WO2014180964A1 - Luftzerlegungsanlage mit hauptverdichterantrieb - Google Patents

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    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/40—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen

Definitions

  • the invention relates to an air separation plant, a method for
  • Devices for obtaining additional air components in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, be provided.
  • the distillation column systems are operated at different operating pressures in their respective separation columns.
  • the double column systems in this case have a so-called high-pressure column and a so-called low-pressure column.
  • Operating pressure of the high-pressure column is, for example, 4.3 to 6.9 bar, preferably about 5.0 bar.
  • the low pressure column is at an operating pressure of, for example, 1, 3 to 1, 7 bar, preferably about 1, 5 bar, operated.
  • the pressures given here and below are absolute pressures.
  • Corresponding air separation plants can be operated for example with so-called internal compression.
  • the internal compression is the internal compression
  • Distillation column system taken a liquid stream and at least partially brought to liquid pressure.
  • the fluidly pressurized stream is in a
  • Main heat exchanger of the air separation plant heated against a heat transfer medium and evaporated.
  • the liquid stream may in particular be liquid Oxygen, but also for example to act on nitrogen or argon.
  • the internal compression is thus used to obtain appropriate gaseous printed products.
  • DE 830 805 B, DE 901 542 B (corresponding to US 2 712 738 A or US 2 784 572 A),
  • EP 1 308 680 A1 (US Pat. No. 6,612,192 B2), DE 102 13 212 A1, DE 102 13 21 1 A1,
  • a heat transfer medium is liquefied (or pseudo-liquefied if it is under supercritical pressure) against a corresponding (pseudo) vaporising stream.
  • the heat transfer medium is usually formed by a part of the compressed air supplied to the air separation plant. Due to thermodynamic conditions, the heat transfer medium must have a higher pressure than the liquid pressure to be able to heat and vaporize the stream which has been brought to liquid pressure. In this context, so-called high-air pressure (HAP) methods can be used.
  • HAP high-air pressure
  • the total air supplied to the air separation plant or the total air used in a corresponding process in an air separation plant (referred to herein as the "total air amount") is included in a single main compressor (here also referred to as “main compressor unit”) - compressed to a pressure which is well above the operating pressure of the high pressure column.
  • the pressure difference is at least 4 bar and preferably between 6 and 16 bar.
  • the compressed air quantity in the main compressor unit can be decoupled from the process air quantity. In such a case, only a portion of the compressed to the said pressure total amount of air is used as so-called process air, so used for the actual rectification and fed into the high-pressure column.
  • process air so used for the actual rectification and fed into the high-pressure column.
  • decoupling is not provided in all HAP methods.
  • HAP processes are known, for example, from EP 2 466 236 A1, which
  • Shares of the total amount of air can optionally be recompressed together or separately from one another in one or more after-compressors to an even higher pressure (referred to here as after-compressor pressure). They can then be decompressed via an expansion machine (so-called turbine stream) and / or via an expansion valve (so-called throttle flow) to the operating pressure of the high-pressure column or a slightly higher pressure. The respective relaxed portions can be fed into the high-pressure column.
  • after-compressor pressure even higher pressure
  • Atmospheric pressure or the operating pressure of the low pressure column This proportion can then be compressed, for example, again in the main compressor, in the
  • Atmosphere blown off and / or fed into the low pressure column Atmosphere blown off and / or fed into the low pressure column.
  • Main compressor unit typically used electric motors with a power from 1 to more than 10 MW, which are designed as induction motors.
  • asynchronous motors are known to have a high starting current.
  • start-up current the current is called, which flows through the asynchronous motor after switching on, in order to accelerate this from standstill.
  • Starting current of an asynchronous motor is always well above the rated current, ie the current that flows through the asynchronous motor at the rated speed.
  • the rated speed refers to the speed at which the asynchronous motor runs in normal operation or for which it is designed.
  • the starting current also depends on the load with which the motor must start, the so-called starting torque.
  • a typical asynchronous motor has a starting current of approx. Four to eight times its nominal current in so-called heavy-duty starting. This results in increased loads in the power grid. For example, the increased power consumption can lead to voltage drops that affect other connected consumers.
  • a voltage dip of about 10 to 15% for example, data processing equipment may fail or relays fall, which, for example, the operation of an air separation plant is disturbed.
  • Air separation plant can occur, so at heavy starting, but can pass several seconds. Due to the high starting current it can This can lead to overheating, which can lead to engine damage. In this case, all participating equipment (circuit breakers, fuses, cables, etc.) can be affected.
  • Frequency converter frequency converter
  • adapted starting methods e.g., direct starting or auto-starting occasion
  • EP 0 144 848 A2 deals with a method for starting a sub-synchronous current cascade from an asynchronous motor with slip ring rotor. in the
  • the present invention is based on a known air separation plant with a distillation column system comprising at least one high-pressure column and a low-pressure column.
  • a corresponding air separation plant further comprises a main compressor unit, which is adapted to compress a total amount of air which is supplied to the air separation plant as a whole to a pressure which is at least 4 bar higher than an operating pressure for which the high-pressure column is set up.
  • the present invention is thus used in the HAP method explained in the introduction, in which correspondingly increased pressures for the
  • Total amount of air can be used.
  • a “main compressor unit” is in the context of the present invention, a compressor or a compressor assembly, which is a driven with external energy machine for the compression of air in the air separation plant.
  • This can be designed as a single-stage or multi-stage compressor whose stages are all connected to the same drive, all stages in a housing
  • main compressor unit may be the only external energy driven machine for compressing air in the air separation plant, whereby a "single machine” is also understood to mean the mentioned multi-stage compressors, the stages of which are all connected to the same drive.
  • turbine boosters ie compressors that are only driven by the relaxation machines (turboexpanders) assigned to them for the purpose of relaxing parts of the total air quantity, do not belong to the machines driven by external energy.
  • a main compressor unit comprises a drive, which, as explained above, is usually designed in the form of an electric motor, as well as the actual compressor with a plurality of compressor stages, the configured to compress the air supplied to the main compressor unit.
  • main compressor units used in HAP processes typically comprise four, five or six compressor stages. The compressor stages are driven by the drive via the common shaft.
  • the pressure with which the total amount of air is provided is substantially higher than the operating pressure of the high-pressure column.
  • substantially higher is understood to mean a pressure difference of at least 4 bar and preferably between 6 and 16 bar.
  • a slip-ring motor is an electric motor in the form of a three-phase asynchronous machine.
  • Slip ring motors differ essentially from common electric motors, the so-called squirrel-cage rotors, in that the rotor winding is not (permanently) short-circuited, but is routed outwards via the eponymous slip rings.
  • the starting current of such slip-ring motors can be reduced by increasing the resistance of the rotor circuit.
  • a main compressor unit used for the mentioned HAP method has a slip-ring rotor motor according to the invention which, on the one hand, has a
  • Slip ring short-circuiting device has, in order to short-circuit the rotor winding of the rotor of the slip-ring motor after starting the motor, ie after reaching its rated speed, and further via a brush pick-up device to then lift the brushes from the slip rings.
  • the peculiarity of this asynchronous slip ring rotor motor which achieves the significant advantage over other motors - with or without slip ring system - is the combination of the advantages of a drum rotor with slip rings and those of a squirrel cage (conventional asynchronous motor). This is achieved by adjustable resistors (changeable
  • the engines which are designed predominantly 4- or 6-pin, significantly improved operating conditions here tailored to the HAP compressor variant, which completely eliminates the known disadvantages in terms of their operating data. This makes the overall system technically and commercially a solution that is optimal for the product.
  • Frequency converters which have a variable frequency and thus a controllable rotating field, generally do not require any slip-ring motors in particular in the power class required here.
  • Performance range can be set by default for several reasons
  • Air separation plants of a certain type can be used without having to take into account the respective present (local) network design at the site.
  • the design and creation of such air separation plants is significantly cheaper by such standardization.
  • the cooling of the Slip ring motors can advantageously be effected by means of air / water heat exchangers, which can also be used in corresponding circuits
  • Air separation plant can be integrated.
  • slip-ring motors is particularly illustrated in the
  • HAP method advantageous because here a disproportionately higher starting torque than in conventional compressors is observed.
  • HAP main compressor units typically have four, five or six compressor stages connected to a common shaft. These have a disproportionately increased starting torque in comparison to the known main compressor / booster combinations (so-called Main Air Compressor / Booster Air Compressor- or
  • the present invention thus makes possible a total reduction of the
  • the rotor winding of the rotor of the slip-ring motor has first connections, which are connected to each other via adjustable starting resistors.
  • This starting resistors can be a resistance in the runner or the
  • Rotor winding are advantageously interconnected in star connection with each other, as also explained in more detail below with reference to Figure 2.
  • Slip ring motors can basically also have runners, which can be acted upon by an auxiliary voltage with adjustable frequency.
  • a slip-ring rotor motor as used in accordance with the invention, has a rated current at a nominal speed.
  • the starting current of the slip-ring rotor motor can be limited to at most 1, 1 times the value of the rated current.
  • the starting current is therefore no more than 10% above the nominal current, but can also be meaningfully limited to even lower values down to 0.5 times the rated motor current, depending on the compressor starting torque and the acceleration time. This represents a significant improvement over known ones
  • Main compressor units of HAP air separation plants where, as mentioned, the starting current is up to four to eight times the rated current.
  • the invention can be used in particular for high-performance main compressor units.
  • the present invention is suitable for
  • Main compressor units with a rated power from 1 to 25 MW, in particular from 6 to 12.5 MW, from 1 1, 5 to 19 MW or from 18 to 25 MW.
  • main compressor units as used in the mentioned performance class, typically with four to six
  • the invention enables a drive of such a compressor with a common shaft, without being increased by the
  • slip-ring motor used in the invention is consistently well over a power range of about 65-100% of the rated motor power based on the resulting optimization possibilities.
  • An inventively used slip-ring rotor motor can be used in a particularly advantageous manner for driving a main compressor unit, which can be equipped with wheels of different impeller sizes. For example, four impeller sizes can be used here; the corresponding wheels are interchangeable. This results in different electrical power requirements for the electric drive, which are operated by a slip ring rotor motor according to the invention used much better than by a conventional asynchronous squirrel cage motor can. Thus, one and the same can be used according to the invention
  • slip ring motor for main compressor units and thus air separation plants of different performance classes are used.
  • a slip-ring motor used according to the invention is particularly suitable for the main compressor units considered here because they have a high starting torque and very high mass moments of inertia.
  • the moment of inertia of a corresponding main compressor unit is
  • Starting torque is e.g. 25 - 70% or 25 - 50% of the rated motor torque.
  • the maximum available starting torque corresponds to the rated motor torque at a maximum of 1, 1 times the rated motor current.
  • a particular advantage results from the use of a slip-ring rotor motor used according to the invention also from the fact that the run-up time of the main compressor unit and the passing through of critical rotational speeds or speed ranges during run-up can be controlled in a targeted manner via the specifically variable starting resistance. As a result, in particular loads on the compressor (for example due to vibrations in these critical speed ranges) may occur during the process
  • Run-up can be reduced.
  • An advantageous air separation plant further comprises a main heat exchanger, a first expansion machine and an expansion valve, and is for
  • Such an air separation plant is further adapted to a second proportion of the total amount of air successively in the
  • Main heat exchanger to cool, relax in a relaxation valve and in to feed the high pressure column.
  • Feed air quantity in the expansion machine can be used to operate a turbine booster, so that the mechanical power released here can be meaningfully used.
  • Such an air separation plant is explained in more detail in particular with reference to the accompanying Figure 1.
  • the "main heat exchanger" can be formed from one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example from one or more plate heat exchanger blocks.
  • a main heat exchanger is used for
  • expansion machine includes any machine for work-related relaxation of a process stream, for example, one of the shares of
  • Heat exchangers provided temperature gradients carried out, corresponding proportions can also be only partially cooled or heated.
  • Relaxation valves not necessarily completely (i.e., to ambient pressure) relaxed, but possibly only to a certain extent (partially relaxed).
  • An air separation plant advantageously also comprises a second expansion machine and is adapted to relax a third portion of the total amount of air to a pressure which is lower than that Operating pressure for which the high-pressure column is set up.
  • Compressor unit supplied and recompressed there.
  • FIG. 1 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the form of a schematic plant diagram.
  • FIG. 2 shows a main compressor unit according to an embodiment of the invention in the form of a schematic system diagram.
  • FIG. 1 an air separation plant is shown schematically in the form of an installation diagram.
  • the air separation plant equipped for internal compression is designated 100 in total. It may be equipped with a main compressor unit 2 as previously explained and shown in more detail in FIG.
  • FIG. 1 thus serves primarily to explain the Integration of the main compressor unit 2 shown schematically in FIG. 2 into an overall context of an air separation plant 100.
  • a total amount of air atmospheric air (AIR) is sucked through a filter 1 of the main compressor unit 2 and there compressed to a main compressor pressure, which is at least 4 bar higher than the operating pressure of a high-pressure column in a HAP process, as used here (see below).
  • AIR air atmospheric air
  • Main compressor unit 2 is shown greatly simplified in FIG.
  • main compressor unit 2 For further details of the main compressor unit 2, reference should be made in particular to the above explanations and to FIG.
  • the compressed air is fed to a cleaning device 5 which has a pair of containers filled with adsorption material, preferably molecular sieve.
  • adsorption material preferably molecular sieve.
  • the stream a is recompressed in the air separation plant 100 in a conventional manner, first in a first after-compressor 1 1 and then in a second after-compressor 21.
  • the first after-compressor 11 and the second after-compressor 21 are each provided with a first expansion machine 12 and a second one
  • Relaxation machine 22 mechanically coupled, for example, in each case via a common shaft. Downstream of the first booster 1 1 and the second
  • each aftercooler 13 and 23 are arranged. Downstream of the second after-compressor 21 and the after-cooler 23, the flow a, ie the total amount of air, is divided into a partial flow b and a partial flow c.
  • the partial flow b and the partial flow c are cooled in a main heat exchanger 6.
  • the cooling is preferably carried out at different temperatures, so that the partial flow b is removed from the main heat exchanger 6 at an intermediate temperature and thus "partially cooled" and the partial flow c the
  • Main heat exchanger 6 passes through to its cold end. After removal of the partial flow b from the main heat exchanger 6 of the first expansion machine 12 is supplied and relaxed there to an intermediate pressure.
  • the intermediate pressure is slightly above an operating pressure of a high-pressure column 71 of a distillation column system 7, which is explained in more detail below.
  • the designated further with b and relaxed to the intermediate pressure partial flow is fed to a separator 8, from the bottom of a liquid fraction can be withdrawn as a stream d.
  • the current d can (see junction point A,
  • Distillation column system 7 are fed.
  • a gaseous fraction from the head of the separator 8 can be withdrawn as stream e and divided again into a partial stream f and a partial stream g.
  • the partial stream f is fed into the high-pressure column 71 of the distillation column system 7, as explained in more detail below.
  • the partial flow g is heated in the main heat exchanger 6 and in the second expansion machine 22 to a final pressure, for example
  • Atmospheric pressure relaxed.
  • the relaxed partial flow g can then be further heated in the main heat exchanger 6 and combined with further streams, at least partially blown off into the atmosphere (ATM) and / or fed to an evaporative cooler.
  • ATM atmosphere
  • the partial flow c is expanded after passing through the main heat exchanger 6 via a pressure relief valve 9 and also fed at the appropriate pressure in the high-pressure column 71 of the distillation column system 7.
  • the distillation column system 7 is a distillation column system 7 with a classical Linde double column, which comprises the
  • High pressure column 71 and the low pressure column 72 comprises as a structural unit.
  • distillation column systems 7 in which a high pressure column and a low pressure column are arranged separately.
  • the high-pressure column 71 and the low-pressure column 72 are connected to one another in a heat-exchanging manner via a main condenser 73.
  • the operating or separation pressures - in each case at the top - are for example 4.5 to 6.5 bar, preferably about 5.0 bar in the high-pressure column and 1, 2 to 1, 7 bar,
  • Argon extraction is provided, the raw oxygen of the stream h are fed directly to these or corresponding intermediate points.
  • Gaseous nitrogen from the head of the high-pressure column 71 is passed to a first part as a current k to the cold end of the main heat exchanger 6, there to about
  • seal gas seal gas
  • the remaining gaseous nitrogen from the top of the high-pressure column 71 is fed as stream I to the main condenser 73 where it is at least partially condensed.
  • the generated liquid nitrogen can be partly as reflux to the
  • High pressure column 71 are abandoned. Another part is supplied as stream m to the subcooling countercurrent 77 where it is subcooled and to the top of the
  • Low pressure column 72 passed. There, a portion may be withdrawn as stream n to provide a liquid nitrogen product (LIN).
  • the liquid nitrogen product may for example be stored in a tank.
  • LIN liquid nitrogen product
  • Immediately above the bottom of the low pressure column 72 may be gaseous
  • a stream p impurity nitrogen
  • a liquid oxygen stream q from the bottom of the low-pressure column 72 can be increased in pressure by means of a pump 79 and as a flow r at least partially in the
  • Air separation plant 100 discharged and fed to a liquid tank (LOX).
  • LOX liquid tank
  • Another part of the pressure-increased by the pump 79 oxygen flow q from the bottom of the low-pressure column 72 can be evaporated as stream s in a gas product amount in the main heat exchanger 6 (or pseudo vaporized at supercritical pressure), warmed to ambient temperature and then as gaseous pressure product (GOX-IC ) subtracted from.
  • LOX liquid tank
  • Gaseous nitrogen can be withdrawn as stream t from the top of the low pressure column 72 and subcooled in the subcooler 77.
  • the stream t can be externally compressed after heating in the main heat exchanger 6 in a compressor (without designation) and provided as gaseous pressure nitrogen (GAN-EC).
  • an argon-containing stream u can be removed from the low-pressure column 72 and fed to the lower part 74 of the crude argon column 74, 75 directly above the sump. Bottom liquid of the lower part 74 of the crude argon column 74, 75 can be returned as stream v to the low-pressure column 72.
  • the lower part 74 and the upper part 75 of the two-part crude argon column 74, 75 can via lines w and x and corresponding pumps and valves (without
  • the two-part crude argon column 74, 75 can also be realized as a column.
  • the top condensers of the upper part 75 of the crude argon column 74, 75 and the pure argon column 76 for example, as reflux condensers or as Be formed bath condensers.
  • the crude argon column 75 can in the example shown at the upper end of the return passages of the top condenser, which is shown here as a reflux condenser, taken over a side header a Rohargonstrom y gaseous and the pure argon column 76 are fed at a suitable intermediate point.
  • the bottom liquid of the pure argon column 76 may be part of the
  • Bottom evaporator 78 are evaporated, wherein the steam generated thereby can be used as ascending gas in the pure argon column 76.
  • the remainder can be taken from the pure argon column 76 as a liquid pure argon product stream z.
  • the liquid pure argon (LAR) can be transferred to a tank. At least part of the pure argon can be brought to liquid pressure, evaporated in the main heat exchanger 6 and discharged as gaseous pressure product (LAR IC) (see the right chamber of the main heat exchanger 6, so-called argon internal compression).
  • FIG. 2 shows a main compressor unit according to an embodiment of the invention in the form of a schematic system diagram.
  • the main compressor unit is, as in FIG. 1, denoted overall by 2.
  • the main compressor unit 2 according to the embodiment of the invention comprises an electric drive 210 and a group of compressor stages, here indicated generally at 220.
  • the main compressor unit 2 has six compressor stages in the example shown. As explained above, however, corresponding main compressor units can also be designed with a smaller or larger number of compressor stages.
  • Each of the compressor stages comprises in the illustrated example in each case a compressor 221 and an aftercooler 222 (only provided at a compressor stage with reference numerals).
  • the specific embodiment may be different from the illustrated example.
  • the atmospheric air AIR sucked in via the filter 1 can also be passed successively through a plurality of compressors 221 and then subsequently cooled in an aftercooler 222.
  • the aftercooler 3 can also be omitted, or can one of the aftercooler 222 of the group 220 of
  • Compressor stages take over the function of the aftercooler 3. At any point between the respective compressor stages of the group 220 of compressor stages can additional air streams are fed, which is for example a
  • Air flow can, which was previously relaxed to atmospheric pressure. This can be, for example, the current g from FIG.
  • the electric drive 210 of the compressor unit 2 is designed according to this embodiment of the invention as a special slip-ring rotor motor 210.
  • the illustrated example is a three-phase slip ring motor 210.
  • slip-ring motors 210 with a different number of phases are also known.
  • the slip ring motor 210 includes a stator 21 1 and a rotor 212.
  • the stator 21 1 may be formed according to a stator of a squirrel cage motor. It is energized via corresponding phase connections U, V and W. A commutation circuit used for this purpose is not shown.
  • the rotor 212 comprises a rotor winding provided with suitable starting resistors R and externally controllable.
  • the rotor winding of the rotor 212 is as
  • the windings are preferably connected in the star, in other embodiments in the triangle.
  • the neutral point of the windings is arranged inside the rotor 212. Alternatively, the neutral point can also be led to the outside via a slip ring.
  • the winding ends, here denoted by K, L and M, are connected to slip rings, to which suitable brushes can be applied as current collectors.
  • the material of the brushes is preferably optimized for cranking operation and need not be designed for sustained loading.
  • FIG. 2 shows a very schematic view of a slip ring short-circuiting device 214, via which a short-circuit ring can be inserted into the rotor or, more precisely, the rotor winding of the rotor 212 can be short-circuited. Also shown very schematically is a Bürstenabhebevorraum 215, by means of which the
  • Brushes of the slip ring motor can be lifted off the slip rings.
  • the starting of the motor according to the invention is controlled such that when not activated Bürstenabhebevoruze 215 (the switch shown schematically are closed) and not inserted short-circuit ring of the starting resistance R (the starting resistors for the rotor winding) to reduce the starting current is reduced in a controlled manner.
  • the slip ring short-circuiting device 214 is activated, that is, the rotor winding of the rotor 212 is short-circuited.
  • the brush lift 215 is activated, that is, the brushes are lifted from the slip rings
  • Slip ring motor 210 is generally valid for the invention and is not limited to the embodiment shown in FIG.
  • slip rings are housed in a separate housing from the actual motor housing. This allows easier maintenance of slip rings and brushes. Brush abrasion is kept away from the actual engine in this way.
  • the maintenance of a corresponding slip-ring rotor motor 210 comprises in
  • the resistance value of the starting resistors R is determined after the turn-on time, i. when starting the slip ring motor 210, continuously reduced until the terminals K, L and M can be short-circuited via the short-circuit ring at the rated speed of the present invention optimized slip ring motor 210. This is done, as mentioned by means of
  • Slip ring short-closing device 214 Compressors 221 of the compressor 220 group of compressor stages are driven by a common shaft, schematically illustrated at 230 here.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (7), das zumindest eine Hochdrucksäule (71) und eine Niederdrucksäule (72) umfasst, und einer Hauptverdichtereinheit (2), die dafür eingerichtet ist, eine Gesamtluftmenge, die der Luftzerlegungsanlage (100) insgesamt zugeführt wird, auf einen Druck zu verdichten, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (71) eingerichtet ist. Die Hauptverdichtereinheit (2) weist einen modifizierten Schleifringläufermotor (210) mit Bürstenabhebevorrichtung (215) und Kurzschlußring (214) auf. Ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und die entsprechende Verwendung eines Schleifringläufermotors (210) sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung Luftzerlequnqsanlaqe mit Hauptverdichterantrieb
Die Erfindung betrifft eine Luftzerlegungsanlage, ein Verfahren zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft mittels einer derartigen Luftzerlegungsanlage und die entsprechende Verwendung eines Schleifringläufermotors mit Bürstenabhebung und Schleifringkurzschließvorrichtung.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt. Derartige Luftzerlegungsanlagen weisen Destillationssäulensysteme auf, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Ferner können
Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Die Destillationssäulensysteme werden bei unterschiedlichen Betriebsdrücken in ihren jeweiligen Trennsäulen betrieben. Die Doppelsäulensysteme weisen dabei eine sogenannte Hochdrucksäule und eine sogenannte Niederdrucksäule auf. Der
Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule wird bei einem Betriebsdruck von beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,7 bar, vorzugsweise etwa 1 ,5 bar, betrieben. Bei den hier und im Folgenden angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.
Entsprechende Luftzerlegungsanlagen können beispielsweise mit sogenannter Innenverdichtung betrieben werden. Bei der Innenverdichtung wird dem
Destillationssäulensystem ein flüssiger Strom entnommen und zumindest zum Teil flüssig auf Druck gebracht. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird in einem
Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage gegen einen Wärmeträger erwärmt und verdampft. Bei dem flüssigen Strom kann es sich insbesondere um flüssigen Sauerstoff, jedoch auch z.B. um Stickstoff oder Argon handeln. Die Innenverdichtung wird damit zur Gewinnung entsprechender gasförmiger Druckprodukte eingesetzt.
Die Innenverdichtung ist beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben:
DE 830 805 B, DE 901 542 B (entspricht US 2 712 738 A bzw. US 2 784 572 A),
DE 952 908 B, DE 1 103 363 B (US 3 083 544 A), DE 1 1 12 997 B (US 3 214 925 A), DE 1 124 529 B, DE 1 1 17 616 B (US 3 280 574 A), DE 1 226 616 A (US 3 216 206 A), DE 1 229 561 B (US 3 222 878 A), DE 1 199 293 B, DE 1 187 248 B (US 3 371 496 A), DE 1 235 347 B, DE 1 258 882 A (US 3 426 543 A), DE 1 263 037 A (US 3 401 531 A), DE 1 501 722 A (US 3 416 323 A), DE 1 501 723 A (US 3 500 651 A),
DE 25 351 32 B2 (US 4 279 631 A), DE 26 46 690 A1 , EP 0 093 448 B1
(US 4 555 256 A), EP 0 384 483 B1 (US 5 036 672 A), EP 0 505 812 B1
(US 5 263 328 A), EP 0 716 280 B1 (US 5 644 934 A), EP 0 842 385 B1
(US 5 953 937 A), EP 0 758 733 B1 (US 5 845 517 A), EP 0 895 045 B1
(US 6 038 885 A), DE 198 03 437 A1 , EP 0 949 471 B1 (US 6 185 960 B1 ),
EP 0 955 509 A1 (US 6 196 022 B1 ), EP 1 031 804 A1 (US 6 314 755 B1 ),
DE 199 09 744 A1 , EP 1 067 345 A1 (US 6 336 345 B1 ), EP 1 074 805 A1
(US 6 332 337 B1 ), DE 199 54 593 A1 , EP 1 134 525 A1 (US 6 477 860 B2),
DE 100 13 073 A1 , EP 1 139 046 A1 , EP 1 146 301 A1 , EP 1 150 082 A1 ,
EP 1 213 552 A1 , DE 101 15 258 A1 , EP 1 284 404 A1 (US 2003/051504 A1 ),
EP 1 308 680 A1 (US 6 612 129 B2), DE 102 13 212 A1 , DE 102 13 21 1 A1 ,
EP 1 357 342 A1 , DE 102 38 282 A1 , DE 103 02 389 A1 , DE 103 34 559 A1 ,
DE 103 34 560 A1 , DE 103 32 863 A1 , EP 1 544 559 A1 , EP 1 585 926 A1 ,
DE 102005 029 274 A1 , EP 1 666 824 A1 , EP 1 672 301 A1 , DE 10 2005 028 012 A1 , WO 2007/033838 A1 , WO 2007/104449 A1 , EP 1 845 324 A1 ,
DE 10 2006 032 731 A1 , EP 1 892 490 A1 , DE 10 2007 014 643 A1 , EP 2 015 012 A2, EP 2 015 013 A2, EP 2 026 024 A1 , WO 2009/095188 A2, DE 10 2008 016 355 A1 .
Der Begriff "Verdampfen" schließt bei der Innenverdichtung Fälle ein, bei denen ein überkritischer Druck herrscht und daher kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne stattfindet. Der flüssig auf Druck gebrachte Strom wird dann "pseudoverdampft".
Gegen einen entsprechenden (pseudo-)verdampfenden Strom wird ein Wärmeträger verflüssigt (bzw. pseudoverflüssigt, wenn er unter überkritischem Druck steht). Der Wärmeträger wird dabei üblicherweise durch einen Teil der der Luftzerlegungsanlage zugeführten verdichteten Luft gebildet. Um den flüssig auf Druck gebrachten Strom erwärmen und verdampfen zu können, muss der Wärmeträger aufgrund thermodynamischer Gegebenheiten einen höheren Druck als der flüssig auf Druck gebrachte Strom haben. In diesem Zusammenhang können sogenannte High-Air-Pressure-Verfahren (HAP) eingesetzt werden.
Bei einem HAP-Verfahren, das typischerweise mit einem Doppelsäulensystem verwendet wird, wird die gesamte, der Luftzerlegungsanlage zugeführte Luft bzw. die in einem entsprechenden Verfahren in einer Luftzerlegungsanlage insgesamt eingesetzte Luft (hier als "Gesamtluftmenge" bezeichnet) in einem einzigen Hauptverdichter (hier auch als "Hauptverdichtereinheit" bezeichnet) - auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt. Der Druckunterschied beträgt mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar. In HAP-Verfahren kann die in der Hauptverdichtereinheit verdichtete Luftmenge von der Prozessluftmenge entkoppelt werden. In einem derartigen Fall wird nur ein Teil der auf den genannten Druck verdichteten Gesamtluftmenge als sogenannte Prozessluft genutzt, also für die eigentliche Rektifikation verwendet und in die Hochdrucksäule eingespeist. Eine derartige Entkopplung ist jedoch nicht in allen HAP-Verfahren vorgesehen. HAP-Verfahren sind beispielsweise aus der EP 2 466 236 A1 , der
EP 2 458 31 1 A1 und der US 5 329 776 A sowie der DE 10 2007 014 643 A1 bekannt.
Anteile der Gesamtluftmenge können optional gemeinsam oder getrennt voneinander in einem oder mehreren Nachverdichtern auf einen nochmals höheren Druck (hier als Nachverdichterdruck bezeichnet) nachverdichtet werden. Sie können anschließend über eine Entspannungsmaschine (sogenannter Turbinenstrom) und/oder über ein Entspannungsventil (sogenannter Drosselstrom) jeweils auf den Betriebsdruck der Hochdrucksäule oder einen geringfügig darüber liegenden Druck entspannt werden. Die jeweils entspannten Anteile können in die Hochdrucksäule eingespeist werden.
Ein weiterer Anteil der Gesamtluftmenge kann, ggf. nach voriger Nachverdichtung und Entspannung in der erwähnten Entspannungsmaschine, in einer weiteren
Entspannungsmaschine weiter entspannt werden. Hierdurch kann der Kältebedarf der Luftzerlegungsanlage gedeckt werden. Dieser Anteil der Gesamtluftmenge wird jedoch nicht in die Hochdrucksäule eingespeist, sondern letztlich auf einen Druck entspannt, der niedriger ist als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule, beispielsweise auf
Atmosphärendruck oder den Betriebsdruck der Niederdrucksäule. Dieser Anteil kann anschließend beispielsweise erneut in dem Hauptverdichter verdichtet, in die
Atmosphäre abgeblasen und/oder in die Niederdrucksäule eingespeist werden.
Bei einem HAP-Verfahren wird also die Gesamtluftmenge erhöht und gleichzeitig auf einen höheren Druck verdichtet. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Hauptverdichtereinheit, und somit auch deren Antrieb, sind daher hoch. In herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen werden zum Antreiben der
Hauptverdichtereinheit typischerweise Elektromotoren mit einer Leistung von 1 bis über 10 MW eingesetzt, die als Asynchronmotoren ausgebildet sind.
Asynchronmotoren besitzen jedoch bekanntermaßen einen hohen Anlaufstrom. Als Anlaufstrom wird der Strom bezeichnet, welcher nach dem Einschalten durch den Asynchronmotor fließt, um diesen aus dem Stillstand hochzubeschleunigen. Der
Anlaufstrom eines Asynchronmotors liegt stets deutlich über dem Nennstrom, also dem Strom, der bei der Nenndrehzahl durch den Asynchronmotor fließt. Die Nenndrehzahl bezeichnet die Drehzahl, bei der der Asynchronmotor im Normalbetrieb läuft, bzw. für die dieser ausgelegt ist. Der Anlaufstrom ist auch von der Last abhängig, mit der der Motor anlaufen muss, dem sogenannten Anlaufmoment. Ein typischer Asynchronmotor besitzt bei sogenanntem Schweranlauf je nach Bauart einen Anlaufstrom vom ca. vier- bis achtfachen seines Nennstroms. Hierdurch ergeben sich erhöhte Belastungen im speisenden Stromnetz. Beispielsweise kann es durch die erhöhte Stromaufnahme zu Spannungseinbrüchen kommen, die Auswirkungen auf weitere angeschlossene Verbraucher haben. Bereits bei einem Spannungseinbruch von ca. 10 bis 15% können beispielsweise Datenverarbeitungseinrichtungen ausfallen oder Relais abfallen, wodurch beispielsweise der Betrieb einer Luftzerlegungsanlage gestört wird.
Asynchronmotoren können zwar typbedingt grundsätzlich ein relativ hohes
Anlaufmoment bereitstellen, so dass die Einheit aus Asynchronmotor und
angeschlossener Maschine in relativ kurzer Zeit hochläuft. Bei hohen Trägheitsund/oder Gegenmomenten, wie sie in einer Hauptverdichtereinheit einer
Luftzerlegungsanlage auftreten können, also bei Schweranlauf, können jedoch mehrere Sekunden verstreichen. Durch den gleichzeitig hohen Anlaufstrom kann es dabei zu Überhitzung kommen, was zu Motorschäden führen kann. Hierbei können alle beteiligten Betriebsmittel (Leistungsschalter, Sicherungen, Kabel etc.) betroffen sein.
Zur Begrenzung des Anlaufstroms können bei schwacher Netzleistung
Frequenzwandler (Frequenzumrichter) verwendet werden, die einen geführten, stufenlosen Motorstart des Asynchronmotors mit Vorgabe eines Nennmoments ermöglichen. Die Verwendung von Frequenzwandlern ist jedoch aufwendig und kostenintensiv. Bei leistungsfähigeren Netzen können beispielsweise angepasste Anlassverfahren (z.B. Direktanlass oder Anlass mittels Spartransformatoren) verwendet werden. Auch dies erweist sich jedoch häufig nicht als zufriedenstellend.
Die EP 0 144 848 A2 behandelt ein Verfahren zum Anfahren einer untersynchronen Strom richterkaskade aus einem Asynchronmotor mit Schleifringläufer. Im
untersynchronen Betrieb frei werdende Schlupfleistung wird über einen Umrichter dem Stromversorgungsnetz zugeführt. Die dort vorgeschlagene Lösung stellt eine teure und aufwändige Art dar, einen Motor, der mit auf die Schleifringe aufgelegten Bürsten im Dauerbetrieb bei niedrigem Wirkungsgrad betrieben wird, über Energierückspeisung im Wirkungsgrad zu erhöhen. Der Internetartikel "Slip Ring Induction Motor Advantages Disadvantages and
Applications" vom 13. Dezember 201 1
(http://electricalguestionsquide.bloqspot.de/201 1/12/slip-rinq-induction-motor- advantaqes.html) beschreibt Vor- und Nachteile eines üblichen Schleifringläufermotors, wobei als Nachteile hohe Wartungskosten, schlechte Drehzahlregelung, eine im Vergleich zu Kurzschlussläufermotoren geringerer Wirkungsgrad, niedrigeren
Leistungsfaktor bei hohen Lasten und Empfindlichkeit gegenüber
Versorgungsspannungsschwankungen angegeben werden.
Es besteht daher auch weiterhin der Bedarf nach Verbesserungen bei
Luftzerlegungsanlagen, die nach dem HAP-Verfahren arbeiten.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden eine Luftzerlegungsanlage, ein Verfahren zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft mittels einer derartigen Luftzerlegungsanlage und die entsprechende Verwendung eines für eine Luftzerlegungsanlage optimierten
Schleifringläufermotors mit Schleifringkurzschließvorrichtung und Bürstenabhebung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht von einer an sich bekannten Luftzerlegungsanlage mit einem Destillationssäulensystem aus, das zumindest eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule umfasst. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage weist ferner eine Hauptverdichtereinheit auf, die dafür eingerichtet ist, eine Gesamtluftmenge, die der Luftzerlegungsanlage insgesamt zugeführt wird, auf einen Druck zu verdichten, der mindestens 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule eingerichtet ist. Die vorliegende Erfindung kommt damit bei den eingangs erläuterten HAP- Verfahren zum Einsatz, bei denen entsprechend erhöhte Drücke für die
Gesamtluftmenge verwendet werden.
Eine "Hauptverdichtereinheit" ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verdichter oder eine Verdichteranordnung, die eine mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft in der Luftzerlegungsanlage darstellt. Diese kann als ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter ausgebildet sein, dessen Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind, wobei alle Stufen in einem Gehäuse
untergebracht oder mit einem Getriebe verbunden sein können. Insbesondere kann eine derartige Hauptverdichtereinheit die einzige mit externer Energie angetriebene Maschine zur Verdichtung von Luft in der Luftzerlegungsanlage darstellen, wobei unter einer "einzigen Maschine" auch die erwähnten mehrstufigen Verdichter verstanden werden, deren Stufen alle mit dem gleichen Antrieb verbunden sind. Sogenannte Turbinenbooster, also Verdichter, die nur durch die ihnen jeweils zugeordneten Entspannungsmaschinen (Turboexpander) zur Entspannung von Anteilen der Gesamtluftmenge angetrieben werden, zählen nicht zu den mit externer Energie angetriebenen Maschinen. Eine Hauptverdichtereinheit umfasst dabei einen Antrieb, der, wie eingangs erläutert, üblicherweise in Form eines Elektromotors ausgebildet ist, sowie den eigentlichen Verdichter mit mehreren Verdichterstufen, die dafür eingerichtet sind, die der Hauptverdichtereinheit zugeführte Luft zu verdichten. In HAP- Verfahren eingesetzte Hauptverdichtereinheiten umfassen dabei typischerweise vier, fünf oder sechs Verdichterstufen. Die Verdichterstufen werden über den Antrieb mittels der gemeinsamen Welle angetrieben.
Wie erwähnt, ist bei den eingangs erläuterten und im Rahmen der Erfindung eingesetzten HAP- Verfahren der Druck, mit dem die Gesamtluftmenge bereitgestellt wird, wesentlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Unter "wesentlich höher" wird dabei im Rahmen dieser Anmeldung ein Druckunterschied von mindestens 4 bar und vorzugsweise zwischen 6 und 16 bar verstanden.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, eine Hauptverdichtereinheit mit einem in nachfolgend geschildeter Art und Weise auf die Einsatzbedingungen optimierten Schleifringläufermotor anzutreiben. Ein derartiger Schleifringläufermotor weist den besonderen Vorteil auf, dass, wie nachfolgend erläutert, sein Anlaufstrom auf einen Maximalwert begrenzt werden kann. Bei einem Schleifringläufermotor handelt es sich um einen Elektromotor in Form einer Drehstrom-Asynchronmaschine.
Schleifringläufermotoren unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch von gängigen Elektromotoren, die sogenannte Kurzschlussläufer aufweisen, dass die Läuferwicklung nicht (dauerhaft) kurzgeschlossen, sondern über die namensgebenden Schleifringe nach au ßen geführt ist. Der Anlaufstrom derartiger Schleifringläufermotoren kann dadurch verringert werden, dass der Widerstand des Läuferkreises erhöht wird. Hierzu werden die Kontakte der Läuferwicklung, die in Kurzschlussläufern kurzgeschlossen und in einem Schleifringläufermotor nach au ßen geführt sind, mit einstellbaren Widerständen, sogenannten Anlasswiderständen, miteinander verschaltet.
Eine für die genannten HAP- Verfahren eingesetzte Hauptverdichtereinheit weist einen erfindungsgemäßen Schleifringläufermotor auf, der zum einen über eine
Schleifringkurzschließvorrichtung verfügt, um die Läuferwicklung des Läufers des Schleifringläufermotors nach dem Anlaufen des Motors, also nach Erreichen seiner Nenndrehzahl, kurzzuschließen, und weiterhin über eine Bürstenabhebevorrichtung, um anschließend die Bürsten von den Schleifringen abzuheben. Die Besonderheit dieses zur Verwendung kommenden asynchronen Motors mit Schleifringläufersystem, die den signifikannten Vorteil gegenüber anderen Motoren - mit oder ohne Schleifringsystem - erreicht, ist die Kombination aus den Vorteilen eines Trommelläufers mit Schleifringen und denen eines Käfigläufers (herkömmlicher Asynchronmotor). Dies wird durch einstellbare Widerstände (veränderbarer
Anfahrwiderstand zur kontrollierten Reduzierung des Anfahrstromes) und durch die Bürstenabhebevorrichtung erreicht. Vor Abheben der Bürsten wird au ßerdem dem Rotor ein Kurzschlussring eingefügt, welcher den Trommelläufer gleich dem Käfigläufer kurzschließt. Damit wird der dauerhafte Verlust durch den herausgeschaltenen
Widerstand eliminiert. Ab diesem Zeitpunkt wird der Motor, welcher dann aus dieser Betriebsweise mit der HAP- Verdichtervariante ein deutlich höheres
Optimierungspotential bezüglich des Wirkungsgrades und des Leistungsfaktors schöpft, wie ein herkömmlicher Asynchronmotor betrieben. Dies versetzt nun die Hersteller in die Lage, höchste Optimierung für diese Betriebsweise zu erreichen.
Dabei erhalten die Motoren, die überwiegend 4- oder 6-polig ausgeführt sind, deutlich verbesserte Betriebsbedingungen hier zugeschnitten auf die HAP- Verdichtervariante, welche die bekannten Nachteile bezüglich deren Betriebsdaten völlig eliminiert. Damit wird das Gesamtsystem im Vergleich technisch und kommerziell zu einer für das Produkt optimalen Lösung.
Gleichzeitig reduzieren sich die Anforderungen an die Energieversorgung, die zum Betrieb der HAP Anlage benötigt werden, erheblich. Die bei Schleifringläufermotoren bisher allgemein bekannten Vorteile können unter diesen Voraussetzungen
insbesondere für Einsatzszenarien, in denen hohe Anlaufmomente bei gleichzeitig niedrigem Anlaufstrom gefordert werden erst sinnvoll eingesetzt werden. Im Gegensatz zu den eingangs erläuterten konventionellen Asynchronmotoren mit
Frequenzumrichtern, die eine variable Frequenz und somit ein steuerbares Drehfeld aufweisen, benötigen Schleifringläufermotoren allgemein keine insbesondere in der hier geforderten Leistungsklasse aufwändige Elektronik. Die erfindungsgemäß verwendete optimierte Form der Schleifringläufermotoren eines definierten
Leistungsbereiches kann insbesondere standardmäßig für mehrere
Luftzerlegungsanlagen einer bestimmten Bauart eingesetzt werden, ohne dass auf die jeweils vorliegende (lokale) Netzauslegung am Einsatzort Rücksicht genommen werden müsste. Die Konzeption und Erstellung entsprechender Luftzerlegungsanlagen wird durch eine derartige Standardisierung deutlich kostengünstiger. Die Kühlung der Schleifringläufermotoren kann dabei vorteilhafterweise mittels Luft-/W asser- Wärmetauschern erfolgen, die auch in entsprechende Kreisläufe einer
Luftzerlegungsanlage eingebunden werden können. Die Verwendung von Schleifringläufermotoren ist insbesondere in den erläuterten
HAP- Verfahren vorteilhaft, weil hier ein überproportional höheres Anlaufmoment als bei herkömmlichen Verdichtern zu beobachten ist. HAP-Hauptverdichtereinheiten weisen, wie erwähnt, typischer weise vier, fünf oder sechs Verdichterstufen auf, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind. Diese besitzen ein überproportional erhöhtes Anlaufmoment im Vergleich zu den bekannten Hauptverdichter-Nachverdichter- Kombinationen (sogenannte Main Air Compressor/Booster Air Compressor- bzw.
MAC/BAC-Kombinationen). Schleifringläufermotoren können aber auch in derartigen MAC/BAC-Kombinationen zum Einsatz kommen. In derartigen Hauptverdichter- Nachverdichter-Kombinationen liegen getrennte Wellen vor, die jeweils für sich betrachtet geringere Anlaufmomente erfordern.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit insgesamt eine Reduzierung des
Anlaufstroms bei einer gleichzeitigen Erhöhung des Anlaufmoments entsprechender Antriebe für Hauptverdichtereinheiten mit hoch optimierten Betriebsbedingungen durch die Eliminierung der bekannten eingangs genannten Nachteile (schlechter
Wirkungsgrad, niedriger Leistungsfaktor, hohe Wartungsintensität an der
Schleifringvorrichtung, empfindlich gegen Spannungsschwankungen) der
herkömmlichen Schleif ringläufer-Motorvarianten. Wie erläutert, weist die Läuferwicklung des Läufers des Schleifringläufermotors erste Anschlüsse auf, die über einstellbare Anlasswiderstände miteinander verbunden sind. Über diese Anlasswiderstände lässt sich ein Widerstand im Läufer bzw. der
Läuferwicklung dosiert einstellen. Die anderen (zweiten) Anschlüsse der
Läuferwicklung sind vorteilhafterweise in Sternschaltung miteinander verschaltet, wie auch nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur 2 noch näher erläutert.
Schleifringläufermotoren können grundsätzlich auch Läufer aufweisen, die mit einer Hilfsspannung mit einstellbarer Frequenz beaufschlagbar sind. Eine derartige
Ausbildung einer Läuferwicklung erweist sich als baulich bzw. konstruktiv aufwändiger, besitzt jedoch in bestimmten Einsatzszenarien Vorteile bezüglich der Dosierung von Anlaufmoment bzw. -ström. Im vorliegenden Einsatzszenario findet diese Möglichkeit keine Anwendung, da die eigentliche Schleifringeinrichtung hier nur für den Start verwendet wird.
Ein Schleifringläufermotor, wie er erfindungsgemäß zum Einsatz kommt, weist bei einer Nenndrehzahl einen Nennstrom auf. Vorteilhafterweise ist dabei der Anlassstrom des Schleifringläufermotors auf höchstens den 1 ,1 -fachen Wert des Nennstroms begrenzbar. Der Anlassstrom liegt also höchstens 10% über dem Nennstrom, kann jedoch auch in Abhängigkeit des Verdichteranlaufmomentes und der Hochlaufzeit auf noch niedrigere Werte bis auf den 0,5 fachen Motornennstrom sinnvoll begrenzt werden. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber bekannten
Hauptverdichtereinheiten von HAP-Luftzerlegungsanlagen dar, bei denen, wie erwähnt, der Anlassstrom bis zum Vier- bis Achtfachen des Nennstroms beträgt.
Die Erfindung kann insbesondere bei Hauptverdichtereinheiten mit hoher Leistung zum Einsatz kommen. Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung für
Hauptverdichtereinheiten mit einer Nennleistung von 1 bis 25 MW, insbesondere von 6 bis 12,5 MW, von 1 1 ,5 bis 19 MW oder von 18 bis 25 MW.
Wie bereits erwähnt, werden Hauptverdichtereinheiten, wie sie in der erwähnten Leistungsklasse zum Einsatz kommen, typischerweise mit vier bis sechs
Verdichtungsstufen realisiert. Die Erfindung ermöglicht einen Antrieb eines derartigen Verdichters mit einer gemeinsamen Welle, ohne dass durch die erhöhte
Stromaufnahme beim Anlassen die eingangs erläuterten negativen Effekte auftreten. Sowohl der Motorwirkungsgrad als auch der Leistungsfaktor eines erfindungsgemäß eingesetzten Schleifringläufermotors sind über einen Leistungsbereich von ca. 65 - 100% der Motornennleistung gleichbleibend gut basierend auf den sich ergebenden Optimierungsmöglichkeiten. Ein erfindungsgemäß eingesetzter Schleifringläufermotor kann dabei in besonders vorteilhafter Weise zum Antrieb einer Hauptverdichtereinheit zum Einsatz kommen, die mit Laufrädern unterschiedlicher Laufradgrößen ausgestattet werden kann. Beispielsweise sind hierbei vier Laufradgrößen verwendbar; die entsprechenden Laufräder sind gegeneinander austauschbar. Hieraus ergeben sich unterschiedliche elektrische Leistungsanforderungen an den elektrischen Antrieb, die durch einen erfindungsgemäß eingesetzten Schleifringläufermotor deutlich besser als durch einen herkömmlichen asynchronen Kurzschlussläufermotor bedient werden können. Damit kann einundderselbe erfindungsgemäß eingesetzte
Schleifringläufermotor für Hauptverdichtereinheiten und damit Luftzerlegungsanlagen unterschiedlicher Leistungsklassen eingesetzt werden. Wie erläutert, eignet sich ein erfindungsgemäß eingesetzter Schleifringläufermotor insbesondere für die hier in Frage kommenden Hauptverdichtereinheiten, weil diese ein hohes Anfahrmoment sowie sehr hohe Massenträgheitsmomente aufweisen. Das Massenträgheitsmoment einer entsprechenden Hauptverdichtereinheit liegt
beispielsweise beim bis zu Vierzigfachen des Motorträgheitsmoments. Das
Anfahrmoment beträgt z.B. 25 - 70% oder 25 - 50% des Motornennmoments. Das maximal zur Verfügung stehende Anfahrmoment entspricht dem Motornennmoment bei maximal dem 1 ,1 -fachen Motornennstrom.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich aus der Verwendung eines erfindungsgemäß eingesetzten Schleifringläufermotors auch daraus, dass sich über den gezielt veränderbaren Anlasswiderstand die Hochlaufzeit der Hauptverdichtereinheit sowie das Durchlaufen kritischer Drehzahlen bzw. Drehzahlbereiche während des Hochlaufs gezielt steuern lassen. Hierdurch können insbesondere Belastungen des Verdichters (z.B. durch Vibrationen in diesen kritischen Drehzahlbereichen) während des
Hochlaufs reduziert werden.
Insbesondere eignet sich die Verwendung eines erfindungsgemäß eingesetzten Schleifringläufermotors für die eingangs erläuterten Verfahren, die mittels
Innenverdichtung arbeiten, also für solche Verfahren, die zur Bereitstellung zumindest eines flüssigen Luftprodukts mittels eines Innenverdichtungsverfahrens eingerichtet sind. Derartige Verfahren benötigen eine erhöhte Kältemenge, weil das entnommene flüssige Luftprodukt nicht zur Rückgewinnung von Kälte zur Verfügung steht.
Eine vorteilhafte Luftzerlegungsanlage weist ferner einen Hauptwärmetauscher, eine erste Entspannungsmaschine und ein Entspannungsventil auf, und ist dafür
eingerichtet, einen ersten Anteil der Gesamtluftmenge in dem Hauptwärmetauscher abzukühlen, in der ersten Entspannungsmaschine zu entspannen und in die
Hochdrucksäule einzuspeisen. Eine derartige Luftzerlegungsanlage ist ferner dazu eingerichtet, einen zweiten Anteil der Gesamtluftmenge nacheinander in dem
Hauptwärmetauscher abzukühlen, in einem Entspannungsventil zu entspannen und in die Hochdrucksäule einzuspeisen. Die Entspannung des ersten Anteils der
Einsatzluftmenge in der Entspannungsmaschine kann dazu verwendet werden, einen Turbinenbooster zu betreiben, so dass die hier frei werdende mechanische Leistung sinnvoll genutzt werden kann. Eine derartige Luftzerlegungsanlage ist insbesondere unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur 1 noch näher erläutert.
Der "Hauptwärmetauscher" kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, beispielsweise aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Hauptwärmetauscher dient zur
Abkühlung der Anteile der Gesamtluftmenge im indirekten Wärmetausch mit
Rückströmen aus dem Destillationssäulensystem bzw. zur Verdampfung bei der Innenverdichtung.
Der Begriff "Entspannungsmaschine" umfasst jede Maschine zur arbeitsleistenden Entspannung eines Prozessstroms, beispielsweise eines der Anteile der
Gesamtluftmenge. Bevorzugt werden die Entspannungsmaschinen bei der
vorliegenden Erfindung jedoch durch die grundsätzlich aus dem Bereich der
Kryotechnik bekannten Turboexpander bzw. Expansionsturbinen gebildet. Ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon die Rede, dass Anteile der
Gesamtluftmenge in einem Hauptwärmetauscher "abgekühlt" und/oder "erwärmt" werden, bedeutet dies, dass entsprechende Anteile der Gesamtluftmenge den
Wärmetauscher zumindest über eine gewisse Fließstrecke durchlaufen. Die Abkühlung bzw. Erwärmung muss dabei nicht im gesamten Umfang des durch den
Wärmetauscher bereitgestellten Temperaturgradienten erfolgen, entsprechende Anteile können vielmehr auch nur teilweise abgekühlt bzw. erwärmt werden.
In entsprechender Weise werden die Anteile in den verwendeten
Entspannungsmaschinen bzw. weiteren Entspannungseinrichtungen wie
Entspannungsventilen nicht notwendigerweise vollständig (d.h. auf Umgebungsdruck) entspannt, sondern ggf. nur in einem gewissen Umfang (teilentspannt).
Eine erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage umfasst vorteilhafterweise auch eine zweite Entspannungsmaschine und ist dafür eingerichtet, einen dritten Anteil der Gesamtluftmenge auf einen Druck zu entspannen, der geringer ist als der Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule eingerichtet ist. Hierdurch wird das eingangs erwähnte Konzept realisiert, das umfasst, die im Hauptverdichter verdichtete Luftmenge von der Prozessluftmenge zu entkoppeln. Der auf den genannten Druck entspannte dritte Anteil der Gesamtluftmenge kann beispielsweise erneut der
Verdichtereinheit zugeführt und dort erneut verdichtet werden.
Ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, das mit einer zuvor erläuterten Luftzerlegungsanlage durchgeführt wird, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Ein derartiges Verfahren profitiert von den erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Gleiches gilt für die erfindungsgemäße Verwendung eines
Schleifringläufermotors.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms.
Figur 2 zeigt eine Hauptverdichtereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In Figur 1 ist eine Luftzerlegungsanlage schematisch in Form eines Anlagendiagramms dargestellt. Die zur Innenverdichtung eingerichtete Luftzerlegungsanlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Sie kann mit einer Hauptverdichtereinheit 2 wie zuvor erläutert und in der Figur 2 detaillierter gezeigt ausgestattet sein.
Es sei an dieser Stelle betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz bei Luftzerlegungsanlagen 100 in der hier dargestellten spezifischen Ausführungsform beschränkt ist, sondern grundsätzlich bei unterschiedlichsten HAP-Verfahren zum Einsatz kommen kann. Die Figur 1 dient somit vornehmlich der Erläuterung der Einbindung der in der Figur 2 schematisch gezeigten Hauptverdichtereinheit 2 in einen Gesamtzusammenhang einer Luftzerlegungsanlage 100.
Eine Gesamtluftmenge atmosphärischer Luft (AIR) wird über ein Filter 1 von der Hauptverdichtereinheit 2 angesaugt und dort auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet, der bei einem HAP- Verfahren, wie es hier zum Einsatz kommt, zumindest 4 bar höher ist als der Betriebsdruck einer Hochdrucksäule (siehe unten). Die
Hauptverdichtereinheit 2 ist in der Figur 1 stark vereinfacht dargestellt. Zu den weiteren Details der Hauptverdichtereinheit 2 sei insbesondere auf die obigen Erläuterungen und auf Figur 2 verwiesen.
Nach Durchströmen eines Nachkühlers 3 und eines hier nicht näher erläuterten Abscheiders 4 zum Abscheiden von Wasser (H20) wird die verdichtete Luft einer Reinigungsvorrichtung 5 zugeführt, die ein Paar von mit Adsorptionsmaterial, vorzugsweise Molekularsieb, gefüllten Behältern aufweist. Die gereinigte Luft verlässt die Reinigungsvorrichtung 5 als Strom a.
Der Strom a wird in der Luftzerlegungsanlage 100 auf herkömmliche Weise zunächst in einem ersten Nachverdichter 1 1 und anschließend in einem zweiten Nachverdichter 21 nachverdichtet. Der erste Nachverdichter 1 1 und der zweite Nachverdichter 21 sind jeweils mit einer ersten Entspannungsmaschine 12 bzw. einer zweiten
Entspannungsmaschine 22 mechanisch gekoppelt, beispielsweise jeweils über eine gemeinsame Welle. Stromab des ersten Nachverdichters 1 1 und des zweiten
Nachverdichters 21 sind jeweils Nachkühler 13 bzw. 23 angeordnet. Stromab des zweiten Nachverdichters 21 bzw. des Nachkühlers 23 wird der Strom a, also die Gesamtluftmenge, in einen Teilstrom b und in einen Teilstrom c aufgeteilt. Die
Aufteilung kann jedoch auch an anderer Stelle erfolgen.
Der Teilstrom b und der Teilstrom c werden in einem Hauptwärmetauscher 6 abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt vorzugsweise auf unterschiedliche Temperaturen, so dass der Teilstrom b dem Hauptwärmetauscher 6 bei einer Zwischentemperatur entnommen und damit "teilabgekühlt" wird und der Teilstrom c den
Hauptwärmetauscher 6 bis zu dessen kaltem Ende durchläuft. Nach der Entnahme des Teilstroms b aus dem Hauptwärmetauscher 6 wird dieser der ersten Entspannungsmaschine 12 zugeführt und dort auf einen Zwischendruck entspannt. Der Zwischendruck liegt geringfügig oberhalb eines Betriebsdrucks einer Hochdrucksäule 71 eines Destillationssäulensystems 7, das unten näher erläutert wird.
Der weiterhin mit b bezeichnete und auf den Zwischendruck entspannte Teilstrom wird einem Abscheider 8 zugeführt, von dessen Sumpf eine flüssige Fraktion als ein Strom d abgezogen werden kann. Der Strom d kann (vgl. Verknüpfungspunkt A,
beispielsweise 0% bis 15% des Stroms b) in eine Niederdrucksäule 72 des
Destillationssäulensystems 7 eingespeist werden.
Eine gasförmige Fraktion vom Kopf des Abscheiders 8 kann als Strom e abgezogen und erneut in einen Teilstrom f und einen Teilstrom g aufgeteilt werden. Der Teilstrom f wird in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist, wie unten näher erläutert. Der Teilstrom g wird in dem Hauptwärmetauscher 6 erwärmt und in der zweiten Entspannungsmaschine 22 auf einen Enddruck, beispielsweise
Atmosphärendruck, entspannt. Der entspannte Teilstrom g kann anschließend in dem Hauptwärmetauscher 6 weiter erwärmt und mit weiteren Strömen vereinigt, zumindest teilweise in die Atmosphäre (ATM) abgeblasen und/oder einem Verdunstungskühler zugeführt werden.
Der Teilstrom c wird nach dem Durchlaufen des Hauptwärmetauschers 6 über ein Entspannungsventil 9 entspannt und ebenfalls bei entsprechenden Druck in die Hochdrucksäule 71 des Destillationssäulensystems 7 eingespeist.
Bei dem Destillationssäulensystem 7 handelt es sich im dargestellten Beispiel um ein Destillationssäulensystem 7 mit einer klassischen Linde-Doppelsäule, die die
Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 als bauliche Einheit umfasst.
Alternativ dazu ist der Einsatz der Erfindung auch in Destillationssäulensystemen 7 möglich, bei denen eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule getrennt voneinander angeordnet sind. Die Hochdrucksäule 71 und die Niederdrucksäule 72 sind über einen Hauptkondensator 73 wärmetauschend miteinander verbunden. Die Betriebs- bzw. Trenndrücke - jeweils am Kopf - betragen beispielsweise 4,5 bis 6,5 bar, vorzugsweise etwa 5,0 bar in der Hochdrucksäule und 1 ,2 bis 1 ,7 bar,
vorzugsweise etwa 1 ,3 bar in der Niederdrucksäule. Im dargestellten Beispiel sind ferner eine geteilte Rohargonsäule 74, 75 und eine Reinargonsäule 76 vorgesehen, die Erfindung kann jedoch auch in Anlagen ohne eine entsprechende Argongewinnung zum Einsatz kommen. Flüssiger Rohsauerstoff wird als Strom h vom Sumpf der Hochdrucksäule 71 abgezogen, in einem Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt und zu einem Teil in einem Sumpfverdampfer 78 der Reinargonsäule 76 weiter abgekühlt. Ein anderer Teil kann an dem Sumpfverdampfer 78 vorbeigeleitet werden. Ist keine Argongewinnung vorgesehen, kann der Strom h auch direkt an einer Zwischenstelle in die
Niederdrucksäule 72 überführt werden.
Anschließend strömt ein Teil des Rohsauerstoffs des Stroms h in den
Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Rohargonsäule 75, ein anderer Teil in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators der Reinargonsäule 76. Der in den Kopfkondensatoren einerseits verdampfte und andererseits flüssig verbliebene Anteil des Rohsauerstoffs wird der Niederdrucksäule 72 in Form der Ströme i und j an geeigneten Zwischenstellen zugeführt. Wie erwähnt kann, wenn keine
Argongewinnung vorgesehen ist, der Rohsauerstoff des Stroms h auch direkt an diesen oder entsprechenden Zwischenstellen eingespeist werden.
Gasförmiger Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird zu einem ersten Teil als Strom k zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 6 geleitet, dort auf etwa
Umgebungstemperatur angewärmt und kann als Dichtgas (Sealgas, SG) für die verwendeten Verdichter der Anlage eingesetzt werden.
Der restliche gasförmige Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 71 wird als Strom I dem Hauptkondensator 73 zugeführt und dort mindestens teilweise kondensiert. Der dabei erzeugte flüssige Stickstoff kann zu einem Teil als Rücklauf auf die
Hochdrucksäule 71 aufgegeben werden. Ein anderer Teil wird als Strom m dem Unterkühlungsgegenströmer 77 zugeführt, dort unterkühlt und zum Kopf der
Niederdrucksäule 72 geleitet. Dort kann ein Teil als Strom n zur Bereitstellung eines Flüssigstickstoffprodukts (LIN) abgezogen werden. Das Flüssigstickstoffprodukt kann beispielsweise in einem Tank eingelagert werden. Unmittelbar oberhalb des Sumpfes der Niederdrucksäule 72 kann gasförmiger
Sauerstoff als Strom o entnommen und, gegebenenfalls nach Vereinigung mit einem Strom p (Unreinstickstoff), der ebenfalls der Niederdrucksäule 72 entnommen und in dem Unterkühlungsgegenströmer 77 erwärmt wird, in einem Hauptwärmetauscher 6 angewärmt werden. Die weitere Verwendung der Ströme o und p entspricht beispielsweise jener des erläuterten Stroms g.
Ein flüssiger Sauerstoffstrom q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann mittels einer Pumpe 79 druckerhöht und als Strom r zumindest teilweise in dem
Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt, in einer Flüssigproduktmenge aus der
Luftzerlegungsanlage 100 ausgeleitet und einem Flüssigtank (LOX) zugeleitet werden. Ein anderer Teil des mittels der Pumpe 79 druckerhöhten Sauerstoffstroms q aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 72 kann als Strom s in einer Gasproduktmenge im Hauptwärmetauscher 6 verdampft (beziehungsweise bei überkritischem Druck pseudo- verdampft), auf Umgebungstemperatur angewärmt und anschließend als gasförmiges Druckprodukt (GOX-IC) abgezogen werden.
Gasförmiger Stickstoff kann als Strom t vom Kopf der Niederdrucksäule 72 abgezogen und im Unterkühlungsgegenströmer 77 unterkühlt werden. Der Strom t kann nach Erwärmung im Hauptwärmetauscher 6 in einem Verdichter (ohne Bezeichnung) extern verdichtet und als gasförmiger Druckstickstoff (GAN-EC) bereitgestellt werden.
An einer Zwischenstelle, dem sogenannten Argonübergang, kann in der dargestellten Anlage der Niederdrucksäule 72 ein argonhaltiger Strom u entnommen und dem unteren Teil 74 der Rohargonsäule 74, 75 unmittelbar über dem Sumpf zugeführt werden. Sumpfflüssigkeit des unteren Teils 74 der Rohargonsäule 74, 75 kann als Strom v in die Niederdrucksäule 72 zurückgeleitet werden.
Der untere Teil 74 und der obere Teil 75 der zweigeteilten Rohargonsäule 74, 75 können über Leitungen w und x und entsprechende Pumpen und Ventile (ohne
Bezeichnung) miteinander gekoppelt sein. Die zweigeteilte Rohargonsäule 74, 75 kann auch als eine Säule realisiert sein.
Die Kopfkondensatoren des oberen Teils 75 der Rohargonsäule 74, 75 und der Reinargonsäule 76 können beispielsweise als Rücklaufkondensatoren oder als Badkondensatoren ausgebildet sein. Der Rohargonsäule 75 kann im dargestellten Beispiel am oberen Ende der Rücklaufpassagen des Kopfkondensators, der hier als Rücklaufkondensator gezeigt ist, über einen seitlichen Header ein Rohargonstrom y gasförmig entnommen und der Reinargonsäule 76 an einer geeigneten Zwischenstelle zugeleitet werden.
Die Sumpfflüssigkeit der Reinargonsäule 76 kann zu einem Teil in dem
Sumpfverdampfer 78 verdampft werden, wobei der dabei erzeugte Dampf als aufsteigendes Gas in der Reinargonsäule 76 genutzt werden kann. Der Rest kann der Reinargonsäule 76 als flüssiger Reinargonproduktstrom z entnommen werden. Das flüssige Reinargon (LAR) kann in einen Tank überführt werden. Zumindest ein Teil des Reinargons kann flüssig auf Druck gebracht, in den Hauptwärmetauscher 6 verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (LAR IC) abgegeben werden (vgl. die rechte Kammer des Hauptwärmetauschers 6, sogenannte Argoninnenverdichtung).
Figur 2 zeigt eine Hauptverdichtereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Anlagendiagramms. Die Hauptverdichtereinheit ist, wie in der Figur 1 , insgesamt mit 2 bezeichnet. Wie herkömmliche Hauptverdichtereinheiten 2 umfasst die Hauptverdichtereinheit 2 gemäß der Ausführungsform der Erfindung einen elektrischen Antrieb 210 und eine Gruppe von Verdichterstufen, die hier insgesamt mit 220 bezeichnet ist.
Die Hauptverdichtereinheit 2 weist im dargestellten Beispiel sechs Verdichterstufen auf. Wie eingangs erläutert, können entsprechende Hauptverdichtereinheiten jedoch auch mit einer geringeren oder größeren Anzahl an Verdichterstufen ausgebildet sein. Jede der Verdichterstufen umfasst im dargestellten Beispiel jeweils einen Verdichter 221 und einen Nachkühler 222 (nur an einer Verdichterstufe mit Bezugszeichen versehen). Die spezifische Ausgestaltung kann hierbei unterschiedlich zu dem dargestellten Beispiel sein. Die über den Filter 1 angesaugte atmosphärische Luft AIR kann beispielsweise auch nacheinander durch mehrere Verdichter 221 geführt und erst anschließend in einem Nachkühler 222 nachgekühlt werden. Der Nachkühler 3 kann auch entfallen, bzw. kann einer der Nachkühler 222 der Gruppe 220 von
Verdichterstufen die Funktion des Nachkühlers 3 übernehmen. An beliebiger Stelle zwischen den jeweiligen Verdichterstufen der Gruppe 220 von Verdichterstufen können weitere Luftströme zugespeist werden, wobei es sich beispielsweise um einen
Luftstrom handeln kann, der zuvor auf Atmosphärendruck entspannt wurde. Dies kann beispielsweise der Strom g aus Figur 1 sein. Der elektrische Antrieb 210 der Verdichtereinheit 2 ist gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung als besonderer Schleifringläufermotor 210 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um einen dreiphasigen Schleifringläufermotor 210.
Grundsätzlich sind jedoch auch Schleifringläufermotoren 210 mit anderer Phasenzahl bekannt. Der Schleifringläufermotor 210 umfasst einen Stator 21 1 und einen Rotor 212.
Der Stator 21 1 kann entsprechend einem Stator eines Kurzschlussläufermotors ausgebildet sein. Er wird über entsprechende Phasenanschlüsse U, V und W bestromt. Eine hierzu verwendete Kommutierungsschaltung ist nicht gezeigt. Der Läufer 212 umfasst im dargestellten Beispiel eine mit geeigneten Anlasswiderständen R versehene und von außen beeinflussbare Läuferwicklung.
Im dargestellten Beispiel ist die Läuferwicklung des Läufers 212 als
Dreiphasenwicklung aufgebaut. Die Wicklungen sind vorzugsweise im Stern, in anderen Ausführungsformen im Dreieck, geschaltet. Der Sternpunkt der Wicklungen ist im Inneren des Läufers 212 angeordnet. Alternativ kann auch der Sternpunkt über einen Schleifring nach außen geführt werden. Die Wicklungsenden, hier mit K, L und M bezeichnet, sind an Schleifringen angeschlossen, an welchen als Stromabnehmer geeignete Bürsten anliegen können. Das Material der Bürsten ist vorzugsweise für den Anlassbetrieb optimiert und braucht nicht auf eine Dauerbelastung ausgelegt sein.
Figur 2 zeigt in sehr schematischer Ansicht eine Schleifringkurzschließvorrichtung 214, über die ein Kurzschlussring in den Rotor eingeschoben bzw., genauer gesagt, die Läuferwicklung des Rotors 212 kurzgeschlossen werden kann. Ebenfalls sehr schematisch dargestellt ist eine Bürstenabhebevorrichtung 215, mittels derer die
Bürsten des Schleifringläufermotors von den Schleifringen abgehoben werden können. Das Anfahren des Motors wird erfindungsgemäß derart gesteuert, dass bei nicht aktivierter Bürstenabhebevorrichtung 215 (die schematisch dargestellten Schalter sind geschlossen) und bei nicht eingeschobenem Kurzschlussring der Anfahrwiderstand R (die Anlasswiderstände für die Läuferwicklung) zur Reduzierung des Anfahrstromes kontrolliert verringert wird. Sobald der Widerstand R in etwa auf Null absenkt ist, wird die Schleifringkurzschließvorrichtung 214 aktiviert, das heißt die Läuferwicklung des Rotors 212 wird kurzgeschlossen. Anschließend wird die Bürstenabhebevorrichtung 215 aktiviert, das heißt die Bürsten werden von den Schleifringen abgehoben
(schematisch dargestellte Schalter werden geöffnet). Im regulären Betrieb (Motor läuft mit Nenndrehzahl) sind die Bürsten abgehoben und der Rotor ist kurzgeschlossen. Die hier dargestellte Betriebsweise des erfindungsgemäß eingesetzten
Schleifringläufermotors 210 ist für die Erfindung allgemein gültig und nicht auf das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Um einen einfacheren Zugang zu den Bürsten an den Anschlüssen K, L und M zu ermöglichen, sind die Schleifringe in einem vom eigentlichen Motorgehäuse getrennten Gehäuse untergebracht. Dies ermöglicht eine einfachere Wartung der Schleifringe und der Bürsten. Bürstenabrieb wird auf diese Weise vom eigentlichen Motor ferngehalten. Die Wartung eines entsprechenden Schleifringläufermotors 210 umfasst im
Wesentlichen den Austausch abgenutzter Bürsten und die Reinigung. Da die Bürsten hier jedoch nur während des Anlassbetriebs aufliegen und danach abgehoben werden, sind der Austausch und die Reinigung auf ein Minimum reduziert. Die
Wartungsintervalle sind damit gegenüber jenen vergleichbarer
Kurzschlussläufermotoren nicht verlängert.
Über die Anlasswiderstände R sind die Anschlüsse K, L und M mit einem
Anschlusspunkt 213 verbunden. Der Widerstandswert der Anlasswiderstände R wird dabei nach dem Anschaltzeitpunkt, d.h. beim Anlaufen des Schleifringläufermotors 210, kontinuierlich verringert, bis die Anschlüsse K, L und M bei der Nenndrehzahl des erfindungsgemäß optimierten Schleifringläufermotors 210 über den Kurzschlussring kurzgeschlossen werden können. Dies erfolgt, wie erwähnt mittels der
Schleifringkurzschließvorrichtung 214. Der Antrieb der Verdichter 221 der Gruppe 220 von Verdichterstufen erfolgt über eine gemeinsame Welle, die hier schematisch mit 230 veranschaulicht ist.

Claims

Patentansprüche
1 . Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (7), das
zumindest eine Hochdrucksäule (71 ) und eine Niederdrucksäule (72) umfasst, und einer Hauptverdichtereinheit (2), die dafür eingerichtet ist, eine Gesamtluftmenge, die der Luftzerlegungsanlage (100) insgesamt zugeführt wird, auf einen Druck zu verdichten, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (71 ) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Hauptverdichtereinheit (2) einen Schleifringläufermotor (210) aufweist, der über eine Schleifringkurzschließvorrichtung (214) verfügt, um die Läuferwicklung des
Läufers (212) des Schleifringläufermotors (210) nach dem Anlaufen des Motors kurzzuschließen, und weiterhin über eine Bürstenabhebevorrichtung (215), um anschließend die Bürsten des Schleifringläufermotors (210) von den Schleifringen des Schleifringläufermotors (210) abzuheben.
2. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 1 , bei der die Läuferwicklung des
Läufers (212) des Schleifringläufermotors (210) erste Anschlüsse (K, L, M) aufweist, die über einstellbare Anlasswiderstände (R) miteinander verbindbar sind.
3. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der
Schleifringläufermotor (210) einen Nennstrom bei einer Nenndrehzahl aufweist, wobei ein Anlassstrom des Schleifringläufermotors (210) auf den 0,5-fachen bis höchstens den 1 ,1 -fachen Wert des Nennstroms begrenzbar ist.
4. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Schleifringläufermotor (210) eine Nennleistung von 1 bis 25 MW aufweist.
5. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Hauptverdichtereinheit (2) 4 bis 6 Verdichterstufen aufweist.
6. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 5, bei der die Verdichterstufen der Hauptverdichtereinheit (2) dafür eingerichtet sind, mit austauschbaren Laufrädern unterschiedlicher Größe ausgestattet zu werden.
7. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Hauptverdichtereinheit (2) ein Anfahrmoment von 25 - 70% eines Nennmoments des Schleifringläufermotors (210) aufweist.
8. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zur Bereitstellung zumindest eines flüssigen Luftprodukts mittels eines
Innenverdichtungsverfahrens eingerichtet ist.
9. Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ferner einen Hauptwärmetauscher (6), eine erste Entspannungsmaschine (12) und ein
Entspannungsventil (8) aufweist und dafür eingerichtet ist, einen ersten Anteil der Gesamtluftmenge in dem Hauptwärmetauscher (6) abzukühlen, in der ersten Entspannungsmaschine (22) zu entspannen und in die Hochdrucksäule (71 ) einzuspeisen und einen zweiten Anteil der Gesamtluftmenge in dem
Hauptwärmetauscher (6) abzukühlen, in dem Entspannungsventil (8) zu entspannen und in die Hochdrucksäule (71 ) einzuspeisen.
10. Luftzerlegungsanlage (100) nach Anspruch 9, die ferner eine zweite
Entspannungsmaschine (22) aufweist und dafür eingerichtet ist, einen dritten Anteil der Gesamtluftmenge auf einen Druck zu entspannen, der geringer ist als der Betriebsdruck, für den die Hochdrucksäule (71 ).
1 1 . Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem eine
Luftzerlegungsanlage (100) mit einem Destillationssäulensystem (7), das zumindest eine Hochdrucksäule (71 ) und eine Niederdrucksäule (72) aufweist, und einer Hauptverdichtereinheit (2) verwendet wird, wobei eine Gesamtluftmenge, die in dem Verfahren insgesamt verwendet wird, in einer Hauptverdichtereinheit (2) auf einen Hauptverdichterdruck verdichtet wird, der zumindest 4 bar höher ist als ein Betriebsdruck, bei dem die Hochdrucksäule (71 ) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptverdichtereinheit (2) mit einem
Schleifringläufermotor (210) angetrieben wird, wobei der Schleifringläufermotor (210) derart betrieben wird, dass die Läuferwicklung des Läufers (212) des Schleifringläufermotors (210) nach dem Anlaufen des Motors kurzgeschlossen wird und anschließend die Bürsten des Schleifringläufermotors (210) von den Schleifringen des Schleifringläufermotors (210) abgehoben werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , bei dem eine Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.
13. Verwendung eines Schleifringläufermotors (210) in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12 und/oder in einer Luftzerlegungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Antrieb der Hauptverdichtereinheit (2) der Luftzerlegungsanlage (100).
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