CN102434544A

CN102434544A - 尿素溶液高压能量回收系统

Info

Publication number: CN102434544A
Application number: CN2011103644929A
Authority: CN
Inventors: 季裕成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: CN102434544B

Abstract

尿素溶液高压能量回收系统，其特征在于：包括有活塞式交换器，活塞式交换器具有四个端口，分别为高压液入口、高压液出口、液压油出口、液压油入口，液压马达的两个端口分别与液压油出口、液压油箱的一个端口相连接，液压油箱的另一个端口与液压油入口相连接；液压马达还依次串联有液力偶合器、高压甲氨泵、离合器、变频电机。活塞式交换器包括有5对活塞缸及换向系统。该能量回收系统结构简单，能有效将尿素生产过程中产生的高压能转化为动能，代替电能驱动高压甲胺泵的正常工作，节约了电力的使用，降低生产成本。

Description

尿素溶液高压能量回收系统

技术领域

本发明涉及一种高压能量回收系统，特别涉及一种尿素溶液高压能量回收系统。

背景技术

“能量回收”是指将已经使用过的能量通过特定的装置转变成可继续使用的能量的过程。

石化行业的许多生产工艺流程中具有大量的含有余压的流体，对于这些高压介质，目前很大一部分是通过减压阀将其先减压到所需的低压值，将能量释放后或重新进入工艺流程，或直接排空。在减压和排放的过程中，大量的余压能转化为热能散失在环境中，造成成百上千千瓦的潜在能量被白白浪费，对于本来就是高能耗的石油、化工行业，非常可惜。

在能源日益紧张的今天，能量回收对于提高现有能源利用率、减少碳排放，对于我国建设资源节约型、环境友好型社会，对于社会可持续发展等具有重要的意义。能量回收在各行业具有很好的应用前景，正在成为世界各国重点研究的热点课题。

对于高压余能液体，目前最常见的能量回收方法有两类，即：流体非直接接触式和流体直接接触式。前者的能量转换过程是：压力能-机械能(轴功)-压力能；常见的典型装置有逆转泵型、佩尔顿型叶轮以及液力透平等三种。

后者的能量转换过程是：压力能-压力能；常见的典型装置有活塞式交换器、旋转式压力交换器两种。

对于化肥生产，由于介质大多处于小流量、高压力的状况，如果也用液力透平机组来进行能量回收的话，由于比转速很低，机械损失往往相当大，回收效率一般很难超过45％；而且目前国内的液力透平系统被国外几个大品牌一统天下，价格很高，回收意义不是特别大。对于这部分余能，目前最好的方法是用直接接触式的方法；而旋转式压力交换器加工难度极大，目前成功运用案例极少；活塞式交换器作为液力透平的补充形式，很适合用来回收中小型化肥厂的高压小流量液体介质中的余能。

发明内容

本发明提供一种尿素溶液高压能量回收系统，目的是解决现有技术问题，提供一种结构简单，能有效将尿素生产过程中产生的高压能转化为动能的能量回收系统。

本发明解决问题采用的技术方案是：

尿素溶液高压能量回收系统，包括有活塞式交换器，活塞式交换器具有四个端口，分别为高压液入口、高压液出口、液压油出口、液压油入口，液压马达的两个端口分别与液压油出口、液压油箱的一个端口相连接，液压油箱的另一个端口与液压油入口相连接；液压马达还依次串联有液力偶合器、高压甲氨泵、离合器、变频电机。

所述活塞式交换器包括有至少一对活塞缸，各对活塞缸并排设置在机架上；每对活塞缸具有两个封闭的工作缸体A缸、B缸，A缸、B缸内分别设有活塞，活塞将A缸、B缸内分别分成左右两个密闭空间；A缸、B缸之间设有的活塞杆分别与两个缸体内的活塞相连接，且分别在A缸和B缸连接活塞杆的一端设有吸入阀和排出阀；每对活塞缸还均与一组换向系统相连接，所述换向系统由主阀、先导阀、拨盘、滑框构成，主阀和先导阀均为液压阀；拨盘设在活塞杆上，且拨盘位于滑框上端的两个触头之间；所述滑框设在先导阀外，先导阀包括有阀体、左右两个阀芯、阀杆，阀体两端密闭，阀杆将两个阀芯连接在一起，且阀杆两端延伸至阀体外；阀杆两端分别与滑框的两侧壁连接在一起，同时在阀杆两端分别外套设有弹簧，弹簧的两端分别与相应的滑框侧壁和阀体端头连接在一起；两个阀芯将阀体内部分成三个密闭空间；阀体上端设有两个端口C、D，下端设有三个端口E、F、G，端口E、G为高压控制液的出口，端口F为高压控制液的进口；当左阀芯位于端口C、E之间时，右阀芯处于端口D、F之间，端口C、F相连通，端口D、G相连通；当左阀芯位于端口C、F之间时，右阀芯处于端口D、G之间，端口C、E相连通，端口D、F相连通；

主阀包括有阀体、四片阀芯，阀杆将四片阀芯a、b、c、d从左至右依次连接在一起，该四片阀芯将阀体内部分成五个密闭空间；阀体上端设有两个端口A、B，下端设有两个端口P、O，端口P为高压液进口，端口O为低压液出口；在阀芯a与阀芯b之间的阀杆部分上从其上端面开设有一个向阀杆内部延伸的孔，在阀芯c与阀芯d之间的阀杆部分上从其下端面开设有一个相阀杆内部延伸的孔，该两个孔分别与阀杆内部设有的孔相连通，使三个孔相互贯通；当端口A位于阀芯a、b之间时，端口B、P位于阀芯b、c之间，端口O位于阀芯c、d之间，端口A与端口O通过阀杆上的三个贯通孔相连通，端口B、P相连通；当端口A、P位于阀芯a、b之间时，端口B、O位于阀芯b、c之间，端口A、P相连通，端口B、O相连通；先导阀的端口C通过管路与主阀的左端空间相连通，端口D通过管路与主阀的右端空间相连通，主阀的端口A和B缸的右端空间通过管路相连通，端口B通过管路和A缸的左端空间通过管路相连通。

所述吸入阀位于A缸和B缸的上端面，排出阀位于A缸和B缸的下端面。

所述交换器具有5对活塞缸，每对活塞缸均连接有一组换向系统。

本发明的有益效果：

(1)该高压能量回收系统配置简单明确，效率相对较高，能满足无外供电源运行。

(2)系统调控简单，运转稳定，运用的成熟技术多，可靠性高。

(3)与工艺介质接触部件仅2个，即活塞式交换器和高压甲氨泵，其余为纯液压、机械及电控部件，受介质及恶劣环境的影响小，腐蚀磨损少，寿命长。

(4)本高压能量回收系统中的活塞式交换器将液压泵与液压马达耦合在一起，使机器的零件数、重量、体积等都大为减少，整机的单位功率重量、单位功率体积都具有相当的优越性，能量的传递与交换能轻松的完成。

(5)整个高压能量回收系统中能量传动路线短，液流阻力损失小，水力效率高。液流在缸筒内泄漏小，容积效率高；高压液通过活塞直接将压力能传递给活塞另一边的液压油，不同于传统的由电动机，经过联轴器、减速器、曲柄连杆推动柱塞做功的方式，机械效率高。

(6)由于轴向力在活塞两边基本平衡，活塞杆上的受力与通过缸体传递到基础上的力很小，对机器的底座及基础影响小，所以动力性能优良。

(7)可以实现运转全程无级调速，正常操作、过载以及故障条件下停机方便。

附图说明

图1是本系统的结构示意图；

图2是活塞式交换器的俯视图；

图3是活塞缸和换向系统的结构示意图；

图4是活塞式交换器的运行状态一；

图5是活塞式交换器的运行状态二；

图6是活塞式交换器的运行状态三。

图中：1’.活塞式交换器、2’.高压液入口、3’.高压液出口、4’.液压油出口、5’.液压油入口、6’.液压马达、7’.液压油箱、8’.液力偶合器、9’.高压甲氨泵、10’.离合器、11’.变频电机；

1.A缸、2.B缸、3.A缸活塞、4.A缸活塞、5.A缸左空间、6.A缸右空间、7.B缸左空间、8.B缸右空间、9.活塞杆、10.吸入阀、11.排出阀、12.拨盘、13.滑框、14.触头；

60.先导阀、15.阀体、16.左阀芯、17.右阀芯、18.阀杆、19.弹簧、20、端口C、21.端口D、22.端口E、23.端口F、24.端口G、34.左空间、35、中空间、36、右空间；

50、主阀、25.阀体、26.阀芯a、27.端口A、28.端口B、29.端口P、30.端口O、31.上端孔、32.下端孔、33.孔、37.左空间、38.中一空间、39.中二空间、40.中三空间、41.右空间、42、阀芯b、43.阀芯c、44.阀芯d、45.阀杆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1中所示的尿素溶液高压能量回收系统，包括有活塞式交换器1’，活塞式交换器1’具有四个端口，分别为高压液入口2’、高压液出口3’、液压油出口4’、液压油入口5’，液压马达6’的两个端口分别与液压油出口4’、液压油箱7’的一个端口相连接，液压油箱7’的另一个端口与液压油入口5’相连接。液压马达6’还依次串联有液力偶合器8’、高压甲氨泵9’、离合器10’、变频电机11’。

所述活塞式交换器1’如图2、图3中所示，包括有5对活塞缸，这5对活塞缸并排设置在机架上。每对活塞缸具有两个封闭的工作缸体A缸1、B缸2，A缸1内设有活塞3，B缸2内设有活塞4，活塞3将A缸1内分别分成两个密闭空间5、6，活塞4将B缸2内分别分成两个密闭空间7、8。A缸1、B缸2之间设有的活塞杆9分别与两个缸体内的活塞3、4相连接，分别在A缸1和B缸2连接活塞杆9的一端设有吸入阀10和排出阀11。本实施例中的吸入阀10、10位于A缸1和B缸2的上端面，排出阀11、11位于A缸1和B缸2的下端面。

每对活塞缸还均与一组换向系统相连接，所述换向系统由主阀50、先导阀60、拨盘12、滑框13构成，主阀50和先导阀60均为液压阀。拨盘12设在活塞杆9上，且拨盘12位于滑框13上端的左右两个触头14、14之间。所述滑框13设在先导阀60外，先导阀60包括有阀体15、两个阀芯16、17、阀杆18，阀体15两端密闭，阀杆18将两个阀芯16、17连接在一起，且阀杆18两端延伸至阀体15外。阀杆18两端分别与滑框13的两侧壁连接在一起，同时在阀杆18两端分别外套设有弹簧19，弹簧19的两端分别与相应的滑框13侧壁和阀体15端头连接在一起。两个阀芯16、17将阀体15内部分成左、中、右三个密闭空间34、35、36。阀体15上端设有两个端口C20、D21，下端设有三个端口E22、F23、G24，端口E22、G24为高压控制液的出口，端口F23为高压控制液的进口。当阀芯16位于端口C20、E22之间时，阀芯17处于端口D21、F23之间，端口C20、F23相连通，端口D21、G24相连通。当阀芯16位于端口C20、F23之间时，阀芯17处于端口D21、G24之间，端口C20、E22相连通，端口D21、F23相连通。

主阀50包括有阀体25、四片阀芯，阀杆45将四片阀芯a26、b42、c43、d44从左至右依次连接在一起，该四片阀芯将阀体25内部分成五个密闭空间37、38、39、40、41。阀体25上端设有两个端口A27、B28，下端设有两个端口P29、O30，端口P29为高压液进口，端口O30为低压液出口。在阀芯a26与阀芯b42之间的阀杆部分上从其上端面开设有一个向阀杆45内部延伸的孔31，在阀芯c43与阀芯d44之间的阀杆部分上从其下端面开设有一个相阀杆内部延伸的孔32，该两个孔31、32分别与阀杆内部设有的孔33相连通，使三个孔相互贯通。本实施例中的孔31、32均是沿垂直于阀杆45轴线方向开设的，孔33是沿阀芯26轴线方向开设的，实际上孔31、32、33开设的方向不局限于本实施例中所提到的，也可以沿一定的倾斜角度开设，只要孔31、32、33相互贯通即可。当端口A27位于阀芯a26、b42之间时，端口B28、P29位于阀芯b42、c43之间，端口O30位于阀芯c43、d44之间，端口A27与端口O30通过阀杆45上的三个贯通孔31、33、32相连通，端口B28、P29相连通。当端口A27、P29位于阀芯a26、b42之间时，端口B28、O30位于阀芯b42、c43之间，端口A27、P29相连通，端口B28、O30相连通。

其中主阀50的端口A27和B缸2的右空间8通过管路相连通，端口B28通过管路和A缸1的左空间5通过管路相连通。先导阀60的端口C20通过管路与主阀50的左空间37相连通，端口D21通过管路与主阀50的右空间41相连通。

该系统使用时，活塞式交换器1’与甲胺泵9’耦合，正在工作的变频电机11’在保证甲氨泵运行参数相对稳定的条件下，逐步降低变频电机的转速直至停机。生产过程中产生的高压液通过活塞式交换器的高压液入口2’进入到活塞式交换器1’内，高压液通过活塞式交换器1’转换变成低压液，从高压液出口3’排出，进入到生产环节中继续进行生产。液压油箱7’中的低压液压油从活塞式交换器1’的液压油入口5’进入到活塞式交换器1’内，通过能量交换变成高压液压油，并从液压油出口4’进入到液压马达6’内，将高压液压油的高压能转换成动能，带动高压甲胺泵9’正常运行，从而减少了电力的使用，节约了电能。高压液压油将高压能转换成动能后又变回低压液压油，并再次通过活塞式交换器1’进行能量交换，直至高压能不能再支持高压甲胺泵9’的正常运转，此时，在PLC系统的控制下变频电机11’启动。

本活塞式交换器用于化肥生产中高压能量的回收，下面以对尿素生产中产生的高压甲胺液进行高压能回收为例，详细说明该活塞式交换器的工作过程：其中缸A1内空间5和缸B2空间8内进入的是甲胺液，空间6和空间7内进入的是液压油，低压液压油从吸附阀10进入，形成高压液压油后排出阀11排出。高压控制液从先导阀60的端口F23进入到先导阀阀体15内，并通过端口E22、G24排出。高压甲胺液通过主阀端口P29进入到主阀内，并在变成低压甲胺液后通过端口O30排出。缸A1、缸B2内液体压力的变化是通过各个空间体积变化实现的，当空间体积变大时，该空间的液体压力下降，反之，液体压力则上升。

高压液和低压液压油在活塞式交换器中具体的能量交换过程为：当拨盘12与右端触头14接触时，如图4中所示，此时主阀50的端口A27位于阀芯a26、b42之间时，端口B28、P29位于阀芯b42、c43之间，端口O30位于阀芯c43、d44之间，端口A27与端口O30通过阀杆45上的三个贯通孔31、33、32相连通，端口B28、P29相连通。高压甲胺液通过端口P29进入到空间39内，并通过端口B28顺管路进入到A缸1的空间5内，B缸B2右端内的低压甲胺液通过端口A27、孔31、33、32及端口O30排出。而与滑框13相连接的左端弹簧19被压缩，右端弹簧19被拉伸，先导阀60内的左阀芯16位于端口C20、F23之间时，右阀芯17位于端口D21、G24之间，端口C20、E22相连通，端口D21、F23相连通。高压控制液通过端口F23、端口D21、管路进入到主阀右端空间41内，主阀左端空间37内的高压控制液通过管路、端口C20进入到先导阀的右端空间34内，并从端口E22中排出。

由于左右弹簧19、19本身具有回复力，在该位置时回复力大于活塞杆9向右侧的推力，因此滑框13在弹簧回复力的作用下开始推动拨盘12向左即缸A1方向进行运动，从而带动活塞杆9相A缸1方向运动，此时A缸1变成回程，B缸2变成推程。而先导阀的阀杆18也随着弹簧19的作用力向左移动，阀芯16、17随之向左移动，如图5中所示。当阀芯16、17的移动过程中，端口C20与端口F23、端口D21与端口G23逐渐相互连通。高压控制液通过端口F23、端口C20进入到主阀左端空间37内，推动阀体45向主阀阀体25右端移动，阀杆45的移动带动四个阀芯a26、b42、c43、d44向右移动，并将主阀阀体25右端空间41内的高压控制液通过先导阀端口D21、端口G24排出。在此过程中，主阀60上的端口A27与端口P29、端口B28与端口O30逐渐连通，高压甲胺液通过端口P29、端口A27进入到B缸2的右端空间8内，推动活塞杆9向左移动。

先导阀阀芯16最终移动至端口C20、E22之间时，阀芯17移动至端口F23、D21之间，使端口C20与端口F23完全相连通。当主阀阀芯的移动直至端口A27、P29位于阀芯a26、b42之间，端口B28、O30位于阀芯b42、c43之间时，此时端口A27与端口P29、端口B28与端口O30完全连通。此时弹簧已经复位，对活塞杆不具有作用力。而进入到空间8内的高压甲胺液则继续推动活塞杆9相左移动，将A缸空间5内已经变成低压的甲胺液通过主阀端口B28、端口O30压出。同时，拨盘12在活塞杆9的带动下继续左移，并在与滑框13左端触头14接触后继续向右，直至弹簧19的回复力大于活塞杆9的压力，如图6中所示，整个换向系统开始换向，拨盘12向右移动，其过程与上述过程相反。

本实施例中的交换器中具有5对活塞缸，在工作时，各对活塞缸的运动方向均是相同的，而且本实施例中的活塞缸一般至同时运行4对，另外一对作为备用活塞缸。实际上交换器内的活塞缸具有多少对是可以根据实际情况进行设计的，其结构都是相同的，只是活塞缸的对数不同而已。

Claims

1.尿素溶液高压能量回收系统，其特征在于：包括有活塞式交换器，活塞式交换器具有四个端口，分别为高压液入口、高压液出口、液压油出口、液压油入口，液压马达的两个端口分别与液压油出口、液压油箱的一个端口相连接，液压油箱的另一个端口与液压油入口相连接；液压马达还依次串联有液力偶合器、高压甲氨泵、离合器、变频电机。

2.如权利要求1中所述的尿素溶液高压能量回收系统，其特征在于：所述活塞式交换器包括有至少一对活塞缸，各对活塞缸并排设置在机架上；每对活塞缸具有两个封闭的工作缸体A缸、B缸，A缸、B缸内分别设有活塞，活塞将A缸、B缸内分别分成左右两个密闭空间；A缸、B缸之间设有的活塞杆分别与两个缸体内的活塞相连接，且分别在A缸和B缸连接活塞杆的一端设有吸入阀和排出阀；每对活塞缸还均与一组换向系统相连接，所述换向系统由主阀、先导阀、拨盘、滑框构成，主阀和先导阀均为液压阀；拨盘设在活塞杆上，且拨盘位于滑框上端的两个触头之间；所述滑框设在先导阀外，先导阀包括有阀体、左右两个阀芯、阀杆，阀体两端密闭，阀杆将两个阀芯连接在一起，且阀杆两端延伸至阀体外；阀杆两端分别与滑框的两侧壁连接在一起，同时在阀杆两端分别外套设有弹簧，弹簧的两端分别与相应的滑框侧壁和阀体端头连接在一起；两个阀芯将阀体内部分成三个密闭空间；阀体上端设有两个端口C、D，下端设有三个端口E、F、G，端口E、G为高压控制液的出口，端口F为高压控制液的进口；当左阀芯位于端口C、E之间时，右阀芯处于端口D、F之间，端口C、F相连通，端口D、G相连通；当左阀芯位于端口C、F之间时，右阀芯处于端口D、G之间，端口C、E相连通，端口D、F相连通；

3.如权利要求2中所述的尿素溶液高压能量回收系统，其特征在于：所述吸入阀位于A缸和B缸的上端面，排出阀位于A缸和B缸的下端面。

4.如权利要求2或3中所述的尿素溶液高压能量回收系统，其特征在于：所述交换器具有5对活塞缸，每对活塞缸均连接有一组换向系统。