CN102652222B - 在利用压缩机压缩气体时用于回收能量的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于由具有两压缩级或更多压缩级的压缩机压缩气体时进行能量回收的方法，各压缩级由压缩机头（2，3）来实现，从而，在各种情况下，至少两个上述压缩机机头下游设置有热交换器（4，5），所述热交换器具有一次侧和二次侧，冷却剂被顺次引导经过至少两个热交换器（4，5）的所述二次侧；选择冷却剂被引导经过所述热交换器（4，5）的次序以使得：从冷却剂流动方向来看，至少一个随后的热交换器的一次侧入口处的温度高于或等于在前的热交换器一次侧入口处的温度，其中：至少一个热交换器（4和/或17）设置有用于冷却剂的三次侧。

Description

在利用压缩机压缩气体时用于回收能量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于回收能量的方法。
具体而言，本发明涉及一种由具有两压缩级或更多压缩级的压缩机压缩气体时回收能量的方法，每压缩级由压缩机机头来实现。在各种情况下，至少两个上述压缩机机头下游设置有热交换器，热交换器具有一次侧和二次侧，具体而言，来自热交换器上游压缩级的压缩气体被引导经过该热交换器的一次侧，而冷却剂被引导经过二次侧以回收压缩气体的一部分压缩热。
背景技术
众所周知，压缩级入口处的气体温度对压缩机的能耗具有重要影响。
因而需要在相继的压缩级之间冷却气体。
传统地，通过驱使气体经过热交换器的一次侧以在两顺次的压缩级之间冷却气体，从而冷却剂（通常为水）经过二次侧。
因而，被输送的冷却剂总流量被分开并分配到所使用的多个热交换器中。换句话说，冷却剂被并行引导经过热交换器的二次侧。
上述内容表明冷却剂在相同温度下流入不同热交换器中。
当冷却剂经过热交换器时，冷却剂温度升高。当冷却剂离开热交换器时，被加热的冷却剂被再次收集起来。在正常的设计工况下，为了通过有限的冷却区域进行有效冷却，这样加热冷却剂会很受限制。
但是，如果有效利用所储存的热量，需要将冷却剂加热至温度更高，这表明必须对冷却剂流进行节流。
这种节流的缺点是：冷却剂经过热交换器的速度大大减小，从而使得不同热交换器中就会出现钙化现象。
另一个缺点是：限制冷却剂在不同热交换器中的速度不利于在上述热交换器中进行最佳热传递。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种由具有两压缩级或更多压缩级的压缩机压缩气体时回收能量的方法，而提供用于解决上述一个或更多个缺点和/或其他缺点的方案。各压缩级由压缩机机头来实现。由此，在各种情况下，至少两个上述压缩机机头下游设置有热交换器，热交换器具有一次侧和二次侧，具体而言，来自热交换器上游压缩级的压缩气体被引导经过一次侧，而冷却剂被引导经过二次侧以回收压缩气体的一部分压缩热。从而，冷却剂被连续地顺次引导经过至少两个热交换器的二次侧。选择冷却剂被引导经过热交换器的次序以使得：从冷却剂的流动方向来看，至少一个随后的热交换器的一次侧入口处的温度高于或等于在前的热交换器的一次侧入口处的温度，从而至少一个热交换器设置有用于冷却剂的三次侧。
本发明的一个优点是：通过输送冷却剂顺次经过热交换器，而不像公知技术那样将冷却剂分配到不同热交换器中，从而可更好地保持被输送的冷却剂的速度。
本发明的另一个优点是：由于冷却剂在不同热交换器中的速度更高，因而可大大降低钙化风险。
另一优点为：由于冷却剂在热交换器中的流量更高，从而使得压缩气体和冷却剂之间的热传递更充分。
通过根据上述次序将冷却剂输送通过不同热交换器，从而，与现有的能量回收方法相比，冷却剂在已经经过热交换器之后温度会更高。
因而，与现有的能量回收方法相比，可回收更多的能量。
根据本发明的另一优选特征，冷却剂被顺次引导经过压缩机的所有热交换器。
因为冷却剂被输送通过所有热交换器，因而回收的能量最多。
本发明的另一优选特征包括：根据强制标准调整一个或更多个压缩机机头的速度。
优选这样来设定运行参数以使得：压缩机的每一压缩机机头可能达到最高效率。压缩机机头串联时让每一压缩机机头达到最高效率是不容易的。的确，如果单个压缩机机头在非最佳工况或甚至对上述压缩机机头的效率不利的工况下运行时，会影响到压缩机的所有后面的压缩机机头。
因而重要的是要让顺次的压缩机机头相互协调，以使得压缩机作为整体能够达到最高效率。
对于所具有的各压缩级的相对速度能够控制的压缩机（例如直接驱动式多级压缩机）而言，根据本发明的方法，通过响应于冷却剂被引导经过不同热交换器的次序以及顺次的压缩机机头之间的相对转速差，可使压缩机机头相互协调运行。
这样，可根据强制标准来控制一个或更多个压缩机机头的转速。具体而言，优选对一个或更多个压缩机机头的转速进行调节以使得不同压缩机机头以最优方式相互协调运行，从而压缩机作为整体尽可能达到最高效率。
根据本发明的一个具体方面，对各压缩级的转速进行控制以使得由于上述能量回收所造成的每一压缩级的工作范围的变化至少被局部平衡。
例如通过控制相对速度来达到上述目的，从而使得受上述能量回收负面影响最大的压缩级承担更小比例的总载荷，而受上述负面影响最小的压缩级承担更大比例的总载荷。
对于涡轮式压缩机而言，“喘振”或抽吸现象会影响效率，当压缩机机头在超出其工作温度、压力和速度范围的情况下运行时，流经压缩机机头的气体会逆流。类似地，每一螺杆式压缩机机头也具有一定的工作温度、压力和速度范围，超出所述工作温度、压力和速度范围压缩机机头就不能使用。
因而本发明通过响应于冷却次序以及速度控制可在最优的工作范围内使用压缩机机头。
这样，压缩机可在更接近工作范围极值情况下运行，而不需顾及极值范围附近的重要安全范围。
优选地，在本发明的方法中，各压缩级的相对速度的改变与相应入口温度的变化成比例。
另外，优选地，使用管式热交换器，该热交换器具有设置在壳体内的管道，壳体具有用于第一介质的入口和出口、以及用于第二介质的入口和出口，第一介质在管道内流动，第二介质在管道周围流动，从而此情况下冷却剂在管道内流动，气体沿管道流动，但这并不是必须的。
通过引导气体沿热交换器的管道流动，从而使得气体流经热交换器时的压降会受到限制。这当然可对压缩机效率产生有利影响。
附图说明
为了更透彻显示本发明的特征，下面将参照附图并通过实例来描述本发明的优选方法，所述实例并不限制本发明的实质，附图如下：
图1示意性示出了应用本发明的能量回收方法的装置；
图2示出了应用本发明的方法的另一不同装置；
图3示出了图2所示装置的另一变化形式。
具体实施方式
图1示出了用于压缩气体（如空气）的压缩机1，在此情况下该压缩机具有串联连接的两压缩级。各压缩级由涡轮式压缩机机头来实现，即分别由低压压缩机机头2和高压压缩机机头3来实现。
在该具体实例中，第一低压压缩机机头2的出口温度高于第二高压压缩机机头3的出口温度。
在此情况下，在各压缩机机头2和3下游均设置有热交换器，具体而言，第一热交换器4或中间冷却器设置在低压压缩机机头2下游，第二热交换器5或后置冷却器设置在高压压缩机机头3下游。
低压压缩机机头2连接到第一轴6上，该第一轴由装配有马达控制部8的第一马达7驱动。
高压压缩机机头3连接到第二轴9上，该第二轴由第二马达10驱动，第二马达同样也装配有马达控制部11。毫无疑问，本发明并不局限于使用两个马达控制部8和11，马达7和10也可由单个马达控制部或两个以上的马达控制部来驱动。
各个热交换器4和5均包括一次侧和二次侧，来自热交换器上游侧的压缩级的气体被引导通过该热交换器的一次侧，而冷却剂被引导经过二次侧。在此情况中，中间冷却器4还装配有三次侧。从而可两次将冷却剂送入中间冷却器4中。在运用本发明的方法的装置中，所述三次侧也可设置在不同热交换器中。
管道12输送冷却剂并引导冷却剂按照一定次序经过不同热交换器4和5。在此情况下，冷却剂包括水，在不超出本发明范围的前提下，可用其他冷却剂如液体或气体来取代水。
根据附图中未示出的特征，一个或更多个热交换器4和/或5下游可设置水分离器，从而可去除在热交换器第一侧产生的冷凝物。
本发明的方法十分简单，如下所述执行本发明的方法。
通过低压压缩机机头2的入口将气体（在此情况下为空气）吸入，然后在该压缩机机头2中压缩所述气体至到达一定压强。
在将空气送入低压压缩级下游的第二压缩级之前，引导空气经过第一热交换器4（该热交换器为中间冷却器的形式）的一次侧，从而将上述空气冷却。毕竟，重要的是要在两顺次压缩级之间冷却空气，原因在于这样会提高压缩机1的效率。
在空气已经流经上述第一热交换器4之后，所述空气然后被引导经过高压压缩机机头3和后置冷却器5。
在空气已经离开压缩机1之后，压缩空气可使用在下游的应用中，例如用来驱动设备或类似构件，或者首先将该压缩空气引入后处理设备如过滤装置和/或干燥装置中。
冷却剂（例如水）被引导顺次经过中间冷却器4的二次侧和后置冷却器5的二次侧、最后经过中间冷却器4的三次侧。从而水冷却了顺次的压缩级之间的压缩空气。
在现有技术中，水用来冷却两顺次压缩级之间的压缩空气。如果水流经热交换器过程中未被充分加热，此时回收的能量（以热水的形式）最少。
根据本发明的方法的特征在于：冷却剂不仅用来冷却压缩气体，而且也被加热至可有效利用上述热量的程度。在该具体例子中，优选将水加热至大致90°C。
根据本发明，通过引导冷却剂顺次经过串联的热交换器4和5，可充分加热冷却剂。另外，冷却剂流经不同热交换器4和5的次序优选由下述因素来决定：在冷却剂在已经经过不同热交换器4和5之后，冷却剂温度可能达到最高。
如图1所示，在此情况下水首先流经中间冷却器4，然后流经后置冷却器5，接着再次流经中间冷却器4。
在此情况下，中间冷却器4入口处的压缩气体温度显著高于后置冷却器5入口处的空气温度，因而引导水最后流经中间冷却器4。
换句话说，冷却剂被引导经过热交换器的次序优选被这样选择：从冷却剂的流动方向来看，使得至少一个随后的热交换器的一次侧的入口温度高于或等于在前的热交换器的一次侧的入口温度。
根据本发明的非常优选的特征，上述的随后的热交换器由冷却剂经过的最后热交换器构成。在此情况下冷却剂最后经过的热交换器当然也是冷却剂最先经过的热交换器，但是本发明并不是必须进行这样的布置。
压缩级结束时压缩气体的温度与压缩机机头在该压缩级所吸收的能量成比例。根据不同压缩机机头所吸收的能量也能够确定冷却剂被引导经过不同热交换器的顺序。
在本发明的方法中，优选地，引导冷却剂最后经过这样的热交换器，在所述这样的热交换器中，从吸收能量最高的压缩机机头中流出的气体流经该热交换器的一次侧。
在此情况下，低压压缩级压缩机机头2由马达7驱动，该马达驱动所述低压压缩级压缩机机头的能量高于马达10驱动高压压缩级压缩机机头3的能量，因而冷却剂最终会被送入中间冷却器4的三次侧中。
优选这样来设计上述能量回收过程：通过使冷却剂被引导经过不同热交换器的次序与该次序对各压缩级的不同入口温度带来的影响以及对系统总效率伴随带来的影响相互协调，从而使得能量回收对压缩机的总效率影响最小。
与冷却剂最初被输送时的温度相比，冷却剂被引导经过第一热交换器4的三次侧时的温度相当高。因而存在这样的危险：压缩气体在低压压缩级和高压压缩级之间未被充分冷却。这必然会对压缩机效率造成有害的影响，这是因为各压缩级的入口温度必须保持尽可能低才能达到最佳效率。在最坏情况下，这甚至会妨碍压缩机的运行。
可通过使第一热交换器4装配有三次侧来消除上述不良影响。从而最初被输送的冷却剂首先被引导经过中间冷却器4的二次侧，从而可在低压压缩级和高压压缩级之间冷却压缩气体。
上述内容显示在图2和3中，图2和3示出了具有串联连接的三压缩级的压缩机13。各压缩级通过涡轮式压缩机机头来实现，即分别由低压压缩机机头14、第一高压压缩机机头15和第二高压压缩机机头16来实现。
在此情况下，每一压缩机机头下游均设置有热交换器，具体而言，第一热交换器17或中间冷却器设置在低压压缩机机头14下游，第二热交换器18或中间冷却器设置在第一高压压缩机机头15下游，第三热交换器19或后置冷却器设置在第二高压压缩机机头16下游。
第一和第二高压压缩机机头15和16具有共同的轴20，该轴由带有马达控制部22的第一马达21驱动。低压压缩机机头14进而连接到第二轴23上，该第二轴由第二马达24驱动，第二马达也装配有马达控制部25。
由同一轴20来驱动两高压压缩机机头15和16，因而它们的相对速度总是相等的。
在此情况下，上述马达21和24输送相同能量。这表明低压压缩机机头吸收的能量多于其他两压缩机机头15、16。
在压缩机中，某压缩级所吸收的能量几乎完全被转变成热量，因而，与其他两热交换器18、19相比，第一中间冷却器17必须两次降低所述热量。这也表明低压级出口处的压缩气体温度比其他两压缩级结束时的压缩气体温度要高得多。如图2和3所示，冷却剂通过管道26被输送。上述冷却剂最后被输送到第一中间冷却器17中，这主要有两个原因。第一个原因是：第一中间冷却器17的第一侧处的压缩气体温度最高，这样使得冷却剂可达到最高的出口温度。
第二个原因是：第一中间冷却器17的致冷能力最强，从而，对于给定的冷却剂来说，例如90°C的出口温度会对其他两热交换器18、19的性能产生有限的影响。
优选地，冷却剂经过热交换器的次序还由下述因素来决定：在两顺次的热交换器之间，冷却剂首先流入这样的热交换器中：在这样的热交换器中，从吸收能量最低的压缩机机头流出的气体流经所述这样的热交换器的一次侧。
如图2和3所示，在此情况下两高压压缩机机头吸收相同能量。在此情况下，冷却剂首先流经第二中间冷却器18，然后流经后置冷却器19。
为了在低压压缩级和第一高压压缩级之间充分冷却压缩气体（如图2所示），最初被输送的冷却剂首先被输送到第一中间冷却器17中，然后流经第二中间冷却器18、后置冷却器19和第一中间冷却器17。
图3给出了上述实施例的变化形式，其中，第二冷却剂通过管道27被输送。通过将第二冷却剂输送到第一中间冷却器17的二次侧中，在低压压缩级和第一高压压缩级之间可使用上述第二冷却剂来充分冷却压缩气体。
水（具体而言为冷却剂）也能用来冷却分别带有相应马达控制部8、11、22和/或25的一个或更多个马达7、10、21和/或24。优选地，在将冷却剂输送到不同热交换器之前，冷却剂首先被用来冷却所述马达。
优选地，使用管式热交换器，从而被压缩空气沿热交换器的不同管道流动。这样会限制空气经过热交换器的压降。
第二压缩级和第三压缩级的压缩机机头15和16由同一驱动件驱动，此情况下该驱动件的形式为马达21的轴20，该马达的速度可独立于用于第一压缩级的压缩机机头14的驱动部而被控制。
本发明并不限制于实例阐述和附图所示的方法，但是在不脱离本发明范围的前提下可通过各种方式来实现所述方法。

Claims (18)

1.用于由具有两压缩级或更多压缩级的压缩机(1)压缩气体时进行能量回收的方法，各压缩级由压缩机机头(2，3)来实现，从而，在各种情况下，至少两个上述压缩机机头下游设置有热交换器(4，5)，所述热交换器具有一次侧和二次侧，具体而言，来自相应热交换器上游的压缩级的压缩气体被引导经过该热交换器的一次侧，而冷却剂被引导经过二次侧以回收所述压缩气体的一部分压缩热；冷却剂被顺次引导经过至少两个热交换器(4，5)的所述二次侧；选择冷却剂被引导经过所述热交换器(4，5)的次序以使得：从冷却剂流动方向来看，至少一个随后的热交换器的一次侧入口处的温度高于或等于在前的热交换器的一次侧入口处的温度，其特征在于：至少一个热交换器(4和/或17)设置有用于冷却剂的三次侧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述随后的热交换器由冷却剂被引导经过的最后热交换器构成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：能量回收以如下方式实现：通过使冷却剂被引导经过不同热交换器(4，5)的顺序与该顺序对各压缩级的不同入口温度带来的影响以及对系统总效率伴随带来的影响相互协调，从而使得能量回收对压缩机(1)的总效率影响最小。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选择冷却剂被引导经过不同热交换器(4，5)的次序，从而在所述次序中在两顺次热交换器(4，5)之间，冷却剂首先流经这样的热交换器：即，在该热交换器中，来自吸收能量最低的压缩机机头的气体流经该热交换器的一次侧。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：冷却剂最后被引导经过这样的热交换器(4)：即，在该热交换器中，来自能量吸收最高的压缩机机头(2)的气体流过该热交换器的一次侧。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：冷却剂被引导而顺次经过压缩机(1)的所有热交换器(4，5)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过三压缩级来压缩气体，即分别通过低压压缩级、第一高压压缩级和第二高压压缩级来压缩气体，上述各压缩级之后分别连接有第一热交换器(17)、第二热交换器(18)和第三热交换器(19)，从而使得冷却剂首先流经第二热交换器(18)，然后流经第三热交换器(19)，最后流经第一热交换器(17)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：冷却剂首先流经带有所述三次侧的热交换器的二次侧，然后流经其他热交换器，最后流经带有所述三次侧的热交换器的三次侧。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过三压缩级来压缩气体，即分别通过低压压缩级、第一高压压缩级和第二高压压缩级来压缩气体，上述各压缩级之后分别连接有第一热交换器(17)、第二热交换器(18)和第三热交换器(19)，从而引导冷却剂顺次经过第一热交换器(17)、第二热交换器(18)和第三热交换器(19)，最后又流回到第一热交换器(17)中。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将冷却剂输送到不同热交换器之前，冷却剂被用来冷却压缩机机头的一个或更多个马达(7，10，21和/或24)和/或各马达的马达控制部(8，11，22和/或25)。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第二冷却剂流经上述三次侧。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：第二冷却剂也被用来冷却压缩机机头的一个或更多个马达(21，24)和/或各马达的马达控制部(22，25)。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据强制标准来控制一个或更多个压缩机机头(2，3，14，15和/或16)的转速。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：对各压缩级的转速进行控制以通过上述热交换器中的至少两个来至少局部平衡每个压缩级工作范围的变化。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于：各压缩级的相对转速的变化与各压缩级的入口温度的变化成比例。
16.根据权利要求7或9所述的方法，其特征在于：第一高压压缩级和第二高压压缩级的压缩机机头(15，16)由同一驱动件驱动，该驱动件的转速独立于用于低压压缩级的压缩机机头(14)的驱动件而被单独控制。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用管式热交换器，这种管式热交换器的壳体内设置有管道，壳体具有用于第一介质的入口和出口以及用于第二介质的入口和出口，第一介质在管道内流动，第二介质在管道周围流动，从而在此情况下冷却剂在管道内流动，气体沿管道周围流动。
18.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第二冷却剂流经上述三次侧，带有所述三次侧的热交换器由第一热交换器构成。
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