는 스타터 모터 전력 요구들을 관리한다. 시동 시퀀스 동안, 터빈 입구 및 출구 도관은 점화전에 연소 가스들을 정화하여야 한다. 정화 과정은 미리 결정된 시간 동안 저속에서 스트링 샤프트를 회전시키고, 그 다음 터빈은 미리 결정된 방식으로 충분한 동작 속도로 가속된다. 전체 시동 공정은 스타터 모터가 충분한 속도 제어를 가지는 경우에만 장비 손상의 위험성 없이 행해진다. VFD는 필요한 속도 제어를 제공한다.
VFD는 입력 AC 신호를 DC로 변환하고, 그 다음에 다른 주파수에서 AC 출력을 생성함으로써 동작한다. 전기 주파수는 전기 모터 속도를 제어하고 VFD는 무한 주파수 제어 및 모터 속도 제어를 허용한다. 시동 모터의 속도 제어를 위한 VFD를 사용하여, 모터는 가스 터빈 시동 스케쥴을 만족시키기 위하여 필요한 속도로 동작할 수 있다. 게다가, VFD는 모터로의 돌입 전류(inrush current)를 제한하고 모터에 대한 가능한 손상 및 과열을 방지한다.
헬퍼 모드(helper mode)는 가스 터빈이 필요한 기계적인 힘 전체를 공급할 수 없을 때 부가적인 기계적인 힘을 공급한다. 이런 상황은 주위 온도들이 설계 주위 온도들보다 따뜻할 때 발생한다. VFD는 임의의 속도에서 부가적인 전력을 제공하기 위하여 헬퍼 모드에 사용된다. 상기된 바와 같이, 가스 터빈은 용량 제어를 위하여 사용될 수 있는 소정의 가변 속도 용량을 가질 것이다. 그러므로, 가스 터빈 속도는 필수적으로 3000rpm(50Hz) 또는 3600rpm(60Hz)의 통상적인 동기 속도가 아니다. 속도 제어에 의한 용량 제어는 헬퍼 모터가 VFD 또는 유사한 주파수 제어 장치를 통하여 동작될 때 실현될 수 있는 장점이다. VFD를 통하여 동작되지 않는 모터는 널리 보급된 동기 속도에서 동작하여야 하고; 따라서 속도 제어에 의한 용량 제어는 가능하지 않다.
발전기 모드는 과도한 기계적인 힘을 전력으로 변환한다. 이런 상황은 주위 온도들이 설계 주위 온도보다 차가워지고 가스 터빈이 보다 많은 기계적인 힘을 생성할 때 발생한다. 시동 기능 및 헬퍼 기능에 사용된 동일한 VFD는 발전기로서 모터를 동작시키기 위하여 사용된다. VFD에 대한 상기 필요성은 가스 터빈의 가변 속도 용량이 용량 제어에 사용될 때 발생하고, 이런 경우에 과도한 기계적인 힘으로부터 생성된 전력은 그리드와 비동기될 것이다. 과도한 가스 터빈 힘은 가스 터빈이 동작할 수 있는 속도와 무관하게 이용 가능한 전력으로 변환된다. 다시, 가스 터빈이 동작하는 속도는 3000rpm(50Hz) 또는 3600rpm(60Hz)의 통상적인 동기 속도일 필요가 없다. VFD를 통한 전력 발생은 과도한 기계적인 힘이 선행하는 동기 속도 또는 그리드 주파수와 다른 속도에서 전력으로 변환되게 한다. VFD는 그리드 주파수와 매칭하기 위하여 비동기 생성 전력을 조절한다. VFD를 통하여 동작되지 않는 발전기는 동기 속도로 동작하여야 하고, 따라서 속도 제어에 의한 용량 제어 및 LNG 최적화는 가능하지 않다.
가변 주파수 드라이브
상술한 바와 같이, 스타터/헬퍼/발전기는 본 발명의 방법에서 동작하도록 VFD(가변 주파수 드라이브) 또는 다른 주파수 변환기를 요구한다. VFD(도 2에서 4로 표시됨)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환한 다음, 지정된 주파수에서 DC 전력을 다시 AC 전력으로 변환한다. 본 발명을 위해 적합한 VFD는 아시로비콘(ASIRobicon) 또는 미쓰비시 전기(Mitsbishi Electric)로부터 구입될 수 있다. 도 2에 지시된 바와 같이, AC/DC/AC 변환은 "그리드로부터" 또는 "그리드로" 어느 한쪽 방향에서 발생할 수 있다. 그리드는 플랜트내의 로컬 전력 분배 시스템이거나 그리드는 전기 유틸리티 회사의 전력 분배 시스템일 수 있다. "그리드로부터" 변환은 시동 및 헬핑 기능들, 즉 부가적인 기계적인 힘을 위한 전력을 공급한다. "그리드로" 변환은 발전기 기능을 통하여 전력으로 변환된 과도한 기계적인 힘을 그리드로 보낸다.
VFD를 사용하는 것의 본래의 장점은 압축 스트링들의 속도를 조절함으로써 LNG 냉동 스트링 또는 스트링들이 용량 제어 메카니즘을 가지도록 하는 것이다. 압축 스트링 속도가 증가될 때(예를 들어 3000rpm에서 3100rpm으로) 용량 또는 처리량은 증가된다. 선택적으로, 압축 스트링 속도가 감소될 때(3000rpm에서 2900rpm으로) 용량 또는 처리량은 감소된다.
본 발명에서, VFD 및 모터는 압축 스트링에 대한 스타터 시스템으로서 함께 동작한다. VFD는 모터의 속도가 조절된 전기 주파수에 의해 제어되도록 스타터 모터에 공급된 전기 주파수를 조절한다. 전기 주파수가 증가될 때, 스타터 모터 속도는 증가되고, 반대로 전기 주파수가 감소될 때 모터 속도는 감소된다. 유사하게, 모터 및 VFD의 조합은 부가적인 전력을 공급함으로써 가스 터빈을 돕기 위하여 헬퍼 모드에서 동작할 수 있다. 시동 모드를 위해 기술된 바와 같이, VFD는 모터의 속도가 조절된 전기 주파수에 의해 제어되도록 헬퍼 모터에 공급된 전기 주파수를 조절한다. 헬퍼 모드 동안, VFD는 가스 터빈 속도에 매칭시키기 위하여 적당한 주파수 제어를 제공한다.
전력 생성은 "오프" 속도 전력 생성을 보상하기 위하여 일정한 동작 속도 또는 몇가지 수단들을 요구한다. 일반적으로, 50Hz 전력 그리드는 3000rpm에서 동작하도록 발전기들을 요구하고, 60Hz 전력 그리드는 3600rpm에서 동작하도록 발전기들을 요구한다. 전력 생성을 위한 동기 속도와의 임의의 편차는 그리드에 접속된 전력 사용자들에 상당한 문제를 유발한다. 본 발명에서, VFD는 전술한 AC/DC 변환 처리에 의해 "오프" 속도 전력 생성을 위한 보상 수단을 공급한다.
기계적인 힘을 전력으로 변환하는 과정은 로컬 그리드 주파수가 50Hz이지만 LNG 프로세스는 압축기(들)가 3100rpm에서 동작할 것을 요구하는 실시예에 의해 기술될 수 있다. 만약 스트링 발전기가 직접적으로 그리드(VFD 아님)에 접속되면, 생성된 주파수는 51.7Hz이다. 이 상황은 허용되지 않고 그리드에 대해 전기적 문제들을 유발한다. VFD는 51.7Hz(3100rpm)의 스트링 생성 주파수가 50Hz의 그리드 주파수로 조절되게 한다. 이런 용량은 필요한 주파수에서 그리드에 전기를 생성하는 동안 용량 제어를 위한 압축 스트링의 속도 변화를 허용한다. 이런 용량 제어 방법은 60Hz 전기 그리드에 사용될 수 있다. 가스 터빈 제어장치는 VFD와 함께, LNG 용량 제어를 관리할 뿐만 아니라, 전력으로 변환되는 과도한 기계적인 힘을 제어하는 수단을 제공한다. VFD가 임의의 주파수의 전력을 그리드 주파수로 변환하는데 사용될 수 있다는 사실은 가스 터빈 속도가 그리드에 대한 전력의 전송에 영향을 주지 않고 압축기 요구들과 매칭하도록 변경될 수 있기 때문에 구성의 운용성(operability)을 크게 향상시킨다. VFD가 LNG 트레인에서 터빈 구동식 냉동 압축기 스트링들의 동작 속도들을 분리하도록 허용할 때, 또한 VFD는 전이 동안 프로세서의 안정성을 증가시키고; 압축기 스트링들 중 하나의 속도 조건의 변화는 다른 압축기 속도에 영향을 미치지 않고 필요할 때 속도가 증가 또는 감소되게 한다. 이런 분리에도 불구하고, VFD들은 필요할 때 효율적으로 각각의 압축 스트링에 전력을 송수신한다. 동작 동안 사용되는 VFD들은 전력의 부드러운 송수신 및 전체 동작 안정성을 보장하는 역할을 한다.
VFD는 모터 및 그리드에 고조파 왜곡의 몇몇 레벨을 방출할 것이다. 두개의 다른 형태의 VFD는 상업적으로 이용 가능하다. 고조파 왜곡은 VFD(LCI 또는 PWM) 형태에 따라 크게 변화한다. LCI(로드 정류 인버터)형 VFD는 PWM(펄스-폭 변조)형 VFD보다 많은 고조파 왜곡을 방출할 것이다. 결과적으로, LCI형 VFD는 파괴적인 고조파 왜곡들을 감소시키기 위하여 외부 전기 필터들을 요구한다. 외부 필터들은 VFD 캐비넷에 필요한 공간과 비교하여 비교적 큰 공간을 요구한다. 고조파 필터들은 주기적 정비를 요구하고, 시간에 따라 변경하지 않아도 되는 전기 시스템에 사용하도록 설계된다. 전기 시스템은 만약 부가적인 전기 구성요소들이 부가되면 변경된 다음에 그리드에 접속될 것이다. 결과적으로, 필터 설계는 변형된 전기 시스템을 수용하도록 변경되어야 한다.
PWM형 VFD는 고조파 왜곡이 덜하고 외부 필터들을 요구하지 않는다. 전기 시스템 및 그리드에 대한 변화들은 PWM형 VFD에 영향을 주지 않는다. 본 발명을 위하여, PWM형 VFD가 바람직한 실시예들에 사용되고 ASIRobicon 또는 Mitsubishi Electic으로부터 구입하여 이용 가능하다. PWM형 VFD는 펌프 적용분야들, 파이프라인 적용분야들, 원심력 팬 및 원심력 압축기 적용분야들과 같은 많은 적용분야들에 사용된다. 그러나, LCI형 VFD도 역시 본 발명에 사용될 수 있고, 그러한 VFD는 Mitsubishi Electric, Siemens, ABB, 또는 Alstom로부터 구입할 수 있다.
키카와는, 시동하는 것보다 더 많이 VFD을 사용하는 것이 예비 VFD을 보관할 것을 요구한다고 주장한다. VFD가 비교적 비싸기 때문에, 키카와는 동기 모드에서 동작하고 부가의 자본 투자를 방지하는 것이 경제적으로 바람직하다고 결론내렸다. 본 발명의 방법에서, 이런 잠재적인 문제는 모듈식 디자인으로 하고, 예비 VFD 부품들을 보관함으로써 완화된다.
PWM VFD는 복수의 작은 VFD 모듈들을 병렬로 접속함으로써 총 출력 전력이 달성되는 방식으로 구성될 수 있다. 복수의 작은 VFD를 병렬로 접속함으로써, 개별 VFD 모듈들은 전기적으로 절연되고, 나머지 VFD 모듈들이 계속 동작되는 동안 수리된다. 각각의 VFD 모듈의 정격 전력은 하나의 모듈이 서비스되지 않으면 나머지 VFD 모듈들이 필요한 전력을 모터/발전기로부터 수집하거나 공급할 수 있도록 되어야 한다. 각각의 VFD 모듈은 결함이 있을 때 쉽게 대체될 수 있는 몇몇 전력 모듈들로 구성된다. 결함이 있는 전력 모듈들은 수리를 위하여 보내지고 예비 부품들로서 복귀한다. 전력 모듈들은 큰 PWM VFD의 형성 블록들이고 전체 VFD에 비해 비교적 값싸다. 이런 방식에서, 양쪽 모터 및 발전기 듀티 모두에 대해 WPM VFD를 사용하는 것은 경제적으로 기술적으로 바람직하다. 라이프 사이클 비용은 보다 경제적이고, 모터 및 VFD는 스타터/헬퍼 및 발전기 모두로서 기능한다. 게다가, 온라인 수리는 VFD의 전체 신뢰성을 상당히 증가시키고 LNG 플랜트의 전체 이용 가능성을 증가시킨다. 모듈식 PWM VFD는 상업적으로 이용가능하다.
스트링내의 스타터/ 헬퍼 /발전기 위치
도 2는 본 발명에 대한 압축 스트링내에서 모터/발전기 조합을 도시한다. 모터/발전기(1)는, 압축기가 도 1에 도시된 바와 같이 모터와 터빈 사이에 있는 종래 LNG 구성 대신에 가스 터빈(2)과 압축기(3) 사이에 배치된다.(키카와 특허의 도 1 참조). 공통 구동 샤프트(5)가 있고, 모터는 가스 터빈 출력 전력과 같거나 큰 "구동(drive-through)" 용량을 가져야 한다. 구동은 가스 터빈 전력이 결합된 샤프트 상의 모터를 통하여 압축 장비에 전송되게 하는 모터의 기계적 설계라 불린다. 모터 샤프트는 가스 터빈 전력 및 모터 전력을 전송하도록 설계된다. 본 발명의 구성의 장점들은 정비 용이성, 표준 결합, 표준 윤활유 시스템, 및 표준 터빈 발전기 스키드 구조(skid configuration)이다.
정비 용이성 : 가스 터빈과 압축기들 사이에 모터를 배치하면 압축 스트링의 단부에서 압축기를 정비하기 위해 접근할 수 있다. 최종 압축기는 일반적으로 고압 압축기 몸체이고 배럴 형태의 압축기는 이런 압축 듀티를 위해 사용된다. 배럴 압축기들은 압축기의 일 단부에서 정비 과정에서 압축기의 내부 부품들을 추출하는데 방해가 되지 않게 한다. 도 3은 정비하기 위하여 추출된 배럴 압축기의 내부 부품들을 도시한다. 만약 모터가 압축 스트링의 한 단부에서 종래 LNG 위치에 배치되면, 모터는 모터 및 가스 터빈 사이에 배치된 배럴 압축기 상에서 정비를 수행하기 위하여 제거될 필요가 있다.
표준 가스 터빈-발전기 결합 : 가스 터빈 및 발전기 사이에 모터를 배치하는 것은 전력 발생에 사용된 가스 터빈들에 대한 표준 구성이다. 모터에 가스 터빈을 접속하기 위하여 사용된 접속은 표준 결합이다.
표준 가스 터빈-발전기 윤활유 시스템 : 가스 터빈 및 모터를 위한 윤활유 시스템은 발전 분야들에 대한 표준 설계이다. 가스 터빈 윤활유 시스템은 일반적으로 가스 터빈 및 모터 조건들을 수용하기 위한 크기이다. 만약 압축기가 모터 및 가스 터빈 사이에 배치되면, 가스 터빈 및 모터를 위한 공통 윤활유 시스템은 비경제적이다.
표준 가스 터빈-발전기 스키드 구조 : 가스 터빈 및 모터가 장착된 스키드 또는 프레임워크는 표준 설계이다. 표준 설계들을 사용하는 것은 비용 및 제조 시간을 감소시킨다.
상기 설명은 도시의 목적을 위한 본 발명의 특정 실시예들에 관한 것이다. 그러나, 여기에 기술된 실시예들에 대한 변형들 및 변화들이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 모든 상기 변형들 및 변화들은 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위내에 있도록 의도된다.

Claims (11)

  1. 냉동 압축기의 비동기(non-synchronous) 동작을 위한 구동 시스템으로서,
    상기 압축기를 구동하기 위한 가스 터빈;
    AC 전력 그리드에 전기적으로 접속되고 상기 터빈과 압축기에 기계적으로 접속되며 공통 구동 샤프트 상에서 상기 터빈과 압축기 사이에 배치되고 상기 터빈과 압축기를 정지상태(rest)로부터 시동하여 동작 회전 속도로 상기 터빈과 압축기를 회전시킬 수 있는, 구동 능력(drive-through capability)을 갖는 전기 모터로서, 과도한 터빈 기계적인 힘을 전력으로 변환하기 위해 AC 발전기로서 기능하는 상기 전기 모터; 및
    상기 모터와 전력 그리드 사이에 접속되어 양쪽 방향(그리드로 및 그리드로부터)으로 주파수를 조절하여 비동기 동작 및 가장 효율적인 가스 터빈 동작 모두를 가능하게 하는 주파수 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 변환기는 가변 주파수 드라이브인 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가변 주파수 드라이브는 펄스-폭 변조 형태인 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 가변 주파수 드라이브는 모듈러 디자인인 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 터빈은 그 정격 전력 출력이 상기 압축기를 예상 평균 주위 온도 조건으로 구동하기 위하여 필요한 전력과 동일한 크기인 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 모터는 상기 압축기가 가장 뜨거운 예상 주위 온도 조건들에서 원하는 회전 속도로 동작될 수 있도록 상기 터빈의 전력을 보충하기 위하여 충분한 전력을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 냉동 압축기는 천연 가스 액화 플랜트에 사용하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  8. 터빈과 압축기 사이에서 공통 구동 샤프트 상에 배치된 구동 능력을 가진 전기 스타터/헬퍼 모터/발전기를 갖고, 또한 상기 헬퍼 모터/발전기와 AC 전력 그리드 사이에 전기적으로 접속된 주파수 변환기를 추가로 갖는, 천연 가스를 액화하기 위한 가스 터빈 전력식 냉동 압축기를 동작시키는 방법으로서,
    (a) 상기 주파수 변환기로부터 상기 헬퍼 모터에 공급된 상기 AC 전력 그리드의 주파수가 압축 스트링 동작 속도까지 점차적으로 도달될 때 상기 터빈과 압축기를 동작 회전 속도까지 도달시키기 위해 상기 헬퍼 모터를 사용하는 단계;
    (b) 원하는 처리량을 위해 필요한 회전 속도로 상기 압축기를 회전시키기 위해, 상기 터빈으로부터의 전력을 공급하는 단계로서, 상기 터빈은 가장 효율적인 전력 출력에서 동작되는, 상기 전력 공급 단계; 및
    (c) 임의의 과도한 터빈 전력을 발전기 모드에서 동작하는 상기 모터/발전기로 변환하고, 상기 그리드에 전달하기 전에 상기 발전기의 AC 출력의 주파수를 상기 그리드의 주파수로 조절하기 위해 상기 주파수 변환기를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 주파수 변환기는 가변 주파수 드라이브인 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 가변 주파수 드라이브는 펄스-폭 변조 형태인 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 가변 주파수 드라이브는 모듈식 디자인인 것을 특징으로 하는 동작 방법.
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