專利名稱：制冷產(chǎn)生方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在以低于環(huán)境溫度操作的工藝中產(chǎn)生制冷的方法和設(shè)備，其中制冷通過渦輪膨脹機產(chǎn)生且膨脹功通過聯(lián)接到渦輪膨脹機的可變速度發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電功率。 更具體地，本發(fā)明涉及這樣的方法和系統(tǒng)，其中輔助控制器計算渦輪膨脹機的有效速度，并且這種有效速度用作與可變速度發(fā)電機相關(guān)的速度控制器的輸入，以通過電磁制動來控制發(fā)電機的速度以及因此控制渦輪膨脹機。
背景技術(shù)：
制冷在諸如空氣分離設(shè)備和液化器的低于環(huán)境溫度的設(shè)備中產(chǎn)生，以產(chǎn)生用于這種設(shè)備操作所需要的低于環(huán)境溫度的必要溫度。通過做功將壓縮流膨脹至較低壓力而產(chǎn)生制冷，以產(chǎn)生冷排出流，所述冷排出流被用于向該設(shè)備給予制冷。膨脹功必須從該設(shè)備提取，且這是通過在油制動機構(gòu)中產(chǎn)生熱量來完成的，所述熱量通過壓縮機或發(fā)電機所施加的負載而驅(qū)散到設(shè)備之外，以產(chǎn)生可售出到電網(wǎng)的電力，以補償在運行該設(shè)備中的電力成本。例如，在空氣分離設(shè)備中，空氣被壓縮并凈化以產(chǎn)生被壓縮流。被壓縮流的一部分被引入到熱交換器中并且被冷卻至適于其在一個或多個蒸餾塔內(nèi)精餾的溫度，以產(chǎn)生氮氣以及還可能的氧氣和氬產(chǎn)品流。當期望有氮氣和氧氣產(chǎn)品流時，被壓縮且凈化的空氣被引入到雙塔單元中，所述雙塔單元具有用于從空氣分離氮氣的高壓蒸餾塔，以藉此產(chǎn)生粗液態(tài)氧氣塔底物，也已知為釜液。塔底物液體流在低壓塔中被進一步提煉，以產(chǎn)生富含氧氣的液體塔底物，從其獲取氧氣產(chǎn)品以及富含氮氣的蒸汽塔頂物。高壓蒸餾塔還產(chǎn)生富含氮氣的蒸汽塔頂物，其通過與在低壓塔中的富含氧氣的液體塔底物間接熱交換而至少部分地被冷凝，以產(chǎn)生用于高壓塔和低壓塔的液態(tài)氮氣回流。氮氣產(chǎn)品從在低壓塔、高壓塔或低壓塔和高壓塔兩者中產(chǎn)生的富含氮氣的蒸汽獲取或從被冷凝的富含氮氣的液體的一部分獲取。在空氣分離設(shè)備中，來自于低壓塔的富含氮氣的蒸汽以及富含氧氣的液體連同其他流被引入到主熱交換器的冷端中，以有助于冷卻空氣以及作為氮氣和氧氣產(chǎn)品排出。然而，在這樣產(chǎn)品的排出中，在主熱交換器的暖端存在熱損失以及存在到絕熱容器中的熱泄漏，所述絕熱容器已知為被用于容納蒸餾塔的冷箱。為了補償這種熱泄漏和熱損失，通過如下操作來產(chǎn)生制冷進一步壓縮被壓縮且凈化空氣的另一部分；部分地冷卻在主熱交換器中的這種空氣；以及接著將被壓縮且部分地冷卻的空氣引入到渦輪膨脹機中。渦輪膨脹機可以聯(lián)接到增壓器壓縮機或可用于驅(qū)動發(fā)電機。在被設(shè)計成產(chǎn)生高壓氣態(tài)氧氣產(chǎn)品的空氣分離設(shè)備中，來自于低壓塔的富含氧氣的液體流被泵送，且這種流在主熱交換器內(nèi)被暖熱， 以產(chǎn)生具有高壓的氣態(tài)氧氣產(chǎn)品。為了暖熱在主熱交換器中的這種流，空氣的又一部分被進一步壓縮并接著在主熱交換器內(nèi)冷卻。這種空氣在冷卻之后還可被引入到已知為液體膨脹機的渦輪機中，以產(chǎn)生更多的制冷。該渦輪機可聯(lián)接到電功率發(fā)電機。在氣體(例如，大氣中的氣體或自然氣體)在其中液化的液化器中，進入的氣體流被壓縮并在熱交換器內(nèi)冷卻至液態(tài)或兩相狀態(tài)，其被分離為再循環(huán)的蒸汽以及設(shè)備的液態(tài)產(chǎn)品。被壓縮流的一部分在渦輪膨脹機或可能地操作在逐次更低溫度水平的一系列渦輪膨脹機中被進一步壓縮并膨脹，以產(chǎn)生被再循環(huán)到熱交換器中的排出流，以冷卻要被液化的進入氣體。渦輪膨脹機可聯(lián)接到增壓器壓縮機、油制動機構(gòu)或發(fā)電機。存在用于液化器中的許多不同循環(huán)且前述總體上表示這樣循環(huán)中的一個。在用于上述討論目的的膨脹機中，膨脹機具有徑向流入布局，其中進入的被壓縮流由噴嘴導向到葉輪，所述葉輪可聯(lián)接到發(fā)電機以產(chǎn)生電功率。在渦輪膨脹機被聯(lián)接到發(fā)電機的情形中，通常交流感應電機被用作發(fā)電機。能夠理解的是，為了供應電功率至電網(wǎng)， 電力必須在稍微高于電網(wǎng)電壓的情況下被產(chǎn)生，以將所產(chǎn)生的功率驅(qū)動到電網(wǎng)中，且處于電網(wǎng)中所采用的線路(line)頻率，例如60赫茲。通過將電機用作被設(shè)計成以60赫茲操作的發(fā)電機，這種技術(shù)的應用變得十分直接。然而，一個問題在于，電機-發(fā)電機被設(shè)計成基于60赫茲的線路頻率以最大額定3600 rpm操作，且渦輪膨脹機被設(shè)計成以更加高的速度 (通常在20000與40000 rpm之間)操作。因此，必須使用復雜的齒輪傳動機構(gòu)，這固有地產(chǎn)生不可逆損失，該損失是在渦輪膨脹機和發(fā)電機之間的熱量。此外，由于發(fā)電機速度被約束在3600 rpm,因此渦輪膨脹機的速度也受限制。任何渦輪機械具有指定等熵效率，其與傳送通過這種機械的流量的能量以及機械的軸速度相關(guān)。更具體地，對于給定渦輪膨脹機，效率或者換句話說傳遞通過渦輪膨脹機的流的能量將被傳輸?shù)某潭葘⑷Q于流率以及傳遞通過渦輪膨脹機的流的焓降以及葉輪的速度。因此，在渦輪膨脹機和發(fā)電機之間的齒輪裝置被設(shè)計用于渦輪膨脹機的正常操作速度，通過流的這種正常操作狀態(tài)、流的壓力和溫度，渦輪膨脹機的效率將處于最大值。然而，在空氣分離設(shè)備或液化器或其它低于環(huán)境溫度的設(shè)備的降低(turndown )期間，在此期間設(shè)備以低于標準設(shè)計狀況操作，渦輪膨脹機被約束成以不充分的方式操作，以便提供設(shè)置速度給連接到發(fā)電機的齒輪傳動機構(gòu)。近來，已經(jīng)研制出高速電機，所述高速電機具有復雜的電子驅(qū)動器單元，其允許電機以任何速度操作且具體地在與低于環(huán)境的裝置的渦輪膨脹機所操作的速度工況相同的速度工況中操作。本文的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，復雜的電子驅(qū)動器以及特別地這種高速電機可用于制冷系統(tǒng)中，所述制冷系統(tǒng)用于諸如上述討論的低于環(huán)境溫度的設(shè)備中，從而緩解現(xiàn)有技術(shù)中前述的問題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明提供一種在以低于環(huán)境溫度操作的工藝中產(chǎn)生制冷的方法。 如本文以及在權(quán)利要求書中所使用的，術(shù)語“工藝”是指任何這樣的設(shè)備或設(shè)備系統(tǒng)，其被設(shè)計成通過添加由渦輪膨脹機全部或部分地產(chǎn)生的制冷以在低于環(huán)境溫度的溫度下處理工藝流體(例如，空氣)。根據(jù)該方法，用于該工藝內(nèi)的工藝流被壓縮以產(chǎn)生被壓縮工藝流。 被壓縮工藝流在渦輪膨脹機內(nèi)膨脹，所述渦輪膨脹機具有由工藝流通過做功驅(qū)動的葉輪， 藉此產(chǎn)生排出流。渦輪膨脹機被設(shè)計成以等于υ/c。的優(yōu)化值的操作效率參數(shù)操作。排出流被引入以向該工藝給予制冷。電功率在發(fā)電機中被產(chǎn)生，所述發(fā)電機具有聯(lián)接到葉輪的轉(zhuǎn)子，使得發(fā)電機通過膨脹功驅(qū)動。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度通過電磁制動轉(zhuǎn)子被控制，且因此渦輪膨脹機的速度也被控制，使得速度被保持在設(shè)置點并且發(fā)電機的電流輸出隨著轉(zhuǎn)子速度的減少而增加并且隨著轉(zhuǎn)子速度的增加而減少。這里要注意的是，如在本文以及在權(quán)利要求書中所使用的，術(shù)語
6“電磁制動”是指由于用于發(fā)電機中的定子線圈中的被控制電流而在發(fā)電機轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)扭矩或制動扭矩。此外，發(fā)電機所產(chǎn)生的電功率的電壓和頻率被控制，以便保持在線路匹配級別并且發(fā)電機所產(chǎn)生的電功率可在線路匹配級別被引入到本地電網(wǎng)中。通過設(shè)置設(shè)置點等于操作效率參數(shù)與工藝流在進入渦輪膨脹機中時的焓與排出流在從渦輪膨脹機排出時的焓之間的差的兩倍的平方根的乘積除以Pi與葉輪直徑的乘積，持續(xù)地確定轉(zhuǎn)子速度的設(shè)置點。因此，本發(fā)明允許發(fā)電機設(shè)置渦輪膨脹機的速度，所述速度基于流的焓降以及傳遞通過渦輪膨脹機的工藝流體的流率以獲得操作效率參數(shù)，所述操作效率參數(shù)將產(chǎn)生對于給定組的操作狀況而言總是最有效的渦輪膨脹機操作。結(jié)果是，在工藝的正常操作狀況期間以及在降低狀況期間，渦輪膨脹機將是最優(yōu)效率的。通過提供基于被壓縮工藝流的壓力和溫度的被壓縮工藝流的焓數(shù)據(jù)，可確定被壓縮工藝流和排出流的焓之間的差。焓繼而可通過下述步驟來確定測量被壓縮工藝流的流率以及測量被壓縮工藝流的工藝流溫度和壓力；以及，從焓數(shù)據(jù)、流率以及被壓縮工藝流溫度和壓力來確定入口焓。類似地，排出流的排出流溫度和壓力可被測量并且可從焓數(shù)據(jù)、流率以及排出流溫度和壓力來確定排出流的出口焓。之后，簡單地從入口焓減去出口焓。優(yōu)選地，用流量轉(zhuǎn)換器來測量流率，所述流量轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與流率相關(guān)的流率信號； 以及用溫度傳感器和壓力轉(zhuǎn)換器來測量被壓縮工藝流溫度和壓力以及排出流溫度和壓力， 所述溫度傳感器和壓力轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與被壓縮工藝流溫度和壓力以及排出流溫度和壓力相關(guān)的溫度和壓力信號。輔助控制器響應于流率信號、溫度和壓力信號并且在數(shù)據(jù)庫中包含焓數(shù)據(jù)，所述輔助控制器配置成確定入口焓、出口焓、在工藝入口流和排出流的焓之間的差、以及所述差的兩倍的平方根以及將所述平方根除以Pi與葉輪直徑的乘積，用于計算轉(zhuǎn)子速度的設(shè)置點的目的。在另一方面，本發(fā)明提供一種制冷產(chǎn)生系統(tǒng)，其用于以低于環(huán)境溫度操作的設(shè)備中。根據(jù)本發(fā)明的該方面，具有葉輪的渦輪膨脹機由在該設(shè)備內(nèi)被壓縮的工藝流驅(qū)動，使得被壓縮工藝流通過做功而膨脹并且藉此通過渦輪膨脹機產(chǎn)生排出流。渦輪膨脹機被設(shè)計成以等于υ/c。的優(yōu)化值的操作效率參數(shù)來操作。渦輪膨脹機被連接到所述設(shè)備，使得工藝流被引入到渦輪膨脹機并且排出流被引入到該設(shè)備以在該設(shè)備中給予制冷。發(fā)電機被提供以產(chǎn)生電功率。發(fā)電機具有聯(lián)接到葉輪的轉(zhuǎn)子，使得發(fā)電機通過膨脹功驅(qū)動。發(fā)電機控制器被連接到發(fā)電機并且配置成通過電磁制動轉(zhuǎn)子來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子的速度以及因此控制渦輪膨脹機的速度，使得速度被保持在設(shè)置點并且發(fā)電機的電流輸出隨著轉(zhuǎn)子速度減少而增加以及隨著轉(zhuǎn)子速度增加而減少。發(fā)電機控制器還控制發(fā)電機所產(chǎn)生的電功率的電壓和頻率，使得電壓和頻率被保持在線路匹配級別，以使得發(fā)電機所產(chǎn)生的電功率在線路匹配級別被引入到本地電網(wǎng)中。流量轉(zhuǎn)換器布置在渦輪膨脹機的上游，以便產(chǎn)生與被壓縮工藝流的流率相關(guān)的流率信號。此外，上游的一對溫度傳感器和壓力轉(zhuǎn)換器設(shè)置在渦輪膨脹機的上游以便產(chǎn)生與工藝流溫度和工藝流壓力相關(guān)的工藝流溫度和壓力信號。下游的一對溫度和壓力轉(zhuǎn)換器設(shè)置在渦輪膨脹機的下游以便產(chǎn)生與排出流溫度和排出流壓力相關(guān)的排出流溫度和壓力信號。輔助控制器被連接到發(fā)電機控制器并且響應于流率信號、工藝流和排出流溫度和壓力信號。所述輔助控制器在數(shù)據(jù)庫中包含工藝流的焓數(shù)據(jù)。所述輔助控制器被編程以通過應
7用流率、工藝流溫度和壓力以及排出流溫度和壓力至焓數(shù)據(jù)來持續(xù)地確定被壓縮工藝流的入口焓以及排出工藝流的排出流焓。所述控制器還被編程以計算入口焓和出口焓之間的差的兩倍及其平方根，以及通過將渦輪膨脹機的操作效率參數(shù)乘以所述平方根以及將所述乘積除以Pi與葉輪直徑的乘積來計算轉(zhuǎn)子速度的設(shè)置點。在本發(fā)明的任一方面，發(fā)電機可以是直接聯(lián)接到渦輪膨脹機的葉輪的永磁發(fā)電機，且發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度和電功率由用于永磁發(fā)電機的變頻驅(qū)動器控制，所述變頻驅(qū)動器可配置有用于設(shè)置點的輸入。使用永磁發(fā)電機是特別有利的，在于其消除了對于感應或獨立激發(fā)的轉(zhuǎn)子繞組電流的需要及其中的固有損失。此外，使用直接聯(lián)接發(fā)電機也是有利的， 在于其消除了在渦輪膨脹機和發(fā)電機之間的傳動機構(gòu)，所述傳動機構(gòu)自身產(chǎn)生不可逆損失。此外，該工藝可以是空氣分離工藝，或設(shè)備可以是低溫空氣分離設(shè)備，且由此工藝流包括被壓縮且凈化的空氣。工藝流在增壓器壓縮機中被壓縮以產(chǎn)生被壓縮工藝流，且被壓縮工藝流在空氣分離設(shè)備中的主熱交換器內(nèi)被至少部分地冷卻，或換句話說，至少冷卻至主熱交換器的暖端和冷端之間的溫度。在被至少部分地冷卻之后，被壓縮工藝流被引入到渦輪膨脹機中，且通過將排出流引入到用于低溫空氣分離設(shè)備的高壓塔和低壓塔中的至少一個中以將空氣蒸餾為富含氧氣組分和富含氮氣組分。被壓縮且凈化的空氣可在主熱交換器內(nèi)被冷卻，且排出流處于液態(tài)。


雖然說明書結(jié)束于權(quán)利要求書，該權(quán)利要求書清楚地指出了申請人看作其發(fā)明的主題，但是相信的是本發(fā)明通過參考下述附圖將會被理解，在附圖中
圖1是結(jié)合本發(fā)明的空氣分離設(shè)備的示意工藝流圖； 圖2是用于圖1所示的空氣分離設(shè)備中的液體渦輪膨脹機的效率圖； 圖3是控制系統(tǒng)的局部示意圖，所述控制系統(tǒng)用于結(jié)合被聯(lián)接到用于圖1中的渦輪膨脹機的高速發(fā)電機；以及
圖4是用于圖1中的高速發(fā)電機和渦輪膨脹機的局部示意圖。
具體實施例方式參考圖1，描述了結(jié)合制冷系統(tǒng)的空氣分離設(shè)備1，所述制冷系統(tǒng)包括被聯(lián)接到發(fā)電機202的液體渦輪膨脹機200，所述發(fā)電機202根據(jù)本發(fā)明被控制，這將在下文更詳細地討論。然而，要理解的是這只是出于示例性目的，本主題發(fā)明具有對于操作在低于環(huán)境溫度的其他類型的工藝和裝置(例如，液化器)的更寬泛應用性。在空氣分離設(shè)備1中，包含氧氣和氮氣(例如，空氣)的輸入流10通過已知的低溫精餾工藝而分離，以產(chǎn)生氣態(tài)和液態(tài)氧氣產(chǎn)品以及氣態(tài)氮氣和液態(tài)產(chǎn)品。輸入流10在底部負載壓縮機12內(nèi)被壓縮，所述壓縮機12可以是帶冷凝物移除的中間冷卻、整體式齒輪壓縮機。得到的被壓縮輸入流14然后在預凈化單元16內(nèi)被凈化。 預凈化單元16是本領(lǐng)域已知的，其通常包含氧化鋁和/或分子篩的床，所述床根據(jù)溫度和 /或壓力擺動吸收循環(huán)來操作，在所述循環(huán)中較高沸點的雜質(zhì)被吸附。如本領(lǐng)域已知的，這種較高沸點的雜質(zhì)通常是二氧化碳、水蒸汽和烴。當一個床在操作時，另一床在再生?？墒褂闷渌に嚕缰苯咏佑|水冷、基于制冷的冷凍以及與冷凍水直接接觸和相分離。主熱交換器18與底部負載壓縮機12流連通。主熱交換器18配置成使得第一被壓縮流20在主熱交換器18內(nèi)被冷卻，且第二被壓縮流22在主熱交換器18內(nèi)被部分地冷卻。 第一被壓縮流20和第二被壓縮流22由被壓縮輸入流14構(gòu)成。在上述所討論的空氣的情形中，被壓縮流14由預凈化單元16來凈化。要理解的是，主熱交換器18雖然被圖示為單件單元但是實際上可以是兩個單元，其中分離的產(chǎn)品沸騰器被提供用于沸騰液態(tài)氧氣。此外，主熱交換器18在其暖端和冷端還可分流為多個節(jié)段。由此，本文以及權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語“主熱交換器”包括本領(lǐng)域已知的單件單元以及熱交換器系統(tǒng)?？墒褂勉~焊翅式鋁熱交換器。然而，還可使用本領(lǐng)域已知的其他可能設(shè)計。如將討論的，設(shè)備1被設(shè)計成產(chǎn)生加壓氧氣流，其將在主熱交換器內(nèi)被蒸發(fā)。由此，第一被壓縮流20和第二被壓縮流22通過將從預凈化單元16排出的被壓縮且凈化的輸入流17分離成第一部分30和其余部分32而形成。被壓縮流17的第一部分30由增壓器壓縮機36壓縮。在通過后冷卻器38移除壓縮熱量之后，得到的第二被壓縮流22以部分冷卻的狀態(tài)從主熱交換器18抽走，并且被引入到渦輪膨脹機M中以產(chǎn)生空氣分離設(shè)備1的制冷需求的主要部分。然而，在本發(fā)明的這具體應用中，其控制系統(tǒng)不是施加到渦輪膨脹機M 而是施加到要被討論的液體渦輪膨脹機200，所述液體渦輪膨脹機供應附加的制冷。在所示實施例中，渦輪膨脹機M被聯(lián)接到增壓器壓縮機34。存在用于空氣分離設(shè)備的工藝循環(huán)， 其中膨脹要被引入到蒸餾塔中的氣體的渦輪膨脹機被連接到發(fā)電機以產(chǎn)生電力，且本發(fā)明可應用到這種膨脹機。被壓縮輸入流17的第二部分32被產(chǎn)品沸騰器壓縮機34壓縮，所述產(chǎn)品沸騰器壓縮機同樣可以是整體式齒輪壓縮機，在各個級之間具有冷凝物移除。蒸餾塔系統(tǒng)觀具有高壓塔M和低壓塔56。高壓塔M配置有質(zhì)量傳遞接觸元件 58和60，低壓塔56配置有質(zhì)量傳遞接觸元件62、64、66和68。高壓塔M和低壓塔56被如此命名的原因在于，高壓塔M以比低壓塔56高的壓力操作。質(zhì)量傳遞接觸元件58至68優(yōu)選地可以是結(jié)構(gòu)化填料或其他已知元件，例如堆填料(dump packing)或篩托盤或其組合。 然而在這兩種塔中，被包含在輸入流10中混合物的液相和氣相在這種元件內(nèi)接觸，且產(chǎn)生上升的氣相，其越來越富含氮氣；而液相下降，其變得越來越富含氧氣。在所示實施例中，渦輪機排出流26被引入到高壓塔M的底部，以開始形成上升的氣相。第一被壓縮流20具有比高壓塔M和低壓塔56中任一個高得多的壓力并且在經(jīng)過主熱交換器18之后被過冷，所述第一被壓縮流20借由液體渦輪膨脹機200膨脹至高壓塔壓力，液體渦輪膨脹機200被聯(lián)接到可變速度發(fā)電機202，可變速度發(fā)電機202由將在下文更詳細地討論的控制系統(tǒng)204控制并且根據(jù)本發(fā)明被控制。得到的排出流21被用于作為借由膨脹閥70膨脹至高壓塔M的壓力的液體流而給予制冷，并且被分離為被引入到高壓塔M中并被精餾的第一部分72以及在膨脹閥76中再次膨脹至適于引入到低壓塔56中的壓力的第二部分74，在低壓塔56中，這種流也被精餾。要注意的是，存在這樣的設(shè)備設(shè)計，其中所有的液態(tài)空氣膨脹并且被引入到高壓塔或低壓塔中。在高壓塔M內(nèi)，蒸餾產(chǎn)生粗液態(tài)氧塔底物78。粗液態(tài)氧塔底物78的流80在膨脹閥82中膨脹并接著被引入到低壓塔56中，用于進一步提煉。在低壓塔56內(nèi)，富含氧氣的液體84作為塔底物被收集。此外，在高壓塔M的頂部部分處，富含氮氣的蒸汽86聚集。 高壓塔M和低壓塔56借由冷凝器再沸器88被鏈接。被收集在高壓塔M內(nèi)的富含氮氣的蒸汽流90被引入到冷凝器再沸器88，以產(chǎn)生富含氮氣的液體流92。富含氮氣的流體流92 的一部分94被至少部分地引入到低壓塔56的頂部作為回流，以開始形成下降液相。類似地，富含氮氣的液體流92的其他部分96被引入到高壓塔M的頂部中，以開始形成下降液相。富含氧氣的液體流98從低壓塔56的底部抽走并且包括不通過冷凝器再沸器88 蒸發(fā)的殘留富含氧氣的液體。該富含氧氣的液體流由泵100泵送，以產(chǎn)生被泵送液態(tài)氧氣流102。被泵送液態(tài)氧氣流102的部分104形成液態(tài)氧氣產(chǎn)品流。殘留部分106在主熱交換器18內(nèi)蒸發(fā)以產(chǎn)生氣態(tài)氧氣產(chǎn)品流108。蒸發(fā)通過在產(chǎn)品沸騰器壓縮機34內(nèi)被再壓縮的被壓縮輸入流17的殘留部分32來完成。由此，第一被壓縮流20將通過這種蒸發(fā)被液化。富含氮氣的液體流的一個部分94傳送通過過冷單元110，且其一個部分112還可被用作液態(tài)產(chǎn)品以及其余部分114可被引入到低壓塔68的頂部中作為回流。過冷通過將氣態(tài)氮氣產(chǎn)品流116和廢棄氮氣流118傳送成與富含氮氣的液體流92的一個部分94間接熱交換來完成。這產(chǎn)生了被暖熱的氣態(tài)氮氣流120和完全暖熱的廢棄氮氣流122。如上所指出的，本發(fā)明應用于與液體渦輪膨脹機200連接的空氣分離設(shè)備1。液體渦輪膨脹機200是具有入口導向葉片的離心式膨脹機，所述入口導向葉片在本領(lǐng)域也已知為噴嘴并且能夠被選擇性地定位。雖然不構(gòu)成本發(fā)明的一部分，但是噴嘴可設(shè)置成控制通過渦輪機的流率，因為這種流率影響在空氣分離設(shè)備的主熱交換器中或在液化器中液體渦輪機的液化器熱交換器中的液體高度。例如，由于熱交換器位于液體渦輪機的上游，如果噴嘴被打開的話，更多的流被允許流出熱交換器，從而降低熱交換器中的液體高度。如果噴嘴被關(guān)閉的話，產(chǎn)生相反的情況。重要的是控制熱交換器中的液體高度，因為該液體高度影響與該液體渦輪機流體流正進行熱交換的其他工藝流的溫度。這可自動進行或者通過反饋控制來進行。如在任何類型旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的液體渦輪膨脹機200具有這樣的效率，所述效率涉及功率能夠被傳輸?shù)捷敵鲚S或連接到其葉輪的其他裝置的程度，假定流的總能量用作液體渦輪膨脹機200的輸入減去其排出流21的能量。參考圖2，這種效率能夠以圖形形式繪制并呈現(xiàn)。在該圖形中，"Ds”是無量綱的特定參數(shù)并且等于渦輪機的實際直徑與通過液體渦輪膨脹機200的流的升高至1/4功率的焓降的乘積除以體積流量的平方根?！癗s”是特定速度且同樣是無量綱因素，其等于液體渦輪膨脹機200的葉輪的實際速度與通過液體渦輪膨脹機200的體積流量的平方根的乘積再除以升高到1/4功率的焓損失。實線是液體渦輪膨脹機200的等熵效率的效率線。每條實線約束朝向圖形中心移動而逐漸增加的效率的區(qū)域。 虛線是恒定U/C。的線。U/C。由下述方程給出U/C。= (pi χ N χ D) / (2 ΧΔ10°_5;其中， "pi" =3. 14等，“N”是例如液體渦輪膨脹機200的葉輪的速度，“D”是用于液體渦輪膨脹機 200的葉輪的直徑；“ Ah”是在進入到液體渦輪膨脹機200中時第一被壓縮流20與在從液體渦輪膨脹機200排出時排出流21之間測量的焓降。顯而易見的是，如果虛線“A”被選擇用于液體渦輪膨脹機200的操作，那么這條操作線將總是包含液體渦輪膨脹機200的最大等熵效率。由此，虛線“A”具有被選擇成中心地貫通優(yōu)化效率區(qū)域或換句話說特定速度的最大范圍的最內(nèi)效率線的優(yōu)化值。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)電機202的速度通過電磁制動發(fā)電機202 的轉(zhuǎn)子被控制繼而控制液體渦輪膨脹機200的速度，使得U/C0在第一被壓縮流20和排出流 21的流的變化狀況下總是迫近到效率值或0.75。這通過求解速度“N”的前述方程來完成，且這種速度被體現(xiàn)在發(fā)電機控制器(將要被討論)的操作上，所述發(fā)電機控制器結(jié)合發(fā)電機 202使用并且規(guī)定設(shè)置發(fā)電機202的速度設(shè)置點。參考圖3，描述了控制系統(tǒng)204?？刂葡到y(tǒng)204結(jié)合輔助控制器206，其使用算法以基于表示根據(jù)如圖2所示的渦輪膨脹機性能的圖形的最大操作效率的U/C。的預設(shè)值來計算速度“N”，在圖2中，液體渦輪膨脹機200的期望操作速度“N”基于((U/CJ* (2 xAh)0'5 )/ (pi X D)來計算。表示第一被壓縮流20與排出流21之間的焓降的，術(shù)語“Ah”通過分別由流量轉(zhuǎn)換器208、壓力轉(zhuǎn)換器210和溫度轉(zhuǎn)換器212測量在液體渦輪膨脹機200上游的第一被壓縮流20的流量、壓力和溫度來計算。與流量、壓力和溫度相關(guān)的可以是數(shù)字形式的信號被輸入到輔助控制器206中，如數(shù)據(jù)傳輸線路214、216和218所示的。在液體渦輪膨脹機200的下游，排出流21的壓力和溫度分別由壓力轉(zhuǎn)換器220和溫度轉(zhuǎn)換器222 來測量。與這種壓力和溫度相關(guān)的信號也通過數(shù)據(jù)傳輸線路2M和2 輸入到輔助控制器 206中。被輸入到輔助控制器中的數(shù)據(jù)然后被施加到焓數(shù)據(jù)庫中，所述焓數(shù)據(jù)庫被預編程到輔助控制器206中，且從第一被壓縮流20的入口焓減去排出流21的出口焓以確定“ Ah”。 然后，輔助控制器通過上述方程來計算速度，計算U/C。以及被編程到輔助控制器206中的 “D”。在此要注意的是，雖然這是常規(guī)的且不是本發(fā)明的一部分，但是來自于壓力轉(zhuǎn)換器220 的信號借由數(shù)據(jù)傳輸線路2 被傳輸?shù)骄哂杏糜诒硥洪y232的壓力的設(shè)置點“SP”的比例、 積分和微分控制器230?？刂破?30對壓力轉(zhuǎn)換器220測量的壓力作出反應至背壓液體渦輪膨脹機220，且因此設(shè)置排出流21的壓力。能夠理解的是，輔助控制器206可以是個人計算機或類似裝置，其被編程以實施上述計算。與輔助控制器206所計算的速度相關(guān)的輸出信號234被輸入到發(fā)電機202的變頻驅(qū)動器236 (VFD)，作為發(fā)電機202的速度設(shè)置點。然后，用作發(fā)電機202的速度控制器的變頻驅(qū)動器236用輔助控制器206所計算的當前設(shè)置點或速度來更新并且到液體渦輪膨脹機200的速度低于或高于這種設(shè)置點的程度，發(fā)電機202將通過分別更小程度或更大程度的電磁制動來制動發(fā)電機202的轉(zhuǎn)子以及因此制動液體渦輪膨脹機200的葉輪。參考圖4，描述了在液體渦輪膨脹機200的葉輪201與發(fā)電機202的轉(zhuǎn)子238之間的連接。發(fā)電機202優(yōu)選地是具有磁推軸承的永磁電機。這樣的重要性在于，無油軸承防止由于否則會出現(xiàn)在油潤滑軸承中的熱耗散引起的不可逆的損失。發(fā)電機202結(jié)合上述變頻驅(qū)動器236，在所述變頻驅(qū)動器中可設(shè)置速度的設(shè)置點；所述速度的設(shè)置點根據(jù)本發(fā)明是輔助控制器206所計算的速度。當用作發(fā)電機時，可變速度驅(qū)動器236還具有另一功能， 即將功率輸出的電壓和頻率保持在預設(shè)水平。由此，變頻驅(qū)動器236包括用于將可變速度發(fā)電機匹配到固定頻率公共電網(wǎng)的三個基本部件整流器部段、DC鏈路和逆變器部段。通過修改驅(qū)動器的逆變器部段中的切換模式，從DC鏈路至公共電網(wǎng)的功率流級別被控制，使得輸出電壓和頻率可保持在將功率供應給電網(wǎng)所必要的級別。由此，電壓可被保持稍微高于電網(wǎng)級別，且頻率被保持在等于電網(wǎng)的線路頻率(例如，60赫茲)的級別。通過控制功率流，通過DC鏈路和發(fā)電機定子繞組中的電流被控制，繼而控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子施加到渦輪膨脹機的反轉(zhuǎn)扭矩以及因此轉(zhuǎn)子的速度。因而，通過機械速度和扭矩至電功率的可變有效轉(zhuǎn)換， 控制了液體渦輪膨脹機200的速度。葉輪201借由螺紋連接螺栓240和鎖定螺母M2附連到轉(zhuǎn)子238。諸如HIRTH聯(lián)接件的剛性聯(lián)接件244使得軸向組件對于轉(zhuǎn)子不平衡的貢獻最小化。
轉(zhuǎn)子238容納永磁體M4，由于轉(zhuǎn)子238的旋轉(zhuǎn)，永磁體244產(chǎn)生在圍繞轉(zhuǎn)子238 的固定定子組件246內(nèi)的電流。以上述方式描繪的可變速度驅(qū)動器236產(chǎn)生電氣輸出M8， 所述電氣輸出248來自于在以上述方式描繪的固定定子組件M6內(nèi)感應的電流。轉(zhuǎn)子238由磁推軸承支承，所述磁推軸承包括在軸向方向上的推力軸承250和252 以及在徑向方向上的徑向軸承2M和256。軸位移傳感器258、260和262測量轉(zhuǎn)子238的運動。輸出信號分別通過電氣連接沈4、266和268從軸位移傳感器258、260和262傳輸， 所述輸出信號被傳輸?shù)綌?shù)字控制器270以計算在功率放大器272中產(chǎn)生的輸出電流，所述輸出電流分別通過電氣連接274和276被施加到推力軸承250和252以及分別通過電氣連接278和280被施加到徑向軸承2M和256。因此，輸出電流的幅值由數(shù)字控制器270改變，以保持轉(zhuǎn)子238處于穩(wěn)定的徑向和軸向取向以及具有最小的位移。在功率故障的情況下，次機械軸承282和284支承轉(zhuǎn)子238。除了前述之外，干表面密封件觀6防止液態(tài)空氣泄漏到軸承以及上述討論的定子組件對6。干表面密封件286是常規(guī)的，來自于管線288的高壓氣體以及來自于管線四0的低壓氣體被供應到干表面密封件觀6。高壓密封氣體以相比于第一被壓縮空氣流20的入口壓力高的壓力被供應給液體渦輪膨脹機200，以防止液態(tài)空氣泄漏。低壓密封氣體處于較低壓力并且用于確保泄漏到轉(zhuǎn)子238和定子組件246的任何密封氣體處于低壓。發(fā)電機202和變頻驅(qū)動器236可從不同制造商獲得。然而要注意的是，本發(fā)明還可應用于交流感應發(fā)電機或者可被用作發(fā)電機的任何其他類型的電機。在交流感應發(fā)電機的情形中，可通過齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)至渦輪膨脹機的聯(lián)接。在這種情形中，可使用已知的電路以實現(xiàn)電磁制動以及控制電壓和頻率保持在電網(wǎng)的線路匹配級別。然而，這可能不利的是，在這種發(fā)電機中可存在固有的功率損失以及在結(jié)合這種發(fā)電機使用的傳動機構(gòu)中可存在熱機械損失。雖然本發(fā)明已經(jīng)參考優(yōu)選實施例被描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到的是，在不偏離由所附權(quán)利要求書闡述的本發(fā)明范圍的前提下可作出各種變化、添加和省除。
權(quán)利要求
1.一種在以低于環(huán)境溫度操作的工藝中產(chǎn)生制冷的方法，所述方法包括 壓縮用于該工藝中的工藝流以產(chǎn)生被壓縮工藝流；在具有葉輪的渦輪膨脹機內(nèi)膨脹被壓縮工藝流，以藉此產(chǎn)生排出流，所述葉輪由工藝流通過做功被驅(qū)動；所述渦輪膨脹機被設(shè)計成以等于u/c0的優(yōu)化值的操作效率參數(shù)來操作； 將排出流引入到該工藝中以在該工藝中給予制冷；通過具有轉(zhuǎn)子的發(fā)電機來產(chǎn)生電功率，所述轉(zhuǎn)子聯(lián)接到葉輪，使得發(fā)電機通過膨脹做功被驅(qū)動；通過電磁制動轉(zhuǎn)子來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度且因此控制渦輪膨脹機速度，使得所述速度保持在設(shè)置點并且發(fā)電機的電流輸出隨著轉(zhuǎn)子速度的減少而增加以及隨著轉(zhuǎn)子速度的增加而減少；控制發(fā)電機所產(chǎn)生的電功率的電壓和頻率，以便保持在線路匹配級別，且發(fā)電機所產(chǎn)生的電功率可在線路匹配級別下被引入到本地電網(wǎng)中；以及通過設(shè)置設(shè)置點等于操作效率參數(shù)與被壓縮工藝流在進入渦輪膨脹機中時的焓與排出流在從渦輪膨脹機排出時的焓之間的差的兩倍的平方根的乘積再除以Pi和葉輪直徑的乘積，持續(xù)地確定轉(zhuǎn)子速度以及因此渦輪膨脹機速度的設(shè)置點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，發(fā)電機是永磁體發(fā)電機，其直接聯(lián)接到葉輪，且發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度和電功率由變頻驅(qū)動器控制，所述變頻驅(qū)動器用于具有設(shè)置點的輸入的永磁體發(fā)電機。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，被壓縮工藝流和排出流焓之間的差通過下述來確定基于被壓縮工藝流的壓力和溫度提供被壓縮工藝流的焓數(shù)據(jù)； 測量被壓縮工藝流的流率；測量被壓縮工藝流的工藝流溫度和壓力以及從焓數(shù)據(jù)、流率以及被壓縮工藝流的溫度和壓力來確定入口焓；測量排出流的排出流溫度和壓力以及從焓數(shù)據(jù)、流率、排出流溫度和壓力來確定排出流的出口焓；以及從入口焓減去出口焓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中通過流量傳感器來測量流率，所述流量轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與該流率相關(guān)的流率信號； 通過溫度傳感器和壓力轉(zhuǎn)換器來測量被壓縮工藝流的溫度和壓力以及排出流的溫度和壓力，所述溫度傳感器和壓力轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與被壓縮工藝流的溫度和壓力以及排出流的溫度和壓力相關(guān)的溫度和壓力信號；輔助控制器，響應于流率信號、溫度和壓力信號并且在數(shù)據(jù)庫中預編程有焓數(shù)據(jù)，所述輔助控制器配置成確定入口焓、出口焓、工藝入口流和排出流的焓之間的差、所述差兩倍的平方根、將所述平方根除以Pi和葉輪直徑以計算轉(zhuǎn)子速度的設(shè)置點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其中 該工藝是低溫空氣分離設(shè)備；工藝流包括被壓縮且凈化的空氣；工藝流在增壓器壓縮機中被壓縮以產(chǎn)生被壓縮工藝流； 被壓縮工藝流在空氣分離設(shè)備的主熱交換器內(nèi)被至少部分地冷卻； 被壓縮工藝流在被至少部分地冷卻之后被引入到渦輪膨脹機中；以及通過將排出流引入到用于低溫空氣分離設(shè)備的高壓塔和低壓塔的至少一個中來將制冷給予到該工藝中，以將空氣蒸餾為富含氧氣組分和富含氮氣組分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，被壓縮且凈化的空氣在主熱交換器內(nèi)被冷卻，且排出流處于液態(tài)。
7.一種制冷產(chǎn)生系統(tǒng)，所述制冷產(chǎn)生系統(tǒng)用于以低于環(huán)境溫度操作的設(shè)備中，所述制冷產(chǎn)生系統(tǒng)包括具有葉輪的渦輪膨脹機，所述葉輪由在所述設(shè)備內(nèi)壓縮的工藝流驅(qū)動，使得被壓縮工藝流通過做功膨脹，且藉此通過渦輪膨脹機產(chǎn)生排出流；所述渦輪膨脹機被設(shè)計成以等于UZC0的優(yōu)化值的操作效率參數(shù)來操作； 所述渦輪膨脹機被連接到所述設(shè)備，使得工藝流被引入到渦輪膨脹機中且排出流被引入到所述設(shè)備中以向所述設(shè)備給予制冷；發(fā)電機，所述發(fā)電機產(chǎn)生電功率，所述發(fā)電機具有聯(lián)接到葉輪的轉(zhuǎn)子，使得發(fā)電機由膨脹功來驅(qū)動；發(fā)電機控制器，所述發(fā)電機控制器連接到所述發(fā)電機并且配置成通過電磁制動轉(zhuǎn)子來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度且因此控制渦輪膨脹機速度，使得所述速度保持在設(shè)置點并且發(fā)電機的電流輸出隨著轉(zhuǎn)子速度減少而增加以及隨著轉(zhuǎn)子速度增加而減少，以及控制發(fā)電機所產(chǎn)生的電功率的電壓和頻率，使得電壓和頻率被保持在線路匹配級別，以使得發(fā)電機所產(chǎn)生的電功率以線路匹配級別被引入到本地電網(wǎng)中；流量轉(zhuǎn)換器，所述流量轉(zhuǎn)換器設(shè)置在渦輪膨脹機的上游以便產(chǎn)生與被壓縮工藝流的流率相關(guān)的流率信號；上游的一對溫度傳感器和壓力轉(zhuǎn)換器，所述溫度傳感器和壓力轉(zhuǎn)換器設(shè)置在渦輪膨脹機的上游以便產(chǎn)生與工藝流溫度和工藝流壓力相關(guān)的工藝流溫度和壓力信號；下游的一對溫度和壓力轉(zhuǎn)換器，所述溫度和壓力轉(zhuǎn)換器設(shè)置在渦輪膨脹機的下游以便產(chǎn)生與排出流溫度和排出流壓力相關(guān)的排出流溫度和壓力信號；以及輔助控制器，所述輔助控制器被連接到發(fā)電機控制器，所述輔助控制器響應于流率信號、工藝流和排出流溫度和壓力信號并且在數(shù)據(jù)庫中包含工藝流的焓數(shù)據(jù)；所述輔助控制器被編程以通過應用流率、工藝流溫度和壓力以及排出流溫度和壓力至焓數(shù)據(jù)來持續(xù)地確定被壓縮工藝流的入口焓以及排出工藝流的排出流焓；計算入口焓和出口焓之間的差的兩倍及其平方根，以及通過將渦輪膨脹機的操作效率參數(shù)乘以所述平方根以及將所述乘積除以Pi和葉輪直徑的乘積來計算轉(zhuǎn)子速度的設(shè)置點。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制冷產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，發(fā)電機是直接聯(lián)接到葉輪的永磁發(fā)電機，且發(fā)電機控制器是用于永磁體發(fā)電機的變頻驅(qū)動器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的制冷產(chǎn)生系統(tǒng)，其中 所述設(shè)備是低溫空氣分離設(shè)備；工藝流包括被壓縮且凈化的空氣；工藝流在增壓器壓縮機中被壓縮以產(chǎn)生被壓縮工藝流；被壓縮工藝流在空氣分離設(shè)備的主熱交換器內(nèi)被至少部分地冷卻； 被壓縮工藝流在被至少部分地冷卻之后被引入到渦輪膨脹機中；以及通過將排出流引入到用于低溫空氣分離設(shè)備的高壓塔和低壓塔的至少一個中來將制冷給予到該設(shè)備中，以將空氣蒸餾為富含氧氣組分和富含氮氣組分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制冷產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，被壓縮且凈化的空氣在主熱交換器內(nèi)被冷卻，且排出流處于液態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供用于在以低于環(huán)境溫度操作的工藝中產(chǎn)生制冷的方法和設(shè)備，其中制冷通過渦輪膨脹機產(chǎn)生。渦輪膨脹機被聯(lián)接到發(fā)電機，所述發(fā)電機被控制使得其速度通過電磁制動保持在設(shè)置點并且其功率輸出保持在線路匹配電壓和頻率。因此，發(fā)電機的速度控制還控制渦輪膨脹機的速度。設(shè)置點被計算為等于操作效率參數(shù)U/Co與傳送通過渦輪膨脹機的流中的焓降的兩倍的平方根的乘積除以pi與用于渦輪膨脹機中的葉輪直徑的乘積。
文檔編號F25J3/04GK102405391SQ201080014597
公開日2012年4月4日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者T. 奧康諾爾 G., J. 勞奇 J., J. 斯坦科 M., 欽塔 M., L. 貝克 R. 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司