CN101443558B - 多级压缩机、包括这种压缩机的空气分离装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括安装在公共轴线上的第一级(1)和第二级(2)的压缩机，该压缩机具有用于向第一级供应待压缩的气体的装置、用于将压缩气体从第一级的传输侧传递到第二级的进口侧的装置、用于在第二级的传输侧上产生加压气体的装置、用于将压缩气体从第一级的传输侧传送到第二级的进口侧的装置、位于第一级的传输侧下游和第二级的进口侧上游的用于减小压缩气体的压力的节流阀(V1)、用于将压缩气体从第一级的传输侧通过所述节流阀传递到第二级进口侧的装置、以及用于将部分在第一级中压缩的气体排到外部的装置(17、VD1)。本发明还涉及应用于空气分离装置的压缩空气的生产。

Description

多级压缩机、包括这种压缩机的空气分离装置及设备
技术领域
本发明涉及一种多级压缩机、包括这种压缩机的空气分离装置及设备。
背景技术
在使用气化炉(gazéifieur)中的氧的IGCC发电方法中，能够使用燃气轮机压缩机中压缩的部分空气以供给空气分离装置(ASU)，该空气分离装置向气化炉中供应氧。
这种布置用于适应燃气轮机的运行，所述燃气轮机通常设计成燃烧热值比气化炉产生的燃气更高的燃气。
来自燃气轮机的空气的压力通常高于ASU中正常使用的空气压力。为了避免任何功率损失，此空气以可用的压力在ASU中使用是有利的。当此空气仅形成对ASU的供应的一部分时，其余所需的空气必须在独立的压缩机中进行压缩。这样是优选的：将第二空气流率压缩到与来自燃气轮机压缩机的空气流率相同的压力，使得所述方法不依赖于取自燃气轮机的空气比例，此比例可能随时改变。
然后就会出现IGCC中常常碰到的问题。即，如何减小空气的加载量，这需要能够降低到额定加载量的50％，同时减少燃气轮机中压缩空气的压力，减少量也是大约50％。
因此供应ASU的独立空气压缩机的流率会减少，减少量可高达50％或60％(如果提取的空气比例的增加被补充到ASU的流率的减少中)。此外，独立压缩机中压缩空气的压力需要减小大约50％。
常规的方法是用内部调节机构，例如在各级的进口侧上的动叶片将压缩机的流率减少到一定程度。为了实现流率的显著减少，可设想使用所有级的进口侧上的动叶片。那样可期望能将流率减少到额定流率的70％而不减少传输侧的压力。效率的损失将是5％到10％，然后空气的压力必须减小到期望的压力。即使假设叶轮的效率相对于额定效率没有减少，功率消耗仍然是额定功率的70％，即使仅有50％的额定流率需要压缩到非常低的压力也是如此。如果要求减小每一级的传输侧的压力，那么压缩机叶轮的特征使得这将导致流率的增加，这意味着动叶片需要有更大的作用(plusloin dans l’action)，导致甚至更大的效率损失。在根据本发明的方案中，额定流率的20％被排到外部环境中，压缩空气被节流以将其压力减小到要求的压力。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种包括安装在公共轴线上的第一级和第二级的压缩机，该压缩机具有用于向第一级供应待压缩的气体的装置、用于将压缩的气体从第一级的传输侧传递到第二级的进口侧的装置、以及用于在第二级的传输侧上产生加压气体的装置，其特征在于，该压缩机包括位于第一级的传输侧下游和第二级的进口侧上游的用于减小压缩气体的压力的节流阀、用于将压缩的气体从第一级的传输侧通过所述节流阀传递到第二级的进口侧的装置、以及用于将在第一级中压缩的气体的一部分排到外部的装置。
可选地：
-所述压缩机包括第三级，用于将加压气体从第二级的传输侧传递到第三级的进口侧的装置，位于第二级的传输侧下游和第三级的进口侧上游的用于减小压缩气体的压力的节流阀，以及用于将在第二级中压缩的气体的一部分排到外部的装置。
-第一级具有流量调节动叶片。
-所述压缩机在第三级的下游包括至少一级，但是在第三级的传输侧和第三级下游的所述(至少一)级之间没有减压装置。
-节流阀位于压缩机的一个级的上游和一冷却器的上游或下游，所述冷却器设计成冷却用于那一级的空气。
本发明的另一方面是提供一种采用低温蒸馏的空气分离装置，该空气分离装置包括至少一个如上所述的压缩机。
本发明的另一方面是提供一种设备，该设备包括第一空气压缩机、燃烧室、燃气轮机、用于将空气从第一空气压缩机传送到燃烧室的装置、用于将燃烧气体(gaz de combustion)传送到燃气轮机的装置、空气分离装置、用于将空气从第一空气压缩机传送到空气分离装置的装置、第二空气压缩机和用于将空气从第二空气压缩机传送到空气分离装置的装置，其特征在于，该第二空气压缩机是上文描述的压缩机。
本发明的另一方面是提供一种用于生成能量(能源，énergie)和空气中的一种气体的综合方法，其中在第一空气压缩机中将空气压缩到第一压力，将部分来自第一空气压缩机的空气传送到燃烧室，将燃烧气体传送到燃气轮机，将部分来自第一空气压缩机的空气传送到空气分离装置，在第二压缩机中将空气压缩到第一压力并传送到该空气分离装置，该第二压缩机包括至少两级，其中，为了将额定流率压缩到该空气分离装置所需的第一压力，将空气从该第二压缩机的第一级传送到该第二压缩机的第二级，其特征在于，为了产生该空气分离装置所需的减小的压力下的减小的流率，将在第一级中压缩的空气的一部分排到外部，并且来自第一级的剩余空气的压力在第二级的上游的节流阀中减小。
作为可能的选择：
-第二压缩机包括至少三级，为了将额定流率压缩到所述空气分离装置所需的第一压力，将空气从第二压缩机的第二级传送到第二压缩机的第三级，其特征在于，为了产生该空气分离装置所需的减小的压力下的减小的流率，将在第一级中压缩的空气的一部分排到外部，来自第二级的剩余空气的压力在第三级的上游的节流阀中减小。
-在第二(和第三)级的进口侧和/或传输侧的压缩空气的体积流率在额定操作和减小流率(réduite)操作之间大致保持不变。
本发明提出的方案是在第二压缩级的进口侧附加一节流阀，并且如果需要的话，在第三级和随后的级的进口侧也附加节流阀。此阀的作用是减小下一级的进口压力，从而如果保持其压缩比且其传输压力以与进口压力相同的比例减小，则其体积流率将保持不变而其质量流率将以与进口压力相同的比例减小。通过保持随后的级的额定压缩比，即通过以相同的比例减小压力，则在所有这些级中可实现相同的流率减少而没有效率的损失，因为所有的这些级实际上将在它们的额定点操作。因此，在节流阀后的所有级都可获得减小的流率，同时传输压力和功率也减小，它们减小的比例都相同，而没有任何效率损失。
附图说明
参考附图将详细描述本发明，其中：
-图1和图2示出根据本发明的压缩机；
-图3示出根据本发明的设备。
具体实施方式
图1示出具有在同一轴线上的五个级1、2、3、4、5并在每一级之间和最后一级的下游具有冷却装置R1、R2、R3、R4、R5的压缩机C2。空气7被传送到具有流量调节动叶片的第一级1。
在额定操作过程中，级1的叶片不会减小流率，在第一级1中压缩的全部空气进入管道15、19、21，通过节流阀V1而不会减小压力。该流率然后在级2、3、4、5中压缩。
在减小流率的操作中，第一级1的叶片将空气7的流率减小到额定流率的70％。占额定流率的12.2％的流率通过管道17和减压阀VD1排到外部。占额定流率的57.8％的剩余空气传送到冷却器R1，然后传送到节流阀，该节流阀将其压力减小到额定压力值的57.8％。此减压的流率通过管道21传送到第二级2的进口侧。该流率然后在级2、3、4和5中压缩，除了由于通过冷却器R2、R3、R4和R5的压降之外相邻两级之间没有任何压力减小。最终空气压力将是8.9bar。
对于压缩机的每个给定的位置，体积流率在额定操作和减小流率操作之间保持基本不变。
图2示出具有五个级1、2、3、4、5，在每一级之间和最后一级的下游具有冷却装置R1、R2、R3、R4、R5的另一压缩机C2。空气7被传送到具有流量调节动叶片的第一级1。
在额定操作过程中，级1的叶片不会减小流率，在第一级1中压缩的全部空气进入管道15、19、21，通过节流阀V1而不会减小压力。压缩空气在第二级2的下游由冷却器R2冷却，然后通过节流阀V2而不减小其压力。该流率然后在级3、4、5中压缩。
在减小流率的操作中，级1的叶片将空气7的流率减小到额定流率的70％。占额定流率的12.2％的流率通过管道17和减压阀VD1排到外部。占额定流率的57.8％的剩余空气传送到冷却器R1，然后传送到节流阀，该节流阀将其压力减小到额定压力的57.8％。此减压的流率通过管道21传送到第二级2的进口侧。此流率在第二级中压缩并分成两个部分。额定流率的6.3％通过管道27和减压阀VD2排到外部，而来自第二级的剩余空气由冷却器R2冷却，然后通过第二节流阀V2减小其压力，其中流率减小到额定流率的51.5％，压力减小到额定压力的51.5％。该流率然后在级3、4和5中压缩，除了由于通过冷却器R3、R4和R5的压降之外相邻两级之间没有任何压力减小。最终空气压力将是8.04bar。
对于压缩机的每个给定的位置，体积流率在额定操作和减小流率操作之间保持基本不变。
在图3中，空气在绝热的压缩机C1中压缩并分成两个部分。一部分9被冷却(未示出)并传送到空气分离装置ASU。一部分10被传送到燃烧室CC以便和燃料12例如天然气或煤一起燃烧。燃烧气体13在联接于压缩机C1的涡轮机T1中膨胀至一减小的压力。空气分离装置也由根据本发明的压缩机C2供应空气8，所述压缩机C2可以是结合附图1和2所描述的压缩机。来自空气分离装置的氮11可能被传送到燃气轮机，并且该空气分离装置也产生用于气化炉的氧12。
在此列举出由该同时减小质量流率和压力的装置所提供的优点的一个例子。
假设额定流率为100Nm3/h，额定传输压力为16atm abs，以及五级压缩机。
每一级的功率值等于0.1×log(Pref/Pasp)×流率的乘积，Pref是传输压力，Pasp是入口压力，该功率值给出以kW表示的实际值，压缩机的功率为各级功率之和。
在减小流率的情况下，假设流率是50Nm3/h，要求的传输压力是8atmabs。
如果要保持效率，则所消耗的功率大致等于额定功率的0.5×log(8)/log(16)＝37.5％。
在附表中，第一种减小流率的情况示出在每一级中使用动叶片所获得的功率，假设(非常乐观地)这种方法能够将质量流率减少到70％而没有效率损失。
第二种减小流率的情况示出仅在第一级使用动叶片和在第二级的进口侧上使用节流阀，也就是根据本发明的压缩机。在此示例中，此方案并不足以将压力和流率降低到所要求的值，但是在功率消耗方面与仅使用动叶片的方案相比会节省大约14％。
在第三种减小流率的情况中，使用了根据本发明的压缩机，并且与情况2比较，在第三级的进口侧附加一阀，从而允许传输压力和流率在随后的级中继续减小。与基本情况相比功率的减小约为20％。
本发明要求保护质量流率和传输压力同时减少超过25％的多级压缩机，在第二级的进口侧使用节流阀，并且如果需要的话，在随后的级中也使用节流阀。
Figure G2007800175911D00071

Claims (6)

1.一种通过低温蒸馏分离空气的空气分离装置，包括具有第一级(1)和第二级(2)的压缩机，该压缩机具有用于向第一级供应待压缩的空气的装置、用于将压缩空气从第一级的传输侧在不经过第一级的进口侧的情况下传递到第二级的进口侧的装置、用于在第二级的传输侧上产生加压空气的装置、传送加压空气以用于低温蒸馏的装置、位于第一级的传输侧下游和第二级的进口侧上游的用于减小压缩空气压力的第一节流阀(V1)、以及用于将部分在第一级中压缩的空气排到外部的装置(17、VD1)，其中，所述第一级(1)和第二级(2)安装在公共轴线上，所述用于将压缩空气从第一级的传输侧在不经过第一级的进口侧的情况下传递到第二级的进口侧的装置将压缩空气从第一级的传输侧通过所述第一节流阀传递到第二级的进口侧。 
2.根据权利要求1所述的空气分离装置，其特征在于，该压缩机包括第三级(3)、用于将加压空气从第二级的传输侧传递到第三级的进口侧的装置、位于第二级的传输侧下游和第三级的进口侧上游的用于减小压缩空气压力的第二节流阀(V2)、以及用于将部分在第二级中压缩的空气排到外部的装置(27、VD2)。 
3.根据权利要求1或2所述的空气分离装置，其特征在于，第一级(1)具有流量调节动叶片。 
4.根据权利要求2所述的空气分离装置，其特征在于，该压缩机在第三级的紧下游包括一级，但是在第三级的传输侧和第三级的紧下游处的该级之间没有减压装置。 
5.根据权利要求1所述的空气分离装置，其特征在于，所述第一节流阀(V1)位于压缩机的第二级(2)的上游和第一冷却器(R1)的上游或下游，所述第一冷却器(R1)设计成冷却待用于第二级的空气。 
6.根据权利要求2所述的空气分离装置，其特征在于，所述第二节流阀(V2)位于压缩机的第三级(3)的上游和第二冷却器(R2)的上游或 下游，所述第二冷却器(R2)设计成冷却待用于第三级的空气。 
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