DE69517071T2

DE69517071T2 - Pumpeneinheit mit Entspannungsturbine

Info

Publication number: DE69517071T2
Application number: DE69517071T
Authority: DE
Inventors: Seigo Katsuta; Masao Matsumura; Takao Takeuchi
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2015-02-22
Also published as: KR950033062A; DE69517071D1; CN1111714A; EP0669466B1; US5649425A; CN1072766C; CA2143033A1; EP0669466A1; CA2143033C; KR100357973B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pumpeneinheit mit Entspannungsturbine bzw. Turboexpansionspumpeneinheit und insbesondere auf eine Turboexpansionspumpeneinheit zur Anwendung bei einer Flüssiggasversorgungsinstallation, die geeignet ist zur Anwendung bei der Speicherung, beim Transportieren und Liefern eines cryogenischen flüssigen Brennstoffes, wie beispielsweise verflüssigtem Erdgas (LNG = liquefied natural gas) oder ähnlichem.

Beschreibung des Standes der Technik

Fig. 19 der beigefügten Zeichnungen zeigt das Konzept einer herkömmlichen Flüssiggasversorgungsinstallation in einer Basis für verflüssigtes Erdgas. Ein verflüssigtes Erdgas, welches von einem Transportschiff entladen wird, wird in einem teilweise unterirdisch liegenden Tank 201 gespeichert. Das verflüssigte Erdgas, welches in dem Tank 201 gespeichert ist, kann durch eine Primärpumpe 202 (der ersten Stufe) gehoben werden, die in dem gelagerten flüssigen Erdgas untergetaucht ist. Ein Teil des flüssigen Erdgases, welches aus dem Tank 201 herausgehoben wird, wird von einem Verdampfer 203 vergast und als Brennstoff für einen Boiler oder eine Gasturbine in der Basis für verflüssigtes Erdgas geliefert. Der Verdampfer 203 leitet Seewasser oder heißes Abwasser von einem Einlaß 203A ein und läßt es aus einem Auslaß 203B aus, wobei während die ser Zeit das flüssige Erdgas durch die Wärmeaustauschung im Verdampfer 203 vergast wird. Der Hauptteil des flüssigen Erdgases, welches von der Pumpe 202 gehoben wird, wird von einer Sekundärpumpe 204 (der zweiten Stufe) unter Druck gesetzt und entweder in einem flüssigen Zustand zu einer weiteren Basis für verflüssigtes Erdgas durch eine Pipeline bzw. ein Rohr 205 geliefert, oder wird darauffolgend durch Wärme durch einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher vergast und unter Druck als Gas zur Erzeugung von elektrischer Energie oder als Stadtgas zu einem Gebiet geliefert, wo es verbraucht werden soll.
Die Pumpe zum unter Druck setzen des auf ultra niedrig liegender Temperatur liegenden verflüssigten Erdgases ist im allgemeinen in Form einer mehrstufigen Vertikalzentrifugalpumpe, und diese ist von der Tauchbauart, wobei eine Pumpe und ein Motor zum Antrieb der Pumpe vollständig in dem flüssigen Erdgas untergetaucht sind, um die Möglichkeit der Leckage von den abgedichteten Wellenteilen zu eliminieren (für Details siehe "operation and control of LNG devices" (Betrieb und Steuerung von Vorrichtungen für verflüssigtes Erdgas) geschrieben von Aizawa und Kubota, Turbomachines, Vol. 17, Nr. 5, Seiten 8-13).
Die letzten Jahre haben zu immer wachsenden Anforderungen nach verflüssigtem Erdgas als eine saubere Energiequelle geführt, die zum Umweltschutz geeignet ist, und immer weiter anwachsende Servicegebiete für verflüssigtes Erdgas haben erfordert, daß Flüssiggasversorgungsvorrichtungen eine größere Kapazität, einen größeren Maßstab und eine größere Fähigkeit zur Handhabung von höherem Gas druck haben. Die Sekundärpumpe 204, die eine Hauptpumpe zum Liefern des verflüssigten Erdgases unter Druck ist, erforderte daher, daß eine größere Gasflußrate und ein höherer Druck Handzuhaben ist, und daß diese durch größere Leistung angetrieben wird. Ein Motor zum Antreiben der Pumpe 204 benötigt eine Hochspannungsversorgungsinstallation für elektrische Energie mit einer großen Leistungskapazität, die von mehreren hunderten bis mehreren zehntausend Kilowatt reicht, und benötigt als eine Folge auch eine große Übertragung von elektrischer Energie und eine Verteilungsinstallation zur Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie an den Motor.
Wenn die Anzahl der Stufen und die Größe der Pumpe steigt, stellt ein Einbauraum und eine Instandhaltungsprozedur, die für die Pumpe erforderlich ist, Probleme dar. Es ist üblich gewesen, das verflüssigte Erdgas durch ein langes Rohr zu einer entfernten Erzeugungsstation für elektrische Leistung zu transportieren, um elektrische Energie zu erzeugen, und die erzeugte elektrische Energie von der Station zur Erzeugung elektrischer Energie durch lange elektrische Kabel zu der Drucklieferpumpe für das verflüssigte Erdgas in der Basis für verflüssigtes Erdgas zu liefern, wo die gelieferte elektrische Energie zur Erregung des Motors geliefert wird. Ein solches Versorgungssystem für elektrische Energie ist vom Standpunkt der Energieeinsparungsaufwendungen nicht vorzuziehen. Anders gesagt hat die Lieferung der elektrischen Energie zu der Drucklieferpumpe für verflüssigtes Erdgas in der Basis für verflüssigtes Erdgas einen Transportverlust zur Folge, der durch die Lieferung des verflüssigten Erdgases in gasförmigem oder flüssigem Zustand zu der Station zur Erzeugung von elektrischer Leistung bewirkt wird, weiter einen Energieumwandlungsverlust, der in der Station zur Erzeugung elektrischer Leistung verursacht wird, weiter einen Transportverlust, der von den elektrischen Kabeln bewirkt wird, und einen Energieumwandlungsverlust, der von der Drehung des Motors bewirkt wird.
Die Tauchpumpe hat ein Problem dahingehend, daß Magnetlager erforderlicher Weise beim Eisenkern des Rotors des Motors verwendet werden müssen. Da magnetische Eisenplatten aus Ferrit hergestellt sind, sind sie spröde und haben geringe Toleranzen auf Zug- oder Biegespannungen bei niedrigen Temperaturen. Daher kann die Drehgeschwindigkeit des Motors aufgrund Begrenzungen der Zentrifugalspannungen nicht gesteigert werden. Wenn der Motor hohe Ausgangsleistung hat, dann ist erforderlich, daß sein Rotor lang genug ist, um niedrige innewohnende Werte zu haben, was es schwierig machen würde, eine geeignete Motorkonstruktion zur Verfügung zu haben, und zwar bei den oben erwähnten Drehgeschwindigkeiten.
Weiterhin sei hingewiesen auf US-A-3570261, die ein cryogenisches Pumpensystem zeigt, um einen Strömungsmittelfluß durch Verwendung der negativen Energie zu erreichen, die von der cryogenischen Flüssigkeit gespeichert wird. Das System weist eine Pumpe, einen Wärmetauscher und eine Turbine auf, die treibend mit der Pumpe durch eine mechanische Verbindung verbunden ist.
US-A-3132594 offenbart eine turbinengetriebene Pumpe, wobei die Turbinennabe und die Pumpenlaufradnabe durch eine Abstandshülse verbunden sind, die zwischen den Laufringen einer Kugellageranordnung für jede jeweilige Nabe angeordnet ist, und wobei spezielle Dichtungsmittel vorgesehen sind, um das Ausdehnen und Zusammenziehen zwischen den relativ bewegbaren Teilen aufzunehmen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine selbst enthaltende bzw. abgeschlossene Pumpeneinheit zur Anwendung bei der Lieferung eines flüssigen Brennstoffes unter Druck bei ultraniedriger Temperatur vorzusehen, wobei die Turboentspannungs- bzw. Turboexpansionspumpeneinheit ein einfaches Antriebssystem hat, frei von irgendeiner Leckage eines internen Strömungsmittels nach außen ist, und keine externe Energieversorgung erfordert.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Pumpenstruktur zur Anwendung bei einer solchen Pumpeneinheit vorzusehen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flüssiggasversorgungsinstallation der energieeinsparenden Bauart vorzusehen, die eine derartige Pumpeneinheit vorsieht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Turboexpansionspumpeneinheit nach Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezugnahme auf Fig. 4 der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ein Strömungsmittel wird polytrop unter Druck gesetzt, was einen Verlust in Betracht zieht, und zwar durch eine Pumpe von einem Zustand S&sub0; unter einem Druck P&sub0; nahe dem atmosphärischen Druck bis auf einen Druck P&sub1; beim Zustand S&sub1;. Das Strömungsmittel wird durch einen Wärmetauscher zu einem Gas bei einem Zustand S&sub2; aufgeheizt, wobei sein Druck durch einen Verlust niedriger wird, der von dem Wärmetauscher verursacht wird. Vom Zustand S&sub2; wird das Gas polytrop in einen Zustand S&sub3; ausgedehnt, der um einen Turbinenverlust entlang einer Kurve konstanter Enthalpie verschoben ist. Darauffolgend geht das Gas zu einem Zustand S&sub4; aufgrund einer isobaren Veränderung, wenn es als Turbinenbrennstoff verwendet wird, oder es geht zu einem Zustand S&sub5; aufgrund einer isenthalpen Veränderung, falls es über eine große Distanz geliefert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Expansionsturbine betätigt unter Verwendung der Differenz zwischen den Gradienten einer isentropen Kurve in einem übersättigten flüssigen Bereich und einer isentropen Kurve in einem überhitzten Zustand, und zwar mit einem Differenzdruck P&sub2;-Pd durch Einstellung des Druckes P&sub1; auf einen höheren Wert als den Entladungsdruck Pd, der für die Pumpe erforderlich ist.
Das obige System wird eingerichtet, wenn der folgende Zustand erfüllt ist:
i&sub2; - i&sub3; > i&sub1; - i&sub0;
wobei i&sub0;, i&sub1;, i&sub2;, i&sub3; jeweilige Enthalpien der Zustände S&sub0;, S&sub1;, S&sub2;, S&sub3; darstellen. Die Zustände S&sub1;, S&sub2; können eingerichtet werden, so daß der obige Zustand erfüllt werden wird.
Um somit die Zustände S&sub1;, S&sub2; einzurichten, sind zwei Freiheitsgrade verfügbar, d. h. die Veränderung des Druckes P&sub1; und das Aufbringen von Wärme, um den Entropieanstieg i&sub2; - i&sub1; zu variieren, während man den Druck P&sub1; auf einem ausreichend hohen Niveau hält. Wenn die Größe i&sub2; - i&sub3; ausreichend größer ist als die Größe i&sub1; - i&sub0;, dann kann nicht die gesamte Menge der Flüssigkeit, die aus der Pumpe ausgelassen wird, verwendet werden, jedoch kann ein Teil davon verwendet werden, um die Pumpe zu betätigen, und der Rest zur Erzeugung von elektrischer Energie. In einem derartigen Fall kann ein Generator mit einem Welllenende der Expansions- bzw. Entspannungsturbine verbunden sein, um elektrische Energie zu erzeugen, obwohl eine Notwendigkeit zur Frequenzeinstellung erscheint.
Das Einrichten eines solchen Systems wird unten mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben, bei dem flüssiger Wasserstoff eingesetzt wird.
Flüssiger Wasserstoff mit einem Sättigungsdruck von 0,12 MPa (i' = 261 kJ/kg, s' = 11,08 kJ/kg · deg) bei 21ºK ist un ter dem Druck als ein Gas mit einem Druck Pd = 7,5 MPa zu liefern. Zuerst wird der Druck des flüssigen Wasserstoffes auf einen Druck P = 12 MPa durch eine Pumpe gesteigert, und dann wird seine Temperatur auf 300ºK durch einen Wärmetauscher mit einem Verlust von 1,5 MPa gesteigert, nachdem der flüssige Wasserstoff zu einem Gas mit einem Druck von 7,5 MPa durch eine Expansionsturbine expandiert wird. Wenn Pk = 12 MPa, T1s = 24,4ºK, i1s = 440,4 kJ/kg gilt, und der Pumpenwirkungsgrad 60% ist, dann wird der Zustand S&sub1; wie folgt ausgedrückt:
i&sub1; - i&sub0; = (i1s - i&sub0;)/ηp = (440,4 - 261)/0,6 = 299,0 kJ/kg.
Da der Zustand S&sub2; einen Druck P&sub2; = 0,5 MPa und eine Temperatur T&sub2; = 300ºK hat, wird er wie folgt ausgedrückt:
i&sub2; = 430,6 kJ/kg, S&sub2; = 46,0 kJ/kg deg.
Wenn der Druck isenthalp auf 7,5 MPa abgesenkt wird, dann gilt
T3s = 268 K, i3s = 3827,24 kJ/kg.
Wenn der gesamte adiabate Wirkungsgrad ηe = ηe = 70% ist, dann gilt
i&sub2; - i&sub1; = (i&sub2; - i3s)ηe = (4308,6 - 3827,24) · 0,7 = 336,95 kJ/kg.
In den obigen Gleichungen zeigt der Index "S" einen theoretischen Wert zu dem Zeitpunkt an, wenn der Wirkungsgrad 100% ist.
Folglich wird der Zustand i&sub2; - i&sub3; > i&sub1; - i&sub0; erfüllt, und die Pumpe kann darauffolgend betätigt werden. Das heißt der Druck P&sub2; oder die Temperatur T&sub2; können niedriger sein.
Ähnliche Berechnungen zeigen an, daß auch wenn flüssiges Methan, welches ein Primärbestandteil von verflüssigtem Erdgas ist, behandelt wird, die Pumpe durch entsprechende Auswahl des Druckes P&sub2; betätigt werden kann, insofern als die Temperatur T&sub2; ungefähr eine normale Temperatur ist.
Die Pumpe kann mindestens zwei Auslaßanschlüsse haben, um das flüssige Strömungsmittel bei jeweiligen unterschiedlichen Drücken auszulassen wobei einer von den mindestens zwei Auslaßanschlüssen mit dem Wärmetauscher verbunden ist. Durch Auswahl von einem der Auslaßanschlüsse, der entweder ein Hoch- oder Niederdruckanschluß zur Verbindung mit dem Wärmetauscher ist, kann die Turboexpansionspumpeneinheit bei einem großen Bereich von Anwendungen verwendet werden.
Der andere der mindestens zwei Auslaßanschlüsse kann mit einer Flüssigkeitslieferleitung verbunden sein. Die Welle ist gewöhnlicher Weise eine vertikale Welle, kann jedoch auch eine horizontale Welle sein. Da die Lager geschmiert und durch das flüssige Strömungsmittel gekühlt werden, welches in der Turboexpansionspumpeneinheit fließt, soll ten die Lager vorzugsweise Magnetlager aufweisen. Die Turboexpansionsturbine kann eine nicht berührende Wellendichtung haben, die um die Welle herum in einer Region angeordnet ist, um die sich die Welle erstreckt. Ein Gasfilm wird in der nicht berührenden Wellendichtung zur Abdichtung der Welle mit einem Gas erzeugt.
Insofern als die Pumpe und die Expansionsturbine bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, sind sie voneinander beabstandet. Die Turboexpansionspumpeneinheit kann weiter ein Verbindungsrohr haben, welches hermetisch um einen Teil der Welle herum angeordnet ist, der sich zwischen der Pumpe und der Expansionsturbine erstreckt, wobei die Pumpe und die Expansionsturbine jeweilige Gehäuse haben, die in Verbindung miteinander durch das Verbindungsrohr gehalten werden. Da somit verhindert wird, daß die Welle dem Äußeren ausgesetzt ist, leidet sie nicht unter schweren Abdichtungsproblemen.
Das Verbindungsrohr kann einen Mechanismus haben, um in Längsrichtung laufende thermische Beanspruchungen zu absorbieren, die verursacht werden, wenn das Verbindungsrohr aufgeheizt wird. Drücke, die in dem Verbindungsrohr von der Pumpe und der Expansionsturbine ausgeübt werden, sind im wesentlichen einander gleich, um dadurch die Drücke in dem Verbindungsrohr auszugleichen. Die Pumpe kann eine nicht berührende Wellendichtung haben, die um die Welle herum angeordnet ist, und zwar in einer Region, in die sich die Welle erstreckt, um zu gestatten, daß das flüssige Strömungsmittel in begrenztem Ausmaß entlang der Welle leckt. Dies gestattet, daß eine Grenze zwischen ei ner Flüssigkeit und einem Gas an einer geeigneten Position in dem Verbindungsrohr gehalten wird.
Die Turboexpansionspumpeneinheit kann auch eine Leitung haben, die sich nach außen von dem Verbindungsrohr erstreckt, um einen Druck in dem Verbindungsrohr einzustellen, um einen konstanten Druck darin zu halten.
Die Turboexpansionspumpeneinheit kann weiter eine Tragbasis aufweisen, die die Expansionsturbine über der Pumpe trägt, wobei das Verbindungsrohr integral mit der Tragbasis verbunden ist. Diese Anordnung eliminiert die Notwendigkeit für Mechanismen, die in Längsrichtung verlaufende thermische Beanspruchungen absorbieren.
Die Pumpe kann eine Vielzahl von Laufrädern haben, wobei die Laufräder ein Laufrad der ersten Stufe mit einem Einlaßanschluß aufweisen, der näher an der Expansionsturbine positioniert ist, so daß der niedrige Druck in der Pumpe in dem Verbindungsrohr wirkt, um die Druckeinstellung in dem Verbindungsrohr zu erleichtern.
Alternativ kann die Pumpe eine Vielzahl von Laufrädern haben, wobei die Laufräder in eine erste Laufradgruppe aufgeteilt sind, um das flüssige Strömungsmittel in einer ersten Richtung unter Druck zu setzen, und in eine zweite Laufradgruppe, um das flüssige Strömungsmittel in einer zweiten Richtung unter Druck zu setzen, die zur ersten Richtung gegenüberliegend ist, wobei die erste Laufradgruppe so viele Laufräder wie die zweite Laufradgruppe enthält. Diese Anordnung ist dahingehend wirksam, daß sie Reaktionskräfte auslöscht, die auf die Laufräder aufgebracht werden, wenn das Strömungsmittel unter Druck geliefert wird, wodurch eine Last auf die Achsial- bzw. Schublager abgesenkt wird.
Weiterhin kann alternativ die Pumpe eine Vielzahl von Laufrädern haben, wobei die Laufräder in eine Primärlaufradgruppe zum unter Druck setzen des flüssigen Strömungsmittels nach unten und eine Sekundärlaufradgruppe aufgeteilt werden, und zwar zum unter Druck setzen des flüssigen Strömungsmittels nach oben, wobei die Primärlaufradgruppe über der Sekundärlaufradgruppe angeordnet ist, wobei die Primärlaufradgruppe einen Auslaßanschluß hat, und wobei die Sekundärlaufradgruppe einen Einlaßanschluß hat, wobei die Pumpe weiter einen Flußdurchlaß hat, der den Auslaßanschluß der Primärlaufradgruppe und den Einlaßanschluß der Sekundärlaufradgruppe verbindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch eine Flüssiggasversorgungsinstallation vorgesehen, die einen Flüssiggasspeichertank aufweist, eine Pumpe der ersten Stufe, die in dem Flüssiggasspeichertank angeordnet ist, eine Pumpe der zweiten Stufe zum unter Druck setzen und Liefern einer Flüssigkeit, die aus der Pumpe der ersten Stufe ausgelassen wurde, wobei die Pumpe der zweiten Stufe einen Auslaßanschluß zum Auslassen der Flüssigkeit besitzt, weiter einen Wärmetauscher zum Aufheizen und Umwandeln eines Teils der Flüssigkeit, die aus der Pumpe der zweiten Stufe ausgelassen wurde zu einem Hochdruckgas, eine Expansions- bzw. Entspannungsturbine zum Antrieb der Pumpe der zweiten Stufe, wenn das Hochdruckgas, welches zur Expansionsturbine vom Wärmetauscher geliefert wird, expandiert wird und bezüglich des Druckes verringert wird, wobei die Expansionsturbine einen Gasauslaßanschluß besitzt, um ein Gas mit reduziertem Druck auszulassen, eine Rohrleitung, die mit dem Gasauslaßanschluß der Expansionsturbine verbunden ist, um das Gas mit reduziertem Druck zu liefern, welches von der Expansionsturbine ausgelassen wurde, und eine Leitung, die mit dem Auslaßanschluß der Pumpe der zweiten Stufe verbunden ist, um eine Flüssigkeit zu liefern, die aus der Pumpe der zweiten Stufe ausgelassen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch eine Flüssigkeitspumpenanordnung vorgesehen, die eine Welle aufweist, eine Pumpe, die mit einem Ende der Welle verbunden ist und eine Vielzahl von Laufrädern besitzt, um ein flüssiges Strömungsmittel unter Druck zu setzen, und einen Antriebsmechanismus, der mit einem entgegengesetzten Ende der Welle verbunden ist, um die Pumpe anzutreiben, wobei die Laufräder ein Laufrad der ersten Stufe aufweisen, und zwar mit einem Einlaßanschluß, welches näher an dem Antriebsmechanismus angeordnet ist, wodurch das Laufrad der ersten Stufe das flüssige Strömungsmittel in einem Ende der Welle hin unter Druck setzen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiter eine Pumpenanordnung vorgesehen, um unter Druck ein Strömungsmittel mit einer hohen oder niedrigen Temperatur anders als die normale Temperatur zu liefern, die eine Pumpenantriebswelle aufweist, weiter eine Pumpe, die mit der Pumpenantriebswelle verbunden ist, ein Druckgefäß, welches die Pumpenantriebswelle bedeckt, einen Primärantrieb zum Antrieb der Pumpe, wobei sich die Pumpenantriebswelle durch das Druckgefäß zum Primärantrieb erstreckt, und eine Primärantriebsbasis, die oberhalb der Pumpe angeordnet ist, wobei der Primärantrieb auf der Primärantriebsbasis befestigt ist, wobei sich die Pumpenantriebswelle durch die Primärantriebsbasis zum Primärantrieb erstreckt, wobei das Druckgefäß und die Primärantriebsbasis integral miteinander ausgebildet sind.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beispielhaft veranschaulichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Turboexpansionspumpe gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Ansicht einer Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 1 gezeigte Turboexpansionspumpe aufweist;
Fig. 3 ist eine Ansicht einer weiteren Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 1 gezeigte Turboexpansionspumpe aufweist;
Fig. 4 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm, welches die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 5 ist eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer Turboexpansionspumpe gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Ansicht, die Strömungsmittelflüsse mit Bezug auf die in Fig. 5 gezeigte Turboexpansionspumpe zeigt;
Fig. 7 ist eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer Turboexpansionspumpe gemäß noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine Ansicht einer Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 7 gezeigte Turboexpansionspumpe verkörpert;
Fig. 9 ist eine Ansicht einer weiteren Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 7 gezeigte Turboexpansionspumpe verkörpert;
Fig. 10 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm, welches die Betriebsprinzipien der Turboexpansionspumpeneinheiten veranschaulicht, die in den Fig. 8 und 9 gezeigt sind;
Fig. 11 ist eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Turboexpansionspumpe gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm, welches die Betriebsprinzipien der in Fig. 11 gezeigten Turboexpansionspumpe veranschaulicht;
Fig. 13 ist eine Ansicht von noch einer weiteren Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 7 gezeigte Turboexpansionspumpe verkörpert;
Fig. 14 ist ein konzeptionelles Diagramm einer Flüssiggasversorgungsinstallation, die die in Fig. 11 gezeigte Turboexpansionspumpe aufweist;
Fig. 15 ist ein Diagramm eines Steuersystems der in Fig. 14 gezeigten Flüssiggasversorgungsinstallation;
Fig. 16 ist ein konzeptionelles Diagramm einer Flüssiggasversorgungsinstallation, die die in Fig. 11 gezeigte Turboexpansionspumpe aufweist;
Fig. 17 ist ein Diagramm eines Steuersystems der in Fig. 16 gezeigten Flüssiggasversorgungsinstallation;
Fig. 18 ist eine schematische Ansicht einer Turboexpansionspumpe gemäß noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 19 ist ein konzeptionelles Diagramm einer herkömmlichen Flüssiggasversorgungsinstallation.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Gleiche oder entsprechende Teile werden durch gleiche oder entsprechende Bezugszeichen in den Ansichten bezeichnet.
Fig. 1 zeigt eine Turboexpansionspumpe Ep gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 zeigt eine Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 1 gezeigte Turboexpansionspumpe Ep aufweist.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist die Turboexpansionspumpe Ep von vertikaler Konfiguration und weist eine Pumpe 1 und eine Expansionsturbine 3 auf, die über der Pumpe angeordnet ist und eine gemeinsame Welle 2 mit der Pumpe 1 zur Drehung der Pumpe 1 hat. Die Pumpe 1 und die Expansionsturbine 3 sind vertikal um eine Distanz voneinander beabstandet, um die gegenseitigen thermischen Effekte aufeinander zu verringern. Die Expansionspumpe 3 wird auf einer Tragbasis 6 getragen, die auf einer Abdeckung 5 montiert ist, die ein oberes Ende einer Trommel 4 der Pumpe 1 bedeckt.
Die gemeinsame Welle 2 wird drehbar von einer Vielzahl von Lagern getragen, die aufeinander folgend von oben angeordnet ein Schub- bzw. Achsiallager 7 und ein Radiallager 8 aufweisen, die nicht berührende Magnetlager aufweisen, die in der Expansionsturbine 3 gelegen sind, weiter ein oberes Lager 9 und eine obere Lagerschale 10, die Magnet- oder Statikdrucklager aufweisen, die in der Pumpe 1 gelegen sind, weiter eine zentrale Hülse 11, die in der Pumpe 1 gelegen ist, und ein unteres Lager 12, welches in der Pumpe 1 gelegen ist und bezüglich der Struktur ähnlich dem oberen Lager 9 ist.
Eine nicht berührende Labyrinthdichtung 13 ist um die gemeinsame Welle 2 herum angeordnet, und zwar direkt unter dem Radiallager 8. Die nicht berührende Labyrinthdichtung 13 gestattet, daß eine gewisse Gasmenge von der Expansionspumpe 3 nach unten entlang der gemeinsamen Welle fließt. Zwischen der Pumpe 1 und der Expansionsturbine 3 wird die gemeinsame Rille 2 mit einem Verbindungsrohr 15 bedeckt, welches Balgen 14 als einen Mechanismus zur Absorption von achsialen oder längslaufenden thermischen Spannungen des Verbindungsrohrs 15 dient. Das Verbindungsrohr 15 hat eine Gasauslaßöffnung 16, die darin über den Balgen 14 definiert ist.
Die Pumpe 1 ist fest in der Trommel 4 angeordnet und hängt nach unten von der Abdeckung 5. Die Trommel 4 hat eine Flüssigkeitsversorgungsöffnung 17 zur Einleitung von Flüssigkeit in die Trommel 4. Die Pumpe 1 arbeitet, während sie von einer Flüssigkeit umgeben wird, die von der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 14 in die Trommel 4 eingeleitet wird. Die Pumpe 1 zieht die Flüssigkeit von einem unteren ersten Einlaßanschluß 18 an, setzt die Flüssigkeit nach oben mit einem zweistufigen Primärlaufrad 19 unter Druck, leitet die Flüssigkeit durch einen ersten Durchlaß 20 in ein zweistufiges Sekundärlaufrad 22 von einem oberen zweiten Einlaßanschluß 21 ein, setzt die Flüssigkeit nach unten mit dem zweistufigen Sekundärlaufrad 22 unter Druck und läßt die Flüssigkeit durch einen zweiten Durchlaß 23, einen Auslaß 24, ein Auslaßrohr 25 und einem Auslaßanschluß 26 aus.
Die Pumpe 1 hat eine Gehäusestruktur, die aus einer Außengehäuseanordnung 30 besteht, die ein Auslaßgehäuse 27 aufweist, ein Zwischengehäuse 28 und ein unteres Gehäuse 29, und eine Innengehäuseanordnung 35, die ein oberes Einlaßgehäuse 31, ein Innengehäuse 32, ein Zwischengehäuse 33 und ein unteres Einlaßgehäuse 34 aufweist. Die Pumpe 1 hat auch Einleitungsmittel 36, obere Führungsflügel 37, obere Endführungsflügel 38, untere Endführungsflügel 39 und untere Führungsflügel 40.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist der Auslaßanschluß der Pumpe 1 mit einem Gaseinlaßanschluß 41 der Expansionsturbine 3 verbunden, und zwar durch eine Leitung L mit einem Wärmetauscher 42, in dem Wärme zwischen einem Wärmequellenströmungsmittel bei normaler Temperatur übertragen wird, wie beispielsweise Seewasser und einem Strömungsmittel auf geringer Temperatur. Die Leitung L hat auch ein Flußsteuerventil V&sub1;, welches mit einer Steuervorrichtung 43 verbunden wird und dadurch gesteuert wird. Mit der Steuervorrichtung bzw. dem Controller 43 ist auch ein Drehgeschwindigkeitssensor 44 verbunden, um die Drehzahl der Welle 2 zu detektieren und die detektierte Drehgeschwindigkeit der Steuervorrichtung zu liefern. Die Leitung L wird in eine Leitung L&sub1; stromaufwärts des Ventils V&sub1; verzweigt, und die Leitung L&sub1; ist mit einem Flußsteuerventil V&sub2; verbunden, welches mit der Steuervorrichtung 43 verbunden ist und davon gesteuert wird, und mit einem Auslaßrohr 45 der Expansionsturbine 3 durch den Wärmetauscher 42. Die Gasauslaßöffnung 16 des Verbindungsrohrs 15 ist auch mit dem Auslaßrohr 45 durch eine Leitung L&sub2; verbunden. Die Leitung L ist auch in eine Startleitung L&sub3; stromaufwärts des Ventils V&sub1; verzweigt, die Startleitung L&sub3; ist dabei mit einer (nicht gezeigten) Primärpumpe durch ein Ventil verbunden. Die Leitung L wird weiter in eine Überschußgasleitung L&sub4; stromaufwärts des Gaseinlaßanschlusses 41 verzweigt, wobei die Überschußgasleitung L&sub4; beim Start der Expansionsturbine 3 zu verwenden ist.
Der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Turboexpansionspumpeneinheit wird unten beschrieben. In Fig. 2 stellen die dickeren Pfeile Hauptströmungsmittelflüsse dar, die von der Pumpe 1 und der Expansionspumpe 3 behandelt werden, die dünneren Pfeile stellen Sekundärströmungsmittelflüsse dar, die für die Turboexpansionspumpeneinheit erforderlich sind, die Pfeile mit durchgezogener Linie stellen Flüssigkeitsflüsse dar, und die Pfeile mit gestrichelter Linie stellen Gasflüsse dar. Die obige Definition der Pfeile wird auch mit Bezug auf die anderen Figuren verwendet werden.
Die Pumpe 1 kann nicht alleine von sich gestartet werden. Um die Pumpe 1 zu starten wird die Expansionspumpe 3 gestartet, indem man ein Gas unter hohem Druck durch die Leitung L&sub3; oder L&sub4; sendet. Wenn die Pumpe 1 somit gestartet wird, wird bis ihre Drehgeschwindigkeit eine vorbestimmte Drehzahl erreicht, die oben beschriebene Beziehung i&sub2; - i&sub3; > i&sub1; - i&sub0; erfüllt, und darauffolgend wird die Drehgeschwindigkeit der Pumpe 1 automatisch auf den Punkt gesteigert, wo die Energien ausgeglichen sind. Die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Pumpe 1 wird durch den Drehzahlsensor 44 detektiert und wird zur Steuervorrichtung 43 geliefert, die die Flußsteuerventile V&sub1;, V&sub2; steuert, um die Flußrate zum Wärmetauscher 42 einzustellen, um die Drehzahl der Pumpe 1 zu steuern. Die Drehzahl der Pumpe 1 kann auch gesteuert werden durch Einstellen der Flußrate und der Temperatur eines aufgeheizten Gases. Ein Generator kann direkt mit der Expansionsturbine 3 verbunden sein, um elektrische Energie zu erzeugen, und zwar mit übermäßiger Energie, die zur Expansionsturbine 3 geliefert wird.
Ein flüssiges Strömungsmittel bei niedriger Temperatur, wie beispielsweise verflüssigtes Erdgas, flüssiger Wasserstoff oder ähnliches fließt in die Trommel 4 von deren Flüssigkeitsversorgungsöffnung 17 und wird in die Pumpe 1 durch den unteren ersten Einlaßanschluß 18 gezogen, der nahe dem Unterteil der Pumpe 1 positioniert ist. Dem Strömungsmittel wird durch die Einleitungsmittel 36 Energie gegeben, es wird in eine Laufradeinheit des zweistufigen Primärlaufrades 19 eingeleitet und ihm wird Energie von der Laufradeinheit gegeben, es wird durch die unteren Führungsflügel 40 in die andere Laufradeinheit des zweistufigen Primärlaufrades 19 eingeleitet und es wird ihm Energie von dieser gegeben, und dann wird es durch die unteren Endleitungsflügel 39 in eine Auslaßkammer 46 des Primärlaufrades 19 eingeleitet. Das Strömungsmittel fließt dann nach oben durch den ersten Durchlaß 20, kehrt seine Richtung am oberen Ende des ersten Durchlasses 20 um, es wird durch den oberen zweiten Einlaßanschluß 21 in das Sekundärlaufrad eingezogen. Dem Strömungsmittel wird Energie durch das Sekundärlaufrad 22 in der gleichen Weise gegeben, wie von dem Primärlaufrad 19, und dann fließt es durch die oberen Endführungsflügel 38 in eine innere Endauslaßkammer 47, von der das Strömungsmittel nach oben durch die Auslaßkammer 24 und das Auslaßrohr 25 zum Äußeren des Auslaßanschlusses 26 fließt.
Das Strömungsmittel, welches aus dem Auslaßanschluß 26 ausgelassen wird, tritt in den Wärmetauscher 42 ein, der die Temperatur des Strömungsmittels steigert, um das Strömungsmittel in ein Hochdruckgas bei normaler Temperatur umzuwandeln. Das Gas fließt dann durch den Gaseinlaßanschluß 41 in die Expansionsturbine 3, in der das Gas seine Energie abgibt, seinen Druck absenkt und ein Gas unter einem vorgeschriebenen Lieferdruck wird. Das Gas wird dann von der Expansionsturbine 3 durch das Auslaßrohr 45 zu einem Ort geliefert, wo es verbraucht wird.
Im obigen Prozeß wird das Strömungsmittel, welches in die Pumpe 1 in einem Zustand So in Fig. 4 gezogen wird, unter Druck gesetzt und in den Wärmetauscher 42 in einen Zustand S&sub1; gedrückt. Im Wärmetauscher 42 wird das Strömungsmittel aufgeheizt, und zwar in einen Zustand S&sub2; und wird ein Gas. Das Gas fließt dann in die Expansionsturbine 3, in der es in einen Zustand S&sub3; expandiert wird, und wird dann aus der Expansionsturbine 3 unter einem vorgeschriebenen Lieferdruck geliefert.
Das Verbindungsrohr 15, welches sich vertikal zwischen der Pumpe 1 und der Expansionsturbine 3 erstreckt, weist die Balgen 14 auf, die elastisch achsiale Verschiebungen oder Spannungen des Verbindungsrohrs 15 absorbieren. Das Verbindungsrohr 15 ist nicht thermisch isoliert sondern gestattet, daß atmosphärische Wärme aufgebracht wird. Daher ist ein Flüssigkeitsniveau in dem Verbindungsrohr 15 vorhanden, und zwar mit einer Gasphase über dem Flüssigkeitsniveau. Der Druck der Gasphase ist gleich dem Druck in dem oberen zweiten Einlaßanschluß 21 in der Pumpe 1. Wenn der Druck der Gasphase im wesentlichen gleich mit und nicht niedriger als der Lieferdruck in dem Auslaßrohr 45 ist, gleichen sich dann der Druck in dem oberen zweiten Einlaßanschluß 21 und der Lieferdruck in dem Auslaßrohr 45 aus. Wenn beispielsweise der Lieferdruck in dem Auslaßrohr 45 die Hälfte des Druckes im Auslaßanschluß 26 der Pumpe 1 ist, dann wird der Druck zwischen den Primär- und Sekundärlaufrädern auf dem oberen Teil der Pumpe 1 aufgebracht. Die Strömungsmitteldrücke, die auf die Primär- und Sekundärlaufräder wirken, werden in den entgegengesetzten Richtungen aufgebraucht und sind im wesentlichen von gleicher Größe, so daß Reaktionskräfte, die von dem Strömungsmittel auf die Primär- und Sekundärlaufräder aufgebracht werden, einander auslöschen, wodurch die Last verringert wird, die auf die Lager aufgebracht wird.
Das Gas, welches in dem Verbindungsrohr 15 durch die aufgebrachte atmosphärische Wärme verdampft wird, wird von der Gasauslaßöffnung 16 durch die Leitung L&sub2; in das Auslaßrohr 45 geführt. Die Region der Turbinenexpansionseinheit 3, durch die die Welle 2 sich erstreckt, ist dem Differenzdruck zwischen dem Druck des Gases, welches zur Expansionsturbine 3 geliefert wird, und dem Druck im Verbindungsrohr 15 unterworfen. Da eine Druckverringerung durch einen Ausgleichskolben erreicht wird, der verwendet wird, um Turbinenschubkräfte auszugleichen, ist der Differenzdruck, der tatsächlich auf die Labyrinthdichtung 13 aufgebracht wird, der Rückdruck des Ausgleichskolbens und weicht nicht stark vom Druck in der Leitung L ab. Anders gesagt wird der Gasdruck der Expansionsturbine 3 durch die zwei Druckreduzierungsmittel verringert, d. h. durch den Balance- bzw. Ausgleichskolben und die Labyrinthdich tung 13, und zwar in den Druck in dem Verbindungsrohr 15, der im wesentlichen gleich dem Druck des Gases ist, welches aus der Expansionsturbine 3 ausgelassen wird.
In dieser Weise wird die Pumpe 1 vollständig in eine Flüssigkeit bei einer festgelegten Temperatur gehalten, unter die Expansionsturbine 3 wird vollständig in einem Gas bei einer normalen Temperatur gehalten. Die Pumpe 1 und die Expansionsturbine 3 sind durch eine Welle 2 und das Verbindungsrohr 15 verbunden, so daß sie in einer geschlossenen Struktur abgedichtet sind, die vollständig von der Atmosphäre isoliert wird.
In Fig. 1 ist die Expansionsturbine 3 so gezeigt, daß sie nur das Schub- bzw. Achsiallager 7 hat. Jedoch können die Expansionsturbine 3 und die Pumpe 1 miteinander durch eine flexible Kupplung verbunden sein und sie können jeweilige Schub- bzw. Achsiallager haben.
Obwohl die Ausdrücke "Flüssigkeit" und "Gas" oben verwendet worden sind, können sie nicht genau voneinander bei Drücken unterschieden werden, die höher sind als der kritische Druck. Aus diesem Grund sind die Ausdrücke "Flüssigkeit" und "Gas" wie folgt definiert: Während das Medium polytrop vom gesättigten Zustand unter Druck gesetzt wird (daher gibt es wenig Volumenveränderung) wird ein Zustand, bei dem dv/dp klein ist, als eine Flüssigkeit bezeichnet, und ein Zustand, bei dem dv/dp so groß ist wie bei einem Gas, wird als Gas bezeichnet.
Der Transport eines Gases über eine lange Distanz unter Verwendung der Turboexpansionspumpeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die oben mit Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben werden, zeigen an, daß der Zustand S&sub2; mit beträchtlich großer Freiheit ausgewählt werden kann. Es wird in Fig. 2 angenommen, daß das Strömungsmittel, welches in die Pumpe 1 fließt, eine Massenflußrate W (kg/s) hat, und daß das Gas, welches von der Expansionsturbine 3 erfordert wird, um die Pumpe 1 zu betätigen, eine Massenflußrate W&sub1; (kg/s) hat, wobei dann die Massenflußrate W&sub1; wie folgt bestimmt wird:
W&sub1; = {(i&sub1; - i&sub0;)/(i&sub2; - i&sub3;)}W
= [{(i&sub1;s - i&sub0;)/(i&sub2; - i&sub3;s)}/(ηp · ηe)]W
wobei ηp den Wirkungsgrad der Pumpe darstellt, und wobei ηe den gesamten adiabaten Wirkungsgrad der Expansionsturbine darstellt. Da daher gilt,
W&sub1;/W = {(i&sub1;s - i&sub0;)/(i&sub2; - i&sub3;s)}/(ηp · ηe),
gibt es daher eine ausreichende Möglichkeit, daß W&sub1;/W < 1 ist, d. h. W&sub1; < W.
Im obigen Beispiel der numerischen Werte ist W&sub1; = 0,89 W. Die Differenz W - W&sub1;, d. h. eine Restmassenflußrate W&sub2; ist nur 11% im obigen Beispiel der numerischen Werte. Jedoch kann die Massenflußrate W&sub2; gesteigert werden durch Auswählen des Zustandes S&sub2;, und dann kann die Massenflußrate W gesteigert werden, und zwar abhängig von der Größe der Turboexpansionspumpeneinheit. Daher kann die Massenflußrate W&sub2; von einer Qualität sein, die praktisch ausreichend signifikant ist.
In Fig. 2 wird die Flüssigkeit der Restmassenflußrate W&sub2; (= W - W&sub1; (kg/s)) geliefert durch Umgehen der Beziehung zur Expansionspumpe 3, sie wird bezüglich des Druckes durch eine Zumeßöffnung verringert, wird aufgeheizt, gekühlt und als Gas wiedergewonnen, welches in das Auslaßrohr 45 eingeleitet wird. Jedoch kann die Flüssigkeit der Restmassenflußrate W&sub2; geliefert werden, da sie vom Gasfluß im Auslaßrohr 45 getrennt ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 1 gezeigte Turboexpansionspumpe verkörpert, wobei die Turboexpansionspumpeneinheit angeordnet ist, um die Flüssigkeit der Restmassenflußrate W&sub2; getrennt vom Gasfluß im Auslaßrohr 45 zu liefern. Während die Leitung L&sub1; durch den Wärmetauscher 42 mit dem Auslaßrohr 45 in Fig. 2 verbunden ist, ist die Leitung L&sub1; mit einem Flüssigkeitslieferrohr 48 in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung verbunden. Die in Fig. 3 gezeigte Turboexpansionspumpe wird vorzugsweise bei einer Anwendung verwendet, bei der Gas eingesetzt wird, um elektrische Energie an der Stelle der Einheit zu erzeugen, und wobei eine Flüssigkeit zum Transport über eine lange Distanz geliefert werden muß. Wenn der Druck P&sub1; zu hoch für den erforderlichen Lieferdruck ist, dann kann er auf dem erforderlichen Druck durch eine Gaswiedergewinnungsturbine zur Energiewiedergewinnung verringert werden.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Turboexpansionspumpe gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Turboexpansionspumpe eine horizontale Welle 2a, eine Pumpe 1a, die an einem Ende der Welle 2a montiert ist, und eine Expansionsturbine 3a, die am anderen Ende der Welle 2a montiert ist. Die Pumpe 1a und die Expansionsturbine 3a sind miteinander durch eine Verbindungstrommel 50 verbunden, die eine Öffnung 49 besitzt, die in einer oberen Wand davon definiert wird. Ein Ablaufwiedergewinnungsgehäuse 51 ist an einer unteren Wand der Verbindungstrommel 50 angebracht. Andere Details der Turboexpansionspumpe, die in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, sind im wesentlichen die gleichen wie jene, die in Fig. 1 gezeigt sind, und entsprechende Teile werden durch entsprechende Bezugszeichen mit einem Zusatz "a" bezeichnet. Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Turboexpansionspumpe hat eine nicht berührende Wellendichtung 13a, um zu gestatten, daß eine Flüssigkeit in gewissem Ausmaß aus der Pumpe 1a leckt, und auch eine nicht berührende Labyrinthdichtung 8a in der Expansionsturbine 3a.
Wie in Fig. 6 gezeigt fließt eine Flüssigkeit im Zustand S&sub0; (siehe Fig. 4) aus der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 17a in die Pumpe 1a und wird dann in den Zustand S&sub1; unter Druck gesetzt. Die Flüssigkeit wird danach aus dem Auslaßanschluß 26a ausgelassen und tritt in den Wärmetauscher 42a ein. Im Wärmetauscher 42a wird die Flüssigkeit in den Zustand 52 aufgeheizt, fließt als ein Gas in die Expansionsturbine 3a durch den Gaseinlaßanschluß 41a und wird bezüglich des Druckes in den Zustand S&sub3; reduziert. Das Gas wird dann aus der Expansionsturbine 3a durch den Auslaßanschluß 45a ausgelassen und wird auf einem vorgeschriebenen Lieferdruck geliefert.
Der Druck in der Verbindungstrommel 50 ist im wesentlichen gleich und geringfügig höher als der Lieferdruck des Gases im Zustand S&sub3;, und zwar wegen der Stufen der Pumpe 1a. Irgendeine Gasleckage aus der Expansionsturbine 3a in die Verbindungstrommel 50 fließt durch die nicht berührende Labyrinthdichtung 8a. In der Verbindungstrommel 50 wird ein gewisser Differenzdruck gleich dem Kopf oder Druckabfall an der Expansionsturbine 3a oder einem Druck entwickelt, der durch Absenken des Druckes mit einem Balance- bzw. Ausgleichskolben erzeugt wird. Es gibt im Grunde genommen keinen oder nur einen geringfügigen Differenzdruck in der Region der Pumpe 1a, durch die sich die Welle 2a erstreckt. Es wird verhindert, daß Flüssigkeit aus dieser Region der Pumpe 1a durch eine nicht berührende Wellendichtung leckt, und zwar ähnlich einer mechanischen Dichtung, oder einem schwebenden Ring oder ähnlichem, was gestattet, daß eine gewisse Flüssigkeitsmenge leckt. Ein solcher Dichtungsmechanismus gestattet, daß die Turboexpansionspumpe eine wünschenswerte Servicelebensdauer wie eine Industriemaschine hat.
Insofern als der Druck in der Verbindungstrommel 50 im Grunde genommen der gleiche ist wie der Lieferdruck des Gases im Zustand S&sub3; kann irgend ein Gas, welches aus der Expansionsturbine 3a leckt, und ein Gas, welches erzeugt wird, wenn die Flüssigkeit aus der Pumpe 1a leckt, von der Öffnung 49 in den Auslaßanschluß 45a der Expansionsturbine 3a eingeleitet werden, d. h. in eine Lieferleitung von der Expansionsturbine 3a.
Irgendeine Flüssigkeit, die aus der Pumpe 1a leckt, die von der Verbindungstrommel 50 in dem Ablaufwiedergewinnungsgehäuse 51 wiedergewonnen wird, hat im Grunde genommen den gleichen Druck wie jener in der Lieferleitung, und kann daher in die Lieferleitung durch eine kernbemessene Wiedergewinnungspumpe 52 eingeleitet werden. Es ist vorzuziehen, die leckende Flüssigkeit durch den Wärmetauscher 42a zu leiten, um die thermische Energie von der Flüssigkeit wiederzugewinnen, wodurch die Flüssigkeit in ein Gas umgewandelt wird, und das Gas in die Lieferleitung einzuleiten.
Insofern als jede der oben beschriebenen Turboexpansionspumpeneinheiten mit einem verflüssigten Gas bei niedriger Temperatur verwendet wird, ist dies vorteilhaft, da dies keine Hochtemperaturwärmequelle zur Aufheizung der Flüssigkeit erfordert, sondern eine Wärmequelle mit normaler Temperatur einsetzen kann, wie beispielsweise Seewasser oder eine externe Abwärmequelle. Da die Turboexpansionspumpeneinheit keine elektrische Betriebsenergie benötigt, während sie in Betrieb ist, ist sie zur Anwendung in einem selbst enthaltenen bzw. abgeschlossenen Flüssiggasversorgungssystem geeignet. Die Turboexpansionspumpeneinheit enthält nur das dadurch behandelte Strömungsmittel, und daher erfordern die Expansionsturbine und ihre Pumpe nicht die Anwendung von Kontaktwellendichtungen, wie beispielsweise von gewöhnlichen mechanischen Dichtungen, Schwimm- bzw. Gleitringen oder ähnlichem. Da die Turboexpansionspumpeneinheit vollständig gegen die Atmosphäre abgedichtet ist, bewirkt sie keine Strömungsmittelleckage ins Äußere und gestattet nicht, daß innere Komponenten durch äußere Quellen verunreinigt werden. Zum Herstellen von verflüssigtem Stickstoff oder ähnlichem durch Wiedergewinnung von thermischer Energie aus einem verflüssigten Gas bei niedriger Temperatur ist die Turboexpansionspumpeneinheit besonders nützlich, um das Gas zu kühlen, welches auf eine hohe Temperatur komprimiert worden ist. Abhängig vom Auslaßdruck der Pumpe und von der Kapazität des Wärmetauschers kann die Turboexpansionspumpeneinheit bei ausreichend hoher Drehzahl betrieben werden. Da die Drehzahl und die Ausgangskapazität der Turboexpansionspumpeneinheit sowohl durch den Auslaßdruck der Pumpe als auch von der Temperatur des Auslasses des Wärmetauschers bestimmt werden kann, kann die Turboexpansionspumpeneinheit mit hoher Anpaßbarkeit ausgelegt und gesteuert werden.
Eine Turboexpansionspumpe gemäß noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.
Die Turboexpansionspumpe, die im allgemeinen durch Ep in Fig. 7 bezeichnet wird, weicht von den Turboexpansionspumpen gemäß der vorherigen Ausführungsbeispiele mit Bezug auf eine Pumpenstruktur ab. Während die Pumpe nur einen Auslaßanschluß in den vorherigen Ausführungsbeispielen hat, hat die Pumpe gemäß dieses Ausführungsbeispiels zwei Auslaßanschlüsse zum Auslaß einer Flüssigkeit mit unterschiedlichen Auslaßdrücken. Weiterhin hat die Pumpe gemäß dieses Ausführungsbeispiels ein Primärlaufrad, welches in einem Oberteil davon angeordnet ist, und ein Sekundärlaufrad, welches in einem Unterteil davon angeordnet ist.
Insbesondere hat die Turboexpansionspumpe Ep eine Pumpe 101 und eine Expansionsturbine 103, die über der Pumpe 101 angeordnet ist, und die sich eine gemeinsame Welle 102 mit der Pumpe 101 teilt, um die Pumpe 101 zu drehen. Die Pumpe 101 ist an einer Unterseite einer Abdeckung 105 befestigt, und wird dadurch getragen, und die Expansionsturbine 103 wird auf einer Tragbasis 106 getragen, die auf einer Oberseite der Abdeckung 105 angeordnet ist. Die Pumpe 101 besitzt ein oberes Primärlaufrad 110 und ein unteres Sekundärlaufwerk 111. Das Primärlaufrad 110 drückt eine Flüssigkeit unter Druck, die von einem oberen Einlaßanschluß 112 durch damit verbundene Einleitungsmittel 113 verbunden ist, und liefert die Flüssigkeit durch einen Diffuser 114 in einen Ringdurchlaß 115, der damit verbunden ist. Der ringförmige Durchlaß 115 ist mit einem ersten Durchlaß 117 verbunden, der sich zu einem ersten Auslaßanschluß 116 der Pumpe 101 erstreckt, und zu einem zweiten Durchlaß 119, der sich zu einem Einlaßanschluß 118 des Sekundärlaufrades 111 erstreckt. Die Flüssigkeit, die weiter vom Sekundärlaufrad 111 unter Druck gesetzt wird, wird durch einen dritten Durchlaß 120 in einen zweiten Auslaßanschluß 121 der Pumpe 101 geliefert. Die gemeinsame Welle 102 wird in der Expansionsturbine 103 durch ein Schub- bzw. Achsiallager 107 getragen, und durch ein Radiallager 108, die jeweils ein nicht berüh rendes Magnetlager aufweisen, und sie wird auch in der Pumpe 101 durch ein Radialmagnetlager 122 und ein Radialmagnetlager 123 getragen, die jeweils oberhalb und unterhalb des Sekundärlaufrades 111 positioniert sind. Eine nicht berührende Labyrinthdichtung 109 ist um die gemeinsame Welle 102 herum direkt unter dem Radiallager 108 angeordnet.
Während nur ein Primärlaufrad 110 und nur ein Sekundärlaufrad 111 in Fig. 7 gezeigt sind, kann die Turboexpansionspumpe Ep eine Vielzahl von Primärlaufrädern und eine Vielzahl von so vielen Sekundärlaufrädern aufweisen, wie die Vielzahl der Primärlaufräder.
Der Betrieb der Turboexpansionspumpe Ep wird unten beschrieben.
Ein flüssiges Strömungsmittel, welches von einer Flüssigkeitsversorgungsöffnung 124 in die Trommel 104 fließt, taucht die gesamte Pumpe 101 darin unter. Das flüssige Strömungsmittel, welches bei einer ultratiefen Temperatur vom Einlaßanschluß 112 in ein Pumpengehäuse fließt, wird in Kontakt mit einer Oberfläche eines oberen Lagergehäuses 125 gehalten und kühlt daher das Radialmagnetlager 122 zu jedem Zeitpunkt. Das flüssige Strömungsmittel fließt dann durch die Einleitungsmittel 113 und das Primärlaufrad 110, welches das flüssige Strömungsmittel unter Druck setzt. Das flüssige Strömungsmittel läuft dann durch den Diffuser 114 in den ringförmigen Durchlaß 115, von wo das flüssige Strömungsmittel in die ersten und zweiten Durchlässe 117, 119 verzweigt wird. Das flüssige Strömungsmittel, welches in den ersten Durchlaß 117 eingetreten ist, wird als ein unter Druck gesetztes flüssiges Strömungsmittel aus dem Auslaßanschluß 116 ausgelassen, und das flüssige Strömungsmittel, welches in den zweiten Durchlaß 119 eingetreten ist, wird zum Einlaßanschluß 118 des Sekundärlaufrades 111 geleitet. Das flüssige Strömungsmittel fließt dann durch den Einlaßanschluß 118 in das Sekundärlaufrad 111 und wird dadurch unter Druck gesetzt. Das unter Druck gesetzte flüssige Strömungsmittel fließt durch einen Diffuser 126 und wird vom zweiten Auslaßanschluß 121 zu einem (nicht gezeigten) Wärmetauscher geliefert.
Ein Teil der Flüssigkeit, die von dem Sekundärlaufrad 111 unter Druck gesetzt worden ist, fließt nach oben entlang der Welle 102, schmiert ein Kugellager 127, kühlt das Radialmagnetlager 123, welches über dem Kugellager 127 positioniert ist und fließt in eine Region hinter dem Primärlaufrad 110. Da dieser Flüssigkeitsfluß direkt nach oben gerichtet wird, entfernt er effizient ein Gas, welches erzeugt wird, um dadurch effektiv ein Fressen der Komponenten zu verhindern. Die Schub- bzw. Achsialkräfte, die auf die Welle 102 wirken, sind die Summe ihres eigenen Gewichtes, einer Wellenlast, die von einer Druckverteilung auf den Laufrädern 110, 111 bestimmt wird, und von Kräften, die durch eine Veränderung des Flußimpulses des flüssigen Strömungsmittels erzeugt werden. Die Schub- bzw. Achsialkräfte können im wesentlichen ausbalanciert sein, und zwar weil die Primär- und Sekundärlaufräder 110, 111 in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind.
Die Abdeckung 105, die die Trommel 104 schließt, hat ein (nicht gezeigtes) Gasablaufrohr zum Ablaufenlassen bzw. Entfernen eines Gases, welches in der Trommel 104 erzeugt wird, und zwar nach oben dort hindurch.
Die nicht berührende Labyrinthdichtung 109, die als eine Wellendichtung um die gemeinsame Welle 102 herum angeordnet ist, die bei hoher Drehzahl dreht, gestattet, daß eine gewisse Flüssigkeit dort hindurch leckt. Sowohl das flüssige Strömungsmittel, welches aus der Pumpe 101 leckt als auch das Gas, welches aus der Expansionsturbine 103 leckt, fließt in das Verbindungsrohr 128. Das Verbindungsrohr 128 hat Balgen 129 zum Absorbieren von achsialen oder in Längsrichtung verlaufenden thermischen Spannungen des Verbindungsrohrs 128. Eine Grenze zwischen dem flüssigen Strömungsmittel und dem Gas ist in den Balgen 129 positioniert. Das Verbindungsrohr 128 hat eine Öffnung 130 zum Auslaß eines Gases mit einem gewissen Druck oder höher.
Der Druck der Grenze zwischen dem flüssigen Strömungsmittel und dem Gas im Verbindungsrohr 128 ist im wesentlichen gleich dem Druck in einem oberen Teil der Pumpe 101, mit der das Verbindungsrohr 128 direkt verbunden ist. Da der Einlaßanschluß 112 des Primärlaufrades 110 in einer oberen Position der Trommel 104 angeordnet ist, ist der Druck im Verbindungsrohr 128 gering, was die Last auf die Balgen 129 reduziert. Daher kann das Verbindungsrohr 128 einschließlich der Balgen 129 leicht hergestellt werden und hat gesteigerte Dauerhaftigkeit und Sicherheit.
Fig. 8 zeigt eine Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 7 gezeigte Turboexpansionspumpe Ep verkörpert. Jene in Fig. 8 gezeigten Teile, die mit jenen in den vorherigen Ausführungsbeispielen identisch sind, werden unten im Detail nicht beschrieben.
Die Turboexpansionspumpeneinheit, die in Fig. 8 veranschaulicht ist, liefert ein brennbares Strömungsmittel wie beispielsweise ein verflüssigtes Erdgas. Der erste Auslaßanschluß 116 der Pumpe 101 ist durch eine Leitung L&sub5; mit einer Lieferleitung 131 für flüssiges Strömungsmittel verbunden, und der zweite Auslaßanschluß 121 davon ist durch eine Verbrennungsheizung 123 in einer Leitung L mit einem Gaseinlaßanschluß 133 der Expansionsturbine 103 verbunden. Die Verbrennungsheizung 132 wird mit einem Gas von einem Gasauslaßanschluß 134 der Expansionsturbine 103 beliefert und verbrennt das gelieferte Gas mit einem Brenner 135, um das flüssige Strömungsmittel aufzuheizen, welches von der Leitung L eingeleitet wird. Ein Abgas, welches erzeugt wird, wenn das Gas vom Brenner 135 verbrannt wird, wird aus einer Leitung L&sub6; ausgelassen.
Die Leitung L hat ein Flußsteuerventil V&sub1;, welches mit einer Steuervorrichtung 136 verbunden ist. Ein Drehsensor 137 zum Detektieren der Drehzahl der Welle 102 ist auch mit der Steuervorrichtung 136 verbunden. Die Leitung L wird in eine Leitung L&sub1; stromaufwärts des Flußsteuerventils V&sub1; verzweigt, die Leitung L&sub1; wird dabei mit einer Lieferleitung 131 für flüssiges Strömungsmittel durch ein Flußsteuerventil V&sub2; verbunden, welches mit der Steuervorrichtung 136 verbunden ist. Die Öffnung 130 des Verbin dungsrohres 128 ist durch eine Leitung L&sub2; mit dem Gasauslaßanschluß 134 der Expansionsturbine 103 verbunden. Falls nötig kann die Leitung L eine Zumeßöffnung irgendwo auf ihrer Länge haben. Mit der Leitung L sind eine Startleitung L&sub3;, die sich von einer (nicht gezeigten) Primärpumpe erstreckt, und eine Leitung L&sub4; für übermäßiges Gas bzw. eine Abgasleitung verbunden, und zwar stromaufwärts vom Gaseinlaßanschluß 133, wobei die Abgasleitung L&sub4; beim Starten der Expansionsturbine 103 nützlich ist.
Im Betrieb wird ein flüssiges Strömungsmittel W, welches von der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 124 in die Pumpe 101 durch die (nicht gezeigte) Primärpumpe gezogen wird, auf einen gewissen Druck von der Pumpe 101 unter Druck gesetzt, wird aus dem ersten Auslaßanschluß 116 ausgelassen und von der Lieferleitung 131 für flüssiges Strömungsmittel zu einer externen Installation geliefert, beispielsweise zu einer weiteren Basis für verflüssigtes Erdgas, wenn das flüssige Strömungsmittel ein verflüssigtes Erdgas ist, und zwar durch eine Pipeline. Das flüssige Strömungsmittel, welches auf einem höheren Druck unter Druck gesetzt worden ist, wird aus dem zweiten Auslaßanschluß 121 ausgelassen, fließt durch das Flußsteuerventil V&sub1; und die Leitung L in die Verbrennungsheizung 132 von ihrem Einlaßanschluß 132A. Das flüssige Strömungsmittel wird aufgeheizt und in ein Gas umgewandelt, und zwar bei einer Temperatur unter einem hohen Druck durch die Verbrennungsheizung 132. Das Gas wird dann aus der Verbrennungsheizung 132 durch ihren Auslaßanschluß 132B ausgelassen und fließt in die Expansionsturbine 103 durch den Gaseinlaßanschluß 133. In der Expansionsturbine 103 wird das Gas expandiert und dreht das Turbinenlaufrad, während es seinen Druck absenkt.
Die Turboexpansionspumpeneinheit kann nicht von alleine gestartet werden. Um die Turboexpansionspumpeneinheit zu starten wird die Expansionsturbine 103 gestartet durch Leiten eines Gases unter hohem Druck durch die Leitung L&sub3; oder L&sub4;. Nachdem der Brenner 135 angeschaltet wird, wird die Pumpe 101 gedreht, und zwar bei einer allmählich ansteigenden Drehzahl, bis ihre Drehzahl eine vorbestimmte Drehzahl erreicht, worauf hin eine Energiebalance erreicht wird, und darauffolgend wird die Drehzahl der Pumpe 101 automatisch auf den Punkt gesteigert, wo die Energien ausgeglichen sind. Die Drehzahl der Pumpe 101 wird detektiert durch den Drehzahlsensor 137 und wird zur Steuervorrichtung 136 geliefert, die die Flußsteuerventile V&sub1;, V&sub2; steuert, um die Flußrate des flüssigen Strömungsmittels zur Verbrennungsheizung 132 einzustellen, um die Drehzahl der Pumpe 101 zu steuern. Die Drehzahl der Pumpe 101 kann auch gesteuert werden durch Einstellung der Flußrate und der Temperatur eines verbrannten Gases im Brenner 135. Ein Generator kann direkt mit der Expansionspumpe 103 verbunden sein, um elektrische Energie zu erzeugen, und zwar mit übermäßiger Energie, die zur Expansionsturbine 103 geliefert wird.
Wie oben beschrieben kann die Turboexpansionspumpeneinheit, die in Fig. 8 gezeigt ist, ein flüssiges Strömungsmittel unter Druck setzen, um selbiges über eine lange Distanz zu transportieren, und auch einen Teil des flüssigen Strömungsmittels wieder unter Druck setzen und aufheizen, und zwar zu einem Gas, und das Gas expandieren, um das Turbinenlaufrad zu drehen, um dadurch die Pumpe zu drehen, die mit der Expansionsturbine verbunden ist. Das flüssige Strömungsmittel kann durch Verbrennung des Gases aufgeheizt werden, welches angetrieben und aus der Expansionsturbine ausgelassen worden ist.
Eine weitere Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 7 gezeigte Turboexpansionspumpe verkörpert, wird unten mit Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Gemäß des in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiels wird die Verbrennungsheizung 132 als Wärmetauscher verwendet. Gemäß des in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiels jedoch wird eine Aufwärmheizung 138 zum Aufheizen eines flüssigen Strömungsmittels mit einem Wärmequellenströmungsmittel auf normaler Temperatur, beispielsweise Seewasser, als ein Wärmetauscher verwendet, wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die Aufwärmheizung 138 überträgt Wärme zwischen dem Wärmequellenströmungsmittel auf normaler Temperatur, und einem unter Druck gesetzten Strömungsmittel auf einer ultraniedrigen Temperatur, welches von einem Einlaßanschluß 138A davon eingeleitet worden ist, und läßt ein Gas unter hohem Druck aus, welches auf eine normale Temperatur von ungefähr 300ºK von einem Auslaßanschluß 138B davon aufgeheizt worden ist. Das Hochdruckgas aus der Aufwärmheizung 138 wird von einer Leitung L in einen Gaseinlaßanschluß 133 einer Expansionsturbine 103 gezogen und wird expandiert, um das Laufrad der Expansionsturbine 103 zu drehen. Wenn es seine Energie verloren hat, wird das Gas geringfügig bezüglich des Druckes verringert und wird auf einem gewissen hohen Druck von einem Gasauslaßanschluß 134 in eine externe Leitung geliefert. Die anderen Systemdetails der in Fig. 9 gezeigten Turboexpansionspumpeneinheit sind die gleichen wie jene, die in Fig. 8 gezeigt sind.
Die Turboexpansionspumpeneinheiten, die in den Fig. 8 und 9 gezeigt sind, sind zur Anwendung in einer Basis für verflüssigtes Erdgas geeignet, um elektrische Energie mit einem Gas (verflüssigtes Erdgas) zu erzeugen und eine Flüssigkeit (verflüssigtes Erdgas) über eine weite Distanz zu liefern. Wenn der Druck, der aus der Pumpe 101 ausgelassen wird, zu hoch für den erforderlichen Lieferdruck ist, dann kann er zu dem erforderlichen Druck durch eine Gaswiedergewinnungsturbine zur Energiewiedergewinnung reduziert werden.
Die Betriebsprinzipien der Turboexpansionspumpeneinheiten, die in den Fig. 8 und 9 gezeigt sind, werden unten mit Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben. Ein flüssiges Strömungsmittel auf niedriger Temperatur, wie beispielsweise verflüssigtes Erdgas, flüssiger Wasserstoff oder ähnliches wird durch die Primärpumpe von einem Zustand S&sub0; unter einem Druck P&sub0; nahe dem atmosphärischen Druck auf einen Druck P&sub1; bei einem Zustand S&sub1; unter Druck gesetzt. Das flüssige Strömungsmittel wird dann polytrop unter Druck gesetzt, was einen Verlust in Betracht zieht, und zwar bis auf einen Druck P&sub2;, und zwar von der Pumpe 101, die eine Sekundärpumpe ist. Der Hauptteil des unter Druck gesetzten flüssigen Strömungsmittels wird vom ersten Auslaßanschluß 116 geliefert. Das restliche flüssige Strömungsmittel wird weiter auf einen Druck P&sub3; in einem Zustand S&sub3; unter Druck gesetzt. Das flüssige Strömungsmittel wird durch die Verbrennungsheizung 132 oder die Aufwärmheizung 138 aufgeheizt, und zwar zu einem Gas auf einem Zustand S&sub4;, in dem sein Druck geringer ist, und zwar durch einen Verlust, der vom Wärmetauscher bewirkt wird. Vom Zustand S&sub4; wird das Gas polytrop in einen Zustand S&sub5; expandiert, der um einen Turbinenverlust entlang einer Kurve konstanter Entropie verschoben ist. Darauffolgend geht das Gas in einen Zustand S&sub6; aufgrund einer isobaren Veränderung beim Brenner 135 in der Verbrennungsheizung 132 (siehe Fig. 8) oder wird als ein Gas mit einem Druck P&sub5; zu einer externen Installation geliefert (siehe Fig. 9).
Die Expansionsturbine 103 in jeder der obigen Turboexpansionspumpeneinheiten wird betätigt unter Verwendung der Differenz zwischen den Gradienten einer isentropen Kurve in einem übersättigten flüssigen Bereich und einer isentropen Kurve in einem überhitzten Zustand. Eine solche Betriebsanordnung wird als ein System eingerichtet, wenn die folgende Beziehung erfüllt wird:
W (i&sub2; - i&sub1;) + w (i&sub3; - i&sub2;) ≤ w (i&sub4; - i&sub5;)
wobei i&sub1;, i&sub2;, i&sub3;, i&sub4;, i&sub5; jeweilige Enthalpien der Zustände S&sub1;, S&sub2;, S&sub3;, S&sub4;, S&sub5; darstellt, was die Gesamtmenge des flüssigen Strömungsmittels darstellt, welches in die Pumpe fließt (kg) und wobei w die Gesamtmenge der Flüssigkeit darstellt, die aus der Pumpe herausgezogen wird (kg). Das heißt die Betriebsanordnung wird als ein System eingerichtet, wenn der folgende Zustand erfüllt ist:
W (i&sub2; - i&sub1;) ≤ w (i&sub4; - i&sub5; - i&sub3; + i&sub2;),
w/W ≥ (i&sub2; - i&sub1;)/(i&sub4; - i&sub5; + i&sub2; - i&sub3;).
Daher Wird die Betriebsanordnung als ein System eingerichtet, wenn (i&sub2; - i&sub1;)/(i&sub4; - i&sub5; + i&sub2; - i&sub3;) gleich oder weniger als eins ist.
Die Zustände S&sub3;, S&sub4; können eingerichtet werden, um den obigen Zustand zu erfüllen, um das aufgeheizte Gas zur Expansionsturbine zu liefern und das aus der Expansionsturbine ausgelassene Gas als ein Gas unter hohem Druck zu einer externen Installation zu liefern. Um somit die Zustände S&sub3;, S&sub4; einzurichten, sind zwei Freiheitsgrade verfügbar, d. h. die Veränderung des Druckes P&sub3; und das Aufbringen von Wärme, um die Entropiesteigerung i&sub4; - i&sub3; zu variieren. Wenn die Größe w (i&sub4; - i&sub5;) ausreichend größer ist als die Größe W (i&sub2; - i&sub1;) + w (i&sub3; - i&sub2;) dann kann ein Teil des Gases verwendet werden, um die Pumpe zu betätigen, und der Rest zur Erzeugung von elektrischer Energie. In einem solchen Fall kann ein Generator mit einem Wellenende der Expansionsturbine verbunden sein, um elektrische Energie zu erzeugen, obwohl eine Notwendigkeit für Frequenzeinstellungen auftaucht.
Das Einrichten eines solchen Systems wird quantitativ mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben, bei dem flüssiger Wasserstoff eingesetzt wird.
Flüssiger Wasserstoff mit einem Sättigungsdruck P&sub0; = 0,12 MPa bei 21ºK und einer Enthalpie i&sub0; = 270 kJ/kg soll als ein Gas mit einem Druck PS = 0,5 MPa verbrannt werden. Als erstes muß der Druck des flüssigen Wasserstoffes auf einen Druck P&sub1; = 0,28 MPa durch die Primärpumpe gesteigert werden, und dann auf einen Druck P&sub2;, und muß durch die Sekundärpumpe geliefert werden. Ein herausgezogener Teil des flüssigen Wasserstoffes muß wieder unter Druck gesetzt werden, und zwar auf einen Druck P&sub3; = 10 MPa, und dann muß seine Temperatur auf 500ºC durch einen Wärmetauscher (Verbrennungsheizung) mit einem Verlust von 1,5 MPa gesteigert werden. Danach wird der aufgeheizte flüssige Wasserstoff in ein Gas expandiert, und zwar mit einem Druck von 0,5 MPa, und zwar von der Expansionsturbine. Wenn P&sub1; = 0,28 MPa, i1s = 272 kJ/kg und der Pumpenwirkungsgrad ηp = 60% ist, dann hat der Zustand S&sub1; in einer isentropen Veränderung eine Enthalpie i&sub1; wie folgt:
i&sub1; = (i1s - i&sub0;)/ηp + i&sub0; = (272 - 270)/0,60 + 270 = 273 kJ/kg.
Der Zustand S&sub2; hat einen Druck P&sub2; = 7,5 MPa und eine Enthalpie i&sub2; wie folgt:
i&sub2; = (i2S - i&sub1;)/ηp + i&sub1; = (370 - 273)/0,6 + 273 = 474 kJ/kg.
Der extrahierte Teil des flüssigen Wasserstoffes wird auf den Druck P&sub3; = 10 MPa im Zustand S&sub3; unter Druck gesetzt, wobei gilt:
i3S = 470 kJ/kg,
i&sub3; = (i3S - i&sub2;)/ηp + i&sub2; = (470 - 434)/0,6 + 434 = 494 kJ/kg.
Wenn der flüssige Wasserstoff auf eine Temperatur T = 500ºK im Zustand S&sub4; aufgeheizt wird, hat der Zustand S&sub4; eine Enthalpie i&sub4; = 7180 kJ/kg.
Wenn der gesamte adiabate Wirkungsgrad ηe der Expansionsturbine ηe = 70% ist, wird dann wenn der Druck des flüssigen Wasserstoffes isentrop auf den Druck P&sub5; = 0,5 MPa abgesenkt wird, da i5S = 3030 kJ/kg ist,
i&sub4; - i&sub5; = (i&sub4; - i5S) xηe = (7180 - 3030) · 0,7 = 2905 kJ/kg.
Daher gilt (i&sub2; - i&sub1;)/(i&sub4; - i&sub5; + i&sub2; - i&sub3;) = (434 - 273)/(2905 + 434 - 494) = 0,0566.
Folglich ist zu sehen, daß die Pumpe ausreichend betätigt werden kann. Das heißt, der Druck P&sub3; oder die Temperatur kann niedriger sein. Ähnliche Berechnungen zeigen an, daß auch wenn flüssiges Methan, welches ein Hauptbestandteil von verflüssigtem Erdgas ist, behandelt wird, die Pumpe durch entsprechende Auswahl des Druckes P&sub3; betätigt werden kann.
Fig. 11 zeigt eine Turboexpansionspumpe Ep gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Turboexpansionspumpe Ep, die in Fig. 11 gezeigt wird, ist im wesentlichen die gleiche wie die Turboexpansionspumpe Ep, die in Fig. 7 gezeigt ist, ist jedoch gegenüber dieser geringfügig modifiziert.
Bei einer Turboexpansionspumpeneinheit, die die Turboexpansionspumpe Ep gemäß des in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiels verkörpert, ist der Hochdruckauslaßanschluß 121 der Pumpe 101 mit der Lieferleitung für flüssiges Strömungsmittel (siehe Fig. 8 und 9) verbunden, und der Niederdruckauslaßanschluß 116 der Pumpe 101 ist mit dem Wärmetauscher 132 oder 138 verbunden. Die Turboexpansionspumpe Ep, die in Fig. 11 gezeigt ist, weicht von der in Fig. 7 gezeigten Turboexpansionspumpe Ep nur dahingehend ab, daß die Auslaßanschlüsse 116, 121 und die Auslaßrohre, die damit verbunden sind, Durchmesser haben, die umgeschaltet sind. Die anderen Details der in Fig. 11 gezeigten Turboexpansionspumpe Ep sind identisch mit denen der in Fig. 7 gezeigten Turboexpansionspumpe Ep. Die Durchmesser der Auslaßanschlüsse 116, 121 und der damit verbundenen Auslaßrohre werden wie in Fig. 11 gezeigt ausgewählt, und zwar aufgrund der Annahme, daß das flüssige Strömungsmittel mit einer höheren Rate zum Wärmetauscher fließt, und sollte entsprechend bestimmt werden abhängig von den tatsächlichen Verhältnissen der Flußraten.
Die Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 11 gezeigte Turboexpansionspumpe Ep verkörpert, kann höheren Druck auf das flüssige Strömungsmittel aufbringen, um das flüssige Strömungsmittel über eine weite Distanz zu fördern. Das Gas, welches von der Expansionsturbine ausgedehnt bzw. entspannt und bezüglich des Druckes reduziert worden ist, kann als verbrennbares Gas zur Aufheizung des flüssigen Strömungsmittels verwendet werden, oder als ein Gas, welches zu einer externen Installation zur Erzeugung elektrischer Energie zu liefern ist, oder als Stadtgas, genau wie bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Fig. 12 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm, welches die Betriebsprinzipien der in Fig. 11 gezeigten Turboexpansionspumpe Ep veranschaulicht.
Wie bei den Betriebsprinzipien, die in Fig. 10 gezeigt sind, wird ein flüssiges Strömungsmittel bei niedriger Temperatur wie beispielsweise verflüssigtes Erdgas, flüssiger Wasserstoff oder ähnliches von der Primärpumpe von einem Zustand S&sub0; unter einem Druck P&sub0; nahe dem atmosphärischen Druck des auf einen Druck P&sub1; bei einem Zustand S&sub1; unter Druck gesetzt. Das flüssige Strömungsmittel wird dann polytrop unter Druck gesetzt, wobei einem Verlust Rechnung getragen wird, und zwar bis auf einen Druck P&sub3;, und zwar von der Pumpe 101, die eine Sekundärpumpe ist. Ein Teil w kg des unter Druck gesetzten flüssigen Strömungsmittels wird vom ersten Auslaßanschluß 116 zum Wärmetauscher 132 oder 138 geliefert. Das restliche flüssige Strömungsmittel (W - w) kg wird weiter auf einen Druck P&sub2; in einem Zustand S&sub2; unter Druck gesetzt. Das flüssige Strömungsmittel im Zustand S&sub2; wird zu einer externen Rohrleitung geliefert. Das flüssige Strömungsmittel w kg, welches im Zustand S&sub3; extrahiert wird, wird vom Wärmetauscher in ein Gas in einen Zustand S&sub4; aufgeheizt, in dem sein Druck um einen Verlust niedriger ist, der vom Wärmetauscher verursacht wird. Vom Zustand S&sub4; wird das Gas polytrop in einen Zustand S&sub5; expandiert, der um einen Tur binenverlust entlang einer Kurve mit konstanter Entropie verschoben ist. Darauffolgend geht das Gas in einen Zustand S&sub6; aufgrund einer isobaren Veränderung beim Brenner 135 in die Verbrennungsheizung 132 (siehe Fig. 8) oder wird als ein Gas mit einem Druck von P&sub5; zu einer externen Installation geliefert (siehe Fig. 9).
Daher wird eine solche Betriebsanordnung als ein System eingerichtet, wenn die folgende Beziehung erfüllt wird:
W (i&sub3; - i&sub1;) + (W - w) (i&sub2; - i&sub3;) ≤ w (i&sub4; - i&sub1;), d. h.,
w/W (i&sub2; - i&sub1;) / (i&sub4; - i&sub5; + i&sub2; - i&sub3;).
Der Aufbau eines solchen Systems wird quantitativ mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben, bei dem flüssiger Wasserstoff eingesetzt wird.
Flüssiger Wasserstoff mit einem gesättigten Druck P&sub0; = 0,12 MPa bei 21ºK und einer Enthalpie i&sub0; = 270 kJ/kg ist als ein Gas mit einem Druck P&sub5; = 0,5 MPa zu verbrennen. Als erstes wird der Druck des flüssigen Wasserstoffes auf einen Druck P&sub1; = 0,28 MPa durch die Primärpumpe gesteigert, und dann auf einen Druck P&sub3; = 4 MPa durch die Sekundärpumpe. Ein extrahierter Teil des flüssigen Wasserstoffes soll auf 500ºK durch einen Wärmetauscher (Verbrennungsheizung) mit einem Verlust von 1,5 MPa aufgeheizt werden. Danach soll der aufgeheizte flüssige Wasserstoff zu einem Gas expandiert werden, und zwar mit einem Druck von 0,5 MPa durch die Entspannungs- bzw. Expansionsturbine. Wenn P&sub1; = 0,28 MPa, i1S = 272 kJ/kg und wenn der Pumpenwirkungsgrad ηp = 60% ist, dann hat der Zustand S&sub1; in einer isentropen Veränderung eine Enthalpie 11 wie folgt:
i&sub1; = (i1S - i&sub0;)/ηp + i&sub0; = (272 - 270)/0,60 + 270 = 273 kJ/kg.
Der Zustand 53 hat einen Druck P&sub3; = 4 MPa und eine Enthalpie 13 wie folgt:
i&sub3; = (i3S - i&sub1;)/ηp + i&sub1; = (326 - 273)/0,6 + 273 = 361 kJ/kg.
Der extrahierte Teil des flüssigen Wasserstoffes wird auf eine Temperatur T = 500ºK im Zustand S&sub4; aufgeheizt, der eine Enthalpie i&sub4; = 7120 kJ/kg hat. Der flüssige Wasserstoff hat einen Druck P&sub2; = 7,5 MPa im Zustand S&sub2;, wobei gilt:
i2S = 410 kJ/kg,
i&sub2; = i&sub3; + (i2S - i&sub3;)/ηp = 361 + (410 - 361)/0,6 = 443 kJ/kg.
Wenn der gesamte adiabate Wirkungsgrad ηe der Expansionsturbine ηe = 70% ist, dann gilt wenn der Druck des flüssigen Wasserstoffes isentrop auf den Druck P&sub5; = 0,5 MPa abgesenkt ist,
i&sub4; - i&sub5; = (i&sub4; - i5S) · ηe = (7120 - 4500) · 0,7 = 1834 kJ/kg.
Daher gilt (i&sub2; - i&sub1;)/(i&sub4; - i&sub5; + i&sub2; - i&sub3;) = (443 - 273)/(1834 + 443 - 361) = 0,088.
Es ist folglich zu sehen, daß die Pumpe gemäß des in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiels ausreichend betätigt werden kann.
Fig. 13 zeigt eine noch andere Turboexpansionspumpeneinheit, die die in Fig. 7 gezeigte Turboexpansionspumpe verkörpert. In Fig. 13 hat die Turboexpansionspumpe eine horizontale Welle 102a, eine Pumpe 101a, die an einem Ende der Welle 102a montiert ist, und eine Expansionsturbine 103a, die am anderen Ende der Welle 102a montiert ist. Die Pumpe 101a und die Expansionsturbine 103a sind miteinander durch eine Verbindungstrommel 139 mit einer Öffnung 143 verbunden, die in einer oberen Wand davon definiert ist. Ein Ablaufwiedergewinnungsgehäuse 140 ist an einer unteren Wand der Verbindungstrommel 139 angebracht. Eine nichtberührende Labyrinthdichtung 142 ist um die Welle 102a in der Expansionsturbine 103a angeordnet. Die Pumpe 101a und die Turbine 103a sind strukturell identisch mit jenen, die in den Fig. 7 und 11 gezeigt sind, außer daß die Pumpe 101a und die Turbine 103a die horizontale Welle 102a haben.
Der Betrieb der Turboexpansionspumpeneinheit, die in Fig. 13 gezeigt ist, einschließlich der Strömungsmittelflüsse, und die Vorteile, die dadurch geboten werden, sind im wesentlichen die gleichen wie jene der Turboexpansionspumpeneinheiten gemäß der vorherigen Ausführungsbeispiele.
Der Druck in der Verbindungstrommel 139 ist im Grunde genommen gleich und geringfügig höher als der Lieferdruck des Gases im Zustand 55 von der Expansionsturbine 103a. Irgendeine Gasleckage aus der Expansionsturbine 103a in die Verbindungstrommel 139 fließt durch die nichtberührende Labyrinthdichtung 142. Ein gewisser Differenzdruck gleich dem Kopf oder Druckabfall an der Expansionsturbine 103a wird zwischen dem Inneren der Expansionsturbine 103a und dem Inneren der Verbindungstrommel 139 entwickelt. Es gibt im wesentlichen keinen oder nur geringfügig unterschiedlichen Druck in der Region der Pumpe 101a, durch die sich die Welle 102a erstreckt. Es wird verhindert, daß die Flüssigkeit aus dieser Region der Pumpe 101a leckt, und zwar von einer nichtberührenden Wellendichtung ähnlich einer mechanischen Dichtung oder durch einen schwimmenden Ring bzw. Gleitring oder ähnliches, was gestattet, daß eine gewisse Menge an Flüssigkeit leckt. Ein solcher Dichtungsmechanismus gestattet, daß die Turboexpansionspumpe eine erwünschte Servicelebensdauer wie eine industrielle Maschine hat.
Insofern als der Druck in der Verbindungstrommel 139 im Grunde genommen der gleiche ist wie der Lieferdruck des Gases im Zustand S&sub5; von der Expansionspumpe 103a kann irgendwelches Gas, welches von der Expansionsturbine 103a leckt, und Gas, welches erzeugt wird, wenn Flüssigkeit aus der Pumpe 101 leckt, von der Öffnung 143 in eine Gaslieferleitung eingeleitet werden, die mit dem Auslaßanschluß 134 der Expansionsturbine 103a verbunden ist. Irgendeine Flüssigkeit, die aus der Pumpe 101a leckt, wird von der Verbindungstrommel 139 in das Ablaufwiedergewinnungsgehäuse 140 wieder eingebracht und wird in eine Verbrennungsheizung 132a durch eine klein bemessene Wiedergewinnungspumpe 144 eingeleitet. Die Verbrennungsheizung 132a wandelt die Flüssigkeit in ein Gas um und leitet das Gas in eine Lieferleitung ein.
In Fig. 13 kann die Verbrennungsheizung 132a durch eine Aufwärmheizung ersetzt werden, oder ein zweiter Auslaßanschluß 121a kann mit einer Flüssigkeitslieferleitung verbunden werden, um eine Hochdruckflüssigkeit an eine externe Installation zu liefern.
Da die Pumpe in den in den Fig. 7, 11 und 13 gezeigten Ausführungsbeispielen zwei Auslaßanschlüsse hat, kann die unter Druck gesetzte Flüssigkeit, die aus einem der Auslaßanschlüsse ausgelassen worden ist, in ein Gas durch einen Wärmetausch umgewandelt werden, um die Expansionsturbine 103 oder 103a zu betätigen, und die Flüssigkeit kann unter Druck von dem anderen Auslaßanschluß geliefert werden. Daher kann jede der Anordnungen, die in den Fig. 7, 11 und 13 gezeigt worden sind, in einer breiteren Auswahl von Anwendungen verwendet werden, als die in Fig. 1 gezeigte Anordnung.
Fig. 14 zeigt eine Flüssiggasversorgungsinstallation, die die in Fig. 11 gezeigte Turboexpansionspumpe aufweist. Die Flüssiggasversorgungsinstallation, die in Fig. 14 gezeigt ist, wird unten primär mit Bezug auf die Strömungsmittelflüsse und die Ventilsteuerung in den verschiedenen Stufen der Flüssiggasversorgungsinstallation beschrieben. In Fig. 14 stellen durchgezogene Pfeile Flüssigkeitsflüsse dar, und Pfeile mit Strichpunkt stellen Gasflüsse dar.
Ein verflüssigtes Gas (Flüssigkeit) wie beispielsweise ein verflüssigtes Erdgas wird in einem teilweise unterirdischen Tank 151 gespeichert. Das verflüssigte Erdgas, welches in dem Tank 151 gespeichert wird, kann von einer Primärpumpe 152 gehoben werden, die in dem gespeicherten verflüssigten Erdgas eingetaucht ist. Die Primärpumpe 152 hat einen Auslaßanschluß, der durch eine Leitung L&sub1;&sub0; mit einem Einlaßanschluß 124 an der Pumpe 101 einer Sekundärpumpe (Turboexpansionspumpe) Ep verbunden ist, und auch durch eine Leitung L&sub1;&sub1; mit einem Ventil V&sub1; mit einem Einlaßanschluß eines Verdampfers 153. Die Pumpe 101 hat einen ersten (Niederdruck-)Auslaßanschluß 116, der durch eine Leitung L&sub1;&sub3; mit einem Ventil V&sub2; mit dem Verdampfer 153 verbunden ist, und mit einer Wärmeheizung (Wärmetauscher) 138, und einem zweiten (Hochdruck-)Auslaßanschluß 121, der mit einer Flüssigkeitslieferleitung 131 verbunden ist, wie bei der Turboexpansionspumpe Ep, die in Fig. 11 gezeigt ist. Daher wird die Pumpe 101 durch ein Druck-Enthalpie-Diagramm wie in Fig. 12 gezeigt gekennzeichnet. Der Verdampfer 153 hat einen Auslaßanschluß, der durch die Aufwärmheizung 138 mit einem Gaseinlaßanschluß 133 einer Expansionsturbine 103 verbunden ist, die mit der Pumpe 101 verbunden ist, was somit die Sekundärpumpe Ep ausmacht. Die Expansionsturbine 103 hat einen Gasauslaßanschluß 134, der durch die Aufwärmheizung 138 mit einem Gaslieferrohr 154 gekoppelt ist.
Der erste Auslaßanschluß 116 der Pumpe 101 ist auch durch ein Ventil V&sub3; mit dem Tank 151 verbunden, um einen Teil der ausgelassenen Flüssigkeit aus der Pumpe 101 zum Tank 151 zurückzubringen. Der Verdampfer 153 ist auch durch eine Bypass- bzw. Überleitungsleitung mit einem Ventil V&sub6; mit dem Gasauslaßanschluß 134 der Expansionsturbine 103 verbunden, die mit der Aufwärmheizung 138 verbunden ist. Wenn die Expansionsturbine 103 zur Instandhaltung repariert werden muß, wird das Ventil V&sub6; geöffnet, um die Expansionsturbine 103 zu umgehen, um ein Gas zu Einrichtungen irgendeiner Basis für verflüssigtes Erdgas zu schicken. Die Ventile V&sub7;, V&sub8; sind mit dem Verdampfer 153 bzw. der Aufwärmheizung 138 verbunden, um ein Heizmedium zum Verdampfer 153 und der Aufwärmheizung 138 zu liefern. Die in Fig. 14 gezeigten Ventile werden von einer Steuervorrichtung 136 gesteuert, die in Fig. 15 gezeigt ist, und von einem Drehzahldetektor 137 zum Detektieren der Drehzahl der Welle der Sekundärpumpe Ep.
Um die in Fig. 14 gezeigte Flüssiggasversorgungsinstallation zu starten, wird das Ventil V&sub1; geöffnet, um eine Flüssigkeit zu liefern, die von der Primärpumpe 152 durch die Leitung L&sub1;&sub1; und den Verdampfer 153 zur Aufwärmheizung 138 gehoben worden ist. Die Aufwärmheizung 138 heizt die Flüssigkeit auf und wandelt diese in ein Gas unter hohem Druck um, und das Gas wird zur Turbine 103 durch den Gaseinlaßanschluß 133 geliefert. Wenn die Drehzahl der Turbine 103 allmählich ansteigt, steigt auch der Druck zum unter Druck setzen der Flüssigkeit in der Pumpe 101 allmählich an. Die Flüssigkeit, die aus der Pumpe 101 ausgelassen wurde, fließt durch das Ventil V&sub2; in der Leitung L&sub1;&sub3; zum Verdampfer 153. Die Flüssiggasversorgungsinstallation tritt nun in einen normalen Betriebszustand ein.
Wenn die Drehzahl der Sekundärpumpe Ep ansteigt, um den Druck darin zu steigern, wird ein Rückschlagventil, welches stromabwärts des Ventils V&sub1; angeordnet ist, allmählich geschlossen, leitet die gesamte Menge W kg der von der Primärpumpe 152 gehobenen Flüssigkeit in den Einlaßanschluß 124 der Pumpe 101. Eine Menge W kg der Flüssigkeit, die somit zur Pumpe 101 geliefert wird, wird extrahiert, wie in einem Zustand S&sub3; unter Druck gesetzt, und wird in ein Gas mit Wärme vom Verdampfer 153 und der Aufwärmheizung 138 umgewandelt. Das Gas wird dann in der Expansionsturbine 103 expandiert, was die Pumpe 101 dreht, bei der der Druck des Gases geringfügig abgesenkt wird. Das Gas wird dann als Hochdruckgas von dem Gaslieferrohr 154 zu einer externen Installation geliefert. Die restliche Menge (W-w) kg der Flüssigkeit wird weiter durch die Pumpe 101 unter Druck gesetzt und wird als eine Flüssigkeit in einem Zustand S&sub2; unter einen Druck P&sub2; in die Flüssigkeitslieferleitung 131 geliefert. In der Aufwärmheizung 138 prägt das Gas, welches aus der Expansionsturbine 103 ausgelassen wurde, Wärme auf das dorthin gelieferte Gas auf.
Wenn die Pumpe 101 und die Expansionsturbine 103 zur Instandhaltung oder für ähnliches abgeschaltet werden, müssen die Gebrauchsgegenstände wie beispielsweise ein Boiler, eine Turbine und so weiter in der Basis für verflüssigtes Erdgas mit einem Brennstoff versorgt werden. Während die Pumpe 101 und die Expansionsturbine 103 ausge schaltet werden, wird das Ventil V&sub2; in der Leitung L&sub1;&sub3; geschlossen, und das Ventil V&sub6; in der Bypass- bzw. Umgehungsleitung wird geöffnet. Die Flüssigkeit, die von der Primärpumpe 152 gehoben wird, kann nun durch das Ventil V&sub1;, dem Verdampfer 153 und das Ventil V&sub6; zur Aufwärmheizung 138 geliefert werden, wo sie in ein Gas umgewandelt wird, so daß das Brennstoffgas durch das Gaslieferrohr 154 zu den Einrichtungen geliefert werden kann.
Fig. 15 veranschaulicht ein Steuersystem der Flüssiggasversorgungsinstallation, die in Fig. 14 gezeigt ist. Die Drehzahl der Welle der Sekundärpumpe Ep wird durch den Drehzahldetektor 137 detektiert und wird zur Steuervorrichtung 136 gesandt, um die Öffnung der Ventile V&sub2;, V&sub7; und so weiter zu steuern. Diese Ventile werden gesteuert, wenn die Flüssiggasversorgungsinstallation gestartet wird, in einem normalen Zustand arbeitet und bezüglich ihrer Drehzahl gesteuert wird, wie in der Tabelle in Fig. 15 gezeigt, wobei "O" das Öffnen der Ventile darstellt, und wobei "C" das Schließen der Ventile darstellt. Die Drehzahl der Flüssiggasversorgungsinstallation kann gesteuert werden durch Einstellen des Ventils V&sub2;, um die herausgezogene Menge w kg der Flüssigkeit einzustellen, um das Öffnen des Ventils V&sub7; einzustellen, welches ein Aufwärmströmungsmittel wie beispielsweise Seewasser zum Verdampfer 153 liefert, um die Menge der aufgebrachten Wärme (i&sub3; → i&sub4;) einzustellen, oder um das Ventil V&sub8; einzustellen, welches Abwärme vom Verdampfer 153 liefert, um die Menge der aufgebrachten Wärme (i&sub3; → i&sub4;) einzustellen (siehe Fig. 12).
Fig. 16 zeigt eine weitere Flüssiggasversorgungsinstallation, die die in Fig. 11 gezeigte Turboexpansionspumpe verkörpert. Die in Fig. 16 gezeigte Flüssiggasversorgungsinstallation ist im Grunde genommen die gleiche wie die in Fig. 14 gezeigte Flüssiggasversorgungsinstallation, außer daß die in Fig. 14 gezeigte Aufwärmheizung 138 durch eine Verbrennungsheizung (Wärmetauscher) 132 zur Verbrennung eines Teils des Gases ersetzt wird, welches aus der Expansionsturbine 103 ausgelassen wird, um positiv ein Gas aufzuheizen, welches zur Expansionsturbine 103 zu liefern ist. Die Verbrennungsheizung 132 hat einen Brenner 135, der mit einem Rohr L&sub1;&sub5; verbunden ist, und zwar mit einem Ventil V&sub4;, und abgezweigt von einem Rohr L&sub1;&sub5;, welches mit dem Gasauslaßanschluß 134 der Expansionsturbine 103 verbunden ist. Daher kann das Gas, welches zur Expansionsturbine 103 geliefert wird, positiv auf eine höhere Temperatur und auf einen höheren Druck durch die Verbrennungsheizung 132 aufgeheizt werden, um die Antriebsleistung der Expansionsturbine 103 zu steigern, d. h. die Ausgangsleistung der Pumpe 101. Vorausgesetzt die Ausgangsleistung der Pumpe 101 ist konstant, kann die Turbine 103 und die Pumpe 101 bezüglich der Größe verringert werden. Nachdem das Gas seine Arbeit in der Expansionsturbine 103 erledigt hat, wird sein Druck abgesenkt, und ein Teil des Gases wird in der Verbrennungsheizung 132 verbrannt. Daher ist die in Fig. 16 gezeigte Turboexpansionspumpeneinheit eine selbst enthaltende bzw. abgeschlossene Konfiguration.
Die Strömungsmittelflüsse zu der Zeit, wenn die Flüssiggasversorgung gestartet wird, in einem normalen Zustand arbeitet und bezüglich ihrer Drehzahl gesteuert wird, sind im wesentlichen die gleichen wie jene, die in Fig. 14 gezeigt sind. Fig. 17 zeigt ein Steuersystem der in Fig. 16 gezeigten Flüssiggasversorgungsinstallation. In dem in Fig. 16 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Einstellungen des Ventils V&sub4; zur Einstellung des Gasflusses, der zum Brenner 135 der Verbrennungsheizung 132 geliefert wird, stark in den Einstellungen der Wärmmenge verwickelt, die auf das zur Expansionsturbine zu liefernde Gas aufgebracht wird, und diese spielen eine wichtige Rolle bei der Einstellung der Ausgangsleistung der Turboexpansionspumpe Ep.
In den obigen Ausführungsbeispielen wird die im Zustand S&sub2; durch die Sekundärpumpe Ep unter Druck gesetzte Flüssigkeit unter Druck zu einer externen Installation geliefert. Jedoch kann die unter Druck gesetzte Flüssigkeit durch einen Verdampfer in ein Gas umgewandelt werden, und das Gas kann unter Druck zu einer externen Installation geliefert werden. Darüber hinaus kann die Flüssigkeit, die aus dem zweiten Auslaßanschluß anstatt aus dem ersten Auslaßanschluß der Pumpe der Sekundärpumpe Ep ausgelassen wird, in ein Gas zum Antrieb der Expansionsturbine umgewandelt werden.
Die obigen Flüssiggasversorgungsinstallationen erfordern nicht die Lieferung elektrischer Energie oder eines anderen Brennstoffes von einer externen Quelle zum Antrieb der Pumpe zur Lieferung eines verflüssigten Gases unter Druck. Es ist daher möglich, ein System mit verringertem Energieverlust zu verwirklichen, welches keine Ausrüstung zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie benötigt. Folglich können die Flüssiggasversorgungsinstallationen bezüglich der Größe verkleinert werden, was gestattet, daß Flüssiggasversorgungsbasen in einem kleineren Gebiet für saubere und sichtbare Umgebungen installiert werden.
Eine Turboexpansionspumpe gemäß noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezugnahme auf Fig. 18 beschrieben. Die in Fig. 18 gezeigte Turboexpansionspumpe hat eine verbesserte Tragbasis zum Tragen der Expansionsturbine, und eine verbesserte Verbindungstrommel zur Abdeckung deren Welle. Die anderen Details der Turboexpansionspumpe sind die gleichen wie jene der in den Fig. 7 und 11 gezeigten Turboexpansionspumpen und werden unten nicht besprochen.
Wie in Fig. 18 gezeigt ist eine Expansionsturbine 103 fest an einer Primärantriebsbasis 155 montiert, die an einer Abdeckung 105 einer Trommel 104 angeordnet ist, die eine Pumpe 101 aufnimmt. Die Primärantriebsbasis 155 ist von zylindrischer Form und hat untere und obere Flansche 156, 157, die vertikal voneinander beabstandet sind. Die Primärantriebsbasis 155 hat ein zentrales Durchgangsloch 158, welches sich vertikal erstreckt, welches groß genug ist, um zu gestatten, daß eine Welle 102 sich dort hindurch erstreckt. Das Loch 158 hat einen weiteren unteren Teil in Übereinanderlage mit einer Öffnung 159, die in der Abdeckung 105 definiert ist, und einen noch weiteren oberen Teil, der groß genug ist, um zu gestatten, daß ein Vorsprung 160 der Expansionsturbine 103 dort hinein geführt wird.
Die Expansionsturbine 103 ist an dem oberen Flansch 157 der Primärantriebsbasis 155 durch eine Dichtung 161 befestigt, die dazwischen angeordnet ist. Der Vorsprung 160 der Expansionsturbine 103 ist in dem weiteren oberen Teil des Loches 158 in der Primärantriebsbasis 155 angeordnet, und zwar mit einem Spiel 162, welches um den Vorsprung 160 herum übriggelassen wird. Der untere Flansch 156 der Primärantriebsbasis 155 wird an der Abdeckung 105 durch eine Dichtung 163 befestigt, die dazwischen angeordnet ist. Die Welle 102 erstreckt sich durch die Öffnung 159, die zentral in der Abdeckung 105 definiert ist. Eine Dichtung 164 ist zwischen der Trommel 104 und der Abdeckung 105 angeordnet.
Die Welle 102 erstreckt sich von der Expansionsturbine 103 durch das Loch 158 in der Primärantriebsbasis 155 und die Öffnung 159 in der Abdeckung 105 in die Pumpe 101. Die Welle 102 wird außer Kontakt mit den umgebenden Komponenten durch Magnetlager oder ähnliches gehalten. Eine Begrenzungsdichtung 165 ist in einem Spalt zwischen der Primärantriebsbasis 155 und der Welle 102 in einem unteren Teil der Primärantriebsbasis 155 angeordnet, um eine Gasleckage entlang der Welle 102 zu minimieren. Eine andere Begrenzungsdichtung 166 ist zwischen dem Vorsprung 160 und der Welle 102 angeordnet, um eine Gasleckage entlang der Welle 102 zu minimieren. Die Primärantriebsbasis 155 und die Pumpe 101 haben Außenumfangswände von wärmeisolierender Struktur.
Ein Gasauslaßrohr 168 mit einem Steuerventil 167 zur Einstellung des Druckes eines Gases, welches dadurch fließt, steht mit dem Spiel 162 in Verbindung. Temperatursensoren 169, 170 sind jeweils auf dem oberen Flansch 157 der Primärantriebsbasis 155 und der Außenwand der Primärantriebsbasis 155 angeordnet, und ein Drucksensor 171 ist in der Außenwand der Primärantriebsbasis 155 angeordnet, um den Druck eines Gases in dem Spiel 162 zu detektieren. Ausgangssignale von den Temperatursensoren 169, 170 und vom Drucksensor 171 werden auf eine Steuervorrichtung 172 aufgeschaltet, die das Steuerventil 167 steuert, um den Druck eines Gases in dem Spiel 162 einzustellen.
Ein flüssiges Strömungsmittel, welches durch die Pumpe 101 fließt, läuft entlang der Welle 102 und von der Öffnung 159 in der Abdeckung 105 durch die Begrenzungsdichtung 165 in das Spiel 162. Das Spiel 162 wird mit einem Gas gefüllt, welches von dem flüssigen Strömungsmittel mit Wärme von der Expansionsturbine 103 verdampft wird. Das Gas wird mit einem Gas kombiniert, welches von der Expansionsturbine 103 durch die Begrenzungsdichtung 166 fließt. In dieser Weise werden die Drücke von der Pumpe 101 und der Expansionsturbine 103 ausgeglichen.
Wenn der Druck des Gases in dem Spiel 162 durch die Wärme gesteigert wird, die von der Expansionsturbine 103 übertragen wird, verarbeitet die Steuervorrichtung 172 Ausgangssignale von den Temperatursensoren 169, 170 und dem Drucksensor 171, um den Anstieg des Gasdruckes zu detektieren und steuert das Steuerventil 167, um Gas aus dem Gasauslaßrohr 168 auszulassen, bis der Gasdruck in dem Spiel 162 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist, um dadurch zu verhindern, daß das Gas zurück in die Pumpe 101 fließt.
Da bei der in Fig. 18 gezeigten Turboexpansionspumpe die Primärantriebsbasis 155 zur Befestigung bzw. Sicherung der Expansionsturbine 103 als Primärantrieb und ein Druckgefäß, welches die Welle 102 bedeckt, integral miteinander ausgeformt sind, ist es nicht nötig, Balgen einzusetzen, die Wellenversetzungen oder Spannungen aufgrund von Temperaturdifferenzen absorbieren können. Das flüssige Strömungsmittel leckt immer von der Pumpe 101 entlang der Welle 102 in dem Spalt um die Welle 102 herum und wird in ein Gas durch die Wärme der Expansionsturbine 103 verdampft, um dadurch einen Gasdruck zu entwickeln, der den Gasdruck in der Expansionsturbine 103 ausgleicht. Wenn der Gasdruck in dem Spalt um die Welle 102 herum durch die Wärme gesteigert wird, die von der Expansionsturbine 103 übertragen wird, verarbeitet die Steuervorrichtung 172 Ausgangssignale aus den Temperatursensoren 169, 170 und dem Drucksensor 171 und steuert die Druckeinstellmittel, d. h. das Steuerventil 167, um den Gasdruck in dem Spalt um die Welle 102 herum auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Daher wird verhindert, daß das Gas in den Spalt um die Welle 102 herum zurück in die Pumpe 101 fließt, was gestattet ist, um stabil zu arbeiten.
Die obige Struktur der Primärantriebsbasis 155 kann mit Bezug auf einen anderen Primärantrieb als die Expansionsturbine 103 zum Antrieb der Pumpe 101 verwendet werden.
Obwohl gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben worden sind, sei bemerkt, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Pumpeneinheit mit Entspannungsturbine (Turboexpansionspumpeneinheit) (EP), die folgendes aufweist:

eine Welle (2, 2a, 102, 102a);

eine mit einem Ende der Welle (2, 2a, 102, 102a) verbundene Pumpe (1, 1a, 101, 101a) zum unter Druck setzen eines flüssigen Strömungsmittels auf einen Druck höher als ein vorbestimmter Lieferdruck;

ein Wärmetauscher (42, 42a, 132, 138, 132a) zum Erhitzen und zum Umwandeln des flüssigen durch die Pumpe (1, 1a, 101, 101a) unter Druck gesetzten Strömungsmittels in ein Hochdruckgas;

eine Expansions- oder Entspannungsturbine (3, 3a, 103, 103a) verbunden mit einem entgegengesetzten Ende der Welle (2, 2a, 102, 102a) und betätigbar durch eine thermische Energiereduktion, die dann erzeugt wird, wenn das Hochdruckgas vom Wärmetauscher (42, 42a, 132, 132a, 138) auf den vorbestimmten Lieferdruck abgesenkt wird, um unter einem vorbestehenden Druck kontinuierlich das flüssige Strömungsmittel herausfließen zu lassen;

ein Verbindungsrohr (15, 50, 128, 139) hermetisch angeordnet, um einen Teil der Welle (2, 2a, 102, 102a) herum, die sich zwischen der Pumpe (1, 1a, 101, 101a) der Expansionsturbine (3, 3a, 103, 103a) erstreckt, wobei die Pumpe (1, 1a, 101, 101a) und die Expansionsturbine (3, 3a, 103, 103a) entsprechende Gehäuse aufweisen, die durch das Verbindungs rohr (15, 50, 128, 139) miteinander in Verbindung gehalten werden; und

eine Tragbasis (6, 106) aufgebaut auf den erwähnten Gehäusen des erwähnten Pumpengehäuses zum Tragen der Expansionsturbine (3, 3a, 103, 103a),

wobei das Verbindungsrohr (15, 50, 128, 139) einen Mechanismus (14, 129) zum Absorbieren von längs verlaufenden thermischen Beanspruchungen davon aufweist.

2. Turboexpansionspumpeneinheit (EP) nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus (14, 129) Balgen (14, 129) aufweist, und zwar angeordnet in dem Verbindungsrohr (15, 50, 128, 139).

3. Turboexpansionspumpeneinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumpe (101, 101a) mindestens zwei Auslaßanschlüsse (116, 121, 116a, 121a) aufweist, und zwar zum Abgeben des flüssigen Strömungsmittels auf entsprechenden unterschiedlichen Drücken, wobei einer (121, 121a) der mindestens zwei Auslaßanschlüsse (116, 121; 116a, 121a) mit dem Wärmetauscher (132, 138, 132a) verbunden ist.

4. Turboexpansionspumpeneinheit nach Anspruch 3, wobei der andere (116, 116a), der mindestens zwei Auslaßanschlüsse (116, 121; 116a, 121a) mit einer Flüssigkeitslieferleitung verbunden ist.

5. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Welle (2, 102) eine vertikale Welle (2, 102) aufweist.

6. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Welle (2a, 102a) eine horizontale Welle (2a, 102a) aufweist.

7. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner ein Magnetlager vorgesehen ist, welches die Welle trägt.

8. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Expansionsturbine eine berührungslose bzw. Nicht-Kontakt-Wellendichtung aufweist, und zwar angeordnet um die Welle herum in einer Region, in der die Welle sich erstreckt.

9. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe (1, 1a, 101, 101a) und die Expansionsturbine (3, 3a, 103, 103a) voneinander beabstandet angeordnet sind.

10. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in dem Verbindungsrohr (15, 50, 128, 139) von der Pumpe (1, 1a, 101, 101a) und der Expansionsturbine (3, 3a, 103, 103a) ausgeübten Drücke im wesentlichen gleich zueinander sind.

11. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe (1, 1a, 101, 101a) eine berührungslose oder Nicht-Kontakt-Wellendichtung aufweist, und zwar angeordnet um die Welle (2, 2a, 102, 102a) herum in einer Region oder Zone, in der sich die Welle erstreckt, und zwar um zu gestatten, dass flüssiges Strömungsmittel in einem begrenzten Ausmaß entlang der Welle (2, 2a, 102, 102a) leckt.

12. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner eine Leitung (L2) vorgesehen ist, die sich nach außen von dem Verbindungsrohr (15, 50, 128, 139) erstreckt, um den Druck in dem Verbindungsrohr einzustellen.

13. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tragbasis (6, 106) die Expansionsturbine (3, 103) oberhalb der Pumpe (1, 101) trägt, wobei das Verbindungsrohr (15, 128) integral mit der Tragbasis verbunden ist.

14. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe (101) eine Vielzahl von Laufrädern (110, 111) aufweist, die ein Laufrad (110) der ersten Stufe mit einem Einlaßanschluß (112) aufweisen, der näher zur Expansionsturbine (103) hin angeordnet ist.

15. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe (1, 1a, 101, 101a) eine Vielzahl von Laufrädern (19, 22; 110, 111) aufweist, wobei die Laufräder in eine erste Laufradgruppe (19; 110) aufgeteilt sind zur Lieferung von flüssigem Strömungsmittel in einer ersten Richtung und eine zweite Laufradgruppe (22; 111) zur Lieferung von flüssigem Strömungsmittel in einer zweiten Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung ist, und wobei die erste Laufradgruppe (19; 110) ebenso viele Laufräder aufweist wie die zweite Laufradgruppe (22, 111).

16. Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe (101) eine Vielzahl von Laufrädern (110, 111) aufweist, die in eine primäre Laufradgruppe (110) und eine sekundäre Laufradgruppe (111) aufgeteilt sind, wobei die erste Laufradgruppe (110) zur Unterdrucksetzung des flüssigen Strömungsmittels in Abwärtsrichtung vorgesehen sind, und wobei die zweite Laufradgruppe (111) das flüssige Strömungsmittel nach oben hin unter Druck setzt, wobei die primäre Laufradgruppe (110) oberhalb der sekundären Laufradgruppe (111) angeordnet ist, wobei die primäre Laufradgruppe (110) einen Auslaßanschluß besitzt und die sekundäre Laufradgruppe (111) einen Einlaßanschluß (118) aufweist, und wobei ferner die Pumpe (101) einen Strömungsdurchlaß (119) besitzt, der den Auslaßanschluß der primären Laufradgruppe (110) und den Einlaßanschluß (118) der sekundären Laufradgruppe (111) verbindet.

17. Eine Flüssiggasversorgungsinstallation, die folgendes aufweist:

einen Flüssiggasspeichertank;

eine in dem Flüssigkeitsspeichertank angeordnete Pumpe der ersten Stufe;

eine Pumpe der zweiten Stufe zur Unterdrucksetzung und zur Lieferung einer von der Pumpe der ersten Stufe abgegebenen Flüssigkeit, wobei die Pumpe der zweiten Stufe eine Turboexpansionspumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.