JP6212547B2 - 複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機および関連する方法 - Google Patents

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Description

本明細書において開示される主題の実施形態は、全体として複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機および関連する方法に関し、より詳細には、複数の圧縮機の代わりに複数の中間冷却を有する高圧圧縮機を使用するターボ圧縮機／発電機トレーンに関する。
ターボ機械の１つのタイプは、遠心圧縮機である。遠心圧縮機は、通常、特有のフロー範囲および使用を包含する製品系列であるように設計される。所望の圧縮比を実現するために、遠心圧縮機は、次々に圧縮を実行するように構成され得る。例えば、２つの遠心圧縮機は、一般に図１に示すようにターボ圧縮機／発電機トレーン１００に配置される。そのようなターボ圧縮機／発電機トレーンは、鉄鋼業の熔鉱炉、天然ガス液化、ガス再注入、および他の石油およびガス供給業に使用することができる。
ガスタービン１１０、発電機１２０、ギアボックス１３０、第１の低圧圧縮機１４０、および第２の圧縮機１５０の５つのマシンがターボ圧縮機／発電機トレーン１００に機械的に結合される。このタイプの構成は、しばしば「単一シャフト」構成と呼ばれる。
発電機１２０は、３０００毎分回転数（ＲＰＭ）の回転速度を有することができる。ギアボックス１３０は、増速タイプの歯車であり、例えば、回転速度を約５０００ＲＰＭに増加させてこの回転を第１の圧縮機１４０および第２の圧縮機１５０へ伝達する。
第１の低圧圧縮機１４０は、２つの入力を介してガスフローを入力圧力（例えば約０．９７バール）および入力温度（例えば４１．５℃）で受け取り、ガスフローを出力圧力（例えば、約３．２０バール）、および出力温度（例えば、約１８７℃）で出力する複流タイプであってもよい。次いで、出力ガスは、冷却されて第２の圧縮機１５０に入力される。
第２の圧縮機１５０は、最初に入力ガスフローを第１の入力圧力（例えば、２．８５バール）および第１の入力温度（例えば、約４０℃）で受け取り、第１の出力フローを第１の出力圧力（例えば、約７．９０バール）および第１の出力温度（例えば、約１６０℃）で出力する２−輪切型圧縮機であってもよい。次いで、この第１の出力フローは、冷却され第２のフローとして第２の入力圧力（例えば、７．５０バール）および第２の入力温度（例えば、約４０℃）で圧縮機１５０に入力される。次いで、圧縮機１５０は、第２の出力フローを第２の出力圧力（例えば、約２０．８バール）および第２の出力温度（例えば、約１６６℃）で出力する。
第２の入力圧力が第１の出力圧力よりも若干低く、第３の入力圧力が第２の出力圧力よりも若干低いことに留意されたい。また、ガスフローは、約２２〜２３００００ｋｇ／ｈであってもよいが、約１０％のフロー損失が冷却中に生じることがある。
従来のターボ圧縮機／発電機トレーンでは、圧縮機は、閉鎖され締まりばめされたインペラを有し、必要な圧縮が圧縮プロセスを２つの異なる圧縮機の内部で行われるサブプロセスに分割することによって実現される。信頼性は、２つの異なる圧縮機の使用およびその間の移行に起因して準最適である。さらに、２つの圧縮機のコストおよびそれらの圧縮機のオペレーションコスト（設置面積）は、圧縮に対してより効率的で、より安価で信頼性のある機器を使用することを探しだすことを魅力的なものにする。
国際公開第２０１１／０２３６９０号パンフレット
したがって、上述の問題および不利な点を回避する、複数の中間冷却を有する高圧圧縮機および関連する方法を提供することが望ましい。
ターボ圧縮機／発電機トレーンに２つの圧縮機の代わりに２つのレベルの中間冷却を有す高圧空気圧縮機を使用すると大きいケーシングの除去が可能になり、サイズ、コスト全体的な信頼性、設置面積の利益が得られる。
一例示的実施形態によると、ターボ圧縮機／発電機トレーンに使用される複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機は、複数のチャンバを有するケーシングと、チャンバの内部を貫通する１つまたは複数のシャフトと、それぞれチャンバ内で１つまたは複数のシャフトに装着されたインペラとを含む。各チャンバは、ガスフローがそれぞれのチャンバにまたはそれぞれのチャンバから入力され出力されることを可能にするガス入口およびガス出口を有する。ガスフローは、各チャンバ内で連続して圧縮され、複数のチャンバ間で一のチャンバから次のチャンバへ移動するとき圧縮機の外側で冷却される。
別の実施形態によると、ターボ圧縮機／発電機トレーンは、複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機を含む。圧縮機は、複数のチャンバを有するケーシングと、チャンバの内部を貫通する１つまたは複数のシャフトと、それぞれ、チャンバの内部で１つまたは複数のシャフトに装着されたインペラとを有する。各チャンバは、ガスフローがそれぞれのチャンバに入力されそれぞれのチャンバから出力されることを可能にするガス入口およびガス出口を有する。ガスフローは、各チャンバ内で連続して圧縮され、複数のチャンバ間で一のチャンバから次のチャンバへ移動するとき圧縮機の外側で冷却される。
別の例示的実施形態によると、従来のターボ圧縮機／発電機トレーンに後付けする方法は、（Ａ）従来のターボ圧縮機／発電機トレーンから少なくとも２つの圧縮機を取り外すステップと、（Ｂ）複数の中間冷却を有する単一の高圧比圧縮機を付加するステップとを含む。単一の圧縮機は、取り外された圧縮機と同一の圧縮を実現するように構成される。
明細書の一部として組み込まれれ明細書の一部を構成する添付の図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、明細書と共にこれらの実施形態を説明する。
従来のターボ圧縮機／発電機トレーンの概略図である。 一例示的実施形態によるターボ圧縮機／発電機トレーンの概略図である。 別の例示的実施形態によるターボ圧縮機／発電機トレーンの概略図である。 一例示的実施形態による、従来の２つのターボ圧縮機／発電機トレーンに後付けする方法を示す流れ図である。
例示的実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同じ参照番号は、同一または同様の要素を識別する。以下の詳細な説明は、本発明を限定しない。その代わりに、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により規定される。以下の実施形態は、簡単にするために、ターボ圧縮機／発電機トレーンの用語および構造に関連して論じられる。しかしながら、次に論じられる実施形態はこれらのシステムに限定されるものはなく、複数の圧縮機が使用される他のシステムにも適用できる。
明細書全体にわたって、「一（ｏｎｅ）実施形態」または「一（ａｎ）実施形態」を参照することとは、一実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特性が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一（ｏｎｅ）実施形態では」または「一（ａｎ）実施形態においては」の文言の出現は、明細書全体にわたって様々な場所で必ずしも同じ実施形態を参照するとは限らない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、適切なやり方で１つまたは複数の実施形態に組み合わせてもよい。
いくつかの実施形態では、従来のターボ圧縮機／発電機トレーンで２つの圧縮機のデューティを実施することができる、より効率的でより安価で信頼性のある圧縮機を実現するために、複数のインペラが、同じ１つのケーシングに装着される。
一例示的実施形態によるターボ圧縮機／発電機トレーン２００の概略図が、図２に示される。ターボ圧縮機／発電機トレーン２００は、ガスタービン２１０と、発電機２２０と、ギアボックス２３０と、複数の冷却を有する単一の圧縮機２４５とを含む。ガスタービン２１０、発電機２２０、およびギアボックス２３０は、従来のターボ圧縮機／発電機トレーン１００のガスタービン１１０、発電機１２０、およびギアボックス１３０と同様であってもよい。
圧縮機２４５は、複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機である。（圧縮後に圧縮機２４５から出力されるガスフローの）出力圧力と（圧縮のために圧縮機２４５へ入力されるガスフローの）入力圧力との比は、２０を超えてもよい。圧縮機２４５のシャフト２６５および２６５’は、軸方向に接続され、複数の軸受により支持されてもよい。図２では、第１の軸受２６０は、圧縮機２４５のケーシング２４６の外側でギアボックス２３０に向かうケーシング２４６の側面でシャフト２６５’上に配置される。第２の軸受２７０もまた、ケーシング２４６の外側で、第１の軸受２６０が配置される側面に対してケーシング２４６の反対側でシャフト２６５上に配置される。
圧縮機２４５は、３つのチャンバ２４７、２４８および２４９を有し、各チャンバはガスフローがそれぞれのチャンバに入りそれぞれのチャンバから出ることを可能にするガス入口およびガス出口を有する。ガスは空気であってもよい。シャフト２６５および２６５’は、チャンバを貫通する。インペラ２５７、２５８および２５９は、それぞれチャンバ２４７、２４８および２４９内でシャフト上に装着される。インペラ２５７および２５８は、低圧構成要素であり開放インペラタイプであってもよい。インペラ２５９は、高圧構成要素であり閉鎖インペラタイプであってもよい。低圧構成要素２５７および２５８は、軸方向にスタックされるが、一方高圧構成要素２５９はスタックタイプであるか、またはシャフト２６５’上に締まりばめされてもよい。シャフト２６５および２６５’、ならびにインペラ２５７、２５８および２５９は、軸方向に結合されて圧縮機２４５の回転子を構成する。
第１の入力圧力（例えば、約０．９７バール）および第１の入力温度（例えば、約４１．５℃）を有するガスフローは、圧縮機２４５の第１のチャンバ２４７に入り、第１の入力圧力よりも高い第１の出力圧力（例えば、約３．２０バール）、および第１の入力温度よりも高い第１の出力温度（例えば、約１８７℃）を有するガスフローが出力される。
次いで、出力ガスは、冷却され（即ち、圧縮機の外側での第１の冷却）、第２の入力圧力（例えば、２．８５バール）および第２の入力温度（例えば、約４０℃）を有する出力ガスが、圧縮機２４５の第２のチャンバ２４８に入力される。第２のチャンバ２４８の内部で、ガスは圧縮されて、第２の入力圧力よりも高い第２の出力圧力（例えば、約７．８０バール）、および第２の入力温度よりも高い第２の出力温度（例えば、約１６０℃）を有するガスが出力される。
次いで、ガスフローは、再び冷却され（即ち、圧縮機の外側での第２の冷却）、第３の入力圧力（例えば、７．５０バール）および第２の入力温度（例えば、約４０℃）を有するガスフローが、圧縮機２４５の第３のチャンバ２４９に入力される。第３のチャンバ２４９の内部で、ガスは、圧縮され、第３の入力圧力よりも高い第３の出力圧力（例えば、約２０．８バール）および、第３の入力温度よりも高い第３の出力温度（例えば、約１６６℃）を有するガスが出力される。
別の例示的実施形態によるターボ圧縮機／発電機トレーン３００の概略図が、図３に示される。ターボ圧縮機／発電機トレーン３００は、ガスタービン３１０と、発電機３２０と、ギアボックス３３０と、複数の冷却を有する単一の圧縮機３４５とを含む。ガスタービン３１０、発電機３２０、およびギアボックス３３０は、従来のターボ圧縮機／発電機トレーン１００におけるガスタービン１１０、発電機１２０、およびギアボックス１３０に同様であってもよい。
圧縮機２４５と同様に、圧縮機３４５は、出力圧力と入力圧力との比が２０を超える比を実現することができる、複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機である。圧縮機３４５は、内部でインペラ３５７、３５８および３５９がシャフト３６５上に装着された３つのチャンバ３４７、３４８および３４９を有する。ガスフローは、圧縮機２４５に対して説明されたやり方と同様のやり方でチャンバ３４７、３４８および３４９の内部で圧縮される。
圧縮機３４５のシャフト３６５は、複数の軸受により支持されてもよい。第１の軸受３６０が、圧縮機３４５の外側で、ギアボックス３３０に向かう圧縮機３４５のケーシング３４６の側面に配置される。圧縮機２４５と異なり、第２の軸受３８０は圧縮機３４５の内部で圧縮機のチャンバ３４７とチャンバ３４８との間に配置される。この軸受の配置は、シャフト３６５の回転を、シャフト２６５、２６５’の回転よりも高く、例えば最大７０００ＲＰＭまで可能にする。
従来のターボ圧縮機／発電機トレーンは、２つの圧縮機を複数の中間冷却を有する単一の高圧比圧縮機と置き換えることによって後付けしてもよい。図４は、例示的実施形態による、従来のターボ圧縮機／発電機トレーンに後付けするための方法４００を示す流れ図である。方法４００は、Ｓ４１０で従来のターボ圧縮機／発電機トレーンから少なくとも２つの圧縮機を取り外すステップと、Ｓ４２０で複数の中間冷却を有する単一の高圧比圧縮機を付加するステップとを含む。単一の圧縮機は、取り外された圧縮機と同一の圧縮を実現するように構成される。
単一の圧縮機は、内部でガスフローが圧縮される複数のチャンバを有してもよい。例えば、単一の圧縮機は、３つのチャンバを有してもよい。圧縮ガスフローは、２つのチャンバから出力されて、次のチャンバへ導かれる前に圧縮機の外側で冷却される。
方法は、単一の圧縮機のシャフトを支持するために少なくとも２つの軸受を付加することをさらに含んでもよい。付加された軸受のうちの１つが、単一の圧縮機のケーシングの外側で、ターボ圧縮機／発電機トレーンのギアボックスに向かうケーシングの側面に配置されてもよい。一実施形態では、第２の軸受もまた、単一の圧縮機のケーシングの外側で、第１の軸受が配置される側面に対してケーシングの反対側の側面に配置されてもよい。別の実施形態では、第２の軸受は単一の圧縮機のケーシングの内部に配置されてもよい。例えば、第２の軸受は、圧縮機のチャンバ間に配置されてもよい。
開示された例示的実施形態は、複数の冷却を有する単一の高圧圧縮機を含むターボ圧縮機／発電機トレーン、および関連する方法を提供する。この明細書は、本発明を限定することを意図するものではないことを理解されたい。その反対に、例示的実施形態は、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の精神と範囲に含まれる代替、変更および均等物を包含することを意図している。さらに、例示的実施形態の詳細な記載では、数々の特有の詳細が、特許請求された発明の包括的な理解を与えるために述べられる。しかしながら、当業者なら、様々な実施形態がそのような特有の詳細なしに実施され得ることを理解するであろう。
本例示的実施形態の特徴および要素が、実施形態、特には組合せにおいて説明されているが、各特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素がなしに、単独で使用することができ、あるいは、本明細書において開示された特徴および要素と共に、またはなしに様々な組合せで使用することができる。
この書面の明細書は、開示された主題の例を使用して、装置またはシステムを作製し使用し、組み込まれた方法を実施することを含めて、当業者が同じことを実施することを可能にする。主題の特許性のある範囲は、本特許請求の範囲により規定され、当業者に浮かぶ他の例を含んでもよい。そのような他の例は、本特許請求の範囲内にあるものとする。
１００ 従来のターボ圧縮機／発電機トレーン
１１０ ガスタービン
１２０ 発電機
１３０ ギアボックス
１４０ 第１の圧縮機
１５０ 第２の圧縮機
２００ ターボ圧縮機／発電機トレーン
２１０ ガスタービン
２２０ 発電機
２３０ ギアボックス
２４５ 単一の圧縮機、高圧比圧縮機
２４６ ケーシング
２４７ 第１のチャンバ
２４８ 第２のチャンバ
２４９ 第３のチャンバ
２５７ インペラ、低圧構成要素
２５８ インペラ、低圧構成要素
２５９ インペラ、高圧構成要素
２６０ 第１の軸受
２６５ シャフト
２６５’ シャフト
２７０ 第２の軸受
３００ ターボ圧縮機／発電機トレーン
３１０ ガスタービン
３２０ 発電機
３３０ ギアボックス
３４５ 単一の圧縮機、高圧比圧縮機
３４６ ケーシング
３４７ チャンバ
３４８ チャンバ
３４９ チャンバ
３５７ インペラ
３５８ インペラ
３５９ インペラ
３６０ 第１の軸受
３６５ シャフト
３８０ 第２の軸受
４００ 方法

Claims (7)

  1. 圧縮機と発電機とを備えるトレーンに使用される複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機であって、
    複数のチャンバを有するケーシングであって、各チャンバが、ガスフローが前記それぞれのチャンバへおよび前記それぞれのチャンバから入力され出力されるガス入口およびガス出口を有するケーシングと、
    前記チャンバの内部を貫通する１つまたは複数のシャフトと、
    前記チャンバ内部でそれぞれ前記１つまたは複数のシャフト上に装着されたインペラと、
    前記シャフトを支持する複数の軸受と、
    を備え、
    ガスフローが前記各チャンバ内で連続して圧縮され、前記複数のチャンバ間で一のチャンバから次のチャンバへ移動するとき前記ケーシングの外側で冷却され、
    前記複数の軸受のうちの１つが前記ケーシングの外側で、前記シャフト上で、前記トレーンのギアボックスに向かう前記ケーシングの側面に配置され、
    前記複数の軸受の別の１つが前記ケーシングの外側で、前記シャフト上で、前記ギアボックスに向かう前記ケーシングの前記側面に対して前記ケーシングの反対側の側面に配置される、
    高圧比圧縮機。
  2. ２２００００ｋｇ／ｈ前後のガスフローに対して２０を超える圧縮比を実現するように構成された、請求項１に記載の圧縮機。
  3. 前記チャンバが前記ガスフローの出力圧力に対応する順序で配置される、請求項１または２のいずれかに記載の圧縮機。
  4. 前記圧縮機が３つのチャンバを含み、
    前記次のチャンバに入る前に前記ケーシングの外側で冷却されながら、１つのチャンバから出力された前記ガスフローの圧力が約１０％低下するする、
    請求項１から３のいずれかに記載の圧縮機。
  5. 前記各チャンバに入力された前記ガスフローの温度が４０℃前後であり、
    各チャンバから出力される前記ガスフローと前記それぞれのチャンバに入力される前記ガスフローとの圧力比が２．５〜３．５であり、
    前記圧縮機の第１のチャンバに入力される前記ガスフローの入力圧力が約１バールであり、
    前記圧縮機から出力される前記ガスフローの出力圧力が約２０．８バールであり、
    前記１つまたは複数のシャフトの回転速度が５０００〜７０００ＲＰＭである、
    状態のうちの少なくとも１つに適合するように構成された請求項１から４のいずれかに記載の圧縮機。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機を備える、圧縮機と発電機とを備えるトレーン。
  7. 複数の中間冷却を有する高圧比圧縮機を備える、圧縮機と発電機とを備えるトレーンであって、
    前記高圧比圧縮機が、
    複数のチャンバを有するケーシングであって、各チャンバが、ガスフローがそれぞれのチャンバにおよびそれぞれのチャンバから入力または出力されることを可能にするガス入口およびガス出口を有するケーシングと、
    前記チャンバの内部を貫通する１つまたは複数のシャフトと、
    前記チャンバの内部で、それぞれ、１つまたは複数のシャフト上に装着されたインペラと、
    前記シャフトを支持する複数の軸受と、
    を含み、
    ガスフローが各チャンバ内で連続して圧縮され、複数のチャンバ間で一のチャンバから次のチャンバへ移動するとき前記ケーシングの外側で冷却され、
    前記複数の軸受のうちの１つが前記ケーシングの外側で、前記シャフト上で、前記トレーンのギアボックスに向かう前記ケーシングの側面に配置され、
    前記複数の軸受の別の１つが前記ケーシングの外側で、前記シャフト上で、前記ギアボックスに向かう前記ケーシングの前記側面に対して前記ケーシングの反対側の側面に配置される、
    トレーン。
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