專利名稱：具有多個入口流的壓縮系統(tǒng)的制作方法
為了實現(xiàn)較大規(guī)模設(shè)備的可觀的經(jīng)濟效益，新的氣體液化與其它氣體處理設(shè)備正被設(shè)計出來以日益提高生產(chǎn)率。這些較大規(guī)模的設(shè)備具有具較高制冷循環(huán)率的較大的冷負(fù)荷，因此，需要較大的制冷壓縮機。隨著氣體處理設(shè)備變得更大，最大可達到生產(chǎn)率可能受限于最大的可使用的壓縮機規(guī)格。
當(dāng)使用單一的制冷壓縮機，這些提高的制冷流速需要具較高端速的較大葉輪、較大與較厚的殼體、及朝著葉輪的提高的輸入速度。隨著壓縮機組件的規(guī)格的增大，壓縮機將到達其基本的空氣動力極限，而這將決定最大可能的壓縮機容量。許多壓縮系統(tǒng)在不同的壓力下使用多制冷流，而這些系統(tǒng)大致要求壓縮機具有多級間吸入口。隨著壓縮機尺寸的增大，這些大的多級壓縮機的制造與安裝顯然變得更加困難。


圖1示意性地繪示了一種現(xiàn)有的多級制冷壓縮機，制冷系統(tǒng)1可為任何一種類型的制冷系統(tǒng)，其多制冷流在不同的壓力級別下蒸發(fā)以提供多溫度范圍的制冷。在本例中，制冷系統(tǒng)1使用四個制冷流，該制冷流可在四種不同的壓力下的適當(dāng)?shù)臒峤粨Q器里蒸發(fā)，以提供四種溫度范圍的制冷。管子3、5、7與9內(nèi)的四個蒸發(fā)制冷流分別在不同的壓力下，其從系統(tǒng)1抽出，然后依據(jù)每一制冷流的壓力在適當(dāng)?shù)牡胤綄?dǎo)入多級壓縮機11的各級。
管子3內(nèi)的最低壓力蒸發(fā)制冷流導(dǎo)入第一級13的入口，該第一級13可指定為低壓級A。管子5內(nèi)的中低壓制冷流導(dǎo)入壓縮機11的第二級15，該第二級15可指定為中低壓級B。管子7內(nèi)的中高壓制冷流導(dǎo)入壓縮機11的第三級17，該第三級17可指定為中高壓級C。管子9內(nèi)的高壓制冷流導(dǎo)入壓縮機11的第四級19，該第四級19可指定為高壓級D。壓縮機的每一級可包括一個或多個葉輪，且壓縮漸增的氣體質(zhì)量流。最后的壓縮制冷氣流經(jīng)由管子21返回到制冷系統(tǒng)1。
通過低壓級A(第一級13)的質(zhì)量流為進入管子3的質(zhì)量流。在中低壓級B(第二級15)的質(zhì)量流為進入管子3與5的質(zhì)量流之和。在中高壓級C(第三級17)的質(zhì)量流為進入管子3、5與7的質(zhì)量流之和。在高壓級D(第四級19)的質(zhì)量流為進入管子3、5、7與9的質(zhì)量流之和。
當(dāng)在固定的驅(qū)動器速度下使用單一多級壓縮機11，制冷系統(tǒng)的整體流量受限于用于設(shè)計壓縮機葉輪的空氣動力形狀因素與流量因素的約束。在某些情況下，減速齒輪或減速驅(qū)動器可排除這些約束。然而，減速齒輪將增加資本成本且導(dǎo)致機械功率損耗，而且減速齒輪使壓縮機系統(tǒng)的機械扭力限制復(fù)雜化，且危及系統(tǒng)機械設(shè)計的安全。在這種系統(tǒng)內(nèi)的減速壓縮機級要求更大的殼體尺寸與更大的葉輪，這將大大增加資本成本與安裝成本。因此，單個多級壓縮機11的最大尺寸受限于任何一個上述的設(shè)計因素。
現(xiàn)有技術(shù)中提出了數(shù)種替代方法來壓縮多級制冷系統(tǒng)里的大制冷流。一種方案是使用兩相同的半尺寸規(guī)格平行壓縮機，其具有共同的入口吸壓源、共同的中間吸壓源及共同的出口排放壓力。圍繞該兩平行壓縮機的管道系統(tǒng)必須小心翼翼地設(shè)計與平衡，這樣該兩壓縮機可以使相同的制冷流通過壓縮機的所有級。在兩壓縮機間的任何制冷流不平衡將引起其中的一個壓縮機過早地達到回流。兩壓縮機間制造公差上的細(xì)微差別，如殼體或葉輪的制造公差，將導(dǎo)致制冷流不平衡。
另一種替代方法是壓縮多級制冷系統(tǒng)里的大制冷流，其揭露在WO 01/44734 A2號國際公告。如圖2所示，管子3內(nèi)的最低壓力蒸發(fā)制冷流導(dǎo)入第一級23的入口，該第一級23可指定為第一壓縮機25的低壓級A。管子7內(nèi)的中高壓制冷流導(dǎo)入第二級27，該第二級27可指定為第一壓縮機25的中高壓級C。管子5內(nèi)的中低壓制冷流導(dǎo)入第一級29，該第一級29可指定為第二壓縮機31的中低壓級B。管子9內(nèi)的高壓制冷流導(dǎo)入第二級33，該第二級33可指定為第二壓縮機31的高壓級D。壓縮機25、31的每一級可包括一個或多個葉輪，且壓縮漸增的氣體質(zhì)量流。管子35、37內(nèi)的最后的壓縮制冷氣流連接在一起，且經(jīng)由管子39返回到制冷系統(tǒng)1。
通過低壓級A(第一級23)的質(zhì)量流為進入管子3的質(zhì)量流，在中高壓級C(第二級27)的質(zhì)量流為進入管子3與7的質(zhì)量流之和，在中低壓級B(第一級29)的質(zhì)量流為進入管子5的質(zhì)量流，在高壓級D(第二級33)的質(zhì)量流為進入管子5與9的質(zhì)量流之和。這種分級壓縮機排列提供一種解決單一大壓縮機11(如圖1所示)的尺寸與輸入速度問題的方法，不會出現(xiàn)上述兩個相同半尺寸規(guī)格的壓縮機的平衡問題。
由于為了實現(xiàn)較大規(guī)模設(shè)備的可觀的經(jīng)濟效益，氣體液化與其它氣體處理設(shè)備正被設(shè)計出來以日益提高生產(chǎn)率，替代方法被用以排除單一大壓縮機的尺寸與輸入速度問題。如下文所描述的及后附申請專利范所定義的，本發(fā)明的實施例提供用于大規(guī)模的氣體液化及處理設(shè)備的制冷壓縮機設(shè)計的替代方法。
本發(fā)明的一實施例包括一個壓縮機系統(tǒng)，包括(a)第一壓縮機，該第一壓縮機具有第一與第二級，其中第一壓縮機的第一級用于壓縮第一氣體，第一壓縮機的第二級用于壓縮第四氣體與來自第一壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合；(b)第二壓縮機，該第二壓縮機具有第一與第二級，其中第二壓縮機的第一級用于壓縮第二氣體，第二壓縮機的第二級用于壓縮第三氣體與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合。第一氣體處于第一壓力下，第二氣體處于比第一壓力高的第二壓力，第三氣體處于比第二壓力高的第三壓力，第四氣體處于比第三壓力高的第四壓力。
在此使用的術(shù)語“級”表示具有一個或更多的葉輪的壓縮機或壓縮機部分，其中在該級被壓縮的液體質(zhì)量流在整個級里是不變的。
該系統(tǒng)可還包括連接第一壓縮機的第二級的出口與第二壓縮機的第二級的出口的管道裝置，以提供一組合壓縮氣體。
本發(fā)明的另一實施例關(guān)于一種氣體壓縮方法，包括(a)壓縮第一壓縮機的第一級里的第一氣體，在第一壓縮機的第二級壓縮第四氣體與來自第一壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合，及抽回來自第一壓縮機的第二級的第一壓縮氣流；(b)壓縮第二壓縮機的第一級的第二氣體，在第二壓縮機的第二級里壓縮第三氣體與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合，及抽回來自第二壓縮機的第二級的第二壓縮氣流；(c)組合第一與第二壓縮氣流以提供最后的壓縮氣流。第一氣體處于第一壓力下，第二氣體處于比第一壓力高的第二壓力，第三氣體處于比第二壓力高的第三壓力，第四氣體處于比第三壓力高的第四壓力，最后的壓縮氣流處于比第四壓力高的最后壓力。
任何上述的第一、二、三與四氣體可以是制冷系統(tǒng)提供的制冷氣體，最后的壓縮氣流可以是提供給制冷系統(tǒng)的壓縮制冷氣體。
本發(fā)明的又一實施例包括一個用于在多溫度級提供制冷的制冷系統(tǒng)，包括(a)壓縮機系統(tǒng)，用于提供壓縮制冷空氣，該壓縮機系統(tǒng)包括(1)第一壓縮機，該第一壓縮機具有第一與第二級，其中第一壓縮機的第一級用于壓縮第一制冷氣體，第一壓縮機的第二級用于壓縮第四制冷氣體與來自第一壓縮機的第一級的中間壓縮制冷氣體的組合；(2)第二壓縮機，該第二壓縮機具有第一與第二級，其中第二壓縮機的第一級用于壓縮第二制冷氣體，第二壓縮機的第二級用于壓縮第三制冷氣體與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮制冷氣體的組合；(3)管道裝置，用于連接第一壓縮機的第二級的出口與第二壓縮機的第二級的出口以提供一壓縮制冷氣體；其中，第一氣體處于第一壓力下，第二氣體處于比第一壓力高的第二壓力，第三氣體處于比第二壓力高的第三壓力，第四氣體處于比第三壓力高的第四壓力；(b)壓縮機的后冷卻機，用于冷卻與冷凝壓縮制冷氣體，藉以提供冷凝制冷流；(c)制冷設(shè)備，用于提供在四個溫度范圍內(nèi)的制冷，該制冷設(shè)備包括(1)第一壓力減小裝置，用于減小冷凝制冷流的壓力至第四壓力，藉以提供在第四壓力的減壓制冷液；(2)管道裝置，用于將在第四壓力的減壓制冷液分成在第四壓力的第一制冷部分與第二制冷部分；(3)熱交換裝置，用于蒸發(fā)在第四壓力的(2)的第一制冷部分，藉以提供在第一溫度范圍的制冷及提供第四制冷氣體；(4)第二壓力減小裝置，用于將(2)的第二制冷部分的壓力從第四壓力減小到第三壓力，藉以提供在第三壓力的減壓制冷液；(5)管道裝置，用于將在第三壓力的減壓制冷液分成在第三壓力的第一制冷部分與第二制冷部分；(6)熱交換裝置，用于蒸發(fā)在第三壓力的(5)的第一制冷部分，藉以提供在第二溫度范圍的制冷及提供第三制冷氣體；(7)第三壓力減小裝置，用于將(5)的第二制冷部分的壓力從第三壓力減小到第二壓力，藉以提供在第二壓力的減壓制冷液；(8)管道裝置，用于將在第二壓力的減壓制冷液分成在第二壓力的第一制冷部分與第二制冷部分；(9)熱交換裝置，用于蒸發(fā)在第二壓力的(8)的第一制冷部分，藉以提供在第三溫度范圍的制冷及提供第二制冷氣體；(10)第四壓力減小裝置，用于將(8)的第二制冷部分的壓力從第二壓力減小到第一壓力，藉以提供在第一壓力的減壓制冷液；
(11)熱交換裝置，用于蒸發(fā)在第一壓力的減壓液，藉以提供在第四溫度范圍的制冷及提供第一制冷氣體。
該制冷設(shè)備可以用于冷卻另一壓縮制冷氣體，也可用于在液化前預(yù)冷卻天然氣。
本發(fā)明的又一實施例包括一制冷方法，包括(a)提供壓縮機系統(tǒng)，該壓縮機系統(tǒng)包括(1)第一壓縮機，該第一壓縮機具有第一與第二級，其中第一壓縮機的第一級用于壓縮第一制冷氣體，第一壓縮機的第二級用于壓縮第四制冷氣體與來自第一壓縮機的第一級的中間壓縮制冷氣體的組合；(2)第二壓縮機，該第二壓縮機具有第一與第二級，其中第二壓縮機的第一級用于壓縮第二制冷氣體，第二壓縮機的第二級用于壓縮第三制冷氣體與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮制冷氣體的組合；(3)管道裝置，用于連接第一壓縮機的第二級的出口與第二壓縮機的第二級的出口以提供一壓縮制冷氣體；其中，第一氣體處于第一壓力下，第二氣體處于比第一壓力高的第二壓力，第三氣體處于比第二壓力高的第三壓力，第四氣體處于比第三壓力高的第四壓力；(b)壓縮在(a)的壓縮機系統(tǒng)的制冷氣體以提供壓縮制冷氣體；(c)冷卻與冷凝壓縮制冷氣體，藉以提供冷凝制冷流；(d)通過下述步驟提供在四個溫度范圍內(nèi)的制冷，(1)減小冷凝制冷流的壓力至第四壓力，藉以提供在第四壓力的減壓制冷液；(2)將在第四壓力的減壓制冷液分成在第四壓力的第一制冷部分與第二制冷部分；(3)蒸發(fā)在第四壓力的(2)的第一制冷部分，藉以提供在第一溫度范圍的制冷及提供第四制冷氣體；
(4)將(2)的第二制冷部分的壓力從第四壓力減小到第三壓力，藉以提供在第三壓力的減壓制冷液；(5)將在第三壓力的減壓制冷液分成在第三壓力的第一制冷部分與第二制冷部分；(6)蒸發(fā)在第三壓力的(5)的第一制冷部分，藉以提供在第二溫度范圍的制冷及提供第三制冷氣體；(7)將(5)的第二制冷部分的壓力從第三壓力減小到第二壓力，藉以提供在第二壓力的減壓制冷液；(8)將在第二壓力的減壓制冷液分成在第二壓力的第一制冷部分與第二制冷部分；(9)蒸發(fā)在第二壓力的(8)的第一制冷部分，藉以提供在第三溫度范圍的制冷及提供第二制冷氣體；(10)將(8)的第二制冷部分的壓力從第二壓力減小到第一壓力，藉以提供在第一壓力的減壓制冷液；(11)蒸發(fā)在第一壓力的減壓液，藉以提供在第四溫度范圍的制冷及提供第一制冷氣體。
該方法可進一步包括通過在第一、第二、第三與第四溫度范圍中的至少一個里的制冷來冷卻額外的壓縮制冷氣體，該額外的壓縮制冷氣體可以是包含從氮與具有一個至五個碳原子的碳?xì)浠衔镞x出的兩種或更多成份的混合制冷氣體。
該方法可進一步包括通過在第一、第二、第三與第四溫度范圍中的至少一個里的制冷在液化前預(yù)冷卻天然氣，該壓縮制冷氣體可以是從具有二個至四個碳原子的碳?xì)浠衔镞x出的單一成份。選擇性地，該壓縮制冷氣體可以包含從氮與具有一個至五個碳原子的碳?xì)浠衔镞x出的兩種或更多成份。
為了能更進一步了解本發(fā)明的特征以及技術(shù)內(nèi)容，請參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說明與附圖，然而附圖僅提供參考與說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制。
圖1為現(xiàn)有多級制冷壓縮機系統(tǒng)的示意流程圖；圖2為另一現(xiàn)有多級制冷壓縮機系統(tǒng)的示意流程圖；圖3為本發(fā)明多級制冷壓縮機系統(tǒng)的一實施例的示意流程圖；及圖4為用于冷卻兩工業(yè)生產(chǎn)液流的在制冷系統(tǒng)的圖3的壓縮機系統(tǒng)的示范性應(yīng)用。
如圖3所示，管子3內(nèi)的最低壓力蒸發(fā)制冷流導(dǎo)入第一級41的入口，該第一級41可指定為第一壓縮機43的低壓級A。管子9內(nèi)的高壓制冷流導(dǎo)入第二級45，該第二級45可指定為第一壓縮機43的高壓級D。管子5內(nèi)的中低壓制冷流導(dǎo)入第一級47，該第一級47可指定為第二壓縮機49的中低壓級B。管子7內(nèi)的中高壓制冷流導(dǎo)入第二級51，該第二級51可指定為第二壓縮機49的中高壓級C。壓縮機43、49的每一級可包括一個或多個葉輪，且壓縮漸增的氣體質(zhì)量流。管子53、55內(nèi)的最后的壓縮制冷氣流連接在一起，且經(jīng)由管子57返回到制冷系統(tǒng)1。
通過低壓級A(第一級41)的質(zhì)量流為進入管子3的質(zhì)量流，在高壓級D(第二級45)的質(zhì)量流為進入管子3與9的質(zhì)量流之和，在中低壓級B(第一級47)的質(zhì)量流為進入管子5的質(zhì)量流，在中高壓級C(第二級51)的質(zhì)量流為進入管子5與7的質(zhì)量流之和。這種分級壓縮機排列提供一種替代方法，以排除單一大壓縮機11(如圖1所示)的尺寸與輸入速度問題，不會出現(xiàn)上述兩個相同半尺寸規(guī)格的壓縮機的平衡問題。
在下面表一中，上述本發(fā)明的實施例與圖1-2所示的現(xiàn)有方法進行比較，該表一顯示通過每一壓縮機級的質(zhì)量流流量，F(xiàn)3、F5、F7與F9分別代表管子3、5、7與9的質(zhì)量流量。
表一圖3所示的實施例與圖1-2所示的現(xiàn)有技術(shù)的比較
壓縮機的調(diào)節(jié)范圍、效率與流量很大程度由每個單獨的葉輪的入口流量系數(shù)與相對入口馬赫數(shù)決定，相對入口馬赫數(shù)是被壓縮氣體的分子量與葉輪在入口處的幾何形狀的正函數(shù)。
葉輪端速馬赫數(shù)或相當(dāng)?shù)亩怂僖彩侨~輪調(diào)節(jié)范圍與流量的重要測量標(biāo)準(zhǔn)，且在未知入口幾何形狀時用于壓縮機的初始測量。在葉輪的齒頂圓直徑計算端速馬赫數(shù)。入口流量系數(shù)與葉輪端速是入口容積流速、葉輪轉(zhuǎn)速與葉輪直徑的函數(shù)，高端速減少葉輪的調(diào)整范圍，高流量系數(shù)與高端速也限制葉輪流量。這已記載在J.F.Blahovec等人的論文里，該論文在1998年的德州學(xué)院站第27屆渦輪機討論會上發(fā)表過。
上述壓縮系統(tǒng)的應(yīng)用說明如圖4所示，使用丙烷制冷劑來冷卻工業(yè)生產(chǎn)液流。在本應(yīng)用中，在熱交換器59內(nèi)冷卻與冷凝150至250磅/平方英寸絕對壓力(psia)(1025至1725kPa)的管子57內(nèi)的壓縮制冷氣體，以提供50至120(10至50℃)的管子61內(nèi)的冷凝制冷流。冷凝制冷流的一部分穿過節(jié)流閥63壓力降低到75至125psia(520至860kPa)的第四壓力，且被導(dǎo)入熱交換器65，其中該制冷流蒸發(fā)且提供制冷以冷卻工業(yè)生產(chǎn)液流67。蒸發(fā)制冷流經(jīng)由管子9返回以提供從管子9到壓縮機43的中低壓縮機級45的第四制冷氣體。
從熱交換器65的未蒸發(fā)液體制冷流經(jīng)由管子69流回，穿過節(jié)流閥71壓力降低到40至70psia(275至480kPa)的第三壓力，且被導(dǎo)入熱交換器73，其中該制冷流蒸發(fā)且提供制冷以冷卻來自熱交換器65的工業(yè)生產(chǎn)液流75。蒸發(fā)制冷流經(jīng)由熱交換器流回以返回從管子7到壓縮機49的高壓壓縮機級51的第三制冷氣體。
未蒸發(fā)液體制冷流經(jīng)由管子77流回，穿過節(jié)流閥79壓力降低到20至30psia(140至205kPa)的第二壓力，且被導(dǎo)入熱交換器81，其中該制冷流蒸發(fā)且提供制冷以冷卻來自熱交換器73的工業(yè)生產(chǎn)液流83。蒸發(fā)制冷流從熱交換器流回以返回從管子5到壓縮機49的中高壓壓縮機級47的第二制冷氣體。
未蒸發(fā)液體制冷流經(jīng)由管子85流回，穿過節(jié)流閥87壓力降低到14至21psia(95至145kPa)的第一壓力，且被導(dǎo)入熱交換器89，其中該制冷流蒸發(fā)且提供制冷以冷卻來自熱交換器81的工業(yè)生產(chǎn)液流91。蒸發(fā)制冷流經(jīng)由管子3返回以提供第一制冷氣體到壓縮機43的低壓壓縮機級41。最后的冷卻工業(yè)生產(chǎn)液流從管子93流回。
管子3、5、7與9的第一、第二、第三與第四制冷氣流分別在壓縮機級41、47、51與45被壓縮，以提供在管子53、55與57的壓縮制冷氣體。
例如，工業(yè)生產(chǎn)液流67可以是天然氣流，在進一步冷卻與液化前通過使用混合液體制冷流的制冷系統(tǒng)或通過包含使用中間溫度的混合液體制冷流的制冷系統(tǒng)與低于液化溫度的低溫氣體增強制冷系統(tǒng)的混合制冷系統(tǒng)預(yù)冷卻該天然氣流。
額外的制冷可隨意提供以冷卻另一工業(yè)生產(chǎn)液流95，其中管子61內(nèi)的冷凝制冷流的第二部分穿過節(jié)流閥97壓力降低到75至125psia(520至860kPa)的第四壓力，且被導(dǎo)入熱交換器99，其中該制冷流蒸發(fā)且提供制冷以冷卻工業(yè)生產(chǎn)液流95。蒸發(fā)制冷流經(jīng)由管子101與9返回到中低壓縮機級45。
從熱交換器99的未蒸發(fā)液體制冷流經(jīng)由管子103流回，穿過節(jié)流閥105壓力降低到40至70psia(275至480kPa)的第三壓力，且被導(dǎo)入熱交換器107，其中該制冷流蒸發(fā)且提供制冷以冷卻來自熱交換器99的工業(yè)生產(chǎn)液流109。蒸發(fā)制冷流經(jīng)由熱交換器流回以返回從管子111與7到高壓壓縮機級51。
未蒸發(fā)液體制冷流經(jīng)由管子113從熱交換器107流回，穿過節(jié)流閥115壓力降低到20至30psia(125至205kPa)的第二壓力，且被導(dǎo)入熱交換器117，其中該制冷流蒸發(fā)且提供制冷以冷卻來自熱交換器107的工業(yè)生產(chǎn)液流119。蒸發(fā)制冷流從熱交換器流回以返回經(jīng)由管子121與5到中高壓壓縮機級47的第二制冷氣體。
未蒸發(fā)液體制冷流經(jīng)由管子123流回，穿過節(jié)流閥125壓力降低到14至21psia(95至145kPa)的第一壓力，且被導(dǎo)入熱交換器127，其中該制冷流蒸發(fā)且提供制冷以冷卻來自熱交換器117的工業(yè)生產(chǎn)液流129。蒸發(fā)制冷流經(jīng)由管子131與3返回到低壓壓縮機級41。最后的冷卻工業(yè)生產(chǎn)液流從管子133流回。
例如，工業(yè)生產(chǎn)液流95可以是制冷系統(tǒng)(未圖標(biāo))里的壓縮混合制冷流，其用于進一步制冷與液化由管子93提供的預(yù)冷卻天然氣流。工業(yè)生產(chǎn)液流95也可以選擇是混合制冷系統(tǒng)(未圖標(biāo))里的壓縮混合制冷流，該混合制冷系統(tǒng)包含使用中間溫度的混合液體制冷流的制冷系統(tǒng)與低于液化溫度的低溫氣體增強制冷系統(tǒng)。
雖然本發(fā)明的上述實施例用于來自制冷系統(tǒng)的不同壓力下的四種制冷氣流的壓縮，所述的壓縮系統(tǒng)可以用于壓縮包含為任何目的的任何類型氣體的四種氣流，例如，壓縮系統(tǒng)可用于壓縮用于蒸汽再壓縮型的制冷系統(tǒng)的混合制冷流，其中該冷凝混合制冷流在四種不同的壓力下蒸發(fā)。
下述范例說明本發(fā)明的實施例，而不是限制本發(fā)明于任何一種下述的特定細(xì)節(jié)。
范例1天然氣以4000000美噸/年(3600千克/年)的生產(chǎn)率進行液化，同時使用丙烷預(yù)冷卻混合制冷液化工藝合作生產(chǎn)1000000美噸/年(900千克/年)的液化石油氣。圖4所示的丙烷制冷系統(tǒng)用在最后冷卻與液化前預(yù)冷卻原料氣，冷卻壓縮混合制冷流與提供液化設(shè)備輔助制冷。該蒸發(fā)的丙烷制冷流流速與條件如下從入口到低壓級41在-36(-38℃)與16psia(110kPa)下，每小時16909磅分子(7670千克分子(kg moles))；從入口到中低壓級47在-13(-25℃)與28psia(195kPa)下，每小時32042磅分子(14534千克分子)；從入口到中高壓級51在+20(-7℃)與54psia(370kPa)下，每小時33480磅分子(15186千克分子)；從入口到高壓級45在+60(16℃)與106psia(730kPa)下，每小時32772磅分子(14865千克分子)。在后冷卻機59冷卻之后的經(jīng)由管子61傳輸?shù)街评溲h(huán)的上述產(chǎn)生的全部壓縮丙烷制冷流是在+112(44℃)與208psia(1435kPa)下每小時115203磅分子(52255千克分子)。
在本范例中，壓縮機級41具有三個葉輪，壓縮機級47具有一個葉輪，壓縮機級51具有二個葉輪，壓縮機級45具有二個葉輪，其工藝參數(shù)與計算功率要求歸納于表二。功率要求基于用于大壓縮機的平均單個葉輪效率計算出來的，壓縮機廠商現(xiàn)可提供這種大壓縮機。
表二范例1的壓縮機參數(shù)(參照圖4)
輸入流量系數(shù)定義如下＝700Q/Nd3(＝405000Q’3/Nd’3)其中Q是以立方英尺/分為單位的實際輸入容積流速(Q’以立方米/分為單位)，N是以轉(zhuǎn)數(shù)/每分鐘為單位的轉(zhuǎn)速，d是以英寸為單位的葉輪直徑(d’以厘米為單位)。
范例2使用圖2所示的現(xiàn)有壓縮機排列來進行范例1的操作，其結(jié)果列于表三。
表三范例2的壓縮機參數(shù)(參照圖2)
相較于圖2的現(xiàn)有系統(tǒng)，本發(fā)明的分級壓力機布置在一些壓縮機級提供較大的調(diào)節(jié)范圍與較大的流量。穿過分級壓力機布置的低壓級(即圖2所示的級23與圖3與4所示的級41)的單獨的多葉輪的液壓壓頭或壓力提升可以被調(diào)整以使所有的葉輪本質(zhì)上達到相同的端速。在中高壓力級(圖3與4所示的級51)，流量系數(shù)與端速幾乎與圖2所示的現(xiàn)有系統(tǒng)(級27)的相同，且兩者提供本質(zhì)上相同的調(diào)節(jié)范圍與流量。
本發(fā)明的分級壓力機布置在中低壓級(圖3與4所示的級47)提供比現(xiàn)有系統(tǒng)(圖2所示的級29)略大的調(diào)節(jié)范圍與流量，由于葉輪的低端速，在高壓級(圖3與4所示的級45)提供比現(xiàn)有系統(tǒng)(圖2所示的級33)大得多的調(diào)節(jié)范圍與流量。可以在現(xiàn)有布置的級33增設(shè)一個第二葉輪以降低葉輪端速，但這將增加第一葉輪的流量系數(shù)到接近最大的容許值且嚴(yán)格地限制該級的流量。
由于本發(fā)明范例1的用于液化天然氣的生產(chǎn)的分級壓力機具有比范例2的現(xiàn)有系統(tǒng)大的調(diào)節(jié)性能，當(dāng)設(shè)備的操作者要求低液化天然氣生產(chǎn)率時，相較于范例2的系統(tǒng)，范例1的系統(tǒng)將有代表性地導(dǎo)致每美噸(907千克)的液化天然氣產(chǎn)品的功率系數(shù)更低。
以上所述，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)構(gòu)思作出其它各種相應(yīng)的改變和變形，而所有這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種壓縮機系統(tǒng)，包括(a)第一壓縮機，該第一壓縮機具有第一與第二級，其中第一壓縮機的第一級用于壓縮第一氣體，第一壓縮機的第二級用于壓縮第四氣體與來自第一壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合；(b)第二壓縮機，該第二壓縮機具有第一與第二級，其中第二壓縮機的第一級用于壓縮第二氣體，第二壓縮機的第二級用于壓縮第三氣體與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合；其中，第一氣體處于第一壓力下，第二氣體處于比第一壓力高的第二壓力，第三氣體處于比第二壓力高的第三壓力，第四氣體處于比第三壓力高的第四壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的壓縮機系統(tǒng)，其中還包括管道裝置，用于連接第一壓縮機的第二級的出口與第二壓縮機的第二級的出口以提供一組合壓縮氣體。
3.一種氣體壓縮方法，包括(a)壓縮第一壓縮機的第一級里的第一氣體，在第一壓縮機的第二級壓縮第四氣體與來自第一壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合，及抽回來自第一壓縮機的第二級的第一壓縮氣流；(b)壓縮第二壓縮機的第一級的第二氣體，在第二壓縮機的第二級里壓縮第三氣體與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合，及抽回來自第二壓縮機的第二級的第二壓縮氣流；(c)組合第一與第二壓縮氣流以提供最后的壓縮氣流；其中，第一氣體處于第一壓力下，第二氣體處于比第一壓力高的第二壓力，第三氣體處于比第二壓力高的第三壓力，第四氣體處于比第三壓力高的第四壓力，最后的壓縮氣流處于比第四壓力高的最后壓力。
4.如權(quán)利要求3所述的氣體壓縮方法，其中任何所述的第一、二、三與四氣體是制冷系統(tǒng)提供的制冷氣體，最后的壓縮氣流是提供給制冷系統(tǒng)的壓縮制冷氣體。
5.一種制冷系統(tǒng)，用于在多溫度級提供制冷，包括(a)壓縮機系統(tǒng)，用于提供壓縮制冷空氣，該壓縮機系統(tǒng)包括(1)第一壓縮機，該第一壓縮機具有第一與第二級，其中第一壓縮機的第一級用于壓縮第一制冷氣體，第一壓縮機的第二級用于壓縮第四制冷氣體與來自第一壓縮機的第一級的中間壓縮制冷氣體的組合；(2)第二壓縮機，該第二壓縮機具有第一與第二級，其中第二壓縮機的第一級用于壓縮第二制冷氣體，第二壓縮機的第二級用于壓縮第三制冷氣體與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮制冷氣體的組合；(3)管道裝置，用于連接第一壓縮機的第二級的出口與第二壓縮機的第二級的出口以提供一壓縮制冷氣體；其中，第一氣體處于第一壓力下，第二氣體處于比第一壓力高的第二壓力，第三氣體處于比第二壓力高的第三壓力，第四氣體處于比第三壓力高的第四壓力；(b)壓縮機的后冷卻機，用于冷卻與冷凝壓縮制冷氣體，藉以提供冷凝制冷流；(c)制冷設(shè)備，用于提供在四個溫度范圍內(nèi)的制冷，該制冷設(shè)備包括(i)第一壓力減小裝置，用于減小冷凝制冷流的壓力至第四壓力，藉以提供第一減壓制冷液；(ii)熱交換裝置，用于蒸發(fā)在第四壓力的第一減壓制冷液的第一制冷部分，藉以提供在第一溫度范圍的制冷及提供第四制冷氣體；(iii)第二壓力減小裝置，用于將在第四壓力的第一減壓制冷液的第二制冷部分的壓力從第四壓力減小到第三壓力，藉以提供第二減壓制冷液；(iv)熱交換裝置，用于蒸發(fā)在第三壓力的第二減壓制冷液的第一制冷部分，藉以提供在第二溫度范圍的制冷及提供第三制冷氣體；(v)第三壓力減小裝置，用于將第二減壓制冷液的第二制冷部分的壓力從第三壓力減小到第二壓力，藉以提供第三減壓制冷液；(vi)熱交換裝置，用于蒸發(fā)在第二壓力的第三減壓制冷液的第一制冷部分，藉以提供在第三溫度范圍的制冷及提供第二制冷氣體；(vii)第四壓力減小裝置，用于將第三減壓制冷液的第二制冷部分的壓力從第二壓力減小到第一壓力，藉以提供在第一壓力的第四減壓制冷液；(viii)熱交換裝置，用于蒸發(fā)在第一壓力的減壓液，藉以提供在第四溫度范圍的制冷及提供第一制冷氣體。
6.如權(quán)利要求5所述的制冷系統(tǒng)，其中該制冷設(shè)備用于冷卻另一壓縮制冷氣體。
7.如權(quán)利要求5所述的制冷系統(tǒng)，其中該制冷設(shè)備用于在液化前預(yù)冷卻天然氣。
8.一種制冷方法，包括(a)(1)壓縮第一壓縮機的第一級里的第一制冷氣體，在第一壓縮機的第二級壓縮第四氣體與來自第一壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合；(2)壓縮第二壓縮機的第一級的第二制冷氣體，在第二壓縮機的第二級里壓縮第三氣體與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合；(3)連接第一壓縮機的第二級的出口與第二壓縮機的第二級的出口以提供一壓縮制冷氣體；其中，第一氣體處于第一壓力下，第二氣體處于比第一壓力高的第二壓力下，第三氣體處于比第二壓力高的第三壓力下，第四氣體處于比第三壓力高的第四壓力下；(b)冷卻與冷凝壓縮制冷氣體，藉以提供冷凝制冷流；(c)通過下述步驟提供在四個溫度范圍內(nèi)的制冷，(i)減小冷凝制冷流的壓力至第四壓力，藉以提供第一減壓制冷液；(ii)蒸發(fā)在第四壓力的第一減壓制冷液的第一制冷部分，藉以提供在第一溫度范圍的制冷及提供第四制冷氣體；(iii)將第一減壓制冷液的第二制冷部分的壓力從第四壓力減小到第三壓力，藉以提供第二減壓制冷液；(iv)蒸發(fā)在第三壓力的第二減壓制冷液的第一制冷部分，藉以提供在第二溫度范圍的制冷及提供第三制冷氣體；(v)將第二減壓制冷液的第二制冷部分的壓力從第三壓力減小到第二壓力，藉以提供第三減壓制冷液；(vi)蒸發(fā)在第二壓力的第三減壓制冷液的第一制冷部分，藉以提供在第三溫度范圍的制冷及提供第二制冷氣體；(Vii)將第三減壓制冷液的第二制冷部分的壓力從第二壓力減小到第一壓力，藉以提供第四減壓制冷液；及(viii)蒸發(fā)在第一壓力的第四減壓制冷液，藉以提供在第四溫度范圍的制冷及提供第一制冷氣體。
9.如權(quán)利要求8所述的制冷方法，其中進一步包括通過在第一、第二、第三與第四溫度范圍中的至少一個里的制冷來冷卻額外的壓縮制冷氣體。
10.如權(quán)利要求9所述的制冷方法，其中該額外的壓縮制冷氣體是包含從氮與具有一個至五個碳原子的碳?xì)浠衔镞x出的兩種或更多成份的混合制冷氣體。
11.如權(quán)利要求8所述的制冷方法，其中進一步包括通過在第一、第二、第三與第四溫度范圍中的至少一個所提供的制冷在液化前預(yù)冷卻天然氣。
12.如權(quán)利要求8至11中任一項所述的制冷方法，其中該壓縮制冷氣體包含從具有二個至四個碳原子的碳?xì)浠衔镞x出的單一成份。
13.如權(quán)利要求8至11中任一項所述的制冷方法，其中該壓縮制冷氣體包含從氮與具有一個至五個碳原子的碳?xì)浠衔镞x出的兩種或更多成份。
全文摘要
一種壓縮機系統(tǒng)，包括(a)第一壓縮機(43)，該第一壓縮機具有第一與第二級(41、45)，其中第一壓縮機的第一級(41)用于壓縮第一氣體(3)，第一壓縮機的第二級(45)用于壓縮第四氣體(9)與來自第一壓縮機(43)的第一級的中間壓縮氣體的組合；(b)第二壓縮機(49)，該第二壓縮機具有第一與第二級(47、51)，其中第二壓縮機的第一級(47)用于壓縮第二氣體(5)，第二壓縮機的第二級(51)用于壓縮第三氣體(7)與來自第二壓縮機的第一級的中間壓縮氣體的組合。第二氣體(5)處于比第一氣體(3)高的壓力下，第三氣體(7)處于比第二氣體高的壓力下，第四氣體(9)處于比第三氣體高的壓力下。本系統(tǒng)具有特定的多級制冷應(yīng)用，尤其是用于液化天然氣。
文檔編號F25B1/10GK1890523SQ200480036353
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月10日
發(fā)明者J·M·帕特羅斯基, M·J·羅伯茨 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司