制冷和/或液化方法、装置及系统与流程

制冷和/或液化方法、装置及系统
1.本发明涉及一种用于制冷和/或液化的方法、装置及系统。
2.本发明更具体地涉及一种用于制冷和/或液化用户用流体流、尤其天然气流的方法，该方法使用冷却和/或液化系统，该系统包括用于在-100摄氏度与-273摄氏度之间、并且尤其在-100摄氏度与-253摄氏度之间的温度下制冷的低温制冷装置，该制冷装置包括工作回路，该工作回路形成环路并且装有工作流体，该工作回路形成循环，该循环串联地包括：用于压缩工作流体的机构；用于冷却工作流体的机构；用于使工作流体膨胀的机构；以及用于加热工作流体的机构，该制冷装置包括冷却交换器，该冷却交换器旨在通过与在工作回路中循环的工作流体进行热交换而从用户用流体流中提取热量，该系统包括管道，用于供所述用户用流体流在冷却交换器中循环，该方法包括冷却步骤，在该冷却步骤中，制冷装置处于冷却交换器的第一冷却操作模式，同时使用户用流体流在此冷却交换器中循环，该方法在此冷却步骤之后包括清除该冷却交换器中的固化杂质的步骤。
3.本发明尤其涉及低温制冷机或液化器，例如具有“涡轮布雷顿”循环或“涡轮布雷顿冷却器”的类型，其中循环气体(氦气、氮气、氢气或另一纯气体或混合物)经过产生冷量的热力循环，该冷量可以传递到要冷却的构件或气体。
4.这些装置用于多种多样的应用，特别是用于冷却储箱中的天然气(例如在船舶中)。液化天然气例如被过冷以避免其汽化，或者气态部分被冷却以便再液化。
5.例如，可以使天然气流在由制冷机/液化器的循环气体冷却的热交换器中循环。
6.在此交换器中冷却的气体可能含有杂质(比如二氧化碳)，这些杂质可能在交换器达到的低温下凝固。这可能阻塞热交换器并影响系统的效率。
7.一种解决方案可以包括用电加热器主动加热热交换器。然而，这在能量方面是昂贵的，并且通常不适合爆炸性环境。
8.本发明的目的是克服上述现有技术的所有或部分缺点。
9.为此，根据本发明的、在其他方面也符合在上面的前序部分中给出的其一般定义的方法的实质性特征在于，在清洁步骤期间，制冷装置处于第二操作模式，在该第二操作模式中，工作气体在工作回路中循环，但是在该第二操作模式中，与第一操作模式相比，降低了冷却交换器的冷却。
10.此外，本发明的实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
[0011]-在清洁步骤期间，该制冷装置实现冷却交换器的零冷却、或加热，
[0012]-在清洁步骤期间，使用户用流体流在冷却交换器中循环并且被其加热，
[0013]-该压缩机构包括一个或多个压缩机和用于使该(多个)压缩机旋转的至少一个驱动马达，该制冷装置的制冷能力是可变的并且通过调节该(多个)驱动马达的旋转速度来控制，并且在第二操作模式中，其中至少一个驱动马达的旋转速度在所述马达的最大或标称旋转速度的1％至60％之间、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间，
[0014]-该压缩机构包括多个旋转压缩机和至少两个驱动马达，每个驱动马达包括旋转驱动轴，这些压缩机被相应的(多个)旋转轴驱动旋转，该用于使工作流体膨胀的机构包括至少一个旋转涡轮机，该至少一个旋转涡轮机与至少一个压缩机的驱动马达之一的轴一起
旋转，
[0015]-在该制冷装置的第二操作模式中，至少一个马达被停用，该至少一个马达包括与其轴一起旋转的涡轮机，并且压缩机的至少另一个驱动马达以所述马达的最大或标称速度的1％至60％之间、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的旋转速度进行操作，
[0016]-该被停用的至少一个马达被制动，这意味着对应的轴和/或压缩机和/或涡轮机的旋转被制动或被阻止，
[0017]-在制冷装置的第一操作模式中，这些驱动马达的旋转轴沿相应的第一旋转方向旋转，并且工作流体在工作回路中沿第一循环方向循环，并且在制冷装置的第二操作模式中，至少一个马达、尤其涡轮机联接至其轴的马达被设定为沿相反的方向旋转，这意味着该马达的旋转轴沿与第一旋转方向相反的旋转方向旋转，
[0018]-由马达驱动的该至少一个压缩机是离心式的，该马达包括与其轴一起旋转的涡轮机，并且在制冷装置的第二操作模式中，工作流体在工作回路中沿第一循环方向循环，
[0019]-在制冷装置的第二操作模式中，至少一个驱动马达被停用、或者以所述马达的最大或标称速度的1％至60％之间、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的旋转速度进行操作，该至少一个驱动马达与被设定为沿相反方向旋转的马达分开，
[0020]-通过从用户用流体储箱泵送用户用流体流使其在冷却交换器中循环，并且使已经与该冷却交换器(8)进行热交换的用户用流体返回到该储箱中，
[0021]-该方法包括与清洁步骤同时和/或在其之后的步骤：用注入到冷却交换器中的吹扫流体流来吹扫冷却交换器，以从冷却交换器中扫除并排出在清洁步骤期间脱落的杂质，
[0022]-该吹扫步骤包括用中性气体来扫过交换器，以将其排出至排放区，
[0023]-该吹扫步骤包括用用户用流体来扫过交换器。
[0024]
本发明还涉及一种用于在-100摄氏度与-273摄氏度之间的温度下制冷的低温制冷装置，该制冷装置包括工作回路，该工作回路形成环路并且装有工作流体，该工作回路形成循环，该循环串联地包括：用于压缩工作流体的机构；用于冷却工作流体的机构；用于使工作流体膨胀的机构；以及用于加热工作流体的机构，该装置包括冷却交换器，该冷却交换器旨在通过与在工作回路中循环的工作流体进行热交换而从至少一个构件中提取热量，该制冷装置包括电子控制器，该电子控制器被配置用于控制制冷装置的制冷能力并且将制冷装置切换成冷却交换器的第一冷却操作模式以冷却要在此冷却交换器中循环的用户用流体流、和清洁模式，用于清除冷却交换器中的固化杂质，在该清洁模式中，该电子控制器被配置用于与第一操作模式相比，降低制冷装置的制冷能力并且降低冷却交换器的冷却。
[0025]
根据其他可能的特定特征：
[0026]-该压缩机构包括一个或多个压缩机和用于使该(多个)压缩机旋转的至少一个驱动马达，制冷装置的制冷能力是可变的并且通过调节该(多个)驱动马达的旋转速度来控制，该电子控制器被配置用于在第二操作模式中将其中至少一个驱动马达的旋转速度设定为在所述马达的最大或标称速度的2％至60％之间、并且优选地10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的值，
[0027]-该压缩机构包括多个旋转压缩机和至少两个驱动马达，每个驱动马达包括旋转驱动轴，这些压缩机被相应的(多个)旋转轴驱动旋转，该用于使工作流体膨胀的机构包括
至少一个旋转涡轮机，该至少一个旋转涡轮机与至少一个压缩机的驱动马达之一的轴一起旋转，
[0028]-在第二操作模式中，电子控制器被配置用于停用至少一个马达，该至少一个马达包括与其轴一起旋转的涡轮机，并且使压缩机的至少另一个驱动马达以所述马达的最大或标称速度的1％至60％之间、并且优选地10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的旋转速度进行操作，
[0029]-该装置具有机械或电气或磁系统，用于制动该被停用的马达、制动和/或阻止所述被停用马达的轴和/或压缩机和/或涡轮机旋转，
[0030]-在第一操作模式中，这些驱动马达被配置为使其旋转轴沿相应的第一旋转方向旋转，至少一个马达是具有可逆旋转方向的类型，该至少一个马达包括与其轴一起旋转的涡轮机，并且电子控制器被配置用于在制冷装置的第二操作模式期间使所述马达沿与第一旋转方向相反的旋转方向旋转，
[0031]-在制冷装置的第二操作模式中，电子控制器被配置用于：停用至少一个驱动马达，该至少一个驱动马达与被设定为沿相反方向旋转的马达分开；或将与被设定为沿相反方向旋转的马达分开的此驱动马达的旋转速度限制为在所述马达在该第一操作模式期间的旋转速度的1％至60％之间、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的值。
[0032]
本发明还涉及一种用于制冷和/或液化用户用流体流、尤其天然气流的系统，该系统包括根据上文或下文任一特征所述的制冷装置，该系统包括至少一个用户用流体储箱、和用于供所述用户用流体在冷却交换器中循环的管道。
[0033]
本发明还可以涉及包括权利要求范围内的上述或下述特征的任何组合的任何替代性的设备或方法。
[0034]
通过阅读以下参考附图给出的描述，进一步的特定特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[0035]
[图1]示出了示意性部分视图，展示了可以实施本发明的装置和系统的示例的结构和操作。
[0036]
[图1]中的冷却和/或液化系统包括制冷装置1，该制冷装置在冷却交换器8处供应冷(冷却能力)。该系统包括管道25，用于供被放置成与此冷却交换器8进行热交换的待冷却流体流循环。例如，流体是从储箱16泵送(例如，经由泵)、然后被冷却(优选地在储箱16外)、然后返回至储箱16(例如，在储箱16的气相中滴下)的液态天然气。这可以将储箱16的内容物冷却或过冷并且限制汽化的发生。例如，来自储箱16的液体在重新注入储箱16中之前被过冷至低于其饱和温度(其温度下降几度k、尤其5至20k、并且具体地14k)。在变体中，这种制冷可以应用于来自储箱的汽化气体以尤其将其再液化。这意味着制冷装置1在冷却交换器8处产生冷量。
[0037]
制冷装置1包括工作回路10(优选地闭合回路)，该工作回路形成循环环路。此工作回路10装有工作流体(氦气、氮气、氖气、氢气、或另一适当的气体或混合物，例如氦气与氩气、或氦气与氮气、或氦气与氖气、或氦气与氮气及氖气)。
[0038]
工作回路10形成循环，该循环串联地包括：用于压缩工作流体的机构2、3；用于冷却工作流体的机构6；用于使工作流体膨胀的机构7；以及用于加热工作流体的机构6、8。
[0039]
装置1包括冷却热交换器8，该冷却热交换器旨在通过与在工作回路10中循环的工作流体进行热交换而从至少一个构件25中提取热量。
[0040]
用于冷却和加热工作流体的机构通常包括共用热交换器6，工作流体根据其要被冷却还是加热而在工作回路10的两个单独通路部分中逆流穿过该共用热交换器。
[0041]
冷却热交换器8例如位于膨胀机构7与共用热交换器6之间。如图所示，冷却热交换器8可以是与共用热交换器6分开的热交换器。然而，在变体中，此冷却热热交换器8可以由共用热交换器6的一部分构成(这意味着，这两个交换器6、8可以是一件式，即可以具有共享同一交换结构的分开的流体回路)。
[0042]
因此，以相对热的状态离开压缩机构2、3的工作流体在进入膨胀机构7中之前在共用热交换器6中冷却。以相对冷的状态离开膨胀机构7和冷却热交换器8的工作流体本身在返回到压缩机构2、3中之前在共用热交换器6中被加热，以开始新的循环。
[0043]
通常，在正常操作模式(下文中被称为“第一操作模式”)中，工作气体经历压缩、冷却、膨胀、和加热的循环并且在冷却交换器8处产生冷量。通常，相等或基本上相等的质量流量在共用热交换器6中的两个通路部分中循环。
[0044]
如图所示，在正常操作模式中，流体流(例如，被液化的天然气)可以在冷却交换器8中冷却。在此流体含有杂质(二氧化碳等)的事件中，这些杂质可能在被冷却时凝固，冷却交换器8中可能出现堵塞17或阻塞。
[0045]
这种堵塞可以通过制冷装置1本身采用第二操作模式执行的清洁步骤来消除，在该第二操作模式中，工作气体仍在工作回路10中循环，如上所述，但是在第二操作模式中，与第一操作模式相比，降低了冷却交换器8的冷却。
[0046]
例如，制冷装置1周期性地实现冷却交换器8的零冷却、或加热。
[0047]
在此清洁期间，可以使用户用流体流在冷却交换器8中循环以带走被该冷却交换器加热的杂质。特别地，用户用流体流可以在此第二操作模式期间被加热。
[0048]
压缩机构2、3可以包括一个或多个压缩机和用于使(多个)压缩机2、3旋转的至少一个驱动马达14、15。此外，优选地，该装置的制冷能力是可变的并且可以通过调节(多个)驱动马达14、15的旋转速度(循环速度)来控制。优选地，可以通过将(多个)马达14、15的旋转速度在零旋转速度与最大或标称速度之间改变来使装置1产生的冷量适配0％至100％的标称或最大能力。这样的架构可以在广泛操作范围上维持高性能水平(例如在50％的标称冷量时维持97％的标称性能)。
[0049]
例如，在第二操作模式中，将马达14、15中的至少一个马达的旋转速度降低至在第一冷却操作模式期间所述马达14、15的旋转速度的1％至60％之间、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的值。例如，这种降低的旋转速度对应于所述马达14、15的标称或最大速度的1％至60％、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间。
[0050]
在此构型中，降低或消除了在冷却交换器8处产生的制冷能力(或在此产生热量)。以此方式，加热交换器8将升温，从而使固化杂质熔融然后汽化。这种加热(可选地与冷却热交换器8中的用户用流体流相关联)将这些杂质带出交换器8，例如朝向用户用流体储箱16。
[0051]
在所描绘的非限制性示例中，制冷装置1包括两个串联的压缩机2、3，这两个压缩机分别被两个单独的马达14、15驱动；以及联接至这两个马达之一15的驱动轴的涡轮机7。
[0052]
这意味着一个马达14仅驱动一个压缩机3(马达压缩机)，而另一个马达15驱动压
缩机2并且联接至涡轮机7(马达涡轮压缩机)。
[0053]
例如，在制冷装置(1)的第二操作模式中，马达15被停用，该马达具有涡轮机7与之联接的驱动轴，并且另一马达14(仅驱动压缩机3)以该马达的最大旋转速度或标称旋转速度的1％至60％之间、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的旋转速度进行操作。马达的标称旋转速度或最大旋转速度是指在最大制冷能力的情况下马达可以产生的最大速度。此最大或标称旋转速度是建议操作制冷装置1的最大速度，并且如果需要可以低于马达本身可以实现的最大速度。
[0054]
在此构型中，涡轮机7和压缩机2(这两者联接至被停用马达15的驱动轴)可以空转。
[0055]
如前所述，另一马达14以降低的速度操作将使工作流体在工作回路10中以低效率循环。空转的涡轮机7和压缩机2还增大工作气体的工作回路10中的压降。这将增大冷却交换器8处的相对加热以便排出杂质，而不增大已经降低的装置1的功耗。
[0056]
为了进一步增大这种加热和清除杂质的速度，可以在此操作模式中增加额外的压降。例如，将被停用马达15制动。例如，可以制动或阻止其轴和/或对应的压缩机2和/或涡轮机7旋转。这种制动20或阻止可以是经由移动和/或电气和/或磁止挡获得的机械操作。例如，(多个)马达是电动马达，尤其是同步型的。可以通过针对此操作模式在马达的控制电路中提供制动电阻器来进行对马达的制动。类似是，这样的电动马达可以具有三相电路图，其可以暂时短路以确保这种制动。马达15尤其可以是可逆的，并且可以通过将其切换成其反向发电机模式来获得制动，在发电机模式中，马达产生电流并制动其驱动轴，而不是产生扭矩。
[0057]
这些制动模式可以用于此类电动马达的控制电路(变化器)。因此，简单的软件控制可以实现这些制动模式，而不修改马达的现有结构。
[0058]
在又一实施例变体中，在第二操作模式中，至少一个马达15(例如，包括与其轴一起旋转的涡轮机7的马达)被设定为沿相反方向旋转。
[0059]
这意味着，在制冷装置1的第一操作模式中，驱动马达14、15的旋转轴沿相应的第一旋转方向旋转，并且工作流体在工作回路10中沿第一循环方向循环，并且在制冷装置1的第二操作模式中，至少一个马达、优选地涡轮机7联接至其轴的马达15被设定为沿相反的方向旋转，这意味着该马达的旋转轴沿与第一旋转方向相反的旋转方向旋转。
[0060]
工作流体继续在工作回路10中沿第一循环方向循环，但是涡轮机7的相反旋转(未针对该方向进行优化)尤其将对工作气体提供机械功并且因此使其升温，而不从工作气体中提取机械功(膨胀)。这尤其使用具有向心式涡轮机的涡轮机技术来进行操作。并且优选地，(多个)压缩机是离心式的。
[0061]
当此马达15被设定为沿相反方向(反向)旋转时，另一个马达14(或其他马达，如果存在若干个的话)可以被停用、但是尤其空转，并且优选地使另一个马达14(或其他马达)以降低的旋转速度进行操作。例如，此另一个马达14(或其他马达中的至少一个马达)被设定为以所述马达14的最大或标称速度的1％至60％、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的速度旋转。
[0062]
(多个)马达的这种降低的速度增大了加热效率并且允许制冷装置在第一冷却操作模式中更快速且更有效地重新开启。
[0063]
优选地，被设定为沿相反方向旋转的(多个)马达14被设定为以降低的速度(例如以所述马达的最大或标称速度的1％至60％、并且优选地在10％至50％之间、尤其在20％至30％之间的速度)旋转。
[0064]
然而，在一个可能的变体中，沿相反方向的旋转速度可以更高，并且可以达到马达的标称或最大速度。
[0065]
该装置可以包括至少一个电子控制器12，该至少一个电子控制器连接至系统的所有或一部分构件(马达、阀、泵等)。电阻控制器12可以包括微处理器或计算机、并且可以被配置用于动态地控制系统的所有或一部分构件并且尤其实施上述操作模式(自动地和/或响应于尤其来自用户的命令)。
[0066]
例如，制冷装置1切换成第二操作模式以实现对冷却交换器8的清洁可以由用户命令和/或响应于检测到冷却交换器8中的杂质堵塞(回路中的压力传感器等)来实现。
[0067]
此外，电子控制器12可以被配置(编程或命令)用于动态地控制冷却交换器8在第二操作模式中的加热。例如，这种控制(相对于第一操作模式的相对加热能力)可以取决于共用热交换器6的温度根据给定曲线的上升速度、和/或将共用热交换器6的温度上升速度保持成低于给定阈值。这可以防止共用6热交换器6和/或冷却交换器8太快升温，这在例如具有铝板的交换器的情况下是有利的。
[0068]
在所描绘的示例中，制冷装置1包括膨胀涡轮机7和形成两个压缩级的两个压缩机2、3。这意味着，压缩机构包括两个串联的压缩机2、3，优选地为离心式的，并且膨胀机构包括单一涡轮机7，优选地向心涡轮机。当然，可以设想任何其他数量和布置的(多个)压缩机和涡轮机，例如三个串联的压缩机和一个涡轮机、或三个压缩机和两个或三个涡轮机、或两个压缩机和两个涡轮机等。
[0069]
在所展示的示例中，冷却交换器4、5设置在每个压缩机2、3的出口处(例如，通过与环境温度下的水或任何其他冷却剂或流体进行热交换来冷却)。
[0070]
这可以实现等熵或等温或基本等温压缩。当然，可以设想任何其他布置(例如，没有具有一个或多个压缩级的冷却交换器4、5)。类似地，加热交换器可以设置或不设置在所有或一部分膨胀涡轮机7的出口处以实现等熵或等温膨胀。还优选地，工作流体的加热和冷却优选地是等压的，但不限于此。
[0071]
例如，装置1包括两个高速马达14、15(例如，每分钟10000转或每分钟数万转)以分别驱动压缩级2、3。涡轮机7可以联接至压缩级2、3之一的马达2，这意味着装置可以具有涡轮机8以形成膨胀机构，该膨胀机构联接至压缩级2(具体地第一个)的驱动马达2。
[0072]
因此，(多个)涡轮机7的功率可以有利地被回收并且用于减少(多个)马达的消耗。因此，通过增大马达的速度(并且因此工作气体循环中的流量)，增大了所产生的制冷能力并且因此增大了液化器的电消耗(反之亦然)。压缩机2、3和(多个)涡轮机7优选地直接联接至所讨论的马达的输出轴(没有齿轮传动机构)。
[0073]
马达的输出轴优选地安装在磁性类型或动态气体类型的轴承上。这些轴承用于支撑压缩机和涡轮机。
[0074]
此外，装置的全部或一部分、尤其其冷构件可以被容纳在隔热的密封外壳(尤其包括共用的逆流热交换器的真空腔室)中。
[0075]
为了进一步提高该过程的效率和速度，可以与清洁步骤同时和/或在其之后提供
用注入到冷却交换器8中的吹扫流体流来吹扫18冷却交换器8，以从冷却交换器8中扫除并排出在清洁步骤期间脱落的杂质。
[0076]
例如，可以提供中性气体等(例如氮气)的回路18来吹扫经加热的杂质。如有必要，这种吹扫可以代替在加热期间使用户用流体流循环。所获得的混合物可以被排出到排放区(例如到大气中)。
[0077]
替代性地，这种吹扫18可以用用户用流体流来实现。例如，从循环管道12中(例如经由设有阀的旁路)抽取用户用流体部分。吹扫用户用流体可以在冷却交换器8中汽化并使杂质脱落。所获得的混合物可以被送回到外部或收集区并且尤其可以重新注入到用户用流体储箱16中。
[0078]
本发明可以适用于一种用于冷却和/或液化另一流体或混合物、尤其氢气的方法。