ITCO20100006A1

ITCO20100006A1 - Sistema singolo con compressore e pompa integrati e metodo

Info

Publication number: ITCO20100006A1
Application number: IT000006A
Authority: IT
Inventors: Nicola Banchi; Lorenzo Bergamini; Matteo Berti; Stefano Bresciani; Iaco Marco De; Giuseppe Sassanelli
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-08-18
Also published as: CN102834619A; MX2012009605A; AU2011217353A1; EP2536955A1; IT1398142B1; JP2013519864A; EP2536955B1; WO2011101296A1; JP6188125B2; CA2789424A1; US20130156543A1; CN102834619B; BR112012020442A2; ES2476282T3; US9360002B2; AU2011217353B2

Description

Descrizione

SISTEMA SINGOLO CON COMPRESSORE E POMPA INTEGRATI E METODO

STATO DELL’ARTE

CAMPO TECNICO

Le forme di realizzazione dell’oggetto qui descritto si riferiscono generalmente a metodi e sistemi e, più particolarmente, a meccanismi e tecniche per integrare una parte a compressore e una parte a pompa in un singolo sistema per comprimere e pompare un dato fluido.

DISCUSSIONE SULLO STATO DELL’ARTE

Negli anni passati il crescente ricorso ai prodotti petrolchimici ha generato non solo un grande aumento di emissioni inquinanti (per esempio, C02), ma anche l’esigenza di avere più compressori, pompe e altri macchinari che sono utilizzati per la lavorazione dei prodotti derivati dal petrolio e dal gas.

Per esempio, nel campo della generazione di energia elettrica, sono prodotte grandi quantità di emissioni di CO2. Poiché il mondo sta diventando sensibile alle emissioni inquinanti e i governi stanno mettendo a punto un sistema che penalizza queste emissioni neH’ambiente, è più che mai lungimirante sviluppare tecnologie che riducano la quantità di inquinamento, le cosiddette tecnologie verdi.

In un campo differente, il recupero assistito del petrolio (Enhanced Oil Recovery -EOR, che si riferisce a tecniche per aumentare la quantità di petrolio greggio che può essere estratto da un giacimento petrolifero), l'esigenza di trasportare C02e/o una miscela di C02in modo più efficiente e affidabile è anch’essa importante per l'industria e per l’ambiente. Secondo il sistema EOR, la C02e/o la miscela di C02proveniente da un impianto di stoccaggio è fornita in un punto di perforazione, a terra oppure in mare, per essere pompata sottoterra per rimuovere il petrolio. Come tale, il trasporto di C02e/o della miscela di C02è importante per questo campo.

Per quanto riguarda la generazione di energia elettrica, la riduzione delle emissioni di C02è difficoltosa in quanto questo fluido ha un elevato peso molecolare e il suo punto critico è a una pressione molto bassa (74 bar) a temperatura ambiente. Al fine di rimuovere la C02che è solitamente prodotta come un gas mediante generazione di energia elettrica, la C02deve essere separata dagli altri inquinanti e/o sostanze che sono presenti negli scarichi provenienti dalla centrale elettrica. Questa fase è tradizionalmente denominata cattura. Dopo avere catturato la C02, il gas deve essere compresso per arrivare alla pressione predeterminata, raffreddato per passare dalla fase gassosa alla fase densa, per esempio fase liquida e quindi trasportato in questa fase più densa in un punto di stoccaggio. Come sarà discusso più avanti, la fase densa dipende dal tipo di fluido, dalla quantità di impurità nel fluido e da altri parametri. Tuttavia, non vi è un unico parametro che possa descrivere quantitativamente la fase densa per un fluido in generale, a meno che non sia nota una composizione accurata del fluido. Lo stesso procedimento può essere utilizzato per il sistema EOR, laddove la C02e o la miscela di C02debba essere catturata e quindi compressa e trasportata nel punto desiderato per la reiniezione.

Perciò, tradizionalmente, dopo la fase di cattura, viene utilizzato un compressore per portare la C02iniziale nella fase gassosa a una fase densa o a una fase liquida. In seguito, la C02è alimentata a una pompa che trasporta il fluido nella fase densa o liquida a un impianto di stoccaggio oppure in un altro punto desiderato per la reiniezione. Occorre notare che affinché sia la pompa sia il compressore trattino in modo efficace la C02, devono essere ottenute certe pressioni e temperature della C02nel gas nonché le fasi densa/liquida, in quanto i rendimenti del compressore e della pompa sono sensibili a tali fattori. Pertanto, i compressori e le pompe tradizionali devono essere perfettamente sintonizzati gli uni rispetto alle altre in modo tale che la fase precisa di C02sia trasferita dal compressore alla pompa. Tuttavia, poiché il compressore e la pompa sono tradizionalmente fabbricati da fornitori diversi, l’accoppiamento di questi due elementi può essere laboriosa, richiedendo un notevole coordinamento tra i fabbricanti. Inoltre, i sistemi esistenti che utilizzano compressori autonomi e pompe autonome hanno un ingombro notevole, che può essere dispendioso.

Di conseguenza, sarebbe desiderabile provvedere sistemi e metodi che evitino i problemi e gli inconvenienti descritti in precedenza.

SOMMARIO

Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, è provvisto un sistema per comprimere un fluido in una fase gassosa e per pompare il fluido in una fase densa. Il sistema include una parte a compressore avente almeno una girante configurata per comprimere il fluido nella fase gassosa; un’ammissione della parte a compressore e configurata per ricevere il fluido nella fase gassosa e per fornire il fluido ad almeno una girante; uno scarico della parte a compressore configurato per fornire il fluido nella fase gassosa a una densità pari o superiore a una densità predeterminata; un dispositivo di variazione della temperatura collegato allo scarico della parte a compressore e configurato per modificare il fluido nella fase densa; una parte a pompa avente almeno una girante configurata per pompare il fluido nella fase densa; un’ammissione della parte a pompa configurata per ricevere il fluido nella fase densa dallo scarico della parte a compressore; uno scarico della parte a pompa configurato per emettere il fluido nella fase densa dal sistema; un singolo ingranaggio gigante configurato per ruotare intorno a un asse assiale a una velocità predeterminata; pignoni multipli in contatto con il singolo ingranaggio gigante e configurati per ruotare a velocità predeterminate, diversi l’uno dall’altro, ciascun pignone essendo configurato per attivare una girante corrispondente della parte a compressore; e un albero della pompa che si estende dalla parte a pompa e configurato per impegnare il singolo ingranaggio gigante per ruotare almeno una girante della parte a pompa. La almeno una girante della parte a compressore ha una velocità diversa rispetto all’almeno una girante della parte a pompa e la fase densa è definita avendo una densità maggiore rispetto alla densità predeterminata.

Secondo un’altra forma di realizzazione esemplificativa, è provvisto un metodo per comprimere un fluido in una fase gassosa e per pompare il fluido in una fase densa con un sistema comprendente una parte a compressore e una parte a pompa, la parte a compressore avendo almeno una girante della parte a compressore e la parte a pompa avendo almeno una girante della parte a pompa. Il metodo include il ricevere in corrispondenza di un’ammissione della parte a compressore il fluido nella fase gassosa; il comprimere il fluido nella fase gassosa in uno o più stadi della parte a compressore in modo tale che il fluido emerga in corrispondenza di uno scarico della parte a compressore come un fluido nella fase gassosa a una densità pari o superiore a una densità predeterminata; il trasformare una fase del fluido nella fase densa, raffreddando il fluido dopo la fuoriuscita dalla parte a compressore; il ricevere il fluido nella fase densa in corrispondenza di un’ammissione della parte a pompa; il pompare il fluido nella fase densa attraverso uno o più stadi della parte a pompa in modo tale che il fluido emerga in corrispondenza di uno scarico della parte a pompa avendo una pressione superiore rispetto a quella in corrispondenza deH’ammissione della parte a pompa; e il ruotare un singolo ingranaggio gigante al fine di attivare tutti gli almeno uno o più stadi del compressore e almeno uno o più stadi della pompa. La fase densa è definita dal fluido avente una densità maggiore rispetto alla densità predeterminata.

Secondo un’altra forma ancora di realizzazione esemplificativa, è provvisto un supporto leggibile a computer comprendente istruzioni eseguibili tramite elaboratore, in cui le istruzioni, una volta eseguite, implementano un metodo per comprimere un fluido in una fase gassosa e per pompare il fluido in una fase densa con un sistema comprendente una parte a compressore e una parte a pompa, la parte a compressore avendo almeno una girante della parte a compressore e la parte a pompa avendo almeno una girante della parte a pompa. Il metodo include le fasi citate nel paragrafo precedente.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni allegati, che sono incorporati nella descrizione dettagliata e ne costituiscono parte integrante, illustrano una o più forme di realizzazione e, insieme alla descrizione, spiegano tali forme di realizzazione. Nei disegni:

la figura 1 è una vista generale di un sistema avente un compressore e una pompa integrati secondo una forma di realizzazione esemplificativa;

la figura 2 è un disegno schematico di un sistema avente un compressore e una pompa integrati secondo una forma di realizzazione esemplificativa;

la figura 3 illustra un diagramma di stato di un fluido che è compresso dal compressore e pompato dalla pompa a certe temperature e pressioni secondo una forma di realizzazione esemplificativa;

la figura 4 è un disegno schematico di una parte a pompa collegata a un ingranaggio gigante che attiva una parte a compressore secondo una forma di realizzazione esemplificativa;

la figura 5 è una vista laterale di un sistema avente il compressore e la pompa integrati secondo una forma di realizzazione esemplificativa;

la figura 6 è un disegno schematico di una parte a pompa del sistema secondo una forma di realizzazione esemplificativa;

la figura 7 è un disegno schematico di un sistema avente un compressore e una pompa integrati e un sistema di controllo; e

la figura 8 è un diagramma di flusso illustrante un metodo per comprimere e trasportare un fluido secondo una forma di realizzazione esemplificativa.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni diversi identificano elementi uguali o simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione. Invece, la portata dell’invenzione è definita dalle rivendicazioni allegate. Le seguenti forme di realizzazione sono discusse, ai fini della semplicità, in merito alla terminologia e alla struttura di un compressore e pompa utilizzati per C02. Tuttavia, le forme di realizzazione che saranno successivamente discusse non si limitano a questo fluido, ma possono essere applicate ad altri fluidi.

Il riferimento in tutta la descrizione particolareggiata a “una forma di realizzazione” significa che una particolare funzione, struttura o caratteristica descritta in relazione a una forma di realizzazione è inclusa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Perciò, la comparsa della frase “in una forma di realizzazione” in vari punti della descrizione particolareggiata non si riferisce necessariamente alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari funzioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.

Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, è provvisto un sistema singolo che include una parte a compressore e una parte a pompa. Il sistema singolo è configurato per ricevere in entrata un fluido in una fase gassosa, trasformarlo in un fluido in una fase densa (o fase liquida) e trasportare il fluido nella fase densa al punto desiderato. La fase densa può essere definita da una densità, pressione e temperatura del fluido. La densità, che è predeterminata per ciascun fluido, dipende, tra le altre cose, dalla composizione del fluido. Occorre notare che il fluido nella fase densa può essere un gas ma così denso da comportarsi come un liquido quando viene pompato. Per questo motivo, è desiderabile alimentare il fluido nella fase densa o nella fase liquida alla parte a pompa. Il sistema può avere un singolo ingranaggio gigante che aziona sia la parte a compressore sia la parte a pompa. Un tale sistema può avere un ingombro minore rispetto a un sistema tradizionale che include un compressore autonomo e una pompa autonoma, in quanto entrambi gli stadi del compressore e della pompa sono formati intorno all’ingranaggio gigante. Il sistema può anche assorbire meno energia elettrica rispetto al compressore autonomo e alla pompa autonoma. Il sistema può utilizzare uno o più dispositivi di raffreddamento previsti, per esempio, tra la parte a compressore e la parte a pompa per raffreddare il fluido nella fase gassosa proveniente dal compressore, per raggiungere la fase densa prima che la stessa sia alimentata alla parte a pompa. Altri dispositivi di raffreddamento possono essere facoltativamente installati tra i vari stadi della parte a compressore e/o parte a pompa.

Secondo una forma di realizzazione esemplificativa in figura 1, un sistema integrato 10 include una parte a compressore 12 e una parte a pompa 14. La parte a compressore 12 è alloggiata in un alloggiamento 16. All’interno dell'alloggiamento 16 è presente una scatola degli ingranaggi 18 che include, tra le altre cose, un singolo ingranaggio gigante 20 e uno o più pignoni 22. In un'applicazione, la scatola degli ingranaggi 18 può essere prevista esternamente all’alloggiamento 16. Ciascun pignone 22 può essere fissato a un albero corrispondente 24 che è collegato a una corrispondente girante del compressore. Un albero 23 è collegato con un’estremità all’ingranaggio gigante 20, direttamente oppure tramite uno o più pignoni 25 o altri meccanismi equivalenti, e l’altra estremità dell’albero 23 entra nella parte a pompa 14 per attivare l'uno o più stadi presenti nella parte a pompa. Un ingranaggio 26 può essere previsto tra l’ingranaggio gigante 20 e uno o più pignoni 22. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, gli stadi della parte a compressore sono distribuiti intorno all’ingranaggio gigante 20 come arpioni intorno al mozzo di una ruota, mentre gli stadi della parte a pompa 14 sono distribuiti allineati, lungo l’albero 23 come mostrato in seguito, tale disposizione essendo diversa da una disposizione in linea, nella quale gli stadi del compressore e della pompa sono tutti distribuiti lungo un albero comune. Un’altra differenza tra la disposizione mostrata in figura 1 e una disposizione in linea è che gli stadi del sistema 10 possono avere una propria velocità rotazionale mentre gli stadi nella disposizione in linea hanno tutti una singola velocità rotazionale.

La parte a compressore 12 può includere stadi multipli, per esempio, giranti multiple che azionano il fluido desiderato. In un’applicazione, la parte a compressore 12 è un compressore centrifugo e il numero di giranti del compressore e proporzionalmente di stadi del compressore possono essere uno o più. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, le giranti del compressore sono selezionate per accelerare il fluido che scorre a causa della forza centrifuga, in modo tale che la parte a compressore 12 funga da compressore centrifugo. Per esempio, la forma di realizzazione mostrata in figura 1 mostra sei stadi da 30-1 a 30-6, ciascuno avente una girante corrispondente del compressore. Ciascuno stadio ha un’ammissione e uno scarico. La parte a compressore 12 ha un’ammissione complessiva 32 della parte a compressore e uno scarico complessivo 36 della parte a compressore. L’ammissione 32 della parte a compressore è configurata per ricevere il fluido nella fase gassosa e lo scarico complessivo 36 della parte a compressore è configurato per fornire il fluido nella fase gassosa a una pressione e/o densità aumentata. Per esempio, la pressione in entrata può essere di 1 bar mentre la pressione in uscita può essere compresa tra 10 e 1000 bar. In un’applicazione, la pressione di uscita può essere compresa tra 10 e 120 bar. La densità di uscita può essere compresa tra 100 e 500 kg/m<3>per CO2 avente un basso contenuto di impurità relativa, tra lo 0 e il 5%. La parte a pompa 14 può anche includere uno o più stadi, per esempio giranti multiple che azionano il fluido nella fase densa o liquida. Ciascuno stadio può avere un’ammissione e uno scarico. La parte a pompa 14 ha un’ammissione complessiva e uno scarico complessivo della parte a pompa (mostrati in seguito). L'ammissione della parte a pompa può essere configurata per essere collegata allo scarico complessivo 36 della parte a compressore per ricevere il fluido nella fase densa dalla parte a compressore. Lo scarico della parte a pompa può essere configurato per scaricare il fluido nella fase densa a una pressione desiderata per il trasporto, per esempio, in un punto di stoccaggio. Per la C02avente l'impurità osservata sopra, una densità tra 400 e 800 kg/m<3>è la densità predeterminata che caratterizza la fase densa. In altre parole, per questa particolare purezza di CO2, se la densità del fluido è approssimativamente pari 0 superiore a 400 - 800 kg/m<3>e la temperatura e la pressione del fluido sono sopra i valori critici, allora il fluido viene considerato nella fase densa. Come già osservato sopra, questo valore è corretto per una particolare purezza di C02e perciò, questo valore varia con la natura del fluido e la sua purezza.

La parte a pompa mostrata in figura 1 ha l’albero 23 che si estende all’interno dell’alloggiamento 16 della parte a compressore 12 in modo tale che l’ingranaggio gigante 20 attivi l’albero 23. Perciò, la rotazione dell’ingranaggio gigante 20 (per mezzo di un albero 21) determina non solo la rotazione dei pignoni degli stadi del compressore, ma anche la rotazione dell’albero 23 della pompa e perciò, la rotazione delle giranti della parte a pompa. In un’applicazione, un altro meccanismo può essere usato al posto dell’ingranaggio gigante per attivare gli stadi del compressore e gli stadi della pompa. Occorre notare che mentre l’ingranaggio gigante 20 può ruotare a una data velocità, ciascuna girante del compressore può ruotare a una velocità differente a seconda della dimensione del pignone corrispondente. Tuttavia, le giranti della pompa sono distribuite in linea, per esempio le giranti della parte a pompa hanno la stessa velocità. In altre parole, utilizzando un singolo ingranaggio gigante, i vari stadi della parte a compressore e della parte a pompa possono essere progettati in modo tale che il singolo sistema riceva in entrata un fluido in una fase gassosa ed emetta il fluido in una fase densa 0 fase liquida.

Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, i collegamenti tra le varie ammissioni e scarichi della parte a pompa e della parte a compressore sono mostrati in figura 2. In questa forma di realizzazione, la parte a compressore 12 include sei stadi. Tuttavia, come discusso sopra, questo numero è esemplificativo e la parte a compressore può includere più o meno stadi in base alle esigenze di ciascuna applicazione. L’ammissione complessiva 32 e lo scarico complessivo 36 della parte a compressore 12 sono stati mostrati in figura 1. La figura 2 mostra le ammissioni e gli scarichi tra i diversi stadi della parte a compressore 12. Per esempio, dopo che il fluido nella fase gassosa è entrato nell’ammissione complessiva 32, il 1° stadio scarica il fluido, ancora nella fase gassosa, in corrispondenza dello scarico 34-1. Occorre notare che lo scarico 34-1 è lo scarico del 1° stadio, mentre lo scarico complessivo 36 è lo scarico dell’ultimo stadio e lo scarico complessivo della parte a compressore 12. Il fluido nella fase gassosa, avendo una pressione e una temperatura aumentate in corrispondenza dello scarico 34-1, può essere fornito a un dispositivo di raffreddamento della temperatura 40-1 per ridurre la temperatura del fluido nella fase gassosa. Il numero di dispositivi di raffreddamento utilizzati tra i diversi stadi della parte a compressore può variare da un’applicazione all’altra. Il dispositivo di raffreddamento può essere un raffreddatore (un raffreddatore è un dispositivo di circolazione dell’acqua o di altri mezzi a una temperatura desiderata intorno a un liquido per rimuovere il calore dal liquido), un refrigeratore (un refrigeratore è una macchina che rimuove il calore da un liquido attraverso un ciclo frigorifero a compressione di vapore o ad assorbimento) oppure un espansore (un dispositivo che è in grado di espandere un gas producendo una coppia meccanica, denominato anche valvola di Joule-Thomson).

La figura 3 illustra il procedimento in figura 2 su un diagramma di pressioneentalpia o diagramma p-h. Le linee di temperatura costante sono anch’esse comprese nel diagramma p-h. Le linee di temperatura costante sono identificate da temperature corrispondenti. Per esempio, la figura 3 mostra che la temperatura è approssimativamente di 25°C e la pressione è approssimativamente di 1 bar in corrispondenza dell’ammissione 32, la temperatura è aumentata fino a circa 120°C e la pressione fino a circa 5 bar in corrispondenza dello scarico 34-1 del primo stadio. I numeri mostrati in figura 3 hanno scopi esemplificativi e non intendono limitare l’applicabilità delle forme di realizzazione discusse. Ai fini della semplicità, i numeri di riferimento utilizzati per le ammissioni e gli scarichi in figura 2 sono utilizzati anche in figura 3 per mostrare le loro temperature e pressioni corrispondenti. Sempre in merito alla figura 3, il dispositivo di raffreddamento 40-1 può ridurre la temperatura del fluido dopo il primo stadio da circa 120°C a circa 25°C prima di entrare nell’ammissione 32-2 del secondo stadio. Un dispositivo separatore 42-1 può essere collegato tra lo scarico 34-1 del primo stadio e l’ammissione 32-2 del secondo stadio per rimuovere acqua (o altri liquidi) dal fluido di C02compressa. Il numero di dispositivi separatori può variare da uno tra ciascuna coppia di stadi adiacenti a zero, a seconda dell'applicazione.

Il secondo stadio espelle il fluido ancora nella fase gassosa in corrispondenza dello scarico 34-2 e, dopo avere attraversato un secondo dispositivo di raffreddamento della temperatura 40-2 facoltativo, il gas arriva in corrispondenza deH’ammissione 32-2 del terzo stadio. Il fluido nella fase gassosa continua a passare di stadio in stadio, per esempio attraverso gli elementi 34-3, 32-4, 34-4, 32-5, 34-5 e 32-6 fino a quando il fluido nella fase gassosa non esce dallo scarico complessivo 36 ad alta pressione. La figura 3 mostra che le temperature e pressioni del fluido nella fase gassosa sono mantenute prossime ma al di fuori della campana 50. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, la parte a compressore 12 può essere progettata per trattare un fluido nella fase gassosa impedendo al fluido di entrare nella campana 50, poiché questo può tradursi nella perdita di prestazioni del compressore o perfino nel danneggiamento dello stesso. Un punto critico 52 del fluido, in questo caso C02, è mostrato nella parte superiore della campana 50 e i suoi valori di riferimento esemplificativi della pressione e della temperatura sono elencati in figura 3. Un punto critico è un punto in cui i confini tra le fasi del fluido cessano di esistere. I punti aventi pressioni e temperature superiori al punto critico formano una fase supercritica. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, la fase densa è la fase supercritica. Tuttavia, come discusso più avanti, la fase densa può includere punti che formano un sottoinsieme dei punti della fase supercritica. Il fluido nella fase gassosa che lascia la parte a compressore 12 e che ha la pressione più elevata (nel compressore) è ottenuto al punto 36 in figura 3 e questo fluido è poi fornito a un’ammissione 60-1 della parte a pompa 14. Occorre notare che la parte a pompa è progettata per funzionare con un fluido nella fase densa o liquida e non nella fase gassosa, perciò il fluido nella fase gassosa proveniente dalla parte a compressore 12 deve essere ulteriormente trattato per raggiungere la fase densa o liquida.

Il procedimento di trasformazione del fluido dalla fase gassosa alla fase densa è in funzione della velocità di ciascuno stadio del compressore, della temperatura e pressione del fluido in ciascuno stadio e del coordinamento delle temperature e pressioni del fluido rispetto alla campana 50. La figura 3 mostra come può essere regolata (abbassata) una temperatura dopo ciascuno stadio del compressore per il successivo stadio del compressore, per aumentare il rendimento del compressore riducendo nel contempo la quantità necessaria di lavoro del compressore e anche come la temperatura del fluido nella fase gassosa in corrispondenza dello scarico complessivo della parte a compressore 12 è raffreddata a una temperatura appropriata per variarne la fase per l'ammissione della parte a pompa 14. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, la transizione di fase dalla fase gassosa alla fase densa avviene lungo il tubo 54, per esempio, in corrispondenza di un dispositivo di raffreddamento 40-6, tra la parte a compressore 12 e la parte a pompa 14. In un'applicazione, una temperatura del fluido è variata in modo tale che l'entalpia del fluido che è fornito alla parte a pompa sia inferiore rispetto all’entalpia in corrispondenza del punto critico 52, come mostrato in figura 3. La figura 3 mostra una linea di densità costante 55 corrispondente a una densità predeterminata per il fluido C02. Come discusso sopra, il fluido compresso nella fase gassosa deve attraversare la curva 55 per entrare nella fase densa. A titolo di esempio, per una purezza di C02pari o superiore al 95%, la curva di densità predeterminata 55 è caratterizzata da una densità costante nell’intervallo di 400 a 800 kg/m<3>. La densità predeterminata può variare a seconda dell’applicazione, delle caratteristiche della pompa, del tipo di fluido, dell’impurità del fluido, dell’ambiente ecc. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, la fase densa include solo quei punti presenti della fase supercritica che hanno la densità superiore alla densità predeterminata.

La figura 2 mostra che il dispositivo di raffreddamento della temperatura 40-6 può essere inserito tra l’ultimo stadio della parte a compressore 12 e il primo stadio della parte a pompa 14, per controllare una temperatura del fluido mentre cambia dalla fase gassosa alla fase densa. Questa caratteristica permette all’operatore della parte a pompa di sintonizzare perfettamente quella temperatura, poiché la pressione di entrata della pompa dipende dalla temperatura di entrata del fluido per una data pressione e inoltre la pressione di entrata della pompa determina la potenza richiesta per azionare la pompa. Mentre la pressione del fluido che deve essere fornito alla parte a pompa è controllato dalla parte a compressore 12, la temperatura del fluido che deve essere fornito alla parte a pompa è controllato dal dispositivo di raffreddamento 40-6.

Inoltre, la figura 2 mostra schematicamente che gli stadi della parte a compressore possono essere accoppiati, per esempio, il 1° stadio accoppiato con il 2° stadio, per avere un singolo albero 24-1 che è ruotato mediante un pignone corrispondente che è in contatto con l'ingranaggio gigante 20. Per di più, la figura 2 mostra che l'ingranaggio gigante 20 può trasferire un moto vorticoso a tutti i pignoni della parte a compressore 12 e a tutti gli stadi nella parte a pompa 14. In più, la figura 2 mostra che una trasmissione 59 aziona l’ingranaggio gigante 20 e la trasmissione 59 può essere collocata fuori dall'alloggiamento che contiene la parte a compressore. La figura 2 mostra anche che la parte a pompa 14 è azionata dallo stesso ingranaggio gigante 20.

Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, i collegamenti tra gli stadi della parte a compressore e della parte a pompa con l’ingranaggio gigante 20 sono illustrati in figura 4. La figura 4 mostra la parte a compressore 12, avente sei stadi 30-1 a 30-6, ciascuno collegato all’ingranaggio gigante 20 e la parte a pompa 14, avente un singolo albero 23 collegato all'ingranaggio gigante 20. La figura 5 illustra i collegamenti delle tubazioni tra gli stadi della pompa del compressore e la parte a pompa dal lato opposto rispetto all’elemento conduttore 59. I numeri di riferimento di figura 1 sono utilizzati in figure 4 e 5 per gli stessi elementi e perciò, in questa sede non è ripetuta una descrizione di questi elementi. L’elemento conduttore 59 può essere un motore elettrico, una turbina a gas, un macchinario turbo ecc. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, viene utilizzato solo un elemento conduttore per azionare sia la parte a compressore sia la parte a pompa. In un’altra forma di realizzazione esemplificativa, l’elemento conduttore può essere previsto esternamente a un corpo che alloggia la parte a compressore e la parte a pompa oppure internamente a quel corpo.

La parte a pompa 14 può essere implementata, secondo una forma di realizzazione esemplificativa mostrata in figura 6, per avere dieci stadi. A seconda dell’applicazione, può essere implementato un numero maggiore o minore di stadi.

Il primo stadio ha un’ammissione 60-1 che riceve il fluido nella fase densa e uno scarico (non contrassegnato) che scarica il fluido nel secondo stadio. L’ammissione del secondo stadio riceve il fluido dal primo stadio e il secondo stadio scarica il fluido nello stadio successivo fino a quando il fluido arriva in corrispondenza dello scarico complessivo 36 del decimo stadio, che è anche lo scarico complessivo della parte a pompa 14. Occorre notare che secondo una forma di realizzazione esemplificativa, le giranti della parte a pompa sono collegate allo stesso albero 23 e perciò, esse ruotano alla stessa velocità. La velocità delle giranti della parte a pompa relativa alla velocità dell’ingranaggio gigante 20 è determinata dalla dimensione di un pignone di collegamento 25. Secondo altre forme di realizzazione esemplificative, la pompa ha almeno otto stadi. In più, la parte a pompa può includere altri dispositivi, per esempio dispositivi di raffreddamento per ridurre una temperatura del fluido nella fase densa. La parte a pompa è alloggiata in un corpo 64 della pompa. Il corpo 64 della pompa può essere fissato (imbullonato) a oppure essere reso solidale con l’alloggiamento 16 del compressore. La scatola degli ingranaggi 18 può essere collocata nell’alloggiamento 16 del compressore, nel corpo 64 della pompa, tra i due alloggiamenti, o in entrambi gli alloggiamenti.

Avendo la parte a compressore e la parte a pompa integrati nello stesso sistema e/o nello stesso pattino, e avendo anche un singolo ingranaggio gigante che aziona i vari stadi del compressore e della pompa, una o più forme di realizzazione possono presentare il vantaggio che l’operatore del sistema non deve ordinare su richiesta il compressore e la pompa per accoppiare io scarico del compressore con l’ammissione della pompa per avere una transizione agevole del fluido nella fase gassosa dal compressore al fluido nella fase densa o liquida alla pompa. In altre parole, avendo un singolo costruttore di entrambe le parti a compressore e a pompa, che abbina le prestazioni del compressore e della pompa in modo da gestire efficacemente un fluido specifico, per esempio, C02, l’operatore del sistema è sollevato dal problema di accoppiare correttamente un compressore fabbricato da un primo fornitore con una pompa fabbricata da un secondo fornitore per un fluido specifico.

Altri vantaggi di una o più forme di realizzazione si riferiscono alla potenza ridotta impiegata dalle parti integrate di compressore e pompa, la semplicità del meccanismo di azionamento, la riduzione dei componenti (per esempio, una trasmissione invece di due trasmissioni), il miglioramento della sincronizzazione della parte a compressore con la parte a pompa, poiché entrambe le parti sono azionate dallo stesso ingranaggio, l'ingombro ridotto del sistema integrato e la riduzione del tempo di manutenzione e del costo in quanto entrambe le parti sono riparate dallo stesso costruttore.

Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, il controllo della temperatura del fluido in stadi differenti nella parte a compressore e/o nella parte a pompa può essere ottenuto attraverso un processore incorporato in un dispositivo di controllo. Come mostrato per esempio in figura 7, l’unità di controllo 70 include almeno un processore 72 e l’unità di controllo è collegata a vari sensori 74 previsti nel sistema 10. Il collegamento può essere wireless, cablato o una combinazione di questi. I sensori 74 possono includere sensori di temperatura, sensori di pressione, sensori di velocità per l’ingranaggio gigante, e altri sensori che sono noti per l’utilizzo nella tecnica per monitorare la parte a compressore e la parte a pompa. L’unità di controllo 70 può essere programmata con istruzioni software, oppure può essere implementata in hardware per monitorare le pressioni e temperature degli stadi del compressore e della pompa e per controllare i dispositivi di raffreddamento per raffreddare il fluido alla temperatura desiderata. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, una tabella di consultazione o un grafico come mostrato in figura 3 può essere registrato in una memoria 76 che è collegata al processore 72 in modo tale che il processore 72 possa determinare a quale temperatura raffreddare il fluido in base alla posizione del fluido nel sistema 10, la velocità dell'ingranaggio gigante e/o la pressione del fluido. Inoltre, il processore 72 può controllare il sistema 10 in modo tale che il fluido nella parte a compressore e nella parte a pompa non raggiunga la zona sotto la campana 50 indicata in figura 3. Inoltre, il processore 72 può essere configurato per variare la fase del fluido prima di entrare nella parte a pompa.

Secondo una forma di realizzazione esemplificativa illustrata in figura 8, è provvisto un metodo per comprimere un fluido in una fase gassosa e per pompare il fluido in una fase densa con un sistema comprendente una parte a compressore e una parte a pompa, la parte a compressore avendo almeno una girante della parte a compressore e la parte a pompa avendo almeno una girante della parte a pompa. Il metodo include una fase 800 di ricevere in corrispondenza di un’ammissione della parte a compressore il fluido nella fase gassosa; una fase 802 di spingere il fluido nella fase gassosa attraverso uno o più stadi della parte a compressore in modo tale che il fluido emerga in corrispondenza di uno scarico della parte a compressore come un fluido nella fase gassosa a una densità aumentata; una fase 804 di trasformare una fase del fluido nella fase densa, raffreddando il fluido dopo la fuoriuscita dalla parte a compressore; una fase 806 di ricevere il fluido nella fase densa in corrispondenza di un’ammissione della parte a pompa; una fase 808 di dirigere il fluido nella fase densa attraverso uno o più stadi della parte a pompa in modo tale che il fluido emerga in corrispondenza di uno scarico della parte a pompa avendo una pressione superiore rispetto a quella in corrispondenza dell’aimmissione della parte a pompa; e una fase 810 di ruotare un singolo ingranaggio gigante al fine di attivare tutti gli almeno uno o più stadi del compressore e almeno uno o più stadi della pompa. La fase densa è definita dal fluido avente una densità maggiore rispetto alla densità aumentata. Le forme di realizzazione esemplificative descritte provvedono un sistema e un metodo per comprimere un fluido in una fase gassosa e trasportare il fluido in una fase densa o liquida. È inteso che la presente descrizione non intende limitare l'invenzione. Al contrario, le forme di realizzazione esemplificative intendono comprendere alternative, modifiche ed equivalenti, che sono inclusi nello spirito e nella portata dell'invenzione come definito dalle rivendicazioni allegate. Inoltre, nella descrizione dettagliata delle forme di realizzazione esemplificative, sono esposti numerosi dettagli specifici al fine di provvedere una comprensione approfondita dell’invenzione rivendicata. Tuttavia, un esperto della tecnica può comprendere che le varie forme di realizzazione possono essere implementate senza tali specifici dettagli.

Sebbene le caratteristiche ed elementi delle attuali forme di realizzazione esemplificative siano descritte nelle forme di realizzazione in combinazioni particolari, ciascuna caratteristica o elemento può essere utilizzato singolarmente senza le altre caratteristiche ed elementi delle forme di realizzazione oppure in varie combinazioni, con o senza altre caratteristiche ed elementi qui descritti.

La presente descrizione scritta utilizza esempi dell’oggetto divulgato per permettere a qualsiasi esperto della tecnica di implementare tale oggetto, includendo la realizzazione e l’utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema e l'esecuzione dei metodi incorporati. La portata dell’oggetto del brevetto è definita dalle rivendicazioni e può includere altri esempi che possono presentarsi agli esperti della tecnica. Tali altri esempi sono da intendersi come parte integrante della portata delle rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI: 1. Sistema configurato per comprimere un fluido in una fase gassosa e per pompare il fluido in una fase densa, il sistema comprende: una parte a compressore avente almeno una girante configurata per comprimere il fluido nella fase gassosa; un’ammissione della parte a compressore e configurata per ricevere il fluido nella fase gassosa e per fornire il fluido ad almeno una girante; uno scarico della parte a compressore configurato per fornire il fluido nella fase gassosa a una densità pari o superiore a una densità predeterminata; un dispositivo di variazione della temperatura collegato allo scarico della parte a compressore e configurato per modificare il fluido nella fase densa; una parte a pompa avente almeno una girante configurata per pompare il fluido nella fase densa; un’ammissione della parte a pompa configurata per ricevere il fluido nella fase densa dallo scarico della parte a compressore; uno scarico della parte a pompa configurato per emettere il fluido nella fase densa dal sistema; un singolo ingranaggio gigante configurato per ruotare intorno a un asse assiale a una velocità predeterminata; pignoni multipli in contatto con il singolo ingranaggio gigante e configurati per ruotare a velocità predeterminate, diversi l’uno dall’altro, ciascun pignone essendo configurato per attivare una girante corrispondente della parte a compressore; e un albero della pompa che si estende dalla parte a pompa e configurato per impegnare il singolo ingranaggio gigante per ruotare almeno una girante della parte a pompa, in cui la almeno una girante della parte a compressore ha una velocità diversa rispetto all’almeno una girante della parte a pompa, e la fase densa è definita dal fluido avente una densità maggiore rispetto alla densità predeterminata. 2. Il sistema della rivendicazione 1, in cui il dispositivo di variazione della temperatura è uno tra un dispositivo di raffreddamento, un refrigeratore o un espansore ed è previsto tra lo scarico della parte a compressore e l’ammissione della parte a pompa, il fluido è C02, la parte a compressore è configurata per ricevere la C02nella fase gassosa e per espellere la C02nella fase gassosa e la parte a pompa è configurata per ricevere la C02nella fase densa e per espellere la C02nella fase densa. 3. Il sistema della rivendicazione 1, in cui il dispositivo di variazione della temperatura è configurato per ridurre un’entalpia del fluido nella fase gassosa per renderla pari o inferiore a un’entalpia di un punto critico del fluido. 4. Il sistema della rivendicazione 1 comprende inoltre: un singolo ingranaggio azionante che aziona l'ingranaggio gigante. 5. Il sistema della rivendicazione 1 comprende inoltre: un alloggiamento del compressore configurato per alloggiare la parte a compressore e l’ingranaggio gigante; e un corpo della pompa configurato per ricevere la parte a pompa, in cui il corpo della pompa è fissato all’alloggiamento del compressore. 6. Il sistema della rivendicazione 1, in cui il sistema è configurato per gestire solo un fluido con un rendimento predeterminato e il sistema non può essere riconfigurato per gestire un altro fluido con lo stesso rendimento. 7. II sistema della rivendicazione 1, in cui la almeno una girante della parte a compressore e la almeno una girante della parte a pompa comprendono: da una prima a una sesta girante del compressore configurate in modo tale che la prima e la seconda girante del compressore siano azionate a una stessa prima velocità, la terza e la quarta girante del compressore siano azionate a una stessa seconda velocità, la quinta e la sesta girante del compressore siano azionate a una stessa terza velocità, la prima, seconda e terza velocità essendo differenti l’una dall’altra e dalla velocità dell’ingranaggio gigante; e da una prima a una decima girante della pompa configurate per essere azionate alla stessa quarta velocità dall’albero della pompa. 8. Il sistema della rivendicazione 1 comprende inoltre: N giranti del compressore e M giranti della pompa; tubazioni che collegano. le uscite e le entrate delle giranti N del compressore, in modo tale che il fluido in entrata nella fase gassosa sia alimentato serialmente attraverso tutte le giranti N del compressore; tubazioni che collegano un’uscita della girante ennesima del compressore alle giranti M della pompa in modo tale che il fluido nella fase gassosa proveniente dalla girante ennesima del compressore sia alimentato serialmente attraverso tutte le giranti M della pompa dopo avere subito una variazione di fase; dispositivi di rimozione dell’acqua previsti tra un’uscita di una girante del compressore o della pompa e un’entrata di una girante successiva del compressore o della pompa; e almeno un dispositivo di variazione della temperatura lungo le tubazioni, configurato per ridurre una temperatura del fluido nel gas o fase densa prima di entrare in una girante successiva del compressore o della pompa, in cui N è maggiore di due ed M è pari o maggiore di uno. 9. Il sistema della rivendicazione 1, in cui sono presenti sei giranti del compressore e otto giranti della pompa e una pressione di entrata in corrispondenza della parte a compressore di C02nella fase gassosa è 1 bar e una pressione di uscita in corrispondenza della parte a pompa di C02nella fase densa è tra 10 e 120 bar. 10. Metodo per comprimere un fluido in una fase gassosa e per pompare il fluido in una fase densa con un sistema comprendente una parte a compressore e una parte a pompa, la parte a compressore avendo almeno una girante della parte a compressore e la parte a pompa avendo almeno una girante della parte a pompa, il metodo comprende: il ricevere in corrispondenza di un’ammissione della parte a compressore il fluido nella fase gassosa; il comprimere il fluido nella fase gassosa in uno o più stadi della parte a compressore in modo tale che il fluido emerga in corrispondenza di uno scarico della parte a compressore come un fluido nella fase gassosa a una densità pari o superiore a una densità predeterminata; il trasformare una fase del fluido nella fase densa, raffreddando il fluido dopo la fuoriuscita dalla parte a compressore; il ricevere il fluido nella fase densa in corrispondenza di un’ammissione della parte a pompa; il pompare il fluido nella fase densa attraverso uno o più stadi della parte a pompa in modo tale che il fluido emerga in corrispondenza di uno scarico della parte a pompa avendo una pressione superiore rispetto a quella in corrispondenza dellammissione della parte a pompa; e il ruotare un singolo ingranaggio gigante al fine di attivare tutti gli almeno uno o più stadi del compressore e almeno uno o più stadi della pompa, in cui la fase densa è definita dal fluido avente una densità maggiore rispetto alla densità predeterminata. CLAIMS / RIVENDICAZIONI: 1. A system configured to compress a fluid in a gas phase and to pump the fluid in a dense phase, the system comprising: a compressor part having at least one impeller configured to compress the fluid in the gas phase; a compressor part inlet connected to the compressor part and configured to receive the fluid in the gas phase and to provide the fluid to the at least one impeller; a compressor part outlet configured to provide the fluid in the gas phase at a density equal to or larger than a predetermined density; a temperature changing device connected to the compressor part outlet and configured to change the fluid to the dense phase; a pump part having at least one impeller configured to pump the fluid in the dense phase; a pump part inlet configured to receive the fluid in the dense phase from the compressor part outlet; a pump part outlet configured to output the fluid in the dense phase from the system; a single bull gear configured to rotate around an axial axis with a predetermined speed; plural pinions contacting the single gear bull and configured to rotate with predetermined speeds, different from each other, each pinion being configured to activate a corresponding compressor part impeller; and a pump shaft extending from the pump part and configured to engage the single bull gear to rotate the at least one impeller of the pump part, wherein the at least one impeller of the compressor part has a different speed than the at least one impeller of the pump part, and the dense phase is defined by the fluid having a density larger than the predetermined density.
2. The system of Claim 1 , wherein the temperature changing device is one of a cooling device, a chiller, or an expander and is provided between the compressor part outlet and the pump part inlet, the fluid is C02, the compressor part is configured to receive the CO2 in the gas phase and to drive out the C02in the gas phase, and the pump part is configured to receive the C02in the dense phase and to drive out the C02in the dense phase.
3. The system of Claim 1 , wherein the temperature changing device is configured to reduce an enthalpy of the fluid in the gas phase to be equal to or lower than an enthalpy of a critical point of the fluid.
4. The system of Claim 1 , further comprising: a single drive mechanism that drives the bull gear.
5. The system of Claim 1 , further comprising: a compressor casing configured to house the compressor part and the bull gear; and a pump casing configured to receive the pump part, wherein the pump casing is attached to the compressor casing.
6. The system of Claim 1, wherein the system is configured to handle only one fluid with a predetermined efficiency and the system cannot be reconfigured to handle another fluid with the same efficiency.
7. The system of Claim 1 , wherein the at least one impeller of the compressor part and the at least one impeller of the pump part comprise: first to sixth compressor impellers configured such that the first and second compressor impellers are driven at a same first speed, the third and fourth compressor impellers are driven at a same second speed, and the fifth and sixth compressor impellers are driven at a same third speed, the first, second and third speeds being different from each other and from the speed of the bull gear; and first to ten pump impellers configured to be driven at a same fourth speed by the pump shaft.
8. The system of Claim 1 , further comprising: N compressor impellers and M pump impellers; piping connecting outputs and inputs of the N compressor impellers such that the input fluid in the gas phase is driven serially through all N compressor impellers; piping connecting an output of the Nth compressor impeller to the M pump impellers such that the fluid in the gas phase from the Nth compressor impeller is driven serially trough all M pump impellers after undergoing a phase change; water removing devices provided between an output of a compressor or a pump impeller and an input of a next compressor or pump impeller; and at least one temperature changing device along the piping configured to reduce a temperature of the fluid in the gas or dense phase prior to entering a next compressor or pump impeller, wherein N is larger than two and M is equal to or larger than one.
9. The system of Claim 1, wherein there are six compressor impellers and eight pump impellers and an input pressure at the compressor part of a CO2 in the gas phase is 1bar and an output pressure at the pump part of the C02in the dense phase is between 10 and 120 bar.
10. A method for compressing a fluid in a gas phase and for pumping the fluid in a dense phase with a system including a compressor part and a pump part, the compressor part having at least one compressor part impeller and the pump part having at least one pump part impeller, the method comprising: receiving at a compressor part inlet of the compressor part the fluid in the gas phase; compressing the fluid in the gas phase in one or more stages of the compressor part such that the fluid emerges at a compressor part outlet of the compressor part as a fluid in the gas phase at a density equal to or larger than a predetermined density; transforming a phase of the fluid to the dense phase by cooling the fluid after exiting the compressor part; receiving the fluid in the dense phase at a pump part inlet of the pump part; pumping the fluid in the dense phase through one or more stages of the pump part such that the fluid emerges at a pump part outlet of the pump part having a higher pressure than at the pump part inlet; and rotating a single bull gear in order to activate all of the at least one or more compressor stages and the at least one or more pump stages, wherein the dense phase is defined by the fluid having a density larger than the predetermined density.