СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ/СЖИЖЕНИЯ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
METHOD AND DEVICE FOR COOLING/LIQUEFACTION AT LOW TEMPERATURE

Предлагаемое изобретение относится к способу и к устройству, предназначенным для охлаждения/сжижения при низкой температуре.
В частности, предлагаемое изобретение может относиться к способу и к устройству, предназначенным для сжижения, и к способу и к устройству, предназначенным для охлаждения с использованием гелия.
Говоря более конкретно, предлагаемое изобретение относится к способу охлаждения/сжижения при низкой температуре рабочей текучей среды, в частности рабочей текучей среды, имеющей в своем составе гелий или представляющей собой чистый гелий, осуществляемому посредством устройства охлаждения/сжижения, содержащего рабочий контур, снабженный станцией сжатия и холодным блоком, причем рабочий газ в рабочем контуре этого устройства охлаждения/сжижения подвергается воздействию рабочего цикла, содержащего следующие последовательно выполняемые операции: сжатие рабочей текучей среды в станции сжатия, охлаждение и расширение этой рабочей текучей среды в холодном блоке и последующее нагревание рабочей текучей среды с целью ее возвращения на вход станции сжатия, причем эта станция сжатия содержит одну или несколько ступеней сжатия, в каждой из которых используются один или несколько компрессоров, установленных на опорах.
В устройствах охлаждения или в устройствах сжижения, функционирующих при достаточно низких температурах (например, при температурах менее 80 К или при температурах менее 20 К), обычно используется рабочая текучая среда (например, гелий), подвергающаяся в процессе осуществления рабочего цикла воздействию операций сжатия, расширения, охлаждения и нагревания. Эти устройства обычно требуют использования нескольких ступеней сжатия рабочего газа. При этом в каждой ступени сжатия используется одно или несколько рабочих колес компрессора. Такие компрессоры могут представлять собой, например, компрессоры центробежного типа.
Утечки рабочего газа в станции сжатия на уровне поверхностей взаимодействия между вращающимися частями рабочих колес упомянутых компрессоров и неподвижными частями этих компрессоров являются неизбежными. В частности, в том случае, когда рабочий газ представляет собой гелий, отмечаются относительно существенные утечки газа на уровне опор, в которых закреплены валы рабочих колес компрессоров. Для ограничения этих потерь относительно дорогостоящего рабочего газа известен прием ограничения утечек рабочего газа на уровне каждой опоры каждой ступени сжатия при помощи таких органов, как уплотнительные устройства (или уплотнительные прокладки), образующие лабиринтные преграды для газа, масляные уплотнительные прокладки, уплотнительные прокладки с плавающим кольцом или газовые уплотнительные устройства.
В дополнение к тому обстоятельству, что такие системы уплотнения увеличивают стоимость данного устройства, эти известные системы уплотнения не всегда оказываются приспособленными к технологиям, используемым в устройствах охлаждения или в устройствах сжижения.
Кроме того, смазочное масло, присутствующее в движущихся механизмах станции сжатия, не должно загрязнять рабочий газ (в результате смешивания с гелием или в результате попадания в него влаги и/или легких углеводородов). Действительно, эти загрязнения, введенные в рабочий контур, создают опасность образования пробок при криогенных температурах и даже опасность разрушения этого оборудования.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы полностью или частично устранить упомянутые выше недостатки, имеющие место на существующем уровне техники.
Для решения этой технической задачи способ в соответствии с предлагаемым изобретением, соответствующий, в то же время, его родовому определению, данному в сформулированной выше преамбуле, главным образом отличается тем, что предлагаемое устройство охлаждения содержит устройство, предназначенное для впрыскивания преграждающего газа, отличного от рабочей текучей среды, на уровне по меньшей мере одной опоры одного или нескольких компрессоров для того, чтобы сформировать газовую преграду, направляющую утечки рабочей текучей среды из рабочего контура, в направлении зоны рециркуляции и возвращения этой текучей среды в рабочий контур.
В то же время способы реализации предлагаемого изобретения могут содержать одну или несколько из перечисленных ниже характеристик:
- устройство впрыскивания преграждающего газа формирует газовую преграду, предназначенную для того, чтобы не допустить транзитного перехода утечек рабочей текучей среды в направлении по меньшей мере одной так называемой загрязненной зоны станции сжатия, причем среди этих зон загрязнения можно отметить такие зоны, как: механизм этой станции сжатия, содержащий смазочное масло, зона, не являющаяся герметичной по отношению к окружающей атмосфере;
- преграждающий газ впрыскивается на уровне по меньшей мере одной опоры и под давлением, меньшим, чем давление рабочей текучей среды в рабочем контуре, на уровне компрессора, установленного на упомянутой опоре;
- преграждающий газ имеет в своем составе азот или представляет собой чистый азот;
- устройство впрыскивания преграждающего газа содержит по меньшей мере одну точку впрыскивания этого преграждающего газа и по меньшей мере один выход, предназначенный для сбора смеси, содержащей впрыскиваемый преграждающий газ и рабочую текучую среду, поступающую от одной или от нескольких утечек;
- устройство охлаждения/сжижения имеет в своем составе орган очистки газа, содержащий вход, предназначенный для подлежащего очистке газа, и выход, предназначенный для очищенного газа, причем выход этого органа очистки связан по текучей среде с рабочим контуром на уровне выхода из станции сжатия, и по меньшей мере часть этой смеси преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранной на по меньшей мере одном выходе, снова впрыскивается на вход органа очистки с целью очистки этой смеси и последующего ее повторного впрыскивания в рабочий контур на выходе из станции сжатия;
- вход органа очистки запитывается газом, отличным от рабочей текучей среды рабочего контура, то есть это означает, что рабочий контур представляет собой контур так называемого "открытого" типа;
- по меньшей мере часть смеси преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранной на по меньшей мере одном выходе, снова впрыскивается в рабочий контур на уровне входа станции сжатия, и/или на уровне промежуточной ступени сжатия, и/или на уровне выхода этой станции сжатия;
- рабочий цикл представляет собой так называемый цикл "закрытого" типа, и устройство содержит орган очистки газа, имеющий вход, предназначенный для подлежащего очистке газа и запитываемый только рабочим газом, поступающим из рабочего контура, и выход, предназначенный для очищенного газа, который затем запитывает холодный блок;
- устройство охлаждения/сжижения содержит орган очистки газа, имеющий вход, предназначенный для подлежащего очистке газа, и выход, предназначенный для очищенного газа, причем этот выход органа очистки связан по текучей среде с рабочим контуром на уровне входа станции сжатия, и по меньшей мере часть смеси преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранной на по меньшей мере одном выходе, снова впрыскивается на вход органа очистки с целью ее очистки и последующего ее повторного впрыскивания в рабочий контур на входе в станцию сжатия;
- устройство охлаждения/сжижения содержит орган очистки газа, имеющий вход, предназначенный для подлежащего очистке газа, и выход, предназначенный для очищенного газа, причем упомянутый выход органа очистки связан по движению текучей среды с рабочим контуром на уровне промежуточной ступени сжатия станции сжатия и/или на уровне выхода станции сжатия, и по меньшей мере часть смеси преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранной на по меньшей мере одном выходе, снова впрыскивается на вход органа очистки с целью ее очистки и последующего ее повторного впрыскивания в рабочий контур внутрь или в направлении входа в станцию сжатия;
- по меньшей мере часть смеси преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранной на по меньшей мере одном выходе, подвергается сжатию перед запитыванием ею входа органа очистки;
- предлагаемое устройство содержит орган очистки смеси, предназначенный для отделения загрязнений от рабочего газа и, в частности, для удаления преграждающего газа из упомянутой смеси, причем эта смесь снова впрыскивается в рабочий контур после ее прохождения через орган очистки;
- орган очистки содержит систему разделения, предназначенную для удаления загрязнений, отличных от рабочей текучей среды, таких, например, как газообразный азот;
- орган очистки содержит, в случае необходимости, систему сжатия очищенного или подлежащего очистке газа;
- один или несколько используемых компрессоров представляют собой компрессоры центробежного типа;
- одна или несколько турбин расширения холодного блока представляют собой турбины центробежного типа.
Предлагаемое изобретение относится также к устройству охлаждения и/или сжижения при низких температурах рабочей текучей среды, имеющей в своем составе гелий или образованной чистым гелием, причем это устройство содержит рабочий контур, снабженный станцией сжатия и холодным блоком, и рабочий газ подвергается в этом рабочем контуре воздействию рабочего цикла, содержащего последовательно: сжатие рабочей текучей среды в станции сжатия, охлаждение и расширение рабочей текучей среды в холодном блоке и нагревание этой рабочей текучей среды с целью ее возвращения в станцию сжатия, причем эта станция сжатия содержит одну или несколько ступеней сжатия, в каждой из которых используется один или несколько компрессоров, установленных на опорах, отличающемуся тем, что это устройство охлаждения содержит устройство впрыскивания преграждающего газа, отличного от рабочей текучей среды, на уровне по меньшей мере одной из опор одного или нескольких компрессоров для того, чтобы сформировать газовую преграду, направляющую утечки рабочей текучей среды, поступающей из рабочего контура, в направлении зоны рециркуляции и возврата в рабочий контур.
В соответствии с другими возможными особенностями:
- устройство впрыскивания преграждающего газа содержит по меньшей мере одну точку впрыскивания этого преграждающего газа и содержит по меньшей мере один выход, предназначенный для сбора смеси этого преграждающего газа и рабочей текучей среды, поступающей от одной или от нескольких утечек, и этот контур содержит канал, обеспечивающий повторное впрыскивание упомянутой смеси в рабочий контур на уровне входа станции сжатия, и/или на уровне промежуточной ступени сжатия станции сжатия, и/или на уровне выхода из станции сжатия;
- упомянутое устройство содержит орган очистки смеси, предназначенный для отделения загрязнений от рабочего газа и, в частности, для извлечения из этой смеси преграждающего газа, причем эта смесь снова впрыскивается в рабочий контур после ее прохождения через орган очистки.
Предлагаемое изобретение также может относиться к любому альтернативному устройству или способу, содержащим любую комбинацию характеристик, как уже упомянутых выше, так и приведенных в последующем изложении.
Другие особенности и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примеров его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:
- фиг.1 представляет собой частичный и схематический вид в разрезе, иллюстрирующий пример реализации колеса компрессора, установленного на опорах, содержащих устройство сбора и отведения утечек рабочего газа в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.2 представляет собой частичный и схематический вид, иллюстрирующий структуру и функционирование первого примера реализации устройства охлаждения и/или сжижения в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.3 представляет собой частичный и схематический вид, иллюстрирующий структуру и функционирование второго примера реализации устройства охлаждения и/или сжижения в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.4 представляет собой частичный и схематический вид, иллюстрирующий структуру и функционирование третьего примера реализации устройства охлаждения и/или сжижения в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.5 представляет собой частичный и схематический вид, иллюстрирующий структуру и функционирование четвертого примера реализации устройства охлаждения и/или сжижения в соответствии с предлагаемым изобретением.
Пример реализации устройства охлаждения и/или сжижения, представленный на фиг.2, обычным образом содержит станцию 2 сжатия и холодный блок 3.
В этом устройстве охлаждения и/или сжижения используется рабочая текучая среда с относительно небольшой молярной массой и, предпочтительным образом, гелий, преобладающий в газовой смеси, или же чистый гелий.
Как это представлено на приведенных в приложении фигурах, этот гелий может быть получен от источника S газа, содержащего преобладающее количество гелия, полученного, например, на основе природного газа (или другого газа), который подвергается очистке при помощи блока 1 очистки таким образом, чтобы подавать гелий в рабочий контур устройства охлаждения/сжижения. Этот блок или орган 1 очистки содержит, например, криогенную систему разделения газов и/или два поглотителя, располагающихся параллельно и функционирующих чередующимся образом в соответствии с последовательными циклами поглощения/регенерации (например, типа PSA или TSA). Поглотители представляют собой, например, поглотители в виде активированного угля или поглотители на основе двуокиси кремния и предназначены для извлечения загрязнений, таких, например, как воздух или азот.
Это означает, что данная система образует контур открытого типа с непрерывным введением загрязнений.
Как это происходит обычно, рабочий газ подвергается сжатию при температуре окружающей среды в станции 2 сжатия, проходя через одну или несколько ступеней 12 сжатия, в каждой из которых используется один или несколько компрессоров, например, с центробежным сжатием.
Таким образом, на вход станции 2 сжатия рабочий газ поступает при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и под так называемым низким давлением LP, имеющим величину, например, в диапазоне от 1 до 3 бар по абсолютной величине. Затем, на выходе из первой ступени 12 сжатия давление рабочего газа может достигать так называемого среднего давления МР, имеющего величину, например, в диапазоне от 3 до 8 бар по абсолютной величине.
Затем на выходе из второй ступени 12 сжатия давление рабочего газа может достигать так называемого высокого давления НР, имеющего величину, например, в диапазоне от 9 до 27 бар по абсолютной величине.
Затем сжатый рабочий газ поступает в холодный блок 3, где он подвергается охлаждению (или предварительному охлаждению). Обычно в процессе этого охлаждения (или предварительного охлаждения) тепловая энергия (или теплота) извлекается из рабочего газа в результате расширения в одной или в нескольких криогенных турбинах и/или в результате теплового обмена с криогенной текучей средой, такой, например, как азот (детали конструкции холодного блока не представлены на приведенных в приложении фигурах по соображениям упрощения чертежей).
Рабочая текучая среда, после осуществления ее теплового обмена с пользователем, может быть затем возвращена на вход станции 2 сжатия (с возможным постепенным ее нагреванием в теплообменниках).
Как это схематически представлено на фиг.1, утечки рабочего газа (гелия, Не) происходят, в частности, на уровне опор 5 вала 25 колес 12 сжатия.
Предпочтительным образом одно или несколько устройств 15 герметизации располагаются вокруг вала 25 на уровне каждой опоры 5 для того, чтобы ограничить утечки рабочего газа, поступающие из рабочего контура (это устройство герметизации может представлять собой, например, устройство герметизации лабиринтного типа).
2
2
2
В соответствии с предлагаемым изобретением преграждающий газ (например, азот) впрыскивается на уровне опор 5 и вала 25, в частности, для того, чтобы изолировать рабочий контур от механической части, содержащей смазочное масло О (механизмы зубчатых зацеплений и двигатели станции сжатия). Это означает, что преграждающий газ предусматривается для того, чтобы направлять утечки рабочего газа в направлении выхода 24. Например, две точки 14 впрыскивания преграждающего газа N могут располагаться по обе стороны выходного канала 24 для смеси, имеющей в своем составе впрыскиваемый преграждающий газ N и собранный рабочий газ Не. Например, только преграждающий газ N проходит транзитом в часть, находящуюся в контакте со смазочным маслом О или с атмосферой.
Предпочтительным образом давление впрыскиваемого преграждающего газа имеет величину, меньшую, чем давление рабочего газа на уровне соответствующего колеса сжатия. Таким образом, исключается возможность загрязнения рабочего контура этим преграждающим газом.
Кроме того, здесь следует отметить, что утечка рабочего газа в направлении преграждающего газа является необходимой для удовлетворительного функционирования этой зоны герметизации (в частности, с целью охлаждения опор).
2
На выходе 24 преграждающий газ имеет в своем составе не являющееся пренебрежимо малым количество рабочего газа (например, имеющее величину в диапазоне от 20 до 50 молярных процентов). Таким образом, эта смесь гелия с азотом (Не+N) выходит из опор под относительно низким давлением, например, имеющим величину в диапазоне от 1 до 7 бар по абсолютной величине и зависящим от соответствующей ступени сжатия.
На фиг.2 схематически представлен первый способ реализации, который может относиться, например, к блоку сжижения промышленного типа.
В этом способе реализации предлагаемое устройство содержит орган 1 очистки газа, имеющий вход 11 для подлежащего очистке газа и выход 21 для уже очищенного газа. Выход 21 органа 1 очистки связан по текучей среде с рабочим контуром на уровне выхода из станции 2 сжатия или на нижнем уровне цикла в зависимости от его температуры.
Вход 11 органа 1 очистки запитывается от некоторого источника газом S, который представляет собой, например, смесь метана, азота и гелия. Это означает, что рабочий газ из рабочего контура питается в открытом контуре при помощи менее чистого газа, который подвергается обработке по его очистке.
Кроме того, смесь преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранной на описанных выше выходах 24, снова впрыскивается через канал 13 на вход органа 1 очистки с целью ее очистки с последующим ее впрыскиванием в рабочий контур на выходе станции 2 сжатия или на нижнем уровне цикла в зависимости от ее температуры. Это означает, что преграждающий газ, смешанный с рабочим газом на выходе 24 из системы сжатия, может быть направлен на всасывание органа 1 очистки, например, на уровне всасывания компрессора, представляющего собой часть органа 1 очистки. Действительно, эта рекуперированная смесь имеет степень загрязнения азотом, которая может быть сопоставима с функционированием органа 1 очистки.
Расход утечки рабочего газа является относительно небольшим по сравнению с расходом компрессора блока очистки. Уровень герметизации на уровне каждой ступени 12 сжатия рабочего газа вследствие этого не является критическим. Следовательно, дорогостоящие технические решения 15 по обеспечению герметизации могут быть исключены на уровне опор для снижения общей стоимости системы.
На фиг.3 представлен второй способ реализации, который может относиться, например, к блоку охлаждения. На этой фиг.3 и на последующих фигурах элементы, идентичные элементам, описанным выше, обозначены теми же цифровыми позициями и не будут описаны второй раз. Устройство, представленное на фиг.3, функционирует в этом способе реализации с рабочим контуром замкнутого типа (отсутствует введение рабочего газа через внешний источник).
Смесь преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранная на выходах 24, снова впрыскивается предпочтительным образом непосредственно на уровне входа станции 2 сжатия или на уровне входа промежуточной ступени этой станции сжатия через канал 13. Эта смесь (то есть смесь преграждающего газа и рабочего газа), собранная на выходах 24 компрессоров 2, впрыскивается, таким образом, непосредственно в контур низкого давления соответствующей ступени сжатия или станции сжатия.
Это возвращение газа в цикл может порождать загрязнения (преграждающим газом, таким как азот) в рабочем контуре. Эти загрязнения предпочтительным образом очищаются в рабочем контуре. Эта очистка может быть реализована либо соответствующим определением размерных параметров поглотителей очистки, обычно предусматриваемых в холодном блоке 3, либо путем введения дополнительной системы 1 очистки. Таким образом, как это показано на приведенных в приложении фигурах, рабочий контур факультативным образом может содержать орган 1 очистки газа, имеющий вход 11 для подлежащего очистке газа, запитываемый рабочим газом на выходе из станции 2 сжатия. Выход 21 очищенного газа из органа 1 очистки запитывает холодный блок 3.
На блоке охлаждения этого типа, в котором рабочий цикл осуществляется в замкнутом контуре, потери рабочего газа на уровне опор должны быть относительно ограниченными.
На фиг.4 представлен третий способ реализации, который может относиться, например, к блоку охлаждения. В этом способе реализации устройство функционирует с так называемым замкнутым рабочим контуром. Смесь преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранная на выходах 24, снова впрыскивается на вход 21 питания газом органа 1 очистки газа. Как и в предшествующем случае, орган 1 очистки извлекает загрязнения (путем отведения всего или части преграждающего газа, например, через поглотители азота типа TSA или PSA, в том случае, когда этот преграждающий газ представляет собой азот). Это означает, что в этом случае рекуперированная смесь преграждающего газа (азота) и рабочего газа (гелия) выходит из компрессоров 12 под давлением, достаточным для того, чтобы быть непосредственно введенной в обычный орган 1 очистки с небольшим давлением.
Выход 21 очищенного газа из органа 1 очистки связан по текучей среде с рабочим контуром на уровне входа станции 2 сжатия. Это означает, что рабочая текучая среда направляется в рабочий контур после очистки.
На фиг.5 представлен четвертый способ реализации, который может относиться, например, к блоку охлаждения. В этом способе реализации устройство функционирует с рабочим контуром замкнутого типа. Смесь преграждающего газа и рабочей текучей среды, собранная на всех или на части выходов 24, снова впрыскивается на вход 21 питания газом органа 1 очистки газа через компрессор 6. Это означает, что упомянутая смесь сжимается до давления, достаточного для того, чтобы обеспечить возможность ее очистки при высоком или среднем давлении (например, при давлении, имеющем величину в диапазоне от 3 до 27 бар по абсолютной величине). Очищенный рабочий газ при среднем или высоком давлении снова впрыскивается на уровне промежуточной ступени сжатия станции 2 сжатия и/или на уровне выхода из станции 2 сжатия.
Разумеется, предлагаемое изобретение не ограничивается описанными выше примерами его реализации. Так, например, можно рассматривать устройство, являющееся промежуточным между вариантами его реализации, представленными на фиг.4 и 5. Это означает, что в том случае, когда рекуперированная смесь имеет относительно низкое давление, составляющее от 1 до 3 бар (давление в рабочих колесах первой ступени компрессора), эта смесь может быть сжата до среднего давления (имеющего величину в диапазоне от 3 до 9 бар) перед ее очисткой или ее повторным непосредственным впрыскиванием в контур. В том случае, когда рекуперированная смесь имеет среднее давление, составляющее, например, от 3 до 15 бар (давление в рабочих колесах промежуточной ступени компрессора), эта смесь может быть направлена в газоочиститель 1 среднего давления. Таким образом, размеры рекуперационного компрессора могут быть уменьшены.
Аналогичным образом, можно рассматривать устройство, являющееся промежуточным между вариантами его реализации, представленными на фиг.2 и 3. Это означает, что в том случае, когда рекуперированная смесь имеет относительно низкое давление, составляющее, например, от 1 до 3 бар (давление в колесах первой ступени компрессора), эта смесь может быть снова непосредственно введена в контур на входе станции сжатия.
В этом случае для обработки избытка загрязнений размерные параметры обычных внутренних поглотителей холодного блока 3 (предназначенных для очистки рабочей текучей среды) предпочтительно определяются соответствующим образом.
В том случае, когда рекуперированная смесь имеет среднее давление, составляющее, например, от 3 до 15 бар (давление в рабочих колесах промежуточной ступени компрессора), эта смесь может быть направлена в газоочиститель 1 среднего давления.
Таким образом, нетрудно понять, что имея достаточно простую структуру и относительно невысокую стоимость, устройство в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет рекуперировать и возвращать в цикл рабочую текучую среду, образующую объект утечек.
Предлагаемое изобретение позволяет контролировать загрязнение рабочего газа преграждающим газом. При этом рабочий газ, загрязненный преграждающим газом, рекуперируется и подвергается очистке (в холодном блоке 3 и/или во внешнем органе 1 очистки). Эта очистка может быть реализована при среднем давлении после сжатия (или после увеличения давления, совместимого с системой герметизации). Очищенный газ может быть повторно введен в контур на уровне зоны низкого давления, и/или на уровне зоны среднего давления, и/или на уровне зоны высокого давления.
Предлагаемое изобретение может относиться, в частности, к любому блоку сжижения или охлаждения (в гелиевом цикле или в цикле с использованием благородного газа) большой производительности.
Предлагаемое изобретение может применяться, в частности, также к установке, предназначенной для сжижения водорода, в которой в качестве рабочего газа используется гелий.