利用軸向流膨脹機的系統(tǒng)和方法
【專利說明】利用軸向流膨脹機的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求2013年6月28日由Uptigrove、Calafell、Rasmussen、Mori和Nagao提交的題為“System and Method of Utilizing Axial Flow Expenders(利用軸向流膨脹機的系統(tǒng)和方法)”的美國臨時專利申請序列號61/840792的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本技術(shù)的示例性實施例涉及使用膨脹機渦輪機。具體地，本文提供具有相對于軸的軸向流體流動的膨脹機渦輪機。
【背景技術(shù)】
[0004]大量的天然氣(S卩，主要是甲烷)位于世界的偏遠(yuǎn)地區(qū)。如果該氣體能夠經(jīng)濟地運輸?shù)绞袌觯渚哂兄匾膬r值。氣體儲存的地方合理地位于鄰近市場，且兩個位置之間的地勢允許，氣體通常產(chǎn)生且然后通過水下或陸上管道運輸?shù)绞袌?。然而，?dāng)氣體在鋪設(shè)管道不可實行或經(jīng)濟上禁止的地方產(chǎn)生時，其它技術(shù)必須用于讓該氣體運到市場。
[0005]用于氣體的非管道運輸?shù)某Ｓ眉夹g(shù)涉及在生產(chǎn)地處或生產(chǎn)地附近液化該氣體且然后將運輸船上專門設(shè)計的儲存罐中的液化天然氣運輸?shù)绞袌?。天然氣被冷卻并壓縮到液態(tài)以產(chǎn)生液化天然氣(“LNG” ) ING通常，但不總是，以大致大氣壓力和約162°C(-260 cF )的溫度運輸，從而顯著增加能夠被儲存在運輸船上的特定儲存罐中的氣體量。例如，LNG需要約1/600體積的氣相天熱氣。
[0006]—旦LNG運輸船到達它的目的地，LNG通常卸載到其它存儲罐中，LNG然后能夠從所述其它存儲罐再汽化為所需的并作為氣體通過管道等運輸?shù)阶罱K使用者。LNG已逐漸成為受歡迎的運輸方法以用天然氣供應(yīng)主要的能源消耗國家。
[0007]液化過程可具有若干階段，在所述若干階段期間，天然氣被冷卻并液化。在冷卻過程期間，壓力降低，且液化產(chǎn)品的裝運壓力接近大氣壓力(例如，約3.6psig或更小)。在液化過程期間通過降低天然氣的焓，壓力的降低幫助冷卻天然氣。制冷設(shè)備也用于移除熱能。該過程的一個階段要求高壓天然氣流被降低足夠的壓力以通過從液化天然氣流抽出能量(或焓)來幫助極冷LNG (或過冷的LNG)的產(chǎn)生。
[0008]液壓渦輪機中的壓力下降通常會在LNG過程中用以移除制冷流和天然氣流或其它系統(tǒng)中的能量，從而獲得較低的溫度。從這些流中移除的能量也可用于生成電功率。例如，渦輪機能夠與發(fā)電機耦合以提供移除能量所需的制動載荷。發(fā)電機可耦合到電網(wǎng)設(shè)施，其中額外的功率改善過程的熱力學(xué)效率。在LNG過程中，效率改善可約為I至2 %，從而導(dǎo)致每年節(jié)省許多兆瓦時并改善液化過程的經(jīng)濟合理性。
[0009]其它各方已提出應(yīng)用串聯(lián)渦輪機以滿足大于在現(xiàn)有設(shè)施中通常執(zhí)行的量級處的高壓下降的需要的概念。串聯(lián)膨脹的示例在與空氣分離相關(guān)的專利中，以及串接LNG液化過程中等被考慮。
[0010]Pachaly的美國專利號3，724，226公開采用整合的深冷純化的LNG膨脹機循環(huán)過程。在該過程中，功膨脹的制冷部分經(jīng)歷壓縮循環(huán)且為通過一連串膨脹渦輪機膨脹的功。膨脹渦輪機通過與壓縮機合用共用的軸或其它機械耦合供應(yīng)在制冷氣體循環(huán)中驅(qū)動壓縮機系統(tǒng)所需的至少部分功率。所用的膨脹機為渦輪膨脹機，其能夠液化一部分高壓氣流，因為高壓氣流通過渦輪膨脹機減壓。膨脹流然后能夠在流經(jīng)更多渦輪膨脹機之前通過冷卻設(shè)備流動以移除更多能量。
[0011 ] Roberts的美國專利號4,019,343公開使用轉(zhuǎn)換液體渦輪機的焓的制冷系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)使用一連串的液體渦輪機，每個液體渦輪機具有相關(guān)聯(lián)的壓縮機。液氨流被允許在液體渦輪機中膨脹，在此過程期間一部分液體閃蒸(flash)并被傳送到相關(guān)聯(lián)的壓縮機。冷卻的膨脹液體流動到串聯(lián)中的下一個渦輪機，在所述下一個渦輪機中重復(fù)該過程。
[0012]相關(guān)的信息可在美國專利號2,922 ,285、3，677 ,019、4，638 ,638、4，758 ,257、5，651，269、6，105，389、6，647，744、6，898，949和7，047，764中發(fā)現(xiàn)。進一步的信息也可在美國專利申請公開號2003/0005698和2005/0183452中發(fā)現(xiàn)。額外的信息可在國際專利申請公開號W02007/021351和歐洲專利申請公開號0672877A1中發(fā)現(xiàn)。
[0013]當(dāng)前的渦輪膨脹機為離心式膨脹機，其具有在形成葉輪的中心軸上形成三角形形狀的一連串的葉片。高壓流從葉輪的外直徑處的葉片尖端上的端口進入，從而徑向向內(nèi)流動，旋轉(zhuǎn)葉輪從而轉(zhuǎn)動軸，且較低壓力流通過出口從軸的中心離開，從而從葉輪軸向流出。每個膨脹機通常具有單一膨脹機葉輪。因此，這些渦輪膨脹機具有相對小的流率和壓力下降。因此，當(dāng)在大型設(shè)施中生成液化氣時需要多個離心式膨脹機。鑒于此，由于增加的成本、增加的空間要求，以及由增加的機械量復(fù)雜化的維修特點，離心式膨脹機不優(yōu)選在大型裝置中使用。離心式膨脹機的效率通常也限制為約低的80%的水平。此外，軸向膨脹機能夠提供較高的效率，從而導(dǎo)致更多的液體或用于相同壓力下降的流體的過冷，所述相同的壓力下降在氣體液化和氣體分離過程中會是非常重要的。進一步地，軸向渦輪機已經(jīng)廣泛地研發(fā)為汽輪機，但具有用于氣體膨脹機的非常有限的應(yīng)用。
[0014]例如，Ono等人的日本專利公開號2003-27901(以下稱為“Ono專利”)公開軸向流膨脹機。軸向流膨脹機被提供有渦輪機級，其被配置為從靜止葉片附接到靜止本體和從移動葉片附接到渦輪機轉(zhuǎn)子。具有多個渦輪機級的工作流體流動路徑在渦輪機的軸向方向上對齊。旁通流動路徑被提供在工作流體流動路徑外部，以允許從工作流體的流動方向的上游側(cè)流動的部分工作流體繞過至少一個渦輪機級的外圍側(cè)并引進到位于從繞過的渦輪機級的工作流體的流動方向上的下游側(cè)上的渦輪機級中。
[0015]然而，常常需要旋轉(zhuǎn)機器可用于從殼體移除內(nèi)部部件，用于維修。在Ono專利中公開的軸向流膨脹機不提供用于移除殼體中的內(nèi)部部件的這種結(jié)構(gòu)。實際上，在沒有用于打開該箱的結(jié)構(gòu)的情況下，流動路徑里面的固定結(jié)構(gòu)防止移除。為了允許組裝和維修，Ono專利允許殼體在水平平面上被分為兩部分。然而，該箱的分開結(jié)構(gòu)可降低能夠通過渦輪膨脹機保留的壓力。在用于制冷循環(huán)中或用于過程氣體冷卻的膨脹機中，殼體內(nèi)部經(jīng)受高壓。鑒于此，可以有氣體從分界面泄漏。
[0016]因此，需要軸向流膨脹機，其能夠增加流率、增加的壓力下降、較高的效率，以及在高壓氣體中密封。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本技術(shù)的示例性實施例提供一種用于降低流體溫度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括軸向流膨脹機，用于膨脹在沿軸向流膨脹機軸線的方向上流動的氣體。軸向流膨脹機包括:在軸線周圍居中的外部殼體，其中外部殼體為具有進氣端口和出氣端口的統(tǒng)一結(jié)構(gòu);在軸線周圍居中的、固定在外部殼體里面的內(nèi)部殼體，其中內(nèi)部殼體具有氣體通道，該氣體通道被配置為允許氣體從外部殼體的進氣端口進入內(nèi)部殼體并離開內(nèi)部殼體到外部殼體的出氣端口。轉(zhuǎn)子軸容納在內(nèi)部殼體里面，且其軸向中心與軸線對齊。若干軸承固定到內(nèi)部殼體，其中所述軸承被配置為允許轉(zhuǎn)子軸相對于內(nèi)部殼體圍繞軸線轉(zhuǎn)動。若干定子葉片固定到內(nèi)部殼體以便從內(nèi)部殼體的內(nèi)表面向內(nèi)突出，其中定子葉片安置在氣體通道里面以便在軸線的方向上以一定間隔隔開。若干移動葉片固定到轉(zhuǎn)子軸以便從轉(zhuǎn)子軸向外突出，并安置在氣體通道里面以便用定子葉片替換。內(nèi)部殼體、轉(zhuǎn)子軸、軸承、定子葉片和移動葉片被整體組裝，且組裝的構(gòu)件在沿軸線的方向上插入外部殼體中。
[0018]本技術(shù)的另一示例性實施例提供一種用于冷卻軸向流膨脹機中的流體的方法。所述方法包括使高壓流體流到軸向流膨脹機中，其中所述軸向流膨脹機包括在軸線周圍居中的外部殼體。外部殼體為具有進氣端口和出氣端口的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。軸向流膨脹機還具有在軸線周圍居中的、固定在外部殼體里面的內(nèi)部殼體，其中內(nèi)部殼體具有氣體通道，該氣體通道被配置為允許氣體從外部殼體的進氣端口進入內(nèi)部殼體并離開內(nèi)部殼體到外部殼體的出氣端口。轉(zhuǎn)子軸容納在內(nèi)部殼體里面，且其軸向中心與軸線對齊。若干軸承固定到內(nèi)部殼體，其中所述軸承被配置為允許轉(zhuǎn)子軸相對于內(nèi)部殼體圍繞軸線旋轉(zhuǎn)。若干定子葉片固定到內(nèi)部殼體以便從內(nèi)部殼體的內(nèi)表面向內(nèi)突出，其中定子葉片安置在氣體通道里面以便在軸線的方向上以一定間隔隔開。若干移動葉片固定到轉(zhuǎn)子軸以便從轉(zhuǎn)子軸向外突出，且安置在氣體通道里面以便用定子葉片替換。內(nèi)部殼體、轉(zhuǎn)子軸、軸承、定子葉片和移動葉片被整體組裝，且組裝的構(gòu)件在沿軸線的方向上插入外部殼體中。所述方法還包括使軸向流膨脹機中的流體膨脹以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子軸。能量通過將機械能施加到耦合到機械設(shè)備的轉(zhuǎn)子軸中從流體中移除。冷卻的流體流到下游處理設(shè)備中。
[0019]另一示例性實施例提供一種液化天然氣(LNG)裝置，所述LNG裝置包括氣體處理裝置，該氣體處理裝置被配置為移除供給的原料天然氣中的雜質(zhì)以形成處理的天然氣，其中處理的天然氣流到冷凍系統(tǒng)中；且冷凍系統(tǒng)包括軸向流膨脹機，用于膨脹在沿軸向流膨脹機軸線的方向上流動的氣體。軸向流膨脹機包括在軸線周圍居中的外部殼體。外部殼體為具有進氣端口和出氣端口的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。軸向流膨脹機還具有在軸線周圍居中的、固定在外部殼體里面的內(nèi)部殼體，其中內(nèi)部殼體具有氣體通道，該氣體通道被配置為允許氣體從外部殼體的進氣端口進入內(nèi)部殼體并離開內(nèi)部殼體到外部殼體的出氣端口。轉(zhuǎn)子軸容納在內(nèi)部殼體里面，且其軸向中心與軸線對齊。若干軸承固定到內(nèi)部殼體，其中所述軸承被配置為允許轉(zhuǎn)子軸相對于內(nèi)部殼體圍繞軸線旋轉(zhuǎn)。若干定子葉片固定到內(nèi)部殼體以便從內(nèi)部殼體的內(nèi)表面向內(nèi)突出，其中定子葉片安置在氣體通道里面以便在軸線的方向上以一定間隔隔開。若干移動葉片固定到轉(zhuǎn)子軸以便從轉(zhuǎn)子軸向外突出，且安置在氣體通道里面以便用定子葉片替換。內(nèi)部殼體、轉(zhuǎn)子軸、軸承、定子葉片和移動葉片被整體組裝，且組裝的構(gòu)件在沿軸線的方向上插入外部殼體中。
【附圖說明】
[0020]通過參考下面的【具體實施方式】和附圖更好地理解本技術(shù)的優(yōu)點，其中:
[0021 ]圖1為液化天然氣(LNG)裝置的方框圖；
[0022]圖2為LNG裝置的冷卻/壓縮段的方框圖；
[0023]圖3圖示說明LNG裝置，其中膨脹機環(huán)路(S卩，膨脹機循環(huán))和過冷環(huán)路可使用多個膨脹機渦輪機產(chǎn)生電力，同時移除能量；
[0024]圖4為基于離心式膨脹機的膨脹機渦輪機發(fā)電機的示意圖；
[0025]圖5為軸向流膨脹機的橫截面視圖；
[0026]圖6為另一軸向流膨脹機的橫截面視圖；
[0027]圖7為又一軸向流膨脹機的橫截面視圖；
[0028]圖8為用于驅(qū)動兩個壓縮機的軸向流膨脹機的示意圖，其中兩個壓縮機中的一個來自軸線的每端；
[0029]圖9為驅(qū)動兩個壓縮機的軸向流膨脹機的示意圖，其中整個系統(tǒng)封閉在密封箱內(nèi)；以及
[0030]圖10為一種用于使用軸向流膨脹機降低流動流中的能量的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0031]在下面的【具體實施方式】部分中，描述本技術(shù)的具體實施例。然而，在下面的描述僅限于特定實施例或本技術(shù)的特定用途的程度，其旨在僅為了示例性目的且僅提供示例性實施例的描述。因此，本技術(shù)不限于下面描述的具體實施例，但反而，包括落在所附權(quán)利要求的真實精神和范圍內(nèi)的所有替換、修改和等效物。
[0032]最初，為了便于參考，闡述在該申請中使用的特定術(shù)語和在該背景中使用的它們的意思。在本文使用的術(shù)語沒有在下面進行限定的程度，應(yīng)該給出最廣泛的定義。相關(guān)領(lǐng)域人員已經(jīng)給出如在至少一個印刷公開或發(fā)表專利中反映的那個術(shù)語。進一步地，本技術(shù)不受限于下面所示的術(shù)語的使用，因為相同或類似目的的所有等效物、同義詞、新的發(fā)展，和術(shù)語或技術(shù)被認(rèn)為在本權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0033]如本文所用，“壓縮機”包括任何類型的裝備，該裝備經(jīng)設(shè)計以增加材料的壓力，且包括任何一種類型或類似或不同類型的壓縮裝備的組合。壓縮機也可包括與壓縮機相關(guān)聯(lián)的輔助裝備，諸如馬達，和驅(qū)動系統(tǒng)以及其他。壓縮機可利用一個或更多個壓縮級，例如，串聯(lián)。說明性壓縮機可包括，但不限于，正排量類型，例如諸如往復(fù)運動并旋轉(zhuǎn)的壓縮機，和動態(tài)類型，例如，諸如離心和軸向流壓縮機。
[0034]“低溫溫度”指約-50°C或以下的溫度。
[0035]“膨脹裝置”指適于減少管道中的流體(例如，液體流