專利名稱：用于管道內(nèi)流動的氣體增壓的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于管道內(nèi)流動的增壓流體、尤其是氣體增壓的裝置和方法。本發(fā)明尤其可用于對管線增壓壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的管道內(nèi)流動的壓縮氣體的裝置和方法。
背景技術(shù)：
進(jìn)來，使用天然氣已經(jīng)變得越來越普遍，因此，世界上會使用越來越多的氣體管道。此外，系統(tǒng)的效率變得越來越重要，所述系統(tǒng)為壓縮在這種氣體管道內(nèi)流動的氣體的壓縮機(jī)提供動力。常常使用燃?xì)廨啓C(jī)為這種裝置中的壓縮機(jī)提供動力。然而，這種裝置的效率較低，而且排入到周圍環(huán)境中的燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣具有較高的溫度，而沒有對其中的熱量進(jìn)行利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓縮在管道內(nèi)流動的氣體的新的改進(jìn)方法和裝置，所述方法和裝置降低或基本克服了所述缺陷。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠顯著改善增壓效率和管線性能的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種可在現(xiàn)有增壓站內(nèi)進(jìn)行改進(jìn)的裝置，以及提供一種改進(jìn)的方法，尤其是其可對現(xiàn)有增壓站或周圍區(qū)域進(jìn)行最小或標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠使現(xiàn)有增壓站和管線輸送更高流量的裝置和方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種易于安裝和操作的裝置和方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種機(jī)械生產(chǎn)相對簡單并且生產(chǎn)和維修經(jīng)濟(jì)的裝置。
本發(fā)明涉及一種用于增加管線內(nèi)流動的氣體的壓頭的輔助裝置，所述壓頭由至少一個運行第一增壓裝置的燃?xì)廨啓C(jī)提供，所述輔助裝置包括蒸汽輪機(jī)，其可操作地連接到第二增壓裝置；第一連接裝置，其用于在所述管線與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；第二連接裝置，其用于在所述第一增壓裝置與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；以及加熱裝置，其用于使所述蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化。
此外，本發(fā)明還涉及一種用于增加管線內(nèi)流動的氣體的壓頭的輔助裝置，所述壓頭可由至少一個運行第一增壓裝置的燃?xì)廨啓C(jī)提供，所述輔助裝置包括蒸汽輪機(jī)，其可操作地連接到第二增壓裝置；第一連接裝置，其用于在所述管線與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；第二連接裝置，其用于在所述第一增壓裝置和第二增壓裝置之間提供流體連通；加熱裝置，其用于使所述蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化；以及用于所述管線的旁通裝置，其具有旁通管道和關(guān)閉閥系統(tǒng)，以通過旁通管道將所述第一增壓裝置連接到所述管線的下游部分。
有益地是，所述工作流體在封閉的回路內(nèi)流動，該回路包括可操作地連接到所述加熱裝置的熱交換器，該熱交換器通常為發(fā)熱鍋爐裝置，用于回收由所述至少一個燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的廢熱，所述回路還包括一個用于產(chǎn)生所述工作流體冷凝物的合適的冷凝器和使所述工作流體進(jìn)入所述加熱裝置的泵裝置。
此外，本發(fā)明涉及一種用于增加管線內(nèi)流動的氣體的壓頭的輔助裝置，所述壓頭可由至少一個運行第一增壓裝置的燃?xì)廨啓C(jī)提供，所述輔助裝置包括(a)蒸汽輪機(jī)，其可操作地連接到第二增壓裝置；(b)第一連接裝置，其用于在所述管線與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；(c)第二連接裝置，其用于在所述第一增壓裝置和第二增壓裝置之間提供流體連通；(d)加熱裝置，其用于使所述蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化；(e)中間流體；(f)加熱器，其利用從所述加熱裝置的熱量加熱所述中間流體并產(chǎn)生受熱的中間流體；(g)工作流體汽化器，其利用從受熱中間流體的熱量使所述液態(tài)工作流體汽化以形成汽化的工作流體和冷卻的中間流體；以及(h)流體冷凝器，其冷凝所述膨脹的有機(jī)汽化工作流體以產(chǎn)生工作流體冷凝物，從而使工作流體冷凝物被輸送到工作流體汽化器中。
本發(fā)明還涉及增壓裝置和相應(yīng)的方法，用于為管線內(nèi)流動的氣體提供壓力，包括至少一個合適的燃?xì)廨啓C(jī)，其適用于運行第一增壓裝置，該第一增壓裝置與所述管線流體連通，以在所述管線內(nèi)提供第一壓頭；以及至少一個根據(jù)本發(fā)明的輔助裝置，其與所述管線和燃?xì)廨啓C(jī)流體連通，以在所述管線內(nèi)提供第二壓頭。
本發(fā)明還涉及一種將氣體從至少一個源頭輸送到至少一個目的地的管線和相應(yīng)方法，包括提供并使用至少一個這樣的增壓裝置用于為所述管線內(nèi)流動的氣體提供流體壓力。
此外，本發(fā)明涉及一種用于增加管線內(nèi)流動的氣體的壓頭的方法，該壓頭可由至少一個具有第一增壓裝置的燃?xì)廨啓C(jī)提供，該方法包括(a)提供一個蒸汽輪機(jī)，其可操作地連接到第二增壓裝置；(b)在所述管線與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；(c)在由所述燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的所述第一增壓裝置與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；以及(d)使所述蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化并在所述蒸汽輪機(jī)內(nèi)膨脹所述汽化的工作流體以為驅(qū)動所述第二增壓裝置提供動力，從而在除了由所述第一增壓裝置提供第一壓頭之外還為穿過第二增壓裝置流動的氣體提供第二壓頭。
此外，本發(fā)明還涉及一種增加在天然氣管線內(nèi)流動的天然氣的壓頭的方法，該壓頭可由至少一個運行第一增壓裝置的燃?xì)廨啓C(jī)提供，該方法包括(a)提供一個蒸汽輪機(jī)，其可操作地連接到第二增壓裝置；(b)在所述天然氣管線與所述第二增壓裝置之間提供流體連通，所述天然氣管線為天然氣管線傳輸系統(tǒng)中的一部分；(c)在由所述燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的所述第一增壓裝置與所述第二增壓裝置之間提供流體連通，以從所述第一增壓裝置和第二增壓裝置輸送在所述天然氣管線內(nèi)流動的天然氣；以及(d)使所述蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化并在所述蒸汽輪機(jī)內(nèi)膨脹所述汽化的工作流體，以為驅(qū)動所述第二增壓裝置提供動力，并在除了由所述第一增壓裝置為所述天然氣提供第一壓頭之外還為穿過第二增壓裝置流動的天然氣提供第二壓頭。
有益地是，在上述的兩個步驟(d)中，所述燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中的熱量用于汽化所述工作流體，并且可選的，還包括冷凝排出所述燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹的蒸汽以形成冷凝物的步驟，該步驟通常通過合適的氣冷式冷凝器完成。之后將冷凝物返回到合適的發(fā)熱鍋爐以根據(jù)步驟(d)汽化所述工作流體?？蛇x的，在步驟(d)中，由所述燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中的熱量加熱過的受熱中間流體通常用于汽化所述工作流體以形成汽化的工作流體，并且所述工作流體可在通過蒸汽輪機(jī)膨脹之后被冷凝以形成工作流體冷凝物，以便所述工作流體冷凝物可由受熱的中間流體重新進(jìn)行汽化。還可選的，由燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中的熱量進(jìn)行汽化的汽化中間流體用于汽化所述工作流體以形成汽化的工作流體，并且所述工作流體可在穿過蒸汽輪機(jī)膨脹之后被冷凝以形成工作流體冷凝物，以便所述工作流體冷凝物由汽化的中間流體重新進(jìn)行汽化?？商峁└闭羝啓C(jī)，其使汽化的中間工作流體膨脹以產(chǎn)生動力和膨脹的汽化中間工作流體，并且所述副蒸汽輪機(jī)可操作地連接到所述第二增壓裝置以對由燃?xì)廨啓C(jī)提供的壓頭進(jìn)一步增壓。
可優(yōu)選地是，所述方法還包括冷卻第一增壓裝置和第二增壓裝置所提供的兩個壓縮階段之間的氣體的步驟，并且可利用第一增壓裝置和第二增壓裝置提供的兩個壓縮階段之間的氣體中排出的熱量對合適的傳熱流體進(jìn)行加熱。還可用由所述燃?xì)廨啓C(jī)提供的廢熱對傳熱流體進(jìn)行加熱，并且可選的，可將受熱傳熱流體中的熱量傳送給熱量消耗。
可選的，所述方法還包括提供合適的旁通系統(tǒng)的步驟，例如選擇性地使氣體從所述管線流到如下通道中的一條或另一條通道第一通道，在該通道中，由第一增壓裝置和第二增壓裝置對氣體進(jìn)行增壓；以及第二通道，在該通道中，流過所述管線的氣體繞過第二增壓裝置。


圖1示出了本發(fā)明的第一實施例的主要部件的總體布置；圖2示出了本發(fā)明的第一實施例的主要部件的可選擇的總體布置；圖3示出了本發(fā)明的第二實施例的主要部件的總體布置。
圖4示出了本發(fā)明的第三實施例的主要部件的總體布置。
圖4(a)和圖4(b)部分地示出了蒸汽輪機(jī)與圖4中的第二壓縮機(jī)之間的可選擇的操作連接模式。
在各附圖中相同的附圖標(biāo)記或符號表示相同的部件。
具體實施例方式
本發(fā)明由權(quán)利要求書進(jìn)行限定，其內(nèi)容包含在說明書的公開范圍之內(nèi)，現(xiàn)在將結(jié)合實施例和附圖對其進(jìn)行描述。
除了特別指出之外，這里所用的術(shù)語流體指的是氣體、蒸汽、液體以及它們的混合物。
除非特別指出，這里所用的表示相對位置的術(shù)語“上游”和“下游”一般分別指的是遠(yuǎn)離并沿著流體流動方向的方向，所述流體包括氣體、液體以及它們的混合物。
這里的“燃?xì)廨啓C(jī)”指的是空氣壓縮機(jī)、燃燒燃料的燃燒器和渦輪機(jī)的組合。排出燃燒器的熱氣體在渦輪機(jī)內(nèi)膨脹，并且渦輪機(jī)驅(qū)動空氣壓縮機(jī)和外部載荷，例如氣體壓縮機(jī)或交流發(fā)電機(jī)。其不同于“蒸汽輪機(jī)”，這里的“蒸汽輪機(jī)”指的是由熱高壓蒸汽的膨脹驅(qū)動的渦輪機(jī)。
本發(fā)明涉及通常在增壓站內(nèi)進(jìn)行增壓的裝置和方法，以為管線內(nèi)流動的氣體提供氣體壓力，尤其涉及一種除了使用燃?xì)廨啓C(jī)之外還使用蒸汽輪機(jī)的裝置和相應(yīng)方法，以向管線內(nèi)流動的氣體提供氣體壓力。
本文所描述的輔助裝置也相應(yīng)地指副裝置或附屬裝置。
所述增壓裝置包括至少一個合適的燃?xì)廨啓C(jī)，其用于運行第一增壓裝置，如第一壓縮機(jī)，其與所述管線流體連通，以為所述管線提供第一壓頭；以及至少一個輔助裝置，其與所述管線和所述燃?xì)廨啓C(jī)流體連通，以為所述管線提供第二壓頭。
根據(jù)本發(fā)明，所述輔助裝置包括可操作地連接到第二增壓裝置(如第二壓縮機(jī))的蒸汽輪機(jī)；在所述管線和所述第二增壓裝置之間提供流體連通的第一連接裝置；在所述第一增壓裝置與第二增壓裝置之間提供流體連通的第二連接裝置；用于汽化所述蒸汽輪機(jī)的工作流體的加熱裝置。
特別是，本發(fā)明的特征在于提供了至少一個第二壓縮機(jī)，該第二壓縮機(jī)與第一壓縮機(jī)(由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動)串連連接，以進(jìn)一步增加管線內(nèi)流動的氣體的壓力，該第二壓縮機(jī)直接或不直接地由至少一個蒸汽輪機(jī)驅(qū)動。
現(xiàn)在參看附圖，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，圖1中的附圖標(biāo)記10表示的是壓縮在管線內(nèi)流動的氣體的增壓裝置，其按照本發(fā)明進(jìn)行設(shè)計和操作。
裝置10還包括至少一個用于壓縮在氣體管線14內(nèi)流動的氣體的第一壓縮機(jī)12。第一壓縮機(jī)12通過聯(lián)軸器18例如直接或不直接地通過齒輪裝置由燃?xì)廨啓C(jī)16驅(qū)動和操作。燃?xì)廨啓C(jī)16使用通過進(jìn)氣管20輸送的空氣并產(chǎn)生用于驅(qū)動壓縮機(jī)12的機(jī)械動力。燃?xì)廨啓C(jī)16包括用于壓縮由進(jìn)氣管20所輸送空氣的空氣壓縮機(jī)(未示出)、用于在由空氣壓縮機(jī)和渦輪機(jī)(未示出)輸送的空氣之前燃燒輸送到其內(nèi)的燃料的燃燒器以膨脹熱的燃燒產(chǎn)物或排出燃燒器的氣體。
特別是，裝置10的特征在于還包括第二壓縮機(jī)24，所述第二壓縮機(jī)在第一壓縮機(jī)12附近與第一壓縮機(jī)12串連，以便進(jìn)一步壓縮通過管道26排出第一壓縮機(jī)12的壓縮氣體。第二壓縮機(jī)24同樣直接或不直接地通過聯(lián)軸器30由蒸汽輪機(jī)28驅(qū)動或操作?？蓛?yōu)選地是，蒸汽輪機(jī)28接收來自發(fā)熱鍋爐32的蒸汽，所述蒸汽由鍋爐內(nèi)的液態(tài)工作流體產(chǎn)生，所述工作流體接收排出燃?xì)廨啓C(jī)16的廢氣的熱量。冷凝器34可為氣冷式或水冷式，優(yōu)選為氣冷式，所述冷凝器34接收排出蒸汽輪機(jī)28的膨脹的蒸汽并產(chǎn)生冷凝物，泵36將所述冷凝物從冷凝器34輸送到發(fā)熱鍋爐32，從而完成動力循環(huán)。雖然所述蒸汽輪機(jī)可為汽輪機(jī)，但是可優(yōu)選地是，所述蒸汽輪機(jī)可以為使用有機(jī)工作流體的有機(jī)蒸汽輪機(jī)(直接或不直接地使用中間傳熱流體循環(huán)，如熱油)。這種有機(jī)工作流體可為用于在動力循環(huán)中根據(jù)有機(jī)蘭金循環(huán)工作的蒸汽輪機(jī)的戊烷(正戊烷或已戊烷)或任意合適的有機(jī)工作流體。此外，本發(fā)明的這個實施例可選擇地包括同樣由蒸汽輪機(jī)28驅(qū)動或操作的發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27。然而，如果優(yōu)選或如果更加方便的話，所述發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27可以不必包含在本發(fā)明的裝置(10’)的實施例中，如圖2所示，圖2示出了本發(fā)明第一實施例的這一選擇的主要部件的總體布置。
在該實施例中，第一壓縮機(jī)12的額定功率優(yōu)選比第二壓縮機(jī)24的大。作為非限制性的實施例，也就是這里所述壓縮機(jī)12能夠?qū)⒃跉怏w管線14內(nèi)流動的氣體壓縮到50％以上優(yōu)選為約80％的所需壓頭，而第二壓縮機(jī)24將排出第一壓縮機(jī)12的壓縮過的氣體壓縮不到50％的所需壓頭，優(yōu)選更接近20％的剩余壓頭。因而，由第一壓縮機(jī)12提供的第一壓頭通?；旧线h(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二壓縮機(jī)24所提供的第二壓頭?？蓛?yōu)選地是，第一壓頭約為第二壓頭的4倍。
在操作中，由燃?xì)廨啓C(jī)16驅(qū)動和操作的第一壓縮機(jī)12壓縮在氣體管線14內(nèi)流動的氣體并產(chǎn)生壓縮氣體。第二壓縮機(jī)24進(jìn)一步壓縮排出第一壓縮機(jī)12的壓縮氣體并在氣體管線25的下游部分產(chǎn)生進(jìn)一步壓縮的氣體。蒸汽輪機(jī)28通過聯(lián)軸器30驅(qū)動或操作第二壓縮機(jī)24以及發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27，并接收發(fā)熱鍋爐32所產(chǎn)生的蒸汽，所述發(fā)熱鍋爐32利用排出燃?xì)廨啓C(jī)16的廢氣中的熱量。這些蒸汽在蒸汽輪機(jī)28內(nèi)膨脹并做功，以便蒸汽輪機(jī)通過聯(lián)軸器30驅(qū)動第二壓縮機(jī)24，使其旋轉(zhuǎn)并由此壓縮管線26內(nèi)的壓縮氣體以在氣體管線25內(nèi)產(chǎn)生進(jìn)一步壓縮的氣體。此外，發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27借助聯(lián)軸器38而旋轉(zhuǎn)發(fā)電。排出蒸汽輪機(jī)28的膨脹蒸汽被輸送到冷凝器34(優(yōu)選為氣冷式)進(jìn)行冷凝，產(chǎn)生的冷凝物由循環(huán)泵36輸送到發(fā)熱鍋爐32，從而完成動力循環(huán)。因此，通過發(fā)熱鍋爐使用排出燃?xì)廨啓C(jī)16的廢氣中的熱量，所述系統(tǒng)的效率會更高。當(dāng)需要管線中增加流速(和增加壓力)時，蒸汽輪機(jī)上的大部分載荷來自第二壓縮機(jī)24，發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)輸送降低了的電能或電力。另一方面，管線內(nèi)具有較低流速時，發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)供應(yīng)的電能或電力將會增加。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過改進(jìn)工具形式的輔助裝置用于增加燃?xì)廨啓C(jī)在管線內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓力。再次參看圖1，在第一個實施例中，所述輔助裝置包括可操作地連接到第二壓縮機(jī)24上的蒸汽輪機(jī)28；在第二壓縮機(jī)24與管線14之間提供流體連通的第一連接裝置31；以及在第二壓縮機(jī)24與由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的第一壓縮機(jī)12之間提供流體連通的第二連接裝置23。所述輔助裝置還包括合適的加熱裝置(通常適用于從合適的燃?xì)廨啓C(jī)廢氣中排出剩余熱量，如發(fā)熱鍋爐32)，以汽化蒸汽輪機(jī)28的工作流體，以及合適的冷凝器34和完成蒸汽輪機(jī)循環(huán)的泵36?？蛇x的，輔助裝置的蒸汽輪機(jī)28可以類似于上述本發(fā)明的增壓裝置的方式直接或非直接地連接到第二壓縮機(jī)24上，但做了必要地修正。
正如這里所述增壓裝置，所述輔助裝置還可包括與所述第二連接裝置連通的中間冷卻器，以便冷卻第一壓縮機(jī)與第二壓縮機(jī)之間的氣體。所述中間冷卻器裝置選擇地還包括在閉合回路中流動的合適的傳熱流體，所述閉合回路包括可操作地連接到所述發(fā)熱鍋爐裝置上的熱交換器以便產(chǎn)生進(jìn)一步加熱的熱交換流體，以及將熱交換流體輸送到所述發(fā)熱鍋爐裝置中的泵結(jié)構(gòu)?？蛇x的，可具有將所述進(jìn)一步受熱的熱交換流體中的熱量傳送給熱量消耗的裝置。還可選的，所述輔助裝置還包括連接到所述蒸汽輪機(jī)上的發(fā)電裝置，和/或合適地連接到所述第二壓縮機(jī)上的合適的電動機(jī)，該電動機(jī)可選擇地接收來自所述發(fā)電裝置的電能。
根據(jù)第一和實際上的所有實施例，依據(jù)流體在管線內(nèi)流動時管線內(nèi)壓頭衰減量，本發(fā)明的增壓裝置(10)作為整體單元可沿管線方便地設(shè)置在任意數(shù)量的位置上。因而，本發(fā)明可用于新的管線壓縮機(jī)裝置中并帶來了增加的能量效率水平。例如，相應(yīng)于由燃?xì)廨啓C(jī)提供的另外的壓縮，燃?xì)廨啓C(jī)的大小和能量消耗以及資金和運行成本可在沒有大量附加能量損耗的情況下得以減小。
然而，應(yīng)該指出的是，本發(fā)明還可用在現(xiàn)有的管線壓縮機(jī)裝置中，其中，第二壓縮機(jī)可被添加到現(xiàn)有的管線壓縮機(jī)裝置中(不會超出現(xiàn)有的管線壓縮機(jī)裝置的現(xiàn)有壓力上限)。本發(fā)明所提供的裝置具有多個優(yōu)點，包括能夠使增壓站以最優(yōu)的效率運行，并且當(dāng)管線內(nèi)需要高于標(biāo)準(zhǔn)氣流的壓力時，可使蒸汽輪機(jī)在線(on-line)以提供所需的另外壓頭。另一方面，當(dāng)不需要由蒸汽輪機(jī)所提供的壓頭時，由蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能可被轉(zhuǎn)化為電能而被存儲或利用。
在一個實施例中，在本發(fā)明中以最優(yōu)的運行速度和驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)是可能的，從而優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的性能。應(yīng)該指出的是，根據(jù)本發(fā)明，通過操作第二壓縮機(jī)并使其由蒸汽輪機(jī)驅(qū)動，在管線中流動的氣體可獲得進(jìn)一步的壓縮而不必增加燃?xì)廨啓C(jī)的燃料消耗，其中所述蒸汽輪機(jī)運用發(fā)熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽。這與蒸汽輪機(jī)是否產(chǎn)生電無關(guān)。
例如由于在峰值載荷時蒸汽輪機(jī)提供另外的壓頭而不是增加燃?xì)廨啓C(jī)的速度，以這種方式至少為燃?xì)廨啓C(jī)提供最優(yōu)的和穩(wěn)定的狀態(tài)也是可能的，從而使維修成本最低并使燃?xì)廨啓C(jī)的工作壽命最長。
第一壓縮機(jī)12通過管道26與第二壓縮機(jī)24連通，當(dāng)兩個壓縮機(jī)共同關(guān)閉時，使第一壓縮機(jī)12和串連的第二壓縮機(jī)24有效地在管線14內(nèi)提供壓頭的效率得到了提高。換句話說，當(dāng)這兩個壓縮機(jī)一起關(guān)閉時，與兩個壓縮機(jī)顯著分離的情況相比，共同的壓頭能夠在增壓站之間的更長距離的管線內(nèi)維持有用的壓力。兩個壓縮機(jī)的關(guān)閉提供了很多益處，如燃?xì)廨啓C(jī)28可足夠靠近燃?xì)廨啓C(jī)的排氣口22以使廢熱能夠被充分地利用，以及使蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)能夠被封裝在同一共用結(jié)構(gòu)中(通常為增壓站)。此外，二者結(jié)合的喘振邊界(surge margin)大于第一壓縮機(jī)的喘振邊界，并且與一個可在高速條件下操作的壓縮機(jī)(可提供結(jié)合的壓頭的一個壓縮機(jī))相比，第一壓縮機(jī)以滿流量和低壓力下操作。在各自的最優(yōu)速度下驅(qū)動第一和第二壓縮機(jī)中的一個或兩個也是可能的，并且可對燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)進(jìn)行控制以便使所述燃?xì)廨啓C(jī)具有最小的燃料消耗和最大的壓頭。同樣的考慮可應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例中，但是需要做必要的修正。因此，本發(fā)明的串連裝置不同于氣體管線上的兩個連續(xù)的壓縮機(jī)的設(shè)置，每一壓縮機(jī)由一個燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動，通常它們沿著管線彼此相距數(shù)百公里。
參看圖3，現(xiàn)在描述本發(fā)明的第二實施例，其中附圖標(biāo)記10A表示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例設(shè)計和操作的增壓裝置。第二實施例不同于結(jié)合圖1和圖2所描述的實施例，不同之處在于該實施例具有中間冷卻器以在進(jìn)入第二壓縮機(jī)之前冷卻排出第一壓縮機(jī)的壓縮氣體。在該實施例中設(shè)有中間冷卻器50A以在進(jìn)入第二壓縮機(jī)24A之前冷卻排出第一壓縮機(jī)12A的壓縮氣體。通過熱交換器60A，從燃?xì)廨啓C(jī)16A的廢氣中排出的熱量也可被添加到中間冷卻器50A所排出的熱量中，并被輸送給使用這些熱量的熱量消耗。例如，這些熱量可被用于工藝用熱或工業(yè)用熱，和/或商業(yè)用熱和/或家庭用熱?？蛇x的，這些熱量可被聚集并儲存起來以備后用。
因此，通過將熱量傳遞到中間冷卻器50A中的傳熱介質(zhì)，中間冷卻器50A冷卻排出第一壓縮機(jī)12A并在管線26A中流動的壓縮氣體，以便將冷卻的壓縮氣體輸送給第二壓縮機(jī)24A，并由中間冷卻器50A產(chǎn)生受熱的傳熱介質(zhì)。此外，仍存在于燃?xì)廨啓C(jī)16A的廢氣中的熱量被傳遞到由中間冷卻器50A輸送的熱交換器60A中的傳熱介質(zhì)。排出熱交換器60A的另外的受熱傳熱介質(zhì)被輸送給熱量消耗使用，如工業(yè)用熱過程。在該實施例中，由于排出第一壓縮機(jī)12A的壓縮氣體在被輸送到第二壓縮機(jī)24A之前得到冷卻，因此增加了在氣體管線內(nèi)流動的氣體的壓縮效率。除此之外，該實施例中的部件基本等同于圖1和圖2所示實施例中的組成部件。一般來說，該實施例的操作類似于圖1和圖2所示實施例的操作，但是此處的中間冷卻器50A用于通過將熱量傳遞到中間冷卻器50A內(nèi)的傳熱介質(zhì)(如水)冷卻排出第一壓縮機(jī)12A并在管線16內(nèi)流動的壓縮氣體，以便將冷卻的壓縮氣體輸送到第二壓縮機(jī)24A并由中間冷卻器50A產(chǎn)生受熱的傳熱介質(zhì)。此外，仍存在于燃?xì)廨啓C(jī)16A的廢氣中的熱量被輸送到由中間冷卻器50A輸送的熱交換器60A的傳熱介質(zhì)中。排出熱交換器60A的另外的受熱傳熱介質(zhì)被輸送給熱量消耗62A使用，如工業(yè)用熱過程。在該實施例中，由于排出第一壓縮機(jī)12A的壓縮氣體在被輸送到第二壓縮機(jī)24A之前得到冷卻，因此增加了在氣體管線內(nèi)流動的氣體的壓縮效率。
現(xiàn)在參看圖4，結(jié)合該圖將對本發(fā)明的第三實施例進(jìn)行描述，其中附圖標(biāo)記10B表示根據(jù)本發(fā)明的第三實施例設(shè)計和操作的增壓裝置。在該實施例中，其被認(rèn)為是目前完成本發(fā)明最好的方式，并且其可選擇地和優(yōu)選地包括用于冷卻排出第一壓縮機(jī)的壓縮氣體的中間冷卻器以及用于排出仍存在于燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中的熱量的可選擇的熱交換器，設(shè)置旁通管線48B以便利用發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)與由蒸汽輪機(jī)所驅(qū)動或操作的第二壓縮機(jī)相結(jié)合。實際上，該實施例的其它裝置基本上與圖3所示的實施例相同。因此，該實施例中的裝置10B也包括用于壓縮在氣體管線14內(nèi)流動的氣體的第一壓縮機(jī)12B，如圖4所示。燃?xì)廨啓C(jī)16B通過聯(lián)軸器18B驅(qū)動或操作第一壓縮機(jī)12B，所述燃?xì)廨啓C(jī)16B使用通過輸送管20B供應(yīng)的空氣并產(chǎn)生驅(qū)動壓縮機(jī)12B的機(jī)械能。燃?xì)廨啓C(jī)16B包括用于壓縮通過進(jìn)氣管20B所輸送空氣的空氣壓縮機(jī)(未示出)，在空氣壓縮機(jī)和渦輪機(jī)(未示出)所輸送的空氣中燃燒輸送到其中的燃料的燃燒器(未示出)，以使排出燃燒器的熱的燃燒產(chǎn)物或氣體膨脹。燃?xì)廨啓C(jī)16B產(chǎn)生的廢氣通過豎管22B排出。
如圖4所示，所述裝置10B還包括壓縮通過管線26B排出第一壓縮機(jī)12B的壓縮氣體的第二壓縮機(jī)24B。中間冷卻器50B冷卻通過管線26B排出第一壓縮機(jī)12B的壓縮氣體并將從壓縮氣體中所排出的熱量傳遞到傳熱流體，如水等，排出中間冷卻器50B的冷卻后的壓縮空氣被輸送到第二壓縮機(jī)24B中。第二壓縮機(jī)24B通過聯(lián)軸器3OB也由蒸汽輪機(jī)28B驅(qū)動或操作?？蓛?yōu)選地是，蒸汽輪機(jī)28B接收來自發(fā)熱鍋爐32B的蒸汽，所述蒸汽由鍋爐中的液態(tài)工作流體產(chǎn)生，所述工作流體接收排出燃?xì)廨啓C(jī)16B的廢氣的熱量。冷凝器34B可為氣冷式或水冷式，優(yōu)選為氣冷式，所述冷凝器34B接收排出蒸汽輪機(jī)28B的膨脹蒸汽并產(chǎn)生冷凝物，該冷凝物由泵36B從冷凝器34B輸送到發(fā)熱鍋爐32B，從而完成動力循環(huán)。雖然所述蒸汽輪機(jī)可為水蒸汽輪機(jī)，但可優(yōu)選地是，所述蒸汽輪機(jī)為使用有機(jī)工作流體的有機(jī)蒸汽輪機(jī)(直接或不直接地使用中間傳熱流體循環(huán)，例如使用熱油)。例如，這種有機(jī)工作流體可為在動力循環(huán)中的有機(jī)蒸汽輪機(jī)中用作工作流體的戊烷(正戊烷或已異戊烷)，或任意其它有機(jī)液，或者其它合適的液體，所述有機(jī)蒸汽輪機(jī)根據(jù)有機(jī)蘭金循環(huán)進(jìn)行操作。此外，仍存在于燃?xì)廨啓C(jī)16B的廢氣中的熱量被傳遞到由中間冷卻器50B輸送的熱交換器6OB中的傳熱介質(zhì)。排出熱交換器6OB的進(jìn)一步受熱的傳熱介質(zhì)被輸送給熱量消耗使用。
此外，本發(fā)明的該實施例包括發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27B，其同樣由蒸汽輪機(jī)28B和第二壓縮機(jī)24B所驅(qū)動或操作(類似于圖3所示的由蒸汽輪機(jī)28A驅(qū)動或操作的發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27A)。發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27B通過機(jī)械聯(lián)軸器38B連接到蒸汽輪機(jī)28B上，而發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27B通過可選擇性地脫開的機(jī)械聯(lián)軸器30B連接到第二壓縮機(jī)24B上。
然而，與第一實施例相比，根據(jù)第三實施例的裝置包括具有閥42B和44B的關(guān)閉閥系統(tǒng)40B和旁通系統(tǒng)65B。因此，第一壓縮機(jī)12B可通過管道26B和關(guān)閉閥42B與第二壓縮機(jī)24B選擇連通，并且第二壓縮機(jī)的下游側(cè)通過管道43B和止回閥45B連接到管線14的下游部分25?？蛇x的，第一壓縮機(jī)12B可通過旁通管道48B和閥44B與管線14的下游部分25選擇連通。因此，管道26B朝向兩個閥42B和44B分叉，與之類似，管道43B和489B在止回閥45B的下游匯集在一起。此外，該實施例包括用于控制旁通系統(tǒng)的操作并使增壓裝置10B的操作最優(yōu)的控制器55B。
可選的，閥42B和44B可由合適的雙向閥替代。
在該實施例中，如果由于某種原因，氣體管線14內(nèi)氣體的流量降低從而所需的氣體壓力也較低，氣流可通過旁通管道48B轉(zhuǎn)向以便省掉第二壓縮機(jī)24B，因而由蒸汽輪機(jī)28B操作的發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27B所產(chǎn)生的電量將會增加。另一方面，如果氣體管線14內(nèi)氣體的流量增加了，由蒸汽輪機(jī)28B操作的發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27B所輸送的電力負(fù)載降低或者甚至被消除，以將增加的機(jī)械能輸送給第二壓縮機(jī)24B。
可選的，所述閥系統(tǒng)40B可如此進(jìn)行操作完全關(guān)閉兩個閥，例如為了停止氣體的流動，在這種情況下，上游的壓縮機(jī)通常也被關(guān)閉。
另外，在該實施例中，第一壓縮機(jī)12B的額定功率大于第二壓縮機(jī)24B的額定功率。作為非限制性的實施例，第一壓縮機(jī)12B將氣體管線14內(nèi)流動的氣體壓縮到50％以上優(yōu)選約為80％的所需壓頭，而第二壓縮機(jī)24B將排出第一壓縮機(jī)12B的壓縮氣體壓縮不到50％的所需壓頭，優(yōu)選更接近20％的剩余壓頭。因此，由第一壓縮機(jī)12B所提供的第一壓頭通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由第二壓縮機(jī)24B所提供的第二壓頭?？蓛?yōu)選地是，第一壓頭約比第二壓頭大約4倍。
在操作中，由燃?xì)廨啓C(jī)16B驅(qū)動或操作的第一壓縮機(jī)12B壓縮在氣體管線14內(nèi)流動的氣體并產(chǎn)生壓縮氣體。第二壓縮機(jī)24B進(jìn)一步壓縮排出第一壓縮機(jī)12B的壓縮氣體并在氣體管線25B內(nèi)產(chǎn)生進(jìn)一步壓縮的氣體。通過將從壓縮氣體中排出的熱量傳遞到中間冷卻器5OB內(nèi)的傳熱流體，中間冷卻器5OB冷卻排出第一壓縮機(jī)12B并存在于管線26B內(nèi)的壓縮氣體，并產(chǎn)生冷卻的壓縮氣體。蒸汽輪機(jī)28B驅(qū)動或操作第二壓縮機(jī)24B以及發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27B，并接收發(fā)熱鍋爐32B利用排出燃?xì)廨啓C(jī)16B的廢氣中的熱量所產(chǎn)生的蒸汽。這些蒸汽在蒸汽輪機(jī)28B內(nèi)膨脹并做功，以使蒸汽輪機(jī)驅(qū)動第二壓縮機(jī)24B，使其旋轉(zhuǎn)從而壓縮排出中間冷卻器5OB的冷卻的壓縮氣體，在氣體管線14的下游部分25產(chǎn)生進(jìn)一步壓縮的氣體。此外，發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)通過機(jī)械聯(lián)軸器38B由蒸汽輪機(jī)28B驅(qū)動旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生電力。另外，可脫開的聯(lián)軸器3OB連接到所述發(fā)電裝置27B和所述第二壓縮機(jī)24B，其中所述可脫開的聯(lián)軸器選擇性地使第二壓縮機(jī)脫開所述發(fā)電裝置。排出蒸汽輪機(jī)28B的膨脹蒸汽被輸送到冷凝器34B(其優(yōu)選為氣冷式)進(jìn)行冷凝并產(chǎn)生冷凝物，所述冷凝物由循環(huán)泵36B輸送到發(fā)熱鍋爐32B從而完成動力循環(huán)。
所述關(guān)閉閥系統(tǒng)40B和用于第二壓縮機(jī)24B的可脫開的機(jī)械聯(lián)軸器3OB輸送管線內(nèi)的氣體從而繞過第二壓縮機(jī)24B，當(dāng)由于某種原因使管線內(nèi)的氣體流量較低時，其借助旁通管道48B和可脫開的機(jī)械聯(lián)軸器3OB而被脫開(參見圖4A)。因此，在這種情況下，第二壓縮機(jī)24B被氣流所省略，并且蒸汽輪機(jī)28B和發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27B將會產(chǎn)生增加的電能，交流發(fā)電機(jī)27B機(jī)械地從第二壓縮機(jī)24B上脫開以增加效率，如圖4所示?？蓛?yōu)選地是，可脫開的聯(lián)軸器3OB還包括操作所述可脫開的聯(lián)軸器的裝置以便所述第二壓縮機(jī)在管線內(nèi)氣體的流量較低時進(jìn)行脫開并使氣體通過所述旁通裝置的第二管道48B流動，所述旁通裝置利用所述關(guān)閉閥系統(tǒng)40B。
在第三實施例的另一種選擇中，參看圖4B，其中示出了蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)與第二壓縮機(jī)之間的聯(lián)軸器的另一示例。在此處，發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)27B通過聯(lián)軸器38B旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生電力和電能，至少部分電力用于驅(qū)動電動機(jī)39D以驅(qū)動第二壓縮機(jī)24B。因此，在這種方式中，省略掉了第二壓縮機(jī)并增加了由蒸汽輪機(jī)28B驅(qū)動的交流發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。
此外，仍存在于燃?xì)廨啓C(jī)16B的廢氣中的熱量被傳遞給熱交換器6OB中的傳熱介質(zhì)，該傳熱介質(zhì)由中間冷卻器5OB輸送。排出熱交換器6OB的另外的受熱的傳熱介質(zhì)被輸送給熱量消耗62B使用。例如，這些熱量可用于工藝用熱和/或家庭用熱?？蛇x的，這些熱量可被聚積或儲存起來以備后用。
另外，控制器或控制系統(tǒng)55B控制所述裝置尤其是所述第一壓縮機(jī)和所述第二壓縮機(jī)以及所述燃?xì)廨啓C(jī)和所述蒸汽輪機(jī)的操作?？刂葡到y(tǒng)55B還包括使所述裝置操作最優(yōu)的裝置，尤其是在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒的燃料的消耗最優(yōu)的裝置。所述控制系統(tǒng)還可包括具有節(jié)流閥或用于控制蒸汽輪機(jī)的操作的可變噴嘴的裝置。這種燃料消耗優(yōu)化裝置可包括燃料計量裝置。
在本發(fā)明中存在兩種極端情況。第一種情況出現(xiàn)在由燃?xì)廨啓C(jī)16B驅(qū)動的壓縮機(jī)12B以最大的速度旋轉(zhuǎn)而由蒸汽輪機(jī)28B驅(qū)動的壓縮機(jī)24B以合適的速度旋轉(zhuǎn)以獲得管線內(nèi)氣體的所需流量時。在這種情況下，燃?xì)廨啓C(jī)12B的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的燃料消耗將最大。另一方面，在另一種極端情況下，壓縮機(jī)24B以最大速度旋轉(zhuǎn)而壓縮機(jī)12B以合適的速度旋轉(zhuǎn)以使管線內(nèi)氣體保持所需的流量。在這種情況下，燃?xì)廨啓C(jī)12B的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的燃料消耗將最小。本發(fā)明的控制器或控制系統(tǒng)55B控制壓縮機(jī)12B、壓縮機(jī)24B和蒸汽輪機(jī)28B的速度以便盡快地使燃?xì)廨啓C(jī)16B的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的燃料消耗最小，并使管線內(nèi)氣體的流量最小，盡管存在波動。
在操作中，控制器55B為兩個壓縮機(jī)12B和24B選擇最優(yōu)的速度，以使燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器(未示出)內(nèi)燃燒的燃料消耗最小。所述控制系統(tǒng)首先要確保獲得穿過管線14的所需氣體流量，隨后在測量燃料的流量時采取增加每一壓縮機(jī)12B和24B運轉(zhuǎn)速度的步驟，并選擇兩個壓縮機(jī)速度的組合以便使燃料流量保持最小，從而獲得最高效率。可選的，可試驗性(并周期性地重新驗證)地繪制一組最優(yōu)性能曲線，所述曲線可用在控制系統(tǒng)55B中以便作為氣體流量、每一壓縮機(jī)的入口和出口壓力及溫度的函數(shù)選擇每一壓縮機(jī)12B和24B的最優(yōu)壓縮機(jī)的速度。通過改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)控制器的速度指令來控制壓縮機(jī)12B的速度，該燃?xì)廨啓C(jī)控制器操縱燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器的燃料計量閥46B。與之類似，通過改變蒸汽輪機(jī)控制器的速度指令來控制第二壓縮機(jī)24B的速度，該蒸汽輪機(jī)控制器操縱蒸汽輪機(jī)的節(jié)流閥或可變噴嘴47B。
此外，應(yīng)該指出的是，本發(fā)明可用于現(xiàn)有的管線壓縮機(jī)裝置中，其中，將第二壓縮機(jī)添加到現(xiàn)有的管線壓縮機(jī)裝置中(不會超出現(xiàn)有管線壓縮機(jī)裝置的現(xiàn)有壓力上限)。可選的，本發(fā)明可用于新的管線壓縮機(jī)裝置中并會增加能量效率。
并且，應(yīng)該指出的是，結(jié)合附圖2描述的該種選擇沒有包括電動機(jī)或交流發(fā)動機(jī)，其可用于本發(fā)明的所以實施例中。
在上面的描述中，應(yīng)該指出的是，所述蒸汽輪機(jī)可優(yōu)選為使用有機(jī)工作流體，例如戊烷的有機(jī)蒸汽輪機(jī)(直接或不直接地使用中間傳熱流體循環(huán)，如使用熱油)。這種有機(jī)工作流體可為根據(jù)有機(jī)蘭金循環(huán)的動力循環(huán)中的戊烷(正戊烷或已戊烷)或其它合適的有機(jī)液。
參看圖4，本發(fā)明輔助裝置的另一實施例包括輔助裝置的第一實施例中的所有部件，可選的，其還可包括用于所述管線的旁通裝置，所述旁通裝置包括第一管道和第二管道，每一管道包括合適的關(guān)閉閥裝置；共用的第一連接器，其適用于將所述第一管道和第二管道連接到第一增壓裝置；共用的第二連接器，其適用于將所述第一管道和第二管道連接到所述管線；其中所述第一管道在關(guān)閉閥裝置的下游與所述第二增壓裝置連通；以及其中所述第一管道還包括在所述第二連接器與所述第二增壓裝置中間的止回閥。
所述關(guān)閉閥系統(tǒng)40B包括閥42B和44B和旁通系統(tǒng)65B，類似于這里所述增壓裝置的第三實施例中所述相應(yīng)部件，但做了必要的修正。
類似地是，輔助裝置的所有實施例還可包括連接到第一連接裝置31或第二連接裝置23和第二壓縮機(jī)上的中間冷卻器。
應(yīng)該注意，當(dāng)使用非直接的循環(huán)時，美國專利No.US6571548公開了一種裝置和方法，其公開的內(nèi)容引入這里作為參考，將所公開的裝置和方法結(jié)合到本發(fā)明的裝置和方法中。因此，在這種選擇中，根據(jù)申請?zhí)枮?9/860,516(等同于EP1158161A2)的美國專利所公開的方法和裝置，其中所公開的內(nèi)容引入這里作為參考，中間傳熱流體(如高壓水或熱油)可用于使蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化。此外，在非直接的循環(huán)中，也可使用申請?zhí)枮?9/702,711(等同于EP1174590A2)的美國專利申請所公開裝置和方法，其中所公開的內(nèi)容引入這里作為參考，其中例如使用合成烷化芳香傳熱流體作為中間流體。在使用申請?zhí)枮?9/702,711的美國專利申請所公開的裝置和方法的過程中，中間傳熱流體和有機(jī)工作流體被汽化并用于操作蒸汽輪機(jī)，并且所述蒸汽輪機(jī)由汽化的有機(jī)工作流體驅(qū)動，所述兩個蒸汽輪機(jī)都可用于操作或驅(qū)動第二壓縮機(jī)。
因此，用于輔助裝置的加熱裝置可包括熱量回收系統(tǒng)，包括中間流體；加熱器，其利用加熱裝置的熱量加熱所述中間流體并產(chǎn)生受熱的中間流體；工作流體汽化器，其利用受熱的或汽化的中間流體的熱量汽化所述液態(tài)工作流體或汽化中間流體以形成汽化的工作流體和冷卻的中間流體；流體冷凝器，其使膨脹的有機(jī)汽化工作流體冷凝以產(chǎn)生工作流體冷凝物，以便將工作流體冷凝物輸送到工作流體汽化器。
可選的，所述熱量回收系統(tǒng)可包括副蒸汽輪機(jī)，其中所述加熱器包括汽化器，該汽化器利用加熱裝置的熱量使中間流體汽化并產(chǎn)生汽化的中間流體；所述副蒸汽輪機(jī)使汽化的中間工作流體膨脹，該蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生能量并產(chǎn)生膨脹的汽化中間工作流體；所述工作流體汽化器利用汽化的中間流體的熱量汽化所述液態(tài)工作流體以形成汽化的工作流體和中間流體冷凝物；所述流體冷凝器冷凝所述膨脹的有機(jī)汽化工作流體以產(chǎn)生工作流體冷凝物，以便將工作流體冷凝物輸送到工作流體汽化器。
所述副蒸汽輪機(jī)還可可操作地連接到第二壓縮機(jī)以對所述燃?xì)廨啓C(jī)提供的壓頭進(jìn)行進(jìn)一步地增壓?？蛇x的，所述副蒸汽輪機(jī)可操作地連接到第三增壓裝置，該第三增壓裝置與第二增壓裝置連通，以對燃?xì)廨啓C(jī)提供的壓頭進(jìn)行進(jìn)一步的增壓。
通常，所述中間流體包括熱傳熱流體，例如熱油或合成烷化芳香傳熱流體。
因此，通過使用本發(fā)明，尤其是參考圖4、圖4a和圖4b，采用第二壓縮機(jī)和蒸汽輪機(jī)以有效地增加第一壓縮機(jī)的操作。
此外，本發(fā)明提供了一種在大型天然氣傳輸系統(tǒng)中將天然氣從一個位置傳輸?shù)搅硪晃恢玫奶烊粴鈧鬏敺椒ā＿@種傳輸系統(tǒng)可分布在幾十到幾百公里的范圍上。通過使用作為這種天然氣傳輸系統(tǒng)的一個整體部分的本發(fā)明，這種天然氣傳輸系統(tǒng)在操作中有效并且提供了操作的靈活性，從而這種操作在不同的天然氣流量下都是有效的。
可選的，對于所有實施例來說，發(fā)熱鍋爐還可包括熱量或加熱裝置的緊急情況替代熱源和/或備用熱源和/或輔助熱源。例如，一個單獨的輔助發(fā)熱鍋爐(例如其由熱源進(jìn)行加熱，如合適的氣體、液體或固體燃料)用于加熱所述工作流體。當(dāng)由于故障或維修而使燃?xì)廨啓C(jī)不能運轉(zhuǎn)時，這種替代熱源可能非常有用，從而啟動增壓裝置以為管線14至少提供一些所需壓頭。
對于所有的實施例，可選的，連接到蒸汽輪機(jī)上的發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力可部分地或完全地轉(zhuǎn)向電網(wǎng)，例如與之類似地是，連接到第二壓縮機(jī)上的電機(jī)可從這種電網(wǎng)獲得電能。因此，超過驅(qū)動第二壓縮機(jī)所需的多余電能可被使用或出售。
運輸氣體的類似問題有時同樣會在液體(如油或水)的大量運輸過程中遇到。雖然這里的描述指的是氣體管線并使用壓縮機(jī)作為增壓裝置，但是本發(fā)明所述裝置和方法也可用于通過管線增壓和運輸液體(如油或水)，這與上述的氣體管線具有相似的方式，但做了必要的修正，其中所述增壓裝置現(xiàn)在指的是泵裝置而不是壓縮機(jī)裝置。
雖然結(jié)合一個燃?xì)廨啓C(jī)和一個蒸汽輪機(jī)對上面的實施例進(jìn)行了描述，但是，本發(fā)明的裝置實際上可包括多個燃?xì)廨啓C(jī)和/或多個蒸汽輪機(jī)，所述多個燃?xì)廨啓C(jī)和/或多個蒸汽輪機(jī)可以任意順序、沿管線的任意特定位置或多個位置串連排列。每一燃?xì)廨啓C(jī)的廢棄熱量可由共用的或單獨的裝置來獲得以提供共用熱源或單獨的熱源，與之類似，共用的工作流體可用于操作所有或一組蒸汽輪機(jī)，或者每一蒸汽輪機(jī)可利用專門的工作流體和工作流體汽化回路工作。在增壓站內(nèi)具有多于一個的燃?xì)廨啓C(jī)或多于一個的蒸汽輪機(jī)的好處是所述渦輪機(jī)可比等同燃燒速度的較大的渦輪機(jī)個小，并且還具有操作的靈活性。安全邊界應(yīng)當(dāng)為渦輪機(jī)故障的一個或另一個。
盡管這里描述的實施例包括在至少一個蒸汽輪機(jī)的上游的至少一個燃?xì)廨啓C(jī)但是所述裝置也可相反，即所述燃?xì)廨啓C(jī)位于蒸汽輪機(jī)的下游。
本發(fā)明的方法和裝置所實現(xiàn)的優(yōu)點和改進(jìn)結(jié)果可容易地從本發(fā)明的優(yōu)選實施例中看出。在不脫開本發(fā)明的主旨和所附權(quán)利要求書的范圍的情況下可做出各種改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于增加管線內(nèi)流動的氣體的壓頭的輔助裝置，所述壓頭可由運行第一增壓裝置的至少一個燃?xì)廨啓C(jī)提供，所述輔助裝置包括(a)蒸汽輪機(jī)，其可操作地連接到第二增壓裝置；(b)第一連接裝置，其用于在所述管線與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；(c)第二連接裝置，其用于在所述第一增壓裝置與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；(d)加熱裝置，其用于使所述蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化；以及(e)用于所述管線的旁通裝置，其具有旁通管道和關(guān)閉閥系統(tǒng)，以通過旁通管道將所述第一增壓裝置連接到所述管線的下游部分。
2.如權(quán)利要求1所述的輔助裝置，其中還包括用于所述管線的旁通裝置，所述旁通裝置包括(a)第一管道和第二管道，每一管道包括合適的關(guān)閉閥裝置；(b)用于將所述第一管道和所述第二管道連接到所述第一增壓裝置的共用第一連接器；(c)用于將所述第一管道和所述第二管道連接到所述管線的共用第二連接器；(d)其中所述第一管道在其所述關(guān)閉閥裝置的下游與所述第二增壓裝置連通；以及(e)其中所述第一管道還包括在所述第二連接器與所述第二增壓裝置中間的止回閥。
3.如權(quán)利要求1或2所述的輔助裝置，其中在閉合回路內(nèi)流動的所述工作流體包括可操作地連接到所述加熱裝置的熱交換器，還包括用于產(chǎn)生所述工作流體冷凝物的合適的冷凝器和用于將所述工作流體提供到所述加熱裝置的泵裝置。
4.如權(quán)利要求1至3任一所述的輔助裝置，其中所述加熱裝置包括用于回收由所述至少一個燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的廢熱的發(fā)熱鍋爐裝置。
5.如權(quán)利要求1至4任一所述的輔助裝置，其中所述加熱裝置包括熱量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a)中間流體；b)加熱器，其利用所述加熱裝置的熱量加熱所述中間流體并產(chǎn)生受熱的中間流體；c)工作流體汽化器，其利用所述受熱中間流體的熱量使所述液態(tài)工作流體汽化以形成汽化的工作流體和冷卻的中間流體；以及d)流體冷凝器，其冷凝所述膨脹的有機(jī)汽化工作流體以產(chǎn)生工作流體冷凝物，從而使所述工作流體冷凝物被輸送到所述工作流體汽化器。
6.如權(quán)利要求5所述的輔助裝置，還包括副蒸汽輪機(jī)，并且其中所述加熱器包括利用所述加熱裝置的熱量使所述中間流體汽化并產(chǎn)生汽化的中間流體的汽化器；所述副蒸汽輪機(jī)使所述汽化的中間工作流體膨脹并產(chǎn)生動力，并產(chǎn)生膨脹的汽化中間工作流體；所述工作流體汽化器利用所述汽化的中間流體的熱量汽化所述液態(tài)工作流體以形成汽化的工作流體和中間流體冷凝物；以及所述流體冷凝器冷凝所述膨脹的有機(jī)汽化工作流體以產(chǎn)生工作流體冷凝物，以便將所述工作流體冷凝物輸送到所述工作流體汽化器。
7.如權(quán)利要求6所述的輔助裝置，其中所述副蒸汽輪機(jī)可操作地連接到第三增壓裝置，該第三增壓裝置與所述第二增壓裝置連通，用于對由所述燃?xì)廨啓C(jī)提供的壓頭進(jìn)行進(jìn)一步增加。
8.如權(quán)利要求6所述的輔助裝置，其中所述副蒸汽輪機(jī)可操作地連接到所述第二增壓裝置，用于對由所述燃?xì)廨啓C(jī)提供的壓頭進(jìn)行進(jìn)一步增壓。
9.如權(quán)利要求1至8任一所述的輔助裝置，還包括中間冷卻裝置，該中間冷卻裝置與所述第二連接裝置連通，用于對所述第一增壓裝置與所述第二增壓裝置之間流動的氣體進(jìn)行冷卻。
10.如權(quán)利要求9所述的輔助裝置，其中所述中間冷卻裝置還包括在封閉的回路內(nèi)流動的合適的傳熱流體，所述封閉回路包括可操作地連接到所述發(fā)熱鍋爐裝置以產(chǎn)生進(jìn)一步受熱的傳熱流體的熱交換器，以及將所述傳熱流體提供到所述發(fā)熱鍋爐裝置的泵裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的輔助裝置，還包括將所述進(jìn)一步受熱的傳熱流體中的熱量傳遞給熱量消耗的裝置。
12.如權(quán)利要求1至11任一所述的輔助裝置，還包括連接到所述蒸汽輪機(jī)上的發(fā)電裝置。
13.如權(quán)利要求1至12任一所述的輔助裝置，還包括連接到所述第二增壓裝置的合適的電動機(jī)。
14.如權(quán)利要求13所述的輔助裝置，其中所述電動機(jī)裝置接收來自所述發(fā)電裝置的電能。
15.如權(quán)利要求13所述的輔助裝置，還包括連接到所述發(fā)電裝置和所述第二增壓裝置的可脫開的聯(lián)軸器，其中所述可脫開的聯(lián)軸器選擇地使第二增壓裝置從所述發(fā)電裝置上脫開。
16.如權(quán)利要求1至15任一所述的輔助裝置，還包括連接到所述發(fā)電裝置和所述第二增壓裝置的可脫開的聯(lián)軸器，其中所述可脫開的聯(lián)軸器可選擇地使所述第二增壓裝置從所述發(fā)電裝置上脫開，并且還包括用于操作所述可脫開的聯(lián)軸器的裝置，以便當(dāng)在管線內(nèi)的氣流較低時使所述第二增壓裝置脫開并利用所述關(guān)閉閥裝置使得氣體通過所述旁通裝置的所述第二管道流動。
17.如權(quán)利要求1至16任一所述的輔助裝置，其中所述加熱裝置包括輔助加熱裝置。
18.如權(quán)利要求17所述的輔助裝置，其中所述輔助加熱裝置包括輔助發(fā)熱鍋爐裝置。
19.如權(quán)利要求1至18任一所述的輔助裝置，其中所述工作流體包括有機(jī)流體。
20.如權(quán)利要求19所述的輔助裝置，其中所述工作流體包括戊烷。
21.如權(quán)利要求5至20任一所述的輔助裝置，其中所述中間流體包括熱傳熱流體。
22.如權(quán)利要求21所述的輔助裝置，其中所述中間流體包括熱油。
23.如權(quán)利要求6至22任一所述的輔助裝置，其中所述中間流體包括合成烷化芳香傳熱流體。
24.一種用于給管線內(nèi)流動的氣體提供壓力的增加裝置，包括至少一個合適的燃?xì)廨啓C(jī)，其適用于運行第一增壓裝置，該第一增壓裝置與所述管線流體連通，以在所述管線內(nèi)提供第一壓頭；以及至少一個根據(jù)權(quán)利要求1-23任一所述的輔助裝置，其用于運行所述第二增壓裝置，該第二增壓裝置與所述管線和所述燃?xì)廨啓C(jī)流體連通，以在所述管線內(nèi)提供第二壓頭。
25.如權(quán)利要求24所述的增加裝置，其中所述燃?xì)廨啓C(jī)和所述蒸汽輪機(jī)被封裝在一個共用的結(jié)構(gòu)內(nèi)。
26.如權(quán)利要求24或25所述的增加裝置，其中所述第一壓頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所述第二壓頭。
27.如權(quán)利要求26所述的增加裝置，其中所述第一壓頭約比所述第二壓頭大4倍。
28.如權(quán)利要求24至27任一所述的增加裝置，還包括一合適的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于控制所述第一增壓裝置、所述第二增壓裝置、所述燃?xì)廨啓C(jī)和所述蒸汽輪機(jī)的操作。
29.如權(quán)利要求28所述的增加裝置，其中所述控制系統(tǒng)還包括優(yōu)化在所述燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒的燃料消耗的裝置。
30.如權(quán)利要求29所述的增加裝置，其中優(yōu)化在所述燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒的燃料的燃料消耗的所述裝置還包括燃料計量裝置，并且其中所述控制裝置還包括節(jié)流閥與可變噴嘴中的至少一個以控制所述蒸汽輪機(jī)的操作。
31.如權(quán)利要求1至30任一所述的增加裝置，其中所述第一增壓裝置和所述第二增壓裝置包括合適的壓縮機(jī)。
32.一種將氣體從至少一個源頭輸送到至少一個目的地的管線，包括權(quán)利要求24至31任一所述的至少一個增壓裝置以為所述管線內(nèi)流動的氣體提供流體壓力。
33.一種用于增加天然氣管線內(nèi)流動的天然氣的壓頭的方法，該壓頭可由至少一個運行第一增壓裝置的燃?xì)廨啓C(jī)提供，該方法包括(a)提供一蒸汽輪機(jī)，其可操作地連接到第二增壓裝置；(b)在所述天然氣管線與所述第二增壓裝置之間提供流體連通，所述天然氣管線為天然氣管線傳輸系統(tǒng)的一部分；(c)在所述燃?xì)廨啓C(jī)運行的所述第一增壓裝置與所述第二增壓裝置之間提供流體連通，以從所述第一增壓裝置和所述第二增壓裝置傳遞所述天然氣管線內(nèi)流動的天然氣；(d)使所述蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化并在所述蒸汽輪機(jī)內(nèi)膨脹所述汽化的工作流體，以提供動力來運行所述第二增壓裝置，并除了由所述第一增壓裝置提供給所述天然氣的第一壓頭之外還為流過所述第二增壓裝置的天然氣提供第二壓頭。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其為所述管線提供旁通裝置，所述旁通裝置包括旁通管道和關(guān)閉閥系統(tǒng)，以通過旁通管道將所述第一增壓裝置連接到所述管線的下游部分，從而流過所述管線的氣體繞過所述第二增壓裝置。
35.如權(quán)利要求33或34所述的方法，其中在所述步驟(d)中，所述燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中的熱量用于汽化所述工作流體。
36.如權(quán)利要求33至35任一所述的方法，還包括冷凝排出所述燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹的蒸汽以形成冷凝物的步驟。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述冷凝步驟由合適的氣冷式冷凝器執(zhí)行。
38.如權(quán)利要求36或37所述的方法，還包括將所述冷凝物返回到合適的發(fā)熱鍋爐以根據(jù)權(quán)利要求33的步驟(d)汽化所述工作流體的步驟。
39.如權(quán)利要求33至38任一所述的方法，其中在權(quán)利要求33的步驟(d)中，由所述燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中的熱量加熱過的受熱中間流體用于汽化所述工作流體以形成汽化的工作流體。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，還包括在通過所述蒸汽輪機(jī)膨脹之后冷凝所述工作流體以形成工作流體冷凝物的步驟，以便所述工作流體冷凝物可由所述受熱的中間流體重新進(jìn)行汽化。
41.如權(quán)利要求33至38任一所述的方法，在權(quán)利要求33中的步驟(d)中，由所述燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中的熱量進(jìn)行汽化的汽化中間流體用于汽化所述工作流體以形成汽化的工作流體。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，還包括在通過所述蒸汽輪機(jī)膨脹之后冷凝所述工作流體以形成工作流體冷凝物的步驟，以便所述工作流體冷凝物可由所述受熱的中間流體重新進(jìn)行汽化。
43.如權(quán)利要求41至42任一所述的方法，還包括提供一個副蒸汽輪機(jī)，所述副蒸汽輪機(jī)使所述汽化的中間工作流體膨脹以產(chǎn)生動力和產(chǎn)生膨脹的汽化中間工作流體。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中所述副蒸汽輪機(jī)可操作地連接到第三增壓裝置，該第三增壓裝置與所述管線連通，以對由所述燃?xì)廨啓C(jī)提供的壓頭進(jìn)一步增壓。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，除了由所述第二增壓裝置提供的流體壓力以外，還包括將壓頭提供給流過所述第三增壓裝置的氣體的步驟。
46.如權(quán)利要求44或45所述的方法，其中所述第三增壓裝置包括壓縮機(jī)。
47.如權(quán)利要求43所述的方法，其中所述副蒸汽輪機(jī)可操作地連接到所述第二增壓裝置以對所述燃?xì)廨啓C(jī)提供的壓頭進(jìn)一步增壓。
48.如權(quán)利要求33至47任一所述的方法，還包括冷卻由所述第一增壓裝置和所述第二增壓裝置提供的壓縮階段之間的所述氣體的步驟。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，還包括利用從所述第一增壓裝置和所述第二增壓裝置提供的壓縮階段之間的所述氣體中排出的熱量對合適的傳熱流體進(jìn)行加熱的步驟。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，包括利用由所述燃?xì)廨啓C(jī)提供的廢熱對所述傳熱流體進(jìn)一步加熱的步驟。
51.如權(quán)利要求49或50所述的方法，還包括將所述受熱的傳熱流體中的熱量傳遞給熱量消耗的步驟。
52.如權(quán)利要求33至51任一所述的方法，還包括利用由所述蒸汽輪機(jī)提供的多余旋轉(zhuǎn)動力產(chǎn)生電力的步驟。
53.如權(quán)利要求33至52任一所述的方法，還包括提供合適的電動機(jī)，所述電動機(jī)適用于選擇性地運行所述第二增壓裝置。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，包括由連接到所述蒸汽輪機(jī)的一合適的發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力提供給所述電動機(jī)裝置。
55.如權(quán)利要求33至54任一所述的方法，包括提供一種有機(jī)流體作為所述工作流體的步驟。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，包括提供戊烷作為所述工作流體的步驟。
57.如權(quán)利要求38至56任一所述方法，包括提供一種傳熱流體作為所述中間流體的步驟。
58.如權(quán)利要求57所述的方法，包括提供一種熱油作為所述中間流體的步驟。
59.如權(quán)利要求40至58任一所述的方法，包括提供合成烷化芳香傳熱流體作為所述中間流體的步驟。
60.一種用于為管線內(nèi)流動的氣體提供流體壓力的方法，包括利用第一增壓裝置為在所述管線內(nèi)流動的氣體提供第一壓頭，所述第一增壓裝置由燃?xì)廨啓C(jī)運行；以及根據(jù)權(quán)利要求33至59所述的方法，利用第二增壓裝置為在所述管線內(nèi)流動的氣體提供第二壓頭。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其中所述提供第一壓頭的步驟提供了遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所述第二壓頭的壓頭。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其中提供第一壓頭的所述步驟提供了約比所述第二壓頭大4倍的第一壓頭。
63.如權(quán)利要求60至62任一所述的方法，還包括控制所述燃?xì)廨啓C(jī)、所述第一增壓裝置、所述蒸汽輪機(jī)和所述第二增壓裝置的操作的步驟。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其中所述控制步驟包括運行所述燃?xì)廨啓C(jī)、所述第一增壓裝置、所述蒸汽輪機(jī)和所述第二增壓裝置，以便優(yōu)化所述燃?xì)廨啓C(jī)所燃燒的燃料的燃料消耗。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述優(yōu)化步驟包括計量提供給所述燃?xì)廨啓C(jī)的燃料并控制節(jié)流閥與可變噴嘴中的至少一個以控制所述蒸汽輪機(jī)的操作。
66.如權(quán)利要求33至65任一所述的方法，其中所述第一增壓裝置和所述第二增壓裝置包括合適的壓縮機(jī)。
67.一種將氣體從至少一個源頭傳遞到至少一個目的地的方法，所述方法包括如權(quán)利要求33至66所述，為所述管線內(nèi)流動的氣體提供流體壓力。
68.一種用于增加管線內(nèi)流動的氣體的壓頭的輔助裝置，所述壓頭可由至少一個燃?xì)廨啓C(jī)提供，所述燃?xì)廨啓C(jī)運行第一增壓裝置，所述輔助裝置包括(a)蒸汽輪機(jī)，其可操作地連接到第二增壓裝置；(b)第一連接裝置，其用于在所述管線與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；(c)第二連接裝置，其用于在所述第一增壓裝置與所述第二增壓裝置之間提供流體連通；(d)加熱裝置，其用于使所述蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化；(e)中間流體；(f)加熱器，其利用所述加熱裝置的熱量加熱所述中間流體并產(chǎn)生受熱的中間流體；(g)工作流體汽化器，其利用受熱中間流體的熱量使所述液態(tài)工作流體汽化以形成汽化的工作流體和冷卻的中間流體；以及(h)流體冷凝器，其冷凝所述膨脹的有機(jī)汽化工作流體以產(chǎn)生工作流體冷凝物，從而使工作流體冷凝物被輸送到工作流體汽化器。
69.如權(quán)利要求68所述的輔助裝置，其中所述工作流體包括有機(jī)流體。
70.如權(quán)利要求69所述的輔助裝置，其中所述工作流體包括戊烷。
71.如權(quán)利要求68至70任一所述的輔助裝置，其中所述中間流體包括熱傳熱流體。
72.如權(quán)利要求71所述的輔助裝置，其中所述中間流體包括熱油。
73.如權(quán)利要求72所述的輔助裝置，其中所述中間流體包括合成的烷化芳香傳熱流體。
74.一種用于為管線內(nèi)流動的氣體提供壓力的增壓裝置，其基本上如結(jié)合附圖所描述的增壓裝置。
75.一種將氣體從至少一個源頭傳遞到至少一個目的地的管線，其基本上如結(jié)合附圖所描述的管線。
76.一種用于增加管線內(nèi)流動的氣體的壓頭的方法，所述壓頭由至少一個燃?xì)廨啓C(jī)提供，所述燃?xì)廨啓C(jī)運行第一增壓裝置，其基本上如結(jié)合附圖所描述的方法。
77.一種用于為管線內(nèi)流動的氣體提供壓力的方法，其基本上如結(jié)合附圖所描述的方法。
78.一種將氣體從至少一個源頭傳遞到至少一個目的地的方法，其基本上如結(jié)合附圖所描述的方法。
全文摘要
一種增加管線14內(nèi)流動氣體的壓頭的輔助裝置，壓頭由至少一個燃?xì)廨啓C(jī)16提供，燃?xì)廨啓C(jī)運行第一增壓裝置12，輔助裝置包括蒸汽輪機(jī)28，其可操作連接到第二增壓裝置24；第一連接裝置31，用于在管線與第二增壓裝置間提供流體連通；第二連接裝置2，用于在第一增壓裝置與第二增壓裝置間提供流體連通；加熱裝置32，用于使蒸汽輪機(jī)的工作流體汽化。實施例中提供了管線的旁通裝置，旁通裝置具有旁通管道48B和關(guān)閉閥系統(tǒng)44B，以通過旁通管道將第一增壓裝置連接到管線的下游部分。另一實施例中提供了利用中間流體的熱量汽化工作流體的汽化器。此外，本發(fā)明提供一種對管線內(nèi)流動氣體的壓頭增壓的方法，以輸送在天然氣管線傳輸系統(tǒng)內(nèi)的天然氣。
文檔編號F04D25/04GK1867754SQ200480029827
公開日2006年11月22日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者L·Y·布羅尼克基, J·西奈 申請人:奧馬特技術(shù)公司