KR102008055B1 - 가스 유동을 팽창시키기 위한 방법 및 그에 적용되는 디바이스 - Google Patents

Abstract

입구 압력(p_A) 및 입구 온도(T_A)의 특정 입구 조건에서 가스의 공급을 위한 입구(A)와 출구 압력(p_B) 및 출구 온도(T_B)의 특정의 원하는 출구 조건에서 팽창된 가스의 전달을 위한 출구(B) 사이에서 가스 유동(Q)을 팽창하기 위한 방법으로서, 이 방법은 감압 밸브(5)를 통해 입구(A)와 출구(B) 사이의 가스 유동을 적어도 부분적으로 팽창하고 가스 내에 포함된 에너지를 이 샤프트(12) 상의 기계 에너지로 변환하기 위해 상기 가스에 의해 구동된 회전자(11)를 갖는 감압 유닛(10)을 통해 가스 유동을 적어도 부분적으로 팽창하는 단계를 포함한다.

Description

가스 유동을 팽창시키기 위한 방법 및 그에 적용되는 디바이스{METHOD FOR EXPANDING A GAS FLOW AND DEVICE THEREBY APPLIED}

본 발명은 가스 유동, 더 구체적으로는 증기 등과 같은 가스 또는 가스 혼합물을 팽창시키기 위한 방법에 관한 것이다.

산업 프로세스에서, 증기가 종종 모든 종류의 화학 또는 다른 프로세스를 위한 구동력(driving force)으로서 또는 억제제(inhibitor)로서 사용된다.

증기는 일반적으로 그 압력 및 온도가 일반적으로 고정되어 있는 보일러에서 발생된다.

산업 프로세스는 일반적으로 보일러의 출력에서보다 낮은 압력 및 온도에서 증기를 필요로 하고, 이에 의해 원하는 증기 조건이 또한 가변적일 수 있다.

따라서, 대부분의 증기 설비에서, 증기가 산업 프로세스를 위해 요구되는 원하는 압력으로 팽창하게 하는 감압 밸브가 보일러와 하류측 산업 프로세스 사이에 사용된다.

일반적으로, 포화 증기가 사용되는데, 이 포화 증기는 정의에 의해 증기 내에 존재하는 모든 물이 기체로 증발했기 때문에 액체 형태의 임의의 물을 포함하지 않는다.

포화된 증기에 의해, 증기의 압력과 온도 사이에 명백한 연계가 존재한다는 것이 공지되어 있다. 달리 말하면, 증기의 온도가 공지되면, 압력은 또한 그로부터 결정될 수 있고 그 반대도 마찬가지이다.

감압 밸브는 이에 의해 더 많거나 적게 개방되거나 폐쇄되어 하류측 프로세스에 의해 요구되는 압력과 동일한 압력을 얻는다. 팽창 중에, 증기의 압력 및 온도는 열역학에서 공지되어 있는 등엔탈피 법칙에 따라 변화한다.

이러한 제어의 장점은 이것이 매우 간단하다는 것이다.

그러나, 이러한 제어의 단점은 압력 강하가 예를 들어 기계 또는 전기 에너지와 같은 다른 형태의 에너지로 효율적인 변환을 위해 사용되지 않는다는 것이다.

다른 단점은 이것이 단지 압력이 제어되는 것만을 가능하게 하여, 이에 의해 포화 증기에서 시작하여, 감압 밸브 내의 등엔탈피 팽창이 항상 일반적으로 원하는 것보다 높은 온도에서 과열 증기를 공급한다는 것이다. 증기의 과열은 또한 하류측 프로세스에서 열의 비효율적인 교환을 의미하고 따라서 가능한 한 많이 제한되어야 한다.

증기의 온도 및 과열의 레벨을 감소시키기 위해, 고가인 단점을 제시하고 따라서 그 능력이 제한되어 있는 전통적으로 보일러 또는 '디슈퍼히터(desuperheater)'가 사용된다.

본 발명의 목적은 전술된 및 다른 단점의 하나 이상에 대한 해결책을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 입구 압력 및 입구 온도의 특정 입구 조건에서 팽창될 가스의 공급을 위한 입구와 출구 압력 및 출구 온도의 특정의 원하는 출구 조건에서 팽창된 가스의 전달을 위한 출구 사이에서 증기 등과 같은 가스 또는 가스 혼합물의 가스 유동을 팽창시키기 위한 방법에 관한 것이고, 이 방법은 감압 밸브를 통해 입구와 출구 사이의 가스 유동을 적어도 부분적으로 팽창시키고 가스 내에 포함된 에너지를 외향 샤프트에 대한 기계 에너지로 변환하기 위해 외향 샤프트를 구비하고, 가스에 의해 구동된 회전자를 갖는 감압 유닛을 통해 이 가스 유동을 적어도 부분적으로 팽창시키는 단계를 적어도 포함한다.

이러한 감압 유닛의 적용에 의해, 팽창 에너지의 적어도 일부가 감압 유닛의 샤프트에 대한 기계 에너지로 효율적으로 변환될 수 있고, 이 기계 에너지는 예를 들어 발전기 또는 다른 유용한 용례를 구동하는 데 사용될 수 있다.

감압 밸브 내의 증기의 등엔탈피 팽창에 대조적으로, 의도된 유형의 감압 유닛 내의 팽창은 다소 폴리트로픽(polytropic) 또는 대략적으로 등엔트로피 열역학 법칙에 따라 진행하고, 이에 의해 등엔탈피 팽창과 비교할 때, 폴리트로픽 팽창은 동일한 압력 강하에 대해 더 큰 온도 강하를 유도한다.

전체 유동에 대해 또는 유동의 특정 부분에 대해 부분적으로 등엔탈피 및 부분적으로 폴리트로픽인 디바이스의 입구와 출구 사이의 팽창에 기인하여, 그리고 감압 밸브 내의 그리고 감압 유닛 내의 각각의 등엔트로피 팽창과 폴리트로픽 팽창 사이의 적합한 분포에 기인하여, 그리고/또는 서브유동의 적합한 분포에 의해, 출구에서의 압력 및 온도의 모두는 하류측 프로세스에 의해 요구되는 값으로 조정될 수 있고, 이는 부가의 냉각 또는 증기 냉각기의 인가 없이 그리고 폴리트로픽 팽창으로부터 기계 에너지를 유도하는 것이 가능한 부가의 장점을 갖는다.

바람직하게는, 스크류 팽창기는, 증기를 포화 온도 미만의 온도로 팽창하는 것이 또한 가능한 장점을 제공하는 감압 유닛으로서 사용되고, 여기서 증기는 액체로 부분적으로 응축할 것이고 따라서 대부분의 유형의 터빈에 의한 것보다 더 넓은 영역의 적용을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형예에 따르면, 팽창될 가스 유동은, 감압 밸브를 통해 유동하는 팽창될 가스 유동의 서브유동 및 감압 유닛을 통해 유동하는 서브유동으로, 동시에 감압 밸브 및 감압 유닛을 통과하도록 구동되고, 양 서브유동은 원하는 출구 압력으로 팽창되고, 그 후에 양 서브유동은 출구에서 원하는 출구 조건에서 팽창된 가스 유동의 공급을 위해 동일한 원하는 출구 압력으로 조합된다.

본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 변형예에 따르면, 팽창될 가스 유동은 감압 밸브를 통해 그리고 감압 유닛을 통해 일련의 2개의 연속적인 팽창 스테이지에서 구동되고, 감압 밸브 및 감압 유닛은 제1 팽창 스테이지 후에, 제2 팽창 스테이지에서의 원하는 출구 압력 및 출구 온도에 대응하는 압력 및 온도로의 팽창을 보장하는 중간 압력 및 온도를 갖는 중간 작동점이 얻어지도록 제어된다.

본 발명은 또한 증기 등과 같은 가스 또는 가스 혼합물의 가스 유동을 팽창하기 위한 디바이스에 관한 것으로서, 이 디바이스는 입구 압력 및 입구 온도의 특정 입구 조건에서 팽창될 가스의 공급을 위한 입구와 출구 압력 및 출구 온도의 특정의 원하는 출구 조건에서 팽창된 가스의 전달을 위한 출구를 포함하고, 디바이스는 전술된 본 발명에 따른 방법이 적용되는 것을 가능하게 하고, 이를 위해 감압 밸브와, 가스 내에 포함된 에너지를 샤프트에 대한 기계 에너지로 변환하기 위해 외향 샤프트를 구비하고, 가스에 의해 구동된 회전자 및 적어도 부분적으로 감압 밸브를 통해 그리고 적어도 부분적으로 감압 유닛을 통해 팽창될 가스 유동을 안내하기 위한 파이프를 갖는 감압 유닛을 구비한다.

장점은 본 발명에 따라 적용된 방법에 대해 설명된 것들과 동일하다.

본 발명의 특징을 더 양호하게 나타내는 의도로, 가스 유동을 팽창하기 위한 본 발명에 따른 방법 및 그에 적용되는 디바이스의 몇몇 바람직한 용례가 첨부 도면을 참조하여, 어떠한 한정의 성질 없이, 예로서 이하에 설명된다.
도 1은 가스 유동, 더 구체적으로 증기를 팽창하기 위한 종래 공지된 디바이스를 개략적으로 도시하고 있고;
도 2는 디바이스 내의 그 통과 중에 증기의 전개를 나타낸, 증기의 온도/엔트로피 다이어그램의 형태의 상 다이어그램 또는 증기 다이어그램을 도시하고 있고;
도 3은 증기를 팽창시키기 위한 본 발명에 따른 디바이스를 도시하고 있고;
도 4는 도 2의 것과 같은, 그러나 도 3의 디바이스를 위한 상 다이어그램을 도시하고 있고;
도 5는 본 발명에 따른 압축기 디바이스의 변형예를 도시하고 있고;
도 6은 도 4의 것과 같은, 도 5의 디바이스를 위한 다이어그램을 도시하고 있고;
도 7은 중간 제어 중에 도 6의 다이어그램을 도시하고 있다.

도 1에 도시되어 있는 종래의 디바이스(1)는 팽창될 증기의 가스 유동(Q)의 공급을 위해 증기의 소스(2)에 접속되는 입구(A) 및 증기 소비자 또는 산업 프로세스의 하류측 증기 디바이스(3)로의 팽창된 증기의 전달을 위한 출구(B)를 구비한다.

소스(2)는 예를 들어, 특정 입구 조건에서, 즉 디바이스(1)의 입구(A)에서 특정 입구 압력(p_A) 및 입구 온도(T_A)에서 포화 증기를 발생하는 보일러이다.

입구(A) 내의 증기의 작동점은 상 다이어그램의 포화 곡선(4) 상에 위치된 점(A)으로서 상 다이어그램에 도시되어 있고, 여기서 이 포화 곡선(4)은 한편으로는 증기의 온도 및 압력이 증기가 물의 기상에서만 발생하도록 하는 기상(G)의 구역과 물의 기상이 물의 액상과 평형 상태인 구역(G+V) 사이의 분리를 형성한다.

작동점(A)을 통해 진행하는 일정한 압력(p_A)의 등압선은 상 다이어그램에서 점선으로 나타나고, 압력이 입구 압력(p_A)과 동일한 모든 작동점을 제시하고 있다.

에너지가 등압선(p_A) 상의 점으로부터 시작하여 포화 라인의 좌측으로 공급될 때, 이어서 작동점은 일정 온도(T_A)에서 우측을 향해 등압선(p_A)의 수평 섹션을 따라 이동할 것이고, 존재하는 물 액적은 모든 물이 증발되고 단지 가스만이 잔류하는 작동점(A)에 도달할 때까지 점진적으로 증발한다.

일정한 압력(p_A)에서 에너지의 추가의 공급에 의해, 작동점은 등압선(p_A)을 따라 우측으로 더 이동할 것이고, 온도가 점진적으로 상승할 것이다. 이 구역에서, 액체가 없는 기상에 대응하는 과열된 증기의 경우가 있다.

하류측 증기 디바이스(3)는 공급된 증기가 만족해야 하는 증기 조건, 달리 말하면, 디바이스(1)의 출구(B)에서의 증기 조건, 특히 증기의 출구 압력(p_B), 출구 온도(T_B) 및 조성을 결정한다.

일반적으로, 약간 과열된 증기가 하류측 증기 디바이스(3)를 위해 요구된다. 대응 작동점은 압력(p_A)보다 낮은 압력(p_B), 및 T_A보다 낮은 온도(T_B)에서 포화 라인(4)의 우측에 대한 점(B)으로서 상 다이어그램에 도시되어 있다.

입구(A)에서 압력(p_A)으로부터 출구(B)에서 더 낮은 압력(p_B)으로 증기를 팽창하기 위해, 통상적으로 감압 밸브(5)를 통해 증기의 유동(Q)을 팽창하기 위해 입구(A)를 출구(B)에 접속하는 파이프(6) 내에 합체된 감압 밸브(5)를 사용한다.

종래의 감압 밸브(5)에 있어서, 출구 압력(p_B)으로의 이 팽창은 본질적으로 등압선(p_B) 상의 점(C)까지의 등엔탈피 팽창 곡선(7)을 따른 등엔탈피 전개에 따라 진행한다.

온도(T_C)는 일반적으로 원하는 출구 온도(T_B)보다 훨씬 더 높고, 따라서 감압 밸브(5) 후에, 증기 냉각기(8) 등이 일정한 압력(p_B)에서 원하는 온도(T_B)로 출구 온도를 감소시키는 데 사용된다. 작동점은 이어서 점(C)으로부터 점(B)까지 등압선(p_B)을 따라 이동한다.

종래의 디바이스(1)의 도시되어 있는 예에서, 감압 밸브(5)는 조정 가능하고, 제어기(9) 내에 설정된 원하는 압력값(p_B)으로 감압 밸브(5)를 통한 팽창을 제어하기 위한 제어기(9)를 구비하고, 여기서 제어기(9)는 출구(B)에서 압력을 연속적으로 측정하고 압력이 전술된 설정 압력에 동일할 때까지 압력이 설정 압력(p_B)보다 크거나 작기 때문에 감압 밸브(5)를 더 많이 또는 더 적게 개방한다.

도 3은 예를 들어, 어떠한 증기 냉각기(8)도 제공될 필요가 없고, 감압 밸브(5)에 추가하여, 감압 유닛(10)이 또한 병렬로 합체되어 증기 유동(Q)이 감압 밸브(5)를 통해 안내되는 서브유동(Q₁), 및 감압 유닛(10)을 통해 유동하는 서브유동(Q₂)으로 분할되게 되고, 여기서 이들 서브유동(Q₁, Q₂)은 팽창 후에 출구(B)를 거쳐 하류측 증기 디바이스로 함께 공급되도록 재차 조합되는 사실에서, 도 1의 종래의 디바이스와는 상이한 본 발명에 따른 디바이스(1)를 도시하고 있다.

감압 유닛은 바람직하게는 그 중 하나의 회전자(11)가 샤프트(12) 상에서 이용 가능한 기계적 에너지로의 증기의 팽창 에너지의 변환을 위한 외향 샤프트(12)를 구비하는, 2개의 연동하는 회전자(11)를 갖는 스크류 팽창기로서 구성된다.

예로서, 외향 샤프트(12)는 소비자 네트워크(도시 생략)로의 전기의 전달을 위해 발전기(14)에 결합된다.

감압 유닛(10)의 속도는 바람직하게는 가변적으로 조정 가능하고, 이를 위해 발전기(14)는 예를 들어 제어기(13)를 구비한다.

예를 들어 하나 또는 다른 유형의 터빈과 같은, 적어도 하나의 종동 회전자 및 외향 샤프트를 갖는 다른 형태의 감압 유닛이 배제되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 디바이스(1)는 출구(B)에서 온도 및 압력을 측정하거나 결정하기 위한 수단(15, 16)을 각각 구비한다.

더욱이, 도 3의 디바이스는, 여기서 일정한 것으로 추정되는 입구 조건(p_A, T_A)의 함수로서 제어기 내의 출구 압력(p_B) 및 출구 온도(T_B)의 원하는 설정된 또는 설정 가능한 값에서 출구(B) 내에 증기를 얻기 위해, 증기가 감압 밸브(5) 내에서 그리고 감압 유닛(10) 내에서 경험하는 팽창을 제어하기 위한 제어기(9)를 포함한다.

제어기(9)는 출구(B)에서 압력 및 온도를 결정하기 위한 전술된 수단(15, 16)에 접속부(17)를 거쳐 접속되고, 원하는 출구 압력(p_B)으로 팽창을 개별적으로 모두 경험하는 2개의 전술된 서브유동(Q₁, Q₂)으로 유동(Q)을 분할하기 위한 제어 알고리즘(18)을 갖는다.

예로서 취한 스크류 팽창기 내의 서브유동(Q₂)의 팽창은 통상적으로 팽창 곡선(19)에 의해 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 대략적으로 등엔트로피 또는 폴리트로픽 법칙에 따라 진행한다.

유동은 이에 의해 입구(A)에서의 작동점(A)으로부터 감압 유닛(10)의 출구(B")에서의 작동점(B")으로 변화하고, 여기서 이 작동점(B")은 등압선(p_B) 상에 위치된다.

출구(B")에서의 온도(T_B")가 원하는 온도(T_B)보다 낮은 것이 상 다이어그램으로부터 유도될 수 있다.

감압 밸브(5) 내의 서브유동(Q₁)의 팽창은 통상적으로 등압선(p_B) 상에 위치된, 입구에서의 작동점(A)과 감압 밸브(5)의 출구에서의 작동점(B') 사이의 팽창 곡선(7)에 따라 도 2에 유사한 방식으로 진행하는 등엔탈피 법칙에 따라 진행한다.

감압 밸브(5)의 출구(B')에서의 온도(T_B')는 이에 의해 원하는 설정 온도(T_B)보다 높다.

팽창 후에 서브유동(Q₁, Q₂)의 모두는 압력(p_B)과 조합되고, 여기서 조합된 유동(Q)은 온도(T_B', T_B") 사이에 있고 양 서브유동(Q₁, Q₂)의 상호 혼합비에 의존하는 온도 및 압력(p_B)을 갖는 출구(B)에서 발생한다. 제어기(9)의 제어 알고리즘(18)은 Q₁과 Q₂ 사이의 상호 혼합비가 조합된 유동(Q)의 온도가 원하는 온도(T_B)에 대응하도록 제어될 수 있게 한다.

이를 위해, 제어기(9)는 한편으로는 감압 유닛(10)의 속도 및 이에 의해 또한 유동(Q₂)을 조정하는 것을 가능하게 하도록 접속부(20)를 거쳐 제어기(13)에 접속되고, 다른 한편으로는 더 많거나 적은 유동(Q₁)이 그를 통하게 하기 위해 이 감압 밸브(5)를 더 많이 또는 더 적게 개방하거나 폐쇄하기 위해 접속부(21)를 거쳐 제어 가능한 감압 밸브(5)에 접속된다.

제어 알고리즘(18)은 예를 들어, 이하와 같이 설계될 수 있다.

디바이스(1)를 시동할 때, 유동(Q)은 예를 들어 감압 밸브(5)를 통한 유동(Q₁) 및 감압 유닛(10)을 통한 유동(Q₂)으로 동등하게 분배되고, 여기서 Q₁=Q₂=Q/2이다.

제1 경우에, 조합된 유동(Q)은 출구(B)에서 측정된 압력에 기초하여 제어된다. 측정된 압력이 원하는 출구 압력(p_B)의 설정값보다 낮을 때, 이는 유동(Q)이 너무 낮고 측정된 압력이 설정 압력(p_B)과 동일할 때까지 서브유동(Q₁, Q₂)이 동일한 정도로 증가된다는 것을 의미한다. 유사하게, 측정된 압력이 설정값(p_B)보다 높을 때, 서브유동(Q₁, Q₂)은 측정된 압력이 설정 압력(p_B)과 동일할 때까지 동일한 정도로 감소된다.

감압 밸브(5)를 통한 증기는 점(B')까지 곡선(7)을 따르고, 반면에 감압 유닛(10)을 통한 증기는 점(B")까지 곡선(19)을 따른다. 양 유동의 조합은 요구된 온도(T_B)와는 상이한 점(B"')으로 유도된다.

온도(B"')가 온도(T_B)보다 낮으면, 도 4의 경우에서와 같이, 너무 많은 증기가 곡선(19)을 거쳐 팽창된다. 따라서, 알고리즘(18)은 원하는 온도(T_B)가 도달할 때까지 동일한 정도로 유동(Q₁)이 증가하고 유동(Q₂)이 감소하는 것을 보장할 것이다.

총 조합된 유동(Q)은 이 초기 제어에 의해 영향을 받지 않기 때문에, 일정한 입구 조건을 갖고, 출구 압력은 p_B로 유지될 것이다.

다른 한편으로, 온도(B"')가 원하는 온도(T_B)보다 높으면, 이는 너무 많은 증기가 곡선(7)을 거쳐 팽창된다는 것을 의미한다. 이것은 이 경우에 알고리즘(18)이, 온도(T_B)가 도달할 때까지 동일한 정도로 유동(Q₁)이 감소하고 유동(Q₂)이 증가하는 것을 보장할 것인 이유이다.

예를 들어, 증기 디바이스(3) 내의 하류측 소비자가 이제 더 적은 유동(Q)을 필요로 하면, 출구 압력(p_B)은 디바이스(1)가 여전히 유동(Q)을 공급하면 증가할 것이다. 다음에, 제어기(18)는 출구 압력의 변화의 검출시에 유동(Q)을 변화시킬 것이어서, 이 때에 적용 가능한 유동의 비(Q₁/Q₂)가 유지되게 된다.

정확한 출구 압력(p_B)에 도달하자마자, 알고리즘(18)은 이어서 유동의 비(Q₁/Q₂)가 출구(B)에서 원하는 온도(T_B)를 실현하도록 변화되어야 하는지 여부를 점검할 것이다.

입구 압력 또는 입구 온도와 같은 다른 조건의 변화시에, 알고리즘(18)은 또한 동일한 방식으로 진행할 것인데, 즉

- 먼저 요구된 출구 압력(p_B)이 총 유동(Q)을 조정함으로써 실현되고;

- 이어서, 유동(Q₁)과 유동(Q₂) 사이의 비가 요구된 출구 온도(T_B)를 실현하도록 조정된다.

물론, 원하는 출구 조건을 얻기 위해 제어기에 의해 결정된 비율로 그 후에 재차 완전히 또는 부분적으로 조합되게 하기 위해 유동(Q) 또는 서브유동(Q₁ 및/또는 Q₂)을 더 분할하는 부가의 분기 및 탭오프(tap-off)가 디바이스 내에 존재할 수 있다.

입구(A)에서의 조건은 포화 곡선(4) 상의 점에 한정될 필요는 없고, 입구에서 이는 또한 곡선(4)의 우측으로 작동점을 갖고 약간 과열된 증기로 또는 곡선(4)의 좌측으로 작동점을 갖고 증기와 물 액적의 약간의 2상 혼합물로 시작할 수 있어, 그럼에도 불구하고 여전히 본 발명의 장점을 사용하는 것이 가능하다는 것이 명백하다.

도 5는 발전기(14)에 결합된 스크류 팽창기의 예에서, 감압 밸브(5) 및 감압 유닛(10)이 이 경우에 도 3의 실시예에서와 같이 파이프(6) 내에 병렬로 합체되지 않고, 입구(A)에서의 압력(p_A)으로부터 감압 밸브(5)와 감압 유닛(10) 사이의 파이프(6) 내의 중간 압력(p_C)으로 감압 밸브(5) 내에서, 그리고 이어서 중간 압력(p_C)으로부터 원하는 출구 압력(p_B)으로 감압 유닛(10) 내에서 각각, 입구(A)와 출구(B) 사이의 2개의 연속적인 팽창 스테이지로서 서로의 다음에 직렬로 합체되어 있는 본 발명에 따른 대안적인 디바이스(1)를 도시하고 있다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 감압 밸브(5) 내의 팽창은 이어서 입구(A)에서의 작동점(A)으로부터 압력(p_C) 및 온도(T_C)에서 중간 작동점(C)으로 등엔탈피 팽창 곡선(7)을 따르고, 감압 유닛(10) 내의 추가의 팽창은 출구(B)를 위한 작동점(B)으로 폴리트로픽 또는 대략 등엔트로피 팽창 곡선(19)에 따라 진행한다.

적합한 제어기(9)가 출구(B)에서 압력 및 온도가 제어기(9) 내의 설정값(p_B, T_B)에 동일하도록 양 팽창 스테이지를 제어하는 것을 가능하게 한다.

제어기(9)는 공지의 입구 조건(p_A 및/또는 T_A)의 함수로서 그리고 원하는 출구 조건(p_B 및/또는 T_B)의 함수로서 팽창 곡선(7, 19)의 코스를 결정하고, 이어서 양 팽창 곡선(7, 19)의 섹션으로서 작동점(C)을 결정하는 계산 및 제어 알고리즘(22)을 포함한다. 이 작동점(C)은 소정의 입구 조건(p_A, T_B)에 대해 출구에서의 원하는 압력(p_B) 및 온도(T_B)에 도달하도록 양 팽창 스테이지 사이에 도달하도록 요구되는 중간 작동점에 대응한다.

제어 알고리즘(22)은 예를 들어 이하의 제어를 제공한다.

제1 제어 단계 중에, 유동(Q)은 원하는 출구(B) 내에서 압력(p_B)에 도달할 때까지 조정된다.

이를 위해, 디바이스(1)를 시동할 때, 감압 유닛(10)은 제어기(13)를 거쳐 발전기(14)의 부하를 조정함으로써 최소 속도에서 제어되고, 감압 밸브(5)는 이에 의해 계통적으로 개방된다.

개방이 시작시에 서서히 진행될 때, 매우 큰 압력 강하가 감압 밸브(5)를 가로질러 발생할 것이어서, 중간 작동점(C)에서 중간 압력이 원하는 중간 압력(p_C)보다 훨씬 더 낮아지게 될 것이다. 유동(Q)은 일반적으로 팽창 곡선(7)을 거쳐 그리고 팽창 곡선(19)을 거쳐 더 적은 정도로 팽창될 것이다.

제어 알고리즘(22)은 요구된 출구 압력(p_B)이 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 도달할 때까지 감압 유닛(10)의 일정한 속도에서 팽창 밸브(5)를 점진적으로 더 개방할 것이다.

작동점(B')은 원하는 출구 온도(T_B)보다 더 높은 출구 온도에 의해 특징화된다.

제2 제어 단계 중에, 중간 작동 압력(C)의 중간 압력은 유량을 보존하면서 조정되고, 이는 예를 들어 이하의 방식이다.

중간 압력이 원하는 중간 압력(p_C)보다 낮을 때, 이어서 알고리즘은 원하는 중간 압력(p_C)이 도달할 때까지 감압 유닛(10)의 속도를 증가시킬 것이다.

그러나, 중간 압력이 원하는 중간 압력(p_C)보다 높을 때, 알고리즘은 원하는 중간 압력(p_C)이 도달할 때까지 감압 밸브(5)를 더 많이 폐쇄할 것이다.

하류측 소비자가 이제 예를 들어 적은 유량(Q)을 요구하면, 출구(B) 내의 출구 압력은 디바이스가 여전히 유동(Q)을 공급하면 증가할 것이다. 이것이 제어기(9)가 출구(B) 내의 출구 압력의 변화를 검출할 때, 중간 압력(p_C)이 보존되도록 유동(Q)을 변화할 것인 이유이다. 이는 동시에 감압 밸브(5)를 폐쇄하고 특정 비에 따라 감압 유닛(10)의 속도를 감소시킴으로써 더 낮은 요구된 유동의 경우에 행해질 수 있다.

원하는 출구 압력(P_B)이 도달하자마자, 알고리즘은 이어서 감압 밸브(5)의 상태 및/또는 감압 유닛(10)의 속도가 계산된 원하는 중간 압력(p_C)을 실현하도록 변화되어야 하는지 여부를 점검할 것이다.

알고리즘 내의 부정확성 또는 기계의 시효가 발생할 때의 경우에 대해 측정된 출구 온도와 원하는 출구 온도(T_B) 사이의 차이에 기초하여 계산된 중간 압력(p_C)을 세밀화하는 단계를 알고리즘이 포함하는 것이 배제되지 않는다.

입구 압력 또는 입구 온도와 같은 다른 조건의 변화시에, 알고리즘은 항상 동일한 방식으로 진행할 것인데, 즉

- 먼저 요구된 출구 압력(p_B)이 총 유동(Q)을 조정함으로써 실현되고;

- 다음에, 감압 밸브(5)의 개방과 감압 유닛(10)의 속도 사이의 비가 계산된 중간 압력(p_C)을 실현하도록 조정된다.

감압 유닛(10)이 직렬일 때 감압 밸브(5)의 순서가 또한 스와핑될 수 있고, 2개 초과의 스테이지가 또한 제공될 수 있다는 것이 명백하다.

산업 프로세스의 복잡성에 따라, 도 3의 것과 같은 하나 이상의 병렬 접속 및/또는 도 5의 것과 같은 하나 이상의 직렬 접속의 조합이 이 코스의 목적으로 적합한 제어기로 적용되는 것이 배제되지 않는다.

스크류 팽창기가 전술된 예의 각각에서 사용되었지만, 다른 유형의 팽창기를 사용하는 것이 배제되는 것은 아니다. 스크류 압축기의 장점은, 작동점(B") 또는 중간 작동점(C)이 가스와 액체가 평형 상태인 구역에 위치되는 도 4의 경우에서와 같이, 팽창 중에 물 액적의 형성에 덜 민감하다는 것이다.

증기 대신에, 다른 가스 또는 가스 혼합물이 또한 사용될 수 있다.

본 발명은 결코 예로서 설명되고 도면에 도시되어 있는 가스 유동을 팽창하기 위한 방법 및 디바이스의 변형예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명에 따른 방법 및 디바이스는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 모든 종류의 변형예에서 실현될 수 있다.

1: 디바이스 2: 증기의 소스
3: 하류측 증기 디바이스 4: 포화 곡선
5: 감압 밸브 6: 파이프
7: 팽창 곡선 8: 증기 냉각기
9: 제어기 10: 감압 유닛
11: 회전자 12: 외향 샤프트
13: 제어기 14: 발전기
17: 접속부 18: 제어 알고리즘

Claims (26)

1. 입구 압력(p_A) 및 입구 온도(T_A)의 특정 입구 조건에서 팽창될 가스의 공급을 위한 입구(A)와 출구 압력(p_B) 및 출구 온도(T_B)의 특정의 원하는 출구 조건에서 팽창된 가스의 전달을 위한 출구(B) 사이에서 증기를 포함하는 가스 또는 가스 혼합물의 가스 유동(Q)을 팽창시키기 위한 방법으로서,
   감압 밸브(5)를 통해 상기 입구(A)와 상기 출구(B) 사이의 가스 유동을 적어도 부분적으로 팽창시키고 상기 가스 내에 포함된 에너지를 외향 샤프트(12)에 대한 기계 에너지로 변환하기 위해 외향 샤프트(12)를 구비하고, 상기 가스에 의해 구동된 회전자(11)를 갖는 감압 유닛(10)을 통해 상기 가스 유동을 적어도 부분적으로 팽창시키는 단계를 적어도 포함하는 것인 가스 유동 팽창 방법에 있어서,
   팽창될 가스 유동은, 상기 감압 밸브(5)를 통해 유동하는 팽창될 가스 유동(Q)의 서브유동(Q₁) 및 상기 감압 유닛(10)을 통해 유동하는 서브유동(Q₂)으로, 상기 감압 밸브(5) 및 상기 감압 유닛(10)을 동시에 통과하도록 구동되고, 양 서브유동(Q₁, Q₂)은 원하는 출구 압력(p_B)으로 팽창되고, 그 후에 양 서브유동(Q₁, Q₂)은 상기 출구(B)에서 원하는 출구 조건(p_B, T_B)으로 상기 팽창된 가스 유동을 공급하도록 동일한 원하는 출구 압력(p_B)으로 조합되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스 유동 팽창 방법은 상기 팽창된 가스 유동 또는 팽창될 가스 유동을 냉각하기 위해 상기 입구(A)와 상기 출구(B) 사이에서 냉각을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입구(A)에 공급된 가스는 포화 증기 또는 과열된 증기 또는 증기와 액체의 2상 혼합물인 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 팽창은 포화 증기 또는 과열된 증기의 조건에 대응하는 공급될 팽창된 가스의 출구 조건(p_B, T_B)까지 진행하도록 허용되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 감압 유닛(10)은 스크류 팽창기인 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 팽창은, 소량의 액적과 평형 상태에 있는 증기의 조건에 대응하는 공급될 팽창된 가스의 출구 조건(p_B, T_B)으로 진행하도록 허용되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 팽창될 가스 유동(Q)은, 상기 서브유동(Q₁, Q₂)의 조합시에, 원하는 출구 압력(p_B)과 동일한 압력을 갖지만 원하는 출구 온도(T_B)에 상이한 출구 온도를 각각 갖고, 원하는 출구 온도(T_B)와 동일한 조합된 온도가 얻어지는 방식으로, 상기 감압 밸브(5)를 통해 유동하는 서브유동(Q₁) 및 상기 감압 유닛(10)을 통해 유동하는 서브유동(Q₂)으로 분할되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 팽창될 가스 유동(Q)을 분할하기 위해, 상기 감압 밸브(5), 상기 감압 유닛(10)의 속도 또는 상기 감압 밸브(5) 및 상기 감압 유닛(10)의 속도가 가스가 통과하게 하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출구(B)에서 원하는 작동점(p_B, T_B)으로 제어기를 시동할 때, 상기 팽창될 가스 유동(Q)은 고정비에 따라 상기 서브유동(Q₁, Q₂)으로 분할되고, 상기 가스 유동(Q)은 2개의 동일한 서브유동(Q₁, Q₂)으로 분할되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
10. 제9항에 있어서, 제어를 위해, 총 조합된 유동(Q)은, 상기 출구(B) 내의 압력이 원하는 출구 압력(p_B)과 동일해질 때까지 상기 고정비에 따라 양 서브유동(Q₁, Q₂)을 증가시키거나 감소시킴으로써 먼저 조정되고,
    - 상기 출구(B) 내의 압력이 원하는 압력(p_B)보다 낮을 때, 상기 서브유동(Q₁, Q₂)은, 상기 출구(B) 내의 압력이 원하는 출구 압력(p_B)과 동일해질 때까지 증가되거나,
    - 상기 출구(B) 내의 압력이 원하는 압력(p_B)보다 높을 때, 상기 서브유동(Q₁, Q₂)은, 상기 출구(B) 내의 압력이 원하는 출구 압력(p_B)과 동일해질 때까지 감소되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 서브유동(Q₁, Q₂)의 비는, 원하는 출구 온도(T_B)를 얻기 위해 얻어진 총 유동(Q)을 보존하면서 조정되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 서브유동(Q₁, Q₂)의 비는
    - 상기 출구(B) 내의 온도가 원하는 출구 온도(T_B)보다 낮을 때, 상기 출구(B) 내의 온도가 원하는 출구 온도(T_B)와 동일해질 때까지, 동일한 정도로 상기 감압 밸브(5)를 통과하도록 허용되는 서브유동(Q₁)을 증가시키고 상기 감압 유닛(10)을 통과하도록 허용되는 서브유동(Q₂)을 감소시킴으로써, 또는
    - 상기 출구(B) 내의 온도가 원하는 출구 온도(T_B)보다 높을 때, 상기 출구(B) 내의 온도가 원하는 출구 온도(T_B)와 동일해질 때까지, 동일한 정도로 상기 감압 밸브(5)를 통과하도록 허용되는 서브유동(Q₁)을 감소시키고 상기 감압 유닛(10)을 통과하도록 허용되는 서브유동(Q₂)을 증가시킴으로써,
    조정되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
13. 입구 압력(p_A) 및 입구 온도(T_A)의 특정 입구 조건에서 팽창될 가스의 공급을 위한 입구(A)와 출구 압력(p_B) 및 출구 온도(T_B)의 특정의 원하는 출구 조건에서 팽창된 가스의 전달을 위한 출구(B) 사이에서 증기를 포함하는 가스 또는 가스 혼합물의 가스 유동(Q)을 팽창시키기 위한 방법으로서,
    감압 밸브(5)를 통해 상기 입구(A)와 상기 출구(B) 사이의 가스 유동을 적어도 부분적으로 팽창시키고, 상기 가스 내에 포함된 에너지를 외향 샤프트(12)에 대한 기계 에너지로 변환하기 위해 외향 샤프트(12)를 구비하고, 상기 가스에 의해 구동된 회전자(11)를 갖는 감압 유닛(10)을 통해 상기 가스 유동을 적어도 부분적으로 팽창시키는 단계를 적어도 포함하는 것인 가스 유동 팽창 방법에 있어서,
    상기 팽창될 가스 유동(Q)은 상기 감압 밸브(5)를 통해 그리고 상기 감압 유닛(10)을 통해 일련의 2개의 연속적인 팽창 스테이지에서 구동되고, 상기 감압 밸브(5) 및 상기 감압 유닛(10)은, 제1 팽창 스테이지 후에 제2 팽창 스테이지에서의 원하는 출구 압력(p_B) 및 출구 온도(T_B)에 대응하는 압력 및 온도로의 팽창을 보장하는 중간 압력(p_C) 및 중간 온도(T_C)를 갖는 중간 작동점(C)이 얻어지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 중간 압력(p_C) 및 상기 중간 온도(T_C)는 컴퓨터 알고리즘(22)에 기초하여 결정되고, 상기 제1 팽창 스테이지의 팽창 곡선(7)은 입구 조건(p_A, T_A)에 기초하여 결정되고, 상기 제2 팽창 스테이지의 팽창 곡선(19)은 원하는 출구 압력(p_B) 및 출구 온도(T_B)에 기초하여 결정되고, 원하는 중간 작동점(C)이 양 팽창 곡선(7, 19) 사이의 섹션으로서 결정되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 출구(B) 내의 원하는 출구 압력(p_B)은 총 유동(Q)을 제어함으로써 먼저 실현되고, 이어서 중간 작동점(C)에서 원하는 계산된 중간 압력은 상기 감압 밸브(5)의 개방과 상기 감압 유닛(10)의 속도 간의 비를 조정함으로써 실현되고,
    디바이스(1)를 시동할 때, 상기 감압 유닛(10)은 최소 속도로 제어되고, 상기 감압 밸브(5)는 이에 의해 원하는 출구 압력(p_B)에 도달할 때까지 계통적으로 개방되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 중간 작동점(C)의 중간 압력은
    - 상기 중간 압력이 원하는 중간 압력(p_C)보다 낮을 때, 원하는 중간 압력(p_C)에 도달할 때까지 상기 감압 유닛(10)의 속도를 증가시킴으로써, 또는
    - 상기 중간 압력이 원하는 중간 압력(p_C)보다 높을 때, 원하는 중간 압력(p_C)에 도달할 때까지 상기 감압 밸브(5)를 폐쇄함으로써,
    제어되는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 팽창 스테이지는 감압 밸브(5)이고, 상기 제2 팽창 스테이지로서 상기 감압 유닛(10)이 후속하는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 방법.
18. 증기를 포함하는 가스 또는 가스 혼합물의 가스 유동(Q)을 팽창시키기 위한 디바이스로서,
    입구 압력(p_A) 및 입구 온도(T_A)의 특정 입구 조건에서 팽창될 가스의 공급을 위한 입구(A)와 출구 압력(p_B) 및 출구 온도(T_B)의 특정의 원하는 출구 조건에서 팽창된 가스의 전달을 위한 출구(B)를 포함하는 것인 가스 유동 팽창 디바이스에 있어서,
    상기 가스 유동 팽창 디바이스(1)는 제1항 또는 제13항에 따른 방법이 적용되는 것을 가능하게 하고, 이를 위해 감압 밸브(5)와, 상기 가스 내에 포함된 에너지를 샤프트(12)에 대한 기계 에너지로 변환하기 위해 외향 샤프트(12)를 구비하고, 상기 가스에 의해 구동된 회전자(11) 및 적어도 부분적으로 상기 감압 밸브(5)를 통해 그리고 적어도 부분적으로 감압 유닛(10)을 통해 팽창될 가스 유동(Q)을 안내하기 위한 파이프(6)를 갖는 감압 유닛(10)을 구비하고, 상기 감압 밸브(5), 상기 감압 유닛(10) 또는 상기 감압 밸브(5) 및 상기 감압 유닛(10)은 제어 가능하고, 상기 가스 유동 팽창 디바이스는 출구 압력 및 출구 온도가 제어기(9)에 설정된 원하는 압력(p_B) 및 온도(T_B)에 대응하도록 하는 방식으로 상기 감압 밸브(5) 및 상기 감압 유닛(10)을 제어하기 위한 알고리즘을 갖는 제어기(9)를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 디바이스.
19. 제18항에 있어서, 상기 감압 밸브(5)는 조정 가능한 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 디바이스.
20. 제18항에 있어서, 상기 감압 유닛(10)은 조정 가능한 속도를 갖는 스크류 팽창기인 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 디바이스.
21. 제18항에 있어서, 상기 파이프(6)는 팽창될 가스 유동(Q)이 동시에 또는 연속하여 상기 감압 밸브(5) 및 상기 감압 유닛(10)으로부터 출구(B)로 안내되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 유동 팽창 디바이스.
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