KR20110140105A - 압축기 입구에서 가동성 입구 가이드 베인들을 사용하는 터보익스팬더 및 방법 - Google Patents

압축기 입구에서 가동성 입구 가이드 베인들을 사용하는 터보익스팬더 및 방법 Download PDF

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가브리엘 마리오띠
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스테파노 기랄도
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

터보익스팬더-압축기 시스템은 도입 가스를 팽창시키도록 구성되고 익스팬더 임펠러를 갖는 익스팬더; 상기 익스팬더(expander)에 부착되고 상기 도입 가스의 압력을 제어하도록 구성된 제 1 세트의 가동성 입구 가이드 베인들; 상기 익스팬더로부터 수용된 가스를 압축하도록 구성되고 압축기 임펠러를 갖는 압축기; 상기 익스팬더 임펠러와 상기 압축기 임펠러를 지지하고 회전시키도록 구성된 샤프트; 상기 압착기에 부착되고 상기 압축기로의 가스 입력의 압력을 제어하도록 구성된 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들; 및 상기 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들에 연결된 제어기를 포함하고; 상기 제어기는, 상기 샤프트의 회전 속도, 상기 도입 가스의 압력과 온도, 및 상기 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력과 온도에 관한 정보를 얻고; 그리고 상기 샤프트의 회전 속도와 상기 익스팬더를 가로지르는 엔탈피 강하 간의 비율을 오프-디자인(off-design) 조건으로 최대화하여 상기 압축기로의 가스 입력의 압력을 조절하기 위하여 상기 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들을 제어하도록 구성된다.

Description

압축기 입구에서 가동성 입구 가이드 베인들을 사용하는 터보익스팬더 및 방법{TURBOEXPANDER AND METHOD FOR USING MOVEABLE INLET GUIDE VANES AT COMPRESSOR INLET}
설명된 본 발명의 실시예는 일반적으로 압축기 입구에서 가동성 입구 가이드 베인들을 사용하는 익스팬더의 향상된 작동을 달성하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
터보익스팬더들은 산업 냉동(industrial refrigeration), 오일 및 가스 처리를 위해 그리고 저온 공정(processes)에서 광범위하게 사용된다. 터보익스팬더는 예를 들어 집합적으로 천연가스액들(natural gas liquids; NGL)로 불리는 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 노멀 부탄(normal butane)(n-C4H10), 이소부탄(i-C4H10), 펜탄 및 고분자량 하이드로카본(hydrocarbons)과 같은 대량의 하이드로카본 가스들을 천연 가스로부터 추출하기 위해 사용된다. 익스팬더(expander) 내에서 원료 가스의 팽창 결과로 기체-액체 혼합물은 보통 기체 스트림과 액체 스트림으로 분리된다. 천연가스액들 중 대부분은 잔류 가스 스트림으로부터 개별로 액체 스트림을 출력함으로써 제거되고, 그런 다음 압축되어 보통 다운스트림 유저들(downstream users)에게 보내진다.
도 1은 터보익스팬더(10)와 압축기(20)가 동일 샤프트(30)에 배열된 임펠러들(impellers)을 갖는 종래 기술의 터보익스팬더-압축기 시스템(100)을 도시한다. 통상적으로, 터보익스팬더(10)는 도입 가스(40)가 내측에서 팽창되는 원심 또는 축방향 흐름 익스팬더이다. 가스 팽창은 익스팬더 임펠러(50)의 회전을 일으키는 기계적 작업을 생성한다. 팽창된 가스는 가스 흐름(60)으로서 출력된다. 터보익스팬더(10)로부터의 가스 흐름(60) 출력은 압축기(20)(즉, 가스 흐름(70))에 입력된다.
터보익스팬더(10)에 진입할 때에 압력(p1)과 온도(T1)를 갖는 도입 가스(40)의 팽창(등엔트로피 팽창이 계산 목적을 위해 사용될 수 있음) 후에, 가스 흐름(60)은 상기 압력(p1)과 온도(T1) 보다 비교적 낮은 압력(p2)과 온도(T2)를 갖는다.
압축기 임펠러(80)가 익스팬더 임펠러(50)와 동일 샤프트(30)에 장착되므로, 익스팬더 임펠러(50)의 회전은 압축기 임펠러(80)의 회전을 일으킨다. 이러한 방식에서, 터보익스팬더(10)에서 생성된 기계적 작업은 압축기(20)에 전달된다. 익스팬더 임펠러(50), 압축기 임펠러(80) 및 샤프트(30)는 동일 속도로 회전한다. 압축기 임펠러(80)의 회전 에너지는 압축기(20)에 압력(P3)에서 가스 흐름(70) 입력을 압축하기 위해 이 압축기(20)에서 사용된다. 압축기(20)는 압력(P3) 보다 높은 압력(P4)을 갖는 출력 가스 흐름(90)을 출력한다.
터보익스팬더(10)에 진입하는 도입 가스(40)의 압력은 종종 설계 값 주위에 유지되도록 제어된다. 예를 들면, 한 세트의 표준 가동성 입구 가이드 베인들(도 1에 도시되지 않음)은 터보익스팬더(10)에 진입하는 도입 가스(40)의 압력을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
이상적으로, 설계 조건으로, 도입 가스(40)의 압력(p1)과, 터보익스팬더(10)로부터의 가스 흐름(60) 출력의 압력(p2)은 미리 결정된 값들(즉, 미리 결정된 값들 주위의 범위내)을 갖는다. 압력들(P2, P1)이 미리 결정된 값들을 가질때에, 샤프트의 속도(u)는 설계 값에 근접한다. 그러나, 터보익스팬더-압축기 시스템은 설계 조건들과 다른 조건으로 동시에 작용한다.
일반적으로, 터보익스팬더 효율은 (ⅰ) 샤프트 속도(u)와 (ⅱ) 터보익스팬더(10)를 가로지르는 등엔트로피 엔탈피(isoentropic enthalpy) 강하의 비율과 관련이 있다. 그러나, 실제 변환은 터보익스팬더(10)에서 발생한다. 실제 변환은 가스 조성물, 도입 가스(40)의 압력(p1)과 온도(T1), 및 터보익스팬더(10)로부터의 가스 흐름(60) 출력의 압력(p2)과 온도(T2)를 알고 있을 때에 결정된다. 터보익스팬더(10)를 가로지르는 등엔트로피 엔탈피 강하는 가스 조성물, 압력(p1), 온도(T1), 및 압력(p2)을 알면 계산할 수 있다.
압축기(20)에서의 압축은 샤프트(30)의 속도(u)를 변경함으로써 터보익스팬더 효율에 부정적인 영향을 미친다. 따라서, 오프-디자인(off-design) 조건에서, 터보익스팬더 효율은 단일 변수인 도입 가스(40)의 압력(p1)이 조절될 때에 최적화되지 않는다. 도입 가스(40)의 압력(p1)만을 조절하는 것은 터보익스팬더 효율을 최적화할 수 있는 조작자 성능을 제한한다.
에너지의 부가적인 소스가 사용된다면, 압축은 익스팬더(10)에서의 팽창의 부산물(by-product)이다. 압축 효율은 압축기(20)내의 가스 입력의 압력(P3)과, 샤프트(30)의 회전 속도(u)와 동일한 압축기 임펠러의 회전 속도에 의해 결정된다.
도입 가스(40)의 압력(p1)만을 조절할 수 있는 종래 기술의 터보익스팬더-압축기 시스템에서, 조작자는 오프-디자인 조건에 의한 샤프트(30)의 회전 속도(u)를 완전히 제어하기 위한 수단(leverage)을 가지고 있지 않다.
따라서, 상술한 문제점들과 단점들을 회피하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
하나의 예시적인 실시예에 따르면, 터보익스펜더-압축기 시스템은 익스팬더, 제 1 세트의 가동성 입구 가이드 베인들, 압축기, 샤프트, 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들 및 제어기를 포함한다. 익스팬더는 도입 가스를 팽창시키도록 구성되고 익스팬더 임펠러를 갖는다. 제 1 세트의 가동성 입구 가이드 베인들은 익스팬더(expander)에 부착되고, 도입 가스의 압력을 제어하도록 구성된다. 압축기는 익스팬더로부터 수용된 가스를 압축하도록 구성되고, 압축기 임펠러를 갖는다. 샤프트는 익스팬더 임펠러와 압축기 임펠러를 지지하고 회전시키도록 구성된다. 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들은 압착기에 부착되고 압축기로의 가스 입력의 압력을 제어하도록 구성된다. 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들에 연결된 제어기는 샤프트의 회전 속도, 도입 가스의 압력과 온도, 및 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력과 온도에 관한 정보를 얻도록 구성된다. 또한, 제어기는 샤프트의 회전 속도와 익스팬더를 가로지르는 엔탈피 강하 간의 비율을 오프-디자인(off-design) 조건으로 최대화하여 압축기로의 가스 입력의 압력을 조절하기 위하여 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들을 제어하도록 구성된다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 익스팬더 임펠러가 익스팬더에 의한 가스 흐름 출력을 압축하는 압축기의 압축기 임펠러에 샤프트를 거쳐서 연결되어 있는 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력과 온도에 관한 제 1 정보를 수용하는 단계와; 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력에 관한 제 2 정보를 수용하는 단계와; 압축기 임펠러와 익스팬더 임펠러에 부착된 샤프트의 회전 속도에 관한 제 3 정보를 수용하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 터보익스팬더-압축기 시스템이 수용된 제 1, 제 2 및 제 3 정보에 기초한 오프-디자인 조건으로 작동하는 때를 결정하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건으로 작동하는 것을 결정할 때에, 샤프트의 회전 속도와 익스팬더를 가로지르는 엔탈피의 강하 사이의 비율을 미리 결정된 값과 비교하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 미리 결정된 값에 근접한 비율로 되게 압축기로의 가스 입력의 압력을 조절하기 위해, 익스팬더에 의한 가스 출력이 압축기 입구를 통해 압축기에 진입하는 압축기 입구에 연결된 가동성 입구 가이드 베인들의 압축기 세트를 제어하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하도록 구성된 제어기는 인터페이스 및 제어 유닛을 구비한다. 터보익스팬더 압축기 시스템은 익스팬더 임펠러를 갖는 익스팬더와, 압축기 임펠러를 갖는 압축기를 구비하며, 익스팬더 임펠러 및 압축기 임펠러는 동일 샤프트에 의해 회전되며, 압축기는 익스팬더에 의한 가스 출력을 압축한다. 인터페이스는, 익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력과 온도, 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력과 온도, 및 샤프트의 회전 속도에 관한 정보를 수용하고, 그리고 압축기내의 가스 입력의 압력을 제어하도록 구성된 입구 베인들의 압축기 세트에 명령을 출력하도록 구성된다. 제어 유닛은, 인터페이스로부터의 제 1, 제 2 및 제 3 정보를 수용하고, 터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건으로 작동하는 때를 결정하며, 그리고 샤프트의 회전 속도와 익스팬더를 가로지르는 엔탈피 강하 사이의 비율을 오프-디자인 조건으로 미리 결정된 범위 내로 유지하기 위해 가동성 입구 가이드 베인들의 압축기 세트를 위한 명령을 발생하도록 구성된다.
본 명세서에 합체되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 하나 이상의 실시예들을 도시하고, 상세한 설명과 함께 이들 실시예들을 설명한다.
도 1은 종래 기술의 터보익스팬더-압축기 시스템의 개략도.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 터보익스팬더-압축기 시스템의 개략도.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 터보익스팬더-압축기 시스템을 도시한 도면.
도 4는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하는 방법의 흐름도.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하는 방법의 흐름도.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 제어기를 도시한 도면.
예시적인 실시예들의 하기 상세한 설명은 첨부 도면들을 참조한다. 다른 도면들에서 동일한 참조 부호들은 동일 또는 유사한 부재들을 나타낸다. 하기 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 하기 실시예들은 명료화를 위해, 터보익스팬더-압축기 시스템의 구성과 전문용어에 관해 기술된다. 그러나, 다음에 설명될 실시예들은 이들 시스템에 제한되지 않고, 익스팬더에 의해 생성된 작업을 익스팬더에 의한 가스 출력을 압축하는 압축기에 전달하는 다른 시스템에 적용될 수 있다.
"일 실시예" 또는 "한 실시예"에 대한 명세서에서의 참조는 실시예와 관련하여 기재된 특정 형상들, 구성들, 또는 특징들이 설명된 특정 주제의 적어도 일 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 명세서를 통한 다양한 위치에서 "일 실시예에서" 또는 "한 실시예에서"의 문구의 상황은 동일한 실시예를 반드시 참조할 필요가 없다. 더욱이, 특정 형상들, 구성들 또는 특징들은 하나 이상의 실시예에서 어떤 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 터보익스팬더-압축기 시스템(200)의 개략도를 도시한다. 익스팬더(210)는 익스팬더 임펠러(212)를 갖는다. 익스팬더(210)는 도입 가스 흐름(flow)(214)을 수용한다. 익스팬더(210) 내측에서, 가스는 팽창하고, 따라서 익스팬더 임펠러(212)의 회전을 일으킨다. 팽창된 가스는 가스 흐름(216)으로서 익스팬더(210)로부터의 출력이다.
터보익스팬더-압축기 시스템(200)이 설계 조건으로 작용할 때에, 도입 가스 흐름(214)의 압력(p1)과 온도(T1) 뿐만 아니라 가스 흐름(216)의 압력(p2)과 온도(T2)는 미리 결정된 값들에 근접한 값을 갖는다. 그러나, 이 때에, 터보익스팬더-압축기 시스템은 오프-디자인(off-design) 조건으로 작용한다. 오프-디자인 조건이 발생하면, 도입 가스 흐름(214)의 압력(p1)은 예를 들어 제 1 세트의 가동성 입구 가이드 베인들(IGV1)(218)을 사용하여 각각 미리 결정된 값에 다시 근접하게 되도록 조절된다. IGV1(218)은 익스팬더(210)의 입구에 부착되어 있다.
도입 가스 흐름(214)이 대량의 하이드로카본(hydrocarbons) 가스들을 포함하는 가스 혼합물인 경우, 대량의 하이드로카본 가스들 중 대부분은 팽창으로 인해 달성된 저온에서 액화한다. 일 적용에서, 액화된 대량의 하이드로카본 가스들은 세퍼레이터(separator)(Sep)(220)에 의해 독립 액화 스트림으로 익스팬더(210)로부터 제거될 수 있다.
도 2에 도시된 터보익스팬더-압축기 시스템(200)에서, 압축기(224)는 압축기 임펠러(226)를 갖는다. 압축기(224)는 익스팬더(210)로부터의 가스 흐름(216)을 수용하고 압축된 가스 흐름(228)을 출력한다. 그러나, 익스팬더(210)와 압축기(224) 사이에서, 가스 흐름(216)의 압력은 다른 처리 구성부품들(예를 들면, 세퍼레이터, 냉각기, 베인)과 압력 손실로 인해 변경될 수 있고, 가스 흐름(216)은 압축기(224)에 입력될 때에의 압력(P3)을 갖는다.
가스의 팽창으로 인해 발생된 기계적 작업은 익스팬더 임펠러(212)를 회전시킨다. 익스팬더 임펠러(212)는 압축기 임펠러(226)와 동일 샤프트(230)에 장착된다. 이러한 구성으로 인해, 압축기 임펠러(226)는 또한 익스팬더(210)에서 가스의 팽창 중에 발생된 기계적 작업으로 인해 회전된다. 압축기 임펠러(226)의 회전은 압축기(224)에서 가스를 압축하기 위해 사용된 에너지를 제공한다. 따라서, 부가적인 에너지원이 사용되지 않는다면, 압축은 익스팬더(210)에서 팽창의 부산물(by-product)이다.
반대로, 압축기 임펠러(226)를 회전시키기 위해 필요한 기계적 작업은 부하되어 샤프트(230)의 회전 속도(u)에 영향을 미치고, 이에 의해 익스팬더(210) 내측에서 가스를 팽창시키는 공정에 간접적으로 영향을 미친다.
익스팬더 효율은 샤프트(230)의 회전 속도(u)와, 익스팬더(210)를 가로지르는 엔탈피(ΔH)의 강하의 비율과 관련이 있다. 익스팬더(210)에서 가스 팽창은 등엔트로피 공정으로 근사하게 된다. 익스팬더를 가로지르는 엔탈피(ΔH)의 등엔트로피 강하는 (ⅰ) 익스팬더(210)에 진입하는 도입 가스 흐름(214)의 압력(p1)과 온도(T1), (ⅱ) 익스팬더(210)로부터의 가스 흐름(216) 출력의 압력(p2), 및 (ⅲ) 가스 조성물의 함수로서 평가될 수 있다. 가스 조성물은 수동적으로 일정하게 입력되거나 또는 가스 조성물 분석기의 출력으로 제공된다.
사실, 익스팬더(210)에서의 가스 팽창은 사상적인 등엔트로피 공정이 아니다. 익스팬더(210)를 가로지르는 엔탈피(ΔH)의 강하는 (ⅰ) 익스팬더(210)에 진입하는 도입 가스 흐름(214)의 압력(p1)과 온도(T1), (ⅱ) 익스팬더(210)로부터의 가스 흐름(216) 출력의 압력(p2)과 온도(T2), 및 (ⅲ) 가스 조성물을 사용하여 계산될 수 있다.
익스팬더(210)에서 가스 팽창의 특성 변수들(예를 들어, P1, T1, P2 및 T2)과 샤프트(230)의 회전 속도(u)는 독립적으로 변경되지 않는다. 따라서, 오프-디자인 조건으로, 익스팬더 효율을 최대화하기 위하여, 압축기(224)내의 가스 흐름(216) 입력의 압력(P3)은 예를 들어 압축기 입구에 제공된 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들(IGV2)(232)에 의해 제어될 수 있다. 압축기(224)내의 가스 흐름(216) 입력의 압력(P3)을 변경함으로써, 샤프트(230)의 회전 속도(u)는 변경되고, 따라서, 익스팬더(210)에서 익스팬더 효율은 최대화될 수 있다.
샤프트(230)의 회전 속도(u)는 샤프트(230)와 나란한 익스팬더(210)와 압축기(224) 사이의 위치에서 예를 들어 속도 센서(Su)(234)에 의해 측정될 수 있다. 익스팬더(210)에 진입하는 도입 가스 흐름(214)의 압력(p1)과 온도(T1)는 예를 들어 센서(Sp1)(235)와 센서(ST1)(236)에 의해 각각 측정될 수 있다.
가스 흐름(216)의 압력(p2)과 온도(T2)는 익스팬더(210)의 출력부에서 예를 들어 센서(Sp2)(237)와 센서(ST2)(238)에 의해 각각 측정될 수 있다. 압축기(224)의 입력부에서 가스 흐름(216)의 압력(P3)은 예를 들어 센서(Sp3)(239)에 의해 측정될 수 있다.
제어기(240)는 익스팬더(210)에 진입하는 도입 가스 흐름(214)의 압력(p1)과 온도(T1)와, 압축기(224)에 진입하는 가스 흐름(216)의 압력(p2)과, 샤프트(230)의 회전 속도(u)에 관한 정보를 센서들(234, 235, 236, 237)로부터 각각 얻는다.
일 실시예에서, 제어기(240)는 도입 가스 흐름(214)의 압력(p1)을 미리 결정된 범위 내로 조절하기 위하여 IGV1(218)에 명령(C1)을 보낸다.
얻어진 정보의 모니터링에 기초하여, 제어기(240)는 터보익스팬더-압축기 시스템(200)이 오프-디자인 조건으로 작용할 때를 결정한다. 터보익스팬더-압축기 시스템(200)이 오프-디자인 조건으로 작용하는 것을 제어기(240)가 결정할 때, 제어기(240)는 샤프트(230)의 회전 속도(u)와 익스팬더(210)를 가로지르는 엔탈피(ΔH)의 강하 사이의 비율(R)을 최대화하기 위하여 압축기로의 가스 입력의 압력(P3)을 조절하기 위해 제 2 세트의 IGV2(232)에 명령(C2)을 보낸다.
도 3은 동일 샤프트(230)에 장착된 익스팬더 임펠러(212)를 갖는 익스팬더(210)와, 압축기 임펠러(226)를 갖는 압축기(224)를 구비하는 터보익스팬더-압축기 시스템(201)의 예시적인 실시예를 도시한다. 익스팬더(210)에 진입하는 도입 가스 흐름(214)의 압력(p1)은 상기 세트의 가동성 입구 가이드 베인들(218)에 의해 조절된다. 압축기(224)내의 가스 흐름 입력의 압력(P3)은 상기 세트의 가동성 입구 가이드 베인들(232)에 의해 제어된다. 익스팬더(210), 샤프트(230) 및 압축기(224)는 케이싱(250)으로 둘러싸여 있다. 이 케이싱(250)은 익스팬더(210), 샤프트(230) 및 압축기(224)를 서로에 대해 미리 결정된 위치에 유지한다.
예시적인 실시예에 따르면, 도 4는 익스팬더에 의한 가스 흐름 출력을 압축하는 압축기의 압축기 임펠러에 샤프트를 거쳐서 연결된 익스팬더 임펠러를 갖는 익스팬더를 구비하는 터보익스팬더-압축기 시스템에 의해 실행되는 방법(400)을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 제어기(240)와 유사한 제어기에 의해 실행되는 방법은 S410에서 익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력(p1)과 온도(T1)의 제 1 정보를 수용하는 단계, S420에서 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력(p2)과 온도(T2)의 제 2 정보를 수용하는 단계, 및 S430에서 압축기 임펠러와 익스팬더 임펠러에 부착된 샤프트의 회전 속도(u)의 제 3 정보를 수용하는 단계를 포함한다.
익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력(p1)과 온도(T1)의 제 1 정보는 예를 들어 도 2에 도시된 Sp1(235)과 ST1(236)과 같은 센서에 의해 S405에서 압력(p1)과 온도(T1)를 측정하는 것에 기초하고 있다. 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력(p2)과 온도(T2)의 제 2 정보는 S415에서 압력(p2)을 측정하는 것에 기초하고 있다. 압력(p2)과 온도(T2)는 예를 들어 도 2에 도시된 Sp2(237)와 ST2(238)와 같은 센서에 의해 익스팬더(210)의 출구에서 측정될 수 있다. 샤프트의 회전 속도(u)의 제 3 정보는 S425에서 회전 속도(u)를 측정하는 것에 기초하고 있다. 회전 속도(u)는 도 2에 도시된 Su(234)와 같은 센서에 의해 익스팬더(210)와 압축기(224) 사이에서 샤프트(230)에 인접한 위치에서 측정될 수 있다.
도 4에 도시된 방법은 터보익스팬더-압축기 시스템이 S440에서 오프-디자인 조건으로 작용할 때를 결정하는 단계를 더 포함한다. 터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건으로 작용하지 않는 것을 결정한다면, 이 방법은 P1 및 T1(S410), P2(S420), 및 u(S430)에 관한 정보를 수용하기 위해 다시 순환되어, 터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건(S440)으로 작용하는지를 결정한다.
터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건으로 작용하는 것을 결정한다면, 상기 방법은 샤프트의 회전 속도(u)와 익스팬더를 가로지르는 엔탈피(ΔH)의 강하 사이의 비율(R)을 S450에서 미리 결정된 값(V)과 계산하고 비교하는 단계를 더 포함한다. 엔탈피 강하는 S445에서 P1, T1, P2, T2 및 가스 조성물의 함수를 계산할 수 있다.
상기 방법은 S460에서 미리 결정된 값(V)에 근접한 비율(R)이 되게 압축기로의 가스 입력의 압력(p1)을 조절하기 위해, 익스팬더에 의한 가스 출력이 입구를 통해 압축기에 진입하는 압축기 입구에 연결된 가동성 입구 가이드 베인들의 압축기 세트를 제어하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 미리 결정된 범위 내에서 익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력(p1)을 유지하기 위해 익스팬더의 입구에 배치된 도 2에 도시된 IGV1과 같은 가동성 입구 가이드 베인들의 익스팬더 세트를 조절하는 단계를 더 포함한다.
도입 가스가 대량의 조성물을 포함하는 혼합물인 경우, 상기 방법은 예를 들어 도 2에 도시된 Sep(220)와 같은 세퍼레이터에 의해, 익스팬더에서 액화되는 대량의 조성물을 익스팬더로부터의 가스 출력으로부터 압축기로의 입력으로 분리하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은, 익스팬더 내에서의 가스 팽창이 등엔트로피 공정이라는 것을 가정하면, (ⅰ) 도입 가스의 압력(p1)과 온도(T1), (ⅱ) 익스팬더로부터의 가스 출력의 압력(p2), 및 (ⅲ) 가스 조성물의 함수를 사용하여 익스팬더를 가로지르는 엔탈피의 강하를 계산한다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 도 5는 익스팬더에 의한 가스 흐름 출력을 압축하는 압축기의 압축기 임펠러에 샤프트를 거쳐서 연결된 익스팬더 임펠러를 갖는 익스팬더를 구비하는 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하는 방법(500)을 도시한다.
상기 방법은 S510에서 익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력과 온도에 관한 제 1 정보를 수용하는 단계, S520에서 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력에 관한 제 2 정보를 수용하는 단계, 및 S530에서 압축기 임펠러와 익스팬더 임펠러에 부착된 샤프트의 회전 속도에 관한 제 3 정보를 수용하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 S540에서 터보익스팬더-압축기 시스템이 수용된 제 1, 제 2 및 제 3 정보에 기초하여 오프-디자인 조건으로 작용하는 때를 결정하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 S550에서 터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건으로 작용하는 것을 결정할 때에, 샤프트의 회전 속도와 익스팬더를 가로지르는 엔탈피의 강하 간의 비율을 미리 결정된 값과 비교하는 단계를 또한 포함한다.
상기 방법은 S560에서 미리 결정된 값에 근접한 비율로 되게 압축기로의 가스 입력의 압력을 조절하기 위하여, 압축기 입구에 연결되고 이 입구를 통해 익스팬더에 의한 가스 출력이 압축기 안으로 진입하는 가동성 입구 가이드 베인들의 압축기 세트를 제어하는 단계를 더 포함한다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 제어기를 도시한다. 제어기(600)는 도 2에 도시된 도면부호 200과 같은 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하도록 구성된다. 제어기는 인터페이스(610), 제어 유닛(620) 및 메모리(630)를 포함한다.
인터페이스(610)는 익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력(p1)과 온도(T1), 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력(p2), 및 샤프트의 회전 속도(u)에 관한 정보를 예를 들어 도 2에 도시된 Sp1(235), ST1(236), Sp2(237) 및 Su(234)와 같은 센서들로부터 수용한다. 인터페이스(610)는 또한 익스팬더로부터의 가스 출력의 온도(T2) 및 압축기내의 가스 입력의 압력(p2)에 관한 정보를 도 2에 도시된 ST2(238) 및 Sp3(239)과 같은 센서들로부터 또한 수용한다. 인터페이스(610)는 도 2에 도시된 IGV2(232)와 같은 입력 배인들의 압축기에 명령(C2)을 출력하기 위해 또한 형성된다. 인터페이스(610)는 도 2에 도시된 IGV1과 같은 가동성 입구 가이드 베인들의 익스팬더 세트에 명령(C1)을 출력하기 위해 또한 형성된다.
제어 유닛(620)은 인터페이스(610)에 연결되고, 예를 들어 터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건으로 작용하는 때를 결정하기 위해 인터페이스를 통해 수용된 정보를 모니터한다. 예를 들면, 제어기는 터보익스팬더-압축기 시스템이 압력(p1), 온도(T1), 압력(p2), 및 샤프트의 회전 속도(u)의 값들 또는 함수들을 메모리(630)에 저장된 미리 결정된 값들과 비교함으로써 오프-디자인 조건으로 작용하는지를 결정할 수 있다. 엔탈피의 강하를 계산하기 위해 사용된 가스의 조성물은 또한 메모리(630)에 저장될 수 있다.
터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건으로 작용하는 것을 제어 유닛(620)이 결정한다면, 제어 유닛(620)은 샤프트의 회전 속도(u)와 익스팬더를 가로지르는 엔탈피(ΔH)의 강하 사이의 비율(R)을 미리 결정된 범위 내로 유지하기 위하여 압축기내의 가스 입력의 압력(P3)을 조절하기 위해 가동성 입구 가이드 베인들의 압축기 세트에 전달하는 명령을 생성한다.
제어 유닛(620)은 압력(p1), 온도(T1), 압력(p2) 및 가스의 조성물에 관한 정보를 사용하여 엔탈피(ΔH)의 강하를 평가하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛(620)은 압력(p1)을 미리 결정된 범위 내로 유지하기 위하여 입구 가이드 베인들의 익스팬더 세트에 전달되는 명령을 또한 생성할 수 있다. 그런 다음, 인터페이스(610)는 이들 명령을 입구 가이드 베인들의 익스팬더 세트에 출력할 수 있다. 제어 유닛(620)은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그 조합으로 실행될 수 있다.
상술된 예시적인 실시예들은 압축기의 입구에서 한 세트의 가동성 입구 가이드 베인들을 사용하는 오프-디자인 조건으로 터보익스팬더-압축기 시스템 효율을 최대화하는 시스템, 방법 및 제어기를 제공한다. 이러한 설명은 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않음을 이해해야 한다. 반대로, 예시적인 실시예는 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 범주와 정신에 포함되는 변경, 수정 및 등가물을 포함하는 것으로 의도된다. 더욱이, 예시적인 실시예들의 상세한 설명에서, 다수의 특정 상세들은 청구된 발명의 보상적인 이해를 제공하기 위해 설정된 것이다. 그러나, 당업자들은 다양한 실시예들이 상기 특정 상세 없이 실시할 수 있음을 이해한다.
본 발명의 예시적인 실시예들의 특징들과 소자들이 특정 조합으로 실시예들에 기술되었을지라도, 각 특징 또는 소자는 본 명세서에 기재된 다른 특징들 및 소자들과 함께 또는 없이 다양한 조합으로 또는 실시예들의 다른 특징들 및 소자들 없이 홀로 사용될 수 있다.
본 명세서에 기재된 설명은 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조하고 사용하며 임의의 합체된 방법을 실행하는 것을 포함하는 본 발명을 실행하기 위해 당업자들에게는 가능하도록 기재된 주 목적의 실예들이다. 본 발명의 특허가능한 범주는 청구범위에 의해 한정되고, 당업자들에 의해 발생되는 다른 실예들을 포함할 수 있다. 상기 다른 실예들은 청구범위의 범주 내에 포함하는 것으로 의도된다.
200 : 터보익스팬더-압축기 시스템 210 : 익스팬더
212 : 익스팬더 임펠러 214 : 도입 가스 흐름
216 : 가스 흐름 218 : 가동성 입구 가이드 베인(IGV)
224 : 압축기 226 : 압축기 임펠러
228 : 가스 흐름 230 : 샤프트
234 : 속도 센서(Su) 235 : 센서(Sp1)
236 : 센서(ST1) 237 : 센서(Sp2)
238 : 센서(ST2) 239 : 센서(Sp3)
240 : 제어기

Claims (10)

  1. 터보익스팬더-압축기 시스템에 있어서,
    도입 가스를 팽창시키도록 구성되고 익스팬더 임펠러를 갖는 익스팬더(expander);
    상기 익스팬더에 부착되고 상기 도입 가스의 압력을 제어하도록 구성된 제 1 세트의 가동성 입구 가이드 베인들;
    상기 익스팬더로부터 수용된 가스를 압축하도록 구성되고 압축기 임펠러를 갖는 압축기;
    상기 익스팬더 임펠러와 상기 압축기 임펠러를 지지하고 회전시키도록 구성된 샤프트;
    상기 압착기에 부착되고 상기 압축기로의 가스 입력의 압력을 제어하도록 구성된 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들; 및
    상기 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들에 연결된 제어기를 포함하고;
    상기 제어기는, 상기 샤프트의 회전 속도, 상기 도입 가스의 압력과 온도, 및 상기 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력과 온도에 관한 정보를 얻고; 그리고
    상기 샤프트의 회전 속도와 상기 익스팬더를 가로지르는 엔탈피 강하 간의 비율을 오프-디자인(off-design) 조건으로 최대화하여 상기 압축기로의 가스 입력의 압력을 조절하기 위하여 상기 제 2 세트의 가동성 입구 가이드 베인들을 제어하도록 구성되는
    터보익스팬더-압축기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    익스팬더 효율은 상기 샤프트의 회전 속도와 상기 익스팬더를 가로지르는 엔탈피 강하의 비율과 관련된
    터보익스팬더-압축기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트의 회전 속도를 측정하도록 구성된 제 1 센서와;
    상기 도입 가스의 압력을 측정하도록 구성된 제 2 센서와;
    상기 도입 가스의 온도를 측정하도록 구성된 제 3 센서와;
    상기 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력을 측정하도록 구성된 제 4 센서; 및
    상기 익스팬더에 의한 가스 출력의 온도를 측정하도록 구성된 제 5 센서를 더 포함하고;
    상기 엔탈피의 강하는 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 센서들로부터 달성되는 정보를 사용하여 평가되는
    터보익스팬더-압축기 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기의 입구에 위치되고, 상기 제어기에 연결되며, 상기 압축기내의 가스 입력의 압력을 측정하도록 구성된 센서를 더 포함하는
    터보익스팬더-압축기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인(off-design) 조건으로 작용하는 때를 결정하도록 구성된
    터보익스팬더-압축기 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 도입 가스의 압력을 미리 결정된 범위 내로 유지하기 위해 상기 제 1 세트의 가동성 입구 가이드 베인들을 제어하도록 구성된
    터보익스팬더-압축기 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 도입 가스의 압력, 상기 도입 가스의 온도, 상기 도입 가스의 조성물, 및 상기 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력의 함수를 사용하여 상기 익스팬더를 가로지르는 상기 엔탈피의 강하를 평가하도록 구성된
    터보익스팬더-압축기 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 익스팬더, 상기 샤프트 및 상기 압축기를 미리 결정된 위치에 유지하도록 구성된 케이싱을 더 포함하는
    터보익스팬더-압축기 시스템.
  9. 익스팬더를 구비하는 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하는 방법으로서, 익스팬더 임펠러가 상기 익스팬더에 의한 가스 흐름 출력을 압축하는 압축기의 압축기 임펠러에 샤프트를 거쳐서 연결되어 있는, 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력과 온도에 관한 제 1 정보를 수용하는 단계와;
    상기 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력에 관한 제 2 정보를 수용하는 단계와;
    상기 압축기 임펠러와 상기 익스팬더 임펠러에 부착된 상기 샤프트의 회전 속도에 관한 제 3 정보를 수용하는 단계와;
    상기 터보익스팬더-압축기 시스템이 상기 수용된 제 1, 제 2 및 제 3 정보에 기초한 오프-디자인 조건으로 작동하는 때를 결정하는 단계와;
    상기 터보익스팬더-압축기 시스템이 상기 오프-디자인 조건으로 작동하는 것을 결정할 때에, 상기 샤프트의 회전 속도와 상기 익스팬더를 가로지르는 엔탈피의 강하 사이의 비율을 미리 결정된 값과 비교하는 단계; 및
    상기 미리 결정된 값에 근접한 비율로 되게 상기 압축기로의 가스 입력의 압력을 조절하기 위해, 상기 익스팬더에 의한 가스 출력이 압축기 입구를 통해 상기 압축기에 진입하는 압축기 입구에 연결된 가동성 입구 가이드 베인들의 압축기 세트를 제어하는 단계를 포함하는
    터보익스팬더-압축기 시스템 제어 방법.
  10. 익스팬더 임펠러를 갖는 익스팬더, 압축기 임펠러를 갖는 압축기를 포함하는 터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하도록 구성된 제어기로서, 상기 익스팬더 임펠러와 상기 압축기 임펠러는 동일 샤프트에 의해 회전되며, 상기 압축기는 상기 익스팬더에 의한 가스 출력을 압축하는, 제어기에 있어서,
    상기 제어기는 인터페이스와, 상기 인터페이스에 연결된 제어 유닛을 포함하며;
    상기 인터페이스는, 상기 익스팬더에 진입하는 도입 가스의 압력과 온도, 상기 익스팬더에 의한 가스 출력의 압력과 온도, 및 상기 샤프트의 회전 속도에 관한 정보를 수용하고, 그리고 상기 압축기내의 가스 입력의 압력을 제어하도록 구성된 입구 베인들의 압축기 세트에 명령을 출력하도록 구성되며,
    상기 제어 유닛은, 상기 인터페이스로부터의 제 1, 제 2 및 제 3 정보를 수용하고, 상기 터보익스팬더-압축기 시스템이 오프-디자인 조건으로 작동하는 때를 결정하며, 그리고 상기 샤프트의 회전 속도와 상기 익스팬더를 가로지르는 엔탈피 강하 사이의 비율을 오프-디자인 조건으로 미리 결정된 범위 내로 유지하기 위해 가동성 입구 가이드 베인들의 상기 압축기 세트를 위한 명령을 발생하도록 구성되는
    터보익스팬더-압축기 시스템을 제어하도록 구성된 제어기.
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