Компрессионная установка с множеством входящих потоков
Изобретение относится к компрессорным установкам для многоступенчатого охлаждения. Установка содержит первый компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень сжимает первый газ, и вторая ступень сжимает объединенный четвертый газ и промежуточный сжатый газ из первой ступени первого компрессора, и второй компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень сжимает второй газ, и вторая ступень сжимает объединенный третий газ, и промежуточный сжатый газ из первой ступени второго компрессора, и трубопроводное средство для объединения выпуска из второй ступени первого компрессора и выпуска из второй ступени второго компрессора для обеспечения сжатого газа. Второй газ находится при давлении, более высоком, чем первый газ, третий газ находится при давлении, более высоком, чем второй газ, и четвертый газ находится при давлении, более высоком, чем третий газ. Установка обеспечивает альтернативный способ проектирования холодильных компрессоров для больших установок для сжижения и обработки газа. 4 н. и 8 з.п.ф-лы, 4 ил, 3 табл.
Новые установки для сжижения газа и другие установки для обработки газа разрабатываются для неуклонного роста производительности для того, чтобы реализовать благоприятные экономические выгоды, связанные с большими установками. Эти большие установки имеют большие холодопроизводительности при более высоких скоростях циркуляции холодильного агента, и поэтому требуются большие холодильные компрессоры. Так как установки для обработки газа становятся большими, максимально достижимые производительности могут быть ограничены максимально доступными размерами компрессора.
Когда используется один холодильный компрессор, при таких увеличенных расходах холодильного агента требуются большие рабочие колеса с более высокими окружными скоростями, большие корпусы с более толстыми стенками и увеличенные скорости на входе в рабочие колеса. Поскольку размеры элементов компрессора увеличиваются, компрессор достигает основных аэродинамических пределов, и это обеспечит максимальную возможную производительность компрессора. Во многих холодильных установках используется множество потоков холодильного агента при различных давлениях, и для таких установок в основном требуются компрессоры, имеющие множество промежуточных всасывающих патрубков. Изготовление и установка таких больших многоступенчатых компрессоров становятся значительно более трудными, так как увеличивается размер компрессора.
Обычный многоступенчатый холодильный компрессор показан схематически на фиг.1. Холодильная установка 1 представляет собой любой тип холодильной установки, в которой множество потоков холодильного агента испаряются при различных уровнях давления для того, чтобы обеспечить охлаждение во множестве диапазонов температур. В этом примере в холодильной установке 1 используются четыре потока холодильного агента, которые испаряются в соответствующих теплообменниках при четырех различных давлениях для того, чтобы обеспечить охлаждение в четырех диапазонах температур. Четыре потока испарившегося холодильного агента в трубопроводах 3, 5, 7 и 9, каждый при различном давлении, отводятся из установки 1 и вводятся в ступени многоступенчатого компрессора 11 в соответствующих местах в зависимости от давления каждого потока.
Испарившийся холодильный агент самого низкого давления в трубопроводе 3 вводится на вход первой ступени 13, которая может быть обозначена как ступень A низкого давления. Поток холодильного агента низкого промежуточного давления в трубопроводе 5 вводится во вторую ступень 15 компрессора 11, которая может быть обозначена как ступень В низкого промежуточного давления. Поток холодильного агента высокого промежуточного давления в трубопроводе 7 вводится в третью ступень 17 компрессора 11, которая может быть обозначена как ступень С высокого промежуточного давления. Поток холодильного агента высокого давления в трубопроводе 9 вводится в четвертую ступень 19 компрессора 11, которая может быть обозначена как ступень D высокого давления. Каждая ступень компрессора может содержать одно или большее число рабочих колес и будет сжимать увеличенный массовый расход газа. Газ окончательно сжатого холодильного агента возвращается через трубопровод 21 в холодильную установку 1.
Массовый расход через ступень А низкого давления (первая ступень 13) представляет собой массовый расход, входящий в трубопровод 3; массовый расход в ступени В низкого промежуточного давления (вторая ступень 15) представляет собой сумму массовых расходов, входящих в трубопроводы 3 и 5; массовый расход в ступени С высокого промежуточного давления (третья ступень 17) представляет собой сумму массовых расходов, входящих в трубопроводы 3, 5, и 7; и массовый расход в ступени D высокого давления (третья ступень 19) представляет собой сумму массовых расходов, входящих в трубопроводы 3, 5, 7 и 9.
При использовании одного многоступенчатого компрессора 11 с фиксированной скоростью привода суммарная производительность холодильной установки лимитирована ограничениями в аэродинамических коэффициентах формы и коэффициентах потока, которые используются для того, чтобы проектировать рабочие колеса компрессора. Редуктор для уменьшения скорости или привод с более медленной скоростью могут исключать эти ограничения в некоторых случаях. Однако редуктор для уменьшения скорости обеспечит дополнительные капитальные расходы и приведет в результате к потерям механической энергии. Также редуктор для уменьшения скорости может усложнять механические напряжения кручения в компрессорной установке и ставить под угрозу механическую конструкцию установки. Для ступени компрессора с более медленной скоростью в такой установке требуются большие размеры корпуса и большие рабочие колеса, которые обеспечат как значительные капитальные расходы, так и затраты на установку. Посредством этого максимальный размер одного многоступенчатого компрессора 11 может быть ограничен любым из этих конструктивных факторов.
Несколько альтернативных способов было предложено в этой области техники, чтобы сжимать большие потоки холодильного агента в многоуровневой холодильной установке. Одно решение состоит в том, чтобы использовать два идентичных параллельных компрессора размером в половину натуральной величины, имеющие общие источники давления всасывания на входе, общие источники промежуточного давления всасывания, и общее давление на выходе. Трубопроводные установки вокруг двух параллельных компрессоров должны быть тщательно рассчитаны и сбалансированы так, чтобы обе машины работали с одними и теми же потоками через все ступени компрессоров. Любой дисбаланс потока между двумя компрессорами заставит один из блоков преждевременно достигать скачка (реверсирования потока). Небольшие различия в допусках на обработку между двумя машинами, такие как в корпусах и рабочих колесах, будут также способствовать дисбалансу потока.
Другой альтернативный способ сжатия больших потоков холодильного агента в многоуровневой холодильной установке показан в Международной Публикации WO 01/44734 A2 и показан на фиг.2. В этой альтернативе испарившийся холодильный агент самого низкого давления в трубопроводе 3 вводится во вход первой ступени 23, которая может быть обозначена как ступень А низкого давления первого компрессора 25. Поток холодильного агента высокого промежуточного давления в трубопроводе 7 вводится во вторую ступень 27, которая может быть обозначена как ступень С высокого промежуточного давления первого компрессора 25. Поток холодильного агента низкого промежуточного давления в трубопроводе 5 вводится в первую ступень 29, которая также обозначена как ступень В низкого промежуточного давления второго компрессора 31. Поток холодильного агента высокого давления в трубопроводе 9 вводится во вторую ступень 33, которая может быть обозначена как ступень D высокого давления компрессора 11. Каждая ступень компрессоров 25 и 31 может содержать одно или большее число рабочих колес и будет сжимать увеличивающийся массовый расход газа. Потоки газа окончательно сжатого холодильного агента в трубопроводах 35 и 37 объединяются и возвращаются через трубопровод 39 в холодильную установку 1.
Массовый расход через ступень А низкого давления (первая ступень 23) представляет собой массовый расход, входящий в трубопровод 3; массовый расход в ступени С высокого промежуточного давления (вторая ступень 27) представляет собой сумму массовых расходов, входящих в трубопроводы 3 и 7; массовый расход в ступени В низкого промежуточного давления (первая ступень 29) представляет собой массовый расход, входящий в трубопровод 5, и массовый расход в ступени D высокого давления (третья ступень 33) представляет собой сумму массовых расходов, входящих в трубопроводы 5 и 9. Это устройство разъемного компрессора обеспечивает способ исключения проблем с размером и скоростью на входе одного большого компрессора 11 (фиг.1) без создания проблемы балансирования двух идентичных компрессоров размером в половину натуральной величины, обсужденные выше.
Поскольку установки для сжижения газа и другой обработки газа разрабатываются для неуклонного роста производительности, для того, чтобы реализовать благоприятные экономические выгоды, связанные с большими установками, альтернативные способы необходимы для того, чтобы исключить проблемы с размером и скоростью на входе одного большого компрессора. Варианты осуществления согласно настоящему изобретению, как они описаны ниже и определены пунктами формулы изобретения, которые приведены далее, обеспечивают альтернативный способ проектирования холодильных компрессоров для больших установок для сжижения и обработки газа.
Вариант осуществления изобретения включает компрессорную установку, содержащую (а) первый компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать первый газ, и вторая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать сочетание четвертого газа и промежуточного сжатого газа из первой ступени первого компрессора; и (b) второй компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать второй газ, и вторая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать сочетание третьего газа и промежуточного сжатого газа из первой ступени второго компрессора. Первый газ находится при первом давлении, второй газ находится при втором давлении, более высоком, чем первое давление, третий газ находится при третьем давлении, более высоком, чем второе давление, и четвертый газ находится при четвертом давлении, более высоком, чем третье давление.
Термин «ступень», как он использован здесь, означает компрессор или часть компрессора, имеющий одно или большее число рабочих колес, в котором массовый расход текучей среды, сжимаемой в ступени, является постоянным в ступени.
Установка может дополнительно содержать трубопроводное средство для того, чтобы объединить выпуск из второй ступени первого компрессора и выпуск из второй ступени второго компрессора для того, чтобы обеспечить объединенный сжатый газ.
Другой вариант осуществления изобретения относится к способу сжатия газа, содержащему следующие стадии: (а) сжатие первого газа в первой ступени первого компрессора, и сжатие его во второй ступени первого компрессора объединенного четвертого газа и промежуточного сжатого газа из первой ступени первого компрессора, и отвод потока первого сжатого газа из второй ступени первого компрессора; (b) сжатие второго газа в первой ступени второго компрессора, и сжатие во второй ступени второго компрессора объединенного третьего газа и промежуточного сжатого газа из первой ступени второго компрессора, и отвод потока второго сжатого газа из второй ступени второго компрессора; и (c) объединение потока первого сжатого газа и потока второго сжатого газа для того, чтобы обеспечить поток окончательно сжатого газа. Первый газ находится при первом давлении, второй газ находится при втором давлении, более высоком, чем первое давление, третий газ находится при третьем давлении, более высоком, чем второе давление, четвертый газ находится при четвертом давлении, более высоком, чем третье давление, и поток окончательно сжатого газа находится при окончательном давлении, более высоком, чем четвертое давление.
Любой из первого, второго, третьего, и четвертого газов может быть газом холодильного агента, обеспеченным из холодильной установки, и поток окончательно сжатого газа может быть сжатым газом холодильного агента, обеспеченным в холодильную установку.
Другой вариант осуществления изобретения включает холодильную установку для обеспечения охлаждения при множестве уровней температур, содержащую:
(а) компрессорную установку для обеспечения сжатого газа холодильного агента, причем компрессорная установка включает:
(1) первый компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать первый газ холодильного агента, и вторая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать объединенный четвертый газ холодильного агента и промежуточный сжатый газ холодильного агента из первой ступени первого компрессора, и
(2) второй компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать второй газ холодильного агента, и вторая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать объединенный третий газ холодильного агента и промежуточный сжатый газ холодильного агента из первой ступени второго компрессора, и
(3) трубопроводное средство для того, чтобы объединить выпуск из второй ступени первого компрессора и выпуск из второй ступени второго компрессора для того, чтобы обеспечить сжатый газ холодильного агента,
в которой первый газ холодильного агента находится при первом давлении, второй газ холодильного агента находится при втором давлении, более высоком, чем первое давление, третий газ холодильного агента находится при третьем давлении, более высоком чем второе давление, и четвертый газ холодильного агента находится при четвертом давлении, более высоком, чем третье давление,
(b) переохладитель компрессора для того, чтобы охлаждать и конденсировать сжатый газ холодильного агента, посредством этого обеспечивая поток конденсированного холодильного агента, и
(c) устройство для охлаждения, приспособленное для того, чтобы обеспечить охлаждение в четырех диапазонах температур, причем устройство для холодильного агента содержит:
(1) первое средство для понижения давления для того, чтобы понизить давление потока конденсированного холодильного агента до четвертого давления, посредством этого обеспечивая жидкий холодильный агент пониженного давления при четвертом давлении,
(2) трубопроводное средство для того, чтобы разделить жидкий холодильный агент пониженного давления при четвертом давлении на первую часть холодильного агента и вторую часть холодильного агента при четвертом давлении,
(3) теплообменное средство для того, чтобы испарить первую часть холодильного агента из (2) при четвертом давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в первом диапазоне температур и обеспечивая четвертый газ холодильного агента,
(4) второе средство для понижения давления для того, чтобы понизить давление второй части холодильного агента из (2) от четвертого давления до третьего давления, посредством этого обеспечивая холодильный агент пониженного давления при третьем давлении,
(5) трубопроводное средство для того, чтобы разделить жидкий холодильный агент пониженного давления при третьем давлении на первую часть холодильного агента и вторую часть холодильного агента при третьем давлении,
(6) теплообменное средство для того, чтобы испарить первую часть холодильного агента из (5) при третьем давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение во втором диапазоне температур и обеспечивая третий газ холодильного агента,
(7) третье средство для понижения давления для того, чтобы понизить давление второй части холодильного агента из (5) от третьего давления до второго давления, посредством этого обеспечивая холодильный агент пониженного давления при втором давлении,
(8) трубопроводное средство для того, чтобы разделить жидкий холодильный агент пониженного давления при втором давлении на первую часть холодильного агента и вторую часть холодильного агента при втором давлении,
(9) теплообменное средство для того, чтобы испарить первую часть холодильного агента из (8) при втором давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в третьем диапазоне температур и обеспечивая второй газ холодильного агента,
(10) четвертое средство для понижения давления для того, чтобы понизить давление второй части холодильного агента из (8) от второго давления до первого давления, посредством этого обеспечивая холодильный агент пониженного давления при первом давлении, и
(11) теплообменное средство для того, чтобы испарить холодильный агент пониженного давления при первом давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в четвертом диапазоне температур и обеспечивая первый газ холодильного агента.
Устройство для охлаждения может быть приспособлено для того, чтобы охлаждать другой сжатый газ холодильного агента. Устройство для холодильного агента может быть приспособлено для того, чтобы производить предварительное охлаждение природного газа перед сжижением.
Другой вариант осуществления изобретения включает способ охлаждения, содержащий следующие стадии:
(а) обеспечение компрессорной установки, включающей:
(1) первый компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать первый газ холодильного агента, и вторая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать сочетание четвертого газа холодильного агента и промежуточного сжатого газа холодильного агента из первой ступени первого компрессора, и
(2) второй компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать второй газ холодильного агента, и вторая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать сочетание третьего газа холодильного агента и промежуточного сжатого газа холодильного агента из первой ступени второго компрессора, и
(3) трубопроводное средство для того, чтобы объединить выпуск из второй ступени первого компрессора и выпуск из второй ступени второго компрессора для того, чтобы обеспечить сжатый газ холодильного агента,
в котором первый газ холодильного агента находится при первом давлении, второй газ холодильного агента находится при втором давлении, более высоком, чем первое давление, третий газ холодильного агента находится при третьем давлении, более высоком, чем второе давление, и четвертый газ холодильного агента находится при четвертом давлении, более высоком, чем третье давление,
(b) сжатие газа холодильного агента в компрессорной установке из (а) для того, чтобы обеспечить сжатый газ холодильного агента,
(с) охлаждение и конденсация сжатого газа холодильного агента, посредством этого обеспечивая поток конденсированного холодильного агента, и
(d) обеспечение охлаждения в четырех диапазонах температур посредством:
(1) уменьшения давления потока конденсированного холодильного агента до четвертого давления, посредством этого обеспечивая жидкий холодильный агент пониженного давления при четвертом давлении,
(2) разделения жидкого холодильного агента пониженного давления при четвертом давлении на первую часть холодильного агента и вторую часть холодильного агента при четвертом давлении,
(3) испарения первой части холодильного агента из (2) при четвертом давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в первом диапазоне температур и обеспечивая четвертый газ холодильного агента,
(4) понижения давления второй части холодильного агента из (2) от четвертого давления до третьего давления, посредством этого обеспечивая холодильный агент пониженного давления при третьем давлении,
(5) разделения жидкого холодильного агента пониженного давления при третьем давлении на первую часть холодильного агента и вторую часть холодильного агента при третьем давлении,
(6) испарения первой части холодильного агента из (5) при третьем давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение во втором диапазоне температур и обеспечивая третий газ холодильного агента,
(7) понижения давления второй части холодильного агента из (5) от третьего давления до второго давления, посредством этого обеспечивая холодильный агент пониженного давления при втором давлении,
(8) разделения жидкого холодильного агента пониженного давления при втором давлении на первую часть холодильного агента и вторую часть холодильного агента при втором давлении,
(9) испарения первой части холодильного агента из (8) при втором давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в третьем диапазоне температур и обеспечивая второй газ холодильного агента,
(10) понижения давления второй части холодильного агента из (8) от второго давления до первого давления, посредством этого обеспечивая холодильный агент пониженного давления при первом давлении, и
(11) испарения холодильного агента пониженного давления при первом давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в четвертом диапазоне температур и обеспечивая первый газ холодильного агента.
Способ может дополнительно включать охлаждение дополнительно сжатого газа холодильного агента посредством охлаждения, обеспеченного по меньшей мере в одном из первого, второго, третьего и четвертого диапазонов температур. Дополнительно сжатый газ холодильного агента может быть смешанным газом холодильного агента, содержащим два или большее число компонентов, выбранных из азота и углеводородов, имеющих от одного до пяти атомов углерода.
Способ может дополнительно включать предварительное охлаждение природного газа перед сжижением посредством охлаждения, обеспеченного по меньшей мере в одном из первого, второго, третьего и четвертого диапазонов температур. Сжатый газ холодильного агента может быть одним компонентом, выбранным из углеводородов, имеющих от двух до четырех атомов углерода. Альтернативно, сжатый газ холодильного агента может содержать два или большее число компонентов, выбранных из азота и углеводородов, имеющих от одного до пяти атомов углерода.
Нижеследующее представляет собой описание, посредством только примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, настоящих предпочтительных вариантов осуществления изобретения. На чертежах:
фиг.1 представляет собой схематическую блок-схему многоуровневой установки холодильного компрессора в соответствии с известным уровнем техники;
фиг.2 представляет собой схематическую блок-схему другой многоуровневой установки холодильного компрессора в соответствии с известным уровнем техники;
фиг.3 представляет собой схематическую блок-схему многоуровневой установки холодильного компрессора в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; и
фиг.4 представляет собой образец применения компрессорной установки на фиг.3 в холодильной установке для охлаждения двух потоков процесса.
Ссылаясь на фиг.3, испарившийся холодильный агент самого низкого давления по трубопроводу 3 вводится во вход первой ступени 41, которая может быть обозначена как ступень A низкого давления первого компрессора 43. Поток холодильного агента высокого давления по трубопроводу 9 вводится во вторую ступень 45, которая может быть обозначена как ступень D высокого давления первого компрессора 43. Поток холодильного агента низкого промежуточного давления по трубопроводу 5 вводится в первую ступень 47, которая может быть обозначена как ступень В низкого промежуточного давления второго компрессора 49. Поток холодильного агента высокого промежуточного давления по трубопроводу 7 вводится во вторую ступень 51, которая может быть обозначена как ступень С высокого промежуточного давления второго компрессора 49. Каждая ступень компрессоров 43 и 49 может содержать одно или большее число рабочих колес и будет сжимать увеличивающийся массовый расход газа. Потоки газа окончательно сжатого холодильного агента в трубопроводах 53 и 55 объединяются и возвращаются через трубопровод 57 в холодильную установку 1.
Массовый расход через ступень А низкого давления (первая ступень 41) представляет собой массовый расход, входящий в трубопровод 3; массовый расход в ступени D высокого давления (вторая ступень 45) представляет собой сумму массовых расходов, входящих в трубопроводы 3 и 9; массовый расход в ступени В низкого промежуточного давления (первая ступень 47) представляет собой массовый расход, входящий в трубопровод 5; и массовый расход в ступени С высокого промежуточного давления (третья ступень 51) представляет собой сумму массовых расходов, входящих в трубопроводы 5 и 7. Это устройство разъемного компрессора обеспечивает альтернативный способ исключения проблем размера и скорости на входе одного большого компрессора 11 (фиг.1) без создания проблемы балансирования двух идентичных компрессоров половины натуральной величины, обсужденной выше.
Вариант осуществления изобретения, описанный выше, сравнивается со способами по известному уровню техники на фиг.1 и 2 в таблице 1, приведенной ниже. В таблице 1 показаны массовые расходы через каждую ступень компрессора с точки зрения характерных массовых расходов F3, F5, F7 и F9 холодильного агента в трубопроводах 3, 5, 7 и 9 соответственно.
| Таблица 1 Сравнение варианта осуществления на фиг.3 с фиг.1 и 2 | |||
| Ступень компрессора | Характерные массовые расходы | ||
| Фиг.1 (известный уровень техники) | Фиг.2 (известный уровень техники) | Фиг.3 | |
| Низкого давления (А) | F3 | F3 | F3 |
| Низкого промежуточного давления (В) | F3+F5 | F5 | F5 |
| Высокого промежуточного давления (С) | F3+F5+F7 | F3+F7 | F5+F7 |
| Высокого Давления (D) | F3+F5+F7+F9 | F5+F9 | F3+F9 |
Диапазон отклонения, эффективность и производительность компрессора в значительной степени определяются коэффициентом входящего потока и относительным числом Маха на входе в каждое отдельное рабочее колесо. Относительное число Маха на входе представляет собой прямую функцию молекулярного веса сжимаемого газа и геометрии рабочего колеса на входе в него.
Число Маха для окружной скорости рабочего колеса или эквивалентной окружной скорости также является важной величиной диапазона отклонения рабочего колеса и производительности и используется при начальной калибровке компрессоров, когда геометрия входа неизвестна. Число Маха для окружной скорости рассчитывается по диаметру окружности рабочего колеса. Коэффициент входящего потока и окружная скорость рабочего колеса представляют собой функции объемного расхода на входе, скорости вращения рабочего колеса и диаметра рабочего колеса. Высокая окружная скорость понижает диапазон отклонения рабочего колеса. Высокий коэффициент потока и высокая окружная скорость также ограничивают производительность рабочего колеса. Это описано в документе J.F. Blahovec и др., представленном в Трудах 27-ого Симпозиума по турбинному машиностроению, College Station, Texas, 1998.
Иллюстрация применения компрессионной установки, описанной выше, приведена на фиг.4 для использования холодильного агента пропана для того, чтобы охладить поток процесса. В этом применении, сжатый газ холодильного агента в трубопроводе 57 при от 150 до 250 фунтов/квадратный дюйм абс. (от 1,025 до 1,725 кПа), охлаждается и конденсируется в теплообменнике 59 для того, чтобы обеспечить поток конденсированного холодильного агента в трубопроводе 61 при от 50 до 120°F (от 10 до 50°C). Давление части конденсированного холодильного агента понижается посредством дроссельного вентиля 63 до четвертого давления от 75 до 125 фунтов/квадратный дюйм абс. (от 520 до 860 кПа), и он вводится в теплообменник 65, в котором холодильный агент испаряется и обеспечивает охлаждение для того, чтобы охладить поток 67 процесса. Испарившийся холодильный агент возвращается через трубопровод 9 для того, чтобы обеспечить четвертый газ холодильного агента через трубопровод 9 в ступень 45 низкого промежуточного давления компрессора 43.
Неиспарившийся жидкий холодильный агент из теплообменника 65 отводится через трубопровод 69, и его давление понижается посредством дроссельного вентиля 71 до третьего давления от 40 до 70 фунтов/квадратный дюйм абс. (от 275 до 480 кПа), и он вводится в теплообменник 73, в котором холодильный агент испаряется и обеспечивает охлаждение для того, чтобы охладить поток 75 процесса из теплообменника 65. Испарившийся холодильный агент отводится из теплообменника для того, чтобы возвратить третий газ холодильного агента через трубопровод 7 в ступень 51 высокого давления компрессора 49.
Неиспарившийся жидкий холодильный агент отводится через трубопровод 77, его давление понижается посредством дроссельного вентиля 79 до второго давления от 20 до 30 фунтов/квадратный дюйм абс. (от 140 до 205 кПа), и он вводится в теплообменник 81, в котором холодильный агент испаряется и обеспечивает охлаждение для того, чтобы охладить поток 83 процесса из теплообменника 73. Испарившийся холодильный агент отводится из теплообменника для того, чтобы возвратить второй газ холодильного агента через трубопровод 5 в ступень 47 высокого промежуточного давления компрессора 49.
Неиспарившийся жидкий холодильный агент отводится через трубопровод 85, его давление понижается посредством дроссельного вентиля 87 до первого давления от 14 до 21 фунтов/квадратный дюйм абс. (от 95 до 145 кПа), и он вводится в теплообменник 89, в котором холодильный агент испаряется и обеспечивает охлаждение для того, чтобы охладить поток 91 процесса из теплообменника 81. Испарившийся холодильный агент возвращается через трубопровод 3 для того, чтобы обеспечить первый газ холодильного агента в ступень 41 низкого давления компрессора 43. Окончательно охлажденный поток процесса отводится через трубопровод 93.
Потоки первого, второго, третьего и четвертого газа холодильного агента в трубопроводах 3, 5, 7 и 9 сжимаются в ступенях 41, 47, 51 и 45 компрессора, соответственно, для того, чтобы обеспечить сжатый газ холодильного агента в трубопроводах 53, 55 и 57.
Поток 67 процесса может, например, быть потоком природного газа, который предварительно охлаждается перед дополнительным охлаждением и сжижением посредством холодильной установки, использующей смешанный жидкий холодильный агент, или гибридной холодильной установки, содержащей холодильную установку, использующую смешанный жидкий холодильный агент при промежуточных температурах, и холодильную установку с газовым детандером при более низких температурах, вплоть до температуры сжижения.
Дополнительное охлаждение по выбору может быть обеспечено для того, чтобы охладить другой поток 95 процесса, причем давление второй части конденсированного холодильного агента в трубопроводе 61 понижается посредством дроссельного вентиля 97 до четвертого давления от 75 до 125 фунтов/квадратный дюйм абс.(от 520 до 860 кПа), и он вводится в теплообменник 99, в котором холодильный агент испаряется и обеспечивает охлаждение для того, чтобы охладить поток 95 процесса. Испарившийся холодильный агент возвращается через трубопроводы 101 и 9 в ступень 45 низкого промежуточного давления компрессора.
Неиспарившийся жидкий холодильный агент из теплообменника 99 отводится через трубопровод 103, его давление понижается посредством дроссельного вентиля 105 до третьего давления от 40 до 70 фунтов/квадратный дюйм абс. (от 275 до 480 кПа), и он вводится в теплообменник 107, в котором холодильный агент испаряется и обеспечивает охлаждение для того, чтобы охладить поток 109 процесса из теплообменника 99. Испарившийся холодильный агент отводится из теплообменника и возвращается через трубопроводы 111 и 7 в ступень 51 высокого давления компрессора.
Неиспарившийся жидкий холодильный агент отводится из теплообменника 107 через трубопровод 113, его давление понижается посредством дроссельного вентиля 115 до второго давления от 20 до 30 фунтов/квадратный дюйм абс. (от 125 до 205 кПа), и он вводится в теплообменник 117, в котором холодильный агент испаряется и обеспечивает охлаждение для того, чтобы охладить поток 119 процесса из теплообменника 107. Испарившийся холодильный агент отводится из теплообменника для того, чтобы возвратить второй газ холодильного агента через трубопроводы 121 и 5 в ступень 47 высокого промежуточного давления компрессора.
Неиспарившийся жидкий холодильный агент отводится через трубопровод 123, его давление понижается посредством дроссельного вентиля 125 до первого давления от 14 до 21 фунтов/квадратный дюйм абс. (от 95 до 145 кПа), и он вводится в теплообменник 127, в котором холодильный агент испаряется и обеспечивает охлаждение для того, чтобы охладить поток 129 процесса из теплообменника 117. Испарившийся холодильный агент возвращается через трубопроводы 131 и 3 в ступень 41 низкого давления компрессора. Окончательно охлажденный поток процесса отводится через трубопровод 133.
Поток 95 процесса может быть, например, потоком сжатого смешанного холодильного агента в холодильной установке (не показана), которая используется для того, чтобы дополнительно охлаждать и сжижать поток предварительно охлажденного природного газа, проходящего через трубопровод 93. Альтернативно, поток 95 процесса может быть потоком сжатого смешанного холодильного агента в гибридной холодильной установке (не показана), содержащей холодильную установку, использующую смешанный жидкий холодильный агент при промежуточных температурах, и холодильную установку с газовым детандером при более низких температурах, вплоть до температуры сжижения.
В то время, как вариант осуществления изобретения показан выше для сжатия четырех потоков газа холодильного агента, обеспеченных при различных давлениях из холодильной установки, компрессионная установка, как описано, может быть использована для того, чтобы сжимать четыре потока газа, содержащих любой тип газа, используемый для любой цели. Например, компрессионная установка может быть использована для того, чтобы сжимать смешанный холодильный агент, используемый в холодильной установке типа установки с повторным сжатием пара, в которой конденсированный смешанный холодильный агент испаряется при четырех различных давлениях.
В следующих примерах иллюстрируются варианты осуществления настоящего изобретения, но они не ограничивают изобретение любой из конкретных подробностей, описанных в них.
ПРИМЕР 1
Природный газ сжижается с производительностью 4 миллиона тонн/год (3600 кг/год) с совместным производством 1 миллион тонн/год (900 кг/год) сжиженного нефтяного газа (СНГ), с использованием процесса сжижения предварительно охлажденного смешанного холодильного агента пропана. Холодильная установка с пропаном на фиг.4 используется для того, чтобы предварительно охладить подаваемый газ перед окончательным охлаждением и сжижением для того, чтобы охладить сжатый смешанный холодильный агент, и также обеспечить дополнительное охлаждение на установке для сжижения. Расходы испарившегося холодильного агента пропана и условия являются следующими: 16,909 фунт-молей (7,670 кг-молей) в час при -36°F (-38°C) и 16 фунтов/квадратный дюйм абс. (110 кПа) на входе в ступень 41 низкого давления; 32,042 фунт-молей (14,534 кг-молей) в час при -13°F (-25°C) и 28 фунтов/квадратный дюйм абс. (195 кПа) на входе в ступень 45 низкого промежуточного давления; 33,480 фунт-молей (15,186 кг-молей) в час в при +20°F (-7°C) и 54 фунтов/квадратный дюйм абс. (370 кПа) на входе в ступень 51 высокого промежуточного давления; и 32,772 фунт-молей (14,865 кг-молей)) в час при +60°F (16°C) и 106 фунтов/квадратный дюйм абс. (730 кПа) на входе в ступень 45 высокого давления. Получающийся в результате общий поток сжатого холодильного агента пропана, подаваемый в холодильные контуры через трубопровод 61 после охлаждения в переохладителе 59, составляет 115,203 фунт-молей (52,255 кг-молей)) в час при +112°F (44°C) и 208 фунтов/квадратный дюйм абс. (1435 кПа).
В этом примере ступень 41 компрессора имеет три рабочих колеса, ступень 47 компрессора имеет одно рабочее колесо, ступень 51 компрессора имеет два рабочих колеса, и ступень 45 компрессора имеет два рабочих колеса. Параметры процесса и расчетные требования к мощности суммированы в таблице 2. Требования к мощности основаны на средних индивидуальных производительностях рабочих колес для больших компрессоров, которые в настоящее время предоставляются изготовителями компрессоров.
| Таблица 2 Параметры компрессора для примера 1 (со ссылкой на фиг.4) | |||||
| Ступень 41 | Ступень 47 | Ступень 51 | Ступень 45 | ||
| Всасываемый объем, футы3/мин м3/мин | 76,950 (2,179) | 86,680 (2,455) | 96,615 (2,736) | 38,900 (1,102) | |
| Давление на входе, фунтов/квадратный дюйм абс. (кПа) | 16 (110) | 28 (195) | 54 (370) | 106 (730) | |
| Давление на выходе, фунтов/квадратный дюйм абс. (кПа) | 106 (730) | 54 (370) | 208 (1,435) | 208 (1,435) | |
| Число рабочих колес | 3 | 1 | 2 | 2 | |
| Коэффициент входящего потока, ϕ | Рабочее колесо 1 | 0,077 | 0,110 | 0,098 | 0,115 |
| Рабочее колесо 2 | 0,051 | - | 0,066 | 0,085 | |
| Рабочее колесо 3 | 0,044 | - | - | - | |
| Окружная скорость рабочего колеса, число Маха | Рабочее колесо 1 | 1,25 | 1,09 | 1,20 | 0,83 |
| Рабочее колесо 2 | 1,11 | - | 1,08 | 0,82 | |
| Рабочее колесо 3 | 0,93 | - | - | - | |
| Мощность, ЛС (кВт) | 14,170 (10,567) | 8,928 (6,658) | 39,798 (29,678) | 15,018 (11,199) |
Коэффициент входящего потока ϕ (определен как
ϕ=700Q/Nd3(=405,000Q'/Nd'3),
где Q представляет собой объемный расход на входе в рабочее колесо фактически в фут3/мин (Q' в м3/мин), N представляет собой частоту вращения в оборотах в минуту, и d представляет собой диаметр рабочего колеса в дюймах (d' в см).
ПРИМЕР 2
Пример 1 был повторен с использованием устройства компрессора по известному уровню техники на фиг.2, и результаты приведены в Таблице 3.
| Таблица 3 Параметры компрессора для примера 2 (со ссылкой на фиг.2) | |||||
| Ступень 23 | Ступень 29 | Ступень 27 | Ступень 33 | ||
| Всасываемый объем, футы3/мин м3/мин | 76,950 (2,179) | 86,680 (2,455) | 74,996 (2,124) | 50,510 (1,430) | |
| Давление на входе, фунтов/квадратный дюйм абс.(кПа) | 16 (110) | 28 (195) | 54 (370) | 106 (730) | |
| Давление на выходе, фунтов/квадратный дюйм абс.(кПа) | 54 (370) | 106 (730) | 208 (1,435) | 208 (1,435) | |
| Число рабочих колес | 2 | 2 | 2 | 1 | |
| Коэффициент входящего потока, ϕ | Рабочее Колесо 1 | 0,090 | 0,096 | 0,075 | 0,063 |
| Рабочее Колесо 2 | 0,080 | 0,062 | 0,050 | - | |
| Окружная скорость рабочего колеса, число Маха | Рабочее Колесо 1 | 1,19 | 1,19 | 1,20 | 1,11 |
| Рабочее Колесо 2 | 0,97 | 1,09 | 1,09 | - | |
| Мощность, ЛС (кВт) | 8,707 (6,493) | 18,728 (13,966) | 30,888 (23,033) | 19,561 (14,587) |
Устройство разъемного компрессора по настоящему изобретению обеспечивает больший диапазон отклонения и большую производительность в некоторых ступенях компрессоров, по сравнению с установкой по известному уровню техники на фиг.2. Гидравлический напор или рост давления посредством отдельного множества рабочих колес в ступени низкого давления (то есть ступени 23 на фиг.2 и ступени 41 на фиг.3 и 4) в устройстве разъемного компрессора может быть отрегулирован для того, чтобы достичь по существу тех же самых окружных скоростей для всех рабочих колес. В ступени высокого промежуточного давления (ступень 51 на фиг.3 и 4), коэффициенты потока и окружные скорости являются почти теми же самыми, что и в установке по известному уровню техники на фиг.2 (ступень 27), и оба обеспечивают по существу те же самые диапазон отклонения и производительность.
Устройство разъемного компрессора по настоящему изобретению обеспечивает несколько большие диапазон отклонения и производительность в ступени низкого промежуточного давления (ступень 47 на фиг.3 и 4), чем установка по известному уровню техники (ступень 29, фиг.2), и значительно большие диапазон отклонения и производительность в ступени высокого давления (ступень 45, фиг.3 и 4), чем установка по известному уровню техники (ступень 33, фиг.2) из-за более низких окружных скоростей рабочих колес. Второе рабочее колесо может быть добавлено в ступень 33 устройства по известному уровню техники для того, чтобы понизить окружные скорости рабочего колеса, но это увеличило бы коэффициент потока первого рабочего колеса до близкого к максимально допустимому значению и строго ограничило производительность этой ступени.
Поскольку установка разъемного компрессора для производства сжиженного природного газа (СПГ) по настоящему изобретению в примере 1 имеет большую возможность отклонения, чем установка по известному уровню техники по примеру 2, установка по примеру 1 обычно приводит в результате к более низким удельным затратам энергии на тонну (907 кг) для продукта СПГ, чем установка по примеру 2, когда более низкие производительности по СПГ требуются операторами установки.
1. Компрессорная установка, содержащая
(a) первый компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать первый газ, и вторая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать объединенный четвертый газ и промежуточный сжатый газ из первой ступени первого компрессора,
(b) второй компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать второй газ, и вторая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать объединенный третий газ и промежуточный сжатый газ из первой ступени второго компрессора, и
(c) трубопроводное средство для объединения выпуска из второй ступени первого компрессора и выпуска из второй ступени второго компрессора для того, чтобы обеспечить объединенный сжатый газ, при этом первый газ находится при первом давлении, второй газ находится при втором давлении, более высоком, чем первое давление, третий газ находится при третьем давлении, более высоком, чем второе давление, и четвертый газ находится при четвертом давлении, более высоком, чем третье давление.
2. Способ сжатия газа, содержащий следующие стадии:
(a) сжатие первого газа в первой ступени первого компрессора и сжатие во второй ступени первого компрессора объединенного четвертого газа и промежуточного сжатого газа из первой ступени первого компрессора и отвод потока первого сжатого газа из второй ступени первого компрессора,
(b) сжатие второго газа в первой ступени второго компрессора и сжатие во второй ступени второго компрессора объединенного третьего газа и промежуточного сжатого газа из первой ступени второго компрессора и отвод потока второго сжатого газа из второй ступени второго компрессора и
(c) объединение потока первого сжатого газа и потока второго сжатого газа для обеспечения потока окончательно сжатого газа,
при этом первый газ находится при первом давлении, второй газ находится при втором давлении, более высоком, чем первое давление, третий газ находится при третьем давлении, более высоком, чем второе давление, четвертый газ находится при четвертом давлении, более высоком, чем третье давление, и поток окончательно сжатого газа находится при окончательном давлении, более высоком, чем четвертое давление.
3. Способ по п.2, в котором любой из первого, второго, третьего и четвертого газов представляет собой газ холодильного агента, обеспеченный из холодильной установки, и поток окончательно сжатого газа представляет собой сжатый газ холодильного агента, обеспеченный в холодильную установку.
4. Холодильная установка для охлаждения при множестве уровней температур, содержащая (а) компрессорную установку для обеспечения сжатого газа холодильного агента, причем компрессорная установка включает
(1) первый компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать первый газ холодильного агента, и вторая ступень первого компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать объединенный четвертый газ холодильного агента, и промежуточный сжатый газ холодильного агента из первой ступени первого компрессора и
(2) второй компрессор, имеющий первую ступень и вторую ступень, в котором первая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать второй газ холодильного агента, и вторая ступень второго компрессора приспособлена для того, чтобы сжимать объединенный третий газ холодильного агента и промежуточный сжатый газ холодильного агента из первой ступени второго компрессора, и
(3) трубопроводное средство для объединения выпуска из второй ступени первого компрессора и выпуска из второй ступени второго компрессора для обеспечения сжатого газа холодильного агента, при этом первый газ холодильного агента находится при первом давлении, второй газ холодильного агента находится при втором давлении, более высоком, чем первое давление, третий газ холодильного агента находится при третьем давлении, более высоком, чем второе давление, и четвертый газ холодильного агента находится при четвертом давлении, более высоком, чем третье давление,
(b) переохладитель компрессора для охлаждения и конденсирования сжатого газа холодильного агента, посредством этого обеспечивая поток конденсированного холодильного агента, и
(c) устройство для охлаждения для обеспечения охлаждения в четырех диапазонах температур, причем устройство для холодильного агента содержит
(i) первое средство для понижения давления для понижения давления потока конденсированного холодильного агента до четвертого давления, посредством этого обеспечивая первый жидкий холодильный агент пониженного давления,
(ii) теплообменное средство для испарения первой части холодильного агента из первого жидкого холодильного агента пониженного давления при четвертом давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в первом диапазоне температур и обеспечивая четвертый газ холодильного агента,
(iii) второе средство для понижения давления для понижения давления второй части жидкого холодильного агента из первого жидкого холодильного агента пониженного давления от четвертого давления до третьего давления, посредством этого обеспечивая второй холодильный агент пониженного давления,
(iv) теплообменное средство для испарения первой части холодильного агента из второго холодильного агента пониженного давления при третьем давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение во втором диапазоне температур и обеспечивая третий газ холодильного агента,
(v) третье средство для понижения давления для понижения давления второй части жидкого холодильного агента из второго холодильного агента пониженного давления от третьего давления до второго давления, посредством этого обеспечивая третий холодильный агент пониженного давления,
(vi) теплообменное средство для испарения первой части холодильного агента из третьего холодильного агента пониженного давления при втором давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в третьем диапазоне температур и обеспечивая второй газ холодильного агента,
(vii) четвертое средство для понижения давления для понижения давления второй части жидкого холодильного агента из третьего холодильного агента пониженного давления от второго давления до первого давления, посредством этого обеспечивая четвертый холодильный агент пониженного давления при первом давлении, и
(viii) теплообменное средство для испарения холодильного агента пониженного давления при первом давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в четвертом диапазоне температур и обеспечивая первый газ холодильного агента.
5. Холодильная установка по п.4, в которой устройство для охлаждения приспособлено для того, чтобы охлаждать другой сжатый газ холодильного агента.
6. Холодильная установка по п.4, в которой устройство для холодильного агента приспособлено для того, чтобы производить предварительное охлаждение природного газа перед сжижением.
7. Способ охлаждения, содержащий следующие стадии:
(a)
(1) сжатие первого газа холодильного агента в первой ступени первого компрессора и сжатие во второй ступени первого компрессора объединенного четвертого газа холодильного агента и промежуточного сжатого газа холодильного агента из первой ступени первого компрессора и
(2) сжатие второго газа холодильного агента в первой ступени второго компрессора и сжатие во второй ступени второго компрессора объединенного третьего газа холодильного агента и промежуточного сжатого газа холодильного агента из первой ступени второго компрессора и
(3) объединение выпуска из второй ступени первого компрессора и выпуска из второй ступени второго компрессора для обеспечения сжатого газа холодильного агента,
при этом первый газ холодильного агента находится при первом давлении, второй газ холодильного агента находится при втором давлении, более высоком, чем первое давление, третий газ холодильного агента находится при третьем давлении, более высоком, чем второе давление, и четвертый газ холодильного агента находится при четвертом давлении, более высоком, чем третье давление,
(b) охлаждение и конденсирование сжатого газа холодильного агента, посредством этого обеспечивая поток конденсированного холодильного агента, и
(c) обеспечение охлаждения в четырех диапазонах температур посредством
(i) понижения давления потока конденсированного холодильного агента до четвертого давления, посредством этого обеспечивая первый жидкий холодильный агент пониженного давления,
(ii) испарения первой части холодильного агента из первого жидкого холодильного агента пониженного давления при четвертом давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в первом диапазоне температур и обеспечивая четвертый газ холодильного агента,
(iii) понижения давления второй части жидкого холодильного агента из первого жидкого холодильного агента пониженного давления от четвертого давления до третьего давления, посредством этого обеспечивая второй холодильный агент пониженного давления,
(iv) испарения первой части холодильного агента из второго жидкого холодильного агента пониженного давления при третьем давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение во втором диапазоне температур и обеспечивая третий газ холодильного агента,
(v) понижения давления второй части жидкого холодильного агента из второго жидкого холодильного агента пониженного давления от третьего давления до второго давления, посредством этого обеспечивая третий холодильный агент пониженного давления,
(vi) испарения первой части холодильного агента из третьего жидкого холодильного агента пониженного давления при втором давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в третьем диапазоне температур и обеспечивая второй газ холодильного агента,
(vii) понижения давления второй части жидкого холодильного агента из третьего жидкого холодильного агента пониженного давления от второго давления до первого давления, посредством этого обеспечивая четвертый холодильный агент пониженного давления, и
(viii) испарения четвертого холодильного агента пониженного давления при первом давлении, посредством этого обеспечивая охлаждение в четвертом диапазоне температур и обеспечивая первый газ холодильного агента.
8. Способ по п.7, который дополнительно включает охлаждение дополнительного сжатого газа холодильного агента посредством охлаждения, обеспеченного, по меньшей мере, в одном из первого, второго, третьего и четвертого диапазонов температур.
9. Способ по п.8, в котором дополнительно сжатый газ холодильного агента представляет собой смешанный газ холодильного агента, содержащий два или большее число компонентов, выбранных из азота и углеводородов, имеющих от одного до пяти атомов углерода.
10. Способ по п.7, который дополнительно включает предварительное охлаждение природного газа перед сжижением посредством охлаждения, обеспеченного, по меньшей мере, в одном из первого, второго, третьего и четвертого диапазонов температур.
11. Способ по любому из пп.7-10, в котором сжатый газ холодильного агента представляет собой один компонент, выбранный из углеводородов, имеющих от двух до четырех атомов углерода.
12. Способ по любому из пп.7-10, в котором сжатый газ холодильного агента содержит два или большее число компонентов, выбранных из азота и углеводородов, имеющих от одного до пяти атомов углерода.
