NO335757B1 - Kompresjonssystem med mangfoldige innløpsstrømmer - Google Patents

Abstract

Et kompressorsystem omfatter (a) en første kompressor (43) som har et første stadium (4 1) og et andre stadium (45), idet det første stadiet (4 1) komprimerer en første gass (3) og det andre stadiet (45) komprimerer en kombinasjon av en fjerde gass (9) og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet (43); og (b) en andre kompressor (49) som har et første stadium (47) og et andre stadium (5 1), idet det første stadiet (47) komprimerer en andre gass (5) og det andre stadiet (5 1) komprimerer en kombinasjon av en tredje gass (7) og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet (47); og (c) en rørledninginnretning (57) for å kombinere tømmingen (53) fra det andre stadiet av den første kompressoren og tømmingen (55) fra det andre stadiet av den andre kompressoren for å tildanne en komprimert gass. Den andre gassen (5) er ved et trykk større enn den første gassen (5), den tredje gassen (7) er ved et trykk større enn den andre gassen (5) og den fjerde gassen (9) er ved et trykk større enn den tredje gassen (7). Systemet har spesiell anvendelse for flertrinns avkjøling, spesielt av LNG.

Description

Nye anlegg for gasskondensering og annen gassbearbeiding er utformet for stadig økende produksjonsrater for å iverksette de gunstige økonomiske fordelene knyttet til større anlegg. Disse større anleggene har større kjøleytelser med høyere kjølemiddelsirkulasjonsrater og derfor er større kjølemiddelkompressorer påkrevet. Etterhvert som gassbearbeidingsanleggene blir større, kan de maksimalt oppnåelige produksjonsratene begrenses av de maksimalt tilgjengelige kompressorstørrelsene.

Når en eneste kjølemiddelkompressor brukes, krever disse økede kjølemiddelstrømningsratene større kompressorhjul med høyere spisshastigheter, større og tykkere veggforinger og økede innløpshastigheter til kompressorhjulene. Etter hvert som størrelsen av kompressorkompontene økes, vil kompressoren nå dens fundamentale aerodynamiske grenser, og dette vil fastsette den maksimalt mulige kompressorkapasiteten. Mange kjølesystemer benytter mangfoldige kjølemiddelstrømmer ved forskjellige trykk, og disse systemene krever generelt kompressorer som har mangfoldige mellomtrinns sugeinnløp. Tilvirkningen og installasjonen av disse store mellomtrinns kompressorene blir betydelig mer vanskelig, etter hvert som kompressorstørrelsen øker.

En tradisjonell mellomtrinns kjølemiddelkompressor illustreres skjematisk på fig. 1. Et kjølesystem 1 utgjør hvilken som helst type av kjølesystem i hvilket mangfoldige kjølemiddelstrømmer fordampes ved ulike trykkknivåer for å bevirke avkjøling i mangfoldige temperaturområder. I dette eksempelet benytter kjølesystemet 1 fire kjølemiddelstrømmer som fordampes i passende varmevekslere ved fire forskjellige trykk for å bevirke avkjøling i fire temperaturområder. Fire fordampede kjølemiddelstrømmer i linjene 3,5,7 og 9, hver ved et avvikende trykk, trekkes tilbake fra systemet 1 og innføres i stadiene til en flertrinns kompressor 11 ved de passende lokaliseringene avhengig av trykket til hver strøm.

Det fordampede kjølemiddelet med lavest trykk i linje 3 innføres i innløpet til første stadium 13 som kan betegnes som et lavtrinnsstadium A. Kjølemiddelstrømmen med lavt-mellomliggende trykk i linje 5 innføres i andre stadium 15 av kompressoren 11, hvilket stadium kan betegnes som et stadium B med lavt- mellomliggende trykk. Kjølemiddelstrømmen med høyt- mellomliggende trykk i linje 7 innføres i tredje stadium 17 av kompressoren 11, hvilket stadium kan betegnes som et stadium C med høyt-mellomliggende trykk. Høytrykkskjølemiddelstrømmen i linje 9 innføres i fjerde stadium 19 av kompressoren 11, hvilket stadium kan betegnes som et høyttrykksstadium D. Hvert stadium av kompressoren kan omfatte et eller flere kompressorhjul og vil komprimere en økende massestrømning av gass. Til slutt returnerer komprimert kjølemiddelgass via linje 21 til kjølesystemet 1.

Massestrømningen gjennom lavtrinnsstadiet A (første stadium 13) er massestrømningen som kommer inn i linje 3; massestrømningen i stadiet B med lavt-mellomliggende trykk (andre stadium 15) er summen av massestrømningene som kommer inn i linjer 3 og 5; massestrømningen i stadiet C med høyt-mellomliggende trykk (tredje stadium 17) er summen av massestrømningene som kommer inn i linje 3,5 og 7; og massestrømningen i høytrykksstadiet D (tredje stadium 19) er summen av massestrømningene som kommer inn i linje 3,5,7 og 9.

Når det brukes en enkelt flertrinns kompressor 11 ved en fast driverhastighet, er den samlede strømningskapasiteten til kjølesystemet begrenset av restriksjoner i de aerodynamiske utforaiingsfaktorene og strømningsfaktorene som brukes for å utforme kompressorhjulene. Et hastighetsreduksjonsgir eller en langsommere hastighetsdriver kan eliminere disse innskrenkningene i noen tilfeller. Et hastighetsreduksjonsgir vil imidlertid øke kapitalkostnadene og resultere i mekaniske krafttak. Et hastighetsreduksjonsgir kan også komplisere de mekaniske torsjonsinnskrenkningene til kompressorsystemet og sette den mekaniske utformingen av systemet i fare. Kompressorstadiet med langsommere hastighet i et slikt system vil kreve større foringsstørrelser og større kompressorhjul, noe som vil øke betydelig både kapital- og installasjonskostnaden. Den maksimale størrelsen av en eneste flertrinnskompressor 11 kan således begrenses av hvilken som helst av disse utformingsfaktorene. Adskillige alternative fremgangsmåter er blitt foreslått innen teknikken for å komprimere store kjølemiddelstrømninger i et kjølesystem med flere nivåer. En løsning er å bruke to identiske parallelle kompressorer i halv størrelse med en felles innløpssugetrykk kilde, felles mellomliggende sugetrykkilder og et felles utløpstømmetrykk. Rørledningssystemene rundt de to parallelle kompressorene må utformes og balanseres med pinlig nøyaktighet, slik at begge maskiner virker med de samme strømningene gjennom alle stadier av kompressorene. Hvilken som helst strømningsubalanse mellom de to kompressorene vil forårsake at en av enhetene når trykksvingning (strømningsreversering) for tidlig. Små forskjeller i tilvirkningstoleranser mellom de to maskinene, så som i foringene og kompressorhjulene, vil også bidra til strømningsubalanse.

En annen alternativ fremgangsmåte for å komprimere store kjølemiddelstrømninger i et flernivås kjølesystem avdekkes i international publikasjon WO 01/44734 A2 og illustreres på fig. 2.1 dette alternativet innføres det fordampede kjølemiddelet med lavest trykk i linje 3 i innløpet ved første stadium 23 av en første kompressor 25, hvilket stadium kan betegnes som et stadium A med lavt trykk. Kjølemiddelstrømmen med høyt- mellomliggende trykk i linje 7 innføres i andre stadium 27 av den første kompressoren 25, hvilket stadium kan betegnes som et stadium C med høyt-mellomliggende trykk. Kjølemiddelstrømmen med lavt-mellomliggende trykk i linje 5 innføres i første stadium 29 av en andre kompressor 31, hvilket stadium også betewgnes som et stadium B med lavt-mellomliggende trykk. Høyttrykkskjølemiddelstrømmen i linje 9 innføres i andre stadium 33 av kompressoren 11, hvilket stadium kan betegnes som et stadium D med høyt trykk. Hvert stadium av kompressorene 25 og 31 kan omfatte et eller flere kompressorhjul og og vil komprimere en økende massestrømning av gass. Til sist kombineres komprimerte kjølemiddelgasstrømmer i linje 35 og 37 og returneres via linje 39 til kjølemiddelsystemet 1.

Massestrømningen gjennom lavtrykksstadiet A (første stadium 23) er massestrømningen som kommer inn i linje 3; massestrømningen i stadiet C med høyt-mellomliggende trykk (andre stadium 27) er summen av massestrømningene som kommer inn i linje 3 og 7; massestrømningen i stadiet B med lavt-mellomliggende trykk (første stadium 29) er massestrømningen som kommer inn i linje 5 og massestrømningen i høyttrykksstadiet D (tredje stadium 33) er summen av massestrømningene som kommer inn i linje 5 og 9. Dette delte kompressorarrangementet gir en fremgangsmåte for å eliminere størrelses- og innløpshastighetsproblemene ved en enkelt stor kompressor 11 (fig. 1) uten å utsettes for balanseringsproblemene til de to identiske kompressorene i halv størrelse drøftet over.

US 6640586 Bl beskriver et naturgasskondenseringssystem som anvender elektromotorer som kompressordrivere.

US 2002/0170312 Al beskriver en fabrikk for kondensering av naturgass som omfatter en hovedvarmeveksler hvor naturgassen kondenseres ved hjelp av indirekte varmeveksling med fordampningskjølevæske.

Annen kjent bakgrunnsteknikk beskrives også i DE 3521060 A.

For de anleggene for gasskondensering og annen gassbearbeiding er utformet for et stadig økende produksjonsrater for å iverksette de gunstige økonomiske fordelene knyttet til større anlegg, er alternative fremgangsmåter påkrevet for å eliminere størrelses- og innløpshastighetsproblemene til enkle store kompressorer. Utførelser av den foreliggende oppfinnelse fremskaffer, slik som drøftet under og angitt av patentkravene som følger, en alternativ fremgangsmåte for utformingen av kjølemiddelkompressorer for store gasskondenserings-og behandlingsanlegg.

En utførelse av oppfinnelsen innbefatter et kompressorsystem omfattende (a) en første

kompressor som har et første stadium og et andre stadium, idet det første stadiet av den første kompressoren er avpasset for å komprimere en første gass og det andre stadiet av den første kompressoren er avpasset for å komprimere en kombinasjon av en fjerde gass og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet av den første kompressoren; (b) en andre kompressor som har et første stadium og et andre stadium, idet det første stadiet av den andre kompressoren er avpasset for å komprimere en andre gass og det andre stadiet av den andre kompressoren er avpasset for å komprimere en kombinasjon av en tredje gass og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet av den andre kompressoren; og (c) en rørledningsinnretning for å kombinere tømmingen fra det andre stadiet av den første kompressoren og tømmingen fra det andre stadiet av den andre kompressoren for å tildanne en kombinert komprimert gass. Den første gassen er ved et første trykk, den andre gassen er ved et andre trykk større enn det første trykket, den tredje gassen er ved et tredje trykk større enn det andre trykket og den fjerde gassen er ved et fjerde trykk større enn det tredje trykket.

Uttrykket "stadium" betyr, slik som brukt her, en kompressor eller et kompressorsegment som har en eller flere kompressorhjul, idet massestrømningen av fluid som komprimeres i stadiet er konstant gjennom stadiet.

Systemet omfatter videre en rørledningsinnretning for å kombinere tømmingen fra det andre stadiet av den første kompressoren og tømmingen fra det andre stadiet av den andre kompressoren for å tildanne en kombinert komprimert gass.

I en annen utførelse av oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for gasskompresjon (a) komprimering av en første gass i et første stadium av en første kompressor og komprimering i et andre stadium av den første kompressoren, en kombinasjon av en fjerde gass og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet av den første kompressoren, og tilbaketrekking av en første komprimert gasstrøm fra det andre stadiet av den første kompressoren; (b) komprimering av en andre gass i et første stadium av en andre kompressor og komprimering i et andre stadium av den andre kompressoren, en kombinasjon av en tredje gass og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet av den andre kompressoren og tilbaketrekking av en andre komprimert gasstrøm fra det andre stadiet av den andre kompressoren; og (c) kombinering av den første komprimerte gasstrømmen og den andre komprimerte gasstrømmen for å tildanne en sluttkomprimert gasstrøm. Den første gassen er ved et første trykk, den andre gassen er ved et andre trykk større enn det første trykket, den tredje gassen er ved et tredje trykk større enn det andre trykket, den fjerde gassen er ved et fjerde trykk, og den sluttkomprimerte gasstrømmen er ved et sluttrykk større enn det fjerde trykket, og det fjerde trykket er større enn det tredje trykket.

Hvilken som helst av den første, den andre, den tredje og den fjerde gassen kan være en kjølemiddelgass levert fra et kjølesystem og den sluttkomprimerte gasstrømmen kan være en komprimert kjølemiddelgass levert til kjølesystemet.

En annen utførelse innbefatter et kjølesystem for frembringelse av avkjøling ved mangfoldige temperaturnivåer omfattende

(a) et kompressorsystem for frembringelse av en komprimert kjølemiddelgass, idet kompressorsystemet innbefatter

(1) en første kompressor som har et første stadium og et andre stadium, idet det første stadiet av den første kompressoren er avpasset for å komprimere en første kjølemiddelgass og det andre stadiet av den første kompressoren er avpasset for å komprimere en kombinasjon av en fjerde kjølemiddelgass og en mellomliggende komprimert kjølemiddelgass fra det første stadiet av den første kompressoren; og (2) en andre kompressor som har et første stadium og et andre stadium, idet det første stadiet av den andre kompressoren er avpasset for å komprimere en andre kjølemiddelgass og det andre stadiet av en andre kompressor er avpasset for å komprimere en kombinasjon av en tredje kjølemiddelgass og en mellomliggende komprimert kjølemiddelgass fra det første stadiet av den andre kompressoren; og (3) en rørledningsinnretning for å kombinere tømmingen fra det andre stadiet av den første kompressoren og tømmingen fra det andre stadiet av den andre kompressoren for å tildanne den komprimerte kjølemiddelgassen; at den første kjølemiddelgassen er ved et første trykk, den andre kjølemiddelgassen er ved et andre trykk større enn det første trykket, den tredje kjølemiddelgassen er ved et tredje trykk større enn det andre trykket og den fjerde kjølemiddelgassen er ved et fjerde trykk større enn det tredje trykk; (b) en kompressor etterkjøler for å kjøle og kondensere den komprimerte kjølemiddelgassen, for derved å tildanne en kondensert kjølemiddelstrøm; og (c) et kjøleapparat avpasset for å bevirke kjøling i fire temperaturområder, idet kjøleapparatet omfatter (1) en første trykkreduksjonsinnretning for å redusere trykket av den kondenserte kjølemiddelstrømmen til det fjerde trykket, for derved å tildanne en kjølemiddelvæske med redusert trykk ved det fjerde trykket; (2) en rørledningsinnretning for å oppdele kjølemiddelvæsken med redusert trykk ved det fjerde trykket til en første kjølemiddeldel og en andre kjølemiddeldel ved det fjerde trykket; (3) en varaievekslerinnretning for å fordampe den første kjølemiddeldelen fra (2) ved det fjerde trykket, for derved å bevirke avkjøling i et første temperaturområde og tildanne en fjerde kjølemiddelgass; (4) en andre trykkreduserende innretning for å redusere trykket av den andre kjølemiddeldelen fra (2) fra det fjerde trykket til det tredje trykket, for derved å tildanne et kjølemiddel med redusert trykk ved det tredje trykket; (5) en rørledningsinnretning for å oppdele kjølemiddelvæske med redusert trykk ved det tredje trykket til en første kjølemiddeldel og en andre kjølemiddeldel ved det tredje trykket; (6) en varmevekslerinnretning for å fordampe den første kjølemiddeldelen fra (5) ved det tredje trykket, for derved å bevirke avkjøling i et andre temperaturområde og tildanne den tredje kjølemiddelgassen; (7) en tredje trykkreduksjonsinnretning for å redusere trykket av den andre kjølemiddeldelen fra (5) fra det tredje trykket til det andre trykket, for derved å tildanne et kjølemiddel med redusert trykk ved det andre trykket; (8) en rørledningsinnretning for å oppdele kjølemiddelvæske med redusert trykk ved det andre trykket til en første kjølemiddeldel og en andre kjølemiddeldel ved det andre trykket; (9) en varaievekslerinnretning for å fordampe den første kjølemiddeldelen fra (8) ved det andre trykket, for derved å bevirke avkjøling i et tredje temperaturområde og tildanne den andre kjølemiddelgassen; (10) en fjerde trykkreduksjonsinnretning for å redusere trykket av den andre kjølemiddeldelen fra (8) fra det andre trykket til det første trykket, for derved å tildanne et kjølemiddel med redusert trykk ved det første trykket; og (11) en varmevekslerinnretning for å fordampe kjølemiddelet med redusert trykk med det første trykket, for derved å bevirke avkjøling i et fjerde temperaturområde og tildanne den første kjølemiddelgassen.

Kjøleapparatet kan være avpasset for å kjøle en annen komprimert kjølemiddelgass. Kjøleapparatet kan avpasses for å forkjøle naturgass før kondensering.

En annen utførelse innbefatter en kjøleprosess omfattende

(a) tildannelse av et kompressorsystem innbefattende

(1) en første kompressor som har et første stadium og et andre stadium, idet det første stadiet av den første kompressoren er avpasset for å komprimere en første kjølemiddelgass og det andre stadiet av den første kompressoren er avpasset for å komprimere en kombinasjon av en fjerde kjølemiddelgass og en mellomliggende komprimert kjølemiddelgass fra det første stadiet av den første kompressoren; og (2) en andre kompressor som har et første stadium og et andre stadium, idet det første stadiet av den andre kompressoren er avpasset for å komprimere en andre kjølemiddelgass og det andre stadiet av den andre kompressoren er avpasset for å komprimere en kombinasjon av en tredje kjølemiddelgass og en mellomliggende komprimert kjølemiddelgass fra det første stadiet av den andre kompressoren; og (3) en rørledningsinnretning for å kombinere tømmingen fra det andre stadiet av den første kompressoren og tømmingen fra det andre stadiet av den andre kompressoren for å tildanne en komprimert kjølemiddel-gass;

at den første kjølemiddelgassen er ved et første trykk, den andre kjøle-

middelgassen er ved et andre trykk større enn det første trykket, den tredje kjølemiddelgassen er ved et tredje trykk større enn det andre trykket og den fjerde kjølemiddelgassen er ved et fjerde trykk større enn

det tredje trykket;

(b) komprimering av en kjølemiddelgass i kompressorsystemet fra (a) for å tildanne

en komprimert kjølemiddelgass;

(c) kjøling og kondensering av den komprimerte kjølemiddelgassen, for derved å

tildanne en kondensert kjølemiddelstrøm; og

(d) frembringelse av kjøling i fire temperaturområder ved

(1) redusering av trykket av den kondenserte kjølemiddelstrømmen til det fjerde trykket, for derved å tildanne en kjølemiddelvæske med redusert trykk ved det fjerde trykket; (2) oppdeling av kjølemiddelvæsken med redusert trykk ved det fjerde trykket i en første kjølemiddeldel og en andre kjølemiddeldel ved det fjerde trykket; (3) fordamping av den første kjølemiddeldelen fra (2) ved det fjerde trykket For derved å bevirke avkjøling i et første temperaturområde og tildanne den fjerde kjølemiddelgassen; (4) redusering av trykket av den andre kjølemiddeldelen fra (2) fra det fjerde trykket til det tredje trykket, for derved å tildanne et kjølemiddel med redusert trykk ved det tredje trykket; (5) oppdeling av kjølemiddelvæsken med redusert trykk ved det tredje trykket i en første kjølemiddeldel og en andre kjølemiddeldel ved det tredje trykket; (6) fordamping av den første kjølemiddeldelen fra (5) ved det tredje trykket, for derved å bevirke avkjøling i et andre temperaturområde og tildanne den tredje kjølemiddelgassen; (7) redusering av trykket av den andre kjølemiddeldelen fra (5) fra det tredje trykket til det andre trykket, for derved å tildanne et kjølemiddel med redusert trykk ved det andre trykket; (8) oppdeling av kjølemiddelvæsken med redusert trykk ved det andre trykket i en første kjølemiddeldel og en andre kjølemiddeldel ved det andre trykket; (9) fordamping av den første kjølemiddeldelen fra (8) ved det andre trykket, for derved å bevirke avkjøling i et tredje temperaturområde og tildanne den andre kjølemiddelgassen; (10) redusering av trykket av den andre kjølemiddeldelen fra (8) fra det andre trykket til det første trykket, for derved å tildanne et kjøle-

middel med redusert trykk ved det første trykket; og

(1 l)fordamping av kjølemiddelet med redusert trykk ved det første trykket, for derved å bevirke avkjøling i et fjerde temperaturområde og tildanne den første kjølemiddelgassen.

Prosessen kan videre omfatte kjøling av en ytterligere komprimert kjølemiddelgass med avkjølingen bevirket i minst ett av det første, det andre, det tredje og det fjerde temperaturområdet. Den ytterligere komprimerte kjølemiddelgassen kan være en blandet kjølemiddelgass som inneholder to eller flere komponenter valgt fra nitrogen og hydrokarboner som har fra en til frem karbonatomer.

Prosessen kan videre omfatte forkjøling av naturgass før kondensering med avkjølingen bevirket i minst ett avdet første, det andre, det tredje og det fjerde temperaturområdet. Den komprimerte kjølemiddelgassen kan være en enkel komponent valgt fra hydrokarboner som har fra to til fire karbonatomer. Alternativt kan den komprimerte kjølemiddelgassen omfatte to eller flere komponenter valgt fra nitrogen og hydrokarboner som har fra en til fem karbonatomer.

Det etterfølgende er en omtale kun som eksempel og med henvisning til de vedlagte tegninger av aktuelt foretrukne utførelser av oppfinnelsen. På tegningene er: Fig. 1 et skjematisk flytdiagram av et flernivås kjølemiddelkompressorsystem i samsvar med den tidligere kjente teknikk; Fig. 2 et skjematisk flytdiagram av et annet flernivås kjølemiddelkompressorsystem i samsvar med den tidligere kjente teknikk; Fig. 3 et skjematisk flytdiagram av et flernivås kjølemiddelkompressorsystem i samsvar med en utførelse av den foreliggende oppfinnelse; og Fig. 4 en eksempelvis anvendelse av kompressorsystemet fra fig. 3 i et kjølesystem for kjøling av to prosesstrømmer.

Med henvisning til fig. 3 er et fordampet kjølemiddel med laveste trykk i linje 3 innført i et innløp ved første stadium 41 av en første kompressor 43, hvilket stadium kan betegnes som et stadium A med lavt trykk. En høytrykkskjølemiddelstrøm i linje 9 er innført i et andre stadium 45 av den første kompressoren 43, hvilket stadium kan betegnes som et stadium D med høyt trykk. En kjølemiddelstrøm med lavt-mellomliggende trykk i linje 5 er innført i første stadium 47 av en andre kompressor 49, hvilket stadium kan betegnes som et stadium B med lavt-mellomliggende trykk. En kjølemiddelstrøm med høyt-mellomliggende trykk i linje 7 er innført i andre stadium 51 av den andre kompressoren 49, hvilket stadium kan betegnes som et stadium C med høyt-mellomliggende trykk. Hvert stadium av kompressorene 43 og 49 kan omfatte én eller kompressorhjul og vil komprimere en økende massestrømning av gass. Sluttkomprimerte kjølegasstrømmer i linje 53 og 55 kombineres og returnerer via linje 57 til kjølesystemet 1.

Massestrømningen gjennom lavtrykksstadiet A (første stadium 41) er massestrømningen som kommer inn i linje 3; massestrømningen i høytrykksstadiet D (andre stadium 45) er summen av massestrømningene som kommer inn i linje 3 og 9; massestrømningen i stadiet B med lavt-mellomliggende trykk (første stadium 47) er massestrømninger som kommer inn i linje 5; og massestrømningen i stadiet C med høyt- mellomliggende trykk (tredje stadium 51) er summen av massestrømningen som kommer inn i linje 5 og 7. Det delte kompressorarrangementet fremskaffer en alternativ fremgangsmåte for å eliminere størrelses- og innløpshastighetsproblemene til en eneste stor kompressor 11 (fig. 1) uten å utsettes for balanseringsproblemene til de to identiske kompressorene i halv størrelse drøftet over.

Utførelsen av oppfinnelsen omtalt over er sammenlignet med fremgangsmåtene i henhold til den tidligere kjente teknikk fra fig. 1 og 2 i tabell 1 under. Tabellen viser massestrømningsratene gjennom hvert kompressorstadium uttrykt i typiske massestrømningsrater F3, F5, F7, og F9til kjølemiddel i henholdsvis linje 3,5,7 og 9. Avvisningsområdet, effektiviteten og strømningskapasiteten til en kompressor bestemmes i stor utstrekning av innløpsstrømningskoeffisienten og det relative innløpsmachtallet til hvert individuelt kompressorhjul. Det relative innløpsmachtallet er en direkte funksjon av molekylvekten til gassen som komprimeres, og geometrien til kompressorhjulet ved dets innløp.

Machtallet til kompressorhjulspisshastigheten eller den ekvivalente spisshastigheten er også et viktig mål for kompressorhjul avvisningsområdet og strømningskapasitet og brukes ved den innledende kalibreringen av kompressorer når innløpsgeometrien er ukjent. Spisshastighetsmachtallet beregnes ved spissdiameteren av kompressorhjulet. Innløpsstrømingskoeffisienten og kompressorhjulspisshastigheten er funksjoner av den innløpsvolumetriske strømningsraten, rotasjonshastigheten til kompressorhjulet og kompressorhjuldiameteren. En høy spisshastighet reduserer avvisningsområdet til kompressorhjulet, en høy strømningskoeffisient og høy spisshastighet begrenser også strømningskapasiteten til kompressorhjulet. Dette omtales i en avhandling av J. F. Blahovec med flere, presentert ved Proceedings of the 27th Turbomachinery Symposium, College Station, Texas, 1998.

En illustrasjon av en anvendelse av kompresjonssystemet omtalt over, gis på fig. 4 for bruken av propankjølemiddel for å kjøle en prosesstrøm. I denne anvendelsen kjøles komprimert kjølemiddelgass i linje 57 ved 150 til 250 psia (1,025 til 1,725 kPa) og kondenseres i en varmeveksler 59 for å tildanne en kondensert kjølemiddelstrøm i linje 61 ved 50 til 120°F (10 til 50°C). En del av det kondenserte kjølemiddelet reduseres i trykk over en strupeventil 63 til et fjerde trykk på 75 til 125 psia (520 til 860 kPa) og innføres i en varmeveksler 65, der kjølemiddelet fordamper og bevirker avkjøling for å kjøle en prosesstrøm 67. Fordampet kjølemiddel returnerer via linje 9 for å tildanne en fjerde kjølemiddelgass via linje 9 til lavt-mellomliggende kompressorstadium 45 av kompressoren 43.

Ufordampet flytende kjølemiddel fra varmeveksleren 65 trekkes tilbake via linje 69 og reduseres i trykk over en strupeventil 71 til et tredje trykk på 40 til 70 psia (275 til 480 kPa) og innføres i en varmeveksler 73, der kjølemiddelet fordamper og bevirker avkjøling for å kjøle en prosesstrøm 75 fra varmeveksleren 65. Fordampet kjølemiddel trekkes tilbake fra varmeveksleren for å returnere en tredje kjølemiddelgass via linje 7 til kompressorstadiet 51 med høyt trykk av kompressoren 49.

Ufordampet flytende kjølemiddel trekkes tilbake via linje 77, reduseres i trykk over en strupeventil 79 til et andre trykk på 20 til 30 psia (140 til 205 kPa), og innføres i en varmeveksler 81 der kjølemiddelet fordamper og gir avkjøling for å kjøle en prosesstrøm 83 fra varmeveksleren 73. Fordampet kjølemiddel trekkes tilbake fra varmeveksleren for å returnere en andre kjølemiddelgass via linje 5 til kompressorstadiet 47 med høyt-mellomliggende trykk av kompressoren 49.

Ufordampet flytende kjølemiddel trekkes tilbake via linje 85, reduseres i trykk over en strupeventil 87 til et første trykk på 14 til 21 psia (95 til 145 kPa) og innføres i varmeveksleren 89, der kjølemiddelet fordamper og bevirker avkjøling for å kjøle en prosesstrøm 91 fra varmeveksleren 81. Fordampet kjølemiddel returnerer via linje 3 for å levere en første kjølemiddelgass til lavtrykkskompressorstadiet 41 av kompressoren 43. En sluttkjølt prosesstrøm trekkes tilbake via linje 93.

Den første, den andre, den tredje og den fjerde kjølemiddelgasstrømmen i linje 3,5,7 og 9 komprimeres i henholdsvis kompressorstadiet 41,47,51 og 45 for å levere komprimert kjølemiddelgass i linje 53,55 og 57.

Prosesstrømmen 67 kan for eksempel være en naturgasstrøm som er forkjølt før ytterligere kjøling og kondensering av et kjølesystem som benytter et blandet flytende kjølemiddel eller med et hybrid kjølesystem omfattende et kjølesystem som benytter et blandet flytende kjølemiddel ved mellomliggende temperaturer og et gassutvidelseskjølesystem ved lavere temperatur ned til kondenseringstemperaturen. Ytterligere avkjøling kan valgfritt bevirkes for å kjøle en annen prosesstrøm 95, der en andre del av det kondenserte kjølemiddelet i linje 61 reduseres i trykk over en strupeventil 97 til det fjerde trykket på 75 til 125 psia (520 til 860 kPa) og innføres i en varmeveksler 99, der kjølemiddelet fordamper og bevirker avkjøling for å kjøle en prosesstrøm 95. Fordampet kjølemiddel returnerer via linje 101 og 109 til det lave-mellomliggende kompressorstadiet 45.

Ufordampet flytende kjølemiddel fra varmeveksleren 99 trekkes tilbake via linje 103, reduseres i trykk over en strupeventil 105 til det tredje trykket på 40 til 70 psia (275 til 480 kPa) og innføres i en varmeveksler 107, der kjølemiddelet fordamper og bevirker avkjøling for å kjøle en prosesstrøm 109 fra varmeveksleren 99. Fordampet kjølemiddel trekkes tilbake fra varmeveksleren og returneres via linje 111 og 7 til høytrykksstadiet 51.

Ufordampet flytende kjølemiddel trekkes tilbake fra en varmeveksler 107 via linje 113, reduseres i trykk over en strupeventil 115 til det andre trykket på 20 til 30 psia (125 til 205 kPa) og innføres i en varmeveksler 117, der kjølemiddelet fordamper og bevirker avkjøling for å kjøle en prosesstrøm 119 fra varmeveksleren 107. Fordampet kjølemiddel trekkes tilbake fra varmeveksleren for å returnere en andre kjøelemiddelgass via linje 121 og 5 til kompressorstadiet 47 med høyt-mellomliggende trykk.

Ufordampet flytende kjølemiddel trekkes tilbake via linje 123, reduseres i trykk over en strupeventil 125 til det første trykket på 14 til 21 psia (95 til 145 kPa) og innføres i en varmeveksler 127, der kjølemiddelet fordamper og bevirker avkjøling for å kjøle en prosesstrøm 129 fra varmeveksleren 117, fordampet kjølemiddel returnerer via linje 131 og 3 til lavtrykkskompressorstadiet 41. En sluttkjølt prosesstrøm trekkes tilbake via linje 133.

Prosesstrømmen 95 kan for eksempel være en komprimert blandet kjølemiddelstrøm i et kjølesystem (ikke vist) som brukes for ytterligere å kjøle og kondensere en forkjølt naturgasstrøm levert via linje 93. Alternativt kan prosesstrømmen 95 være en komprimert blandet kjølemiddelstrøm i et hybrid kjølesystem (ikke vist) omfattende et kjølesystem som benytter et blandet flytende kjølemiddel ved mellomliggende temperaturer og et gassutvidelseskjølesystem ved lavere temperaturer ned til kondenseringstemperaturen.

Selv om utførelsen av oppfinnelsen illustreres overfor kompresjonen av fire kjølemiddelgasstrømmer levert ved ulike trykk fra et kjølesystem, kan kompresjonssystemet, slik som omtalt, brukes for å komprimere fire gasstrømmer som inneholder hvilken som helst type av gass brukt for hvilket som helst formål. Kompresjonssystemet kan for eksempel brukes for å komprimere et blandet kjølemiddel brukt i en damp i en kompresjonstype av kjølesystem, der det kondenserte blandede kjølemiddelet fordampes ved fire forskjellige trykk.

De etterfølgende eksempler illustrerer utførelser av den foreliggende oppfinnelse, men begrenser ikke oppfinnelsen til noen av de spesielle detaljer omtalt der.

EKSEMPEL 1

Naturgass kondenseres ved en produksjonsrate på 4 millioner tonn/år (3600 kg/år) med koproduksjonen av 1 million tonn/år (900 kg/år) av kondensert petroleumsgass (LPG) ved hjelp av en propanforkjølt blandet kjølemiddelkondenseringsprosess. Propankjølesystemet fra fig. 4 brukes for å forkjøle mategassen før sluttkjøling og kondensering for å kjøle det komprimerte blandede kjølemiddelet og også for å levere tilleggsavkjøling til kondenseringsanlegget. De fordampede propankjølemiddelstrømningsratene og tilstandene er som følger: 16,909 lbmole (7,670 kgmol) per time ved -36°F (-38°C) og 16 psia (110 kPa) ved innløpet til lavtrykksstadiet 41;32,042 lbmole (14,534 kgmol) per time ved -13°F (-25°C) og 28 psia (195 kPa) ved innløpet til det lave-mellomliggende trykkstadiet 45; 33,480 lbmole (15,186 kgmol) per time ved +20°F (-7°C) og 54 psia (370 kPa) ved innløpet til det høye-mellomliggende trykkstadiet 51; og 32,772 lbmole (14,865 kgmol) per time ved +60°F (16°C) og 106 psia (730 kPa) ved innløpet til høytrykksstadiet 45. Den resulterende samlede komprimerte propankjølemiddelstrømningen avgitt til kjølekretsene via linje 61 etter kjøling i etterkjøleren 59 er 115,203 lbmole (52,255 kgmol) per time ved +112°F (44°C) og 208 psia (1,435 kPa).

I dette eksempelet har kompressorstadiet 41 tre kompressorhjul, kompressorstadiet 47 har et kompressorhjul, kompressorstadiet 51 har to kompressorhjul og kompressorstadiet 45 har to kompressorhjul. Prosessparameterne og de beregnede kraftbehovene summeres i tabell 2. Kraftbehovene baseres på gjennomsnittlige individuelle kompressorhjuleffektiviteter for store kompressorer som for tiden er tilgjengelige fra kompressortilvirkere.

Innløpsstrømningskoeffisienten, <(>, er definert som

<)> = 700Q/Nd<3>(= 405.000Q7 Nd'<3>)

der Q er kompressorhjulinnløpets volumetriske strømningsrate i faktisk ft<3>/min (Q' i m<3>/min), N er rotasjonshastigheten i omdreininger per minutt og det er kompressorhjuldiameteren i tommer (d' i cm).

EKSEMPEL 2

Eksempel 1 ble gjentatt ved bruk av det tidligere kjente kompressorarrangementet fra fig. 2 og resultatene gis i tabell 3.

Det delte kompressorarrangementet i henhold til den foreliggende oppfinnelse gir et større awisningsområde og en høyere strømningskapasitet i visse stadier av kompressorene sammenlignet med det tidligere kjente systemet fra fig. 2. Den hydrauliske trykkhøyden eller trykkøkningen over de individuelle mangfoldige kompressorhjulene i lavtrykksstadiet (dvs.stadium 23 fra fig. 2 og stadium 41 fra fig. 3 og 4) av det delte kompressorarrangementet kan justeres for å oppnå hovedsakelig de samme spisshastighetene for alle kompressorhjulene. I det høye/mellomliggende trykkstadiet (stadium 51 fra fig. 3 og 4) er strømningskoeffisientene og spisshastighetene nesten de samme som de i det tidligere kjente systemet fra fig. 2 (stadium 27) og begge ville gi hovedsakelig det samme avvisningsområdet og strømningskapasiteten.

Det delte kompressorarrangementet i henhold til den foreliggende oppfinnelse gir et svakt større awisningsområde og strømningskapasitet i det lave.mellomliggende trykkstadiet (stadium 47 fra fig. 3 og 4) enn det tidligere kjente system (stadium 29, fig. 2) og et ubetydelig større awisningsområde og strømningskapasitet i høyttrykksstadiet (stadium 45, fig. 3 og 4) enn det tidligere kjente systemet (stadium 33, fig. 2) på grunn av de lavere spisshastighetene til kompressorhjulene. Et andre kompressorhjul kunne tilføyes til stadium 33 av det tidligere kjente arrangementet for å redusere kompressorhjulspisshastighetene, men dette ville øke strømningskoeffisienten til det første kompressorhjulet til nær den maksimalt tillate verdien og i sterk grad begrense strømningskapasiteten til dette stadiet.

Fordi det delte kompressorsystemet for produksjonen av kondensert naturgass (LNG) for den foreliggende oppfinnelse i eksempel 1 har en større awisningskapasitet enn det tidligere kjente systemet fra eksempel 2, vil systemet fra eksempel 1 resultere i en lavere spesifikk ytelse per tonn (907 kg) av LNG-produkt enn systemet fra eksempel 2, når mindre LNG-produksjonsrater er påkrevet av anleggsoperatørene.

Claims (12)

1. Kompressorsystem, omfattende: (a) en første kompressor (43) som har et første stadium (41) og et andre stadium (45), idet det første stadiet av den første kompressoren er avpasset for å komprimere en første gass (3) og det andre stadiet av den første kompressoren er avpasset for å komprimere en kombinasjon av en fjerde gass (9) og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet av den første kompressoren; (b) en andre kompressor (49) som har et første stadium (47) og et andre stadium (51), idet det første stadiet av den andre kompressoren er avpasset for å komprimere en andre gass (5) og det andre stadiet av den andre kompressoren er avpasset for å komprimere en kombinasjon av en tredje gass (7) og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet av den andre kompressoren; og (c) en rørledningsinnretning (57) for å kombinere tømmingen (53) fra det andre stadiet av den første kompressoren og tømmingen (55) fra det andre stadiet av den andre kompressoren for å tildanne en kombinert komprimert gass; hvor den første gassen er ved et første trykk, den andre gassen er ved et andre trykk større enn det første trykket, og den tredje gassen er ved et tredje trykk større enn det andre trykket,karakterisert vedat den fjerde gassen er ved et fjerde trykk større enn det tredje trykket.

2. System ifølge krav 1 for frembringelse av avkjøling ved mangfoldige temperaturnivåer, hvor systemet ytterligere omfatter: en kompressoretterkjøler (59) for å kjøle og kondensere den komprimerte kjølemiddelgassen, for derved å tildanne en kondensert kjølemiddelstrøm (61); og et kjøleapparat avpasset for å bevirke avkjøling i fire temperaturområder, hvor kjøleapparatet omfatter: (i) en første trykkreduksjonsinnretning (63, 97) for å redusere trykket av den kondenserte kjølemiddelstrømmen til det fjerde trykket, for derved å tildanne en første kjølemiddelvæske med redusert trykk; (ii) en varmevekslerinnretning (65, 99) for å fordampe en første kjølemiddeldel i den første kjølemiddelvæsken med redusert trykk ved det fjerde trykket, for derved å bevirke avkjøling i et første temperaturområde og tildanne den fjerde kjølemiddelgassen (9); (iii) en andre trykkreduserende innretning (71, 105) for å redusere trykket av en andre kjølemiddeldel fra den første kjølemiddelvæsken med redusert trykk fra det fjerde trykket til det tredje trykket, for derved å tildanne et andre kjølemiddel med redusert trykk; (iv) en varmevekslerinnretning (73,107) for å fordampe en første kjølemiddeldel av det andre kjølemiddelet med redusert trykk ved det tredje trykket, for derved å bevirke avkjøling i et andre temperaturområde og tildanne den tredje kjølemiddelgassen (7); (v) en tredje trykkreduserende innretning (79,115) for å redusere trykket av en flytende andre kjølemiddeldel av det andre kjølemiddeldel av det andre kjølemiddelet med redusert trykk fra det tredje trykket til det andre trykket, for derved å tildanne et tredje kjølemiddel med redusert trykk; (vi) en varmevekslerinnretning (81, 117) for å fordampe en første kjølemiddeldel av det tredje kjølemiddelet med redusert trykk ved det andre trykket, for derved å bevirke avkjøling i et tredje temperaturområde og tildanne den andre kjølemiddelgassen (5); (vii) en fjerde trykkreduserende innretning (87,125) for å redusere trykket av en flytende andre kjølemiddeldel av det tredje kjølemiddelet med redusert trykk fra det andre trykket til det første trykket, for derved å tildanne et fjerde kjølemiddel med redusert trykk ved det første trykket; og (viii) en varmevekslerinnretning (89,127) for å fordampe kjølemiddelet med redusert trykk ved det første trykket, for derved å bevirke avkjøling i et fjerde temperaturområde og tildanne den første kjølemiddelgassen (3).

3. System ifølge krav 2, hvor kjøleapparatet er avpasset for å kjøle en annen komprimert kjølemiddelgass (95).

4. System ifølge krav 2, hvor kjøleapparatet er avpasset for å forkjøle naturgass (67) før kondensering.

5. Fremgangsmåte for gasskompresjon, omfattende: (a) komprimering av en første gass (3) i et første stadium (41) av en første kompressor (43) og komprimering i et andre stadium (45) av den første kompressoren, en kombinasjon av en fjerde gass (9) og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet av den første kompressoren, og tilbaketrekking av en første komprimert gasstrøm (53) fra det andre stadiet av den første kompressoren; (b) komprimering av en andre gass (5) i et første stadium (47) av en andre kompressor (49) og komprimering i et andre stadium (51) av den andre kompressoren, en kombinasjon av en tredje gass (7) og en mellomliggende komprimert gass fra det første stadiet av den andre kompressoren, og tilbaketrekking av en andre komprimert gasstrøm (55) fra det andre stadiet av den andre kompressoren; og (c) kombinering av den første komprimerte gasstrømmen og den andre komprimerte gasstrømmen for å tildanne en sluttkomprimert gasstrøm (57); hvor den første gassen er ved et første trykk, den andre gassen er ved et andre trykk større enn det første trykket, den tredje gassen er ved et tredje trykk større enn det andre trykket, den fjerde gassen er ved et fjerde trykk, og den sluttkomprimerte gasstrømmen er ved et sluttrykk større enn det fjerde trykket,karakterisert vedat det fjerde trykket er større enn det tredje trykket.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvor hvilken som helst av den første, den andre, den tredje og den fjerde gassen er en kjølemiddelgass levert fra et kjølesystem og den sluttkomprimerte gasstrømmen (57) er en komprimert kjølemiddelgass levert til kjølesystemet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor: den første, den andre, den tredje og den fjerde gassen er alle kjølemiddelgasser tildannet av et kjølesystem; den komprimerte kjølemiddelgassen kjøles og kondenseres (59), derved tildannes en kondensert kjølemiddelstrøm (61); og avkjøling tildannes i fire temperaturområder ved: (i) redusering av trykket (63, 97) av den kondenserte kjølemiddelstrømmen til det fjerde trykket, for derved å tildanne en første kjølemiddelvæske med redusert trykk; (ii) fordamping (65, 99) av en første kjølemiddeldel av kjølemiddelvæske med redusert trykk ved det fjerde trykket, for derved å bevirke avkjøling i et første temperaturområde og tildanne den fjerde kjølemiddelgassen (9); (iii) redusering av trykket (71,105) av en flytende andre kjølemiddeldel av den første kjølemiddelvæsken med redusert trykk fra det fjerde trykket til det tredje trykket, for derved å tildanne et andre kjølemiddel med redusert trykk; (iv) fordamping (73,107) av en første kjølemiddeldel av den andre kjølemiddelvæsken med redusert trykk ved det tredje trykket, for derved å bevirke avkjøling i et andre temperaturområde og tildanne den tredje kjølemiddelgassen (7); (v) redusering av trykket (79, 115) av en flytende andre kjølemiddeldel av den andre kjølemiddelvæsken med redusert trykk fra det tredje trykket til det andre trykket, for derved å tildanne et tredje kjølemiddel med redusert trykk; (vi) fordamping (81,117) av en første kjølemiddeldel av den tredje kjølemiddelvæsken med redusert trykk ved det andre trykket, for derved å bevirke avkjøling i et tredje temperaturområde og tildanne den andre kjølemiddelgassen (5); (vii) redusering av trykket (87, 125) av en flytende andre kjølemiddeldel av den tredje kjølemiddelvæsken med redusert trykk fra det andre trykket til det første trykket, for derved å tildanne et fjerde kjølemiddel med redusert trykk; og (viii) fordamping (89,127) av det fjerde kjølemiddelet med redusert trykk ved det første trykket, for derved å bevirke avkjøling i et fjerde temperaturområde og tildanne den første kjølemiddelgassen (3).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, ytterligere omfattende kjølig av en ytterligere komprimert kjølemiddelgass (95) ved avkjølingen bevirket i minst ett av det første, det andre, det tredje og det fjerde temperaturområde.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, hvor den ytterligere komprimerte kjølemiddelgassen (95) er en blandet kjølemiddelgass som inneholder to eller flere komponenter valgt fra nitrogen og hydrokarboner som har fra ett til fem karbonatomer.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvor fremgangsmåten videre omfatter forkjøling av naturgass (67) før kondensering med avkjølingen bevirket i minst ett av det første, det andre, det tredje og det fjerde temperaturområdet.

11. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 7 til 10, hvor den komprimerte kjølemiddelgassen (57) er en eneste komponent valgt fra hydrokarboner som har fra to til fire karbonatomer.

12. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 7 til 10, hvor den komprimerte kjølemiddelgassen (57) omfatter to eller flere komponenter valgt fra nitrogen og hydrokarboner som har fra ett til fem karbonatomer.