CN102405391B - 制冷产生方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于在以低于环境温度操作的工艺中产生制冷的方法和设备，其中制冷通过涡轮膨胀机产生。涡轮膨胀机被联接到发电机，所述发电机被控制使得其速度通过电磁制动保持在设置点并且其功率输出保持在线路匹配电压和频率。因此，发电机的速度控制还控制涡轮膨胀机的速度。设置点被计算为等于操作效率参数U/Co与传送通过涡轮膨胀机的流中的焓降的两倍的平方根的乘积除以pi与用于涡轮膨胀机中的叶轮直径的乘积。

Description

制冷产生方法和系统
技术领域
本发明涉及用于在以低于环境温度操作的工艺中产生制冷的方法和设备，其中制冷通过涡轮膨胀机产生且膨胀功通过联接到涡轮膨胀机的可变速度发电机转化为电功率。更具体地，本发明涉及这样的方法和系统，其中辅助控制器计算涡轮膨胀机的有效速度，并且这种有效速度用作与可变速度发电机相关的速度控制器的输入，以通过电磁制动来控制发电机的速度以及因此控制涡轮膨胀机。
背景技术
制冷在诸如空气分离设备和液化器的低于环境温度的设备中产生，以产生用于这种设备操作所需要的低于环境温度的必要温度。通过做功将压缩流膨胀至较低压力而产生制冷，以产生冷排出流，所述冷排出流被用于向该设备给予制冷。膨胀功必须从该设备提取，且这是通过在油制动机构中产生热量来完成的，所述热量通过压缩机或发电机所施加的负载而驱散到设备之外，以产生可售出到电网的电力，以补偿在运行该设备中的电力成本。
例如，在空气分离设备中，空气被压缩并净化以产生被压缩流。被压缩流的一部分被引入到热交换器中并且被冷却至适于其在一个或多个蒸馏塔内精馏的温度，以产生氮气以及还可能的氧气和氩产品流。当期望有氮气和氧气产品流时，被压缩且净化的空气被引入到双塔单元中，所述双塔单元具有用于从空气分离氮气的高压蒸馏塔，以藉此产生粗液态氧气塔底物，也已知为釜液。塔底物液体流在低压塔中被进一步提炼，以产生富含氧气的液体塔底物，从其获取氧气产品以及富含氮气的蒸汽塔顶物。高压蒸馏塔还产生富含氮气的蒸汽塔顶物，其通过与在低压塔中的富含氧气的液体塔底物间接热交换而至少部分地被冷凝，以产生用于高压塔和低压塔的液态氮气回流。氮气产品从在低压塔、高压塔或低压塔和高压塔两者中产生的富含氮气的蒸汽获取或从被冷凝的富含氮气的液体的一部分获取。
在空气分离设备中，来自于低压塔的富含氮气的蒸汽以及富含氧气的液体连同其他流被引入到主热交换器的冷端中，以有助于冷却空气以及作为氮气和氧气产品排出。然而，在这样产品的排出中，在主热交换器的暖端存在热损失以及存在到绝热容器中的热泄漏，所述绝热容器已知为被用于容纳蒸馏塔的冷箱。为了补偿这种热泄漏和热损失，通过如下操作来产生制冷：进一步压缩被压缩且净化空气的另一部分；部分地冷却在主热交换器中的这种空气；以及接着将被压缩且部分地冷却的空气引入到涡轮膨胀机中。涡轮膨胀机可以联接到增压器压缩机或可用于驱动发电机。在被设计成产生高压气态氧气产品的空气分离设备中，来自于低压塔的富含氧气的液体流被泵送，且这种流在主热交换器内被暖热，以产生具有高压的气态氧气产品。为了暖热在主热交换器中的这种流，空气的又一部分被进一步压缩并接着在主热交换器内冷却。这种空气在冷却之后还可被引入到已知为液体膨胀机的涡轮机中，以产生更多的制冷。该涡轮机可联接到电功率发电机。
在气体（例如，大气中的气体或自然气体）在其中液化的液化器中，进入的气体流被压缩并在热交换器内冷却至液态或两相状态，其被分离为再循环的蒸汽以及设备的液态产品。被压缩流的一部分在涡轮膨胀机或可能地操作在逐次更低温度水平的一系列涡轮膨胀机中被进一步压缩并膨胀，以产生被再循环到热交换器中的排出流，以冷却要被液化的进入气体。涡轮膨胀机可联接到增压器压缩机、油制动机构或发电机。存在用于液化器中的许多不同循环且前述总体上表示这样循环中的一个。
在用于上述讨论目的的膨胀机中，膨胀机具有径向流入布局，其中进入的被压缩流由喷嘴导向到叶轮，所述叶轮可联接到发电机以产生电功率。在涡轮膨胀机被联接到发电机的情形中，通常交流感应电机被用作发电机。能够理解的是，为了供应电功率至电网，电力必须在稍微高于电网电压的情况下被产生，以将所产生的功率驱动到电网中，且处于电网中所采用的线路（line）频率，例如60赫兹。通过将电机用作被设计成以60赫兹操作的发电机，这种技术的应用变得十分直接。然而，一个问题在于，电机-发电机被设计成基于60赫兹的线路频率以最大额定3600 rpm操作，且涡轮膨胀机被设计成以更加高的速度（通常在20000与40000 rpm之间）操作。因此，必须使用复杂的齿轮传动机构，这固有地产生不可逆损失，该损失是在涡轮膨胀机和发电机之间的热量。此外，由于发电机速度被约束在3600 rpm，因此涡轮膨胀机的速度也受限制。任何涡轮机械具有指定等熵效率，其与传送通过这种机械的流量的能量以及机械的轴速度相关。更具体地，对于给定涡轮膨胀机，效率或者换句话说传递通过涡轮膨胀机的流的能量将被传输的程度将取决于流率以及传递通过涡轮膨胀机的流的焓降以及叶轮的速度。因此，在涡轮膨胀机和发电机之间的齿轮装置被设计用于涡轮膨胀机的正常操作速度，通过流的这种正常操作状态、流的压力和温度，涡轮膨胀机的效率将处于最大值。然而，在空气分离设备或液化器或其它低于环境温度的设备的降低（turndown）期间，在此期间设备以低于标准设计状况操作，涡轮膨胀机被约束成以不充分的方式操作，以便提供设置速度给连接到发电机的齿轮传动机构。
近来，已经研制出高速电机，所述高速电机具有复杂的电子驱动器单元，其允许电机以任何速度操作且具体地在与低于环境的装置的涡轮膨胀机所操作的速度工况相同的速度工况中操作。本文的发明人已经发现，复杂的电子驱动器以及特别地这种高速电机可用于制冷系统中，所述制冷系统用于诸如上述讨论的低于环境温度的设备中，从而缓解现有技术中前述的问题。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种在以低于环境温度操作的工艺中产生制冷的方法。如本文以及在权利要求书中所使用的，术语“工艺”是指任何这样的设备或设备系统，其被设计成通过添加由涡轮膨胀机全部或部分地产生的制冷以在低于环境温度的温度下处理工艺流体（例如，空气）。根据该方法，用于该工艺内的工艺流被压缩以产生被压缩工艺流。被压缩工艺流在涡轮膨胀机内膨胀，所述涡轮膨胀机具有由工艺流通过做功驱动的叶轮，藉此产生排出流。涡轮膨胀机被设计成以等于U/Co的优化值的操作效率参数操作。排出流被引入以向该工艺给予制冷。电功率在发电机中被产生，所述发电机具有联接到叶轮的转子，使得发电机通过膨胀功驱动。
发电机的转子速度通过电磁制动转子被控制，且因此涡轮膨胀机的速度也被控制，使得速度被保持在设置点并且发电机的电流输出随着转子速度的减少而增加并且随着转子速度的增加而减少。这里要注意的是，如在本文以及在权利要求书中所使用的，术语“电磁制动”是指由于用于发电机中的定子线圈中的被控制电流而在发电机转子中产生的反转扭矩或制动扭矩。此外，发电机所产生的电功率的电压和频率被控制，以便保持在线路匹配级别并且发电机所产生的电功率可在线路匹配级别被引入到本地电网中。
通过设置设置点等于操作效率参数与工艺流在进入涡轮膨胀机中时的焓与排出流在从涡轮膨胀机排出时的焓之间的差的两倍的平方根的乘积除以pi与叶轮直径的乘积，持续地确定转子速度的设置点。
因此，本发明允许发电机设置涡轮膨胀机的速度，所述速度基于流的焓降以及传递通过涡轮膨胀机的工艺流体的流率以获得操作效率参数，所述操作效率参数将产生对于给定组的操作状况而言总是最有效的涡轮膨胀机操作。结果是，在工艺的正常操作状况期间以及在降低状况期间，涡轮膨胀机将是最优效率的。
通过提供基于被压缩工艺流的压力和温度的被压缩工艺流的焓数据，可确定被压缩工艺流和排出流的焓之间的差。焓继而可通过下述步骤来确定：测量被压缩工艺流的流率以及测量被压缩工艺流的工艺流温度和压力；以及，从焓数据、流率以及被压缩工艺流温度和压力来确定入口焓。类似地，排出流的排出流温度和压力可被测量并且可从焓数据、流率以及排出流温度和压力来确定排出流的出口焓。之后，简单地从入口焓减去出口焓。
优选地，用流量转换器来测量流率，所述流量转换器产生与流率相关的流率信号；以及用温度传感器和压力转换器来测量被压缩工艺流温度和压力以及排出流温度和压力，所述温度传感器和压力转换器产生与被压缩工艺流温度和压力以及排出流温度和压力相关的温度和压力信号。辅助控制器响应于流率信号、温度和压力信号并且在数据库中包含焓数据，所述辅助控制器配置成确定入口焓、出口焓、在工艺入口流和排出流的焓之间的差、以及所述差的两倍的平方根以及将所述平方根除以pi与叶轮直径的乘积，用于计算转子速度的设置点的目的。
在另一方面，本发明提供一种制冷产生系统，其用于以低于环境温度操作的设备中。根据本发明的该方面，具有叶轮的涡轮膨胀机由在该设备内被压缩的工艺流驱动，使得被压缩工艺流通过做功而膨胀并且藉此通过涡轮膨胀机产生排出流。涡轮膨胀机被设计成以等于U/Co的优化值的操作效率参数来操作。涡轮膨胀机被连接到所述设备，使得工艺流被引入到涡轮膨胀机并且排出流被引入到该设备以在该设备中给予制冷。发电机被提供以产生电功率。发电机具有联接到叶轮的转子，使得发电机通过膨胀功驱动。发电机控制器被连接到发电机并且配置成通过电磁制动转子来控制发电机转子的速度以及因此控制涡轮膨胀机的速度，使得速度被保持在设置点并且发电机的电流输出随着转子速度减少而增加以及随着转子速度增加而减少。发电机控制器还控制发电机所产生的电功率的电压和频率，使得电压和频率被保持在线路匹配级别，以使得发电机所产生的电功率在线路匹配级别被引入到本地电网中。
流量转换器布置在涡轮膨胀机的上游，以便产生与被压缩工艺流的流率相关的流率信号。此外，上游的一对温度传感器和压力转换器设置在涡轮膨胀机的上游以便产生与工艺流温度和工艺流压力相关的工艺流温度和压力信号。下游的一对温度和压力转换器设置在涡轮膨胀机的下游以便产生与排出流温度和排出流压力相关的排出流温度和压力信号。辅助控制器被连接到发电机控制器并且响应于流率信号、工艺流和排出流温度和压力信号。所述辅助控制器在数据库中包含工艺流的焓数据。所述辅助控制器被编程以通过应用流率、工艺流温度和压力以及排出流温度和压力至焓数据来持续地确定被压缩工艺流的入口焓以及排出工艺流的排出流焓。所述控制器还被编程以计算入口焓和出口焓之间的差的两倍及其平方根，以及通过将涡轮膨胀机的操作效率参数乘以所述平方根以及将所述乘积除以pi与叶轮直径的乘积来计算转子速度的设置点。
在本发明的任一方面，发电机可以是直接联接到涡轮膨胀机的叶轮的永磁发电机，且发电机的转子速度和电功率由用于永磁发电机的变频驱动器控制，所述变频驱动器可配置有用于设置点的输入。使用永磁发电机是特别有利的，在于其消除了对于感应或独立激发的转子绕组电流的需要及其中的固有损失。此外，使用直接联接发电机也是有利的，在于其消除了在涡轮膨胀机和发电机之间的传动机构，所述传动机构自身产生不可逆损失。
此外，该工艺可以是空气分离工艺，或设备可以是低温空气分离设备，且由此工艺流包括被压缩且净化的空气。工艺流在增压器压缩机中被压缩以产生被压缩工艺流，且被压缩工艺流在空气分离设备中的主热交换器内被至少部分地冷却，或换句话说，至少冷却至主热交换器的暖端和冷端之间的温度。在被至少部分地冷却之后，被压缩工艺流被引入到涡轮膨胀机中，且通过将排出流引入到用于低温空气分离设备的高压塔和低压塔中的至少一个中以将空气蒸馏为富含氧气组分和富含氮气组分。被压缩且净化的空气可在主热交换器内被冷却，且排出流处于液态。
附图说明
虽然说明书结束于权利要求书，该权利要求书清楚地指出了申请人看作其发明的主题，但是相信的是本发明通过参考下述附图将会被理解，在附图中：
图1是结合本发明的空气分离设备的示意工艺流图；
图2是用于图1所示的空气分离设备中的液体涡轮膨胀机的效率图；
图3是控制系统的局部示意图，所述控制系统用于结合被联接到用于图1中的涡轮膨胀机的高速发电机；以及
图4是用于图1中的高速发电机和涡轮膨胀机的局部示意图。
具体实施方式
参考图1，描述了结合制冷系统的空气分离设备1，所述制冷系统包括被联接到发电机202的液体涡轮膨胀机200，所述发电机202根据本发明被控制，这将在下文更详细地讨论。然而，要理解的是这只是出于示例性目的，本主题发明具有对于操作在低于环境温度的其他类型的工艺和装置（例如，液化器）的更宽泛应用性。
在空气分离设备1中，包含氧气和氮气（例如，空气）的输入流10通过已知的低温精馏工艺而分离，以产生气态和液态氧气产品以及气态氮气和液态产品。
输入流10在底部负载压缩机12内被压缩，所述压缩机12可以是带冷凝物移除的中间冷却、整体式齿轮压缩机。得到的被压缩输入流14然后在预净化单元16内被净化。预净化单元16是本领域已知的，其通常包含氧化铝和/或分子筛的床，所述床根据温度和/或压力摆动吸收循环来操作，在所述循环中较高沸点的杂质被吸附。如本领域已知的，这种较高沸点的杂质通常是二氧化碳、水蒸汽和烃。当一个床在操作时，另一床在再生。可使用其他工艺，例如直接接触水冷、基于制冷的冷冻以及与冷冻水直接接触和相分离。
主热交换器18与底部负载压缩机12流连通。主热交换器18配置成使得第一被压缩流20在主热交换器18内被冷却，且第二被压缩流22在主热交换器18内被部分地冷却。第一被压缩流20和第二被压缩流22由被压缩输入流14构成。在上述所讨论的空气的情形中，被压缩流14由预净化单元16来净化。要理解的是，主热交换器18虽然被图示为单件单元但是实际上可以是两个单元，其中分离的产品沸腾器被提供用于沸腾液态氧气。此外，主热交换器18在其暖端和冷端还可分流为多个节段。由此，本文以及权利要求书中所使用的术语“主热交换器”包括本领域已知的单件单元以及热交换器系统。可使用铜焊翅式铝热交换器。然而，还可使用本领域已知的其他可能设计。
如将讨论的，设备1被设计成产生加压氧气流，其将在主热交换器内被蒸发。由此，第一被压缩流20和第二被压缩流22通过将从预净化单元16排出的被压缩且净化的输入流17分离成第一部分30和其余部分32而形成。被压缩流17的第一部分30由增压器压缩机36压缩。在通过后冷却器38移除压缩热量之后，得到的第二被压缩流22以部分冷却的状态从主热交换器18抽走，并且被引入到涡轮膨胀机24中以产生空气分离设备1的制冷需求的主要部分。然而，在本发明的这具体应用中，其控制系统不是施加到涡轮膨胀机24而是施加到要被讨论的液体涡轮膨胀机200，所述液体涡轮膨胀机供应附加的制冷。在所示实施例中，涡轮膨胀机24被联接到增压器压缩机34。存在用于空气分离设备的工艺循环，其中膨胀要被引入到蒸馏塔中的气体的涡轮膨胀机被连接到发电机以产生电力，且本发明可应用到这种膨胀机。被压缩输入流17的第二部分32被产品沸腾器压缩机34压缩，所述产品沸腾器压缩机同样可以是整体式齿轮压缩机，在各个级之间具有冷凝物移除。
蒸馏塔系统28具有高压塔54和低压塔56。高压塔54配置有质量传递接触元件58和60，低压塔56配置有质量传递接触元件62、64、66和68。高压塔54和低压塔56被如此命名的原因在于，高压塔54以比低压塔56高的压力操作。质量传递接触元件58至68优选地可以是结构化填料或其他已知元件，例如堆填料（dump packing）或筛托盘或其组合。然而在这两种塔中，被包含在输入流10中混合物的液相和气相在这种元件内接触，且产生上升的气相，其越来越富含氮气；而液相下降，其变得越来越富含氧气。在所示实施例中，涡轮机排出流26被引入到高压塔54的底部，以开始形成上升的气相。
第一被压缩流20具有比高压塔54和低压塔56中任一个高得多的压力并且在经过主热交换器18之后被过冷，所述第一被压缩流20借由液体涡轮膨胀机200膨胀至高压塔压力，液体涡轮膨胀机200被联接到可变速度发电机202，可变速度发电机202由将在下文更详细地讨论的控制系统204控制并且根据本发明被控制。得到的排出流21被用于作为借由膨胀阀70膨胀至高压塔54的压力的液体流而给予制冷，并且被分离为被引入到高压塔54中并被精馏的第一部分72以及在膨胀阀76中再次膨胀至适于引入到低压塔56中的压力的第二部分74，在低压塔56中，这种流也被精馏。要注意的是，存在这样的设备设计，其中所有的液态空气膨胀并且被引入到高压塔或低压塔中。
在高压塔54内，蒸馏产生粗液态氧塔底物78。粗液态氧塔底物78的流80在膨胀阀82中膨胀并接着被引入到低压塔56中，用于进一步提炼。在低压塔56内，富含氧气的液体84作为塔底物被收集。此外，在高压塔54的顶部部分处，富含氮气的蒸汽86聚集。高压塔54和低压塔56借由冷凝器再沸器88被链接。被收集在高压塔54内的富含氮气的蒸汽流90被引入到冷凝器再沸器88，以产生富含氮气的液体流92。富含氮气的流体流92的一部分94被至少部分地引入到低压塔56的顶部作为回流，以开始形成下降液相。类似地，富含氮气的液体流92的其他部分96被引入到高压塔54的顶部中，以开始形成下降液相。
富含氧气的液体流98从低压塔56的底部抽走并且包括不通过冷凝器再沸器88蒸发的残留富含氧气的液体。该富含氧气的液体流由泵100泵送，以产生被泵送液态氧气流102。被泵送液态氧气流102的部分104形成液态氧气产品流。残留部分106在主热交换器18内蒸发以产生气态氧气产品流108。蒸发通过在产品沸腾器压缩机34内被再压缩的被压缩输入流17的残留部分32来完成。由此，第一被压缩流20将通过这种蒸发被液化。
富含氮气的液体流的一个部分94传送通过过冷单元110，且其一个部分112还可被用作液态产品以及其余部分114可被引入到低压塔68的顶部中作为回流。过冷通过将气态氮气产品流116和废弃氮气流118传送成与富含氮气的液体流92的一个部分94间接热交换来完成。这产生了被暖热的气态氮气流120和完全暖热的废弃氮气流122。
如上所指出的，本发明应用于与液体涡轮膨胀机200连接的空气分离设备1。液体涡轮膨胀机200是具有入口导向叶片的离心式膨胀机，所述入口导向叶片在本领域也已知为喷嘴并且能够被选择性地定位。虽然不构成本发明的一部分，但是喷嘴可设置成控制通过涡轮机的流率，因为这种流率影响在空气分离设备的主热交换器中或在液化器中液体涡轮机的液化器热交换器中的液体高度。例如，由于热交换器位于液体涡轮机的上游，如果喷嘴被打开的话，更多的流被允许流出热交换器，从而降低热交换器中的液体高度。如果喷嘴被关闭的话，产生相反的情况。重要的是控制热交换器中的液体高度，因为该液体高度影响与该液体涡轮机流体流正进行热交换的其他工艺流的温度。这可自动进行或者通过反馈控制来进行。
如在任何类型旋转设备中的液体涡轮膨胀机200具有这样的效率，所述效率涉及功率能够被传输到输出轴或连接到其叶轮的其他装置的程度，假定流的总能量用作液体涡轮膨胀机200的输入减去其排出流21的能量。参考图2，这种效率能够以图形形式绘制并呈现。在该图形中，“DS”是无量纲的特定参数并且等于涡轮机的实际直径与通过液体涡轮膨胀机200的流的升高至1/4功率的焓降的乘积除以体积流量的平方根。“NS”是特定速度且同样是无量纲因素，其等于液体涡轮膨胀机200的叶轮的实际速度与通过液体涡轮膨胀机200的体积流量的平方根的乘积再除以升高到1/4功率的焓损失。实线是液体涡轮膨胀机200的等熵效率的效率线。每条实线约束朝向图形中心移动而逐渐增加的效率的区域。虚线是恒定U/Co的线。U/Co由下述方程给出：U/Co= (pi x N x D) / (2 xΔh)0.5；其中，“pi”=3.14等，“N”是例如液体涡轮膨胀机200的叶轮的速度，“D”是用于液体涡轮膨胀机200的叶轮的直径；“Δh”是在进入到液体涡轮膨胀机200中时第一被压缩流20与在从液体涡轮膨胀机200排出时排出流21之间测量的焓降。显而易见的是，如果虚线“A”被选择用于液体涡轮膨胀机200的操作，那么这条操作线将总是包含液体涡轮膨胀机200的最大等熵效率。由此，虚线“A”具有被选择成中心地贯通优化效率区域或换句话说特定速度的最大范围的最内效率线的优化值。根据本发明，发电机202的速度通过电磁制动发电机202的转子被控制继而控制液体涡轮膨胀机200的速度，使得U/Co在第一被压缩流20和排出流21的流的变化状况下总是迫近到效率值或0.75。这通过求解速度“N”的前述方程来完成，且这种速度被体现在发电机控制器（将要被讨论）的操作上，所述发电机控制器结合发电机202使用并且规定设置发电机202的速度设置点。
参考图3，描述了控制系统204。控制系统204结合辅助控制器206，其使用算法以基于表示根据如图2所示的涡轮膨胀机性能的图形的最大操作效率的U/Co的预设值来计算速度“N”，在图2中，液体涡轮膨胀机200的期望操作速度“N”基于((U/Co)* (2 xΔh)0.5 )/ (pi x D)来计算。表示第一被压缩流20与排出流21之间的焓降的，术语“Δh”通过分别由流量转换器208、压力转换器210和温度转换器212测量在液体涡轮膨胀机200上游的第一被压缩流20的流量、压力和温度来计算。与流量、压力和温度相关的可以是数字形式的信号被输入到辅助控制器206中，如数据传输线路214、216和218所示的。在液体涡轮膨胀机200的下游，排出流21的压力和温度分别由压力转换器220和温度转换器222来测量。与这种压力和温度相关的信号也通过数据传输线路224和226输入到辅助控制器206中。被输入到辅助控制器中的数据然后被施加到焓数据库中，所述焓数据库被预编程到辅助控制器206中，且从第一被压缩流20的入口焓减去排出流21的出口焓以确定“Δh”。然后，辅助控制器通过上述方程来计算速度，计算U/Co以及被编程到辅助控制器206中的“D”。在此要注意的是，虽然这是常规的且不是本发明的一部分，但是来自于压力转换器220的信号借由数据传输线路228被传输到具有用于背压阀232的压力的设置点“SP”的比例、积分和微分控制器230。控制器230对压力转换器220测量的压力作出反应至背压液体涡轮膨胀机220，且因此设置排出流21的压力。能够理解的是，辅助控制器206可以是个人计算机或类似装置，其被编程以实施上述计算。
与辅助控制器206所计算的速度相关的输出信号234被输入到发电机202的变频驱动器236（VFD），作为发电机202的速度设置点。然后，用作发电机202的速度控制器的变频驱动器236用辅助控制器206所计算的当前设置点或速度来更新并且到液体涡轮膨胀机200的速度低于或高于这种设置点的程度，发电机202将通过分别更小程度或更大程度的电磁制动来制动发电机202的转子以及因此制动液体涡轮膨胀机200的叶轮。
参考图4，描述了在液体涡轮膨胀机200的叶轮201与发电机202的转子238之间的连接。发电机202优选地是具有磁推轴承的永磁电机。这样的重要性在于，无油轴承防止由于否则会出现在油润滑轴承中的热耗散引起的不可逆的损失。发电机202结合上述变频驱动器236，在所述变频驱动器中可设置速度的设置点；所述速度的设置点根据本发明是辅助控制器206所计算的速度。当用作发电机时，可变速度驱动器236还具有另一功能，即将功率输出的电压和频率保持在预设水平。由此，变频驱动器236包括用于将可变速度发电机匹配到固定频率公共电网的三个基本部件：整流器部段、DC链路和逆变器部段。通过修改驱动器的逆变器部段中的切换模式，从DC链路至公共电网的功率流级别被控制，使得输出电压和频率可保持在将功率供应给电网所必要的级别。由此，电压可被保持稍微高于电网级别，且频率被保持在等于电网的线路频率（例如，60赫兹）的级别。通过控制功率流，通过DC链路和发电机定子绕组中的电流被控制，继而控制发电机转子施加到涡轮膨胀机的反转扭矩以及因此转子的速度。因而，通过机械速度和扭矩至电功率的可变有效转换，控制了液体涡轮膨胀机200的速度。
叶轮201借由螺纹连接螺栓240和锁定螺母242附连到转子238。诸如HIRTH联接件的刚性联接件244使得轴向组件对于转子不平衡的贡献最小化。
转子238容纳永磁体244，由于转子238的旋转，永磁体244产生在围绕转子238的固定定子组件246内的电流。以上述方式描绘的可变速度驱动器236产生电气输出248，所述电气输出248来自于在以上述方式描绘的固定定子组件246内感应的电流。
转子238由磁推轴承支承，所述磁推轴承包括在轴向方向上的推力轴承250和252以及在径向方向上的径向轴承254和256。轴位移传感器258、260和262测量转子238的运动。输出信号分别通过电气连接264、266和268从轴位移传感器258、260和262传输，所述输出信号被传输到数字控制器270以计算在功率放大器272中产生的输出电流，所述输出电流分别通过电气连接274和276被施加到推力轴承250和252以及分别通过电气连接278和280被施加到径向轴承254和256。因此，输出电流的幅值由数字控制器270改变，以保持转子238处于稳定的径向和轴向取向以及具有最小的位移。在功率故障的情况下，次机械轴承282和284支承转子238。除了前述之外，干表面密封件286防止液态空气泄漏到轴承以及上述讨论的定子组件246。干表面密封件286是常规的，来自于管线288的高压气体以及来自于管线290的低压气体被供应到干表面密封件286。高压密封气体以相比于第一被压缩空气流20的入口压力高的压力被供应给液体涡轮膨胀机200，以防止液态空气泄漏。低压密封气体处于较低压力并且用于确保泄漏到转子238和定子组件246的任何密封气体处于低压。
发电机202和变频驱动器236可从不同制造商获得。然而要注意的是，本发明还可应用于交流感应发电机或者可被用作发电机的任何其他类型的电机。在交流感应发电机的情形中，可通过齿轮传动机构实现至涡轮膨胀机的联接。在这种情形中，可使用已知的电路以实现电磁制动以及控制电压和频率保持在电网的线路匹配级别。然而，这可能不利的是，在这种发电机中可存在固有的功率损失以及在结合这种发电机使用的传动机构中可存在热机械损失。
虽然本发明已经参考优选实施例被描述，但是本领域技术人员将想到的是，在不偏离由所附权利要求书阐述的本发明范围的前提下可作出各种变化、添加和省除。

Claims (10)

1.一种在以低于环境温度操作的工艺中产生制冷的方法，所述方法包括：
压缩用于该工艺中的工艺流以产生被压缩工艺流；
在具有叶轮的涡轮膨胀机内膨胀被压缩工艺流，以藉此产生排出流，所述叶轮由工艺流通过做功被驱动；
所述涡轮膨胀机被设计成以等于U/Co的优化值的操作效率参数来操作；
将排出流引入到该工艺中以在该工艺中给予制冷；
通过具有转子的发电机来产生电功率，所述转子联接到叶轮，使得发电机通过膨胀做功被驱动；
通过电磁制动转子来控制发电机的转子速度且因此控制涡轮膨胀机速度，使得所述速度保持在设置点并且发电机的电流输出随着转子速度的减少而增加以及随着转子速度的增加而减少；
控制发电机所产生的电功率的电压和频率，以便保持在线路匹配级别，且发电机所产生的电功率可在线路匹配级别下被引入到本地电网中；以及
通过设置设置点等于操作效率参数与被压缩工艺流在进入涡轮膨胀机中时的焓与排出流在从涡轮膨胀机排出时的焓之间的差的两倍的平方根的乘积再除以pi和叶轮直径的乘积，持续地确定转子速度以及涡轮膨胀机速度的设置点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，发电机是永磁体发电机，其直接联接到叶轮，且发电机的转子速度和电功率由变频驱动器控制，所述变频驱动器用于具有设置点的输入的永磁体发电机。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，被压缩工艺流和排出流焓之间的差通过下述来确定：
基于被压缩工艺流的压力和温度提供被压缩工艺流的焓数据；
测量被压缩工艺流的流率；
测量被压缩工艺流的工艺流温度和压力以及从焓数据、流率以及被压缩工艺流的温度和压力来确定入口焓；
测量排出流的排出流温度和压力以及从焓数据、流率、排出流温度和压力来确定排出流的出口焓；以及
从入口焓减去出口焓。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
通过流量转换器来测量流率，所述流量转换器产生与该流率相关的流率信号；
通过温度传感器和压力转换器来测量被压缩工艺流的温度和压力以及排出流的温度和压力，所述温度传感器和压力转换器产生与被压缩工艺流的温度和压力以及排出流的温度和压力相关的温度和压力信号；
辅助控制器，响应于流率信号、温度和压力信号并且在数据库中预编程有焓数据，所述辅助控制器配置成确定入口焓、出口焓、被压缩工艺流和排出流的焓之间的差、所述差两倍的平方根，通过将涡轮膨胀机的操作效率参数乘以所述平方根以及将所述乘积除以pi和叶轮直径的乘积来计算转子速度的设置点。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中：
该工艺中所使用的设备是低温空气分离设备；
工艺流包括被压缩且净化的空气；
工艺流在增压器压缩机中被压缩以产生被压缩工艺流；
被压缩工艺流在空气分离设备的主热交换器内被至少部分地冷却；
被压缩工艺流在被至少部分地冷却之后被引入到涡轮膨胀机中；以及
通过将排出流引入到用于低温空气分离设备的高压塔和低压塔的至少一个中来将制冷给予到该工艺中，以将空气蒸馏为富含氧气组分和富含氮气组分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，被压缩且净化的空气在主热交换器内被冷却，且排出流处于液态。
7.一种制冷产生系统，所述制冷产生系统用于以低于环境温度操作的设备中，所述制冷产生系统包括：
具有叶轮的涡轮膨胀机，所述叶轮由在所述设备内压缩的工艺流驱动，使得被压缩工艺流通过做功膨胀，且藉此通过涡轮膨胀机产生排出工艺流；
所述涡轮膨胀机被设计成以等于U/Co的优化值的操作效率参数来操作；
所述涡轮膨胀机被连接到所述设备，使得被压缩工艺流被引入到涡轮膨胀机中且排出工艺流被引入到所述设备中以向所述设备给予制冷；
发电机，所述发电机产生电功率，所述发电机具有联接到叶轮的转子，使得发电机由膨胀功来驱动；
发电机控制器，所述发电机控制器连接到所述发电机并且配置成通过电磁制动转子来控制发电机的转子速度且因此控制涡轮膨胀机速度，使得所述速度保持在设置点并且发电机的电流输出随着转子速度减少而增加以及随着转子速度增加而减少，以及控制发电机所产生的电功率的电压和频率，使得电压和频率被保持在线路匹配级别，以使得发电机所产生的电功率以线路匹配级别被引入到本地电网中；
流量转换器，所述流量转换器设置在涡轮膨胀机的上游以便产生与被压缩工艺流的流率相关的流率信号；
上游的一对温度传感器和压力转换器，所述温度传感器和压力转换器设置在涡轮膨胀机的上游以便产生与被压缩工艺流的工艺流温度和工艺流压力相关的工艺流温度和压力信号；
下游的一对温度和压力转换器，所述温度和压力转换器设置在涡轮膨胀机的下游以便产生与排出工艺流的排出流温度和排出流压力相关的排出流温度和压力信号；以及
辅助控制器，所述辅助控制器被连接到发电机控制器，所述辅助控制器响应于流率信号、工艺流和排出流温度和压力信号并且在数据库中包含被压缩工艺流的焓数据；
所述辅助控制器被编程以通过应用流率、工艺流温度和压力以及排出流温度和压力至焓数据来持续地确定被压缩工艺流的入口焓以及排出工艺流的出口焓；计算入口焓和出口焓之间的差的两倍及其平方根，以及通过将涡轮膨胀机的操作效率参数乘以所述平方根以及将所述乘积除以pi和叶轮直径的乘积来计算转子速度的设置点。
8.根据权利要求7所述的制冷产生系统，其中，发电机是直接联接到叶轮的永磁发电机，且发电机控制器是用于永磁体发电机的变频驱动器。
9.根据权利要求7或8所述的制冷产生系统，其中：
所述设备是低温空气分离设备；
工艺流包括被压缩且净化的空气；
工艺流在增压器压缩机中被压缩以产生被压缩工艺流；
被压缩工艺流在空气分离设备的主热交换器内被至少部分地冷却；
被压缩工艺流在被至少部分地冷却之后被引入到涡轮膨胀机中；以及
通过将排出流引入到用于低温空气分离设备的高压塔和低压塔的至少一个中来将制冷给予到该设备中，以将空气蒸馏为富含氧气组分和富含氮气组分。
10.根据权利要求9所述的制冷产生系统，其中，被压缩且净化的空气在所述主热交换器内被冷却，且涡轮膨胀机的排出工艺流处于液态。
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