CN102418710B - 压缩装置 - Google Patents

Abstract

在具有被作为主动力源的电动马达驱动的离心压缩机、和作为辅助动力源而驱动上述离心压缩机的涡轮的压缩装置中，设置有从离心压缩机的排出流路分支而与涡轮的吸入流路连接的分支流路，在驱动膨胀涡轮的压力蒸汽的流量减少时，将来自离心压缩机（7）的压缩气体导入分支流路而加热至既定温度，令该加热后的压缩气体与来自吸入流路的压力蒸汽一起流入膨胀涡轮。根据这样的构成，即便驱动上述涡轮的涡轮驱动流体的流量减少，也能够持续进行装置运转而不会导致对上述涡轮产生损伤等的不良影响。

Description

压缩装置

技术领域

本发明涉及一种压缩装置，借助回收的蒸汽等令涡轮运转，并将该涡轮用作离心压缩机的动力源的一部分。

背景技术

以往，作为这种压缩装置有例如日本特开2000-104698号、日本特开2004-360462号所示的压缩装置。首先，使用图3说明日本特开2000-104698号所示出的压缩装置。图3是表示以往的压缩装置的构成的图。

该以往的压缩装置41构成为：借助蒸汽来使膨胀涡轮运转，将该膨胀涡轮用作驱动多个离心压缩机的动力源的一部分。如图3所示，压缩装置41具有两个从动小齿轮45、47与主动大齿轮43啮合而形成的增速机42。而且在该增速机42的从动小齿轮45的从动小齿轮轴46的一方的端部直接安装有第一级的离心压缩机（涡轮压缩机）的叶轮51a，并且在另一方的端部直接安装有第二级的离心压缩机的叶轮52a。此外，在增速机42的从动小齿轮47的从动小齿轮轴48的一方的端部，直接安装有第三级的离心压缩机的叶轮53a，并且在另一方的端部直接安装有膨胀涡轮的涡轮叶轮（涡轮转子）56a。

而且，从具有对通过空气流入管路59而流入的空气进行一级压缩的叶轮51a的一级离心压缩机向一级冷却器57连接有一级压缩空气流出管路60，在一级离心压缩机中被压缩了的一级压缩空气在该一级冷却器57中被冷却。此外，从该一级冷却器57向二级冷却器58经由二级压缩机用空气流入管路61和二级离心压缩机而连接有二级压缩空气流出管路62，所述二级离心压缩机具有叶轮52a，在二级离心压缩机中被压缩了的二级压缩空气在上述二级冷却器58中被冷却。进而，从该二级冷却器58向具有叶轮53a的三级涡轮压缩机连接有三级压缩用空气流入管路63，在上述二级涡轮压缩机中被压缩并且在上述二级冷却器58中被冷却了的二级压缩空气被三级涡轮压缩机进行三级压缩而通过三级压缩空气流出管路64而流出。

在该日本特开2000-104698号所公开的压缩装置41中，在压力蒸汽的量足够时，仅利用膨胀涡轮的驱动力就能够进行稳定的运转，此外，在压力蒸汽的量不充足时，在上述主动大齿轮43的主动大齿轮轴44上经由联轴器（连结器）而连接未图示的电动马达的输出轴，并用膨胀涡轮和电动马达而将其一方作为辅助动力源，从而能够进行稳定的运转。

接着使用图4说明日本特开2004-360462号所示出的压缩装置。图4是表示以往的另外的压缩装置的构成的图。

该以往的压缩装置71是向需求侧供给压缩气体的装置，具有原动机72、转矩传递机构73、离心压缩机（涡轮压缩机）77、膨胀涡轮78、冷却器79、储存器80、吸入过滤器81、消声器82、吸入开闭阀83、再生开闭阀84、放气阀85、逆止阀86、压力传感器87、风量传感器88、控制装置89、送气配管90以及分支配管91。上述转矩传递机构73是将原动机72的输出转矩和后述膨胀涡轮78的输出转矩向离心压缩机77传递的机构，具有一个主动大齿轮75和两个从动小齿轮74、76。

该压缩装置71中，作为驱动离心压缩机77旋转的动力源除了一台原动机（电动马达）72外，还具有一台膨胀涡轮78。上述离心压缩机77由三台离心压缩机77a、77b、77c构成。而且，从第一级低压离心压缩机77a的吸入口吸入气体，第一级低压离心压缩机77a、第二级低压离心压缩机77b和高压离心压缩机77c顺次对气体进行压缩，从高压离心压缩机77c的排出口排出压缩气体。上述膨胀涡轮78从吸入口吸入压力气体，从排出口排出膨胀后的压力气体。该膨胀涡轮78的输出轴与转矩传递机构73的高速从动小齿轮76的旋转轴连结。在借助膨胀涡轮78令压力气体膨胀时进行工作，从上述旋转轴取出输出。

此外，该压缩装置71具有作为开闭阀的再生开闭阀84。该再生开闭阀84的一方的口与分支配管91的另一个出口连接，再生开闭阀84的另一方的口与膨胀涡轮78的吸入口连接。而且，优选控制再生开闭阀84的开度而使得高压离心压缩机77c的排出风量不低于压力波边界风量，所述压力波边界风量是该高压离心压缩机77c的会引起压力波现象的上限的风量。

此外，该压缩装置71具有作为开闭阀的放气阀85，其一方的口与膨胀涡轮78的吸入口连接，从另一方的口放出气体。该放气阀85设置于下述配管：从再生开闭阀84连接到膨胀涡轮78的吸入口的配管分支而与消声器82连接的配管。而且，在高压离心压缩机77c的排出压力超过既定的值时，优选加大上述放气阀85的开度。例如，放气阀85常态时全闭，在高压离心压缩机77c的排出压力超过既定值时全开。

即，在该压缩装置71中，在压缩气体的需求量变少而接近高压离心压缩机77c的压力波区域时，能够选择令自该高压离心压缩机77c的排出气体向膨胀涡轮78的吸入口流动，还是向大气放气。当然，在令自高压离心压缩机77c的排出气体向膨胀涡轮78流动时，膨胀涡轮78的回收动力增加，能够对原动机72的动力进行补充。

在上述两件专利公报中所公开的压缩装置41、71构成为，若离心压缩机运转，则膨胀涡轮也还持续运转。在此，一般而言，若驱动膨胀涡轮的流体低于用于不引起不稳定现象地进行膨胀涡轮的运转的允许最低流量时，若膨胀涡轮持续运转，则该膨胀涡轮并不是令驱动流体膨胀而是进行压缩（コンプレッサアクション）。而且，在该状态下，膨胀涡轮的涡轮入口温度上升，若该涡轮入口温度超过允许温度，则膨胀涡轮的叶轮有可能由于离心力而发生损坏。

在上述日本特开2000-104698号公开的压缩装置41中，在随着离心压缩机的压缩气体的需求量减少而驱动膨胀涡轮的涡轮驱动流体的流量减少时，没有设置用于使得不低于上述允许最低流量的机构。因此，在该以往的压缩装置41中，存在上述的膨胀涡轮的叶轮发生损坏的可能。

另一方面，在上述日本特开2004-360462号所公开的压缩装置71中，在离心压缩机的压缩气体的需求量变少而接近该离心压缩机的压力波区域时，构成为能够令自该离心压缩机的排出气体向膨胀涡轮的吸入口流动。因此，在该以往的压缩装置71中，能够消除日本特开2000-104698号所公开的压缩装置41中的上述问题。

但是，在该专利公报所公开的压缩装置71中，在膨胀涡轮的涡轮入口温度与离心压缩机的排出温度的温度差大时，若将离心压缩机的排出气体送入膨胀涡轮的吸入口，则膨胀涡轮的涡轮转子急剧地被冷却（通常，涡轮入口温度：200～400℃、压缩机的排出温度：100～150℃。）因此，在该以往的压缩装置71中，存在涡轮转子（涡轮转子由叶轮及轴等的主要部件构成）上产生较大热应变而寿命降低的问题。

发明内容

因此，本发明的课题是提供一种压缩装置，利用回收的蒸汽等令涡轮运转，将该涡轮用作离心压缩机的动力源的一部分，其中，即便随着上述离心压缩机产生的压缩气体的需求量减少而驱动上述涡轮的涡轮驱动流体的流量减少时，也能够持续进行装置运转而不会对上述涡轮产生损坏、以及热应变导致的寿命降低等的不良影响。

为了解决上述课题，本发明中采用下述的技术手段。

本发明为一种压缩装置，具有：被作为主动力源的电动马达驱动而排出压缩气体的离心压缩机、和作为辅助动力源而驱动上述离心压缩机的涡轮，其特征在于，具有：从上述离心压缩机的排出流路分支而与上述涡轮的吸入流路连接的分支流路；在上述吸入流路中设置在比上述吸入流路与上述分支流路的连接点靠下游侧的位置而测量流入上述涡轮的流体的流量的流量计；设置于上述分支流路而开闭该分支流路的开闭阀；设置于上述分支流路而对在该分支流路中流动的来自上述排出流路的压缩气体进行加热的加热器；设置于上述分支流路而检测上述加热器的下游侧的压缩气体的温度的温度传感器；在上述流量计测到的流量测量值大于既定的流量设定值时关闭上述开闭阀、在流量测量值在上述流量设定值以下时开放上述开闭阀的开闭阀控制机构；以基于上述温度传感器的温度检测结果将上述加热器的下游侧的压缩气体的温度维持为既定温度的方式控制上述加热器的通电的加热器通电控制机构。

在上述压缩装置中，上述既定温度也可以是涡轮驱动流体在上述开闭阀关闭着的状态下流入上述涡轮时的涡轮入口温度的温度范围。

在上述压缩装置中，也可以在上述涡轮的上述吸入流路中设置控制阀，该控制阀以该涡轮的输出为上述离心压缩机的轴动力的90～95%的方式控制流入上述涡轮的涡轮驱动流体的供给量。

本发明是一种压缩装置，具有被作为主动力源的电动马达驱动而排出压缩气体的离心压缩机、和作为辅助动力源而驱动上述离心压缩机的涡轮，其中，设置有从上述离心压缩机的排出流路分支而与上述涡轮的吸入流路连接的分支流路，在驱动上述涡轮的涡轮驱动流体的流量减少时，将来自上述离心压缩机的压缩气体（压缩工艺气体）导入上述分支流路而加热到既定的温度，令该加热后的压缩气体与来自上述吸入流路的涡轮驱动流体一起向上述涡轮流入。

因此，本发明的压缩装置即便在随着上述离心压缩机的压缩气体的需求量减少而驱动上述涡轮的涡轮驱动流体的流量减少时，也能够向上述涡轮供给不低于允许最低流量的量的流体而不会导致涡轮入口温度的降低，由此，能够持续进行装置运转而不会对上述涡轮产生损坏、热应变导致的寿命降低等的不良影响。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的压缩装置的构成的图。

图2是表示本发明的其他实施方式的压缩装置的构成的图。

图3是表示以往的压缩装置的构成的图。

图4是表示以往的其他压缩装置的构成的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的一实施方式的压缩装置的构成的图。

如图1所示，本实施方式的压缩装置1具有从动小齿轮（小齿轮）4啮合于与主动力源连结的主动大齿轮（大齿轮）3而对上述主动力源的旋转进行增速的增速机2。即，作为后述的离心压缩机7的主动力源的电动马达5的输出轴5a经由连结器5与上述增速机2的主动大齿轮3的主动大齿轮轴3a连结。

而且，在增速机2的上述从动小齿轮4的从动小齿轮轴4a的一端直接嵌装离心压缩机7的叶轮7a，另一方面，在从动小齿轮轴4a的另一端直接嵌装作为辅助动力源而驱动离心压缩机7的膨胀涡轮11的涡轮叶轮（ランナ）11a。

上述离心压缩机7是涡轮压缩机，借助其叶轮7a的旋转而经由吸入流路8吸入所谓的工艺气体（空气、氮气等），对其进行压缩并向排出流路9排出而向需求侧供给压缩气体（压缩工艺气体）。在离心压缩机7的排出流路9的离心压缩机7的出侧，设置有测量从离心压缩机7排出的压缩气体的流量的流量计10。

上述膨胀涡轮11是借助压力蒸汽的流入而运转的向心式涡轮。吸入流路12和排出流入15与膨胀涡轮11连接。借助经由吸入流路12而供给的作为涡轮驱动流体的压力蒸汽令膨胀涡轮11的涡轮叶轮11a旋转。流入膨胀涡轮11的压力蒸汽随着涡轮叶轮11a的旋转而膨胀，排出到排出流路15。而且，膨胀涡轮11的旋转经由从动小齿轮轴4a而传递至离心压缩机7。即，膨胀涡轮11运转而将该膨胀涡轮11用作驱动离心压缩机7的动力源的一部分。

此时，向膨胀涡轮11经由其吸入流路12而供给的压缩蒸汽的供给量根据离心压缩机7产生的压缩气体的需求量而增减。在膨胀涡轮11的吸入流路12中，设置有控制阀13，其控制流入膨胀涡轮11的涡轮驱动流体（压缩蒸汽）的供给量使得膨胀涡轮11的输出为离心压缩机7的轴动力的90～95%。此外，在膨胀涡轮11的吸入流路12中的膨胀涡轮11的入侧位置（吸入流路12中的比与后述的分支流路16的连接点靠下游侧的位置）处，设置有用于测量流入膨胀涡轮11的流体的流量的涡轮用流量计14。

此外，在该压缩装置1中，设置有分支流路16，其从离心压缩机7的排出流路9中的上述流量计10的下游侧位置分支，与膨胀涡轮11的吸入流路12中的上述涡轮用流量计14的上游侧位置连接。

在该分支流路16中按照从与离心压缩机7的排出流路9分支的位置的顺序设置有开闭阀17、加热器18、温度传感器19、压力控制阀20以及逆止阀21。

上述开闭阀17是开闭分支流路16的阀。上述加热器18是对在分支流路16中流动的来自上述排出流路9的压缩气体（压缩工艺气体）进行加热的部件。上述温度传感器19是检测上述加热器18的下游侧的压缩气体的温度的传感器。上述压力控制阀20是通过调整其开度而将在分支流路16中流动的压缩气体调整为既定的压力范围的部件。此外，上述逆止阀21是仅允许压缩气体向膨胀涡轮11的吸入流路12流动的部件。

而且，设置于分支流路16的上述开闭阀17被开闭阀控制装置（开闭阀控制机构）23而开闭控制。即，借助该开闭阀控制装置23，在由设置于膨胀涡轮11的吸入流路12的涡轮用流量计14测量到的流量测量值大于既定的流量设定值Q_R时关闭开闭阀17，在流量测量值小于等于上述流量设定值Q_R时开放开闭阀17。

此时，成为用于开闭上述开闭阀17的阈值的上述流量设定值Q_R基于用于进行膨胀涡轮11的运行而不会发生不稳定现象的允许最低流量而确定。优选以稍微高于允许最低流量的值而具有既定的范围幅度地设定。另外，允许最低流量是基于配备于该压缩装置1的每个膨胀涡轮的规格而预先确定的。

此外，设置于分支流路16的上述加热器18由加热器通电控制装置（加热器通电控制机构）22控制。即，在上述开闭阀17开放时，借助该加热器通电控制装置22，基于上述温度传感器19的温度检测结果对加热压缩气体的加热器18的通电进行控制，使得加热器18的下游侧的压缩气体的温度维持为既定温度T_R。

即，加热器18在上述开闭阀17开放而来自离心压缩机7的压缩气体（例如温度100～150℃）导入到分支流路16中时，对该压缩气体进行加热使得通过分支流路16而流入到膨胀涡轮11的吸入流路12的压缩气体的温度维持为既定温度T_R（例如200～400℃）。该既定温度T_R设定为例如200～400℃，是与上述开闭阀17关闭的状态即从吸入流路12向膨胀涡轮11作为涡轮驱动流体而压力蒸汽以大于上述允许最低流量的流量流入时的涡轮入口温度的温度范围相当的温度。

接着，说明这样地构成的上述压缩装置1的动作。离心压缩机7由作为主动力源的电动马达5和作为辅助动力源的膨胀涡轮11驱动，根据压缩气体的需求量而调节来自电动马达5的驱动力和向膨胀涡轮11的吸入流路12的压力蒸汽的供给量。

而且，在涡轮用流量计14所测量的流量测量值大于既定的流量设定值Q_R时，即向膨胀涡轮11供给大于其允许最低流量的压力蒸汽时，借助开闭阀17关闭分支流路16。

随着压缩气体的需求量的减少而向膨胀涡轮11的压力蒸汽的供给量减少，由涡轮用测量计14测量的流量测量值若变为流量设定值Q_R以下，即向膨胀涡轮11的压力蒸汽的供给量接近允许最低流量，则借助开闭阀控制装置23开放分支流路16的开闭阀17。

若开闭阀17开放，则来自离心压缩机的压缩气体（例如温度100～150℃）流入分支流路16。流入该流入分支流路16的压缩气体借助被加热器通电控制装置22控制的加热器18而被加热以将其温度维持为既定温度T_R（例如200～400℃）、并通过分支流路16而被导入膨胀涡轮11的吸入流路12。由此，向膨胀涡轮11供给压力蒸汽和来自分支流路16的加热后的压缩气体，流入膨胀涡轮11的允许最低流量以上的驱动流体，膨胀涡轮11不会产生不稳定现象而进行运转。

而且，若压缩气体的需求量恢复而增加，则与之相伴向膨胀涡轮11的压力蒸汽的供给量增加，由涡轮用流量计14测量的流量测量值大于流量设定值Q_R，则分支流路16关闭。

这样，本实施方式的压缩装置1具有被作为主动力源的电动马达5驱动而排出压缩气体的离心压缩机7、作为辅助动力源而驱动离心压缩机7的膨胀涡轮11，其中构成为，设置从离心压缩机7的排出流路9分支而与膨胀涡轮11的吸入流路12连接的分支流路16，在驱动膨胀涡轮11的压力蒸汽的流量减少时，将来自离心压缩机7的压缩气体（压缩工艺气体）导入分支流路16而加热为既定温度，令该加热后的压缩气体与压力蒸汽一起流入膨胀涡轮11。

因此，本实施方式的压缩装置1，即便在伴随着离心压缩机7的压缩气体的需求量的减少而驱动膨胀涡轮11的压力蒸汽的流量减少时，也能够向膨胀涡轮11供给不低于允许最低流量的量的流体而不会导致涡轮入口温度降低。由此，能够持续地进行装置运转而不会对膨胀涡轮11产生损坏、热应变导致的寿命降低等的不良影响。

图2是表示本发明的其他实施方式的压缩装置的构成的图。该压缩装置1a除了增加了蒸汽温度传感器24之外与上述压缩装置1为相同构成，对于两者相同的部分标注相同的附图标记。即，本实施方式的压缩装置1a在膨胀涡轮11的吸入流路12（吸入流路12中的比与分支流路的连接点靠上游侧的位置）中具有检测流入膨胀涡轮11的压力蒸汽的温度的蒸汽温度传感器24。

而且，在该压缩装置1a中，借助加热器通电控制装置22控制对在分支流路16中流动的压缩气体进行加热的加热器18的通电，使得蒸汽温度传感器24检测到的温度与上述温度传感器19检查到的温度没有差。通常，压力蒸汽温度十分高，所以即便为这样的构成，也能够向膨胀涡轮11供给不低于允许最低流量的量的流体而不会导致涡轮入口温度的降低。

Claims (2)

1.一种压缩装置，具有：被作为主动力源的电动马达驱动而排出压缩气体的离心压缩机、和作为辅助动力源而驱动上述离心压缩机的涡轮，

其特征在于，具有：

分支流路,从上述离心压缩机的排出流路分支而与上述涡轮的吸入流路连接；

流量计,在上述吸入流路中设置在比上述吸入流路与上述分支流路的连接点靠下游侧的位置,测量流入上述涡轮的流体的流量；

开闭阀,设置于上述分支流路而开闭该分支流路；

加热器，设置于上述分支流路而对在该分支流路中流动的来自上述排出流路的压缩气体进行加热；

温度传感器，设置于上述分支流路而检测上述加热器的下游侧的压缩气体的温度；

开闭阀控制机构，在上述流量计测到的流量测量值大于既定的流量设定值时关闭上述开闭阀、在流量测量值在上述流量设定值以下时开放上述开闭阀；

加热器通电控制机构，基于上述温度传感器的温度检测结果控制上述加热器的通电，以便将上述加热器的下游侧的压缩气体的温度维持为既定温度，

上述既定温度是涡轮驱动流体在上述开闭阀关闭着的状态下流入上述涡轮时的涡轮入口温度的温度范围。

2.如权利要求1所述的压缩装置，其特征在于，

在上述涡轮的上述吸入流路中设置控制阀，该控制阀控制流入上述涡轮的涡轮驱动流体的供给量使得该涡轮的输出为上述离心压缩机的轴动力的90～95%。