CN116249863A - 简易低温制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于低温温度的简易闭环制冷系统，该系统包括：在闭环制冷系统内循环的气态制冷剂；用于利用至少两个压缩机级压缩制冷剂的压缩区段，压缩机级中的至少一个压缩机级是一个离心式压缩机；产生机械动力以驱动压缩机级中的至少一个压缩机级的至少一个电机；在每个压缩级之后的至少一个后冷却器；用于对经压缩的制冷剂进行附加冷却的第一热交换器；用于使经压缩的制冷剂膨胀的至少一个膨胀式涡轮；用于在经膨胀的制冷剂与外部流体之间交换热量的第二热交换器；加热区段，在该加热区段中，由经压缩的制冷剂在第一热交换器内以逆流流动加热经膨胀的制冷剂，其中至少一个离心式压缩机仅由膨胀式涡轮驱动，并且离心式压缩机和膨胀式涡轮使用磁性轴承。

Description

简易低温制冷系统
本发明涉及一种简易低温制冷系统。
更具体地讲，本发明涉及液化天然气(LNG)的制冷或其他低温液体如液态氢的制冷。本发明还涉及用于操作根据本发明的制冷系统的方法，并且涉及此类制冷系统和方法在LNG载体上的使用。
背景技术
天然气可以作为LNG以液态在低于-150℃、通常为-161℃的低温温度下在隔热罐内储存和运输。尽管持续努力改进隔热罐的隔热性能，但这些罐经受不可避免的热量进入，从而导致少量储存的LNG(也称为蒸发气体或BOG)的升温和蒸发。
EP 1 660 608 B1公开了一种用于液化气体诸如LNG的受控储存的设备，其中取出储存在罐内的一部分液体并在重新引入罐中之前由外部制冷系统进行冷却。LNG被冷却至低于其沸点的温度，这也被称为过冷。以此方式，不可避免地进入储罐内的热量通过LNG的附加过冷来补偿，并且可以使BOG的产生最小化或甚至完全避免。
合适的外部制冷系统类似于以下文档中所公开的系统：N·Saji等人的“用于高温超导电源线冷却的无油简易涡轮式65k/6kw氦氖混合气体制冷机的设计(DESIGN OF OILFREE SIMPLE TURBO TYPE 65k/6kw HELIUM AND NEON MIXTURE GAS REFRIGERATOR FORHIGH TEMPERATIRE SUPERCONDUCTING POWER CABLE COOLING)”CP 613，其在低温工程方面有所进展；低温工程会议论的会议记录，卷47，2002年。这些制冷系统通常包括闭环，制冷剂或不同制冷剂的混合物在该闭环中进行循环。制冷系统还包括用于压缩制冷剂的一个或多个压缩机、用于使经压缩的制冷剂冷却下来的一个或多个冷却器、用于进一步使制冷冷却下来的一个热交换器、用于使制冷剂减压的一个或多个装置、用于在制冷剂与流体之间交换热量以进行过冷的一个热交换器、以及用于在制冷剂被再压缩之前对其进行加热的一个热交换器，由此实现制冷系统闭环内的完整热力学循环。
这些制冷系统的冷却能力通常通过改变闭环内的制冷剂剂量来调节。如果需要较多冷却能力，则将制冷剂添加到闭环中，并且相对称地，如果需要较少冷却能力，则从闭环中取出制冷剂。
此类制冷系统需要相当复杂的旋转机械，如在一端驱动压缩机而在另一端驱动膨胀式涡轮的高速电机。这些高速电机是复杂的，是按订单生产的高速电机，并且必须专门适用于驱动叶轮、压缩机或膨胀器，在电机轴的每个末端各有一个。
WO 2009 136 793A1公开了合适的制冷系统还可以使用另一种旋转机械，其中所有压缩级和膨胀级都被布置在称为“压扩器”的共同滑道中，在该共同滑道上，所有级所共用的整体齿轮箱由单个电动机驱动。由于驱动压缩级和膨胀级中的每一者都需要多个轴和小齿轮，因此，此类机器的机械复杂性很高。
因此，本发明的一个目的是提供一种经改进的闭环制冷系统，该系统避免了上述缺点。
发明内容
该目的通过根据权利要求1所述的闭环制冷系统、根据权利要求13所述的用于操作所述闭环制冷系统的方法以及根据权利要求15所述的包括闭环制冷系统的LNG载体来解决。
从属权利要求是指本发明的优选实施方案。
因此，本发明提供了一种用于对外部流体进行冷却的简易闭环制冷系统，该系统包括：
-用于压缩制冷剂的压缩区段，该压缩区段包括第一压缩机和第二压缩机，该第一压缩机是离心式压缩机，
-第一电机，该第一电机产生机械动力以驱动第二压缩机，
-第一后冷却器，该第一后冷却器被布置在第一压缩机的下游以用于对在经第一压缩机压缩后的制冷剂进行冷却，
-第二后冷却器，该第二后冷却器被布置在第二压缩机的下游以用于对在经第二压缩机压缩后的制冷剂进行冷却，
-第一热交换器，该第一热交换器被布置在第一后冷却器和第二后冷却器的下游以用于进一步对经压缩的制冷剂进行冷却，
-膨胀式涡轮，该膨胀式涡轮被布置在第一热交换器的下游以用于使经压缩的制冷剂膨胀，
-第二热交换器，该第二热交换器被布置在涡轮的下游以用于在经膨胀的制冷剂与外部流体之间交换热量以对外部流体进行冷却，
-加热区段，该加热区段形成第一热交换器的一部分并且被布置在第二热交换器的下游，在该加热区段中，经膨胀的制冷剂通过与经压缩的制冷剂进行间接的热量交换而加热，
其特征在于：
-第一离心式压缩机仅直接地机械连接到膨胀式涡轮并且仅由膨胀式涡轮驱动，
-第一离心式压缩机和膨胀式涡轮各自包括磁性轴承。
术语“下游”是关于制冷剂流动通过制冷系统的方向。
术语“直接地”主要理解为第一压缩机仅具有一个单轴，该单轴仅连接到单个部件，并且该单个部件是膨胀式涡轮，即第一压缩机仅由该涡轮驱动。第一压缩机不直接地和不间接地经由制冷系统的其他部件连接到电机或齿轮箱。
术语第一和第二并不表示关于制冷剂流动的布置而是仅用于列举的清楚性。
有利地，由制冷剂在膨胀式涡轮内的膨胀产生的动力可以重新获得并用于直接地驱动压缩机中的一个压缩机，也就是说，在膨胀器与压缩机之间没有机械连接的高速电机或齿轮箱
优选地，膨胀式涡轮是向心式膨胀式涡轮。
有利的是，第二压缩机仅机械连接到第一电机并且仅由第一电机驱动，其中第一电机特别为水冷电动机。
第二压缩机可以为离心式压缩机。
在另一优选实施方案中，闭环制冷循环包括第三离心式压缩机，该第三离心式压缩机被特别地布置在第二离心式压缩机的下游以用于压缩制冷剂，其中第三离心式压缩机仅机械地连接到第二电机并且仅由第二电机驱动，其中第二电机特别为水冷电动机，并且其中第三后冷却器被特别地布置在第三离心式压缩机的下游以用于对经压缩的制冷剂进行冷却，第二电动机(52)独立于第一电动机(5；51)进行水冷。
还可能使用由一个电动机驱动的单个螺杆式压缩机而不是由若干电动机驱动的若干离心式压缩机。
为了避免润滑油对制冷环路的任何污染，还可能使用干式螺杆式压缩机
为了限制制冷剂对外部环境的损失，可以使用密封或半密封的螺杆式压缩机。
优选地，第二压缩机直接地位于第一离心式压缩机的下游。
为了进一步减小制冷环路与外部环境之间的泄漏路径，驱动螺杆式压缩机的第一电机为磁耦合电机。
可能的是将第一热交换器和第二热交换器组合成单个单元，该单个单元特别为板翅式热交换器。
根据第二方面，本发明涉及一种用于操作低温制冷系统的方法，该方法包括以下步骤：
-向制冷系统提供制冷剂
-通过改变驱动压缩机的电机的转速来调节制冷循环冷却能力。以此方式，当必须增加冷却容量时，就通过增加压缩机的转速来增加环路内的气态制冷剂的流动。
-使向心式膨胀器和离心式压缩机自由地旋转，所述离心式压缩机仅由所述向心式膨胀器驱动。
气态制冷剂可以包括选自包括He、Ne、N2、CH4的组的至少一种组分。
气态制冷剂还可以包括选自包括He、Ne、N2、CH4的组的至少两种组分。
寻求保护的第三方面(但其也代表了根据第一方面和第二方面的本发明的实施方案)涉及包括根据本发明的制冷系统的LNG载体。
附图说明
图1a示出了第一实施方案，其中所有压缩机都为离心式压缩机。
图1b示出了根据本发明的系统的另一实施方案。
图2a示出了第二实施方案，其中一个压缩机为螺杆式压缩机，另一个压缩机为由膨胀式涡轮直接驱动的离心式压缩机。
图2b示出了根据本发明的系统的另一实施方案。
附图详细说明
在下文中，将全面讨论根据附图的不同实施方案，相同的附图标记指示相同或基本上相同的单元。应当理解，所属领域的技术人员可将附图中所示的实施方案的某些部件与所附权利要求中限定的本发明的特征组合，而不必包括所述附图中所示的该实施方案的此特定部件之外的部件或甚至所有其他部件。
图1a示意性地示出了根据本发明第一实施方案的闭环制冷系统(1)，该闭环制冷系统包括：用于压缩制冷剂的第一离心式压缩机(2)；用于对由第一离心式压缩机(2)压缩的制冷剂进行冷却的第一后冷却器(3)；用于进一步压缩制冷剂的第二离心式压缩机(41)，该第二离心式压缩机由第一水冷电动机(51)直接驱动；用于对由第二离心式压缩机(41)压缩的制冷剂进行冷却的第二后冷却器(61)；用于进一步压缩制冷剂的第三离心式压缩机(42)，该第三离心式压缩机(42)由第二水冷电动机(52)直接驱动；用于对由第三离心式压缩机压缩的制冷剂进行冷却的第三后冷却器(62)；第一热交换器，该第一热交换器具有位于第三后冷却器下游的冷却区段以用于进一步对制冷剂进行冷却；膨胀式涡轮，该膨胀式涡轮位于冷却区段下游以用于使制冷剂减压；第二热交换器(9)，该第二热交换器布置在涡轮(8)下游以用于在经膨胀的制冷剂与外部流体之间交换热量以对外部流体进行冷却；加热区段，该加热区段形成第一热交换器(7)的一部分并且布置在第二热交换器(9)下游，在该加热区段中，经膨胀的制冷剂通过与经压缩的制冷剂进行间接的热量交换而加热，
例如，待冷却的外部流体(10)流可以是从LNG载体的储罐中的一个储罐泵送的LNG，由根据本发明的闭环制冷系统过冷，并且然后再注入储罐内，以用于补偿储罐内部的热量进入。
对于具有蒸发速率为0.07％/天的隔热性的170 000m3的LNG载体——即储罐隔热性能使得每天由于所述热量进入制冷系统而蒸发的储罐全容量的0.07％必须通过将45M3/hr的LNG从-161℃过冷到-172℃来补偿250kW的热量进入。
因此，该量的热能凭借气态制冷剂与来自罐的LNG通过热交换器(9)进行热量交换来吸收。
第一压缩机级(2)由膨胀式涡轮(8)直接驱动，在由膨胀式涡轮直接驱动的第一压缩机级与涡轮之间没有任何电动机或齿轮箱，以利用根据由膨胀式涡轮对气态制冷剂进行膨胀而重新获得的机械动力来平衡第一压缩机(2)的动力需求。也就是说，由膨胀式涡轮直接驱动的压缩机的动力等于由膨胀式涡轮重新获得的动力减去不可避免的摩擦损失。
第二离心式压缩机级和第三离心式压缩机级(41,42)由其各自的电动机(51,52)单独地驱动并且其各自的电动机彼此独立地进行水冷，也就是说，第二压缩机级的电动机(51)的水冷却流(511；512)与第三压缩机级的电动机(52)的水冷却流(521；522)分离且独立地调节。
在操作中，如果热量进入，并且因此使LNG的温度和/或储罐的缺量空间中的气体压力改变，则通过利用变频驱动(未示出)改变电动机(51,52)的转速来调节制冷系统的冷却能力。例如，如果必须降低冷却能力，则电动机(51,52)的转速降低，从而降低第二离心式压缩机级和第三离心式压缩机级(41,42)的吸入容量，并因此降低制冷环路内气态制冷剂循环的流动。根据气态制冷剂的体积流量，由膨胀式涡轮直接驱动的压缩机级以自由速度旋转。
图1b示出了图1a的实施方案，其中第一热交换器(7)和第二热交换器(9)合并在一起以形成单个单元(12)。该实施方案在单个单元(12)是板翅式热交换器时是特别有利的，因为这极大地减小了根据本发明的低温制冷系统的占有面积，并且允许更有效的热传递。
图2a示意性地示出了根据本发明第一实施方案的闭环制冷系统(1)，该系统包括：用于压缩制冷剂的第一压缩机(2)，该第一压缩机(2)是离心式压缩机；用于对由第一离心式压缩机(2)压缩的制冷剂进行冷却的第一后冷却器(3)；用于进一步压缩制冷剂的第二压缩机(4)，该第二压缩机是螺杆式压缩机并且由水冷电动机(5)直接驱动；用于对由第二压缩机(41)压缩的制冷剂进行冷却的第二后冷却器(6)；第一热交换器，该第一热交换器具有位于第三后冷却器下游的冷却区段以用于进一步对制冷剂进行冷却；膨胀式涡轮，该膨胀式涡轮位于冷却区段下游以用于使制冷剂减压；第二热交换器(9)，该第二热交换器布置在涡轮(8)下游以用于在经膨胀的制冷剂与外部流体之间交换热量以对外部流体进行冷却；加热区段，该加热区段形成第一热交换器(7)的一部分并且布置在第二热交换器(9)下游，在该加热区段中，经膨胀的制冷剂通过与经压缩的制冷剂进行间接的热量交换而加热，
对于具有蒸发速率为0.07％/天的隔热性的170 000m3的LNG载体——即储罐隔热性能使得每天由于所述热量进入制冷系统而蒸发的储罐全容量的0.07％必须通过将45M3/hr的LNG从-161℃过冷到-172℃来补偿250kW的热量进入。
因此，该量的热能凭借气态制冷剂与来自罐的LNG通过热交换器(9)进行热量交换来吸收。
第一压缩机级(2)由膨胀式涡轮(8)直接驱动，在由膨胀式涡轮直接驱动的第一压缩机级与涡轮之间没有任何电动机或齿轮箱，以利用根据由膨胀式涡轮对气态制冷剂进行膨胀而重新获得的机械动力来平衡第一压缩机(2)的动力需求。也就是说，由膨胀式涡轮直接驱动的压缩机的动力等于由膨胀式涡轮重新获得的动力减去不可避免的摩擦损失。
螺杆式压缩机(4)由单个电动机(5)直接驱动。驱动螺杆式压缩机(4)的单个电动机(5)通过水冷却流(511；512)进行水冷
在操作中，如果热量进入，并且因此使LNG的温度和/或储罐的缺量空间中的气体压力改变，则通过利用变频驱动(未示出)改变电动机(5)的转速来调节制冷系统的冷却能力。例如，如果必须降低冷却能力，则电动机(5)的转速降低，从而降低螺杆式压缩机(4)的吸入容量，并因此降低制冷环路内气态制冷剂循环的流动。根据气态制冷剂的体积流量，由膨胀式涡轮直接驱动的压缩机级以自由速度旋转。
图2b示出了图1a的实施方案，其中第一热交换器(7)和第二热交换器(9)合并在一起以形成单个单元(12)。该实施方案在单个单元(12)是板翅式热交换器时是特别有利的，因为这极大地减小了根据本发明的低温制冷系统的占有面积，并且允许更有效的热传递。
附图标记列表
(1)：闭环制冷系统
(41)、(42)、(2)、(4)：压缩机级
(61)、(62)、(3)：后冷却器
(51)、(52)、(5)：电动机
(7)、(8)：第一热交换器和第二热交换器
(9)：膨胀式涡轮。
(10)：从储罐取出的LNG
(11)：再注入储罐中的过冷LNG
(12)：单个单元热交换器
(511；512)：第一电动机的水冷却流(521；522)：第二电动机的水冷却流

Claims (15)

1.用于对外部流体进行冷却的闭环制冷系统(1)，所述闭环制冷系统包括：
-压缩区段，所述压缩区段用于压缩制冷剂，所述压缩区段包括第一压缩机(2)和第二压缩机(41；4)，所述第一压缩机(2)是离心式压缩机，
-第一电机(51；5)，所述第一电机产生机械动力以驱动所述第二压缩机(4,41)，
-第一后冷却器(3)，所述第一后冷却器被布置在所述第一压缩机(2)的下游以用于对在经所述第一压缩机(2)压缩后的制冷剂进行冷却，
-第二后冷却器(61；6)，所述第二后冷却器被布置在所述第二压缩机(41；4)的下游以用于对在经所述第二压缩机(41；4)压缩后的制冷剂进行冷却，
-第一热交换器(7；12)，所述第一热交换器被布置在所述第一后冷却器(3)和所述第二后冷却器(61；6)的下游以用于进一步对所述经压缩的制冷剂进行冷却，
-膨胀式涡轮(8)，所述膨胀式涡轮被布置在所述第一热交换器(7)的下游以用于使所述经压缩的制冷剂膨胀，
-第二热交换器(9；12)，所述第二热交换器被布置在所述涡轮(8)的下游以用于在所述经膨胀的制冷剂与外部流体之间交换热量以对所述外部流体进行冷却，
-加热区段，所述加热区段形成所述第一热交换器(7；12)的一部分并且被布置在所述第二热交换器(9；12)的下游，在所述加热区段中，所述经膨胀的制冷剂通过与所述经压缩的制冷剂进行间接的热量交换而加热，
其特征在于：
-所述第一离心式压缩机(2)仅直接地机械连接到所述膨胀式涡轮(8)并且仅由所述膨胀式涡轮(8)驱动，
-所述第一离心式压缩机(2)和所述膨胀式涡轮(8)各自包括磁性轴承。
2.根据权利要求1所述的闭环制冷系统(1)，其特征在于，所述膨胀式涡轮(8)是向心式膨胀式涡轮。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的闭环制冷循环(1)，其特征在于，所述第二压缩机(41；4)仅机械连接到所述第一电机(51；5)并且仅由所述第一电机(51；5)驱动，其中所述第一电机特别为水冷电动机。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的闭环制冷系统(1)，其特征在于，所述第二压缩机(41)是离心式压缩机。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的闭环制冷循环(1)，其特征在于，所述闭环制冷循环包括第三离心式压缩机(42)，所述第三离心式压缩机被特别地布置在所述第二离心式压缩机(41)的下游以用于压缩所述制冷剂，其中所述第三离心式压缩机(42)仅机械地连接到第二电机(52)并且仅由所述第二电机(52)驱动，其中所述第二电机特别为水冷电动机，并且其中第三后冷却器(62)被特别地布置在所述第三离心式压缩机(42)的下游以用于对所述经压缩的制冷剂进行冷却，所述第二电动机(52)独立于所述第一电动机(5；51)进行水冷。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的闭环制冷系统(1)，其特征在于，所述第二压缩机(4)是螺杆式压缩机(4)。
7.根据权利要求6所述的闭环制冷系统(1)，其特征在于，所述第二压缩机(4)是干式螺杆式压缩机。
8.根据权利要求6或7所述的闭环制冷系统(1)，其特征在于，所述第二压缩机(4)是密封或半密封的干式螺杆式压缩机。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的闭环制冷系统(1)，其特征在于，所述第二压缩机(41；4)位于所述第一离心式压缩机(2)的下游。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的闭环制冷系统(1)，其特征在于，驱动所述螺杆式压缩机(4)的所述第一电机(5)是磁耦合电机(5)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的闭环制冷系统(1)，其特征在于，将所述第一热交换器和所述第二热交换器(7,9)组合成单个单元(12)，所述单个单元特别为板翅式热交换器。
12.用于操作根据权利要求1至11中任一项所述的低温制冷系统的方法，所述方法包括以下步骤：
-向所述制冷系统提供制冷剂
-通过改变所述第一电机(51；5)的转速、和/或特别是通过改变所述第二电机(52)的转速来调节所述制冷循环冷却能力
-使所述膨胀式涡轮(8)和所述第一离心式压缩机(2)自由地旋转，所述第一离心式压缩机仅直接地机械连接到所述膨胀式涡轮(8)并且仅由所述膨胀式涡轮(8)驱动。
13.根据权利要求12所述的用于操作闭环制冷系统(1)的方法，其特征在于，所述制冷剂的至少一种组分选自包括He、Ne、N2、CH4的组。
14.根据权利要求13所述的用于操作闭环制冷系统(1)的方法，其特征在于，所述制冷剂的至少两种组分选自包括He、Ne、N2、CH4的组。
15.LNG载体，所述LNG载体包括根据权利要求1至11所述的制冷系统。
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