利用直接驱动的高速离心式压缩机的节能VPSA系统的制作方法

利用直接驱动的高速离心式压缩机的节能vpsa系统
技术领域
1.本发明整体涉及节能气体分离方法和系统，其利用直接驱动的可变高速离心式压缩机对吸附容器加压和/或抽空，并且进一步对吸附型气体分离系统内的产品气体进行加压。


背景技术：

2.从与其他气体的混合物中分离气体是重要的工业过程。在此类方法中，目的可以是获得在气体中增强的产品气体，或者从该特定产品气体中去除不期望的组分。例如，存在将空气分离成其组分气体以获得氮气、氧气和氩气的商业规模方法，以及在用于其他方法诸如将空气低温分离成其组分气体之前预处理空气的空气预纯化方法。
3.可使用吸附方法，具体地讲变压吸附(psa)和真空变压吸附(vpsa)型方法来实现空气分离。在psa和vpsa方法中，将压缩空气泵送通过对主要组分中的一者表现出吸附偏好的吸附剂固定床，由此获得在未吸附(或较少吸附)组分中增强的流出产物流。与更传统的低温空气分离方法相比，用于空气分离的吸附方法需要相对简单的装备并且相对易于维护。然而，吸附方法通常具有比许多低温方法更低的产品回收率。出于这个原因，对吸附过程效率的改善仍然是一个重要的目标。一种主要的改善方法是发现和开发更好的吸附剂。一些此类吸附剂在给定的吸附过程中导致循环时间减少。因此，需要能够满足减少循环时间的需求的新装备。
4.还持续需要具有较低功耗的psa和vpsa设备。基本方法采用选择性吸附剂来去除气体混合物的至少一种组分，其采用四个基本工艺步骤：(1)吸附，(2)减压，(3)吹扫，以及(4)再加压。使含有更易于吸附的组分和不太易于吸附的组分的气体混合物穿过至少一个吸附床，该吸附床能够在预定的(上限)吸附压力下选择性地吸附更易于吸附的组分。在这种上限压力下离开床的气流现在在不太易于吸附的组分中浓缩，并且例如作为产品去除。当床变得被易于吸附的组分饱和时，该床随后被减压至较低的解吸压力以解吸易于吸附的组分，然后该气体从系统中排出。一些方法可包括附加步骤，诸如均衡和产品加压。
5.常规psa和vpsa方法采用旋转型容积式鼓风机以用于吸附床中的气体加压或抽空。这些常规的旋转叶式鼓风机通常具有比离心式压缩机更低的效率和更高的维护成本，但是它们确实非常好地适应于变压循环的振荡性质。适于吸附工艺的旋转叶式鼓风机的具有吸引力的特征在于功耗与系统压力要求成比例。鼓风机的理论功耗与系统压差成正比(即，在功耗和压力之间具有线性关系)。这种对系统压力要求的线性功率响应已使得旋转叶式鼓风机成为psa和vpsa工业所选择的压缩装备。然而，旋转叶式鼓风机在系统中产生强压力脉动。在没有适当缓解的情况下，已知来自旋转叶式鼓风机的压力脉冲在下游工艺装备中引起严重的结构损坏。虽然脉动阻尼容器通常与旋转叶式鼓风机一起使用，但它们不能完全消除失配，并且系统中始终存在相当大的压力脉动水平。
6.在过去，在具有和不具有入口导向叶片(igv)和具有变频驱动器(vfd)的情况下，定速离心式压缩机已被考虑用于psa和vpsa方法，因为当与常规旋转叶式鼓风机相比时，它
们具有更高的效率。离心式压缩机通常需要能够以高速运行并遵循高动态变压循环，同时保持最佳效率以利用高绝热机器效率。必须采用变速控制和/或igv或两者的组合来满足可变进料流量条件。当psa或vpsa循环压力偏离定速离心式压缩机的设计压力条件时，级效率显著下降，尤其是当在接近1的压力比下操作时(阻塞)。这导致平均功耗增加，并且导致整个psa或vpsa循环中总体平均压缩机效率的下降。
7.然而，该技术在过去不能成功地被采用。使用具有和不具有igv的常规定速离心式压缩机并不理想，因为它们不能遵循循环变压吸附过程所需的较快速度上升和下降。与使用igv相比，常规变速离心式压缩机可具有改善的操作范围和改善的节能与流量减少，但是不能快速适应psa或vpsa循环的瞬态流动条件(由于齿轮的大惯性和较大的缓慢运行的常规感应马达)。
8.近年来psa和vpsa方法已取得若干进展。这些进展中的一些包括：(a)顶部吸附压力与底部解吸压力的比的显著降低，以及(b)循环时间的减少(通常少于一分钟)，从而导致吸附剂库存减少。psa或vpsa工艺的总能量需求的重要因素是吸附压力与解吸压力的这种比率。通过进料空气压缩设备进行床吸附期间的递送压力以及通过抽空设备进行解吸期间的抽吸压力随循环进行而不断变化。为了实现诸如这样的循环的最低可能总功耗，希望进料压缩设备和抽空设备在宽泛的压力比范围内以峰值效率操作。
9.vpsa设备通常被设计成且其尺寸被设计成在最高环境温度条件下满足最大生产要求。然而，由于消费者需求和环境条件的变化，vpsa设备通常在低于设计容量下运行。典型的vpsa下调操作通过延长循环步骤时间来实现，但不改变进料流量以及吸附压力和解吸压力范围。此外，还使用产品再循环流以确保机器操作。因此，vpsa操作在下调模式下不像在设计点处那样节能。本发明的目的是通过优化直接驱动的变速离心式进料压缩机、真空压缩机和产品压缩机来改善vpsa设备能量效率和资金效率，以使初始设备资金投入最小化并且在设备的寿命期间实现低单位生产成本和较低整体能量效率。


技术实现要素：

10.本发明涉及一种用于通过优化直接驱动的变速离心式进料压缩机、真空压缩机和/或产品压缩机来改善vpsa设备能量和资金效率的方法和系统，以实现较低单位气体产品生产成本。更具体地讲，本发明涉及一种新型节能vpsa工艺和系统，其采用高速直接驱动的离心式压缩机以实现扩大的生产范围。通过采用符合平均环境和生产需求大小的压缩机，利用直接驱动的可变高速离心式压缩机的速度和操作范围，可以在设备操作寿命内实现显著低能耗，以满足期望的生产需求。由于大多数设备倾向于在设备操作寿命的大部分时间以低于峰值生产的方式运行。另外，较小尺寸的机器可以从最初投资提供设备资本节省。
附图说明
11.图1示出了具有3件旋转装备的典型vpsa设备。
12.图2示出了由高速马达和vfd驱动的示例性v30c压缩机的压缩机性能标测图。
13.图3示出了氧气产品压缩机的压缩机标测图。
具体实施方式
14.离心技术基于动态压缩。在动力式压缩机中，气体诸如空气、氧气、氮气和/或其他气体在快速旋转叶轮的叶片之间被抽吸，并且加速至高速。然后通过扩散器排出空气，其中动能转化成静压。大多数动力式压缩机是具有轴向或径向流动模式的涡轮压缩机，并且被设计用于较大的体积流量。动力式压缩机的性能非常依赖于环境条件，诸如：
15.1)入口温度
16.2)入口压力
17.3)相对湿度(rh)
18.4)冷却水温度
19.降低空气的入口温度增加空气密度，从而导致较高的自由排气量(每分钟实际立方数，acfm)、较高的压缩机功耗和较高的可用下调范围。同样，增加空气的入口温度降低空气密度，从而导致较低的自由排气量(acfm)、较低的压缩机功耗和较小的可用下调范围。
20.入口压力的降低将降低压缩机入口处的空气密度。与较高的温度一样，这将导致较低的自由排气量、较低的功耗和较小的可用下调。并且入口压力的增加将增加压缩机入口处的空气密度，从而导致较高的自由排气量、较高的功耗和较高的可用下调。
21.向空气中加入水蒸汽使得空气湿润并降低空气的密度。这是由于水的摩尔质量小于空气的摩尔质量。因此，相对湿度的增加降低流量和功率，并且rh的降低将增加流量和功率。
22.最后，冷却水温度影响吸入量，使得较冷的水增加流量和功率，并且较温的水降低流量和功率。
23.vpsa设备通常被设计成且其尺寸被设计成在最高环境温度条件下满足最大生产要求。然而，由于消费者需求和环境条件的变化，vpsa设备通常以低于设计容量运行，从而降低了下调操作的效率。与为设备设定尺寸以在最高环境条件下满足最大容量要求的常规设计理念相反，本发明通过针对平均生产要求和环境条件设计vpsa设备，在需要时加速机器以满足最大容量要求，来降低设备资本。变速压缩机适用于实现所需流量和压力要求，以产生平均生产要求，同时保持最佳的压缩机效率。当生产要求超过平均生产要求时，增加压缩机速度以增加流量，以满足生产要求。系统的平均生产要求的范围通常为系统在最高环境温度下的最大设计容量要求的约50％至约90％。在另一个实施方案中，系统的平均生产要求的范围通常为系统在最高环境温度下的最大设计容量要求的约60至约90％，在另一个实施方案中约70至约90％，并且在又一个实施方案中约80％至约90％。
24.本发明更具体地涉及气体分离工艺和系统，诸如psa或vpsa吸附系统，这些系统具有在其中容纳至少一个吸附床的至少一个容器。该吸附床包含至少一种吸附剂材料。在一些实施方案中，至少一个吸附床由至少一个进料压缩机循环加压并且有时由至少一个真空压缩机抽空，其中至少一个进料压缩机或至少一个真空压缩机是由被设计用于可变高速操作的相关联的高速感应马达驱动的离心式压缩机。在此类实施方案中，不是离心式压缩机的压缩机可为由感应马达驱动的旋转叶式鼓风机。在本发明的一些实施方案中，吸附床通过由相关联的高速感应变速马达驱动的至少一个进料离心式压缩机循环地加压，并且通过由相关联的高速感应变速马达驱动的至少一个真空离心式压缩机抽空。更具体地并且根据本发明，离心式进料压缩机和/或离心式真空压缩机由用于变速操作的直接驱动的高速感
应马达驱动，使得压缩机和高速感应马达组合可以当前的psa或vpsa系统和方法的较短循环时间所需的较快速率从低速加速到高速以及从高速减速到低速。
25.变速受控高速永磁马达或感应马达的使用允许其在psa或vpsa工艺中在加速和减慢离心式压缩机的能力方面比常规低速感应马达/齿轮箱系统改善一个数量级。使用高速马达允许消除齿轮箱的必要性，因此同样允许消除润滑油系统的必要性。因此，离心式压缩机可承载在无油轴承上。此外，在一些实施方案中，预期在消除了齿轮和轴承油摩擦损失、润滑油系统损失以及改善的超前/滞后功率的能力的情况下，本发明所提出的驱动系统的效率提高超过7个百分点。
26.为了实现离心式压缩机的高效率，必须沿峰值效率线操作压缩机。峰值效率线是在压缩机性能标测图上绘制的线。如本文所讨论的，压缩机性能标测图(即，各种速度下的压力比相对于质量流量)由压缩机的特定入口温度在各种速度下的等熵功系数产生。峰值效率线表示对应于不同速度下的压缩机操作曲线的所有峰值效率点的点轨迹。通过沿峰值效率线操作，压缩机能够以在其功耗方面的最有效模式进行操作。
27.性能标测图还可以呈由等熵功系数生成的查找表或参考表的形式。性能标测图和所得最佳效率线可存储在可编程逻辑控制器(plc)中并与psa和vpsa系统集成。
28.利用本发明的设计方法，一个或多个离心式压缩机的尺寸适于平均产品需求，其中可以增加速度以满足更高的容量要求。重要的是设计具有平坦效率曲线特征的压缩机叶轮，以使机器在设计条件之外操作时的效率降低最小化。
29.如先前所提及的，vpsa设备通常被设计成满足最大生产要求，即使消费者大多数时候通常需要少量的氧气生产。环境条件、温度和高度可能对vpsa设备生产具有显著的影响。通过直接驱动的变速离心式压缩机，可以利用压缩机速度来针对平均生产要求和环境条件设计vpsa设备，在需要时加速机器以满足最大容量要求。与常规设计的设计原理相比，这种设计方法提供了资金和电力节省，以满足最大容量要求。
30.虽然不应理解为限制性的，但本发明在将气体(例如空气)分离成氧气和氮气的psa或vpsa吸附方法中实施。可获益于本发明的使用的其他气体分离方法包括但不限于涉及以下气体的回收的psa和vpsa分离：诸如o2、n2、co2、h2、ar或he。
31.使用v30c压缩机作为示例，可以使流量以恒定压力比升高约50％，同时仍然保持高效。如果需要额外的流量，则可以以效率为代价将机器进一步推向节流阀。当然，人们需要设定电机的尺寸，以获得足够的功率来满足增加的流量。
32.如图1所示，vpsa设备通常具有3件旋转装备。进料机(22)向设备提供空气。分离空气以生产氧气。真空机(50)从设备中去除废氮。产品压缩机(73)将来自设备的氧气压力提升至消费者期望的供应压力。通常，进料机和真空机为罗茨式旋转鼓风机。这些机器以定速操作，并且一旦安装就不能改变流量。因此，一旦设计并构建了vpsa，就不能增加生产的氧气量。通常，对于单级压缩而言，产品压缩机是往复式压缩机或定速离心式压缩机。与传统的进料机和真空机类似，传统的产品压缩机一旦被选择和安装，就不能被调节以增加氧气容量。如果需要较少的氧气产品，则压缩机将通过再循环管线(77)连同再循环控制阀(75,76)以再循环模式操作，并且机器将消耗相同量的功率，好像其产生100％的容量一样。换句话讲，容量下调将不由产品压缩机产生任何节能。
33.使用具有高速马达和vfd的离心式压缩机，可以设计vpsa设备，并且可以选择旋转
装备，以产生一定量的氧气，并且还可以通过在因客户需求或更改环境条件而需要时增加压缩机速度来产生更多的氧气。通过经由vfd调节马达速度而增加压缩机的速度，来实现更高的容量。这三个机器将需要一起调整，即，如果增加进料机器速度以向设备添加更多的空气，则需要更多的真空容量来去除额外的废氮和更多的产品压缩机容量，以处理由设备产生的额外氧气。
34.美国专利号7,785,405和8,529,665教导了通过调节进料和真空机器速度来操作具有高速马达和vfd的离心式压缩机，以在vpsa压力随循环变化时保持在峰值效率线上的操作。沿着这条峰值效率线操作以捕获这些机器的全部功率优势非常重要。然而，如果由于客户需求或环境条件的改变而需要额外的氧气，则可以通过增加压缩机的速度将操作线转向节流阀。速度的增加是通过对所计算的速度应用乘数来实现的。
35.对于具有高速马达和vfd的离心式产品压缩机，与进料和真空机器不同，压缩机将在压缩机的设计点(压力、流量和速度)处操作。与进料和真空机器类似，可以通过增加速度同时保持相同的出口压力来增加来自该机器的流量。
36.图2示出了由高速马达和vfd驱动的示例性v30c压缩机的压缩机性能标测图。按照ptc-10测试协议生成标测图。以恒定速度操作该机器。当机器以所述恒定速度从节流阀移动到喘振器时，使用吸入节流阀改变流量和压力。使用温度、压力和流量测量来收集数据点以形成流量与压力比的曲线。温度测量用于确定机器沿着曲线的每个点处的效率并确定所述速度的峰值效率点。该测试在压缩机设计速度的40％至110％的各种速度下重复进行，以形成完整的性能标测图。
37.压缩机的设计点在标测图上示出。该设计点包括压缩机叶轮被设计用于在其下操作以满足工艺要求的流量、压力比和速度。对于利用定速马达和齿轮箱的典型压缩机而言，该压缩机在该设计点处或附近操作。对于由高速马达和vfd驱动的压缩机，该压缩机可以在整个标测图上操作，包括沿着峰值效率线以不同速度操作。该压缩机也可通过增加马达的速度在同一头部处以更高的流量操作。这为设计用于特定流量和压力，但如果工艺要求改变则在更高的流量下操作的压缩机提供了灵活性。
38.从图2中，线1显示了所有速度下的峰值效率点。这包括压缩机的设计点和期望沿其操作机器以保持最高效率的线。图2中的线2显示了更高流量的操作线，机器可以在该线运行以向工艺提供更多流量。
39.传统上，如果客户需求或环境条件指示更高流量的情况，则对设备和相关联的压缩装备进行设计以产生更高的流量。工艺下调将用于正常操作情况或正常环境条件。
40.然而，在直接驱动的离心式压缩机和具有vfd的高速马达的情况下，设备可以设计用于正常(线1)流量情况，然后上调用于更高流量情况(线2)。在这种模式下操作将使用较小的压缩机并且资本较低。它还可以针对平均需求以较低的功率运行，因为设计用于平均流量的压缩机在设计点处操作时的效率高于在下调模式下操作的较大压缩机。
41.图3示出了氧气产品压缩机的压缩机标测图。压缩机的设计点在标测图上示出。该设计点包括车轮被设计用于在其下操作以满足工艺要求的流量、压力比和速度。对于使用定速马达和齿轮箱的典型压缩机而言，该压缩机在该设计点处或附近操作。对于如该专利中所述的由高速马达和vfd驱动的压缩机而言，该压缩机可在整个标测图范围内操作。该压缩机也可通过增加马达的速度在同一头部处以更高的流量操作。这为设计用于特定流量和
压力，但如果生产要求改变则在更高的流量下操作的压缩机提供了灵活性。
42.对于传统的产品压缩机，压缩机将被设计成满足最高的客户需求或最坏的环境条件。当需求较低时，压缩机流向客户的流量会通过将排放气体循环回到压缩机的入口中来减少。这使用了压缩机的全功率，如同其处于更高的流量一样。因此，即使产品需求减少，产品压缩机也将始终以峰值功率运行。对于具有高速马达和vfd的离心式压缩机，可以针对平均流量或平均环境条件来设定压缩机的尺寸，并且然后针对更高的需求或最坏的环境条件，可以通过经由vfd增加马达速度而增加压缩机速度来实现峰值生产量。此概念在图3中示出，其中示出了压缩机设计点。在该速度下，压缩机将产生正常条件下的流量。然后，对于更高需求，增加压缩机的速度，这使压缩机的操作点朝向右侧移动，从而在相同压力下产生更多的流量。这既节省了资本又节省了功率，因为可以使用较小的压缩机来满足较高需求，并且在平均设计点处操作的压缩机使用的功率比在再循环模式下操作的较大压缩机使用的少。
43.假设平均生产需求为峰值需求的75％，在表1和2中示出了氧气vpsa设备的压缩机资本和功率影响。
44.表1：根据峰值需求相对于所计划的平均需求设定尺寸的常规压缩机对设备容量的资本影响
[0045][0046]
表2：具有罗茨式和离心式vpsa的根据峰值需求相对于所计划的平均需求设定尺寸的常规压缩机的功率比较
[0047][0048]
从表1和2中，可以清楚地看到，具有根据平均生产需求设定尺寸的压缩机的vpsa设备呈现了资本优势。对于峰值需求生产，根据平均条件设定尺寸的机器会消耗稍微更高的功率，因为该机器的工作效率将会略低于峰值效率。然而，在真实设备操作窗口中，功率增加的影响将是最小的。根据平均需求设计的设备将有很大的潜力在设备操作寿命中实现节能，因为大多数设备在大部分时间都是在低于峰值需求的情况下操作的。
[0049]
与采用所提议的直接驱动的高速离心式压缩机相比，更节能的替代方案是根据峰值客户生产需求设定压缩机的尺寸。当客户生产需求低于峰值水平时，这些机器将以较低效率的下调模式操作。
[0050]
一个中间选项将仅采用直接驱动的高速永磁或高速感应离心式压缩机作为产品
压缩机，同时使用常规容积式罗茨式鼓风机对吸附容器进行加压和减压。离心式产品压缩机可以根据平均需求设定尺寸，而罗茨式鼓风机将需要设定尺寸以满足峰值客户生产需求。