用于压缩空气的系统和方法.pdf

本发明涉及用于压缩空气的系统和方法。一种用于压缩空气的系统，包括：具有传动轴的变速驱动器；至少一个前主空气压缩机，其具有至少一个级且适于接收和压缩环境或其它空气流且被变速驱动器的传动轴驱动；至少一个主空气压缩机，其在第一副齿轮轴上具有至少一个级且适于接收和进一步压缩传递自至少一个前主空气压缩机的压缩空气流；至少一个增压空气压缩机，其在第二副齿轮轴上具有至少一个级且适于接收和进一步压缩传递自至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流；以及另一个驱动器，其适于通过至少一个变速器驱动第一副齿轮轴和第二副齿轮轴中的至少一个。

1.   一种用于压缩空气的系统，包括：
具有至少一个传动轴的变速驱动器；
至少一个前主空气压缩机，其具有至少一个级且适于接收和压缩环境空气或其它空气流且被所述变速驱动器的至少一个传动轴驱动；
至少一个主空气压缩机，其在第一副齿轮轴上具有至少一个级且适于接收和进一步压缩传递自所述至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分；
至少一个增压空气压缩机，其在第二副齿轮轴上具有至少一个级且适于接收和进一步压缩传递自所述至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分；以及
至少一个其它驱动器，其适于直接驱动或通过至少一个变速器间接驱动所述第一副齿轮轴和所述第二副齿轮轴中的至少一个。

2.   根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述变速驱动器的第一传动轴以可变的速度驱动第一前主空气压缩机，以及
所述变速驱动器的第二传动轴以所述可变的速度驱动第二前主空气压缩机。

3.   根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一前主空气压缩机和所述第二前主空气压缩机中的至少一个为离心空气压缩机。

4.   根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述至少一个主空气压缩机在所述第一副齿轮轴上的第一级适于接收传递自所述至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分，且将其进一步压缩到预先限定的排气压力，以及
所述至少一个主空气压缩机在所述第一副齿轮轴上的第二级适于接收和进一步压缩传递自所述至少一个主空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。

5.   根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述至少一个增压空气压缩机在所述第二副齿轮轴上的第一级适于接收和进一步压缩传递自所述至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，以及
所述至少一个增压空气压缩机在所述第二副齿轮轴上的第二级适于接收和进一步压缩传递自所述至少一个增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。

6.   根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
至少一个补充增压空气压缩机，其在第三副齿轮轴上具有至少一个级且适于接收和进一步压缩传递自所述至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，
其中所述至少一个其它驱动器或另一个驱动器适于直接驱动或通过所述至少一个变速器或另一个变速器间接驱动另一个传动轴、所述第一副齿轮轴、所述第二副齿轮轴和所述第三副齿轮轴中的至少一个。

7.   根据权利要求6所述的系统，其特征在于：
所述至少一个补充增压空气压缩机在所述第三副齿轮轴上的第一级适于接收和进一步压缩传递自所述至少一个增压空气压缩机的第二级的进一步压缩空气流的至少一部分，以及
所述至少一个补充增压空气压缩机在所述第三副齿轮轴上的第二级适于接收和进一步压缩传递自所述至少一个补充增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。

8.   根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个变速器包括至少一个主齿轮。

9.   根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
至少一个冷却器，各个冷却器适于冷却下者中的至少一个：传递自所述至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分、传递自所述至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，以及传递自所述至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分。

10.   一种用于压缩空气的系统，包括：
具有第一传动轴和第二传动轴的变速驱动器；
第一前主离心空气压缩机，其具有至少一个级且适于接收和压缩第一环境空气流且被所述变速驱动器的第一传动轴以第一可变的速度驱动；
第二前主离心空气压缩机，其具有至少一个级且适于接收和压缩第二环境空气流且被所述变速驱动器的第二传动轴以所述第一可变的速度驱动；
歧管，其适于接收和组合来自所述第一前主离心空气压缩机的第一压缩空气流的至少一部分和来自所述第二前主离心空气压缩机的第二压缩空气流的至少一部分；
主空气压缩机，其具有：
　　第一级，其在第一副齿轮轴上且适于接收传递自所述歧管的压缩空气流的至少一部分，且将其进一步压缩到预先限定的排气压力；以及
　　第二级，其在所述第一副齿轮轴上且适于接收和进一步压缩传递自所述主空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分；
增压空气压缩机，其具有
　　第一级，其在第二副齿轮轴上且适于接收和进一步压缩传递自所述主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，以及
　　第二级，其在第二副齿轮轴上且适于接收和进一步压缩传递自所述增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分；
补充增压空气压缩机，其具有
　　在第三副齿轮轴上的第一级，其适于接收和进一步压缩传递自所述增压空气压缩机的第二级的进一步压缩空气流的至少一部分，以及
　　在所述第三副齿轮轴上的第二级，其适于接收和进一步压缩传递自所述补充增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分；
一个其它驱动器，其适于直接驱动或通过主齿轮和其它变速器中的至少一个间接驱动另一个传动轴、所述第一副齿轮轴、所述第二副齿轮轴和所述第三副齿轮轴中的至少一个；以及
至少一个冷却器，各个冷却器适于冷却下者中的至少一个：传递自所述第一和第二前主离心空气压缩机的第一和第二流压缩空气的至少一部分、传递自所述主空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分、传递自所述增压空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分，以及传递自所述补充增压空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分。

11.   一种用于压缩空气的方法，包括以下步骤：
将环境空气或其它空气流传递到具有至少一个级的至少一个前主空气压缩机；
利用具有至少一个传动轴的变速驱动器驱动所述至少一个前主空气压缩机；
在所述至少一个前主空气压缩机中压缩所述环境空气或其它空气流，从而从所述至少一个前主空气压缩机产生压缩空气流；
将来自所述至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分传递到至少一个主空气压缩机，所述至少一个主空气压缩机在第一副齿轮轴上具有至少一个级；
在所述至少一个主空气压缩机中进一步压缩所述压缩空气流的至少一部分，从而从所述至少一个主空气压缩机产生进一步压缩空气流；
将来自所述至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分传递到至少一个增压空气压缩机，所述至少一个增压空气压缩机在第二副齿轮轴上具有至少一个级；
在所述至少一个增压空气压缩机中进一步压缩所述进一步压缩空气流的至少一部分，从而从所述至少一个增压空气压缩机产生进一步压缩空气流；以及
利用至少一个其它驱动器直接驱动或通过至少一个变速器间接驱动所述第一副齿轮轴和所述第二副齿轮轴中的至少一个。

12.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于：
所述变速驱动器的第一传动轴以可变的速度驱动第一前主空气压缩机，以及
所述变速驱动器的第二传动轴以所述可变的速度驱动第二前主空气压缩机。

13.   根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一前主空气压缩机和所述第二前主空气压缩机中的至少一个为离心空气压缩机。

14.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于：
所述至少一个主空气压缩机在所述第一副齿轮轴上的第一级接收传递自所述至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分，且将其进一步压缩到预先限定的排气压力，以及
所述至少一个主空气压缩机在所述第一副齿轮轴上的第二级接收和进一步压缩传递自所述至少一个主空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。

15.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于：
所述至少一个增压空气压缩机在所述第二副齿轮轴上的第一级接收和进一步压缩传递自所述至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，以及
所述至少一个增压空气压缩机在所述第二副齿轮轴上的第二级接收和进一步压缩传递自所述至少一个增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。

16.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括以下另外的步骤：
将来自所述至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分传递到至少一个补充增压空气压缩机，所述至少一个补充增压空气压缩机在第三副齿轮轴上具有至少一个级；
利用所述至少一个其它驱动器或另一个驱动器直接驱动或通过所述至少一个变速器或另一个变速器间接驱动另一个传动轴、所述第一副齿轮轴、所述第二副齿轮轴和所述第三副齿轮轴中的至少一个；以及
进一步压缩来自所述至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，从而从所述补充增压空气压缩机产生进一步压缩空气流。

17.   根据权利要求16所述的方法，其特征在于：
所述至少一个补充增压空气压缩机在所述第三副齿轮轴上的第一级接收和进一步压缩传递自所述至少一个增压空气压缩机的第二级的进一步压缩空气流的至少一部分，以及
所述至少一个补充增压空气压缩机在所述第三副齿轮轴上的第二级接收和进一步压缩传递自所述至少一个补充增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。

18.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个变速器包括至少一个主齿轮。

19.   根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括以下另外的步骤：
利用至少一个冷却器冷却下者中的至少一个：传递自所述至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分、传递自所述至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，以及传递自所述至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分。

20.   一种用于压缩空气的方法，包括以下步骤：
将第一环境空气流传递到具有至少一个级的第一前主离心空气压缩机；
利用变速驱动器的第一传动轴以第一可变的速度驱动所述第一前主离心空气压缩机；
将第二环境空气流传递到具有至少一个级的第二前主离心空气压缩机；
利用所述变速驱动器的第二传动轴以所述第一可变的速度驱动所述第二前主离心空气压缩机；
在所述第一前主离心空气压缩机中压缩所述第一环境空气流，从而产生处于预先限定的排气压力的第一压缩空气流；
在所述第二前主离心空气压缩机中压缩所述第二环境空气流，从而产生处于所述预先限定的排气压力的第二压缩空气流；
在歧管中组合来自所述第一前主离心空气压缩机的第一压缩空气流的至少一部分和来自所述第二前主离心空气压缩机的第二压缩空气流的至少一部分；
将来自所述歧管的压缩空气流传递到主空气压缩机，所述主空气压缩机具有在第一副齿轮轴上的第一级和在所述第一副齿轮轴上的第二级；
在所述主空气压缩机的第一级中进一步压缩传递自所述歧管的压缩空气流的至少一部分；
在所述主空气压缩机的第二级中进一步压缩传递自所述主空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分；
将来自所述主空气压缩机的进一步压缩空气流传递到增压空气压缩机，所述增压空气压缩机具有在第二副齿轮轴上的第一级和在所述第二副齿轮轴上的第二级；
在所述增压空气压缩机的第一级中进一步压缩来自所述主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分；
在所述增压空气压缩机的第二级中进一步压缩传递自所述增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分；
将来自所述增压空气压缩机的进一步压缩空气流传递到补充增压空气压缩机，所述补充增压空气压缩机具有在第三副齿轮轴上的第一级和在所述第三副齿轮轴上的第二级；
在所述补充增压空气压缩机的第一级中进一步压缩来自所述增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分；
在所述补充增压空气压缩机的第二级中进一步压缩传递自所述补充增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分，从而从所述补充增压空气压缩机产生进一步压缩空气流；
利用至少一个其它驱动器直接驱动或通过主齿轮和其它变速器中的至少一个间接驱动另一个传动轴、所述第一副齿轮轴、所述第二副齿轮轴和所述第三副齿轮轴中的至少一个；以及
利用至少一个冷却器冷却下者中的至少一个：传递自所述第一和第二前主离心空气压缩机的第一和第二流压缩空气的至少一部分、传递自所述主空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分、传递自所述增压空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分，以及传递自所述补充增压空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分。

用于压缩空气的系统和方法
技术领域
申请人的系统和方法涉及压缩机组件和应用，其中诸如在大型低温空气分离单元中需要来自环境空气或其它源的高空气流量。
背景技术
在低温空气分离单元(ASU)中，进料空气传送通过主空气压缩机(MAC)，以获得期望压力。进料空气然后被冷却，并且水蒸气和其它气态杂质诸如二氧化碳被移除。部分或所有进料空气流然后传送到增压空气压缩机(BAC)，以获得期望压力，然后压缩空气流传送到ASU的低温部分，以进行分离。MAC和BAC通常各自包括不止一个压缩级。
高流率处理厂的压缩机典型地包括离心(即，径向)压缩级。离心压缩级包括安装成在成形的壳体内旋转的叶轮，以及扩散器。各个压缩机区段包括用于被压缩的流体的入口和出口。叶轮可布置在多个轴或单个轴上。在使用多个轴的情况下，大直径主齿轮驱动啮合的副齿轮(即，副齿轮轴)，压缩叶轮安装在副齿轮的端部上。如期望的那样，在它们自己相应的壳体内的多个叶轮提供了若干级压缩。主齿轮和啮合的副齿轮通常包含在公共壳体(称为齿轮箱)内。因此，这样的压缩机称为一体齿轮连接的压缩机。啮合的副齿轮可具有不同的直径，以最好地匹配它们驱动的压缩叶轮的速度需求。在任何两个级之间的压缩空气可通过管道连接到外部中间冷却器或传送通过压缩机壳体内部的中间冷却器，压缩空气在其中被冷却，从而减少气体动力消耗。
已知ASU使用多个压缩级来压缩空气，其中的至少一个压缩级由膨胀器涡轮驱动。例如，欧洲专利申请公开No.0 672 877 A1公开了一种低温空气分离单元，其具有三个压缩级，其中的至少一个由两个或更多个膨胀器涡轮来驱动，膨胀器涡轮并联或串联起作用且通过主齿轮联结来驱动一个或多个压缩级。
在图1中显示了ASU中使用的典型的压缩组件。这个组件已经应用于高达550000米³/小时的MAC吸气流率。增压级的数量限于四个。
压缩组件10的主齿轮46由蒸汽涡轮20通过联接件30和45和中间齿轮箱40驱动。MAC级11和BAC级12由主齿轮46驱动。存在三个MAC压缩级(MAC1、MAC2和MAC3)，MAC1和MAC2由第一副齿轮50驱动且MAC3由第二副齿轮60驱动。还存在四个BAC压缩级(BAC1、BAC2、BAC3和BAC4)，BAC1和BAC2由第三副齿轮70驱动，并且BAC3和BAC4由第四副齿轮80驱动。MAC和BAC级的数量反映了要压缩的流体将传送通过级(即，例如流体将接连地传送通过MAC1、MAC2和MAC3)的顺序。
为了改进压缩组件10的总效率，中间冷却器90、100、110、120和130设置在MAC压缩级之间和BAC压缩级之间，以从压缩流体移除热。后冷却器140设置在BAC4的出口处，以将压缩流体冷却到期望流体进入ASU(未显示)时所处的温度。
在使用中，要分离的空气通过空气入口过滤器150(未显示)馈送到第一MAC压缩级MAC1中，典型地压缩到大约0.2MPa(2绝对巴或“bara”)，并且通过管线160离开MAC1，然后传送通过中间冷却器90，之后进入第二压缩级MAC2，以进行进一步压缩。典型地处于大约0.35MPa(3.5绝对巴)的压缩空气然后通过管线170离开MAC2，并且传送通过中间冷却器100，然后进入第三压缩级MAC3。典型地处于大约0.6MPa(6绝对巴)的压缩空气然后通过出口180传送到ASU纯化系统，以冷却和移除水蒸气和其它气态杂质，诸如二氧化碳。
在传送通过ASU纯化系统之后，空气传送到BAC级12，通过入口190进入第一BAC压缩级BAC1且通过管线200典型地以大约1.1MPa(11绝对巴)离开。压缩空气然后传送通过中间冷却器110，以降低温度，并且进入第二BAC压缩级BAC2。空气接连地传送通过BAC2出口管线210(典型地处于大约2MPa(20绝对巴))、中间冷却器120、第三BAC压缩级BAC3、出口管线220(典型地处于大约3.5MPa(35绝对巴))、中间冷却器130和第四BAC压缩级BAC4。典型地处于大约5.5MPa(55绝对巴)的压缩空气然后经由管线230传送通过冷却器140，以便到达期望温度且进入ASU以进行分离。
在ASU中使用了许多其它传统的压缩组件和其变型。这样的组件的一些示例示出在图2至6中。在这些组件中，空气在MAC级中从环境压力压缩到大于5绝对巴的排气压力。需要的排气压力取决于场所海拔、低温循环、热交换器、蒸馏柱、前端、使用的管道等。
图2示出压缩组件，其包括一体齿轮连接的离心MAC，该离心MAC具有安装在两个高速副齿轮轴上的三个MAC压缩级(MAC1、MAC2和MAC3)(101、102和103)，高速副齿轮轴由驱动器21驱动。齿轮箱40用于驱动器21和一体齿轮连接的离心BAC的主齿轮之间。这个组件具有一个吸气入口，其吸入处于环境状况的空气，高达550000米³/小时流率。对流量容量的限制因素可包括在两个副齿轮之间和在副齿轮和主齿轮之间需要的空间、转子动态特性、机械损耗、总尺寸、总重量、总成本等。所有的MAC压缩级在同一动力系上。因此，一旦为驱动器21选择了设计速度，就存在很小的空间来改变速度，因为任何速度改变将影响所有MAC压缩级。MAC级和BAC级可由两个不同的驱动器驱动，但是普遍的是MAC和BAC级两者由同一驱动器21驱动，如图2中显示。如果MAC和BAC级由同一驱动器21驱动，则所有MAC和BAC级的速度都耦合在一起，这表示一个级的速度不能在不影响其它级的情况下改变。
图3示出压缩组件，其包括一体齿轮连接的离心MAC，该离心MAC具有三个MAC压缩级(MAC1和MAC1、MAC2和MAC3)(101、101、102和103)，它们安装在由驱动器21驱动的两个高速副齿轮轴上。齿轮箱40用于驱动器21和BAC之间。这个组件具有两个相同尺寸的吸气入口，其吸入处于环境状况的空气，总共高达800000米³/小时流率。对流量容量的限制因素可包括在两个副齿轮之间和在副齿轮轴和主齿轮之间需要的空间、转子动态特性、机械损耗、总尺寸、总重量、总成本等。另外，在吸气入口处，长度合理(例如，4倍管直径或更多)的直入口管路是优选的或需要的，以避免引起紊流和允许管道截面变化，使得吹扫抽头能恰当地工作。这种需要对驱动器附近的第二主吸气口施加额外的挑战。所有的MAC压缩级在同一动力系上。因此，一旦为驱动器21选择设计速度，则存在很小的空间来改变速度，因为任何速度变化将施加所有的MAC压缩级。MAC级和BAC级可由两个单独的驱动器驱动，但是普遍的是MAC和BAC级两者由同一驱动器21驱动，如图3中显示。当MAC和BAC级由同一驱动器21驱动时，所有MAC级和所有BAC级都是相关的，这表示驱动器21的任何速度变化将影响所有MAC级和所有BAC级。
图4示出压缩组件，其包括单轴离心MAC，该单轴离心MAC具有安装在一个轴上的三个或更多个MAC压缩级(MAC1、MAC2、MAC3和MAC4)(101、102、103和104)。这个组件具有一个吸气入口，其吸入处于环境状况的空气，高达650000米³/小时流率。对流量容量的限制因素可包括可利用当前加工手段制造的叶轮尺寸、应力极限或末梢速度极限、转子动态特性、总尺寸、总重量、总成本等。所有MAC压缩级在同一轴上。因此，一旦为驱动器21选择设计速度，则存在很小的空间来改变速度，因为任何速度变化都将影响所有MAC压缩级。普遍的是，MAC级和BAC级两者由同一驱动器21驱动，如图4中显示。在这个情况下，驱动器21上的任何速度变化将影响所有MAC级以及所有BAC级。
图5示出压缩组件，其包括单轴轴向-径向MAC，该单轴轴向-径向MAC具有安装在一个轴上的六个轴向MAC压缩级(MAC1)(101)和一个或多个离心MAC压缩级(MAC2和MAC3)(102和103)。这个组件具有一个吸气入口，其吸入处于环境状况的空气，高达1000000米³/小时流率或更高。由于转子动态特性和成本约束的原因，在轴向压缩区段中不存在中间级冷却，并且因此，压缩机动力消耗将高于其它等效的等温压缩机。等温压缩机表示在各个压缩级之后存在中间级冷却。所有MAC压缩级在同一轴上。因此，一旦为驱动器21选择设计速度，则存在很少的空间来改变速度，因为任何速度变化将影响所有MAC压缩级。当MAC和BAC压缩级由同一驱动器21驱动时，如图5中显示，驱动器21的任何速度变化将影响所有MAC压缩级以及所有BAC压缩级。
图6示出另一个压缩组件。第一MAC压缩级(MAC1)(101)在驱动器21的一端上被驱动，而一体齿轮连接的离心压缩机在一个高速副齿轮轴上包含两个其余MAC压缩级(MAC2和MAC3)(102和103)。两个其余MAC压缩级与四个BAC压缩级(BAC1、BAC2、BAC3和BAC4)(501、502、503和504)组合在同一机器上。大体上，在组合的MAC/BAC压缩机中，可总共存在高达四个高速副齿轮轴和高达八个级。齿轮箱40使用在驱动器21和组合的MAC/BAC(MAC2、MAC3、BAC1、BAC2、BAC3和BAC4)之间。这个组件具有一个吸气入口，其吸入处于环境状况的空气。这个组件的最大流量由相关机器供应商确定。这个组件的最大流量容量将受到可由原始装备制造商(OEM)制造的离心叶轮尺寸和允许的叶轮末梢速度限制。所有MAC压缩级在同一动力系上。因此，一旦为驱动器21选择设计速度，存在很小空间来改变速度，因为任何速度变化将影响在同一动力系上的所有MAC压缩级以及所有BAC压缩级。
图1-6中示出的所有压缩组件共同的主要挑战在于：
1.如何增大流量容量，而不牺牲效率；
2.如何更有效地处理各种操作状况，以实现年动力节约，包括减少减载时的放喷(venting)；以及
3.如何通过标准化实现压缩系成本减少。
发明内容
存在申请人的设备和方法的各种方面，以及各个方面的许多变型。
一方面是一种用于压缩空气的系统。系统包括变速驱动器、至少一个前主空气压缩机、至少一个主空气压缩机、至少一个增压空气压缩机和至少一个其它驱动器。变速驱动器具有至少一个传动轴。至少一个前主空气压缩机具有至少一个级且适于接收和压缩环境空气或其它空气流且被变速驱动器的至少一个传动轴驱动。至少一个主空气压缩机在第一副齿轮轴上具有至少一个级，且适于接收和进一步压缩传递自至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分。至少一个增压空气压缩机在第二副齿轮轴上具有至少一个级，且适于接收和进一步压缩传递自至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分。至少一个其它驱动器适于直接驱动或通过至少一个变速器间接驱动第一副齿轮轴和第二副齿轮轴中的至少一个。
在系统的第一变型中，变速驱动器的第一传动轴以可变的速度驱动第一前主空气压缩机，以及变速驱动器的第二传动轴以可变的速度驱动第二前主空气压缩机。在这个变型的变型中，第一前主空气压缩机和第二前主空气压缩机中的至少一个为离心空气压缩机。
在系统的另一个变型中，至少一个主压缩机在第一副齿轮轴上的第一级适于接收传递自至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分，且将其进一步压缩到预先限定的排气压力，并且至少一个主空气压缩机在第一副齿轮轴上的第二级适于接收和进一步压缩传递自至少一个主空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。
在系统的又一个变型中，至少一个增压空气压缩机在第二副齿轮轴上的第一级适于接收和进一步压缩传递自至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，并且至少一个增压空气压缩机在第二副齿轮轴上的第二级适于接收和进一步压缩传递自至少一个增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。
在前四段中论述的任何系统的另一个变型中，至少一个变速器包括至少一个主齿轮。
第二系统类似于第一系统或上面论述的任何变型，但是还包括至少一个补充增压空气压缩机，其在第三副齿轮轴上具有至少一个级，且适于接收和进一步压缩传递自至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，其中至少一个其它驱动器或另一个驱动器适于直接驱动或通过至少一个变速器或另一个变速器间接驱动另一个传动轴、第一副齿轮轴、第二副齿轮轴和第三副齿轮轴中的至少一个。
在第二系统的变型中，至少一个补充增压空气压缩机在第三副齿轮轴上的第一级适于接收和进一步压缩传递自至少一个增压空气压缩机的第二级的进一步压缩空气流的至少一部分，并且至少一个补充增压空气压缩机在第三副齿轮轴上的第二级适于接收和进一步压缩传递自至少一个补充增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。
第三系统类似于第一或第二系统或上面论述的其任何变型，但是包括至少一个冷却器，各个冷却器适于冷却下者中的至少一个：传递自至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分、传递自至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，以及传递自至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分。
第四系统包括变速驱动器、第一前主离心空气压缩机、第二前主离心空气压缩机、歧管、主空气压缩机、增压空气压缩机、补充增压空气压缩机、一个其它驱动器和至少一个冷却器。变速驱动器具有第一传动轴和第二传动轴。第一前主离心空气压缩机具有至少一个级且适于接收和压缩第一环境空气流且被变速驱动器的第一传动轴以第一可变的速度驱动。第二前主离心空气压缩机具有至少一个级且适于接收和压缩第二环境空气流且被变速驱动器的第二传动轴以第一可变的速度驱动。歧管适于接收和组合来自第一前主离心空气压缩机的第一压缩空气流的至少一部分和来自第二前主离心空气压缩机的第二压缩空气流的至少一部分。主空气压缩机具有第一和第二级。第一级在第一副齿轮轴上且适于接收传递自歧管的压缩空气流的至少一部分，且将其进一步压缩到预先限定的排气压力。主空气压缩机的第二级在第一副齿轮轴上且适于接收和进一步压缩传递自主空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。增压空气压缩机具有第一级和第二级。第一级在第二副齿轮轴上且适于接收和进一步压缩传递自主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分。增压空气压缩机的第二级在第二副齿轮轴上且适于接收和进一步压缩传递自增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。补充增压空气压缩机具有第一级和第二级。第一级在第三副齿轮轴上且适于接收和进一步压缩传递自增压空气压缩机的第二级的进一步压缩空气流的至少一部分。补充增压空气压缩机的第二级在第三副齿轮轴上且适于接收和进一步压缩传递自补充增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。一个其它驱动器适于直接驱动或通过主齿轮和其它变速器中的至少一个间接驱动另一个传动轴、第一副齿轮轴、第二副齿轮轴和第三副齿轮轴中的至少一个。各个冷却器适于冷却下者中的至少一个：传递自第一和第二前主离心空气压缩机的第一和第二流压缩空气的至少一部分、传递自主空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分、传递自增压空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分，以及传递自补充增压空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分。
另一个方面是一种用于压缩空气的方法，包括八个步骤。第一步骤为将环境空气或其它空气流传递到具有至少一个级的至少一个前主空气压缩机。第二步骤为利用具有至少一个传动轴的变速驱动器驱动至少一个前主空气压缩机。第三步骤为在至少一个前主空气压缩机中压缩环境空气或其它空气流，从而从至少一个前主空气压缩机产生压缩空气流。第四步骤为将来自至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分传递到至少一个主空气压缩机，至少一个主空气压缩机具有至少一个级和第一副齿轮轴。第五步骤为在至少一个主空气压缩机中进一步压缩压缩空气流的至少一部分，从而从至少一个主空气压缩机产生进一步压缩空气流。第六步骤为将来自至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分传递到至少一个增压空气压缩机，至少一个增压空气压缩机具有在第二副齿轮轴上的至少一个级。第七步骤为在至少一个增压空气压缩机中进一步压缩进一步压缩空气流的至少一部分，从而从至少一个增压空气压缩机产生进一步压缩空气流。第八步骤为利用至少一个其它驱动器直接驱动或通过至少一个变速器间接驱动第一副齿轮轴和第二副齿轮轴中的至少一个。
在方法的第一变型中，变速驱动器的第一传动轴以可变的速度驱动第一前主空气压缩机，并且变速驱动器的第二传动轴以可变的速度驱动第二前主空气压缩机。
在方法的另一个变型中，至少一个主空气压缩机在第一副齿轮轴上的第一级接收传递自至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分，且将其进一步压缩到预先限定的排气压力，并且至少一个主空气压缩机在第一副齿轮轴上的第二级接收和进一步压缩传递自至少一个主空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。
在方法的又一个变型中，至少一个增压空气压缩机在第二副齿轮轴上的第一级接收和进一步压缩传递自至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，并且至少一个增压空气压缩机在第二副齿轮轴上的第二级接收和进一步压缩传递自至少一个增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。
在前面四段中论述的任何方法的另一个变型中，至少一个变速器包括至少一个主齿轮。
第二方法类似于第一方法或上面论述的任何变型，但是包括三个附加步骤。第一附加步骤为将进一步压缩空气流的至少一部分从至少一个增压空气压缩机传递到至少一个补充增压空气压缩机，至少一个补充增压空气压缩机在第三副齿轮轴上具有至少一个级。第二附加步骤是利用至少一个其它驱动器或另一个驱动器直接驱动或通过至少一个变速器或另一个变速器间接驱动下者中的至少一个：另一个传动轴、第一副齿轮轴、第二副齿轮轴和第三副齿轮轴。第三附加步骤是进一步压缩来自至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，从而从补充增压空气压缩机产生进一步压缩空气流。
在第二方法的变型中，至少一个补充增压空气压缩机在第三副齿轮轴上的第一级接收和进一步压缩传递自至少一个增压空气压缩机的第二级的进一步压缩空气流的一部分，并且至少一个补充增压空气压缩机在第三副齿轮轴上的第二级接收和进一步压缩传递自至少一个补充增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。
第三方法类似于第一或第二方法或上面论述的其任何变型，但是包括附加步骤：利用至少一个冷却器冷却下者中的至少一个：传递自至少一个前主空气压缩机的压缩空气流的至少一部分、传递自至少一个主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分，以及传递自至少一个增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分。
第四方法包括18个步骤。第一步骤是将第一环境空气流传递到具有至少一个级的第一前主离心空气压缩机。第二步骤是利用变速驱动器的第一传动轴以第一可变的速度驱动第一前主离心空气压缩机。第三步骤是将第二环境空气流传递到具有至少一个级的第二前主离心空气压缩机。第四步骤是利用变速驱动器的第二传动轴以第一可变的速度驱动第二前主离心空气压缩机。第五步骤是在第一前主离心空气压缩机中压缩第一环境空气流，从而产生处于预先限定的排气压力的第一压缩空气流。第六步骤是在第二前主离心空气压缩机中压缩第二环境空气流，从而产生处于预先限定的排气压力的第二压缩空气流。第七步骤是在歧管中组合来自第一前主离心空气压缩机的第一压缩空气流的至少一部分和来自第二前主离心空气压缩机的第二压缩空气流的至少一部分。第八步骤是将压缩空气流从歧管传递到主空气压缩机，主空气压缩机具有在第一副齿轮轴上的第一级和在第一副齿轮轴上的第二级。第九步骤是在主空气压缩机的第一级中进一步压缩传递自歧管的压缩空气流的至少一部分。第十步骤是在主空气压缩机的第二级中进一步压缩传递自主空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。第十一步骤是将压缩空气流从主空气压缩机进一步传递到增压空气压缩机，增压空气压缩机具有在第二副齿轮轴上的第一级和在第二副齿轮轴上的第二级。第十二步骤是在增压空气压缩机的第一级中进一步压缩来自主空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分。第十三步骤是在增压空气压缩机的第二级中进一步压缩传递自增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分。第十四步骤是将进一步压缩空气流从增压空气压缩机传递到补充增压空气压缩机，补充增压空气压缩机具有在第三副齿轮轴上的第一级和在第三副齿轮轴上的第二级。第十五步骤是在补充增压空气压缩机的第一级中进一步压缩来自增压空气压缩机的进一步压缩空气流的至少一部分。第十六步骤是在补充增压空气压缩机的第二级中进一步压缩传递自补充增压空气压缩机的第一级的进一步压缩空气流的至少一部分，从而从补充增压空气压缩机产生进一步压缩空气流。第十七步骤是利用至少一个其它驱动器直接驱动或通过主齿轮和其它变速器中的至少一个间接驱动下者中的至少一个：另一个传动轴、第一副齿轮轴、第二副齿轮轴和第三副齿轮轴。第十八步骤是利用至少一个冷却器冷却下者中的至少一个：传递自第一和第二前主离心空气压缩机的第一和第二流压缩空气的至少一部分、传递自主空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分、传递自增压空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分，以及传递自补充增压空气压缩机的各个级的各个进一步压缩空气流的至少一部分。
附图说明
将以示例的方式参照附图来描述申请人的系统和方法，其中：
图1是用于空气分离单元(ASU)中的传统的压缩组件的示意图；
图2是用于(ASU)中的另一个传统的压缩组件的示意图；
图3是用于(ASU)中的另一个传统的压缩组件的示意图；
图4是用于(ASU)中的另一个传统的压缩组件的示意图；
图5是用于(ASU)中的另一个传统的压缩组件的示意图；
图6是用于(ASU)中的另一个传统的压缩组件的示意图；以及
图7是示出申请人的系统和方法的压缩组件的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图7示出用于申请人的系统和方法的压缩组件10的一个示例性实施例，其存在许多变型和许多变型的变型。压缩组件10包括前MAC级2、MAC级4和BAC级6。存在两个前MAC压缩机(56和76)、两个MAC压缩级(MAC1和MAC2)(182和222)和四个BAC压缩级(BAC1、BAC2、BAC3和BAC4)(290、330、370和410)。
参照图7中示出的示例性实施例，变速驱动器(162)(例如，蒸汽涡轮或变速马达)通过两个联接件92、96驱动两个单级离心前主空气压缩机(前MAC)56、76。第一前MAC压缩机56从环境(或另一个源)吸入空气，将空气抽过入口空气过滤器52和入口管线54，以及将空气压缩到大约2绝对巴。压缩空气通过管线58输送到前MAC-后冷却器(前MAC AC)61，并且经冷却空气通过管线62输送到歧管86。第二前MAC压缩机76从环境(或另一个源)吸入空气，将空气抽过第二入口空气过滤器72和入口管线74，并且将空气压缩到大约2绝对巴。压缩空气通过管线78输送到第二前MAC后冷却器(前MAC AC)81，并且经冷却空气通过管线82输送到歧管86。
来自前MAC后冷却器61、81的经压缩和冷却的空气(处于大约2绝对巴)通过管线172馈送到第一MAC压缩级MAC1(182)，在那里，其进一步压缩且然后通过管线192馈送到MAC1的中间级冷却器202 (MAC1 IC)。来自中间级冷却器202的经冷却空气通过管线212馈送到第二MAC压缩级MAC2(222)，在那里，其进一步压缩，并且然后通过管线232输送到MAC2的后冷却器240(MAC2 AC)。来自后冷却器240的经冷却空气通过管线250输送到空气分离单元(ASU)流260。
优选地，对于任何环境压力，前MAC的排气压力或MAC的入口压力为预先限定的压力或恒定压力。但是，本领域技术人员将认识到各种其它压力都是可行的，即使它们不可提供最佳的经济益处。
ASU 流260传送通过纯化单元(未显示)和热交换器(未显示)，并且ASU流的一部分从BAC入口流270回来，BAC入口流270通过管线280输送到第一BAC压缩级BAC1(290)，进一步压缩，并且通过管线300输送到BAC1的中间级冷却器310(BAC1 IC)。
来自中间级冷却器310的经冷却空气通过管线320输送到第二BAC压缩级BAC2(330)，进一步压缩，并且通过管线340输送到BAC2的中间级冷却器350(BAC2 IC)。
来自中间级冷却器350的一部分或所有经冷却空气通过管线360输送到第三BAC压缩级BAC3(370)，进一步压缩，并且通过管线380输送到BAC3的中间级冷却器390(BAC3 IC)。
来自中间级冷却器390的经冷却空气通过管线400输送到第四BAC压缩级BAC4(410)，进一步压缩，并且通过管线420输送到BAC4的后冷却器430(BAC4 AC)。来自后冷却器430的经冷却空气通过管线440输送，并且前进到ASU流450，以进一步处理。
在图7中示出的示例性实施例的压缩组件10中，MAC1(182)和MAC2(222)两者在第一副齿轮轴8上。BAC1(290)和BAC2(330)两者在第二副齿轮轴14上。BAC3(370)和BAC4(410)两者在第三副齿轮轴16上。第二驱动器600通过联接件42[可能还通过齿轮箱(未显示)，如果需要的话]和传动轴驱动副齿轮轴8、14和16上的组合的MAC级4和BAC级6，传动轴可为主齿轮18的轴。
如果例如BAC级6具有超过四个级的附加级(例如，五个或六个级)，超过四个的额外的级(一个或多个)可利用附加副齿轮轴包括在组合的MAC1级4和BAC级6中。
变速驱动器162驱动前MAC压缩机56、76所处的设计速度基于场所海拔和场所平均环境温度来优化，以实现最佳效率和最低动力消耗。可变入口导叶(IGV)和/或可变扩散器可与变速调节结合使用，以处理其它过程任务状况，以便对于那些过程状况更有效地减少动力消耗。
申请人的系统和方法以至少若干方法至少部分地处理在图1-6中示出的传统的压缩组件共有的三个挑战，包括：
·申请人的系统和方法使用两个主吸气口，其从环境或其它源吸入空气，并且从而使得可通过图1、2、4和6中的传统的压缩组件可处理的流量容量翻倍，传统的压缩组件具有仅一个从环境吸入空气的主吸气口；
·申请人的系统和方法消除图3示出的压缩组件所施加的空间和尺寸约束，因为申请人的系统和方法使用独立的动力系，其不具有任何相邻的级或压缩机涡管来干涉它。因此，申请人的系统和方法可处理更高的流量(>1000000米³/小时)；以及
·申请人的系统和方法节约了动力，因为前MAC由变速驱动器驱动，而没有与齿轮连接相关联的任何机械损耗。并且申请人的系统和方法提供了等温压缩，其使用较少动力，如在下面的“示例”部分中的示例1所显示。
对于任何给定的场所，虽然空气入口压力是恒定的，但是空气入口温度可在冬天和夏天之间显著改变，从而导致体积流量的较大变化和压头的变化。体积流量和压头随着入口温度的升高而增加。
如之前在上面所阐述，对于所有传统的压缩组件，MAC级(并且所有大型机器的所有BAC级)在同一动力系上；并且因此，一旦选择了设计速度，则存在很小空间来改变这个速度以适应季节性温度和/或产量变化。因而，最有效的压缩机性能控制变量(即，速度)不是用于传统的压缩组件的自由度。为了处理夏季高温状况所需要的流量和压头，MAC将需要针对夏季高温状况确定尺寸，并且IGV将部分地关闭，以处理正常运行状况。这可降低其它运行状况的压缩机效率，以及其减载范围(即，从设计流量到最小可允许流量而没有压缩机喘震的范围)。在冬季或减载状况，与夏季高温状况的流量相比，体积流量显著减小，并且因此，IGV必须进一步关闭，并且压缩空气可能必须放喷到大气，以防止压缩机喘震。两者都将导致动力浪费。
相反，使用前MAC的压缩组件具有其本身独立的可变速度，作为真实自由度。对于夏季高温状况，可提高速度；并且对于冬季或减载状况，可降低速度。可变的IGV和可变的扩散器(如果需要的话)可进一步增强运行范围。其它运行状况的压缩机效率将与传统的组件相比而更好。放喷可完全消除，从而得到附加的动力节约。
MAC的空气入口压力可在不同的场所之间随着海拔而显著变化。平均空气入口温度还可在不同的场所之间随着气候状况而显著变化。例如，对于相同的空气分离产物和低温过程循环，如果MAC从入口压力为1.01绝对巴且平均入口温度为7.2℃的场所移动到入口压力为0.852绝对巴且平均入口温度为20℃的另一个场所，则入口体积流量将增大超过25%，并且第一级压头将增大超过34%。
如之前在上面所论述，在传统的组件中的所有MAC级在同一动力系上。一旦选择了速度，则存在很少的空间来改变速度。因此，最有效的压缩机性能控制变量(即，速度)不是给定MAC硬件的自由度。对于具有高海拔和/或高平均入口温度的场所，对于给定MAC硬件，第一级的设计速度需要较高。但是，任何速度增加将适用于在同一动力系上的所有MAC级以及BAC级，并且因此，将不适用于给定低温过程循环和ASU设计。对于这些原因，传统的组件必须针对各个场所进行定制。
相反，使用前MAC的压缩组件具有其自己的独立的可变速度，作为真实自由度。对于具有高海拔和/或高平均空气入口温度的应用，前MAC可使用更高的设计速度，而对于具有海平面海拔和低平均空气入口温度的应用，可使用较低速度，这些应用具有相同的前MAC硬件。可变IGV和可变的扩散器(如果需要的话)可进一步增强前MAC处理这样的变化的能力。前MAC还可比传统的压缩组件覆盖更宽的范围空气分离产物。
不管场所海拔和空气入口温度如何，前MAC将经预处理的“公共”空气以几乎恒定的压力和温度馈送到MAC，并且因此，现在可使MAC标准化。
示例
图1、2、4和6中的压缩组件的流量容量限制由一个离心级可处理的最大流量容量直接设定，因为所有那些组件具有仅一个从环境状况吸入空气的主入口。
图5中的压缩组件具有轴向压缩区段，并且其可处理1000000米³/小时或甚至更高的流率。但是，因为在轴向压缩区段内不存在中间级冷却，所以压缩机动力消耗高于等效的等温压缩。参见下面的示例1。
示例1
空气流量=1000000米³/小时
MAC入口压力=0.879绝对巴
MAC入口温度=29℃
相对湿度=55%
MAC排气压力=5.85绝对巴。
假定使用轴向-径向压缩机，诸如图5中示出，其中多级轴向区段将空气压缩到3.4绝对巴，并且然后离心级将空气从3.4绝对巴压缩到5.85绝对巴的最终排气压力。与轴向压缩区段相比，离心级将空气从0.879绝对巴压缩到2绝对巴，将排气空气冷却到40℃，并且然后使用第二离心级将空气压缩到3.4绝对巴。在多级轴向压缩区段和具有中间级冷却器的两个离心级之间的动力消耗的比较如下：