LUFTVERDICHTUNGSANLAGE FÜR EINE LUFTZERLEGUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) umfassend:
- mindestens einen Hauptluftverdichter (MAC),
- mindestens einen Booster-Luftverdichter (BAC),
- eine erste Antriebsdampfturbine (ST1) zum Antrieb zumindest des Hauptluftverdichters (MAC).
Zur Reduktion von Investitionskosten schlägt die Erfindung vor, dass die Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) eine zweite Antriebsdampfturbine (ST2) zum Antrieb des Booster-Luftverdichters (BAC) umfasst, wobei die erste Antriebsdampfturbine (ST1) mit dem Hauptluftverdichter MAC einen ersten Kompander (CX1) bildend eine gemeinsame erste Welle (SH1) aufweist, wobei die zweite Antriebsdampfturbine (ST2) mit dem Booster-Luftverdichter BAC einen zweiten Kompander (CX2) bildend eine gemeinsame zweite Welle (SH2) aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) umfassend:

mindestens einen Hauptluftverdichter,

mindestens einen Booster-Luftverdichter,

mindestens eine erste Antriebsdampfturbine zum Antrieb zumindest eines Verdichtermoduls des Hauptluftverdichters.

[0002] Aus der WO2011/141439-A1 ist bereits eine Anordnung mit einem mehrstufigen Getriebeverdichter insbesondere zur Luftzerlegung bekannt. Bei einem derartigen Kompressor-Strang einer Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung werden sehr viele mechanische Komponenten, beispielsweise Getriebegehäuse mit Getriebeelementen und Kupplungen, etc., verwendet. Diese Bauteile dienen häufig nicht unmittelbar dem Zweck der Druckerhöhung eines Volumenstroms an Luft. Stattdessen sind diese Elemente notwendig, die eigentliche konstruktive Lösung zu realisieren, insbesondere, die einzelnen Verdichter mit einer geeigneten Drehzahl zu betreiben. Viele dieser Bauteile erzeugen neben hohen Investitionskosten auch insbesondere mechanische Verlustleistungen, die in Form von Wärme abgeführt werden muss. Dementsprechend sind in der Regel großvolumige Ölanlagen zur Schmierung von Lagern und auch zur Kühlung des Getriebeöls erforderlich.

[0003] Die Erfindung hat es sich ausgehend von den bekannten Problemen und Nachteilen des Standes der Technik im Bereich der Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung zur Aufgabe gemacht, Investitionskosten zu senken ohne den Wirkungsgrad derartiger Anlagen nennenswert zu verschlechtern.

[0004] Hierzu schlägt die Erfindung eine Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vor. Die rückbezogenen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

[0005] Ein Verdichtermodul im Sinne der Erfindung ist ein Verdichter oder eine Verdichterstufe und umfasst im Fall des Radialvedichters bzw. Zentrifugalvedichters mindestens ein Laufrad. Der Hauptluftverdichter und der Booster-Luftverdichter weisen jeweils mindestens ein Verdichtermodul auf, dass von der jeweiligen Antriebsdampfturbine angetrieben wird.

[0006] Während eine Luftzerlegung einen sehr komplexen Verfahrensablauf aufweisen kann, beschäftigt sich die Erfindung im Wesentlichen mit der Verdichtung von Luft für eine Luftzerlegung, die den bestimmten Anforderungen einer Zerlegung von Luft genügen muss und mit dem Antrieb dieses Verdichtungsvorgangs. Dem industriellen Standard folgend, ist es für einen Anbieter eine zwingende Voraussetzung, einen Hauptluftverdichter (main air compressor) und mindestens einen, bevorzugt zwei sogenannte Booster-Luftverdichter (Booster Air Compressor BAC) bereitzustellen.

[0007] Besondere Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere als eine Auflösung der Strang-Struktur mehrstufiger Getriebeverdichter, wie aus dem zitierten Stand der Technik bekannt. Der direkte Antrieb eines Verdichters mittels einer Dampfturbine - in dieser Beschreibung auch als Kompander (häufiger gebräuchlich in englisch: "Compander") bezeichnet - führt zu einer besonders kompakten Baueinheit. Die Integration von einer antreibenden und einer abtreibenden Einheit in einem einzigen Modul - dem Kompander - vermeidet die Bereitstellung eines Getriebekastens und eines dort befindlichen Getriebes einschließlich der notwendigen Kupplungen und der dafür notwendigen Größe einer Ölanlage. Ein Großteil der mechanischen Verlustleistung wird insbesondere durch das im Stand der Technik erforderliche Getriebe bzw. Großgetriebe verursacht. Darüber hinaus ergibt sich durch die Erfindung eine besonders flexible Möglichkeit der individuellen Drehzahlregelung für jeden einzelnen Kompander.

[0008] Weiterhin kann vorteilhaft für jeden einzelnen Kompander eine individuelle Drehzahl und ggf. eine eigene Drehzahlregelung vorgesehen werden. Besonders zweckmäßig kann ein Eintrittsleitapparat, ein Düsengehäuse oder ein Eintrittsventil - ggf. mit einem Bypass um die Dampfturbine - für den zuströmenden Dampf für die jeweils antreibende Dampfturbine des Kompanders vorgesehen werden. Auf diese Weise kann eine individuelle thermodynamische und mechanische Optimierung jedes Kompanders im Betrieb erfolgen.

[0009] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die antreibenden ersten, zweiten oder weitere Dampfturbinen mit einem ersten Kessel der Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung derart in fluidleitender Verbindung stehen, dass mittels des ersten Kessels erzeugter Dampf dem Antrieb der Antriebsdampfturbinen bzw. der Kompander dient.

[0010] Eine besondere Kompaktheit wird erreicht, wenn der Hauptluftverdichter und die erste Antriebsdampfturbine und/oder der Booster-Luftverdichter und die zweite Dampfturbine jeweils ein gemeinsames Gehäuse miteinander aufweisen. Hierbei kann es sich um ein gemeinsames Außengehäuse oder ein gemeinsames Innengehäuse oder beides handeln. Grundsätzlich ist auch eine nur einschalige Bauweise des Kompanders denkbar.

[0011] Besonders zweckmäßig ist eine Weiterbildung der Erfindung, bei der der erste Kompander und/oder der zweite Kompander in einer axialen Abfolge entlang der jeweiligen Welle einen ersten Verdichter des Kompanders, die Antriebsdampfturbine einen zweiten Verdichter des Kompanders aufweist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die axiale Reihenfolge eine Nebeneinander-Anordnung der beiden Verdichter vorsieht und eine Anordnung der Antriebsdampfturbine neben dieser Verdichter-Paarung.

[0012] Bevorzugt sind die Verdichter jeweils als ein einstufiger Radialverdichter ausgebildet.

[0013] Besonders zweckmäßig sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der erste Verdichter und der zweite Verdichter jeweils eine Zuströmung und eine Abströmung aufweisen, wobei die axiale Anordnung der Zuströmung und der Abströmung des ersten Verdichters und des zweiten Verdichters zueinander gegengleich ist und insbesondere die axiale Durchströmungsrichtung der beiden Verdichter zueinander entgegengesetzt ausgerichtet ist. Der Begriff "axial" ist hierbei auf die jeweilige Drehachse bzw. Wellenachse der als Turboverdichter ausgebildeten Verdichter bezogen. Dieser Bezug gilt - wenn es in dem jeweiligen Zusammenhang nicht anders definiert ist - vorliegend immer. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Hauptluftverdichter und dem Booster-Luftverdichter ein erster Zwischenkühler zur Kühlung des verdichteten Luftstroms vorgesehen ist.

[0014] Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass ein Luftstrom zur Verdichtung von dem Hauptluftverdichter zu dem Booster-Luftverdichter strömt und ein Dampfstrom diesem Luftstrom entgegengesetzt von der zweiten Antriebsdampfturbine zu der ersten Antriebsdampfturbine strömt. Dementsprechend hat der den ersten Kompander antreibende Dampf bzw. die erste Antriebsdampfturbine ein niedrigeres Druckniveau als der den zweiten Kompander antreibende Dampf bzw. die zweite Antriebsdampfturbine. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung bei einem erfindungsgemäßen Einsatz von Kompandern besteht darin, dass in den Kompandern zwischen der Dampfseite und der Luftseite nur reduzierte Druckdifferenzen auftreten, die mittels Dichtungen abzudichten sind.

[0015] Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Figuren 1, 2

jeweils eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms für eine erfindungsgemäße Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung.

[0016] Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei unterschiedliche erfindungsgemäße Ausführungen einer Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung LSU schematisch als Flussdiagramm. Identisch bezeichnete Bauteile bedeuten hierbei jeweils funktionsgleiche Elemente.

[0017] Die in der Figur 1 dargestellte Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung LSU sieht einen Hauptluftverdichter MAC und einen Booster-Luftverdichter BAC vor. Der Hauptluftverdichter MAC des Ausführungsbeispiels der Figur 1 umfasst drei einzelne Kompander CX1, CX2, CX3 und der Booster-Luftverdichter BAC umfasst vier einzelne Kompander CX4 - CX7. Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Hauptluftverdichter einen ersten Kompander CX1, der erste Booster-Luftverdichter BAC2 einen zweiten Kompander CX2 und ein zweiter Booster-Luftverdichter BAC2 einen dritten Kompander CX3. Während die in dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 eingesetzten Kompander CX1 - CX7 alle nur einen einzigen Verdichter CP1 - CP7 aufweisen, weisen die in dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 vorgesehenen Kompander CX1 - CX3 jeweils zwei Verdichter CP1 - CP6 auf. Sämtliche Kompander CX1 - CX7 in den beiden Ausführungsbeispielen weisen jeweils eine Antriebsdampfturbine ST1 - ST7 auf, die jeweils auf einer gemeinsamen Welle SH1 - SH7 mit den jeweiligen Verdichtern CP1 - CP7 angeordnet ist. Die jeweils einer einzigen Antriebsdampfturbine ST1 - ST7 zugeordneten Verdichter CP1 - CP7 werden in dem Begriffsverständnis dieser Beschreibung als Verdichtermodul bezeichnet.

[0018] Die einzelnen Kompander CX1 - CX7 weisen jeweils ein gemeinsames Gehäuse CAS für die Antriebsdampfturbine ST1 - ST7 und die jeweils auf der gemeinsamen Welle SH1 - SH7 angeordneten Verdichter CP1 - CP7 auf. Das gemeinsame Gehäuse CAS ist in Figur 1 an einigen Kompandern nur beispielhaft eingezeichnet. Zur Versorgung der Wellenlagerung weist die Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung LSU eine gemeinsame Schmierölvorrichtung LOU auf. Zur Vereinfachung sind die einzelnen Wellenlager und entsprechende Versorgungsleitungen nicht wiedergegeben. Die einzelnen Antriebsdampfturbinen ST1 - ST7 werden mit Dampf STM beaufschlagt, wobei die Dampfmenge mittels eines Ventils VLV und/oder eines Eintrittsleitapparates IGV oder mittels einer vergleichbaren Vorrichtung stromaufwärts der Beschaufelung der Antriebsdampfturbine ST1 - ST7 geregelt ist. Auf diese Weise lässt sich die Drehzahl des jeweiligen Kompanders CX1 - CX7 regeln. Hierbei ist es ggf. auch vorteilhaft, wenn - wie in Figur 1 dargestellt - nicht vor jeder einzelnen Antriebsdampfturbine ST1 - ST7 ein Ventil VLV oder ein Eintrittsleitapparat IGV vorgesehen ist.

[0019] Ein Luftstrom AIR tritt in den Hauptluftverdichter MAC ein und wird weitergeleitet zu dem oder den Booster-Luftverdichtern BAC1, BAC2, BAC. Vor dem Hauptluftverdichter, wie in Figur 2 dargestellt, kann eine erste Zwischenkühlung IC1 vorgesehen sein, um den Luftstrom AIR auf eine für den Verdichtungsprozess vorteilhafte Eintrittstemperatur zu bringen. Besonders zweckmäßig ist zwischen den einzelnen Kompandern CX1 - CX7 jeweils eine Zwischenkühlung IC2, IC3, IC4 vorgesehen. In der Figur 1 sind die entsprechenden Zwischenkühlungen nur zwischen den einzelnen Kompandern CX1 - CX7 vorgesehen und bezeichnet mit I1 - I5. In nicht im einzelnen dargestellter Art und Weise kann die mittels der Zwischenkühlungen IC1 - IC4, I1 - I5 aus dem Luftstrom AIR abgeführte Wärme auch zur Erhitzung des Dampfes STM genutzt werden. Nach Austritt aus der jeweils letzten Antriebsdampfturbine ST1 - ST7 des jeweils hinsichtlich des Dampfstroms STM zuletzt angeordneten Kompanders CX1 - CX7 ist ein Kondensator COD für den Kreislauf des Dampfes STM vorgesehen. In simplifizierter Art und Weise ist in Figur 2 außerdem dargestellt, dass der Dampf STM stromabwärts des Kondensators COD von einer Pumpe PMP auf ein höheres Druckniveau gefördert wird, bevor ein Verdampfen und ein Überhitzen in einem Kessel BOI erfolgt. Der Kessel BOI erzeugt den Dampf STM, der dem Antrieb der Antriebsdampfturbinen ST1 - ST7 dient.

Ansprüche

1. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) umfassend:

- mindestens einen Hauptluftverdichter (MAC),

- mindestens einen Booster-Luftverdichter (BAC),

- mindestens eine erste Antriebsdampfturbine (ST1) zum Antrieb zumindest eines Verdichtermoduls des Hauptluftverdichters (MAC),

dadurch gekennzeichnet,
dass die Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) mindestens eine zweite Antriebsdampfturbine (ST2) zum Antrieb zumindest eines Verdichtermoduls des Booster-Luftverdichters (BAC) umfasst,
wobei die erste Antriebsdampfturbine (ST1) mit dem Hauptluftverdichter (MAC) einen ersten Kompander (CX1) bildend eine gemeinsame erste Welle (SH1) aufweist, wobei die zweite Antriebsdampfturbine (ST2) mit dem Booster-Luftverdichter (BAC) einen zweiten Kompander (CX2) bildend eine gemeinsame zweite Welle (SH2) aufweist.

2. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach Anspruch 1,
wobei die erste Antriebsdampfturbine (ST1) und die zweite Anriebsdampfturbine (ST2) jeweils mit einem ersten Kessel (BOI) der Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) derart in fluidleitender Verbindung stehen, dass mittels des ersten Kessels (BOI) erzeugter Dampf (STM) dem Antrieb der ersten Antriebsdampfturbine (ST1) und der zweiten Antriebsdampfturbine (ST2) dient.

3. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2,
wobei die der ersten Antriebsdampfturbine (ST1) zugeordneten Verdichtermodule des Hauptluftverdichters (MAC) und die erste Antriebsdampfturbine (ST1) und/oder die der zweiten Antriebsdampfturbine (ST1) zugeordneten Verdichtermodule des Booster-Luftverdichters (BAC) und die zweite Antriebsdampfturbine (ST2) jeweils ein gemeinsames Gehäuse aufweisen.

4. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 3,
wobei der erste Kompander (CX1) und/oder der zweite Kompander (CX2) in einer axialen Abfolge entlang der jeweiligen Welle (SH1, SH2)

- einen Verdichter (CP1 - CP7),

- einen Verdichter (CP1 - CP7)

- eine Antriebsdampfturbine (ST1,ST2).

5. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 3,
wobei der erste Kompander (CX1) und/oder der zweite Kompander (CX2) in einer axialen Abfolge entlang der jeweiligen Welle (SH1, SH2)

- einen Verdichter (CP1 - CP7),

- eine Antriebsdampfturbine (ST1,ST2),

- einen Verdichter (CP1 - CP7)

aufweist.

6. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach genau einem der Ansprüche 4 oder 5,
wobei der erste Verdichter (CP1) und der zweite Verdichter (CP2) jeweils eine Zuströmung (INL) und eine Abströmung (EXT) aufweisen,
wobei die axiale Anordnung der Zuströmung (INL) und der Abströmung (EXT) des ersten Verdichters (CP1) und des zweiten Verdichters (CP2) zueinander gegengleich sind und die axiale Durchströmungsrichtung (MF1, MF2) der beiden Verdichter (CP1, CP2) zueinander entgegengesetzt sind.

7. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 6,
wobei zwischen dem Hauptluftverdichter (MAC) und dem Booster-Luftverdichter (BAC) ein erster Zwischenkühler (IC1) vorgesehen ist.

8. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 7,
wobei der erste Verdichter (CP1) und der zweite Verdichter (CP2) jeweils als Radialverdichter ausgebildet sind.

9. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 8,
wobei die Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) derart ausgebildet ist, dass ein Luftstrom zur Verdichtung von einem ersten Kompander (CX1) zu einem zweiten Kompander (CX2) strömt, und der die Kompander (CX1, CX2) antreibende Dampfstrom (STM) von der zweiten Antriebsdampfturbine (ST2) des zweiten Kompanders (CX2) zu der ersten Antriebsdampfturbine (ST1) des ersten Kompanders (CX1) strömt.

10. Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) nach mindestens dem vorhergehenden Anspruch 9,
wobei die Luftverdichtungsanlage für eine Luftzerlegung (LSU) derart ausgebildet ist, dass ein Luftstrom zur Verdichtung vom Hauptluftverdichter (MAC) zu dem Booster-Luftverdichter (BAC) strömt und ein Dampfstrom aus dem Kessel (BOI) von der zweiten Antriebsdampfturbine (ST2) zu der ersten Antriebsdampfturbine (ST1) strömt.

Zeichnung