CN203201825U - 压缩机布置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种压缩机布置。对于压缩机布置实现整体功耗的降低和/或吸入容量的增加，该压缩机布置包括驱动器(20)、主空气压缩机(11a、11b)以及增压空气压缩机(12)，该驱动器(20)包括第一驱动轴(21)和第二驱动轴(30)，该主空气压缩机(11a、11b)包括多个压缩级(MAC1、MAC2、MAC3)，该增压空气压缩机(12)包括至少一个压缩级(BAC1、BAC2、BAC3、BAC4)，在整合齿轮式机器中，由第一驱动轴(21)驱动主空气压缩机(11a)的第一级(MAC1)，并由第二驱动轴(30)驱动主空气压缩机(11b)的剩余的级和增压空气压缩机(12)。

Description

压缩机布置

技术领域

本实用新型涉及适于在例如大型低温空气分离单元的需要高空气流率的地方使用的压缩机布置，该压缩机布置适于由例如蒸汽涡轮或电动机驱动。

背景技术

在低温空气分离单元中，空气在两个操作中被典型地压缩。进给空气穿过主空气压缩机(MAC)以达到期望的压力。进给空气随后被冷却，并且，水蒸气和诸如二氧化碳的其他气态杂质被移除。进给空气流的一部分或全部可以随后被传递至增压空气压缩机(BAC)以在被压缩的空气流被传递至ASU的用于分离的低温部分之前达到期望的压力。MAC和BAC通常各包括多于一个的压缩级。

高流率处理设备的压缩机典型地包括离心(即，径向)压缩级。离心压缩级的必要特征包括安装在被称为蜗壳(volute)或涡壳(scroll)的成形壳体内以进行旋转的叶轮。压缩级还包括用于被压缩的流体的入口和出口。叶轮可以布置在多个轴上或单个轴上。在使用多个轴的地方，大直径的大齿轮(bull gear)驱动啮合的小齿轮(pinions(即pinion gears))，压缩叶轮安装于该小齿轮的端。位于自身相应的壳体内的多个叶轮提供所期望的若干压缩级。大齿轮及其啮合的小齿轮通常被包含在普通的壳体内。因此，这样的压缩机被称为整合齿轮压缩机。啮合的小齿轮可以具有不同的直径以最佳地匹配其驱动的压缩叶轮的速度需求。任意两级之间的被压缩的空气可以被管输送至中间冷却器，在该中间冷却器中，被压缩的空气被冷却，由此，提供更高效的压缩处理。

已知在单个压缩机提供两个或更多的压缩任务。例如，美国专利5901579公开了一种压缩机，其中，主要的空气压缩任务是在一个机器与分享从MAC离开的空气的两个压缩轮联合并且压缩那些流来供给空气分离设备。

图1描绘了用于空气分离单元的典型的已知的压缩布置。该布置已经因高达550000m³/h的MAC吸入流率而被应用。增压级的数目被限制为四。从蒸汽涡轮20通过驱动轴30、45和中间传动箱40驱动压缩布置10的压缩机大齿轮46。从该大齿轮46驱动MAC级11和BAC级12的这两者。存在着三个MAC级(MAC1、MAC2以及MAC3)，从第一小齿轮50驱动MAC1和MAC2，且从第二小齿轮60驱动MAC3。还存在着四个BAC级(BAC1、BAC2、BAC3以及BAC4)，从第三小齿轮70驱动BAC1和BAC2，且从第四小齿轮80驱动BAC3和BAC4。MAC级和BAC级的编号反映了待压缩的流体将穿过级的顺序(即，例如，流体将顺利地穿过MAC1、MAC2以及MAC3)。为了改善压缩机的整体效率，中间冷却器90、100、110、120以及130设于级之间以从被压缩的流体移除热。后续冷却器140设于BAC4的出口以将被压缩的流体冷却至流体进入空气分离单元的所期望的温度。

在使用中，待分离的空气穿过入口150而被供给至第一MAC压缩级MAC1中，被典型地压缩至约0.2MPa(完全的2bar或“bara”)并穿过管道160而离开MAC1，在进入第二压缩级MAC2以进一步压缩之前穿过中间冷却器90。典型地处于约0.35MPa(3.5bara)的被压缩的空气随后穿过管道170而离开MAC2，并在进入第三压缩级MAC3之前穿过中间冷却器100。典型地处于约0.6MPa(6bara)的被压缩的空气随后经由出口180而被传递至ASU以进行冷却并移除水蒸气和诸如二氧化碳的其他气态杂质。

在穿过ASU之后，空气被传递至增压压缩布置12，通过入口190进入第一增压级BAC1，并典型地处于约1.1MPa(11bara)而穿过管道200离开。被压缩的空气随后被穿过中间冷却器110以降低温度，并进入第二增压压缩级BAC2。空气顺利地穿过BAC2出口管道210，并典型地处于约2MPa(20bara)而穿过中间冷却器120、第三压缩级BAC3、BAC3出口管道220，并典型地处于约3.5MPa(35bara)而穿过中间冷却器130和第四增压压缩级BAC4。典型地处于约5.5MPa(55bara)的被压缩的空气随后经由管道230而穿过后续冷却器140以达到所期望的温度，并进入ASU以进行分离。

已知使用双端蒸汽涡轮来驱动MAC级和BAC级。西门子已开发出驱动ASU进给空气压缩机的MAC级和BAC级的双端蒸汽涡轮的一个示例。图2描绘了典型的压缩机和蒸汽涡轮的布置。该布置已经因高达550000m³/h的MAC吸入流率而被应用。蒸汽涡轮20经由第一驱动轴21和驱动轴29并通过座式轴承(pedestal bearing)24来驱动整合齿轮式的三级MAC11。驱动轴29联接至第一级小齿轮50的自由端，MAC的第一级(MAC1)安装于该第一级小齿轮50的另一端。MAC的第二级和第三级(MAC2和MAC3)设于第二小齿轮60。BAC12是可以具有高达六级的整合齿轮式设计，但是在附图中显示了仅带有四级的布置。蒸汽涡轮20连接至驱动轴30并通过减速传动箱40和驱动轴45而连接至整合齿轮式BAC12。由小齿轮70驱动BAC的第一级和第二级(BAC1和BAC2)，并由小齿轮80驱动BAC的第三级和第四级(BAC3和BAC4)。中间冷却器(图中未显示)设于压缩级之间。

图1和图2的压缩机布置的设计由于叶轮重量而限制了MAC1级的叶轮的直径。限制MAC1蜗壳尺寸以允许第一级蜗壳和第二级蜗壳装配在传动箱上。MAC1的叶轮典型地具有1600mm的直径，该直径提供550000m³/h的最大吸入流量。

由于高达800000m³/h的MAC吸入流量，如图3所示的布置为人所知并已被西门子开发。由蒸汽涡轮20的第一端通过第一驱动轴21、中间传动箱25以及驱动轴29而驱动整合齿轮式MAC11。通过将两个第一级MAC1安装于第一小齿轮50从而达到所需要的吸入流量，各个MAC1包括具有1600mm的直径的叶轮。BAC布置12与图2所示的布置相同。

位于单个小齿轮50的双第一级MAC的使用比单个第一级需要入口过滤器和消声器的布置的更大程度的复杂性。需要九十度的弯管并增大了MAC吸入压降，从而造成更高的功耗。此外，在带有协调控制的两个MAC1级需要入口引导叶片。

还已知使用双端蒸汽涡轮来驱动MAC级和BAC级，其中，MAC级安装于单个轴。驱动ASU的这样的MAC级和BAC级的双端蒸汽涡轮已被MAN Diesel and Turbo开发。图4描绘了典型的压缩机和蒸汽涡轮的布置。蒸汽涡轮20从位于涡轮的一端的第一驱动轴21驱动MAC级11并从位于涡轮的另一端的第二驱动轴30驱动BAC级12。MAC级11在此显示为作为具有四个叶轮的单轴离心空气压缩机而设置的四级MAC1、MAC2、MAC3以及MAC4。中间冷却器(图中未显示)设于级之间的MAC外壳内。该压缩机能够使用高达1900mm的直径的第一级叶轮(用于MAC1)，这允许670000m³/h的最大吸入流量。由于中间冷却器安装于MAC外壳内，因而对于该MAC设计可最大实现的流率被外壳的重量和尺寸限制。BAC级12布置在通过加伸轴布置而驱动的整合齿轮。尽管可以提供高达六个BAC级，但显示了四个BAC级。由小齿轮70驱动第一级和第二级(BAC1和BAC2)，并由小齿轮80驱动第三级和第四级(BAC3和BAC4)。

期望与已知的压缩机布置相比，降低压缩机布置的成本和蒸汽消耗。另外，期望增加压缩机布置的吸入容量，尤其是当意图在高海拔使用压缩机布置时。此外，期望简化压缩机布置的设计。

实用新型内容

根据本实用新型的第一方面，提供了用于将空气压缩的压缩机布置，所述压缩机布置包括：

驱动器，包括第一驱动轴和第二驱动轴；

MAC，包括第一(压缩)级和至少一个另外的(压缩)级，其中，由第一驱动轴驱动第一级；

大齿轮，被第二驱动轴驱动；

至少一个小齿轮，啮合大齿轮，其中，MAC的另外的(压缩)级安装于小齿轮并被该小齿轮驱动；

BAC，包括至少一个(压缩)级；以及

至少一个另外的小齿轮，啮合大齿轮，其中，BAC的(压缩)级安装于另外的小齿轮并被该小齿轮驱动。

MAC的第一级可以被第一驱动轴直接地驱动，例如，通过中间传动箱。然而，在优选实施例中，MAC的第一级直接地安装于第一驱动轴，并因而被第一驱动轴直接地驱动。

第一驱动轴可以还驱动至少一个另外的压缩级。然而，在优选实施例中，第一驱动轴专注于驱动MAC的第一级。换言之，第一驱动轴优选单独地驱动MAC的第一级而不驱动任何其他的压缩级。

MAC的第一级优选为离心压缩级。这样的压缩级在现有技术中也被称为径向压缩级。本实用新型的一个优点为可以在MAC的第一级中使用任意尺寸的叶轮。即便如此，MAC1的直径通常至少约1100mm。在一些优选实施例中，MAC1叶轮具有大于约1900mm的直径，例如，至少约2000mm或甚至至少约2100mm。理论上，尽管发明人承认存在限制MAC1叶轮尺寸的大小的一些实际问题，但是(在合理范围内)MAC1叶轮的最大直径没有特殊限制。典型地，MAC1叶轮不具有超过约3000mm的直径。

压缩机布置能够根据MAC1叶轮的直径来提供宽范围的最大吸入流量。优选布置提供至少约200000m³/h的最大吸入流量，例如，比800000m³/h更大，或至少约850000m³/h，或甚至至少约900000m³/h。典型地，最大吸入流量不超过约1100000m³/h。

压缩机布置优选包括用于所述第一驱动轴的蜗壳支撑件和轴承壳体。

压缩机布置可以与用于每天产生例如至少约1200mt(公吨)的氧气的低温空气分离设备整合，例如，每天至少约2000mt的氧气，或每天至少约3000mt的氧气，或甚至每天至少约4000mt的氧气。典型地，来自使用了根据本实用新型的压缩布置的设备的氧气的最大生产率为约5000mt/day。在优选实施例中，根据ASU设备的海拔，氧产量为从约4000mt/day至约4800mt/day。

MAC可以包括一级、二级、三级或更多级。当存在偶数个的另外的级时，它们通常成对地安装，每对安装于单个小齿轮而该对的另外的级安装于小齿轮的对置端。在优选实施例中，MAC包括安装于小齿轮的对置端的两个另外的级。

BAC可以包括一级至十级，例如，二级至八级，并优选四级或六级。级通常成对地安装，每对安装于另一小齿轮。在优选实施例中，BAC包括分别布置成两对级的四级或三对级的六级。每对的级安装于另一小齿轮，级安装于另一小齿轮的对置端。

在压缩级之间可以没有任何中间冷却器来冷却被压缩的空气。然而，可以存在至少一个中间冷却器，并且，在优选实施例中，在各级之后且在下一压缩级之前存在中间冷却器，且通常在最后级之后带有后续冷却器。假设以适当的修改来适应从蒸汽涡轮20直接地驱动第一MAC级而不是从大齿轮46驱动，则图1所描绘的中间冷却器的布置将适于本实用新型。

驱动器可以包括任何适宜的原动机，例如，蒸汽涡轮或电动机。

根据本实用新型的第二方面，提供了一种用于低温空气分离设备的将进给空气压缩的方法，所述方法包括：

在由驱动器的第一驱动轴驱动的MAC的第一(压缩)级中将进给空气压缩，以产生被压缩的进给空气；

在由至少一个小齿轮驱动的MAC的至少一个另外的(压缩)级中进一步压缩被压缩的进给空气，以产生被进一步压缩的进给空气，该至少一个小齿轮与被驱动器的第二驱动轴驱动的大齿轮啮合；

通过与来自设备中的空气的低温分离的至少一个流体进行间接热交换而冷却被压缩的进给空气以产生冷却的进给空气；以及

在由与大齿轮啮合的至少一个另外的小齿轮驱动的BAC的至少一个(压缩)级中压缩冷却的进给空气或起源于此的进给空气，以产生用于在设备中进行分离的被冷却且压缩的进给空气。

优选地，在BAC中的压缩之前从被进一步压缩的进给空气移除水蒸气和/或诸如二氧化碳的其他气体杂质。

附图说明

现在，仅通过示例并参照附图来描述本实用新型。在附图中：

图1描绘了用于ASU的现有技术的压缩机布置；

图2描绘了用于ASU的另一现有技术的压缩机布置，在该压缩机布置中，从蒸汽涡轮的一端驱动MAC级并从蒸汽涡轮的另一端驱动BAC级；

图3描绘了用于ASU的又一现有技术的压缩机布置，在该压缩机布置中，存在着两个MAC第一级，并且，从蒸汽涡轮的一端驱动MAC级并从蒸汽涡轮的另一端驱动BAC级；

图4描绘了用于ASU的再一现有技术的压缩机布置，在该压缩机布置中，MAC级安装于单个轴，并且，从蒸汽涡轮的一端驱动MAC级并从蒸汽涡轮的另一端驱动BAC级；

图5显示了根据本实用新型的压缩机布置的第一实施例；以及

图6显示了根据本实用新型的压缩机布置的第二实施例。

具体实施方式

以上讨论了图1至图4所描绘的现有技术的布置。

参照图5，显示了压缩机布置10，在该压缩机布置10中，蒸汽涡轮20经由第一驱动轴21而驱动第一MAC级11a(MAC1)，并经由第二驱动轴30而驱动第二MAC级和第三MAC级11b(MAC2和MAC3)以及四级的BAC12(BAC1至BAC4)。

从蒸汽涡轮20的一端直接地单独驱动第一MAC级MAC1。蜗壳支撑件和轴承壳体25设置成支撑MAC11a的轴和蜗壳。蜗壳支撑件可以为浇铸构造或焊接构造，并直接地栓接至混凝土基座。蜗壳支撑件的外壳设计成定位并承受蜗壳的重量。蜗壳支撑件内的轴将驱动器转矩传递至叶轮(图中未显示)并承受直接地栓接至轴的MAC1叶轮的重量。径向轴承承载转子重量。推力轴承轴向地定位转子并承载叶轮推力负载。第二驱动轴30驱动MAC11b和BAC12。这由整合齿轮式机器实现，其中，MAC2和MAC3设于小齿轮50，BAC1和BAC2设于小齿轮70且BAC3和BAC4设于小齿轮80，各个小齿轮啮合大齿轮46。减速传动箱40设于第二驱动轴30和驱动大齿轮46的驱动轴45之间。

MAC1是包括具有2100mm的直径的叶轮的压缩机级，该直径比能够容纳于现有技术的压缩机布置的直径更大。该布置对于800000m³/h的单个叶轮提供比发明人所知的现有技术的布置典型地更大的最大吸入容量。然而，应当理解MAC1的叶轮可以具有任何适宜的直径以提供期望的最大吸入容量。例如，叶轮的直径可以小至1100mm。实际上，在以下示例中使用的叶轮的直径为1600mm。

MAC1和MAC2处于由管道160连接的流体连通状态，中间冷却器90设于该管道160。类似地，MAC2和MAC3处于由管道170连接的流体连通状态，中间冷却器100设于该管道170。流体穿过入口150进入MAC1并离开MAC3而经由出口180进入ASU。图5所描绘的用于BAC12的管道和中间冷却器的布置与图1所示的布置相同。

在使用中，待压缩的流体穿过入口150进入MAC1级并从大气压被压缩至约0.2MPa(2bara)。被压缩的流体穿过管道160而离开MAC1并穿过中间冷却器90，从而在进入MAC2以进一步压缩之前降低流体的温度。典型地处于约0.35MPa(3.5bara)的被进一步压缩的流体穿过管道170而离开MAC2并在进入MAC3之前穿过中间冷却器100。在第三压缩级之后，流体典型地处于约0.6MPa(6bara)并穿过出口180而被传递至ASU。增压压缩如图1所述。

图6显示了本实用新型的备选的压缩机布置，在该压缩机布置中，MAC11b和BAC12经由设于第二驱动轴45的座式轴承41和加伸轴(stub shaft)90而被驱动。布置的其他方面如图5所述，并且在使用中以类似的方式运行。

将MAC1级单独地设于第一驱动轴，从而移除关于图1至图4中的现有技术的布置的MAC1的尺寸约束，所以对于MAC能够实现更大的叶轮直径，并因此能够实现更大的吸入容量。例如，设想2000mm或更大(例如，高达3000mm)的MAC第一级叶轮直径。在实践期间，叶轮直径仅被可获得的用于制造叶轮的机床的尺寸限制。

设想至少800000m³/h的MAC吸入流率。当在高海拔运行ASU时，这是尤其重要的，其中，由于更低的大气常压，因而需要更高的吸入容量来提供与位于海平面的类似设备相同的ASU产量。800000m³/h的MAC吸入流率将根据ASU海拔而对ASU提供需要产生4000mt/day至4800mt/day之间的氧产量的空气。

能够发现图5和图6所示的布置从图1所示的传动箱移除了MAC1。MAC1在物理上为最大的级并消耗总体MAC功率的约40%。因此，图5和图6中的承载MAC级和BAC级的传动箱比图1中的传动箱在物理上更小并具有更低的额定功率。此外，用于图5和图6所示的布置的中间传动箱比图1中的传动箱在物理上更小并具有更低的额定功率。所以，消除了与MAC1级相关的齿轮损耗并降低了装置的成本。

能够发现图5和图6所示的布置消除了MAC整合传动箱。所以，消除了与图3中的MAC1级相关的齿轮损耗并降低了装置的成本。能够发现图5和图6所示的布置允许将存在于图3的现有技术的布置中的MAC传动箱和中间传动箱省略。所以，消除了与MAC1级相关的齿轮损耗并降低了装置的成本。

此外，图5和图6的布置与图2至图4相比具有简化的结构，与图2至图4的现有技术的布置相比，允许更容易的安装和轴的对准。

示例

计算了图1所描绘的现有技术的布置和图5所描绘的本布置的实施例的性能(依照功耗和损耗)的数据并在以下表格中进行了比较。

该比较基于：

·与具有3000mt/day的标称氧产率的ASU相关的压缩；

·两布置中的MAC1叶轮具有1600mm的直径；

·假设MAC吸入流率为530000m³/h并假设空气在MAC中从0.1MPa(1bara)被压缩至0.611MPa(6.11bara)；

·假设BAC吸入流率为40000kg/h并假设空气从0.56MPa(5.6bara)被压缩至5.1MPa(51bara)。

若功率具有0.07美元/kW的成本，则节省277kW的功率相当于5年期间节省775600美元。

本实用新型的优选实施例意图满足以下目标中的至少一个：

·利用单个第一级径向叶轮来增加压缩机的最大吸入流量；

·降低承载MAC级和BAC级的整合传动箱的尺寸和额定功率；

·降低齿轮功率损耗，并且，作为其结果，降低压缩轮列功耗；

·降低压缩轮列的成本；

·简化安装。

参考优选实施例将领悟到本实用新型不限于以上描述的细节，但在不脱离如所附的权利要求所限定的本实用新型的要旨或范围的情况下，能够进行大量的修改和变化。

Claims (13)

1.一种压缩机布置(10)，用于将空气压缩，其特征在于，所述压缩机布置(10)包括：

驱动器(20)，包括第一驱动轴(21)和第二驱动轴(30)；

主空气压缩机(11a、11b)，包括第一级(MAC1)和至少一个另外的级(MAC2、MAC3)，其中，由所述第一驱动轴(21)驱动所述第一级(MAC1)；

大齿轮(46)，被所述第二驱动轴(30)驱动；

至少一个小齿轮(50)，啮合所述大齿轮(46)，其中，所述主空气压缩机(11b)的所述另外的级(MAC2、MAC3)安装于所述小齿轮(50)并被该小齿轮(50)驱动；

增压空气压缩机(12)，包括至少一级(BAC1、BAC2、BAC3、BAC4)；以及

至少一个另外的小齿轮(70、80)，啮合所述大齿轮(46)，其中，所述增压空气压缩机(12)的所述级(BAC1、BAC2、BAC3、BAC4)安装于所述另外的小齿轮(70、80)并被该小齿轮(70、80)驱动。

2.根据权利要求1所述的压缩机布置(10)，其中，所述主空气压缩机(11a)的所述第一级(MAC1)直接地安装于所述第一驱动轴(21)。

3.根据权利要求1或2所述的压缩机布置(10)，其中，所述第一驱动轴(21)专注于驱动所述主空气压缩机(11a)的所述第一级(MAC1)。

4.根据权利要求1所述的压缩机布置(10)，其中，所述主空气压缩机(11a)的所述第一级(MAC1)为包括叶轮的离心压缩机，该叶轮具有至少1100mm的直径。

5.根据权利要求4所述的压缩机布置(10)，其中，所述叶轮的直径大于1900mm。

6.根据权利要求4或5所述的压缩机布置(10)，其中，所述叶轮的直径不超过3000mm。

7.根据权利要求1所述的压缩机布置(10)，具有至少200000m³/h的最大吸入流量。

8.根据权利要求7所述的压缩机布置(10)，其中，所述最大吸入流量为至少800000m³/h。

9.根据权利要求7或8所述的压缩机布置(10)，其中，所述最大吸入流量不超过1100000m³/h。

10.根据权利要求1所述的压缩机布置(10)，包括用于所述第一驱动轴(21)的蜗壳支撑件和轴承壳体(25)。

11.根据权利要求1所述的压缩机布置(10)，与用于每天产生至少1200公吨的氧气的低温空气分离设备整合。

12.根据权利要求11所述的压缩机布置(10)，其中，所述低温空气分离设备适于每天产生至少4000公吨的氧气。

13.根据权利要求11或12所述的压缩机布置(10)，其中，所述低温空气分离单元适于每天产生高达5000公吨的氧气。

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