CN104100494B - 一种具有自预冷功能的压缩空气方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自预冷功能的压缩空气方法和系统。该方法通过多级压缩、级间冷却的方式压缩空气，使用冷却介质回收级间压缩热量及量，将回收的热量作为热源，使用吸收式制冷的方法产生冷量，并且利用这部分冷量对各级级前的待压缩空气进行预冷。该发明的系统主要由压缩机组气路子系统、压缩机组水路子系统和吸收式制冷机子系统三部分组成。该发明特别适用于夏季或者高温环境。采用该发明进行空气压缩，可以保证压缩空气的产气量，降低压缩空气的含湿量，提高各级压缩机的压比，明显降低各级压缩过程中的耗功。此外，该发明还充分利用了各级级间压缩热量及其量，进一步提高了系统的能量利用率。

Description

一种具有自预冷功能的压缩空气方法和系统

技术领域

本发明涉及一种压缩空气的方法和系统，尤其涉及一种不需要提供额外能量的条件下，可以降低其各级压缩机的进气温度和耗功的压缩空气的方法和系统。

背景技术

空气压缩机的作用是通过将空气压缩而使其带有一定压力的设备，广泛应用于工农业、交通运输、国防、日常生活等各个领域。空气压缩机的结构形式很多，其中很重要的一种是活塞式压缩机组。目前，活塞式压缩机组通常由若干级压缩机和级间的冷却器组成。各级压缩机的作用是将吸入气缸的空气进行压缩，级间冷却器的作用是通过冷却介质使空气温度降低，为进入下一级压缩机进行压缩做准备。这种方法被称之为“多级压缩、级间冷却”。

环境温度对空气压缩机组的正常运行具有很大的影响。在夏天，吸入空气压缩机组的空气温度常常在30-40℃，而在冬天，吸入空气压缩机组的温度只有0℃左右。进气温度过高将会对空气压缩机组产生不利的影响。首先，在较高温度下，空气的密度变小，比体积变大，导致气缸吸入的实际空气量变小，设备的产气量下降，从而不能满足后续设备的需要。其次，夏天不但温度较高，而且湿度较大。空气在较高温度下，其含湿量明显上升。在压缩过程中，很容易使气体饱和，导致水分从空气中析出。空气中含水对设备是十分不利的，容易影响设备的正常运行，并导致设备损坏。再次，吸入的空气温度过高，将导致压缩后排出气体温度过高。但是，活塞式压缩机的气缸是 不能承受过高的温度的，过高的温度将会导致润滑油变质。所以，为了保护设备，不得不降低每级的压比，从而导致排出气体的压力不足。更为重要的是，吸入空气温度较高会导致消耗更多的功，使得系统的效率明显下降。实验结果显示，同一台空气压缩机组在夏天的效率比冬天的效率往往低10％以上。

目前普遍采用的空气压缩机组的另一个明显问题是级间热量的浪费。压缩空气在进行级间换热之前一般具有100℃以上的温度，这些热量含有较多的热量。但是目前采用的级间冷却技术，通常使用水作为冷却工质。为了使压缩空气获得较好的冷却效果，冷却水量通常很大，从而导致换热温差很大，这就造成了这部分热量的损失，造成大量的能量浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种在不需要提供额外能量的条件下，可以对空气压缩机组级前空气预先进行冷却的压缩空气的方法和系统。与传统的空气压缩机组相比，本发明不但可以有效回收、利用级间热量，而且可以对各级级前的空气进行冷却，从而有效解决吸入空气温度过高带来的种种问题。更为重要的是，新的空气压缩机组不仅不需要提供额外的能量，而且由于吸入空气温度降低，可以有效降低空气压缩机组的耗功。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

根据本发明的一方面，本发明提供了一种具有自预冷功能的压缩空气方法，所述压缩空气方法在不需要提供额外能量的条件下，可以降低多级空气压缩机组各级压缩机的进气温度，该方法包括以下步骤：

SS1，在所述多级空气压缩机组的各级压缩机的排气管道上设置冷却器，空气进入所述多级空气压缩机组的第一级空气压缩机后，通过多级压缩、级间冷却的方式，逐步达到目标压力，各所述冷却器的气路部分通入各级空气压 缩机排出的压缩气体，冷却器的液路部分通入冷却介质，使用冷却介质回收压缩气体中的压缩热量及量；

SS2，加热后的冷却介质经各所述冷却器排出后汇流进入吸收式制冷设备的热源换热器，为所述吸收式制冷设备提供热量；

SS3，将所述热源换热器回收的热量作为所述吸收式制冷设备的热源，使用吸收式制冷的方法产生冷量，并且利用这部分冷量对进入各级空气压缩机级前的待压缩空气进行预冷，各级空气压缩机级前的待压缩空气经所述吸收式制冷设备的预冷器预冷后进入下一级空气压缩机。

进一步的，所述空气压缩机为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式压缩机中的一种或几种的组合；所述冷却器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、板圈式、管翅式、热管式冷却器中的一种或几种的组合。

进一步的，压缩空气经过各所述冷却器级间冷却后应达到或者略高于环境温度。

进一步的，压缩空气经过所述预冷器预冷后，温度低于环境温度。

进一步的，为了达到更好的效果，各级空气压缩机级前可以对压缩空气进行除水处理，各级空气压缩机级后可以对压缩空气进行油气分离处理。

进一步的，所述冷却介质可以是为水、导热油、熔融盐或离子液体，或也可以所述冷却介质为空气、二氧化碳、氮气、氧气、氩气中的一种或几种的组合。

进一步的，所述冷却介质对压缩空气进行级间冷却后，自身温度提高等于或者接近压缩空气级间冷却之前的温度。

进一步的，所述冷却介质循环使用，在下一次冷却级间压缩空气之前，冷却介质的温度应降低到环境温度，经过所述吸收式制冷设备后多余的热量 排向环境。

进一步的，所述吸收式制冷设备在向各级前压缩空气提供冷量时，分别使用不同压力等级的冷却器，各冷却器单独为对应压力等级的空气进行预冷。

根据本发明的另一方面，该发明还提供了一种具有自预冷功能的空气压缩系统，包括压缩机组气路子系统和压缩机组液路子系统，其特征在于，

--所述空气压缩系统还包括吸收式制冷机子系统，所述吸收式制冷机子系统包括一热源换热器和若干不同压力等级的预冷器；

--所述压缩机组气路子系统包括通过气体管路依次连接的多级空气压缩机，相邻两空气压缩机之间的气体管路上均设置有级间冷却器，最后一级空气压缩机的出气管路上也设置有级间冷却器，各级空气压缩机的进气管路均与所述吸收式制冷机子系统中一对应压力等级的预冷器连通；

--所述压缩机组液路子系统包括各所述级间冷却器的液路部分，各级间冷却器的液路部分排出的加热后的冷却介质汇流后进入所述吸收式制冷机子系统中的热源换热器。

优选地，所述压缩机气路子系统，根据压力等级划分为若干串联的空气压缩级，每一空气压缩级包括对应该压力等级的空气压缩机和级间冷却器的气路部分，其中，第一空气压缩级的吸气管道与吸收式制冷机子系统对应该压力等级的第一级预冷器的进口相连，第一级预冷器出口与第一级压缩机进口相连，第一级压缩机出口与第一级级间冷却器气路进口相连，第一级级间冷却器气路出口与吸收式制冷机子系统的第二级预冷器进口相连，由此完成第一空气压缩级内部各设备的连接，中间各空气压缩级的内部设备均按照第一空气压缩级内部设备的连接方式连接；在最后一级空气压缩级，级间冷却器气路出口连接储气装置或者用气设备。优选地，为了保证压缩空气的干燥，每一 空气压缩级中均设置除湿设备，所述除湿设备的进口与该级吸收式制冷机子系统的预冷器的出口相连，所述除湿设备的出口与该级空气压缩机的进口相连。优选地，各级空气压缩机的排气管线上均设置有油气分离器。所述压缩机气路子系统，其主要作用是对需压缩的空气进行预冷和对预冷后的空气进行压缩。

优选地，所述压缩机组液路子系统还包括循环泵、补液装置和液路冷却器，其中，吸收式制冷机子系统热源换热器的出口与液路冷却器的进口相连，液路冷却器的出口与循环泵的进口相连，循环泵的出口管道分为若干支路，分别与各级间冷却器的液路进口相连，各级间冷却器液路为并联关系，汇流至一干路，并与吸收式制冷机子系统的热源换热器进口相连，由此形成一完整的回路；补液装置通过旁路连入循环泵之前。所述压缩机组液路子系统的主要作用是有效冷却压缩后的空气、高效吸收级间热量及所含和为吸收式制冷机提供热源。液路冷却器的作用是对通过吸收式制冷机热源换热器的冷却介质进行进一步的冷却，使其温度满足对压缩空气级间冷却的需要。

进一步的，所述空气压缩机为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式压缩机中的一种或几种的组合；各级间冷却器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、板圈式、管翅式、热管式换热器中的一种或几种的组合。

进一步的，所述冷却介质为水、导热油、熔融盐或离子液体，或所述冷却介质为空气、二氧化碳、氮气、氧气、氩气中的一种或几种的组合。

优选的，所述除湿设备为分子筛干燥机。

优选的，吸收式制冷机子系统使用水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。

空气压缩机的作用是对进入该级空气压缩机气缸的空气进行压缩，提高其压力。

所述级间冷却器的作用是对各级空气压缩机排出的压缩空气进行冷却，并且利用压缩空气释放的热量来加热冷却介质。通过使用高效的换热器并且合理控制冷却水的流量，可以有效提高冷却水温度和保存级间热量所含的热量。

吸收式制冷机子系统的作用是利用升温后的冷却介质作为热源，通过吸收式制冷的原理，对各级进入压缩机之前的空气进行预先冷却，使其温度得到进一步降低。吸收式制冷机子系统的特点在于：具备若干压力等级的预冷器，各级预冷器耐压能力与该级气体压力相匹配。

循环泵的作用是为压缩机组液路子系统提供动力。

补液装置的作用是为压缩机组液路子系统提供必要的补液，并且为压缩机组液路子系统定压。

吸收式制冷机子系统的特点在于对各级气路均提供单独的预冷器，其内部结构即为常用的吸收式制冷机，属公知技术，此处不再赘述。

在该具有自预冷功能的压缩空气系统的稳定工作过程中，压缩机组气路子系统的工作流程为：由外界吸入的空气首先进入吸收式制冷机第一级预冷器，与其中的冷却工质进行热量交换，温度降低到环境温度以下；而后进入到第一级压缩机气缸中，通过压缩机的压缩，气体的压力上升，温度上升；排出的空气进入到第一级级间冷却器中，与冷却介质发生热量交换，自身温度下降至冷却介质在换热器进口温度附近(即环境温度附近)；随后，压缩空气进入到吸收式制冷机第二级冷却器，与其中的冷却工质进行热量交换，温度得到进一步降低。此后，压缩空气依次进入空气压缩装置的各级中，压力不断上升。通过最后一级的级间换热器以后，压缩空气的压力达到了指定压力，温度在环境温度附近，压缩气体被输送到储气装置或者用气设备中。

在该过程中，压缩机组液路子系统的工作流程为：循环泵之前，压缩机 组液路子系统内部的冷却介质由系统内部的循环介质和补液装置的补充介质共同提供，此处冷却介质温度为环境温度。循环泵为压缩机组液路子系统提供动力。冷却介质经过循环泵后以并联方式分配到各级级间冷却器的液路中，冷却介质在各级级间换热器内与气路的高温的压缩空气进行换热。此处，冷却介质的流量是根据该级压缩空气的进口温度和高效级间换热器的换热特性确定的。经过换热后，冷却介质温度上升到压缩空气进入该级级间冷却器之前的温度附近，成为高温介质。根据此时冷却介质的温度，确定液路子系统内部冷却介质需要的压力，并且由补液系统保证子系统压力，使其内部冷却介质不发生相变。高温的冷却介质流出各级高效级间冷却器液路管道，合并后流入吸收式制冷机的热源换热器。在热源换热器内，高温冷却介质作为热源向吸收式制冷机提供热量，使其能够产生足够的冷量为各级级前的压缩空气进行降温。高温的冷却介质经过热源换热器后，自身温度下降，而后进入后换热器中。在后换热器内部，冷却介质向环境释放热量，将自身温度进一步降低至环境温度。而后，通过补液装置对冷却水进行必要的补液，进入下一次液路子系统的循环。

在该过程中，吸收式制冷机子系统将高温冷却介质作为热源，通过吸收式制冷产生冷量，为各级级前的压缩空气进一步冷却至环境温度以下。

本发明的有益效果是多方面的：

由于该压缩空气机组可以对进入各级压缩机气缸前的压缩空气进行有效的冷却，使其温度低于环境温度，充分利用了各级级间压缩热量及其量，进一步提高了系统的能量利用率，从而可以：

1.保证压缩空气的产气量，为后续设备提供充足的气源；

2.降低了压缩空气的含湿量，为压缩机组运行提供了良好的运行条件，有利于延长设备的工作寿命；

3.提高了各级压缩机的压比，保证了压缩空气能够满足后续设备的压力要求；

4.明显降低各级压缩过程中所需要的功，节省了大量的电能。

附图说明

图1为本发明的具有自预冷功能的压缩空气方法和系统的结构示意图。

图中201.吸收式制冷机，202.热源换热器，203.一级预冷器，204.二级预冷器，205.三级预冷器，206.四级预冷器，211.一级除水设备，212.二级除水设备，221.一级空气压缩机，222.二级空气压缩机，223.三级空气压缩机，224.四级空气压缩机，231.一级级间换热器，232.二级级间换热器，233.三级级间换热器，234.四级级间换热器，241.一级油气分离器，242.二级油气分离器，243.三级油气分离器，244.四级油气分离器，251.后换热器，261.补液装置，271.循环泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

如图1所示，该实施例为一中等规模的空气压缩机组。该装置的排气压力为8.1MPa，产气量为1000Nm³/h。

该装置由压缩机组气路子系统、压缩机组液路子系统和吸收式制冷机子系统三部分组成。其中压缩机气路子系统的主要作用是对待压缩的空气进行预冷和对预冷后的空气进行压缩。该子系统由4级串联组成，每级都由吸收式制冷机的预冷器、空气压缩机、级间冷却器的气路部分和油气分离器，以及相关的管道和阀门依次串联组成。为了获得较好的除水效果，在进入第二级空气压缩机222和第三级空气压缩机223之前，加装了除水装置211和212。 表1说明了空气压缩机组气路子系统的组成及代号。

表1空气压缩机组气路子系统的组成及代号

假定该机组在夏天的环境温度为30℃。

在工作过程中，空气依次通过压缩机组气路子系统的各部件。压缩空气的流量为1000Nm³/h，压缩空气在进入压缩机组前的压力为0.1MPa，温度为33℃。通过吸收式制冷机预冷器的冷却作用，各级空气的温度均被降低至5℃。各级空气压缩机221～224的压比均为3，压缩空气流出各级空气压缩机221～224的压力分别为0.3MPa、0.9MPa、2.7MPa、8.1MPa，流出各压缩机时的温度为159℃。各级级间冷却器231～234采用板翅式换热器，压缩空气的压降分别为8.08kPa；在流出各级间冷却器时，压缩空气的温度均为33℃。通过各级油气分离器241～244，各级压缩空气的油分和部分水分得到去除。通过级前除水装置211、212，各级压缩空气的水分得到进一步的去除。

压缩机组液路子系统的主要作用是有效冷却压缩后的空气、高效吸收级间热量及所含和为吸收式制冷机提供热源。该子系统由级间冷却器231、232、233、234的液路部分、吸收式制冷机的热源换热器202、后换热器251、循环泵271和补液装置261等设备组成。其中，吸收式制冷机热源换热器202的出口与后换热器251的进口相连，后换热器251的出口与循环泵271的进口相连，循环泵271的出口管道分为若干之路，分别与四级级间换热器231、232、233、234的液路进口相连，各级间换热器液路部分为并联关系，级间换 热器231、232、233、234的液路出口合并为一干路，并与吸收式制冷机的热源换热器202进口相连，由此各设备组成一完整的回路。补液装置261通过旁路连入循环泵271之前。

在该过程中，压缩机组液路子系统的工作流程为：循环泵271之前，子系统内部的冷却介质由系统内部的循环介质和补液装置261的补充工质共同提供，此处冷却介质温度为环境温度30℃。循环泵271为液路子系统提供动力。冷却介质经过循环泵271后以并联方式分配到各级级间冷却器231、232、233、234的液路中，冷却介质在各级级间换热器231、232、233、234内与气路的高温的压缩空气进行换热。冷却介质的总流量为0.336kg/s，流经级间冷却器231、232、233、234的冷却水流量均为0.084kg/s。冷却水在进入级间冷却器231、232、233、234前的温度为30℃，流出级间冷却器231、232、233、234的温度均为130℃。为了保证冷却介质在级间冷却器内不发生相变，冷却介质进入高效级间冷却器的压力均为6bar，该供液压力由补液装置261保证。高温的冷却介质流出各级级间冷却器液路管道，合并后流入吸收式制冷机201的热源换热器202。在热源换热器202内，高温冷却介质作为热源向吸收式制冷机提供热量，使其能够产生足够的冷量为各级级前的压缩空气进行降温。高温的冷却介质经过热源换热器202后，自身温度下降到50℃左右，而后进入后换热器251中。在后换热器251内部，冷却介质向环境释放热量，将自身温度降低至环境温度30℃。而后，通过补液装置261对冷却介质进行必要的补液作业，然后进入下一次液路子系统的循环。

在该过程中，吸收式制冷机子系统201的作用是将高温冷却介质作为热源，为各级级前的压缩空气提供冷量。吸收式制冷机使用两级发生的溴化锂吸收式制冷机。热源温度为130℃的高压冷却介质，经过溴化锂-水的吸收式制冷作用，可以将各级空气预冷提供充足的冷量，保证将其冷却至5℃。

使用该实施例的空气压缩装置，其夏季的运行效果接近相同机型空气压缩机的冬季工况，其产气量、气体干燥程度、压比、耗功和效率较目前普通的空气压缩机组均有较大幅度的提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种具有自预冷功能的压缩空气方法，所述压缩空气方法在不需要提供额外能量的条件下，可以降低多级空气压缩机组各级压缩机的进气温度，该方法包括以下步骤：

SS1，在所述多级空气压缩机组的各级压缩机的排气管道上设置冷却器，空气进入所述多级空气压缩机组的第一级空气压缩机后，通过多级压缩、级间冷却的方式，逐步达到目标压力，各所述冷却器的气路部分通入各级空气压缩机排出的压缩气体，冷却器的液路部分通入冷却介质，使用冷却介质回收压缩气体中的压缩热量及量；

SS2，加热后的冷却介质经各所述冷却器排出后汇流进入吸收式制冷设备的热源换热器，为所述吸收式制冷设备提供热量；

SS3，将所述热源换热器回收的热量作为所述吸收式制冷设备的热源，使用吸收式制冷的方法产生冷量，并且利用这部分冷量对进入各级空气压缩机级前的待压缩空气进行预冷，各级空气压缩机级前的待压缩空气经所述吸收式制冷设备的预冷器预冷后进入下一级空气压缩机。

2.根据权利要求1所述的压缩空气方法，其特征在于，所述空气压缩机为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式压缩机中的一种或几种的组合；所述冷却器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、管翅式、热管式冷却器中的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的压缩空气方法，其特征在于，所述冷却介质对压缩空气进行级间冷却后，自身温度提高到等于或者接近压缩空气级间冷却之前的温度；所述冷却介质循环使用，在下一次冷却级间空气之前，冷却介质的温度应降低到环境温度，经过吸收式制冷设备后多余的热量排向环境。

4.根据权利要求1所述的压缩空气方法，其特征在于，各级空气压缩机级前对压缩空气进行除水处理，各级空气压缩机级后对压缩空气进行油气分离处理。

5.根据权利要求1所述的压缩空气方法，其特征在于，所述冷却介质为水、导热油、或离子液体。

6.根据权利要求1所述的压缩空气方法，其特征在于，吸收式制冷设备在向各级前压缩空气提供冷量时，分别使用不同压力等级的预冷器，各预冷器单独为对应压力等级的空气进行预冷。

7.一种具有自预冷功能的空气压缩系统，包括压缩机组气路子系统和压缩机组液路子系统，其特征在于，

--所述空气压缩系统还包括吸收式制冷机子系统，所述吸收式制冷机子系统包括一热源换热器和若干不同压力等级的预冷器；

--所述压缩机组气路子系统包括通过气体管路依次连接的多级空气压缩机，相邻两空气压缩机之间的气体管路上均设置有级间冷却器，最后一级空气压缩机的出气管路上也设置有级间冷却器，各级空气压缩机的进气管路均与所述吸收式制冷机子系统中一对应压力等级的预冷器连通；

--所述压缩机组液路子系统包括各所述级间冷却器的液路部分，各级间冷却器的液路部分排出的加热后的冷却介质汇流后进入所述吸收式制冷机子系统中的热源换热器。

8.根据权利要求7所述的具有自预冷功能的空气压缩系统，其特征在于：所述压缩机组气路子系统，根据压力等级划分为若干串联的空气压缩级，每一空气压缩级包括对应该压力等级的空气压缩机和级间冷却器的气路部分，其中，第一空气压缩级的吸气管道与吸收式制冷机子系统对应该压力等级的第一级预冷器的出口相连，第一级预冷器出口与第一级压缩机进口相连，第一级压缩机出口与第一级级间冷却器气路进口相连，第一级级间冷却器气路出口与吸收式制冷机子系统的第二级预冷器进口相连，由此完成第一空气压缩级内部各设备的连接，中间各空气压缩级的内部设备均按照第一空气压缩级内部设备的连接方式连接；在最后一级空气压缩级，级间冷却器气路出口连接储气装置或者用气设备。

9.根据权利要求7所述的具有自预冷功能的空气压缩系统，其特征在于：为了保证压缩空气的干燥，每一空气压缩级中均设置除湿设备，所述除湿设备的进口与该级吸收式制冷机子系统的预冷器的出口相连，所述除湿设备的出口与该级空气压缩机的进口相连。

10.根据权利要求7所述的具有自预冷功能的空气压缩系统，其特征在于：各级空气压缩机的排气管线上均设置有油气分离器。

11.根据权利要求7所述的具有自预冷功能的空气压缩系统，其特征在于：所述压缩机组液路子系统还包括循环泵、补液装置和液路冷却器，其中，吸收式制冷机子系统的热源换热器的出口与液路冷却器的进口相连，液路冷却器的出口与循环泵的进口相连，循环泵的出口管道分为若干支路，分别与各级间冷却器的液路进口相连，各级间冷却器液路为并联关系，汇流至一干路，并与吸收式制冷机子系统的热源换热器进口相连，由此形成一完整的回路；补液装置通过旁路连入循环泵之前。

12.根据权利要求7所述的具有自预冷功能的空气压缩系统，其特征在于：所述空气压缩机为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式压缩机中的一种或几种的组合；各级间冷却器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、管翅式、热管式换热器中的一种或几种的组合。

13.根据权利要求7所述的具有自预冷功能的空气压缩系统，其特征在于：所述冷却介质为水、导热油、或离子液体。

14.根据权利要求9所述的具有自预冷功能的空气压缩系统，其特征在于：所述除湿设备为分子筛干燥机。

15.根据权利要求7所述的具有自预冷功能的空气压缩系统，其特征在于：吸收式制冷机子系统使用水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。