使用帶有高速永磁電動(dòng)機(jī)的離心式壓縮機(jī)的psa氣體分離系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于氣體分離的系統(tǒng)和方法，其使用高速永磁變速電動(dòng)機(jī)來使適用于變壓吸附(PSA)或真空變壓吸附(VPSA)過程中的離心式壓縮機(jī)加速和減速。
【專利說明】使用帶有高速永磁電動(dòng)機(jī)的離心式壓縮機(jī)的PSA氣體分離系統(tǒng)和方法
[0001]本申請是申請日為2009年3月24日、申請?zhí)枮?00980111038.3、發(fā)明名稱為“使用帶有高速永磁電動(dòng)機(jī)的離心式壓縮機(jī)的PSA氣體分離系統(tǒng)和方法”的中國專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總體上涉及使用高速永磁電動(dòng)機(jī)和離心式壓縮機(jī)的氣體分離方法和系統(tǒng)，所述電動(dòng)機(jī)具有變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器，離心式壓縮機(jī)用于對這種系統(tǒng)內(nèi)的吸附劑容器進(jìn)行加壓和/或抽空。
【背景技術(shù)】
[0003]把一種氣體從與其它氣體的混合物中分離出來是重要的エ業(yè)過程。在這樣的過程中，目的可能是獲得富含特定氣體的產(chǎn)品氣體，或者是獲得從特定氣體中除去了不希望有的組分的產(chǎn)品。例如，存在エ業(yè)規(guī)模的過程來分離空氣以獲得氮?dú)?、氧氣和氬氣以及用于空氣預(yù)純化。
[0004]更具體地說，可以利用吸附過程特別是變壓吸附(PSA)型和真空變壓吸附(VPSA)型的吸附過程來實(shí)現(xiàn)空氣分離。在PSA和VPSA過程中，壓縮空氣被泵送經(jīng)過吸附劑的固定床，該吸附劑對主要組分中的ー種組分表現(xiàn)出吸附偏好，由此獲得富含未被吸附(或較少被吸附)組分的流出產(chǎn)品流。與低溫過程相比，用于空氣分離的吸附過程需要相對簡單的設(shè)備并且相對容易維護(hù)。然而，吸附過程的產(chǎn)品回收率通常比許多低溫過程低。由于這個(gè)原因，對吸附過程的改進(jìn)依然是重要目標(biāo)。ー種主要的改進(jìn)方法是發(fā)現(xiàn)及開發(fā)出更好的吸附劑。一些這類吸附劑已經(jīng)在給定的吸附過程中使循環(huán)時(shí)間變短。
[0005]持續(xù)存在對功率消耗較低的PSA和VPSA設(shè)備的需求?；具^程利用選擇性吸附劑來除去氣體混合物的至少ー種成分，采用四個(gè)基本エ序:(I)吸附、(2)減壓、(3)吹掃、和(4)再加壓。含有較易吸附成分和較不易吸附成分的氣體混合物在預(yù)定(高)的吸附壓力下經(jīng)過能夠選擇性吸附較易吸附成分的至少ー個(gè)吸附劑床。在此高壓下離開吸附劑床的氣流現(xiàn)在富含較不易吸附的成分，并且例如作為產(chǎn)品而被取走。當(dāng)吸附劑床飽和吸附了容易吸附的成分吋，此后將該吸附劑床減壓到較低的解吸壓カ從而對容易吸附的成分進(jìn)行解吸，然后使該氣體從系統(tǒng)中排出。ー些エ藝可以包括另外的步驟，例如均衡化和產(chǎn)品加壓。
[0006]常規(guī)的PSA和VPSA過程使用旋轉(zhuǎn)型正排量式鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行吸附劑床中的氣體加壓或抽空。這些常規(guī)的旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)通常具有比離心式壓縮機(jī)更低的效率和更高的維護(hù)費(fèi)用，但是它們確實(shí)很好地適應(yīng)了變壓循環(huán)的振蕩性質(zhì)。圖1示出VPSA循環(huán)的供給鼓風(fēng)機(jī)壓カ需求的示例性壓カ變化曲線，圖2示出VPSA循環(huán)的真空鼓風(fēng)機(jī)壓力需求的示例性壓カ變化曲線。旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)的涉及吸附過程的ー個(gè)有吸引力的特征是功率消耗與系統(tǒng)壓カ需求成比例。鼓風(fēng)機(jī)的理論功率消耗與系統(tǒng)壓差成正比(即，在功率消耗與壓カ之間有線性關(guān)系)。這種對系統(tǒng)壓カ需求的線性功率響應(yīng)，已使得旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)成為PSA和VPSAエ業(yè)的備選壓縮設(shè)備。然而，旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)會在系統(tǒng)中形成強(qiáng)烈的壓カ脈動(dòng)。已知如果沒有適當(dāng)?shù)木彍p，來自旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)的壓カ脈動(dòng)會引起對下游エ藝設(shè)備的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損壞。雖然脈動(dòng)緩沖容器通常與旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)一起使用，但是它們并沒有完全消除失諧(mismatch),并且在系統(tǒng)中一直存在著相當(dāng)高的壓カ脈動(dòng)水平。
[0007]在過去，已經(jīng)為PSA和VPSA過程考慮了帶有和不帶有進(jìn)ロ導(dǎo)葉(IGV)且?guī)в凶冾l驅(qū)動(dòng)器(VFD)的定速離心式壓縮機(jī)，這是因?yàn)榕c常規(guī)旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)相比它們有更高的效率。圖3示出典型的常規(guī)離心式壓縮機(jī)系統(tǒng)布置。通常需要帶有潤滑油系統(tǒng)11的變速箱10來把感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM) 12的低速轉(zhuǎn)換成離心式壓縮機(jī)I的高速，為了獲得高效率，離心式壓縮機(jī)需要以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。為了在高度動(dòng)態(tài)的變壓循環(huán)中最有效地使用離心式壓縮機(jī)，必須采用IGV、變速控制器或者這兩者的組合。當(dāng)PSA或VPSA循環(huán)壓力偏離了定速離心式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)壓力條件時(shí)，級效率顯著降低，尤其是在接近I的壓カ比下(壅塞)運(yùn)行吋。這導(dǎo)致在PSA或VPSA循環(huán)期間平均功率消耗増大以及壓縮機(jī)總平均效率降低。然而，通過連續(xù)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來匹配加壓和抽空吸附劑床這兩者的壓頭需求，理論上講壓縮機(jī)可以在從100%的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速到顯著較低的轉(zhuǎn)速下以它們的最高效率運(yùn)行?，F(xiàn)在功率消耗變得很小，因此相對于旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)而言，平均功率經(jīng)濟(jì)性和總循環(huán)效率得到顯著改善。
[0008]但是，在過去不能成功應(yīng)用這個(gè)技木。常規(guī)的帶有和不帶有IGV的定速離心式壓縮機(jī)的使用并不理想，這是因?yàn)樗鼈兊挠邢薰ぷ鞣秶?。常?guī)的變速離心式壓縮機(jī)在使用IGV的情況下可具有改善的工作范圍和改善的節(jié)能并且流量減小，但是不能迅速適應(yīng)PSA或VPSA循環(huán)的瞬變流動(dòng)狀況(這歸因于齒輪的大慣量和大的低速運(yùn)轉(zhuǎn)的IM轉(zhuǎn)子)。
[0009]在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)為PSA和VPSA過程考慮了帶有和不帶有IGV且?guī)в蠽FD的定速離心式壓縮機(jī)。
[0010]2005 年 4 月 5 日?7 日的 PWR2005 ASME Power 會議論文集的 A.Abdelwahab的《Design ot A Moderate Speed-High Capacity Centrifugal Compressor withApplication to PSA And VPSA Air Separation Processes (應(yīng)用于 PSA 和 VPSA 空氣分離過程的中速-大容量離心式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì))》論述了使用帶有進(jìn)ロ導(dǎo)葉的中速直接聯(lián)接的離心式壓縮機(jī)的VPSA循環(huán)的基本原理。
[0011]近年來，PSA和VPSA過程已經(jīng)出現(xiàn)了若干進(jìn)步。這些進(jìn)步中的ー些包括:(a)頂吸附壓カ與底解吸壓カ的比值顯著減小、和(b)循環(huán)時(shí)間的減少(通常小于一分鐘)導(dǎo)致吸附劑存量的減少。影響PSA或VPSAエ藝的總能量需求的重要因素是吸附壓カ與解吸壓力的比值。供給空氣壓縮裝置提供的床吸附期間的輸送壓力、以及抽空裝置提供的解吸期間的吸氣壓カ隨著循環(huán)進(jìn)程而持續(xù)變化。為了為例如此的循環(huán)實(shí)現(xiàn)盡可能最低的總功率消耗，希望供給壓縮和抽空裝置在大范圍的壓カ比下以最高效率工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明涉及高速永磁變速電動(dòng)機(jī)在PSA或VPSA系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過允許系統(tǒng)裝置以等于或超過當(dāng)前PSA和VPSA系統(tǒng)和過程的循環(huán)時(shí)間(例如約30?35秒)的速率加速或減速，包含這種電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)以最優(yōu)效率運(yùn)行。本發(fā)明更具體地說涉及氣體分離方法和系統(tǒng)，例如PSA或VPSA系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有其中容納至少ー個(gè)吸附劑床的至少ー個(gè)容器。吸附劑床包括至少ー種吸附劑材料。在一些實(shí)施例中，至少ー個(gè)吸附劑床由至少ー個(gè)供給壓縮機(jī)循環(huán)地加壓并且有時(shí)由至少ー個(gè)真空壓縮機(jī)進(jìn)行抽空，所述至少一個(gè)供給壓縮機(jī)或所述至少ー個(gè)真空壓縮機(jī)中的至少ー個(gè)是由為變速運(yùn)行而設(shè)計(jì)的相關(guān)聯(lián)的高速永磁(PM)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)。在這樣的實(shí)施例中，不是離心式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)可以是由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述至少ー個(gè)吸附劑床由被相關(guān)聯(lián)的高速永磁變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的至少ー個(gè)供給離心式壓縮機(jī)循環(huán)地加壓，并且由被相關(guān)聯(lián)的高速永磁變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的至少ー個(gè)真空離心式壓縮機(jī)進(jìn)行抽空。更具體地并且根據(jù)本發(fā)明，離心式供給壓縮機(jī)和/或離心式真空壓縮機(jī)由用于變速運(yùn)行的直驅(qū)式高速永磁(PM)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)，使得壓縮機(jī)與高速永磁電動(dòng)機(jī)的組合可以以當(dāng)前PSA或VPSA系統(tǒng)和過程的短循環(huán)時(shí)間(例如，大約30秒)所要求的快速速率從低速加速到高速以及從高速減速到低速。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的變速控制高速永磁電動(dòng)機(jī)的使用，使得與常規(guī)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)/變速箱系統(tǒng)相比在它們于PSA或VPSA過程中使離心式壓縮機(jī)加速和減速的能力上有ー個(gè)數(shù)量級的提高。使用根據(jù)本發(fā)明的高速永磁電動(dòng)機(jī)允許消除對變速箱的需求，因此同樣允許消除對潤滑油系統(tǒng)的需求。因此可以將離心式壓縮機(jī)支撐在無油軸承上。此外，在一些實(shí)施例中，由于消除了齒輪和軸承油摩擦損失、潤滑油系統(tǒng)損失，并且提高了超前/滯后功率的能力，本發(fā)明所提出的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率預(yù)期會高出7個(gè)以上百分點(diǎn)。在一個(gè)假設(shè)的實(shí)例中，在對由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)-變速箱裝置與高速永磁變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的具有1250馬カ(HP)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的16"壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行比較評估時(shí)，得出以下結(jié)論:(1)高速永磁(PM)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子極質(zhì)量慣性矩約為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(頂)的1/6 “2)高速永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)加上其相關(guān)聯(lián)的變速箱(GB)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子慣量低ー個(gè)數(shù)量級以上；(3)永磁電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)系統(tǒng)可以在大約2秒鐘內(nèi)從40%轉(zhuǎn)速加速到全設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，然而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變速箱和壓縮機(jī)系統(tǒng)花費(fèi)多ー個(gè)數(shù)量級的時(shí)間(約31秒，這歸因于系統(tǒng)之間顯著的慣量差異)；以及(4)關(guān)于減速，永磁電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)系統(tǒng)可以在約2秒內(nèi)從全設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速減至40%轉(zhuǎn)速。在這種情況下，預(yù)期最大制動(dòng)功率與額定電動(dòng)機(jī)功率相同。然而，如果需要更快地減速，那么可以通過如下文所述的動(dòng)態(tài)制動(dòng)來増加最大制動(dòng)功率。通常用傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)當(dāng)前PSA或VPSA系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間所需的快速減速，這歸因于齒輪的大慣量和大的低速運(yùn)轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子。
[0014]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如本文中所論述，壓縮機(jī)沿著最佳效率線運(yùn)行。最佳效率線是在壓縮機(jī)性能圖上畫出的線。如本文中所論述，壓縮機(jī)性能圖(各種轉(zhuǎn)速下的壓カ比與質(zhì)量流量/質(zhì)量流量Si+的關(guān)系曲線)由針對壓縮機(jī)特定進(jìn)ロ溫度在各種轉(zhuǎn)速下的等熵功系數(shù)而生成。最佳效率線代表與在不同的轉(zhuǎn)速和エ藝條件(壓縮機(jī)進(jìn)ロ壓力、壓縮機(jī)排出壓カ和壓縮機(jī)進(jìn)ロ溫度)下壓縮機(jī)工作曲線的全部最高效率點(diǎn)相對應(yīng)的點(diǎn)的軌跡。通過沿著最佳效率線工作，就功率消耗而言，壓縮機(jī)可以以其最大效率模式工作。性能圖還可以采用由等熵功系數(shù)生成的查找表或參考表的形式。性能圖和所得到的最佳效率線可以存儲在可編程邏輯控制器(PLC)中并且與PSA和VPSA系統(tǒng)集成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]為了對本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)有更完整的理解，應(yīng)當(dāng)參考下面的【具體實(shí)施方式】部分并且結(jié)合附圖，其中: 圖1是VPSA循環(huán)的供給鼓風(fēng)機(jī)壓カ需求的示例性壓カ變化曲線的圖示。
[0016]圖2是VPSA循環(huán)的真空鼓風(fēng)機(jī)壓力需求的示例性壓カ變化曲線的圖示。
[0017]圖3是示出帶有變速箱和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的離心式壓縮機(jī)的示意圖。
[0018]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的帶有直驅(qū)高速永磁變速電動(dòng)機(jī)的離心式壓縮機(jī)的示意圖。
[0019]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有直驅(qū)高速永磁變速電動(dòng)機(jī)和離心式壓縮機(jī)的VPSA系統(tǒng)的示意圖。
[0020]圖6A是在不同壓縮機(jī)馬赫數(shù)下示例性壓縮機(jī)等熵功系數(shù)與流量系數(shù)比(0/0 si+)的關(guān)系曲線的圖示。
[0021]圖6B是通過對圖6A中所使用壓縮機(jī)的壓縮機(jī)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量而獲得的、在不同壓縮機(jī)馬赫數(shù)下示例性壓縮機(jī)效率(n)與流量系數(shù)比(ゅ/ゅSi+)的關(guān)系曲線的圖示。
[0022]圖7是對應(yīng)于特定進(jìn)ロ溫度的示例性壓縮機(jī)性能圖(各種轉(zhuǎn)速下的壓カ比(PR)與質(zhì)量流量/質(zhì)量流量的關(guān)系曲線)的圖示。
[0023]圖8是在典型的VPSA循環(huán)上的示例性理論的-理想的供給壓縮機(jī)響應(yīng)的圖示。
[0024]圖9是在典型的VPSA循環(huán)上的示例性假設(shè)的-真實(shí)的供給壓縮機(jī)響應(yīng)的圖示。
[0025]圖10是在最低轉(zhuǎn)速線處使用吸氣節(jié)流閥的示例性壓縮機(jī)性能圖的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如上所述，本發(fā)明涉及高速永磁電動(dòng)機(jī)在PSA或VPSA系統(tǒng)中的使用。本文所使用的關(guān)于永磁電動(dòng)機(jī)的“高速”，是指永磁電動(dòng)機(jī)能夠在大于3600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下工作。這種高速電動(dòng)機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)要實(shí)施該永磁電動(dòng)機(jī)所在的系統(tǒng)和過程而改變。本發(fā)明尤其涉及氣體分離過程及系統(tǒng)，例如PSA或VPSA系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有其中包含至少ー個(gè)吸附劑床的至少ー個(gè)容器。該吸附劑床包括至少ー種吸附材料。在一些實(shí)施例中，所述至少ー個(gè)吸附劑床由至少ー個(gè)供給壓縮機(jī)循環(huán)地加壓，有時(shí)由至少ー個(gè)真空壓縮機(jī)進(jìn)行抽空，所述至少一個(gè)供給壓縮機(jī)或所述至少ー個(gè)真空壓縮機(jī)中的至少ー個(gè)是由至少ー個(gè)相關(guān)聯(lián)的高速永磁(PM)變速電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)。在這樣的實(shí)施例中，并非離心式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)可以是由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述至少一個(gè)吸附劑床由相關(guān)聯(lián)的高速永磁電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的至少ー個(gè)供給離心式壓縮機(jī)循環(huán)地加壓，并且由相關(guān)聯(lián)的高速永磁電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的至少ー個(gè)真空離心式壓縮機(jī)進(jìn)行抽空。更具體地，根據(jù)本發(fā)明，離心式供給壓縮機(jī)和/或離心式真空壓縮機(jī)由為變速工作而設(shè)計(jì)的相關(guān)聯(lián)的直驅(qū)高速永磁(PM)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)，使得壓縮機(jī)與永磁電動(dòng)機(jī)的組合可以以當(dāng)前PSA或VPSA系統(tǒng)和過程的短循環(huán)時(shí)間(例如，大約30?35秒)所要求的快速速率，從低速加速到高速以及從高速減速到低速。因此本發(fā)明的裝置使得壓縮機(jī)能夠響應(yīng)于當(dāng)前PSA和VPSA系統(tǒng)和過程的短循環(huán)時(shí)間特性。
[0027]亦如上文所論述，使用本發(fā)明的高速永磁電動(dòng)機(jī)使得與常規(guī)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)/變速箱系統(tǒng)相比在它們于PSA或VPSA過程中使離心式壓縮機(jī)加速和減速的能力上有ー個(gè)數(shù)量級的提高。使用本發(fā)明的永磁電動(dòng)機(jī)可消除對變速箱的需求，因而同樣可消除對潤滑油系統(tǒng)的需求。因此可以將離心式壓縮機(jī)支撐在無油軸承上。
[0028]本發(fā)明可以應(yīng)用于氣體分離過程和系統(tǒng)中，例如把氣體(如空氣)分離成氧氣和氮?dú)獾腜SA或VPSA過程，但不應(yīng)被解釋為限制性的。可以受益于使用本發(fā)明的壓縮機(jī)一永磁電動(dòng)機(jī)組合的其它氣體分離過程，包括但不限于涉及氣體(例如02、N2, CO2, H2或氦氣)回收的PSA和VPSA分離。
[0029]圖4中示出適于根據(jù)本發(fā)明使用的示例性壓縮機(jī)-直驅(qū)高速永磁變速電動(dòng)機(jī)裝置。該裝置能夠允許將離心式壓縮機(jī)級用到PSA或VPSA循環(huán)中。更具體地，圖4示出帶有進(jìn)ロ 2和出口 3的離心式壓縮機(jī)I，進(jìn)ロ 2和出口 3通向PSA或VPSA系統(tǒng)或自該系統(tǒng)中導(dǎo)出。如圖4中進(jìn)ー步所示，離心式壓縮機(jī)I附接到為變速運(yùn)行而設(shè)計(jì)的高速永磁(PM)電動(dòng)機(jī)4上，該電動(dòng)機(jī)經(jīng)由管路7電連接到變頻驅(qū)動(dòng)器5 (VFD)。圖4中的參考線6代表圖3中的滑軌區(qū)域，主要因?yàn)槌チ藵櫥拖到y(tǒng)以及使用了尺寸小于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的永磁電動(dòng)機(jī)所以不再需要該滑軌區(qū)域。
[0030]電動(dòng)機(jī)4可以是為變速運(yùn)行而設(shè)計(jì)的稀土高速永磁電動(dòng)機(jī)或其它高速永磁電動(dòng)機(jī)。這類電動(dòng)機(jī)是市場上可買到的，具有高達(dá)約70，000轉(zhuǎn)/分鐘的工作轉(zhuǎn)速。用于本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的尺寸將視エ藝類型和系統(tǒng)要求而變化。離心機(jī)的類型不應(yīng)解釋為限制性的。離心式壓縮機(jī)I可以從能夠在系統(tǒng)和エ藝所需條件下運(yùn)行的任何離心式壓縮機(jī)中選擇。變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)是已知的，并且它們是通過控制提供給電動(dòng)機(jī)的電カ頻率來控制交流(AC)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)。
[0031]使用高速永磁變速電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，與常規(guī)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)/變速箱系統(tǒng)相比，可在其于PSA或VPSA過程中使離心式壓縮機(jī)加速和減速的能力上提供ー個(gè)數(shù)量級的提高。此外，由于消除了齒輪和軸承油摩擦損失、潤滑油系統(tǒng)損失，并且提高了超前/滯后功率的能力，預(yù)期本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率高出7個(gè)以上的百分點(diǎn)。在一個(gè)假設(shè)的例子中，在對由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)-變速箱裝置與高速永磁變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的具有1250HP驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的16"壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行比較評估時(shí)，得出以下結(jié)論:(I)永磁(PM)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子極質(zhì)量慣性矩約為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(頂)的1/6 “2)高速永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)加上其相關(guān)聯(lián)的變速箱(GB)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子慣量低ー個(gè)數(shù)量級以上；(3)永磁電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)系統(tǒng)可以在約2秒鐘內(nèi)從40%轉(zhuǎn)度加速到全設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，然而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變速箱和壓縮機(jī)系統(tǒng)要花費(fèi)多ー個(gè)數(shù)量級的時(shí)間(大約31秒，這歸因于系統(tǒng)之間顯著的慣量差異)；以及(4)在減速方面，永磁電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)系統(tǒng)可以在2秒鐘內(nèi)從全設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速減至40%的轉(zhuǎn)速。在這種情況下，最大制動(dòng)功率預(yù)期與額定電動(dòng)機(jī)功率相同。
[0032]如果需要更快地減速，那么可以在需要快速停止的應(yīng)用中用變頻驅(qū)動(dòng)器來獲得動(dòng)態(tài)制動(dòng)(把能量供應(yīng)給制動(dòng)電阻)或者再生制動(dòng)(把能量回饋到電カ網(wǎng)中)。對永磁電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可行的這種動(dòng)態(tài)制動(dòng)或再生制動(dòng)的構(gòu)思對于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)則不可行，這歸因于齒輪的大慣量以及大的低速運(yùn)行的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子。因此，當(dāng)使用帶有變頻驅(qū)動(dòng)器和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的齒輪傳動(dòng)離心式壓縮機(jī)時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)當(dāng)前PSA和VPSA系統(tǒng)的短循環(huán)時(shí)間所需要的快速減速。
[0033]現(xiàn)在參見圖5，圖中示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的VPSA系統(tǒng)。圖5中所示的系統(tǒng)20包括供給壓縮機(jī)22、吸附劑床單元40、和單級真空壓縮機(jī)50，用以有效地產(chǎn)生以較低選擇性被吸附的氣體(例如，來自空氣中的氧)。供給壓縮機(jī)22和真空壓縮機(jī)50中的至少ー個(gè)是由高速永磁電動(dòng)機(jī)所直接驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)。在優(yōu)選實(shí)施例中，供給壓縮機(jī)22和真空壓縮機(jī)50都是由如本文所述的高速永磁電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在一些實(shí)施例中，供給壓縮機(jī)22或真空壓縮機(jī)50中只有ー個(gè)可以由高速永磁電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員亦應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，對于PSA系統(tǒng)來說，真空鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)并不像在VPSA系統(tǒng)中那樣被使用。
[0034]再次參見圖5，供給壓縮機(jī)22包括單級離心式壓縮機(jī)，該離心式壓縮機(jī)由高速永磁電動(dòng)機(jī)29直接驅(qū)動(dòng)(即，無變速箱)，具有用于吸入氣體(如空氣)的進(jìn)ロ 24，進(jìn)ロ 24引導(dǎo)加壓氣流經(jīng)過供給空氣后冷卻器27然后經(jīng)過排氣歧管26流到相應(yīng)的平行進(jìn)ロ管路28、30。
[0035]相應(yīng)的第一和第二加壓控制閥32、34被鉛封在(plumbed)相應(yīng)管路的遠(yuǎn)端，以選擇性地對吸附劑床單元40的相應(yīng)部分進(jìn)行加壓。放氣閥36連接到歧管26的中部，以選擇性地使氣流繞離床單元。通過可編程邏輯控制器(PLC) 31根據(jù)與本發(fā)明方法的エ藝步驟相對應(yīng)的定時(shí)(timing)將這些閥排序。
[0036]再次參見圖5，吸附劑床單元40包括雙吸附劑床系統(tǒng)，具有相應(yīng)底部42、44的床A和床B被布置在相應(yīng)的第一和第二加壓控制閥32、34的下游，呈交替平行布置。相應(yīng)的頂部43、45提供用于連接產(chǎn)品供給機(jī)構(gòu)60的方便接ロ，機(jī)構(gòu)60包括單個(gè)產(chǎn)品穩(wěn)壓罐(surgetank) 66。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的替代系統(tǒng)可使用ー個(gè)吸附劑床或兩個(gè)以上的吸附劑床。
[0037]每個(gè)吸附劑床都被容納在容器中，該容器優(yōu)選為徑流式類型的。徑流式容器是已知的，并且包括氣流的具有整體非對稱截面的擴(kuò)大的供給端。徑流式容器適應(yīng)大的氣流范圍，并且在氣流方向上僅僅提供穿過吸附劑床的低壓降(Dp)。徑流式容器還為吸附劑床提供更均勻的流量分布，并且通常為受約束的吸附劑床提供擴(kuò)大的進(jìn)ロ面積。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明中可以使用替代的流動(dòng)容器，例如軸向床或水平床。
[0038]真空壓縮機(jī)50被鉛封到相應(yīng)的第一減壓控制閥52和第二減壓控制閥54，這些閥連接到真空歧管56。這些閥以平行相對的關(guān)系被鉛封到第一加壓控制閥32和第二加壓控制閥34。與加壓閥相似，減壓閥和放氣閥也由PLC31排序。歧管終止于單級離心式真空壓縮機(jī)50，壓縮機(jī)50由為變速運(yùn)行而設(shè)計(jì)的高速永磁電動(dòng)機(jī)51所直接驅(qū)動(dòng)，用于在根據(jù)本發(fā)明方法的預(yù)定循環(huán)步驟期間抽空相應(yīng)的床A和床B。
[0039]正如可以從圖5中認(rèn)識到的，P1可以保持恒定(例如，在環(huán)境狀態(tài)下)，而P2將會響應(yīng)于吸附劑床中的狀態(tài)(在加壓、減壓期間以及在產(chǎn)品制造期間，P2可以變化或保持恒定)。當(dāng)P2變化吋，P2A31的比值同樣將發(fā)生變化。類似地，P4可以保持恒定(例如，在環(huán)境狀態(tài)下)，而P3將會響應(yīng)于吸附劑床中的狀態(tài)(在加壓、減壓期間以及在產(chǎn)品制造步驟期間，P3可以變化或保持不變)。當(dāng)己變化吋，P/己的比值同樣會發(fā)生變化。因此，供給壓縮機(jī)與真空壓縮機(jī)的壓カ比可以基于吸附劑床中的狀態(tài)而變化或者保持恒定。給PLC31的有關(guān)壓カ比的反饋，可以允許壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。因此，通過連續(xù)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來匹配加壓和抽空吸附劑床的壓頭需求(head requirement,即壓カ比(PR)，其由于加壓和抽空吸附劑床而變化)，壓縮機(jī)可以在從100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速到顯著較低的轉(zhuǎn)速下以接近它們的最高效率、優(yōu)選地以它們的最高效率運(yùn)行。這可以利用存儲(即硬編碼)在PLC中的信息、計(jì)算和性能圖來實(shí)現(xiàn)，PLC然后發(fā)送信號給變頻驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)聯(lián)的永磁電動(dòng)機(jī)。將會認(rèn)識至IJ，在圖5中所示的用于制氧的示例性VPSA系統(tǒng)中，P4和P1能夠處于或接近環(huán)境狀態(tài)。
[0040]繼續(xù)參見圖5，產(chǎn)品供應(yīng)機(jī)構(gòu)60包括相應(yīng)的第一產(chǎn)品出口閥62和第二產(chǎn)品出口閥64，它們布置在床A和B的相應(yīng)頂部43、45的頂處，用以引導(dǎo)來自每個(gè)床的產(chǎn)品(例如氧氣)流來吹掃另ー個(gè)床、均衡另ー個(gè)床中的壓力、或者流到穩(wěn)壓罐66進(jìn)行儲存。介于穩(wěn)壓罐66與出口閥62、64之間的隔離閥68按照來自控制器的順序指令與出ロ閥62、64協(xié)作，從而實(shí)現(xiàn)吹掃和/或均衡過程。
[0041]Smolarek等人的美國專利N0.6，010, 555中公開了對圖5中所示VPSA系統(tǒng)的詳細(xì)描述，該專利的全部內(nèi)容通過引用并入本文。然而，在本發(fā)明中，美國專利N0.6,010, 555中所描述的旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)裝置中的至少ー個(gè)或這兩個(gè)被由高速永磁變速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的更高效的離心機(jī)所代替。優(yōu)選地，美國專利N0.6，010，555所描述的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)都被更高效的離心機(jī)所代替，每個(gè)離心機(jī)由高速永磁變速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。盡管美國專利N0.6，010, 555所描述的エ藝條件可以保持類似于本發(fā)明，但是離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行模式是非常不同的并在下文中加以解釋。
[0042]圖5中所示裝置應(yīng)當(dāng)是示例性的，并且根據(jù)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)各種其它裝置(例如，ー個(gè)容器或者兩個(gè)以上的容器)。例如并且同時(shí)不應(yīng)當(dāng)解釋為限制性的，可以使用本發(fā)明的壓縮機(jī)-永磁電動(dòng)機(jī)裝置的其它系統(tǒng)包括例如在Smolarek等人的美國專利N0.5，656，068、Baksh等人的美國專利申請公開N0.2007/0095208、和Baksh等人的美國專利申請公開N0.2008/0006151中所描述的那些。根據(jù)本發(fā)明，還可以使用其它替代的PSA或VPSA裝置。
[0043]現(xiàn)在參見圖6A，圖中示出在不同機(jī)器馬赫數(shù)下理想氣體的示例性單級離心式壓縮機(jī)的等熵功系數(shù)與流量系數(shù)比(ゆ/ゆ的關(guān)系曲線。等熵功系數(shù)Q是無量綱參數(shù)，并且可以按下式進(jìn)行計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種氣體分離系統(tǒng)，包括: 至少ー個(gè)容器，其容納了包含至少ー種吸附材料的至少ー個(gè)吸附床； 至少ー個(gè)離心式壓縮機(jī)，其構(gòu)造成由相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所述相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)包括高速永磁變速電動(dòng)機(jī)；以及 控制裝置，其用于接收所述系統(tǒng)中狀態(tài)的數(shù)據(jù)信號并且響應(yīng)于所述狀態(tài)傳送給驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)的高速永磁電動(dòng)機(jī)，使得所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)能夠在指定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；并且 其中，所述至少ー個(gè)吸附床構(gòu)造成在運(yùn)行期間進(jìn)行循環(huán)加壓和減壓。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括由相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的至少ー個(gè)第二壓縮機(jī)，其中，所述至少ー個(gè)第二壓縮機(jī)是旋轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)機(jī)并且所述相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)的所述相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)與至少ー個(gè)相關(guān)聯(lián)的變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)通信，并且所述至少ー個(gè)相關(guān)聯(lián)的變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)與所述控制裝置通信，并且其中，所述至少ー個(gè)真空離心式壓縮機(jī)的所述相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)與至少ー 個(gè)相關(guān)聯(lián)的變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)通信，并且所述至少ー個(gè)相關(guān)聯(lián)的變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)與所述控制裝置通信。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中的所述狀態(tài)包括所述至少ー個(gè)離心式壓縮機(jī)的進(jìn)ロ壓力和出口壓力、以及所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)的進(jìn)ロ溫度。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述控制裝置構(gòu)造成確定所述至少ー個(gè)離心式壓縮機(jī)的壓カ比(出口壓力/進(jìn)ロ壓力)。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置在運(yùn)行期間響應(yīng)于所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)的壓カ比和進(jìn)ロ溫度，把要以之運(yùn)行的轉(zhuǎn)速傳送給所述至少ー個(gè)離心式壓縮機(jī)的相關(guān)聯(lián)的高速永磁電動(dòng)機(jī)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相關(guān)聯(lián)的高速永磁電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接到所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)，使得所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)能夠沿著預(yù)定效率線運(yùn)行。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定效率線是由與在不同轉(zhuǎn)速和エ藝條件下所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)工作曲線的最高效率點(diǎn)相對應(yīng)的點(diǎn)的軌跡所代表的最佳效率線。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用于回收從02、N2,CO2, H2或氦氣中選擇的至少ー種氣體的變壓吸附或真空變壓吸附系統(tǒng)。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少ー個(gè)高速永磁電動(dòng)機(jī)包括至少ー個(gè)稀土高速永磁電動(dòng)機(jī)。
11.如權(quán)利要求1所述的ー種氣體分離系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機(jī)加壓所述至少ー個(gè)吸附床，并且真空壓縮機(jī)抽空所述至少一個(gè)吸附床，并具有所述至少一個(gè)所述供給壓縮機(jī)或所述至少ー個(gè)真空壓縮機(jī)作為由所述高速永磁變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的所述離心式壓縮機(jī)。
12.—種氣體分離方法,該方法包括: 把供給氣體引入到至少ー個(gè)容器中，所述至少ー個(gè)容器容納了包含至少ー種吸附劑材料的至少ー個(gè)吸附劑床，所述供給氣體包括至少ー種較不容易吸附的成分和至少ー種較容易吸附的成分；讓所述供給氣體通過所述至少ー種吸附劑材料，使得所述較容易吸附的成分被所述至少ー種吸附劑材料吸附；以及 抽出富含所述較不容易吸附成分的產(chǎn)品氣體；并且 其中，在所述方法期間使用由為變速運(yùn)行而設(shè)計(jì)的高速永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的至少ー個(gè)離心式壓縮機(jī)對所述至少ー個(gè)吸附劑床進(jìn)行循環(huán)加壓和減壓。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括使用控制裝置監(jiān)測所述方法，所述控制裝置用于接收系統(tǒng)中狀態(tài)的數(shù)據(jù)信號并且響應(yīng)于所述狀態(tài)傳送給與所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)相關(guān)聯(lián)的高速永磁電動(dòng)機(jī)，使得所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)能夠在指定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)中的所述狀態(tài)包括所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)的進(jìn)ロ壓力P1、出口壓カP2和進(jìn)ロ溫度，并且其中，所述控制裝置構(gòu)造成確定所述至少ー個(gè)離心式壓縮機(jī)的壓カ比P2/Pi。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述控制裝置響應(yīng)于所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)的壓カ比P2A31和進(jìn)ロ溫度，把要以之運(yùn)行的轉(zhuǎn)速傳送給與所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)相關(guān)聯(lián)的高速永磁電動(dòng)機(jī)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在干，與所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)相關(guān)聯(lián)的高速永磁電動(dòng)機(jī)直接 聯(lián)接到所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)，使得所述至少一個(gè)離心式壓縮機(jī)能夠沿著預(yù)定效率線運(yùn)行。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括用于回收從02、N2、C02、H2或氦氣中選擇的至少ー種 氣 體的 變壓吸附或真空變壓吸附系統(tǒng)。
【文檔編號】B01D53/047GK103521032SQ201310453220
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2008年3月27日
【發(fā)明者】M.S.曼寧, J.斯莫拉雷克, A.阿布德瓦哈布, M.錢塔 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司