JP2023543397A - 流体の冷蔵及び／又は液化のための設備及び方法 - Google Patents

Abstract

開示されるのは、流体の冷蔵及び／又は液化のための設備（１）であって、冷却されることになる流体の源に接続されることを意図された上流端（２１）と冷却及び／又は液化された流体を取集するための部材に接続されることを意図された下流端（２２）とを含む冷却されることになる流体の回路（２）を含み、設備（１）が、冷却されることになる流体の回路（２）と熱交換する熱交換器（３、４）の組立体を含み、設備（１）が、熱交換器（３、４）の組立体と熱交換する冷却デバイスを含み、冷却デバイスが、動作回路におけるサイクルガスのための冷蔵サイクルを備えた冷蔵装置（５）を含み、冷蔵装置（５）の動作回路が、サイクルガスを圧縮するための機構（６）、サイクルガスを冷却するためのシステム（３、４）、サイクルガスを膨張させるための機構（７）及びサイクルガスを加熱するためのシステム（４、３）を含み、サイクルガスを膨張させるための機構（７）が、気体静力学軸受（１７）で回転可能となるように取り付けられたシャフトに固定されたいくつかのタービン（７）を含み、設備（１）がタービン（１７）を制動するための機構を含み、制動機構が各々、タービン（７）のシャフトに固定された制動圧縮器（２７）と制動圧縮器（２７）を組み込む制動ガス回路（９）とを含み、制動ガス回路（９）が、制動圧縮器（２７）の下流の制動ガスを冷却するためのシステムと制動ガスを膨張させるための機構（１１）とを含み、設備（１）が、圧縮浮揚ガス源に接続された端と軸受（１７）に接続された下流端とを含む圧縮浮揚ガス回路を備える設備（１）において、圧縮浮揚ガス源が制動回路（９）の少なくとも１つを含むことを特徴とする設備（１）である。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の冷蔵及び／又は液化のための設備及び方法に関する。

本発明は、より具体的には、冷却されることになる流体の源に接続されるのに好適な上流端と冷却及び／又は液化された流体を取集するための部材に接続されるのに好適な下流端とを含む、冷却されることになる流体の回路を含む流体の冷蔵及び／又は液化のための設備に関し、設備は冷却されることになる流体の回路と熱交換する熱交換器のセットを含み、設備は熱交換器のセットと熱交換する冷却デバイスを含み、前記冷却デバイスは動作回路におけるサイクルガスの冷蔵のサイクルを有する冷蔵装置を含み、冷蔵装置の動作回路はサイクルガスを圧縮するための機構、サイクルガスを冷却するためのシステム、サイクルガスを膨張させるための機構及びサイクルガスを再加熱するためのシステムを含み、サイクルガスを膨張させるための機構は、気体静力学軸受に回転可能に取り付けられたシャフトに強固に接続された複数のタービンを含み、設備がタービンを制動するための機構を含み、前記制動機構は各々タービンのシャフトに強固に接続された制動圧縮器と制動圧縮器を組み込む制動ガス回路とを含み、制動ガス回路は制動圧縮器の下流の制動ガスを冷却するためのシステムと制動ガスを膨張させるための機構とを含み、設備には、圧縮支持ガスの源に接続された端と軸受に接続された下流端とを含む圧縮支持ガス回路が設けられる。

多くの極低温冷蔵装置又は液化装置は、「静力学」又は「気体静力学」として知られる軸受を有するサイクルガスを膨張させるためのタービンを使用する。

静力学軸受のこれらのガスタービンは、回転シャフトを支持するために軸受への加圧ガスの継続的な供給を必要とする。

従来、方法のサイクルガスのフローの一部は周囲温度で圧縮され、主流体の冷却のための方法中に膨張しないが、支持を提供するために方法の各タービンの軸受で注入される。圧縮サイクルガスの一部は、したがって、冷却されることになる用途からエネルギーを抽出するために使用されない。

別の解決策は、回転シャフトを支持するためにガスが注入されない「動的」ガス軸受を使用することからなるが、この技術は始動及び停止中はあまり堅牢ではなく、空気くさびアーキテクチャを必要とし、（特にヘリウム及び水素などの軽ガス動作流体を使用しているときの必要な低減された隙間に関連する）負荷の変動にある程度の感受性をもたらす。

本発明の１つのねらいは、上で挙げられた先行技術の欠点の全て又は一部を克服することである。

この目的のために、上記前文で与えられたその一般的な定義に通常は従う本発明による設備は、圧縮支持ガスの源が制動回路のうちの少なくとも１つを含むことを本質的に特徴とする。

これにより、主圧縮器による圧縮サイクルガスの消費を無くす又は減らすことが可能になる。

制動ガスは、したがって、回転シャフトの全て又は一部を支持するために十分な圧力ポテンシャルエネルギーを供給することが可能である。

さらに、本発明の実施形態は、以下の特徴、すなわち、
－ 複数の制動ガス回路が、制動圧縮器が直列に位置付けられる共通の回路において流体接続され、圧縮支持ガスの源が、直列の制動圧縮器の下流の共通の回路の一端を含む、
－ 圧縮支持ガス回路が、それぞれの送達管であって、各々が直列の圧縮器の下流の共通の回路に接続された上流端と軸受の入口に接続された下流端とを含むそれぞれの送達管を含む、
－ 圧縮支持ガス回路が、それぞれの戻り管であって、各々が軸受の出口に接続された上流端と直列の圧縮器の上流の共通の回路に接続された下流端とを含むそれぞれの戻り管を含む
の１つ又は複数を含み得る。

本発明はまた、上記又は下記の特徴のうちの任意の１つによる設備を使用した流体の冷蔵及び／又は液化のための方法であって、制動ガスのストリームの少なくとも一部を制動圧縮器の下流の制動回路の少なくとも１つから引き出すステップと、タービンシャフトを支持するために前記引き出されたガスを少なくとも１つの軸受に注入するステップと、軸受において循環した制動ガスを回収するステップと、前記回収されたガスを少なくとも１つの制動回路に戻すステップとを含む方法に関する。

他の可能な特徴によると、
－ 方法は、少なくとも設備の始動及び／又は停止段階の間制動回路から分離した加圧制動ガスの源から支持ガスフローを注入するステップを含み、
－ 軸受に注入された制動ガスのストリームは５～６バールの圧力を有し、
－ 制動ガスはＨｅ、Ｈ２、Ｎｅ、Ｎ２、Ｏ２、Ａｒ、Ｃｏ、ＣＯ２、ＣＨ４又は空気の他の化合物の少なくとも１つを含む。

本発明はまた、特許請求の範囲内の上記又は下記の特徴の任意の組合せを含む任意の代替的デバイス又は方法に関連し得る。

他の特定の特徴及び利点は、図面を参照して与えられる以下の説明を読むと明らかになる。

本発明による冷蔵及び／又は液化設備の構造及び動作の例を示す部分図を示す。

例として示されている設備１は、流体のための極低温冷蔵装置及び／又は液化装置である。

この設備１は、冷却されることになる流体の源に接続されるのに好適な上流端２１と冷却及び／又は液化された流体を取集するための部材に接続されるのに好適な下流端２２とを含む、冷却／液化されることになる流体の回路２を含む。

冷却されることになる流体は、例えば水素、ヘリウム、ネオン、又は空気又は他の混合物における他の任意の気体を含み得る。

この目的のために、設備１は、冷却されることになる流体の回路２と熱交換する直列な熱交換器３、４のセットを含む。

設備１は熱交換器３、４のセットと熱交換する冷却デバイスを含む。冷却デバイスは、動作回路におけるガスの冷蔵のサイクルを備えた冷蔵装置５を含む。このサイクルガスは、例えば水素、ヘリウム、ネオンなどの少なくとも１つを含む。

冷蔵装置５の動作回路（好ましくは閉鎖ループ回路）は、サイクルガスを圧縮するための機構６（１つ又は複数の圧縮器）と、サイクルガスを冷却するためのシステム３、４（１つ又は複数の交換器、例えば図示のとおりのカウンタフロー熱回収交換器）と、サイクルガスを膨張させるための機構７と、サイクルガスを再加熱するためのシステム４、３（例えば前述の熱交換器の全て又は一部）とを含む。

サイクルガスを膨張させるための機構７は複数のタービン７を含む（本例においては直列であるが、サイクルガスのストリームの別個の分画を膨張させるために一部は並列に取り付けられ得る）。

図示の例において、各タービン７は、気体静力学軸受１７に取り付けられた回転シャフトの一端に取り付けられる。

設備１は、タービン７の各々のための別個の制動機構を含む。

各制動機構は、タービン７を保持するシャフトの他端に強固に接続された制動圧縮器２７と制動圧縮器２７を組み込む制動ガス回路９とを含む。各タービン７の制動回路は、ループであって、制動圧縮器２７の下流の制動ガスを冷却するためのシステム１０（例えば、水又は空気などの熱伝達流体を備えた制動ガス交換器）と、下流の制動ガスを膨張させるための機構１１（例えば膨張バルブ又は較正されたオリフィス）とを直列に含むループを形成する。各制動回路は、したがって、圧縮器を形成するブレーキ車輪において圧縮され、次いで冷却され、次いで膨張させられるなどの制動ガスのループを形成し得る。

設備１には、タービン７のシャフトを支持するための圧縮ガスの回路が設けられる。

１つの有利な特定の特徴によると、この加圧された支持ガスは、（サイクルガスの代わりに又はサイクルガスに加えて）制動ガス回路９により軸受１７に供給される。

好ましくは、複数の制動ガス回路９（例えばそれらの全て）が、制動圧縮器２７が中間冷却と共に直列に位置付けられる共通の回路において流体接続される。

換言すると、直列の制動圧縮器２７は共通のループに位置し得る。最後の制動圧縮器２７（下流）を出る制動ガスは第１圧縮器（上流）の膨張器１１において膨張させられ得る。

図示のとおり、制動圧縮器２７の各々の制動回路は、迂回管であって、それぞれ共通の回路を第１制動圧縮器２７（上流）と最終制動圧縮器２７（下流）との間の中間制動圧縮器２７の各々の吸気入口へ接続する、各々バルブ及び／又は膨張器１１（及び／又は較正されたオリフィス）が設けられた迂回管を含み得る。１つの可能な変形形態において、ストリームの全て又は一部は第１圧縮器の吸気口に戻され得る。

該当する場合、この構成は、制動圧縮器７の各ステージにおいて圧縮された制動ガスフローを調整することを可能にする。この制動フローは、軸方向及び半径方向の力にさらされる各回転シャフトの要件に調整され得る。

圧縮支持ガスの源は、直列の制動圧縮器２７の最後のものの下流の共通の回路の一端に位置し得る。これは、タービン７のシャフトの全て又は一部を支持するために加圧ガスの十分なフローを利用可能にする。共通の制動回路は、様々な制動回路からの制動ガスを合わせる。

図示のとおり、圧縮支持ガス回路は、複数のそれぞれの加圧ガス送達管１２であって、各々、直列の圧縮器１７の下流の共通の回路に接続された上流端とそれぞれの軸受１７の入口に接続された下流端とを含む複数のそれぞれの加圧ガス送達管１２を含み得る。換言すると、共通の回路は、それぞれの平行なラインを介して軸受１７に支持ガスを供給する。

同様に、圧縮支持ガス回路は、それぞれの戻り管１３であって、各々、軸受１７の出口に接続された上流端と直列な第１制動圧縮器１７の上流の共通の回路に接続された下流端とを含むそれぞれの戻り管１３を含み得る。換言すると、軸受１７を支持するために使用された加圧ガスのストリームは、次いで、共通の制動回路に戻される（ストリームの理解を円滑にするために制動回路への支持ガスのストリームの戻りを表す参照符号Ａ、Ｂ及びＣを参照）。

制動回路のこの共有は、異なる、独立した制動回路からの別個の制動ガスの使用と比べてより高い作動ガスフロー及び圧力を達成することを可能にする。

共通の制動回路は、高い全体の圧縮率を有し、したがって、回転シャフトの全てを支持するために十分な圧力ポテンシャルエネルギーを提供することを可能にする。例えば、設備に依存して、この配置構成は、１０～５０グラム毎秒の流速及び１５～５０バールの圧力で加圧された支持ガスのストリームを供給することを可能にする。

本発明は多くの利点を有する。すなわち、高い利用可能な圧縮率は、回転シャフトを支持することを可能にすると同時に、この目的のためのサイクルガス消費を無くすことを可能にする。これは、設備１の効率及びコストを（例えばおよそ２～１０％）向上させる。

図示のとおり、冷蔵装置５の動作回路は、圧縮機構６の出口に、例えばバルブ２８が設けられたバッファタンク１２０の下流の迂回管により、必要な場合は（設備の移行段階、特に始動及び停止段階の間に）軸受１７において支持ガスとして用いることができる加圧サイクルガスを格納するためのバッファタンク１２０を含み得る。バッファタンク１２０により供給されたこのガスは、特に、特定の移行段階中及び／又はタービン７のスタートアップでの調整段階中に使用され得る。代替的に又は追加的に、サイクル圧縮器６の吸気口へ制動ガスを排出するために管が（バルブ２９と共に）提供され得る（例えば冷蔵装置の出力に影響を及ぼさずに移行段階中に）。

同様に示されるとおり、圧縮サイクルガスを冷却するためのシステム８が、圧縮機構６とバッファタンク１２との間に提供され得る。

当然のことながら、本発明はこの例示的な実施形態に限定されない。制動回路の別個の冷却交換器１０が、したがって、１つの装置内で組み合わされ得る。図示の例において、制動ガスを冷却するための４つの熱伝達流体回路は共通の熱伝達流体回路（例えば水又はグリコール水）により冷却され得る。これらの回路は１つの装置内に格納され得る。

同様に、冷蔵装置５の回路は１つ又は複数の中間作動圧力（例えば、最初の２つの上流タービンが直列に設置されることができる中間圧力ステージであって、第２タービンの排出口がこの中間圧力ステージに接続される中間圧力ステージ）を含み得る。

Claims (7)

1. 流体の冷蔵及び／又は液化のための設備（１）であって、冷却されることになる流体の源に接続されるのに好適な上流端（２１）と前記冷却及び／又は液化された流体を取集するための部材に接続されるのに好適な下流端（２２）とを含む冷却されることになる流体の回路（２）を含み、前記設備（１）が、冷却されることになる流体の前記回路（２）と熱交換する熱交換器（３、４）のセットを含み、前記設備（１）が熱交換器（３、４）の前記セットと熱交換する冷却デバイスを含み、前記冷却デバイスが、動作回路におけるサイクルガスの冷蔵のサイクルを有する冷蔵装置（５）を含み、前記冷蔵装置（５）の前記動作回路が、前記サイクルガスを圧縮するための機構（６）、前記サイクルガスを冷却するためのシステム（３、４）、前記サイクルガスを膨張させるための機構（７）及び前記サイクルガスを再加熱するためのシステム（４、３）を含み、前記サイクルガスを膨張させるための前記機構（７）が気体静力学軸受（１７）に回転可能に取り付けられたシャフトに強固に接続された複数のタービン（７）を含み、前記設備（１）が前記タービン（１７）を制動するための機構を含み、前記制動機構が各々、タービン（７）のシャフトに強固に接続された制動圧縮器（２７）と前記制動圧縮器（２７）を組み込む制動ガス回路（９）とを含み、前記制動ガス回路（９）が前記制動圧縮器（２７）の下流の前記制動ガスを冷却するためのシステムと前記制動ガスを膨張させるための機構（１１）とを含み、前記設備（１）には、圧縮支持ガスの源に接続された端と前記軸受（１７）に接続された下流端とを含む圧縮支持ガス回路が設けられ、圧縮支持ガスの前記源が前記制動回路（９）の少なくとも１つを含む流体の冷蔵及び／又は液化のための設備（１）において、複数の制動ガス回路（９）が、前記制動圧縮器（２７）が直列に位置付けられる共通の回路において流体接続されることと、圧縮支持ガスの前記源が、直列の前記制動圧縮器（２７）の下流に前記共通の回路の一端を含むこととを特徴とする、流体の冷蔵及び／又は液化のための設備（１）。
2. 前記圧縮支持ガス回路が、それぞれの送達管（１２）であって、各々が直列の前記圧縮器（１７）の下流の前記共通の回路に接続された上流端と軸受（１７）の入口に接続された下流端とを含むそれぞれの送達管（１２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の設備（１）。
3. 前記圧縮支持ガス回路が、それぞれの戻り管（１３）であって、各々が、軸受（１７）の出口に接続された上流端と、直列の前記圧縮器（１７）の上流の前記共通の回路に接続された下流端とを含むそれぞれの戻り管（１３）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の設備（１）。
4. 制動ガスのストリームの少なくとも一部を直列の前記制動圧縮器（２７）の下流の前記共通の回路の端から引き出すステップと、前記タービンシャフトを支持するために前記引き出されたガスを少なくとも１つの軸受（１７）に注入するステップと、前記軸受（１７）において循環させられている前記制動ガスを回収するステップと、前記回収されたガスを前記少なくとも１つの制動回路（９）に戻すステップとを含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の設備（１）を使用する流体の冷蔵及び／又は液化のための方法。
5. 少なくとも前記設備の始動及び／又は停止段階の間に、前記制動回路（９）から分離した加圧制動ガスの源（１２）から支持ガスフローを注入するステップを含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記軸受に注入された制動ガスの前記ストリームが５～６バールの圧力を有する、ことを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記制動ガスがＨｅ、Ｈ２、Ｎｅ、Ｎ２、Ｏ２、Ａｒ、Ｃｏ、ＣＯ２、ＣＨ４又は空気の他の化合物の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項４～６のいずれか一項に記載の方法。
   

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