KR20100118528A - 가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템 - Google Patents

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KR20100118528A
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레나토 페로니
가브리엘 마리오티
알레산드라 바라비노
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

가스 압축 플랜트에 있어서의 에너지 회수 시스템으로서, 흡입 도관(14)으로부터 소정 흡입 압력으로 가스를 흡입하고, 배출 도관(16)을 통해 상기 흡입 압력보다 높은 소정 배출 압력으로 가스를 배출할 수 있는 적어도 하나의 원심 압축기(10)와, 압축기(10)내로 도입되는 가스 유량이 소정 한계값 이하인 경우, 배출 도관(16)으로부터 흡입 도관(14)으로 가스를 재지향시킬 수 있는 적어도 하나의 가스 재순환 시스템(A, B)을 포함하는, 상기 가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템이 기재되어 있다. 압축기(10)의 하류측에 배치된 가스 압축 플랜트의 부분에는, 적어도 하나의 터보 팽창기(36, 46, 136) 및 적어도 하나의 밸브(24, 33)가 병렬로 장착되며, 적어도 하나의 터보 팽창기(36, 46, 136) 및 적어도 하나의 밸브(24, 33)는, 서로 협동하고, 전자 장치(35)에 의해 제어되어, 재순환 모드 동안에 압축기(10)를 보호하는 동시에 유용한 에너지를 생성한다.

Description

가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템{ENERGY RECOVERY SYSTEM IN A GAS COMPRESSION PLANT}
본 발명은, 이에 한정되지는 않지만, 특히 가스 또는 탄화수소를 이송하는 파이프라인에서 작동하도록 의도된 가스 압축 플랜트에 있어서의 에너지 회수 시스템에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 압축기는 기계 에너지를 사용하여 압축성 유체(가스)의 압력을 상승시킬 수 있는 기계이다. 산업 분야에서 공정 플랜트에 사용되는 다양한 타입의 압축기중에서, 원심 임펠러(centrifugal impeller) 또는 휠로 불리는 부재의 구동장치(driver)(전기 모터 또는 증기 터빈)에 의해 일반적으로 제어되는 회전으로 인한 원심 가속도의 형태로 에너지를 가스에 제공하는 소위 원심 압축기가 있다.
원심 압축기에는, 소위 단단(single-stage) 구조의 단일 임펠러, 또는 직렬로 배열된 복수의 임펠러(이러한 경우에 다단 압축기로 지칭됨)가 제공될 수 있다. 보다 정확하게는, 원심 압축기의 각 단은, 통상 압축될 가스를 위한 흡입 도관과, 가스에 운동 에너지를 제공할 수 있는 임펠러와, 임펠러로부터의 배출구에서 가스의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환하는 역할을 하는 디퓨저(diffuser)로 이루어진다.
한편, 다른 타입의 압축기에서는, 각각의 실린더내에서 왕복 운동할 수 있는 하나 이상의 피스톤에 의해 유체가 압축된다. 압축될 유체는 하나 이상의 흡입 도관을 통해 실린더내로 흡입되는 한편, 압축된 유체는 실린더로부터 하나 이상의 배출 도관을 향해서 배출된다. 일반적으로, 왕복 압축기의 피스톤 또는 피스톤들은 운동을 전달하는 크랭크샤프트 및 통상의 로드-크랭크 메커니즘(rod-crank mechanism)을 통해 전기 모터 또는 내연 기관에 의해 작동된다.
하나 이상의 원심형 또는 축류형 압축기가 제공된 가스 압축 플랜트에 있어서, 소위 서지 방지 시스템(antisurge system)은 종종 가스 유량이 매우 적더라도 압축기의 작동이 가능하도록 적절하게 설계되고 크기 설정되어 있다. 실제로, 공지된 바와 같이, 압축기내로 도입되는 가스의 유량은 소정 한계값 이하로 적어지지 않아야 하며, 그렇지 않으면 압축기는 서지 상태에서 작동하게 된다.
서지(surge)는 압력-유량 곡선이 일정해지는 지점에 압축기가 도달할 때 생기는 가스 유동의 불안정 현상이다. 이러한 작동 상태로부터, 유량이 더 감소하면, 압축기는 하류측 저항에 대항하기에 충분한 압력을 생성할 수 없다. 보다 정확하게는, 압축기의 배출 압력은 압축기의 하류측 플랜트에 있어서의 압력보다 낮다. 이러한 상태는 가스 유동이 압축기로 역류되게 한다. 특히, 이러한 상태는 유동의 역류에 의해 유발되는 힘 및 진동으로 인해 기계의 기계적 건전성(mechanical integrity)을 위태롭게 한다. 이러한 이유로, 서지 방지 시스템은, 기계가 서지 상태에서 작동하는 것을 방지하도록, 충분히 많은 가스량의 재순환을 허용한다.
서지 방지 시스템은 폐회로 재순환 파이프, 관련 서지 방지 밸브, 및 압축기의 하류측 플랜트 부분에 배치된 릴리프 밸브(relief valve)를 포함할 수 있다. 폐회로 재순환 파이프를 구비한 압축 플랜트에 있어서, 서지 현상을 야기하는 임계값 이하로 가스 유량이 떨어지면, 적절한 밸브가 재순환 파이프를 통해 배출 도관으로부터 흡입 도관으로 가스를 복귀시킨다. 그에 따라, 압축기에 의해 가스에 제공된 일은 주로 서지 방지 밸브를 통해 재순환 파이프내에서 소산되며, 발생된 열은 통상 냉각 장치에 의해 제거된다. 다시 말해서, 압축기가 재순환 상태에서 작동할 때, 압축기가 가스에 제공할 수 있는 헤드(즉, 압력 증가)는 재순환 파이프내에서 소산되어야 한다. 일반적으로, 이것은, 가스 압력을 감소시키거나, 또는 전문 용어를 사용하면 가스를 "라미네이팅(laminating)"하기 위해 서지 방지 밸브의 개방을 통해 생긴다.
서지 방지 시스템이 압축기를 통과하는 가스의 전체 유량을 재순환시키면, 관련 작동 모터에 의해 압축기에 제공된 전체 기계 에너지는 열로 변환되고, 이러한 열은 플랜트내에 있는 냉각 장치에 의해 제거된다. 그에 따라, 서지 상태에서 압축기가 작동하는데 필요한 에너지는 재순환 유량의 비율에 따라 손실되는데, 이는 재순환 파이프에서의 가스에 의해 버려진 열을 회수하기는 통상적으로 어렵기 때문이다.
실제로, 지금까지, 압축기가 재순환 상태에서 작동하는 경우 단지 에너지 손실을 부분적으로 저감하는 방법은, 서지 방지 알고리즘에 작용함으로써, 즉 재순환 파이프 및 관련 서지 방지 밸브의 사이즈를 변경함으로써, 또는 속도, 가동 블레이드(mobile blade) 등을 변경하는 시스템과 같은 조정 시스템에 의해 압축기의 작동 특성을 변경함으로써 재순환 가스의 양을 최소화하는 것이다. 모든 경우에 있어서, 가스 또는 탄화수소를 이송하는 플랜트에 적용될 수도 있는 이러한 시스템에서는, 최소의 작동 유량을 임의대로 감소시킬 수는 없다.
따라서, 본 발명의 포괄적인 목적은 종래 기술의 상기 문제점을 극복할 수 있는 가스 압축 플랜트에 있어서의 에너지 회수 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은, 가스 압축 플랜트의 압축기 또는 압축기들이 가스 재순환 상태에서 작동할 때 생기는 에너지 손실을 유용한 일로 적어도 부분적으로 변환할 수 있는 가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 온실 효과의 감소를 위해 연료 소비 및 열 방출을 낮게 유지하는 동시에 가스 압축 플랜트 자체의 전체 성능을 향상시킬 수 있는 가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 상기 목적 및 다른 목적은 청구항 1에 기재된 가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 특징은 본 명세서의 필수 부분인 종속 청구항에 강조되어 있다.
본 발명에 따른 가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템의 특징 및 이점은 첨부 개략도와 관련하여 예시로서 주어진 것으로 이에 한정되지 않는 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따라 제조된 가스 압축 플랜트의 전체 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 에너지 회수 시스템의 제 1 실시예가 제공된 가스 압축 플랜트의 전체 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 에너지 회수 시스템의 제 2 실시예가 제공된 가스 압축 플랜트의 전체 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 에너지 회수 시스템의 구성부품의 수직 단면 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 에너지 회수 시스템이 제공된 가스 압축 플랜트에 장착될 수 있는 일반적인 원심 압축기에 대한 성능 곡선을 도시하는 다이어그램,
도 6은 본 발명에 따른 에너지 회수 시스템의 제 3 실시예가 제공된 가스 압축 플랜트의 전체 개략도.
각 도면에 있어서, 동일한 도면부호는 이전 도면 및/또는 이후 도면의 동일한 시스템 또는 구성부품에 대응한다.
특히 도 1을 참조하면, 특히 가스 또는 탄화수소를 이송하는 파이프라인용으로서, 종종 가스 재순환 모드로 작동하도록 설계된 타입인 종래 기술에 따른 일반적인 가스 압축 플랜트가 개략적으로 도시되어 있다.
도 1의 플랜트는 적절한 모터 또는 구동장치(12)에 의해 제어되는 일반적으로 원심 타입의 적어도 하나의 압축기(10)를 포함한다. 그리고, 압축기(10)는 흡입 도관(14)으로부터 소정 흡입 압력으로 가스를 흡입하고, 배출 도관(16)을 통해 흡입 압력보다 높은 소정 배출 압력으로 가스를 배출할 수 있다. 배출 도관(16)을 따라서, 필요한 경우 배출 가스 온도를 낮추는 역할을 하는 냉각 장치(30)가 있다는 것을 알 수 있다.
압축기(10)내로 도입되는 가스 자체의 유량이 매우 작아서 배출 도관(16)내의 가스 압력이 배출 도관(16)의 하류측 플랜트에서의 압력보다 낮아지는 경우, 플랜트내에는, 소위 서지 불안정 현상의 발생을 방지하기 위해, 가능하면 플랜트 자체의 가스 출구를 폐쇄한 후에 압축기(10)의 바로 하류측에 배치된 배출 도관(16)으로부터 흡입 도관(14)으로 가스를 재지향시킬 수 있는 적어도 하나의 가스 재순환 시스템이 배치되어 있다.
보다 정확하게는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 가스 재순환 시스템(A)은 냉각 장치(30)의 하류측의 배출 도관(16)상에 배치된 입구 지점(20)을 갖는 제 1 재순환 파이프(18)로 도시되어 있다. 그리고, 제 1 재순환 파이프(18)는 모터(12)의 상류측에 배치된 출구 지점(22)을 통해 압축기(10)로부터 흡입 도관(14)내로 저압의 배출 가스를 재도입할 수 있다.
제 1 재순환 파이프(18)상에는, 가스 라미네이팅을 실행하거나, 또는 다시 말해서 상기 파이프(18)를 통한 이송 가스의 압력을 더 감소시킬 수 있는 적어도 하나의 서지 방지 밸브(24)가 배치되어 있다. 또한, 제 1 가스 재순환 시스템(A)은 플랜트로부터의 가스의 출구를 폐쇄하기에 적합한 제 1 차단 밸브(21)를 포함한다.
도 1에 도시된 플랜트에는, 또한 냉각 장치(30)의 하류측의 배출 도관(16)상에 배치된 입구 지점(28)을 구비한 제 2 재순환 파이프(26)를 포함하는 제 2 가스 재순환 시스템(B)(도면에서 점선으로 도시됨)이 있다. 그리고, 제 2 재순환 파이프(26)는 제 1 재순환 파이프(18)의 출구 지점(22)의 하류측에 배치된 출구 지점(32)을 통해 압축기(10)로부터 흡입 도관(14)내로 저압의 배출 가스를 재도입할 수 있다. 제 2 재순환 파이프(26)에도, 가스 라미네이팅을 실행하거나, 또는 다시 말해서 상기 파이프(26)를 통한 이송 가스의 압력을 더 감소시킬 수 있는 적어도 하나의 서지 방지 밸브(34)가 제공된다.
플랜트에는, 제 2 가스 재순환 시스템(B)이 필요없이 제 1 가스 재순환 시스템(A)이 배치될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 압축기(10)의 하류측에 배치된 플랜트의 부분, 보다 정확하게는 제 1 가스 재순환 시스템(A)에는, 터보 팽창기(turbo-expander; 36)가 서지 방지 밸브(24)에 대해 병렬로 장착되며, 이러한 터보 팽창기는 자체의 흡입 도관(40) 및 배출 도관(42)을 구비하고 있다. 터보 팽창기(36) 및 서지 방지 밸브(24)는 서로 협동하고, 가스의 유량 및 압축기(10)의 작동 상태에 따라 터보 팽창기(36) 및 서지 방지 밸브(24)를 작동시키기에 적합한 전자 장치(35)에 의해 제어된다. 또한, 터보 팽창기(36)는 특정 구조 또는 사용 조건에 따라 전술한 것과 완전히 동일한 방식으로 다른 재순환 시스템, 예를 들어 제 2 가스 재순환 시스템(B)에 장착될 수도 있다.
따라서, 상기 경우에 있어서, 플랜트의 정상 작동 동안에, 서지 방지 밸브(24)는 폐쇄되고, 재순환 회로[제 1 가스 재순환 시스템(A)]는 비작동 상태에 있다. 회수 단계 동안에, 플랜트의 하류측의 제 1 차단 밸브(21)가 배출 유동을 차단하는 반면, 서지 방지 밸브(24)가 제 1 가스 재순환 시스템(A)을 개방한다. 재순환이 안정화되자마자, 상기 서지 방지 밸브(24)는, 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 터보 팽창기(36)로 유량을 이송하도록 점진적으로 폐쇄된다. 그러므로, 이러한 경우에, 터보 팽창기(36)는 가스에 의해 작동되며, 이러한 가스는 일단 냉각 장치(30)에 의해 예방적으로 냉각되어진다.
특히, 전자 장치(35)는, 압축기(10)의 흡입 도관(14) 및 배출 도관(16)상의 적절한 위치에 배치된 적절한 센서(S1, S2, S3)에 의해 측정된 유체 유량 변동에 따라 [서지 방지 밸브(24)를 개방하고 제 1 차단 밸브(21)를 폐쇄함으로써] 제 1 가스 재순환 시스템(A)을 작동시키기에 적합하다. 이러한 방식으로, 압축기(10)가 자체의 한계 작동 상태에 가까워질 때 제 1 가스 재순환 시스템(A)을 작동시키는 것이 가능하다.
재순환 모드의 개시 단계 동안에, 센서(S1, S2, S3)에 의해 획득된 압력 및 유량 값에 근거하여, 서지 방지 밸브(24)는 압축기(10)의 작동에 근거해서 가스의 재순환을 안정화하는데 필요한 시간동안 개방 상태를 유지한다. 재순환이 안정화되자마자, 서지 방지 밸브(24)는 헤드를 터보 팽창기(36)로 이송하도록 점진적으로 폐쇄된다.
동시에, 전자 장치(35)는 터보 팽창기(36)내에 배치된 조정가능한 입구 가이드 베인의 경사를 점진적으로 변경하여, 터보 팽창기(36)내로의 가스 유량을 최적화한다(도 4와 관련한 하기의 설명 참조). "입구 가이드 베인(inlet guide vanes)" 또는 IGV는 도 2에 있어서 도면부호(50A)로 포괄적으로 지시된 유공압 회로(hydro-pneumatic circuit)를 통해서 전자 장치에 의해 제어될 수 있다.
따라서, 재순환 모드로 작동하는 경우, 가스 자체가 기계적 파워(mechanical power)를 발생할 수 있는 터보 팽창기에서 팽창하게 되므로, 압축기(10)에 의해 가스에 주어진 기계적 압력 에너지는 열의 형태로 완전히 소산되는 대신에 적어도 부분적으로 회수된다.
터보 팽창기(36)는 발전기(38)와 기계적으로 연결되어, 터보 팽창기(36) 자체에 의해 생성된 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 이러한 전기 에너지는 예를 들어 압축 플랜트에 연결된 기계장치를 작동하는데 사용될 수 있거나, 그리드(grid)내로 직접적으로 방사될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 변형 실시예를 갖는 도 2의 플랜트를 도시하며, 이러한 시스템은, 특히 서로 협동하고 서로 병렬로 배치되며 냉각 장치(30)의 하류측의 압축기(10)의 배출 도관(16)에 연결된 터보 팽창기(46) 및 제 2 차단 밸브(33)를 포함한다. 상세하게는, 터보 팽창기(46) 및 제 2 차단 밸브(33)에는 각각 자체의 흡입 및 배출 도관(46A, 46B; 33A, 33B)이 제공되며, 또한 흡입 도관(46A, 33A)은 압축기(10)의 하류측에 배치되고, 배출 도관(46B, 33B)은 냉각 장치(30)의 상류측에 배치된다.
이러한 경우에, 제 2 차단 밸브(33)가 배출 도관(16)을 개폐하도록 작동하지만, 프로세스 가스를 라미네이팅하도록 작동하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 그러므로, 플랜트의 정상 작동 동안에, 제 2 차단 밸브(33)가 통상 개방되어 있으므로, 프로세스 유체는 흡입 및 배출 도관(33A, 33B)을 통과한다. 반대로, 회수 모드 동안에, 제 1 차단 밸브(21)가 폐쇄되고 제 2 차단 밸브(33)가 점진적으로 폐쇄되어, 재순환이 안정화되면, 도 2의 플랜트에 관하여 전술된 것과 완전히 동일한 방식으로 터보 팽창기(46)로 유량을 이송한다.
터보 팽창기(36 또는 46)는 그 자체가 공지된 구조적 구성에 근거하여 단단 타입 또는 다단 타입일 수 있다. 도 4는 순전히 예로서 주어진 것으로서, 단단 타입의 터보 팽창기(36)(또는 46)의 단면도를 도시하고 있다. 터보 팽창기는 적어도 하나의 분배 도관(distribution conduit; 44A)이 형성되고 또한 흡입 도관(40)(또는 46A)으로부터 도입된 가스를 임펠러(48)를 향해서 이송하기에 적합한 스테이터 케이싱(44)으로 구성되어 있다.
분배 도관(44A)에서 임펠러(48)를 향해서 이송된 가스의 유량을 조정하기에 적합하고 스테이터 케이싱(44)에 고정적으로 부착되는, 전문 용어인 IGV로서 공지된 하나 이상의 "조정가능한 입구 가이드 베인"(50)이 있다는 것을 알 수 있다. 특히 유리한 본 발명의 실시예에 있어서, 조정가능한 입구 가이드 베인(50)은 라미네이션 밸브(서지 방지 밸브; 24) 또는 제 2 차단 밸브(33)에 대해 적절한 전자 제어 수단(35)을 통해 동등하게 제어된다. 임펠러(48)는 전동 그룹(transmission group; 52)을 통해 발전기(38)에 회전 연결되도록 샤프트(54)를 설정한다. 그리고, 임펠러(48)로부터의 배출 가스는 발산 도관(divergent conduit; 56)을 통해 이송된다.
다른 태양에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따른 에너지 회수 시스템을 포함하는 가스 압축 플랜트에 관한 것이다.
또 다른 태양에 따르면, 본 발명은 재순환 모드 동안에 가스 압축 플랜트에서 에너지를 회수하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은, 적어도,
- 압축기(10)의 하류측에 병렬로 연결된 적어도 터보 팽창기(36 또는 46) 및 라미네이션 밸브(24) 또는 제 2 차단 밸브(33)를 제공하는 단계와,
- 압축기(10)의 작동 상태 및 가스 유량에 따라 라미네이션 밸브(24) 또는 제 2 차단 밸브(33) 및 터보 팽창기(36 또는 46)를 작동시키는 단계를 포함한다.
더욱이, 회수 모드 동안에, 플랜트의 출구는 제 1 차단 밸브(21)에 의해 폐쇄된다.
유리하게, 제 1 차단 밸브(21) 및 라미네이션 밸브(24) 또는 제 2 차단 밸브(33)는, 압축기(10)의 작동 상태(P1)(도 5)가 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 사전 설정될 수 있는 파라미터에 따라 한계 작동 상태(P2)에 도달하는 것을 회피하도록 작동된다.
본 발명의 유리한 실시예에 있어서, 밸브(24 또는 33)를 작동시키는 단계는 상기 밸브가 터보 팽창기(36 또는 46)로 헤드를 이송하도록 점진적으로 폐쇄되는 제 1 하위 단계를 구비한다. 이러한 제 1 하위 단계 동안에, 터보 팽창기(36 또는 46)의 입구 가이드 베인(50)의 경사를 점진적으로 변경하여 가스 유량을 제어하도록 할 수 있다.
유리하게, 상기 작동 단계는 가스가 재순환 시스템을 통과하여 재순환 시스템이 안정화되도록 라미네이션 밸브(24)를 완전히 개방하는 개시 하위 단계를 포함한다.
대안적으로, 개시 하위 단계에 있어서, 제 2 차단 밸브(33)는 플랜트의 정상 작동 동안에 가스가 통과하도록 통상적으로 개방될 수 있다.
도 5는 유량(Q)을 X축에 나타내고 압축비(P0/P1)를 Y축에 나타내는 일반적인 원심 압축기의 "성능 맵(performance map)"을 개략적으로 도시하고 있으며, 이로부터 유체의 소정 상태에서 일정한 회전에 대해서 특성 곡선(V1, V2, V3), 서지 한계 라인(SLL) 및 서지 제어 라인(SCL)이 얻어진다.
(도 5의 좌측상의) 서지 한계 라인(SLL)을 초과하면 압축기가 서지 상태에서 작동한다는 것이 이해되어야 한다. 그에 따라, 압축기(10)의 작동 상태(P1)는 (도 5의 좌측상의) 서지 제어 라인(SCL)상에 위치된 작동 상태(P2)까지 안전하게 변할 수 있고, 이 서지 제어 라인을 초과하면 압축기(10)는 더 이상 안전하게 작동하지 못한다. 또한, 서지 한계 라인(SLL)을 초과하면(P3 점), 압축기(10)는 서지 상태에서 작동하여 손상을 입을 수 있다.
유리하게, 전자 장치(35)는 유체의 작동 상태(P1)를 연속적으로 검출하고, 상기 상태가 서지 제어 라인(SCL)(P2 점)에 가까워지면, 본 발명에 따른 회수 시스템을 작동하여 이러한 작동 상태를 안전한 값내로 복귀시켜서 압축기(10)를 보호하는 동시에 유용한 에너지를 생성한다.
마지막으로, 도 6은 압축기(10)의 하류측 및 냉각 장치(30)의 상류측에 배치된 플랜트의 부분에 있어서 터보 팽창기(136)가 서지 방지 밸브(24)에 대해 병렬로 장착되어 있는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다.
특히, 터보 팽창기(136)는 압축기(10)와 냉각 장치(30) 사이에서 배출 도관(16)과 유체적으로 연결된 입구 도관(136A)과, 서지 방지 밸브(24)의 하류측의 순환 파이프(18)와 유체적으로 연결된 출구 도관(136B)을 구비한다. 출구 도관(136B)에는, 추가적인 냉각 장치가 유체를 냉각하고 있음을 알 수 있다. 이러한 경우에 있어서도, 터보 팽창기(136) 및 서지 방지 밸브(24)는 서로 협동하고 또한 전자 장치(35)에 의해 제어되며, 상기 전자 장치(35)는 압축기(10)의 작동 상태 및 가스 유량에 따라 터보 팽창기(136) 및 서지 방지 밸브(24)를 작동하는데 사용된다.
플랜트의 정상 작동 동안에, 서지 방지 밸브(24)는 폐쇄되고, 재순환 회로(A)는 비작동 상태에 있다. 회수 단계 동안에, 플랜트의 하류측의 제 1 차단 밸브(21)는 배출 유동을 차단하는 반면, 서지 방지 밸브(24)는 제 1 가스 재순환 시스템(A)을 개방한다. 재순환이 안정화되자마자, 상기 서지 방지 밸브(24)는 터보 팽창기(136)로 가스 유량을 이송하도록 점진적으로 폐쇄된다. 그러므로, 이러한 경우에, 터보 팽창기(136)는 냉각 장치(30)에 의해 냉각되기 이전의 가스에 의해 작동된다.
특히, 이러한 경우에 있어서도, 전자 장치(35)는, 압축기(10)의 흡입 도관(14) 및 배출 도관(16)상의 적절한 위치에 배치된 센서(S1, S2, S3)에 의해 측정된 유체 유량 변동에 따라 서지 방지 밸브(24)를 개방하고 제 1 차단 밸브(21)를 폐쇄함으로써 제 1 가스 재순환 시스템(A)을 작동시키는데 사용된다.
재순환 모드의 개시 단계 동안에, 서지 방지 밸브(24)는 [일반적으로 상기 센서(S1, S2, S3)에 의해 검출된 압력 및 유량 변동을 검사함으로써] 압축기(10)의 작동에 따라 가스의 재순환을 안정화하는데 필요한 시간동안 개방 상태를 유지한다. 재순환이 안정화되자마자, 서지 방지 밸브(24)는 부하(load)를 터보 팽창기(136)로 이송하도록 점진적으로 폐쇄된다. 동시에, 전자 장치(35)는 유공압 회로(50A)에 의해 상기 터보 팽창기(136)의 조정가능한 입구 가이드 베인의 경사를 점진적으로 변경하여, 터보 팽창기에서의 가스 유량을 최적화한다.
본 발명에 따른 회수 시스템에 따르면, 압축 플랜트의 가스 재순환 시스템내에서 손실되는 에너지의 70%까지 회수하는 것이 가능하다. 압축기(10)에 의해 가스에 수용되는 엔탈피(enthalpy)로 구성되는 상기 에너지는 우선 터보 팽창기(36, 46, 136)에 의해 기계 에너지로 변환된 후에, 발전기(38)에 의해 유용한 전기 에너지로 변환된다.
따라서, 본 발명에 따른 가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템은 전술된 주요 목적을 달성하며, 특히 종종 가스 재순환 모드로 작동하는 압축기와 결합되는 경우 효과적이다.
전술된 본 발명의 가스 압축기 플랜트에 있어서의 에너지 회수 시스템은 모든 경우에서 동일 발명 개념에 의해 모두 커버되는 다양한 변형 및 수정을 포함할 수 있으며, 더욱이 모든 상세 내용은 기술적으로 동등한 요소에 의해 대체될 수 있다. 사실상, 사용된 재료뿐만 아니라, 형상 및 사이즈는 기술 요건에 따라 임의로 선택될 수 있다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다.
10 : 압축기 14 : 흡입 도관
16 : 배출 도관 21, 33 : 차단 밸브
24 : 서지 방지 밸브 또는 라미네이션 밸브
30 : 냉각 장치 35 : 전자 장치
36, 46, 136 : 터보 팽창기 50, 150 : 입구 가이드 베인 또는 IGV
A, B : 가스 재순환 시스템

Claims (11)

  1. 가스 압축 플랜트에 있어서의 에너지 회수 시스템으로서,
    흡입 도관(14)으로부터 소정 흡입 압력으로 가스를 흡입하고, 배출 도관(16)을 통해 상기 흡입 압력보다 높은 소정 배출 압력으로 가스를 배출할 수 있는 적어도 하나의 압축기(10)와,
    상기 압축기(10)내로 도입되는 가스 유량이 소정 한계값 이하인 경우, 상기 배출 도관(16)으로부터 상기 흡입 도관(14)으로 가스를 재지향시킬 수 있는 적어도 하나의 가스 재순환 시스템(A, B)을 포함하는, 상기 가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템에 있어서,
    상기 압축기(10)의 하류측에 배치된 가스 압축 플랜트의 부분에는, 적어도 하나의 터보 팽창기(36, 46, 136) 및 적어도 하나의 밸브(24, 33)가 병렬로 장착되며, 상기 적어도 하나의 터보 팽창기(36, 46, 136) 및 상기 적어도 하나의 밸브(24, 33)는, 서로 협동하고, 전자 장치(35)에 의해 제어되어, 재순환 모드 동안에 상기 압축기(10)를 보호하는 동시에 유용한 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브(24, 33)는 상기 가스 재순환 시스템(A, B)의 서지 방지 밸브(24)이거나, 또는 상기 압축기(10)의 하류측에 배치된 상기 가스 압축 플랜트의 부분에서의 가스 유동을 조정하도록 구성된 차단 밸브(33)인 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브(24, 33)는 재순환이 안정화되자마자 상기 터보 팽창기(36, 46, 136)로 부하를 점진적으로 이송하도록 구성된 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 터보 팽창기(36, 46, 136)는 조정가능한 입구 가이드 베인(50, 150)을 포함하며, 상기 입구 가이드 베인(50, 150)의 경사는 상기 밸브(24, 33)에 의해 실행되는 부하 이송에 따라 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 차단 밸브(33) 및 상기 터보 팽창기(46)는 상기 배출 도관(16)을 따라 배치된 냉각 장치(30)의 상류측에서 상기 압축기(10)의 배출 도관(16)과 유체적으로 연결되도록 배치되는
    가스 압축 플랜트의 에너지 회수 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 에너지 회수 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트.
  7. 재순환 모드 동안에 가스 압축 플랜트에서 에너지를 회수하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 압축기(10)의 하류측에 배치된 가스 압축 플랜트의 부분에서 병렬로 연결된 적어도 하나의 터보 팽창기(36, 46, 136) 및 적어도 하나의 밸브(24, 33)를 제공하는 단계와,
    상기 적어도 하나의 압축기(10)의 작동 상태 및 가스 유량에 따라 상기 밸브(24, 33) 및 상기 터보 팽창기(36, 46, 136)를 작동시키는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트에서의 에너지 회수 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸브(24)는 재순환 시스템(A, B)을 개방하도록 작동되어, 상기 적어도 하나의 압축기(10)의 작동 상태(P1, P2, P3)가 한계 작동 상태(P2)에 도달하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트에서의 에너지 회수 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 밸브(24, 33)를 작동시키는 단계는 상기 터보 팽창기(36, 46, 136)를 향해 부하를 점진적으로 이송하도록 상기 밸브(24, 33)를 점진적으로 폐쇄하는 제 1 하위 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트에서의 에너지 회수 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브(24, 33) 및 상기 터보 팽창기(36, 46, 136)를 작동시키는 단계는 상기 터보 팽창기(36, 46, 136)의 입구 가이드 베인(50, 150)의 경사를 점진적으로 변경하여 상기 밸브(24, 33)에 의해 점진적으로 이송되는 가스 유량을 제어하는 하위 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트에서의 에너지 회수 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브(24, 33) 및 상기 터보 팽창기(36, 46, 136)를 작동시키는 단계는 상기 재순환 시스템(A, B)으로 가스를 통과시키도록 라미네이션 밸브(24)를 개방하는 개시 하위 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축 플랜트에서의 에너지 회수 방법.
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