KR200491586Y1 - 스키드 장착식 압축기 상의 가변속 냉각 팬을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

스키드 장착식 압축기 상의 가변속 냉각 팬을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

스키드 장착식 압축기(22)용 가변속 냉각 팬(30)의 시스템 및 방법. 자기 가변속 클러치(38)는 냉각 팬 구동 샤프트(28)에 장착된다. 클러치 메커니즘은 압축기(22)를 구동하는 엔진(24)의 크랭크샤프트 상의 구동 풀리(38)를 통해 구동된다. 팬(30)의 속도는 냉각되는 유체의 온도에 의존하여 변화된다.

Description

스키드 장착식 압축기 상의 가변속 냉각 팬을 위한 시스템 및 방법
본 고안은 일반적으로 핀 팬 냉각기를 구동하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 고안은 스키드 장착식 압축기 상의 내연 기관으로 핀 팬 냉각기 내의 가변속 팬을 구동하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
스키드 장착식 압축기는 천연 가스를 압축하기 위한 우물 부지(well site)에서 통상적으로 사용되며, 이에 따라 천연 가스가 수송관을 통해 운송될 수 있다. 스키드는 전형적으로 생산되는 천연 가스의 적은 부분을 연료로 하는 내연 기관을 갖는다. 이러한 스키드는 전형적으로 압축 스테이지 사이에서 엔진 및 천연 가스를 냉각시키기 위해 사용되는 핀 팬 열교환기를 갖는다. 핀 팬 열교환기는 팬을 갖고, 팬은 압축된 가스 및 엔진 냉각제로부터 열을 제거하도록 열교환기를 가로질러 주위 공기를 밀어내거나 당긴다. 팬은 전형적으로 팬 속도를 독립적으로 조정하는 능력 없이 엔진의 크랭크샤프트로부터 직접적으로 벨트를 통해 구동된다. 이는 엔진에 추가적인 부하를 부여해서 엔진으로부터 추가적인 연료 소비 및 추가적인 열을 초래한다.
이러한 스키드 조립체는 100℉를 초과하는 온도를 포함하는 극단적인 조건에서 작동해야 한다. 따라서 열교환기 및 팬 속도는 이러한 매우 높은 온도에서 작동하도록 설계되어야 한다. 스키드는 이러한 극단적인 온도에서 작동할 수 있어야만 하지만, 전형적으로 매년 며칠 동안만 그 온도에서 작동한다. 온도가 100℉를 초과하는 그러한 날에도, 몇 시간만 작동한다. 따라서 이러한 스키드는 전통적으로 일년 중 가장 더운 날의 오후에 몇 시간만 요구하는 팬 속도로 하루 24시간, 1년 365일 작동된다. 이러한 과도한 팬 속도는 1년 동안의 비용 및 엄청난 추가적인 연료 소비를 초래한다.
압축기 스키드 상에 조정 가능한 냉각 팬 속도를 제공하도록 몇몇 시도가 이루어졌다. 이는 유체정역학 클러치 메커니즘을 사용하는 것으로 제한되었다. 이는 추가적인 기어장치 및 구동 메커니즘을 요구했다. 게다가, 이는 효율적인 방식의 냉각 팬의 직접적인 구동을 허용하지 않는다. 이러한 구동부의 복잡성 및 비용은 업계에서의 적은 설치로 이어졌다.
따라서, 필요한 것은 우물 부지에서의 사용을 위해 가스 압축기 스키드 상에 가변속 냉각 팬을 제공하기 위한 간단하고 효율적인 시스템 및 방법이다.
본 고안은 스키드 장착식 압축기를 위한 간단하고 효율적인 가변속 냉각 팬을 제공함으로써 그 목적을 달성한다. 본 고안은 냉각 팬 구동 샤프트에 장착된 자기 가변속 클러치를 사용한다. 클러치 메커니즘은 압축기를 구동하는 엔진의 크랭크 샤프트 상의 구동 풀리를 통해 구동된다. 팬의 속도는 냉각되는 유체의 온도에 따라 자기 가변속 클러치의 작동을 통해 변화된다.
따라서 본 고안은 팬 속도를 최저 필요 수준으로 감소시키기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이는 연료 사용 및 작동 비용을 감소시킨다.
이제 고안의 바람직한 실시예가 더 상세히 설명될 것이다. 본 고안의 다른 특징, 양태 및 이점은 다음의 상세한 설명, 첨부된 청구범위 및 첨부 도면들(비례하지 않음)과 관련하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 장비의 일반적인 레이아웃을 도시하는 본 고안의 개략적인 측면도이다.
도 2는 가스 및 냉각 액체의 유동을 도시하는 본 고안의 개략도이다.
도 3은 자기 가변속 클러치의 단면도이다.
이제 유사한 참조 부호가 전체적으로 유사하거나 비슷한 부분을 나타내는 도면으로 돌아가면, 도 1은 본 고안의 일반적인 물리적 레이아웃을 도시한다. 장비 스키드(20) 상에 장착된, 가스 압축기(22), 내연 기관(24) 및 핀 팬 냉각기(26)가 있다. 압축기(22)는 내연 기관(24)에 의해 구동 샤프트(28)를 통해 구동된다. 핀 팬 냉각기(26) 상의 팬(30)은 내연 기관(24)에 의해 구동 벨트(32)를 통해 동력공급된다. 구동 풀리(34)는 내연 기관(24)의 크랭크샤프트(36)에 연결된다. 자기 가변속 클러치(38)가 팬(30)에 연결된다. 구동 벨트(32)는 구동 풀리(34)로부터 자기 가변속 클러치(38) 및 팬(30)으로 회전 동력을 전달한다. 시스템은, 구동 벨트(32)로부터 느슨해짐을 제거하고 구동 풀리(34)와 자기 가변속 클러치(38) 사이의 동력의 효율적인 전달을 위한 충분한 장력을 보장하기 위해 아이들러(idler) 풀리(40)를 포함할 수 있다.
도 2는 다양한 가스 유동 및 냉각 액체 유동의 유동을 제공하는 개략도이다. 도 2에 도시된 실시예에서, 제1 압축 스테이지(42) 및 제2 압축 스테이지(44) 뿐만 아니라 제1 냉각 스테이지(46), 제2 냉각 스테이지(48), 제3 냉각 스테이지(50) 및 제4 냉각 스테이지(52)가 있다. 본 고안은 추가적인 압축 스테이지 및 이에 대응하는 추가적인 냉각 스테이지를 포함할 수 있다는 것을 이해해야만 한다. 그러나 설명을 쉽게 하기 위해 2 스테이지 압축 시스템이 사용된다.
우물 또는 다른 공급원으로부터의 천연 가스는, 천연 가스가 압축되는 제1 압축 스테이지(42)의 입구(54)를 통해 시스템(18)으로 진입한다. 압축된 가스는 제1 스테이지 냉각 입구(58)와 유체 연통하는 제1 압축 스테이지 출구(56)를 통해 빠져나온다. 열은 제1 냉각 스테이지(46)를 통과할 때 압축된 가스로부터 제거된다. 냉각된 압축된 가스가 제2 압축 스테이지(44)의 입구(62)와 유체 연통하는 출구(60)를 통해 제1 냉각 스테이지(46)를 빠져나온다. 가스는 압축되고 제2 냉각 스테이지(48)의 입구(66)와 유체 연통하는 출구(64)를 통해 제2 압축 스테이지(44)를 빠져나온다. 가스는 제2 냉각 스테이지(48)를 통과할 때 냉각된다. 가스는 출구(68)를 통해 제2 냉각 스테이지(48)를 빠져나오고 특정 설치에 기초하여 변화하는 수송관 또는 추가적인 공정으로 전달된다. 또한 응축물 녹아웃 드럼 및 기타 액체 제거가 필요에 따라 냉각 스테이지와 압축 스테이지 사이의 공정에 통합될 수 있다.
핀 팬 냉각기(26)의 제3 냉각 스테이지(50)는 내연 기관(24)의 냉각 시스템과 유체 연통한다. 따라서 내연 기관(24)의 냉각 유체를 냉각시킨다.
이러한 예에서 제4 냉각 스테이지(52)는 내연 기관(24) 상의 터보(70)의 인터쿨러(112)에 냉각 유체를 제공한다. 터보(70)는 내연 기관(24)을 빠져나가는 배기(72)에 의해 동력공급된다. 이것은 연소 공기를 가압하기 위해 사용된다. 연소 공기는 입구(74)를 통해 터보(70)에 진입한다. 이는 터보(70) 내에서 가압되고 출구(76)를 통해 빠져나오고, 출구에서 내연 기관(24)의 흡기구(82)에 진입하기 전에 인터쿨러 내에서 냉각된다. 압축되고 냉각된 연소 공기는 연료와 혼합되고 내연 기관(24)의 작동에 사용된다.
냉각 유체는, 핀 팬 냉각기(26)의 제4 냉각 스테이지(52)의 입구(78)와 유체 연통하는 출구(114)를 통해 인터쿨러(112)를 빠져나온다. 냉각 유체는 냉각되고 이후에 인터쿨러(112)의 입구(116)와 유체 연통하는 출구(80)를 통해 제4 냉각 스테이지(52)를 빠져나온다. 본 고안의 많은 용례는 터보 차저장착 엔진을 사용하고 따라서 예는 터보(70), 및 인터쿨러(112)를 냉각시키기 위해 사용되는 제4 냉각 스테이지(52)를 포함한다. 그러나, 또한 본 고안은 인터쿨러가 필요하지 않을 경우에 정상 흡기 엔진과 함께 사용될 수 있다.
작동 중에 팬(30)은 제1, 제2, 제3 및 제4 냉각 스테이지(46, 48, 50, 52)를 가로질러 공기를 송풍한다. 이는 압축된 가스, 압축된 연소 공기 및 핀 팬 열교환기(26)를 통해 유동하는 냉각 유체로부터 열을 제거하는 것을 돕는다. 온도 센서(84, 86, 88, 90)는 다양한 스테이지의 출구(60, 68, 80, 82)에 위치된다. 이러한 지점에서 검출된 온도는 제어기(92)로 보내진다. 온도 센서(84, 86, 88, 90)와 제어기(92) 사이의 연결은 유선 또는 무선일 수 있다.
이러한 위치 중 어느 하나에서의 온도가 미리 설정된 상한선을 초과하면, 팬(30)의 속도는 자기 가변속 클러치(38)의 작동을 통해 증가된다. 팬 속도 및 공기 유동의 이러한 증가는 차례로 열교환기(26)의 다른 측면을 통해 유동하는 유체로부터 제거되는 열의 양을 증가시킨다. 팬 속도는 사전 설정된 온도 수준에 이르는 것에 기초하여 증분적으로 상승 또는 하강할 수 있다.
도 3은 자기 가변속 클러치(38)의 단면도를 제공한다. 클러치(38)는 구동 벨트(32)로부터 회전 동력을 수용하는 구동 풀리(94)를 갖는다. 구동 풀리(94) 및 디스크 조립체(96)는 팬 구동 샤프트(100)를 중심으로 베어링 세트(98)를 회전시킨다. 철 디스크(102)는 팬 구동 샤프트(100)에 고정식으로 결합되고 그와 함께 회전한다. 디스크 조립체는 철 디스크(102)의 양측에 위치된 한 쌍의 자기 플레이트(104)를 갖는다. 자기 플레이트(104)는 구동 풀리(94)에 고정식으로 결합되고 그와 함께 회전한다. 디스크(102)와 각 플레이트(104) 사이에 간극(106)이 있다. 디스크(102)는 플레이트(104)의 자기장에 대해 끌어 당겨진다. 따라서, 플레이트(104)가 구동 풀리(94)와 회전함에 따라, 디스크(102)는 동일한 회전에 대해 끌어 당겨진다. 구동 풀리(94)를 팬 구동 샤프트(100)에 결합시키는 것은 이러한 자기장이다.
플레이트(104)와 디스크(102) 사이에서 자연적 미끄러짐이 있다. 이러한 미끄러짐은 간극(106)을 증가시킴으로써 증가될 수 있고 따라서 팬 속도를 감소시킨다. 반대로 팬 속도는 간극(106)을 감소시킴으로써 증가될 수 있고 따라서 슬립을 감소시킨다. 간극(106)은 하나 이상의 솔레노이드(108)의 작동을 통해 조정될 수 있다. 솔레노이드(108)는 제어기(92)에 의해 작동 가능하다. 연동장치(110)는 디스크(102)의 양측 상의 간극(106)이 동일하게 유지되도록 보장한다.
앞서 말한 설명은 본 고안의 특정한 바람직한 실시예를 상세화하고, 고려된 최상의 모드를 설명한다. 그러나, 개시 내용의 기술사상 및 범주를 벗어나지 않고, 구성 요소의 구조 및 구성의 세부 사항에서 변경이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본원에 제공된 설명은 제한보다는 예시적인 것으로서 고려되고, 본 고안의 진정한 범주는 이하의 청구 범위 및 그의 각 요소에 부여되는 등가물의 전체 범위에 의해 한정된다.

Claims (14)

  1. 핀 팬 열교환기에 동력공급을 위한 시스템이며, 상기 시스템은,
    장비 스키드;
    장비 스키드 상에 장착된 내연 기관;
    장비 스키드 상에 장착되고 내연 기관에 의해 동력공급되는 압축기;
    장비 스키드 상에 장착되고 가변속 자기 구동부를 통해 내연 기관에 의해 동력공급되는 팬을 갖는 핀 팬 냉각기;
    내연 기관의 크랭크샤프트 상에 장착된 제1 풀리;
    가변속 자기 구동부 상에 장착되고 제1 풀리와 정렬되는 제2 풀리; 및
    제1 및 제2 풀리를 상호연결하고 회전 에너지를 제1 풀리로부터 제2 풀리로 전달할 수 있는 벨트를 포함하고,
    핀 팬 냉각기는 적어도 제1 및 제2 냉각 스테이지를 갖고;
    압축기는 가스에 대해 적어도 제1 및 제2 압축 스테이지를 갖고;
    제1 압축 스테이지의 출력부는 제1 냉각 스테이지의 입력부와 유체 연통하고, 제1 냉각 스테이지의 출력부는 제2 압축 스테이지의 입력부와 유체 연통하고, 제2 압축 스테이지의 출력부는 제2 냉각 스테이지 상의 입력부와 유체 연통하는, 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    제1 냉각 스테이지의 출력부에서의 제1 온도 센서;
    제2 냉각 스테이지의 출력부에서의 제2 온도 센서;
    팬의 작동 속도를 조정하기 위해 작동 가능한 하나 이상의 전기 솔레노이드; 및
    제1 및 제2 온도 센서 및 하나 이상의 솔레노이드와 전자 통신하는 제어기를 추가로 포함하고;
    제1 또는 제2 온도 센서의 온도가 미리 결정된 온도를 초과하면, 솔레노이드는 팬의 작동 속도를 증가시키도록 작동 가능한, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    벨트 내에 장력을 제공하기 위해 작동 가능한 아이들러 풀리를 추가로 포함하는, 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    핀 팬 냉각기 내에 제3 및 제4 냉각 스테이지를 추가로 포함하고;
    제3 냉각 스테이지는 인터쿨러 상의 출구 및 인터쿨러 상의 입구와 유체 연통하고, 제4 냉각 스테이지는 내연 기관 상의 냉각 유체 출구 및 내연 기관 상의 냉각 유체 입구와 유체 연통하는, 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
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