RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 190051 (21) Numer zgłoszenia: 331277 (22) Data zgłoszenia: 05.02.1999 (13) B1 (51) IntC17 F25J 1/00 F17C 7/00 (54) Sposób wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza i instalacja do wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza (30) Pierwszeństwo: 05.02.1998, FR,9801346 (73) Uprawniony z patentu: L AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE, Paris Cedex, FR (43) Zgłoszenie ogłoszono: 16.08.1999 BUP 17/99 (72) Twórcy wynalazku: Xavier Vigor, Chicago, US Patrice Ollivier, Paris, FR Antoine Willennot, Gif-Sur-Yvette, FR Lionel Barry, Charenton-Le-Pont, FR (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.10.2005 WUP 10/05 (74) Pełnomocnik: Szafruga Anna, POLSERVICE Sp. z o.o. PL 190051 B1 (57) 1. Sposób wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza oddzielanego w co najmniej jednym urządzeniu do obróbki powietrza, znamienny tym, że wytwarza się, w nominalnym trybie działania, co najmniej pierwszy i drugi strumień sprężonego powietrza, które przydziela się odpowiednio do zapotrzebowania na powietrze oraz produkuje się wspomniany gaz składowy powietrza, oraz, chwilowo kieruje się co najmniej części drugiego strumienia powietrza dla pokrycia zapotrzebowania na sprężone powietrze. FIG. 1
2 190 051 Sposób wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza i instalacja do wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza oddzielanego, w co najmniej jednym urządzeniu do obróbki powietrza, znamienny tym, że wytwarza się, w nominalnym trybie działania, co najmniej pierwszy i drugi strumień sprężonego powietrza, które przydziela się odpowiednio do zapotrzebowania na powietrze oraz produkuje się wspomniany gaz składowy powietrza, oraz, chwilowo kieruje się, co najmniej części drugiego strumienia powietrza dla pokrycia zapotrzebowania na sprężone powietrze. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że, dla chwilowego pokrycia zapotrzebowania na sprężone powietrze, gaz składowy powietrza dostarcza się, co najmniej częściowo ze zbiornika (R) gazu. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że, dla chwilowego pokrycia zapotrzebowania na sprężone powietrze, drugi strumień powietrza kieruje się całkowicie do sprężonego powietrza. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że prowadzi się regulację ciśnienia drugiego strumienia powietrza. 5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że stosuje się pierwszy i drugi strumień powietrza w przybliżeniu o takim samym ciśnieniu. 6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że stosuje się drugi strumień powietrza o ciśnieniu wyższym niż ciśnienie pierwszego strumienia powietrza i zmienia się ciśnienie drugiego strumienia powietrza co najmniej w czasie chwilowego pokrywania zapotrzebowania na sprężone powietrze. 7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, że co najmniej część sprężonego powietrza i co najmniej część wspomnianego gazu składowego powietrza znajduje się w tej samej instalacji. 8. Instalacja do wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza, znamienna tym, że w jej skład wchodzi co najmniej jeden układ (La) dostarczający sprężone powietrze połączony z co najmniej pierwszym źródłem sprężonego powietrza (CO2, CO3), oraz co najmniej jeden układ (L G) do wytwarzania i rozprowadzania co najmniej jednego gazu składowego powietrza, który jest normalnie podłączony do co najmniej drugiego źródła (C O 1) sprężonego powietrza, oraz zespół (V, D) do co najmniej chwilowego przełączania drugiego źródła (CO1) do układu (LA) doprowadzającego powietrze. 9. Instalacja według zastrz. 8, znamienna tym, że w skład zespołu przełączającego wchodzi urządzenie (V) do odcinania układu ( L G) do wytwarzania gazu składowego powietrza od drugiego źródła (C O 1). 10. Instalacja według zastrz. 9, znamienna tym, że w skład urządzenia (V) do odcinania wchodzi zespół zaworowy czuły na co najmniej jeden parametr wyjściowy układu wytwarzającego gaz składowy powietrza. 11. Instalacja według zastrz. 10, znamienna tym, że parametrem jest natężenie przepływu wytworzonego gazu składowego powietrza. 12. Instalacja według zastrz. 8 albo 9, albo 10, albo 11, znamienna tym, że w skład układu produkcyjnego (LG) wchodzi ponadto co najmniej jeden zbiornik (R) wspomnianego gazu składowego powietrza. 13. Instalacja według zastrz. 8, znamienna tym, że w jej skład wchodzi zespół (m) do regulowania parametrów strumieni powietrza dostarczanych przez źródła (COi). 14. Instalacja według zastrz. 8, znamienna tym, że co najmniej jedno spośród źródeł, pierwszego i drugiego, (C O 1, C O2, CO3), jest zespołem sprężającym. 15. Instalacja według zastrz. 8, znamienna tym, że w jej skład wchodzi zespół (m) do sterowania zespołami sprężającymi (COi).
190 051 3 16. instalacja według zastrz. 8, znamienna tym, ze w skład układu (LG) do wytwarzania gazu składowego powietrza wchodzi co najmniej jedno urządzenie (S) do oddzielania, które jest co najmniej częściowo urządzeniem typu adsorpcyjnego. 17. Instalacja według zastrz. 8, znamienna tym, że w skład układu (LG) do wytwarzania gazu składowego powietrza wchodzi co najmniej jedno urządzenie (S) do oddzielania powietrza, które jest co najmniej częściowo urządzeniem typu przepuszczalnego. 18. Instalacja według zastrz. 8, znamienna tym, że w skład układu (LG) do wytwarzania gazu składowego powietrza wchodzi co najmniej jedno urządzenie (S) do oddzielania powietrza, które jest co najmniej częściowo urządzeniem destylującym typu kriogenicznego. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza i instalacja do wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza. Obecnie prawie we wszystkich gałęziach przemysłu stosuje się co najmniej jedną sieć sprężonego powietrza dostarczającą sprężone powietrze do wszystkich typów maszyn lub urządzeń. W wielu gałęziach przemysłu stosuje się ponadto gazy składowe powietrza doprowadzane sieciami rozprowadzającymi, ze zbiorników lub z pracujących na miejscu instalacji produkcyjnych. Ogólnie, instalacje do wytwarzania i zaopatrywania w sprężone powietrze i gazy składowe powietrza są oddzielne i niezależne oraz eksploatowane przez różnych operatorów. W konkretnej dziedzinie, a mianowicie w metalurgii, zaproponowano, zwłaszcza w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US-A-5,538,534 i US-A-5,244,489, udzielonych Applicant Company, zastosowanie wspólnej grupy sprężającej do, z jednej strony, zaopatrywania w sprężone powietrze urządzeń do przetwarzania metali, a z drugiej strony, urządzenia do oddzielania gazu składowego powietrza. Celem wynalazku jest zapewnienie kombinowanego sposobu i instalacji do wytwarzania i dostarczania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza, tworząc układ synergiczny pomiędzy instalacjami do wytwarzania i dostarczania tych płynów oraz umożliwiając zmniejszenie nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych, z równoczesną gwarancją odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa przy dostarczaniu gazów. Sposób wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza oddzielanego w co najmniej jednym urządzeniu do obróbki powietrza, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wytwarza się, w nominalnym trybie działania, co najmniej pierwszy i drugi strumień sprężonego powietrza, które przydziela się odpowiednio do zapotrzebowania na powietrze oraz produkuje się wspomniany gaz składowy powietrza, oraz, chwilowo kieruje się co najmniej części drugiego strumienia powietrza dla pokrycia zapotrzebowania na sprężone powietrze. Korzystnie dla chwilowego pokrycia zapotrzebowania na sprężone powietrze, gaz składowy powietrza dostarcza się co najmniej częściowo ze zbiornika gazu. Korzystnie dla chwilowego pokrycia zapotrzebowania na sprężone powietrze, drugi strumień powietrza kieruje się całkowicie do sprężonego powietrza. Korzystnie prowadzi się regulację ciśnienia drugiego strumienia powietrza. Korzystnie stosuje się pierwszy i drugi strumień powietrza w przybliżeniu o takim samym ciśnieniu. Korzystnie stosuje się drugi strumień powietrza o ciśnieniu wyższym niż ciśnienie pierwszego strumienia powietrza i zmienia się ciśnienie drugiego strumienia powietrza co najmniej w czasie chwilowego pokrywania zapotrzebowania na sprężone powietrze. Korzystnie co najmniej część sprężonego powietrza i co najmniej część wspomnianego gazu składowego powietrza znajduje się w tej samej instalacji. Instalacja do wytwarzania sprężonego powietrza i co najmniej jednego gazu składowego powietrza, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w jej skład wchodzi co najmniej je-
4 190 051 den układ dostarczający sprężone powietrze połączony z co najmniej pierwszym źródłem sprężonego powietrza, oraz co najmniej jeden układ do wytwarzania i rozprowadzania co najmniej jednego gazu składowego powietrza, który jest normalnie podłączony do co najmniej drugiego źródła sprężonego powietrza, oraz zespół do co najmniej chwilowego przełączania drugiego źródła do układu doprowadzającego powietrze. Korzystnie w skład zespołu przełączającego wchodzi urządzenie do odcinania układu do wytwarzania gazu składowego powietrza od drugiego źródła. Korzystnie w skład urządzenia do odcinania wchodzi zespół zaworowy czuły na co najmniej jeden parametr wyjściowy układu wytwarzającego gaz składowy powietrza. Korzystnie parametrem jest natężenie przepływu wytworzonego gazu składowego powietrza. Korzystnie w skład układu produkcyjnego wchodzi ponadto co najmniej jeden zbiornik wspomnianego gazu składowego powietrza. Korzystnie w skład instalacji wchodzi zespól do regulowania parametrów strumieni powietrza dostarczanych przez źródła. Korzystnie co najmniej jedno spośród źródeł, pierwszego i drugiego, jest zespołem sprężającym. Korzystnie w skład instalacji wchodzi zespół do sterowania zespołami sprężającymi. Korzystnie w skład układu do wytwarzania gazu składowego powietrza wchodzi co najmniej jedno urządzenie, do oddzielania, które co najmniej częściowo jest urządzeniem typu adsorpcyjnego. Korzystnie w skład układu do wytwarzania gazu składowego powietrza wchodzi co najmniej jedno urządzenie do oddzielania powietrza, które co najmniej częściowo jest urządzeniem typu przenikalnego. Korzystnie w skład układu do wytwarzania gazu składowego powietrza wchodzi co najmniej jedno urządzenie do oddzielania powietrza, które co najmniej częściowo jest urządzeniem destylującym typu kriogenicznego. W sposób według wynalazku wchodzą dwa tryby wytwarzania, nominalny tryb działania, w którym wytwarza się co najmniej pierwszy i drugi strumień powietrza, które są przeznaczone, odpowiednio, do zapewnienia sprężonego powietrza i do produkcji wspomnianego gazu składowego powietrza oraz, chwilowy tryb działania, w którym stosuje się co najmniej części drugiego strumienia powietrza do dostarczania sprężonego powietrza. Zatem, według wynalazku, można połączyć ze sobą sieci sprężonego powietrza i gazu składowego powietrza w sposób umożliwiający wspólne wykorzystywanie możliwości sprężonego powietrza dostępnego na miejscu w zależności od zapotrzebowania na sprężone powietrze i na gaz składowy powietrza, co umożliwia zmniejszenie nakładów inwestycyjnych na źródła sprężonego powietrza, typowo na zespoły sprężarek, jak również na zainstalowane odbiorniki energii elektrycznej i zużywaną energię elektryczną, z równoczesną gwarancją zwiększenia elastyczności produkcyjnej. Według wynalazku, pierwszeństwo w odbiorze sprężonego powietrza ma instalacja sprężonego powietrza, ponieważ sprężone powietrze jest trudne do magazynowania w wypadku konieczności zapewnienia dużych lub długotrwałych dostaw, podczas gdy gaz składowy powietrza można z łatwością magazynować, zwłaszcza w istniejących zbiornikach rezerwowych i instalacje użytkownika mogą często działać przy zmniejszonym poziomie produkcji z instalacji produkcyjnych gazu składowego powietrza, ewentualnie uzupełnianych ze wspomnianych zbiorników rezerwowych. Korzystnie, w chwilowym trybie działania, gaz składowy powietrza pochodzi co najmniej częściowo ze zbiornika wspomnianego gazu, typowo magazynowanego w formie ciekłej. Korzystniej, w chwilowym trybie działania, drugi strumień jest całkowicie przydzielony do dostarczania sprężonego powietrza, przy czym w skład zespołów przełączających wchodzą zespoły do odcinania instalacji do wytwarzania gazu od drugiego źródła, które tym samym jest przydzielane do zaopatrywania instalacji sprężonego powietrza. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pierwszy przykład wykonania kombinowanej instalacji według wynalazku, schematycznie;
190 051 5 fig. 2 - drugi przykład wykonania kombinowanej instalacji według wynalazku, w podobnym rzucie schematycznym; oraz fig. 3 i 4 - odpowiednio, konfiguracje instalacji z fig. 1 i fig. 2 w chwilowym trybie działania. Przykład wykonania z fig. 1 reprezentuje co najmniej jeden przewód L A sieci rozprowadzającej sprężone powietrze dostarczane przez dwa źródła sprężonego powietrza C 02, C 03, na przykład dwa identyczne lub różne, pracujące równolegle, zespoły sprężające. N a rysunku przedstawiono również co najmniej jeden przewód L G sieci rozprowadzającej co najmniej jeden gaz składowy powietrza dostarczany poprzez oddzielanie lub obróbkę sprężonego powietrza, pochodzącego z co najmniej jednego ze źródeł sprężonego powietrza CO1, zazwyczaj z zespołu sprężającego powietrze, w urządzeniu S do oddzielania lub obróbki powietrza i/lub co najmniej jednym zbiorniku R zawierającym wspomniany gaz, typowo co najmniej częściowo w postaci ciekłej, podłączonym do przewodu L G za pomocą urządzenia V do odcinania układu stanowiącego zawór czuły na co najmniej jeden parametr wyjściowy układu wytwarzającego gaz składowy powietrza, taki jak przykładowo ciśnienie i/lub inny zawór regulacyjny. Ciśnienie powietrza dostarczanego przez źródło CO1 do instalacji, jest, typowo, wyższe niż ciśnienie doprowadzane do przewodu LA przez źródła CO2 i CO3. Według wynalazku, przewód C, korzystnie, wyposażony w zawór regulacyjny i redukcyjny D, umożliwia połączenie lub rozłączenie pomiędzy dolotowymi częściami przewodów LG i LA. W nominalnym trybie działania, co najmniej przewód L G jest zasilany gazem składowym powietrza oddzielonym lub obrobionym w urządzeniu S, które samo jest zasilane sprężonym powietrzem pochodzącym ze źródła CO1, zaś zbiornik R nie jest w trybie nominalnym zaangażowany z wyjątkiem sytuacji polegającej na wystąpieniu dużego zapotrzebowania w przewodzie L G. Równolegle, przewód L A jest zasilany sprężonym powietrzem pochodzącym z co najmniej jednego ze źródeł C 02, C 03. W wypadku wadliwego działania jednego z tych źródeł C 02, C 03, jak widać na fig. 3, co najmniej część strumienia powietrza pochodzącego ze źródła CO1 jest wysyłana, typowo przy zmniejszonym ciśnieniu lub stopniowo obniżonym poprzez regulowanie źródła CO1, przewodem C do przewodu L A w celu utrzymania w nim wymaganego strumienia sprężonego powietrza. W razie potrzeby, urządzenie S można co najmniej częściowo odciąć na dolocie za pomocą urządzenia V do odcinania stanowiącego zawór regulacyjny i/lub odcinający, wskutek czego urządzenie S będzie pracowało w tym wypadku przy zmniejszonym poziomie, a gaz składowy powietrza w przewodzie L G będzie pochodził całkowicie lub częściowo z rezerwy awaryjnej ze zbiornika R dzięki temu, że urządzenie V stanowiące zawór można regulować ręcznie, synchronicznie z działaniem zaworu D, albo uruchamiać w reakcji na co najmniej zmianę jednego parametru w urządzeniu S, typowo natężenia przepływu i/lub ciśnienia gazu składowego powietrza w przewodzie L G. Na fig. 2 przedstawiono przykład wykonania, w którym urządzenie 3 do oddzielania działa przy ciśnieniu zasilania sprężonym powietrzem w przybliżeniu równym ciśnieniu sprężonego powietrza w sieci LA. W tym wypadku trzy źródła CO1, CO2, CO3 zasilają ten sam przewód T, skąd sprężone powietrze jest rozprowadzane do sieci sprężonego powietrza L A oraz do urządzenia S do oddzielania zasilającego przewód L G. W wypadku wadliwego działania jednego ze źródeł COi, typowo w wypadku wyłączenia jednej sprężarki (CO1 na fig. 4), pozostałe źródła zostaną całkowicie przydzielone do zasilania sprężonym powietrzem przewodu L A, urządzenie V stanowiące zawór zostanie zamknięte, odcinając w ten sposób urządzenie S i rezerwa gazu w zbiorniku R będzie stopniowo zmniejszała się wskutek zasilania gazem składowym powietrza przewodu L G. Urządzenie S do oddzielania i do obróbki jest co najmniej częściowo urządzeniem destylującym typu kriogenicznego i/lub urządzeniem wyposażonym w błonę przepuszczalną i/lub urządzeniem adsorpcyjnym o zmiennym ciśnieniu dostarczającym azot i/lub powietrze wzbogacone w tlen i/lub czysty tlen i/lub odwodniony oraz, w razie potrzeby, odwęglone suche powietrze, oraz jest w stanie pracować, na żądanie albo automatycznie, w zależności od zapotrzebowania na gaz, w co najmniej jednym trybie o zmniejszonych parametrach, co umożliwia zmniejszenie jego zapotrzebowania na sprężone powietrze. W wypadku kiedy źródła sprężonego powietrza COi są niezależnymi sprężarkami, są one na ogół wyposażone w zespoły m do sterowania i/lub automatycznego regulowania (bieg
6 190 051 jałowy, wyłączanie, regulowanie natężenia przepływu, itp.) dzięki czemu mogą się przystosować do chwilowego zapotrzebowania przewodu powietrznego LA i/lub urządzenia S, co umożliwia optymalizację zużycia energii. Ponadto połączenie według wynalazku umożliwia uzyskanie niższego poziomu eksploatacyjnego w produkcji gazu składowego powietrza przy oszczędniejszym zużyciu energii, ponieważ istniejący nadmiar powietrza do oddzielenia można częściowo skierować z powrotem do sieci sprężonego powietrza, zmniejszając odpowiednio zużycie energii przez sprężarki, które normalnie są przydzielone do danej sieci sprężonego powietrza. Korzystnie, w tym celu, układ będzie w stanie sterować źródłami sprężonego powietrza, które mogą zmieniać istniejące natężenia przepływu powietrza w funkcji ciśnienia i/lub natężenia przepływu potrzebne w jednym lub innym przewodzie, na przykład przestawiając na bieg jałowy lub wyłączając niektóre sprężarki, albo zmniejszając ich natężenia przepływu. Przykładowo, w wypadku urządzenia S typu kriogenicznego urządzenia destylacyjnego do dostarczania azotu, kombinowana instalacja według fig. 1, ze sprężarką zdolną do przejęcia funkcji jednej ze sprężarek z pary w razie awarii jednej z nich, umożliwia zmniejszenie nakładów inwestycyjnych i zainstalowanej mocy do wytwarzania sprężonego powietrza o blisko 25% oraz optymalizację energii rozporządzalnej podczas faz wytwarzania azotu przy zmniejszonym poziomie eksploatacji. Oczywiście, zamiast dwóch źródeł w układzie równoległym, można stosować jedno źródło powietrza, na przykład sprężarkę o zmiennej prędkości obrotowej, z co najmniej jednym zbiornikiem magazynowym sprężonego powietrza, który może równocześnie zasilać, o ile jest to stosowne przy częściowym zmniejszeniu ciśnienia, obie sieci albo tylko jedną z nich przy wymaganym ciśnieniu. Podobnie, zwłaszcza w wypadku stosunkowo bliskich siebie natężeń przepływów w dwóch sieciach, można zainstalować, według fig. 2, zespół sprężarek nadmiarowych, którego maksymalne ciśnienie robocze jest wyższe od ciśnienia potrzebnego w samej sieci sprężonego powietrza, oraz zespół zaworów umożliwiających kierowanie powietrza wytworzonego w różnych sprężarkach do jednej lub drugiej sieci, co umożliwia zmniejszenie kosztów energii oraz znaczną optymalizację konserwacji urządzeń. Ponadto, pomimo, że generalną zasadą jest zasilanie przez przewody LA i L G miejsc częściowo wspólnych, mogą one również zasilać, co najmniej częściowo, jedną lub więcej instalacji w danym miejscu, na przykład urządzenia palnikowe lub do spalania, instalacje do oczyszczania odpadów, zwłaszcza wyposażone w ozonizatory zasilane powietrzem i/lub tlenem, a ogólnie, dowolną instalację, w której stosuje się co najmniej jeden gaz składowy powietrza i co najmniej jedno urządzenie lub przyrząd zasilany sprężonym powietrzem, tam gdzie to jest potrzebne, odwodnionym, poprzez przepuszczanie go przez układ typu suszarki, w którym stosuje się błonę i/lub adsorpcję.
190 051 7 FIG. 3 FIG. 4
8 190 051 FIG. 1 FIG. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.