IT201700007473A1 - Treno di compressione con un compressore centrifugo e impianto lng - Google Patents

Treno di compressione con un compressore centrifugo e impianto lng

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IT201700007473A1
IT201700007473A1 IT102017000007473A IT201700007473A IT201700007473A1 IT 201700007473 A1 IT201700007473 A1 IT 201700007473A1 IT 102017000007473 A IT102017000007473 A IT 102017000007473A IT 201700007473 A IT201700007473 A IT 201700007473A IT 201700007473 A1 IT201700007473 A1 IT 201700007473A1
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compression
compressor
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compression train
impellers
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Giuseppe Iurisci
Angelo Grimaldi
Giuseppe Sassanelli
Marco Formichini
Antonio Cristallo
Davide Becherucci
Dario Matina
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Nuovo Pignone Tecnologie Srl
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Description

Treno di compressione con un compressore centrifugo e impianto LNG
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
Forme di realizzazione dell’oggetto qui descritto concernono treni comprendenti un singolo compressore centrifugo e impianti LNG (=Liquefied Natural Gas/gas naturale liquefatto), comprendenti detto treno di compressione.
ARTE ANTERIORE
Nel settore petrolchimico, cioè delle macchine e degli impianti per esplorare, produrre, immagazzinare, raffinare e distribuire petrolio e/o gas, vi è sempre una ricerca per soluzioni perfezionate.
Perfezionamenti possono essere ottenuti ad esempio nella struttura e/o nel funzionamento delle macchine, nel collegamento di macchine, o nella combinazione di macchine (ad esempio treni di macchine).
Perfezionamenti possono consistere ad esempio in una migliore efficienza e/o in perdite ridotte, migliorata produzione e/o riduzione degli scarti, funzioni migliorate, costi ridotti, dimensioni e/o ingombri in pianta ridotti.
Sono noti molteplici processi di liquefazione per impianti LNG di grandi dimensioni:
AP-C3MR® progettato da Air Products & Chemicals, Inc. (APCI);
Cascade progettato da ConocoPhillips;
AP-X® progettato Air Products & Chemicals, Inc. (APCI);
DMR (=Dual Mixed Refrigerant/refrigerante misto doppio) di Shell;
SMR (Single Mixed Refrigerant/refrigerante misto singolo);
MFC® (mixed fluid cascade/cascata di fluido misto) progettato da Linde;
PRICO® (SMR) progettato da Black & Veatch;
Liquefin® progettato da Air Liquide.
Questi processi noti sono già ottimizzati in termini di processo, ma vi è ancora una ricerca per miglioramenti in particolare in termini di numero di macchine e/o ingombro in pianta delle macchine usate in un impianto LNG.
Il processo AP-C3MR® (detto anche “C3MR”) usa un refrigerante puro (“C3”), cioè propano, e un refrigerante misto (“MR”), cioè una miscela tipicamente di propano, etilene e metano; questo processo utilizza tecnologie di liquefazione a due cicli: (un) refrigerante puro e (un) refrigerante misto.
La Fig. 1 mostra una vista schematica di un impianto LNG secondo uno schema AP-C3MR® (anche indicato semplicemente “C3MR”) progettato da Air Products & Chemicals. Il C3MR è un processo LNG ampiamente diffuso. Il processo C3MR consiste in due cicli di refrigerazione: un ciclo di refrigerazione a propano (C3) per raffreddare il gas naturale, e un ciclo a refrigerante misto (MR) per liquefare il flusso di gas naturale.
Nel ciclo di refrigerazione a propano il propano viene compresso in un compressore singolo 106 che è azionato da un azionatore 105.
Il propano compresso è raffreddato in un refrigeratore 111 e successivamente, attraverso una linea 113, viene fatto passare attraverso lo scambiatore 107 per assorbire calore dai flussi di gas naturale e refrigerante misto. Prima dello scambiatore 107 viene effettuata una espansione del propano compresso.
Nel ciclo di refrigerante misto il refrigerante misto viene compresso attraverso un treno di compressione 100 che comprende tre compressori 103, 102, 101 disposti in serie, azionati in rotazione da un azionatore 104. In alcuni casi l’azionatore 105 del ciclo di propano può essere configurato per azionare uno dei tre compressori del ciclo di refrigerante misto.
Il refrigerante misto compresso viene raffreddato in un refrigeratore 110 e successivamente, tramite la linea 114, viene fatto passare attraverso lo scambiatore 107 in cui esso viene pre-raffreddato. Prima dello scambiatore 107 viene effettuata una espansione del propano compresso
Il refrigerante misto principale di liquefazione a bassa pressione, caldo può essere inviato ad una sequenza di compressori inter-refrigerati 103, 102, 101 in cui esso viene inizialmente compresso nel compressore 103, raffreddato nell’inter-refrigeratore 115, ulteriormente compresso nel compressore 102, raffreddato nell’inter-refrigeratore 109, ulteriormente compresso nel compressore 101, e quindi ulteriormente raffreddato nel post-refrigeratore 110 per fuoriuscire come liquido ad alta pressione.
Il flusso di refrigerante misto raffreddato ad alta pressione può essere pre-raffreddato usando lo scambiatore di calore 107 ottenendo un flusso pre-raffreddato. Il flusso preraffreddato può essere separato in flussi di refrigerante più leggero e di refrigerante più pesante in un separatore 112. Il flusso di refrigerante più leggero può poi essere condensato e sotto-raffreddato nello scambiatore di liquefazione principale 108. Il flusso di liquido refrigerante più pesante può anch’esso essere sotto-raffreddato nello scambiatore di liquefazione principale 108.
Il flusso pre-raffreddato di gas naturale viene poi inviato alla sezione criogenica dell’impianto cioè allo scambiatore di liquefazione principale 108, per condensare completamente e sotto-raffreddare un flusso di vapore formando un flusso di prodotto LNG.
Il processo Cascade progettato da ConocoPhillips (qui di seguito denominato semplicemente “Cascade”) usa tre refrigeranti puri, cioè tipicamente propano, etilene o etano, e metano; questo processo è una tecnologia di liquefazione a refrigeranti puri a tre cicli.
Si deve notare che l’espressione “refrigerante puro” significa in realtà che una sostanza è predominante (ad esempio almeno 90% o 95% o 98%) nel refrigerante; la sostanza può essere un composto chimico (ad esempio propano, etano, etilene, metano).
La Fig.3 mostra una vista schematica di un impianto LNG secondo il processo Cascade. Il processo Cascade è molto diffuso come il processo C3MR.
Il processo Cascade consiste in tre cicli di refrigerazione: un ciclo di refrigerazione a propano per pre-raffreddare il flusso di gas naturale, un ciclo di refrigerazione a etilene per raffreddare il flusso di gas naturale pre-raffreddato, e un ciclo di refrigerazione a metano per liquefare il flusso di gas naturale raffreddato.
Nel ciclo di refrigerazione a propano il propano viene compresso per mezzo di un treno di compressione 303 comprendente due compressori 312, 313 e un azionatore 306 configurato per azionare i compressori.
Il propano compresso viene raffreddato in un refrigeratore 316 e quindi passa attraverso lo scambiatore 317 per assorbire calore dai flussi di gas naturale, etilene e metano. Prima dello scambiatore 317 si ha un’espansione del propano compresso.
Nel ciclo di refrigerazione a etilene l’etilene viene compresso per mezzo di una treno di compressione 302 comprendente due compressori 310, 311 e un azionatore 305 configurato per azionare compressori.
L’etilene compresso viene raffreddato in un refrigeratore 315 e nello scambiatore di calore 317. Esso passa poi attraverso uno scambiatore 318 per assorbire calore dai flussi di gas naturale e metano. Prima lo scambiatore 318 l’etilene compresso viene espanso.
Lo scambiatore di calore 318 può essere usato anche per raffreddare i vapori di gas naturale separati nel separatore 320 dai componenti più pesanti del gas naturale. I componenti più pesanti formano gas naturale liquefatto che è diverso dal gas naturale liquefatto.
Nel ciclo di refrigerazione a metano il metano viene compresso per mezzo di un treno di compressione 301 comprendente tre compressori 307, 308, 309 e un azionatore 304 configurato per azionare compressori.
Il metano compresso viene raffreddato in un refrigeratore 314 e negli scambiatori di calore 317, 118. Successivamente esso passa attraverso lo scambiatore 319 per formare gas naturale liquefatto. Prima dello scambiatore 319 il metano compresso viene espanso.
Nel settore dei compressori è generalmente noto che, a parità di altre condizioni, il rapporto di compressione è proporzionale al peso molecolare del gas di processo.
Più il gas è leggero, più è difficile comprimerlo in una cassa singola e sono richiesti più compressori per raggiungere un elevato rapporto di compressione. Questo problema si verifica sia nei processi C3MR, sia nei processi Cascade, rispettivamente con refrigerante misto e con etilene e metano.
Non è noto dall’arte corrente un treno di compressione avente macchine capaci di comprimere gas leggeri con un elevato rapporto di compressione in impianti LNG in scala medio-grande.
In particolare si cerca ancora una macchina capace di comprimere gas refrigeranti leggeri a elevati rapporti di compressione in una cassa singola, quindi utilizzando un singolo compressore anziché due o più.
Nel settore LNG è generalmente noto comprimere gas leggeri, quale refrigerante misto, etilene o metano, per mezzo di due o più compressori, a causa del basso peso molecolare di questi gas. Conseguentemente, quando il gas elaborato ha un basso peso molecolare, i treni di compressione LNG sono in generale non compatti.
SOMMARIO
I sopra menzionati inconvenienti dell’arte anteriore sono ora superati dal primo e dal secondo aspetto della presente invenzione, concernenti un treno di compressione ed un impianto LNG.
Il treno di compressione per un processo di liquefazione di gas naturale può comprendere una macchina di azionamento e un solo compressore centrifugo azionato in rotazione da detta macchine di azionamento. Il compressore può essere configurato per comprimere un gas refrigerante con un peso molecolare inferiore a 30 g/mol da una pressione di aspirazione a una pressione di mandata. Il rapporto fra le pressioni di mandata e di aspirazione può essere superiore a 10, preferibilmente superiore a 12, più preferibilmente superiore a 15.
L’impianto LNG può comprendere uno o più treni di compressione secondo la presente invenzione.
Caratteristiche e forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinché i contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dell’invenzione che verranno descritte più avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciò, prima di illustrare diverse forme di realizzazione dell’invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dell’invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.
Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione può essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. E’ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dall’ambito della presente invenzione. BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui:
la Fig. 1 mostra un diagramma schematico di un impianto LNG dell’arte anteriore secondo il processo AP-C3MR®;
la Fig.2 mostra un diagramma schematico di impianto LNG secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;
la Fig. 3 mostra un diagramma schematico di un impianto LNG dell’arte anteriore secondo il processo Cascade;
la Fig. 4 mostra un diagramma schematico di un impianto LNG secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;
la Fig. 5 mostra una vista schematica di un compressore ad alto rapporto di compressione secondo la presente invenzione.
La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati.
La seguente descrizione non limita l’invenzione. Piuttosto, l’ambito dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate.
Il riferimento in tutta la descrizione a “una forma di realizzazione” o “la forma di realizzazione” o “alcune forme di realizzazione” significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione è compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione” o “nella forma di realizzazione” o “in alcune forme di realizzazione” in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.
Nel seguito il termine “insieme” (secondo il suo significato matematico) significa un gruppo di uno o più elementi.
Con riferimento alla Fig. 2, viene mostrato un impianto LNG secondo il processo C3MR, come precedentemente descritto, comprendente una prima forma di realizzazione del treno di compressione.
Nel ciclo di refrigerazione a propano, il profano viene compresso in un singolo compressore 206 che è azionato da un azionatore 205. L’azionatore 205 può essere un motore elettrico o una turbina a gas.
Il propano compresso viene raffreddato in un refrigeratore 211 e quindi, attraverso la linea 213, è convogliato attraverso lo scambiatore 207 per assorbire calore dai flussi di gas naturale e di refrigerante misto. Prima dello scambiatore 207 si verifica una espansione del propano compresso, preferibilmente tramite una valvola Joule-Thomson (non mostrata).
Nel ciclo a refrigerante misto, il refrigerante misto viene compresso per mezzo di un treno di compressione 200 comprendente un singolo compressore 201 e una macchina di azionamento 204. La macchina di azionamento 204 può essere un motore elettrico o una turbina a gas.
La macchina di azionamento 204 può essere direttamente accoppiata al singolo compressore 201.
In una forma di realizzazione particolare, il treno di compressione 200 può anche comprendere una scatola di ingranaggi (non mostrata), disposta fra la macchina di azionamento 204 e il singolo compressore 201, configurata per aumentare la velocità di rotazione della macchina di azionamento 204. La scatola di ingranaggi può comprendere un albero di ingresso meccanicamente accoppiato alla macchia di azionamento 204 e un albero di uscita meccanicamente accoppiato al singolo compressore 201, specificamente all’albero del compressore.
Dopo la compressione nel singolo compressore 201, il refrigerante misto compresso viene raffreddato in un refrigeratore 210 e quindi, attraverso la linea 214, esso passa attraverso lo scambiatore 207, in cui esso è pre-raffreddato. Prima dello scambiatore 207, si verifica un’espansione del propano compresso, preferibilmente tramite una valvola Joule-Thomson (non mostrata).
Il singolo compressore 201 può essere inter-refrigerato attraverso gli inter-refrigeratori 202, 203 per erogare refrigerante misto ad elevata pressione.
Allo scopo di ottenere il richiesto rapporto di compressione necessario per il processo C3MR, viene usato uno specifico tipo di compressore singolo, come verrà compreso più chiaramente alla luce della descrizione che segue.
Il flusso di refrigerante misto ad alta pressione raffreddato viene poi pre-raffreddato usando lo scambiatore di calore 207 ottenendo un flusso pre-raffreddato. Il flusso preraffreddato può venire suddiviso in un flusso di refrigerante più leggero ed in un flusso di refrigerante più pesante nel separatore 212. Il refrigerante più leggero può essere poi condensato e sotto-raffreddato nello scambiatore di liquefazione principale 208. Il flusso di refrigerante liquidò più pesante può anch’esso essere sotto-raffreddato nello scambiatore di liquefazione principale 208.
Il flusso di gas naturale pre-raffreddato viene poi inviato alla sezione criogenica dell’impianto, cioè allo scambiatore di liquefazione principale 208, per condensare in maniera completa e sotto-raffreddare il flusso di vapore e per formare un flusso di prodotto LNG.
Secondo la ben nota disposizione SplitMR® progettata da Air Products & Chemicals Inc., il treno di compressione del propano può comprendere uno dei tre compressori del refrigerante misto. In forme di realizzazione preferite, viene previsto un metodo di riammodernamento di un impianto LNG SplitMR® esistente, in cui il refrigerante misto viene compresso per mezzo di un treno di compressione secondo la presente invenzione, e il treno di compressione di propano può comprendere un azionatore, un compressore configurato per comprimere il propano, e un generatore elettrico configurato per convertire in potenza elettrica la potenza in eccesso disponibile, prodotta dall’azionatore.
Con riferimento alla Fig. 4, viene mostrato un impianto LNG secondo il processo Cascade, come precedentemente descritto, comprendente treni di compressione secondo ulteriori forme di realizzazione della presente invenzione.
Nel ciclo di refrigerazione a propano, il propano viene compresso per mezzo di un treno di compressione 403 comprendente due compressori 410, 411 e un azionatore 406 configurato per azionare i compressori. L’azionatore 406 può essere un motore elettrico o una turbina a gas.
Il propano compresso viene raffreddato in un refrigeratore 414 e quindi passato attraverso un primo scambiatore 415 per assorbire calore dai flussi di gas naturale, etilene e metano. Prima dello scambiatore 415 si verifica un’espansione del propano compresso, preferibilmente con una valvola Joule-Thomson (non mostrata).
Nel ciclo di refrigerazione a etilene, etilene viene compresso per mezzo di un primo treno di compressione 402 comprendente un primo compressore singolo 409 e una prima macchina di azionamento 405 configurata per azionare in rotazione il compressore singolo 409. La macchina di azionamento 405 può essere un motore elettrico o una turbina a gas.
La macchina di azionamento 405 è direttamente collegata al primo compressore 409 attraverso una connessione diretta. La connessione diretta può essere del tipo flessibile o rigido, in funzione dello specifico contesto di funzionamento.
L’etilene compresso viene raffreddato in un refrigeratore 413 e nel primo scambiatore di calore 415. Quindi il flusso di etilene passa attraverso il secondo scambiatore di calore 416 per assorbire calore dai flussi di gas naturale e di metano. Prima del secondo scambiatore di calore 416 si verifica un’espansione dell’etilene compresso, preferibilmente con una valvola Joule-Thomson (non mostrata).
Il secondo scambiatore di calore 416 può essere usato anche per raffreddare vapori di gas naturale separati dai componenti più pesanti del gas naturale nel separatore 418. I componenti più pesanti formano gas naturale liquefatto.
Nel ciclo di refrigerazione a metano il metano viene compresso per mezzo di un secondo treno di compressione 401 comprendente un secondo compressore singolo 408 e una seconda macchina di azionamento 404, configurata per azionare in rotazione il secondo compressore singolo 408. La seconda macchina di azionamento 404 può essere un motore elettrico o una turbina a gas.
La seconda macchia di azionamento 404 e il secondo compressore singolo 408 sono meccanicamente collegati attraverso una scatola a ingranaggi 407 configurata per aumentare la velocità di rotazione della seconda macchina di azionamento 404. La scatola a ingranaggi 407 può comprendere un albero di ingresso, meccanicamente accoppiato alla seconda macchia di azionamento 404, e un albero di uscita, meccanicamente accoppiato all’albero del secondo compressore singolo 408.
Il metano compresso è raffreddato in un refrigeratore 412 e nel primo e secondo scambiatore di calore 415, 416. Successivamente, il metano passa attraverso un terzo scambiatore di calore 417 per assorbire calore dal gas naturale raffreddato. Il flusso di gas naturale viene così completamente condensato e si ottiene un flusso di prodotto LNG. Prima dello scambiatore 417 si verifica un’espansione del metano compresso.
Con riferimento alla prima e alla seconda forma di realizzazione, il compressore di detto treno di compressione 200, del primo treno di compressione 402 e del secondo treno di compressione 401 possono essere del tipo descritto nel seguito.
Con ulteriore riferimento alla Fig. 5, il compressore centrifugo 500 comprime un gas refrigerante da una pressione di aspirazione all’ingresso principale 519 ad una pressione di mandata all’uscita principale 520. Il compressore 500 è configurato per comprimere il gas refrigerante con un rapporto fra dette pressioni di mandata e di aspirazione superiore a 10, preferibilmente superiore a 12, più preferibilmente superiore a 15. Nella presente invenzione, il termine “rapporto di compressione elevato” significa un rapporto fra la pressione di mandata alla pressione di aspirazione come sopra descritto.
Il rapporto di compressione richiesto dai processi C3MR e Cascade è considerato essere un rapporto di compressione elevato, specialmente quando è eseguito da un singolo compressore che comprime un refrigerante gassoso leggero.
Il compressore 500 è quindi configurato per comprimere gas a refrigeranti aventi un peso molecolare inferiore a 30 g/mol.
Nella presente invenzione il termine “refrigerante(i) leggero(i)”, “gas leggero(i)”, “gas a basso peso molecolare” si riferiscono a tutti i gas refrigeranti, quindi a tutti i gas usati nei processi di refrigerazione, aventi un peso molecolare inferiore a 30 g/mol.
Il compressore 500 è un compressore centrifugo e, allo scopo di comprimere refrigeranti leggeri con un rapporto di compressione elevato, esso comprende due o tre, o anche quattro sezioni di compressione. Ciascuna sezione di compressione può comprendere uno o più stadi di compressione. Ciascuno stadio di compressione può comprendere una girante centrifuga, un diffusore e un canale di ritorno. Il diffusore e/o il canale di ritorno sono componenti della parte stazionaria del compressore e possono comprendere palettature. Tutte le giranti sono collegate insieme per formare il rotore.
L’albero 531può essere parte del rotore. Alternativamente, l’albero 531 può essere rigidamente collegato al rotore. L’albero 531 è meccanicamente collegato alla macchina di azionamento (non mostrata in Fig.5).
Ciascuna sezione di compressione ha il suo ingresso e la sua uscita. Pertanto il compressore può comprendere due o più ingressi, un ingresso principale e uno o più ingressi ausiliari, e due o più uscite, una uscita principale e una o più uscite ausiliarie. Con riferimento alla Fig.5, è mostrato un compressore 500 avente due sezioni di compressione 523, 524 disposte in serie. La prima sezione di compressione comprende un ingresso 519 e un’uscita 521 e due stadi di compressione 525, 526, ciascuno comprendente una girante 507, 508. La seconda sezione di compressione comprende un ingresso 522 e un’uscita 520 e tre stadi di compressione 527, 528, 529, ciascuno comprendente una girante 509, 510, 511. Il gas refrigerante entra attraverso l’ingresso principale 519 (freccia 502), viene compresso dalla prima sezione di compressione 523 ed esce dall’uscita ausiliaria 521 (freccia 504). Dopo una fase di inter-refrigerazione, il gas refrigerante compresso e raffreddato entra nuovamente nel compressore attraverso l’ingresso ausiliario 522. Il gas refrigerante viene poi compresso nella seconda sezione di compressione 524 ed esce definitivamente attraverso l’uscita principale 520.
Ciascuna sezione di compressione è configurata per comprimere il gas refrigerante in determinate condizioni, ad esempio da una specifica pressione di ingresso a una specifica pressione di uscita attraverso lo stadio di inter-refrigerazione.
Il(gli) ingresso(i) ausiliario(i) e/o la(le) uscita(e) ausiliaria(e) consentono al compressore di essere più flessibile e di adattare le condizioni operative della macchina al processo in cui il compressore è usato. Ad esempio, il(gli) ingresso(i) ausiliario(i) e la(le) uscita(e) ausiliaria(e) possono essere usati per estrarre un fluido di lavoro dal compressore e refrigerarlo prima di essere re-iniettato.
Ad esempio, con riferimento alla Fig. 4, il compressore di etilene, cioè il primo compressore 409 del primo treno di compressione 402, comprende due flussi di ingresso come quelli del compressore 500 della Fig. 5. Fra l’uscita 504 della prima sezione di compressione e l’ingresso 503 della seconda sessione di compressione, il gas refrigerante viene inter-refrigerato (inter-refrigerazione non mostrata).
Ciascuna sezione di compressione è simile, dal punto di vista della compressione, ad un compressore indipendente come quelli indicati con 310 e 311 in Fig. 3. Una differenza tecnica importante è che tutte le sezioni di compressione sono disposte in una macchina di compressione comune avente una cassa singola.
Tutte le sezioni di compressione 523, 524 del compressore centrifugo 500 sono disposte in una struttura fissa comune 501 che è configurata per essere inserita in maniera removibile in una singola cassa comune 530. Il rotore e le parti stazionarie sono assemblate insieme in una compresso cilindrico che, come una cartuccia, viene configurato per essere inserito assialmente in maniera reversibile attraverso una estremità della cassa 530 nella cassa 530 stessa. Il lato del compressore, opposto rispetto alla macchina di azionamento, è normalmente privo di ostacoli e conseguentemente viene facilitata l’estrazione del complesso per attività di manutenzione.
L’uscita di una sezione di compressione è in accoppiamento fluido diretto o indiretto con l’ingresso della sezione di compressione disposta a valle.
Tutte le sezioni di compressione sono disposte per comprimere lo stesso tipo di gas refrigerante.
Se vi sono due sezioni di compressione, come nel compressore della Fig. 5, l’uscita 521 della prima sezione di compressione 523 è in collegamento di fluido con l’ingresso 522 della sezione di compressione più a valle, cioè la seconda sezione di compressione 524.
L’ingresso e l’uscita delle sezioni di compressione successive possono essere in collegamento di fluido attraverso una sezione di inter-refrigerazione, in cui il gas refrigerante, compresso da una sezione più a monte, viene raffreddato prima di essere re-inserito nella sezione successiva.
Lo stesso concetto si applica quando le sezioni di compressione sono tre anziché due. Pertanto, quando la terza sezione è disposta a valle della seconda sezione, la quale a sua volta è disposta a valle della prima sezione, l’uscita della prima sezione è in accoppiamento di fluido diretto o indiretto con l’ingresso della seconda sezione di compressione e l’uscita della seconda sessione di compressione è in accoppiamento di fluido diretto o indiretto con l’ingresso della terza sezione di compressione.
Almeno una sezione di compressione può essere disposta a giranti contrapposte. In questo caso le uscite di due sezioni adiacenti sono poste l’una vicina all’altra.
Sezioni di compressione adiacenti possono essere separate per mezzo di tenute al labirinto o abradibili, allo scopo di limitare trafilamenti da una sezione all’altra.
In particolare, la lunghezza assiale di queste tenute può essere compresa fra il 30% il 40%, preferibilmente attorno al 35% del diametro medio delle giranti di dette sezioni di compressione adiacenti. Questo intervallo di valori garantisce che i trafilamenti siano fortemente ridotti.
Il rotore del compressore 500 comprende una pluralità di giranti, disposte in una pluralità di sezioni di compressione come precedentemente descritto, e le giranti hanno diametri costanti o decrescenti, mentre l’ultima girante è sempre più piccola rispetto alla prima. Ad esempio la prima girante 507 può avere un diametro uguale a quello della seconda girante 508 la quale a sua volta ha un diametro maggiore rispetto a quello della terza girante 509; mentre la terza, la quarta e la quinta girante 509, 510, 511 hanno diametri progressivamente decrescenti.
Tutte le giranti possono essere impilate l’una sull’altra per formare il rotore. Un tirante comune 506 può essere disposto e configurato per mantenere tutte le giranti 507, 508, 509, 510, 511 unite insieme. Uno scorrimento reciproco fra giranti adiacenti viene impedito per mezzo di connessioni Hirth 512, 513, 514, 515. Estremità assiali opposte delle giranti comprendono connessioni Hirth. Le giranti impilate e accoppiate sono serrate insieme per mezzo del tirante. In questo modo si ottiene una connessione meccanica affidabile e molto stabile. Il tirante può essere assialmente pre-caricato allo scopo di comprimere le giranti. Ciascuna girante 507, 509, 510, 511 può avere un foro passante sul proprio asse di rotazione e può essere configurata per far passare il tirante attraverso di essa.
Le giranti del compressore centrifugo della presente invenzione sono configurate per avere un numero di Mach periferico inferiore a 1,1, preferibilmente inferiore a 1, cioè subsonico.
Il numero di Mach (Ma) è normalmente calcolato per mezzo della formula
in cui RPM è il numero di giri al minuto della girante, �=3,14159, Tip Diameter è il diametro della punta della girante e C= velocità del suono che, usando l’equazione del gas ideale, può essere calcolata dalla formula
in cui γ è l’esponente adiabatico del gas a basso peso molecolare, R è la costante universale dei gas (8,314 J/Mol K), Z è il fattore comprimibilità, T è la temperatura del gas a basso peso molecolare in qualunque punto del compressore e MW è il peso molecolare del gas a basso peso molecolare.
La velocità del suono (C) varia in maniera inversa alla radice quadrata del peso molecolare del fluido. Pertanto, refrigeranti a peso molecolare più basso danno luogo a velocità del suono più alte.
Il presente compressore centrifugo è configurato per elaborare in una cassa singola gas a basso peso molecolare, quale un refrigerante misto di un processo C3MR, oppure etilene e metano di un processo Cascade: il refrigerante misto del C3MR ha un peso molecolare di circa 26 g/mol, l’etilene ha un peso molecolare di 28 g/mol e il metano ha un peso molecolare di 16 g/mol.
Il presente compressore è configurato per ruotare a elevata velocità di rotazione, preferibilmente fra 3600 e 8000 giri/minuto, essendo il peso molecolare del gas refrigerante elaborato inferiore a 30 g/mol. Queste caratteristiche consentono di mantenere le giranti in condizioni di funzionamento supersoniche.
Almeno una delle giranti del compressore centrifugo ha una velocità periferica superiore a 300 m/min, preferibilmente superiore a 180 m/min.
Preferibilmente, la(le) girante(i) più a monte possono essere del tipo aperto, cioè senza contro-disco. Al contrario, le restanti giranti, cioè quelle disposte a valle del primo gruppo di giranti aperte, possono comprendere contro-dischi 516, 517, 518.
La/le girante/i più a monte hanno velocità periferiche superiori rispetto alle altre giranti e conseguentemente diametri maggiori. Per questa ragione, le giranti più a monte possono essere prive di contro-disco per evitare sollecitazioni meccaniche. Il diametro medio delle prime due giranti può essere superiore a 1,2 volte il diametro medio delle restanti giranti. Giranti senza contro-disco possono ruotare più velocemente rispetto a giranti con contro-disco a causa della mancanza del contro-disco; infatti, quando la girante ruota il contro-disco è tirato verso l’esterno dalla forza centrifuga che agisce su di esso e al di sopra di una certa velocità di rotazione il contro-disco rischia di strappare la girante.
Grazie alla sopra definita configurazione del rotore del compressore, la girante può ruotare più rapidamente rispetto ai compressori centrifughi tradizionali, raggiungendo così un maggiore rapporto di compressione.
In una forma di realizzazione, la porzione della cassa disposta attorno alla/alle bocca/bocche di ingresso e/o di uscita ha uno spessore maggiore rispetto allo spessore medio del resto della cassa, allo scopo di irrobustire la cassa del compressore nella zona del compressore maggiormente sollecitata dall’elevata pressione.
La macchina di azionamento del treno di compressione di qualunque forma di realizzazione della presente invenzione può essere una turbina a gas monoalbero, una turbina a gas multi albero, o una turbina a vapore. In un’ulteriore forma di realizzazione preferita la macchina di azionamento può essere un motore elettrico con azionamento a velocità variabile (VSD), oppure un motore elettrico a velocità fissa.
A causa delle caratteristiche tecniche del presente compressore centrifugo, la coppia di compressori centrifughi tradizionali 310, 311 usata per comprimere etilene nel processo Cascade può ora essere sostituita da un compressore singolo 409 come sopra descritto.
Per le stesse ragioni, i tre compressori centrifughi tradizionali 307, 308, 309 usati per comprimere metano nel processo Cascade possono essere sostituiti da un ulteriore compressore singolo 408 come sopra descritto.
Inoltre, per le stesse ragioni tecniche descritte, i tre compressori tradizionali 101, 102, 103 usati per comprimere refrigerante misto nel processo C3MR possono ora essere sostituiti da un singolo compressore 201 come sopra descritto.
La compressione, che prima veniva eseguita da più di un compressore, può ora essere eseguita con un singolo compressore secondo la presente invenzione senza compromettere le prestazioni complessive. Si ottengono così vantaggi evidenti.
Il treno di compressione così realizzato non richiede alcun ulteriore compressore collegato direttamente/indirettamente alla macchina di azionamento.
Usando treno/i di compressione con compressore/i secondo la presente invenzione, si può ottenere una più elevata produzione di LNG in uno spazio minore e/o in un minore ingombro in pianta e con un minor numero di macchine.
Si deve notare che avere soltanto una cassa anziché due o più casse è vantaggioso sotto molti punti di vista:
<− si semplificano l’installazione e la manutenzione,>
<− si riduce il tempo di manutenzione>
− si si aumenta l’affidabilità (meno componenti e meno possibilità di rotture), − si riducono l’ingombro in pianta e il peso delle macchine,
- si riducono i trafilamenti di gas,
- si riducono la complessità e la dimensione del sistema di olio lubrificante.
Anche se il presente treno di compressione è stato adottato e descritto per processi C3MR e Cascade, esso può essere adattato e usato facilmente per altri processi LNG.
Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.
Un oggetto finale della presente invenzione è un treno di compressione definito dalle seguenti clausole numerate:
1. Un treno di compressione comprendente un motore ed un compressore ad alta velocità azionato dal motore; in cui il compressore ad alta velocità è un compressore centrifugo e comprende un primo insieme di giranti e un secondo insieme di giranti disposto a valle o a monte del primo insieme di giranti; le giranti della primo insieme essendo centrifughe e prive di contro-disco; le giranti del secondo insieme essendo centrifughe e provviste di contro-disco; almeno le giranti del primo insieme e del secondo insieme essendo alloggiate all’intemo di una cassa comune; le giranti del primo insieme e del secondo insieme essendo accoppiate l’una all’altra tramite connessioni meccaniche.
2. Il treno di compressione della clausola 1, in cui il motore è un motore elettrico o una turbina a vapore o una turbina a gas, in particolare una turbina a gas aeroderivativa.
3. Il treno di compressione della clausola 1 o 2, in cui il motore e il compressore ad alta velocità sono collegati direttamente o attraverso una scatola ad ingranaggi.
4. Il treno di compressione della clausola 1, 2 o 3, comprendente un ulteriore compressore centrifugo disposto fra il motore e il compressore ad alta velocità.
5. Il treno di compressione della clausola 4 dipendente dalla clausola 2, in cui la scatola ad ingranaggi è disposta fra il compressore ad alta velocità e l’ulteriore compressore.
6. Il treno di compressione di una qualsiasi delle clausole precedenti, in cui il treno di compressione comprende un motore ausiliario configurato per aiutare il motore principale quando la potenza assorbita dal/dai compressore/compressori supera una soglia predeterminata.

Claims (20)

  1. Treno di compressione con un compressore centrifugo e impianto LNG RIVENDICAZIONI 1. Un treno di compressione per un processo di liquefazione di gas naturale, comprendente: una macchina di azionamento; un solo compressore centrifugo azionato in rotazione da detta macchina di azionamento; il compressore essendo configurato per comprimere un gas refrigerante con un peso molecolare inferiore a 30 g/mol, da una pressione di aspirazione a una pressione di mandata; in cui il rapporto fra la pressione di mandata e la pressione di aspirazione è superiore a 10, preferibilmente superiore a 12, più preferibilmente superiore a 15.
  2. 2. Treno di compressione secondo la rivendicazione 1, in cui la macchina di azionamento e il compressore sono direttamente collegati meccanicamente tra loro.
  3. 3. Treno di compressione come da rivendicazione 1, in cui la macchina di azionamento e il compressore sono collegati tra loro per mezzo di una scatola ad ingranaggi.
  4. 4. Treno di compressione come da rivendicazione 1, in cui il compressore comprende una pluralità di stadi di compressione suddivisi in due o tre sezioni di compressione.
  5. 5. Treno di compressione come da rivendicazione 4, in cui il compressore è del tipo a cassa cilindrica e le due o più sezioni di compressione sono disposte in una parte stazionaria inseribile in modo removibile in una cassa comune.
  6. 6. Treno di compressione come da rivendicazione 4 o 5, in cui il compressore comprende un ingresso e un’uscita per ciascuna sezione di compressione.
  7. 7. Treno di compressione come da rivendicazione 6, in cui le sezioni di compressione sono due, la seconda sezione di compressione è disposta a valle della prima e l’uscita della prima sezione è in comunicazione di fluido diretta o indiretta con l’ingresso della seconda sezione.
  8. 8. Treno di compressione come da rivendicazione 6, in cui le sezioni di compressione sono tre, la terza sezione di compressione è disposta a valle della seconda sezione di compressione che a sua volta è disposta a valle della prima sezione di compressione, l’uscita della prima sezione è in comunicazione di fluido diretta o indiretta con l’ingresso della seconda sezione di compressione, e l’uscita della seconda sezione di compressione è in comunicazione di fluido diretta o indiretta con l’ingresso della terza sezione di compressione.
  9. 9. Treno di compressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la macchia di azionamento è una turbina a gas monoalbero o una turbina a gas multi albero o un motore elettrico.
  10. 10. Treno di compressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il gas refrigerante è un refrigerante misto e il processo di liquefazione di gas naturale è del tipo AP-C3MR®.
  11. 11. Treno di compressione come da una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il refrigerante è etilene o metano e il processo di liquefazione di gas naturale è del tipo Cascade.
  12. 12. Treno di compressione come da rivendicazione 7 o 8, in cui il gas refrigerante passa attraverso un inter-refrigeratore fra un’uscita ed un successivo ingresso.
  13. 13. Treno di compressori come da rivendicazione 5, in cui ciascuno stadio di compressione comprende una girante ed in cui le giranti hanno diametri costanti o decrescenti e l’ultima girante ha un diametro inferiore rispetto alla prima.
  14. 14. Treno di compressione come da rivendicazione 13, in cui la/le girante/i più a monte è/sono aperta/e e le altre giranti sono giranti chiuse.
  15. 15. Treno di compressione come da rivendicazione 13 o 14, in cui giranti sono impilate l’una sull’altra per formare un rotore.
  16. 16. Treno di compressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13 a 15, in cui il numero di Mach periferico delle giranti è inferiore a 1,1, preferibilmente
  17. 17. Treno di compressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13 a 16, in cui almeno una girante ha una velocità periferica superiore a 300 m/s, preferibilmente superiore a 380 m/s.
  18. 18. Treno di compressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13 a 17, in cui fra sezioni di compressione adiacenti è prevista una tenuta al labirinto o abradibile, in cui la lunghezza assiale della tenuta è fra il 30% e il 40%, preferibilmente circa il 35% del diametro medio delle giranti di dette sezioni di compressione adiacenti.
  19. 19. Treno di compressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 18, in cui la cassa del compressore ha uno spessore superiore attorno alla/alle bocca/bocche di ingresso e/o di uscita del compressore rispetto allo spessore medio del resto della cassa.
  20. 20. Impianto LNG comprendente uno o più treni di compressione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
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