CN118575001A - 多级涡轮机系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级涡轮机系统(100)，该多级涡轮机系统包括：具有驱动单元(112)的第一涡轮机(110)、具有驱动单元(122)的第二涡轮机(120)、被配置为将工作流体(a)供应到所述第一涡轮机(110)的入口的第一供应管线(S1)、被配置为将在所述第一涡轮机(110)的出口处提供的工作流体(b)供应到所述第二涡轮机(120)的入口的第二供应管线(S2)、和用于在所述第二涡轮机(120)的出口处提供的工作流体(c)的第三供应管线(S3)，其中所述系统(100)还包括：第一冷却管线(L1)和第二冷却管线(L2)，该第一冷却管线被配置为转移所述第二供应管线(S2)中的工作流体(b)的部分并将该部分作为冷却流体(g)供应到所述第一涡轮机(110)的所述驱动单元(112)，该第二冷却管线被配置为将冷却流体(h)从所述第一涡轮机(110)的所述驱动单元(122)供应到所述第一供应管线(S1)，其中所述系统(100)还包括：第三冷却管线(L3)和第四冷却管线(L4)，该第三冷却管线被配置为转移所述第三供应管线(S3)中的工作流体(c)的部分以及将该部分作为冷却流体(k)供应到所述第二涡轮机(120)的所述驱动单元(122)，该第四冷却管线被配置为将冷却流体(l)从所述第二涡轮机(120)的所述驱动单元(122)供应到所述第二供应管线(S2)。本发明还涉及一种操作此类系统的方法。

Description

多级涡轮机系统及操作方法

本发明涉及包括多个涡轮机的多级涡轮机系统，并且涉及操作此类多级涡轮机系统的方法。

背景技术

涡轮机可用于不同应用中。例如，在低温应用中，即工艺气体处于低温温度的应用中，例如用于空气分离等的设施，常使用低温涡轮机，如涡轮膨胀机和/或压缩机。此类涡轮机通常包括固定在轴上的膨胀机叶轮和/或压缩机叶轮。

根据具体需求和应用，可能需要多个级的涡轮机，例如用于压缩工作流体。在这种情况下，可使用包括多个涡轮压缩机的多级涡轮机系统。在此类多级涡轮机系统中，各个压缩机或其马达的冷却可能是困难的。

文献WO 2019/077212 A1和WO 2019/077213 A1公开了包括两个压缩机的多级流体压缩系统。工作流体的部分或小部分可用于冷却目的。特别地，WO 2019/077212 A1描述了所述两个压缩机或其马达的串行冷却，而WO 2019/077213A1描述了所述两个压缩机或其马达的并行冷却。串行冷却需要两个冷却气体热交换器，而并行冷却意味着所述两个压缩机的两个腔(马达腔或壳体)具有相同水平的压力。因此，本发明的目的是提供一种经改进的多级流体压缩系统。

发明内容

该目的通过提供具有独立权利要求的特征的多级流体压缩系统和操作此类多级流体压缩系统的方法来实现。本发明的实施方案是从属权利要求和以下说明书的对象。

本发明涉及一种多级涡轮机系统，所述多级涡轮机系统包括(至少)具有驱动单元的第一涡轮机和具有驱动单元的第二涡轮机。该系统可包括具有驱动单元的第三涡轮机，如稍后将进一步解释的。这些涡轮机可以是径向类型或轴向类型的；也可在同一系统中使用不同类型。优选地，这些涡轮机是磁性轴承类型(磁性涡轮压缩机)的。这些驱动单元中的每一者可包括具有壳体(或腔)的马达(例如，电动马达)。此类驱动单元通常还包括传动装置和/或轴承(优选地，磁性轴承)。所述涡轮机中的每一者可包括涡轮压缩机或被配置为涡轮压缩机。在这种情况下，所述系统可被认为是多级流体压缩系统。此外，所述涡轮机中的一者或多者可(例如，附加地)包括涡轮膨胀机或被配置为涡轮膨胀机。

此外，此类多级涡轮机系统包括：被配置为将待压缩的工作流体供应到所述第一涡轮机的入口的第一供应管线、被配置为将在所述第一涡轮机的出口处提供的工作流体供应到所述第二涡轮机的入口的第二供应管线、和用于在所述第二涡轮机的出口处提供的工作流体的第三供应管线。以这种方式，工作流体(如气体)可被供应到第一涡轮机，例如被压缩，然后被进一步供应到第二涡轮机，例如被进一步压缩，并且然后被提供用于任何进一步的用途。优选地，第一工作流体热交换器设置在所述第二供应管线中，即，所述第二供应管线中的工作流体被所述第一工作流体热交换器冷却或者可以被所述第一工作流体热交换器冷却。优选地，第二工作流体热交换器也设置在所述第三供应管线中。

此外，所述系统包括第一冷却管线和第二冷却管线，第一冷却管线被配置为转移所述第二供应管线中的工作流体的部分(或小部分)以及将其作为冷却流体供应到所述第一涡轮机的所述驱动单元，第二冷却管线被配置为将冷却流体从所述第一涡轮机的所述驱动单元供应到所述第一供应管线。特别地，所述第一冷却管线在所述第一工作流体热交换器和所述第二涡轮机的所述入口之间连接到所述第二供应管线。以这种方式，所述第一涡轮机的所述驱动单元的冷却可借助于所述工作流体来提供。

此外，所述系统包括第三冷却管线和第四冷却管线，第三冷却管线被配置为转移所述第三供应管线中的工作流体的部分(或小部分)以及将其作为冷却流体供应到所述第二涡轮机的所述驱动单元，第四冷却管线被配置为将冷却流体从所述第二涡轮机的所述驱动单元供应到所述第二供应管线。优选地，所述第三冷却管线在所述第二工作流体热交换器之后连接到所述第三供应管线。以这种方式，所述第二涡轮机的所述驱动单元的冷却也可借助于所述工作流体来提供。

多级流体压缩系统中冷却管线的此类特定连接的特别优点在于，单个冷却流体热交换器对于所使用的全部冷却流体是足够的。此类冷却流体热交换器优选设置在所述第二冷却管线中。

优选地，所述系统还包括第一密封流体管线，所述第一密封流体管线被配置为转移所述第三供应管线中的工作流体的部分(或小部分)以及将其作为密封流体供应到所述第一涡轮机的所述驱动单元。这允许密封例如所述第一涡轮机的所述驱动单元的传动装置和/或轴承。

所述系统优选地包括具有驱动单元的第三涡轮机，如上所述。在这种情况下，所述第四供应管线被配置为将在所述第二涡轮机的所述出口处提供的工作流体供应到所述第三涡轮机的入口。所述系统还包括用于在所述第三涡轮机的出口处提供的工作流体的第四供应管线。优选地，第三工作流体热交换器于是设置在所述第四供应管线中。另外，所述系统还包括第五冷却管线，所述第五冷却管线被配置为转移所述第四供应管线中的工作流体的部分(或小部分)以及将其作为密封和/或冷却流体供应到所述第三涡轮机的所述驱动单元。特别地，所述第五冷却管线在所述第三工作流体热交换器之后连接到所述第四供应管线。所述系统还包括第六冷却管线，所述第六冷却管线被配置为将密封和/或冷却流体从所述第三涡轮机的所述驱动单元供应到所述第二冷却管线，优选地在所述冷却流体热交换器之前。

以这种方式，所述第三涡轮机的驱动单元也可借助于工作流体来冷却并且甚至密封，仍然仅提供和使用单个冷却流体热交换器。

有利地，所述系统还包括第二密封管线，所述第二密封管线被配置为转移所述第四供应管线中的工作流体的部分(或小部分)以及将其作为密封流体供应到所述第二涡轮机的所述驱动单元。以这种方式，所述第二涡轮压缩机的驱动单元也可借助于工作流体来密封，仍然仅提供和使用单个冷却流体热交换器。

有利的是，所述第三涡轮机包括涡轮压缩机和涡轮膨胀机。换句话讲，涡轮压缩机可与涡轮机中的涡轮膨胀机组合，使用同一驱动单元。在这种情况下，可提供第三密封管线，所述第三密封管线被配置为将密封流体从所述第三涡轮机的所述驱动单元供应到所述第二供应管线。

除了如上所述仅使用单个冷却流体热交换器的优点之外，本发明的其他优点在于，输送到涡轮机的驱动单元的腔(或壳体)的密封流体(如密封气体)也可用作冷却气体(节省流消耗)。对于涡轮机，特别是对于磁性涡轮机，冷却流体或气体不是必需的，因为密封流体如密封气体提供足够的冷却流。所述第一工作流体热交换器可共用于主制冷剂气体冷却以及冷却气体再冷却。所述第二涡轮机的工作流体或冷却流体可被下泄到中间压力(在所述第一涡轮机下游)。与冷却流体或气体流被下泄到最低流体或气体压力(所述第一涡轮机的入口)以及被再压缩直到高压力(所述第二涡轮机的下游/出口)的解决方案相比，可节省功率。由于用于不同涡轮机的冷却流体管线是独立的，因此可能根据涡轮机的实际加热来为冷却管线设定两个不同的流量值(并且因此避免过度消耗)。

本发明还涉及一种用于操作多级涡轮机系统(如以上在其实施方案中任意者中所述的多级涡轮机系统)的方法。关于优选实施方案和优点，参考上文说明，其相应地适用。

根据描述和附图，本发明的其他优点和实施方案将变得显而易见。

应当指出的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上文提及的特征以及将在下文进一步描述的特征不仅可用于分别指示的组合，而且可进一步组合或单独使用。

附图说明

图1例示根据本发明的优选实施方案的多级涡轮机系统。

图2例示根据本发明的另一优选实施方案的多级涡轮机系统。

具体实施方式

图1示意性地例示根据本发明的优选实施方案的多级涡轮机系统100。所述系统100包括具有驱动单元112的第一涡轮机110、具有驱动单元122的第二涡轮机120、和具有驱动单元132的第三涡轮机130。所述第一涡轮机110和所述第二涡轮机120中的每一者被配置为分别具有压缩机叶轮111和121的涡轮压缩机。所述第三涡轮机130包括具有压缩机叶轮131的涡轮压缩机1138和具有膨胀机叶轮137的涡轮膨胀机139。

所述驱动单元112包括位于壳体或外壳中的轴承113和马达114。类似地，所述驱动单元122包括位于壳体或外壳中的轴承123和马达124，并且所述驱动单元132包括位于壳体或外壳中的轴承133和马达134。

此外，所述系统100包括被配置为将工作流体a供应到所述第一涡轮机110的入口的第一供应管线S1、被配置为将在所述第一涡轮机110的出口处提供的工作流体b供应到所述第二涡轮机120的入口的第二供应管线S2、被配置为将在所述第二涡轮机120的出口处提供的工作流体c供应到所述第三涡轮机130的入口(涡轮压缩机138的入口)的第三供应管线S3、和用于在所述第三涡轮机130的出口(涡轮压缩机138的出口)处提供的工作流体d的第四供应管线S4。需注意，工作流体a、b、c和d对应于相同工作流体在所述系统100的不同级处。

所述系统100还包括第五供应管线S5和第六供应管线S6，第五供应管线S5被配置为将工作流体e供应到所述第三涡轮机130的另一入口(涡轮膨胀机139的入口)，第六供应管线S6被配置为供应在所述第三涡轮机130的另一出口(涡轮膨胀机139的出口)处提供的工作流体f。

所述系统100还包括(设置或布置)在所述第二供应管线S2中的第一工作流体热交换器115、(设置或布置)在所述第三供应管线S3中的第二工作流体热交换器125、和(设置或布置)在所述第四供应管线S4中的第三工作流体热交换器135。

此外，所述系统100包括第一冷却管线L1，其被配置为转移所述第二供应管线S2中的工作流体b的部分以及将其作为冷却流体g供应到所述第一涡轮机110的所述驱动单元112。所述第一冷却管线L1在所述第一工作流体热交换器115和所述第二涡轮机120的所述入口之间连接到所述第二供应管线S2。所述系统100还包括第二冷却管线L2，其被配置为将冷却流体h从所述第一涡轮机110的所述驱动单元112供应到所述第一供应管线S1。所述系统100还包括(布置或设置)在所述第二冷却管线L2中的冷却流体热交换器150。

此外，所述系统100包括第三冷却管线L3和第四冷却管线L4，第三冷却管线L3被配置为转移所述第三供应管线S3中的工作流体c的部分以及将其作为冷却流体k供应到所述第二涡轮机120的所述驱动单元122，第四冷却管线L4被配置为将冷却流体l从所述第二涡轮机120的所述驱动单元122供应到所述第二供应管线S2。以这种方式，所述冷却流体l被再利用。不需要另外的冷却流体热交换器。

此外，所述系统100包括第五冷却管线L5和第六冷却管线L6，第五冷却管线L5被配置为转移所述第四供应管线S4中的工作流体d的部分以及将其作为密封和/或冷却流体m供应到所述第三涡轮机130的所述驱动单元132，第六冷却管线L6被配置为将密封和/或冷却流体n从所述第三涡轮机130的所述驱动单元132供应到所述第二冷却管线L2。以这种方式，所述密封和/或冷却流体n被再利用。不需要另外的冷却流体交换器。

在所述第三涡轮机130中，密封气体o和p被供应到所述驱动单元132或到达所述驱动单元132中。流o和p通常是涡轮机的内部泄漏流(两者均在膨胀机侧和压缩机侧)。这是来自穿过膨胀机/压缩机的主工艺流c、e的流，并且主工艺流的少部分在叶轮后面经过(由于叶轮顶部处的空间)并且进入所述涡轮机或其驱动单元的腔或壳体中。此外，所述系统100包括第三密封管线G3，该第三密封管线G3被配置为将密封流体q从所述第三涡轮机130的所述驱动单元132供应到所述第二冷却管线L2。以此方式，所述密封流体p被再利用。不需要另外的冷却或其他流体交换器。

图2示意性地例示根据本发明的另一优选实施方案的多级涡轮机系统200。系统200对应于图1的系统100，其附加地具有管线和流体流。在下文中，将仅描述这些附加方面；对于其余方面，参照图1的描述。

所述系统200包括第一密封管线G1，该第一密封管线G1被配置为从所述第三供应管线S3转移工作流体c的部分(或小部分)以将其作为密封流体t供应到所述第一涡轮机110的所述驱动单元112。所述系统200包括第二密封管线G2，该第二密封管线G2被配置为从所述第五冷却管线L5转移冷却流体m的部分(或小部分)以将其作为密封流体s供应到所述第二涡轮机120的所述驱动单元122。以这种方式提供的密封气体也可用于冷却目的并且之后再利用。

Claims (14)

1.一种多级涡轮机系统(100,200)，包括：具有驱动单元(112)的第一涡轮机(110)、具有驱动单元(122)的第二涡轮机(120)、被配置为将工作流体(a)供应到所述第一涡轮机(110)的入口的第一供应管线(S1)、被配置为将在所述第一涡轮机(110)的出口处提供的工作流体(b)供应到所述第二涡轮机(120)的入口的第二供应管线(S2)、和用于在所述第二涡轮机(120)的出口处提供的工作流体(c)的第三供应管线(S3)，

其中所述系统(100)还包括：第一冷却管线(L1)和第二冷却管线(L2)，所述第一冷却管线被配置为转移所述第二供应管线(S2)中的工作流体(b)的部分以及将所述部分作为冷却流体(g)供应到所述第一涡轮机(110)的所述驱动单元(112)，所述第二冷却管线被配置为将冷却流体(h)从所述第一涡轮机(110)的所述驱动单元(112)供应到所述第一供应管线(S1)，

其中所述系统(100)还包括：第三冷却管线(L3)和第四冷却管线(L4)，所述第三冷却管线被配置为转移所述第三供应管线(S3)中的工作流体(c)的部分以及将所述部分作为冷却流体(k)供应到所述第二涡轮机(120)的所述驱动单元(122)，所述第四冷却管线被配置为将冷却流体(l)从所述第二涡轮机(120)的所述驱动单元(122)供应到所述第二供应管线(S2)。

2.根据权利要求1所述的系统(100,200)，还包括位于所述第二冷却管线(L2)中的冷却流体热交换器(150)。

3.根据权利要求1或2所述的系统(100,200)，还包括位于所述第二供应管线(S2)中的第一工作流体热交换器(115)，

其中所述第一冷却管线(L1)在所述第一工作流体热交换器(115)和所述第二涡轮机(120)的所述入口之间连接到所述第二供应管线(S2)。

4.根据权利要求3所述的系统(100,200)，其中所述第四冷却管线(L4)在所述第一涡轮机(110)的所述出口与所述第一工作流体热交换器(115)之间连接到所述第二供应管线(S2)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100,200)，还包括位于所述第三供应管线(S3)中的第二工作流体热交换器(125)，

其中所述第三冷却管线(L3)在所述第二工作流体热交换器(125)之后连接到所述第三供应管线(S3)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100,200)，还包括：第一密封管线(G1)，所述第一密封管线被配置为转移所述第三供应管线(S3)中的工作流体的部分以及将所述部分作为密封流体(t)供应到所述第一涡轮机(110)的所述驱动单元(112)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100,200)，其中所述第一涡轮机(110)和/或所述第二涡轮机(120)被配置为涡轮压缩机或包括所述涡轮压缩机。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100,200)，还包括：具有驱动单元(132)的第三涡轮机(130)，其中所述第三供应管线(S3)被配置为将在所述第二涡轮机(120)的所述出口处提供的工作流体(c)供应到所述第三涡轮机(130)的入口；和用于在所述第三涡轮机(130)的出口处提供的工作流体(d)的第四供应管线(S4)，

其中所述系统(100)还包括：第五冷却管线(L5)和第六冷却管线(L6)，所述第五冷却管线被配置为转移所述第四供应管线(S4)中的工作流体(d)的部分以及将所述部分作为密封和/或冷却流体(m)供应到所述第三涡轮机(130)的所述驱动单元(132)，所述第六冷却管线被配置为将密封和/或冷却流体(n)从所述第三涡轮机(130)的所述驱动单元(132)供应到所述第二冷却管线(L2)。

9.根据权利要求8所述的系统(100,200)，还包括位于所述第四供应管线(S4)中的第三工作流体热交换器(135)，

其中所述第五冷却管线(L5)在所述第三工作流体热交换器(135)之后连接到所述第四供应管线(S4)。

10.根据权利要求8或9所述的系统(100,200)，还包括：第二密封管线(G2)，所述第二密封管线被配置为转移所述第四供应管线(S4)中的工作流体(d)的部分或所述第五冷却管线(L5)中的冷却和/或密封流体(m)的部分以及将所述部分作为密封流体(s)供应到所述第二涡轮机(120)的所述驱动单元(122)。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统(100,200)，其中所述第三涡轮机(130)包括涡轮压缩机(130)并且优选地包括涡轮膨胀机(138)。

12.根据权利要求11所述的系统(100,200)，还包括：第三密封管线，所述第三密封管线被配置为将密封流体从所述第三涡轮压缩机(130)的所述驱动单元(132)供应到所述第二供应管线(S2)。

13.一种用于操作多级涡轮机系统(100,200)的方法，其中所述系统(100,20)包括具有驱动单元(112)的第一涡轮机(110)、具有驱动单元(122)的第二涡轮机(120)，其中所述方法包括：

将供应工作流体(a)供应到所述第一涡轮机(110)的入口，

将在所述第一涡轮机(110)的出口处提供的工作流体(b)供应到所述第二涡轮机(120)的入口，

在所述第二涡轮机(120)的出口处提供工作流体(c)，

转移在所述第一涡轮机(110)的所述出口处提供的工作流体(b)的部分以及将所述部分作为冷却流体(g)供应到所述第一涡轮机(110)的所述驱动单元(112)，

将冷却流体(h)从所述第一涡轮机(110)的所述驱动单元(112)供应到所述工作流体(a)，所述工作流体(a)被供应到所述第一涡轮机(110)的所述入口，

转移在所述第二涡轮机(120)的所述出口处提供的工作流体(c)的部分以及将所述部分作为冷却流体(k)供应到所述第二涡轮机(120)的所述驱动单元(122)，以及

将冷却流体(l)从所述第二涡轮机(120)的所述驱动单元(122)供应到在所述第一涡轮机(110)的所述出口处提供的所述工作流体(b)。

14.根据权利要求13所述的方法，使用根据权利要求1至12中任一项所述的所述多级涡轮机系统(100,200)。