Компрессор с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением и связанный с ним способ Российский патент 2017 года по МПК F02C7/143 

Варианты выполнения предлагаемого изобретения, раскрытого в данном документе, относятся, в целом, к компрессорам с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением и к связанным с ними способам, и в частности, к турбокомпрессорной генераторной установке, в которой используется компрессор высокого давления с более чем одним промежуточным охлаждением вместо группы компрессоров.

Одной из турбомашин является центробежный компрессор. Центробежные компрессоры обычно разрабатывают различными сериями, охватывающими конкретные диапазоны расходов и применения. Для обеспечения необходимой степени сжатия центробежные компрессоры могут быть расположены для выполнения сжатия один за другим. Например, как проиллюстрировано на фиг. 1, обычно в турбокомпрессорной генераторной установке 100 расположены два центробежных компрессора. Подобные турбокомпрессорные генераторные установки могут использоваться для доменных печей в сталелитейной промышленности, для сжижения природного газа, обратного закачивания газа и в других отраслях нефтегазовой индустрии.

В турбокомпрессорной генераторной установке 100 механически соединены пять машин: газовая турбина 110, генератор 120, редуктор 130, первый компрессор 140 низкого давления и второй компрессор 150. Конструкцию данного типа иногда называют "одновальной" конфигурацией.

Генератор 120 может иметь скорость вращения 3000 оборотов в минуту (об/мин). Редуктор 130 представляет собой редуктор повышающего типа, например, с увеличением скорости вращения примерно до 5000 об/мин и с передачей данного вращения первому 140 и второму 150 компрессорам.

Первый компрессор 140 может иметь двухпоточную конструкцию и принимать посредством двух впусков газовый поток под входным давлением (например, около 0,97 бар) и при входной температуре (например, около 41,5°С), и выпускать газовый поток под выходным давлением (например, около 3,20 бар) и при выходной температуре (например, около 187°С). Затем выпускаемый газ охлаждают и вводят во второй компрессор 150.

Второй компрессор 150 может представлять собой компрессор двухсекционного типа, выполненный с возможностью приема, первоначально, вводимого газового потока под первым входным давлением (например, 2,85 бар) и при первой входной температуре (например, около 40°С) и вывода первого выходного потока под первым выходным давлением (например, около 7,90 бар) и при первой выходной температуре (например, около 160°С). Затем первый выходной поток охлаждают и вводят в компрессор 150 в качестве второго потока под вторым входным давлением (например, 7,50 бар) и при второй входной температуре (например, около 40°С). Затем из компрессора 150 выводится второй выходной поток под вторым выходным давлением (например, около 20,8 бар) и при второй выходной температуре (например, около 166°С).

Отметим, что второе входное давление слегка ниже первого выходного давления, и третье входное давление слегка ниже второго выходного давления. Кроме этого, расход газа может составлять примерно 220000-230000 кг/ч, однако при охлаждении потери потока могут составлять примерно 10%.

В обычной турбокомпрессорной генераторной установке компрессор имеет посаженные горячим способом закрытые рабочие колеса, причем требуемое сжатие достигается путем разделения процесса сжатия на подпроцессы, осуществляемые внутри двух различных компрессоров. При этом надежность является ниже оптимальной вследствие использования двух различных компрессоров и перехода между указанными процессорами. Кроме этого, стоимость двух компрессоров и расходы на их эксплуатацию (компактность) побуждают к поиску использования более эффективного, более дешевого и надежного оборудования для сжатия.

Соответственно, существует необходимость в компрессоре высокого давления с более чем одним промежуточным охлаждением и в связанных с ним способах, в которых устранены вышеописанные проблемы и недостатки.

Использование воздушного компрессора высокого давления с двумя уровнями промежуточного охлаждения вместо двух компрессоров в турбокомпрессорной генераторной установке обеспечивает возможность удаления одного крупного корпуса, что приводит к преимуществам в размерах, стоимости, общей надежности и компактности.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения изобретения компрессор с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением, используемый в турбокомпрессорной генераторной установке, содержит корпус с группой камер, по меньшей мере один вал, проходящий внутри указанных камер, и рабочие колеса, установленные соответственно на указанном по меньшей мере одном валу внутри указанных камер. Каждая камера имеет газовпускное отверстие и газовыпускное отверстие для обеспечения возможности ввода потока газа в соответствующие камеры и его вывода из них. Газовый поток последовательно сжимается в каждой из указанных камер и охлаждается снаружи компрессора, переходя из одной камеры в следующую из указанных камер.

В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения турбокомпрессорная генераторная установка содержит компрессор с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением. Компрессор содержит корпус с группой камер, по меньшей мере один вал, проходящий внутри указанных камер, и рабочие колеса, установленные соответственно на указанном, по меньшей мере одном валу внутри указанных камер. При этом каждая камера имеет газовпускное отверстие и газовыпускное отверстие для обеспечения возможности ввода потока газа в соответствующие камеры и его вывода из них. Газовый поток последовательно сжимается в каждой из указанных камер и охлаждается снаружи компрессора, переходя из одной камеры в следующую камеру среди указанной группы камер.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом изобретения предложен способ переоснащения обычной турбокомпрессорной генераторной установки, который включает (А) удаление по меньшей мере двух компрессоров из указанной установки и (В) добавление одного компрессора с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением. Указанный компрессор выполнен с возможностью обеспечения той же степени сжатия, которую обеспечивают оба удаленных компрессора.

Прилагаемые чертежи, которые включены в рассматриваемое описание и составляют его часть, иллюстрируют один или более вариант изобретения и, совместно с описанием, поясняют эти варианты. На данных чертежах:

фиг. 1 изображает схему обычной турбокомпрессорной генераторной установки;

фиг. 2 изображает схему турбокомпрессорной генераторной установки, выполненной в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения;

фиг. 3 изображает схему турбокомпрессорной генераторной установки, выполненной в соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения изобретения;

фиг. 4 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ переоснащения обычной турбокомпрессорной генераторной установки в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения.

В следующем описании предпочтительных вариантов выполнения изобретения ссылка делается на прилагаемые чертежи. На разных чертежах одинаковые номера позиции обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает предлагаемое изобретение. Напротив, объем его правовой защиты определен независимыми пунктами формулы изобретения. Следующие варианты выполнения изобретения описаны со ссылкой, для простоты, на терминологию и конструкцию турбокомпрессорной генераторной установки. Однако описанные далее варианты выполнения не ограничены данными системами и могут быть применимы для других систем, в которых используется группа компрессоров.

Во всем описании ссылка на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что отдельный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, содержится в, по меньшей мере, одном варианте выполнения предлагаемого изобретения. Таким образом, фразы "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения" в соответствующих местах во всем описании не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме этого, отдельные признаки, конструкции или характеристики могут быть скомбинированы любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения.

В ряде вариантов выполнения изобретения в едином корпусе установлена группа рабочих колес с получением более эффективного, более дешевого и надежного компрессора, способного выполнять функции двух компрессоров в обычной турбокомпрессорной генераторной установке.

На фиг. 2 изображена схема турбокомпрессорной генераторной установки 200, выполненной в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения. Установка 200 содержит газовую турбину 210, генератор 220, редуктор 230 и одиночный компрессор 245 с более чем одним охлаждением. Турбина 210, генератор 220 и редуктор 230 могут быть аналогичны газовой турбине 110, генератору 120 и редуктору 130 в обычной установке 100.

Компрессор 245 представляет собой компрессор с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением. Отношение давления на выходе (на выходе газового потока из компрессора 245 после сжатия) к давлению на входе (на входе газового потока в компрессор 245 для сжатия) может превышать 20. При этом валы 265 и 265' компрессора 245 соединены по оси и могут опираться на группу подшипников. На фиг. 2 первый подшипник 260 расположен снаружи корпуса 246 компрессора 245, на валу 265', со стороны корпуса 245, обращенной к редуктору 230. Второй подшипник 270 также расположен снаружи корпуса 246, на валу 265, на противоположной стороне корпуса 246 относительно стороны, на которой расположен первый подшипник 260.

При этом компрессор 245 имеет три камеры 247, 248 и 249, каждая из которых имеет газовпускное отверстие и газовыпускное отверстие для обеспечения возможности входа газа в соответствующую камеру и его выхода из нее. Данный газ может представлять собой воздух. Валы 265 и 265' проходят через камеры. На валах в камерах 247, 248 и 249 соответственно установлены рабочие колеса 257, 258 и 259. Рабочие колеса 257 и 258 представляют собой компоненты низкого давления и могут быть выполнены в виде открытых рабочих колес. В свою очередь, рабочее колесо 259 представляет собой компонент высокого давления и может быть выполнено в виде закрытого рабочего колеса. Компоненты 257 и 258 низкого давления могут быть расположены друг за другом по оси, причем компонент 259 может быть просто помещен на вал 265' либо посажен на нем горячим способом. Валы 265 и 265' и колеса 257, 258 и 259 соединены в осевом направлении с образованием ротора компрессора 245.

Газовый поток вводится в первую камеру 247 компрессора 245 под первым входным давлением (например, около 0,97 бар) и при первой входной температуре (например, около 41,5С) и выводится под первым выходным давлением (например, около 3,20 бар), превышающим указанное первое входное давление, и при первой входной температуре (например, около 187°С), превышающей указанную первую входную температуру.

Затем выведенный газ охлаждают (то есть первое охлаждение снаружи данного компрессора) и вводят во вторую камеру 248 компрессора 245 под вторым входным давлением (например, 2.85 бар) и при второй входной температуре (например, около 40°С). Во второй камере 248 газ сжимают для выхода под вторым выходным давлением (например, около 7,8 бар), превышающим указанное второе входное давление, и при второй входной температуре (например, около 160°С), превышающей указанную вторую входную температуру.

Затем газовый поток повторно охлаждают (то есть второе охлаждение снаружи данного компрессора) и вводят в третью камеру 249 компрессора 245 под третьим входным давлением (например, 7.50 бар) и при второй входной температуре (например, около 40°С). В третьей камере 249 газ сжимают для вывода под третьим выходным давлением (например, около 20,8 бар), превышающим указанное третье входное давление, и при третьей выходной температуре (например, около 166°С), превышающей указанную третью входную температуру.

На фиг. 3 изображена схема турбокомпрессорной генераторной установки 300, выполненной в соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения изобретения. Установка 300 содержит газовую турбину 310, генератор 320, редуктор 330 и одиночный компрессор 345 с более чем одним охлаждением. Турбина 310, генератор 320 и редуктор 330 могут быть аналогичны турбине 110, генератору 120 и редуктору 130 установки 100.

Аналогично компрессору 245 компрессор 345 представляет собой компрессор с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением, который может обеспечивать отношение давления на выходе к давлению на входе более 20. Компрессор 345 имеет три камеры 347, 348 и 349 с рабочими колесами 357, 358 и 359, установленным на валу 365 в указанных камерах. Газовый поток сжимают внутри камер 347, 348 и 349 аналогично тому, как описано относительно компрессора 345.

Вал 365 компрессора 345 может опираться на группу подшипников. Первый подшипник 360 расположен снаружи компрессора 345, со стороны корпуса 346 компрессора 345, обращенной к редуктору 330. В отличие от компрессора 245 второй подшипник 380 расположен внутри компрессора 345 между камерой 347 и камерой 348 данного компрессора. Такое расположение подшипников обеспечивает возможность вращения вала 365 с более высокой скоростью по сравнению с валами 265, 265', например до 7000 об/мин.

Обычные турбокомпрессорные генераторные установки могут быть переоснащены путем замены двух компрессоров одиночным компрессором с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением. На фиг. 4 изображена блок-схема, иллюстрирующая способ 400 переоснащения обычной турбокомпрессорной генераторной установки в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения. Способ 400 включает этап S410 удаления по меньшей мере двух компрессоров из указанной установки и этап S420 добавления одиночного компрессора с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением. Указанный одиночный компрессор выполнен с возможностью получения той же степени сжатия, которую обеспечивают оба удаленных компрессора.

Указанный одиночный компрессор может иметь группу камер, внутри которых происходит сжатие газового потока. Например, указанный компрессор может иметь три камеры. Поток сжатого газа выводят из двух камер для охлаждения снаружи компрессора перед направлением в следующую камеру.

Предлагаемый способ может дополнительно включать добавление по меньшей мере двух подшипников для поддержания вала указанного одиночного компрессора. Один из указанных подшипников может быть расположен снаружи корпуса одиночного компрессора со стороны, обращенной к редуктору турбокомпрессорной генераторной установки. В одном варианте выполнения предлагаемого изобретения второй подшипник может быть также расположен снаружи корпуса одиночного компрессора, на противоположной стороне корпуса относительно стороны, на которой расположен первый подшипник. В другом варианте выполнения второй подшипник может быть расположен внутри корпуса одиночного компрессора. Например, второй подшипник может быть расположен между камерами компрессора.

В раскрытых предпочтительных вариантах выполнения изобретения заявлена турбокомпрессорная генераторная установка, содержащая одиночный компрессор с высокой степенью сжатия и с более чем одним охлаждением и связанные с ним способы. Очевидно, что данное описание не используется для ограничения изобретения. Напротив, предпочтительные варианты выполнения охватывают альтернативы, модификации и эквиваленты, включенные в объем правовой защиты и сущность предлагаемого изобретения в соответствии с определениями, приведенными в независимых пунктах прилагаемой формулы изобретения. Кроме этого, в подробном описании предпочтительных вариантов выполнения изложен ряд конкретных признаков для обеспечения полного понимания заявляемого изобретения. Однако для специалиста в данной области техники будет понятно, что различные варианты выполнения изобретения могут быть практически реализованы без подобных конкретных признаков.

Признаки и элементы предлагаемых предпочтительных вариантов выполнения описаны в вариантах выполнения в отдельных комбинациях. Однако каждый признак или элемент может использоваться сам по себе без других признаков и элементов вариантов выполнения или в различных комбинациях с раскрытыми другими признаками и элементами или без них.

В данном описании используются примеры для раскрытия изобретения для того, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники практически использовать изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем и реализацию любых включенных способов. Объем предлагаемого изобретения определен в пунктах формулы изобретения и может содержать другие примеры, которые приходят на ум специалистам. Подобные другие примеры подпадают в рамки объема правовой защиты, определенного в пунктах формулы изобретения.

В изобретении предложены турбокомпрессорные генераторные установки (200, 300), содержащие компрессоры с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением, и связанные с ними способы. Компрессор (245, 345) с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением содержит корпус (246, 346) с группой камер (247, 248), по меньшей мере один вал (265, 365), проходящий внутри указанных камер, и рабочие колеса (257, 258), установленные соответственно на указанном, по меньшей мере одном валу внутри указанных камер. Каждая камера имеет газовпускное отверстие и газовыпускное отверстие для обеспечения возможности впуска газового потока в эту камеру и выпуска из нее. Газовый поток последовательно сжимается в каждой из указанных камер и охлаждается снаружи указанного корпуса при переходе из одной камеры в следующую камеру из указанных камер. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Компрессор (245, 345) с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением, используемый в турбокомпрессорной генераторной установке (200, 300) и содержащий:

корпус (246, 346) с группой камер (247, 248, 249, 347, 348, 349), каждая из которых имеет газовпускное отверстие и газовыпускное отверстие для обеспечения возможности впуска газового потока в эту камеру и выпуска из нее,

по меньшей мере один вал (265, 265', 365), проходящий внутри указанных камер,

рабочие колеса (257, 258, 259, 357, 358, 359), установленные соответственно на указанном по меньшей мере одном валу внутри указанных камер,

причем газовый поток последовательно сжимается в каждой из указанных камер (247, 248, 249, 347, 348, 349) и охлаждается снаружи указанного корпуса (246, 346) при переходе из одной камеры в следующую из указанных камер.

2. Компрессор (245, 345) по п. 1, который выполнен с возможностью получения степени сжатия свыше 20 для газового потока с расходом приблизительно 220000 кг/ч.

3. Компрессор по п. 1, дополнительно содержащий группу подшипников (260, 270, 360, 380), поддерживающих один или несколько валов, причем первый из указанных подшипников (260) расположен на валу снаружи указанного корпуса, на первой стороне корпуса.

4. Компрессор по п. 3, в котором второй из указанных подшипников (270) расположен на валу снаружи указанного корпуса, с противоположной стороны корпуса относительно указанной стороны, обращенной к редуктору.

5. Компрессор по п. 3, в котором второй из указанных подшипников расположен на валу внутри корпуса, вблизи стенки, разделяющей камеры компрессора.

6. Компрессор по п. 3, в котором указанный второй подшипник расположен вблизи стенки, которая разделяет камеры компрессора, имеющие более низкое давление, а указанный первый подшипник расположен вблизи камеры, соответствующей максимальному выходному давлению.

7. Компрессор по п. 5, в котором указанные камеры (247, 248, 249, 347, 348, 349) расположены в порядке, соответствующем выходному давлению газового потока.

8. Компрессор по п. 1, который содержит три камеры.

9. Компрессор по любому из пп. 1-8, который выполнен с обеспечением удовлетворения по меньшей мере одного из следующих условий:

температура ввода газового потока в каждой из указанных камер составляет примерно 40°С,

отношение давления на выходе газового потока из каждой камеры к давлению на входе газового потока в эту камеру составляет от 2,5 до 3,5,

входное давление газового потока на входе в первую камеру компрессора составляет примерно 1 бар,

выходное давление газового потока на выходе из компрессора составляет примерно 20,8 бар,

скорость вращения указанного по меньшей мере одного вала составляет от 5000 до 7000 об/мин.

10. Турбокомпрессорная генераторная установка (200, 300), содержащая компрессор (245, 345) с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением, выполненный по любому из пп. 1-9.

11. Способ (400) переоснащения обычной турбокомпрессорной генераторной установки, включающий

удаление (S410) по меньшей мере двух компрессоров из указанной установки и

добавление (S420) одного компрессора с высокой степенью сжатия и с более чем одним промежуточным охлаждением,

причем указанный один компрессор выполнен с возможностью получения такой же степени сжатия, которую обеспечивают оба удаленных компрессора.