CN108139146A - 用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的方法 - Google Patents

用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的方法 Download PDF

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CN108139146A CN201680058798.2A CN201680058798A CN108139146A CN 108139146 A CN108139146 A CN 108139146A CN 201680058798 A CN201680058798 A CN 201680058798A CN 108139146 A CN108139146 A CN 108139146A
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L·J·罗斯
A·F·阿卜杜勒瓦哈卜
C·L·施瓦茨
R-L·陈
H·E·霍华德
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Abstract

本发明提供了一种使用串联控制的至少两个变速压缩机直接驱动组件来控制进入低温空气分离设备的进料空气流的所述压缩的方法。所述第一变速直接驱动器组件直接驱动所述低压压缩机单元中的至少一个压缩级，而所述第二变速直接驱动器组件直接驱动设置在所述空气分离设备的所述通用空气压缩系统中的高压压缩级。所述第一变速驱动器组件和第二变速驱动器组件优选为高速变速电动马达组件，每个所述电动马达组件均具有马达主体、马达外壳和马达轴，所述马达轴具有通过牺牲性刚性联轴器直接且刚性地联接到所述马达轴的一个或多个叶轮。

Description

用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的方法
技术领域
本发明涉及低温空气分离设备中进料空气流的压缩，更具体地涉及使用串联控制的至少两个直接驱动压缩组件来压缩进料空气流的方法。
背景技术
低温空气分离是非常耗能的过程，因为需要生成高压、温度非常低的空气流和驱动该过程所需的大量制冷。在典型的低温空气分离设备中，进料空气流穿过主空气压缩机(MAC)装置以获得期望的中间排放压力和流量。在这种压缩之前，通常经由空气过滤器将灰尘和其他污染物从进料空气流中去除，该空气过滤器通常设置在吸气过滤器外壳中。过滤的空气流在多级MAC压缩装置中被压缩，通常压缩到约6巴的最小压力并且通常在更高的压力下进行压缩。然后将压缩的进料空气流在预纯化单元中纯化以从进料空气流中去除高沸点污染物。此类预纯化单元通常具有吸附床以吸附诸如水蒸汽、二氧化碳和烃类的污染物。在许多空气分离设备中，经压缩纯化的进料空气流或其部分在一系列增压空气压缩机(BAC)装置中被进一步压缩到更高的排放压力。在传统的空气分离设备中，MAC压缩装置位于预纯化单元的上游，而BAC装置位于预纯化单元的下游。
然后将压缩的或进一步压缩的纯化进料空气流冷却并在多个蒸馏塔中分离成富氧馏分、富氮馏分和富氩馏分，这些蒸馏塔可包括高压塔、低压塔以及任选地包括氩塔(未示出)。如上所述，在此类蒸馏之前，经压缩预纯化的进料空气流通常被分成多个经压缩预纯化的进料空气流，其中的一些或全部随后被送至多级BAC压缩装置以获得煮沸由蒸馏塔系统产生的氧所需的期望压力。包括任何进一步压缩预纯化的进料空气流的多个经压缩预纯化的进料空气流然后在初级换热器或主换热器内被冷却至适于在蒸馏塔系统中进行精馏的温度。在初级换热器中冷却多个进料空气流的源通常包括由蒸馏塔系统生成的一种或多种废物流以及由冷涡轮和热涡轮装置生成的任何补充制冷，如下所述。
然后将多个冷却的压缩空气流引导至双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统，该系统包括高压塔和任选的氩塔，该高压塔与低压塔热连接或联接。在进入高压塔和低压塔之前，任何液态空气流都可在焦耳-汤普森阀中膨胀，以产生用于产生低温产物(包括液氧、液氮和/或液氩)所需的进一步制冷。
在设计用于产生大量液态产物(诸如液氧、液氮和液氩)的空气分离单元中，必须提供大量的补充制冷，通常通过使用上述焦耳-汤普森阀、冷涡轮装置和/或热再循环涡轮装置。冷涡轮装置通常被称为下塔涡轮(LCT)装置或上塔涡轮(UCT)装置，其用于向双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统提供补充制冷。另一方面，热再循环涡轮(WRT)装置利用所产生的排气流在热涡轮膨胀机中膨胀制冷剂流，通过制冷剂流的膨胀进行冷却，通过在初级换热器中或在辅助换热器中与所预纯化的压缩的进料空气进行间接热交换，为低温空气蒸馏塔系统提供补充制冷。
在LCT装置中，一部分预纯化的压缩的进料空气在BAC压缩装置中被进一步压缩，在初级换热器中被部分冷却，然后将该进一步压缩并部分冷却的流的全部或一部分转移到涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机可操作性地联接到压缩机并且驱动压缩机。然后将膨胀的气流或排气流引导至双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统的高压塔。通过转移流的膨胀而产生的补充制冷由此被直接施加到高压塔，从而减轻了初级换热器的一些冷却负荷。
类似地，在UCT装置中，一部分所纯化的压缩的进料空气在初级换热器中被部分冷却，然后将该部分冷却的流的全部或一部分转移到热涡轮膨胀机，该热涡轮膨胀机也可操作性地联接到压缩机并且驱动压缩机。然后将来自热涡轮膨胀机的膨胀的气流或排气流引导至双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统中的低压塔。通过排气流的膨胀而产生的冷却或补充制冷由此被直接施加到低压塔，从而减轻了初级换热器的一些冷却负荷。
MAC压缩装置和BAC压缩装置需要大量功率来实现所需的压缩。通常，MAC压缩装置消耗空气分离设备消耗的总功率的约60％至70％。尽管空气分离设备功率需求的一部分可通过上述向双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统提供补充制冷的冷涡轮装置和/或热涡轮装置进行回收，但是空气分离设备驱动多级MAC压缩装置和多级BAC压缩装置所需的大部分功率是外部供应的功率。
大多数传统的MAC压缩装置和BAC压缩装置以及氮再循环压缩机和相关的产品压缩机被配置为整体齿轮式压缩机(IGC)装置，其包括联接到单速驱动器组件的一个或多个压缩级以及适用于通过大齿轮和相关联的小齿轮轴驱动一个或多个压缩级的齿轮箱，使得所有小齿轮轴以恒定的速度比运行。一个或多个压缩级通常使用离心压缩机，其中进入入口的进料空气被分配到称为叶轮的叶片式压缩机轮，该叶轮旋转以加速进料空气并由此将旋转能量施加给进料空气。能量的增加伴随着速度的增加和压力的升高。压力在围绕叶轮的静态叶片或无叶片扩散器中回收，该扩散器用于降低进料空气的速度，从而增加进料空气的压力。叶轮可布置在多个轴上或者布置在与单速驱动器联接的单个轴上。在使用多个轴的情况下，通常需要齿轮箱和相关联的润滑系统。
传统的MAC压缩装置还需要设置在压缩机的多个级之间的多个中间冷却器，以从每个压缩级之间的压缩空气流中去除压缩热。其原因是当空气被压缩时，其温度升高，升高的空气温度需要增加功率来压缩气体。因此，当在压缩级中压缩空气并且在压缩级之间冷却空气时，与没有级间冷却的压缩相比，由于更接近等温压缩，所以压缩功率要求降低。诸如直接接触式后冷却器或空气冷却器的后冷却器通常也定位在MAC压缩装置和BAC压缩装置之间。
已经建议利用直接驱动压缩机组件装置替换部分传统的IGC装置。压缩机和驱动器组件的直接联接克服了齿轮箱装置固有的低效率，其中在驱动器组件和压缩级之间的传动装置内发生热损耗。这种直接联接被称为直接驱动压缩机组件，其中驱动器组件轴和叶轮都以相同的速度旋转。通常，这种直接驱动压缩机组件能够变速运行。由此可以运行直接驱动压缩机组件通过改变驱动器速度来递送穿过多个压缩级的一定范围的流量和压缩机单元上一定范围的压力比。
另外，大多数传统的MAC压缩装置被设计为在对应于峰值流量处或其附近的点的设计点处被优化。然而，在许多空气分离设备中，已经发现的是压缩机通常在其各自的设计条件下运行的时间少于10％，并且在一些设备中，该时间少于5％。MAC压缩装置和BAC压缩装置的峰值流量将受到可以由压缩机制造商制造的离心叶轮尺寸和许可的叶轮叶尖速度的限制。在传统系统中，所有MAC压缩级通常由相同的传动系统或驱动器驱动。因此，一旦为该MAC驱动器选择了设计速度，几乎没有改变速度的空间，因为任何速度改变都将影响所有MAC压缩级以及可能也联接到相同的传动系统的任何BAC压缩级。使用这种传统的设计点，传统的MAC压缩装置通常可以使用与一个或多个压缩级相关联的入口导向叶片实现仅约30％下调量的下调(即，减少压缩空气的流量)。
对于任何给定的空气分离设备，虽然空气入口压力通常是恒定的，但是从冬季到夏季，甚至从白天到夜间，环境空气入口温度可以发生显著变化，导致体积流量发生相当大的变化。一旦选择了设计速度，几乎没有改变该速度的空间来适应季节性温度和/或生产变化。因此，最有效的压缩机性能控制变量，即驱动器速度，不是用于大多数传统MAC和BAC压缩装置的运行控制的自由度。
例如，为了应对夏季高温条件下所需的流量和扬程，需要根据夏季高温条件设定MAC压缩装置的尺寸，并且将部分关闭入口导向叶片以应对正常运行条件。这可能会降低压缩机在其他运行条件下的效率，并且还会减少设备的下调范围(即，从设计流量到无压缩机喘振的最小许可流量范围)。在下调条件下，体积流量减小，因此入口导向叶片必须进一步关闭，并且在一些情况下，压缩空气可能不得不排放到大气环境中，以防止压缩机喘振。入口导向叶片的关闭和/或一部分压缩空气的排放都会导致功率的浪费和整体设备效率的降低。
另外，为了优化空气分离循环，大多数空气分离设备的压缩系统(包括使用直接驱动压缩组件作为空气压缩系统的一部分的设备)被设计成向预纯化单元提供大致恒定的排放压力(就MAC压缩装置而言)或者提供蒸馏塔系统所需的压力(就BAC压缩装置而言)。在这种空气分离设备中保持大致恒定的排放压力还可能导致在所有运行条件下功率的浪费和整体设备效率的降低。还需要允许持续或周期性地调节进料空气流量和/或空气压缩系统的排放压力而不牺牲整个空气分离设备的效率。
因此，一直需要通过采用有效的直接驱动压缩组件作为空气压缩系统的一部分来降低与空气分离设备中的空气压缩装置相关联的运行成本，即功率成本。采用直接驱动压缩组件作为空气压缩系统的一部分的现有技术系统在以下的具体实施方式部分中更详细地讨论，该部分包括讨论本发明与用于空气分离设备的现有技术直接驱动压缩组件之间的差异。
发明内容
本发明的特征可在于一种用于压缩进入的进料空气流的方法，该方法包括以下步骤：(a)在公共空气压缩机组的低压单级或多级压缩机中压缩进入的进料空气流的至少一部分，低压单级或多级压缩机中的至少一个压缩级由第一变速驱动器组件直接驱动；(b)在公共空气压缩机组的一个或多个中压压缩级中进一步压缩压缩的进料空气流；(c)在公共空气压缩机组的一个或多个高压单级或多级压缩机中进一步压缩经压缩、纯化的流，其中高压单级或多级压缩机中的至少一者由第二变速驱动器组件驱动；(d)在步骤(a)之后、步骤(b)之后或步骤(c)之后纯化经进一步压缩的进料空气流以去除杂质；(e)将经压缩且纯化的进料空气流的一个或多个部分引导到分流功能空气压缩机组；(f)将分流功能空气压缩机组中的经压缩且纯化的进料空气流的部分中的一者或多者引导到初级换热器，以便将所述一个或多个部分冷却到适用于低温空气分离设备的蒸馏塔系统中的精馏的温度；以及(g)将经冷却、压缩且纯化的进料空气流的部分中的一者或多者的一些或全部引导到低温空气分离设备的蒸馏塔系统以产生液态和气态产物。
由第一变速驱动器组件驱动的低压压缩机单元中的一个或多个压缩级可布置为单端配置(即，一个低压压缩级)或双端配置(即，两个低压压缩级)。当布置为双端配置时，由第一变速驱动器组件驱动的低压压缩机单元中的压缩级可布置为串联压缩步骤，或者可另选地布置为并联压缩步骤，优选地具有通用进料口和通用出口。当布置为并联压缩装置时，被压缩的进料环境压力空气的体积流量可以是大致相同的体积流量或者可以是不同的体积流量。另外，在一个或多个低压压缩级上使用入口导向叶片可用于帮助控制穿过共同空气压缩系统的空气流。
由第二变速驱动器组件驱动的高压压缩机单元中的一个或多个压缩级也可布置为单端配置(即，一个高压压缩级)或双端配置(即，两个高压压缩级)。公共空气压缩机组中的中间压缩级可被配置为整体齿轮式压缩机，或可由又一种变速驱动组件驱动。
类似地，分流功能空气压缩机组中的任何压缩级(包括任何锅炉空气压缩机或涡轮空气压缩机)可被配置为整体齿轮式压缩机，或可由涡轮膨胀机的轴功驱动，或可由再其他变速驱动组件驱动。分体式空气压缩系统优选地包括用于处理压缩和纯化的空气流的一部分的锅炉空气回路和用于处理压缩和纯化的空气流的另一部分的涡轮空气回路。锅炉空气回路优选地包括一个或多个锅炉空气压缩级。涡轮空气回路还可包括具有一个或多个涡轮空气压缩级或再循环空气压缩级的上塔涡轮回路、下塔涡轮回路、热再循环涡轮回路或它们的组合。
从压缩系统控制的观点来看，进料空气流的体积流量优选地通过响应于低温空气分离设备的运行条件的改变，调节第一变速驱动器组件的速度来控制，使得来自通用空气压缩系统的排放压力是可变排放压力，该可变排放压力通过响应于低温空气分离设备的运行条件的改变，调节第一变速驱动器组件和/或第二变速驱动器组件的速度而改变。设备的运行条件可包括诸如下调条件或环境空气条件等条件。
压缩系统控制的其他方面是部分地基于第一变速驱动器组件的速度来调节第二变速驱动器组件的速度。例如，第一变速驱动器组件的速度可响应于通用空气压缩系统中测量的空气流量而设定，并且第二变速驱动器组件的速度可响应于分体式空气压缩系统中纯化的压缩空气流的至少一部分的测量的压力结合第一变速驱动器组件的速度而设定。另选地，第二变速驱动器组件的速度可响应于通用空气压缩系统中的排放压力和第一变速驱动器组件的速度而设定。
另一种控制选项是响应于通用空气压缩系统中测量的空气流量以及一个或多个过程限制、压缩机限制或驱动器组件限制来控制第一变速驱动组件的速度。第二变速驱动器组件的速度也将响应于类似的过程限制、压缩机限制或驱动器组装限制结合第一变速驱动组件的速度来设定或调节。
附图说明
虽然本说明书的结论是申请人视为其发明内容且明确地指出发明主题的权利要求书，但相信本发明在结合附图考虑时将得到更好的理解，其中：
图1是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的优选方法之
图2是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了另一种用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的优选方法；
图3是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了又一种用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的优选方法；
图4是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的替代装置；
图5是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的另一替代装置；
图6是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的又一替代装置；
图7是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的第三替代装置；
图8是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的第三替代装置的另一种变型形式；
图9是根据本发明的低温空气分离设备的示意性流程图，该低温空气分离设备结合了用于压缩低温空气分离设备中的进料空气流的第三替代装置的又一种变型形式；
图10是根据本发明的示出了用于控制空气压缩系统的各方面和特征的低温空气分离设备中的空气压缩系统的示意性流程图；
图11是根据本发明的示出了用于控制这种空气压缩系统的其他方面和特征的低温空气分离设备中的空气压缩系统的示意性流程图；
图12是根据本发明的低温空气分离设备中的空气压缩机组的示意性流程图，示出了用于控制此类空气压缩机组的还另外方面和特征；以及
图13是马达轴与叶轮之间的牺牲性刚性联轴器装置的示意性局部视图。
具体实施方式
如本文所用，短语通用空气压缩(CAC)机组是指被配置为将基本上所有进料空气流压缩、冷却并预纯化为指定的流量、压力和温度条件的多个压缩级、中间冷却器、后冷却器和预纯化单元。通用空气压缩系统通常包括MAC压缩装置(或预MAC装置)中的压缩机以及任选地包括BAC压缩装置的一个或多个初始压缩级，其中通用空气压缩系统内的每个压缩机被配置为压缩基本上所有进料空气流。
如本文所用，短语分体式空气压缩(SFAC)系统是指多个压缩级、中间冷却器、后冷却器和涡轮膨胀机，其将压缩和预纯化的空气流的所选择的部分从指定条件压缩、冷却并且/或者膨胀为具有适用于以下操作的流量、压力和温度条件的两个或更多个分流：(i)煮沸来自蒸馏塔系统的液态产物，(ii)为蒸馏塔系统产生冷涡轮和/或热涡轮制冷，以及(iii)在蒸馏塔系统中进行精馏。分流功能空气压缩机组通常将包括BAC压缩装置的一个或多个随后压缩级；与任何冷涡轮制冷回路(诸如上塔涡轮(UCT)空气回路和下塔涡轮(LCT)空气回路)相关联的压缩机；与热再循环制冷回路(诸如热再循环涡轮(WRT)空气回路)相关联的压缩机、或被配置用于压缩来自公共空气压缩机组的少于基本上所有压缩空气流的其他下游压缩级。
术语或短语‘整体齿轮式压缩机’(IGC)是指联接到单速驱动器组件的一个或多个压缩级以及适用于通过大齿轮和相关联的小齿轮轴驱动一个或多个压缩级的齿轮箱，使得所有小齿轮轴以恒定的速度比运行。对于电动马达驱动的IGC，单速由马达速度定义，而在蒸汽涡轮驱动的IGC中，单速被优选地表征为取决于蒸汽涡轮特征的非常小的速度范围。相比之下，术语或短语‘直接驱动压缩机组件’(DDCA)是指由变速驱动器组件驱动并且不包括齿轮箱或变速器的一个或多个压缩级。
在提供本发明的多个实施方案的详细讨论之前，通过与传统的基于IGC的压缩系统相比以及与以下段落中所讨论的一些最接近现有技术的直接驱动压缩组件相比，可以更好地理解本发明的主题。
大多数用于低温空气分离设备的主要空气压缩系统需要某种类型或形式的空气流量控制。传统上，这种空气流量控制涉及调节整体齿轮式压缩机(IGC)的一个或多个压缩级并且优选地是MAC压缩系统的离心空气压缩机的最低压力压缩级上的入口导向叶片(IGV)。使用传统IGC的空气分离设备的另选空气流量控制技术或方法包括吸入/排放节流，空气的再循环或空气流的排气。IGV通常被认为是离心空气压缩机的空气流量控制的有效方法，因为在IGC的给定速度下，IGV减少了流向压缩级的空气，同时将排放压力保持在可接受的水平。与其他用于压缩机空气流量控制的传统方法(诸如吸入/排放节流或再循环/排气)相比，利用基于IGV的控制的IGC压缩机的整体等温效率更高。然而，与具有由两个或更多个变速马达驱动的压缩级的空气压缩系统相比，典型的离心压缩机上单独的基于IGV的控制在下调条件下效率不高，诸如本文所述的此系统和方法。
用于大多数基于IGC的压缩系统(具有或不具有IGV)的固定或单速运行可用于控制空气流量(即，流量～速度)，但是排放压力随着IGC驱动器速度(即，压力～速度2)的降低而下降得更快，给出了压力和流量之间的二次关系(即，压力～流量2)。一般来讲，传统的基于IGC系统中流量和压力之间的这种二次关系不是空气分离过程的理想匹配。然而，使用具有至少两个变速马达的空气压缩系统，压力和流量之间的这种二次关系以更有效且更有利的方式匹配，该变速马达优选地以不同的马达速度和马达速度比运行。因此，在低温空气分离设备(例如，如图1至图3所示)中使用两个变速马达的空气流量控制与传统的基于IGC的压缩系统相比具有若干优点。
与使用IGV的空气流量控制的传统基于IGC的压缩系统相比，这些优点包括在低温空气分离设备中使用两个变速马达的空气压缩系统的下调能力和下调效率。表1比较了使用IGV的典型整体齿轮式离心空气压缩机与具有两个无IGV的变速马达的基于直接驱动压缩组件(DDCA)的空气压缩系统的下调能力和等温压缩效率。
表1
如表1所示，使用典型的基于IGC的压缩系统的低温空气分离设备(其中IGV在最低压力压缩级上)气流控制通常不能下调超过约25％。设备下调运行条件，要求介于传统的基于IGC的压缩系统的设计空气流量的约50％至70％之间的空气流量经常遇到外部系统约束或器材约束(例如，喘振条件、喘振裕度、IGV极限、压缩机极限等)，除非采取诸如排放过量的压缩空气的补救措施。另外，当需要下调使用IGV的典型的基于IGC的压缩系统时，实现高达约5.5％或更高的相对较大的等温效率损失。
相比之下，使用具有两个变速马达的基于DDCA的压缩系统的低温空气分离设备在遇到外部系统约束或器材约束之前具有高达约50％的设计空气流量的下调能力，并且具有小得多的等温效率损失。这种下调是通过调节两个变速马达的速度来实现的。如下文更详细地描述的那样，第二变速马达的速度优选地部分地基于第一变速马达的速度来调节。此外，由于两个操纵变量(即，马达1速度和马达2速度)可用于控制，所以与仅具有IGV控制的传统的基于IGC的离心空气压缩机装置相比，可以调节两个马达速度以保持各种空气流量的较高平均轮周效率。除了上述的下调能力和下调效率的益处之外，基于DDCA的具有两个变速马达(具有两个操纵变量)的压缩系统还允许控制压缩系统中的排放压力或一些其他系统压力。
DDCA排放压力或某种其他系统压力的调节允许设备操作员：(i)就可实现的产物构成而言扩展空气分离设备的可能操作包络线；(ii)避免压缩机限制和约束，诸如下游功能空气压缩机组或下游公共空气压缩机组中的喘振条件或压力极限；和/或(iii)调节下游涡轮的操作特性等。向上述DDCA添加其他操纵变量(诸如第三变速电机和/或IGV)也可用于提高空气分离设备效率、降负荷能力、降负荷效率和/或空气分离设备操作包络线的扩展。
在专利公开WO 2011/017783中，公开了一种高压多级离心压缩机装置。这种Atlas-Copco压缩装置包括由两个高速电动马达驱动的四个独立的压缩机元件或压缩级。然而，在WO 2011/017783所公开的装置之一中，存在两个并联布置的并且由两个独立的高速电动马达直接驱动的初始压缩级，其中这两个初始压缩级被配置为接收并压缩环境压力空气以产生第一压缩空气流和第二压缩空气流，该第一压缩空气流和第二压缩空气流被组合并以两个后续压缩级的串联装置进行引导。两个后续压缩级中的每一者也由驱动并联初始压缩级的相同高速电动马达直接驱动。具体地讲，第一高速电动马达驱动压缩级1(即环境空气的压缩)和压缩级4，而第二高速电动马达驱动压缩级2(环境空气的压缩)和压缩级3。在WO 2011/017783所公开的替代装置建议，所有四个所述压缩机元件可以串联连接，形成四个连续的级，其中第一高速电动马达驱动第一低压压缩机元件和第三压力级的第三压缩机元件，而第二高速电动马达驱动第二压缩机元件以及最后一级的第四压缩机元件。
WO 2011/017783中公开的两种装置的优点是在两个高速电动马达上提供了均匀的载荷分布。然而，这些Atlas-Copco压缩装置的缺点在于，通过调节第一高速电动马达的速度来控制穿过压缩系统的空气流量，这直接影响了来自整体压缩装置的最终排放压力。换句话讲，当调节第一高速电动马达的速度时，来自该压缩装置的空气流量和排放压力固有地且不可分割地连接并且一起控制。改变第一高速电动马达的速度也直接影响了来自压缩系统的下游压缩级3或压缩级4的排放压力。而且，所公开的压缩级1和2并联的Atlas-Copco装置需要对第一高速电动马达和第二高速马达进行相同的控制以实现期望的平衡载荷。
在另一个Atlas-Copco所有的专利文献中公开了另一种类似的高压多级离心压缩机装置，即美国专利No.7,044,716。该压缩机装置包括三个串联布置为压缩机级的压缩机元件以及至少两个高速电动马达以驱动这三个压缩机元件。具体地讲，低压级由第一高速电动马达驱动，其中高压级(即压缩级2和级3)由第二高速电动马达驱动。如该专利所教导的，Atlas-Copco直接驱动压缩装置通过由同一个高速马达驱动的两个高压级取代了传统IGC装置的单个高压级。通过将高压级分成两个级，每级压力比降低，从而高速马达所需转速也降低。该设计还允许选择压力比，使得高压压缩级的特定速度不会偏离最佳特定速度太多。
另一个密切相关的现有技术参考文献是美国专利申请公开2007-0189905，其公开了一种包括多个离心压缩级的多级压缩系统，每级具有联接到变速电动马达并由其驱动的叶轮。该多级压缩系统还包括控制系统，该控制系统连接到每个变速马达并且可操作以改变每个马达的速度，使得每个马达的速度同时变化，并且变速马达的速度比保持不变。
尽管上述现有技术参考文献各自公开了直接驱动压缩装置的实施方案，但是所公开的现有技术装置都不特别适用于大型空气分离设备的压缩系统。因此，上述直接驱动压缩装置都没有公开本文所公开和要求保护的空气分离压缩系统的所有元件和特征。
具体地讲，上述现有技术参考文献都没有公开由变速马达直接驱动的压缩级之间的中间压缩级。类似地，上述现有技术参考文献都没有公开或教导设置在直接驱动压缩级的下游的用于进一步压缩通用空气压缩系统中的进料空气流或分体式空气压缩系统中的部分进料空气流的后续压缩级。此外，上述现有技术参考文献都没有公开由第二变速马达直接驱动的被配置为进一步压缩分体式空气压缩系统中的进料空气流的减小的体积流量的压缩级。
此外，上述现有技术参考文献都没有公开第二变速马达的控制部分地基于第一电动马达的速度或者其中变速马达的速度比未保持恒定的实施方案，这些将在本发明的实施方案中公开。
压缩系统装置
转到图1，示出了低温空气分离设备10的示意性流程图。进料空气流在吸气过滤器外壳(未示出)中被过滤，该吸气过滤器外壳通常是具有多个带帽进气口的自立式结构，每个进气口具有两个或更多个过滤级，每级由多个过滤器板构成。然后，经过滤的进料空气流12在压缩装置的低压压缩机单元17中被压缩以产生第一压缩空气流14，该低压压缩机单元形成通用空气压缩系统20的初始压缩级。低压压缩机单元17由第一变速驱动器组件直接驱动，该第一变速驱动器组件如第一高速变速电动马达15所示。第一压缩空气流14在中间冷却器13中被冷却，然后被引导至压缩装置的第二压缩机单元19，该第二压缩机单元形成通用空气压缩系统20的第二压缩级，并且该第二压缩机单元也由第一变速电动马达15直接驱动以产生第二压缩空气流16。第一低压压缩机单元17和第二压缩机单元19中的任一者或两者都不具有或两者都可具有用于帮助控制穿过通用空气压缩系统20的空气流量的入口导向叶片21。
第二压缩空气流16在中间冷却器23中再次被冷却并且被引导至压缩装置的第三压缩机单元27以产生第三压缩空气流22，该第三压缩机单元形成通用空气压缩系统20的第三压缩级并且由第二变速驱动器组件直接驱动，如第二变速电动马达25所示。在另一个中间冷却器23中进一步冷却以去除压缩热之后，第三压缩空气流22在压缩装置的第四压缩机单元29中进一步被压缩，该第四压缩机单元形成通用空气压缩系统20的第四压缩级以及第四压缩空气流24并且该第四压缩机单元也由第二高速变速电动马达25直接驱动。同样，第三压缩机单元和第四压缩机单元27，29中的任一者或两者都不具有或两者都可具有用于帮助控制穿过通用空气压缩系统20的空气流量的入口导向叶片31。
在主空气压缩级之后，通常使用直接接触式后冷却器43或另选地使用间接换热器来冷却和冷冻经压缩的进料空气流24。这种直接接触式后冷却器43优选地被设计成具有低压降和大容量包装，以最小化与直接接触式后冷却器43相关联的资金成本和能量损失。后冷却器43也被设计成通过使用除雾器(未示出)从压缩进料空气流中提取水滴以确保任何水雾或水滴不会被运送到预纯化单元35，这可能通过使预纯化单元中的干燥筛失效而不利地影响空气分离设备。
预纯化单元35是基于吸附的系统，其被配置为从进料空气流中去除诸如水蒸汽、烃类和二氧化碳的杂质。尽管预净纯化单元35被示出为设置在通用空气压缩系统20的第四压缩机单元29的下游，但是可以预期的是，可以将预纯化单元35设置在通用空气压缩系统20的更上游。预纯化单元35通常由至少两个包括不同分子筛层的容器组成，所述不同分子筛层被设计成从压缩进料空气流24中去除杂质。在一个容器在去除这些污染物和杂质中起作用时，其中设置的其他容器和吸附床正在再生。
再生过程是一个循环的多步骤过程，该过程涉及通常被称为放气、吹扫和再加压的步骤。容器的放气涉及将容器压力从在主动吸附过程期间保持的高进料压力释放或改变至接近环境压力水平的压力。然后使用由蒸馏塔系统产生的废气在较低压力下吹扫或再生吸附床。在再生之后，通过将一部分压缩进料空气流32从主空气压缩系统转移到容器中直到其被再加压，将吹扫/再生的床从近环境压力再加压到更高的进料压力。
除了出于预纯化单元再加压的目的而周期性地转移一部分压缩进料空气流32之外，有时可能需要从预纯化单元下游的通用空气压缩系统20转移清洁的干燥空气用于设备的其他部分，或者出于空气分离设备10的安全运行的考虑，有时可能需要排放预纯化单元上游的压缩空气流24的一部分36或者将吸气过滤器外壳除冰。为此，图中示出了再加压回路33和阀34以及其他转移回路或排放回路37和相关联的阀38。
还可以采用在设置在预纯化单元35下游的一个或多个进一步压缩级中进一步压缩大部分或基本上全部压缩和纯化的进料空气流28。这种下游压缩机单元39或压缩级可被配置为整体齿轮式压缩机50的一部分，或者可以是另一个直接驱动机器。由于这些压缩级39设置在预纯化单元35的下游，因此它们通常被认为是与主空气压缩系统分开的增压空气压缩系统的一部分，但是如本文所述，这些压缩级可以保持为通用空气压缩系统20的一部分。使用设置在压缩级之间或之后的中间冷却器和/或后冷却器41用于通过通用空气压缩系统20将进一步压缩和纯化的进料空气流保持在适当的温度。
然后将离开通用空气压缩系统20的经压缩纯化和冷却的进料空气流30引导至具有一个或多个压缩级65，67的分体式空气压缩系统60。然而，与压缩所有经压缩纯化和冷却的进料空气流30不同，分体式空气压缩系统60将流分成两个或更多个部分62，64。如图1所示，经压缩纯化的进料空气流的一部分被称为锅炉空气流62，其任选地在压缩机单元65中被压缩，并且所得到的进一步压缩的流66在冷却器41中被冷却并且被供给到初级换热器70用于煮沸由空气分离设备10产生的液态产物(诸如液氧)以满足气态产物要求。冷却的压缩沸腾空气流66在初级换热器70中通过与液氧流间接换热而进一步冷却，以形成具有适用于在低温空气分离设备10的蒸馏塔系统80中进行精馏的温度的液态空气流72。如图所示，液态空气流72通常被分成两个或更多个液态空气流74，75，其中液态空气流74的第一部分被引导至高压塔82，液态空气75的另一部分被引导至低压塔84。液态空气流74，75通常在引入相应的塔之前使用膨胀阀76，77进行膨胀。
经压缩和纯化的进料空气流的另一部分通常被称为涡轮空气流64，该涡轮空气流任选地在压缩机单元67中被压缩，所得到的进一步压缩流68在初级换热器70中被部分冷却。然后将经压缩且部分冷却的涡轮空气流69引导至涡轮空气回路90，在那里它在涡轮膨胀机71中被涡轮膨胀以向低温空气分离设备10提供制冷，其中所得到的排气流89被引导至低温空气分离设备10的蒸馏塔系统80。图1中所示的涡轮空气回路90被示出为下塔涡轮(LCT)空气回路，其中经膨胀的排气流89被供给到蒸馏塔系统80的高压塔82。另选地，涡轮空气回路可以是上塔涡轮(UCT)空气回路，其中涡轮排气流被引导至低压塔。更进一步，涡轮空气回路可以是热再循环涡轮(WRT)空气回路，其中涡轮排气流在联接到初级换热器的制冷回路内再循环，或者这种已知的涡轮空气回路的其他变型形式诸如部分下塔涡轮(PLCT)空气回路或热下塔涡轮(WLCT)空气回路。
设置在预纯化单元35下游的每个压缩级可被配置为整体齿轮式压缩机(IGC)50的一部分，或者可联接到涡轮膨胀机的轴功并由其驱动。在这种情况下，压缩级优选地包括旁通回路55和旁通阀57，通过该旁通回路和旁通阀的流量得到控制以防止或缓解压缩级中不希望的状况，诸如喘振条件、边界限制、阻碍状况或过度振动状况等。
如上所指出，分流功能空气压缩机组60中经压缩且纯化的进料空气流66，68的部分中的一者或多者穿过初级换热器70，随后被引入或进给到低温空气分离设备10的蒸馏塔系统80，空气流在此分离而产生液态产物92，93；气态产物94，95，96，97；以及废物流98。如本领域所熟知的，蒸馏塔系统80优选地为热集成的双塔或三塔装置，其中氮气从氧气中分离出来以产生氧气和富氮产物流。还可以提供第三塔或氩塔88，其接收来自低压塔84的富氩流并将氩气与氧气分离以产生含氩产物96。从进料空气流中分离出的氧气可以作为液态产物92，其可以作为富氧液态塔底产物91在低压塔中产生。另外，液态产物93可以取自用于回流一个或多个塔的部分富氮液体99。如本领域中已知的，氧气液态产物可以通过泵85泵送，然后部分作为加压液氧产物92并且还在抵靠锅炉空气流66的初级换热器70中被部分加热以根据通过泵送氧气被加压的程度产生气态氧产物94或作为超临界流体。液氮可以类似地被泵送并作为加压液态产物、高压蒸汽或超临界流体。
在许多方面，图2所示的实施方案类似于图1的实施方案，其中一个关键区别在于，低压压缩级或压缩机单元17由专用的第一变速电动马达15驱动。如同上述实施方案一样，低压压缩机单元17还可包括入口导向叶片21以帮助控制穿过通用空气压缩系统20的进料空气流。与初始压缩级或低压压缩级串联布置的通用空气压缩系统20中的后续两个压缩级由第二变速电动马达25驱动。通用空气压缩系统20的其他压缩级或压缩单元39以及分体式压缩系统60中的压缩级或压缩单元65，67优选地是一个或多个整体齿轮式压缩机(IGC)50的一部分或可由涡轮膨胀机的轴功驱动。在该实施方案中，通用空气压缩系统20的下游压缩机单元39以及附加的中间冷却器43位于预纯化单元35的上游。
类似地，图3所示的实施方案也类似于图1的实施方案，但具有另一关键区别，即存在两个由第一变速电动马达15驱动的并联布置的低压压缩级或压缩机单元17A，17B。通用空气压缩系统20中的后续两个压缩级或压缩机单元27，29由第二变速电动马达25驱动并与两个低压压缩级串联布置。通用空气压缩系统20的其他压缩级或压缩单元39A，39B以及分体式压缩系统(未示出)中的任何任选压缩级优选地是一个或多个整体齿轮式压缩机(IGC)50的一部分或可由涡轮膨胀机的轴功驱动。如图3所示，两个低压压缩级17A，17B优选地具有通用供气口11以及通用出口18，通过该通用供气口向两个离心压缩机17A，17B供给环境压力空气12，通过该通用出口排出作为第一压缩空气流14的压缩空气。第一离心压缩机级17A优选地安装在变速电动马达15的马达轴一端上，而第二离心压缩机级17B安装在马达轴的另一端上。第一离心压缩机和第二离心压缩机中的任一者或两者都不具有或两者都可具有入口导向叶片21。另选地，该装置可被配置为使得两个低压压缩级中的每一者均接收并压缩环境压力空气的不同体积流量。这种替代装置可以在空气分离设备10的下调期间提供某些操作和成本优势。
现在转到图4，示出了采用具有两个或更多个变速驱动器组件115，125的通用空气压缩系统120的另一变型形式的低温空气分离设备110的示意性流程图。如同前面描述的实施方案一样，进料空气流112被过滤然后在压缩装置的低压压缩机单元或级117中被压缩以产生第一压缩空气流114，该低压压缩机单元形成通用空气压缩系统120的初始压缩级。低压压缩机单元或级117由第一变速驱动器组件直接驱动，该第一变速驱动器组件如第一高速变速电动马达115所示。第一压缩空气流117在中间冷却器113中被冷却，然后被引导至压缩装置的第二压缩机单元或级119，该第二压缩机单元或级形成通用空气压缩系统120的第二压缩级，并且该第二压缩机单元或级也由第一变速电动马达115驱动以产生第二压缩空气流116。第一压缩机单元/级117和第二压缩机单元/级119中的任一者或两者都不具有或两者都可具有用于帮助控制通用空气压缩系统120的入口导向叶片121。
在图4至图6所示的实施方案中，第二压缩空气流116在中间冷却器123中被再次冷却并且被引导至一个或多个中间压缩级，其形式为附加的压缩机单元/级124。与低压压缩机单元117，119不同，这些附加的压缩机单元/级124不需要由变速驱动器组件驱动，而是更优选地为整体齿轮式压缩机(IGC)150的一部分。然而，通用空气压缩系统120的后续压缩级包括由第二高速变速电动马达125驱动的一个或多个高压压缩级127，129。
类似于之前描述的实施方案，图4至图6所示的实施方案还包括预纯化单元135、多个中间冷却器123、通用空气压缩系统120中的后冷却器143以及任何所需的旁通回路155、旁通阀157、转移或排放流136和回路137，以及增压流132和回路133以及相关联的阀134，138，其以参照图1至图3所述的方式起作用。实施方案还包括初级换热器170和双塔或三塔蒸馏塔系统180(包括被配置为产生含氩产物196的任选氩塔188)，纯化的空气流在此分离而产生液态产物192，193；气态产物194，195，196，197；以及废物流198。从进料空气中分离出的氧气可以作为液体产物192，其可以作为富氧液态塔底产物191在低压塔中产生。另外，液态产物193可以取自用于回流一个或多个塔的部分富氮液体199。氧气液态产物可以通过泵185泵送，然后部分作为加压液态产物192，并且还在初级换热器170中相对于锅炉空气流166加热以产生气态氧产物194。
然后将离开图4至图6的通用空气压缩系统120的经压缩纯化和冷却的进料空气流130引导至具有一个或多个压缩级或压缩机单元165，167的分体式空气压缩系统160。然而，与压缩所有经压缩纯化和冷却的进料空气流130不同，分体式空气压缩系统160将流130分成两个或更多个部分162，164。如图所示，压缩并纯化的进料空气流的一部分被称为锅炉空气流166，其在压缩机单元165中被压缩，在冷却器141中被冷却并且被供给到初级换热器170，在其中它被用于煮沸液态氧气产物以满足设备110的气态氧产物的要求。进料空气流的沸腾空气流部分166在初级换热器170中通过与泵送的液氧流191间接换热而充分冷却，以形成适用于在低温空气分离设备110的蒸馏塔系统180中进行精馏的温度的液态空气流172。液态空气流172通常被分成两个或更多个液态空气流，其中液态空气流174的一部分被引导至高压塔182，液态空气流175的另一部分被引导至低压塔184。液态空气流174，175通常在引入相应的塔之前使用膨胀阀176，177进行膨胀。
经压缩和纯化的进料空气流的另一部分通常被称为涡轮空气流168，该涡轮空气流任选地在压缩机单元167中被压缩并且在初级换热器170中被部分冷却。将部分冷却的压缩涡轮空气流169引导至涡轮空气回路190，在那里它在涡轮膨胀机171中被膨胀以向低温空气分离设备110提供制冷，其中所得到的排气流189被引导至低温空气分离设备110的蒸馏塔系统180。图4中所示的涡轮空气回路190被示出为下塔涡轮(LCT)空气回路，其中经膨胀的排气流189被供给到蒸馏塔系统180的高压塔182。然而，如上所述，涡轮空气回路可以是上塔涡轮(UCT)空气回路，其中涡轮排气流被引导至低压塔，涡轮排气流在联接到初级换热器的制冷回路内再循环的热再循环涡轮(WRT)空气回路，或者这种已知的涡轮空气回路的变型形式诸如部分下塔涡轮(PLCT)空气回路或热下塔涡轮(WLCT)空气回路。
在许多方面，图5所示的实施方案类似于图4的实施方案，但是其中低压压缩级或压缩机单元117由专用的第一变速电动马达115驱动。如同上述实施方案一样，低压压缩机单元117还可包括入口导向叶片121以帮助控制穿过通用空气压缩系统120的进料空气流。通用空气压缩系统120中后续的两个中压压缩级125A，125B与初始或低压压缩级117串联布置并且优选地是一个或多个整体齿轮式压缩机(IGC)150的一部分，而通用空气压缩系统120的一个或两个后续高压压缩级127，129由以单端配置(即一个高压压缩级)或双端配置(即两个高压压缩级)的第二变速电动马达125驱动。分体式压缩系统160中的任何下游压缩级165，167也优选地为一个或多个整体齿轮式压缩机(IGC)150的一部分，或者可由上述涡轮膨胀机的轴功驱动。
类似地，图6所示的实施方案也类似于图4的实施方案，其具有由第一变速电动马达115驱动的并联布置的两个低压压缩级117A，117B。通用空气压缩系统120中后续的两个中压压缩级125A，125B优选地是一个或多个整体齿轮式压缩机(IGC)150的一部分，而通用空气压缩系统120的一个或两个后续高压压缩级127，129位于预纯化单元135的下游并且由以单端配置(即一个高压压缩级)或双端配置(即两个高压压缩级)的第二变速电动马达125驱动。在该实施方案中，两个低压压缩级包括两个离心压缩机或压缩单元/级117A，117B，其优选地具有通用供气口111以及通用出口118，通过该通用供气口向两个离心压缩机供给环境压力空气112，通过该通用出口排出压缩空气114。第一离心压缩机单元/级117A优选地安装在第一变速电动马达115的马达轴一端上，而第二离心压缩机单元/级117B安装在马达轴的另一端上。第一离心压缩机和第二离心压缩机中的任一者或两者都不具有或两者都可具有入口导向叶片121。
现在转到图7，示出了采用具有两个或更多个变速驱动器组件215，225的空气分离压缩系统的第三变型形式的低温空气分离设备210的示意性流程图。如同前面描述的实施方案一样，进料空气流212在压缩装置的低压压缩机单元或级217中被压缩以产生第一压缩空气流214，该低压压缩机单元形成通用空气压缩系统220的初始压缩级。低压压缩机单元217由第一变速驱动器组件直接驱动，该第一变速驱动器组件如第一高速变速电动马达215所示。压缩空气流214在中间冷却器213中被冷却，然后被引导至压缩装置的第二压缩机单元219，该第二压缩机单元或级形成通用空气压缩系统220的第二压缩级，并且该第二压缩机单元或级也由第一变速电动马达215驱动以产生第二压缩空气流216。第一压缩机单元217和第二压缩机单元219中的任一者或两者都不具有或两者都可具有用于帮助控制通用空气压缩系统220的入口导向叶片221。
包括一个或多个中压压缩级224A，224B和一个或多个高压压缩级的通用空气压缩系统220的其余压缩级不需要由变速驱动器组件驱动，而更优选地是整体齿轮式压缩机(IGC)250的一部分。类似于之前描述的实施方案，图7至图9所示的实施方案还包括预纯化单元235、多个中间冷却器223、通用空气压缩系统220中的后冷却器243以及任何所需的旁通回路255、旁通阀257、转移或排放流236和回路237，以及增压流232和回路233以及相关联的阀234，238，其以上文参照图1至图3所述的方式起作用。这些实施方案还包括初级换热器270和双塔或三塔蒸馏塔系统280(包括被配置为产生含氩产物296的任选氩塔288)，纯化的空气流在此分离而产生液态产物292，293；气态产物294，295，296；以及废物流297，298。从进料空气中分离出的氧气可以作为液态产物292，其可以作为富氧液态塔底产物291在低压塔284中产生。另外，液态产物293可以取自用于回流一个或多个塔的部分富氮液体299。氧气液态产物可以通过泵285泵送，然后部分作为加压液态产物292，并且还在初级换热器270中相对于锅炉空气流266加热以产生气态氧产物294。
然后将离开图7至图9的通用空气压缩系统220的经压缩纯化和冷却的进料空气流引导至分体式空气压缩系统260。具体地讲，分体式空气压缩系统260将压缩并纯化的空气流分成两个或更多个部分。如图7所示，压缩并纯化的进料空气流的一部分被称为锅炉空气流266，其在一个或两个锅炉空气压缩机单元265A，265B中被进一步压缩，该一个或两个锅炉空气压缩机单元包括由第二变速驱动器组件驱动或者更具体地由第二高速变速电动马达225驱动的一个或多个高压压缩级。第二变速驱动组件225可被配置为单端布置(即一个高压锅炉空气压缩级265A)或双端布置(即两个高压锅炉空气压缩级265A，265B)。
进一步压缩的锅炉空气流部分266被供给到初级换热器270并用于煮沸液氧以满足空气分离设备210的气态氧产物的需求。进料空气流的沸腾空气流部分266在初级换热器270中通过与液氧流间接换热而充分冷却，以形成适用于在低温空气分离设备210的蒸馏塔系统280中进行精馏的温度的液态空气流272。液态空气流272通常被分成两个或更多个液态空气流，其中液态空气流274的一部分被引导至高压塔282，液态空气流275的另一部分被引导至低压塔284。液态空气流274，275通常在引入相应的塔之前使用膨胀阀176，277进行膨胀。
经压缩和纯化的进料空气流的另一部分通常被称为涡轮空气流268，该涡轮空气流任选地在压缩机单元267中被压缩并且在初级换热器270中被部分冷却。如果进一步压缩，则涡轮空气压缩级267优选地为整体齿轮式压缩机(IGC)250的一部分，或者可联接到涡轮膨胀机的轴功并由其驱动。
将部分冷却的涡轮空气流269引导至涡轮空气回路290，在那里使用涡轮膨胀机271对其进行膨胀以向低温空气分离设备210提供制冷，其中所得到的排气流295被引导至低温空气分离设备210的蒸馏塔系统280。图7至图9所示的涡轮空气回路290被示出为下塔涡轮(LCT)空气回路，其中经膨胀的排气流295被供给到蒸馏塔系统280的高压塔282。另选地，涡轮空气回路可以是上塔涡轮(UCT)空气回路，其中涡轮排气流被引导至低压塔，涡轮排气流在联接到初级换热器的制冷回路内再循环的热再循环涡轮(WRT)空气回路，或者这种已知的涡轮空气回路的变型形式诸如部分下塔涡轮(PLCT)空气回路或热下塔涡轮(WLCT)空气回路。
图8所示的实施方案类似于图7的实施方案，但是其中低压压缩级或压缩机单元217由专用的第一变速电动马达215驱动。如上所述，低压压缩机单元217还可包括入口导向叶片以帮助控制穿过通用空气压缩系统220的进料空气流。通用空气压缩系统220中的后续中压压缩级224A，224B和高压压缩级239与初始压缩级或低压压缩级217串联布置，并且优选地是一个或多个整体齿轮式压缩机(IGC)250的一部分。另选地，中压压缩级和高压压缩级中的一者或多者可以联接到涡轮膨胀机的轴功并由其驱动。
在图8的实施方案中，经压缩和纯化的进料空气流的锅炉空气流262部分在由第二高速变速电动马达225驱动的锅炉空气压缩机单元265中被进一步压缩。另外，一个或多个涡轮空气压缩机267可以联接到第二变速驱动组件225并由其驱动。第二变速驱动组件225配置为单端配置(即仅用于锅炉空气压缩级265)或双端配置(即用于锅炉空气压缩级265和涡轮空气压缩级267)。
类似地，图9所示的实施方案也类似于图7的实施方案，其具有两个由第一变速电动马达215驱动的并联布置的低压压缩级217A，217B。通用空气压缩系统220中的后续中压压缩级224A，224B和高压压缩级(如果有)与初始压缩级或低压压缩级217A，217B串联布置，并且优选地是一个或多个整体齿轮式压缩机(IGC)250的一部分。另选地，中压压缩级和高压压缩级中的一者或多者可以联接到涡轮膨胀机的轴功并由其驱动。在图9的实施方案中，两个低压压缩级217A，217B包括两个离心压缩机或压缩单元，其优选具有通用供气口211以及通用出口218，通过该通用供气口向两个离心压缩机供给环境压力空气212，通过该通用出口排出压缩空气214。第一离心压缩机217A优选地安装在第一变速电动马达的马达轴一端上，而第二离心压缩机217B安装在马达轴的另一端上。第一离心压缩机和第二离心压缩机中的任一者或两者可以具有入口导向叶片221。
此外，分体式空气压缩系统260中的压缩和纯化的进料空气流的锅炉空气流部分266的全部或部分在由第二高速变速电动马达225驱动的一个或两个锅炉空气压缩机中进一步压缩。锅炉空气压缩机265A，265B可以联接至采用单端配置(即针对一个锅炉空气压缩级)或采用双端配置(即针对两个锅炉空气压缩级)的第二变速电动马达225并由其驱动。代替用第二变速电动马达驱动锅炉空气压缩机，可以考虑与图7至图9所示相似的替代布置，考虑使用两个并联或串联布置的涡轮空气压缩机联接到第二变速电动马达并由其驱动。
压缩系统控制
从压缩系统控制的角度来看，图10至图12描绘了空气分离设备内的空气压缩系统的实施方案，示出了与空气压缩系统的各种部件相关联的控制特征。如在图中所示，第一变速马达315的速度是基于以下命令信号设置和/或调节的控制参数：对应于第一马达组件限制(JIC)302的第一命令信号301；经由流量指示控制装置(FIC)304指示的第二命令信号303，该命令信号对应于使用流量测量设备371测量的通用空气压缩系统中的测量空气流量；以及与任何手动指示控制装置(HIC)306或来自设备操作员的超驰相对应的第三命令信号305。诸如低位选择器(＜)的选择器307比较三个命令信号，并且选择适当的输入308给驱动组件以设置和/或调节第一变速电动马达315的速度，从而以该速度压缩进料供给空气流312。类似地，第二变速马达325的速度是基于以下信号设置和/或调节的控制参数：与经由设备指示控制装置(JIC)342、任何手动指示控制装置(HIC)344或来自设备操作员的超驰的第二马达组件限制相对应的命令信号341；以及基于对应于第一变速电动马达315的速度的信号310的控制装置350所产生的第三命令信号345；与经由压力指示控制装置(PIC)347A，347B的空气压缩系统中的测量排放压力相对应的信号346A；以及与经由流量指示控制(FIC)349的通用空气压力系统中的测量空气流量相对应的信号348。诸如低位选择器(＜)的选择器340比较三个命令信号341，343，345，并且选择适当的输入352给驱动组件以设置和/或调节第二变速电动马达325的速度354。在所示的实施方案中，空气压缩系统中测得的排放压力是经由位于初级换热器380和涡轮膨胀机390上游的压力指示控制装置(PIC)347A或347B的分体式空气压缩系统的涡轮空气回路中的测量压力。替代压力指示控制装置可以位于分体式空气压缩系统的锅炉空气回路中，也可以位于通用空气压缩系统的不同位置。例如，压力指示控制装置用于来自每对共同驱动的压缩级的中间排放压力或来自每个单独级的中间排放压力可以用于限制变速马达的任一者或两者的速度。这种压力指示控制装置或其他手动指示控制装置也可以用于结合上述控制方法来控制空气压缩系统的其他方面，例如控制与一个或多个涡轮膨胀机相关联的涡轮喷嘴392，或者控制与通用空气压缩系统或分体式空气压缩系统中的任意压缩机单元相关联的入口导向叶片394。
例如，与由第一变速马达315驱动的压缩级之间的压缩空气流314的压力对应的压力指示控制装置316可以用作控制第一变速马达315的速度的输入(参见图11)，或者用于控制关联的压缩机单元317，319的入口导向叶片394(参见图12)。类似地，与第二变速马达325驱动的压缩级之间的压缩空气流322的压力对应的压力指示控制装置326可以用作分别控制第一变速马达315和第二变速马达325的速度的输入318，328(参见图11)，或者用于控制关联的压缩机单元327，329的入口导向叶片394(参见图12)。而且，手动指示控制装置395和/或压力指示控制装置347B可用于分别经由信号396和346B控制涡轮喷嘴392的位置，因为期望的位置优选地与通用空气压缩系统和/或分体式空气压缩系统中的排放压力相关联(参见图11)。
喘振指示控制装置(UIC)360，362也与第一和第二变速驱动组件中的每一者相关联，并且更具体地，与由变速驱动组件驱动的压缩机单元317，319，327和329中的一个或多个相关联。喘振指示控制装置(UIC)360，362优选地使用某种形式的流量测量和压力来估计喘振或喘振条件的开始。为了避免喘振条件，喘振指示控制装置(UIC)360，362引导选择器361打开排气口338以排出一部分压缩空气336，从而避免由变速驱动组件所驱动的一个或多个压缩机单元中出现喘振条件。类似的喘振指示控制装置(UIC)370，372，374也可以用于与通用空气压缩系统以及分体式空气压缩系统两者中的其他压缩级或压缩机单元365，367，369可操作地关联。为了避免这些下游压缩机单元365，367，369中的喘振条件，喘振指示控制装置(UIC)370，372，374打开与相应压缩机单元相关联的分流阀375，377，379，以避免出现喘振条件。
如图所示，优选的压缩系统控制装置涉及至少部分地基于第一变速驱动器组件的速度来调节第二变速驱动器组件的速度。作为基于马达组件限制控制变速马达的补充或替代，另一种控制选项是响应于通用空气压缩系统中测量的空气流量以及一个或多个设备过程限制、压缩机限制或驱动器组件限制来控制第一变速驱动器组件的速度。第二变速驱动器组件的速度也将响应于类似的设备过程限制、压缩机限制或其他驱动器组件限制结合第一变速驱动组件的速度来设定或调节。
其他外部约束或设备约束也可以被集成到空气压缩系统控制中。例如，如果第一变速马达受到诸如速度约束的约束，则可以调节第二变速马达的速度以保持通过通用空气压缩机系统的所需空气流量，作为默认控制变量的补充或替代。需要第二变速马达控制流量的其他约束包括喘振条件、喘振裕度、阻塞条件、压力、扭矩、功率等。
换言之，在正常操作期间，使用第一变速电动马达的速度和辅助变量来控制第二变速电动马达，以实现压缩空气流的期望压力和温度条件。辅助变量可以包括排放压力，如图10至图12所示，或者诸如速度设定值、功率设定值、马达速度比、排放压力比、功率比等其他选定变量。正常操作通常意味着调整第一变速电动马达以完全控制主控制变量，该变量优选为进料空气流流量。
另一方面，非正常操作意味着由于出现了一些系统或外部约束，无法使用主马达速度实现主控制变量的完全控制。此类约束可包括一个或多个系统工艺极限，诸如压力、压力比率、温度等；一个或多个压缩级极限，诸如压缩机轮喘振条件、裕度极限、阻塞条件、振动条件等；或一个或多个驱动器组件极限，诸如速度限制、转矩限制、功率限制、轴承条件、电机操作温度和振动条件。其他空气分离设备或过程条件也可能导致非正常操作。在非正常操作期间，考虑系统或外部约束，使用第一变速电动马达的速度控制第二变速电动马达的速度，以实现期望的进料空气流流量。
在常规的基于DDCA的压缩系统或基于IGC的压缩系统中，经常设计或选择单独的压缩机负载以便平衡并联布置的压缩机之间的负载，使得不对压缩机负载进行优化以降低功率。因此，这种并联布置的压缩机的单位压缩功率通常高于最小单位压缩功率。
为了解决这个缺点，优选的控制系统还可以使用模型预测控制装置来为并联布置的压缩机的压缩机负载提供实时调节，并且在通用空气压缩系统中两个并联布置的压缩机之间提供最佳流量分配(参见图3、图6和图9)。通过模型预测控制装置优化此类并联压缩机优选地旨在减少空气分离设备功率消耗，而不是平衡压缩机负载。典型的并联压缩机优化方程通常如下：
其中总流量(F总)是通往第一并联压缩机(F1)和第二并联压缩机(F2)的流量之和，k是由特定压缩机的表征和建模确定的值，并且优化例程受制于特定压缩机约束或限制，包括：F1＞F1，喘振；F2＞F2，喘振；F1＜F1，最大；以及F2＞F2，最大。
牺牲性刚性联轴器
在所有上述实施方案中，高速电动马达组件均具有马达主体、马达外壳和马达轴，该马达轴具有使用牺牲性刚性联轴器直接且刚性地联接到马达轴的一个或多个叶轮。如图13所示，牺牲性刚性联轴器500设置有包括相对的第一端部402和第二端部404的联接体400。联轴器的第一端部402连接到叶轮432，并且第二端部404连接到马达轴416。联接体400具有通过虚线圆圈突出显示的可变形部分406，一旦叶轮432发生故障，在施加在联接体上的期望的不平衡力的作用下，该可变形部分将产生形变，从而允许在可变形部分406未超出构成联接体400材料的极限强度情况下即可发生永久形变，并且限制不平衡的负载力和力矩以防止马达轴416永久变形，从而导致径向轴承出现故障。就这一点而言，这种材料可以是高延展性的金属，其屈服强度足够大以承受正常的设计负载，但又足够低以限制不平衡的负载力和力矩使马达轴永久变形，同时弹性和极限强度的共同作用让叶轮接触护罩而不会在联轴器中出现裂纹。这种材料可以是15-5PH(H1150)不锈钢。
如图所示，从其向外的径向观察，可变形部分406具有足够大的环形区域，从而在正常的预期操作期间，凭借给定的材料足以将扭矩从马达轴416传递到叶轮432。从平行于马达轴416的轴向观察，该部分较短，以具有足够的刚性，从而在正常操作期间不会产生不希望的马达轴振动。然而，在叶轮432发生故障的情况下，可变形部分406被设计成承受超过构成联轴器的材料的弹性极限的应力，并且因此在未超过这种材料的极限强度或极限的情况下发生变形。由于这种变形，联轴器500的第一端部402将开始以顺时针方向旋转，并且最终使叶轮432撞击压缩机的护罩。换句话说，联轴器通过可变形部分406的弯曲牺牲自己而保护了马达。联轴器失效后，马达将不会有永久变形的轴416，并且可能具有可重复使用的轴承。马达仍然可以使用，并且可以通过翻新压缩机来恢复装置。
通过为联接体400提供轴向孔408来产生可变形部分406，所述轴向孔具有从第二端部404朝向第一端部402向内延伸的宽部410，以及从宽部410朝向第二端部402延伸的窄部412。这导致联接体在沿轴向孔408的某个位置处具有减小的壁厚“t”，该位置将作为联接体400发生形变的弱点。因此，可变形部分406在轴向孔408的宽部410和窄部412之间形成接合部。通常，叶轮的故障将是由于叶轮叶片432a的损失或部分损失造成的。然后将可变形部分设计成由于特定的不平衡以及在某个运行马达速度时产生的负载作用下发生故障(或换句话说变形)。同时，必须提供足够的横截面积以允许正常操作期间的扭矩传递和振动。可以理解的是，可以使用其他设计制造可变形部分或牺牲性刚性联轴器。例如，如果轴向孔408具有恒定的直径，则联接体400内的外周槽状部分可以产生这样的可变形部分。
如图13所示，叶轮432和联轴器500之间的连接优选为由齿的互锁装置提供的离合器型带齿联轴器414。齿设置在联接体400的第一端部402处，并且还设置在叶轮432的轮毂417上。这种离合器型带齿联轴器有许多变型和名称，但通常称为“HIRTH”型联轴器。为了保持接触并提供扭矩传递，预加载的螺栓418可以通过联接体400的轴向孔408的窄部412内的螺纹型连接件419连接到联轴器500。拧到螺栓418上的螺母420将叶轮432的轮毂417保持在联接体400的第一端部402上，并因此使离合器型带齿联轴器414啮合。如本领域技术人员可以理解的，可以提供许多其他方式将叶轮432连接到联轴器500，例如摩擦、键合、多边形或过盈配合。
马达轴416与联轴器500的第二端部404之间的连接由围绕轴向孔408的宽部410的联接体400的环形凸缘状部分422提供。一组预加载的螺钉424穿过凸缘状部分422，并且螺纹接合在设置在马达轴416的端部中的孔(未示出)内。优选地，联接体400具有环形突出部428，该环形突出部坐放在位于马达轴416端部处的圆柱形向内延伸凹部430内，以使联接体400相对于马达轴416对中。这提供了叶轮432与轴416更好的对中并且有助于其组装。
优选地，旋转迷宫式密封元件432和434是联轴器500的一部分，并且如图所示，设置在环形凸缘状部分422的外部部分和联轴器主体400的第一端402上。这些元件接合位于电动马达外壳内与叶轮432相邻的密封件443上的互补迷宫式密封元件。通过在联轴器上放置必要的工艺气体轴封和转子气隙冷却流轴封两者，可以最大限度地减少叶轮倒悬，并且允许创建刚性转子和优选的转子动态的机会。虽然密封件通常是旋转迷宫式密封件，但也可以是刷式密封件或碳环密封件。减少叶轮倒悬的第二个好处是，一旦发生偶然发生的密封件受损，则只需要更换联轴器。这与通常位于转子上的需要翻新和更换的密封件形成对比。轴密封件443在旋转迷宫式密封件432和434之间形成固定的密封表面，其分别控制马达冷却气体泄漏流和压缩机工艺气体泄漏流。马达冷却气体泄漏流和压缩机工艺气体泄漏流共同形成总泄漏流，其通常从蜗壳中的通道440排出。
虽然已通过参照一个或多个优选实施方案和与其相关联的操作方法描述了本发明，但是应当理解，在不脱离所附权利要求书描述的本发明的实质和范围的情况下，可对本发明所公开的系统和方法进行多种添加、改变和省略。

Claims (28)

1.一种用于压缩进入低温空气分离设备的进料空气流的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)在公共空气压缩机组的低压单级或多级压缩机中压缩所述进入的进料空气流的至少一部分，所述低压单级或多级压缩机中的至少一个压缩级由第一变速驱动器组件直接驱动；
(b)在所述公共空气压缩机组的一个或多个中压压缩级中进一步压缩所述压缩的进料空气流；
(c)在所述公共空气压缩机组的一个或多个高压单级或多级压缩机中进一步压缩所述经压缩、纯化的流，其中所述高压单级或多级压缩机中的至少一者由第二变速驱动器组件驱动；
(d)在步骤(a)之后、步骤(b)之后或步骤(c)之后纯化所述经进一步压缩的进料空气流以去除杂质；
(e)将所述经压缩且纯化的进料空气流的一个或多个部分引导到分流功能空气压缩机组；
(f)将所述分流功能空气压缩机组中的所述经压缩且纯化的进料空气流的所述部分中的所述一者或多者引导到初级换热器，以便将所述一个或多个部分冷却到适用于所述低温空气分离设备的蒸馏塔系统中的精馏的温度；以及
(g)将所述经冷却、压缩且纯化的进料空气流的所述部分中的所述一者或多者的一些或全部引导到所述低温空气分离设备的所述蒸馏塔系统以产生液态和气态产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一变速驱动器组件和所述第二变速驱动器组件是高速电动马达组件，每个电动马达组件均具有马达主体、马达外壳和马达轴，所述马达轴具有直接或刚性地联接到所述马达轴的一个或多个叶轮。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述低压单级或多级压缩机还包括并联布置的两个压缩级，并且所述压缩级由双端变速驱动器组件直接驱动，其中所述两个压缩级被配置为接收和压缩环境压力空气以产生第一压缩空气流。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述两个压缩级中的每一者被配置为接收和压缩环境压力空气的不同体积流。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述低压单级或多级压缩机还包括由双端第一变速驱动器组件直接驱动的串联布置的第一压缩级和第二压缩级，其中所述第一压缩级被配置为接收并压缩环境压力空气并且产生第一压缩空气流，而所述第二压缩级被配置为接收并压缩所述第一压缩空气流以产生第二压缩空气流。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述低压单级或多级压缩机还包括由单端第一变速驱动器组件直接驱动的单级压缩机，其中所述单个压缩级被配置为接收和压缩环境压力空气并且产生第一压缩空气流。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述公共空气压缩机组的所述一个或多个另外的高压单级或多级压缩机还包括由双端第二变速驱动器组件驱动的至少两个串联布置的压缩级。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述公共空气压缩机组的所述一个或多个另外的高压单级或多级压缩机还包括由单端第二变速驱动器组件驱动的单压缩级。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括将所压缩和纯化的进料空气流的部分引导至配置成整体齿轮式压缩机的所述通用空气压缩系统的一个或多个其他压缩级的所述步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括将所压缩和纯化的进料空气流的部分引导至由另一个变速驱动组件驱动的所述通用空气压缩系统的一个或多个其他压缩级的所述步骤。
11.根据权利要求1所述的方法，其中响应于所述低温空气分离设备的所述操作条件的变化和所述第一变速驱动器组件的所述速度来调节所述第二变速驱动器组件的所述速度，并且其中在此类调节之前所述变速驱动器组件的所述速度的比率不同于在调节之后所述变速驱动器组件的所述速度的所述比率。
12.根据权利要求1所述的方法，其中通过响应于所述低温空气分离设备的所述操作条件的变化来调节所述第一变速驱动器组件的所述速度，进而控制所述进入的进料空气流的体积流量，其中所述公共空气压缩机组的排放压力是可变排放压力，所述可变排放压力会通过响应于所述低温空气分离设备的所述操作条件的变化来调节所述第一变速驱动器组件的所述速度而改变。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一变速驱动器组件的所述速度响应于所述通用空气压缩系统中测量的空气流量而设定，并且其中所述第二变速驱动器组件的所述速度响应于所述分体式空气压缩系统中纯化的压缩空气流的所述至少一部分的测量的压力以及所述第一变速驱动器组件的所述速度而设定。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一变速驱动器组件的所述速度响应于所述通用空气压缩系统中测量的空气流量而设定，并且其中所述第二变速驱动器组件的所述速度响应于所述通用空气压缩系统中的排放压力和所述第一变速驱动器组件的所述速度而设定。
15.根据权利要求1所述的方法，其中响应于所述公共空气压缩机组中所述所测量的空气流量和一个或多个工艺极限来设定所述第一变速驱动器组件的所述速度，并且其中响应于所述一个或多个一个或多个工艺极限和所述第一变速驱动器组件的所述速度来设定所述第二变速驱动器组件的所述速度。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一变速驱动器组件的所述速度响应于所述通用空气压缩系统中所述测量的空气流量和一个或多个压缩级限制而设定，并且其中所述第二变速驱动器组件的所述速度响应于所述一个或多个压缩级限制和所述第一变速驱动器组件的所述速度而设定。
17.根据权利要求1所述的方法，其中响应于所述公共空气压缩机组中所述所测量的空气流量和一个或多个驱动器组件极限来设定所述第一变速驱动器组件的所述速度，并且其中响应于所述一个或多个一个或多个驱动器组件极限和所述第一变速驱动器组件的所述速度来设定所述第二变速驱动器组件的所述速度。
18.根据权利要求1所述的方法，其中响应于转移或排放来自所述通用空气压缩系统的一部分所述压缩空气，进一步周期性地调节所述第一变速驱动器组件的所述速度或所述第二变速驱动器组件的所述速度或者两者。
19.根据权利要求1所述的方法，其中响应于环境空气条件中的变化，进一步调节所述第一变速驱动器组件的所述速度或所述第二变速驱动器组件的所述速度或者两者。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述分体式空气压缩系统中的所纯化、压缩空气流的所述两个或更多个部分还包括锅炉空气流的第一部分和上塔涡轮空气流的第二部分。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述分体式空气压缩系统中的经纯化、压缩的空气流的所述两个或更多个部分还包括锅炉空气流的第一部分和下塔涡轮空气流的第二部分。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述分体式空气压缩系统中的经纯化、压缩的空气流的所述两个或更多个部分还包括锅炉空气流的第一部分、上塔涡轮空气流的第二部分以及热再循环涡轮空气流的第三部分。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述分体式空气压缩系统中的经纯化、压缩的空气流的所述部分还包括锅炉空气流的第一部分、下塔涡轮空气流的第二部分以及热再循环涡轮空气流的第三部分。
24.根据权利要求1所述的方法，还包括在设置在所述公共空气压缩机组中的连续压缩级之间的一个或多个中间冷却器中冷却所述压缩的进料空气流的步骤，其中每个中间冷却器被配置为先使离开所述连续压缩级的第一压缩级的所述压缩空气流冷却，再在所述连续压缩级的第二压缩级中进一步压缩。
25.根据权利要求1所述的方法，还包括在设置在所述通用空气压缩系统中的压缩级和预纯化单元之间的后冷却器中冷却所述压缩的进料空气流的步骤，其中所述后冷却器被配置为在纯化所压缩的进料空气流之前，冷却离开所述压缩级的所压缩的空气流。
26.根据权利要求1所述的方法，其中纯化所述进一步压缩的进料空气流以去除杂质的所述步骤还包括在吸附式预纯化单元中纯化所述进一步压缩的进料空气流。
27.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
周期性地从所述公共空气压缩机组转移所述压缩的进料空气流的一部分；以及
用来自所述通用空气压缩系统的转移的空气的所述部分对所述吸附式预纯化单元再加压。
28.根据权利要求1所述的方法，还包括通过排气口将所述压缩空气的一部分排出所述通用空气压缩系统的所述步骤。
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