ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ФЛЮИД, И СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В НЕЙ
THERMODYNAMIC SYSTEM COMPRISING A FLUID AND METHOD FOR REDUCING PRESSURE THEREIN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее описание относится к термодинамическим системам и способам. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, конкретно относятся к термодинамическим системам, содержащим замкнутый контур, в котором рабочая текучая среда обрабатывается и подвергается циклическим термодинамическим преобразованиям, включая сжатие, охлаждение, конденсацию, расширение и испарение. В настоящем документе также описаны способы снижения балансового давления (БД) в замкнутом контуре в термодинамической системе после отключения устройства повышения давления, такого как компрессор, для облегчения запуска системы.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В термодинамических системах, в которых рабочая текучая среда обрабатывается в замкнутом контуре и подвергается термодинамическим преобразованиям, предусматривающим фазовые переходы между жидким состоянием и газообразным состоянием, отключение компрессора или другого устройства повышения давления приводит к выравниванию давления в замкнутом контуре до тех пор, пока не будет достигнуто так называемое балансовое давление. Балансовое давление зависит, в частности, от температуры контура.
Балансовое давление может резко возрастать и достигать значений, значительно превышающих проектные условия, что отрицательно влияет на пусковую способность привода компрессора. Это особенно касается тех случаев, когда термодинамическая система содержит холодильный контур и расположена в среде с высокой температурой. Когда термодинамическая система отключена и остается в нерабочем состоянии в течение относительно длительного времени при высокой температуре окружающей среды, термодинамическая система начинает нагреваться. Жидкость, накопленная в замкнутой петле сжатия, начинает испаряться и повышать давление в замкнутом контуре до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное давление при температуре окружающей среды или при температуре металлической структуры, образующей замкнутый контур. Эта температура может составлять, например, до 50°С или выше, например, из-за солнечного излучения. Результирующее балансовое давление может значительно превышать проектное значение и может оказаться таким, что привод компрессора не сможет снова запустить компрессор.
Для возобновления циркуляции в термодинамической системе иногда используют компрессор восстановления, который переносит газ в конденсатор, а полученная сконденсированная и сжиженная рабочая текучая среда переносится в сосуд для сбора жидкости, таким образом, снижая давление в замкнутом контуре до тех пор, пока не будет достигнуто достаточно низкое давление для того, чтобы привод компрессора снова запустил компрессор.
В других вариантах осуществления настоящего уровня техники требуется газовыпуск контура для удаления из него газа и снижения давления. Выходящий газ сгорает в факеле.
Оба подхода отрицательно влияют на эксплуатационные затраты системы и могут оказывать пагубное воздействие на окружающую среду.
В общем случае аналогичные проблемы могут возникать в термодинамических системах, содержащих контур под давлением, выполненный с возможностью вмещения рабочей текучей среды и содержащий по меньшей мере один сосуд для сбора рабочей текучей среды, выполненный с возможностью вмещения по меньшей мере двух фаз рабочей текучей среды, в частности жидкой фазы и газообразной фазы в состоянии термодинамического равновесия. Поскольку равновесное давление в двухфазной системе зависит от температуры текучей среды, то при повышении температуры равновесное давление в системе также возрастает и может становиться выше, чем пороговое давление. Это может оказывать негативное влияние или неблагоприятное воздействие на одну или более функциональных возможностей системы или мешать работе в целом. В такой ситуации требуется газовыпуск термодинамической системы или необходим специальный компрессор для обеспечения циркуляции текучей среды в конденсаторе, чтобы снизить давление в нем. Газовыпуск может приводить к потере ценных продуктов, вызывать загрязнение окружающей среды или повлечь за собой другой ущерб.
Соответственно, улучшенная система и способ запуска термодинамической системы для решения проблем со сложностью и отработанной текучей средой систем настоящего уровня техники были бы полезны и с одобрением восприняты в технологии. В самых общих чертах было бы желательно предложить способы и системы, выполненные с возможностью более эффективного решения проблем, связанных с повышением температуры и равновесного давления в термодинамической системе, содержащей сосуд для сбора текучей среды, вмещающий в себя рабочую текучую среду, в состояниях равновесия системы жидкость - газ.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к термодинамической системе, вмещающей в себя рабочую текучую среду и содержащей по меньшей мере сосуд для сбора текучей среды, выполненный с возможностью вмещения жидкой фазы и газообразной фазы рабочей текучей среды в термодинамическом равновесии. В настоящем документе термин «газообразная фаза» может включать в себя паровую фазу рабочей текучей среды. Охлаждающее устройство функционально соединено с сосудом для сбора текучей среды и выполнено с возможностью отведения тепла от рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде для сбора текучей среды, и снижения таким образом давления в термодинамической системе. Таким образом, внутреннее давление текучей среды термодинамической системы может быть сброшено без газовыпуска рабочей текучей среды или применения других сложных мер.
В другом аспекте объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к способу снижения давления текучей среды в термодинамической системе, вмещающей в себя рабочую текучую среду и содержащей по меньшей мере сосуд для сбора текучей среды, выполненный с возможностью вмещения сжиженной рабочей текучей среды и газообразной рабочей текучей среды в термодинамическом равновесии. В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, способ включает этап отвода тепла от текучей среды, содержащейся в сосуде для сбора текучей среды. Способ дополнительно включает конденсацию газообразной рабочей текучей среды в сжиженную рабочую текучую среду, таким образом снижая указанное давление текучей среды в термодинамической системе. Этапы можно выполнять по меньшей мере частично одновременно, так что конденсация газообразной рабочей текучей среды может предусматривать одновременный отвод тепла.
В другом аспекте в настоящем документе описан способ снижения давления текучей среды в термодинамической системе, содержащей замкнутый контур, вмещающий в себя рабочую текучую среду и имеющий по меньшей мере секцию высокого давления, секцию низкого давления и компрессорную установку между ними, причем замкнутый контур содержит по меньшей мере один сосуд для сбора текучей среды, выполненный с возможностью вмещения сжиженной рабочей текучей среды и газообразной рабочей текучей среды в термодинамическом равновесии. Способ включает следующие этапы:
отвод тепла от рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде для сбора текучей среды, пока компрессорная установка находится в нерабочем состоянии;
конденсация части рабочей текучей среды из газообразной фазы в жидкую фазу в указанном сосуде для сбора текучей среды, таким образом снижая давление в замкнутом контуре, и
начало работы компрессорной установки при достижении порогового значения пускового давления в по меньшей мере части замкнутого контура.
Дополнительный аспект настоящего описания относится к термодинамической системе, включающей в себя замкнутый контур, выполненный с возможностью циркуляции в нем рабочей текучей среды и содержащий по меньшей мере секцию высокого давления и секцию низкого давления. Контур дополнительно включает в себя компрессорную установку между секцией высокого давления и секцией низкого давления, а также устройство для отвода тепла и конденсации текучей среды, выполненное с возможностью приема сжатой рабочей текучей среды и по меньшей мере частичной конденсации указанной сжатой рабочей текучей среды путем отвода от нее тепла. Замкнутый контур дополнительно включает в себя по меньшей мере один сосуд для сбора рабочей текучей среды, выполненный с возможностью вмещения сжиженной рабочей текучей среды и газообразной рабочей текучей среды в термодинамическом равновесии. Охлаждающее устройство функционально соединено с сосудом для сбора рабочей текучей среды и выполнено с возможностью отведения тепла от содержащегося в нем или предназначенного для сбора в нем рабочей текучей среды и снижения таким образом давления в указанной термодинамической системе.
Кроме того, в настоящем документе описан способ снижения давления текучей среды в термодинамической системе, включающей в себя замкнутый контур, вмещающий рабочую текучую среду и имеющий секцию высокого давления; секцию низкого давления; компрессорную установку, установленную между секцией высокого давления и секцией низкого давления; по меньшей мере один сосуд для сбора рабочей текучей среды, выполненный с возможностью вмещения сжиженной рабочей текучей среды и газообразной рабочей текучей среды в термодинамическом равновесии;
причем способ включает следующие этапы:
отвод тепла от рабочей текучей среды, пока компрессорная установка находится в нерабочем состоянии;
конденсация части рабочей текучей среды из газообразной фазы в жидкую фазу, таким образом снижая давление в замкнутом контуре, и
начало работы компрессорной установки при достижении порогового значения пускового давления в по меньшей мере части замкнутого контура.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления этап конденсации рабочей текучей среды из газообразной фазы в жидкую фазу включает этап откачивания рабочей текучей среды в газообразной фазе из сосуда для сбора рабочей текучей среды.
Объект изобретения, описанный в настоящем документе, также относится к термодинамической системе, содержащей:
замкнутый холодильный контур, выполненный с возможностью циркуляции в нем рабочей текучей среды, состоящий из теплообменного устройства, выполненного с возможностью циркуляции холодного расширенного рабочей текучей среды в теплообменном соотношении с технологической текучей средой и отвода от него тепла;
сосуд для сбора рабочей текучей среды под давлением, соединенный по текучей среде непосредственно или опосредованно с холодильным контуром и выполненный с возможностью сбора указанной рабочей текучей среды, и
установку хранения сжиженного технологической текучей среды, выполненную с возможностью сбора в ней сжиженного технологической текучей среды;
причем охлаждающее устройство функционально соединено с указанным сосудом для сбора рабочей текучей среды и выполнено с возможностью отведения тепла от собранной в нем рабочей текучей среды посредством теплообмена с технологической текучей средой из установки хранения сжиженного технологической текучей среды.
Тепло можно отводить путем циркуляции рабочей текучей среды из сосуда для сбора рабочей текучей среды через охлаждающее устройство и обратно в сосуд для сбора рабочей текучей среды. В других вариантах осуществления тепло можно отводить от рабочей текучей среды перед сбором рабочей текучей среды в сосуде для сбора.
В некоторых вариантах осуществления технологическая текучая среда может представлять собой природный газ, а замкнутый холодильный контур может представлять собой холодильный контур установки или системы сжижения природного газа, которая может включать в себя один или более холодильных контуров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Более полную оценку описанных вариантов осуществления изобретения и многих сопутствующих его преимуществ можно легко получить и лучше понять в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с сопровождающими его рисунками, где:
на Фиг. 1 представлена схема термодинамической системы, включающей в себя замкнутый контур и компрессор;
на Фиг. 2 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии с первым вариантом осуществления;
на Фиг. 3 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии со вторым вариантом осуществления;
на Фиг. 4 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии с третьим вариантом осуществления;
на Фиг. 5 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии с четвертым вариантом осуществления;
на Фиг. 6 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии с пятым вариантом осуществления;
на Фиг. 7 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии с шестым вариантом осуществления;
на Фиг. 8 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии с седьмым вариантом осуществления;
на Фиг. 9 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии с восьмым вариантом осуществления;
на Фиг. 10 представлен сосуд для накопления рабочей текучей среды и объединенное с ним охлаждающее устройство в соответствии с девятым вариантом осуществления;
на Фиг. 11 и 12 представлены блок-схемы способов перезапуска термодинамической системы в соответствии с настоящим описанием;
на Фиг. 13 представлена схема термодинамической системы в комбинации с системой сжижения природного газа;
на Фиг. 14 представлен вариант осуществления резервуара для хранения сжиженного газа устройства, показанного на Фиг. 13, в комбинации с сосудом для сбора рабочей текучей среды и соответствующим охлаждающим устройством в одном варианте осуществления;
на Фиг. 15 представлен дополнительный вариант осуществления резервуара для хранения сжиженного газа устройства, показанного на Фиг. 13, в комбинации с сосудом для сбора рабочей текучей среды и соответствующим охлаждающим устройством;
на Фиг. 16 представлен дополнительный вариант осуществления резервуара для хранения сжиженного газа устройства, показанного на Фиг. 13, в комбинации с сосудом для сбора рабочей текучей среды и соответствующим охлаждающим устройством;
на Фиг. 17 представлен дополнительный вариант осуществления резервуара для хранения сжиженного газа устройства, показанного на Фиг. 13, в комбинации с сосудом для сбора рабочей текучей среды и соответствующим охлаждающим устройством;
на Фиг. 18 представлен дополнительный вариант осуществления резервуара для хранения сжиженного газа устройства, показанного на Фиг. 13, в комбинации с сосудом для сбора рабочей текучей среды и соответствующим охлаждающим устройством;
на Фиг. 19 представлен дополнительный вариант осуществления резервуара для хранения сжиженного газа устройства, показанного на Фиг. 13, в комбинации с сосудом для сбора рабочей текучей среды и соответствующим охлаждающим устройством;
на Фиг. 20 и 21 представлены измененные конфигурации охлаждающего устройства, показанного на Фиг. 19;
на Фиг. 22 и 23 представлены дополнительные варианты осуществления резервуара для хранения сжиженного газа устройства, показанного на Фиг. 13, в комбинации с сосудом для сбора рабочей текучей среды и соответствующим охлаждающим устройством; и
на Фиг. 24 представлен измененный вариант осуществления охлаждающего устройства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В соответствии с одним аспектом настоящий объект изобретения относится к системам и способам, предназначенным для облегчения запуска термодинамической системы после отключения компрессора или другой компрессорной установки, вследствие чего балансовое давление (БД) внутри термодинамической системы возрастает. В частности, в нескольких вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, предложена термодинамическая система, которая включает в себя замкнутый контур, выполненный с возможностью циркуляции рабочей текучей среды, подвергающегося циклическим термодинамическим преобразованиям. В процессе эксплуатации компрессор или любая другая компрессорная установка, предусмотренная в замкнутом контуре или параллельно с ним, повышает давление рабочей текучей среды и обеспечивает циркуляцию рабочей текучей среды в замкнутом контуре. Замкнутый контур содержит несколько секций, таких как секция низкого давления и секция высокого давления. Компрессорная установка всасывает рабочую текучую среду из секции низкого давления и нагнетает рабочую текучую среду в секцию высокого давления. Термодинамическая система может дополнительно содержать по меньшей мере одно устройство для отвода тепла и конденсации текучей среды, причем сжатую рабочую текучую среду охлаждают и по меньшей мере частично конденсируют. Термодинамическая система дополнительно содержит по меньшей мере один сосуд для сбора текучей среды, выполненный с возможностью сбора рабочей текучей среды в состоянии равновесия жидкости/газа, т.е. содержания рабочей текучей среды в двухфазном состоянии, частично в жидком состоянии и частично в газообразном состоянии или в состоянии пара.
При отключении компрессорной установки, например, компрессора, который подает рабочую текучую среду в секцию высокого давления рабочих путей замкнутого контура, весь замкнутый контур начинает нагреваться вследствие воздействия температуры окружающей среды. Поскольку контур содержит двухфазную рабочую текучую среду в по меньшей мере одной его части, жидкая фаза начинает испаряться, таким образом повышая давление внутри всего замкнутого контура до тех пор, пока не будет достигнуто балансовое давление, которое зависит от фактической температуры внутри замкнутого контура.
Для облегчения перезапуска термодинамической системы, не прибегая к газовыпуску текучей среды и сжиганию газа на факеле, рабочая текучая среда, содержащаяся в по меньшей мере одном вышеуказанном сосуде для сбора текучей среды, охлаждается, таким образом снижая температуру внутри замкнутого контура и по меньшей мере частично конденсируя газообразную рабочую текучую среду, присутствующую в контуре, в сжиженную рабочую текучую среду. Таким образом, давление в замкнутом контуре постепенно снижается, пока не будет достигнуто значение давления, подходящее для запуска термодинамической системы. Это значение давления представляет собой равновесное давление двухфазной системы жидкость - газ в сосуде для сбора текучей среды при температуре, достигнутой посредством находящейся в нем рабочей текучей среды.
Таким образом, запуск компрессорной установки можно выполнять, не прибегая к установке крупногабаритного привода для компрессорной установки, и без потери ценной рабочей текучей среды, содержащейся в замкнутом контуре.
В соответствии с более общим аспектом объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к системам и способам снижения равновесного давления в двухфазной системе, содержащей жидкую фазу и газообразную фазу рабочей текучей среды, например в сосуде для сбора текучей среды, образующем часть термодинамической системы. Равновесное давление может быть увеличено после нагревания двухфазной системы; снижение равновесного давления может потребоваться по нескольким причинам, например для возобновления циркуляции рабочей текучей среды в замкнутом контуре или во избежание перебоев в работе системы. В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, предложено охлаждающее устройство, которое отводит тепло от двухфазной системы и таким образом снижает равновесное давление в двухфазной системе.
Ниже будут даны подробные ссылки на варианты осуществления описания, один или более примеров которого проиллюстрированы на чертежах. Каждый из примеров приводится для пояснения описания, а не ограничения настоящего описания. В сущности, специалистам в данной области должно быть очевидно, что в рамках настоящего описания можно создавать различные модификации и вариации без отступления от объема или сущности данного описания. Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» или «некоторые варианты осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления описанного объекта изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте осуществления», «в варианте осуществления» или «в некоторых вариантах осуществления» в различных местах во всем данном описании не обязательно относится к одному(-им) и тому (тем) же варианту(-ам) осуществления изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики можно комбинировать любым приемлемым способом в одном или более вариантах осуществления.
При представлении элементов различных вариантов осуществления формы единственного и множественного числа и слово «указанный» предназначены для обозначения того, что существует один или более элементов. Термины «содержащий», «включающий в себя» и «имеющий» предназначены для указания включения и означают, что помимо перечисленных элементов могут существовать дополнительные элементы.
Обратимся теперь к чертежам. На Фиг. 1 представлена схема примера термодинамической системы 1. Термодинамическая система 1 может состоять из замкнутого контура 3, в котором для рабочей текучей среды обеспечена возможность циркуляции и циклических термодинамических преобразований, включая сжатие, конденсацию, охлаждение и расширение. Циркуляция рабочей текучей среды в замкнутом контуре 3 осуществляется при помощи компрессорной установки 5. В настоящем документе термин «компрессорная установка» прямо определяется как включающий в себя любую машину или систему, в которой рабочая текучая среда подается при первом давлении - давлении всасывания, и из которой рабочая текучая среда подается при втором давлении - давлении нагнетания, причем давление нагнетания более высокое, чем давление всасывания. В примере осуществления, показанном на Фиг. 1, компрессорная установка 5 содержит компрессор 7, имеющий сторону 7S всасывания и сторону 7D нагнетания.
Ниже по потоку от компрессорной установки 5 по отношению к направлению потока рабочей текучей среды, схематически обозначенного стрелкой FF, предусмотрено устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды. В настоящем документе термин «устройство для отвода тепла и конденсации текучей среды» прямо определяется как любое оборудование, система или конструкция, способные отводить тепло от циркулирующей в них рабочей текучей среды и по меньшей мере частично конденсировать рабочую текучую среду из газообразного состояния в жидкое состояние. Таким образом, устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды может включать в себя теплообменник, например, теплообменник жидкость/воздух или жидкость/жидкость. В других вариантах осуществления устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды может включать в себя любой другой тип устройства или аппарата отвода тепла. Устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды также может быть частью многопоточных теплообменников, таких как, например, пластинчато-ребристые теплообменники или змеевиковые теплообменники.
Конденсатосборник 11 расположен ниже по потоку от устройства 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды. Участок замкнутого контура 3 между стороной 7D нагнетания компрессора 7 и конденсатосборником 11 образует первую секцию - секцию высокого давления замкнутого контура 3. Участок замкнутого контура 3 ниже по потоку от расширительного клапана 17, или 27, или 52 или ниже по потоку от испарителя, который будет описан ниже, вплоть до стороны 7S всасывания компрессора 7, образует вторую секцию - секцию низкого давления замкнутого контура 3.
В некоторых вариантах осуществления вторая секция (секция низкого давления) замкнутого контура 3 может содержать секцию 13 испарения. В некоторых вариантах осуществления секция 13 испарения может включать в себя один или более испарителей 15, которые соединены по текучей среде с конденсатосборником 11 и дополнительно соединены по текучей среде с компрессорной установкой 5, например, со стороной 7D всасывания компрессора 7. В некоторых вариантах осуществления, как показано на Фиг. 1, испарители 15 могут быть смонтированы параллельно. В других вариантах осуществления испарители могут быть частью многопоточных теплообменников, таких как, например, пластинчато-ребристые теплообменники или змеевиковые теплообменники.
В некоторых вариантах осуществления между каждым испарителем 15 и конденсатосборником 11 установлен соответствующий редукционный клапан 17. Первая секция (секция высокого давления) замкнутого контура продолжается вплоть до редукционных клапанов 17.
Каждым редукционным клапаном 17 может управлять соответствующее устройство 19 управления уровнем, которое избирательно открывает и закрывает редукционный клапан 17 для поддержания желательного уровня сжиженной рабочей текучей среды внутри соответствующего испарителя 15. Таким образом, рабочая текучая среда из конденсатосборника 11 нагнетается при более низком давлении в каждый испаритель 15 по запросу устройства 19 управления уровнем путем открывания соответствующего редукционного клапана 17.
Секцию 13 испарения можно использовать для охлаждения потока технологической текучей среды, который циркулирует в контуре 21 технологической текучей среды, имеющем впускное отверстие 21А для текучей среды и выпускное отверстие 21В для текучей среды. Горячий технологическая текучая среда поступает в секцию 13 испарения из впускного отверстия 21А для текучей среды при первой температуре и выходит из секции 13 испарения из выпускного отверстия 21В для текучей среды со второй температурой, которая ниже первой температуры. Технологическая текучая среда охлаждается за счет скрытой теплоты, поглощаемой рабочей текучей средой в испарителях 15. Таким образом, рабочая текучая среда в испарителях 15 постепенно испаряется, а газообразная рабочая текучая среда, полученная таким образом, нагнетается в компрессорную установку 5. В испарителях поддерживают достаточное количество сжиженной рабочей текучей среды в условиях кипения путем выборочного открывания редукционных клапанов 17 под управлением устройств 19 управления уровнем.
В некоторых вариантах осуществления емкость 23 на всасе может быть расположена во второй секции (секции низкого давления) замкнутого контура 3 между секцией 13 испарения и стороной всасывания компрессорной установки 5. Емкость 23 на всасе может содержать хранящуюся в ней рабочую текучую среду в состоянии термодинамического равновесия в двухфазном состоянии, причем рабочая текучая среда частично находится в газообразном состоянии и частично находится в сжиженном состоянии. В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрено устройство 25 управления уровнем для поддержания желательного значения уровня жидкости в емкости 23 на всасе. Устройство 25 управления уровнем может быть функционально соединено с управляющим клапаном 27 уровня, расположенным на соединительной линии 29, которая соединяет по текучей среде емкость 23 на всасе с конденсатосборником 11. Рабочая текучая среда в газообразной фазе всасывается с помощью компрессорной установки 5, сжимается и нагнетается в устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды. Если уровень текучей среды в емкости 23 на всасе падает ниже минимального порогового значения, устройство 25 управления уровнем открывает управляющий клапан 27 уровня, так что уровень текучей среды в емкости 23 на всасе восстанавливается за счет сжиженной рабочей текучей среды из конденсатосборника 11.
В некоторых вариантах осуществления емкость 23 на всасе может быть соединена по текучей среде с испарителем низкого давления (не показан) через линию 23А подачи текучей среды и линию 23В возврата пара. В некоторых вариантах осуществления противопомпажная линия 33 может заканчиваться ниже уровня жидкости внутри емкости 23 на всасе, например, при отсутствии теплообменника на пути рециркулирующего противопомпажного потока.
Хотя на схеме, изображенной на Фиг. 1, уже описанной в настоящем документе, замкнутый контур 3 содержит компрессорную установку 5, которая включает в себя несложный компрессор 7, в других вариантах осуществления может быть предусмотрена более сложная термодинамическая система 1, в которой секция низкого давления замкнутого контура 3 содержит большее количество устройств и более сложный комплекс оборудования, посредством которого рабочая текучая среда обрабатывается и подвергается какому-либо однофазному или многофазному процессу. Для понимания настоящего описания важно то, что давление рабочей текучей среды между секцией низкого давления и секцией высокого давления термодинамической системы возрастает за счет подводимой к ней энергии, например в виде механической энергии, используемой для приведения в действие компрессора.
На схеме, изображенной на Фиг. 1, показан привод 31, который приводит во вращение компрессор 7, обеспечивая необходимую механическую энергию. Привод 31 может представлять собой электрический двигатель. В других вариантах осуществления привод 31 может представлять собой генерирующую механическую энергию турбомашину, такую как газотурбинный двигатель или паровая турбина. В других дополнительных вариантах осуществления привод 31 может включать в себя двигатель внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением.
Более того, на Фиг. 1 секция 13 испарения помещена в секцию низкого давления замкнутого контура 3 термодинамической системы 1, и следует понимать, что это просто предусмотрено в качестве примера осуществления.
Фактически термодинамическая система 1 может содержать различные компоновки устройств и машин.
В некоторых вариантах осуществления компрессор 7 может представлять собой осевой компрессор или центробежный компрессор, такой как одноступенчатый или многоступенчатый осевой или центробежный компрессор, компрессор со встроенным редуктором или компрессорный блок.
В некоторых вариантах осуществления сторона 7D нагнетания компрессора 7 соединена по текучей среде с его стороной 7S всасывания посредством противопомпажной линии 33. Противопомпажный клапан 35 может быть расположен на противопомпажной линии 33. Противопомпажный клапан 35 избирательно открывается для предотвращения явления помпажа в компрессоре 7. Например, Противопомпажный клапан 35 может открываться, когда термодинамическая система 1 запускается после периода бездействия. Противопомпажный клапан 35 также может открываться во время работы компрессора 7, если рабочая точка компрессора приближается к линии ограничения помпажа.
Могут быть предусмотрены охлаждающие приспособления для охлаждения рабочей текучей среды, подаваемой со стороны нагнетания компрессора 7, до всасывания на его стороне всасывания, тем самым предотвращая перегрев рабочей текучей среды при открытой противопомпажной линии 33.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления для охлаждения рециркулирующей рабочей текучей среды между стороной 7D нагнетания компрессора 7 и емкостью 23 на всасе может быть предусмотрен холодильник 37, предпочтительно между стороной 7D нагнетания и противопомпажным клапаном 35. Газ, циркулирующий в противопомпажной линии 33, может быть охлажден в холодильнике 37 перед поступлением в емкость 23 на всасе и предпочтительно выше по потоку от противопомпажного клапана 35.
В комбинации с холодильником 37 или вместо него на линии 54 может быть предусмотрен охлаждающий клапан 52 или другое распылительное устройство, соединенное по текучей среде с конденсатосборником 11 и противопомпажной линией 33. Линия 54 может быть соединена с противопомпажной линией 33 между противопомпажным клапаном 37 и емкостью 23 на всасе. Таким образом, сконденсированная рабочая текучая среда, расширенный в клапане 52 быстрого охлаждения, может подаваться из конденсатосборника 11 в противопомпажную линию 33 для снижения температуры газа, циркулирующего в противопомпажной линии 33.
В дополнительных вариантах осуществления свободный конец противопомпажной линии 33 может быть расположен ниже уровня текучей среды в емкости 23 на всасе для охлаждения горячего рециркулированной газообразной рабочей текучей среды за счет теплообмена с накопленной жидкостью. В этом случае можно отказаться от устройств охлаждения на противопомпажной линии 33.
Между компрессорной установкой 5 и устройством 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды может быть предусмотрен обратный клапан 39. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления между компрессорной установкой 5 и устройством 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды может быть предусмотрен отсечной клапан 41. Дополнительный отсечной клапан 42 может быть установлен между секцией 13 испарения и емкостью 23 на всасе. Закрывание отсечных клапанов 41 и 42 изолирует компрессорную установку 5 от контура 3.
В некоторых вариантах осуществления первый отсечной клапан 48 компрессора и второй отсечной клапан 50 компрессора могут быть расположены на стороне 7S всасывания и на стороне 7D нагнетания компрессора 7 для изоляции компрессора 7 от остального контура 3 и при необходимости сброса давления в компрессоре 7.
Термодинамическая система 1 работает следующим образом. Рабочая текучая среда непрерывно циркулирует в замкнутом контуре 3 с помощью компрессорной установки 5 с использованием механической энергии, создаваемой приводом 31. Сжатая рабочая текучая среда в газообразном состоянии нагнетается в устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды. В настоящем документе термин «газообразный» прямо определяется как также включающий текучую среду в состоянии пара. Тепло удаляется из газообразной рабочей текучей среды, протекающей через это устройство, и в результате рабочая текучая среда по меньшей мере частично конденсируется и собирается в конденсатосборнике 11.
Затем сконденсированная рабочая текучая среда подается через редукционные клапаны 17 к испарителям 15. Рабочая текучая среда низкого давления в испарителях 15 кипит при относительно низкой температуре, поглощая скрытую теплоту испарения из технологической текучей среды, циркулирующего в контуре 21 технологической текучей среды, который вследствие этого охлаждается. Рабочая текучая среда в газообразном состоянии нагнетается через емкость 23 на всасе в компрессорную установку 5, сжимается и снова подается в устройство для отвода тепла и конденсации текучей среды.
Таким образом, в нормальных рабочих условиях рабочая текучая среда в жидком состоянии и рабочая текучая среда в газообразном состоянии находятся в состоянии термодинамического равновесия в нескольких секциях термодинамического контура и, в частности, в по меньшей мере конденсатосборнике 11 и, возможно, в емкости 23 на всасе.
При останове термодинамической системы 1 рабочая текучая среда в замкнутом контуре 3 начинает испаряться и повышать давление в замкнутом контуре 3 до тех пор, пока не будет достигнуто балансовое давление. Это давление зависит от температуры, достигнутой в термодинамической системе, которая может составлять, например, 50°С, например 60°С или даже выше, если замкнутый контур 3 подвергается воздействию, например, солнечного излучения. Результирующее балансовое давление может оказаться настолько высоким, что компрессорная установка 5 не сможет снова перезапускать систему.
В соответствии с настоящим описанием, чтобы не прибегать к газовыпуску замкнутого контура 3 или использованию других сложных и неэффективных мер, давление рабочей текучей среды уменьшают за счет отвода тепла Н от замкнутого контура 3, что в результате приводит к конденсации содержащейся в нем испаренной рабочей текучей среды. На Фиг. 1 это схематически представлено стрелкой Н, которая наглядно показывает отведение тепла от рабочей текучей среды, содержащегося в конденсатосборнике 11.
Как правило, тепло можно отводить от любого участка, элемента, любой части или секции термодинамической системы 1, в которых рабочая текучая среда как в жидком, так и в газообразном состоянии находится в состоянии термодинамического равновесия. Вместо отвода тепла от конденсатосборника 11 тепло можно отводить, например, от емкости 23 на всасе. Как правило, тепло можно отводить от любого сосуда для сбора текучей среды, предусмотренного в замкнутом контуре или соединенного с ним по текучей среде и в котором собирается двухфазная рабочая текучая среда.
Таким образом, в настоящем документе сосуд для сбора текучей среды можно понимать как любой сосуд, контейнер или устройство, которые выполнены с возможностью вмещения рабочей текучей среды в двух фазах, а именно в жидкой и газообразной фазе, в термодинамическом равновесии.
Как правило, по меньшей мере одно охлаждающее устройство для отвода тепла и конденсации газа в замкнутом контуре 3 может быть функционально соединено с по меньшей мере одним сосудом для сбора текучей среды для отвода тепла, конденсации рабочей текучей среды и снижения таким образом давления в замкнутом контуре 3 от балансового давления до более низкого уровня давления, при котором термодинамическая система 1 может быть снова запущена.
Используемый в настоящем документе термин «охлаждающее устройство» прямо определяется как любое устройство, система, оборудование или агрегат, выполненные с возможностью отведения тепла от сосуда для сбора текучей среды для конденсации газообразного рабочей текучей среды и снижения внутреннего давления в замкнутом контуре 3.
Ниже со ссылкой на Фиг. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 будут описаны несколько вариантов осуществления возможных охлаждающих устройств. Некоторые из данных охлаждающих устройств описаны в функциональной связи с конденсатосборником 11. По меньшей мере некоторые из указанных охлаждающих устройств могут быть функционально соединены с другим сосудом для сбора текучей среды термодинамической системы, например с емкостью 23 на всасе. В более общем смысле, хотя на Фиг. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 будет дана ссылка на «сосуд для сбора текучей среды», обозначенный как конденсатосборник 11 на Фиг. 1, следует понимать, что такой сосуд для сбора текучей среды может представлять собой другую часть или компонент термодинамической системы 1, выполненные с возможностью сбора жидкости и газообразной рабочей текучей среды в состоянии термодинамического равновесия.
В некоторых вариантах осуществления для охлаждающего устройства требуется источник охлаждающей текучей среды. Этот источник охлаждающей текучей среды может быть обеспечен с помощью другого способа в более сложной установке, в которую термодинамическая система 1 входит как составная часть. В других вариантах осуществления может быть предусмотрен специальный холодильный цикл, предназначенный для запуска термодинамической системы 1 путем снижения давления внутри замкнутого контура 3, когда это необходимо.
В продолжение ссылок на Фиг. 1 на Фиг. 2 представлен вариант осуществления охлаждающего устройства 51 для отвода тепла от рабочей текучей среды, содержащегося в замкнутом контуре 3 термодинамической системы 1. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, охлаждающее устройство 51 содержит первое устройство отвода тепла, выполненное с возможностью отведения тепла от сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды. Первое устройство отвода тепла может содержать теплообменник 53, расположенный в сосуде для сбора текучей среды, образующем часть замкнутого контура 3 или соединенным с ним по текучей среде. В некоторых вариантах осуществления сосуд для сбора текучей среды может представлять собой конденсатосборник 11 термодинамической системы 1, изображенной на Фиг. 1. Поэтому на Фиг. 2 и на следующих фигурах сосуд для сбора текучей среды обозначен номером 11. Однако следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления термодинамическая система может включать в себя конденсатосборник и отдельный сосуд для сбора текучей среды, которые могут быть соединены по текучей среде друг с другом. Такая конфигурация будет описана ниже со ссылкой на некоторые примеры осуществления.
В теплообменнике 53 происходит циркуляция хладагента. Например, хладагент может содержать текучую среду, выбранную из группы, состоящей из: метана, азота, смешанного хладагента, этана, этилена, пропилена, аммиака, бутана или их смесей. Хотя вышеупомянутые текучие среды указаны в качестве примера, следует понимать, что в зависимости от рабочих условий термодинамической системы 1 можно использовать и другие хладагенты. Хладагент может нагнетаться с помощью специально предназначенного для этого холодильного контура или может быть обеспечен другим способом, предусмотренным на установке, в которой расположена термодинамическая система 1.
Температура хладагента, циркулирующего в теплообменнике 53, ниже температуры сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде для сбора текучей среды. Теплообменник 53 может содержать, например, трубный пучок, один или более змеевиков, одну или более ребристых пластин или их комбинации, которые могут быть частично или полностью погружены в сжиженную рабочую текучую среду, содержащуюся в сосуде 11 для сбора текучей среды.
Охлаждающее устройство 51 может дополнительно содержать первый циркуляционный насос 55, выполненный с возможностью обеспечения циркуляции сжиженной рабочей текучей среды. Циркуляционный насос 55 может быть установлен на байпасной линии параллельно с участком замкнутого контура 3. Например, циркуляционный насос 55 может располагаться в байпасной линии 57 между первым управляющим или отсечным клапаном 59 и вторым управляющим или отсечным клапаном 61. Обратный клапан 63 может быть установлен на замкнутом контуре 3 параллельно с циркуляционным насосом 55. Дополнительный обратный клапан 62 может быть установлен на байпасной линии 57 между циркуляционным насосом 55 и вторым управляющим или отсечным клапаном 61.
В некоторых вариантах осуществления циркуляционный насос 55 соединен по текучей среде с по меньшей мере одним клапаном быстрого охлаждения или распылительным соплом 65 или другим распылительным устройством, расположенным в верхней части сосуда 11 для сбора текучей среды. Циркуляционный насос 55 может быть соединен по текучей среде с клапанами 65 быстрого охлаждения через линию 66, на которой может быть размещен управляющий или отсечной клапан 67. Параллельно с управляющим или отсечным клапаном 67 расположена байпасная линия 68, выполненная с возможностью избирательного соединения стороны нагнетания циркуляционного насоса 55 с трубопроводом 3А подачи текучей среды, образующим часть замкнутого контура 3, и соединения по текучей среде сосуда 11 для сбора текучей среды с расположенным выше по потоку участком замкнутого контура 3, например с устройством 9 конденсации текучей среды. Открытый конец трубопровода 3А подачи текучей среды может находиться ниже уровня сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды. В некоторых вариантах осуществления отсекающие клапаны 69, 71 расположены на байпасной линии 68. Между клапанами 69, 71 байпасная линия 68 соединена по текучей среде с устройством 73 удаления неконденсируемых текучих сред, выполненным с возможностью удаления неконденсируемых текучих сред из сосуда 11 для сбора текучей среды.
Клапаны 65 быстрого охлаждения или другие распыляющие устройства могут быть выполнены с возможностью распыления мелких капель сжиженной рабочей текучей среды в газообразную рабочую текучую среду, содержащуюся в сосуде 11 для сбора текучей среды. Таким образом, охлаждение достигается за счет ощущаемой теплопередачи и скрытой теплопередачи, поскольку капли подвергаются испарению, поглощая скрытое тепло из газообразной рабочей текучей среды.
Во время нормальной работы термодинамической системы 1 отсекающий клапан 69 открыт, тогда как отсекающий клапан 71 закрыт. Во время фазы охлаждения при отведении тепла от сосуда 11 для сбора текучей среды посредством охлаждающего устройства 51 клапан 69 закрыт, тогда как клапан 71 открыт.
В некоторых вариантах осуществления (не показаны) вместо устройства 73 удаления неконденсируемых текучих сред может быть предусмотрен специальный вентиляционный клапан.
В некоторых вариантах осуществления, в частности, если открытый конец трубопровода 3А подачи текучей среды находится ниже уровня сжиженной текучей среды в сосуде 11 для сбора текучей среды, охлаждающее устройство 51 может быть дополнительно снабжено сифонным прерывателем 75, выполненным с возможностью предотвращения поступления сжиженного рабочей текучей среды в трубопровод 3А подачи текучей среды либо для выпуска сжиженной рабочей текучей среды из трубопровода 3А подачи текучей среды таким образом, чтобы уровень текучей среды в трубопроводе 3А подачи текучей среды был таким же, как в резервуаре 11 для сбора текучей среды.
В некоторых вариантах осуществления охлаждающее устройство 51 может дополнительно содержать систему 77 управления температурой, выполненную с возможностью определения температуры сжиженного рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды. В некоторых вариантах осуществления, как схематически показано на Фиг. 2, система 77 управления температурой содержит множество датчиков температуры, например первый датчик температуры на дне сосуда 11 для сбора текучей среды и второй датчик температуры вблизи верхнего уровня сжиженной рабочей текучей среды, так что может быть определен температурный профиль в направлении глубины сжиженной рабочей текучей среды. Эта информация может быть особенно полезной при охлаждении текучей среды и снижении давления.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления может быть предусмотрена резервная соединительная линия 78 для соединения стороны нагнетания насоса 55 с трубопроводом 3А подачи текучей среды. Отсечной клапан 76 может быть предусмотрен на резервной соединительной линии 78 для избирательного закрывания или открывания резервной линии 78. Дополнительно может быть предусмотрен клапан быстрого охлаждения или распылительное сопло 80, в которые сжиженная рабочая текучая среда может нагнетаться насосом 55 через резервную линию 78, когда отсечной клапан 76 открыт, и с помощью которых охлажденный сжиженная рабочая текучая среда можно впрыскивать в трубопровод 3А подачи текучей среды.
Клапан 80 быстрого охлаждения на резервной линии 78 можно использовать в качестве альтернативы клапану 68 или в комбинации с ним. Таким образом в трубопровод 3А подачи можно впрыскивать жидкость.
В большинстве случаев компоновку с использованием клапана быстрого охлаждения или распылительного сопла 80, как описано выше, также можно использовать отдельно или в сочетании с другими охлаждающими устройствами в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе.
Резервная соединительная линия 78 и соответствующий клапан 80 быстрого охлаждения могут быть, в частности, полезны, например, в качестве резервных средств охлаждения в случае отказа клапанов 65 быстрого охлаждения. Перед активацией резервной линии 78 сжиженная рабочая текучая среда должен быть выпущен из трубопровода 3А подачи текучей среды, например, путем открывания сифонного прерывателя 75.
При использовании охлаждающего устройства 51, показанного на Фиг. 2, могут быть выполнены следующие этапы для снижения давления в термодинамической системе 1 до запуска термодинамической системы после ее отключения, как только давление внутри замкнутого контура 3 достигнет балансового давления.
На первом этапе хладагент может начать течь через теплообменник 53. После того, как температура сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды, снизилась, т.е. сжиженная рабочая текучая среда был доохлажден, можно включать циркуляционный насос 55. Например, когда компрессорная установка 5 отключена, отсечной управляющий клапан 79, расположенный в замкнутом контуре 3 ниже по потоку от циркуляционного насоса 55 и ниже по потоку от управляющего клапана 61, предварительно закрыт. Таким образом, при запуске насоса 55 текучая среда не нагнетается в секцию низкого давления замкнутого контура 3. Управляющие клапаны 59, 61, 67 могут быть открыты, так что сжиженная рабочая текучая среда под давлением нагнетается к клапанам 65 быстрого охлаждения и впрыскивается в сосуд 11 для сбора текучей среды при низком давлении. Рабочая текучая среда низкого давления, впрыскиваемая таким образом в сосуд 11 для сбора текучей среды, охлаждает газообразную рабочую текучую среду, содержащуюся в сосуде 11 для сбора текучей среды, и способствует конденсации, тем самым снижая давление в сосуде 11 для сбора текучей среды.
При наличии устройства 73 удаления неконденсируемых текучих сред клапан 71 может быть открыт, а клапан 69 может быть закрыт, так что охлажденная сжиженная рабочая текучая среда из сосуда 11 для сбора текучей среды нагнетается насосом 55 также через устройство 73.
Пока описанный выше процесс продолжается, количество сжиженной рабочей текучей среды в сосуде 11 для сбора текучей среды увеличивается, а общее количество газообразной рабочей текучей среды в замкнутом контуре 3 падает, что приводит к общему снижению давления в замкнутом контуре 3. Процесс охлаждения может прерываться при достижении порогового значения нижнего давления в замкнутом контуре 3, при котором может быть запущена компрессорная установка 5.
В продолжение ссылок на Фиг. 1 и 2 на Фиг. 3 показан дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 51. Одинаковые номера позиций обозначают те же самые или соответствующие части, элементы или компоненты, уже показанные на Фиг. 2 и описанные выше, и не будут описаны снова. Охлаждающее устройство 51, изображенное на Фиг. 3, отличается от охлаждающего устройства, изображенного на Фиг. 2, главным образом тем, что теплообменник 53, погруженный в сжиженную рабочую текучую среду, содержащуюся в сосуде 11 для сбора текучей среды, заменен внешним теплообменником 81. Теплообменник 81 образует часть устройства отвода тепла, выполненного с возможностью отведения тепла от сжиженной рабочей текучей среды, удаленной из сосуда 11 для сбора текучей среды и циркулирующего по горячей стороне теплообменника 81, в теплообменном соотношении с хладагентом, циркулирующим по холодной стороне теплообменника 81. Хладагент отводит тепло от сжиженной рабочей текучей среды, нагнетаемой циркуляционным насосом 55 в процессе снижения давления перед запуском термодинамической системы 1.
Сжиженная рабочая текучая среда, циркулирующая через горячую сторону теплообменника 81, может поступать через линию 83 подачи в погруженные сопла 85, которые могут быть расположены на разных уровнях в сжиженной рабочей текучей среде, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды. Погруженные сопла 85 образуют часть первого устройства отвода тепла, выполненного с возможностью отведения тепла от сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды.
Клапан 87 может избирательно открывать или закрывать линию 83 подачи. Путем воздействия на управляющие клапаны 67, 69, 71, 87 рабочая текучая среда, нагнетаемая циркуляционным насосом 55, может избирательно подаваться к погруженным соплам 85, к клапанам 65 быстрого охлаждения, к устройству 73 удаления неконденсируемых текучих сред и/или к трубопроводу 3А подачи текучей среды.
Охлаждающее устройство 51, показанное на Фиг. 3, может работать следующим образом. При необходимости снижения балансового давления в замкнутом контуре 3 для перезапуска термодинамической системы 1 клапан 69 может быть закрыт (клапаны 79, 71, 67 уже закрыты при автоматическом отключении компрессорной установки 5 или во время нормальной работы), клапаны 87 и 71 могут быть открыты, и циркуляционный насос 55 начинает работать. Сжиженная рабочая текучая среда всасывается насосом 55 со дна сосуда 11 для сбора текучей среды и нагнетается через теплообменник 81. Тепло может отводить хладагент в теплообменнике 81, а охлажденный сжиженная рабочая текучая среда может быть возвращена по линии 83 в сосуд 11 для сбора текучей среды. После того, как температура сжиженной рабочей текучей среды в сосуде 11 для сбора текучей среды снизилась, т.е. сжиженная рабочая текучая среда была доохлаждена, по меньшей мере часть сжиженной рабочей текучей среды, циркулирующей с помощью циркуляционного насоса 55, может подаваться к клапанам 65 быстрого охлаждения по линии 66 и через клапан 67, который открыт. Сжиженная рабочая текучая среда, впрыскиваемая через клапаны 65 быстрого охлаждения при низком давлении в сосуд 11 для сбора текучей среды, способствует конденсации газообразного рабочей текучей среды.
Клапан 71 может быть открыт во время или предпочтительно после доохлаждения сжиженной рабочей текучей среды в сосуде 11 для сбора текучей среды.
Таким образом, давление в замкнутом контуре 3 снижается и термодинамическая система 1 может быть снова запущена после достижения подходящего порогового значения низкого давления.
Как упомянуто в связи с Фиг. 1, на Фиг. 3, хладагент, циркулирующий в теплообменнике 81, также может быть обеспечен другим способом в установке, в которой размещена термодинамическая система 1, или может быть обеспечен специальным холодильным контуром.
В продолжение ссылок на Фиг. 1, 2 и 3 на Фиг. 4 показан дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 51, объединенного с сосудом 11 для сбора текучей среды. Те же номера позиций, что использованы на Фиг. 2 и 3, используются на Фиг. 4 для обозначения одинаковых или соответствующих частей, компонентов или элементов, которые не будут описаны снова. Вариант осуществления, изображенный на Фиг. 4, отличается от варианта осуществления, изображенного на Фиг. 3, главным образом тем, что отсутствуют погруженные сопла и не предусмотрена линия 83 для подачи к ним сжиженной рабочей текучей среды.
В противоположность варианту осуществления, изображенному на Фиг. 3, на Фиг. 4 поток сжиженной рабочей текучей среды, нагнетаемой циркуляционным насосом 55 в линию 66, можно подавать избирательно к клапанам 65 быстрого охлаждения или барботерам 91, погруженным в сжиженную рабочую текучую среду, содержащуюся в сосуде 11 для сбора текучей среды. В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 4, барботеры 91 образуют часть первого устройства отвода тепла, выполненного с возможностью отведения тепла от сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды. Барботеры 91 могут располагаться на разной высоте в сжиженной рабочей текучей среде.
Для подачи сжиженной рабочей текучей среды избирательно к погруженным барботерам 91 и/или к клапанам 65 быстрого охлаждения в некоторых вариантах осуществления управляющие клапаны 95 расположены между линией 66 и клапанами 65 быстрого охлаждения. Кроме того, управляющие клапаны 93 могут быть расположены между линией 66 и погруженными барботерами 91.
В некоторых вариантах осуществления управляющие клапаны 93 выполнены в виде расширительных клапанов, таких как клапаны Джоуля - Томсона, так что сжиженная рабочая текучая среда под давлением циркуляционного насоса 55 будет частично испаряться и охлаждаться во время протекания через расширительные клапаны 93. Текучая среда, выходящая из погруженных барботеров 95, может охлаждать сжиженную рабочую текучую среду, чтобы привести ее в доохлажденное состояние.
Как описано в связи с вариантами осуществления, представленными на Фиг. 2 и 3, а также в варианте осуществления, представленном на Фиг. 4, охлаждающим устройством 51 можно управлять таким образом, чтобы выполнялся первый этап доохлаждения для приведения сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды, в доохлажденное состояние до впрыскивания рабочей текучей среды через клапаны 65 быстрого охлаждения. Этого можно добиться путем своевременного управления открыванием и закрыванием клапанов 93 и 95.
Со ссылкой на Фиг. 5 и в продолжение ссылок на Фиг. 1, 2, 3 и 4 описан дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 51. Охлаждающее устройство 51, изображенное на Фиг. 5, отличается от охлаждающего устройства 51, изображенного на Фиг. 4, главным образом тем, что клапаны 93 Джоуля - Томсона заменены простыми открывающимися и закрывающимися управляющими клапанами 94, тогда как клапан 70 Джоуля - Томсона расположен на линии 66 вместо управляющего клапана 67. Клапаны 65 быстрого охлаждения могут быть заменены простыми двухфазными распределительными соплами 64 для текучей среды.
Охлаждающее устройство 51, изображенное на Фиг. 5, может выполнять такой же способ снижения давления, как описано выше, путем управления работой циркуляционного насоса 55 для обеспечения циркуляции сжиженной рабочей текучей среды со дна сосуда 11 для сбора текучей среды через теплообменник 81, в котором сжиженная рабочая текучая среда охлаждается за счет теплообмена с хладагентом, циркулирующим в теплообменнике 81. Охлажденная сжиженная рабочая текучая среда расширяется и частично испаряется в клапане 70 Джоуля - Томсона и может подаваться избирательно к погруженным барботерам 91 и/или к двухфазным распределительным соплам 64 для текучей среды путем избирательного открывания и закрывания управляющих клапанов 94, 95.
Как описано применительно к Фиг. 2, 3 и 4, охлаждающим устройством 51, показанным на Фиг. 5, также можно управлять для выполнения сначала этапа доохлаждения сжиженной рабочей текучей среды в сосуде 11 для сбора текучей среды и последующего начала фактического процесса конденсации содержащейся в нем газообразной рабочей текучей среды.
В продолжение ссылок на Фиг. 1, 2, 3, 4 и 5 на Фиг. 6 представлен дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 51. Охлаждающее устройство 51, показанное на Фиг. 6, по существу идентично охлаждающему устройству 51, изображенному на Фиг. 3, за исключением того, что клапаны 96 Джоуля - Томсона расположены выше по потоку от сопел 64. Сжиженная рабочая текучая среда, подаваемый в клапаны 96 Джоуля - Томсона, частично испаряется через указанные клапаны и затем впрыскивается через сопла 64 в сосуд 11 для сбора текучей среды. При этом холодные капли, содержащиеся в распыляемом потоке, испаряют выделяющееся скрытое тепло из газообразной рабочей текучей среды, содержащегося в верхней части сосуда 11 для сбора текучей среды.
В продолжение ссылок на Фиг. 1, 2, 3, 4, 5 и 6 на Фиг. 7 представлен дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 51. Устройство, показанное на Фиг. 7, такое же, как и на Фиг. 3, с добавлением дополнительного теплообменника 101, в котором хладагент циркулирует в теплообменном соотношении с газовой смесью, поступающей из устройства 73 удаления неконденсируемых текучих сред или из специальной вентиляционной линии и соответствующего вентиляционного клапана, который может быть непосредственно соединен с сосудом 11 для сбора текучей среды.
Газообразная рабочая текучая среда, содержащийся в газовой смеси, конденсируется, отделяется от неконденсируемых текучих сред в газожидкостном сепараторе 103 и нагнетается вторым насосом 105 к сосуду 11 для сбора текучей среды или к замкнутому контуру 3. Отсечные клапаны 115 и 117 могут располагаться на стороне всасывания и на стороне нагнетания насоса 105. На стороне нагнетания насоса 105 может быть дополнительно предусмотрен обратный клапан 116.
Вентиляционный клапан 72 может располагаться между устройством 73 и газожидкостным сепаратором 103. Вентиляционный клапан 72 открывается во время фазы охлаждения рабочей текучей среды для снижения давления в сосуде 11 для сбора текучей среды.
Неконденсируемые текучие среды и/или несконденсированная рабочая текучая среда, отделенная от сжиженной рабочей текучей среды в сепараторе 103, могут быть выпущены.
В некоторых вариантах осуществления газожидкостный сепаратор 103 может представлять собой емкость на всасе, такую как емкость 23 на всасе, изображенная на Фиг. 1. В таком случае неконденсируемые текучие среды вместе с возможной газообразной рабочей текучей средой не будут выпускаться, а будут подаваться на сторону 7D всасывания компрессора 7.
Хладагент в теплообменнике 101 может представлять собой тот же самый хладагент, что и циркулирующий в теплообменнике 81, или другой хладагент. Теплообменники могут содержать, например, один или несколько трубных пучков. В некоторых вариантах осуществления теплообменники могут содержать один или более воздушных охладителей, многопоточных теплообменников, таких как пластинчато-ребристые теплообменники или змеевиковые теплообменники, или т.п. Холодные стороны теплообменников 101 и 81, например, могут быть расположены последовательно или параллельно друг другу.
Газожидкостный сепаратор 103 может представлять собой любое устройство, предусмотренное в термодинамической системе 1, такое как, например, емкость на всасе, или другой специальный сепаратор жидкости/газа.
В продолжение ссылок на Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 на Фиг. 8 представлен еще один дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 51. Одинаковые элементы, части или компоненты, которые уже показаны на Фиг. 2-7, обозначены одинаковыми номерами позиций. На Фиг. 8 сосуд 11 для сбора текучей среды снабжен сифонным прерывателем 75 и системой 77 управления температурой, как описано выше. Погруженные сопла 85 расположены в нижней части сосуда 11 для сбора текучей среды ниже уровня содержащегося в нем сжиженной рабочей текучей среды. Как и в ранее описанных вариантах осуществления, множество погруженных сопел 85 может быть предусмотрено на разной высоте внутри сосуда 11 для сбора текучей среды.
Дополнительно предусмотрено устройство 73 удаления неконденсируемых текучих сред или выпускной клапан, который может быть непосредственно соединен с сосудом 11 для сбора текучей среды, с помощью которых смешанный поток газообразной рабочей текучей среды и неконденсируемых текучих сред удаляется из сосуда 11 для сбора текучей среды и принудительно протекает через теплообменник 107, в котором поток охлаждается в теплообменном соотношении с хладагентом, циркулирующим по холодной стороне теплообменника 107. Частично сконденсированный поток, выходящий из теплообменника 107, подается на газожидкостный сепаратор 109. Неконденсируемые текучие среды и газообразная рабочая текучая среда могут быть удалены по линии 110, тогда как сконденсированная рабочая текучая среда собирается со дна газожидкостного сепаратора 109 с помощью насоса 111 и подается по линии 113 обратно в сосуд 11 для сбора текучей среды. Линия 113 выполнена с возможностью подачи сконденсированной рабочей текучей среды в погруженные сопла 85. Как и в ранее описанных вариантах осуществления, в данном случае газожидкостный сепаратор 109 также может быть компонентом термодинамической системы 1, например емкостью 23 на всасе. В этом случае неконденсируемые текучие среды и/или газообразная рабочая текучая среда, подаваемая из газожидкостного сепаратора 109, может подаваться на сторону всасывания компрессора 7 или другого компрессора термодинамической системы 1.
Как выше, так и ниже по потоку от насоса 111 на стороне всасывания насоса 111 может быть предусмотрен управляющий клапан 115, а на стороне нагнетания насоса 111 может быть предусмотрен дополнительный управляющий клапан 117. На стороне нагнетания насоса 111 может быть предусмотрен обратный клапан 116. Байпасная линия 119 может быть дополнительно расположена параллельно с насосом 111. Отсечной клапан 121 может быть расположен на байпасной линии 119. На линии 113 может быть предусмотрен дополнительный управляющий клапан 122.
В некоторых вариантах осуществления на линии 113 может быть предусмотрен дополнительный необязательный теплообменник 123. Хладагент, протекающий в теплообменном соотношении со сконденсированной рабочей текучей средой в линии 113, может отводить от нее тепло для дополнительного снижения температуры сконденсированной рабочей текучей среды. Теплообменники 123 и 107 могут охлаждаться одним и тем же хладагентом и могут быть расположены последовательно или параллельно. Теплообменники 123 и 107 могут представлять собой, например, теплообменники с трубными пучками, воздушные охладители, многопоточные теплообменники (например, пластинчато-ребристые теплообменники или змеевиковые теплообменники или их комбинации). Несколько элементов теплообменника могут быть расположены последовательно или параллельно.
При эксплуатации термодинамической системы 1 клапан 122 закрывается, и сжиженная рабочая текучая среда подается из сосуда 11 для сбора текучей среды к технологическим объектам по линии 3А.
Охлаждающее устройство 51 может не функционировать.
Когда термодинамическая система 1 должна быть снова запущена после периода бездействия, охлаждающее устройство 51 активируют для снижения давления внутри замкнутого контура 3 от балансового давления до порогового значения низкого давления, при котором можно перезапускать компрессорную установку 5. Затем открывается клапан 122 и закрывается клапан 79.
Насос 111 активируют для обеспечения циркуляции текучей среды в линии 117 и удаления сконденсированной рабочей текучей среды из газожидкостного сепаратора 109. Газообразная рабочая текучая среда и неконденсируемые газы начинают течь из сосуда 11 для сбора текучей среды к теплообменнику 107, где рабочая текучая среда конденсируется и собирается на дне газожидкостного сепаратора 109. Давление в сосуде 11 для сбора текучей среды падает, и, таким образом, рабочая текучая среда выводится из расположенного выше по потоку контура 3 через клапан 69 и/или другие дополнительные трубопроводы и клапаны, такие как, например, сифонный прерыватель 75.
Сконденсированная сжиженная рабочая текучая среда из газожидкостного сепаратора 109 нагнетается насосом 111 по линии 113 обратно в сосуд 11 для сбора текучей среды, тем самым снижая температуру содержащегося в нем рабочей текучей среды и способствуя конденсации газообразной рабочей текучей среды, таким образом снижая давление в замкнутом контуре 3. При наличии дополнительного теплообменника 123 процесс охлаждения может быть ускорен.
При достижении порогового значения низкого давления в замкнутом контуре 3 можно запускать компрессорную установку 5.
В продолжение ссылок на Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 на Фиг. 9 представлен дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 51. Одинаковые номера позиций, используемые на Фиг. 8, обозначают те же части, компоненты или элементы, которые не описаны повторно. Охлаждающее устройство 51, изображенное на Фиг. 9, отличается от охлаждающего устройства 51, изображенного на Фиг. 8, тем, что один или более клапанов 131 быстрого охлаждения расположены в верхней части сосуда 11 для сбора текучей среды выше уровня содержащейся в нем сжиженной рабочей текучей среды. Клапаны 131 быстрого охлаждения могут быть размещены в соединении по текучей среде с линией 113 через управляющий клапан 133 и линию 135 ответвления.
Охлаждающее устройство 51, изображенное на Фиг. 9, работает по существу так же, как и охлаждающее устройство 51, изображенное на Фиг. 8. Однако охлажденная сжиженная рабочая текучая среда, протекающая по линии 113, может подаваться избирательно или в альтернативном варианте осуществления к погруженным соплам 85, к клапанам 131 быстрого охлаждения или и к тем и другим. Устройство, изображенное на Фиг. 9, может обеспечивать пониженную скорость потока газообразной рабочей текучей среды, выпущенной через устройство 73 удаления неконденсируемых текучих сред.
В продолжение ссылок на Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 на Фиг. 10 представлен дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 51. Те же номера позиций, что использованы на Фиг. 8 и 9, используются для обозначения одинаковых или соответствующих элементов, частей, или компонентов, показанных на Фиг. 8 и 9, которые не будут описаны снова. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 10, охлажденная сжиженная рабочая текучая среда из насоса 111 подается через линию 113 и управляющий клапан 133 к клапанам 131 быстрого охлаждения, расположенным в верхней части сосуда 11 для сбора текучей среды выше уровня содержащегося в нем сжиженной рабочей текучей среды. В этом варианте осуществления погруженных сопел не предусмотрено.
Для доохлаждения сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся на дне сосуда 11 для сбора текучей среды, в варианте осуществления, показанном на Фиг. 10, может быть предусмотрен теплообменник 137.
Теплообменник 137 образует часть первого устройства отвода тепла, выполненного с возможностью отведения тепла от сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды.
Теплообменник 137 может содержать трубный пучок и/или змеевик, погруженный в сжиженную рабочую текучую среду, для отведения от нее тепла с помощью хладагента, циркулирующего в теплообменнике 137. Указанный хладагент может представлять собой тот же самый хладагент, что и циркулирующий в теплообменнике 107 и/или в теплообменнике 123, если он присутствует. Теплообменники 137, 107 и/или 123 могут быть расположены параллельно или последовательно. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 10, один и тот же хладагент течет последовательно через теплообменники 137, 107 и 123, которые, таким образом, расположены последовательно. В других вариантах осуществления два или все три теплообменника 137, 107, 123 могут быть расположены на линии хладагента параллельно, а не последовательно. Теплообменники 107 и 123 могут представлять собой, например, теплообменники с трубными пучками, воздушные охладители, многопоточные теплообменники, такие как пластинчато-ребристые теплообменники или змеевиковые теплообменники или их комбинации.
Работа охлаждающего устройства 51, изображенного на Фиг. 10, по существу аналогична работе охлаждающего устройства 51, изображенного на Фиг. 9. Однако предварительный этап доохлаждения для снижения температуры сжиженной рабочей текучей среды, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды, может быть выполнен путем циркуляции хладагента в теплообменнике 137, когда клапан 133 временно закрыт. Только после того, как сжиженная рабочая текучая среда в сосуде 11 для сбора текучей среды была доохлаждена, сжиженная рабочая текучая среда начинает поступать в клапаны 131 быстрого охлаждения.
Различные устройства, представленные на ФИГ. 2-10 можно по-разному комбинировать друг с другом. Например, в варианте осуществления, показанном на Фиг. 9, также могут быть предусмотрены погруженные сопла 85 в сочетании с теплообменником 137.
В некоторых вариантах осуществления, описанных выше, перед началом конденсации газообразной рабочей текучей среды в сосуде 11 для сбора текучей среды выполняют этап доохлаждения. Это позволяет предотвратить явление мгновенного испарения. В других менее предпочтительных вариантах осуществления конденсацию газообразной рабочей текучей среды и охлаждение сжиженной рабочей текучей среды можно начинать одновременно.
На Фиг. 11 и 12 представлены блок-схемы, обобщающие способы, описанные в настоящем документе, для снижения давления в замкнутом контуре перед запуском.
Хотя в описанных выше вариантах осуществления описана установка сброса давления рабочей текучей среды, которая предназначена для снижения балансового давления в целях обеспечения или облегчения запуска компрессорной установки после периода ожидания, специалистам в данной области будет понятно, что охлаждающее устройство 51 можно применять в различных термодинамических системах, в которых может потребоваться снижение внутреннего давления текучей среды.
На Фиг. 13 представлена схема дополнительного варианта осуществления объекта изобретения, описанного в настоящем документе. Термодинамическая система, изображенная на Фиг. 13, содержит устройство сжижения природного газа, состоящее из двух объединенных холодильных контуров для получения сжиженного природного газа. В примере, показанном на Фиг. 13, холодильные контуры включают в себя систему пропанового/смешанного хладагента, в которой контур пропанового хладагента содержит средства для снижения давления в пропановом контуре, например, после периода бездействия пропанового компрессора, что может приводить к увеличению балансового давления (БД). Термодинамическая система, изображенная на Фиг. 13, также содержит установку хранения или резервуар для хранения сжиженной технологической текучей среды, т.е. сжиженного природного газа. В некоторых вариантах осуществления сжиженный природный газ используют для снижения давления в пропановом контуре в случае необходимости. В некоторых вариантах осуществления система сжижения природного газа может включать в себя два или более холодильных контуров, использующих различные текучие хладагенты, работающие при разных температурах. Хладагент одного из указанных контуров может быть использован для снижения давления в другом из указанных контуров. Например, система сжижения природного газа может включать в себя низкотемпературный азотный контур с хранилищем азота, в котором хранится сжиженный азот. Сжиженный азот можно использовать для снижения давления в холодильном контуре с более высокой температурой, например пропановом контуре или контуре со смешанным хладагентом.
В некоторых вариантах осуществления система сжижения природного газа (система СПГ) может предусматривать хранение сжиженного азота, который не обрабатывается в холодильном цикле. В таком случае хранящийся сжиженный азот можно снова использовать в качестве хладагента для снижения давления в холодильном цикле, например после автоматического отключения компрессора.
Специалистам в области сжижения газа будет понятно, что новые возможности способа и системы, описанные в настоящем документе, можно использовать для снижения внутреннего давления в контуре со смешанным хладагентом, а не для снижения давления в пропановом контуре или в дополнение к этому.
Следует также понимать, что аналогичные устройства снижения давления могут быть реализованы в других установках или системах сжижения природного газа, использующих различные холодильные контуры и текучие хладагенты, таких как установки каскадного цикла Cascade, контуры с одним смешанным хладагентом (SMR) или с двумя смешанными хладагентами (DMR), газосжижающие станции Linde, газосжижающие станции АР-Х и т.п.
Возможности, описанные в настоящем документе, также можно использовать в установках для сжижения газа, предназначенных для производства сжиженных газов, отличных от природного газа, таких как этан, пропан, бутан, пентан, пропилен, аммиак, азот, водород и т.п. Как правило, сжиженный газ может храниться в установке хранения или резервуаре, например, в состоянии равновесия пара/жидкости, т.е. в состоянии равновесия между газом и жидкостью. Сжиженный газ можно использовать для охлаждения рабочей текучей среды в термодинамическом контуре, например, для снижения давления в контуре хладагента, содержащем рабочую текучую среду-хладагент.
Термодинамическая система, изображенная на Фиг. 13, обозначена в целом номером 1 и содержит первый замкнутый контур 3 хладагента, в котором для рабочей текучей среды-хладагента обеспечена возможность циркуляции и циклических термодинамических преобразований, включая сжатие, конденсацию, охлаждение и расширение. Как указано выше, в качестве примера на Фиг. 13 первый замкнутый контур 3 хладагента представляет собой замкнутый пропановый контур системы СПГ на пропановом/смешанном хладагенте.
Рабочая текучая среда циркулирует в замкнутом контуре 3 хладагента при помощи компрессорной установки 5. На схеме, изображенной на Фиг. 13, компрессорная установка 5 содержит компрессор 7, имеющий сторону 7S всасывания и сторону 7D нагнетания. В других примерах (не показаны) компрессорная установка 5 может включать в себя более одного компрессора в любой конфигурации, например множество компрессоров, расположенных последовательно и/или параллельно.
Ниже по потоку от компрессорной установки 5 по отношению к направлению потока рабочей текучей среды, схематически обозначенного стрелкой FF, предусмотрено устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды. Устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды может включать в себя теплообменник, например теплообменник жидкость/воздух или жидкость/жидкость. В других вариантах осуществления устройство 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды может включать в себя любой другой тип устройства или аппарата отвода тепла.
Конденсатосборник или сосуд 11 для сбора текучей среды расположен ниже по потоку относительно устройства 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды. Рабочая текучая среда в двухфазном состоянии равновесия жидкости/газа может содержаться в сосуде 11 для сбора текучей среды.
В замкнутом холодильном контуре 3 дополнительно предусмотрены расширительная секция 217 и теплообменное устройство 215. Расширительная секция может включать в себя один или более детандеров, таких как турбодетандеры, или расширительных клапанов, таких как клапаны Джоуля-Томсона. Теплообменное устройство 215 может включать в себя один или более испарителей, в которых сконденсированная и расширенная рабочая текучая среда из расширительной секции 217 нагревается за счет теплообмена с потоком технологической текучей среды, подлежащего охлаждению, как будет описано ниже.
На схеме, изображенной на Фиг. 13, компрессорная установка 5 дополнительно содержит привод 31, который генерирует механическую энергию, необходимую для приведения во вращение компрессора 7. Привод 31 может представлять собой электрический двигатель. В других вариантах осуществления, как схематически показано на Фиг. 13, привод 31 может представлять собой механическую генерирующую энергию турбомашину, такую как газотурбинный двигатель, турбодетандер или паровая турбина. В других дополнительных вариантах осуществления привод 31 может включать в себя двигатель внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением.
В примере, показанном на Фиг. 13, замкнутый холодильный контур 3 содержит многосторонний поточный компрессор 7. Расширительная секция 217 и теплообменное устройство 215 выполнены с возможностью расширения рабочей текучей среды-хладагента при различных уровнях понижения давления, соответствующих снижению температуры рабочей текучей среды-хладагента. Рабочая текучая среда-хладагент используют для предварительного охлаждения потока природного газа, протекающего по линии 221 подачи природного газа, и дополнительно используют для охлаждения потока смешанного хладагента, циркулирующего во втором замкнутом холодильном контуре 4, который будет кратко описан ниже.
В примере осуществления, показанном на Фиг. 13, расширительная секция 217 содержит первый набор расширительных клапанов, например, клапанов Джоуля-Томсона, или набор детандеров, указанных позицией 217А. Расширительная секция 217 дополнительно содержит второй набор расширительных клапанов или детандеров, указанных позицией 217В. Расширительные клапаны каждого набора 217А и 217В расположены последовательно, т.е. один за другим, для расширения рабочей текучей среды-хладагента при постепенно снижающихся давлениях и генерировании парциальных потоков рабочей текучей среды-хладагента при указанных снижающихся давлениях. Парциальные потоки расширенной рабочей текучей среды-хладагента при различных уровнях давления, полученных с помощью расширительных клапанов 217А, обмениваются теплом в теплообменниках 215А при переменных температурах с потоком природного газа, протекающего в линии 221 подачи природного газа. Парциальные потоки расширенной рабочей текучей среды-хладагента из расширительных клапанов 217В обмениваются теплом при переменных температурах в теплообменниках 215В со второй рабочей текучей средой-хладагентом, циркулирующей во втором замкнутом холодильном контуре 4. Компрессор 7 обрабатывает парциальные потоки как боковые потоки.
Расширительная секция 217 и компрессорная установка 5 разделяют холодильный контур 3 на секцию низкого давления и секцию высокого давления. Секция низкого давления проходит от выпускного отверстия расширительной секции 217 к впускному отверстию компрессорной установки 5, тогда как секция высокого давления проходит от выпускного отверстия компрессорной установки 5 до впускного отверстия расширительной секции 217.
Рабочая текучая среда-хладагент, циркулирующая в замкнутом холодильном контуре 3, последовательно сжимается в компрессорной установке 5, охлаждается и конденсируется в устройстве 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды, расширяется в расширительной секции 217 и нагревается в теплообменном устройстве 215 за счет природного газа, который подлежит охлаждению и сжижению.
В примере термодинамической системы 1, показанной на Фиг. 13, второй замкнутый холодильный контур 4 обеспечивает циркуляцию второй рабочей текучей среды-хладагента, например, смешанного хладагента, в теплообменном соотношении с хладагентом в первом замкнутом холодильном контуре 3 и в теплообменном соотношении с технологической текучей средой (природным газом), подлежащим сжижению. Второй замкнутый холодильный контур 4 содержит в качестве примера компрессорную секцию 231, состоящую из одного или более последовательно расположенных компрессоров, приводимых в действие одним или более приводами 233, например электрическими двигателями, газотурбинными двигателями, паровыми турбинами или другими генерирующими механическую энергию машинами.
Сжатая рабочая текучая среда-хладагент контура 4 (смешанный хладагент) охлаждается в холодильнике 235, а также охлаждается и по меньшей мере частично конденсируется в теплообменниках 215В. Частично сжиженный смешанный хладагент подается в парожидкостный сепаратор 236, и разделенные потоки жидкости и пара из сепаратора 236 циркулируют в основном криогенном теплообменнике 237 (МСНЕ). Расширенная вторая рабочая текучая среда-хладагент дополнительно охлаждает и сжижает природный газ за счет теплообмена с ним в основном криогенном теплообменнике 237. Затем нагретая вторая рабочая текучая среда-хладагент подается в компрессоры 231 для повторного сжатия и повторной циркуляции в описанной выше петле.
Сжиженный природный газ из основного криогенного теплообменника 237 собирается и хранится в установке хранения или резервуаре 227 для хранения, откуда он может подаваться к одному или более пользователям или объектам, таким как транспортные средства, например газовозы СПГ. Позицией 224 обозначен трубопровод подачи СПГ, соединенный по текучей среде с криогенным подающим насосом 226.
Как описано выше применительно к Фиг. 1, при некоторых обстоятельствах давление внутри замкнутого холодильного контура 3 может возрастать, например, если циркуляция рабочей текучей среды-хладагента прерывается по какой-либо причине. Повышение температуры будет приводить к росту давления в замкнутом контуре 3, что потребует принятия мер для повторного запуска циркуляции рабочей текучей среды в замкнутом холодильном контуре 3.
Как будет описано в настоящем документе применительно к следующим фигурам, охлаждение рабочей текучей среды и снижение таким образом давления в замкнутом холодильном контуре 3 может быть достигнуто с помощью охлаждающего устройства 251, в котором используют сжиженную технологическую текучую среду, содержащуюся в установке 227 хранения технологической текучей среды.
В продолжение ссылки на Фиг. 13 на Фиг. 14 показан первый пример охлаждающего устройства 251 для снижения давления в замкнутом холодильном контуре 3. Одинаковые номера позиций обозначают компоненты и элементы, показанные на Фиг. 13 и уже описанные выше. Более конкретно на Фиг. 14 показана установка хранения или резервуар 227 для хранения в комбинации с сосудом 11 для сбора рабочей текучей среды и устройством 9 для отвода тепла и конденсации текучей среды. Охлаждающее устройство 251 содержит теплообменник 253, который выполнен с возможностью обеспечения циркуляции потока технологической текучей среды из установки 227 хранения на его холодной стороне и потока рабочей текучей среды из замкнутого холодильного контура 3 на горячей стороне теплообменника 253. Сжиженная технологическая текучая среда из установки 227 хранения нагревается и может испаряться, отводя тепло от потока рабочей текучей среды из замкнутого холодильного контура 3, так что при необходимости давление в последнем может быть снижено.
Холодная сторона теплообменника 253 может быть соединена по текучей среде с дном установки 227 хранения, где может быть размещен погруженный криогенный насос 255, который подает сжиженную технологическую текучую среду в теплообменник 253. Обратная линия 257 возвращает технологическую текучую среду, которая может частично или полностью испаряться, в установку 227 хранения.
Горячая сторона теплообменника 253 составляет часть петли 259, в которой расположен циркуляционный насос 261. Циркуляционный насос 261 выполнен с возможностью удаления рабочей текучей среды из находящегося под давлением сосуда 11 для сбора текучей среды и обеспечения циркуляции рабочей текучей среды в петле 259. Для управления скоростью потока рабочей текучей среды через петлю 259 может быть предусмотрен контроллер 256 потока, воздействующий на управляющий клапан 258 потока.
Рабочая текучая среда, циркулирующая в петле 259 с помощью насоса 261, охлаждается за счет теплообмена со сжиженным технологической текучей средой в теплообменнике 253. В некоторых вариантах осуществления потоком сжиженной технологической текучей среды, подаваемой на холодную сторону теплообменника 253, можно управлять с помощью подходящих устройств управления. Например, если используют теплообменник испарительного типа, контроллер уровня (не показан), функционально соединенный с управляющим клапаном скорости потока, может поддерживать уровень сжиженной технологической текучей среды в теплообменнике 253 на предварительно установленном уровне или около него. В других вариантах осуществления контроллер 262 потока можно использовать для управления скоростью потока технологической текучей среды через управляемый клапан 263 скорости потока, как показано на Фиг. 14.
Теплообменник 253 может представлять собой, например, вертикальный или горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник, теплообменник испарительного типа, пластинчато-ребристый теплообменник, теплоизолированный кожух или их комбинацию. На схеме, показанной на Фиг. 14, в качестве не имеющего ограничительного характера примера теплообменник 253 представляет собой горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник.
В петле 265 может быть предусмотрена байпасная линия 259 параллельно теплообменнику 253. Для регулирования скорости потока рабочей текучей среды через байпасную линию 265 и через теплообменник 253, например для поддержания температуры рабочей текучей среды в обратной линии петли 259 ниже по потоку от байпасной врезки обходной линии в другую линию при заданном значении температуры или около него, могут быть предусмотрены подходящие устройства. В некоторых вариантах осуществления для управления температурой рабочей текучей среды, возвращаемого из теплообменника 253 в сосуд 11 для сбора рабочей текучей среды могут быть предусмотрены клапаны 267, 269 и контроллер 271 температуры. Контроллер 271 температуры регулирует скорость потока через клапаны 267 и 269 так, что поддерживается желательная температура подачи рабочей текучей среды в сосуд 11 для сбора рабочей текучей среды. В других вариантах осуществления (не показаны) может быть предусмотрен только один клапан, например клапан 269, и контроллер 271 температуры. Для целей управления можно использовать другие системы управления, выполненные с возможностью регулирования рабочей текучей среды и скорости потока, скорости потока технологической текучей среды или его давления.
Рабочая текучая среда, охлажденная в теплообменнике 253, может быть возвращена в сосуд 11 для сбора текучей среды через погруженные сопла 85 или через клапаны быстрого охлаждения, или их комбинацию, так что поток холодной рабочей текучей среды, возвращающийся из контура 259, смешивается с более теплой рабочей текучей средой, содержащейся в сосуде 11 для сбора текучей среды. Для одной и той же цели могут быть предусмотрены различные устройства, например те, что описаны выше в комбинации с одним или более устройств, показанных на Фиг. 2-12.
Управляющие клапаны 67 и 87 можно использовать для регулирования и контроля расхода охлажденной рабочей текучей среды через клапаны 67 быстрого охлаждения и/или погруженное сопло 85 соответственно.
В некоторых вариантах осуществления байпасная линия 273 соединяет сторону нагнетания циркуляционного насоса 261 с впускным отверстием сосуда 11 для сбора текучей среды. Контроллер 275 потока может быть функционально соединен с клапаном 277 по байпасной линии 273 с целью регулирования расхода через байпасную линию 273 для управления минимальной скоростью потока. При такой компоновке насос 261 может продолжать непрерывную работу даже в том случае, если для циркуляции в теплообменнике 253 не требуется рабочая текучая среда.
Клапаны 279 и 280 размещены с возможностью избирательного соединения по текучей среде сосуда 11 для сбора текучей среды со стороной всасывания циркуляционного насоса 261 и замкнутым холодильным контуром 3. Два параллельно установленных клапана 281 и 283 (см. также Фиг. 13) расположены между стороной нагнетания компрессора 7 (не показано на Фиг. 14) и сосудом 11 для сбора текучей среды. Позиция 285 обозначает доохладитель, который может быть расположен между сосудом 11 для сбора текучей среды и расширительной секцией 217 (см. также Фиг. 13).
Работа устройства, описанная к настоящему моменту, заключается в следующем.
При увеличении давления внутри замкнутого холодильного контура 3, например после автоматического отключения или выключения компрессора и нагревания рабочей текучей среды, содержащегося в замкнутом контуре 3, может быть желательно снизить давление в контуре перед повторным запуском компрессора 7. Этого можно добиться путем отведения тепла от рабочей текучей среды-хладагента в сосуде 11 для сбора текучей среды.
Клапаны 279, 281, 283 изначально закрыты, клапаны 280, 87 и/или 67 открыты, и сжиженная рабочая текучая среда со дна сосуда 11 для сбора текучей среды принудительно циркулирует в петле 259 с помощью циркуляционного насоса 261. Сжиженная технологическая текучая среда (СПГ) из установки 227 хранения нагнетается криогенным насосом 255 к холодной стороне теплообменника 253 и отводит тепло от горячего рабочей текучей среды, циркулирующего в петле 259. Охлажденная рабочая текучая среда возвращается в сосуд 11 для сбора текучей среды, таким образом способствуя конденсации в нем текучей среды и снижая давление внутри сосуда 11 для сбора текучей среды.
При достижении желаемого давления клапан 283 может быть открыт, так что газообразная рабочая текучая среда из расположенной выше по потоку секции замкнутого холодильного контура 3 протекает в сосуд 11 для сбора текучей среды.
При достижении желаемого давления в замкнутом холодильном контуре 3 насосы 261 и 255 могут быть выключены, клапаны 280, 87 и 67 могут быть закрыты и компрессор 7 (Фиг. 13) может быть запущен. Затем клапан 279 может быть открыт.
Природный газ с холодной стороны теплообменника 253 возвращается в установку 227 хранения в виде двухфазной (жидкость/пар) смеси или в виде паровой фазы в зависимости от типа используемого теплообменника. Испаренный природный газ может подаваться через линию 228 испаренного газа к компрессору испаренного газа (не показан). Если природный газ из теплообменника 253 находится в двухфазном состоянии, ниже по потоку от теплообменника 253 может быть предусмотрен сепаратор (не показан) для отделения жидкой фазы, которая возвращается в установку 227 хранения, от паровой фазы, которую можно подавать в систему испаренного газа или восстанавливать каким-либо другим способом. В альтернативном варианте осуществления разделение газа/жидкости может происходить непосредственно в установке 227 хранения.
Аналогичное охлаждающее устройство 251 может быть предусмотрено для снижения давления, например БД, которое образуется при отключении термодинамической системы 1 во втором контуре 4 рабочей текучей среды-хладагента. Может быть предусмотрен функционально эквивалентный теплообменнику 253 отдельный теплообменник, холодная сторона которого находится в сообщении по текучей среде с установкой 227 хранения, а горячая сторона находится в сообщении по текучей среде с отдельным сосудом для сбора текучей среды, функционально эквивалентным сосуду 11 и соединенным по текучей среде со вторым замкнутым холодильным контуром 4. В некоторых вариантах осуществления сосуд для сбора текучей среды второго холодильного контура 4 может представлять собой сепаратор 236 (Фиг. 13), расположенный между теплообменниками 215В и основным криогенным теплообменником 237.
В некоторых вариантах осуществления для снижения температуры и давления во втором холодильном контуре 4 могут потребоваться более низкие температуры, чем необходимые для снижения давления в замкнутом холодильном контуре 3. Это, в частности, относится, например, к варианту осуществления, показанному на Фиг. 13, в котором в контурах 3 и 4 можно использовать пропан и смешанный хладагент соответственно. В некоторых вариантах осуществления более низкие значения температуры могут быть достигнуты во время охлаждения для целей снижения БД в контуре 4 с использованием комбинации двух различных охлаждающих сред, например СПГ и сжиженного азота. Две охлаждающие среды могут циркулировать в теплообменном соотношении со средой-хладагентом замкнутого холодильного контура 4 в отдельных и последовательно расположенных теплообменниках.
В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрена более компактная компоновка. Например, если (как показано в примере на Фиг. 13) термодинамическая система 1 содержит установку СПГ на пропановом/смешанном хладагенте, полного разделения между двумя замкнутыми холодильными контурами не требуется. В действительности обычно смешанный хладагент также содержит, помимо прочих компонентов, пропан. Таким образом, возможно последовательно использовать тог же самый теплообменник 253 охлаждающего устройства 251 для снижения давления текучей среды как в первом замкнутом холодильном контуре 3 (содержащем пропан), так и во втором замкнутом холодильном контуре 4 (содержащем смешанный хладагент, включая пропан). Например, пропан может сначала циркулировать из первого замкнутого холодильного контура 3 через охлаждающее устройство 251. После достижения требуемого давления в первом замкнутом холодильном контуре 3 горячая сторона теплообменника 253 может быть отсоединена от первого замкнутого холодильного контура 3 и соединена со вторым замкнутым холодильным контуром 4. Противоположная последовательность, хотя это и возможно в принципе, может приводить к загрязнению пропанового контура другими компонентами, образующими смешанный хладагент, что нежелательно.
Если сброс давления в контуре 3 должен быть повторен, может оказаться полезным этап продувки пропаном для удаления остатков смешанного хладагента из пропанового контура.
Хотя использование сжиженного природного газа для охлаждения рабочей текучей среды-хладагента, содержащегося в первом замкнутом холодильном контуре 3 и во втором замкнутом холодильном контуре 4, может быть особенно предпочтительным, не исключаются и другие варианты.
В некоторых вариантах осуществления (не показаны) холодная сторона теплообменника 253 может быть соединена по текучей среде с резервуаром для другого сжиженного газа, например сжиженного азота. Испаренный азот из теплообменника 253 можно выводить в атмосферу или в альтернативном варианте осуществления восстанавливать в холодильном цикле. Если на выходной стороне теплообменника 253 присутствует двухфазная (жидкость/пар) смесь, жидкая и паровая фазы могут быть разделены в сепараторе и жидкая фаза может быть восстановлена, тогда как паровая фаза может быть выведена или в альтернативном варианте осуществления восстановлена в холодильном цикле.
Хотя в варианте осуществления, показанном на Фиг. 14, установка 227 хранения представляет собой тот же самый резервуар для хранения, в котором собирается сжиженный природный газ из основного криогенного теплообменника 237, это не единственный доступный вариант. В некоторых вариантах осуществления (не показаны), может быть предусмотрен дополнительный отдельный резервуар для хранения СПГ, в котором содержится СПГ для целей охлаждения отдельно от основной установки хранения СПГ. Отдельный резервуар для хранения СПГ может иметь двойную функцию, а именно хранение СПГ и разделение жидкости/пара. Этот отдельный резервуар для хранения СПГ можно использовать для выполнения двухфазного (жидкость/пар) разделения во время охлаждения термодинамической системы 1. Это может быть особенно полезно в нескольких ситуациях. Например, основная установка хранения СПГ может быть расположена на расстоянии от системы производства СПГ. Может быть предусмотрен и размещен рядом с сосудом 11 дополнительный резервуар для хранения СПГ, отдельно от основной установки хранения СПГ. Резервуар 227 для хранения СПГ может, например, быть частью модуля, включающего в себя, например, охлаждающее устройство 251 и дополнительный небольшой пусковой аккумулятор. Модуль можно легко использовать для модернизации существующей установки по производству СПГ. Если предусмотрена отдельная дополнительная установка 227 хранения технологической текучей среды, отдельно от основной установки хранения СПГ, сопряжение модуля с имеющейся установкой по производству СПГ становится проще.
Описанные выше альтернативные варианты осуществления и модификации также могут быть применены к другим вариантам осуществления, описанным ниже в настоящем документе.
На Фиг. 15 представлен дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 251. Те же номера позиций, что использованы на Фиг. 14 обозначают те же самые или соответствующие элементы, части или компоненты, которые не будут описаны снова. На Фиг. 15 контроллер 271 температуры, который регулирует байпасный поток в байпасной линии 265 для поддержания температуры рабочей текучей среды, возвращенного в сосуд 11 для сбора текучей среды, на заданном значении температуры, функционально соединен с контроллером 291 давления. Последний функционально соединен с клапаном 293 на выпускном отверстии холодной стороны теплообменника 253 для управления заданным значением давления испарения СПГ. Температурой горячей стороны теплообменника 253 можно управлять, воздействуя на расход байпасного потока через байпасную линию 265 с использованием контроллера 271 температуры. В некоторых вариантах осуществления теплообменник 253 может быть выполнен в виде котла, в котором текучая среда из установки 227 хранения СПГ находится в состоянии равновесия жидкости/пара, так что скрытая теплота испарения поглощается СПГ из рабочей текучей среды, циркулирующего по горячей стороне теплообменника 253.
В других вариантах осуществления контроллер 271 температуры и контроллер 291 давления могут быть независимы друг от друга, т.е. не соединены друг с другом, и может быть предусмотрен только байпасный клапан 269, управляемый контроллером 271 температуры.
В некоторых вариантах осуществления разность температур между холодной стороной и горячей стороной на впускном отверстии теплообменника 253 можно регулировать для предотвращения повреждения из-за избыточного градиента температуры между горячей текучей средой из сосуда 11 для сбора текучей среды и холодной текучей средой из установки 227 хранения.
На Фиг. 16 показана схема охлаждающего устройства 251, которое с этой целью включает в себя средства регулирования температурного градиента. Одинаковые номера позиций обозначают части, элементы или компоненты, которые уже описаны применительно к предыдущим фигурам и не будут описаны снова. В схеме, показанной на Фиг. 16, текучая среда из сосуда 11 для сбора текучей среды может циркулировать по горячей стороне теплообменника 253 с помощью двух насосов 261 и 260. Сторона всасывания насоса 261 соединена с сосудом 11 для сбора текучей среды через клапан 280, тогда как сторона всасывания насоса 260 соединена с сосудом 11 для сбора текучей среды через клапан 301. Сторона нагнетания насоса 261 соединена со стороной всасывания насоса 260 и с погруженными соплами 85 и/или клапанами 65 быстрого охлаждения. Обратная линия петли 259 от теплообменника 253 избирательно соединяется через клапан 305 со стороной всасывания насоса 260. Контроллер 311 температуры функционально соединен с датчиками 307 и 309 температуры, выполненными с возможностью определения температуры на впускном отверстии теплообменника 253 соответственно на горячей стороне и на холодной стороне.
Работа устройства, показанного на Фиг. 16, может быть следующей. Пока клапаны 279 и 280 закрыты, а клапаны 301 и 303 открыты, насосом 260 можно управлять, чтобы обеспечить заполнение петли 259 горячей рабочей текучей средой из сосуда 11 для сбора текучей среды. Как только петля 259 заполнилась, клапан 301 закрывается, а насос 260 работает при контролируемой скорости потока таким образом, что температура небольшого количества жидкости в петле 259 снижается с заранее заданной скоростью, например 1°С в минуту, до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура, например, таким образом, что будет достигнута разница в некоторое число градусов Цельсия (например, 10-30°С) между горячей впускной стороной и холодной впускной стороной теплообменника 253. В этой фазе насос 261 может не работать. В альтернативном варианте осуществления насос 261 может функционировать при условии, что контроллер 275 поддерживает минимальный поток через байпасную линию 273. Контроллер 313 воздействует на управляющий клапан 314 между насосом 260 и теплообменником 253.
При достижении желаемой разности температур на впускной стороне теплообменника можно активировать насос 261 и открыть клапан 280. Расходом в петле 259 управляют таким образом, чтобы с одной стороны температура и, соответственно, давление внутри сосуда 11 для сбора текучей среды постепенно снижались, а с другой стороны, чтобы разность температур между горячей и холодной сторонами на входе теплообменника 253 была под контролем и на предварительно установленном пороговом значении. Расход через клапаны 317 и 305 можно контролировать, например с помощью контроллера 315 температуры, так, чтобы получить желаемое заданное значение температуры на обратной стороне петли 259 в сосуде 11 для сбора текучей среды.
В описанных выше вариантах осуществления текучая среда из сосуда 11 для сбора текучей среды циркулирует в жидком состоянии через теплообменник 253 с помощью циркуляционного насоса. В других вариантах осуществления давление внутри сосуда 11 для сбора текучей среды можно использовать для поддержания циркуляции в теплообменнике 253 без помощи насоса, например, циркуляции рабочей текучей среды в газообразном состоянии. На Фиг.17 представлен пример осуществления, в котором впускная секция 259А петли 259 соединяет верх сосуда 11 для сбора текучей среды с горячей впускной стороной теплообменника 253. Обратная секция 259В петли 259 соединяет горячую выпускную сторону теплообменника 253 непосредственно или опосредованно с замкнутым холодильным контуром 3. При необходимости сброса давления в замкнутом холодильном контуре 3 клапаны 279, 283 и 281 закрываются, и открывается клапан 351 для перевода сосуда 11 для сбора текучей среды в сообщение по текучей среде с петлей 259. Управляющий клапан 353 давления или отверстие могут регулировать давление внутри петли 259 таким образом, что в петле 259 достигается постепенное увеличение давления. Горячая выпускная сторона теплообменника 253 соединена по текучей среде с сосудом 355, который, в свою очередь, соединен через клапан 357 с замкнутым холодильным контуром 3.
Давление внутри сосуда 355 можно контролировать посредством контроллера 359 давления, который воздействует на контроллер 361 температуры. Заданное значение температуры контроллера 361 температуры может быть изменено на основе давления в сосуде 355, чтобы поддерживать последнее на требуемом заданном значении. Контроллер 361 температуры может управлять температурой охлажденной текучей среды, подаваемого посредством петли 259 в сосуд 355, воздействуя на клапаны 267 и 269, тем самым регулируя скорость потока, который проходит через теплообменник 253.
Для корректировки расхода текучей среды из сосуда 11 для сбора текучей среды и/или расхода СПГ из установки 227 хранения можно использовать сигнал давления от контроллера 359 давления вместо корректировки заданной температуры для контроллера 361 температуры. Этот последний вариант показан в варианте осуществления на Фиг. 18. Те же номера позиций, что использованы на Фиг. 17 обозначают те же самые или подобные элементы, части или компоненты, которые не будут описаны снова. На Фиг. 18 контроллер 359 давления соединен с контроллером 361 температуры и с контроллером 365 скорости потока СПГ, который управляет скоростью потока СПГ через теплообменник 253, воздействуя на клапан 263.
В некоторых существующих установках СПГ сосуд для сбора хладагента может быть очень большим, например может быть выполнен с возможностью вмещения, например, до 60-70 тонн рабочей текучей среды-хладагента. При некоторых обстоятельствах может быть неудобно размещать такой большой сосуд в петлеобразной структуре 259 с теплообменником 253. В частности, это касается случая, когда необходимо модернизировать большой комплекс по производству СПГ с охлаждающим устройством 251, как описано в настоящем документе. В некоторых случаях наличие дополнительного небольшого сосуда 11 для сбора текучей среды для охлаждения и сброса давления, добавленного в системе к более крупному сосуду для сбора рабочей текучей среды-хладагента, может оказаться более удобным. Устройство такого типа показано на Фиг. 19. Те же номера позиций, что использованы на Фиг. 14, обозначают те же самые или соответствующие элементы, части или компоненты, которые не будут описаны снова.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 19, сосуд 11 для сбора текучей среды соединен по текучей среде с большим контейнером 381 для рабочей текучей среды-хладагента, например, вмещающим от 3 до 10 раз больше текучей среды, чем сосуд 11 для сбора текучей среды. В этом случае охлаждающее устройство 251 воздействует на меньшее количество текучей среды, содержащегося в сосуде 11 для сбора текучей среды. Сосуд 11 для сбора текучей среды работает как пусковой аккумулятор.
Сосуд 11 для сбора текучей среды может быть соединен по текучей среде с замкнутым холодильным контуром 3 с впускным трубопроводом 401, имеющим впускной конец между стороной 7D нагнетания компрессора 7 и устройством 9 для конденсации текучей среды и оканчивающимся в сосуде 11 для сбора текучей среды. Клапан 403 может избирательно открывать и закрывать впускной трубопровод 401.
Сосуд 11 для сбора текучей среды может быть дополнительно соединен по текучей среде с контейнером 381 для рабочей текучей среды-хладагента через паровую линию 405 и линию 407 для жидкости, каждая из которых может включать в себя соответствующий клапан 406 и 408. Сторона нагнетания циркуляционного насоса 261 может быть избирательно соединена по текучей среде с теплообменником 253 охлаждающего устройства 251, как описано применительно к Фиг. 14, или с компрессором 7. Для этой цели возвратная линия 411 соединяет по текучей среде сторону нагнетания насоса 261, например, с одним из боковых потоков компрессора 7. На возвратной линии 411 может быть предусмотрен клапан 414, а в петле 259 может быть предусмотрен клапан 413. Сторона нагнетания циркуляционного насоса 261 может быть дополнительно соединена по текучей среде с контейнером 381 для рабочей текучей среды через линию 412. На линии 412 может быть предусмотрен клапан 414 для избирательного открывания и закрывания пути для текучей среды от стороны нагнетания циркуляционного насоса 261 к контейнеру 381 для рабочей текучей среды.
Сосуд 11 для сбора текучей среды может дополнительно сообщаться по текучей среде с главным коллектором низкого давления (LP) или очень низкого давления (LLP) компрессора 7 через линию 514 и клапан 515 для поддержания сосуда 11 при том же давлении, что и давление соответствующего бокового потока (LP или LLP) компрессора 7. Более того, сосуд 11 для сбора текучей среды может быть дополнительно соединен по текучей среде с охладителем 215А, 215В низкого давления (LP) или среднего давления (MP) компрессора 7 на стороне выпуска жидкости через линию 517, клапан 518 и управляющий клапан 520 уровня. При такой компоновке внутри сосуда 11 для сбора текучей среды будет оставаться некоторое количество жидкости для охлаждения в теплообменнике 253, чтобы начать операцию охлаждения. Описанные выше соединения обеспечивают поддержание сосуда 11 для сбора текучей среды при том же давлении и той же температуре, что и в соответствующих охладителях 215А, 215В LLP или LP (например, 1,1 бар абс. и -40°С).
Работа системы, показанной на Фиг. 19, может быть следующей. При эксплуатации замкнутого холодильного контура 3 клапаны 281, 515 и 518, клапаны 403 и 413 и/или 414 закрываются, а клапан 517 приводят в действие для управления уровнем жидкости в сосуде 11 для сбора текучей среды. Сконденсированная рабочая текучая среда-хладагент из устройства 9 для конденсации текучей среды собирается в контейнере 381 для рабочей текучей среды-хладагента и подается из него через доохладитель 285 к расширительной секции 217. Между контейнером 381 и доохладителем 285 может быть предусмотрен клапан 410, который удерживают в открытом состоянии на этом этапе эксплуатации. Более того, циркуляционный насос 261 может функционировать, а контроллер расхода может поддерживать расход на заданном низком значении для поддержания теплообменника 253 при низкой температуре.
При автоматическом отключении компрессора 7 клапаны 281, 283, 515 и 518 закрываются, контроллер 521 уровня переводят в ручной режим, а клапан 520 закрывается. Давление внутри замкнутого холодильного контура 3 может увеличиваться и становиться одинаковым во всем контуре. Перед повторным запуском компрессора 7 давление внутри замкнутого холодильного контура 3 должно быть снижено. С этой целью сосуд 11 для сбора текучей среды используют в качестве пускового аккумулятора, тогда как контейнер 381 для рабочей текучей среды-хладагента большего размера временно бездействует. Сброс давления в замкнутом холодильном контуре 3 можно начинать с открывания клапана 403, тогда как клапан 413 остается закрытым. В то время как клапан 403 открывается, давление внутри сосуда 11 для сбора текучей среды может возрастать, поскольку происходит уравнивание давления с компрессором 7. Криогенный насос 255 включен, и уставки расхода для контроллера потока 256 и 262 соответственно медленно линейно изменяются до определенного значения. Аналогичным образом уставка для контроллера 271 температуры линейно изменяется до более низкого значения (например, -155°С), оказывающего воздействие на клапаны 267 и 269.
Давление внутри сосуда 11 для сбора текучей среды может постепенно снижаться за счет циркуляции содержащегося в нем рабочей текучей среды-хладагента через теплообменник 253. При достижении определенного давления внутри сосуда 11 для сбора текучей среды уставка контроллера 271 температуры линейно изменяется до более высокого значения (например, - 40°С) в зависимости от окончательного давления, которое должно быть достигнуто в сосуде 11 для сбора текучей среды. За счет отвода тепла через теплообменник 253 поток газообразной рабочей текучей среды, поступающего в сосуд 11 для сбора текучей среды по линии 401, конденсируется. В результате давление внутри замкнутого холодильного контура 3 постепенно падает до тех пор, пока в нем не будет достигнуто давление запуска, например, около 1-1,2 бар. При достижении давления запуска клапан 403 остается открытым, криогенный насос 255 отключается, контроллеры 256 и 262 скорости потока переключаются в ручной режим, а клапаны 258, 263, 67 и 87 закрываются. Насос 261 будет работать через линию 273 минимального потока (см. Фиг. 16). Компрессор 7 может быть запущен. Во время переходного процесса при запуске или во время этапа наполнения сжиженная рабочая текучая среда-хладагент из сосуда 11 для сбора текучей среды может циркулировать с помощью насоса 261 к стороне всасывания компрессора 7 за счет открывания клапана 413. Если, как показано на Фиг. 13, рабочая текучая среда-хладагент расширяется при нескольких уровнях давления, во время этапа запуска, описанного в настоящем документе, рабочая текучая среда-хладагент, протекающий через линию 411 и клапан 413, может подаваться к потоку на стороне наименьшего давления компрессора 7. Таким образом, рабочая текучая среда-хладагент, который был сконденсирован и собран в сосуде 11 для сбора текучей среды на этапе сброса давления, может быть постепенно повторно введен в замкнутый холодильный контур 3. Давление на стороне нагнетания компрессора 7 постепенно возрастает, и по достижении расчетного давления нагнетания клапаны 401 и 413 могут быть закрыты, а клапаны 281, 283 и 410 могут быть открыты. Замкнутый холодильный контур 3 теперь полностью работает.
В альтернативном варианте осуществления во время переходного процесса при запуске и/или во время этапа наполнения сжиженная рабочая текучая среда-хладагент из сосуда 11 для сбора текучей среды может быть постепенно повторно введена в контейнер 381 для рабочей текучей среды-хладагента большего размера за счет открывания клапана 414.
Если замкнутый холодильный контур 3 не функционирует в течение более длительного периода времени, давление внутри контейнера 381 для рабочей текучей среды-хладагента может увеличиваться выше порогового значения. В этом случае давление в нем может быть постепенно снижено с помощью охлаждающего устройства 251 и поддержания контейнера 381 для рабочей текучей среды-хладагента в соединении по текучей среде через линию 405 и клапан 406, так что рабочая текучая среда-хладагент в паровой фазе может протекать из контейнера 381 для рабочей текучей среды-хладагента в сосуд 11 для сбора текучей среды.
Некоторые из признаков, описанных выше, также могут быть реализованы в системе в соответствии с Фиг. 19. В качестве примера на Фиг. 19 показана линия 78, клапан быстрого охлаждения или распылительное сопло 80 и отсечной клапан 76, которые могут иметь аналогичные функции, как описано выше в связи с некоторыми из ранее описанных вариантов осуществления.
Аналогичным образом в других вариантах осуществления, таких как показанный на Фиг. 19, также могут быть предусмотрены байпасная линия 68 и запорный клапан 71, как описано выше.
На Фиг. 20 представлен дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 251. На Фиг. 20 показаны только установка 227 хранения СПГ и теплообменник 253. Горячая сторона теплообменника 253 может быть соединена по текучей среде с остальной частью контура в соответствии с любой из компоновок, описанных выше.
На Фиг. 20 циркуляции текучей среды по холодной стороне теплообменника 253 достигают за счет естественной циркуляции, основанной на принципе сообщающихся сосудов, а не за счет криогенного насоса. В теплообменнике 253 поддерживают корректный уровень сжиженного природного газа для охлаждения текучей среды, циркулирующей по его горячей стороне.
Комбинированный вариант осуществления с принудительной циркуляцией с использованием криогенного насоса в комбинации с устройством в соответствии с принципом сообщающихся сосудов показан на Фиг. 21. Одинаковые номера позиций обозначают те же самые или соответствующие части, как описано применительно к предыдущим вариантам осуществления. На Фиг. 21 показан контроллер 262 уровня для управления уровнем сжиженного природного газа на холодной стороне теплообменника 253. Контроллер 262 может воздействовать на клапан 264 для избирательного открывания и закрывания клапана и, таким образом, восстановления корректного уровня жидкости посредством активации криогенного насоса 255.
На Фиг. 22 и 23 представлены варианты осуществления, аналогичные показанным на Фиг. 17 и 18, где сосуд 11 для сбора текучей среды исключен. Одинаковые номера позиций обозначают те же самые или эквивалентные части, элементы или компоненты, которые уже показаны на Фиг. 17 и 18 и описаны выше. Охлаждающее устройство 251, показанное на Фиг. 22 и 23, может быть соединено по текучей среде со стороной нагнетания компрессора 7 замкнутого холодильного контура 3. Когда требуется сброс давления в замкнутом холодильном контуре 3, клапан 283 и последующий клапан 281 открываются, так что горячая рабочая текучая среда-хладагент под давлением протекает через петлю 259, а более конкретно через впускную секцию 259А и охлаждается в теплообменнике 253 за счет теплообмена со сжиженным природным газом из установки 227 хранения. Охлажденный и сжиженный рабочая текучая среда-хладагент собирается в сосуде 355. Оттуда охлажденная и сжиженная рабочая текучая среда-хладагент возвращается в замкнутый холодильный контур 3. Как описано применительно к Фиг. 17, контроллер 359 давления корректирует уставку температуры для контроллера 361 температуры таким образом, чтобы в сосуде 355 сохранялось необходимое давление двухфазной рабочей текучей среды (жидкости/газа, т.е. жидкого/парообразного рабочей текучей среды). Контроллер температуры корректирует скорость потока через теплообменник 253 и байпасную линию 265.
Вариант осуществления, изображенный на Фиг. 23, аналогичен варианту осуществления, изображенному на Фиг. 22; контроллер 359 давления взаимодействует с контроллером 365 скорости потока и с контроллером 361 температуры.
В вариантах осуществления, показанных на Фиг. 22 и 23, охлаждающее устройство, таким образом, функционально соединено с сосудом 355 для сбора текучей среды и отводит тепло от рабочей текучей среды, в то время как последний протекает через трубопровод подачи, образованный петлей 259, пока рабочая текучая среда собирается в сосуде 355 для сбора текучей среды, вместо отведения тепла от рабочей текучей среды, ранее собранного в сосуде для сбора текучей среды. Однако принцип работы такой же, как и в ранее описанных вариантах осуществления: в термодинамической системе, часть которой составляет сосуд для сбора текучей среды, при необходимости осуществляется сброс давления путем отведения тепла от содержащегося в ней рабочей текучей среды, так что газообразная рабочая текучая среда конденсируется в жидкую рабочую текучую среду.
На Фиг. 24 представлен дополнительный вариант осуществления охлаждающего устройства 251. На Фиг. 24 показаны только теплообменник 253 и установка 227 хранения в комбинации с частью петли 259, которая обеспечивает циркуляцию рабочей текучей среды через теплообменник 253. Контроллер 256 скорости потока, функционально соединенный с управляющим клапаном 258 скорости потока, расположен в петле 259. В соответствии с вариантом осуществления, изображенным на Фиг. 24, теплообменник 253 расположен непосредственно в резервуаре для хранения или установке 227 хранения и может быть погружен в содержащуюся в нем сжиженную технологическую текучую среду (например, сжиженный природный газ).
Хотя настоящее изобретение описано с точки зрения различных конкретных вариантов осуществления, специалистам в данной области будет очевидно, что возможны многие модификации, изменения и исключения без отступления от сущности и объема прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, если не указано иное, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа можно варьировать или переупорядочивать в соответствии с альтернативными вариантами осуществления.