[发明专利]压缩方法和空气分离

说明书

相关申请

本申请是在2011年4月15日提交的先前的美国专利申请序列号13/087,734的继续部分，通过引用将其并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于压缩气体的方法和系统、以及一种结合了此类方法和系统的空气分离方法和工厂，在其中，气体或空气在一系列压缩级中被压缩至较高的压力，该较高的压力在正常运行状态下以及在需要较低流率(flow rate)的气体或空气时的调低(turndown)运行状态期间均被维持。更具体地，本发明涉及此方法和系统以及空气分离方法和工厂，在其中，压缩级具有驱动压缩机的可变速马达并且每个压缩机的速度在调低期间被调整，使得压缩级的初始部(initial)在沿着峰值效率运行线的点处运行。

背景技术

许多工业过程需要气体的压缩。例如，在空气分离中，空气被压缩、冷却至达到或接近露点的温度，并且然后被引入到蒸馏塔系统中来通过低温蒸馏将空气分离为其组成部分，例如，氮、氧和氩。许多应用涉及气体的液化，在其中气体被压缩并且然后被充分冷却以生产液体。

尽管在任何压缩应用中，有可能在单个级中压缩气体，更常见的是在连续压缩级中压缩气体。这样做的原因是当气体被压缩时，其温度上升，并且升高的气体温度需要在能量上的增大来压缩该气体。在气体在级中被压缩的情况下，气体可在级之间冷却以降低总能量需求，因为相比于未进行级间冷却，该过程更接近等温压缩。在利用了单独级的典型的压缩机装置中，各级使用离心压缩机，在该离心压缩机中进入至压缩机的进口的气体被散布至带叶片的压缩机轮，该压缩机轮旋转来加速气体并且由此将旋转能量传递至气体。此能量上的增加伴随着速度上的增加和压力升高。压力在静态的带叶片或无叶片扩散器中恢复，该带叶片或无叶片扩散器包围压缩机轮并且起到降低气体速度的功能，并且由此使得压缩气体的气体压力增大。

压缩级的单独压缩机可由诸如电动马达的普通驱动器通过传动装置进行驱动，该传动装置包括驱动从动齿轮的单个大齿轮，该从动齿轮连接至压缩机的轴。此排列装置的问题在于，空气分离工厂在将其安置来输送产品方面并非总是具有相同的需求。例如，在设计来生产氧气的空气分离工厂中，需求可随一天中不同的时间以及一周中不同的天而变化。由于使空气分离工厂运行的主要成本是电力，可期望的是能够调低(turn down)工厂并且使其运行来生产出比工厂在正常运行状态期间通常能生产的更少的氧。这可以通过降低进入到在压缩用于工厂的空气中使用的多级压缩系统中的空气流量来完成。通过降低压缩机的速度，可使空气流量降低。因此，在齿轮排列装置中，如果驱动压缩机的马达的速度减小，则所有压缩机的旋转速度将以相同的量降低。这样做的问题在于，多级压缩系统的输出压力也将降低。如今，在需要以特定压力为客户生产氧或其他气体的情况下，此类压力上的降低也将使产品的压力降低。如此，有时不可能使空气分离工厂在调低运行状态下运行。这些相同类型的问题将发生在涉及级中气体压缩的任何类型的运行中。

普通的齿轮排列装置的另一问题在于，所有的压缩机都必须位于齿轮装置周围。另外，在此类压缩机的齿轮排列装置中存在着由齿轮装置或齿轮箱的热损失引起的效率不足。为了避免必须将压缩机安装在齿轮箱周围或热力效率不足的问题，可将齿轮装置或齿轮箱消除，并且压缩机可以用速度控制器进行单独驱动和控制。例如，美国专利申请号2007/0189905公开了一种多级压缩系统，该多级压缩系统包括与压缩机之间的级间冷却装置串联连接的压缩机。每个压缩机由速度控制器进行单独控制。然而，压缩机的速度在此专利中被控制，使得当速度提高或降低时，任意两个马达的速度的比保持不变。因此，在此系统中存在着与在空气分离工厂中使用的齿轮系统中存在的相同困难。尽管此系统可被调低并且在调低运行状态期间运行，但是输送压力将降低。

如将论述地，本发明提供了特别能适用于空气分离的方法和装置，在其中多级压缩系统可在调低运行状态下运行，同时在正常运行状态期间所获得的压力下继续输送压缩气体。

发明内容