EP2801777A1 - Luftzerlegungsanlage mit Hauptverdichterantrieb - Google Patents

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EP2801777A1
EP2801777A1 EP13002467.2A EP13002467A EP2801777A1 EP 2801777 A1 EP2801777 A1 EP 2801777A1 EP 13002467 A EP13002467 A EP 13002467A EP 2801777 A1 EP2801777 A1 EP 2801777A1
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EP
European Patent Office
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air
separation plant
air separation
slip
main compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13002467.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max Holzer
Stefan Lochner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Priority to PCT/EP2014/059483 priority patent/WO2014180964A1/de
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/40—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen

Definitions

  • the invention relates to an air separation plant, a method for the cryogenic separation of air by means of such an air separation plant and the corresponding use of a slip ring motor.
  • the distillation column systems are operated at different operating pressures in their respective separation columns.
  • the double column systems in this case have a so-called high-pressure column and a so-called low-pressure column.
  • the operating pressure of the high-pressure column is, for example, 4.3 to 6.9 bar, preferably about 5.0 bar.
  • the low-pressure column is operated at an operating pressure of, for example, 1.3 to 1.7 bar, preferably about 1.5 bar.
  • the pressures given here and below are absolute pressures.
  • Corresponding air separation plants can be operated for example with so-called internal compression.
  • a liquid stream is taken from the distillation column system and at least partially brought to liquid pressure.
  • the liquid brought to pressure is heated in a main heat exchanger of the air separation plant against a heat transfer medium and evaporated.
  • the liquid stream may in particular be liquid oxygen, but also, for example, nitrogen or argon.
  • the internal compression is thus used to obtain appropriate gaseous printed products.
  • Oxygen but also for example to act on nitrogen or argon.
  • the internal compression is thus used to obtain appropriate gaseous printed products.
  • the internal compression is described, for example, in the following documents: DE 830 805 B .
  • DE 901 542 B (equivalent to US 2 712 738 A respectively.
  • US 2 784 572 A ) DE 952 908 B .
  • DE 1 103 363 B ( US Pat. No. 3,083,544 A )
  • DE 1 112 997 B ( US Pat. No. 3,214,925 )
  • DE 1 124 529 B DE 1 117 616 B ( US Pat. No. 3,280,574 )
  • DE 1 226 616 A ( US 3 216 206 A ) DE 1 229 561 B ( US 3 222 878 A ) DE 1 199 293 B .
  • DE 1 187 248 B ( US 3,371,496A ) DE 1 235 347 B .
  • DE 1 258 882 A US 3 426 543 A ) DE 1 263 037 A ( US Pat. No. 3,401,531 A ) DE 1 501 722 A ( US 3 416 323 A ) DE 1 501 723 A ( US 3,500,651 A ) DE 25 351 32 B2 ( US 4,279,631 A ) DE 26 46 690 A1 .
  • EP 0 093 448 B1 ( US 4 555 256 A ) EP 0 384 483 B1 ( US 5 036 672 A ) EP 0 505 812 B1 ( US 5 263 328 A ) EP 0 716 280 B1 ( US 5,644,934 A ) EP 0 842 385 B1 ( US 5,953,937 A ) EP 0 758 733 B1 ( US 5,845,517 A ) EP 0 895 045 B1 ( US 6 038 885 A ) DE 198 03 437 A1 .
  • EP 0 949 471 B1 ( US Pat. No. 6,185,960 B1 ) EP 0 955 509 A1 ( US Pat. No.
  • EP 1 031 804 A1 ( US Pat. No. 6,314,755 B1 ) DE 199 09 744 A1 .
  • EP 1 067 345 A1 ( US Pat. No. 6,336,345 B1 )
  • EP 1 074 805 A1 ( US Pat. No. 6,332,337 B1 ) DE 199 54 593 A1 .
  • EP 1 134 525 A1 ( US Pat. No. 6,477,860 B2 ) DE 100 13 073 A1 .
  • EP 1 139 046 A1 EP 1 146 301 A1 .
  • EP 1 284 404 A1 ( US 2003/051504 A1 )
  • EP 1 308 680 A1 ( US 6 612 129 B2 )
  • DE 102 38 282 A1 .
  • DE 103 32 863 A1 .
  • WO 2007/033838 A1
  • the term "evaporation" includes in the internal compression cases in which there is a supercritical pressure and therefore no phase transition takes place in the true sense.
  • the liquid pressurized stream is then "pseudo-evaporated".
  • a heat transfer medium is liquefied (or pseudo-liquefied if it is under supercritical pressure) against a corresponding (pseudo) vaporising stream.
  • the heat transfer medium is usually formed by a part of the compressed air supplied to the air separation plant.
  • HAP high-air pressure
  • the total air supplied to the air separation plant or the total air used in a corresponding process in an air separation plant (referred to herein as the "total air amount") is included in a single main compressor (here also referred to as “main compressor unit”) - compressed to a pressure which is well above the operating pressure of the high pressure column.
  • the pressure difference is at least 4 bar and preferably between 6 and 16 bar.
  • HAP processes the compressed air quantity in the main compressor unit can be decoupled from the process air quantity. In such a case, only a portion of the compressed to the said pressure total amount of air is used as so-called process air, so used for the actual rectification and fed into the high-pressure column.
  • process air so used for the actual rectification and fed into the high-pressure column.
  • decoupling is not provided in all HAP methods.
  • HAP methods are for example from EP 2 466 236 A1 , of the EP 2 458 311 A1 and the US 5,329,776 A known.
  • Shares of the total amount of air can optionally be recompressed together or separately from one another in one or more after-compressors to an even higher pressure (referred to here as after-compressor pressure). They can then be decompressed via an expansion machine (so-called turbine stream) and / or via an expansion valve (so-called throttle flow) to the operating pressure of the high-pressure column or a slightly higher pressure. The respective relaxed portions can be fed into the high-pressure column.
  • after-compressor pressure even higher pressure
  • Another portion of the total amount of air can, if necessary, after previous recompression and expansion in the aforementioned expansion machine, be further relaxed in another expansion machine. As a result, the refrigeration demand of the air separation plant can be covered.
  • this proportion of the total amount of air is not fed into the high-pressure column, but ultimately relieved to a pressure, which is lower than the operating pressure of the high pressure column, for example, at atmospheric pressure or the operating pressure of the low pressure column.
  • This portion can then be compressed again, for example, in the main compressor, blown off into the atmosphere and / or fed into the low-pressure column.
  • asynchronous motors are known to have a high starting current.
  • start-up current the current is called, which flows through the asynchronous motor after switching on, in order to accelerate this from standstill.
  • the starting current of an asynchronous motor is always well above the rated current, ie the current that flows through the asynchronous motor at the rated speed.
  • the rated speed refers to the speed at which the asynchronous motor runs in normal operation or for which it is designed.
  • the starting current also depends on the load with which the. Motor must start, the so-called starting torque.
  • a typical asynchronous motor has a starting current of approx. Four to eight times its rated current in so-called heavy-duty starting. This results in increased loads in the power grid. For example, the increased power consumption can lead to voltage drops that affect other connected consumers. Already with a voltage dip of about 10 to 15%, for example, data processing equipment may fail or relays fall, which, for example, the operation of an air separation plant is disturbed.
  • asynchronous motors can basically provide a relatively high starting torque, so that the unit of asynchronous motor and connected machine starts up in a relatively short time.
  • high inertia and / or counter torques which can occur in a main compressor unit of an air separation plant, ie during heavy starting, several seconds can elapse. Due to the high starting current it can This can lead to overheating, which can lead to engine damage. In this case, all participating equipment (circuit breakers, fuses, cables, etc.) can be affected.
  • frequency converters In order to limit the starting current, frequency converters (frequency converters) can be used in the event of weak line power, which enable a guided, stepless motor start of the asynchronous motor with specification of a nominal torque.
  • frequency converters are expensive and expensive.
  • adapted starting methods e.g., direct starting or auto-starting occasion
  • the present invention is based on a known air separation plant with a distillation column system comprising at least one high-pressure column and a low-pressure column.
  • a corresponding air separation plant further comprises a main compressor unit, which is adapted to compress a total amount of air which is supplied to the air separation plant as a whole to a pressure which is at least 4 bar higher than an operating pressure for which the high-pressure column is set up.
  • the present invention is thus used in the HAP process explained in the introduction, in which correspondingly increased pressures are used for the total amount of air.
  • a “main compressor unit” is in the context of the present invention, a compressor or a compressor assembly, which is a driven with external energy machine for the compression of air in the air separation plant.
  • This can be designed as a single-stage or multi-stage compressor, the stages of which are all connected to the same drive, wherein all stages can be accommodated in a housing or connected to a transmission.
  • such a main compressor unit may be the only external energy driven machine for compressing air in the air separation plant, whereby a “single machine” is also understood to mean the mentioned multi-stage compressors, the stages of which are all connected to the same drive.
  • a main compressor unit in this case comprises a drive, which, as explained above, is usually designed in the form of an electric motor, as well as the actual compressor with a plurality of compressor stages, which are adapted to compress the air supplied to the main compressor unit.
  • main compressor units used in HAP processes typically comprise four, five or six compressor stages. The compressor stages are driven by the drive via the common shaft.
  • the pressure with which the total amount of air is provided is substantially higher than the operating pressure of the high-pressure column.
  • substantially higher is understood to mean a pressure difference of at least 4 bar and preferably between 6 and 16 bar.
  • a slip-ring motor is an electric motor in the form of a three-phase asynchronous machine.
  • Slip ring motors differ essentially from common electric motors, which have so-called squirrel-cage rotors, in that the rotor winding is not short-circuited (permanently) but is led to the outside via the slip rings giving the name.
  • the starting current of such slip-ring motors can be reduced by increasing the resistance of the rotor circuit.
  • the contacts of the rotor winding which are short-circuited in squirrel cage rotors and guided in a slip ring motor to the outside, with adjustable resistors, so-called starting resistors, interconnected.
  • Slip ring motors are particularly suitable for application scenarios in which high starting torques are required with simultaneously low starting current.
  • slip-ring motors do not require complex electronics, especially in the performance class required here.
  • Slip ring motors of a defined power can be used in particular for several air separation plants of a particular type in particular, without having to take into account the respective present (local) network design at the place of use. The design and creation of such air separation plants is significantly cheaper by such standardization.
  • the cooling of the slip-ring motors can advantageously be done by means of air / water heat exchangers, which can also be integrated into corresponding circuits of an air separation plant.
  • slip-ring motors are particularly advantageous in the illustrated HAP method, because here a disproportionately higher starting torque than in conventional compressors is observed.
  • HAP main compressor units typically have four, five or six compressor stages connected to a common shaft. These have a disproportionately increased starting torque in comparison to the known main compressor / booster combinations (so-called Main Air Compressor / Booster Air Compressor or MAC / BAC combinations).
  • main compressor / booster combinations so-called Main Air Compressor / Booster Air Compressor or MAC / BAC combinations.
  • slip-ring motors can also be used in such MAC / BAC combinations. In such main compressor / booster combinations, there are separate shafts which, taken individually, require lower starting torques.
  • the present invention thus makes possible overall a reduction of the starting current with a simultaneous increase in the starting torque of corresponding drives for main compressor units.
  • the rotor winding of the rotor of the slip-ring motor has first connections, which are connected to each other via adjustable starting resistors. About this starting resistors, a resistance in the rotor or the rotor winding can be adjusted dosed.
  • the other (second) terminals of the rotor winding are advantageously interconnected in star connection with each other, as also below with reference to the FIG. 2 explained in more detail.
  • Slip ring motors can basically also have runners, which can be acted upon by an auxiliary voltage with adjustable frequency. Such a design of a rotor winding proves to be structurally or structurally complex, but has advantages in certain application scenarios with respect to the metering of starting torque or current.
  • a slip-ring rotor motor as used in accordance with the invention, has a rated current at a nominal speed.
  • the starting current of the slip-ring rotor motor can be limited to at most 1.1 times the value of the rated current.
  • the starting current is thus at most 10% above the rated current, but can also be limited to other values, for example.
  • the starting current can be, for example, 50%, 40%, 30%, 20%, 8%, 6%, 4% or 2% above the nominal current. This represents a significant improvement over known main compressor units of HAP air separation plants, where, as mentioned, the starting current is up to four to eight times the rated current.
  • the invention can be used in particular for high-performance main compressor units.
  • the present invention is suitable for main compressor units with a rated power of 1 to 25 MW, in particular 8 to 25 or 8 to 18 MW.
  • main compressor units as used in the mentioned performance class, are typically realized with four to six compression stages.
  • the invention enables a drive of such a compressor with a common shaft, without that the above-mentioned negative effects occur due to the increased current consumption during starting.
  • a slip-ring motor can be used in a particularly advantageous manner for driving a main compressor unit, which can be equipped with wheels of different impeller sizes. For example, four impeller sizes can be used here; the corresponding wheels are interchangeable. This results in different electrical power requirements for the electric drive, which can be operated by a slip ring motor significantly better than by a conventional asynchronous squirrel cage motor.
  • a slip ring motor for main compressor units and thus air separation plants of different performance classes can be used.
  • a slip-ring motor is particularly suitable for the main compressor units considered here because they have a high starting torque and very high mass moments of inertia.
  • the moment of inertia of a corresponding main compressor unit is for example up to forty times the engine moment of inertia.
  • the starting torque is e.g. 25 - 70% or 25 - 50% of the rated motor torque.
  • the maximum available starting torque corresponds to the rated motor torque with a maximum of 1.1 times the rated motor current.
  • a particular advantage results from the use of a slip ring motor and the fact that the specifically variable starting resistance Run-up time of the main compressor unit and the passage of critical speeds or speed ranges during startup can be specifically controlled. As a result, in particular loads on the compressor (eg due to vibrations in these critical speed ranges) during startup can be reduced.
  • An advantageous air separation plant further comprises a main heat exchanger, a first expansion machine and an expansion valve, and is adapted to cool a first portion of the total amount of air in the main heat exchanger to relax in the first expansion machine and feed it into the high-pressure column.
  • Such an air separation plant is further adapted to cool a second portion of the total amount of air sequentially in the main heat exchanger to relax in an expansion valve and feed it into the high-pressure column.
  • the relaxation of the first portion of the amount of feed air in the expansion machine can be used to operate a turbine booster, so that the released here mechanical power can be used meaningfully.
  • the "main heat exchanger” can be formed from one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example from one or more plate heat exchanger blocks.
  • a main heat exchanger is used to cool the proportions of the total amount of air in the indirect heat exchange with return streams from the distillation column system or for evaporation in the internal compression.
  • expansion machine includes any machine for work-related expansion of a process stream, for example, one of the proportions of the total amount of air.
  • the expansion machines are preferred in the However, the present invention by the principle known from the field of cryogenics turboexpander or expansion turbines formed.
  • the proportions in the expansion machines or other expansion devices used, such as expansion valves are not necessarily relieved completely (i.e., to ambient pressure), but possibly only to some degree (partially relaxed).
  • An air separation plant advantageously also comprises a second expansion machine and is adapted to a third portion of the total amount of air to relax to a pressure which is less than the operating pressure for which the high-pressure column is established.
  • a method for the cryogenic separation of air which is carried out with an air separation plant explained above, is also the subject of the invention. Such a method benefits from the explained advantages, to which express reference is therefore made. The same applies to the inventive use of a slip ring motor.
  • FIG. 1 an air separation plant is shown schematically in the form of an installation diagram.
  • the air separation plant equipped for internal compression is designated 100 in total. It can with a main compressor unit 2 as previously explained and in the FIG. 2 be shown in more detail shown.
  • FIG. 1 thus serves primarily to explain the integration of the in the FIG. 2 schematically shown main compressor unit 2 in an overall context of an air separation plant 100th
  • a total amount of air of atmospheric air (AIR) is sucked through a filter 1 of the main compressor unit 2 and there compressed to a main compressor pressure, which is at least 4 bar higher than the operating pressure of a high-pressure column in a HAP process, as used here (see below).
  • the main compressor unit 2 is in the FIG. 1 shown greatly simplified. For the further details of the main compressor unit 2 is particularly to the above explanations and FIG. 2 directed.
  • the compressed air is fed to a cleaning device 5, which has a pair of containers filled with adsorption material, preferably molecular sieve.
  • adsorption material preferably molecular sieve.
  • the stream a is recompressed in the air separation plant 100 in a conventional manner, first in a first after-compressor 11 and then in a second after-compressor 21.
  • the first after-compressor 11 and the second after-compressor 21 are each mechanically coupled to a first expansion machine 12 or a second expansion machine 22, for example each via a common shaft.
  • Downstream of the first after-compressor 11 and the second after-compressor 21, aftercoolers 13 and 23 are respectively arranged.
  • the flow a ie the total amount of air, is divided into a partial flow b and a partial flow c. However, the division can also take place elsewhere.
  • the partial flow b and the partial flow c are cooled in a main heat exchanger 6.
  • the cooling is preferably carried out at different temperatures, so that the partial flow b is removed from the main heat exchanger 6 at an intermediate temperature and thus "partially cooled” and the partial flow c passes through the main heat exchanger 6 to its cold end.
  • the intermediate pressure is slightly above an operating pressure of a high-pressure column 71 of a distillation column system 7, which is explained in more detail below.
  • the designated further with b and relaxed to the intermediate pressure partial flow is fed to a separator 8, from the bottom of a liquid fraction can be withdrawn as a stream d.
  • the stream d can be fed (see junction point A, for example 0% to 15% of the stream b) into a low-pressure column 72 of the distillation column system 7.
  • a gaseous fraction from the head of the separator 8 can be withdrawn as stream e and divided again into a partial stream f and a partial stream g.
  • the partial stream f is fed into the high-pressure column 71 of the distillation column system 7, as explained in more detail below.
  • the partial flow g is heated in the main heat exchanger 6 and expanded in the second expansion machine 22 to a final pressure, for example atmospheric pressure.
  • the relaxed partial flow g can then in the Main heat exchanger 6 further heated and combined with other streams, at least partially blown into the atmosphere (ATM) and / or fed to an evaporative cooler.
  • the partial flow c is expanded after passing through the main heat exchanger 6 via a pressure relief valve 9 and also fed at the appropriate pressure in the high-pressure column 71 of the distillation column system 7.
  • the distillation column system 7 is a distillation column system 7 with a classical Linde double column which comprises the high-pressure column 71 and the low-pressure column 72 as a structural unit.
  • the use of the invention in distillation column systems 7 is possible in which a high pressure column and a low pressure column are arranged separately.
  • the high-pressure column 71 and the low-pressure column 72 are connected to one another in a heat-exchanging manner via a main condenser 73.
  • the operating or separating pressures -in each case at the top-are for example, 4.5 to 6.5 bar, preferably about 5.0 bar in the high-pressure column and 1.2 to 1.7 bar, preferably about 1.3 bar in the low-pressure column ,
  • a divided crude argon column 74, 75 and a pure argon column 76 are also provided, but the invention can also be used in plants without corresponding argon recovery.
  • Liquid raw oxygen is withdrawn as stream h from the bottom of the high-pressure column 71, subcooled in a subcooling countercurrent 77 and further cooled to a part in a bottom evaporator 78 of the pure argon column 76. Another part can be routed past the bottom evaporator 78. If no argon production is provided, the stream h can also be transferred directly to an intermediate point into the low-pressure column 72.
  • Gaseous nitrogen from the top of the high-pressure column 71 is passed to a first part as a current k to the cold end of the main heat exchanger 6, there warmed to about ambient temperature and can be used as a sealing gas (seal gas, SG) for the compressors used in the plant.
  • a sealing gas seal gas, SG
  • the remaining gaseous nitrogen from the top of the high-pressure column 71 is fed as stream I to the main condenser 73 where it is at least partially condensed.
  • the liquid nitrogen produced in this process can be partly supplied as reflux to the high-pressure column 71.
  • Another part is supplied as stream m to the subcooling countercurrent 77 where it is subcooled and passed to the top of the low pressure column 72.
  • There, a portion may be withdrawn as stream n to provide a liquid nitrogen product (LIN).
  • the liquid nitrogen product may for example be stored in a tank.
  • gaseous oxygen can be withdrawn as stream o and, if desired, combined with a stream p (impure nitrogen), which is also taken from the low-pressure column 72 and heated in the subcooling countercurrent 77, in a main heat exchanger 6.
  • stream p pure nitrogen
  • a liquid oxygen stream q from the bottom of the low-pressure column 72 can be pressure-increased by means of a pump 79 and at least partially supercooled as stream r in the supercooling countercurrent 77, discharged in a liquid product quantity from the air separation plant 100 and fed to a liquid tank (LOX).
  • Another part of the pressure-boosted by the pump 79 oxygen flow q from the bottom of the low-pressure column 72 can be evaporated as stream s in a gas product amount in the main heat exchanger 6 (or pseudo-vaporized at supercritical pressure), warmed to ambient temperature and then withdrawn as a gaseous pressure product (GOX-IC) become.
  • Gaseous nitrogen can be withdrawn as stream t from the top of the low pressure column 72 and subcooled in the subcooler 77.
  • the stream t can be externally compressed after heating in the main heat exchanger 6 in a compressor (without designation) and provided as gaseous pressure nitrogen (GAN-EC).
  • an argon-containing stream u can be removed from the low-pressure column 72 and fed to the lower part 74 of the crude argon column 74, 75 directly above the sump. Bottom liquid of the lower part 74 of the crude argon column 74, 75 can be returned as stream v to the low-pressure column 72.
  • the lower part 74 and the upper part 75 of the two-part crude argon column 74, 75 can be coupled to each other via lines w and x and corresponding pumps and valves (no designation).
  • the two-part crude argon column 74, 75 can also be realized as a column.
  • the top condensers of the upper part 75 of the crude argon column 74, 75 and the pure argon column 76 may be formed, for example, as reflux condensers or as bath condensers.
  • the crude argon column 75 can in the example shown at the upper end of the return passages of the top condenser, which is shown here as a reflux condenser, taken over a side header a Rohargonstrom y gaseous and the pure argon column 76 are fed at a suitable intermediate point.
  • the bottom liquid of the pure argon column 76 can be partially vaporized in the bottom evaporator 78, wherein the steam generated thereby can be used as ascending gas in the pure argon column 76.
  • the remainder can be taken from the pure argon column 76 as a liquid pure argon product stream z.
  • the liquid pure argon (LAR) can be transferred to a tank. At least part of the pure argon can be brought to liquid pressure, evaporated in the main heat exchanger 6 and discharged as gaseous pressure product (LAR IC) (see the right chamber of the main heat exchanger 6, so-called argon internal compression).
  • FIG. 2 shows a main compressor unit according to an embodiment of the invention in the form of a schematic system diagram.
  • the main compressor unit is as in the FIG. 1 , generally designated 2.
  • the main compressor unit 2 comprises an electric drive 210 and a group of compressor stages, here indicated generally at 220.
  • the main compressor unit 2 has six compressor stages in the example shown. As explained above, however, corresponding main compressor units can also be designed with a smaller or larger number of compressor stages.
  • Each of the compressor stages comprises in the illustrated example in each case a compressor 221 and an aftercooler 222 (only provided at a compressor stage with reference numerals).
  • the specific embodiment may be different from the illustrated example.
  • the atmospheric air AIR sucked in via the filter 1 can also be passed successively through a plurality of compressors 221 and then subsequently cooled in an aftercooler 222.
  • the aftercooler 3 can also be dispensed with, or one of the aftercoolers 222 of the group 220 of compressor stages can assume the function of the aftercooler 3.
  • At any point between the respective compressor stages of the group 220 of compressor stages further air streams can be fed, which may be, for example, an air stream, which was previously relaxed to atmospheric pressure. This can be the current g, for example FIG. 1 be.
  • the electric drive 210 of the compressor unit 2 is designed as a slip-ring rotor motor 210 according to this embodiment of the invention. In the example shown, it is a three-phase slip ring motor 210. Basically, however, slip ring motors 210 with a different number of phases are known.
  • the slip ring motor 210 includes a stator 211 and a rotor 212.
  • the stator 211 may be formed according to a stator of a squirrel-cage motor. It is energized via corresponding phase connections U, V and W. A commutation circuit used for this purpose is not shown.
  • the rotor 212 comprises a rotor winding provided with suitable starting resistors R and externally controllable.
  • the rotor winding of the rotor 212 is constructed as a three-phase winding.
  • the windings are preferably connected in the star, in other embodiments in the triangle.
  • the neutral point of the windings is arranged inside the rotor 212. Alternatively, the neutral point can also be led to the outside via a slip ring.
  • the winding ends, here denoted by K, L and M, are connected to slip rings, to which suitable brushes can be applied as current collectors.
  • the material of the brushes is preferably optimized for cranking operation and need not be designed for sustained loading.
  • the rotor winding is preferably short-circuited via a suitable slip ring short-circuiting device (not shown). Subsequently, the brushes are lifted off the slip rings by means of a brush lifting device. During normal operation, the brushes are lifted off and the rotor is short-circuited.
  • the slip rings can be housed in a separate housing from the actual motor housing. This allows easier maintenance of slip rings and brushes. Brush abrasion is kept away from the actual engine in this way. Maintaining a corresponding slip-ring motor 210 essentially involves replacing worn brushes and cleaning. However, as the brushes only rest during start-up and then lift off, replacement and cleaning are kept to a minimum. The maintenance intervals are thus not extended compared to those of comparable squirrel-cage motors.
  • the terminals K, L and M are connected to a connection point 213.
  • the resistance value of the starting resistors R is determined after the turn-on time, i. at the start of the slip-ring rotor motor 210, continuously reduced until the terminals K, L and M at the rated speed of the slip-ring motor 210 can be short-circuited via the connection point 213. This is done as mentioned, e.g. by means of a slip ring short-closing device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (7), das zumindest eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) umfasst, und einer Hauptverdichtereinheit (2), die dafür eingerichtet ist, eine Gesamtluftmenge, die der Luftzerlegungsanlage (100) insgesamt zugeführt wird, auf einen Druck zu verdichten, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (71) eingerichtet ist. Die Hauptverdichtereinheit (2) weist einen Schleifringläufermotor (210) auf. Ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und die entsprechende Verwendung eines Schleifringläufermotors (210) sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Luftzerlegungsanlage, ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mittels einer derartigen Luftzerlegungsanlage und die entsprechende Verwendung eines Schleifringläufermotors.
    • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt. Derartige Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
  • Die Destillationssäulensysteme werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren jeweiligen Trennsäulen betrieben. Die Doppelsäulensysteme weisen dabei eine sogenannte Hochdrucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule auf. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar, betrieben. Bei den hier und im Folgenden angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Entsprechende Luftzerlegungsanlagen können beispielsweise mit sogenannter Innenverdichtung betrieben werden. Bei der Innenverdichtung wird dem Destillationssäulensystem ein flüssiger Strom entnommen und zumindest zum Teil flüssig auf Druck gebracht. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird in einem Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage gegen einen Wärmeträger erwärmt und verdampft. Bei dem flüssigen Strom kann es sich insbesondere um flüssigen Sauerstoff, jedoch auch z.B. um Stickstoff oder Argon handeln. Die Innenverdichtung wird damit zur Gewinnung entsprechender gasförmiger Druckprodukte eingesetzt. Sauerstoff, jedoch auch z.B. um Stickstoff oder Argon handeln. Die Innenverdichtung wird damit zur Gewinnung entsprechender gasförmiger Druckprodukte eingesetzt.
  • Die Innenverdichtung ist beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben: DE 830 805 B , DE 901 542 B (entspricht US 2 712 738 A bzw. US 2 784 572 A ), DE 952 908 B , DE 1 103 363 B ( US 3 083 544 A ), DE 1 112 997 B ( US 3 214 925 A ), DE 1 124 529 B , DE 1 117 616 B ( US 3 280 574 A ), DE 1 226 616 A ( US 3 216 206 A ), DE 1 229 561 B ( US 3 222 878 A ), DE 1 199 293 B , DE 1 187 248 B ( US 3 371 496 A ), DE 1 235 347 B , DE 1 258 882 A ( US 3 426 543 A ), DE 1 263 037 A ( US 3 401 531 A ), DE 1 501 722 A ( US 3 416 323 A ), DE 1 501 723 A ( US 3 500 651 A ), DE 25 351 32 B2 ( US 4 279 631 A ), DE 26 46 690 A1 , EP 0 093 448 B1 ( US 4 555 256 A ), EP 0 384 483 B1 ( US 5 036 672 A ), EP 0 505 812 B1 ( US 5 263 328 A ), EP 0 716 280 B1 ( US 5 644 934 A ), EP 0 842 385 B1 ( US 5 953 937 A ), EP 0 758 733 B1 ( US 5 845 517 A ), EP 0 895 045 B1 ( US 6 038 885 A ), DE 198 03 437 A1 , EP 0 949 471 B1 ( US 6 185 960 B1 ), EP 0 955 509 A1 ( US 6 196 022 B1 ), EP 1 031 804 A1 ( US 6 314 755 B1 ), DE 199 09 744 A1 , EP 1 067 345 A1 ( US 6 336 345 B1 ), EP 1 074 805 A1 ( US 6 332 337 B1 ), DE 199 54 593 A1 , EP 1 134 525 A1 ( US 6 477 860 B2 ), DE 100 13 073 A1 , EP 1 139 046 A1 , EP 1 146 301 A1 , EP 1 150 082 A1 , EP 1 213 552 A1 , DE 101 15 258 A1 , EP 1 284 404 A1 ( US 2003/051504 A1 ), EP 1 308 680 A1 ( US 6 612 129 B2 ), DE 102 13 212 A1 , DE 102 13 211 A1 , EP 1 357 342 A1 , DE 102 38 282 A1 , DE 103 02 389 A1 , DE 103 34 559 A1 , DE 103 34 560 A1 , DE 103 32 863 A1 , EP 1 544 559 A1 , EP 1 585 926 A1 , DE 102005 029 274 A1 , EP 1 666 824 A1 , EP 1 672 301 A1 , DE 10 2005 028 012 A1 , WO 2007/033838 A1 , WO 2007/104449 A1 , EP 1 845 324 A1 , DE 10 2006 032 731 A1 , EP 1 892 490 A1 , DE 10 2007 014 643 A1 , EP 2 015 012 A2 , EP 2 015 013 A2 , EP 2 026 024 A1 , WO 2009/095188 A2 , DE 10 2008 016 355 A1 .
  • Der Begriff "Verdampfen" schließt bei der Innenverdichtung Fälle ein, bei denen ein überkritischer Druck herrscht und daher kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne stattfindet. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird dann "pseudoverdampft". Gegen einen entsprechenden (pseudo-)verdampfenden Strom wird ein Wärmeträger verflüssigt (bzw. pseudoverflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird dabei üblicherweise durch einen Teil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten verdichteten Luft gebildet.
  • Um den flüssig auf Druck gebrachten Strom erwärmen und verdampfen zu können, muss der Wärmeträger aufgrund thermodynamischer Gegebenheiten einen höheren Druck als der flüssig auf Druck gebrachte Strom haben. In diesem Zusammenhang können sogenannte High-Air-Pressure-Verfahren (HAP) eingesetzt werden.
  • Bei einem HAP-Verfahren, das typischerweise mit einem Doppelsäulensystem verwendet wird, wird die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte Luft bzw. die in einem entsprechenden Verfahren in einer Luftzerlegungsanlage insgesamt eingesetzte Luft (hier als "Gesamtluftmenge" bezeichnet) in einem einzigen Hauptverdichter (hier auch als "Hauptverdichtereinheit" bezeichnet) - auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied beträgt mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar.
  • In HAP-Verfahren kann die in der Hauptverdichtereinheit verdichtete Luftmenge von der Prozessluftmenge entkoppelt werden. In einem derartigen Fall wird nur ein Teil der auf den genannten Druck verdichteten Gesamtluftmenge als sogenannte Prozessluft genutzt, also für die eigentliche Rektifikation verwendet und in die Hochdrucksäule eingespeist. Eine derartige Entkopplung ist jedoch nicht in allen HAP-Verfahren vorgesehen. HAP-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 466 236 A1 , der EP 2 458 311 A1 und der US 5 329 776 A bekannt.
  • Anteile der Gesamtluftmenge können optional gemeinsam oder getrennt voneinander in einem oder mehreren Nachverdichtern auf einen nochmals höheren Druck (hier als Nachverdichterdruck bezeichnet) nachverdichtet werden. Sie können anschließend über eine Entspannungsmaschine (sogenannter Turbinenstrom) und/oder über ein Entspannungsventil (sogenannter Drosselstrom) jeweils auf den Betriebsdruck der Hochdrucksäule oder einen geringfügig darüber liegenden Druck entspannt werden. Die jeweils entspannten Anteile können in die Hochdrucksäule eingespeist werden.
  • Ein weiterer Anteil der Gesamtluftmenge kann, ggf. nach voriger Nachverdichtung und Entspannung in der erwähnten Entspannungsmaschine, in einer weiteren Entspannungsmaschine weiter entspannt werden. Hierdurch kann der Kältebedarf der Luftzerlegungsanlage gedeckt werden. Dieser Anteil der Gesamtluftmenge wird jedoch nicht in die Hochdrucksäule eingespeist, sondern letztlich auf einen Druck entspannt, der niedriger ist als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule, beispielsweise auf Atmosphärendruck oder den Betriebsdruck der Niederdrucksäule. Dieser Anteil kann anschließend beispielsweise erneut in dem Hauptverdichter verdichtet, in die Atmosphäre abgeblasen und/oder in die Niederdrucksäule eingespeist werden.
  • Bei einem HAP-Verfahren wird also die Gesamtluftmenge erhöht und gleichzeitig auf einen höheren Druck verdichtet. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Hauptverdichtereinheit, und somit auch deren Antrieb, sind daher hoch. In herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen werden zum Antreiben der Hauptverdichtereinheit typischerweise Elektromotoren mit einer Leistung von 1 bis über 10 MW eingesetzt, die als Asynchronmotoren ausgebildet sind.
  • Asynchronmotoren besitzen jedoch bekanntermaßen einen hohen Anlaufstrom. Als Anlaufstrom wird der Strom bezeichnet, welcher nach dem Einschalten durch den Asynchronmotor fließt, um diesen aus dem Stillstand hochzubeschleunigen. Der Anlaufstrom eines Asynchronmotors liegt stets deutlich über dem Nennstrom, also dem Strom, der bei der Nenndrehzahl durch den Asynchronmotor fließt. Die Nenndrehzahl bezeichnet die Drehzahl, bei der der Asynchronmotor im Normalbetrieb läuft, bzw. für die dieser ausgelegt ist. Der Anlaufstrom ist auch von der Last abhängig, mit der der. Motor anlaufen muss, dem sogenannten Anlaufmoment. Ein typischer Asynchronmotor besitzt bei sogenanntem Schweranlauf je nach Bauart einen Anlaufstrom vom ca. vierbis achtfachen seines Nennstroms. Hierdurch ergeben sich erhöhte Belastungen im speisenden Stromnetz. Beispielsweise kann es durch die erhöhte Stromaufnahme zu Spannungseinbrüchen kommen, die Auswirkungen auf weitere angeschlossene Verbraucher haben. Bereits bei einem Spannungseinbruch von ca. 10 bis 15% können beispielsweise Datenverarbeitungseinrichtungen ausfallen oder Relais abfallen, wodurch beispielsweise der Betrieb einer Luftzerlegungsanlage gestört wird.
  • Asynchronmotoren können zwar typbedingt grundsätzlich ein relativ hohes Anlaufmoment bereitstellen, so dass die Einheit aus Asynchronmotor und angeschlossener Maschine in relativ kurzer Zeit hochläuft. Bei hohen Trägheits - und/oder Gegenmomenten, wie sie in einer Hauptverdichtereinheit einer Luftzerlegungsanlage auftreten können, also bei Schweranlauf, können jedoch mehrere Sekunden verstreichen. Durch den gleichzeitig hohen Anlaufstrom kann es dabei zu Überhitzung kommen, was zu Motorschäden führen kann. Hierbei können alle beteiligten Betriebsmittel (Leistungsschalter, Sicherungen, Kabel etc.) betroffen sein.
  • Zur Begrenzung des Anlaufstroms können bei schwacher Netzleistung Frequenzwandler (Frequenzumrichter) verwendet werden, die einen geführten, stufenlosen Motorstart des Asynchronmotors mit Vorgabe eines Nennmoments ermöglichen. Die Verwendung von Frequenzwandlern ist jedoch aufwendig und kostenintensiv. Bei leistungsfähigeren Netzen können beispielsweise angepasste Anlassverfahren (z.B. Direktanlass oder Anlass mittels Spartransformatoren) verwendet werden. Auch dies erweist sich jedoch häufig nicht als zufriedenstellend.
  • Es besteht daher auch weiterhin der Bedarf nach Verbesserungen bei Luftzerlegungsanlagen, die nach dem HAP-Verfahren arbeiten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden eine Luftzerlegungsanlage, ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mittels einer derartigen Luftzerlegungsanlage und die entsprechende Verwendung eines Schleifringläufermotors mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung geht von einer an sich bekannten Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem aus, das zumindest eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule umfasst. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage weist ferner eine Hauptverdichtereinheit auf, die dafür eingerichtet ist, eine Gesamtluftmenge, die der Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführt wird, auf einen Druck zu verdichten, der mindestens 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule eingerichtet ist. Die vorliegende Erfindung kommt damit bei den eingangs erläuterten HAP-Verfahren zum Einsatz, bei denen entsprechend erhöhte Drücke für die Gesamtluftmenge verwendet werden.
  • Eine "Hauptverdichtereinheit" ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verdichter oder eine Verdichteranordnung, die eine mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft in der Luftzerlegungsanlage darstellt. Diese kann als ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter ausgebildet sein, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in einem Gehäuse untergebracht oder mit einem Getriebe verbunden sein können. Insbesondere kann eine derartige Hauptverdichtereinheit die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft in der Luftzerlegungsanlage darstellen, wobei unter einer "einzigen Maschine" auch die erwähnten mehrstufigen Verdichter verstanden werden, deren Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind.
  • Sogenannte Turbinenbooster, also Verdichter, die nur durch die ihnen jeweils zugeordneten Entspannungsmaschinen (Turboexpander) zur Entspannung von Anteilen der Gesamtluftmenge angetrieben werden, zählen nicht zu den mit externer Energie angetriebenen Maschinen. Eine Hauptverdichtereinheit umfasst dabei einen Antrieb, der, wie eingangs erläutert, üblicherweise in Form eines Elektromotors ausgebildet ist, sowie den eigentlichen Verdichter mit mehreren Verdichterstufen, die dafür eingerichtet sind, die der Hauptverdichtereinheit zugeführte Luft zu verdichten. In HAP-Verfahren eingesetzte Hauptverdichtereinheiten umfassen dabei typischerweise vier, fünf oder sechs Verdichterstufen. Die Verdichterstufen werden über den Antrieb mittels der gemeinsamen Welle angetrieben.
  • Wie erwähnt, ist bei den eingangs erläuterten und im Rahmen der Erfindung eingesetzten HAP-Verfahren der Druck, mit dem die Gesamtluftmenge bereitgestellt wird, wesentlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Unter "wesentlich höher" wird dabei im Rahmen dieser Anmeldung ein Druckunterschied von mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar verstanden.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, eine Hauptverdichtereinheit mit einem Schleifringläufermotor anzutreiben. Ein derartiger Schleifringläufermotor weist den besonderen Vorteil auf, dass, wie nachfolgend erläutert, sein Anlaufstrom auf einen Maximalwert begrenzt werden kann. Bei einem Schleifringläufermotor handelt es sich um einen Elektromotor in Form einer Drehstrom-Asynchronmaschine. Schleifringläufermotoren unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch von gängigen Elektromotoren, die sogenannte Kurzschlussläufer aufweisen, dass die Läuferwicklung nicht (dauerhaft) kurzgeschlossen sondern über die namensgebenden Schleifringe nach außen geführt ist. Der Anlaufstrom derartiger Schleifringläufermotoren kann dadurch verringert werden, dass der Widerstand des Läuferkreises erhöht wird. Hierzu werden die Kontakte der Läuferwicklung, die in Kurzschlussläufern kurzgeschlossen und in einem Schleifringläufermotor nach außen geführt sind, mit einstellbaren Widerständen, sogenannten Anlasswiderständen, miteinander verschaltet.
  • Schleifringläufermotoren eignen sich insbesondere für Einsatzszenarien, in denen hohe Anlaufmomente bei gleichzeitig niedrigem Anlaufstrom gefordert werden. Im Gegensatz zu den eingangs erläuterten konventionellen Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtern, die eine variable Frequenz und somit ein steuerbares Drehfeld aufweisen, benötigen Schleifringläufermotoren keine insbesondere in der hier geforderten Leistungsklasse aufwändige Elektronik. Schleifringläufermotoren einer definierten Leistung können insbesondere standardmäßig für mehrere Luftzerlegungsanlagen einer bestimmten Bauart eingesetzt werden, ohne dass auf die jeweils vorliegende (lokale) Netzauslegung am Einsatzort Rücksicht genommen werden müsste. Die Konzeption und Erstellung entsprechender Luftzerlegungsanlagen wird durch eine derartige Standardisierung deutlich kostengünstiger. Die Kühlung der Schleifringläufermotoren kann dabei vorteilhafterweise mittels Luft-/Wasser-Wärmetauschern erfolgen, die auch in entsprechende Kreisläufe einer Luftzerlegungsanlage eingebunden werden können.
  • Die Verwendung von Schleifringläufermotoren ist insbesondere in den erläuterten HAP-Verfahren vorteilhaft, weil hier ein überproportional höheres Anlaufmoment als bei herkömmlichen Verdichtern zu beobachten ist. HAP-Hauptverdichtereinheiten weisen, wie erwähnt, typischerweise vier, fünf oder sechs Verdichterstufen auf, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind. Diese besitzen ein überproportional erhöhtes Anlaufmoment im Vergleich zu den bekannten Hauptverdichter-Nachverdichter-Kombinationen (sogenannte Main Air Compressor/Booster Air Compressor- bzw. MAC/BAC-Kombinationen). Schleifringläufermotoren können aber auch in derartigen MAC/BAC-Kombinationen zum Einsatz kommen. In derartigen Hauptverdichter-Nachverdichter-Kombinationen liegen getrennte Wellen vor, die jeweils für sich betrachtet geringere Anlaufmomente erfordern.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit insgesamt eine Reduzierung des Anlaufstroms bei einer gleichzeitigen Erhöhung des Anlaufmoments entsprechender Antriebe für Hauptverdichtereinheiten.
  • Wie erläutert, weist die Läuferwicklung des Läufers des Schleifringläufermotors erste Anschlüsse auf, die über einstellbare Anlasswiderstände miteinander verbunden sind. Über diese Anlasswiderstände lässt sich ein Widerstand im Läufer bzw. der Läuferwicklung dosiert einstellen. Die anderen (zweiten) Anschlüsse der Läuferwicklung sind vorteilhafterweise in Sternschaltung miteinander verschaltet, wie auch nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur 2 noch näher erläutert. Schleifringläufermotoren können grundsätzlich auch Läufer aufweisen, die mit einer Hilfsspannung mit einstellbarer Frequenz beaufschlagbar sind. Eine derartige Ausbildung einer Läuferwicklung erweist sich als baulich bzw. konstruktiv aufwändiger, besitzt jedoch in bestimmten Einsatzszenarien Vorteile bezüglich der Dosierung von Anlaufmoment bzw. -strom. Im vorliegenden Einsatzszenario erweisen sich diese jedoch als weniger günstig, da die Schleifringeinrichtung hier nur für den Start verwendet wird. Nach dem Anlaufen wird die Läuferwicklung über eine geeignete Schleifringkurzschließvorrichtung kurzgeschlossen. Anschließend werden die Kontaktgeber (Bürsten) mittels einer Bürstenabhebevorrichtung von den Schleifringen abgehoben. Im regulären Betrieb sind die Bürsten abgehoben und der Rotor ist kurzgeschlossen. Der Betrieb entspricht damit jenem eines normalen asynchronen Kurzschlussläufermotors. Dies ist vorteilhaft, da ständig aufliegende Bürsten, wie sie zur Bereitstellung einer Hilfsspannung erforderlich sind, einen schlechteren Wirkungsgrad verursachen und den Wartungsaufwand erhöhen.
  • Ein Schleifringläufermotor, wie er erfindungsgemäß zum Einsatz kommt, weist bei einer Nenndrehzahl einen Nennstrom auf. Vorteilhafterweise ist dabei der Anlassstrom des Schleifringläufermotors auf höchstens den 1,1-fachen Wert des Nennstroms begrenzbar. Der Anlassstrom liegt also höchstens 10% über dem Nennstrom, kann jedoch auch beispielsweise auf andere Werte begrenzt werden. Der Anlassstrom kann beispielsweise 50%, 40%, 30%, 20%, 8%, 6%, 4% oder 2% über dem Nennstrom liegen. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber bekannten Hauptverdichtereinheiten von HAP-Luftzerlegungsanlagen dar, bei denen, wie erwähnt, der Anlassstrom bis zum Vier- bis Achtfachen des Nennstroms beträgt.
  • Die Erfindung kann insbesondere bei Hauptverdichtereinheiten mit hoher Leistung zum Einsatz kommen. Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung für Hauptverdichtereinheiten mit einer Nennleistung von 1 bis 25 MW, insbesondere von 8 bis 25 oder von 8 bis 18 MW.
  • Wie bereits erwähnt, werden Hauptverdichtereinheiten, wie sie in der erwähnten Leistungsklasse zum Einsatz kommen, typischerweise mit vier bis sechs Verdichtungsstufen realisiert. Die Erfindung ermöglicht einen Antrieb eines derartigen Verdichters mit einer gemeinsamen Welle, ohne dass durch die erhöhte Stromaufnahme beim Anlassen die eingangs erläuterten negativen Effekte auftreten.
  • Sowohl der Motorwirkungsgrad als auch der Leistungsfaktor eines Schleifringläufermotors sind über einen Leistungsbereich von ca. 65 - 100% der Motornennleistung gleichbleibend gut. Ein Schleifringläufermotor kann dabei in besonders vorteilhafter Weise zum Antrieb einer Hauptverdichtereinheit zum Einsatz kommen, die mit Laufrädern unterschiedlicher Laufradgrößen ausgestattet werden kann. Beispielsweise sind hierbei vier Laufradgrößen verwendbar; die entsprechenden Laufräder sind gegeneinander austauschbar. Hieraus ergeben sich unterschiedliche elektrische Leistungsanforderungen an den elektrischen Antrieb, die durch einen Schleifringläufermotor deutlich besser als durch einen herkömmlichen asynchronen Kurzschlussläufermotor bedient werden können. Damit kann einundderselbe Schleifringläufermotor für Hauptverdichtereinheiten und damit Luftzerlegungsanlagen unterschiedlicher Leistungsklassen eingesetzt werden.
  • Wie erläutert, eignet sich ein Schleifringläufermotor insbesondere für die hier in Frage kommenden Hauptverdichtereinheiten, weil diese ein hohes Anfahrmoment sowie sehr hohe Massenträgheitsmomente aufweisen. Das Massenträgheitsmoment einer entsprechenden Hauptverdichtereinheit liegt beispielsweise beim bis zu Vierzigfachen des Motorträgheitsmoments. Das Anfahrmoment beträgt z.B. 25 - 70% oder 25 - 50% des Motornennmoments. Das maximal zur Verfügung stehende Anfahrmoment entspricht dem Motornennmoment bei maximal dem 1,1-fachen Motornennstrom.
  • Ein besonderer Vorteil ergibt sich aus der Verwendung eines Schleifringläufermotors auch daraus, dass sich über den gezielt veränderbaren Anlasswiderstand die Hochlaufzeit der Hauptverdichtereinheit sowie das Durchlaufen kritischer Drehzahlen bzw. Drehzahlbereiche während des Hochlaufs gezielt steuern lassen. Hierdurch können insbesondere Belastungen des Verdichters (z.B. durch Vibrationen in diesen kritischen Drehzahlbereichen) während des Hochlaufs reduziert werden.
  • Insbesondere eignet sich die Verwendung eines Schleifringläufermotors für die eingangs erläuterten Verfahren, die mittels Innenverdichtung arbeiten, also für solche Verfahren, die zur Bereitstellung zumindest eines flüssigen Luftprodukts mittels eines Innenverdichtungsverfahrens eingerichtet sind. Derartige Verfahren benötigen eine erhöhte Kältemenge, weil das entnommene flüssige Luftprodukt nicht zur Rückgewinnung von Kälte zur Verfügung steht.
  • Eine vorteilhafte Luftzerlegungsanlage weist ferner einen Hauptwärmetauscher, eine erste Entspannungsmaschine und ein Entspannungsventil auf, und ist dafür eingerichtet, einen ersten Anteil der Gesamtluftmenge in dem Hauptwärmetauscher abzukühlen, in der ersten Entspannungsmaschine zu entspannen und in die Hochdrucksäule einzuspeisen. Eine derartige Luftzerlegungsanlage ist ferner dazu eingerichtet, einen zweiten Anteil der Gesamtluftmenge nacheinander in dem Hauptwärmetauscher abzukühlen, in einem Entspannungsventil zu entspannen und in die Hochdrucksäule einzuspeisen. Die Entspannung des ersten Anteils der Einsatzluftmenge in der Entspannungsmaschine kann dazu verwendet werden, einen Turbinenbooster zu betreiben, so dass die hier frei werdende mechanische Leistung sinnvoll genutzt werden kann. Eine derartige Luftzerlegungsanlage ist insbesondere unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur 1 noch näher erläutert.
  • Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, beispielsweise aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Hauptwärmetauscher dient zur Abkühlung der Anteile der Gesamtluftmenge im indirekten Wärmetausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulensystem bzw. zur Verdampfung bei der Innenverdichtung.
  • Der Begriff "Entspannungsmaschine" umfasst jede Maschine zur arbeitsleistenden Entspannung eines Prozessstroms, beispielsweise eines der Anteile der Gesamtluftmenge. Bevorzugt werden die Entspannungsmaschinen bei der vorliegenden Erfindung jedoch durch die grundsätzlich aus dem Bereich der Kryotechnik bekannten Turboexpander bzw. Expansionsturbinen gebildet.
  • Ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon die Rede, dass Anteile der Gesamtluftmenge in einem Hauptwärmetauscher "abgekühlt" und/oder "erwärmt" werden, bedeutet dies, dass entsprechende Anteile der Gesamtluftmenge den Wärmetauscher zumindest über eine gewisse Fließstrecke durchlaufen. Die Abkühlung bzw. Erwärmung muss dabei nicht im gesamten Umfang des durch den Wärmetauscher bereitgestellten Temperaturgradienten erfolgen, entsprechende Anteile können vielmehr auch nur teilweise abgekühlt bzw. erwärmt werden.
  • In entsprechender Weise werden die Anteile in den verwendeten Entspannungsmaschinen bzw. weiteren Entspannungseinrichtungen wie Entspannungsventilen nicht notwendigerweise vollständig (d.h. auf Umgebungsdruck) entspannt, sondern ggf. nur in einem gewissen Umfang (teilentspannt).
  • Eine erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage umfasst vorteilhafterweise auch eine zweite Entspannungsmaschine und ist dafür eingerichtet, einen dritten Anteil der Gesamtluftmenge auf einen Druck zu entspannen, der geringer ist als der Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule eingerichtet ist. Hierdurch wird das eingangs erwähnte Konzept realisiert, das umfasst, die im Hauptverdichter verdichtete Luftmenge von der Prozessluftmenge zu entkoppeln. Der auf den genannten Druck entspannte dritte Anteil der Gesamtluftmenge kann beispielsweise erneut der Verdichtereinheit zugeführt und dort erneut verdichtet werden.
  • Ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, das mit einer zuvor erläuterten Luftzerlegungsanlage durchgeführt wird, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Ein derartiges Verfahren profitiert von den erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Gleiches gilt für die erfindungsgemäße Verwendung eines Schleifringläufermotors.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms.
    • Figur 2 zeigt eine Hauptverdichtereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms.
    Ausführliche Beschreibung der Figuren
  • In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage schematisch in Form eines Anlagendiagramms dargestellt. Die zur Innenverdichtung eingerichtete Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Sie kann mit einer Hauptverdichtereinheit 2 wie zuvor erläutert und in der Figur 2 detaillierter gezeigt ausgestattet sein.
  • Es sei an dieser Stelle betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz bei Luftzerlegungsanlagen 100 in der hier dargestellten spezifischen Ausführungsform beschränkt ist, sondern grundsätzlich bei unterschiedlichsten HAP-Verfahren zum Einsatz kommen kann. Die Figur 1 dient somit vornehmlich der Erläuterung der Einbindung der in der Figur 2 schematisch gezeigten Hauptverdichtereinheit 2 in einen Gesamtzusammenhang einer Luftzerlegungsanlage 100.
  • Eine Gesamtluftmenge atmosphärischer Luft (AIR) wird über ein Filter 1 von der Hauptverdichtereinheit 2 angesaugt und dort auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der bei einem HAP-Verfahren, wie es hier zum Einsatz kommt, zumindest 4 bar höher ist als der Betriebsdruck einer Hochdrucksäule (siehe unten). Die Hauptverdichtereinheit 2 ist in der Figur 1 stark vereinfacht dargestellt. Zu den weiteren Details der Hauptverdichtereinheit 2 sei insbesondere auf die obigen Erläuterungen und auf Figur 2 verwiesen.
  • Nach Durchströmen eines Nachkühlers 3 und eines hier nicht näher erläuterten Abscheiders 4 zum Abscheiden von Wasser (H2O) wird die verdichtete Luft einer Reinigungsvorrichtung 5 zugeführt, die ein Paar von mit Adsorptionsmaterial, vorzugsweise Molekularsieb, gefüllten Behältern aufweist. Die gereinigte Luft verlässt die Reinigungsvorrichtung 5 als Strom a.
  • Der Strom a wird in der Luftzerlegungsanlage 100 auf herkömmliche Weise zunächst in einem ersten Nachverdichter 11 und anschließend in einem zweiten Nachverdichter 21 nachverdichtet. Der erste Nachverdichter 11 und der zweite Nachverdichter 21 sind jeweils mit einer ersten Entspannungsmaschine 12 bzw. einer zweiten Entspannungsmaschine 22 mechanisch gekoppelt, beispielsweise jeweils über eine gemeinsame Welle. Stromab des ersten Nachverdichters 11 und des zweiten Nachverdichters 21 sind jeweils Nachkühler 13 bzw. 23 angeordnet. Stromab des zweiten Nachverdichters 21 bzw. des Nachkühlers 23 wird der Strom a, also die Gesamtluftmenge, in einen Teilstrom b und in einen Teilstrom c aufgeteilt. Die Aufteilung kann jedoch auch an anderer Stelle erfolgen.
  • Der Teilstrom b und der Teilstrom c werden in einem Hauptwärmetauscher 6 abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt vorzugsweise auf unterschiedliche Temperaturen, so dass der Teilstrom b dem Hauptwärmetauscher 6 bei einer Zwischentemperatur entnommen und damit "teilabgekühlt" wird und der Teilstrom c den Hauptwärmetauscher 6 bis zu dessen kaltem Ende durchläuft.
  • Nach der Entnahme des Teilstroms b aus dem Hauptwärmetauscher 6 wird dieser der ersten Entspannungsmaschine 12 zugeführt und dort auf einen Zwischendruck entspannt. Der Zwischendruck liegt geringfügig oberhalb eines Betriebsdrucks einer Hochdrucksäule 71 eines Destillationssäulensystems 7, das unten näher erläutert wird.
  • Der weiterhin mit b bezeichnete und auf den Zwischendruck entspannte Teilstrom wird einem Abscheider 8 zugeführt, von dessen Sumpf eine flüssige Fraktion als ein Strom d abgezogen werden kann. Der Strom d kann (vgl. Verknüpfungspunkt A, beispielsweise 0% bis 15% des Stroms b) in eine Niederdrucksäule 72 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist werden.
  • Eine gasförmige Fraktion vom Kopf des Abscheiders 8 kann als Strom e abgezogen und erneut in einen Teilstrom f und einen Teilstrom g aufgeteilt werden. Der Teilstrom f wird in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist, wie unten näher erläutert. Der Teilstrom g wird in dem Hauptwärmetauscher 6 erwärmt und in der zweiten Entspannungsmaschine 22 auf einen Enddruck, beispielsweise Atmosphärendruck, entspannt. Der entspannte Teilstrom g kann anschließend in dem Hauptwärmetauscher 6 weiter erwärmt und mit weiteren Strömen vereinigt, zumindest teilweise in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen und/oder einem Verdunstungskühler zugeführt werden.
  • Der Teilstrom c wird nach dem Durchlaufen des Hauptwärmetauschers 6 über ein Entspannungsventil 9 entspannt und ebenfalls bei entsprechenden Druck in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist.
  • Bei dem Destillationssäulensystem 7 handelt es sich im dargestellten Beispiel um ein Destillationssäulensystem 7 mit einer klassischen Linde-Doppelsäule, die die Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 als bauliche Einheit umfasst. Alternativ dazu ist der Einsatz der Erfindung auch in Destillationssäulensystemen 7 möglich, bei denen eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule getrennt voneinander angeordnet sind. Die Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 sind über einen Hauptkondensator 73 wärmetauschend miteinander verbunden. Die Betriebs- bzw. Trenndrücke -jeweils am Kopf - betragen beispielsweise 4,5 bis 6,5 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar in der Hochdrucksäule und 1,2 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,3 bar in der Niederdrucksäule. Im dargestellten Beispiel sind ferner eine geteilte Rohargonsäule 74, 75 und eine Reinargonsäule 76 vorgesehen, die Erfindung kann jedoch auch in Anlagen ohne eine entsprechende Argongewinnung zum Einsatz kommen.
  • Flüssiger Rohsauerstoff wird als Strom h vom Sumpf der Hochdrucksäule 71 abgezogen, in einem Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt und zu einem Teil in einem Sumpfverdampfer 78 der Reinargonsäule 76 weiter abgekühlt. Ein anderer Teil kann an dem Sumpfverdampfer 78 vorbeigeleitet werden. Ist keine Argongewinnung vorgesehen, kann der Strom h auch direkt an einer Zwischenstelle in die Niederdrucksäule 72 überführt werden.
  • Anschließend strömt ein Teil des Rohsauerstoffs des Stroms h in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Rohargonsäule 75, ein anderer Teil in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Reinargonsäule 76. Der in den Kopfkondensatoren einerseits verdampfte und andererseits flüssig verbliebene Anteil des Rohsauerstoffs wird der Niederdrucksäule 72 in Form der Ströme i und j an geeigneten Zwischenstellen zugeführt. Wie erwähnt kann, wenn keine Argongewinnung vorgesehen ist, der Rohsauerstoff des Stroms h auch direkt an diesen oder entsprechenden Zwischenstellen eingespeist werden.
  • Gasförmiger Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird zu einem ersten Teil als Strom k zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 6 geleitet, dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und kann als Dichtgas (Sealgas, SG) für die verwendeten Verdichter der Anlage eingesetzt werden.
  • Der restliche gasförmige Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird als Strom I dem Hauptkondensator 73 zugeführt und dort mindestens teilweise kondensiert. Der dabei erzeugte flüssige Stickstoff kann zu einem Teil als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 71 aufgegeben werden. Ein anderer Teil wird als Strom m dem Unterkühlungsgegenströmer 77 zugeführt, dort unterkühlt und zum Kopf der Niederdrucksäule 72 geleitet. Dort kann ein Teil als Strom n zur Bereitstellung eines Flüssigstickstoffprodukts (LIN) abgezogen werden. Das Flüssigstickstoffprodukt kann beispielsweise in einem Tank eingelagert werden.
  • Unmittelbar oberhalb des Sumpfes der Niederdrucksäule 72 kann gasförmiger Sauerstoff als Strom o entnommen und, gegebenenfalls nach Vereinigung mit einem Strom p (Unreinstickstoff), der ebenfalls der Niederdrucksäule 72 entnommen und in dem Unterkühlungsgegenströmer 77 erwärmt wird, in einem Hauptwärmetauscher 6 angewärmt werden. Die weitere Verwendung der Ströme o und p entspricht beispielsweise jener des erläuterten Stroms g.
  • Ein flüssiger Sauerstoffstrom q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann mittels einer Pumpe 79 druckerhöht und als Strom r zumindest teilweise in dem Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt, in einer Flüssigproduktmenge aus der Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet und einem Flüssigtank (LOX) zugeleitet werden. Ein anderer Teil des mittels der Pumpe 79 druckerhöhten Sauerstoffstroms q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann als Strom s in einer Gasproduktmenge im Hauptwärmetauscher 6 verdampft (beziehungsweise bei überkritischem Druck pseudoverdampft), auf Umgebungstemperatur angewärmt und anschließend als gasförmiges Druckprodukt (GOX-IC) abgezogen werden.
  • Gasförmiger Stickstoff kann als Strom t vom Kopf der Niederdrucksäule 72 abgezogen und im Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt werden. Der Strom t kann nach Erwärmung im Hauptwärmetauscher 6 in einem Verdichter (ohne Bezeichnung) extern verdichtet und als gasförmiger Druckstickstoff (GAN-EC) bereitgestellt werden.
  • An einer Zwischenstelle, dem sogenannten Argonübergang, kann in der dargestellten Anlage der Niederdrucksäule 72 ein argonhaltiger Strom u entnommen und dem unteren Teil 74 der Rohargonsäule 74, 75 unmittelbar über dem Sumpf zugeführt werden. Sumpfflüssigkeit des unteren Teils 74 der Rohargonsäule 74, 75 kann als Strom v in die Niederdrucksäule 72 zurückgeleitet werden.
  • Der untere Teil 74 und der obere Teil 75 der zweigeteilten Rohargonsäule 74, 75 können über Leitungen w und x und entsprechende Pumpen und Ventile (ohne Bezeichnung) miteinander gekoppelt sein. Die zweigeteilte Rohargonsäule 74, 75 kann auch als eine Säule realisiert sein.
  • Die Kopfkondensatoren des oberen Teils 75 der Rohargonsäule 74, 75 und der Reinargonsäule 76 können beispielsweise als Rücklaufkondensatoren oder als Badkondensatoren ausgebildet sein. Der Rohargonsäule 75 kann im dargestellten Beispiel am oberen Ende der Rücklaufpassagen des Kopfkondensators, der hier als Rücklaufkondensator gezeigt ist, über einen seitlichen Header ein Rohargonstrom y gasförmig entnommen und der Reinargonsäule 76 an einer geeigneten Zwischenstelle zugeleitet werden.
  • Die Sumpfflüssigkeit der Reinargonsäule 76 kann zu einem Teil in dem Sumpfverdampfer 78 verdampft werden, wobei der dabei erzeugte Dampf als aufsteigendes Gas in der Reinargonsäule 76 genutzt werden kann. Der Rest kann der Reinargonsäule 76 als flüssiger Reinargonproduktstrom z entnommen werden. Das flüssige Reinargon (LAR) kann in einen Tank überführt werden. Zumindest ein Teil des Reinargons kann flüssig auf Druck gebracht, in den Hauptwärmetauscher 6 verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (LAR IC) abgegeben werden (vgl. die rechte Kammer des Hauptwärmetauschers 6, sogenannte Argoninnenverdichtung).
  • Figur 2 zeigt eine Hauptverdichtereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms. Die Hauptverdichtereinheit ist, wie in der Figur 1, insgesamt mit 2 bezeichnet.
  • Wie herkömmliche Hauptverdichtereinheiten 2 umfasst die Hauptverdichtereinheit 2 gemäß der Ausführungsform der Erfindung einen elektrischen Antrieb 210 und eine Gruppe von Verdichterstufen, die hier insgesamt mit 220 bezeichnet ist.
  • Die Hauptverdichtereinheit 2 weist im dargestellten Beispiel sechs Verdichterstufen auf. Wie eingangs erläutert, können entsprechende Hauptverdichtereinheiten jedoch auch mit einer geringeren oder größeren Anzahl an Verdichterstufen ausgebildet sein. Jede der Verdichterstufen umfasst im dargestellten Beispiel jeweils einen Verdichter 221 und einen Nachkühler 222 (nur an einer Verdichterstufe mit Bezugszeichen versehen). Die spezifische Ausgestaltung kann hierbei unterschiedlich zu dem dargestellten Beispiel sein. Die über den Filter 1 angesaugte atmosphärische Luft AIR kann beispielsweise auch nacheinander durch mehrere Verdichter 221 geführt und erst anschließend in einem Nachkühler 222 nachgekühlt werden. Der Nachkühler 3 kann auch entfallen, bzw. kann einer der Nachkühler 222 der Gruppe 220 von Verdichterstufen die Funktion des Nachkühlers 3 übernehmen. An beliebiger Stelle zwischen den jeweiligen Verdichterstufen der Gruppe 220 von Verdichterstufen können weitere Luftströme zugespeist werden, wobei es sich beispielsweise um einen Luftstrom handeln kann, der zuvor auf Atmosphärendruck entspannt wurde. Dies kann beispielsweise der Strom g aus Figur 1 sein.
  • Der elektrische Antrieb 210 der Verdichtereinheit 2 ist gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung als Schleifringläufermotor 210 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um einen dreiphasigen Schleifringläufermotor 210. Grundsätzlich sind jedoch auch Schleifringläufermotoren 210 mit anderer Phasenzahl bekannt. Der Schleifringläufermotor 210 umfasst einen Stator 211 und einen Rotor 212.
  • Der Stator 211 kann entsprechend einem Stator eines Kurzschlussläufermotors ausgebildet sein. Er wird über entsprechende Phasenanschlüsse U, V und W bestromt. Eine hierzu verwendete Kommutierungsschaltung ist nicht gezeigt. Der Läufer 212 umfasst im dargestellten Beispiel eine mit geeigneten Anlasswiderständen R versehene und von außen beeinflussbare Läuferwicklung.
  • Im dargestellten Beispiel ist die Läuferwicklung des Läufers 212 als Dreiphasenwicklung aufgebaut. Die Wicklungen sind vorzugsweise im Stern, in anderen Ausführungsformen im Dreieck, geschaltet. Der Sternpunkt der Wicklungen ist im Inneren des Läufers 212 angeordnet. Alternativ kann auch der Sternpunkt über einen Schleifring nach außen geführt werden. Die Wicklungsenden, hier mit K, L und M bezeichnet, sind an Schleifringen angeschlossen, an welchen als Stromabnehmer geeignete Bürsten anliegen können. Das Material der Bürsten ist vorzugsweise für den Anlassbetrieb optimiert und braucht nicht auf eine Dauerbelastung ausgelegt sein. Wie erläutert, wird hier nach dem Anlaufen die Läuferwicklung vorzugsweise über eine geeignete Schleifringkurzschließvorrichtung (nicht dargestellt) kurzgeschlossen. Anschließend werden die Bürsten mittels einer Bürstenabhebevorrichtung von den Schleifringen abgehoben. Im regulären Betrieb sind die Bürsten abgehoben und der Rotor ist kurzgeschlossen.
  • Um einen einfacheren Zugang zu den Bürsten an den Anschlüssen K, L und M zu ermöglichen, können die Schleifringe in einem vom eigentlichen Motorgehäuse getrennten Gehäuse untergebracht sein. Dies ermöglicht eine einfachere Wartung der Schleifringe und der Bürsten. Bürstenabrieb wird auf diese Weise vom eigentlichen Motor ferngehalten. Die Wartung eines entsprechenden Schleifringläufermotors 210 umfasst im Wesentlichen den Austausch abgenutzter Bürsten und die Reinigung. Da die Bürsten hier jedoch nur während des Anlassbetriebs aufliegen und danach abgehoben werden, sind der Austausch und die Reinigung auf ein Minimum reduziert. Die Wartungsintervalle sind damit gegenüber jenen vergleichbarer Kurzschlussläufermotoren nicht verlängert.
  • Über die Anlasswiderstände R sind die Anschlüsse K, L und M mit einem Anschlusspunkt 213 verbunden. Der Widerstandswert der Anlasswiderstände R wird dabei nach dem Anschaltzeitpunkt, d.h. beim Anlaufen des Schleifringläufermotors 210, kontinuierlich verringert, bis die Anschlüsse K, L und M bei der Nenndrehzahl des Schleifringläufermotors 210 über den Anschlusspunkt 213 kurzgeschlossen werden können. Dies erfolgt, wie erwähnt, z.B. mittels einer Schleifringkurzschließvorrichtung.
  • Der Antrieb der Verdichter 221 der Gruppe 220 von Verdichterstufen erfolgt über eine gemeinsame Welle, die hier schematisch mit 230 veranschaulicht ist.

Claims (13)

  1. Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (7), das zumindest eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) umfasst, und einer Hauptverdichtereinheit (2), die dafür eingerichtet ist, eine Gesamtluftmenge, die der Luftzerlegungsanlage (100) insgesamt zugeführt wird, auf einen Druck zu verdichten, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (71) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptverdichtereinheit (2) einen Schleifringläufermotor (210) aufweist.
  2. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 1, bei der die Läuferwicklung des Läufers (212) des Schleifringläufermotors (210) erste Anschlüsse aufweist, die über einstellbare Anlasswiderstände (R) miteinander verbindbar sind.
  3. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Schleifringläufermotor (210) einen Nennstrom bei einer Nenndrehzahl aufweist, wobei ein Anlassstrom des Schleifringläufermotors (210) auf höchstens den 1,1-fachen Wert des Nennstroms begrenzbar ist.
  4. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Schleifringläufermotor (210) eine Nennleistung von 1 bis 25 MW aufweist.
  5. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Hauptverdichtereinheit (2) 4 bis 6 Verdichterstufen aufweist.
  6. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 5, bei der die Verdichterstufen der Hauptverdichtereinheit (2) dafür eingerichtet sind, mit austauschbaren Laufrädern unterschiedlicher Größe ausgestattet zu werden.
  7. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Hauptverdichtereinheit (2) ein Anfahrmoment von 25 - 70% eines Nennmoments des Schleifringläufermotors (210) aufweist.
  8. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zur Bereitstellung zumindest eines flüssigen Luftprodukts mittels eines Innenverdichtungsverfahrens eingerichtet ist.
  9. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ferner einen Hauptwärmetauscher (6), eine erste Entspannungsmaschine (12) und ein Entspannungsventil (8) aufweist und dafür eingerichtet ist, einen ersten Anteil der Gesamtluftmenge in dem Hauptwärmetauscher (6) abzukühlen, in der ersten Entspannungsmaschine (22) zu entspannen und in die Hochdrucksäule (71) einzuspeisen und einen zweiten Anteil der Gesamtluftmenge in dem Hauptwärmetauscher (6) abzukühlen, in dem Entspannungsventil (8) zu entspannen und in die Hochdrucksäule (71) einzuspeisen.
  10. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 9, die ferner eine zweite Entspannungsmaschine (22) aufweist und dafür eingerichtet ist, einen dritten Anteil der Gesamtluftmenge auf einen Druck zu entspannen, der geringer ist als der Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (71).
  11. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (7), das zumindest eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist, und einer Hauptverdichtereinheit (2) verwendet wird, wobei eine Gesamtluftmenge, die in dem Verfahren insgesamt verwendet wird, in einer Hauptverdichtereinheit (2) auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet wird, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule (71) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptverdichtereinheit (2) mit einem Schleifringläufermotor (210) angetrieben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.
  13. Verwendung eines Schleifringläufermotors (210) in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12 und/oder in einer Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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