CN107427757A - 从多个单元高可靠地供应氧气的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种多单元系统将多个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元组合在一起。所述单元为诸如系统缓冲罐的共用的氧气供应源供气。监测需求并且使足以满足需求的多个独立的单元在线。如果需求超过供应量，那么使另一单元在线。如果需求下降到低于供应一大于单个单元的输出的量，则使最长时间运行的单元离线。所述多单元系统因此通过以高度冗余且高度可靠和可扩展的方式利用多个单独的单元来满足需求。

Description

从多个单元高可靠地供应氧气的方法和系统
技术领域
以下发明涉及用于将多个较小的空气分离单元布置在一起从而以高可靠性的方式从系统提供较大氧气供应的方法和系统。更具体地说，本发明涉及单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元以及耦联在一起的这种单元构成的系统以可靠地提供氧气。
背景技术
使用真空变压吸附(VSA)生产氧气是空气分离技术人员所熟知的。VSA提供了简单的非低温方法来产生纯度为80％至95％的气态氧。在过去的20年中，氧气VSA设备已经广泛应用，并且以各种床构型提供。多床VSA通常在60吨每日(TPD)和更高的尺寸范围中使用。单床过程被采用作为低资本的简单过程以用于更低的生产范围，通常为1TPD至40TPD。典型的单床系统通常由用于供给空气提供器以及再生真空系统这两者的单个风机链组成。所述过程通常包括自动阀以在循环过程中引导空气和真空流。单床过程的较新实施方案使用可逆式风机来产生供给流并应用用于再生步骤的真空。这种最新实施方案非常适用于中小型氧气VSA生产设备(1至10TPD)。在美国专利No.8,496,738中描述了这种类型的单床可逆式风机(SBRB)VSA过程的一个实例，所述专利通过引用整体并入本文。
虽然单床可逆式风机(SBRB)VSA过程在实践中较简单，但与多床系统相比，其简单性与性能折中。首先，缺乏额外的吸附床无法允许关键床达到床平衡。压力平衡步骤是降低功耗和提高产品氧气回收率的关键。技术人员通过向SBRB系统添加均衡罐(诸如由德克萨斯州的休斯顿市的Air Liquide公司提供的SBRB系统中的均衡罐)来克服这种缺陷。
单床可逆式风机VSA系统遇到的另一个问题是它们被限制为相对较小的最佳尺寸，通常是1至40TPD范围内的中小型生产设备的尺寸。这种尺寸限制是由于在与较大(大于40TPD)范围内的其他过程相比时在市场中不存在特大尺寸的可用风机以及VSA过程的较低功率效率。
较大VSA设备往往具有两个床、两台风机配置。这些设备通常是现场安装的，并且需要用于旋转设备的建筑物以及重要的土木工程基础设施，不仅用于建筑物而且还用于冷却水、仪表空气、工艺废水排放等。良好设计的两床VSA设备的通常可靠性是百分之九十八。可靠性被定义为设备的运转可用性。在大多数应用中，这要求客户安装液态氧备用系统，为基础设施的土木工程作业额外增加成本，并且互连到系统中，以及液态氧气罐的成本。需要用于增强VSA系统的可靠性的改进方法，例如以消除或最小化对液态氧备用系统的需求以及以其他方式更有效地实现客户的目标。
发明内容
对于这个问题的一个解决方案是采用通过止回阀连接到共用的歧管的多个可逆式风机VSA单元。每个单元都配备有旋涡泵(或类似的泵)和管理出口压力的控制系统。每个单元的管道尺寸和每个单元的止回阀CV等级均相同。所有单元的压力被调整成在相同的目标中心值周围变化。在这个压力调节中插置伪随机变化，以使止回阀打开和关闭具有“占空比”，以便确保没有单台机器比其他机器递送更多流量。控制系统是控制回路内的比例积分微分控制系统。
多个可逆式风机VSA单元一起运行以及耦联到共用的歧管将冗余性和可靠性构建到系统中。各个单元可以离线以便进行维修，并且通过歧管供应氧气(或其他产品气体)的整个系统保持有极高的可靠性。另外，这类系统的尺度可以超出典型的40TPD最大值。即使各个单元的效率由于增强的可靠性的益处而比两床系统或其他气体分离技术的效率略低，所述益处例如避免了液态氧备用的需求以及与更加模块化并且被配置成用于具有最低基础架构要求的安装的较小的SBRB VSA系统相关的较小的土木工程和其他基础设施成本。
作为用于将单床可逆式风机VSA系统扩展成更大的生产设备(通常大于40TPD)的另一种技术，若干可逆式风机VSA单元被菊花链连接以提供第n级可扩展负载共享，其中“n”表示可逆式风机VSA单元的数量。根据生产流要求的需要，自动启动和停止单元。不需要复杂的外部控制系统。
每个单元具有旋涡泵，所述旋涡泵的速度被设置为近似于所述单元相对于总输出容量的流量。这种模拟信号被连接到相邻的机器，当流量超过用户可调节水平时将启动所述机器。一旦启动，所述单元将继续运行，直到第一机器的流量低于另一明显更低的水平。单元可以被菊花链连接成圈，例如其中最后一个单元(单元n)被连接回第一单元。用户可以通过按下所需机器上的启动按钮来控制哪个机器是主机。输出将全部被耦联，例如耦联到共用的歧管，以从整个系统供应氧气或其他产物气体。
在一个示例性实例中，n＝5，并且存在菊花链连接在一起的可以各自独立输出10TPD的五个可逆风机VSA单元。五个单元之一(可以是任何一个单元)以10TPD启动开始并运行。如果需求超过10TPD，那么这会被感测到，并且使从正在运行的一个单元沿着所述链的下一个单元运行。所述系统现在产生20TPD生产率。如果用于氧气或其他产品气体的歧管或其他缓冲罐达到其容量，指示系统需要少于20TPD，系统不关闭第二单元，而是关闭第一单元，从而留下第二单元继续运行。以这种方式，没有单个单元比链中的任何其他单元建立明显更多的工作时间。
如果要求超过20TPD，诸如通过缓冲罐、歧管或其他产品气体收集系统降低到所需容量和/或压力以下，则产生信号以启动链中的第三单元等等，直到所有五个单元同时运行以实现高达50TPD性能的点为止。每当输出容量超过需求并且接收到这种信号时，首先(或最早)启动并且仍在运行的单元是将要关闭的下一个单元。当需求增加并且另一个单元必须在线时，链中的最近才进入运行的单元的后面的下一个单元是将要启动的下一个单元。
氧气VSA系统可以以利用多个系统的菊花链来配置以实现期望的生产率。需要高运转时间的应用(诸如医院)、某些关键的氧气增强燃烧应用以及任何运转关键应用将在不需要液体备用系统的情况下实现更高的运转因子。
单床可逆式风机系统的运转百分比因子为98.5％，添加第二系统将运转因子提高到99.5％，第三单元进一步将运转因子提高超过99.95％。运转时间的这种戏剧性的增加是由于每个单元独立于菊花链中的任何其他单元，因此系统作为一个整体的运转概率是单独概率的乘积。相比之下，通过使用具有98％的典型运转因子的单个双床氧气VSA发生器，当与具有99.5的运转因子的LOX备用系统结合时，所述系统实现了99.95的运转因子。
菊花链构思可以被设计成通过多个单元等于期望的生产量，或者通过额外的容量超过生产量，以便始终满足应用流要求。这个构思消除了在LOX备用不可用或昂贵的领域中对LOX备用的依赖。通过不需要现场安装液态氧气罐，这个构思本质上也更安全。
通过采用正排量型旋涡泵以便一旦氧气被从工艺空气中分离并存储在缓冲罐中就压缩氧气(或其他生产气体)，提供发送到压缩机的命令频率与系统流量之间的相关性。使用正排量型旋涡泵还允许当出口流量已知时评估顶端密封的状况。如果测量的流量与VFD指令频率未适当关联，则可以确定维护要求。进一步的可靠性是通过在单元故障之前预测何时需要这种维护而实现的，维护可以在预期流量需求时的时段安排。另外，通过利用多个单床VSA单元，可以使个别的单元离线以便进行维护，同时维持系统的大部分容量(例如，具有五个单元的系统中的百分之八十的容量)。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元的示意图，示出这种单独的单元的运行。
图2是呈一种实现图1的示意图中所描绘的过程的构造的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元的透视图。
图3是图2所示的但是从相反的角度来看的透视图。
图4是根据本发明的多单元空气分离系统的示意图，所述多单元空气分离系统将多个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元耦联在一起并且对共用系统缓冲罐供气，并且具有相关联的控制器和相关联的设备，以用于实现所述多单元系统。
图5是示出如何控制本发明的系统中的多个单元的方面的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记在各个附图中表示相同的部分，附图标记100涉及由多个单独的单床可逆式风机(SBRB)真空变压吸附(VSA)单元10组成的多单元系统。单元10(图1-3)在多单元系统100(图4)中组合在一起，以提供更大量的氧气以及提高可靠性，并且允许可扩展性和方便维护，而无需使整个多单元系统100离线。
从本质上讲，并且具体参考图4，根据优选实施方案描述了系统100的基本细节。多个单独的SBRB VSA单元10一起包括在系统100中。每个单元100包括通向系统缓冲罐120或其他共用氧气供应源的输出110。系统控制器130耦联到单元10(或者控制可以分配给每个单元10)并且还耦联到与系统缓冲罐120或其他共用氧气供应源相联的传感器，以便于管理单独的单元10的运行。
更具体地，并且具体参考图1，根据优选实施方案描述了每个单独的SBRB氧气分离器单元10的具体细节。氧气分离器10包括吸附床20，所述吸附床20中包含吸附剂材料，所述吸附剂材料与吸附氧气相比更优先吸附氮气、C氧气和水。阀30位于吸附床20的下游。缓冲罐40设置在阀30的下游。风机50限定位于吸附床20的上游的优选形式的泵。控制器60耦联到阀30和风机50(或其他泵)以控制阀30的打开和关闭并且控制风机50(或其他泵)的运行方向，以将空气提供到吸附床20中或者抽真空以将氮气从吸附床20中解除吸附并移除。通常，在风机与吸附床之间需要热交换器以去除在空气被压缩时所产生的热量。在循环的真空阶段期间，热交换器可以被绕过。
继续参考图1，根据该优选实施方案描述了吸附床20的细节。吸附床20包括用于容纳吸附剂材料的外壳22。所述外壳22包括与出口26间隔开的入口24。入口24和出口26限定用于进出外壳22的优选形式的第一端口和第二端口。入口24和出口26通常包含在闭合件或“端板”中，所述闭合件或“端板”可被移除以允许触及外壳22中的吸附部件。否则，外壳22优选地被密封以防止气体泄漏到外壳22中或从壳体22泄漏出。
吸附床20内的吸附剂材料可以是与吸附氧气相比更优先吸附氮气的任何形式的材料。一种这样的材料是分子筛，例如nitroxy siliporite。该材料优选地以珠的形式来提供，所述珠通常为球形或者可以具有不规则形状。由于珠由外壳22内的分子筛材料组成，气体通路在吸附剂材料之间和周围延伸通过。
最优选地，在吸附床的入口端和出口端处构造增压室以提供跨床的截面的均匀气流。在优选的构造中，入口24位于出口26的下方，并且其中入口24位于外壳22的最下部分处，出口26位于外壳22的最上部分上。外壳22可以具有各种不同的形状。在一个实施方案中，外壳22可以是大致矩形形状的。外壳可以成形为类似于压力容器以最大化在外壳22上将被抽出的真空量同时最小化必须设计到外壳22中的材料强度(即壁厚或材料选择)的量。如果吸附剂材料的尺寸足够小以潜在地通过入口24或出口26，则在入口24和出口26处提供过滤器以将吸附剂材料保持在外壳22内。
继续参考图1，描述了阀30的细节。阀30插置在从吸附床20的出口26延伸并延伸到缓冲罐40的管线32上。该管线32优选地基本上是刚性的，特别是在阀30与吸附床20之间，以使得当在吸附床20上抽取真空时，管线32不会塌缩。优选地，阀30被密封以防止在处于关闭位置时以任何方式泄漏，并且当处于打开位置时仅允许气体沿着管线32通过。
阀30优选地耦联到控制器60，所述控制器60控制阀30的打开和关闭。可选地，阀30可以具有构建到阀30中的控制器，所述控制器可以被设置单个时间，并且随后根据其设置来进行运行。
虽然阀30通常将被编程一次并随后根据这种设置运行，但是阀30可以可选地至少部分地通过包括传感器的控制系统和对阀30的反馈来进行控制。例如，可以在阀30附近或沿着阀30与吸附床20之间的管线32设置氧气传感器，以检测接近阀30的氧气浓度水平。邻近阀30的氮气将指示吸附床30内的吸附剂材料氮气饱和，并且氧气分离器10需要改变运行模式，以使风机50(或其他泵)反向以抽真空并从吸附剂材料解吸附氮气并将氮气从吸附床20中抽出以再充填系统。
通常使用在适当时间使风机反转的压力传感器来实现循环的控制。通常，当真空达到一定的预定水平时，启动吹扫循环。随后阀30打开预定量的时间，以使得允许氧气的吹扫层从床吹扫剩余的氮气。因此，压力和真空循环由压力确定，并且循环的吹扫部分被定时。
也可以潜在地利用其他传感器来允许氧气分离器10最有效地运行。阀30优选地是用最少的润滑剂运行的类型或者是可以用与氧气的处理相容的润滑剂运行的类型。阀30和氧气分离器10的其他部分也优选地由与氧气的处理相容的材料形成。例如，黄铜对于氧气的处理通常是有效的，因此当系统10用于氧气分离时黄铜是可以适当地用于制造阀30的一种材料。
继续参考图1，根据优选实施方案描述了缓冲罐40的细节。对于本发明的运行来说，缓冲罐40不是严格需要的，但是允许氧气分离器10形式的系统基本上连续地输送氧气并且缓和系统中的压力尖峰。缓冲罐40包括具有图1中的输入44和输出46的外壳42。然而，通常缓冲罐不具有独立的入口和出口。因为其目的仅仅是作为蓄压器并且使变压吸附过程中固有的压力波动最小化。输入44在吸附床20的下游的阀30的一侧上耦联到管线32。
缓冲罐40通常在输出46上具有某种形式的调节阀，当缓冲罐40下游的氧气利用系统需要氧气时，所述输出将氧气输送出缓冲罐40。缓冲罐40的输入44可以保持与阀30流体连通。当吸附床20主动吸附流入缓冲罐40中的氮气和氧气时，缓冲罐40可以含有高于大气压力的氧气，并且处于与吸附床20的工作压力匹配或或略低的压力下。
传感器可以与缓冲罐40相联，所述缓冲罐40在其接近满状态时与控制器60协作以关闭氧气分离器10。在许多应用中，压缩机位于缓冲罐40的下游以填充氧气容器。当容器充满时，系统将被关闭。如果需要，也可以在缓冲罐40的输出46上设置压力调节器，以使得供给出缓冲罐40的氧气的压力基本保持不变。类似地，如果需要在高于缓冲罐40内的压力的高压下供应氧气，那么可以在缓冲罐40的下游设置氧气泵。
最优选地，缓冲罐40不是特别高压力的罐，使得包括风机50(或其他泵)的氧气分离器10和吸附床20在将氧气输送到缓冲罐40时不需要以特别高的压力来运行。通过使缓冲罐40的压力最小化，缓冲罐40(和系统10的其他部件)的重量可以大大减少。此外，随着风机两侧的压降降低，风机所消耗的功率也降低。
继续参考图1，根据该优选实施方案描述了风机50(或其他泵)的细节。所述风机50大体上包括壳体52，所述壳体52中具有与驱动器(诸如电动机)耦联的某种形式的原动机。在本发明的优选实施方案中，风机50的壳体52包括直接进入周围环境的入口54。在壳体52上还设置有排放口56，所述排放口56位于风机50的最靠近吸附床20的一侧上。
风机50优选地是以直接驱动方式耦联到电动机的带两个或三个叶的旋转风机的形式。在一个实施方案中，电动机是五马力三相电动机，并且旋转风机是带两个或三个叶的风机，并且当在大气压下运行时可以每分钟传送大约一百立方英尺。该旋转风机还优选地被构造成当在吸附床20上抽取真空时具有可接受的性能。
旋转风机的叶片优选地被构造成使得它们对于在任何方向上通过入口54与排放口56之间的风机50移动气体具有大致类似的效率。在本发明的一种形式中，叶片因此在形式上是对称的，以使得它们在风机50的两个旋转方向上类似地作用于空气。
风机50优选地基本上是正排量型，以使得其在吸附床20上抽取真空时维持足够的性能，以使得当风机50在反方向上运行以将氮气从吸附床20中抽出并将氮气输送出入口54时，氮气可以有效地从吸附床20中的吸附剂材料中解吸附。
最优选地，风机50以直接驱动方式(或者通过齿轮箱)耦联到电动机。最优选地，电动机是三相交流电动机，其可以通过反相三相中的两相而容易地反转。以这种方式，控制器60仅需要反相三相电动机的两极。在另一实施方案中，可以使用直流永磁体，其中可以通过反相极性而使旋转方向反向，这进而将使风机的旋转反向。几乎所有三相电动机都能够如上所述地反转。也可从许多制造商容易地获得直流电动机，所述直流电动机通过改变极性而使其旋转方向反向。
可替代地，可以使用其他类型的泵将空气抽吸到吸附床20中并将氮气从用于氧气分离器10的吸附床20中抽出。例如，这种泵可以是正排量泵，诸如活塞泵或蠕动泵。还可以使用其他形式的正排量泵，包括转子泵、齿轮泵等。也可以选择不是严格的正排量泵的其他形式的泵，诸如离心泵或轴流泵。用于将空气泵送到系统中并排空床的最有效方案取决于最终用户的要求。
继续参考图1，根据优选实施方案描述了控制器60的细节。控制器60被示出为通过风机信号线62耦联到风机50(或其他泵)并通过阀信号线64耦联到阀30的独立的单元。事实上，控制器60可以集成到阀30中或集成到风机50(或其他泵)中，或者被提供为诸如图1所描绘的独立单元。还应理解，控制器60可以分成两个(或更多个)独立的装置，它们与风机50和阀30分离或者集成到风机50和阀30二者中。
控制器60提供控制风机50的运转方向以及阀门30打开或关闭的基本功能。已使用简单地对循环进行定时的控制系统。更经常地，控制器被配置成响应压力或一些其他输入。
下面详细描述用于风机50的方向控制以及阀30的打开和关闭的优选顺序。控制器60可以是可编程逻辑装置的形式或者可以是专用集成电路的形式，或者可以是专用计算机或通用个人计算机或其他计算装置的CPU的形式。控制器60可以被配置成具有诸如在制造期间在中央受控位置设置的运行参数，或者可以被配置成允许在运行之前和/或运行期间来现场编程。
在使用和运行中，并且特别参考图1，描述了本发明的氧气分离器10的运行的细节。应当理解，当分离其他气体时，与从空气中分离氧气时相比，本发明将类似地运行，并且本发明作为氧气分离器的运行仅作为本发明的一个实例来提供。
最初，分离器10被构造成阀门30是关闭的，并且导致风机50(或其他泵)在驱使气体(沿着箭头E)离开吸附床20的方向上旋转。这是用于将氮气从床20中的珠中解吸附出来的真空循环。具体地，风机50旋转以导致气体(沿着箭头E)被拉入入口54中。所述气体通过风机50从床20中被移出，并且使得气体沿着箭头F通过排放口54远离吸附床20并到达周围环境。
氮气(或其他不需要的气体)由吸附床20内的吸附剂材料吸附。最典型地，吸附剂材料还吸附水蒸气和二氧化碳，以及潜在的痕量的其他气体，包括污染物。
在真空循环的最后部分期间，阀30打开以允许缓冲罐的少量内容物被引入吸附床中。此步骤称为“吹扫阶段”。吹扫阶段用于将氮气(以及一些二氧化碳和水)吹扫出阀30与风机50之间的自由空间和管道线，但不明显地流出到周围环境中。这个较短的吹扫阶段通常被定时以匹配通过实验计算或确定的量，但也可以基于传感器读数而结束。所述吹扫阶段结束真空循环并且在随后进行吸附循环。
随后使风机反转以开始吸附循环。空气在风机50的入口54端口处(在箭头A所示的方向上)吸入风机中。空气(沿箭头B)流入吸附床20中，其中优先吸附氮气、二氧化碳和水。未吸附在吸附床中的气体(通常是氧气和氩气的混合物)通过阀30进入缓冲罐40中。
吸附床20也可以在一定程度上吸附氧气。然而，吸附剂材料被选择成使得其与吸附氧气相比更优先吸附氮气。由于在吸附床20内存在吸附剂材料，所以基本上只有氧气(或其他所需气体)可以通过出口26离开吸附床20。通常，氩气也与氧气一起保留。由于空气约为1％氩气和约20％的氧气，所以这二十比一的比率通常导致在出口26处从吸附床20排放的气体是大约95％的氧气和5％的氩气。
因为阀30被打开，所以所述氧气可以通过阀30(沿着箭头C)流动并流入缓冲罐40中。缓冲罐40因此被充满氧气。如果需要氧气，就可以(沿着箭头D)从缓冲罐40输出46排出氧气。吸附床20内的吸附剂材料最终会以氮气和诸如水蒸汽和二氧化碳的其他化合物饱和。这种饱和点可以预先计算并校准到分离器10中。可替代地，可以诸如沿着与阀30相邻的管线32提供传感器，以感测应基本上仅仅是氧气和氩气中的氮气或其他污染物。这种传感器可以导致系统检测吸附床20内的吸附剂材料的这种饱和，并且从而将氧气分离器10的运行模式从吸附循环改变成真空循环。触发此改变的其他传感器可以是单独的或与时钟或校准表组合的压力传感器或体积流量传感器。目标是防止在吸附床20饱和后氮气或其他污染物通过阀30。
当这种饱和已被感测为发生或预测要发生时，分离器10通过关闭阀30改变运行模式。随后，风机50(或其他泵)反转其运行方向。例如，控制器60可以反相耦联到风机的三相电动机的三相中的两相。随后使风机50转向相反方向，并开始将气体(沿箭头E)从吸附床20抽出并从排放口56进入到风机50中，并且通过入口54流出风机50并流出到周围环境中，作为上面描述的真空循环的重复。
控制器60可以被编有从吸附床20内的吸附剂材料有效地解吸附氮气所需的典型时间量。通常，控制器60感测吸附床20中的阈值低压。系统运行随后如上所述地以较短的吹扫阶段继续，随后返回到解吸附循环。
氧气分离器10的该运行顺序可以可能无限地自身重复。当缓冲罐40变满(或通过缓冲罐被填充的容器变满)时，与缓冲罐40相联的适当的传感器可以指示其已充满并且关闭氧气分离器10。在需要感测更多量的氧气时，例如通过缓冲罐40中的压降，可以将信号发送到控制器60，以再次导致系统开始运行。
单独的各分离器单元10被提供作为与输出110、系统缓冲罐120或其他共用的氧气供应源和控制器130一起的整组单元内的独立的各单元10，以提供本发明的多单元系统100。系统100内提供的独立的SBRB单元10的数量可以随着提供的至少两个单元10而变化。另外，系统100内的单元10的数量可以增加(或减小)以匹配整个系统100的要求，特别是在系统100的要求应诸如以显著增加需求或显著减少需求的方式随时间而变化的情况下。与单独的各单元10相联的一些子系统可以在系统的变型例中组合在一起，诸如通过将从共用的电动机或从通过共用的电力供应总线接收电力的单独的各电动机供应的动力供应到风机50。通常，单独的各单元100的空气入口54将彼此充分间隔开以避免氮气(在所述单元的再充阶段期间)从一个单元10排放，从而(在生产阶段时)影响相邻单元10的性能。
具体参考图4，根据所述优选实施方案描述了多单元系统100的具体细节。单独的各单元10安装在需要氧气供应的位置处。输出110耦联到通向多单元系统100的系统缓冲罐120(或其他共用的氧气供应源)的单元10中的每一个单元。最优选地，这些输出110由诸如旋涡泵70的正排量泵通过止回阀80来给送，所述止回阀80防止回流到单独的各单元10中的回流。与每个单元10相联的各种旋涡泵70具有类似的压力设置，其限定了进入到系统缓冲罐120中的氧气的压力和供应，并且确保整个系统100的平衡。止回阀80防止一个单元10将氧气推入到其他单元10中，而仅仅为系统缓冲罐120或其他共用的氧气供应源供气。
系统缓冲罐120包括从单独的各单元10引导到系统缓冲罐120中的氧气输入126，以及可以通向利用氧气的设施的氧气输出128。通常，系统100的需求被定义为由氧气输出128下游的设备、系统等使用的氧气。通常，系统100供应由通过氧气输入126进入系统缓冲罐120中的氧气的流量来定义。优选地，在氧气输出128上设置流量计124以测量系统100的需求。与系统100相关联的供应可以类似地通过耦联到氧气输入126或与其相邻的流量计来测量。可替代地，与单独的各单元10相联的流量计可以被利用并相加以用于运行单元，或者通过添加来自单独的各单元10的已知输出而得到。
优选地，压力传感器122也与系统缓冲罐120相关联。可以利用压力传感器122以将系统缓冲罐120内的压力维持在预定期望范围内。在一个实施方案中，可以通过测量压力传感器122是否正在测量减小的压力来确定需求超过供应，并且可以通过检测系统缓冲罐120内的正在增加的压力来确定系统100供应超过需求。如果遇到存在最大或最小压力阈值，压力传感器也可以导致单元开始(come on)或离线。在其他实施方案中，可以通过用流量计124进行测量来直接测量需求。供应可以类似地直接用流量传感器来测量，或者如果单独的流量传感器与单独的单元10相联或者基于单独的单元10的已知性能。
优选地，来自流量计124和压力传感器122以及任何其他仪表和/或传感器的数据被给送到控制器130，以提供整个系统100的控制的至少一些部分。因此，系统控制器130包括传感器输入132和通向每个单独的单元10的各种指令输出134。此外，与多单元系统100相联的整个控制系统优选地包括可以设置在单独的单元10之间的对等信号器通路136，特别是对于本发明的菊花链式点对点实施方案。在这种点对点实施方案中，控制器130的一些或全部功能可以由单元10本身来处理，使得可以通过与每个单元10相联的控制器部分来简化或替换控制器130。
通常，在一个实施方案中，系统100如下运行。最初，一个单元10通过操作者进入运行。对氧气的需求导致氧气流出系统缓冲罐120，同时将氧气从一个运行单元10供应到系统缓冲罐120中。利用上面指定的各种方法，如果需求超过供应，则使第二单元10在线。如果需求仍然超过供应量，则使第三单元在线。重复这个过程，直到供应满足需求为止。如果供应超过需求一大于一个单元10的输出的量，则使其中一个单元离线。控制器130跟踪哪个单元已运行最长时间，并使所述已运行最长时间的单元离线。以这种方式，各种单元10运行近似的量。
单元10也可以离线以便进行维护，并且因此通过由控制器130采用的整体运行算法跳过。如果需要扩展，可以向系统添加新的单元10，而不需要重新设计整个系统。
在一个实施方案中，通过对等信号器136提供使新单元10在线的信号。最后进入在线的单元10具有被监测的与其相关联的背压(或从系统100中别处的传感器接收诸如与缓冲罐120相关联的信息)。如果背压相对较低，在指示需求超过供应的水平，从测量相对较低的背压的单元10发送信号到链中的下一单元10，信号器发送命令信号以使链中的下一单元在线。在必要时这个过程可以继续，直到所有单元进入在线。
如果背压累积，则没有新的单元进入在线。如果背压继续累积，则使其中一个单元离线。可以依靠控制器130来发送信号以使单元离线。在一个实施方案中，控制器130总计地监测单独的单元的运行小时以及每个当前运行单元已运行的时间量。因此，控制器可以确定哪个单元10应离线，优选地是已运行最长时间的单元。于是没有单独的单元10应承受比其他单元明显更大的负担量，而是它们经历类似的工作周期。
在一个实施方案中，分散控制算法可以部分地嵌入在每个单元10内，并且利用对等信号器136可以以简化但稳健的方式一起起作用，而不是具有集中式控制器130。当与单独的各单元相关联的背压低于阈值量时，最近启动的单元将信号发送到链中的下一个单元10，以使链中的下一个单元10在线。当背压累积并且超过阈值水平时，使最先进入在线的单元离线。
在单元离线之前，其向链中的下一个单元发送信号，从而与链中的现在是最长时间运行单元的该下一个单元10通信。如果在预定的时间量之后背压仍然保持在阈值量以下，那么现在已标志为最长时间运行单元的下一个单元将离线。但是在离线之前，所述单元10向链中的下一个单元发送指示链中的下一个单元10现在是最长时间运行单元的信号。以这种方式，可以将完全分散的控制算法合并到每个单独的单元10中，并且不需要特定的控制器130。
通过利用与每个单元10相关联的背压传感器，流量计124和压力传感器122变得不重要。应认识到，在各种系统中期望具有传感器封装件以允许操作者监测系统100的各种不同的性能参数。然而，当这种监测传感器对于控制算法来说不是关键的而仅仅提供用于监测和故障排除的目的以及构建安全和冗余子系统时，这是有益的。
虽然各种单元10被描绘成作为一系列五个单元(图4)，但是可以提供更多或更少数量的单元10。系列中的最后一个单元10(SBRB5)被耦联到系列中的第一单元(SBRB 1)，以使得单元10被菊花链链接在一起，其中没有特定单元实际上是第一或最后单元10。系统100内的任何单元10都可以是进入在线的初始单元，并且当这样进入在线时，其将保持作为最长时间运行单元10的指定，直到单元10离线(并且在离线之前将信号发送到链中的下一个单元，镖师其是将要离线的下一个单元，因为其现在具有作为最长时间运行单元的状态)。
在一个实施方案中，最初启动系统100的信号不被发送到单独的单元，也不通过对操作者的选择的单元发信号来实现，而是发送到共用的控制单元，所述共用的控制单元可以基于随机选择过程随机化请求并发送信号来使单元10在线，以使得操作者习惯将不会导致一个单元10明显比任何其他单元运行得明显更多。为了允许单独的单元10离线以便进行整个系统100的维护、更换或调整大小，互连的对等信号器136可以仅仅与离线的所述单元断开连接，并且诸如用适当的接插线绕过其到链中的下一个单元。
具体参考图5，提供了与本发明相关联的控制图的基本实施方案。在所述控制图中，将进入在线的单元10的数量识别为“X”，并且系统基于需求来激活单元以满足需求。随后，随着时间的推移，实现一种控制算法，其在需求超过供应量并且因此激活下一个可用单元的情况下，频繁地重新评估。如果需求不超过供应，并且需求低于供应一比最长时间运行单元的输出更大的量，则使最长时间运行单元离线。否则，允许经过预先选择的时间量，并且随后再次进行重新评估。
提供本公开以揭示本发明的优选实施方案以及用于实施本发明的最佳模式。因此已以这种方式描述了本发明，显而易见的是，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可以对优选实施方案进行各种不同的修改。当结构被识别为执行功能的手段时，所述识别旨在包括可以执行指定功能的所有结构。
工业适用性
本发明表现出工业适用性，因为它提高了空气分离单元氧气供应系统的可靠性，例如用于需要较高可靠性的医院和其他氧气供应系统。
本发明的另一个目的是提供一种氧气供应系统，该氧气供应系统通过将额外的单独的各单元添加到系统中而可容易地缩放。
本发明的另一个目的是通过战略性地将单独的单元耦联在一起而将单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元在一个组中一起利用，以为整个系统提供与存在于单独的更大单元中相比更高的可靠性。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制多单元系统内的一组单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元以实现高可靠性的方法。
本发明的另一个目的是提供一种高可靠性的真空变压吸附空气分离系统，其包括多个单床可逆式风机单元，所述多个单床可逆式风机单元是模块化的并且可以在没有广泛的基础设施要求的情况下安装，以实现可扩展性和降低的基础设施成本。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元的方法和系统，以使得系统内的单独的各单元运行类似的时长，并且以允许灵活地满足需求的方式并且适应单独的各单元离线以便进行维护的方式运行，同时仍保持系统以接近满负荷状态运行。
通过仔细阅读所附的详细描述、通过回顾附图并且通过回顾本文所附的权利要求，证明本发明的工业适用性的本发明的其他另外的目的将变得显而易见。

Claims (20)

1.一种高可靠性氧气供应的方法，所述方法包括以下步骤：
安装多个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元，每个单元具有空气进口和氧气出口；
将每个单元的所述氧气出口耦联到共用的氧气供应源；
运行至少一个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元；
感测氧气需求；
如果氧气需求大于氧气供应，则使一另外的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元运行；
如果氧气需求小于氧气供应一足以在少一个单元运行的情况下满足需求的量，则使一单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元脱离运行；以及
使一单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元脱离运行的步骤包括使已运行最长时间的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元脱离运行。
2.如权利要求1所述的方法，其中将每个单元的所述氧气出口耦联到共用的氧气供应源的步骤包括包含系统缓冲罐的共用的氧气供应源。
3.如权利要求2所述的方法，其中感测氧气需求的步骤包括所述系统缓冲罐上的压力传感器，其中所述系统缓冲罐内的增加的压力指示比系统需求更大的供应，所述系统缓冲罐内的减小的压力指示比系统供应更大的系统需求。
4.如权利要求2所述的方法，其中感测氧气需求的步骤包括所述系统缓冲罐下游的流量传感器，其中将流出所述系统缓冲罐的流量与运行步骤的从所述至少一个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元到所述系统缓冲罐中的氧气供应进行比较，并且其中流出所述系统缓冲罐的流量大于进入所述系统缓冲罐中的流量指示需求大于供应。
5.如权利要求1所述的方法，其中使一单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元脱离运行的步骤包括：如果感测氧气需求的步骤中的供应超过感测氧气需求的步骤中的需求一至少与单个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元的氧气输出一样大的量，则使一单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元脱离运行。
6.如权利要求1所述的方法，其中使一单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元脱离运行的步骤包括：如果所述共用的氧气供应源内的压力超过预定量，则使一单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元脱离运行。
7.如权利要求1所述的方法，其中使一另外的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元运行的步骤还包括：如果所述共用的氧气供应源内的压力下降到低于预定最小压力，则使一另外的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元运行。
8.如权利要求1所述的方法，其中将每个单元的所述氧气出口耦联到共用的氧气供应源的步骤包括：在每个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元与共用的氧气供应源之间插置正排量旋涡泵。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述将每个单元的所述氧气出口耦联到共用的氧气供应源的步骤包括：在每个正排量旋涡泵与共用的氧气供应源之间插置止回阀，所述止回阀被构造成防止来自共用的氧气供应源的流体回流到任何单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述多个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的每一个单元包括与其氧气出口相联的需求传感器以及耦联到单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的单独一个单元的命令信号器，其中所述单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的每一个单元具有耦联到其他单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的不同的一个单元的命令信号器，使得所述单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的每一个单元具有耦联到其他单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的一个单元的命令信号器并且所述单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的每一个单元本身从所述多个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的另一个单元接收命令信号器；
使所述单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的一个单元运行；
感测对进入运行的单元的需求，如果对进入运行的单元的需求大于对进入运行的单元的供应，则通过所述命令信号器向单元中的将进入运行的另外一个单元发送信号；
如果需求超过供应，则进入运行的那一新单元进而感测其需求并且进而通过所述命令信号器向将要进入在线状态的下一个单元发出命令；以及
如果供应超过需求一大于单独的单元的氧气输出的量，则耦联到单元中的每一个单元的控制器关闭已运行最长时间的单元。
11.一种用于高可靠性地生产氧气的系统，包括以下组合：
多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元，每个单元具有空气进口和氧气出口；
共用的氧气供应源，每个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元的所述氧气出口被耦联到所述共用的氧气供应源；
氧气需求传感器；
控制器，所述控制器以允许所述多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元单独地进入运行和脱离运行的方式耦联到所述多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的每一个单元；以及
当进入所述共用的氧气供应源中的供应超过离开所述共用的氧气供应源的需求一足以在少一个所述单元运行的情况下满足需求的量时，所述控制器使所述多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的运行最长时间的单元离线。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述共用的氧气供应源包括系统缓冲罐，所述系统缓冲罐具有氧气输出部以及由所述多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元的所述氧气出口供给的氧气输入部。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述氧气需求传感器包括压力传感器，所述压力传感器感测所述系统缓冲罐内的压力，所述压力传感器被耦联到所述控制器。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述氧气需求传感器包括所述系统缓冲罐的所述氧气输出部上的流量传感器，所述流量传感器被耦联到所述控制器。
15.如权利要求11所述的系统，其中所述多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的每一个单元包括在所述氧气出口处的将氧气给送到所述共用的氧气供应源的旋涡泵。
16.如权利要求15所述的系统，其中止回阀被插置在所述多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的每个单元的所述旋涡泵中的每个旋涡泵与所述共用的氧气供应源之间。
17.一种用于由多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元高可靠性地生产氧气的简化系统，所述简化系统包括以下组合：
用菊花链链接在一起的多个单独的可逆式风机真空变压吸附空气分离单元，每个单元包括空气进口和氧气出口，每个单元包括与所述氧气出口相联的氧气需求传感器，并且每个所述单元包括信号器，所述信号器与所述菊花链内的下一个单元互连；
每个所述单元的每个所述氧气出口为共用的系统氧气输出部供气；以及
控制器，所述控制器被耦联到所述单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的每个单元，当供应超过需求一大于单个单独的所述单元的输出的量时，所述控制器停用运行最长的单元。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述共用的系统氧气输出部包括系统缓冲罐，所述系统缓冲罐具有由所述多个单独的单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元的所述氧气出口供给的氧气输入部。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述信号器包括当所述可逆式风机真空变压吸附空气分离单元中的最后运行的一个单元的所述氧气需求传感器检测到需求超过供应时，由所述单元中的最后运行的一个单元发送的激活信号。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述氧气需求传感器是背压传感器。
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