ES2619352T3

ES2619352T3 - Método y dispositivo para refrigeración

Info

Publication number: ES2619352T3
Application number: ES10719662.8T
Authority: ES
Inventors: Jeremiah James Rauch; Robert Leroy Baker; Gerald T. O'connor; Michael John Stanko; Murali Chinta
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2017-06-26
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: CN102405391A; US20100251766A1; EP2414758A2; US8004102B2; EP2414758B1; WO2010114719A2; CN102405391B; WO2010114719A3

Abstract

Un método de generación de refrigeración en un proceso que funciona a temperaturas por debajo de la ambiental, comprendiendo dicho método: comprimir una corriente de proceso (32) utilizada dentro del proceso para producir una corriente de proceso comprimida (20); expandir la corriente de proceso comprimida (20) dentro de un turboexpansor (200) que tiene un impulsor (201) que es accionado por la corriente de proceso con la realización de trabajo, produciendo de ese modo una corriente de escape (21); introducir la corriente de escape (21) dentro del proceso para transmitir la refrigeración al interior del proceso; generar energía eléctrica con un generador (202) que tiene un rotor (238) acoplado al impulsor (201) de modo que el generador es accionado por el trabajo de expansión; caracterizado por que el turboexpansor (200) está diseñado para funcionar con un parámetro de eficiencia operacional igual al valor óptimo de U/Co; y comprendiendo dicho método adicionalmente: controlar la velocidad del rotor (238) del generador (202) y, por lo tanto, del turboexpansor (200) por medio de un frenado electromagnético del rotor de modo que la velocidad se mantenga en un punto de consigna y la salida de corriente eléctrica del generador aumente a medida que disminuye la velocidad del rotor y disminuya a medida que aumenta la velocidad del rotor; controlar la tensión y la frecuencia de la potencia eléctrica generada por el generador (202) de modo que se mantenga en niveles de adaptación a la línea y la energía eléctrica generada por el generador pueda introducirse en una red eléctrica local a los niveles de adaptación a la línea; y determinar continuadamente el punto de consigna de la velocidad del rotor (238) y, por lo tanto, del turboexpansor (200) mediante el ajuste del punto de consigna igual al producto del parámetro de eficiencia operacional y una raíz cuadrada de dos veces la diferencia entre las entalpías de la corriente de proceso comprimida al entrar en el turboexpansor y la corriente de escape al ser descargada desde el turboexpansor, dividido por un producto de pi y un diámetro del impulsor (201).

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Metodo y dispositivo para refrigeracion Campo de la Invencion

La presente invencion se refiere a un metodo y aparato para la generacion de refrigeracion en un proceso que funciona a una temperatura por debajo de la ambiental en el que la refrigeracion se genera mediante un turboexpansor y el trabajo de expansion se convierte en potencia electrica mediante un generador de velocidad variable acoplado al turboexpansor. Mas particularmente, la presente invencion se refiere a dicho metodo y sistema en el que un controlador auxiliar calcula una velocidad eficiente para el turboexpansor y dicha velocidad eficiente sirve como una entrada a un controlador de velocidad asociado con el generador de velocidad variable para controlar la velocidad del generador y por lo tanto del turboexpansor mediante frenado electromagnetico.

Antecedentes de la Invencion

La refrigeracion se genera en aparatos de temperatura por debajo de la ambiental tales como plantas de separacion de aire y licuefactores para producir las temperaturas por debajo de la ambiental necesarias para la operacion de dichos aparatos. La refrigeracion se genera mediante la expansion de una corriente comprimida a una presion mas baja con la realization de trabajo para generar una corriente de escape frla que se usa para transmitir la refrigeracion al interior del aparato. El trabajo de expansion debe extraerse del aparato y esto se realiza a traves de la generacion de calor en un mecanismo de freno de aceite que se disipa al exterior del aparato, a traves de la carga aplicada por un compresor o por un generador electrico para generar electricidad que puede venderse a la red electrica para disminuir los costes de la energla en hacer funcionar la planta.

Por ejemplo, en una planta de separacion de aire se comprime y purifica el aire para producir una corriente comprimida. Parte de la corriente comprimida se introduce en un intercambiador de calor y se enfrla a una temperatura adecuada para su rectification dentro de una o mas columnas de destilacion para producir nitrogeno y posiblemente tambien, corrientes de producto oxlgeno y argon. Donde se desee corrientes de producto tanto de nitrogeno como de oxlgeno, el aire comprimido y purificado se introduce en una unidad de doble columna que tiene una columna de destilacion de alta presion para separar el nitrogeno del aire y de ese modo producir unos fondos de columna de oxlgeno llquido crudo, tambien conocidos como llquido de hervidor. Una corriente del llquido de fondos se refina adicionalmente en la columna de baja presion para producir unos fondos de columna llquida ricos en oxlgeno a partir de los que se toma el producto oxlgeno y una columna de vapor rica en nitrogeno por encima. La columna de destilacion de alta presion produce tambien una columna de vapor rica en nitrogeno por encima que al menos en parte se condensa a traves de intercambio de calor indirecto con los fondos de columna de llquido rico en oxlgeno en la columna de baja presion para producir un reflujo de nitrogeno llquido para las columnas tanto de alta como de baja presion. El producto nitrogeno se toma desde el vapor rico en nitrogeno producido en la columna de baja presion, la columna de alta presion o ambas o, tambien, desde parte del llquido rico en nitrogeno condensado.

En una planta de separacion de aire, el vapor rico en nitrogeno desde la columna de baja presion y llquido rico en oxlgeno se introducen junto con otras corrientes dentro del extremo frlo del intercambiador de calor principal para ayudar a enfriar el aire y para su descarga como productos nitrogeno y oxlgeno. Sin embargo, en la descarga de dichos productos hay perdidas termicas en el extremo caliente del intercambiador de calor principal as! como fugas de calor al interior de una contention aislada conocida como una caja frla que se usa para alojar las columnas de destilacion. Para compensar dichas fugas de calor y perdidas termicas, se genera refrigeracion mediante la compresion adicional de otra parte del aire comprimido y purificado, enfriando parcialmente dicho aire en el intercambiador de calor principal e introduciendo a continuation el aire comprimido y parcialmente enfriado dentro de un turboexpansor. El turboexpansor puede acoplarse o bien al compresor elevador o bien puede usarse para accionar el generador. En plantas de separacion de aire que estan disenadas para producir un producto oxlgeno gaseoso a alta presion, se bombea una corriente de llquido rico en oxlgeno desde la columna de baja presion y dicha corriente se calienta dentro del intercambiador de calor principal para producir el producto oxlgeno gaseoso a alta presion. Para calentar dicha corriente en el intercambiador de calor principal, una parte adicional mas del aire se comprime adicionalmente y a continuacion se enfrla dentro del intercambiador de calor principal. Dicho aire, despues del enfriamiento, puede introducirse tambien dentro de la turbina conocida como un expansor de llquido para generar mas refrigeracion. Esta turbina puede acoplarse a un generador de energla electrica.

En una licuadora, en la que se licua un gas, por ejemplo un gas atmosferico o gas natural, se comprime y enfrla una corriente de gas entrante en un intercambiador de calor a un estado llquido o en dos fases, que se separan en un vapor que se recicla y el producto llquido de la planta. Parte de la corriente comprimida se comprime adicionalmente y se expande en un turboexpansor o potencialmente una serie de turboexpansores que funcionan a niveles de temperatura sucesivamente mas baja para producir corrientes de escape que se recirculan en el intercambiador de calor para enfriar el gas entrante a ser licuado. Los turboexpansores pueden acoplarse a compresores elevadores, mecanismos de freno de aceite o generadores electricos. Hay muchos tipos diferentes empleados con respecto a licuefactores y lo anterior representa en general uno de dichos ciclos.

En expansores usados para finalidades tales como las explicadas anteriormente, el expansor tiene una disposition

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

de entrada de flujo radial en la que la corriente comprimida entrante se dirige mediante toberas a un impulsor que puede acoplarse a un generador para la generacion de energla electrica. En situaciones en las que el turboexpansor se acopla a un generador electrico, tlpicamente, se usa un motor de induccion de corriente alterna como el generador. Como puede apreciarse, para suministrar energla electrica a una red electrica, la electricidad debe generarse a una tension ligeramente por encima de la red para impulsar la energla generada al interior de la red y a la frecuencia de la llnea empleada en la red, por ejemplo 60 hercios. Mediante el uso de un motor como generador que esta disenado para funcionar a 60 hercios, la aplicacion de dicha tecnologla se hace muy directa. Un problema, sin embargo, es que el motor-generador esta disenado para funcionar a una velocidad nominal maxima de 3600 rpm basandose en una frecuencia de llnea de 60 hercios y el turboexpansor esta disenado para funcionar a velocidades mucho mas altas, tlpicamente entre 20.000 y 40.000 rpm. Por ello, debe usarse una transmision de engranajes compleja que inherentemente producira perdidas irreversibles como calor entre el turboexpansor y el generador. Adicionalmente, dado que la velocidad del generador esta restringida a 3600 rpm, la velocidad del turboexpansor esta tambien restringida. Cualquier turbomaquina tiene una eficiencia isoentropica especlfica que se relaciona con la energla del flujo que pasa a traves de dicha maquina y la velocidad del eje de la maquina. Mas especlficamente, para un turboexpansor dado, la eficiencia, o en otras palabras, el grado en el que se transmitira la energla del flujo que pasa a traves del turboexpansor, dependera del caudal y de la calda de entropla en el flujo que pasa a traves del turboexpansor y la velocidad del impulsor. En consecuencia, el engranaje entre el turboexpansor y el generador esta disenado para una velocidad operacional normal del turboexpansor que con dichas condiciones de operation normales del flujo, presion y temperatura del flujo, la eficiencia del turboexpansor estara en su maximo. Sin embargo, durante la bajada de carga de una planta de separation de aire o un licuefactor u otro aparato de temperatura inferior a la ambiental durante la que el aparato esta operando a menos que las condiciones de diseno estandar, el turboexpansor esta siendo restringido para funcionar en una forma eficiente para proporcionar la velocidad establecida a la transmision de engranajes conectada al generador.

Son conocidos un metodo tal como se define en la parte de caracterizacion previa de la reivindicacion 1 y un sistema de generacion de refrigeration tal como se define en la parte de caracterizacion previa de la reivindicacion 7 a partir del documento US 5 758 515 A1.

A partir el documento US 6 382 910 B1 es conocida la utilization de un motor generador de induccion como un dispositivo de frenado en un turboexpansor.

Recientemente, se han desarrollado motores de alta velocidad que tienen unidades de accionamiento electronico sofisticadas que permiten que el motor funcione a cualquier velocidad y, especlficamente, en reglmenes de velocidad que son los mismos en los que se opera un turboexpansor de un dispositivo a temperaturas por debajo de la ambiental. Se ha descubierto por los inventores de la presente memoria que los sofisticados accionadores electronicos y dichos motores de alta velocidad en particular, pueden usarse en sistemas de refrigeracion que se emplean en aparatos de temperatura por debajo de la ambiental, tal como se ha explicado anteriormente, en una forma tal que obviaran los problemas de la tecnica anterior expuestos anteriormente.

Compendio de la Invention

La presente invencion, en un aspecto, proporciona un metodo de generacion de refrigeracion en un proceso que funciona a temperaturas por debajo de la ambiental. Tal como se usa en el presente documento y en las reivindicaciones, el termino “proceso” significa cualquier aparato o sistema de equipos que esta disenado para procesar un fluido de proceso, por ejemplo aire, a temperaturas por debajo de la ambiental mediante la adicion de refrigeracion generada en todo o en parte por un turboexpansor. De acuerdo con el metodo, una corriente de proceso, utilizada dentro del proceso, se comprime para producir una corriente de proceso comprimida. La corriente de proceso comprimida se expande dentro de un turboexpansor que tiene un impulsor que es accionado por la corriente de proceso con la realization de trabajo, produciendo de ese modo una corriente de escape. El turboexpansor esta disenado para funcionar con un parametro de eficiencia operacional igual a un valor optimo de U/Co. La corriente de escape se introduce para transmitir la refrigeracion al interior del proceso. Se genera energla electrica en un generador que tenga un rotor acoplado al impulsor de modo que el generador sea accionado por el trabajo de expansion.

Se controla la velocidad del rotor del generador y, por lo tanto, se controla tambien la velocidad del turboexpansor por medio de un frenado electromagnetico del rotor de modo que la velocidad se mantenga en un punto de consigna y la salida de corriente electrica del generador aumente a medida que disminuye la velocidad del rotor y disminuya a medida que aumenta la velocidad del rotor. Ha de tomarse nota tambien aqul de que tal como se usa en el presente documento y en las reivindicaciones, la expresion “frenado electromagnetico” significa un contra-par o par de frenado producido en el rotor del generador como consecuencia de la corriente controlada en las bobinas del estator empleado en el generador. Adicionalmente, se controlan la tension y frecuencia de la potencia electrica generada por el generador de modo que se mantenga en niveles de adaptation a la llnea y la energla electrica generada por el generador pueda introducirse en una red electrica local a los niveles de adaptacion a la llnea.

El punto de consigna de la velocidad del rotor se determina continuamente mediante el ajuste del punto de consigna igual al producto del parametro de eficiencia operacional y una ralz cuadrada de dos veces la diferencia entre las

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

entalplas de la corriente de proceso al entrar en el turboexpansor y la corriente de escape al ser descargada desde el turboexpansor, dividida por un producto de pi y un diametro del impulsor.

Por ello, la presente invencion permite que el generador establezca la velocidad del turboexpansor que se basa en la calda de entalpla del flujo y del caudal del fluido de proceso que pasa a traves del turboexpansor para obtener un parametro de eficiencia operacional que producira una operacion del turboexpansor que es siempre la mas eficiente para un conjunto dado de condiciones operacionales. Como resultado, el turboexpansor sera optimamente eficiente durante condiciones operacionales normales del proceso y durante condiciones de bajada de carga.

La diferencia entre las entalplas de la corriente de proceso comprimida y la corriente de escape puede determinarse proporcionando datos de entalpla para la corriente de proceso comprimida que se basan en la presion y temperatura de la corriente de proceso comprimida. Las entalplas pueden determinarse a su vez mediante la medicion de un caudal de la corriente de proceso comprimida y la medicion de la temperatura y presion de corriente de proceso de la corriente de proceso comprimida y la determinacion de una entalpla de entrada a partir de los datos de entalpla, el caudal y la temperatura y presion de la corriente de proceso comprimida. De modo similar, pueden medirse una temperatura y presion de la corriente de escape desde la corriente de escape y puede determinarse una entalpla de escape de la corriente de escape a partir de los datos de entalpla, el caudal, la temperatura y presion de la corriente de escape. Posteriormente, es simplemente una cuestion de restar la entalpla de escape de la entalpla de entrada.

Preferentemente, el caudal se mide con un transductor de flujo que genera una senal de caudal que puede referirse al caudal y la temperatura y presion de la corriente de proceso comprimida y se miden la temperatura y presion de la corriente de escape con sensores de temperatura y transductores de presion que generan senales de temperatura y presion que pueden referirse a la temperatura y presion de la corriente de proceso comprimida y la temperatura y presion de la corriente de escape. Un controlador auxiliar, sensible a la senal de caudal, a las senales de temperatura y presion y que contiene los datos de entalpla en una base de datos, esta configurado para determinar la entalpla de entrada, la entalpla de escape, la diferencia entre la entalpla de la corriente de entrada al proceso y la corriente de escape y la ralz cuadrada de dos veces la diferencia y para dividir la ralz cuadrada por pi multiplicado por el diametro del impulsor con la finalidad de calcular el punto de consigna para la velocidad del rotor.

En otro aspecto, la presente invencion proporciona un sistema de generacion de refrigeracion en un aparato que funciona a temperaturas por debajo de la ambiental. De acuerdo con este aspecto de la presente invencion, se acciona un turboexpansor que tenga un impulsor mediante una corriente de proceso comprimida dentro del aparato de modo que la corriente de proceso comprimida se expande con la realization de trabajo y se produce por lo tanto una corriente de escape mediante el turboexpansor. El turboexpansor esta disenado para funcionar con un parametro de eficiencia operacional igual al valor optimo de U/C0. El turboexpansor se conecta al aparato de modo que la corriente de proceso se introduce dentro del turboexpansor y la corriente de escape se introduce dentro del aparato para transmitir la refrigeracion al interior del aparato. Se proporciona un generador para generar energla electrica. El generador tiene un rotor acoplado al impulsor de modo que el generador es accionado por el trabajo de expansion. Un controlador del generador esta conectado al generador y configurado para controlar la velocidad del rotor del generador y, por lo tanto, del turboexpansor a traves del frenado electromagnetico del rotor de modo que la velocidad se mantenga en un punto de consigna y la salida de corriente electrica del generador aumente a medida que disminuye la velocidad del rotor y disminuya a medida que aumenta la velocidad del rotor. El controlador del generador controla tambien la tension y frecuencia de la potencia electrica generada por el generador de modo que se mantengan la tension y la frecuencia en niveles de adaptation a la llnea para permitir que la energla electrica generada por el generador se introduzca en una red electrica local a los niveles de adaptacion a la llnea.

Se posiciona un transductor de flujo aguas arriba del turboexpansor de modo que genera una senal de caudal que

puede referirse a un caudal de la corriente de proceso comprimida. Adicionalmente, aguas arriba, un par de

sensores de temperatura y transductores de presion posicionados aguas arriba del turboexpansor de modo que generen senales de temperatura y presion de la corriente de proceso que pueden referirse a la temperatura y presion de la corriente de proceso. Aguas abajo un par de transductores de temperatura y presion posicionados aguas abajo del turboexpansor de modo que generen senales de temperatura y presion de la corriente de escape que pueden referirse a la temperatura y presion de la corriente de escape. Se conecta un controlador auxiliar al controlador del generador y es sensible a la senal de caudal, y a las senales de temperatura y presion de la corriente de proceso y la corriente de escape. El controlador auxiliar contiene datos de entalpla de la corriente de proceso en una base de datos. El controlador auxiliar se programa para determinar continuamente una entalpla de entrada de la corriente de proceso comprimida y una entalpla de la corriente de escape de la corriente de proceso de escape mediante la aplicacion del caudal, la temperatura y presion de la corriente de proceso y la temperatura y presion de la corriente de escape a los datos de entalpla. Dicho controlador se programa tambien para calcular dos veces una diferencia entre la entalpla de entrada y la entalpla de escape y una ralz cuadrada de la misma, y el punto de

consigna para la velocidad del rotor mediante la multiplication del parametro de eficiencia operacional del

turboexpansor por la ralz cuadrada y la division del producto por pi multiplicado por el diametro del impulsor.

En ambos aspectos de la presente invencion, el generador puede ser un generador de imanes permanentes acoplado directamente al impulsor del turboexpansor y la velocidad del rotor del generador y la potencia electrica se

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

controlan mediante una unidad de frecuencia variable para el generador de imanes permanentes al que puede proporcionarse una entrada para el punto de consigna. El uso de un generador de imanes permanentes es particularmente ventajoso porque elimina la necesidad de corrientes en el devanado del rotor inducidas o excitadas por separado, y las perdidas inherentes a las mismas. Mas aun, el uso de un generador acoplado directamente es tambien ventajoso porque elimina la transmision entre el turboexpansor y el generador que en si producen perdidas irreversibles.

Adicionalmente, el proceso puede ser un proceso de separacion de aire o el aparato puede ser una planta de separacion criogenica de aire y, como tal, la corriente de proceso se compone de aire comprimido y purificado. La corriente de proceso se comprime en un compresor elevador para producir una corriente de proceso comprimida y la corriente de proceso comprimida se enfrla al menos parcialmente dentro de un intercambiador de calor principal de la planta de separacion de aire o, en otras palabras, al menos a la temperatura entre los extremos caliente y frlo del intercambiador de calor principal. Despues de haberse enfriado, al menos parcialmente, la corriente de proceso comprimida se introduce dentro del turboexpansor y se transmite la refrigeracion al interior del proceso mediante la introduccion de la corriente de escape al interior de al menos una de entre una columna de alta presion y una columna de baja presion usadas en la planta de separacion criogenica de aire para destilar el aire en componentes ricos en oxlgeno y ricos en nitrogeno. El aire comprimido y purificado puede enfriarse dentro del intercambiador de calor principal de modo que la corriente de escape este en un estado llquido.

Breve descripcion de los dibujos

Aunque la especificacion concluye con reivindicaciones que puntualizan de modo diferenciado la materia objeto que los presentes Solicitantes consideran como su invention, se cree que la invention se entendera con referencia a los dibujos adjuntos a continuation en los que:

La Figura 1 es un diagrama de flujo esquematico del proceso de una planta de separacion de aire que incorpora la presente invencion;

La Figura 2 es un mapa de eficiencia de un turboexpansor llquido usado en la planta de separacion de aire ilustrada en la Figura 1;

La Figura 3 es un diagrama parcial, esquematico de un sistema de control que se usa en conexion con un generador de alta velocidad acoplado al turboexpansor empleado la Figura 1; y

La Figura 4 es un diagrama parcial, esquematico del generador de alta velocidad y turboexpansor empleados en la Figura 1.

Descripcion detallada

Con referencia a la Figura 1, se ilustra una planta de separacion 1 de aire que incorpora un sistema de refrigeracion que incluye un turboexpansor 200 de llquido acoplado a un generador 202 que se controla de acuerdo con la presente invencion como se explicara con mayor detalle a continuacion. Se entiende, sin embargo, que tiene finalidades de ejemplo hasta el grado en que la invencion sujeto tiene una aplicabilidad mas amplia a otros tipos de procesos y aparatos que funcionan a temperaturas por debajo de la ambiental, por ejemplo licuefactores.

En la planta de separacion de aire 1, una corriente de alimentation 10 que contiene oxlgeno y nitrogeno, por ejemplo aire, se separa mediante un proceso de rectification criogenica conocido para producir un producto de oxlgeno gaseoso y llquido as! como productos de nitrogeno gaseoso y llquido.

Se comprime una corriente de alimentacion 10 dentro de un compresor 12 de carga base que puede ser un compresor de engranajes con enfriamiento intermedio, integral con elimination del condensado. La corriente de alimentacion 14 comprimida resultante, se purifica a continuacion dentro de una unidad 16 de purification previa. La unidad 16 de purificacion previa es bien conocida en la tecnica, contiene tlpicamente lechos de alumina y/o un tamiz molecular que funciona de acuerdo con el ciclo de adsorcion de oscilacion de temperatura y/o presion en el que se adsorben las impurezas de ebullition mas alta. Como es conocido en la tecnica, esas impurezas de ebullition mas alta son tlpicamente, dioxido de carbono, vapor de agua e hidrocarburos. Mientras esta operando un lecho, se regenera otro lecho, podrlan usarse otros procesos tales como enfriamiento por agua en contacto directo, enfriamiento basado en refrigeracion, contacto directo con agua helada y separacion de fase.

Un intercambiador de calor 18 principal esta en comunicacion para fluidos con el compresor 12 de carga base. El intercambiador de calor 18 principal esta configurado de modo que se enfrle una primera corriente comprimida 20 dentro del intercambiador de calor 18 principal y se enfrle parcialmente una segunda corriente comprimida 22 dentro del intercambiador de calor 18 principal. La primera corriente comprimida 20 y la segunda corriente comprimida 22 estan compuestas de la corriente comprimida 14 de alimentacion. En caso de aire, como se ha explicado anteriormente, la corriente comprimida 14 se purifica mediante la unidad 16 de purificacion previa. Se entiende que el intercambiador de calor 18 principal, aunque se ilustra como una unidad simple, podrla ser en realidad dos unidades en las que se proporciona un hervidor del producto separado para la ebullicion del oxlgeno llquido. Adicionalmente, el intercambiador de calor 18 principal podia dividirse adicionalmente en secciones en los extremos caliente y frlo del mismo. De ese modo, la expresion “intercambiador de calor principal” tal como se usa en el presente documento y en las reivindicaciones engloba tanto una unica unidad como un sistema de intercambiadores

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

de calor como es bien conocido en la tecnica. Podrlan usarse intercambiadores de calor de aletas de aluminio soldadas. Sin embargo, podrlan usarse tambien otros disenos posibles conocidos en la tecnica.

Tal como se explicara, el aparato 1 esta disenado para producir una corriente de oxlgeno presurizada que se vaporizada dentro del intercambiador de calor principal. De ese modo, la primera y segunda corrientes comprimidas 20 y 22 se forman mediante la division de la corriente de alimentacion 17 comprimida y purificada, descargada desde la unidad 16 de purificacion previa, en una primera parte 30 y una parte restante 32. La primera parte 30 de la corriente 17 comprimida se comprime mediante un compresor elevador 36. Despues de la eliminacion del calor de la compresion por un pos-enfriador 38 la segunda corriente comprimida 22 resultante se extrae desde el intercambiador de calor 18 principal en un estado parcialmente enfriado, y se introduce dentro del turboexpansor 24 para producir una parte principal de los requisitos de refrigeracion de la planta de separacion de aire 1. En esta aplicacion particular de la presente invencion, sin embargo, el sistema de control de la misma no se aplica al turboexpansor 24, sino por el contrario al turboexpansor 200 de llquido, a ser explicado, que suministra refrigeracion adicional. En la realization ilustrada, el turboexpansor 24 se acopla como compresor elevador 34. Hay ciclos de proceso para las plantas de separacion de aire en las que un turboexpansor que expande un gas a ser introducido dentro de columnas de destilacion se conecta a un generador para producir electricidad y la presente invencion tendrla aplicabilidad a dicho expansor. La segunda parte 32 de la corriente de alimentacion 17 comprimida se comprime mediante un compresor hervidor 34 de producto que de nuevo, puede ser parte integral del compresor de engranajes con eliminacion del condensado entre etapas.

El sistema 28 de columnas de destilacion tiene una columna 54 de presion mas alta y una columna 56 de presion mas baja. La columna 54 de presion mas alta se provee con elementos 58 y 60 de contacto de transferencia de masa y la columna 56 de presion mas baja se provee con elementos 62, 64, 66 y 68 de contacto de transferencia de masa. La columna 54 de presion mas alta y la columna 56 de presion mas baja se denominan as! porque la columna 54 de presion mas alta funciona a una presion mas alta que la columna 56 de presion mas baja. Los elementos 58 a 68 de contacto de transferencia de masa pueden ser preferentemente rellenos estructurados u otros elementos conocidos tales como relleno de vertido o cribas o combinaciones de los mismos. Sin embargo, en ambas de dichas columnas, las fases de llquido y vapor de la mezcla contenida en la corriente 10 de alimentacion se ponen en contacto dentro de dichos elementos y se produce una fase de vapor ascendente que se convierte en incluso mas rica en el nitrogeno y una fase llquida que desciende que se convierte en incluso mas rica en oxlgeno. En la realizacion ilustrada, la corriente 26 de escape de turbina se introduce dentro de la base de la columna 54 de presion mas alta para iniciar la formation de la fase de vapor ascendente.

La primera corriente comprimida 20, que esta a una presion mucho mas alta que ambas de entre la columna 54 de presion mas alta y la columna 56 de presion mas baja, y subenfriada despues de pasar a traves de un intercambiador de calor 18 principal, se expande a una presion de la columna de presion mas alta por medio de un turboexpansor 200 de llquido acoplado a un generador 202 de velocidad variable que se controla mediante un sistema de control 204 a ser explicado con mas detalle en el presente documento a continuation y controlado acuerdo con la presente invencion. La corriente de escape 21 resultante se usa para transmitir refrigeracion como una corriente de llquido que se expande a la presion de la columna 54 de presion mas alta por medio de una valvula 70 de expansion y se divide en una primera parte 72 que se introduce dentro de la columna 54 de presion mas alta y se rectifica, y una segunda parte 74 que se expande de nuevo en una valvula 76 de expansion hasta una presion adecuada para su introduction dentro de la columna 56 de presion mas baja en donde dicha corriente tambien se rectifica. Se ha de tomar nota de que hay disenos de planta en los que todo el aire llquido se expande y se introduce o bien dentro de la columna de presion mas alta o bien en la columna de presion mas baja.

Dentro de la columna 54 de presion mas alta, la destilacion produce unos fondos 78 de columna de oxlgeno llquido crudo. Una corriente 80 de los fondos 78 de la columna de oxlgeno llquido crudo se expande en una valvula 82 de expansion y a continuacion se introduce dentro de la columna 56 de presion mas baja para refinado adicional. Dentro de la columna 56 de presion mas baja, un llquido 84 rico en oxlgeno se recoge como unos fondos de la columna. Adicionalmente, en la parte superior de la columna 54 de presion mas alta, se recoge un vapor 86 rico en nitrogeno. La columna de presion mas alta y la columna de presion mas baja 54 y 56 estan enlazadas a traves de un rehervidor condensador 88. Una corriente del vapor 90 rico nitrogeno que se ha recogido dentro de la columna 54 de presion mas alta se introduce dentro del rehervidor condensador 88 para producir una corriente 92 de llquido enriquecido en nitrogeno. Una parte 94 de la corriente 92 de llquido enriquecido en nitrogeno se introduce al menos parcialmente dentro de la parte superior de la columna 56 de presion mas baja como reflujo para iniciar la formacion de la fase llquida descendente. De modo similar, la otra parte 96 de la corriente 92 de llquido rico en nitrogeno se introduce dentro de la parte superior de la columna 54 de presion mas alta para iniciar la formacion de la fase de llquido descendente.

Se extrae una corriente 98 de llquido rico en oxlgeno desde el fondo de la columna 56 de presion mas baja y consiste en el llquido rico en oxlgeno residual que no es vaporizado por el rehervidor condensador 88. Esta corriente de llquido rico en oxlgeno se bombea mediante una bomba 100 para producir una corriente 102 de oxlgeno llquido bombeado. Una parte 104 de la corriente 102 de oxlgeno llquido bombeada forma la corriente del producto de oxlgeno llquido. Una parte restante 106 se vaporiza dentro del intercambiador de calor 18 principal para producir una

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

corriente 108 del producto de oxlgeno gaseoso. La vaporizacion se efectua por la parte restante 32 de la corriente de alimentacion 17 comprimida que se ha vuelto a comprimir dentro del compresor hervidor 34 del producto. De ese modo, se licuara una primera corriente comprimida 20 tras dicha vaporizacion.

La parte primera 94 de la corriente de llquido rica en nitrogeno se pasa a traves de una unidad de subenfriamiento 110 y una parte 112 de la misma puede tomarse tambien como un producto llquido y una parte restante 114 puede introducirse dentro de la parte superior de la columna 68 de presion mas baja como reflujo. El subenfriamiento se lleva a cabo mediante el paso de una corriente 116 de producto de nitrogeno gaseoso y una corriente 118 de nitrogeno de residuo en intercambio de calor indirecto con la primera parte 94 de la corriente 92 de llquido rico en nitrogeno. Esto produce una corriente 120 de nitrogeno gaseoso calentado y una corriente 122 de nitrogeno de residuo totalmente calentada.

Como se ha indicado anteriormente, la presente invencion se aplica a la planta 1 de separacion de aire en conexion con el turboexpansor 200 de llquido. El turboexpansor 200 de llquido es un tipo de expansor centrlfugo que tiene paletas de gula de entrada, tambien conocidas en la tecnica como toberas, que pueden posicionarse de modo selectivo. Aunque no es parte de la invencion, las toberas podlan establecer el control del caudal a traves de la turbina debido a que dicho caudal impacta en el nivel de llquido en el intercambiador de calor principal de una planta de separacion de aire o el intercambiador de calor del licuefactor para la turbina de llquido en un licuefactor. Por ejemplo, dado que el intercambiador de calor esta aguas arriba de la turbina de llquido, si se abren las toberas, se permite que fluya mas flujo fuera del intercambiador de calor, descendiendo nivel de llquido en el intercambiador de calor. Lo opuesto es verdad si las toberas se cierran. Es importante controlar el nivel de llquido en el intercambiador de calor debido a que impacta en las temperaturas de las otras corrientes del proceso que intercambian calor con la corriente del flujo de la turbina de llquido. Esto pueda realizarse automaticamente o a traves de un control por realimentacion.

El turboexpansor 200 de llquido, como en cualquier tipo de equipo rotativo, tiene una eficiencia que se relaciona con el grado en el que la potencia es capaz de ser transmitida a un eje de salida o a otro dispositivo conectado a un impulsor del mismo dada la energla total del flujo que sirve como una entrada al turboexpansor 200 de llquido menos la energla de la energla de su corriente de escape 21. Con referencia a la Figura 2, dicha eficiencia puede mapearse y presentarse en forma grafica. En el grafico, “Ds” es un diametro especlfico que no es dimensional y es igual a un producto del diametro real de la turbina por la calda de entalpla del flujo a traves del turboexpansor 200 de llquido elevada a la potencia 1/4 dividida por la ralz cuadrada del flujo volumetrico. “Ns” es la velocidad especlfica y de nuevo es un factor no dimensional igual a un producto de la velocidad real del impulsor del turboexpansor 200 de llquido y la ralz cuadrada del flujo volumetrico a traves del turboexpansor 200 de llquido dividido de nuevo por la perdida de entalpla elevada a la potencia 1/4. Las llneas continuas son la llnea de eficiencia de la eficiencia isoentropica del turboexpansor 200 de llquido. Cada una de las llneas continuas limita areas de eficiencia siempre creciente que se mueven hacia el centro del grafico. Las llneas discontinuas son llneas de U/Co constante. U/Co viene dado por la ecuacion: U/Co = (pi x N x D) / (2 x Ah)0,5; en la que “pi” = 3,14, etc., “N” es la velocidad del impulsor de, por ejemplo, el turboexpansor 200 de llquido, “D” es el diametro del impulsor empleado en el turboexpansor 200 de llquido y “Ah” es la calda de entalpla tal como se mide entre la primera corriente comprimida 20 al entrar dentro del turboexpansor 200 de llquido y la corriente de escape 21 al ser descargada desde el turboexpansor 200 de llquido. Como es evidente, si se selecciona la llnea discontinua “A” para la operacion del turboexpansor 200 de llquido, entonces dicha llnea de operacion englobara siempre la eficiencia isoentropica maxima del turboexpansor 200 de llquido. En este sentido, la llnea discontinua “A” tiene un valor optimo que se selecciona para pasar centralmente a traves de una zona de eficiencia optima o, en otras palabras, la llnea de eficiencia mas interior para el intervalo mayor de velocidad especlfica. De acuerdo con la presente invencion, la velocidad del generador 202 se controla para controlar a su vez la velocidad del turboexpansor 200 de llquido mediante frenado electromagnetico del rotor del generador 202 de modo que U/Co sea siempre controlada hasta un valor eficiente o 0,75 tras condiciones variables del flujo de la primera corriente 20 comprimida y corriente de escape 21. Esto se realiza mediante la resolucion de la ecuacion anteriormente mencionada para la velocidad “N” y dicha velocidad se imprime sobre la operacion de un controlador del generador (a ser explicado), que se usa en conexion con el generador 202 y que tiene previsiones para el ajuste de un punto de consigna para la velocidad del generador 202.

Con referencia a la Figura 3, se ilustra el sistema de control 204. El sistema de control 204 incorpora un controlador 206 es auxiliar que usa el algoritmo para calcular una velocidad “N” basandose en un valor preestablecido de U/Co que representa un maximo de eficiencia operativa basandose en un mapa del rendimiento del turboexpansor mostrado la Figura 2 en el que se calcula la velocidad operacional deseada “N” del turboexpansor 200 de llquido basandose en ((U/Co) * (2 x Ah)0,5) / (pi x D). El termino “Ah” que representa la calda en la entalpla entre la primera corriente comprimida 20 y la corriente de escape 21 se calcula mediante la medicion del caudal, presion y temperatura de la primera corriente comprimida 20 aguas arriba del turboexpansor 200 de llquido mediante el transductor de flujo 208, transductor 210 de presion y transductor 212 de temperatura, respectivamente. Senales que pueden referirse al flujo, presion y temperatura que pueden estar en formato digital se introducen dentro del controlador auxiliar 206 como se ha indicado por las llneas 214, 216 y 218 de transmision de datos. Aguas abajo del turboexpansor 200 de llquido, se mide la presion y temperatura de la corriente de escape 21 por los transductores

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

de presion y temperatura 220 y 222, respectivamente. Senales que pueden referirse a dichas presion y temperatura se introducen tambien dentro del controlador auxiliar 206 por medio de las llneas 224 y 226 de transmision de datos. Los datos introducidos dentro del controlador auxiliar se aplican entonces a una base de datos de entalpla preprogramada dentro del controlador auxiliar 206 y la entalpla de salida de la corriente de escape 21 se resta de la entalpla de entrada de la primera corriente comprimida 20 para determinar “Ah”. El controlador auxiliar calcula entonces la velocidad mediante la ecuacion mencionada anteriormente, el U/Co y el “D” que se ha preprogramado dentro del controlador auxiliar 206. Se ha de tomar nota de que aunque convencional y no parte de la invencion, se transmite una senal desde el transductor 220 de presion a traves de la llnea 228 de transmision de datos al controlador 230 proporcional, integral y diferencial que tiene un punto de consigna “SP” de presion para la valvula de contrapresion 232. El controlador 230 reacciona a la presion medida por el transductor 220 de presion para fijar la contrapresion del turboexpansor 220 de llquido y de ese modo, fijar la presion de la corriente de escape 21. Como puede apreciarse, el controlador auxiliar 206 podrla ser un ordenador personal o dispositivo similar programado para llevar a cabo los calculos explicados anteriormente.

Una senal de salida 234 que puede referirse a la velocidad calculada por el controlador auxiliar 206 se introduce dentro del accionador 236 de frecuencia variable (“VFD”) del generador 202 como un punto de consigna para la velocidad del generador 202. El accionador 236 de frecuencia variable, que actua como un controlador de velocidad para el generador 202, se actualiza entonces con el punto de consigna de corriente o de velocidad calculado por el controlador auxiliar 206 y en el grado en que la velocidad del turboexpansor 200 de llquido este por debajo o por encima de dicho punto de consigna, el generador 202 frenara mediante frenado electromagnetico en un grado menor o mayor, respectivamente, el rotor del generador 202 y por lo tanto, el impulsor del turboexpansor 200 de llquido.

Con referencia a la Figura 4, se ilustra la conexion entre un impulsor 201 del turboexpansor 200 de llquido con el rotor 238 del generador 202. El generador 202 es preferentemente un motor de imanes permanentes que tiene cojinetes magneticos. La importancia de esto es que los cojinetes libres de lubricacion impiden perdidas irreversibles debido a la disipacion termica que tendrla lugar en caso contrario con cojinetes lubricados. El generador 202 incorpora el accionador 236 de frecuencia variable, explicado anteriormente, en el que puede fijarse un punto de consigna para la velocidad; lo que de acuerdo con la presente invencion, es la velocidad calculada por el controlador auxiliar 206. Cuando se usa como un generador, el accionador 236 de velocidad variable tambien tiene otra funcion, concretamente mantener la tension y frecuencia de la salida de potencia en un nivel preestablecido. En este sentido, el accionador 236 de frecuencia variable consiste en tres componentes basicos usados para hacer coincidir la velocidad variable del generador con la frecuencia fija de la red electrica; la seccion de rectificador, el enlace en CC y la seccion de inversor. Mediante la modificacion del patron de conmutacion en la seccion del inversor del accionador, se controla el nivel del flujo de potencia desde el enlace de CC a la red electrica, de modo que la tension y frecuencia de salida puedan mantenerse en el nivel necesario para suministrar la potencia a la red. En este sentido, la tension se mantiene ligeramente por encima de los niveles de la red electrica y la frecuencia se mantiene en un nivel igual al de la frecuencia de llnea de la red electrica, por ejemplo, 60 hercios. Mediante el control del flujo de potencia, se controla la corriente al traves del enlace de CC y en los devanados del estator del generador lo que a su vez controla el contra-par aplicado por el rotor del generador al turboexpansor y por lo tanto la velocidad del rotor. La velocidad del turboexpansor 200 de llquido se controla as! mediante la conversion de eficiencia variable de velocidad mecanica y par en energla electrica.

El impulsor 201 se fija al rotor 238 por medio de un perno 240 de apriete roscado y una tuerca 242 de bloqueo. Un acoplamiento rlgido 244 tal como un acoplamiento HIRTH, minimiza la contribution del conjunto axial al desequilibrado del rotor.

El rotor 238 aloja imanes permanentes 244, que debido a la rotation del rotor 238, generan una corriente electrica dentro de un conjunto de estator 246 fijo que rodea al rotor 238. El accionador 236 de velocidad variable en una forma expuesta anteriormente, genera la salida electrica 248 a partir de la corriente electrica inducida dentro del conjunto del estator 246 fijo en la forma expuesta anteriormente.

El rotor 238 se soporta mediante cojinetes magneticos que consisten en cojinetes de empuje 250 y 252 en la direction axial y cojinetes radiales 254 y 256 en la direction radial. Sensores 258, 260 de desplazamiento del eje y 262 miden el movimiento del rotor 238. Las senales de salida, transmitidas mediante conexiones electricas 264, 266 y 268 desde los sensores 258, 260 y 262 de desplazamiento del eje, respectivamente, se transmiten a un controlador digital 270 para calcular corrientes de salida que se generan en el amplificador 272 de potencia que se aplican a traves de conexiones electricas 274 y 276 a los cojinetes de empuje 250 y 252, respectivamente y conexiones electricas 278 y 280 a cojinetes radiales 254 y 256, respectivamente. La magnitud de las corrientes de salida se varla as! por el controlador digital 270 para mantener el rotor 238 en una orientation radial y axial estable y con un mlnimo de desplazamiento. Tras un fallo de la potencia, los cojinetes mecanicos secundarios 282 y 284 soportan el rotor 238. Ademas de lo anterior, un sellado de cara seca 286 impide la fuga de aire llquido a los cojinetes y al conjunto de estator 246 que se ha explicado anteriormente. El sello de cara seca 286 es convencional y el gas a alta presion desde la llnea 288 y el gas a baja presion desde la llnea 290 se suministran al sello de cara seca 286. El gas de sellado de alta presion se suministra a una presion mas alta que la de la presion de entrada de

la primera corriente 20 de aire comprimido al turboexpansor 200 de llquido para impedir fugas del aire llquido. El gas de sellado de baja presion esta a una presion mas baja y sirve para asegurar que cualquier fuga del gas de sellado al rotor 238 y al conjunto de estator 246 esta a baja presion.

5 El generador 202 y el accionador 236 de frecuencia variable estan disponibles de una variedad de fabricantes. Se ha de tomar nota, sin embargo, de que la presente invencion tambien tiene aplicacion como un generador de induccion de corriente alterna o cualquier otro tipo de motor o que pudiera usarse como un generador. En caso de un generador de induccion de corriente alterna, el acoplamiento al turboexpansor podrla realizarse mediante una transmision de engranajes. En dicho caso podrlan usarse circuitos electronicos conocidos para efectuar el frenado 10 electromagnetico y el control de la tension y frecuencia para mantenerlos en niveles de adaptacion a la llnea de la red electrica de potencia. Sin embargo, esto serla desventajoso porque habrla perdidas de potencia inherentes en dicho generador y perdidas termo-mecanicas en la transmision usada en conexion con dicho generador.

Aunque la presente invencion se ha descrito con referencia a una realization preferida, tal como se les ocurrira a los 15 expertos en la tecnica, pueden realizarse numerosos cambios, adiciones y omisiones sin apartarse del alcance de la presente invencion tal como se expone en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

REIVINDICACIONES

1. Un metodo de generacion de refrigeracion en un proceso que funciona a temperaturas por debajo de la ambiental, comprendiendo dicho metodo:

comprimir una corriente de proceso (32) utilizada dentro del proceso para producir una corriente de proceso comprimida (20);

expandir la corriente de proceso comprimida (20) dentro de un turboexpansor (200) que tiene un impulsor (201) que es accionado por la corriente de proceso con la realizacion de trabajo, produciendo de ese modo una corriente de escape (21);

introducir la corriente de escape (21) dentro del proceso para transmitir la refrigeracion al interior del proceso; generar energla electrica con un generador (202) que tiene un rotor (238) acoplado al impulsor (201) de modo que el generador es accionado por el trabajo de expansion;

caracterizado por que

el turboexpansor (200) esta disenado para funcionar con un parametro de eficiencia operacional igual al valor optimo de U/Co; y

comprendiendo dicho metodo adicionalmente:

controlar la velocidad del rotor (238) del generador (202) y, por lo tanto, del turboexpansor (200) por medio de un frenado electromagnetico del rotor de modo que la velocidad se mantenga en un punto de consigna y la salida de corriente electrica del generador aumente a medida que disminuye la velocidad del rotor y disminuya a medida que aumenta la velocidad del rotor;

controlar la tension y la frecuencia de la potencia electrica generada por el generador (202) de modo que se mantenga en niveles de adaptacion a la llnea y la energla electrica generada por el generador pueda introducirse en una red electrica local a los niveles de adaptacion a la llnea; y

determinar continuadamente el punto de consigna de la velocidad del rotor (238) y, por lo tanto, del turboexpansor (200) mediante el ajuste del punto de consigna igual al producto del parametro de eficiencia operacional y una ralz cuadrada de dos veces la diferencia entre las entalplas de la corriente de proceso comprimida al entrar en el turboexpansor y la corriente de escape al ser descargada desde el turboexpansor, dividido por un producto de pi y un diametro del impulsor (201).
2. El metodo de la reivindicacion 1, en donde el generador (202) es un generador de imanes permanentes acoplado directamente al impulsor (201) y se controlan la velocidad del rotor (238) del generador y la potencia electrica mediante un accionador (236) de frecuencia variable para el generador de imanes permanentes que tiene una entrada para el punto de consigna.
3. El metodo de la reivindicacion 2, en donde la diferencia entre las entalplas de la corriente de proceso comprimida (20) y la corriente de escape (21) se determina mediante:

la provision de datos de entalpla para la corriente de proceso comprimida basandose en la presion y temperatura de la corriente de proceso comprimida (20) la medicion de un caudal de la corriente de proceso comprimida (20);

la medicion de una temperatura y presion de corriente de proceso de la corriente de proceso comprimida y la determinacion de una entalpla de entrada a partir de los datos de entalpla, el caudal y la temperatura y presion de la corriente de proceso comprimida;

la medicion de una temperatura y presion de corriente de escape de la corriente de escape (21) y la determinacion de una entalpla de escape de la corriente de escape a partir de los datos de entalpla, el caudal, la temperatura y presion de la corriente de escape; y la resta de la entalpla de escape de la entalpla de entrada.
4. El metodo de la reivindicacion 3, en donde

el caudal se mide con un transductor de flujo (208) que genera una senal de caudal que puede referirse al caudal;

la temperatura y presion de la corriente de proceso comprimida y la temperatura y presion de la corriente de escape se miden con sensores de temperatura (212, 222) y transductores de presion (210, 220) que generan senales de temperatura y presion que pueden referirse a la temperatura y presion de la corriente de proceso comprimida y la temperatura y presion de la corriente de escape;

un controlador auxiliar (206), sensible a la senal de caudal, a las senales de temperatura y presion y preprogramado con los datos de entalpla en una base de datos, esta configurado para determinar la entalpla de entrada, la entalpla de escape, la diferencia entre la entalpla de la corriente de entrada de proceso (32) y la corriente de escape (21) y la ralz cuadrada de la misma de dos veces la diferencia, dividir dicha ralz cuadrada por pi y el diametro del impulsor para calcular el punto de consigna de la velocidad del rotor (238).

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65
5. El metodo de la reivindicacion 1 o la reivindicacion 4, en donde:

el proceso es una planta de separacion criogenica de aire; la corriente de proceso se compone de aire comprimido y purificado;

la corriente de proceso se comprime en un compresor elevador (34) para producir la corriente de proceso comprimida (20);

la corriente de proceso comprimida (20) se enfrla al menos parcialmente dentro de un intercambiador de calor (18) principal de la planta de separacion de aire;

la corriente de proceso comprimida (20) despues de haber sido al menos parcialmente enfriada se introduce dentro del turboexpansor (200); y

se transmite la refrigeracion al proceso mediante la introduccion de la corriente de escape (21) al interior de al menos una de entre una columna (54) de alta presion y una columna (56) de baja presion usadas en la planta de separacion criogenica de aire para destilar el aire en componentes ricos en oxlgeno y ricos en nitrogeno.
6. El metodo de la reivindicacion 5, en donde el aire comprimido y purificado se enfrla dentro del intercambiador de calor (18) principal y la corriente de escape (21) esta en un estado llquido.
7. Un sistema de generacion de refrigeracion para un aparato que funciona a temperaturas por debajo de la ambiental, comprendiendo dicho sistema de generacion de refrigeracion:

un turboexpansor (200) que tiene un impulsor que es accionado mediante una corriente de proceso comprimida dentro del aparato de modo que la corriente de proceso comprimida (20) se expande con la realizacion de trabajo y se produce de ese modo una corriente de escape mediante el turboexpansor; el turboexpansor (200) conectado al aparato de modo que la corriente de proceso se introduce dentro del turboexpansor y la corriente de escape (21) se introduce dentro del aparato para transmitir la refrigeracion al interior del aparato; y

un generador (202) para generar energla electrica, teniendo el generador un rotor (238) acoplado al impulsor (201) de modo que el generador es accionado por el trabajo de expansion.

caracterizado por

el turboexpansor (200) que esta disenado para funcionar con un parametro de eficiencia operacional igual al valor optimo de U/Co;

un controlador (236) del generador conectado al generador (202) y configurado para controlar la velocidad del rotor (238) del generador y, por lo tanto, del turboexpansor (200) a traves del frenado electromagnetico del rotor de modo que la velocidad se mantenga en un punto de consigna y la salida de corriente electrica del generador aumente a medida que disminuye la velocidad del rotor y disminuya a medida que aumenta la velocidad del rotor y para controlar la tension y frecuencia de la potencia electrica generada por el generador de modo que se mantengan la tension y la frecuencia en niveles de adaptacion a la llnea para permitir que la energla electrica generada por el generador se introduzca en una red electrica local a los niveles de adaptacion a la llnea;

un transductor de flujo (208) posicionado aguas arriba del turboexpansor (200) de modo que genera una senal de caudal que puede referirse a un caudal de la corriente de proceso comprimida (20); un par de transductores (210, 212) aguas arriba de temperatura y presion posicionados aguas arriba del turboexpansor (200) de modo que generen senales de temperatura y presion de la corriente de proceso que pueden referirse a la temperatura y presion de la corriente (20) del proceso;

un par de transductores (220, 222) aguas abajo de temperatura y presion posicionados aguas abajo del turboexpansor (200) de modo que generen senales de temperatura y presion de la corriente de escape que pueden referirse a la temperatura y presion de corriente de escape de la corriente de escape (21); y un controlador auxiliar (206) conectado al controlador (236) del generador, sensible a la senal de caudal, a las senales de temperatura y presion de la corriente de proceso y la corriente de escape y que contiene datos de entalpla de la corriente de proceso en una base de datos;

el controlador auxiliar (206) programado para determinar continuamente una entalpla de entrada de la corriente de proceso comprimida (20) y una entalpla de la corriente de escape de la corriente de proceso de escape (21) mediante la aplicacion del caudal, la temperatura y presion de la corriente de proceso y la temperatura y presion de la corriente de escape a los datos de entalpla, para calcular dos veces una diferencia entre la entalpla de entrada y la entalpla de escape y una ralz cuadrada de la misma, y el punto de consigna para la velocidad del rotor (238) mediante la multiplication del parametro de eficiencia operacional del turboexpansor (200) por la ralz cuadrada y la division del producto por pi multiplicado por el diametro del impulsor (201).
8. El sistema de generacion de refrigeracion de la reivindicacion 7, en donde el generador (202) es un generador de imanes permanentes acoplado directamente al impulsor (201) y el controlador (236) del generador es un accionador de frecuencia variable para el generador de imanes permanentes.

10

15
9. El sistema de generation de refrigeration de la reivindicacion 7 o la reivindicacion 8, en donde:

el aparato es una planta de separation criogenica de aire;

la corriente de proceso esta compuesta por aire comprimido y purificado;

la corriente de proceso (32) se comprime en un compresor elevador (34) para producir la corriente de proceso comprimida (20);

la corriente de proceso comprimida (20) se enfrla al menos parcialmente dentro de un intercambiador de calor (18) principal de la planta de separacion de aire;

la corriente de proceso comprimida (20) despues de haber sido al menos parcialmente enfriada se introduce dentro del turboexpansor (200); y

se transmite la refrigeracion al aparato mediante la introduction de la corriente de escape (21) dentro de al menos una de entre una columna (54) de alta presion y una columna (56) de baja presion usadas en la planta de separacion criogenica de aire para destilar el aire en componentes ricos en oxlgeno y nitrogeno.
10. El sistema de generacion de refrigeracion de la reivindicacion 9, en donde el aire comprimido y purificado se enfrla dentro del intercambiador de calor (18) principal y la corriente de escape (21) esta en un estado llquido.