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KR20120085652A - 개선된 다단 원심 압축기 - Google Patents

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KR20120085652A
KR20120085652A KR1020117017819A KR20117017819A KR20120085652A KR 20120085652 A KR20120085652 A KR 20120085652A KR 1020117017819 A KR1020117017819 A KR 1020117017819A KR 20117017819 A KR20117017819 A KR 20117017819A KR 20120085652 A KR20120085652 A KR 20120085652A
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Abstract

본 발명은 각각 임펠러를 포함하는 4개 이상의 원심 압축 단(11, 12, 13, 14)을 포함하는 개선된 다단 원심 압축기(10)에 관한 것이다. 상기 원심 압축 단들 중 한 쌍의 압축 단(12, 13)의 임펠러들은 제 1 고속 직접 구동 모터(16)에 결합된 제 1 샤프트(23) 위에 장착되고 상기 원심 압축 단들 중 다른 한 쌍의 압축 단(11, 14)의 임펠러들은 제 2 고속 직접 구동 모터(15)에 결합된 제 2 샤프트(24) 위에 장착된다. 상기 제 1 모터와 제 2 모터의 속도는 상기 임펠러들이 모두 동일한 속도로 구동되도록 하나 이상의 구동부(25)에 의해 조절된다.

Description

개선된 다단 원심 압축기{IMPROVEMENTS IN MULTI-STAGE CENTRIFUGAL COMPRESSORS}
본 발명은 다단 원심 압축기 특히 개선된 다단 원심 압축기에 관한 것이다.
1960년 이래로, 원심 압축기(centrifugal compressor)와 같은 가변 속도 다이내믹 압축기(variable speed dynamic compressor)가 압축 공기 또는 그 외의 다른 가스에 사용되어 왔다. 임펠러를 형성하기 위해 축에 장착된 압축기 블레이드의 원통형 어셈블리를 포함하는 원심 압축기들은 다수의 이유들로 인해 광범위한 분야에서 사용된다. 원심 압축기들은 통상 에너지 효율적이고 이동식 부분(moving part)들이 거의 없기 때문에 유지비용이 낮으며, 일반적으로 유사한 크기를 가진 왕복동식 압축기(reciprocating compressor)보다 더 빠른 공기 흐름을 제공한다. 원심 압축기의 주된 이점에 의하면, 다단 원심 압축기들은 상당한 배출 압력을 구현할 수 있으나, 상기 원심 압축기는 다단(multiple stage) 없이는 왕복동식 압축기의 높은 압축비를 구현할 수 없다는 것이다.
원심 압축기의 성능은 임펠러 속도, 전체 헤드(head) 및 필요한 체적 유동으로 표현된다. 원심 압축기에서, 압축기에 유입되는 공기 압력에 대해 압축기로부터 배출되는 공기 압력의 비율은 임펠러 속도에 비례한다. 단 효율(stage efficiency)은 실제 압축기와 기하학적으로 유사한 이론적인 압축기의 속도로서 정의되는 비속도(specific speed)와 관련이 있는데, 상기 실제 압축기는 상기 속도로 구동할 때 헤드 한 단위를 통해 시간 한 단위에서 체적 한 단위를 올릴 것이다. 비속도(Ns)는 밑의 식으로부터 계산될 수 있다:
Figure pct00001
여기서:
N = 임펠러의 회전 속도 (rpm)
Q = 체적 유동 (l/m)
H = 전체 다이내믹 헤드 (m).
도 1은 최적의 비속도가 존재한다는 사실을 보여주는 원심 압축기의 범위에 대한 압축기 효율 대 비속도의 그래프를 도시하고 있는데, 느린 비속도와 빠른 비속도에서는 상기 압축기 효율이 떨어진다.
산업용 공조 분야에서 사용되는 종래 기술의 원심 압축기는 통상 2단 또는 3단 압축기이다. 요구 압력비를 구현하기 위하여, 전체 효율은, 비일(specific work)(w) 즉 각 단 마다 질량 유동(mass flow) 당 일(work)이 다음의 식으로 계산될 수 있기 때문에, 단 사이에서 인터쿨링(intercooling)으로 향상될 수 있다:
Figure pct00002
여기서:
R1 = 균일 압력에서의 가스의 비열(specific heat) (J/kg.K)
T1 = 유입부 온도 (K)
n = 균일 압력에서의 가스의 비열과 균일 체적에서의 가스의 비열 간의 비율
Pr = 압력비
비열(R1)에서의 작은 변화량은 무시하고, 전체 비일(w)은 제 2 단 유입부에서 유입부 온도(T1)에 가깝게 냉각될 때 단일 단에서의 압축 경우에서보다 2단에서의 압축 경우가 더 작다. 이와 유사하게, 인터쿨링 기능을 가진 3단 압축에 대한 비일(w)은 2단 압축에서보다 더 작다.
공기 또는 가스가 각 단에서 압축될 때, 체적 유동(Q)은 단 압력비(Pr)에 비례하여 감소할 것이다. 헤드 가 올라가는 거리(head rise)가 단마다 균일하게 분리되면, 제 2 단의 비속도(Ns2)는 제 1 단의 비속도(Ns1)보다 더 작을 것이다. 이와 유사하게, 제 3 단의 비속도(Ns3)는 제 2 단의 비속도(Ns2)보다 더 작을 것이다. 통상적으로, 우수한 효율을 가진 비속도 범위가 상기 압축기 범위 내에 있기에 충분히 광범위하기 때문에, 제 2 단의 비속도(Ns2)는 우수한 단 효율 범위 내에 있을 것이다. 비속도가 충분히 느린 경우 제 3 단의 효율이 최적효율 미만일 수 있다(도 1 참조).
종래 기술의 3단 원심 압축기들은 종종 제 1 샤프트 상에 제 1 단 및 제 2 단 임펠러를 가지며 제 2 샤프트 상에 제 3 단 임펠러를 가진다. 최적 속도에서 또는 최적 속도 가까이에서 각각의 샤프트를 구동하기 위해 기어박스(gearbox)가 배열된다.
이러한 배열의 한 예가 US-B- 6488467에 기술되어 있다.
하지만, 최근에, 예를 들어, EP-A-1319132 및 EP-A-1217219에 기술되어 있는 것과 같이 원심 압축기에 직접방식의 구동부(direct drive)가 사용되어 왔다. 기어박스들은 직접 구동 압축기들에 사용되지 않으며 각각의 단의 속도는 가령 예컨대 US-A-20070189905에 도시된 것과 같은 독립 모터와 구동부들을 사용함으로써 최적화될 수 있다. 이러한 시스템들의 단점으로는, 독립 모터와 구동부들이 값비싸며 다수의 모터 또는 구동부들을 조절하기 위해 복잡한 조절 시스템을 필요로 한다는 사실이다.
따라서, 본 발명의 목적은 향상된 효율을 가진 개선된 다단 압축기를 제공하는 데 있다.
따라서, 본 발명은 각각 임펠러(impeller)를 포함하는 4개 이상의 원심 압축 단을 포함하는 다단 압축 시스템을 포함하는데, 상기 원심 압축 단들 중 한 쌍의 압축 단의 임펠러들은 제 1 고속 직접 구동 모터에 결합된 제 1 샤프트 위에 장착되고 상기 원심 압축 단들 중 다른 한 쌍의 압축 단의 임펠러들은 제 2 고속 직접 구동 모터에 결합된 제 2 샤프트 위에 장착되며, 상기 제 1 모터와 제 2 모터의 속도는 상기 임펠러들이 모두 동일한 속도로 구동되도록 하나 이상의 구동부(drive)에 의해 조절된다.
상기 장치로 인한 이점에 따르면, 상기 압축 시스템은 단 효율(stage efficiency)을 절충하지 않고도 구동부 개수를 단순화시킬 수 있다.
이제, 본 발명은 오직 예로써 첨부된 도면들을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 원심 압축기의 효율 대 비속도를 도시한 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 한 구체예를 도식적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 구체예를 도식적으로 도시한 도면.
도 2에 도시된 것과 같이, 3단 원심 압축기(10)가 서로에 대해 병렬로(parallel) 장착된 2개의 제 1 단(11,12) 및 서로 직렬로(series) 연결된 제 2 단(13)과 제 3 단(14)을 포함한다. 따라서, 압축되어야 하는 유체는 상기 2개의 제 1 단(11, 12)으로 들어가는 유체 유입부(fluid inlet)를 가로질러 동일하게 분리되며 이와 동시에 압축된다. 그 뒤, 상기 2개의 제 1 단(11, 12)의 유체 배출부(fluid outlet)들에서 배출되는 유체는 제 2 단과 제 3 단의 유체 유입부로 통과하기 전에 다시 만난다(recombined). 상기 제 1, 2 3 단(11/12, 13, 14)은 한 쌍의 고속 직접 구동 모터(15/16)에 의해 구동된다.
2개의 고속 직접 구동 모터(15, 16)에 의해 구동되는 2개의 샤프트(23, 24) 위에 4개의 임펠러(impeller)가 장착된다. 제 2 단(13)의 임펠러는 제 1 단들 중 하나(12)의 임펠러와 같이 동일한 구동 샤프트(23) 위에 장착된다. 제 3 단(14)의 임펠러는 제 1 단들 중 다른 하나(11)의 임펠러와 같이 동일한 샤프트(24) 위에 장착된다. 상기 모터(15, 16)의 속도는 단일의 가변 주파수 구동부(variable frequency drive) 또는 그 외의 다른 구동부 또는 컨트롤러(25)에 의해 조절되며 이에 따라 4개의 임펠러 모두 동일한 속도로 구동된다. 하나보다 많은 구동부(25) 또는 컨트롤러가 사용될 수도 있는데, 이 경우에서도 4개의 임펠러 모두 동일한 속도로 구동될 것이다.
압축되어야 하는 유체는 2개의 병렬로 배열된 제 1 단(11, 12)의 임펠러 내로 유입된다(drawn into). 2개의 제 1 단(11, 12)으로부터 배출된 압축 유체 스트림은 인터쿨러(intercooler)(21)를 통과하며 제 2 단(13)의 임펠러 내로 유입되기 전에 만난다(combined). 제 2 단(13)으로부터 배출된 유체는 제 3 단(14)의 임펠러 내로 유입되기 전에 제 2 인터쿨러(22)를 통과한다. 마지막으로, 제 3 단(14)으로부터 배출된 유체는 사용하기 위해 배출되기 전에 애프터 쿨러(after cooler)(26)를 통과한다. 2개의 제 1 단 압축 유체 스트림은 제 1 인터쿨러(21)를 통과하기 전 또는 후에 만날 수 있다.
제 1 단(11/12)이 분리되는 이러한 형상은 모터와 또 다른 구동부들에 관한 오작동 가능성, 복잡성 및 비용이 모두 현저하게 줄어든다는 이점을 가진다. 각각의 단(11/12, 13, 14)의 효율은 3개의 단(11/12, 13, 14)에 걸친 비속도 범위가 상대적으로 작음에 따라 거의 최적수준으로 형성될 수 있다.
예를 들면, 전체 압력비(Pr)가 8이고 각각의 단(11/12, 13, 14)에 걸쳐 압력이 동일하게 올라가면, 각각의 제 1 단(11, 12)의 비속도(Ns1)는
Figure pct00003
에 비례하는데, 여기서 Q는 유입부에서 압축기를 통과하는 전체 체적 유동(volumetric flow)이며, 각각의 제 1 단(11, 12)은 상기 유동의 50%를 압축한다. 제 2 단(13)의 비속도(Ns2)는
Figure pct00004
에 비례할 것이며 제 3 단계(14)의 비속도(Ns3)는 (Q/4)0.5에 비례할 것이다.
본 발명의 대안의 구체예에서, 제 4 단이 추가되어, 압축기(10)가 앞에서 기술된 구체예보다 더 높은 압력을 구현할 수 있게 된다. 도 3에 도시된 것과 같이, 오직 단일의 제 1 단(12)이 있으며 제 3 인터쿨러(27)가 제 3 단(14)과 제 4 단(28) 사이에 위치된다. 추가적인 인터쿨러(27)는 제 4 단(28)으로의 유입부에서 저온 상태를 유지함으로써 열역학적 압축 효율을 극대화시키는 데 도움을 준다.
이러한 배열에서, 제 1 및 제 2 단(12, 13)의 임펠러들은 제 1 샤프트(23) 위에 장착되고 제 3 및 제 4 단(14, 28)의 임펠러들은 제 2 샤프트(24) 위에 장착된다. 앞에서와 같이, 각각의 샤프트(23, 24)는 고속 직접 구동 모터(15, 16)에 의해 구동되고 상기 모터(15, 16)는 하나 또는 그 이상의 구동부(25)에 의해 조절된다.

Claims (12)

  1. 각각 임펠러를 포함하는 4개 이상의 원심 압축 단을 포함하는 다단 압축 시스템에 있어서,
    상기 원심 압축 단들 중 한 쌍의 압축 단의 임펠러들은 제 1 고속 직접 구동 모터에 결합된 제 1 샤프트 위에 장착되고 상기 원심 압축 단들 중 다른 한 쌍의 압축 단의 임펠러들은 제 2 고속 직접 구동 모터에 결합된 제 2 샤프트 위에 장착되며, 상기 제 1 모터와 제 2 모터의 속도는 상기 임펠러들이 모두 동일한 속도로 구동되도록 하나 이상의 구동부에 의해 조절되는 다단 압축 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    한 쌍의 제 1 단들은 서로에 대해 병렬로 장착되고, 제 2 단과 제 3 단은 상기 한 쌍의 제 1 단과 직렬로 장착되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 단들 중 한 단의 임펠러와 제 2 단의 임펠러는 상기 제 1 샤프트 위에 장착되고 제 1 단들 중 제 2 단의 임펠러와 제 3 단의 임펠러는 상기 제 2 샤프트 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 1 압축 단, 제 2 압축 단, 제 3 압축 단 및 제 4 압축 단이 직렬로 장착되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 단의 임펠러와 상기 제 2 단의 임펠러는 제 1 샤프트 위에 장착되고 상기 제 3 단의 임펠러와 상기 제 4 단의 임펠러는 제 2 샤프트 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 인터쿨러가 제 1 압축 단(들)의 유체 배출부와 제 2 압축 단의 유체 유입부에 연결되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  7. 제 2 항에 따른 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 인터쿨러는 상기 각각의 제 1 압축 단(들)의 유체 배출부에 연결되며 이에 따라 2개의 제 1 압축 단들로부터 각각 수용된 유체 스트림들이 제 2 압축 단에 단일의 저온의(cooler) 유체 스트림을 제공하기 위해 만나는(combined) 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 인터쿨러가 제 2 압축 단의 유체 배출부와 제 3 압축 단의 유체 유입부에 연결되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    제 3 인터쿨러가 제 3 압축 단의 유체 배출부와 제 4 압축 단의 유체 유입부에 연결되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    애프터 쿨러(after cooler)가 상기 압축 단들 중 최종 압축 단의 유체 배출부에 연결되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터들은 하나 이상의 가변 주파수 구동부(variable frequency drive)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 시스템.
  12. 첨부된 도면들에서 도시된 것과 같이, 상기 도면들을 참조하여, 실질적으로 위에서 기술한 것과 같은 다단 압축 시스템.
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