KR102090888B1 - 극저온 공기 분리 플랜트에서 유입 공급 공기 스트림을 압축시키기 위한 방법 - Google Patents

극저온 공기 분리 플랜트에서 유입 공급 공기 스트림을 압축시키기 위한 방법 Download PDF

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헨리 이. 호와드
칼 엘. 슈바르츠
아메드 에프. 아브델와합
리 제이. 로센
닉 제이. 데젠슈타인
레-린 첸
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

연계하여 제어되는 적어도 2개의 가변 속도 압축기 직접 구동 조립체를 사용하여 극저온 공기 분리 플랜트로의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 제1 가변 속도 직접 구동기 조립체가 저압 압축기 유닛 내의 적어도 하나의 압축 스테이지를 직접 구동시키는 한편, 제2 가변 속도 직접 구동기 조립체가 공기 분리 플랜트의 공통 공기 압축 트레인 내에 배치되는 고압 압축 스테이지를 직접 구동시킨다. 제1 및 제2 가변 속도 구동기 조립체는 바람직하게는, 각각 모터 본체, 모터 하우징, 및 모터 샤프트 - 희생 강성 샤프트 커플링을 통해 모터 샤프트에 직접 그리고 강성으로 결합되는 하나 이상의 임펠러를 가짐 - 를 갖는 고속, 가변 속도 전기 모터 조립체이다.

Description

극저온 공기 분리 플랜트에서 유입 공급 공기 스트림을 압축시키기 위한 방법
본 발명은 극저온 공기 분리 플랜트(cryogenic air separation plant)에서의 유입 공급 공기 스트림(incoming feed air stream)의 압축에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 연계하여 제어되는 적어도 2개의 직접 구동 압축 조립체를 사용하여 유입 공급 공기 스트림을 압축시키기 위한 방법에 관한 것이다.
극저온 공기 분리는 고압, 매우 낮은 온도의 공기 스트림 및 공정을 구동시키는 데 필요한 다량의 냉각을 생성할 필요로 인해 매우 에너지 집약적인 공정이다. 전형적인 극저온 공기 분리 플랜트에서, 유입 공급 공기 스트림이 주 공기 압축기(main air compressor, MAC) 장치로 통과되어 원하는 중간 배출 압력 및 유동을 획득한다. 그러한 압축 전에, 먼지와 다른 오염물질이 전형적으로 공기 흡입 필터 하우스(air suction filter house) 내에 전형적으로 배치되는 공기 필터를 통해 유입 공급 공기 스트림으로부터 제거된다. 여과된 공기 스트림은 다중-스테이지(multi-stage) MAC 압축 장치 내에서 전형적으로 약 6 바(bar)의 최소 압력으로 그리고 흔히 보다 높은 압력으로 압축된다. 압축된 유입 공급 공기 스트림은 이어서 사전-정화 유닛(pre-purification unit) 내에서 정화되어 유입 공급 공기 스트림으로부터 고 비등점(high boiling) 오염물질을 제거한다. 그러한 사전-정화 유닛은 전형적으로 수증기, 이산화탄소, 및 탄화수소와 같은 오염물질을 흡착하기 위해 흡착제의 베드(bed)를 갖는다. 많은 공기 분리 플랜트에서, 압축된, 정화된 공급 공기 스트림 또는 그의 부분들은 일련의 부스터 공기 압축기(booster air compressor, BAC) 장치 내에서 훨씬 더 높은 배출 압력으로 추가로 압축된다. 종래의 공기 분리 플랜트에서, MAC 압축 장치는 사전-정화 유닛의 상류에 위치되는 반면에, BAC 장치는 사전-정화 유닛의 하류에 위치된다.
압축된 또는 추가로 압축된, 정화된 공급 공기 스트림은 이어서 냉각되고, 고압 칼럼(higher pressure column), 저압 칼럼(lower pressure column), 및 선택적으로 아르곤 칼럼(도시되지 않음)을 포함할 수 있는 복수의 증류 칼럼(distillation column) 내에서 산소-풍부(oxygen-rich), 질소-풍부(nitrogen-rich), 및 아르곤-풍부(argon-rich) 분획물(fraction)로 분리된다. 위에 지시된 바와 같이, 그러한 증류 전에, 압축된, 사전-정화된 공급 공기 스트림은 흔히 복수의 압축된, 사전-정화된 공급 공기 스트림으로 분할되며, 그 중 일부 또는 전부가 이어서 다중-스테이지 BAC 압축 장치로 통과되어, 증류 칼럼 시스템에 의해 생성된 산소를 비등시키는 데 필요한 원하는 압력을 획득한다. 임의의 추가로 압축된, 사전-정화된 공급 공기 스트림을 포함하는 복수의 압축된, 사전-정화된 공급 공기 스트림은 이어서 1차 또는 주 열 교환기 내에서 증류 칼럼 시스템 내에서의 정류(rectification)에 적합한 온도로 냉각된다. 1차 열 교환기 내에서의 복수의 공급 공기 스트림의 냉각원(source of cooling)은 전형적으로 후술되는, 증류 칼럼 시스템에 의해 생성되는 하나 이상의 폐기물 스트림(waste stream) 및 저온 터빈(cold turbine) 및 고온 터빈(warm turbine) 장치에 의해 생성되는 임의의 보충 냉각(supplemental refrigeration)을 포함한다.
복수의 냉각된, 압축된 공기 스트림은 이어서, 저압 칼럼에 열 연결(thermally linked) 또는 결합되는 고압 칼럼 및 선택적인 아르곤 칼럼을 포함하는 2-칼럼 또는 3 칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템으로 지향된다. 고압 칼럼 및 저압 칼럼으로 진입하기 전에, 임의의 액체 공기 스트림이 주울-톰슨 밸브(Joule-Thompson valve) 내에서 팽창되어, 액체 산소, 액체 질소 및/또는 액체 아르곤을 포함하는 극저온 생성물을 생성하는 데 필요한 추가의 냉각을 생성할 수 있다.
액체 산소, 액체 질소 및 액체 아르곤과 같은 다량의 액체 생성물을 생성하도록 설계되는 공기 분리 유닛에서, 다량의 보충 냉각이 전형적으로 전술된 주울-톰슨 밸브, 저온 터빈 장치 및/또는 고온 재순환 터빈(warm recycle turbine) 장치의 사용을 통해 제공되어야 한다. 저온 터빈 장치는 2-칼럼 또는 3 칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템에 보충 냉각을 제공하기 위해 사용되는 하부 칼럼 터빈(lower column turbine, LCT) 장치 또는 상부 칼럼 터빈(upper column turbine, UCT) 장치로 흔히 지칭된다. 반면에, 고온 재순환 터빈(WRT) 장치가 냉매 스트림을 고온 터보-팽창기(warm turbo-expander) 내에서 팽창시키며, 이때 냉매 스트림의 팽창을 통해 냉각된 생성되는 배기 스트림이 1차 열 교환기 내의 또는 보조 열 교환기 내의 사전-정화된, 압축된 공급 공기와의 간접 열 교환을 통해 극저온 공기 증류 칼럼 시스템에 보충 냉각을 부여한다.
LCT 장치에서, 사전-정화된, 압축된 공급 공기의 일부분이 BAC 압축 장치 내에서 추가로 압축되고, 1차 열 교환기 내에서 부분적으로 냉각된 다음에, 이러한 추가로 압축된, 부분적으로 냉각된 스트림의 전부 또는 일부분이 압축기에 작동가능하게 결합되고 그것을 구동시킬 수 있는 터보-팽창기로 방향전환된다(diverted). 팽창된 기체 스트림 또는 배기 스트림은 이어서 2-칼럼 또는 3 칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템의 고압 칼럼으로 지향된다. 따라서, 방향전환된 스트림의 팽창에 의해 생성되는 보충 냉각이 고압 칼럼에 직접 부여되어, 1차 열 교환기의 냉각 부하(cooling duty) 중 일부를 경감시킨다.
유사하게, UCT 장치에서, 정화 및 압축된 공급 공기의 일부분이 1차 열 교환기 내에서 부분적으로 냉각된 다음에, 이러한 부분적으로 냉각된 스트림의 전부 또는 일부분이 역시 압축기에 작동가능하게 결합되고 그것을 구동시킬 수 있는 고온 터보-팽창기로 방향전환된다. 고온 터보-팽창기로부터의 팽창된 기체 스트림 또는 배기 스트림은 이어서 2-칼럼 또는 3 칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템 내의 저압 칼럼으로 지향된다. 따라서, 배기 스트림의 팽창에 의해 생성되는 냉각 또는 보충 냉각이 저압 칼럼에 직접 부여되어, 1차 열 교환기의 냉각 부하 중 일부를 경감시킨다.
MAC 압축 장치 및 BAC 압축 장치는 필요한 압축을 달성하기 위해 상당한 양의 전력을 필요로 한다. 전형적으로, MAC 압축 장치는 공기 분리 플랜트에 의해 소비되는 총 전력의 대략 60% 내지 70%를 소비한다. 공기 분리 플랜트 전력 요건의 일부분이 2-칼럼 또는 3 칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템에 보충 냉각을 제공하는 전술된 저온 터빈 장치 및/또는 고온 터빈 장치를 통해 만회될 수 있지만, 공기 분리 플랜트에 의해 요구되는 전력의 대부분은 다중-스테이지 MAC 압축 장치 및 다중-스테이지 BAC 압축 장치를 구동시키기 위한 외부에서 공급되는 전력이다.
대부분의 종래의 MAC 압축 장치 및 BAC 압축 장치와 질소 재순환 압축기 및 관련 생성물 압축기는 단일 속도 구동기 조립체(single speed driver assembly)에 결합되는 하나 이상의 압축 스테이지, 및 불 기어(bull gear) 및 관련 피니언 샤프트(pinion shaft)를 통해 압축 스테이지 중 하나 이상을 구동시키되 모든 피니언 샤프트가 일정한 속도비(speed ratio)로 작동하도록 구동시키기 위해 구성되는 기어박스를 포함하는 일체형 기어식 압축기(integrally geared compressor, IGC) 장치로서 구성된다. 하나 이상의 압축 스테이지는 전형적으로 입구로 진입하는 공급 공기가 공급 공기를 가속시켜 회전 에너지를 공급 공기에 부여하도록 회전하는 임펠러(impeller)로 알려진 베인형 압축기 휠(vaned compressor wheel)에 분배되는 원심 압축기(centrifugal compressor)를 사용한다. 이러한 에너지의 증가는 속도의 증가 및 압력 상승을 동반한다. 압력은 임펠러를 둘러싸는 그리고 공급 공기의 속도를 감소시켜 공급 공기의 압력을 증가시키는 기능을 하는 고정 베인형(static vaned) 또는 무베인형(vaneless) 확산기 내에서 회복된다. 임펠러는 단일 속도 구동기에 결합되는 다수의 샤프트 상에 또는 단일 샤프트 상에 배열될 수 있다. 다수의 샤프트가 사용되는 경우에, 기어박스 및 관련 윤활유(lube oil) 시스템이 전형적으로 요구된다.
종래의 MAC 압축 장치는 각각의 압축 스테이지 사이의 압축된 공기 스트림으로부터 압축열(heat of compression)을 제거하기 위해 압축기의 다수의 스테이지들 사이에 제공되는 복수의 인터쿨러(intercooler)를 추가로 필요로 한다. 그 이유는 공기가 압축됨에 따라, 그의 온도가 상승하고, 상승된 공기 온도가 기체를 압축시키기 위한 전력의 증가를 필요로 하기 때문이다. 따라서, 공기가 스테이지 내에서 압축되고 스테이지들 사이에서 냉각될 때, 압축 전력 요건은 스테이지간 냉각(interstage cooling)이 없는 압축에 비해 등온 압축에 더욱 근사함으로 인해 감소된다. 직접 접촉 애프터쿨러(direct contact aftercooler)와 같은 애프터쿨러, 또는 공기 칠러(chiller)가 또한 전형적으로 MAC 압축 장치와 BAC 압축 장치 사이에 위치된다.
종래의 IGC 장치의 부분들을 직접 구동 압축기 조립체(direct drive compressor assembly) 장치로 대체하는 것이 제안되었다. 압축기와 구동기 조립체의 직접 결합은 구동기 조립체와 압축 스테이지 사이의 기어 장치(gearing) 내에서 열 손실이 발생하는 기어 박스 장치에 고유한 비효율성을 극복한다. 그러한 직접 결합은 구동기 조립체 샤프트 및 임펠러 둘 모두가 동일한 속도로 회전하는 직접 구동 압축기 조립체로 알려져 있다. 전형적으로, 그러한 직접 구동 압축기 조립체는 가변 속도 작동(variable speed operation)이 가능하다. 이에 의해, 직접 구동 압축기 조립체는 구동기 속도를 변동시킴으로써 다수의 압축 스테이지를 통해 다양한 유량을 그리고 압축기 유닛에 걸쳐 다양한 압력비(pressure ratio)를 전달하도록 작동될 수 있다.
또한, 대부분의 종래의 MAC 압축 장치는 피크 유동 용량(peak flow capacity)의 또는 그 부근의 지점에 대응하는 설계 지점에서 최적화되도록 설계된다. 그러나, 많은 공기 분리 플랜트에서, 압축기는 전형적으로 작동 시간의(of the time) 10% 미만에서, 그리고 일부 플랜트에서는 작동 시간의 5% 미만에서 그들 각각의 설계 조건으로 작동하는 것으로 밝혀졌다. MAC 압축 장치 및 BAC 압축 장치의 피크 유동 용량은 압축기 제조자에 의해 제조될 수 있는 원심 임펠러 크기 및 허용가능한 임펠러 팁 속도(tip speed)에 의해 제한될 것이다. 종래의 시스템에서, 모든 MAC 압축 스테이지는 흔히 동일한 파워 트레인(power train) 또는 구동기에 의해 구동된다. 따라서, 일단 설계 속도가 이러한 MAC 구동기에 대해 선택되면, 속도를 변화시킬 여지가 거의 없는데, 왜냐하면 임의의 속도 변화가 MAC 압축 스테이지 전부 및 역시 동일한 파워 트레인에 결합될 수 있는 BAC 압축 스테이지 중 임의의 것에 영향을 미칠 것이기 때문이다. 이러한 전통적인 설계 지점을 사용하여, 종래의 MAC 압축 장치는 흔히 압축 스테이지 중 하나 이상과 관련된 입구 안내 베인(inlet guide vane)을 사용하여 단지 약 30% 턴다운(turndown)의 턴다운(즉, 압축되는 공기의 유량을 감소시킴)을 달성할 수 있다.
임의의 주어진 공기 분리 플랜트에 대해, 공기 입구 압력은 대체로 일정하지만, 주위 공기 입구 온도는 겨울에서 여름까지, 또는 심지어 주간에서 야간까지 상당히 변동하여, 체적 유동(volumetric flow)의 상당한 변동으로 이어질 수 있다. 일단 설계 속도가 선택되면, 계절 온도 및/또는 생산 변화(production change)를 수용하기 위해 이러한 속도를 변화시킬 여지가 거의 없다. 따라서, 가장 효과적인 압축기 성능 제어 변수, 즉 구동기 속도는 대부분의 종래의 MAC 및 BAC 압축 장치의 작동 제어를 위해 사용하기 위한 자유도(degree of freedom)가 아니다.
예를 들어, 여름 고온 조건에 대해 요구되는 유동 및 수두(head)를 처리하기 위해, MAC 압축 장치는 여름 고온 조건에 대해 크기설정될 필요가 있을 것이고, 입구 안내 베인은 정상 작동 조건을 처리하기 위해 부분적으로 폐쇄될 것이다. 이는 다른 작동 조건에 대한 압축기 효율을 감소시킬 수 있고, 또한 플랜트 턴다운 범위(즉, 설계 유동으로부터 압축기 서지(surge)가 없는 최소 허용가능 유동까지의 범위)를 감소시킬 수 있다. 턴다운 상태 중에, 체적 유동이 감소되며, 따라서 입구 안내 베인은 추가로 폐쇄되어야 하고, 일부 경우에 압축된 공기가 압축기의 서징(surging)을 방지하기 위해 대기로 통기되어야(vented) 할 수 있다. 입구 안내 베인의 폐쇄 및/또는 압축된 공기의 일부분의 통기는 둘 모두 전력의 낭비 및 전체 플랜트 효율의 감소로 이어진다.
또한, 공기 분리 사이클을 최적화시키기 위해, 공기 압축 트레인의 일부로서의 직접 구동 압축 조립체를 사용하는 플랜트를 포함하는 대부분의 공기 분리 플랜트의 압축 트레인은 MAC 압축 장치의 경우에 사전-정화 유닛에 대체로 일정한 배출 압력을 또는 BAC 압축 장치의 경우에 증류 칼럼 시스템에 의해 요구되는 압력을 제공하도록 설계된다. 그러한 공기 분리 플랜트에서 대체로 일정한 배출 압력을 유지하는 것이 또한 전력의 낭비 및 모든 작동 조건에 걸친 전체 플랜트 효율의 감소로 이어질 수 있다. 또한, 전체 공기 분리 플랜트 효율을 희생시킴이 없이 공기 압축 트레인의 유입 공급 공기 유동 용량 및/또는 배출 압력에 대한 연속적인 또는 주기적인 조절을 허용할 필요가 있다.
따라서, 공기 압축 트레인의 일부로서 효과적인 직접 구동 압축 조립체를 채용함으로써 공기 분리 플랜트 내의 공기 압축 장치와 관련된 운전 비용, 즉 전력 비용을 감소시킬 지속적인 필요가 있다. 공기 압축 트레인의 일부로서 직접 구동 압축 조립체를 채용하는 종래 기술의 시스템이 아래에서 공기 분리 플랜트를 위한 본 발명 및 종래 기술의 직접 구동 압축 조립체들 사이의 차이의 논의를 포함하는 상세한 설명 부분에서 더욱 상세히 논의된다.
본 발명은 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 방법으로서 특징지어질 수 있으며, 방법은 (a) 유입 공급 공기 스트림의 적어도 일부분을 공통 공기 압축 트레인(common air compression train)의 저압 단일 스테이지(single stage) 또는 다중-스테이지 압축기 내에서 압축시키는 단계 - 저압 단일 스테이지 또는 다중-스테이지 압축기 유닛 내의 적어도 하나의 압축 스테이지가 제1 가변 속도 구동기 조립체에 의해 직접 구동됨 -; (b) 압축된 공급 공기 스트림을 공통 공기 압축 트레인의 하나 이상의 고압 단일 스테이지 또는 다중-스테이지 압축기 내에서 추가로 압축시키는 단계 - 고압 단일 스테이지 또는 다중-스테이지 압축기 중 적어도 하나는 제2 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동됨 -; (c) 초기 압축 단계 후에; 추가 압축 단계 후에 또는 공통 공기 압축 트레인의 압축 스테이지들 사이에서 추가로 압축된 공급 공기 스트림을 정화하여 불순물을 제거하는 단계; (d) 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 2개 이상의 부분을 하나 이상의 압축 스테이지를 갖는 분할 기능적 공기 압축 트레인(split functional air compression train)으로 지향시키는 단계; (e) 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 부분들 중 하나 이상을 1차 열 교환기로 지향시켜, 하나 이상의 부분을 극저온 공기 분리 플랜트의 증류 칼럼 시스템 내에서의 정류에 적합한 온도로 냉각시키는 단계; 및 (f) 냉각, 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 부분들 중 하나 이상의 일부 또는 전부를 극저온 공기 분리 플랜트의 증류 칼럼 시스템으로 지향시켜 액체 및 기체 생성물을 생성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 제1 가변 속도 구동기 조립체 및 제2 가변 속도 구동기 조립체는, 각각 모터 본체, 모터 하우징, 및 모터 샤프트 - 희생 강성 샤프트 커플링(sacrificial rigid shaft coupling)을 통해 모터 샤프트에 직접 그리고 강성으로 결합되는 하나 이상의 임펠러를 가짐 - 를 갖는 고속, 가변 속도 전기 모터 조립체이다. 제2 가변 속도 구동기 조립체의 속도는 극저온 공기 분리 플랜트의 작동 조건의 변화 및 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도에 응답하여 조절되고, 그러한 조절 전의 가변 속도 구동기 조립체의 속도의 비는 조절 후의 가변 속도 구동기 조립체의 속도의 비와 상이하다.
제1 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동되는 저압 압축기 유닛 내의 압축 스테이지 또는 스테이지들은 단일 종단형 구성(single ended configuration)(즉, 1개의 저압 압축 스테이지) 또는 이중 종단형 구성(double ended configuration)(즉, 2개의 저압 압축 스테이지)으로 배열될 수 있다. 이중 종단형 구성으로 배열될 때, 제1 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동되는 저압 압축기 유닛 내의 압축 스테이지는 직렬 압축 단계로서 배열될 수 있거나, 대안적으로 바람직하게는 공통 공급부 및 공통 출구를 갖는 병렬 압축 단계로서 배열될 수 있다. 병렬 압축 장치로 배열될 때, 압축되는 유입 주위 압력 공기의 체적 유동은 대략 동일한 체적 유동일 수 있거나 상이한 체적 유동일 수 있다. 또한, 저압 압축 스테이지 또는 스테이지들 상의 입구 안내 베인의 사용은 공통 공기 압축 트레인을 통한 공기 유동의 제어를 돕기 위해 채용될 수 있다.
제2 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동되는 고압 압축기 유닛 내의 압축 스테이지 또는 스테이지들은 또한 단일 종단형 구성(즉, 1개의 고압 압축 스테이지) 또는 이중 종단형 구성(즉, 2개의 고압 압축 스테이지)으로 배열될 수 있다. 공통 공기 압축 트레인 내의 나머지 압축 스테이지는 일체형 기어식 압축기로서 구성될 수 있거나, 또 다른 가변 속도 구동 조립체에 의해 구동될 수 있다.
유사하게, 임의의 보일러(boiler) 공기 압축기 또는 터빈 공기 압축기를 포함하는, 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 스테이지는 일체형 기어식 압축기로서 구성될 수 있거나, 터보-팽창기의 샤프트 워크(shaft work)에 의해 구동될 수 있거나, 또 다른 가변 속도 구동 조립체에 의해 구동될 수 있다. 분할 기능적 공기 압축 트레인은 바람직하게는 압축 및 정화된 공기 스트림의 일부분을 처리하기 위한 보일러 공기 회로 및 압축 및 정화된 공기 스트림의 다른 부분을 처리하기 위한 터빈 공기 회로를 포함한다. 보일러 공기 회로는 바람직하게는 보일러 공기 압축의 하나 이상의 스테이지를 포함한다. 터빈 공기 회로는 상부 칼럼 터빈 회로, 하부 칼럼 터빈 회로, 고온 재순환 터빈 회로, 또는 터빈 공기 압축 또는 재순환 공기 압축의 하나 이상의 스테이지를 갖는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.
압축 트레인 제어 관점에서, 유입 공급 공기 스트림의 체적 유동은 바람직하게는 극저온 공기 분리 플랜트의 작동 조건의 변화에 응답하여 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도를 조절함으로써 제어되어, 공통 공기 압축 트레인으로부터의 배출 압력이 극저온 공기 분리 플랜트의 작동 조건의 변화에 응답하여 제1 가변 속도 구동기 조립체 및/또는 제2 가변 속도 구동기 조립체의 속도를 조절함으로써 변화하는 가변 배출 압력이다. 플랜트의 작동 조건은 턴다운 상태 또는 심지어 주위 공기 상태와 같은 상태를 포함할 수 있다.
압축 트레인 제어의 다른 양태는 부분적으로 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도에 기초하여 제2 가변 속도 구동기 조립체의 속도를 조절하는 것이다. 예를 들어, 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도는 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량에 응답하여 설정될 수 있고, 제2 가변 속도 구동기 조립체의 속도는 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도와 함께 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 정화된, 압축된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력에 응답하여 설정될 수 있다. 대안적으로, 제2 가변 속도 구동기 조립체의 속도는 공통 공기 압축 트레인 내의 배출 압력 및 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도에 응답하여 설정될 수 있다.
다른 제어 옵션은 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량 및 하나 이상의 공정 한계(process limit), 압축기 한계(compressor limit), 또는 구동기 조립체 한계(driver assembly limit)에 응답하여 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도를 제어하는 것이다. 제2 가변 속도 구동기 조립체의 속도는 또한 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도와 함께 유사한 공정 한계, 압축기 한계, 또는 구동기 조립체 한계에 응답하여 설정 또는 조절될 것이다.
본 명세서가 본 출원인이 본 발명으로 간주하는 발명 요지를 구체적으로 언급하는 청구범위로 결론을 맺지만, 본 발명의 발명 요지가 첨부 도면과 함께 해석될 때 보다 명확하게 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 바람직한 방법 중 하나를 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 바람직한 방법 중 다른 것을 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 바람직한 방법 중 또 다른 것을 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 대안적인 장치를 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 다른 대안적인 장치를 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 또 다른 대안적인 장치를 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 7은 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 제3 대안적인 장치를 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 8은 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 제3 대안적인 장치의 다른 변형을 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 9는 본 발명에 따른 극저온 공기 분리 플랜트에서의 유입 공급 공기 스트림의 압축을 위한 제3 대안적인 장치의 또 다른 변형을 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 개략적인 흐름도.
도 10은 본 발명에 따른 공기 압축 트레인의 제어를 위한 양태 및 특징부를 예시한 극저온 공기 분리 플랜트 내의 공기 압축 트레인의 개략적인 흐름도.
도 11은 본 발명에 따른 공기 압축 트레인의 제어를 위한 추가의 양태 및 특징부를 예시한 극저온 공기 분리 플랜트 내의 그러한 공기 압축 트레인의 개략적인 흐름도.
도 12는 본 발명에 따른 공기 압축 트레인의 제어를 위한 또 다른 추가의 양태 및 특징부를 예시한 극저온 공기 분리 플랜트 내의 그러한 공기 압축 트레인의 개략적인 흐름도.
도 13은 모터 샤프트와 임펠러 사이의 희생 강성 샤프트 커플링 장치의 개략적인 부분도.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 어구 공통 공기 압축(CAC) 트레인은 유입 공급 공기 스트림의 실질적으로 전부를 규정된 유동, 압력, 및 온도 조건으로 압축, 냉각, 및 사전-정화하도록 구성되는 복수의 압축 스테이지, 인터쿨러, 애프터쿨러 및 사전-정화 유닛을 의미한다. 공통 공기 압축 트레인은 전형적으로 MAC 압축 장치(또는 사전-MAC 장치) 내의 압축기 및 선택적으로 BAC 압축 장치의 하나 이상의 초기 압축 스테이지를 포함할 것이며, 여기서 공통 공기 압축 트레인 내의 압축기 각각은 유입 공급 공기 스트림의 실질적으로 전부를 압축시키도록 구성된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 어구 분할 기능적 공기 압축(SFAC) 트레인은 압축된, 사전-정화된 공기 스트림의 선택된 부분들을 규정된 조건으로부터, (i) 증류 칼럼 시스템으로부터의 액체 생성물을 비등시키기에, (ii) 증류 칼럼 시스템을 위한 저온 터빈 및/또는 고온 터빈 냉각을 생성하기에, 그리고 (iii) 증류 칼럼 시스템 내에서의 정류에 적합한 유동, 압력, 및 온도 조건을 갖는 2개 이상의 분할 스트림으로 압축, 냉각, 및/또는 팽창시키는 복수의 압축 스테이지, 인터쿨러, 애프터쿨러, 터보-팽창기를 의미한다. 분할 기능적 공기 압축 트레인은 전형적으로 BAC 압축 장치의 하나 이상의 후기(later) 압축 스테이지; 상부 칼럼 터빈(UCT) 공기 회로 및 하부 칼럼 터빈(LCT) 공기 회로와 같은 임의의 저온 터빈 냉각 회로와 관련된 압축기; 고온 재순환 터빈(WRT) 공기 회로와 같은 고온 재순환 냉각 회로와 관련된 압축기, 또는 공통 공기 압축 트레인으로부터의 압축된 공기 스트림의 실질적으로 전부 미만을 압축시키도록 구성되는 다른 하류 압축 스테이지를 포함할 것이다.
용어 또는 어구 '일체형 기어식 압축기'(IGC)는 단일 속도 구동기 조립체에 결합되는 하나 이상의 압축 스테이지, 및 불 기어 및 관련 피니언 샤프트를 통해 압축 스테이지 중 하나 이상을 구동시키되 모든 피니언 샤프트가 일정한 속도비로 작동하도록 구동시키기 위해 구성되는 기어박스를 의미한다. 전기 모터 구동식 IGC에 대해, 단일 속도는 모터 속도에 의해 한정되는 반면에, 스팀 터빈 구동식 IGC에서, 단일 속도는 바람직하게는 스팀 터빈 특성에 의존하는 매우 작은 속도 범위로 특징지어진다. 반면에, 용어 또는 어구 '직접 구동 압축기 조립체'(DDCA)는 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동되는 하나 이상의 압축 스테이지를 의미하며, 기어 박스 또는 변속기(transmission)를 포함하지 않는다.
본 발명의 다수의 실시예의 상세한 논의를 제공하기 전에, 하기의 단락에서 논의되는, 종래의 IGC 기반 압축 트레인과의 비교 및 가장 근사한 종래 기술의 직접 구동식 압축 조립체 중 일부와의 비교를 통해 본 발명의 발명 요지가 더욱 명확하게 이해될 수 있다.
극저온 공기 분리 플랜트를 위한 대부분의 주 공기 압축 시스템은 소정 유형 또는 형태의 공기 유동 제어를 필요로 한다. 종래에는, 이러한 공기 유동 제어는 일체형 기어식 압축기(IGC)의 압축 스테이지 중 하나 이상, 그리고 바람직하게는 MAC 압축 트레인의 원심 공기 압축기의 최저압 압축 스테이지 상의 입구 안내 베인(IGV)의 조절을 수반한다. 종래의 IGC를 사용한 공기 분리 플랜트를 위한 대안적인 공기 유동 제어 기술 또는 방법은 흡입/배출 교축(throttling), 공기의 재순환, 또는 공기 유동의 통기를 포함한다. IGV는 전형적으로 원심 공기 압축기의 공기 유동 제어의 효율적인 방법으로 고려되는데, 왜냐하면 IGC의 주어진 속도에서, 배출 압력이 허용가능한 수준으로 유지되는 상태에서 IGV가 공기 유동을 압축 스테이지로 감소시키기 때문이다. IGV 기반 제어를 가진 IGC 압축기의 전체 등온 효율은 흡입/배출 교축 또는 재순환/통기와 같은 압축기 공기 유동 제어를 위한 다른 종래의 방법과 비교할 때 더 높다. 그러나, 전형적인 원심 압축기에 대한 IGV 기반 제어만으로는 본 명세서에 기술된 본 시스템 및 방법과 같은 2개 이상의 가변 속도 모터에 의해 구동되는 압축 스테이지를 갖는 공기 압축 시스템에 비해 턴 다운 상태에서 효율적이지 않다.
IGV가 있거나 없는 대부분의 IGC 기반 압축 시스템에 사용되는 고정 또는 단일 속도 작동이 공기 유동(즉, 유동 ~ 속도)을 제어하기 위해 사용될 수 있지만, 배출 압력은 IGC 구동기 속도의 감소에 따라 더욱 급격히 감소하여(즉, 압력 ~ 속도2), 압력과 유동 사이의 2차 관계(quadratic relationship)(즉, 압력 ~ 유동2)를 제공한다. 일반적으로, 종래의 IGC 기반 시스템에서의 유동과 압력 사이의 이러한 유형의 2차 관계는 공기 분리 공정에 대한 이상적인 정합(ideal match)이 아니다. 그러나, 압력과 유동 사이의 이러한 2차 관계는 바람직하게는 상이한 모터 속도 및 모터 속도비로 작동하는 적어도 2개의 가변 속도 모터를 갖는 공기 압축 시스템을 사용하여 더욱 효율적이고 이로운 방식으로 정합된다. 따라서, (예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은) 극저온 공기 분리 플랜트에서의 2개의 가변 속도 모터를 사용한 공기 유동 제어가 종래의 IGC 기반 압축 시스템에 비해 여러 가지 이점을 갖는다.
이러한 이점은 공기 유동 제어를 위해 IGV를 사용하는 종래의 IGC 기반 압축 시스템에 비해 극저온 공기 분리 플랜트 내의 2개의 가변 속도 모터를 사용하는 공기 압축 시스템의 턴-다운 능력 및 턴-다운 효율을 포함한다. 표 1은 IGV를 사용하는 전형적인 일체형 기어식 원심 공기 압축 기계 대 IGV가 없는 2개의 가변 속도 모터를 갖는 직접 구동 압축 조립체(DDCA) 기반 공기 압축 시스템의 턴다운 능력 및 등온 압축 효율을 비교한다.
[표 1]
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표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 공기 유동 제어를 위해 최저압 압축 스테이지 상에 IGV를 가진 전형적인 IGC 기반 압축 시스템을 사용하는 극저온 공기 분리 플랜트는 전형적으로 약 25%를 훨씬 초과하여 턴 다운할 수 없다. 종래의 IGC 기반 압축 시스템에 대한 설계 공기 유동의 약 50% 내지 70%의 공기 유동을 필요로 하는 플랜트 턴 다운 작동 조건은 과잉 압축된 공기의 통기와 같은 개선책이 취해지지 않는 한 흔히 외부 시스템 제약 또는 장비 제약(예컨대, 서지 상태(surge condition), 서지 마진(surge margin), IGV 한계, 압축기 한계 등)에 직면할 것이다. 또한, IGV를 사용하는 전형적인 IGC 기반 압축 시스템의 턴-다운이 요구될 때 최대 약 5.5% 이상의 비교적 큰 등온 효율 페널티가 현실화된다.
이에 비해, 2개의 가변 속도 모터를 갖는 DDCA 기반 압축 시스템을 사용하는 극저온 공기 분리 플랜트는 훨씬 더 작은 등온 효율 페널티를 갖고서 외부 시스템 제약 또는 장비 제약에 직면하기 전에 설계 공기 유동의 최대 약 50%의 턴 다운 능력을 갖는다. 그러한 턴 다운은 2개의 가변 속도 모터의 속도를 조절함으로써 달성된다. 더욱 상세히 후술되는 바와 같이, 제2 가변 속도 모터의 속도는 바람직하게는 부분적으로 제1 가변 속도 모터의 속도에 기초하여 조절된다. 또한, 2개의 조작 변수(즉, 모터 1 속도 및 모터 2 속도)가 제어에 이용가능하기 때문에, IGV 제어만을 갖는 종래의 IGC 기반 원심 공기 압축기 장치에 비해 다양한 공기 유동에 대한 더 높은 평균 휠 효율을 유지시키도록 2개의 모터 속도를 조절하는 것이 가능하다. 전술된 턴다운 능력 및 턴다운 효율 이득에 더하여, 2개의 가변 속도 모터를 갖는 - 2개의 조작 변수를 갖는 - 이러한 DDCA 기반 압축 시스템은 또한 압축 트레인 내의 배출 압력 또는 일부 다른 시스템 압력의 제어를 허용한다.
DDCA 배출 압력 또는 일부 다른 시스템 압력의 조절은 플랜트 조작자가 (i) 달성가능한 생성물 슬레이트(product slate)에 관하여 공기 분리 플랜트의 가능한 작동 영역(operational envelope)을 확장시키도록; (ii) 하류 기능적 공기 압축 트레인 또는 하류 공통 공기 압축 트레인 내의 서지 상태 또는 압력 한계와 같은 압축기 제한 및 제약을 회피하도록; 그리고/또는 (iii) 하류 터빈 등의 작동 특성을 조절하도록 허용한다. 전술된 DDCA에 대한 제3 가변 속도 모터 및/또는 IGV와 같은 다른 조작 변수의 추가가 또한 공기 분리 플랜트 효율, 턴다운 능력, 턴다운 효율, 및/또는 공기 분리 플랜트 작동 영역의 확장을 증가시키는 역할을 할 수 있다.
특허 공개 WO 2011/017783호에서, 고압 다중스테이지 원심 압축기 장치가 개시된다. 이러한 아틀라스-콥코(Atlas-Copco) 압축 장치는 2개의 고속 전기 모터에 의해 구동되는 4개의 별개의 압축기 요소 또는 스테이지를 포함한다. 그러나, WO 2011/017783호의 개시된 장치 중 하나에서, 2개의 초기 압축 스테이지가 병렬로 배열되고, 2개의 별개의 고속 전기 모터에 의해 직접 구동되며, 여기서 2개의 초기 압축 스테이지는 주위 압력 공기를 수용하고 압축시켜, 2개의 후속 압축 스테이지와 직렬 배열로 조합되고 지향되는 제1 및 제2 압축된 공기 스트림을 생성하도록 구성된다. 2개의 후속 압축 스테이지 각각이 또한 병렬 초기 압축 스테이지를 구동시키는 동일한 고속 전기 모터에 의해 직접 구동된다. 구체적으로, 제1 고속 전기 모터는 압축 스테이지 1(즉, 주위 공기의 압축) 및 압축 스테이지 4를 구동시키는 반면에, 제2 고속 전기 모터는 압축 스테이지 2(주위 공기의 압축) 및 압축 스테이지 3을 구동시킨다. WO 2011/017783호에 개시된 대안적인 장치는 모든 4개의 상기 압축기 요소가 직렬 연결 상태로 배치되어 4개의 연속 스테이지를 형성할 수 있으며, 이때 제1 고속 전기 모터가 제1 저압 압축기 요소 및 제3 압력 스테이지의 제3 압축기 요소를 구동시키는 한편, 제2 고속 전기 모터가 제2 압축기 요소 및 최종 스테이지의 제4 압축기 요소를 구동시키는 것을 제안한다.
WO 2011/017783호에 개시된 두 장치 모두의 이점은 두 고속 전기 모터 모두에 걸쳐 균일한 부하 분포를 제공하는 것이다. 그러나, 이들 아틀라스-콥코 압축 장치의 단점은, 압축 시스템을 통한 공기 유량을 제어하기 위해 제1 고속 전기 모터의 속도를 조절함으로써, 이것이 또한 전체 압축 장치로부터의 최종 배출 압력에 직접 영향을 미친다는 점에서 현실화된다. 바꾸어 말하면, 이러한 압축 장치로부터의 공기 유량과 배출 압력은 본질적으로 그리고 분리할 수 없게 관련되고, 제1 고속 전기 모터의 속도를 조절할 때 함께 제어된다. 제1 고속 전기 모터의 속도를 변화시키는 것은 또한 압축 트레인의 하류 압축 스테이지 3 또는 압축 스테이지 4로부터의 배출 압력에 직접 영향을 미친다. 또한, 압축 스테이지 1 및 2가 병렬인 개시된 아틀라스-콥코 장치는 원하는 균형 부하를 달성하기 위해 제1 및 제2 고속 전기 모터의 동일한 제어를 필요로 한다.
다른 유사한 고압 다중-스테이지 원심 압축기 장치가 다른 아틀라스-콥코 소유 특허 문헌, 즉 미국 특허 제7,044,716호에 개시된다. 이러한 압축기 장치는 압축기 스테이지로서 직렬로 배열되는 3개의 압축기 요소, 및 이들 3개의 압축기 요소를 구동시키기 위한 적어도 2개의 고속 전기 모터를 포함한다. 구체적으로, 저압 스테이지는 제1 고속 전기 모터에 의해 구동되고, 한편 고압 스테이지(즉, 압축 스테이지 2 및 스테이지 3)는 제2 고속 전기 모터에 의해 구동된다. 이러한 특허에 교시된 바와 같이, 아틀라스-콥코 직접 구동 압축 장치는 종래의 IGC 장치의 단일 고압 스테이지를 하나의 동일한 고속 모터에 의해 구동되는 2개의 고압 스테이지로 대체한다. 고압 스테이지를 2개의 스테이지로 분할함으로써, 스테이지당 압력비가 감소되어, 고속 모터의 요구되는 회전 속도가 또한 감소된다. 이러한 설계는 고압 압축 스테이지의 특정 속도가 최적 특정 속도로부터 많이 벗어나지 않도록 압력비가 선택되는 것을 추가로 허용한다.
다른 밀접하게 관련된 종래 기술의 참고 문헌은 각각의 스테이지가 가변 속도 전기 모터에 결합되고 그것에 의해 구동되는 임펠러를 갖는 복수의 원심 압축 스테이지를 포함하는 다중-스테이지 압축 시스템을 개시하는 미국 특허 출원 공개 제2007-0189905호이다. 이러한 다중-스테이지 압축 시스템은 또한, 가변 속도 모터 각각에 연결되고 각각의 모터의 속도가 동시에 변동되도록 그리고 가변 속도 모터의 속도의 비가 일정하게 유지되도록 각각의 모터의 속도를 변동시키기 위해 작동가능한 제어 시스템을 포함한다.
전술된 종래 기술의 참고 문헌이 각각 직접 구동 압축 장치의 실시예를 개시하지만, 개시된 종래 기술의 장치 중 어느 것도 큰 공기 분리 플랜트의 압축 트레인에 사용하기에 특별히 적합하지 않다. 따라서, 전술된 직접 구동 압축 장치 중 어느 것도 본 명세서에 개시되고 청구된 공기 분리 압축 트레인의 요소 및 특징부 전부를 개시하지 않는다.
구체적으로, 전술된 종래 기술의 참고 문헌 중 어느 것도 가변 속도 모터에 의해 직접 구동되는 압축 스테이지들 사이에 배치되는 중간 압축 스테이지를 개시하지 않는다. 유사하게, 전술된 종래 기술의 참고 문헌 중 어느 것도 공통 공기 압축 트레인 내의 유입 공급 공기 스트림 또는 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 유입 공급 공기 스트림의 부분들을 추가로 압축시키기 위해 직접 구동식 압축 스테이지의 하류에 배치되는 후속 압축 스테이지를 개시하거나 교시하지 않는다. 또한, 전술된 종래 기술의 참고 문헌 중 어느 것도 제2 가변 속도 모터에 의해 직접 구동되는 압축 스테이지가 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 감소된 체적 유동의 공급 공기 스트림을 추가로 압축시키도록 구성되는 것을 개시하지 않는다.
또한, 전술된 종래 기술의 참고 문헌 중 어느 것도 본 발명의 실시예에 개시된 바와 같이, 제2 가변 속도 모터의 제어가 부분적으로 제1 전기 모터의 속도에 기초하는 또는 가변 속도 모터의 속도의 비가 일정하게 유지되지 않는 실시예를 개시하지 않는다.
압축 트레인 장치
도 1을 참조하면, 극저온 공기 분리 플랜트(10)의 개략적인 흐름도가 도시된다. 유입 공급 공기 스트림이, 전형적으로 스테이지당 복수의 필터 패널로 구성되는 2개 이상의 여과 스테이지를 각각 갖는 복수의 후드형 흡입구(hooded intake)를 가진 독립형 구조체인 공기 흡입 필터 하우스(도시되지 않음) 내에서 여과된다. 여과된 유입 공급 공기 스트림(12)은 이어서 공통 공기 압축 트레인(20)의 초기 압축 스테이지를 형성하여 제1 압축된 공기 스트림(14)을 생성하는, 압축 장치의 저압 압축기 유닛(17) 내에서 압축된다. 저압 압축기 유닛(17)은 제1 고속 및 가변 속도 전기 모터(15)로 도시된 제1 가변 속도 구동기 조립체에 의해 직접 구동된다. 제1 압축된 공기 스트림(14)은 인터쿨러(13) 내에서 냉각된 다음에, 공통 공기 압축 트레인(20)의 제2 압축 스테이지를 형성하는 그리고 또한 제1 가변 속도 전기 모터(15)에 의해 직접 구동되어 제2 압축된 공기 스트림(16)을 생성하는, 압축 장치의 제2 압축기 유닛(19)으로 지향된다. 공통 공기 압축 트레인(20)을 통한 공기 유동의 제어를 돕기 위한 입구 안내 베인(21)을 제1 저압 압축기 유닛(17) 및 제2 압축기 유닛(19) 중 어느 것도 갖지 않거나, 어느 하나가 또는 둘 모두가 가질 수 있다.
제2 압축된 공기 스트림(16)은 다시 인터쿨러(23) 내에서 냉각되고, 공통 공기 압축 트레인(20)의 제3 압축 스테이지를 형성하여 제3 압축된 공기 스트림(22)을 생성하는 그리고 제2 가변 속도 전기 모터(25)로 도시된 제2 가변 속도 구동 조립체에 의해 직접 구동되는, 압축 장치의 제3 압축기 유닛(27)으로 지향된다. 압축열을 제거하기 위한 다른 인터쿨러(23) 내에서의 추가의 냉각 후에, 제3 압축된 공기 스트림(22)은 공통 공기 압축 트레인(20)의 제4 압축 스테이지 및 제4 압축된 공기 스트림(24)을 형성하는 그리고 또한 제2 고속, 가변 속도 전기 모터(25)에 의해 직접 구동되는, 압축 장치의 제4 압축기 유닛(29) 내에서 추가로 압축된다. 역시, 공통 공기 압축 트레인(20)을 통한 공기 유동의 제어를 돕기 위한 입구 안내 베인(31)을 제3 및 제4 압축기 유닛(27, 29) 중 어느 것도 갖지 않거나, 어느 하나가 또는 둘 모두가 가질 수 있다.
주 공기 압축 스테이지 후에, 압축된 공급 공기 스트림(24)은 전형적으로 직접 접촉 애프터쿨러(43) 또는 대안적으로 간접 열 교환기를 사용하여 냉각되고 칠링(chilling)된다. 그러한 직접 접촉 애프터쿨러(43)는 바람직하게는 직접 접촉 애프터쿨러(43)와 관련된 자본 비용 및 에너지 손실을 최소화시키기 위해 고 용량 패킹(high capacity packing)을 갖도록 그리고 낮은 압력 강하를 갖도록 설계된다. 애프터쿨러(43)는 또한 사전-정화 유닛 내의 건조 시브(drying sieve)를 비활성화시킴으로써 공기 분리 플랜트에 불리하게 영향을 미칠 수 있는 임의의 미분무수(water mist) 또는 수적(water droplet)이 사전-정화 유닛(35)에 전달되지 않는 것을 보장하기 위해 디미스터(demister)(도시되지 않음)의 사용을 통해 압축된 공급 공기 스트림으로부터 수적을 추출하도록 설계된다.
사전-정화 유닛(35)은 공급 공기 스트림으로부터 수증기, 탄화수소, 및 이산화탄소와 같은 불순물을 제거하도록 구성되는 흡착 기반 시스템(adsorptive based system)이다. 사전-정화 유닛(35)이 공통 공기 압축 트레인(20)의 제4 압축기 유닛(29)의 하류에 배치되어 도시되지만, 사전-정화 유닛(35)을 공통 공기 압축 트레인(20)에서 더욱 상류에 배치할 수 있는 것이 고려된다. 사전-정화 유닛(35)은 일반적으로 압축된 공급 공기 스트림(24)으로부터 불순물을 제거하도록 설계되는 상이한 분자 시브(molecular sieve)의 층을 포함하는 적어도 2개의 용기로 구성된다. 하나의 용기가 그러한 오염물질과 불순물을 제거하는 데 사용 중인 동안에, 다른 하나의 용기 및 그 내부에 배치된 흡착제 베드가 재생되고 있다.
재생 공정은 흔히 감압(blowdown), 퍼지(purge), 및 재가압(repressurization)으로 지칭되는 단계를 수반하는 순환, 다중-단계 공정이다. 용기의 감압은 용기 압력을 활성 흡착 공정 중에 유지되는 높은 공급 압력으로부터 주위 압력 수준에 근사한 압력으로 해제시키거나 변화시키는 것을 수반한다. 이어서, 흡착제 베드가 증류 칼럼 시스템에 의해 생성되는 폐기물 기체를 사용하여 보다 낮은 압력에서 퍼징되거나(purged) 재생된다. 재생 후에, 퍼징된/재생된 베드는 압축된 공급 공기 스트림(32)의 일부분을 그것이 재가압될 때까지 주 공기 압축 트레인으로부터 용기로 방향전환시킴으로써 거의 주위 압력으로부터 보다 높은 공급 압력으로 재가압된다.
사전-정화 유닛 재가압을 위해 압축된 공급 공기 스트림(32)의 일부분을 주기적으로 방향전환시키는 것에 더하여, 사전-정화 유닛의 하류에 있는 공통 공기 압축 트레인(20)으로부터의 깨끗한 건조 공기의 방향전환이 플랜트의 다른 부분에 대해 요구되는 때가 있을 수 있거나, 공기 분리 플랜트(10)의 안전한 작동을 위해 또는 공기 흡입 필터 하우스를 제빙(de-ice)하기 위해 사전-정화 유닛의 상류에 있는 압축된 공기 스트림(24)의 일부분(36)의 통기가 요구되는 때가 있을 수 있다. 이를 위해, 재가압 회로(33) 및 밸브(34)와 다른 방향전환 회로 또는 통기 회로(37) 및 관련 밸브(38)가 도면에 도시된다.
사전-정화 유닛(35)의 하류에 배치되는 하나 이상의 추가의 압축 스테이지에서의 압축 및 정화된 공급 공기 스트림(28)의 대부분 또는 실질적으로 전부의 추가의 압축이 또한 채용될 수 있다. 그러한 하류 압축기 유닛(39) 또는 압축 스테이지는 일체형 기어식 압축기(50)의 일부이도록 구성될 수 있거나, 또 다른 직접 구동 기계일 수 있다. 이들 압축 스테이지(39)가 사전-정화 유닛(35)의 하류에 배치되기 때문에, 그들은 일반적으로 주 공기 압축 트레인과 별개이지만 본 명세서에 기술된 바와 같이 여전히 공통 공기 압축 트레인(20)의 일부일 수 있는 부스트형 공기 압축 트레인의 일부로 고려된다. 압축 스테이지들 사이에 또는 그 뒤에 배치되는 인터쿨러 및/또는 애프터쿨러(41)의 사용은 추가로 압축 및 정화된 공급 공기 스트림을 공통 공기 압축 트레인(20)을 통해 적절한 온도로 유지시키는 역할을 한다.
공통 공기 압축 트레인(20)으로부터 유출되는 압축, 정화 및 냉각된 공급 공기 스트림(30)은 이어서 하나 이상의 압축 스테이지(65, 67)를 갖는 분할 기능적 공기 압축 트레인(60)으로 지향된다. 그러나, 전체 압축, 정화 및 냉각된 공급 공기 스트림(30)을 압축시키기보다는, 분할 기능적 공기 압축 트레인(60)은 스트림을 2개 이상의 부분(62, 64)으로 분할한다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 하나의 부분은 선택적으로 압축기 유닛(65) 내에서 압축되는 보일러 공기 스트림(62)으로 지칭되며, 생성되는 추가로 압축된 스트림(66)은 냉각기(41) 내에서 냉각되고, 1차 열 교환기(70)에 공급되며, 기체 생성물 요건을 충족시키기 위해 액체 산소와 같은, 공기 분리 플랜트(10)에 의해 생성되는 액체 생성물을 비등시키기 위해 사용된다. 냉각된, 압축된 비등 공기 스트림(66)은 액체 산소 스트림과의 간접 열 교환을 통해 1차 열 교환기(70) 내에서 추가로 냉각되어 극저온 공기 분리 플랜트(10)의 증류 칼럼 시스템(80) 내에서의 정류에 적합한 온도로 액체 공기 스트림(72)을 형성한다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 액체 공기 스트림(72)은 흔히 2개 이상의 액체 공기 스트림(74, 75)으로 분할되며, 이때 액체 공기 스트림의 제1 부분(74)이 고압 칼럼(82)으로 지향되고, 액체 공기의 다른 부분(75)이 저압 칼럼(84)으로 지향된다. 두 액체 공기 스트림(74, 75) 모두는 전형적으로 각각의 칼럼 내로의 도입 전에 팽창 밸브(76, 77)를 사용하여 팽창된다.
압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 다른 부분은 선택적으로 압축기 유닛(67) 내에서 압축되는 터빈 공기 스트림(64)으로 흔히 지칭되며, 이때 생성되는 추가로 압축된 스트림(68)은 1차 열 교환기(70) 내에서 부분적으로 냉각된다. 압축 및 부분적으로 냉각된 터빈 공기 스트림(69)은 이어서 터빈 공기 회로(90)로 지향되며, 여기서 그것은 터보-팽창기(71) 내에서 터보-팽창되어 극저온 공기 분리 플랜트(10)에 냉각을 제공하며, 이때 생성되는 배기 스트림(89)은 극저온 공기 분리 플랜트(10)의 증류 칼럼 시스템(80)으로 지향된다. 도 1에 예시된 터빈 공기 회로(90)는 팽창된 배기 스트림(89)이 증류 칼럼 시스템(80)의 고압 칼럼(82)에 공급되는 하부 칼럼 터빈(LCT) 공기 회로로 도시된다. 대안적으로, 터빈 공기 회로는 터빈 배기 스트림이 저압 칼럼으로 지향되는 상부 칼럼 터빈(UCT) 공기 회로일 수 있다. 또한, 터빈 공기 회로는 터빈 배기 스트림이 1차 열 교환기에 결합된 냉각 루프 내에서 재순환되는 고온 재순환 터빈(WRT), 또는 부분 하부 칼럼 터빈(partial lower column turbine, PLCT) 공기 회로 또는 고온 하부 칼럼 터빈(warm lower column turbine, WLCT) 공기 회로와 같은 그러한 알려진 터빈 공기 회로의 다른 변형일 수 있다.
사전-정화 유닛(35)의 하류에 배치되는 압축 스테이지 각각은 일체형 기어식 압축기(IGC)(50)의 일부이도록 구성될 수 있거나, 터보-팽창기의 샤프트 워크에 결합되고 그것에 의해 구동될 수 있다. 그러한 경우에, 압축 스테이지는 바람직하게는 그것을 통한 유동이 서지 상태, 마진 한계, 스톤월 상태(stonewall condition) 또는 과잉 진동 상태 등과 같은 압축 스테이지의 원하지 않는 상태를 방지하거나 완화시키도록 제어되는 바이패스 회로(bypass circuit)(55) 및 바이패스 밸브(57)를 포함한다.
위에 지시된 바와 같이, 분할 기능적 공기 압축 트레인(60) 내의 압축 및 정화된 공급 공기 스트림(66, 68)의 부분들 중 하나 이상이 1차 열 교환기(70)로 통과된 다음에 극저온 공기 분리 플랜트(10)의 증류 칼럼 시스템(80)에 도입되거나 공급되며, 여기서 공기 스트림은 분리되어 액체 생성물(92, 93); 기체 생성물(94, 95, 96, 97); 및 폐기물 스트림(98)을 생성한다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 증류 칼럼 시스템(80)은 바람직하게는 질소가 산소로부터 분리되어 산소 및 질소-풍부 생성물 스트림을 생성하는 열 통합형(thermally integrated) 2-칼럼 또는 3 칼럼 장치이다. 저압 칼럼(84)으로부터 아르곤-풍부 스트림을 수용하고 아르곤을 산소로부터 분리하여 아르곤 함유 생성물(96)을 생성하는 제3 칼럼 또는 아르곤 칼럼(88)이 또한 제공될 수 있다. 공급 공기 스트림으로부터 분리되는 산소가 저압 칼럼 내에서 산소-풍부 액체 칼럼 저부(oxygen-rich liquid column bottom)(91)로서 생성될 수 있는 액체 생성물(92)로서 획득될 수 있다. 액체 생성물(93)이 또한 칼럼 중 하나 이상을 환류(refluxing)시키는 데 사용되는 질소-풍부 액체(99)의 일부로부터 획득될 수 있다. 당업계에 알려진 바와 같이, 산소 액체 생성물은 펌프(85)를 통해 펌핑된 다음에 부분적으로 가압된 액체 산소 생성물(92)로서 획득되고, 또한 부분적으로 1차 열 교환기(70) 내에서 보일러 공기 스트림(66)에 대해 가열되어, 산소가 펌핑에 의해 가압되는 정도에 따라 기체 산소 생성물(94) 또는 초임계 유체(supercritical fluid)를 생성할 수 있다. 액체 질소는 유사하게 펌핑되고 가압된 액체 생성물, 고압 증기 또는 초임계 유체로서 획득될 수 있다.
많은 점에서, 도 2에 예시된 실시예는, 하나의 중요한 차이점, 즉 저압 압축 스테이지 또는 압축기 유닛(17)이 전용 제1 가변 속도 전기 모터(15)에 의해 구동되는 점을 갖고서, 도 1의 실시예와 유사하다. 위의 실시예와 마찬가지로, 저압 압축기 유닛(17)은 또한 공통 공기 압축 트레인(20)을 통한 유입 공급 공기 스트림 유동의 제어를 돕기 위해 입구 안내 베인(21)을 포함할 수 있다. 초기 또는 저압 압축 스테이지와 직렬로 배열되는 공통 공기 압축 트레인(20) 내의 후속하는 2개의 압축 스테이지는 제2 가변 속도 전기 모터(25)에 의해 구동된다. 공통 공기 압축 트레인(20)의 추가의 압축 스테이지 또는 압축 유닛(39) 및 분할 기능적 압축 트레인(60) 내의 압축 스테이지 또는 압축 유닛(65, 67)은 바람직하게는 하나 이상의 일체형 기어식 압축기(IGC)(50)의 일부이거나, 터보-팽창기의 샤프트 워크에 의해 구동될 수 있다. 이러한 실시예에서, 공통 공기 압축 트레인(20)의 하류 압축기 유닛(39) 및 추가의 인터쿨러(43)는 사전-정화 유닛(35)의 상류에 위치된다.
마찬가지로, 도 3에 예시된 실시예는 또한, 하나의 중요한 차이점, 즉 둘 모두 제1 가변 속도 전기 모터(15)에 의해 구동되는, 병렬로 배열되는 2개의 저압 압축 스테이지 또는 압축기 유닛(17A, 17B)이 있는 점을 갖고서, 도 1의 실시예와 유사하다. 공통 공기 압축 트레인(20) 내의 후속하는 2개의 압축 스테이지 또는 압축기 유닛(27, 29)은 제2 가변 속도 전기 모터(25)에 의해 구동되고, 2개의 저압 압축 스테이지와 직렬로 배열된다. 공통 공기 압축 트레인(20)의 추가의 압축 스테이지 또는 압축기 유닛(39A, 39B) 및 분할 기능적 압축 트레인(도시되지 않음) 내의 임의의 선택적인 압축 스테이지는 바람직하게는 하나 이상의 일체형 기어식 압축기(IGC)(50)의 일부이거나, 터보-팽창기의 샤프트 워크에 의해 구동될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 저압 압축 스테이지(17A, 17B)는 바람직하게는 2개의 원심 압축기 스테이지(17A, 17B)가 그것을 통해 주위 압력 여과된 공기(12)를 공급받는 공통 공기 공급부(11), 및 압축된 공기가 그것으로부터 제1 압축된 공기 스트림(14)으로서 배출되는 공통 출구(18)를 갖는다. 제1 원심 압축기 스테이지(17A)는 바람직하게는 가변 속도 전기 모터(15)의 모터 샤프트의 일 단부 상에 장착되는 한편, 제2 원심 압축기 스테이지(17B)는 모터 샤프트의 다른 단부 상에 장착된다. 입구 안내 베인(21)을 제1 및 제2 원심 압축기 중 어느 것도 갖지 않거나, 어느 하나가 또는 둘 모두가 갖는다. 대안적으로, 이러한 장치는 2개의 저압 압축 스테이지 각각이 상이한 체적 유동의 주위 압력 공기를 각각 수용하고 압축시키도록 구성될 수 있다. 그러한 대안적인 장치는 공기 분리 플랜트(10)의 턴다운 중에 소정의 작동 및 비용 이점을 제공할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 2개 이상의 가변 속도 구동기 조립체(115, 125)를 갖는 공통 공기 압축 트레인(120)의 다른 변형을 채용한 극저온 공기 분리 플랜트(110)의 개략적인 흐름도가 도시된다. 전술된 실시예와 마찬가지로, 유입 공급 공기 스트림(112)은 여과된 다음에, 공통 공기 압축 트레인(120)의 초기 압축 스테이지를 형성하여 제1 압축된 공기 스트림(114)을 생성하는, 압축 장치의 저압 압축기 유닛 또는 스테이지(117) 내에서 압축된다. 저압 압축기 유닛 또는 스테이지(117)는 제1 고속 및 가변 속도 전기 모터(115)로 도시된 제1 가변 속도 구동기 조립체에 의해 직접 구동된다. 제1 압축된 공기 스트림(117)은 인터쿨러(113) 내에서 냉각되고, 또한 제1 가변 속도 전기 모터(115)에 의해 직접 구동되어 제2 압축된 공기 스트림(116)을 생성하는, 공통 공기 압축 트레인(120)의 제2 압축 스테이지를 형성하는, 압축 장치의 제2 압축기 유닛 또는 스테이지(119)로 지향된다. 공통 공기 압축 트레인(120)의 제어를 돕기 위한 입구 안내 베인(121)을 제1 압축기 유닛/스테이지(117) 및 제2 압축기 유닛/스테이지(119) 중 어느 것도 갖지 않거나, 어느 하나가 또는 둘 모두가 가질 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시된 실시예에서, 제2 압축된 공기 스트림(116)은 다시 인터쿨러(123) 내에서 냉각되고, 추가의 압축기 유닛/스테이지(124) 형태의 하나 이상의 중간 압축 스테이지로 지향된다. 저압 압축기 유닛(117, 119)과 달리, 이들 추가의 압축기 유닛/스테이지(124)는 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동될 필요가 없고, 오히려, 더욱 바람직하게는 일체형 기어식 압축기(IGC)(150)의 일부이다. 그러나, 공통 공기 압축 트레인(120)의 후기 압축 스테이지는 제2 고속, 가변 속도 전기 모터(125)에 의해 구동되는 하나 이상의 고압 압축 스테이지(127, 129)를 포함한다.
전술된 실시예와 유사하게, 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예는 또한 도 1 내지 도 3에 관하여 기술된 방식으로 기능하는, 공통 공기 압축 트레인(120) 내의 사전-정화 유닛(135), 복수의 인터쿨러(123), 애프터쿨러(143) 및 임의의 필요한 바이패스 회로(155), 바이패스 밸브(157), 방향전환 또는 통기 스트림(136) 및 회로(137), 및 재가압 스트림(132) 및 회로(133) 및 관련 밸브(134, 138)를 포함한다. 이러한 실시예는 1차 열 교환기(170), 및 정화된 공기 스트림이 분리되어 액체 생성물(192, 193); 기체 생성물(194, 195, 196, 197); 및 폐기물 스트림(198)을 생성하는 2 칼럼 또는 3 칼럼 증류 칼럼 시스템(180)(아르곤 함유 생성물(196)을 생성하도록 구성되는 선택적인 아르곤 칼럼(188)을 포함함)을 추가로 포함한다. 유입 공기 공급물로부터 분리되는 산소가 저압 칼럼 내에서 산소-풍부 액체 칼럼 저부(191)로서 생성될 수 있는 액체 생성물(192)로서 획득될 수 있다. 액체 생성물(193)이 또한 칼럼 중 하나 이상을 환류시키는 데 사용되는 질소-풍부 액체(199)의 일부로부터 획득될 수 있다. 산소 액체 생성물은 펌프(185)를 통해 펌핑된 다음에 부분적으로 가압된 액체 생성물(192)로서 획득되고, 또한 1차 열 교환기(170) 내에서 보일러 공기 스트림(166)에 대해 가열되어 기체 산소 생성물(194)을 생성할 수 있다.
도 4 내지 도 6에서 공통 공기 압축 트레인(120)으로부터 유출되는 압축, 정화 및 냉각된 공급 공기 스트림(130)은 이어서 하나 이상의 압축 스테이지 또는 압축기 유닛(165, 167)을 갖는 분할 기능적 공기 압축 트레인(160)으로 지향된다. 그러나, 전체 압축, 정화 및 냉각된 공급 공기 스트림(130)을 압축시키기보다는, 분할 기능적 공기 압축 트레인(160)은 스트림(130)을 2개 이상의 부분(162, 164)으로 분할한다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 하나의 부분은, 압축기 유닛(165) 내에서 압축되고 냉각기(141) 내에서 냉각되며 1차 열 교환기(170)에 공급되어 여기서 그것이 플랜트(110)의 기체 산소 생성물 요건을 충족시키기 위해 액체 산소 생성물을 비등시키는 데 사용되는 보일러 공기 스트림(166)으로 지칭된다. 공급 공기 스트림의 비등 공기 스트림(166) 부분은 펌핑된 액체 산소 스트림(191)과의 간접 열 교환을 통해 1차 열 교환기(170) 내에서 충분히 냉각되어 극저온 공기 분리 플랜트(110)의 증류 칼럼 시스템(180) 내에서의 정류에 적합한 온도로 액체 공기 스트림(172)을 형성한다. 액체 공기 스트림(172)은 흔히 2개 이상의 액체 공기 스트림으로 분할되며, 이때 액체 공기 스트림의 일부분(174)이 고압 칼럼(182)으로 지향되고, 액체 공기 스트림의 다른 부분(175)이 저압 칼럼(184)으로 지향된다. 두 액체 공기 스트림(174, 175) 모두는 전형적으로 각각의 칼럼 내로의 도입 전에 팽창 밸브(176, 177)를 사용하여 팽창된다.
압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 다른 부분은 선택적으로 압축기 유닛(167) 내에서 압축되는 그리고 1차 열 교환기(170) 내에서 부분적으로 냉각되는 터빈 공기 스트림(168)으로 흔히 지칭된다. 부분적으로 냉각 및 압축된 터빈 공기 스트림(169)은 터빈 공기 회로(190)로 지향되며, 여기서 그것은 터보-팽창기(171) 내에서 팽창되어 극저온 공기 분리 플랜트(110)에 냉각을 제공하며, 이때 생성되는 배기 스트림(189)은 극저온 공기 분리 플랜트(110)의 증류 칼럼 시스템(180)으로 지향된다. 도 4에 예시된 터빈 공기 회로(190)는 팽창된 배기 스트림(189)이 증류 칼럼 시스템(180)의 고압 칼럼(182)에 공급되는 하부 칼럼 터빈(LCT) 공기 회로로 도시된다. 그러나, 전술된 바와 같이, 터빈 공기 회로는 터빈 배기 스트림이 저압 칼럼으로 지향되는 상부 칼럼 터빈(UCT) 공기 회로, 터빈 배기 스트림이 1차 열 교환기에 결합된 냉각 루프 내에서 재순환되는 고온 재순환 터빈(WRT), 또는 부분 하부 칼럼 터빈(PLCT) 공기 회로 또는 고온 하부 칼럼 터빈(WLCT) 공기 회로와 같은 그러한 알려진 터빈 공기 회로의 변형일 수 있다.
많은 점에서, 도 5에 예시된 실시예는 도 4의 실시예와 유사하지만, 여기서 저압 압축 스테이지 또는 압축기 유닛(117)은 전용 제1 가변 속도 전기 모터(115)에 의해 구동된다. 위의 실시예와 마찬가지로, 저압 압축기 유닛(117)은 또한 공통 공기 압축 트레인(120)을 통한 유입 공급 공기 스트림 유동의 제어를 돕기 위해 입구 안내 베인(121)을 포함할 수 있다. 초기 또는 저압 압축 스테이지(117) 또는 스테이지들과 직렬로 배열되는 공통 공기 압축 트레인(120) 내의 후속하는 2개의 중압(intermediate pressure) 압축 스테이지(125A, 125B)는 바람직하게는 하나 이상의 일체형 기어식 압축기(IGC)(150)의 일부인 반면에, 공통 공기 압축 트레인(120)의 후기 고압 압축 스테이지(127, 129) 중 1개 또는 2개는 단일 종단형 구성(즉, 1개의 고압 압축 스테이지) 또는 이중 종단형 구성(즉, 2개의 고압 압축 스테이지)으로 제2 가변 속도 전기 모터(125)에 의해 구동된다. 분할 기능적 압축 트레인(160) 내의 임의의 하류 압축 스테이지(165, 167)가 또한 바람직하게는 하나 이상의 일체형 기어식 압축기(IGC)(150)의 일부이거나, 전술된 터보-팽창기의 샤프트 워크에 의해 구동될 수 있다.
마찬가지로, 도 6에 예시된 실시예는 또한 도 4의 실시예와 유사하며, 이때 둘 모두 제1 가변 속도 전기 모터(115)에 의해 구동되는 2개의 저압 압축 스테이지(117A, 117B)가 병렬로 배열된다. 공통 공기 압축 트레인(120) 내의 후속하는 2개의 중압 압축 스테이지(125A, 125B)는 바람직하게는 하나 이상의 일체형 기어식 압축기(IGC)(150)의 일부인 반면에, 공통 공기 압축 트레인(120)의 1개 또는 2개의 후기 고압 압축 스테이지(127, 129)는 사전-정화 유닛(135)의 하류에 위치되고, 단일 종단형 구성(즉, 1개의 고압 압축 스테이지) 또는 이중 종단형 구성(즉, 2개의 고압 압축 스테이지)으로 제2 가변 속도 전기 모터(125)에 의해 구동된다. 이러한 실시예에서, 2개의 저압 압축 스테이지는 2개의 원심 압축기 또는 압축 유닛/스테이지(117A, 117B)를 포함하고, 바람직하게는 2개의 원심 압축기가 그것을 통해 주위 압력 공기(112)를 공급받는 공통 공기 공급부(111), 및 압축된 공기(114)가 그것으로부터 배출되는 공통 출구(118)를 갖는다. 제1 원심 압축기 유닛/스테이지(117A)는 바람직하게는 제1 가변 속도 전기 모터(115)의 모터 샤프트의 일 단부 상에 장착되는 한편, 제2 원심 압축기 유닛/스테이지(117B)는 모터 샤프트의 다른 단부 상에 장착된다. 입구 안내 베인(121)을 제1 및 제2 원심 압축기 중 어느 것도 갖지 않거나, 어느 하나가 또는 둘 모두가 가질 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 2개 이상의 가변 속도 구동기 조립체(215, 225)를 갖는 공기 분리 압축 트레인의 제3 변형을 채용한 극저온 공기 분리 플랜트(210)의 개략적인 흐름도가 도시된다. 전술된 실시예와 마찬가지로, 유입 공급 공기 스트림(212)은 공통 공기 압축 트레인(220)의 초기 압축 스테이지를 형성하여 제1 압축된 공기 스트림(214)을 생성하는, 압축 장치의 저압 압축기 유닛(217) 내에서 압축된다. 저압 압축기 유닛(217)은 제1 고속 및 가변 속도 전기 모터(215)로 도시된 제1 가변 속도 구동기 조립체에 의해 직접 구동된다. 압축된 공기 스트림(214)은 인터쿨러(213) 내에서 냉각되고, 또한 제1 가변 속도 전기 모터(215)에 의해 직접 구동되어 제2 압축된 공기 스트림(216)을 생성하는, 공통 공기 압축 트레인(220)의 제2 압축 스테이지를 형성하는, 압축 장치의 제2 압축기 유닛(219)으로 지향된다. 공통 공기 압축 트레인(220)의 제어를 돕기 위한 입구 안내 베인(221)을 제1 압축기 유닛(217) 및 제2 압축기 유닛(219) 중 어느 것도 갖지 않거나, 어느 하나가 또는 둘 모두가 가질 수 있다.
하나 이상의 중압 압축 스테이지(224A, 224B) 및 하나 이상의 고압 압축 스테이지를 포함하는 공통 공기 압축 트레인(220)의 나머지 압축 스테이지는 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동될 필요가 없고, 오히려 더욱 바람직하게는 일체형 기어식 압축기(IGC)(250)의 일부이다. 전술된 실시예와 유사하게, 도 7 내지 도 9에 도시된 실시예는 또한 도 1 내지 도 3에 관하여 전술된 방식으로 기능하는, 공통 공기 압축 트레인(220) 내의 사전-정화 유닛(235), 복수의 인터쿨러(223), 애프터쿨러(243) 및 임의의 필요한 바이패스 회로(255), 바이패스 밸브(257), 방향전환 또는 통기 스트림(236) 및 회로(237), 및 재가압 스트림(232) 및 회로(233) 및 관련 밸브(234, 238)를 포함한다. 이러한 실시예는 1차 열 교환기(270), 및 정화된 공기 스트림이 분리되어 액체 생성물(292, 293); 기체 생성물(294, 295, 296); 및 폐기물 스트림(297, 298)을 생성하는 2 칼럼 또는 3 칼럼 증류 칼럼 시스템(280)(아르곤 함유 생성물(296)을 생성하도록 구성되는 선택적인 아르곤 칼럼(288)을 포함함)을 추가로 포함한다. 유입 공기 공급물로부터 분리되는 산소가 저압 칼럼(284) 내에서 산소-풍부 액체 칼럼 저부(291)로서 생성될 수 있는 액체 생성물(292)로서 획득될 수 있다. 액체 생성물(293)이 또한 칼럼 중 하나 이상을 환류시키는 데 사용되는 질소-풍부 액체(299)의 일부로부터 획득될 수 있다. 산소 액체 생성물은 펌프(285)를 통해 펌핑된 다음에 부분적으로 가압된 액체 생성물(292)로서 획득되고, 또한 1차 열 교환기(270) 내에서 보일러 공기 스트림(266)에 대해 가열되어 기체 산소 생성물(294)을 생성할 수 있다.
도 7 내지 도 9에서 공통 공기 압축 트레인(220)으로부터 유출되는 압축, 정화 및 냉각된 공급 공기 스트림은 이어서 분할 기능적 공기 압축 트레인(260)으로 지향된다. 구체적으로, 분할 기능적 공기 압축 트레인(260)은 압축 및 정화된 공기 스트림을 2개 이상의 부분으로 분할한다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 하나의 부분은 제2 가변 속도 구동기 조립체 또는 보다 상세하게는 제2 고속, 가변 속도 전기 모터(225)에 의해 구동되는 하나 이상의 고압 압축 스테이지를 포함하는 1개 또는 2개의 보일러 공기 압축기 유닛(265A, 265B) 내에서 추가로 압축되는 보일러 공기 스트림(266)으로 지칭된다. 제2 가변 속도 구동 조립체(225)는 단일 종단형 배열(즉, 1개의 고압 보일러 공기 압축 스테이지(265A)) 또는 이중 종단형 배열(즉, 2개의 고압 보일러 공기 압축 스테이지(265A, 265B))로서 구성될 수 있다.
추가로 압축된 보일러 공기 스트림 부분(266)은 1차 열 교환기(270)에 공급되고, 공기 분리 플랜트(210)의 기체 산소 생성물 요건을 충족시키기 위해 액체 산소를 비등시키는 데 사용된다. 공급 공기 스트림의 비등 공기 스트림 부분(266)은 액체 산소 스트림과의 간접 열 교환을 통해 1차 열 교환기(270) 내에서 충분히 냉각되어 극저온 공기 분리 플랜트(210)의 증류 칼럼 시스템(280) 내에서의 정류에 적합한 온도로 액체 공기 스트림(272)을 형성한다. 액체 공기 스트림(272)은 흔히 2개 이상의 액체 공기 스트림으로 분할되며, 이때 액체 공기 스트림의 일부분(274)이 고압 칼럼(282)으로 지향되고, 액체 공기 스트림의 다른 부분(275)이 저압 칼럼(284)으로 지향된다. 두 액체 공기 스트림(274, 275) 모두는 전형적으로 각각의 칼럼 내로의 도입 전에 팽창 밸브(176, 277)를 사용하여 팽창된다.
압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 다른 부분은 선택적으로 압축기 유닛(267) 내에서 압축되는 그리고 1차 열 교환기(270) 내에서 부분적으로 냉각되는 터빈 공기 스트림(268)으로 흔히 지칭된다. 추가로 압축되면, 터빈 공기 압축 스테이지(267)는 바람직하게는 일체형 기어식 압축기(IGC)(250)의 일부이거나, 터보-팽창기의 샤프트 워크에 결합되고 그것에 의해 구동될 수 있다.
부분적으로 냉각된 터빈 공기 스트림(269)은 터빈 공기 회로(290)로 지향되며, 여기서 그것은 터보-팽창기(271)를 사용하여 팽창되어 극저온 공기 분리 플랜트(210)에 냉각을 제공하며, 이때 생성되는 배기 스트림(295)은 극저온 공기 분리 플랜트(210)의 증류 칼럼 시스템(280)으로 지향된다. 도 7 내지 도 9에 예시된 터빈 공기 회로(290)는 팽창된 배기 스트림(295)이 증류 칼럼 시스템(280)의 고압 칼럼(282)에 공급되는 하부 칼럼 터빈(LCT) 공기 회로로 도시된다. 대안적으로, 터빈 공기 회로는 터빈 배기 스트림이 저압 칼럼으로 지향되는 상부 칼럼 터빈(UCT) 공기 회로, 터빈 배기 스트림이 1차 열 교환기에 결합된 냉각 루프 내에서 재순환되는 고온 재순환 터빈(WRT), 또는 부분 하부 칼럼 터빈(PLCT) 공기 회로 또는 고온 하부 칼럼 터빈(WLCT) 공기 회로와 같은 그러한 알려진 터빈 공기 회로의 변형일 수 있다.
도 8에 예시된 실시예는 도 7의 실시예와 유사하지만, 여기서 저압 압축 스테이지 또는 압축기 유닛(217)은 전용 제1 가변 속도 전기 모터(215)에 의해 구동된다. 전술된 바와 같이, 저압 압축기 유닛(217)은 또한 공통 공기 압축 트레인(220)을 통한 유입 공급 공기 스트림 유동의 제어를 돕기 위해 입구 안내 베인을 포함할 수 있다. 공통 공기 압축 트레인(220) 내의 후속하는 중압 압축 스테이지(224A, 224B) 및 고압 압축 스테이지(239)는 초기 또는 저압 압축 스테이지(217)와 직렬로 배열되고, 바람직하게는 하나 이상의 일체형 기어식 압축기(IGC)(250)의 일부이다. 대안적으로, 중압 압축 스테이지 및 고압 압축 스테이지 중 하나 이상이 터보-팽창기의 샤프트 워크에 결합되고 그것에 의해 구동될 수 있다.
도 8의 실시예에서, 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 보일러 공기 스트림(262)은 제2 고속, 가변 속도 전기 모터(225)에 의해 구동되는 보일러 공기 압축기 유닛(265) 내에서 추가로 압축된다. 또한, 하나 이상의 터빈 공기 압축기(267)가 제2 가변 속도 구동 조립체(225)에 결합되고 그것에 의해 구동될 수 있다. 제2 가변 속도 구동 조립체(225)는 단일 종단형 구성(즉, 보일러 공기 압축 스테이지(265)만에 대해) 또는 이중 종단형 구성(즉, 보일러 공기 압축 스테이지(265) 및 터빈 공기 압축 스테이지(267)에 대해)으로서 구성된다.
마찬가지로, 도 9에 예시된 실시예는 또한 도 7의 실시예와 유사하며, 이때 둘 모두 제1 가변 속도 전기 모터(215)에 의해 구동되는 2개의 저압 압축 스테이지(217A, 217B)가 병렬로 배열된다. 공통 공기 압축 트레인(220) 내의 후속하는 중압 압축 스테이지(224A, 224B) 및 고압 압축 스테이지(만약 있다면)는 초기 또는 저압 압축 스테이지(217A, 217B)와 직렬로 배열되고, 바람직하게는 하나 이상의 일체형 기어식 압축기(IGC)(250)의 일부이다. 대안적으로, 중압 압축 스테이지 및 고압 압축 스테이지 중 하나 이상이 터보-팽창기의 샤프트 워크에 결합되고 그것에 의해 구동될 수 있다. 도 9의 이러한 실시예에서, 2개의 저압 압축 스테이지(217A, 217B)는 2개의 원심 압축기 또는 압축 유닛을 포함하고, 바람직하게는 2개의 원심 압축기가 그것을 통해 주위 압력 공기(212)를 공급받는 공통 공기 공급부(211), 및 압축된 공기(214)가 그것으로부터 배출되는 공통 출구(218)를 갖는다. 제1 원심 압축기(217A)는 바람직하게는 제1 가변 속도 전기 모터의 모터 샤프트의 일 단부 상에 장착되는 한편, 제2 원심 압축기(217B)는 모터 샤프트의 다른 단부 상에 장착된다. 입구 안내 베인(221)을 제1 및 제2 원심 압축기 중 어느 하나가 또는 둘 모두가 가질 수 있다.
또한, 분할 기능적 공기 압축 트레인(260) 내의 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 보일러 공기 스트림 부분(266)의 전부 또는 일부가 제2 고속, 가변 속도 전기 모터(225)에 의해 구동되는 1개 또는 2개의 보일러 공기 압축기 내에서 추가로 압축된다. 보일러 공기 압축기(265A, 265B)는 단일 종단형 구성(즉, 1개의 보일러 공기 압축 스테이지에 대해) 또는 이중 종단형 구성(즉, 2개의 보일러 공기 압축 스테이지에 대해)으로 제2 가변 속도 전기 모터(225)에 결합되고 그것에 의해 구동될 수 있다. 제2 가변 속도 전기 모터로 보일러 공기 압축기를 구동시키는 대신에, 제2 가변 속도 전기 모터에 결합되고 그것에 의해 구동되는, 병렬로 또는 직렬로 배열되는 2개의 터빈 공기 압축기를 사용하는 도 7 내지 도 9에 도시된 것과 유사한 대안적인 장치가 고려된다.
압축 트레인 제어
압축 트레인 제어 관점에서, 도 10 내지 도 12는 공기 압축 트레인의 다양한 구성요소와 관련된 제어 특징부를 도시한 공기 분리 플랜트 내의 공기 압축 트레인의 실시예를 도시한다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 가변 속도 모터(315)의 속도는 제1 모터 조립체 한계(motor assembly limit)(JIC)(302)에 대응하는 제1 명령 신호(301), 유동 측정 장치(371)를 사용하여 측정되는 바와 같은 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량에 대응하는 유동 표시 제어부(flow indicated control)(FIC)(304)를 통한 제2 명령 신호(303), 및 임의의 수동 표시 제어부(manual indicated control)(HIC)(306) 또는 플랜트 조작자로부터의 오버라이드(override)에 대응하는 제3 명령 신호(305)에 기초하여 설정 및/또는 조절되는 제어 파라미터이다. 로우 셀렉터(low selector)(<)와 같은 셀렉터(307)가 3개의 명령 신호를 비교하고, 유입 공급 공기 스트림(312)을 압축시키기 위한 제1 가변 속도 전기 모터(315)에 대한 속도를 설정 및/또는 조절하기에 적절한 구동 조립체에 대한 입력(308)을 선택한다. 유사하게, 제2 가변 속도 모터(325)의 속도는 장비 표시 컨트롤러(equipment indicated controller)(JIC)(342)를 통한 제2 모터 조립체 한계에 대응하는 명령 신호(341), 임의의 수동 표시 컨트롤러(manual indicated controller)(HIC)(344) 또는 플랜트 조작자로부터의 오버라이드, 및 제1 가변 속도 전기 모터(315)의 속도에 대응하는 신호(310), 압력 표시 컨트롤러(pressure indicated controller)(PIC)(347A, 347B)를 통한 공기 압축 트레인 내의 측정된 배출 압력에 대응하는 신호(346A), 및 유동 표시 제어부(FIC)(349)를 통한 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량에 대응하는 신호(348)에 기초하는 컨트롤러(350)에 의해 생성되는 제3 명령 신호(345)에 기초하여 설정 및/또는 조절되는 제어 파라미터이다. 로우 셀렉터(<)와 같은 셀렉터(340)가 3개의 명령 신호(341, 343, 345)를 비교하고, 제2 가변 속도 전기 모터(325)에 대한 속도(354)를 설정 및/또는 조절하기에 적절한 구동 조립체에 대한 입력(352)을 선택한다. 예시된 실시예에서, 공기 압축 트레인 내의 측정된 배출 압력은 1차 열 교환기(380) 및 터보-팽창기(390)의 상류에 위치된 압력 표시 컨트롤러(PIC)(347A 또는 347B)를 통한 분할 기능적 공기 압축 트레인의 터빈 공기 회로 내의 측정된 압력이다. 대안적인 압력 표시 제어부(pressure indicated control)가 분할 기능적 공기 압축 트레인의 보일러 공기 회로 내에 또는 공통 공기 압축 트레인 내의 다양한 위치에 있을 수 있다. 예를 들어, 각각의 쌍의 공통 구동식 압축 스테이지로부터의 중간 배출 압력 또는 각각의 개별 스테이지로부터의 중간 배출 압력을 위한 압력 표시 컨트롤러의 사용이 어느 하나의 또는 둘 모두의 가변 속도 모터의 속도를 제한하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 압력 표시 제어부 또는 다른 수동 표시 제어부는 또한 하나 이상의 터보-팽창기와 관련된 터빈 노즐(392)의 제어 또는 공통 공기 압축 트레인 또는 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 임의의 압축기 유닛과 관련된 입구 안내 베인(394)의 제어와 같은 전술된 제어 방법과 함께 공기 압축 트레인의 다른 양태를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 제1 가변 속도 모터(315)에 의해 구동되는 압축 스테이지들 사이의 압축된 공기 스트림(314)의 압력에 대응하는 압력 표시 제어부(316)가 제1 가변 속도 모터(315)의 속도를 제어하기 위한 입력으로서 사용될 수 있거나(도 11 참조), 관련 압축기 유닛(317, 319)의 입구 안내 베인(394)을 제어하기 위해 사용될 수 있다(도 12 참조). 마찬가지로, 제2 가변 속도 모터(325)에 의해 구동되는 압축 스테이지들 사이의 압축된 공기 스트림(322)의 압력에 대응하는 압력 표시 제어부(326)가 각각 제1 가변 속도 모터(315) 및 제2 가변 속도 모터(325)의 속도를 제어하기 위한 입력(318, 328)으로서 사용될 수 있거나(도 11 참조), 관련 압축기 유닛(327, 329)의 입구 안내 베인(394)을 제어하기 위해 사용될 수 있다(도 12 참조). 또한, 원하는 위치가 바람직하게는 공통 공기 압축 트레인 및/또는 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 배출 압력과 상관됨에 따라, 수동 표시 제어부(395) 및/또는 압력 표시 컨트롤러(347B)가 각각 신호(396, 346B)를 통해 터빈 노즐(392) 위치를 제어하기 위해 사용될 수 있다(도 11 참조).
서지 표시 컨트롤러(surge indicated controller)(UIC)(360, 362)가 또한 제1 및 제2 가변 속도 구동기 조립체 각각과, 그리고 보다 구체적으로 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동되는 압축기 유닛(317, 319, 327, 329) 중 하나 이상과 관련된다. 서지 표시 컨트롤러(UIC)(360, 362)는 바람직하게는 소정 형태의 유동 측정치 및 압력을 사용하여 서지 또는 서지 상태의 개시를 추정한다. 서지 상태를 방지하기 위해, 서지 표시 컨트롤러(UIC)(360, 362)는 가변 속도 구동기 조립체에 의해 구동되는 압축기 유닛 중 하나 이상 내의 서지 상태를 방지하기 위해 통기구(338)를 개방시켜 압축된 공기(336)의 일부분을 배출시키도록 셀렉터(361)에 지시한다. 유사한 서지 표시 컨트롤러(UIC)(370, 372, 374)가 또한 공통 공기 압축 트레인 및 분할 기능적 공기 압축 트레인 둘 모두 내의 다른 압축 스테이지 또는 압축기 유닛(365, 367, 369)과 작동 조합되어 사용될 수 있다. 그들 하류 압축기 유닛(365, 367, 369) 내의 서지 상태를 방지하기 위해, 서지 표시 컨트롤러(UIC)(370, 372, 374)는 서지 상태를 방지하기 위해 각각의 압축기 유닛과 관련된 바이패스 밸브(375, 377, 379)를 개방시킨다.
예시된 바와 같이, 바람직한 압축 트레인 제어는 부분적으로 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도에 기초하여 제2 가변 속도 구동기 조립체의 속도를 조절하는 것을 수반한다. 가변 속도 모터의 속도 제어를 모터 조립체 한계에 기초하는 것에 더하여 또는 그 대신에, 다른 제어 옵션은 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량 및 하나 이상의 플랜트 공정 한계, 압축기 한계, 또는 다른 구동기 조립체 한계에 응답하여 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도를 제어하는 것이다. 제2 가변 속도 구동기 조립체의 속도는 또한 제1 가변 속도 구동기 조립체의 속도와 함께 유사한 플랜트 공정 한계, 압축기 한계, 또는 다른 구동기 조립체 한계에 응답하여 설정 또는 조절될 것이다.
다른 외부 제약 또는 장비 제약이 또한 공기 압축 트레인 제어에 통합될 수 있다. 예를 들어, 제1 가변 속도 모터가 속도 제약과 같은 제약에 직면하면, 제2 가변 속도 모터의 속도가 그의 기본 제어 변수(default control variable)에 더하여 또는 그 대신에 공통 공기 압축 트레인을 통한 원하는 공기 유량을 유지시키도록 조절될 수 있다. 제2 가변 속도 모터가 유량을 제어하도록 요구할 다른 제약은 서지 상태, 서지 마진, 스톤월 상태, 압력, 토크, 전력 등을 포함한다.
환언하면, 정상 작동 중에, 제2 가변 속도 전기 모터는 압축된 공기 스트림의 원하는 압력 및 온도 조건을 달성하기 위해 2차 변수와 함께 제1 가변 속도 전기 모터의 속도를 사용하여 제어된다. 2차 변수는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같은 배출 압력 또는 속도 설정치, 전력 설정치, 모터 속도비, 배출 압력비, 전력비 등과 같은 다른 선택된 변수를 포함할 수 있다. 정상 작동은 전형적으로 제1 가변 속도 전기 모터가 바람직하게는 유입 공급 공기 스트림 유량인 1차 제어 변수를 완전히 제어하도록 조절되는 것을 의미할 것이다.
반면에, 비-정상 작동은 일부 시스템 또는 외부 제약에 직면함으로 인해 1차 모터 속도가 1차 제어 변수의 완전한 제어를 달성하기 위해 사용될 수 없는 것을 의미한다. 그러한 제약은 압력, 압력비, 온도 등과 같은 하나 이상의 시스템 공정 한계; 압축기 휠 서지 상태, 마진 한계, 스톤월 상태, 진동 상태 등과 같은 하나 이상의 압축 스테이지 한계; 또는 속도 제한, 토크 제한, 전력 제한, 베어링 상태, 모터 작동 온도, 및 진동 상태와 같은 하나 이상의 구동기 조립체 한계를 포함할 수 있다. 비-정상 작동은 또한 다른 공기 분리 플랜트 또는 공정 조건에 기인할 수 있다. 비-정상 작동 중에, 제2 가변 속도 전기 모터의 속도는 시스템 또는 외부 제약을 고려하여 원하는 유입 공급 공기 스트림 유량을 달성하기 위해 제1 가변 속도 전기 모터의 속도를 사용하여 제어된다.
종래의 DDCA 기반 압축 시스템 또는 IGC 기반 압축 시스템에서, 개별 압축기 부하는 흔히 병렬 배열된 압축기들 사이의 부하의 균형을 유지하도록 설계되거나 선택되어, 압축기 부하가 전력 감소에 대해 최적화되지 않는다. 그 결과, 그러한 병렬 배열된 압축기에 대한 단위 압축 전력(unit compression power)이 전형적으로 최소 단위 압축 전력보다 높다.
이러한 단점을 해소하기 위해, 바람직한 제어 시스템은 또한 공통 공기 압축 트레인 내의 2개의 병렬 배열된 압축기들 사이의 최적 유동 분포와 병렬 배열된 압축기의 압축기 부하의 실시간 조절을 제공하기 위한 모델 예측 제어(model predictive control)의 사용을 채용할 수 있다(도 3, 도 6, 및 도 9 참조). 모델 예측 제어를 통한 그러한 병렬 압축기 최적화는 바람직하게는 압축기 부하의 균형을 유지하기보다는 공기 분리 플랜트 전력 소비를 감소시키는 것을 목표로 한다. 전형적인 병렬 압축기 최적화 방정식이 일반적으로 다음과 같이 표시된다:
Figure 112018042010022-pct00002
여기서 총 유동(total flow)(Ftotal)은 제1 병렬 압축기에 대한 유동(F1)과 제2 병렬 압축기에 대한 유동(F2)의 합이고, k는 특정 압축기의 특성화 및 모델링으로부터 확인되는 값이며, 최적화 루틴(optimization routine)은 F1 > F1, surge; F2 > F2, surge; F1 < F1, max; 및 F2 > F2, max를 포함하는 특정 압축기 제약 또는 제한을 받는다.
희생 강성 샤프트 커플링
전술된 실시예 전부에서, 고속 전기 모터 조립체는 각각 모터 본체, 모터 하우징, 및 모터 샤프트 - 희생 강성 샤프트 커플링을 통해 모터 샤프트에 직접 그리고 강성으로 결합되는 하나 이상의 임펠러를 가짐 - 를 갖는다. 도 13에 도시된 바와 같이, 희생 강성 샤프트 커플링(500)에는 서로 반대편에 있는 제1 및 제2 단부(402, 404)를 포함하는 커플링 본체(400)가 제공된다. 커플링은 제1 단부(402)에서 임펠러(432)에 그리고 제2 단부(404)에서 모터 샤프트(416)에 연결된다. 커플링 본체(400)는 파선 원으로 강조된 변형가능 섹션(406)을 갖고, 변형가능 섹션은 임펠러(432)의 고장(failure) 시에 커플링 본체에 가해지는 원하는 비평형 부하 하에서 변형되어, 그것이 영구적으로 변형되고 변형가능 섹션(406)이 커플링 본체(400)를 형성하는 재료의 극한 강도(ultimate strength)를 초과함이 없이 그렇게 변형되도록 그리고 저널 베어링(journal bearing)의 고장을 초래할 수 있는 모터 샤프트(416)의 영구 변형을 방지하기 위해 비평형 부하 힘 및 모멘트를 제한하도록 허용할 것이다. 이와 관련하여, 그러한 재료는 정상 설계 부하를 처리하기에 충분히 크지만 모터 샤프트의 영구 변형으로부터 비평형 부하 힘 및 모멘트를 제한하기에 충분히 낮은 항복 강도(yield strength)를 가진 고 연성 금속일 수 있으며, 한편 탄성 및 극한 강도의 조합은 균열이 커플링에 발생함이 없이 임펠러가 쉬라우드(shroud)와 접촉하도록 허용한다. 그러한 재료는 15-5PH (H1150) 스테인리스 강일 수 있다.
예시된 바와 같이, 변형가능 섹션(406)은 그의 외향 반경 방향으로 볼 때, 주어진 재료의 경우에, 정상적인 의도된 작동 중에 토크를 모터 샤프트(416)로부터 임펠러(432)로 전달하기에 충분한, 충분히 큰 환형(annular) 형상의 영역을 갖는다. 그것은 또한 그러한 정상 작동 중에 바람직하지 않은 모터 샤프트 진동을 허용하지 않기에 충분히 강직성이도록 모터 샤프트(416)에 평행한 축 방향으로 볼 때 짧은 섹션이다. 그러나, 임펠러(432)의 고장의 경우에, 섹션(406)은 커플링을 구성하는 재료의 탄성 한계를 초과할 응력을 받아 그러한 재료의 극한 강도 또는 극한 한계를 초과함이 없이 변형되도록 설계된다. 그러한 변형으로 인해, 커플링(500)의 제1 단부(402)가 시계 방향으로 회전하기 시작하여 그 결과 임펠러(432)가 압축기의 쉬라우드에 충돌할 것이다. 환언하면, 커플링은 모터를 위해 섹션(406)에서 항복함으로써 그 자체를 희생시킨다. 커플링의 파괴(failure) 후에, 모터는 영구적으로 변형된 샤프트(416)를 갖지 않고 잠재적으로 재사용가능 베어링을 가질 것이다. 모터는 여전히 사용될 수 있을 것이고, 장치는 압축기의 개장(refurbishment)에 의해 재생될 수 있다.
변형가능 섹션(406)은 제2 단부(404)로부터 제1 단부(402)를 향해 내향으로 연장되는 보다 넓은 부분(410) 및 보다 넓은 부분(410)으로부터 제2 단부(402)를 향해 연장되는 좁은 부분(412)을 갖는 축방향 보어(axial bore)(408)를 커플링 본체(400)에 제공함으로써 생성된다. 이는 축방향 보어(408)를 따른 위치에서, 커플링 본체(400)가 변형될 취약 지점(weak point)으로서 역할할 감소된 벽 두께 "t"를 갖는 커플링 본체를 생성한다. 따라서, 변형가능 섹션(406)은 축방향 보어(408)의 보다 넓은 및 보다 좁은 부분들(410, 412) 사이의 연접부(juncture)를 형성한다. 전형적으로, 임펠러의 고장은 임펠러 블레이드(432a)의 상실 또는 부분적 상실에 기인할 것이다. 그러면, 변형가능 섹션은 소정 불균형으로 인해 그리고 작동 모터 속도에서 생성되는 부하 하에서 파괴 또는 바꾸어 말하면 변형되도록 설계된다. 동시에, 정상 작동 중에 토크 전달 및 진동을 허용하기 위해 충분한 단면적이 제공되어야 한다. 인식될 수 있는 바와 같이, 다른 설계가 변형가능 섹션 또는 희생 강성 샤프트 커플링을 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 축방향 보어(408)가 일정한 직경을 가지면, 커플링 본체(400) 내의 외측 원주방향 홈-유사 부분이 그러한 변형가능 섹션을 생성할 수 있다.
도 13에서 볼 수 있는 바와 같이, 임펠러(432)와 커플링(500) 사이의 연결은 바람직하게는 치형부의 상호로킹(interlocking) 배열에 의해 제공되는 클러치 유형 치형 커플링(clutch type toothed coupling)(414)이다. 치형부는 커플링 본체(400)의 제1 단부(402)에 그리고 또한 임펠러(432)의 허브(hub)(417) 상에 제공된다. 이러한 클러치 유형 치형 커플링은 많은 변형 및 명칭을 갖지만, 전형적으로 "허스(HIRTH)" 유형의 커플링으로 지칭된다. 접촉을 유지시키고 토크 전달을 제공하기 위해, 사전설치된 스터드(preloaded stud)(418)가 커플링 본체(400)의 축방향 보어(408)의 보다 좁은 섹션(412) 내의 나사형 유형 연결부(threaded type connection)(419)에 의해 커플링(500)에 연결될 수 있다. 스터드(418) 상에 나사결합되는 너트(420)가 임펠러(432)의 허브(417)를 커플링 본체(400)의 제1 단부(402), 및 그에 따라 클러치 유형 치형 커플링(414)에 대해 맞물림 상태로 유지시킨다. 당업자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 다수의 다른 수단, 예를 들어 마찰, 키이형(keyed), 다각형, 또는 억지 끼워맞춤이 임펠러(432)를 커플링(500)에 연결하기 위해 제공될 수 있다.
모터 샤프트(416)와 커플링(500)의 제2 단부(404) 사이의 연결은 축방향 보어(408)의 보다 넓은 부분(410)을 둘러싸는 커플링 본체(400)의 환형 플랜지-유사 섹션(422)에 의해 제공된다. 일 세트의 사전설치된 스크류(424)가 플랜지-유사 섹션(422)을 통과하고, 모터 샤프트(416)의 단부 내에 제공되는 보어(도시되지 않음) 내에 나사결합가능하게 맞물린다. 바람직하게는, 커플링 본체(400)는 커플링 본체(400)를 모터 샤프트(416)에 대해 중심설정하기 위해 모터 샤프트(416)의 단부에 위치되는 원통형의, 내향으로 연장되는 리세스(recess)(430) 내에 안착되는 환형 돌출부(428)를 갖는다. 이는 샤프트(416)와의 임펠러(32)의 보다 우수한 중심설정을 제공하고, 그의 조립을 돕는다.
바람직하게는, 회전 래버린스 시일(labyrinth seal) 요소(432, 434)가 커플링(500)의 일부이고, 예시된 바와 같이, 커플링 본체(400)의 환형 플랜지-유사 섹션(422) 및 제1 단부(402)의 외부 부분 상에 제공된다. 이들 요소는 임펠러(432)에 인접한 전기 모터의 하우징 내의 샤프트 시일(443) 상에 위치되는 상보형 래버린스 시일 요소와 맞물린다. 필요한 공정 기체 샤프트 시일 및 로터 공기 갭 냉각 스트림 샤프트 시일 둘 모두를 커플링 상에 배치함으로써, 임펠러 오버행(overhang)이 최소화되고, 강성 로터 및 바람직한 로터 동역학을 생성할 가능성이 허용된다. 시일은 전형적으로 회전 래버린스이지만, 브러시 또는 탄소 링 시일일 수 있다. 임펠러 오버행을 최소화시키는 부수적인 이득은, 가끔 발생할 수 있는 시일에 대한 손상이 발생하면, 커플링만이 교체될 필요가 있다는 것이다. 이는 수리 또는 교체를 필요로 할, 전형적으로 로터 상에 위치되는 시일과 대조된다. 샤프트 시일(443)은, 각각 모터 냉각 기체 누출 유동과 압축기 공정 기체 누출 유동을 제어하는 회전 래버린스 시일들(432, 434) 사이의 고정 밀봉 표면을 형성한다. 모터 냉각 기체 누출 유동과 압축기 공정 기체 누출 유동은 조합되어, 일반적으로 통로(440)로부터 와류로 유출되는 총 누출 유동을 형성한다.
본 발명이 바람직한 실시예 또는 실시예들 및 그것과 관련된 작동 방법에 관하여 기술되었지만, 개시된 시스템 및 방법에 대한 다수의 추가, 변경 및 생략이 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있는 것이 이해되어야 한다.

Claims (32)

  1. 극저온 공기 분리 플랜트(cryogenic air separation plant)로의 유입 공급 공기 스트림(incoming feed air stream)의 압축을 위한 방법으로서,
    (a) 극저온 공기 분리 플랜트에 적합한 속도로 작동하도록 구성된 이중 종단형(double ended) 제1 가변 속도 전기 모터 조립체(variable speed electric motor assembly)에 의해 직접 구동되는 공통 공기 압축 트레인(common air compression train)의 저압 다중-스테이지(multi-stage) 압축기 내에서 유입 공급 공기 스트림의 적어도 일부분을 압축시키는 단계 - 저압 다중-스테이지 압축기는 이중 종단형 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 일 단부에 희생 강성 샤프트 커플링(sacrificial rigid shaft coupling)을 통해 직접 그리고 강성으로 결합되는 제1 압축 스테이지 또는 제1 압축기 유닛 및 이중 종단형 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 다른 단부에 다른 희생 강성 샤프트 커플링을 통해 직접 그리고 강성으로 결합되는 제2 압축 스테이지 또는 제2 압축기 유닛을 추가로 포함하고, 이때 제1 압축 스테이지 또는 제1 압축기 유닛과 제2 압축 스테이지 또는 제2 압축기 유닛은 직렬로 배열되고 이중 종단형 제1 가변 속도 전기 모터 조립체에 의해 직접 구동되고, 제1 압축 스테이지 또는 제1 압축기 유닛은 유입 공급 공기 스트림을 수용하고 압축시키고 제1 압축된 공기 스트림을 생성하도록 구성되고, 제2 압축 스테이지 또는 제2 압축기 유닛은 제1 압축된 공기 스트림을 수용하고 압축시켜 제2 압축된 공기 스트림을 생성하도록 구성됨 -;
    (b) 제2 압축된 공급 공기 스트림을 공통 공기 압축 트레인의 하나 이상의 고압 압축기 내에서 추가로 압축시키는 단계 - 하나 이상의 고압 압축기는 제2 가변 속도 전기 모터 조립체에 각각의 희생 강성 샤프트 커플링을 통해 직접 그리고 강성으로 결합되고, 극저온 공기 분리 플랜트에 적합한 속도로 작동하도록 구성된 제2 가변 속도 전기 모터 조립체에 의해 구동됨 -;
    (c) 압축된 공급 공기 스트림을 정화하여 불순물을 제거하는 단계;
    (d) 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 2개 이상의 부분을 하나 이상의 추가의 압축 스테이지를 갖는 분할 기능적 공기 압축 트레인(split functional air compression train)으로 지향시키는 단계;
    (e) 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 부분들 중 하나 이상을 1차 열 교환기로 지향시켜, 하나 이상의 부분을 극저온 공기 분리 플랜트의 증류 칼럼 시스템(distillation column system) 내에서의 정류(rectification)에 적합한 온도로 냉각시키는 단계; 및
    (f) 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 부분들 중 하나 이상을, 1차 열 교환기로부터 유출된 후에, 극저온 공기 분리 플랜트의 증류 칼럼 시스템으로 지향시켜 액체 및 기체 생성물을 생성하는 단계를 포함하고,
    제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량 및 극저온 공기 분리 플랜트의 작동 조건의 변화에 응답하여 조절되고,
    제2 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 이후에 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도의 변화 및 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력에 응답하여 조절되고,
    극저온 공기 분리 플랜트에 적합한 속도로 제1 가변 속도 전기 모터 조립체에 의해 구동되는 제1 압축 스테이지 또는 제1 압축기 유닛의 속도와 제2 압축 스테이지 또는 제2 압축기 유닛의 속도의 비는 상기 조절 전후에 일정하게 유지되고, 상기 조절 전의 제1 압축 스테이지 또는 제1 압축기 유닛의 속도와 하나 이상의 고압 압축기의 속도의 비는 상기 조절 후의 제1 압축 스테이지 또는 제1 압축기 유닛의 속도와 제2 가변 속도 전기 모터 조립체에 의해 구동되며 극저온 공기 분리 플랜트에 적합한 속도로 또한 작동하는 하나 이상의 고압 압축기의 속도의 비와 상이한, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 공통 공기 압축 트레인의 하나 이상의 고압 압축기는, 직렬로 배열되고 이중 종단형 제2 가변 속도 모터 조립체로 구성된 제2 가변 속도 전기 모터 조립체에 의해 구동되는 제3 압축 스테이지 및 제4 압축 스테이지를 추가로 포함하고, 제3 압축 스테이지는 제2 압축된 공기 스트림을 수용하고 압축시켜 제3 압축된 공기 스트림을 생성하도록 구성되고, 제4 압축 스테이지는 제3 압축된 공기 스트림을 수용하고 압축시켜 제4 압축된 공기 스트림을 생성하도록 구성되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 공통 공기 압축 트레인의 하나 이상의 고압 압축기는 단일 종단형(single ended) 제2 가변 속도 전기 모터 조립체로 구성된 제2 가변 속도 전기 모터 조립체에 의해 구동되는 제3 압축 스테이지를 포함하는 단일 스테이지(single stage) 압축기이고, 제3 압축 스테이지는 제2 압축된 공기 스트림을 수용하고 압축시켜 제3 압축된 공기 스트림을 생성하도록 구성되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 부분들을 제3 가변 속도 전기 모터 조립체에 의해 구동되는 공통 공기 압축 트레인의 하나 이상의 추가의 압축 스테이지 또는 추가의 압축기 유닛으로 지향시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 부분들을 분할 기능적 공기 압축 트레인으로 지향시키는 단계는 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 부분들을, 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 하나 이상의 부분들을 추가로 압축시키도록 구성되는 하나 이상의 일체형 기어식 압축기(integrally geared compressor)를 갖는 분할 기능적 공기 압축 트레인으로 지향시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 극저온 공기 분리 플랜트가 턴-다운되고(turned down) 극저온 공기 분리 플랜트로의 유입 공급 공기 스트림의 감소된 체적 유동이 극저온 공기 분리 플랜트에 대한 유입 공급 공기 스트림의 설계 체적 유동의 50% 내지 70%가 되도록 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도가 감소되며, 유입 공급 공기 스트림의 감소된 체적 유동이 공통 공기 압축 트레인의 저압 다중-스테이지 압축기 내에서 압축되고,
    제2 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 이후에 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력 및 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 감소된 속도에 응답하여 조절되는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량 및 극저온 공기 분리 플랜트의 작동 조건의 변화에 응답하여 조절되고, 제2 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 이후에 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력, 공통 공기 압축 트레인 내의 배출 압력 및 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도에 응답하여 조절되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 극저온 공기 분리 플랜트의 작동 조건의 변화, 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량 및 하나 이상의 공정 한계(process limit)에 응답하여 조절되고, 제2 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 이후에 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력, 하나 이상의 공정 한계 및 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도에 응답하여 조절되는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 극저온 공기 분리 플랜트의 작동 조건의 변화, 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량 및 하나 이상의 압축 스테이지 한계(compression stage limit)에 응답하여 조절되고, 제2 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 이후에 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력, 하나 이상의 압축 스테이지 한계 및 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도에 응답하여 조절되는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 극저온 공기 분리 플랜트의 작동 조건의 변화, 공통 공기 압축 트레인 내의 공기의 측정된 유량 및 하나 이상의 전기 모터 조립체 한계(drive assembly limit)에 응답하여 조절되고, 제2 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도는 이후에 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력, 하나 이상의 전기 모터 조립체 한계 및 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도에 응답하여 조절되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도 또는 제2 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도 또는 둘 모두는 공통 공기 압축 트레인으로부터의 압축 및 정화된 공급 공기 스트림의 일부분의 방향전환(diversion) 또는 통기(venting)에 응답하여 주기적으로 추가로 조절되는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 제1 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도 또는 제2 가변 속도 전기 모터 조립체의 속도 또는 둘 모두는 주위 공기 상태의 변화에 응답하여 추가로 조절되는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 2개 이상의 부분은 각각 보일러 공기 스트림(boiler air stream) 및 상부 칼럼 터빈 공기 스트림(upper column turbine air stream)을 포함하고, 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력은 보일러 공기 스트림의 측정된 압력 또는 상부 칼럼 터빈 공기 스트림의 측정된 압력인, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 2개 이상의 부분은 각각 보일러 공기 스트림 및 하부 칼럼 터빈 공기 스트림(lower column turbine air stream)을 포함하고, 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력은 보일러 공기 스트림의 측정된 압력 또는 하부 칼럼 터빈 공기 스트림의 측정된 압력인, 방법.
  15. 제1항에 있어서, 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 2개 이상의 부분은 각각 보일러 공기 스트림, 터빈 공기 스트림 및 고온 재순환 터빈 공기 스트림(warm recycle turbine air stream)을 포함하고, 분할 기능적 공기 압축 트레인 내의 압축 및 정화된 공기 스트림의 부분들 중 적어도 하나의 측정된 압력은 보일러 공기 스트림의 측정된 압력 또는 터빈 공기 스트림의 측정된 압력인, 방법.
  16. 삭제
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