用于压缩并冷却低温空气分离设备中的进料空气流的系统和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种用于使用串联控制的至少两个变速压缩机直接驱动组件来进行进料空气流压缩的系统和装置。第一变速驱动器组件直接驱动低压压缩机中的至少一个压缩级，而第二变速驱动器组件直接驱动设置在空气分离设备的通用空气压缩系统或分体式空气压缩系统中的高压压缩级。所述第一变速驱动器组件和所述第二变速驱动器组件优选为高速变速电动马达组件，每个所述电动马达组件均具有马达主体、马达外壳和马达轴，所述马达轴具有通过牺牲性刚性联轴器直接且刚性地联接到所述马达轴的一个或多个叶轮。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于压缩并冷却低温空气分离设备中的进料空气流的系统和装置
本专利技术涉及低温空气分离设备中进料空气流的压缩，并且更具体地涉及使用串联控制的至少两个直接驱动压缩组件来压缩进料空气流的方法。
技术介绍
低温空气分离是非常耗能的过程，因为需要生成高压、温度非常低的空气流和驱动该过程所需的大量制冷。在典型的低温空气分离设备中，进料空气流穿过主空气压缩机(MAC)布置以获得期望的中间排放压力和流量。在这种压缩之前，通常经由空气过滤器将灰尘和其他污染物从进料空气流中去除，该空气过滤器通常设置在吸气过滤器外壳中。过滤的空气流在多级MAC压缩布置中被压缩，通常压缩到约6巴的最小压力并且通常在更高的压力下进行压缩。然后将经压缩的进料空气流在预纯化单元中纯化以从进料空气流中去除高沸点污染物。此类预纯化单元通常具有吸附床以吸附诸如水蒸汽、二氧化碳和烃类的污染物。在许多空气分离设备中，经压缩纯化的进料空气流或其部分在一系列增压空气压缩机(BAC)布置中被进一步压缩到更高的排放压力。在传统的空气分离设备中，MAC压缩布置位于预纯化单元的上游，而BAC布置位于预纯化单元的下游。然后将经压缩或经进一步压缩纯化的进料空气流冷却并在多个蒸馏塔中分离成富氧馏分、富氮馏分和富氩馏分，这些蒸馏塔可包括高压塔、低压塔以及任选地氩塔(未示出)。如上所述，在此类蒸馏之前，经压缩预纯化的进料空气流通常被分成多个经压缩预纯化的进料空气流，其中的一些或全部随后被送至多级BAC压缩布置以获得煮沸由蒸馏塔系统产生的氧所需的期望压力。包括任何进一步压缩预纯化的进料空气流的多个经压缩预纯化的进料空气流然后在初级换热器或主换热器内被冷却至适于在蒸馏塔系统中进行精馏的温度。在初级换热器中冷却多个进料空气流的源通常包括由蒸馏塔系统生成的一种或多种废物流以及由冷涡轮和热涡轮布置生成的任何补充制冷，如下所述。然后将多个经冷却压缩的空气流引导至双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统，该系统包括与低压塔热连接或联接的高压塔和任选的氩塔。在进入高压塔和低压塔之前，任何液态空气流都可在焦耳-汤普森阀中膨胀，以产生用于产生低温产物(包括液氧、液氮和/或液氩)所需的进一步制冷。在设计用于产生大量液态产物(诸如液氧、液氮和液氩)的空气分离单元中，必须提供大量的补充制冷，通常通过使用上述焦耳-汤普森阀、冷涡轮布置和/或热再循环涡轮布置。冷涡轮布置通常被称为下塔涡轮(LCT)布置或上塔涡轮(UCT)布置，其用于向双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统提供补充制冷。另一方面，热再循环涡轮(WRT)布置利用所得的排气流在热涡轮膨胀机中膨胀制冷剂流，通过制冷剂流的膨胀进行冷却，通过在初级换热器中或在辅助换热器中与预纯化的压缩进料空气进行间接热交换，为低温空气蒸馏塔系统提供补充制冷。在LCT布置中，一部分预纯化的压缩进料空气在BAC压缩布置中被进一步压缩，在初级换热器中被部分冷却，然后将该进一步压缩并部分冷却的流的全部或一部分转移到涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机可操作地联接到压缩机并且驱动压缩机。然后将膨胀的气流或排气流引导至双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统的高压塔。通过转移流的膨胀而产生的补充制冷由此被直接施加到高压塔，从而减轻了初级换热器的一些冷却负荷。类似地，在UCT布置中，一部分纯化的压缩进料空气在初级换热器中被部分冷却，并且然后将该部分冷却的流的全部或一部分转移到热涡轮膨胀机，该热涡轮膨胀机也可操作地联接到压缩机并且驱动压缩机。然后将来自热涡轮膨胀机的膨胀的气流或排气流引导至双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统中的低压塔。通过排气流的膨胀而产生的冷却或补充制冷由此被直接施加到低压塔，从而减轻了初级换热器的一些冷却负荷。MAC压缩布置和BAC压缩布置需要大量功率来实现所需的压缩。通常，MAC压缩布置消耗空气分离设备消耗的总功率的约60％至70％。尽管空气分离设备功率需求的一部分可通过上述向双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统提供补充制冷的冷涡轮布置和/或热涡轮布置进行回收，但是空气分离设备驱动多级MAC压缩布置和多级BAC压缩布置所需的大部分功率是外部供应的功率。大多数传统的MAC压缩布置和BAC压缩布置以及氮再循环压缩机和相关的产品压缩机被配置为整体齿轮式压缩机(IGC)布置，其包括联接到单速驱动器组件的一个或多个压缩级以及适用于通过大齿轮和相关联的小齿轮轴驱动一个或多个压缩级的齿轮箱，使得所有小齿轮轴以恒定的速度比运行。一个或多个压缩级通常使用离心压缩机，其中进入入口的进料空气被分配到称为叶轮的叶片式压缩机叶轮，该叶轮旋转以加速进料空气并由此将旋转能量施加给进料空气。能量的增加伴随着速度的增加和压力的升高。压力在围绕叶轮的静态叶片或无叶片扩散器中回收，该扩散器用于降低进料空气的速度，从而增加进料空气的压力。叶轮可布置在多个轴上或者布置在与单速驱动器联接的单个轴上。在使用多个轴的情况下，通常需要齿轮箱和相关联的润滑油系统。传统的MAC压缩布置还需要设置在压缩机的多个级之间的多个中间冷却器，以从每个压缩级之间的压缩空气流中去除压缩热。其原因是当空气被压缩时，其温度升高，升高的空气温度需要增加功率来压缩气体。因此，当在压缩级中压缩空气并且在压缩级之间冷却空气时，与没有级间冷却的压缩相比，由于更接近等温压缩，所以压缩功率要求降低。诸如直接接触式后冷却器或空气冷却器的后冷却器通常也设置在MAC压缩布置和BAC压缩布置之间。已经建议利用直接驱动压缩机组件布置替换部分传统的IGC布置。压缩机和驱动器组件的直接联接克服了齿轮箱布置固有的低效率，其中在驱动器组件和压缩级之间的传动布置内发生热损耗。这种直接联接被称为直接驱动压缩机组件，其中驱动器组件轴和叶轮都以相同的速度旋转。通常，这种直接驱动压缩机组件能够变速运行。由此可以运行直接驱动压缩机组件通过改变驱动器速度来递送穿过多个压缩级的一定范围的流量和压缩机单元上一定范围的压力比。另外，大多数传统的MAC压缩布置被设计为在对应于峰值流量处或其附近的点的设计点处被优化。然而，在许多空气分离设备中，已经发现的是压缩机通常在其各自的设计条件下运行的时间少于10％，并且在一些设备中，该时间少于5％。MAC压缩布置和BAC压缩布置的峰值流量将受到可以由压缩机制造商制造的离心叶轮尺寸和许可的叶轮叶尖速度的限制。在传统系统中，所有MAC压缩级通常由相同的传动系统或驱动器驱动。因此，一旦为该MAC驱动器选择了设计速度，几乎没有改变速度的空间，因为任何速度改变都将影响所有MAC压缩级以及可能也联接到相同的传动系统的任何BAC压缩级。使用这种传统的设计点，传统的MAC压缩布置通常可以使用与一个或多个压缩级相关联的入口导向叶片实现仅约30％下调量的下调(即，减少压缩空气的流量)。对于任何给定的空气分离设备，虽然空气入口压力通常是恒定的，但是从冬季到夏季，甚至从白天到夜间，环境空气入口温度可以发生显著变化，导致体积流量发生相当大的变化。一旦选择了设计速度，几乎没有改变该速度的空间来适应季节性温度和/或生产变化。因此，最有效的压缩机性能控制变量，即驱动器速度，不是用于大多数传统MAC和BAC压缩布置的运行控制的自由度。例如，为了应对夏季高温条件下所需的流量和扬程，需要根据夏季高温条件调整MAC压缩布置的尺寸，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于压缩并冷却进入低温空气分离设备的进料空气流的系统，包括：(i)通用空气压缩系统，包括：所述通用空气压缩系统的低压单级或多级压缩机，所述通用空气压缩系统的低压单级或多级压缩机被配置为压缩所述进料空气流的至少一部分；第一变速驱动器组件，所述第一变速驱动器组件直接且刚性地联接到所述低压单级或多级压缩机，并且被配置为驱动所述低压单级或多级压缩机中至少一个压缩级；所述通用空气压缩系统的高压单级或多级压缩机，所述通用空气压缩系统的高压单级或多级压缩机流体联接到所述低压单级或多级压缩机，并且被配置用于进一步压缩来自所述低压单级或多级压缩机的所述经压缩的进料空气流；第二变速驱动器组件，所述第二变速驱动器组件直接且刚性地联接到所述高压单级或多级压缩机，并且被配置为驱动所述高压单级或多级压缩机中至少一个压缩级；以及预纯化单元，所述预纯化单元设置在所述低压单级或多级压缩机下游，并且被配置为从离开所述低压单级或多级压缩机的所述经压缩的进料空气流中或从离开所述高压单级或多级压缩机的一个或多个级的所述经压缩的进料空气流中去除杂质；(ii)分体式空气压缩系统，所述分体式空气压缩系统流体联接到所述通用空气压缩系统，所述分体式空气压缩系统被配置用于处理来自所述通用空气压缩系统的所述经压缩纯化的空气的一个或多个部分，所述分体式空气压缩系统还包括一个或多个压缩级，所述一个或多个压缩级被配置用于进一步压缩在所述分体式空气压缩系统中处理的所述经压缩纯化的空气的所述一个或多个部分中的一些或全部；(iii)初级换热器，所述初级换热器被配置为将所述经压缩纯化的空气的一个或多个部分冷却至适于在所述低温空气分离设备的蒸馏塔系统中进行精馏的温度；以及(iv)一个或多个控制器，所述一个或多个控制器可操作地联接到所述变速驱动器组件，其中响应于所述低温空气分离设备的运行条件和所述第一变速驱动器组件的速度的改变，调节所述第二变速驱动器组件的速度，并且其中这种调节之前所述变速驱动器组件的速度比与调节之后所述变速驱动器组件的速度比不同。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.15 US 14/883,8811.一种用于压缩并冷却进入低温空气分离设备的进料空气流的系统，包括：(i)通用空气压缩系统，包括：所述通用空气压缩系统的低压单级或多级压缩机，所述通用空气压缩系统的低压单级或多级压缩机被配置为压缩所述进料空气流的至少一部分；第一变速驱动器组件，所述第一变速驱动器组件直接且刚性地联接到所述低压单级或多级压缩机，并且被配置为驱动所述低压单级或多级压缩机中至少一个压缩级；所述通用空气压缩系统的高压单级或多级压缩机，所述通用空气压缩系统的高压单级或多级压缩机流体联接到所述低压单级或多级压缩机，并且被配置用于进一步压缩来自所述低压单级或多级压缩机的所述经压缩的进料空气流；第二变速驱动器组件，所述第二变速驱动器组件直接且刚性地联接到所述高压单级或多级压缩机，并且被配置为驱动所述高压单级或多级压缩机中至少一个压缩级；以及预纯化单元，所述预纯化单元设置在所述低压单级或多级压缩机下游，并且被配置为从离开所述低压单级或多级压缩机的所述经压缩的进料空气流中或从离开所述高压单级或多级压缩机的一个或多个级的所述经压缩的进料空气流中去除杂质；(ii)分体式空气压缩系统，所述分体式空气压缩系统流体联接到所述通用空气压缩系统，所述分体式空气压缩系统被配置用于处理来自所述通用空气压缩系统的所述经压缩纯化的空气的一个或多个部分，所述分体式空气压缩系统还包括一个或多个压缩级，所述一个或多个压缩级被配置用于进一步压缩在所述分体式空气压缩系统中处理的所述经压缩纯化的空气的所述一个或多个部分中的一些或全部；(iii)初级换热器，所述初级换热器被配置为将所述经压缩纯化的空气的一个或多个部分冷却至适于在所述低温空气分离设备的蒸馏塔系统中进行精馏的温度；以及(iv)一个或多个控制器，所述一个或多个控制器可操作地联接到所述变速驱动器组件，其中响应于所述低温空气分离设备的运行条件和所述第一变速驱动器组件的速度的改变，调节所述第二变速驱动器组件的速度，并且其中这种调节之前所述变速驱动器组件的速度比与调节之后所述变速驱动器组件的速度比不同。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一变速驱动器组件和所述第二变速驱动器组件是高速电动马达组件，每个所述高速电动马达组件均具有马达主体、马达外壳和马达轴，所述马达轴具有直接且刚性地联接到所述马达轴的一个或多个叶轮。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述低压单级或多级压缩机还包括并联布置并且由双端变速驱动器组件直接驱动的两个压缩级，其中所述两个压缩级被配置为接收并压缩环境压力空气以产生第一压缩空气流。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述两个压缩级中的每一者被配置为接收并压缩环境压力空气的不同体积流量。5.根据权利要求3所述的系统，其中所述通用空气压缩系统的所述一个或多个高压单级或多级压缩机还包括串联布置并由双端第二变速驱动器组件驱动的第三压缩级和第四压缩级，其中所述第三压缩级被配置为接收并压缩所述第一压缩空气流以产生第二压缩空气流，并且所述第四压缩级被配置为接收并压缩所述第二压缩空气流以产生第三压缩空气流。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述低压单级或多级压缩机还包括串联布置并由双端第一变速驱动器组件直接驱动的第一压缩级和第二压缩级，其中所述第一压缩级被配置为接收并压缩环境压力空气并产生第一压缩空气流，并且所述第二压缩级被配置为接收并压缩所述第一压缩空气流以产生第二压缩空气流。7.根据权利要求6所述的系统，其中所述通用空气压缩系统的所述一个或多个高压单级或多级压缩机还包括串联布置并由双端第二变速马达组件驱动的第三压缩级和第四压缩级，其中所述第三压缩级被配置为接收并压缩所述第二压缩空气流以产生第三压缩空气流，并且所述第四压缩级被配置为接收并压缩所述第三压缩空气流以产生第四压缩空气流。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述低压单级或多级压缩机还包括由单端第一变速驱动器组件直接驱动的单级压缩机，其中所述单压缩级被配置为接收并压缩环境压力空气并产生第一压缩空气流。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述通用空气压缩系统的所述一个或多个高压单级或多级压缩机还包括串联布置并由双端第二变速驱动器组件驱动的第二压缩级和第三压缩级，其中所述第二压缩级被配置为接收并压缩所述第一压缩空气流以产生第二压缩空气流，并且所述第三压缩级被配置为接收并压缩所述第二压缩空气流以产生第三压缩空气流。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述低压单级或多级压缩机还包括串联布置并由双端第一变速驱动器组件直接驱动的第一压缩级和第二压缩级，其中所述第一压缩级被配置为接收并压缩环境压力空气并产生第一压缩空气流，并且所述第二压缩级被配置为接收并压缩所述第一压缩空气流以产生第二压缩空气流。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述通用空气压缩系统的所述一个或多个高压单级或多级压缩机是单级压缩机，所述单级压缩机包括由单端第二变速驱动器组件驱动的第三压缩级，其中所述第三压缩级被配置为接收并压缩所述第二压缩空气流以产生第三压缩空气流。12.根据权利要求1所述的系统，还包括所述通用空气压缩系统的一个或多个其他压缩级，并且此类一个或多个其他压缩级被配置为整体齿轮式压缩机。13.根据权利要求1所述的系统，其中所述分体式空气压缩系统中的一个或多个压缩级被配置为整体齿轮式压缩机。14.根据权利要求1所述的系统，其中所述分体式空气压缩系统中的所述经纯化压缩的空气流的所述一个或多个部分还包括锅炉空气流的第一部分和上塔涡轮空气流的第二部分。15.根据权利要求1所述的系统，其中所述分体式空气压缩系统中的所述经纯化压缩的空气流的所述一个或多个部分还包括锅炉空气流的第一部分和下塔涡轮空气流的第二部分。16.根据权利要求1所述的系统，其中所述分体式空气压缩系统中的所述经纯化压缩的空气流的所述一个或多个部分还包括锅炉空气流的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·L·施瓦尔茨，A·F·阿卜杜勒瓦哈卜，L·J·罗斯，G·W·亨茨勒，H·E·霍华德，T·J·克洛维，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US