專利名稱：在壓縮機(jī)入口使用可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片的渦輪膨脹機(jī)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開(kāi)的主題的實(shí)施例大體而言涉及在壓縮機(jī)入口處使用可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)的增強(qiáng)的運(yùn)行的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
渦輪膨脹機(jī)廣泛地用于工業(yè)制冷、油和氣體處理以及低溫過(guò)程中。渦輪膨脹機(jī)例如用來(lái)從天然氣提取較重的烴類氣體，諸如統(tǒng)稱作天然氣液體(NGL)的乙烷(C2H6)、丙烷 (C3H8)、正丁烷(Ii-C4Hltl)、異丁烷G-C4Hltl)、戊烷以及甚至更高分子量的烴類。由膨脹機(jī)中的原料氣體膨脹所產(chǎn)生的氣-液混合物通常被分成氣體流和液體流。大部分天然氣液體通過(guò)將液體流獨(dú)立于剩余氣體流輸出而移除，之后剩余氣體流通常被壓縮以發(fā)送到下游使用者ο圖1示出了常規(guī)渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)100，其中渦輪膨脹機(jī)10和壓縮機(jī)20具有布置于同一軸30上的葉輪。渦輪膨脹機(jī)10典型地為離心或軸向流動(dòng)膨脹機(jī)，進(jìn)氣40在其中膨脹。氣體膨脹產(chǎn)出機(jī)械功，引起膨脹機(jī)葉輪50旋轉(zhuǎn)。膨脹的氣體作為氣流60輸出。 從渦輪膨脹機(jī)10輸出的氣流60可輸入到壓縮機(jī)20 (即氣流70)中。在具有壓力P1和溫度T1的進(jìn)氣40在進(jìn)入渦輪膨脹機(jī)10時(shí)膨脹(為了計(jì)算的目的可使用等熵膨脹)之后，氣流60具有分別低于壓力P1和溫度T1的壓力P2和溫度T2。由于壓縮機(jī)葉輪80與膨脹機(jī)葉輪50安裝在相同的軸30上，膨脹機(jī)葉輪50的旋轉(zhuǎn)引起壓縮機(jī)葉輪80旋轉(zhuǎn)。以此方式，在渦輪膨脹機(jī)10中產(chǎn)出的機(jī)械功轉(zhuǎn)移到壓縮機(jī)20。 膨脹機(jī)葉輪50、壓縮機(jī)葉輪80和軸30以相同速度旋轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)葉輪80的旋轉(zhuǎn)能量在壓縮機(jī)20中用于壓縮該壓縮機(jī)20中的以壓力P3輸入的氣流70。壓縮機(jī)20輸出具有高于壓力 P3的壓力P4的輸出氣流90。進(jìn)入渦輪膨脹機(jī)10的進(jìn)氣40的壓力通常受到控制以維持在設(shè)計(jì)值附近。例如， 一組標(biāo)準(zhǔn)的可動(dòng)輸入引導(dǎo)葉片(在圖1中未示出)可用于控制進(jìn)入渦輪膨脹機(jī)10的進(jìn)氣 40的壓力。理想地，在設(shè)計(jì)條件下，進(jìn)氣40的壓力P1和從渦輪膨脹機(jī)10輸出的氣流60的壓力P2具有預(yù)定值(即在預(yù)定值附近的范圍內(nèi))。當(dāng)壓力P1和P2具有預(yù)定值時(shí)，軸速度U接近設(shè)計(jì)值。但是，渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)有時(shí)在不同于設(shè)計(jì)條件的條件下運(yùn)行。一般而言，渦輪膨脹機(jī)效率與(i)軸的速度U和(ii)越過(guò)渦輪膨脹機(jī)10的等熵焓降的比值有關(guān)。但是，發(fā)生于渦輪膨脹機(jī)10中的為實(shí)際轉(zhuǎn)化。當(dāng)已知?dú)怏w組成、進(jìn)氣40 的壓力P1和溫度T1,以及從渦輪膨脹機(jī)10輸出的氣流60的壓力P2和溫度T2時(shí)該實(shí)際轉(zhuǎn)化確定。已知?dú)怏w組成、壓力P1、溫度T1和壓力P2，可計(jì)算出越過(guò)渦輪膨脹機(jī)10的等熵焓降。在壓縮機(jī)20中的壓縮通過(guò)改變軸30的速度u而消極地影響渦輪膨脹機(jī)效率。因此，在非設(shè)計(jì)條件下，當(dāng)調(diào)節(jié)單個(gè)參數(shù)(進(jìn)氣40的壓力P1)時(shí)，渦輪膨脹機(jī)效率并未得到優(yōu)化。只能夠調(diào)節(jié)進(jìn)氣40的壓力P1限制了操作者優(yōu)化渦輪膨脹機(jī)效率的能力。
如果不使用額外能源，壓縮為膨脹機(jī)10中的膨脹的副產(chǎn)物。壓縮效率由輸入到壓縮機(jī)20中的氣體的壓力P3和壓縮機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度(其與軸30的旋轉(zhuǎn)速度u相同)來(lái)確定。在只能調(diào)節(jié)進(jìn)氣40的壓力P1的常規(guī)渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)中，操作者沒(méi)有在非設(shè)計(jì)條件下充分控制軸30的旋轉(zhuǎn)速度u的手段。因此，提供避免上述問(wèn)題和缺陷的系統(tǒng)和方法將會(huì)是合乎需要的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一示范性實(shí)施例，一種渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)包括膨脹機(jī)、第一組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片、壓縮機(jī)、軸、第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片，以及控制器。該膨脹機(jī)被構(gòu)造成使進(jìn)氣膨脹且具有膨脹機(jī)葉輪。第一組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片附連到膨脹機(jī)上且被構(gòu)造成控制進(jìn)氣的壓力。壓縮機(jī)被構(gòu)造成壓縮從膨脹機(jī)接收的氣體且具有壓縮機(jī)葉輪。軸被構(gòu)造成支承并旋轉(zhuǎn)膨脹機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪。第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片附連到壓縮機(jī)上且被構(gòu)造成控制輸入到壓縮機(jī)內(nèi)的氣體的壓力。連接到第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片的控制器被構(gòu)造成獲得關(guān)于軸的旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)氣的壓力和溫度以及由膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力和溫度的信息。該控制器還被構(gòu)造成控制第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片以調(diào)節(jié)輸入到壓縮機(jī)內(nèi)的氣體的壓力，以在非設(shè)計(jì)條件下使得軸的旋轉(zhuǎn)速度與越過(guò)膨脹機(jī)的焓降之間的比值最大化。根據(jù)另一示范性實(shí)施例，提供了一種控制渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的方法，該渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)具有帶膨脹機(jī)葉輪的膨脹機(jī)，膨脹機(jī)葉輪經(jīng)由軸連接到壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪，壓縮機(jī)壓縮由膨脹機(jī)輸出的氣流。該方法包括接收關(guān)于進(jìn)入膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力和溫度的第一信息，接收關(guān)于由膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力的第二信息，以及接收關(guān)于附連到壓縮機(jī)葉輪和膨脹機(jī)葉輪的軸的旋轉(zhuǎn)速度的第三信息。該方法還包括基于所接收的第一信息、第二信息和第三信息來(lái)判斷渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)何時(shí)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行。該方法還包括當(dāng)判斷出渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行時(shí)，將軸的旋轉(zhuǎn)速度與越過(guò)膨脹機(jī)的焓降之間的比值與預(yù)定值進(jìn)行比較。該方法還包括控制連接到壓縮機(jī)入口的壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組以調(diào)節(jié)輸入到壓縮機(jī)中的氣體的壓力，使得在非設(shè)計(jì)條件下的軸的旋轉(zhuǎn)速度與越過(guò)膨脹機(jī)的焓降之間的比值更接近預(yù)定值。根據(jù)另一實(shí)施例，被構(gòu)造成控制渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的控制器具有接口和控制單元。渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)具有帶膨脹機(jī)葉輪的膨脹機(jī)和帶壓縮機(jī)葉輪的壓縮機(jī)， 該膨脹機(jī)葉輪和該壓縮機(jī)葉輪由同一軸旋轉(zhuǎn)，且該壓縮機(jī)壓縮由膨脹機(jī)輸出的氣體。該接口被構(gòu)造成接收關(guān)于進(jìn)入膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力和溫度、由該膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力和溫度以及軸的旋轉(zhuǎn)速度的信息，且向構(gòu)造成控制輸入到壓縮機(jī)中的氣體的壓力的壓縮機(jī)入口葉片組輸出命令。該控制單元連接到接口且被構(gòu)造成從該接口接收信息，判斷渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)何時(shí)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行，以及產(chǎn)生用于壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組的命令，以便在非設(shè)計(jì)條件下將軸的旋轉(zhuǎn)速度與越過(guò)膨脹機(jī)的焓降之間的比值維持在預(yù)定范圍內(nèi)。


結(jié)合于本申請(qǐng)文件中并構(gòu)成其一部分的附圖示出了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例且與本描述一起解釋了這些實(shí)施例。在附圖中圖1是常規(guī)渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)一示范性實(shí)施例的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的示意圖；圖3是根據(jù)另一示范性實(shí)施例的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)；圖4是根據(jù)另一示范性實(shí)施例的控制渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的方法的流程圖；圖5是根據(jù)另一示范性實(shí)施例的控制渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的方法的流程圖； 以及圖6是根據(jù)另一示范性實(shí)施例的控制器。
具體實(shí)施例方式下文的示范性實(shí)施例的描述參考了附圖。在不同附圖中的相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同或相似的元件。下文的詳細(xì)描述并不限制本發(fā)明。而是本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，關(guān)于渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)和結(jié)構(gòu)來(lái)討論下面的實(shí)施例。但是，緊接著討論的實(shí)施例并不限于這些系統(tǒng)，而是可應(yīng)用于將膨脹機(jī)所產(chǎn)生的功轉(zhuǎn)移到壓縮由膨脹機(jī)輸出的氣體的壓縮機(jī)的其它系統(tǒng)中。貫穿了申請(qǐng)文件的對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”的參照表示結(jié)合了一個(gè)實(shí)施例而描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在所公開(kāi)的本主題的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在貫穿申請(qǐng)文件的多個(gè)位置中，措詞“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”的出現(xiàn)未必指向相同的實(shí)施例。另外，具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性可在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中以任何合適的方式組合。圖2是根據(jù)一示范性實(shí)施例的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)200的示意圖。膨脹機(jī) 210具有膨脹機(jī)葉輪212。膨脹機(jī)210接收進(jìn)氣流214。在膨脹機(jī)210內(nèi)，氣體可膨脹且因此引起膨脹機(jī)葉輪212旋轉(zhuǎn)。膨脹的氣體作為氣流216從膨脹機(jī)210輸出。當(dāng)渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)200以設(shè)計(jì)條件運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣流214的壓力P1和溫度T1,以及氣流216的壓力P2和溫度T2具有接近預(yù)定值的值。但是，渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)有時(shí)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)非設(shè)計(jì)條件時(shí)，可使用例如第一組可動(dòng)輸入引導(dǎo)葉片 (IGVl) 218將進(jìn)氣流214的壓力P1調(diào)節(jié)為再次變得接近相應(yīng)的預(yù)定值。IGVl 218附連到膨脹機(jī)210的入口。如果進(jìn)氣流214為包括較重?zé)N類氣體的氣體混合物，則大部分較重?zé)N類氣體在由于膨脹而實(shí)現(xiàn)的較低溫度處液化。在一種應(yīng)用中，液化的較重?zé)N類氣體可作為獨(dú)立的液體流由分離器(S印)220從膨脹機(jī)210中移除。在圖2所示的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)200中，壓縮機(jī)2 具有壓縮機(jī)葉輪226。 壓縮機(jī)2M從膨脹機(jī)210接收氣流216且輸出壓縮的氣流228。但是，在膨脹機(jī)210與壓縮機(jī)2M之間，氣流216的壓力可由于其它過(guò)程構(gòu)件(例如分離器、冷卻器、閥)和壓力損失而改變，氣流216在輸入到壓縮機(jī)224中時(shí)具有壓力p3。由于氣體膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械功使得膨脹機(jī)葉輪212旋轉(zhuǎn)。膨脹機(jī)葉輪212與壓縮機(jī)葉輪2 安裝在相同的軸230上。由于這種布置，壓縮機(jī)葉輪226也由于在膨脹機(jī)210 中的氣體膨脹期間所產(chǎn)生的機(jī)械功而旋轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)葉輪226的旋轉(zhuǎn)提供用于在壓縮機(jī)224 中壓縮氣體的能量。因此，如果不使用額外能源，壓縮為膨脹機(jī)210中的膨脹的副產(chǎn)物。相反，旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)葉輪2 所必須的機(jī)械功(也被稱作負(fù)荷)影響軸230的旋轉(zhuǎn)速度u且由此間接地影響膨脹機(jī)210內(nèi)的氣體的膨脹過(guò)程。膨脹機(jī)效率和軸230的旋轉(zhuǎn)速度u與越過(guò)膨脹機(jī)210的焓降ΔΗ的比值相關(guān)。在膨脹機(jī)210中的氣體膨脹可近似為等熵過(guò)程。越過(guò)膨脹機(jī)的等熵焓降ΔΗ可作為(i)進(jìn)入膨脹機(jī)210的進(jìn)氣流214的壓力P1和溫度T1, (ii)從膨脹機(jī)210輸出的氣流216的壓力 P2，以及(iii)氣體組成的函數(shù)來(lái)估計(jì)。氣體組成可為恒定的、手動(dòng)輸入的或作為氣體組成分析儀的輸出而提供的。實(shí)際上，在膨脹機(jī)210中的氣體膨脹并非理想的等熵過(guò)程。越過(guò)膨脹機(jī)210的焓降Δ H可使用(i)進(jìn)入膨脹機(jī)210的進(jìn)氣214的壓力P1和溫度T1, (ii)從膨脹機(jī)210輸出的氣流216的壓力P2和溫度T2,以及(iii)氣體組成來(lái)計(jì)算。在膨脹機(jī)210中的氣體膨脹的特性參數(shù)(即Pl、I\、P2和T2)和軸230的旋轉(zhuǎn)速度 u可能并不獨(dú)立地變化。因此，在非設(shè)計(jì)條件下，為了使膨脹機(jī)效率最大化，可例如通過(guò)在壓縮機(jī)入口處提供的第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片(IGV2) 232來(lái)控制輸入到壓縮機(jī)2Μ中的氣流216的壓力P3。通過(guò)修改輸入到壓縮機(jī)224中的氣流216的壓力ρ3，修改了軸230的旋轉(zhuǎn)速度u且因此可使得膨脹機(jī)210中的膨脹機(jī)效率最大化。軸230的旋轉(zhuǎn)速度u可例如由速度傳感器(Su) 234在膨脹機(jī)210與壓縮機(jī)2 之間緊鄰軸230的位置處測(cè)量。進(jìn)入膨脹機(jī)210的進(jìn)氣流214的壓力P1和溫度T1可例如分別由傳感器(Spl) 235和傳感器(STl) 236來(lái)測(cè)量。氣流216的壓力P2和溫度T2可在膨脹機(jī)210的輸出處例如分別由傳感器(Sp2) 237 和傳感器(ST2)238來(lái)測(cè)量。在壓縮機(jī)224的輸入處的氣流216的壓力P3可例如由傳感器 (Sp3)239來(lái)測(cè)量?？刂破?40分別從傳感器234、235、236和237獲得關(guān)于進(jìn)入膨脹機(jī)210的進(jìn)氣流 214的壓力P1和溫度T1、進(jìn)入壓縮機(jī)224的氣流216的壓力p2，以及軸230的旋轉(zhuǎn)速度u的信息。在一實(shí)施例中，控制器240可發(fā)送命令C1到IGVl 218以便將進(jìn)氣流214的壓力 P1調(diào)節(jié)為在預(yù)定范圍內(nèi)。基于監(jiān)視所獲得的信息，控制器240判斷渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)200何時(shí)在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行。當(dāng)控制器240判斷出渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)200在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行時(shí)，控制器240發(fā)送命令C2到第二組IGV2232以調(diào)節(jié)輸入到壓縮機(jī)內(nèi)的氣體的壓力p3，以便使得在軸230的旋轉(zhuǎn)速度u與越過(guò)膨脹機(jī)210的焓降Δ H之間的比值R最大。圖3示出了渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)201的一示范性實(shí)施例，其具有安裝于同一軸230上的帶膨脹機(jī)葉輪212的膨脹機(jī)210和帶壓縮機(jī)葉輪226的壓縮機(jī)224。進(jìn)入膨脹機(jī)210的進(jìn)氣流214的壓力P1由可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片218組來(lái)調(diào)節(jié)。輸入到壓縮機(jī)224中的氣流的壓力P3由可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片232組來(lái)控制。膨脹機(jī)210、軸230和壓縮機(jī)2 裝入殼體250中。該殼體250將膨脹機(jī)210、軸230和壓縮機(jī)2M相對(duì)于彼此保持在預(yù)定位置處。根據(jù)一示范性實(shí)施例，圖4示出了由渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的方法400，該渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)具有帶膨脹機(jī)葉輪的膨脹機(jī)，該膨脹機(jī)葉輪經(jīng)由軸連接到壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪，壓縮機(jī)壓縮由膨脹機(jī)輸出的氣流。可由類似于圖2中的控制器MO的控制器來(lái)執(zhí)行的該方法包括在S410處接收關(guān)于進(jìn)入膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力P1和溫度T1的第一信息，在S420處接收關(guān)于由膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力P2和溫度T2的第二信息，以及在S430 處接收關(guān)于附連到壓縮機(jī)葉輪和膨脹機(jī)葉輪的軸的旋轉(zhuǎn)速度u的第三信息。關(guān)于進(jìn)入膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力P1和溫度T1的第一信息可基于在S405處例如由諸如圖2中的Spl 235和STl 236的傳感器測(cè)量壓力P1和溫度1\。關(guān)于由膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力P2和溫度T2的第二信息可基于在S415處測(cè)量壓力p2。壓力P2和溫度T2可在膨脹機(jī)210的出口處例如由諸如圖2中的Sp2 237和ST2 238的傳感器來(lái)測(cè)量。關(guān)于軸的旋轉(zhuǎn)速度u的第三信息可基于在S425處測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度U。旋轉(zhuǎn)速度u可在其中于膨脹機(jī)210 與壓縮機(jī)2 之間的、緊鄰軸230的位置處例如由諸如圖2中的Su 234的傳感器來(lái)測(cè)量。圖4所示的方法還包括在S440處判斷渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)何時(shí)在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行。如果判斷出渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)不在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行，該方法循環(huán)返回接收關(guān)于？和！^^彳川^巧^彳〗。)和u(S430)的信息，并判斷渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)是否在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行(S440)。如果判斷出渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行，該方法還包括在S450 處計(jì)算軸的旋轉(zhuǎn)速度u與越過(guò)膨脹機(jī)的焓降Δ H之間的比值R并且將其與預(yù)定值V進(jìn)行比較。焓降可在S445處作為Pl、1\、p2、T2和氣體組成的函數(shù)來(lái)計(jì)算。該方法還包括在S460處控制壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組以調(diào)節(jié)輸入到壓縮機(jī)內(nèi)的氣體的壓力P3，這樣來(lái)致使比值R更接近預(yù)定值V，該壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組連接到壓縮機(jī)入口，由膨脹機(jī)輸出的氣體通過(guò)該壓縮機(jī)入口進(jìn)入到該壓縮機(jī)內(nèi)。該方法還可包括調(diào)節(jié)膨脹機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組-諸如圖2中位于膨脹機(jī)的輸入處的IGV1，以將進(jìn)入膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力P1維持在預(yù)定范圍內(nèi)。當(dāng)進(jìn)氣是包括較重組分的混合物時(shí)，該方法還可包括例如由諸如圖2中的Sep 220的分離器從自膨脹機(jī)輸出且輸入到壓縮機(jī)內(nèi)的氣體中分離出在膨脹機(jī)中液化的較重組分。假定在膨脹機(jī)中的氣體膨脹為等熵過(guò)程，該方法可使用(i)進(jìn)氣的壓力P1和溫度 T1, (ii)從膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力P2以及(iii)氣體組成的函數(shù)來(lái)計(jì)算越過(guò)膨脹機(jī)的焓降。根據(jù)另一示范性實(shí)施例，圖5示出了控制渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的方法500，該渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)具有帶膨脹機(jī)葉輪的膨脹機(jī)，該膨脹機(jī)葉輪經(jīng)由軸連接到壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪，該壓縮機(jī)壓縮由膨脹機(jī)輸出的氣流。該方法包括在S510處接收關(guān)于進(jìn)入到膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力和溫度的第一信息， 在S520處接收關(guān)于由膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力的第二信息，以及在S530處接收關(guān)于附連到壓縮機(jī)葉輪和膨脹機(jī)葉輪的軸的旋轉(zhuǎn)速度的第三信息。該方法還包括在S540處基于所接收的第一信息、第二信息和第三信息來(lái)判斷渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)何時(shí)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行。該方法還包括在S550處當(dāng)判斷出渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行時(shí)， 比較軸的旋轉(zhuǎn)速度和越過(guò)膨脹機(jī)的焓降之間的比值與預(yù)定值。該方法還包括在S560處控制壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組以調(diào)節(jié)輸入到壓縮機(jī)中的氣體的壓力，這樣來(lái)致使該比值更接近預(yù)定值，壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組連接到壓縮機(jī)入口，由膨脹機(jī)輸出的氣體通過(guò)其而進(jìn)入到壓縮機(jī)中。
圖6示出了根據(jù)另一示范性實(shí)施例的控制器。該控制器600被構(gòu)造成控制諸如圖 2中的200的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)。該控制器可包括接口 610、控制單元620和存儲(chǔ)器 630。接口 610例如從諸如圖2中的Spl 235、STl 236、Sp2 237和Su 234的傳感器接收關(guān)于進(jìn)入膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力P1和溫度T1,由膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力p2，以及軸的旋轉(zhuǎn)速度U的信息。接口 610還可從諸如圖2中的ST2 238和Sp3 239的傳感器接收關(guān)于從膨脹機(jī)輸出的氣體的溫度T2和輸入到壓縮機(jī)中的氣體的壓力P3的信息。接口 610還被構(gòu)造成輸出命令C2到諸如圖2中的IGV2 232的壓縮機(jī)入口葉片組。接口 610還可被構(gòu)造成輸出命令C1到諸如圖2中的IGVl的膨脹機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組?？刂茊卧?20連接到接口 610且監(jiān)視通過(guò)接口接收的信息，以例如判斷渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)何時(shí)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行。例如，控制器可通過(guò)比較壓力P1、溫度T1、壓力P2 和軸的旋轉(zhuǎn)速度u的值或函數(shù)與存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器630中的預(yù)定值來(lái)判斷渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)是否以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行。用于計(jì)算焓降的氣體組成也可存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器630中。如果控制單元620判斷出渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行，則控制單元620產(chǎn)生將傳輸?shù)綁嚎s機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組的命令，以調(diào)節(jié)輸入到壓縮機(jī)中的氣體的壓力p3，以便將軸的旋轉(zhuǎn)速度u與越過(guò)膨脹機(jī)的焓降ΔΗ之間的比值R維持在預(yù)定范圍內(nèi)?？刂茊卧?20可被構(gòu)造成使用關(guān)于壓力P1、溫度T1、壓力P2和氣體組成的信息來(lái)估計(jì)焓降ΔΗ?？刂茊卧?20還可產(chǎn)生將傳輸?shù)脚蛎洐C(jī)入口引導(dǎo)葉片組的命令以便將壓力 P1維持在預(yù)定范圍內(nèi)。之后接口 610可將這些命令輸出到膨脹機(jī)入口引導(dǎo)葉片組。控制單元620可以硬件、固件、軟件或其組合來(lái)實(shí)施。所公開(kāi)的示范性實(shí)施例提供了這樣的系統(tǒng)、方法和控制器，其使用在壓縮機(jī)的入口處的一組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片使得渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的效率在非設(shè)計(jì)條件下最大化。應(yīng)了解此描述不意圖限制本發(fā)明。相反，示范性實(shí)施例意圖涵蓋包括于所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的備選方案、修改和等效物。另外，在示范性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)要求保護(hù)的本發(fā)明的全面理解。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，可在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐各種實(shí)施例。盡管以具體組合在實(shí)施例中描述了目前的示范性實(shí)施例的特征和元件，各個(gè)特征或元件可在沒(méi)有實(shí)施例的其它特征和元件的情況下單獨(dú)使用，或者在有或沒(méi)有本文公開(kāi)的其它特征和元件的情況下以各種組合使用。本書面描述使用所公開(kāi)的主題的實(shí)例來(lái)使得任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能實(shí)踐該主題， 包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本主題的可授予專利的范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。這些其它的實(shí)例意圖處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，包括膨脹機(jī)，其被構(gòu)造成使進(jìn)氣膨脹且具有膨脹機(jī)葉輪；第一組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片，其附連到所述膨脹機(jī)上且被構(gòu)造成控制進(jìn)氣的壓力； 壓縮機(jī)，其被構(gòu)造成壓縮從所述膨脹機(jī)接收的氣體且具有壓縮機(jī)葉輪； 軸，其被構(gòu)造成支承并旋轉(zhuǎn)所述膨脹機(jī)葉輪和所述壓縮機(jī)葉輪； 第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片，其附連到所述壓縮機(jī)上且被構(gòu)造成控制輸入到所述壓縮機(jī)中的氣體的壓力；以及控制器，其連接到所述第二組可動(dòng)入口弓I導(dǎo)葉片且被構(gòu)造成 獲得關(guān)于所述軸的旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)氣的壓力和溫度以及由所述膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力和溫度的信息；以及控制所述第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片，以調(diào)節(jié)輸入到所述壓縮機(jī)中的所述氣體的壓力， 以便在非設(shè)計(jì)條件下使得所述軸的所述旋轉(zhuǎn)速度與越過(guò)所述膨脹機(jī)的焓降之間的比值最大化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，膨脹機(jī)效率與所述軸的所述旋轉(zhuǎn)速度和越過(guò)所述膨脹機(jī)的所述焓降的比值相關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，還包括 第一傳感器，其被構(gòu)造成測(cè)量所述軸的所述旋轉(zhuǎn)速度；第二傳感器，其被構(gòu)造成測(cè)量所述進(jìn)氣的所述壓力； 第三傳感器，其被構(gòu)造成測(cè)量所述進(jìn)氣的所述溫度； 第四傳感器，其被構(gòu)造成測(cè)量由所述膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力；以及第五傳感器，其被構(gòu)造成測(cè)量由所述膨脹機(jī)輸出的所述氣體的溫度， 其中，所述焓降使用從所述第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器、第四傳感器和第五傳感器取得的信息來(lái)估計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，還包括位于所述壓縮機(jī)的入口處的傳感器，其連接到所述控制器且被構(gòu)造成測(cè)量輸入到所述壓縮機(jī)中的所述氣體的壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器被構(gòu)造成判斷所述渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)何時(shí)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器被構(gòu)造成控制所述第一組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片以將所述進(jìn)氣的壓力維持在預(yù)定范圍中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器被構(gòu)造成使用所述進(jìn)氣的所述壓力，所述進(jìn)氣的所述溫度，所述進(jìn)氣的組成以及由所述膨脹機(jī)輸出的所述氣體的所述壓力的函數(shù)來(lái)估計(jì)越過(guò)所述膨脹機(jī)的所述焓降。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，還包括 殼體，其被構(gòu)造成將所述膨脹機(jī)、所述軸和所述壓縮機(jī)保持在預(yù)定位置處。
9.一種控制渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的方法，所述渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)具有帶膨脹機(jī)葉輪的膨脹機(jī)，所述膨脹機(jī)葉輪經(jīng)由軸連接到壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪，所述壓縮機(jī)壓縮由所述膨脹機(jī)輸出的氣流，所述方法包括接收關(guān)于進(jìn)入所述膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力和溫度的第一信息；接收關(guān)于由所述膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力的第二信息；接收關(guān)于附連到所述壓縮機(jī)葉輪和所述膨脹機(jī)葉輪的所述軸的旋轉(zhuǎn)速度的第三信息；基于接收的所述第一信息、第二信息和第三信息來(lái)判斷所述渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)何時(shí)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行；當(dāng)判斷出所述渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行時(shí)，比較所述軸的所述旋轉(zhuǎn)速度與越過(guò)所述膨脹機(jī)的焓降之間的比值與預(yù)定值；以及控制壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組，以調(diào)節(jié)輸入到所述壓縮機(jī)中的所述氣體的壓力，這樣來(lái)致使所述比值更接近所述預(yù)定值，所述壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組連接到壓縮機(jī)入口，由所述膨脹機(jī)輸出的所述氣體通過(guò)所述壓縮機(jī)入口進(jìn)入到所述壓縮機(jī)中。
10. 一種構(gòu)造成控制渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)的控制器，所述渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)具有帶膨脹機(jī)葉輪的膨脹機(jī)和帶壓縮機(jī)葉輪的壓縮機(jī)，所述膨脹機(jī)葉輪和所述壓縮機(jī)葉輪由同一軸旋轉(zhuǎn)，且所述壓縮機(jī)壓縮由所述膨脹機(jī)輸出的氣體，所述控制器包括 接口，其被構(gòu)造成，接收關(guān)于進(jìn)入所述膨脹機(jī)的進(jìn)氣的壓力和溫度、由所述膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力和溫度以及所述軸的旋轉(zhuǎn)速度的信息，以及向壓縮機(jī)入口葉片組輸出命令，所述壓縮機(jī)入口葉片組被構(gòu)造成控制輸入到所述壓縮機(jī)中的氣體的壓力；以及控制單元，其連接到所述接口且被構(gòu)造成， 從所述接口接收第一信息、第二信息和第三信息， 判斷所述渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)何時(shí)以非設(shè)計(jì)條件運(yùn)行，以及， 產(chǎn)生用于所述壓縮機(jī)可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片組的命令，以在非設(shè)計(jì)條件下將所述軸的所述旋轉(zhuǎn)速度與越過(guò)所述膨脹機(jī)的焓降之間的比值維持在預(yù)定范圍中。
全文摘要
本發(fā)明涉及在壓縮機(jī)入口使用可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片的渦輪膨脹機(jī)及方法。一種渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)包括膨脹機(jī)，其被構(gòu)造成使進(jìn)氣膨脹；第一組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片，其被構(gòu)造成控制進(jìn)氣的壓力；壓縮機(jī)，其被構(gòu)造成壓縮從膨脹機(jī)接收的氣體；軸，其被構(gòu)造成支承并旋轉(zhuǎn)膨脹機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪；第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片，其附連到壓縮機(jī)上且被構(gòu)造成控制輸入到該壓縮機(jī)中的氣體的壓力；以及控制器，其被構(gòu)造成獲得關(guān)于軸的旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)氣的壓力和溫度、從膨脹機(jī)輸出的氣體的壓力和溫度的信息，以及控制第二組可動(dòng)入口引導(dǎo)葉片以在非設(shè)計(jì)條件下使軸的旋轉(zhuǎn)速度與越過(guò)膨脹機(jī)的焓降之間的比值最大化。
文檔編號(hào)F01D9/02GK102312726SQ20111018659
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者德?tīng)?格雷科 A·斯科蒂, G·馬里奧蒂, S·吉拉爾多 申請(qǐng)人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司