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KR20110005652A - 일체형 고압 압축 유닛 및 작동 유체 압축 방법 - Google Patents

일체형 고압 압축 유닛 및 작동 유체 압축 방법 Download PDF

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KR20110005652A
KR20110005652A KR1020100065998A KR20100065998A KR20110005652A KR 20110005652 A KR20110005652 A KR 20110005652A KR 1020100065998 A KR1020100065998 A KR 1020100065998A KR 20100065998 A KR20100065998 A KR 20100065998A KR 20110005652 A KR20110005652 A KR 20110005652A
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KR
South Korea
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compression
high pressure
working fluid
compression device
fluid
Prior art date
Application number
KR1020100065998A
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English (en)
Inventor
세르지오 팔롬바
안드레아 마시
마르코 데이아코
마씨모 카마티
로렌조 베르가미니
Original Assignee
누보 피그노네 에스피에이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 누보 피그노네 에스피에이 filed Critical 누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

본 발명의 프로세스 유체에 대한 일체형 고압 압축 유닛은, 실질적으로 가스 상태인 초기 열역학적 상태(Pi, Ti)로부터 중간 열역학적 상태(P1; T1)로 프로세스 유체를 압축시킬 수 있는 제 1 압축 장치(C)와; 제 1 압축 장치(C)에 기계적으로 연결되며, 중간 열역학적 상태(P1; T1)로부터 최종 열역학적 상태(Pf; Tf)로 프로세스 유체를 압축시킬 수 있는 제 2 압축 장치(P)와; 제 1 압축 장치(C)와 제 2 압축 장치(P)를 구동시킬 수 있는 모터 장치(M)와; 서로 기계적으로 커플링된 적어도 제 1 및 제 2 압축 장치(C; P)가 내장된 압력 케이싱 또는 하우징(3)을 적어도 포함한다.

Description

일체형 고압 압축 유닛 및 작동 유체 압축 방법{HIGH-PRESSURE COMPRESSION UNIT FOR PROCESS FLUIDS FOR INDUSTRIAL PLANT AND A RELATED METHOD OF OPERATION}
본 발명은 바람직하게는 산성 또는 그렇지 않은 가스에 대한 재분사 플랜트에서 사용하기 위한 것이지만 그것에만 한정되지는 않는 고압 압축 유닛과, 프로세스 유체를 압축하기 위한 관련 방법에 관한 것이다.
잘 공지되어 있는 바와 같이, 압축기는 기계적 에너지의 사용을 통해 압축성 유체(가스)의 압력을 증가시킬 수 있는 기계이다. 산업 분야에서의 프로세스 플랜트에서 사용되는 다양한 타입의 압축기는 소위 원심 압축기를 포함하며, 상기 원심 압축기에서는 로터 또는 임펠러로 지칭되는 구성요소를 통해 구동기(전기 모터 또는 증기 터빈)에 의해 통상적으로 제어되는 회전으로 인한 원심 가속의 형태로 에너지가 가스에 공급된다.
원심 압축기는 소위 단일 스테이지 구성에서 단일 로터와 끼워맞춤될 수 있거나, 또는 직렬로 배열된 다수의 임펠러를 가져 다중 스테이지 압축기로서 공지될 수 있다. 보다 정확하게는, 원심 압축기의 각각의 스테이지는 압축되는 가스에 대한 흡입 덕트와, 가스에 운동 에너지를 공급할 수 있는 임펠러와, 임펠러로부터 생성되는 가스의 운동 에너지를 압력 에너지로 전환시키는 역할을 하는 디퓨저로 보통 구성된다.
가스 재분사란, 퇴적물 자체 내의 압력을 증가시키고 원유에 대한 추출 능력을 증대시켜서 광구(well)의 산출량을 증가시키기 위해, 일반적으로 가스 및 액체 원유를 모두 함유하는 탄화수소의 지하 퇴적물 내에 천연 가스 또는 불활성 가스를 재도입하는 것을 보통 의미한다. 추가적으로, 가스, 특히 산성 가스의 퇴적물 내로의 재분사는 가스의 처리로부터의 잔류물의 배치가 필요한 경우 다르게 발생하는 환경적 충격의 감소의 원인이 될 수 있다.
"탄화수소"는 탄소 및 수소 원자를 함유하는 모든 유기 화합물을 의미한다.
요약하면, 탄화수소에서, 탄소 원자 "C"는 분자의 코어를 형성하기 위해 서로 링크 연결되며, 수소 원자 "H"는 이러한 코어로부터 연장된다. 현재까지, 13만개 이상의 타입의 탄화수소가 분류되었다. 가장 간단한 탄화수소는 CH4의 화학식을 갖는 메탄이다. 탄소 원자의 개수를 증가시키면, C2H6의 화학식을 갖는 에탄, C2H4의 화학식을 갖는 에텐(또는 에틸렌), C2H2의 화학식을 갖는 아세틸렌이 얻어진다. 특히, 원유는 다수의 탄화수소, 알칸의 혼합물로 구성되지만, 외견, 조성 및 물리적/화학적 특성에 있어 차이가 있다. 다양한 형태로 또한 관심 대상이 아니거나 배열하기 어려운 다른 가스와의 혼합물로 탄화수소가 자연에 존재한다.
석유 및 탄화수소 산업에서 점점 더 널리 보급되고 있는 가스의 재분사를 수행하는 압축 플랜트에서, 현재 100 바아 내지 대략 300 바아로 정량화할 수 있는 고압에서 작동할 수 있는 유용한 압축 유닛을 구비하는 것이 필요하다. 또한, 500 바아 초과의 압력까지 가스를 압축시키기 위해, 앞으로의 적용은 보다 높은 성능을 갖는 압축 유닛을 필요로 한다는 것이 예상된다.
응축물 없이 유체를 압축시키기 위해, 압축 프로세스 자체의 효율을 결과적으로 감소시킨 상태로, 중간 냉각(inter-refrigeration)을 제한 또는 제거함으로써 유체를 압축시킬 수 있다.
마찬가지로, 일단 압축에 의해 유체의 임계 상태에 도달되면, 냉각을 통해 유체를 응축시키고 압축 유닛 자체에 대해 외측에 위치설정되는 펌프에 의해 압축을 지속시키는 것이 가능하다.
종래의 고압 압축 유닛의 하나의 단점은 최대 출력 압력을 증가시킬 때 만나게 되는 기계적 또는 유체 역학적 성질의 다수의 문제점으로 인해 설계에 기술적 어려움이 존재한다는 점이다. 이러한 기술적 어려움의 예시는 외측 밀봉 시스템의 복잡함, 유체 역학적 성능 등이다.
다른 단점은, 압축 유닛이 점점 더 프로세스 유체의 임계 압력을 훨씬 초과하는 압력에서 작동될 필요가 있으며, 이는 상술된 기술적 문제점의 악화를 야기한다는 점이다. 추가적으로, 고온에서의 초임계(supercritical) 유체의 압축은 압축기의 효율을 감소시킨다.
또다른 단점은, 통상의 펌프가 압축 유닛의 외측에서 사용되는 경우, 이러한 사용이 플랜트의 비용 면에서 상당한 증가의 원인이 될 수 있음에도 불구하고, 대기로의 가스의 손실이 발생할 위험이 높으며, 이는 산성 가스가 존재하는 경우 특히 위태롭다는 점이다.
실제로, 외부로 통과하는 샤프트에 의해 압축 유닛에 기계적으로 연결된 펌프를 사용하는 것은, 몇몇의 경우에서 기계의 기계적 복잡성을 감소시킬 수 있더라도(압축기 및 펌프를 구동시키기 위해 단일 모터를 사용하는 것이 가능하더라도), 유닛과 펌프를 연결하는 샤프트 상에 끼워맞춤되어야 하는 외측 동적 시일(dynamic seal)로부터의 상당한 가스 손실 위험을 가져온다.
따라서, 이들 외측 동적 시일은 산성 유체의 존재시 특히 위태로워서, 필요한 안전성을 보장하기 위해 설계와 유닛의 유지 보수 비용을 증가시킨다.
다른 추가적인 단점은 종래의 기계가 부피가 크고 무거워서, 특히 예컨대 플래폼, "플로팅 스토리지 및 오프로딩 유닛(Floating Storage and Offloading units)"[해양 영역으로부터 추출 후에 석유의 저장을 위해 공해(open sea)에 고정되어 작동하는 유닛], 해저 광구 및 다른 경우에서와 같이 하중이 중요한 해양 또는 해저 적용시, 운반 및 설치하는데 비교적 비용이 많이 든다는 점이다.
따라서, 현재에는 기술의 진보에도 불구하고 문제점이 남아있으며, 보다 높은 성능을 갖고, 구조 및 유지 보수면에서 경제적으로 지속 가능한 동시에 외부 환경에 대한 손실의 위험성의 감소를 보장하는, 산성 또는 위험성 가스만이 아닌 유체에 대한 고압 압축 유닛의 제조에 대한 필요성이 인식된다.
본 발명의 일반적인 목적은 공지된 기술에서 존재하는 상술된 문제점을 적어도 부분적으로 극복할 수 있으며, 산업 플래트에서 사용하기 위한 고압 압축 유닛을 제조하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 효율적인 방식으로, 100 바아를 훨씬 초과하는 압력에서도 작동할 수 있는 고압 압축 유닛을 제조하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 특히 산성 가스의 경우에서 환경에 해로운 가스의 대기 내로의 누출 가능성을 제거하거나 또는 적어도 감소시킬 수 있는 고압 압축 유닛을 제조하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이들 목적은 특허청구범위 제 1 항에 설명된 바와 같은산업 플랜트용 고압 압축 유닛을 제조함으로써, 특허청구범위 제 15 항에 설명된 바와 같은 압축 방법으로 성취된다.
본 발명의 유리한 양태는 종속항에서 설명된다.
본 발명의 대상은, 입구에서의 실질적으로 가스 상태인 초기 열역학적 상태로부터 중간 열역학적 상태로 프로세스 유체를 압축시킬 수 있는 제 1 압축 장치와; 제 1 압축 장치에 기계적으로 연결되며, 상기 중간 열역학적 상태로부터 최종 열역학적 상태로 프로세스 유체를 압축시킬 수 있는 제 2 압축 장치와; 서로 기계적으로 커플링된 적어도 상기 제 1 및 제 2 압축 장치가 내부에 위치된 ("압력 케이싱" 또는 "압력 경계부"로도 지칭되는) 압력 하의 단일 케이싱 또는 엔벨로프(envelope)를 적어도 포함하는, 프로세스 유체에 대한 일체형 고압 압축 유닛의 형태를 취한다.
본 발명의 하나의 특히 바람직한 실시예에서, 구동 장치도 케이싱 내부에 위치되고, 제 1 및 제 2 압축 장치에 직접 커플링되어, 특히 컴팩트한 압축 유닛을 형성한다.
"제 1 압축 장치"는 입구 상의 가스를, 예컨대 다중 스테이지의 원심 압축기 또는 다른 장치에 의해 중간 열역학적 상태로 압축하도록 구성된 장치를 유리하게 또한 바람직하게 의미한다.
"제 2 압축 장치"는 입구 상의 유체를 중간 열역학적 상태로부터 최종 열역학적 상태로 압축할 수 있는 장치를 유리하게 또한 바람직하게 의미한다.
특히, 중간 열역학적 상태의 유체는 액체이거나 또는 초임계 상태일 수 있으며, 제 1 경우(액체 상태)에서, 제 2 장치는, 하기에 기술되는 바와 같이, 압축기 또는 다중 스테이지의 원심 펌프 또는 다른 장치일 수 있다.
장점으로서, 입구 상의 프로세스 유체는 상이한 가스의 혼합물일 수 있으며, 상기 혼합물은 [유정(oil well)에 대한 재분사 플랜트에서의] 산성 가스, (석유 화학 제품 플랜트에서의) 탄화수소, (가스화 플랜트에서의) 천연 가스의 혼합물 또는 이산화탄소(CO2) 등을 함유하는 혼합물과 같은 액체 또는 고체 물순물을 함유할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 압축 유닛은, 상술된 압력 케이싱이 외측부 상에 단지 정적(static) 타입인 기계적 시일을 포함하며, 다시 말해서, 상술된 케이싱이 "외측 동적 시일"이 없는, 즉 케이싱의 내부로부터 외부로 연장되는 로터의 제공을 회피하는 "외측 정적 시일" 또는 "외부 상에서 작동하는 개스킷"을 포함하는 방식으로 제조된다.
그러나, 이 경우에, 압력 케이싱은 상술된 "정적 외측 시일"에 의해 쉘 사이에서 밀봉된 연결부를 갖는 하나 이상의 쉘에 의해 제조되는 것이 바람직하며, 특정 설계 또는 설치 요건에 따라, 하나 이상의 추가적인 외측 케이싱에 의해 적절하게 둘러싸인다.
"동적 시일"이란, 회전하는 부재가 그 사이에 위치되는 2개의 환경을 격리시키도록 작용하며 액체 또는 가스의 누출을 적어도 부분적으로 방지하는 방식으로 상기 부재 자체 상에 작용하는 임의의 타입의 기계적 시일로 이해된다.
"외측 동적 시일"은 외부 환경 내로 돌출하는 회전부로부터 외부 쪽으로의 프로세스 유체의 누출을 방지하도록 구성된 기계의 외부(환경측) 쪽으로 면하는 시일이다.
"내측 동적 시일"은 기계 자체의 구획 내의 누출을 방지하도록 작용하는 기계 내부에(프로세스측 상에) 위치설정되는 시일이다.
"정적 시일"은 가스 또는 유체의 누출을 회피하기 위해 2개의 환경을 격리시킬 수 있는 2개의 고정 표면 사이의 임의의 타입의 기계적 시일을 의미한다.
정적 시일은 외부(환경측) 쪽으로 면하는 "외측 정적 시일" 또는 기계 내부에(프로세스측 상에) 위치설정되는 "내측 정적 시일"로서 분류될 수 있다.
이러한 시일은, 정적이던지 동적이던지 임의의 경우에서, 예컨대 탄성 중합체, 금속 또는 다른 재료를 사용하여 (당업자에게 잘 공지되어 있는 바와 같이) 일련의 구성요소와 다수의 타입의 재료로 형성된다.
(쉘 사이에 밀봉된 연결부를 갖는 하나 이상의 쉘로 형성되는) 압력 케이싱은 적어도 하나의 입구 개구와, 하나의 출구 개구와, 프로세스 유체에 대한 내측 유동 경로를 구비하여 유체와 연통하는 적절한 측방향 서비스 개구를 가지며, 전자/전기 관리 및 제어 시스템을 위해 케이싱 내에 추가적인 개구가 제공된다.
압력 케이싱이 단일 쉘로부터 제조될 수 있으며, 이러한 경우에 쉘의 내부 내로 장치를 도입하는데 필요할 수 있는 (외측 정적 시일을 갖는 커버에 의해 폐쇄되는) 반경방향 또는 축방향 입구 섹션이 제공될 수 있다는 것이 주목된다.
본 발명에 따른 제 2 압축 장치는, 기어용 회로를 윤활해야 하는 필요성을 회피하고 추가적으로 유닛의 구조 및 유지 보수를 단순화시키기 위해, 감속기 없이 제 1 장치와 동일한 회전 속도로 작동할 수 있는 것이 바람직하다.
그러나, 제 1 및 제 2 압축 장치 사이에 기어 박스 또는 속도 변환기가 제공되어, 제 1 장치에 대해 독립적으로 제 2 장치의 회전 속도를 조절할 수 있는 것이 배제되지는 않는다.
본 발명의 유리한 실시예는 제 1 및 제 2 압축 장치가 동일한 로터 또는 적합한 기계적 조인트에 의해 축방향으로 커플링된 다수의 로터에 의해 구동 샤프트에 의해 구동되어, 기계에 대한 추가적인 크기 감소의 성취를 제공한다.
이러한 마지막 경우에서, 이들 기계적 조인트는, 예컨대 직접 커플링과 같은 또는 전방 기어 치형부를 갖는 가요성 또는 강성 타입이거나, 또는 자기(magnetic) 커플링 또는 다른 타입일 수 있다.
제 1 및 제 2 압축 장치 사이의 프로세스 경로를 따라, 전체적으로 기계의 출력을 증가시키기 위해 유체의 외측 냉각을 위한 적어도 하나의 장치가 제공될 수 있다. 또한, 기계의 성능을 더욱 증가시키기 위해, 제 1 및/또는 제 2 압축 장치의 중간 스테이지의 적어도 일부 사이에 추가적인 외측 냉각 장치를 제공할 수 있다.
하나의 특히 유리한 실시예에서, 제 2 압축 장치와 유닛의 다른 장치 중 하나 사이에 위치되는, 구동 샤프트에 대한 적어도 하나의 통로 개구가 제공된다.
이러한 통로 개구는 특정 적용에 따라 임의의 형태 또는 치수를 가질 수 있으며, 예컨대 일정한 또는 가변 섹션을 가지며, 로터에 대해 대략 동축인 실질적으로 원통 형태 또는 다른 형태일 수 있다.
하나의 특히 유리한 구동 방법에서, 이러한 통로 개구는, 2개의 장치 사이의 밀봉 시스템 상의 부하를 최소화시키는 동시에 유닛의 기계적 복잡성을 감소시키기 위해, 제 2 압축 장치와 제 1 압축 장치의 고압측 사이에 위치된다.
다른 유리한 구동 방법에서, 구동 샤프트 상의 로터 상에 작용하는 적어도 하나의 제 1 내측 동적 시일은, 하나의 장치로부터 다른 장치로 프로세스 유체의 통로를 적어도 부분적으로 방해하기 위해, 이러한 개구 내에 설치된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 제 1 내측 시일이 통로 개구의 대향 측부 상에 끼워맞춤되는 장치 사이에 높은 유체 역학적 격리 정도를 부여하는 것을 제공한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따라, 하기에 기술되는 바와 같이, 제 1 내측 동적 시일로부터 유닛 자체의 작동에 유용한 몇몇의 제어된 손실 또는 누출을 제공할 수 있거나, 또는 변형적으로 제거할 수도 있다.
그러나, (끼워맞춤되는 경우) 제 1 내측 동적 시일은 특히 설계, 설치 및 유지 보수에 있어 단순하고 경제적이며, 이는 높은 격리 정도를 보장할 필요가 없기 때문이다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따라, 구동 샤프트 상의 로터를 위한 적절한 기계적 조인트 중 적어도 하나는, 층류 손실을 최소화하기 위해, 통로 개구 내에 위치된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 구동 샤프트 상의 로터를 위한 적어도 하나의 제 1 기계적 지지 베어링은 통로 개구 내에 제공되어, 특히 구동 샤프트의 길이와 로터의 하중 및 치수에 따라 로터 동역학, 정적 및 동적 부하 분포 및 기계 지지부에 전달되는 힘을 최적화한다.
이러한 제 1 베어링은, 예컨대 자기적 또는 유체 정역학적으로 지지되는 종래의 타입 또는 다른 타입일 수 있다.
하기에 기술되는 바와 같이, 개구 내부의 제 1 베어링의 설치는, 예컨대 로터의 축방향 길이가 충분히 짧은 구성에서, 로터의 지지 또는 기계적 밸런싱 또는 유닛의 로터 동역학을 위해 필요하지 않다면 회피될 수 있는 것이 배제되지는 않는다.
마지막으로, 하나 이상의 상술된 구성요소(제 1 시일, 제 1 베어링 또는 조인트) 또는 그 조합은 통로 개구 내에 위치될 수 있다.
특정 설계 요건에 따라 구동 샤프트 상의 로터 상에 상이한 수량 및 위치에 대해 추가적인 기계적 지지 베어링이 제공된다.
모든 상술된 기계적 베어링은 본질적으로 종래의 타입일 수 있으며, 바람직하게는 윤활을 필요로 하지 않는 타입, 예컨대 자기적 타입의 베어링과 같은 또는 유체 정역학적 지지부 등을 갖는 타입일 수 있다.
하나의 특히 유리한 실시예에서, 적어도 하나의 냉각 시스템이 제공되며, 상기 냉각 시스템은 프로세스 유체에 의해 상기 기계적 베어링을 냉각시켜서, 이러한 냉각에 사용되는 유체의 양으로 인해 성능의 손실이 적은 것에 대한 대가로 플랜트의 기계적 복잡성을 단순화시키고 설치 및 유지 보수에 대한 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 유닛은, 프로세스 유체가 매우 단시간에 이들 품목을 손상시킬 수 있는 부식성제(corrosive agent) 또는 침식성제(erosive agent)를 함유하는 경우에, 공지된 타입의 보호 배리어에 의해 형성되는 임계의 기계적 구성요소(예컨대, 모터 권선 및 적절한 자기 베어링과 같은 전기 구성요소)에 대한 보호 시스템을 포함할 수 있다.
유닛의 복잡성 및 비용을 상당히 증가시키는 적합한 냉각 회로가 제공되어야 하는 경우, 프로세스 유체와 상이한 냉각 유체를 사용할 수 있다는 것이 완전히 배제되지는 않는다.
상기 냉각 시스템은 폐쇄형, 즉 상술된 하나 이상의 기계적 지지 베어링의 냉각 이후에 프로세스 유체를 유닛 내에 다시 순환시킬 수 있는 적어도 하나의 유체 역학적 냉각 회로로 형성될 수 있다.
특히, 통로 개구 내의 제 1 베어링의 적절한 위치 설정은, 상술된 장점을 제공하더라도, 특히 이러한 베어링이 냉각 온도를 초과하는 고온의 프로세스 유체에 의해 적어도 부분적으로 공급되는 경우 유닛의 특정 구성의 결과로서 냉각에 어려움이 존재할 수 있다.
이러한 어려움을 극복하려고 노력하기 위해, 동시에 유닛에 대해 냉각을 최적화하고 기계적 복잡성을 감소시키는 한편, 다수의 구성 및, 예컨대 적절하게 끼워맞춤될 수 있는 시일의 결과로서 통로 개구 내의 프로세스 유체의 유동의 상태 또는 다른 상황과 같은 작동 요건에 따라 이러한 제 1 베어링에 대한 제 1 유체 역학적 냉각 회로에 대해 연구되어 왔다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 압축 장치는 각각 원심 임펠러와 스테이터 내의 관련된 채널로 형성되는 하나 이상의 스테이지를 구비한 원심 압축기이고, 구동 장치는 전기 모터이며, 제 2 압축 장치는 각각 하나의 원심 임펠러와 스테이터 내의 관련된 채널로 형성되는 하나 이상의 스테이지를 갖는 액체 또는 초유체(super fluid)에 대한 펌프 또는 원심 압축기이다.
특히, 제 1 및 제 2 압축 장치의 원심 임펠러는 구동 샤프트 상의 동일한 로터 상에 조합되어, 특히 컴팩트한 압축 유닛을 성취하는 것이 바람직하다.
용어 "초임계 유체"는 "임계 온도"보다 높은 온도와 "임계 압력"보다 높은 압력의 유체를 의미한다. 이러한 상태에서, 도 1b를 참조하여 하기에 기술되는 바와 같이, 유체의 특성은 액체의 특성(예컨대, 밀도)과 부분적으로 유사하고, 가스의 특성(예컨대, 점성)과 부분적으로 유사하다. 다른 양태에 따라, 본 발명은,
"정적 외측 시일"(즉, "동적 외측 시일"이 없음)에 의해 폐쇄되는 단일 압력 케이싱 또는 가압된 엔벨로프를 제공하는 단계와;
상기 단일 압력 케이싱 또는 가압된 용기 내부에, 실질적으로 가스 상태인 열역학적 상태로부터 중간 열역학적 상태로 입구 상의 유체를 압축시킬 수 있는 적어도 하나의 제 1 압축 장치와; 제 1 압축 장치에 기계적으로 연결되며, 중간 열역학적 상태로부터 최종 열역학적 상태로 프로세스 유체를 압축시킬 수 있는 적어도 하나의 제 2 압축 장치와; 동일한 구동 샤프트를 통해 상술된 제 1 및 제 2 압축 장치를 구동시킬 수 있는 적어도 하나의 모터 장치를 제공하는 단계와;
모터 장치를 작동시켜, 프로세스 유체를 최종 열역학적 상태 또는 이송 상태로 압축시키는 단계를 적어도 포함하는 프로세스 유체의 압축 방법에 관한 것이다.
하나의 특히 유리한 구동 방법에서, 상기 작동 단계는, 프로세스 유체를 초임계 레벨에서 중간 열역학적 상태로 압축하기 위해 제 1 압축 장치를 작동시키는 단계와, 이러한 초임계 유체를 초임계 열역학적 상태로부터 최종 이송을 위한 열역학적 상태로 더욱 압축시키기 위해 제 2 압축 장치를 작동시키는 단계를 제공한다.
중간 열역학적 상태의 유체가 특정 적용에 따라 액체상(liquid phase)일 수 있다는 것이 완전히 배제될 수 없다.
이후의 중간 단계는 제 1 및/또는 제 2 압축 장치에 의해 수행되는 압축시 프로세스 유체를 냉각시키도록 제공될 수 있다.
또한, 상술된 작동 단계는,
외측 공급 회로를 작동시켜, 제 1 압축 장치에 의해 공급되는 상태와 유사한 열역학적 상태에 있는 프로세스 유체로 제 2 압축 장치를 적어도 부분적으로 보충하는 단계와, 이후에 동일한 구동 샤프트를 통해 제 1 압축 장치와 제 2 압축 장치를 동시에 작동시키는 단계;
제 2 압축 장치가 작동되기 전에 적어도 부분적으로 제 2 압축 장치를 채우는 방식으로 제 1 압축 장치에 대해 제 2 압축 장치를 지연시켜 작동시키는 단계; 또는
동일한 구동 샤프트를 통해 제 1 및 제 2 압축 장치를 동시에 작동시키는 단계로서, 이러한 경우에 제 2 장치는 유체가 제 2 압축 장치를 채우기 위해 도달할 때까지 아이들링 모드로 회전하는, 상기 제 1 및 제 2 압축 장치를 동시에 작동시키는 단계, 중 적어도 하나를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 압축 유닛의 하나의 장점은 고압에서 효율적이고 효과적인 방식으로 작동하여 공지된 압축 유닛에서의 문제점을 적어도 부분적으로 극복할 수 있다는 점이다.
특히, 하나의 바람직한 실시예에 따라, 상기 유닛은, 초임계 상태의 유체의 압축이 원심 펌프에 의해 상당히 수행되어 원심 압축기에 의한 것보다 효율 감소가 적기 때문에, 높은 출력으로 임계 압력을 훨씬 초과하는 압력까지 프로세스 유체를 압축시킬 수 있다.
다른 장점은, 외부 환경 쪽으로의 밀봉 시스템이 특히 효과적이고 효율적이기 때문에 (산성 가스의 경우 특히 임계적인) 대기로의 가스 손실이 발생할 수 있는 위험이 크게 감소하며, 동시에 외부 환경 쪽으로의 상기 밀봉 시스템의 주기적 유지 보수 및 검사에 대한 요건이 감소해서, 설계 및 유지 보수의 비용이 감소된다는 점이다.
또다른 장점은, 예컨대 사막의 플랜트, 해저 플랜트, 유정 또는 다른 곳에서의 가스의 재분사를 위한 플랜트와 같은, 플랜트, 환경적 조건 또는 작동 유체의 타입에 따라 많은 구성을 제공할 수 있기 때문에, 이러한 유닛이 매우 다목적이라는 점이다. 특히, 압축 장치 및/또는 모터의 상이한 상대적인 위치 설정을 통해, (예컨대, 통로 개구 내의 적어도 하나의 제 1 지지 베어링을 제공하는) 기계적 베어링의 상이한 개수 또는 위치 설정을 통해 또는 다른 방식을 통해 적절한 구성이 성취될 수 있다.
그러나, 다른 장점은, 예컨대 최대 전력, 입구 및/또는 이송 상의 유체의 상태, 회전수 등에 기초한 바와 같은 용도의 특정 요구의 결과로서, 이러한 기계의 종류에 있어서 특히 임계적 양태인 본 발명에 따른 유닛의 동적 회전 밸런싱을 수행할 수 있다는 점이다.
또다른 장점은, 예컨대 산성 및/또는 오염 가스의 혼합물과 같은 상이한 유체의 혼합물을 압축하여, 높은 압축 성능을 얻고, 가능성 있는 단점을 최소화할 수 있다는 점이다.
하나의 특정 실시예의 하나의 장점은, 산성 가스를 탄화수소 광구 내로 재분사하는 플랜트에서 사용되는 본 발명에 따른 압축 유닛의 경우에, 상당히 안전한 방식으로 매우 고압의 초임계 단계에서 가스를 재분사할 수 있기 때문에, 종래의 압축 유닛으로의 재분사와 비교했을 때, 광구의 출력을 증가(즉, 추출되는 탄화수소의 양을 증가)시킬 수 있다는 사실에서 찾을 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 압축 유닛은 특히 높은 성능을 갖고 다목적인 동시에 환경과 사용자에게 보다 안전하다.
본 발명에 따른 방법 및 장치의 추가적인 유리한 특징 및 실시예는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있고, 몇몇의 총망라되지 않은 예시적인 실시예를 참조하여 하기에 보다 상세하게 기술될 것이다.
실제적이지만 배타적이지는 않은 본 발명의 예시를 도시하는 첨부된 개략적인 도면을 참조함으로써, 본 발명이 보다 잘 이해될 수 있으며, 다수의 목적 및 장점이 당업자에게 자명할 수 있다.
본 발명에 의하면, 높은 성능을 갖고 다목적인 동시에 환경과 사용자에게 보다 안전한 고압 압축 유닛을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 고압 압축 유닛의 일 실시예의 종방향 섹션의 개략도,
도 1b는 이산화탄소(CO2)에 대한 상태도를 도시하는 개략적인 그래프,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 압축 유닛의 구성요소의 종방향 섹션의 개략도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고압 압축 유닛의 구성요소의 종방향 섹션의 개략도,
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 고압 압축 유닛의 구성요소의 종방향 섹션의 개략도,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 압축 유닛에 대한 개략적인 형태의 상이한 구성을 도시하는 도면.
도면에서, 동일한 참조부호는 모든 다른 도면에서 동일한 부분을 나타내며, 고압 압축 유닛은 본 발명의 실시예에 따라 참조부호(1)로 도시되고, 단일 압력 케이싱 또는 엔벨로프(3)를 포함하며, 적어도,
[유체 타입 및 특정 적용에 따라, 입구 압력(Pi) 및 출구 온도(Ti)에서의] 입구 상에서의 실질적으로 가스 상태인 열역학적 상태로부터 [중간 압력(P1) 및 중간 온도(T1)에서의] 중간 열역학적 상태로 프로세스 유체(F)를 압축시킬 수 있는 제 1 압축 장치(C)와;
(적절한 손실을 제외한) 중간 열역학적 상태로부터 [출구 압력(Pf) 및 출구 온도(Tf)에서의] 최종 열역학적 상태까지 유체(F)를 압축시킬 수 있으며, 동일한 구동 샤프트(X1)를 따라 제 1 장치(C)에 기계적으로 커플링되는 제 2 압축 장치(P)와;
구동 샤프트(X1)를 따라 기계적으로 커플링되어, 압축 장치(C 및 P)를 구동시키는 전기 모터 장치(M)가, 상기 고압 압축 유닛의 내부에 위치된다.
특히, 입구 압력(Pi)은 본질적으로 낮거나(대략 1 바아) 또는 본질적으로 높으며(100 바아 초과), 상대적으로, 출구 압력(Pf)은 100 바아 초과일 수 있거나, 대략 500 바아 또는 그 이상까지 일 수 있다. 온도(Ti 및 Tf)는, 관련된 적용 또는 프로세스에 따라, 사용되는 특정 유체에 대한 상 방정식(phase equation)에 따라 대응하여 변할 수 있다.
본원에 도시된 실시예에서, 제 1 압축 장치(C)는 [각각 원심 임펠러와 스테이터 그루브 시스템(stator groove system)을 포함하는] 6개의 스테이지(C1 내지 C6) 및 모터 장치(M)를 갖는 원심 압축기이며, 밀봉 타입의 전기 모터는 압축기(C)의 제 2 스테이지(C2)와 제 3 스테이지(C3) 사이에 개재된다.
압축 유닛에 대한 유사한 구성이, 예컨대 동일한 소유자의 미국 특허 출원 제 2007-196215 호와 제너럴 일렉트릭 명의의 미국 특허 출원 제 2008-275865 호에 개시되어 있다.
스테이지의 개수와 모터(M)에 대한 위치 설정은 하기와 같이 사용하기 위한 특정 구조 또는 요건에 따라 변경될 수 있다는 것이 명백하다.
압력 케이싱(3)은, 특히 도 1에 도시된 바와 같이, 외측 정적 시일(2A 내지 2D) 및 다수의 볼트(4A 내지 4D)에 의해 서로 밀봉되어 폐쇄되는 다수의 쉘(3A, 3B, 3C, 3E, 3F)을 사용하여 형성된다.
볼트(4A 내지 4D)를 사용하는 체결 시스템이 예시의 방법으로 본원에 도시되고, (체결 시스템의) 임의의 다른 공지된 타입이 사용될 수 있으며, 또한 볼트(4A 내지 4D) 및 시일(2A 내지 2D)의 개수 및 배치는 쉘(3A 내지 3F)의 개수와 이들의 형상을 따르며, 이는 특정 구조 요건에 따라 변할 수 있다는 것이 명백하다.
또한, 단순화를 위해 도면에 도시되지 않은 추가적인 외측 컨테이너 케이싱을 제공하는 것이 가능하다.
케이싱(3)은, 하기에 기술되는 바와 같이, 각각의 쉘(3A 및 3C) 내의 유체(F)에 대한 입구 개구(6A) 및 출구 개구(6B)와, 유체(F)에 대한 측방향 서비스 개구(6C, 6F, 6G, 6H, 6M)을 갖는다. 상기 유닛(1)의 작동 및 제어를 위해 필요한 전기/전자 접속부(단순화를 위해 도 1에 도시되지 않음)를 위해 추가적인 개구(6L)가 제공된다.
본원에 도시된 제 2 압축 장치(P)는 압축기(C)의 고압측 상의 하류에 배치된 6개의 스테이지 원심 펌프(도 2, 도 3 및 도 4와 관련된 상세한 설명 참조)이다.
장점으로서, 펌프(P)의 흡입측은, 2개의 장치 사이의 밀봉 시스템 상의 부하를 최소화하는 한편 동시에 유닛의 기계적 복잡성을 감소시키기 위해, 케이싱(3) 내부의 압축기(C)의 이송측(고압 스테이지)과 나란히 위치된다.
구동 샤프트(X1)는 압축 유닛(C) 및 모터(M)와 결합된 제 1 로터(7A)와, 펌프(P)와 결합된 제 2 로터(7B)에 의해, 기술된 구성으로 형성되고, 로터(7A, 7B)는 기계적 커플링(9)(도 2 참조)에 의해 축방향으로 커플링되며, 따라서 모터(M)는 압축기(C) 또는 펌프(P)를 직접 구동시킨다.
구동 샤프트(X1)는 상이한 개수의 로터, 예컨대 대체로 그들의 길이에 따라 하나의 단일 로터 또는 2개 이상의 로터로 형성될 수 있다는 것이 명백하다.
도 1에서, 커플링(9) 및 제 1 지지 베어링(11A)을 구비한 펌프(P)와 압축기(C) 사이에 통로 개구(10)(도 2, 도 3 및 도 4와 관련된 상세한 설명 참조)가 존재한다는 것도 주목된다.
개구(10)는, 개구(10)가 특정 적용에 따라 상이한 형태 및 치수로 형성될 수 있다는 것을 완전히 배제할 수 없더라도, 대략 원통형이며 로터(7B)와 동축의 형태로 도시된다.
추가적으로, 펌프(P1) 쪽을 향하는 단부에서 구동 샤프트(X1)의 단부를 지지하기 위한 제 2 지지 베어링(11B)과, 압축기(C)와 관련된 대향 단부에서 끼워맞춤된 제 3 지지 베어링(11C) 및 제 4 지지 베어링(11D)과, 모터(M)에 대한 대향 단부에서 끼워맞춤된 제 5 지지 베어링(11E) 및 제 6 지지 베어링(11F)이 제공된다.
장점으로서, 제 4 지지 베어링(11D)은 축방향 타입이고, 예컨대 상기 언급된 특허 출원에 기술된 바와 같이, 압축기(C)에 면하는 베어링의 측부를 가압하도록 제공되는 밸런싱 시스템(단순화를 위해 도면에 도시되지 않음)으로 인해 적어도 부분적으로 축방향 부하를 견딜 수 있게 되어 있다.
본원에 기술된 유닛(1)의 구성에서, 기계의 종방향 및 반경방향 밸런싱을 용이하게 하는 방식으로 지지 베어링(11A 내지 11F)이 제공되며, 따라서 특정 적용에 따라 베어링이 개수 및/또는 위치 설정면에서 상이한, 상이한 유닛 구성이 제공될 수 있다는 것이 주목된다.
추가적으로, 프로세스 유체를 사용하는 기계적 베어링(11A 내지 11F)을 냉각시키기 위한 폐쇄형의 냉각 시스템(21)이 제공된다.
특히, 시스템(9)은 압축기(C)의 마지막 스테이지(C5 또는 C6) 중 하나로부터 베어링(11B 내지 11D)으로 유체 링크를 제공하여 프로세스 유체 자체를 사용하여 이들을 냉각시킬 수 있는 적어도 하나의 유체 동적 냉각 회로(단순화를 위해 도 1에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
추가적으로, 압축기(C)의 이송 개구(6G)의 입구 및 펌프(P)의 흡입 개구(6H)의 출구로의 유체 링크와 함께 유체(F)를 위한 제 1 외측 냉각 장치(13)가 제공되어, 펌프(P)에 들어가기 전에 압축기(C)를 빠져나가는 프로세스 유체를 냉각시킨다.
추가적으로, 참조부호(13A 및 13B)로 개략적으로 도시된 추가적인 냉각 장치가 제공될 수 있으며, 상기 냉각 장치는 입구 및 출구(6C, 6E 및 6D, 6F) 각각에서의 측방향 서비스 개구에 의해 압축기(C)의 몇몇의 스테이지(C1-C2 및 C4-C5)와 유체 연결되어, 유체의 압축 정도를 증가시키기 위한 연속적인 냉각을 수행한다.
각각의 측방향 서비스 개구(6A 내지 6F)가 제공되는 경우, 상기 각각의 측방향 서비스 개구는 단순화를 위해 도면에 도시되지 않는 외측 정적 시일을 구비한 커플링 플랜지를 제공한다는 것이 주목된다.
본 발명의 하나의 유리한 실시예에서, 도 1에서 점선으로 도시된 외측 공급 회로(16)도 제공되며, 상기 외측 공급 회로(16)는, 상술된 바와 같이, 연결 파이프(16B) 및 3-방향 밸브(16C)에 의해 펌프(P)와 적절한 제 1 냉각기(13) 사이에 유체 링크를 갖는 탱크(16A)를 포함하여, 기계(1)의 시동시 압축기(C)에 의해 공급되는 상태와 동일한 상태 하에서 펌프(P)를 유체로 적어도 부분적으로 채운다. 도 1b에 이산화탄소(CO2)에 대한 상태도가 도시되어 있으며, 여기에서 가로 좌표에는 섭씨 온도 단위의 온도가 표시되어 있고, 세로 좌표에는 바아 단위의 압력이 표시되어 있다.
이러한 그래프는 CO2가 온도/압력에 따라 위치될 수 있는 4개의 열역학적 상태를 도시하며, 이는 (대기 상태 하에서) 가스 유체, 액체 유체, 고체 또는 (고온 또는 고압에서) 초임계 상태이다. 추가적으로, 열역학적 가스상(phase)(FG), 고체(FS) 및 액체상(FL)의 제 1 삼중점(T1)이 주목되며, 열역학적 가스상(FG), 액체상(FL) 및 초유체상(FSF)의 임계점(T2)이 공존한다. 삼중점은 대략 210℃의 온도와 대략 8 바아의 압력에 있으며, 임계점(T2)은 대략 90℃의 온도와 대략 300 바아의 압력에 있다.
이러한 유닛은, 예컨대 H2S, N2 등과 같은 CO2보다 보다 공격적이고 위험한 유체로 유리하게 작동할 수 있기 때문에, CO2에 대한 상기 도면은 단지 예시로서 도시되어 있다는 것이 명백하다.
통상적으로 "원심 압축기"는 가스 상태의 유체로 작동하는 기계로서 한정되고, "원심 펌프"는 액체 유체로 작동하는 기계로서 한정되며, 초임계상의 유체는 압축기 또는 원심 펌프에 의해 처리될 수 있다는 것이 주목된다. 특히, 정의 "초임계 유체에 대한 원심 펌프"는 낮은 밀도를 나타내는 초임계 유체로 작동하는 기계로서 한정될 수 있는 한편, "초임계 유체에 대한 원심 압축기"는 높은 밀도를 갖는 초임계 유체로 작동하는 기계이다.
본 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위에서, "제 2 압축 장치"는 높거나 낮은 밀도의 (상술된 바와 같은) 액체 또는 초임계상의 유체를 압축할 수 있는 기계를 지칭하는 것으로도 이해되며, 단순화를 위해 일반적인 용어 "원심 펌프"로 지칭할 수 있다. 유닛(1)의 작동은, 압축기(C)의 제 1 스테이지(C1)에서의 제 1 압축을 받기 위해 입구 개구(6A)로부터 프로세스 유체를 취하고[유체 유동 방향을 나타내는 화살표(F1) 참조], 유체가 측방향 개구(6B)를 통해 빠져나가 냉각기(13A) 내부로 유동하며, 그 후에 개구(6C)를 통해 제 2 스테이지(C2) 내에서 압축된다. 유체는 제 2 스테이지(C2)로부터 출구 개구(6D) 내로 유동하고, 그 후에 모터(M)를 통해 입구 개구(6M) 내로 유동하여 [모터(M) 및 베어링(11F)을 냉각시키고] 제 3 스테이지(C3)에 도달하며, 제 4 스테이지(C4) 이후에 냉각기(13B) 내로 유동하기 위해 측방향 개구(6E)를 통해 빠져나가고, 그 후에 제 5 스테이지(C5) 내로, 그 후에 제 6 스테이지(C6)로 지나간다. 냉각기(13)를 통과하기 위해 제 6 스테이지(C6)로부터 이송 개구(6G)를 통해 유체가 빠져나가, 그 후에 흡입 개구(6H)를 통해 펌프(P) 내로 공급된다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 기술되는 바와 같이, 유체가 펌프(P) 내부에서 처리되어, 출구 개구(6B)를 통해 빠져나간다.
도 2는 도 1로부터 펌프(P)의 확대부를 도시하며, 본 도면에서 특히 케이싱(3)의 쉘(3C) 및 측방향 쉘(3F) 뿐만 아니라, (자기 베어링 및 추가적인 서비스 베어링으로 각각 구성되는) 제 1 베어링(11A) 및 제 2 베어링(11B)에 의해 지지되는 제 2 로터(7B)가 주목된다. 이러한 펌프(P)는, 유체(F)의 압력(P1)을 출구 또는 이송 압력(Pf)까지 상승시키기 위해 처음의 3개의 스테이지는 저압 섹션을 형성하고 이후의 3개의 스테이지는 고압 섹션을 형성하는 구성인 [원심 임펠러 및 스테이터 그루브 시스템(15)을 각각 포함하는] 6개의 스테이지(P1 내지 P6)를 갖는 타입이다. 이러한 펌프(P)는 설명의 목적만을 위해서 기술되었으며, 예컨대 왕복식 펌프 또는 다른 타입과 같은 구성이거나 임의의 다른 타입일 수 있다는 것이 명백하다.
상기 도면에서, 본원에 기술된 구성으로, 커플링(9)과 제 1 베어링(11A)과 함께 내부에 끼워맞춤되는, 펌프(P)와 압축기(C) 사이의 통로 개구(10)도 관찰될 수 있다.
이러한 통로 개구(10)는 상술된 바와 같이 특정 적용에 따라 상이한 형태 및 치수로 형성될 수 있는 것이 명백하다.
하나의 특히 유리한 실시예(도 2 참조)에서, 압축기(C)의 이송측 부근의 개구(10)와 연관되는 로터(7A)에 대해, 압축기(C)의 이송측으로부터 상기 개구(10)의 내부로 유체가 지나가는 것을 적어도 부분적으로 방지하는 제 1 내측 동적 시일이 제공된다.
이러한 제 1 시일(19)은 ["래버린스(labyrinth) 시일", "하니컴 시일", "댐퍼 시일" 또는 "건식 가스 시일"로도 지칭되는] 래버린스 타입 또는 다른 타입일 수 있다. 하기에 기술되는 바와 같이, 제어된 누출은 시일(19)을 위해 제공될 수 있으며, 마찬가지로 시일(19)을 제거할 수도 있다는 것이 주목된다.
상술된 바와 같이, 종방향 밸런싱 및 회전 동적 밸런싱에 대한 상술한 장점을 나타내더라도, 제 1 시일(19)의 누출로 인해 압축기(C)의 고압측으로부터 진행하는 고온의 프로세스 유체 내에 베어링(11A)이 적어도 부분적으로 침지될 수 있으며, 이러한 유체의 온도는 베어링(11A)을 위해 필요한 냉각 온도보다 높기 때문에, 통로 개구(10) 내의 제 1 베어링(11A)의 위치는 냉각하는데 어려움이 있다.
제 1 실시예에서, 냉각 시스템(21)은 덕트(22A, 22B 또는 22C)(도 2 참조)를 사용하여 형성되며, 중간 스테이지(P2 내지 P6)로부터 또는 펌프(P)의 출구 개구(6B)로부터 각각 프로세스 유체의 일부를 탭핑 오프(tap off)[화살표(F2a) 참조]할 수 있는, 적어도 하나의 제 1 유체 동적 회로(22)를 포함한다.
그러나, 압축기(C)의 출력측에 비해, 탭핑 오프된 유체의 압력이 높고, 온도는 낮으며, 이러한 방식에서, 유체는 베어링(11A)을 냉각시키고 개구(10)를 관통하며, 상기 시일로부터의 누출 또는 손실의 형태로 제 1 시일(19)을 통해 빠져나가, 압축기(C)의 출력측 내로 재도입될 수 있다. 제 2 실시예에서, 냉각 시스템(21)은, 베어링(11A)의 지지부(15B) 상에 장착되어 펌프(P)의 흡입구(6G)로부터 프로세스 유체의 일부를 탭핑 오프[화살표(F2b) 참조]할 수 있는 제 1 덕트(23A) 및/또는 지지부(15B) 및 로터(7B) 사이에 장착된 제 2 덕트(23B)로 형성되는 적어도 하나의 제 2 유체 동적 회로(23)(도 3 참조)를 포함한다.
베어링(11A)과 압축기(C)의 스테이지(C1 내지 C6) 중 하나 사이에 유체 링크[화살표(F2b) 참조]를 제공하거나 또는 개구(9)와 압축기(C)의 스테이지(C1 내지 C6) 중 하나 사이에 유체 링크를 제공하여 압축기(C) 쪽으로 냉각 유체를 지향시키기 위해, 제 1 또는 제 2 릴리프 파이프(23D, 23E)가 제공되는 것이 유리하다.
이러한 경우에, 적절한 시일(19)은 압축기(C)로부터 펌프(P) 쪽으로 손실 또는 누출을 허용하며, 유체는 채널(23A 또는 23B)을 통해 압축기(C)로부터 인출되는 냉각 유체와 혼합될 수 있다.
제 3 실시예에서, 냉각 시스템(21)은, 제 1 시일(19)로부터, 또는 변형적으로 구멍으로부터 통로 개구(10) 내로, 즉 제거 시일(19)로부터 조정된 탭핑을 통해 압축기(C)의 출력측으로부터 들어오는 프로세스 유체[화살표(F2c) 참조]의 일부로 인해 베어링(11A)을 냉각시킬 수 있는 적어도 하나의 제 3 유체 동적 회로(24)(도 4 참조)를 포함한다.
추가적으로, 냉각 유체가 펌프(P)의 상류의 프로세스 유체와 혼합될 수 있는 방식으로 베어링(11A)과 펌프(P)의 제 1 스테이지(P1) 사이에 유체 링크[화살표(F2c) 참조]를 제공하기 위해, 로터(7B) 주위에 형성된, 베어링(11A)에 대한 지지부(15B) 상의 적절한 파이프(24A) 및/또는 공간(24B)가 제공된다.
이러한 제 3 유체 동적 회로(24)와의 조합에 있어서, 압축기(C)와 펌프(P) 사이에 또는 보다 바람직하게 통로 개구(10) 내에 냉각 장치(단순화를 위해 도면에 도시되지 않음)가 제공되어, 냉각시키는데 사용되는 유체의 적어도 일부를, 베어링(11A)을 보다 효율적으로 냉각시키도록 구성된 온도까지 냉각시킬 수 있다.
상술된 냉각 회로 중 임의의 하나에 있어서, 예컨대 샤프트(7B) 내로 키이(key) 형성된 나선형 표면 또는 개구(10) 내의 몰딩된 노즐 형상 또는 다른 해결책과 같이, 적합한 방향으로 상기 개구(10) 내의 유체의 압력을 증가시키기 위해, 추가적인 가압 시스템(단순화를 위해 도면에 도시되지 않음)이 제공될 수도 있다.
그러나, 베어링(11A)에 대한 상술된 유체 동적 냉각 회로(22, 23, 24)는, 단순히 본 발명 자체의 실시예의 예시를 나타내기 때문에, 임의의 방식으로 본 발명을 총망라한 것은 아니라는 것이 이해된다.
예컨대, 펌프(P)의 상류 및 제 1 냉각 장치(13)의 하류의 프로세스 유체의 일부를 탭핑 오프하는 파이프(단순화를 위해 도면에 도시되지 않음), 또는 압축기(C)의 하나의 스테이지로부터 프로세스 유체를 탭핑하여 유체를 냉각기 내로 도입하고 그 후에 베어링(11A) 내로 도입하며, 따라서 압축기(C) 또는 몇몇의 변형적인 장치로 다시 되돌려 보낼 수 있는 다른 파이프가 제공될 수 있다.
제 4 베어링(11D)을 냉각시키기 위해, 냉각 시스템(21)은 펌프(P)의 스테이지(P1 내지 P6) 중 하나로부터 유체의 일부를 탭핑하여 유체를 상기 베어링(11D)으로 보내고 그 후에 상기 펌프(P)의 이후의 스테이지(P2 내지 P6) 중 하나로 보낼 수 있는 제 4 유체 동적 회로(단순화를 위해 도면에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
유닛(1)에 설치된 다른 베어링(11B 내지 11F)을 냉각시키기 위해, 냉각 시스템(21)은, 각각의 베어링(11B 내지 11F) 내로 유체를 공급하고 그 후에 가장 가까운 프로세스 유동 내로 유체를 재도입하기 위해, 펌프(P)의 하나의 스테이지로부터 및/또는 압축기(C)로부터 유체의 일부를 탭핑할 수 있는 적어도 하나의 추가적인 유체 동적 회로(단순화를 위해 도면에 도시되지 않음)를 마찬가지로 제공할 수 있다.
예시로써 본원에 기술된 냉각 시스템(21)은 임의의 방식으로 본 발명을 총망라한 것은 아니라는 것이 명백하다.
도 5a는 이전의 도면에서의 압축기 유닛(1)의 구성을 개략적인 방식으로 도시하며, 여기에서 특히 베어링(11A 내지 11F)의 위치 설정이 주목된다.
이러한 구성은, 상이한 기계[압축기(C), 펌프(P) 및 모터(M)]의 최적 밸런싱을 보장하기 때문에, 특히 컴팩트하며 동시에 로터의 동적 밸런싱을 용이하게 한다.
도 5b는 이전과 유사한 기계의 다른 구성을 도시하지만, 여기에서 압축기(C)의 스테이지(C3 내지 C6)는 제거되었다.
이러한 경우에, 개구(10), 베어링(11A, 11B, 11C, 11D, 11F) 및 냉각 시스템은 하기에 기술되는 구성 중 하나 내에 포함될 수 있다.
이러한 방식으로, 보다 컴팩트하며 동역학적 면에서 견고한 압축 유닛을 얻을 수 있다.
도 5c는 상술한 바와 유사한 발명의 다른 구성에 따른 압축 유닛을 도시하지만, 여기에서 압축기(C)의 처음의 2개의 스테이지(C1, C2)는 제거되었으며, 이러한 경우에 특히 컴팩트하고 견고한 유닛을 얻는다.
개구(10), 베어링(11A, 11B, 11D, 11E, 11F) 및 냉각 시스템은 상술된 구성 중 하나로 형성될 수 있으며, 특히 모터(M)와 베어링(11F)은 적합한 하류 탭을 제공함으로써 냉각될 수 있다.
작동 상태(유체의 압력 및 온도 등) 및/또는 특정 적용에 필요한 회전 속도에 기초하여 다수의 구성이 예상될 수 있기 때문에, 상기 구성은 본 발명을 총망라하지 않는다는 것이 명백하다.
예컨대, 2개의 베어링 중 적어도 하나(11A 또는 11D) 또는 이들 베어링(11A, 11D) 모두를 제거할 수 있으며, 이들을 강성의 기계적 커플링 또는 단일 강성 로터 또는 다른 해결책으로 대체할 수 있다.
또한, 압축기(C)의 스테이지의 개수를 감소시키거나 다른 방법으로 설계를 최적화시킴으로써, 베어링 중 적어도 하나(11E 또는 11F) 또는 이들 베어링(11E, 11F) 모두를 제거할 수 있다.
또한, 압축기(C) 및/또는 펌프(P) 또는 특정 적용에 기초한 냉각 장치(13, 13A, 13B)에 대한 상이한 구성을 제공할 수 있다.
또다른 유리한 실시예에 따라, 상기 유닛의 끼워맞춤 및 유지 보수를 용이하게 하기 위해, 압축기(C), 펌프(P) 및 모터(M)의 축방향 삽입 및 추출을 허용하는 방식으로 (단일 쉘 또는 몇개의 쉘을 사용하여), 케이싱(3)이 형성될 수 있다.
이러한 최종 구성에서, 통로 개구(10)는, 몰딩된 벽이 내부에 적용된 상태로, 이러한 삽입 및 추출을 허용하는 적당한 간극을 제공한다.
참조문구 "본 발명의 실시예" 또는 "본 발명의 실시형태"는 기술된 하나의 특정한 특징적인 구조체 또는 시스템이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 그러므로, 이러한 참조문구는 반드시 동일한 실시예를 지칭하지 않으며, 본 발명에 따른 하나 이상의 압축 유닛 내에 임의의 방식으로 조합될 수 있다.
임의의 도시는 단지 가능한 비제한적인 본 발명의 실시예를 나타내며, 이는 본 발명에 기초하는 개념의 범위 외부로 벗어남이 없이 형태 및 배치에 있어 변경될 수 있다. 첨부된 특허청구범위에서 참조부호의 적절한 존재는 이전의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 단지 판독을 용이하게 하는 목적을 가지며, 임의의 방식으로 보호의 범위를 제한하지 않는다.
C : 제 1 압축 장치(압축기) C1 내지 C6 : (압축기의) 스테이지
P : 제 2 압축 장치(펌프) P1 내지 P6 : (펌프의) 스테이지
M : 모터 F : 프로세스 유체
1 : 고압 압축 유닛 2A 내지 2D : 시일(외측 정적 시일)
3 : 압력 케이싱 3A 내지 3F : 쉘
4A 내지 4D : 볼트 7A : 제 1 로터
7B : 제 2 로터 10 : 통로 개구
11A 내지 11F : 지지 베어링 19 : 제 1 시일(제 1 내측 동적 시일)
21 : 냉각 시스템 22, 23, 24 : 유체 동적 냉각 회로

Claims (17)

  1. 작동 유체에 대한 일체형 고압 압축 유닛에 있어서,
    실질적으로 가스 상태인 초기 열역학적 상태(Pi, Ti)로부터 중간 열역학적 상태(P1, T1)로 상기 작동 유체를 압축시킬 수 있는 제 1 압축 장치(C)와,
    상기 제 1 압축 장치(C)에 기계적으로 연결되며, 상기 중간 열역학적 상태(P1, T1)로부터 최종 열역학적 상태(Pf, Tf)로 상기 작동 유체를 압축시킬 수 있는 제 2 압축 장치(P)와,
    상기 제 1 압축 장치(C)와 상기 제 2 압축 장치(P)를 구동시킬 수 있는 모터 장치(M)와,
    서로 기계적으로 커플링된 적어도 상기 제 1 및 제 2 압축 장치(C, P)가 내장된 압력 케이싱(3)을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터 장치(M)는 상기 압력 케이싱(3)에 내장되는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모터 장치(M)는 상기 제 1 및 제 2 압축 장치(C, P)에 직접 커플링되는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 압축 장치(C, P)와 상기 모터 장치(M)는 단일 구동축(X1) 상에서 서로 기계적으로 커플링되는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 케이싱(3)은 외측부 상에 단지 정적(static) 타입인 기계적 시일(2A, 2B, 2C, 2D)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 유체는 상기 중간 열역학적 상태(P1, T1) 및/또는 상기 최종 열역학적 상태(Pf, Tf)에서 실질적으로 액체이거나 또는 초임계(supercritical) 상태인 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 열역학적 상태 및/또는 최종 열역학적 상태(P1, T1; Pf, Tf)에서의 작동 유체는 80 바아(bar) 초과, 바람직하게는 100 바아 초과의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 압축 장치(P)는 상기 제 1 압축 장치(C)와 동일한 회전 속도로 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 압축 장치(C)와 상기 제 2 압축 장치(P)는 고정자 채널과 결합되는 각각의 원심 임펠러(C1 내지 C6; P1 내지 P6)를 포함하는 원심형이고,
    상기 원심 임펠러(C1 내지 C6; P1 내지 P6)는 상기 구동축(X1)을 따라 결합되며, 상기 구동축(X1)과 동축인 적어도 하나의 로터(7A, 7B)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 압축 장치(P)와 기계의 상기 장치(P; M) 중 하나 사이에서 상기 구동축(X1)을 따라 배치되는 적어도 하나의 로터(7A, 7B)를 위한 적어도 하나의 통로 개구(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 통로 개구(10)는 상기 제 2 압축 장치(P)와 상기 제 1 압축 장치(C)의 고압측 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 통로 개구(10)는,
    상기 적어도 하나의 로터(7A, 7B) 상에 작용하여 상기 유닛의 작동에 유용한 소량의 조정된 손실 또는 누출을 제공하는 적어도 하나의 제 1 내측 동적 시일(dynamic seal)(19)과,
    상기 적어도 하나의 로터(7A, 7B)의 2개의 부분을 기계적으로 커플링할 수 있는 적어도 하나의 기계적 커플링(9)과,
    상기 적어도 하나의 로터(7A, 7B)를 위한 적어도 하나의 제 1 기계적 베어링(11A), 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 유체에 의해 상기 적어도 하나의 로터(7A, 7B)를 위한 하나 이상의 기계적 베어링(11A 내지 11F)을 냉각시킬 수 있는 적어도 하나의 폐쇄형 냉각 시스템(21; 23; 25)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 압축 장치(C; P)의 연속하는 스테이지 사이의 유체 연결부에서 작동 유체를 위한 적어도 하나의 냉각기(13; 13A; 13B)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    일체형 고압 압축 유닛.
  15. 작동 유체를 압축시키는 방법에 있어서,
    기계의 외부 쪽으로 정적 외측 시일 또는 개스킷에 의해 폐쇄되는 압력 케이싱(3)을 제공하는 단계와,
    상기 압력 케이싱(3) 내부에, 실질적으로 가스 상태인 초기 열역학적 상태(Pi, Ti)로부터 중간 열역학적 상태(P1, T1)로 상기 작동 유체를 압축시킬 수 있는 적어도 하나의 제 1 압축 장치(C)와; 상기 제 1 압축 장치(C)에 기계적으로 연결되며, 상기 중간 열역학적 상태(P1, T1)로부터 최종 열역학적 상태(Pf, Tf)로 상기 작동 유체를 압축시킬 수 있는 적어도 하나의 제 2 압축 장치(P)와; 상기 제 1 및 제 2 압축 장치(C, P)를 구동시킬 수 있는 모터 장치(M)를 제공하는 단계와,
    상기 작동 유체를 압축하기 위해 상기 장치(C, P, M)를 작동시키는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는
    작동 유체 압축 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 작동 단계는,
    상기 제 1 압축 장치(C)를 작동시켜 상기 작동 유체를 초임계 유체 상태의 상기 중간 열역학적 상태(P1, T1)로 압축시키는 단계와,
    최종적으로 상기 작동 유체를 적어도 한 번 냉각시킨 후에, 상기 제 2 압축 장치(P)를 작동시켜 상기 작동 유체를 상기 중간 열역학적 상태(P1, T1)로부터 상기 최종 열역학적 상태(Pf, Tf)로 더욱 압축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    작동 유체 압축 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 작동 단계는,
    외측 전력 공급 회로(16)를 작동시켜, 상기 제 1 압축 장치(C)에 의해 공급되는 것과 실질적으로 동일한 열역학적 상태에 있는 작동 유체로 상기 제 2 압축 장치(P)를 채운 후에, 상기 제 1 압축 장치(C)와 상기 제 2 압축 장치(P)를 동시에 작동시키는 단계,
    작동 전에, 상기 작동 유체가 상기 제 2 압축 장치(P)를 적어도 부분적으로 채우도록 하기 위해, 상기 제 1 압축 장치(C)보다 늦게 상기 제 2 압축 장치(P)를 작동시키는 단계, 또는
    상기 제 1 및 제 2 압축 장치(C, P)를 동시에 작동시키는 단계, 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    작동 유체 압축 방법.
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