KR20160010459A - 써멀 실드를 구비한 압축기 및 작동 방법 - Google Patents

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KR20160010459A
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thermal shield
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실비오 지아체띠
마시밀리아노 보게띠
루카 롬바르디
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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

압축기(1)는 압축기 번들(13, 17, 19)과 외부 케이싱(3)을 포함한다. 혹독한 작동 조건 하에서 케이싱의 열 응력 및 점소성 변형을 감소시키기 위해 외부 케이싱과 압축기 번들 사이에는 써멀 실드(25)가 제공된다.

Description

써멀 실드를 구비한 압축기 및 작동 방법{COMPRESSOR WITH A THERMAL SHIELD AND METHODS OF OPERATION}
본 발명은 가스 압축기에 관한 것이며, 특히 원심 다단 가스 압축기와 같은 다단 가스 압축기에 관한 것이다.
가스 압축기는 가스의 압력을 증가시키기 위해 다양한 산업 용도에 사용되는 바, 예를 들면 파이프라인 용도를 위해서, 오일 가스 산업에서, 이산화탄소 회수 플랜트에서, 압축 공기 에너지 저장 시스템 등에서 사용된다.
압축기에 의해 처리된 가스는 입구 압력으로 흡입되고 보다 높은 출구 압력으로 송출되며, 압력 증가는 기계적 파워를 가스 유동에 저장되는 잠재적 압력 에너지로 변환시킴으로써 얻어진다. 공정은 처리된 가스의 온도 증가를 촉발한다. 일부 용도에서, 가스 온도는 섭씨 수백도까지 증가할 수 있다.
처리된 가스에 의해 높은 압력 및 높은 온도 값이 달성되는 통상적인 용도는 압축 공기 에너지 저장(compressed air energy storage), 소위 CAES 시스템에 관한 용도이다. 이들 시스템은 예를 들어 야간에 배전 그리드 상에서 얻을 수 있는 과잉 전력을 활용하여 압력 에너지 형태의 에너지를 공기 저장 공동에 축적하기 위해 사용된다. 통상적으로, 소요 출구 공기 압력을 달성하기 위해 다단 가스 압축기가 CAES 시스템에 사용된다.
도 1은 종래 기술의 다단 원심 압축기(100)의 종단면도이다. 압축기는 회전자(103)가 수용되는 출구 케이싱(101)을 포함한다. 회전자(103)는 샤프트(105) 및 복수의 임펠러(107)로 이루어진다. 도 1에 도시된 예에서, 다단 원심 압축기(100)는 압축기 입구(109)에서 압축기 출구(111)까지 유동 방향으로 순차적으로 배치되는 다섯 개의 임펠러를 포함한다. 샤프트(105)는 베어링(113, 115)에 의해 지지된다.
각각의 임펠러는 유입 채널(117)과 복귀 채널(119)을 포함하는 각각의 압축기 스테이지의 부분을 형성한다. 각각의 임펠러(107)에 의해 처리된 가스는 입구(117)에서 임펠러에 진입하고 복귀 채널(119)에 의해 다음 임펠러의 입구(117)를 향해서 복귀된다. 다양한 압축기 스테이지의 복귀 채널은 케이싱(101) 내에 고정적으로 수용되는 하나 이상의 격벽(121)에 의해 형성된다. 최종 임펠러로부터, 즉 최하류 임펠러로부터 배출된 가스는 벌류트(volute)(123)에 의해 수집되며, 그로부터 압축 가스가 가스 출구(111)로 이송된다.
케이싱(101)은, 회전자(103)가 회전적으로 배치되고 격벽(121)이 고정적으로 수용되는 폐쇄 하우징을 형성하는, 배럴(101B) 및 두 개의 단부 부분(101C)으로 이루어질 수 있다.
기계적 파워는 임펠러(107)를 회전시키기 위해 사용되고 가스 압력으로 변형되며, 상기 압력은 가스가 순차적으로 배치된 임펠러를 통해서 유동함에 따라 점진적으로 증가한다. 압축 공정은 가스 온도가 입구 온도에서 출구 온도로 증가하도록 열을 발생시킨다. 열은 가스로부터 격벽(121)으로 전달되며 그곳으로부터 케이싱(101)으로 전달된다. 따라서 케이싱(101)은 압축기 효율로부터 및 환경 온도로부터, 압축기(100)의 압축비에 종속되는 최대 정상 상태 온도까지 가열된다.
본 발명의 목적은, 가스 유동 및 압축기 번들로부터 압축기 케이싱을 향한 열 유동을 방지하거나 감소시키는 써멀 실드(thermal shield)를 사용함으로써, 외부 케이싱에 대한 열-기계 응력이 감소될 뿐 아니라, 처리 가스로부터의 열 소산이 방지 또는 감소되는 가스 압축기를 제공하는 것이다.
일부 실시예에 따르면, 압축기 케이싱 및 상기 압축기 케이싱 내에 배치되는 압축기 번들을 포함하는 가스 압축기가 제공된다. 압축기 케이싱과 압축기 번들 사이에는 써멀 실드가 배치된다. 써멀 실드는 압축기 번들로부터 압축기 케이싱을 향한 열 전달을 감소시키거나 늦춘다. 이것은 케이싱의 가열을 늦추고, 추가로 자연 또는 강제 환기의 경우에 압축기의 연속 작동 조건 하에 외부 케이싱이 도달하는 정상 상태 온도를 감소시킨다. 케이싱은 따라서 감소된 열-기계 응력을 받게 되고, 점소성(visco-plastic) 변형(또는 크리프 변형)이 방지되거나 지연된다.
압축기 번들은 그 위에 장착되는 적어도 하나의 임펠러로 이루어진 회전자 및 압축기 케이싱 내에 고정적으로 배치되는 적어도 하나의 격벽을 포함할 수 있다. 다단 압축기에서, 번들은 복수의 임펠러를 갖는 회전자 및 연속적인 임펠러 사이에 복귀 채널을 형성하는 단수 또는 복수의 격벽을 포함한다. 최종 압축기 스테이지로부터 압축 가스를 수집하고 이 압축 가스를 압축기의 가스 출구 쪽으로 이송하기 위해 벌류트가 케이싱 내에 고정적으로 배치될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 압축기는, 압축기가 비작동 상태이고 냉각될 수 있는 냉각 인터벌에 의해 분리되는 작동 시간 간격 동안 작동될 수 있다. 써멀 실드 장치는 압축기 번들과 케이싱 사이의 열교환 속도를 늦추고, 따라서 작동 시간 간격의 허용 가능한 지속시간을 증가시킨다.
압축기 번들은 압축기 회전자 및 하나 이상의 격벽을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 압축기는 원심 압축기이다. 일부 실시예에서, 압축기는 케이싱 내에 고정적으로 배치되는, 하나 이상의 격벽 내에 회전하도록 장착되는 복수의 임펠러를 포함하는 다단 압축기이다.
써멀 실드 장치는 격벽(들)과 외부 케이싱의 내표면 사이에 배치되는 연속 또는 불연속 열 장벽(thermal barrier)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 써멀 실드 장치는 최종 압축기 스테이지로부터의 압축 가스를 수집하는 벌류트를 따라서 배치되는 열 장벽을 구비할 수 있으며, 그로부터 압축 가스는 압축기 출구를 향해서 이송된다.
압축기 출구는 외부 케이싱의 일부를 형성하거나 그것에 연결되는 출구 덕트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 통로와 출구 덕트의 내표면 사이에는 내부 열 장벽이 제공된다. 상기 열 장벽은 가스 유동으로부터 가스 출구 덕트로의 열 전달을 제한한다. 열 장벽은 열 피복(thermal cladding)과 내부 라이너를 포함할 수 있고, 열 피복은 출구 덕트의 내표면과 가스 유동 경로 사이에 배치되며, 따라서 피복과 가스 사이의 직접 접촉이 방지된다.
추가 양태에 따르면, 본 명세서에 개시된 요지는 적어도 제 1 압축기와 제 2 압축기를 포함하는 압축기 시스템으로서, 각각의 압축기가 바람직하게 압축기 번들과 케이싱 사이에 써멀 실드 장치를 구비하는, 압축기 시스템에 관한 것이다. 상기 적어도 두 개의 압축기는 번갈아 사용되며, 따라서 하나의 압축기가 가스를 처리하고 가열하는 동안, 나머지 압축기는 정지되고 냉각될 수 있다. 하나의 압축기에서 나머지 압축기로의 전환은 각각의 압축기의 간헐 작동과 더불어 연속적인 가스 처리를 초래하며, 따라서 시스템의 각각의 압축기는 그 케이싱이 임계 온도에 도달했을 경우에 및/또는 압축기가 소정 시간 간격 동안 작동했을 경우에 냉각될 수 있다.
따라서, 외부 케이싱의 고온 및 크리프(creep) 손상으로 인한 기계적 특성의 저하는 외부 케이싱의 제조를 위해 저합금 스틸과 같은 수행 재료가 덜 사용되어도 효과적으로 방지된다.
또 다른 양태에 따르면, 본 명세서에 개시된 요지는 압축기 케이싱 및 상기 케이싱 내의 압축기 번들을 포함하는 가스 압축기를 작동시키는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상기 압축기에 의해 처리된 기체상 유동으로부터 상기 케이싱을 향한 열 전달을 감소시키는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 요지는 압축기 시스템 작동 방법으로서, 상기 압축기 시스템은 제 1 압축기와 제 2 압축기를 포함하고, 상기 제 1 압축기와 상기 제 2 압축기는 각각의 압축기 케이싱과 압축기 번들 사이에 써멀 실드를 구비하는, 압축기 시스템 작동 방법에 관한 것이며, 상기 방법은,
상기 제 1 압축기와 제 2 압축기 중 하나를 실행시키고 상기 제 1 압축기와 제 2 압축기 중 나머지 하나는 비작동 상태로 유지시키는 단계,
시간 간격 이후, 상기 제 1 압축기와 제 2 압축기 중 나머지 하나를 작동시키고, 상기 제 1 압축기와 제 2 압축기 중 하나를 정지시키며, 상기 하나의 압축기를 냉각시킬 수 있는 단계를 포함한다.
외부 케이싱에 대한 열-기계 응력의 감소 측면에서의 장점에 추가적으로, 가스 유동 및 압축기 번들로부터 압축기 케이싱을 향한 열 유동을 방지하거나 감소시키는 써멀 실드의 사용은 처리 가스로부터의 열 소산을 방지 또는 감소시키는 추가 장점을 갖는다. 압축기에 의해 송출되는 가스는 따라서 열 에너지 형태의 에너지 함량이 증가되며, 이는 유용하게 활용될 수 있다. 예를 들어, CAES 시스템에서, 압축 공기 용기에 수집된 압축 공기의 높은 온도는, 공기가 기계적 파워를 생산하기 위해 팽창될 때 시스템의 전체 효율을 증가시킨다. 다른 실시예에서, 열 에너지는 압축 가스 유동으로부터 추출될 수 있고, 다른 공정에 사용되기 위해 열 저장 싱크에 사용되거나 저장될 수 있다.
특징 및 실시예가 이하에 개시되며, 이것은 또한 본 발명의 일체 부분을 형성하는 청구범위에 제시된다. 상기 간단한 설명은 하기 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있도록 또한 본 발명의 개선 사항이 보다 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 나타낸다. 이후 설명되고 청구범위에 제시될 본 발명의 다른 특징이 존재함은 물론이다. 이 점에서, 본 발명의 여러가지 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명의 다양한 실시예는 그 적용에 있어서 하기 설명에 제시되거나 도면에 도시되는 부품들의 배치 및 구성의 상세에 한정되지 않음을 알아야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 채택되는 문구와 용어는 설명을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되지 않아야 함을 알아야 한다.
따라서, 통상의 기술자는 본 발명의 기초 개념이 본 발명의 여러가지 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및/또는 시스템을 설계하기 위한 근거로서 쉽게 사용될 수 있음을 알 것이다. 따라서, 청구범위가 본 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 이러한 등가의 구조를 포함하는 것으로 간주되어야 함은 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예와 그 부수적 장점의 많은 것에 대한 보다 완전한 인식은, 하기 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하여 검토할 때 보다 양호하게 이해됨으로써 쉽게 달성될 것이다.
도 1은 종래 기술의 다단 원심 압축기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 원심 압축기의 단면도이다.
도 3은 도 2의 압축기의 외부 케이싱과 격벽 사이의 써멀 실드의 일부의 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시된 압축기의 벌류트 주위에 배치되는 써멀 실드의 확대도이다.
도 5는 도 2의 압축기의 출구 덕트에 배치되는 열 피복의 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 압축기를 사용하는 CAES 시스템의 도시도이다.
도 7은 탠덤 구조로 배치되는 본 발명에 따른 두 개의 압축기를 사용하는 가스 처리 시스템의 도시도이다.
도 8은 온도-대-시간 다이어그램이다.
예시적 실시예의 하기 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 여러 도면에서 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다. 또한, 도면은 반드시 실척으로 도시되지 않는다. 또한, 하기 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 한정된다.
명세서 전체에 걸쳐서 "일 실시예" 또는 "실시예" 또는 "일부 실시예"라는 언급은 실시예와 관련하여 기재되는 특정한 특징부, 구조 또는 특징이 개시된 요지의 적어도 하나의 실시예에 구비됨을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸친 여러 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서" 또는 "일부 실시예에서"라는 문구가 등장하는 것이 반드시 동일한 실시예(들)를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징부, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 다단 원심 압축기(1)의 단면도이다. 다단 원심 압축기(1)는 회전자(4)가 그 안에서 회전적으로 지지되는 케이싱(3)을 포함한다.
일부 실시예에서 케이싱(3)은 외부 원통형 배럴(3B)과 두 개의 단부 커버(3C)를 포함한다. 이 구성은 소위 수직 분할 압축기의 전형적인 것이다. 다른 실시예에서 케이싱(3)은 축방향 종방향 평면을 따라서 상호 매치되는 두 개의 거의 대칭적인 절반 케이싱 부분으로 이루어질 수 있다. 제 2 종류의 케이싱은 소위 수평 분할 압축기에 사용된다. 본 명세서에 개시되는 요지는 두 종류의 압축기로 구체화될 수 있지만, 도면은 수평 분할 다단 원심 압축기에 관한 예시적 일 실시예만을 도시하고 있다.
회전자(4)는 베어링(7, 9)에 의해 지지되는 회전자 샤프트(5)로 이루어질 수 있다. 압축기(1)의 내부를 환경으로부터 격리시키기 위해 시일(10, 11)이 제공될 수 있다.
일부 실시예에서는 샤프트(5) 상에 하나 이상의 임펠러가 장착될 수 있다. 도 2의 예시적 실시예에서, 압축기(1)는 다섯 개의 압축기 스테이지를 포함하는 다단 원심 압축기이며, 각각의 스테이지는 각각의 임펠러로 이루어진다. 이들 임펠러는 13A, 13B, 13C, 13D, 13E로 지칭되며, 통칭하여 임펠러(13)로도 지칭될 것이다.
일부 실시예에서 임펠러(13)는 도 2에 도시하듯이 회전자 샤프트 상에 키 고정될 수 있다. 그러나 다른 구조가 가능하다. 일부 실시예에서 회전자(4)는, 예를 들어 본 명세서에 참조로 원용되는 US2011/0262284호에 개시되어 있듯이 중심 타이 로드(tie rod)에 의해 함께 유지되는 적층 임펠러(13)로 이루어질 수도 있다.
각각의 임펠러(13A-13E)는, 각각의 선단(16A-16E) 및 말단(17A-17E)을 갖는 임펠러 블레이드에 의해 형성되는 다수의 임펠러 베인(15A-15E)으로 이루어진다. 각각의 임펠러(13A-13D)는 케이싱(3) 내에 고정적으로 수용되는 각각의 격벽(19A-19D)에 형성된 복귀 채널(14A, 14B, 14C, 14D)과 각각 조합된다. 일부 실시예에서, 격벽은 도 2의 예시적 실시예에 도시하듯이 분리되어 적층된 부품에 의해 형성되기 보다는 단일체(monolithic)일 수 있다.
격벽(19)과 회전자(4)는 압축기 케이싱(3)에 수용되는 소위 압축기 번들의 부분을 형성한다.
가스는 가스 입구(20)를 통해서 압축기(1)에 진입하고 임펠러(13A-13E)를 통해서 순차적으로 송출된다.
가스는 각각의 임펠러(13)에 의해 처리되고, 블레이드 선단(16)에 의해 형성되는 임펠러 입구에서 베인(15)에 진입하며, 블레이드 말단(17)에 대응하는 그 출구에서 임펠러를 떠나간다. 각각의 임펠러(13A-13D)에 의해 처리된 가스는 각각의 복귀 채널(14A-14D)에 의해 출구로부터 후속 임펠러(13)의 입구를 향해서 반경방향으로 복귀된다.
최종 임펠러(13E)를 떠나는 가스는 벌류트(21)에 수집되고 가스 출구(23)를 통해서 배출된다.
압축기 스테이지를 통해서 유동하는 가스는 입구 압력에서부터 출구 압력까지 점진적으로 압축된다. 가스 압축은 또한 온도 증가를 유발하는 바, 이는 임펠러에 의해 가스에 송출되는 기계 에너지의 일부가 열 에너지로 변환되기 때문이다. 열은 회전자(4) 및 격벽(19)으로부터 케이싱(3)을 향해서 유동하는 경향을 가지며, 케이싱은 점진적으로 가열된다.
따라서 외부 케이싱(3)은 처리 가스의 배출 압력에 대응하는 케이싱 내부의 압력으로 인해 높은 열적 및 기계적 응력을 받는다. 온도와 압력의 조합 효과는 특히 케이싱 온도가 임계 온도 역치를 넘어서 증가할 경우에 케이싱(3)의 점소성 변형(크리프 변형)을 초래할 수 있다.
압축기(1)의 작동 중에 외부 케이싱(3)에 의해 달성되는 온도를 제한하여 그 열 응력을 감소시키고 및/또는 케이싱(3) 제조용 수행 재료를 덜 사용하기 위해서, 일부 실시예에 따르면, 열 차단 장치가 제공되며, 이는 격벽(19)으로부터 케이싱(3)을 향한 열 전달을 감소시킨다. 열 차단 장치는 케이싱의 가열 속도를 감소시키며 또한 연속 압축기 작동 하에 케이싱에 의해 달성되는 최종 정상-상태 온도를 감소시킨다. 따라서, 열 차단 장치는 또한 압축기(1)에 의해 송출되는 가스의 최종 온도를 증가시킨다.
일부 실시예에 따르면, 열 차단 장치는 케이싱(3)의 중심부의 내표면을 따라서 배치되고 격벽(19)을 둘러싸는 써멀 실드(25)를 포함한다.
일부 실시예에서, 도 2에 도시하듯이, 써멀 실드(25)는 배럴(3B)의 실질적으로 원통형인 내표면을 따라서 배치된다.
도 3은 써멀 실드(25)의 확대도이다. 일부 실시예에서 써멀 실드(25)는 차단 패널(27)을 포함할 수 있다. 차단 패널(27)은 외부 케이싱(3)에 대해, 바람직하게는 그와 열접촉 상태로 부착될 수 있다. 차단 패널(27)을 케이싱(3)에 부착하기 위해 연결 부재(28)가 제공된다. 일부 실시예에서, 연결 부재(28)는 인접하는 차단 패널(27)의 에지(27E)를 케이싱(3)에 로크시키는, 각각의 헤드(28H)를 갖는 나사를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 3에 도시하듯이, 각각의 차단 패널(27)은 대향 에지(27E, 27F)를 따라서 케이싱(3)에 연결될 수 있으며, 하나의 에지(27E)는 각각의 나사 세트(28)에 의해 결합되고 대향 평행 에지(27F)는 케이싱(3)의 내표면을 따라서 형성되는 언더컷(3U)에 결합된다. 언더컷(3U)과 차단 패널(27)은 차단 패널(27)의 열 팽창이 가능하도록 언더컷(3U)을 형성하는 시트와 에지(27F) 사이에 충분한 간극이 유지되도록 치수형성된다.
일부 실시예에서 차단 패널은 외부 시트, 예를 들면 금속 판 또는 시트(27M)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속 판 또는 시트(27M)는 스틸로 제조될 수 있다. 금속 시트(27M)는 예를 들어 세라믹 분말 또는 세라믹 섬유와 같은 단열 재료로 충전될 수 있는 내부 포켓(27P)을 형성하도록 형상화된다. 일부 예시적 실시예에 따르면, 동석(steatite), 근청석(cordierite), 알루미나, 지르코니아 또는 그 혼합물과 같은 절연 재료가 사용될 수 있다. 요구되는 절연 정도에 따라서 다른 절연 재료가 사용될 수 있다.
차단 패널 형태 이외의 다른 실시예에 따르면, 써멀 실드는 케이싱의 내표면 상에 직접 도포될 코팅 형태로 제공될 수 있다. 일부 예시적 실시예에 따르면, 코팅은 열 분사, 플라즈마 분사, 전기-화학 증착에 의해 도포될 수 있다.
도 2에서 가장 잘 볼 수 있듯이, 써멀 실드(25)를 구비하는 열 차단 장치는 전체 격벽 장치(19)를 실질적으로 둘러싸며, 따라서 가스 경로로부터 외부 케이싱(3)을 향하는 열 플럭스를 제한한다.
일부 실시예에서는, 압축기(1)의 다른 부분에 추가 단열 장치가 제공된다. 일부 실시예에서는, 도 2 및 도 4의 확대도에 도시하듯이, 벌류트(21) 주위에 추가 써멀 실드(31)가 배치된다. 일부 실시예에서, 써멀 실드(31)는 세라믹 분말, 또는 차단 패널(27)과 관련하여 전술한 기타 재료와 같은 단열 재료로 충전될 수 있는, 내부 포켓(31P)을 형성하는 하나 이상의 정형(shaped) 금속 시트 또는 판(31M)으로 이루어질 수 있다.
일부 실시예에서, 써멀 실드(31)는 예를 들어 나사 등과 같은 연결 부재(33)에 의해 외부 케이싱(3)에, 예를 들면 그 각각의 단부 커버(3E)에 부착될 수 있다. 도 2에 도시되어 있는 수직 분할 압축기에서, 써멀 실드(31)는 단일 부품으로서 단일체로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 써멀 실드(31)는 복수의 개별 부품으로 분할될 수 있다. 예를 들어, 수평 분할 압축기에서, 써멀 실드(31)는 외부 압축기 케이싱을 형성하는 두 개의 절반-케이싱에 장착되는 두 개의 세미-환형 부분으로 이루어질 수 있다. 써멀 실드(31)는 벌류트(21)로부터 외부 케이싱(3)을 향한 열 유동을 제한한다.
일부 실시예에서는, 압축 가스로부터 터보압축기(1)의 외부 케이싱을 향하는 열 유동을 감소시키기 위해 추가 단열 장치가 그 출구(23)에 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 4 및 도 5에 가장 잘 도시되어 있듯이, 압축기(1)의 가스 출구(23)는, 가스 출구를 각각의 플랜지(39F)를 갖는 출구 배관(39)에 연결하는 플랜지가 제공될 수 있는 배출 덕트(35)를 포함할 수 있다.
배출 덕트(35)는 내부 절두원추면(35B)을 가질 수 있으며, 이를 따라서 단열 장치(37)가 제공된다. 단열 장치(37)는 단열 피복(39)으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서는, 도 4 및 도 5에 도시하듯이 라이너(41)가 추가로 제공될 수 있다.
라이너(41)는 처리 유체와 단열 피복(39) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 라이너(41)는 단열 피복(39)을 압축기에 의해 처리되는 유체의 작용으로부터 보호하기 위해 제공될 수 있다. 일부 용도에서 처리 유체는 보호 라이너가 제공되지 않으면 단열 피복(39)을 부식시킬 수 있는 먼지 또는 기타 화학적으로 또는 기계적으로 침습적인 성분 또는 물질을 일정 양 함유할 수 있다.
단열 피복(39)은, 격벽(19)과 벌류트(21)를 둘러싸는 전술한 써멀 실드 장치와 마찬가지로, 세라믹 등과 같은 단열 재료로 충전될 수 있는 내부 포켓(39P)을 둘러싸는, 절첩 금속 시트(39M)로 제조될 수 있는 절두원추형 부재 형태일 수 있다.
단열 피복(39)은 배출 덕트(35)의 내표면(35B)과 내부 라이너 사이에 배치될 수 있다. 도 4에 가장 잘 도시되어 있듯이, 내부 라이너(41)는 예를 들어 나사(43)에 의해 배출 덕트(35)에 또는 케이싱(3)의 임의의 기타 고정 부분에 부착될 수 있다.
라이너(41)는 절두원추형 형상일 수 있고, 나사(43)가 나사결합되는 다수의 나사 구멍을 갖는 외부 환형 칼라(43C)를 구비할 수 있으며, 상기 환형 칼라(43C)는 배출 덕트(35)의 환형 에지(35E)에 대해 맞닿는다.
도 4 및 도 5에 도시하듯이 벌류트(21)와 가스 출구(23) 사이의 유동 통로(47)를 따라서 추가 써멀 실드가 제공될 수 있다. 이 추가 써멀 실드는 최하류 격벽(19E)에 제공되는 관통 개구의 내표면과 라이너(53) 사이에 배치되는 열 피복(51)으로 이루어질 수 있다. 열 피복(51)은 세라믹 또는 전술한 기타 재료와 같은 단열 재료로 충전될 수 있는 내부 포켓(51P)을 형성하도록 절첩되는 금속 시트(51M), 예를 들어 스틸 시트 또는 판으로 이루어질 수 있다. 열 피복(51) 및 라이너(53)는 나사(55) 또는 기타 연결 부재에 의해 격벽(19E)에 부착될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 압축기의 고정 부품에 부착되는 차단 패널의 형태 대신에, 배출 덕트(35)의 내표면에 직접 도포될 코팅의 형태로 열 피복(39)이 제공될 수 있다. 예를 들어 코팅이 열 분사, 플라즈마 분사, 전기-화학 증착에 의해 배출 덕트(35)의 내표면 상에 도포될 수 있다. 처리 가스에 의한 화학적 또는 기계적 작용으로부터 코팅을 보호하기 위해 보호 라이너(41)가 제공될 수 있다.
마찬가지로, 일부 실시예에서, 벌류트(21)와 외부 케이싱 사이의 단열은 차단 패널의 형태 보다는 단열 코팅의 형태로 제공될 수 있다. 코팅은 벌류트(21)의 외표면 상에 및/또는 케이싱의 일부, 예를 들어 단부 커버(3C)의 내표면 상에 도포될 수 있다.
이제까지 기술한 써멀 실드 장치는 번들, 즉 회전자(4) 및 격벽(19)과, 외부 케이싱(3) 사이에 효과적인 열 장벽을 제공한다. 열 장벽은 케이싱의 가열 속도를 감소시킨다. 열 장벽은 또한 압축기(1)가 작동하는 동안 외부 케이싱(3)에 의해 달성되는 정상 상태 온도를 감소시킬 수 있다. 두 가지 효과는 외부 케이싱(3)의 점소성 변형(크리프 변형) 위험을 감소시키며, 따라서 처리 가스의 높은 온도 및 압력이 작동 중에 도달되는 경우에도 이러한 케이싱의 제조를 위한 수행 재료가 덜 사용될 수 있다. 수행 재료가 덜 사용되면 압축기의 비용이 감소되고 가공이 더 쉬워진다.
일부 실시예에서, 압축기(1)는, 케이싱(3)이 크리프로 인한 케이싱 파손 가능성을 감안할 때 위험할 수 있는 온도에 도달할 때 정지되도록 작동될 수 있다. 전술한 써멀 실드 장치의 하나 이상에 의해 형성되는 열 장벽의 사용은 케이싱 온도가 환경 온도로부터 압축기가 정지되어야 하는 최대 온도 임계치까지 증가하는 속도를 감소시킨다. 따라서, 압축기(1)의 보다 긴 작동 기간이 가능하다.
압축기가 예를 들어 CAES 시스템에서 간헐적으로 작동할 것이 요구되는 용도가 있다. 이들 시스템에서, 압축기는 예를 들어 배전 그리드에서 과잉 전력이 얻어질 수 있을 때만 작동된다. 이것은 통상, 연속적으로 작동되는 대형 증기 발전소에 의해 생산되는 전력이 배전 그리드에 연결된 부하에 의해 요구되는 것보다 높을 때 야간에 발생된다. 과잉 전력은 전기 모터에 의해 기계적 파워로 변환되며, 이후 하나 이상의 압축기에 의해 공기 유동의 압력 에너지로 변환된다. 압축 공기는 공동 또는 기타 저장 용기에 저장된다. 그리드로부터 전력을 얻을 수 없을 때, 공기는 더 이상 압축되지 않으며 압축기(1)는 꺼질 수 있다. 이제까지 기술된 써멀 실드는, 외부 케이싱(3)의 온도가 압축기의 간헐 작동 중에 임계치에 결코 도달하지 않을 정도로 외부 케이싱(3)의 가열 속도를 감소시킨다.
예를 들어 압축기가 연속적으로 작동해야 하는 다른 실시예에서는, 듀얼-압축기 장치가 제공될 수 있고, 따라서 하나의 압축기는 외부 케이싱(3)이 온도 임계치에 천천히 도달하는 제 1 시간 간격 동안 작동되며, 이 시간 간격을 넘으면 케이싱의 온도가 증가하지 않아야 한다. 그 시점에서, 작동 압축기는 꺼지고 제 2 압축기는 시동되며, 제 1 압축기는 냉각될 수 있다.
도 6은 전술한 압축기(1)가 사용될 수 있는 CAES 시스템의 예시적 실시예를 도시한다. 시스템(60)은 전기 기계(61)에 의해 구동되는 하나 이상의 압축기(1)로 구성될 수 있다. 전기 기계(61)는 전기 모터일 수 있다. 일부 실시예에서 전기 기계는 가역적 전기 기계이며, 이는 모터 모드와 발전기 모드로 번갈아 작동할 수 있으며 유리하게는 배전 그리드(G)에 연결된다.
샤프트(62)가 전기 기계(61)를 압축기(1)에 연결한다. 전기 기계(61)와 압축기(1) 사이에는 두 대의 기계를 선택적으로 연결 및 분리하기 위해 클러치(63)가 배치될 수 있다.
압축기(1)에 의해 흡입된 공기는 압축되어 덕트(64)를 통해서 저장 용기 또는 공동(66)에 송출되며, 상기 저장 용기 또는 공동에는 압축 공기가 축적된다. 압축 공기가 압축기(1)에 의해 공동(66)에 송출될 때만 밸브(65)가 개방된다.
일부 실시예에 따르면, 시스템(60)은 팽창기(74)를 추가로 포함한다. 가스 터빈(67)도 추가로 제공될 수 있다. 압축 공기는 밸브(69) 개방에 의해 공동(66)으로부터 덕트(68)를 통해서 팽창기(74)로 그리고 가스 터빈(67)으로 송출될 수 있다. 팽창기(74)에 의해 연소기(70)로 송출된 부분 팽창된 공기는 기체상 또는 액상 연료(F)와 혼합될 수 있다. 공기-연료 혼합물이 점화되어 연소 가스를 발생시키고 이 연소 가스는 가스 터빈(67)으로 송출되며 가스 터빈 내에서 팽창되어 샤프트(71)에서 얻을 수 있는 기계적 파워를 생산한다.
일부 실시예에서 팽창기(74)의 회전자는 팽창기(74) 내에서의 공기 팽창에 의해 발생되는 기계적 파워가 동일한 종동 샤프트(71)에서 얻어질 수 있도록 동일 샤프트(71)에 의해 지지될 수 있다. 선택적으로 전기 기계(61)를 터보-머신(74, 67)에 연결하거나 전기 기계(61)를 그로부터 분리시키기 위해 클러치(72)가 제공될 수 있다.
시스템(60)은 다음과 같이 작동한다. 배전 그리드(G)에서 과잉 전력이 얻어질 때, 상기 과잉 전력은 전기 기계(61)를 모터 모드로 실행시키고 압축기(1)를 구동시키도록 사용될 수 있다. 클러치(63)는 결합되고 클러치(72)는 결합해제된다. 터보머신(74, 67)은 비작동 중이다. 밸브(69)는 폐쇄되고 밸브(65)는 개방된다. 압축기(1)에 의해 흡입되는 주위 공기는 압축되고 덕트(64)를 통해서 공동(66)에 송출되며, 공동에는 고압 공기가 축적된다. 이 작동 모드는 예를 들어 야간에 그리드(G)로부터 과잉 전력이 얻어질 때까지 계속된다. 터보압축기(1)가 작동하는 시간 간격은, 압축기(1)의 외부 케이싱(3)이 케이싱에 대한 크리프 손상을 초래할 수 있는 임계 온도에 도달하지 못하게 하기 위해 충분히 짧다.
그리드로부터 과잉 전력이 전혀 얻어지지 않을 때, 압축기(1)는 정지된다.
그리드(G)로부터 추가 전력이 요구되면, 밸브(69)를 개방하고 팽창기(60) 및 가스 터빈(67)을 기동시킴으로써 시스템(60)이 발전기 모드로 전환될 것이다. 압축 공기는 그 압력이 연소기(70)에 진입하기에 충분히 낮을 때까지 공동(66)으로부터 팽창기(74) 쪽으로 송출되어 부분 팽창된다. 연료(F)는 압축 공기와 혼합되고 점화되어 연소 가스를 발생시키며 이 연소 가스는 터빈(67)에서 팽창된다. 클러치(72)는 샤프트(71) 상에 발생된 기계적 파워가 이제 발전기 모드로 작동되는 전기 기계(61)를 회전시키는데 사용될 수 있도록 결합된다. 클러치(63)는 결합해제된다. 따라서 전기 기계(61)는 배전 그리드(G)에 주입되는 전력을 발생시킨다.
도 7은 두 개의 압축기(1)가 병렬 배치되고 번갈아 작동되며, 따라서 각각의 압축기는 그 외부 케이싱이 임계 온도에 도달했을 때 냉각 기간을 가지며, 시스템의 연속 작동을 보장하고, 압축기 케이싱이 크리핑 현상을 초래할 수 있는 임계 온도를 넘어서 가열되는 것을 방지하는 시스템을 도시한다. 일부 실시예에서, 시스템은 제 1 압축기(1A)와 제 2 압축기(1B)로 이루어진다. 압축기(1A, 1B)는 도 1 내지 도 5와 관련하여 개시된 바와 같이 설계될 수 있다. 각각의 압축기(1A, 1B)는 그 고유 전기 모터(MA, MB) 각각에 의해 구동될 수 있다. 전기 모터 대신에 터빈과 같은 다른 원동기가 사용될 수 있다.
유입 파이프라인(81)은 압축될 가스를 두 개의 압축기(1A, 1B) 중 하나 또는 나머지에 공급한다. 송출 파이프라인(82)은 두 개의 압축기(1A, 1B) 중 하나 또는 나머지로부터 압축 가스를 수용한다. 두 개의 압축기(1A, 1B)의 가스 입구에서의 밸브(83A, 83B) 및 두 개의 압축기(1A, 1B)의 출구에서의 밸브(84A, 84B)는 두 개의 압축기(1A, 1B) 중의 하나 또는 나머지를 파이프라인 시스템(81, 82)에 선택적으로 연결하기 위해 사용될 수 있다.
시스템(80)의 작동은 다음과 같다. 압축기(1A)는 예를 들어 제 1 시간 간격 동안 작동될 수 있으며, 이 시간 간격 동안 그 외부 케이싱은 처리된 가스로부터의 열 유동으로 인해 천천히 가열된다. 압축기의 내부에 제공되는 열 차단 장치는 케이싱의 가열을 늦춘다. 임계 온도에 도달되거나, 미리-설정된 시간 간격이 경과되면, 제 2 압축기(1B)가 기동되고 제 1 압축기(1A)는 정지될 수 있다. 이런 식으로, 제 2 압축기(1B)가 작동 중이고 천천히 가열되는 동안 제 1 압축기는 주위 온도로 냉각될 수 있다.
도 8은 종래 기술의 압축기의 경우(곡선 C1)와 본 발명에 따른 압축기의 경우(곡선 C2, C3)에서의 시간에 따른 케이싱 온도를 예시적으로 개략 도시하고 있다. 제 1 곡선(C1)은 온도가 주위 온도에서부터 특정 시간 간격 이후 점근적으로 도달되는 최대치(T1)까지 증가하는 것을 도시한다.
전술한 써멀 실드 장치가 사용되면, 케이싱(3)의 온도는 곡선 C2를 따라서 증가할 것이다. 곡선 C2를 따르는 온도 증가는 곡선 C1을 따르는 온도 증가보다 상당히 느리다. 이것은 써멀 실드 장치에 의해 제공되는 열 장벽 효과 때문이다. 더욱이, 외부 케이싱에 의해 달성되는 최대 온도(T2)는 이 경우에 종래 기술의 압축기에 의해 달성되는 온도(T1)보다 낮을 것이다. 최대 온도 차이는 ΔT로 표시된다.
실제로, 바람직한 실시예에서는, 전술했듯이, 외부 케이싱을 크리프 손상으로부터 보호하기 위해, 압축기(1)는 일정 시간 간격 동안 실행될 수 있으며, 이 시간 간격 이후 압축기는 정지되고 냉각될 수 있다. 이 압축기 작동 모드는 곡선 C2, C3으로 도시된다. 예를 들어, 압축기는 그 외부 케이싱이 시간 간격(t2-t1) 이후 온도(T3)에 도달할 때까지 작동될 수 있다. 시간(t2)에서 압축기는 정지되고 그 외부 케이싱(3)의 온도는 주위 온도(TA)에 도달할 때까지 곡선 C3을 따라서 감소될 것이다.
본 명세서에 기재된 요지의 개시된 실시예는 도면에 도시되었고 몇 가지 예시적 실시예와 관련하여 이상에서 특별히 상세하게 충실히 설명되었지만, 신규 기술, 본 명세서에 기재된 원리와 개념, 및 청구범위에 기재된 요지의 장점으로부터 재료적으로 벗어남이 없이 여러가지 수정, 변경 및 생략이 가능하다는 것은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 그러므로, 개시된 혁신의 적절한 범위는 이러한 모든 수정, 변경 및 생략을 망라하도록 청구범위의 최광의의 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 또한, 임의의 프로세서 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대체 실시예에 따라서 변경되거나 재-시퀀싱될 수 있다.

Claims (22)

  1. 가스 압축기에 있어서,
    가스 입구와 가스 출구를 갖는 케이싱; 및
    상기 케이싱 내에 배치되는 압축기 번들을 포함하고,
    상기 압축기 번들과 상기 케이싱 사이에는 써멀 실드가 배치되며,
    상기 써멀 실드는 가스 압축기를 통해서 처리된 가스 유동으로부터 상기 케이싱으로의 열 전달을 감소시키는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    가스 유동으로부터 배출 덕트의 내표면으로의 열 전달을 감소시키기 위해 단열 장치가 제공된 배출 덕트를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단열 장치는 단열 피복과 라이너를 포함하며, 상기 단열 피복은 라이너와 상기 배출 덕트의 내표면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 가스를 수집하여 가스 출구 쪽으로 송출하는 벌류트를 추가로 포함하며, 벌류트와 케이싱 사이에는 써멀 실드가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 써멀 실드는 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 단열 장치는 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 동석, 근청석, 알루미나, 지르코니아 또는 그 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  8. 제 5 항, 제 6 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 분말 형태, 섬유 형태 또는 그 조합 형태인 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 써멀 실드는 외부 시트와 내부 단열재로 이루어진 하나 이상의 절연 판을 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  10. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 단열 장치는 외부 시트와 내부 단열재로 이루어진 하나 이상의 절연 판을 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 외부 시트는 케이싱에 속박되는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  12. 제 9 항, 제 10 항 또는 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 시트는 금속 시트인 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  13. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 써멀 실드는 케이싱 및/또는 번들 및/또는 벌류트의 표면 상에 적어도 부분적으로 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 증착은 열 분사, 또는 플라즈마 분사, 또는 전기-화학 증착, 또는 그 조합에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  15. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 단열 장치는 배출 덕트의 내표면 상의 단열 재료 증착을 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 배출 덕트의 내표면 상의 써멀 증착은 열 분사, 또는 플라즈마 분사, 또는 전기-화학 증착, 또는 그 조합에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 제 1 압축기와 제 2 압축기를 적어도 포함하는 압축기 시스템에 있어서,
    상기 제 1 압축기와 상기 제 2 압축기는 번갈아 작동되고, 상기 제 1 압축기와 상기 제 2 압축기 중 하나가 작동하는 동안 상기 제 1 압축기와 상기 제 2 압축기 중 나머지 하나는 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는
    압축기 시스템.
  18. 케이싱 및 상기 케이싱 내에 배치되는 압축기 번들을 포함하는 가스 압축기를 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 방법은 상기 압축기에 의해 처리된 기체상 유동으로부터 상기 케이싱을 향한 열 전달을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기 작동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    압축기 번들과 케이싱 사이에 써멀 실드를 배치하는 단계를 포함하며,
    상기 써멀 실드는 가스 유동으로부터 케이싱으로의 열 전달을 감소시키는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기 작동 방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    가스 수집 벌류트와 케이싱 사이에 추가 써멀 실드를 배치하는 단계, 및
    벌류트로부터 케이싱으로의 열 전달을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기 작동 방법.
  21. 제 18 항, 제 19 항 또는 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 유동으로부터 배출 덕트의 측벽으로의 열 전달을 감소시키기 위해 가스 배출 덕트 내부에 단열 장치를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 압축기 작동 방법.
  22. 압축기 시스템 작동 방법으로서, 상기 압축기 시스템은 제 1 압축기와 제 2 압축기를 포함하고, 상기 제 1 압축기와 상기 제 2 압축기는 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따라 설계되는, 압축기 시스템 작동 방법에 있어서,
    상기 제 1 압축기와 제 2 압축기 중 하나를 실행시키고 상기 제 1 압축기와 제 2 압축기 중 나머지 하나는 비작동 상태로 유지시키는 단계,
    시간 간격 이후, 상기 제 1 압축기와 제 2 압축기 중 나머지 하나를 작동시키고, 상기 제 1 압축기와 제 2 압축기 중 하나를 정지시키며, 상기 하나의 압축기를 냉각시킬 수 있는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축기 시스템 작동 방법.
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