CN104931658A - 一种气体膨胀装置的闭式实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体膨胀装置的实验系统及实验方法，该系统的基本工作过程是：低压储气罐内的气体工质经气体压缩装置压缩升压后进入高压储气罐，调节高压气体驱动气体膨胀装置被试件达到实验工况，同时高压气体膨胀降压后进入低压储气罐，完成一个循环；其中气体膨胀装置被试件经齿轮箱连接测功器实现转速控制和功率测量，压力、温度振动等传感器根据需要测量气体膨胀装置进出口及内部压力、温度分布、转子振动参数，从而实现气体膨胀机的实验研究和性能检测。本发明易于实现气体膨胀装置进出口压力控制、膨胀装置转速控制、长期连续运行，另外由于是闭式实验系统，其运行工质可以是混合工质、单一工质、易燃、易爆及有毒工质，具有操作简单、运行成本低、适用范围广等特点。

Description

一种气体膨胀装置的闭式实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及一种气体膨胀装置的实验系统和实验方法，尤其涉及一种气体膨胀装置的闭式实验系统及实验方法，该方法可应用于各种化工机械行业气体工质余压、中间减压过程的能量回收设备的研发及检测。

背景技术

目前我国钢铁、有色、煤炭、建材、化工、纺织等行业的气体工质压力能量存在大量的浪费，各种化工机械行业的能量回收具有重大的社会和经济效益。气体膨胀机是压力能量回收的核心设备，可用于替代各种化工环节节流减压阀，从而实现能量回收的同时满足实际工艺流程所需的压降，对整个系统并未造成其他影响，所回收的能量可用于发电或驱动其他耗能设备，具有显著的经济价值。

目前各种可适用于不同化工机械行业内部流程环节压力能量回收的膨胀装置逐渐引起人们重视，并已公开多种专利，其结构形式包括容积式、径流式、混流式或轴流式等多种形式，应用工质也有空气、氮气、氧气、天然气、氢气或其他易燃易爆及有毒气体，这些膨胀机多为新研发设备，而其研发过程中最重要环节——实验验证和检测技术并不成熟，目前尚无适用于此类产品的完善实验平台及测试方法，而直接在使用现场进行实验显然存在较大的技术和安全风险。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术缺陷，本发明提供了一种适用于各种气体工质、各种结构形式下膨胀装置的实验和检测技术，实现现场实际工况下的膨胀装置的可靠性验证及性能特性研究。

(二)技术方案

本发明所涉及的气体膨胀装置的闭式实验系统及实验方法通过以下技术方案实现：

一种气体膨胀装置的闭式实验系统，包括气体压缩装置、高压储气罐、低压储气罐、气体膨胀装置被试件、齿轮箱、测功器，其特征在于，

所述低压储气罐、气体压缩装置、高压储气罐、气体膨胀装置被试件通过气体管路依次连接，低压储气罐内的气体工质经气体压缩装置压缩升压后进入高压储气罐，然后进入气体膨胀装置被试件膨胀降压后进入低压储气罐，实现一个气体循环；由高压气体工质驱动的气体膨胀装置被试件通过齿轮箱与测功器连接，通过控制测功器的负载达到气体膨胀装置被试件实验所需的旋转速度，气体膨胀装置被试件所输出功率由测功器消耗；

所述低压储气罐、高压储气罐的进气口和出气口处均设置有截止阀；

所述气体压缩装置的出气口分为两路：一路为与所述高压储气罐的进气口连通的主流通道，所述主流通道上设置有止回阀；另一路为与所述低压储气罐的回气口连通的回路通道，所述回路通道上设置有止回阀、调节阀和截止阀；

所述低压储气罐的进气口和所述高压储气罐的出气口之间还设置有一与所述气体膨胀装置被试件并联的联通管路，所述联通管路上设置有常闭阀；

所述气体膨胀装置被试件的进气管路上设置有调节阀和加热器，所述气体膨胀装置被试件的出气管路上设置有止回阀。优选地，所述气体膨胀装置被试件的结构形式为容积式、径流式、混流式或轴流式。

优选地，所述气体膨胀装置被试件采用单级、两级或多级膨胀的结构形式。

优选地，所述气体膨胀机工质采用空气、氮气、氧气、天然气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等单一工质或混合工质气体。

优选地，所述气体压缩装置的结构形式为容积式、径流式、混流式或轴流式。

优选地，所述气体压缩装置采用单级、两级及多级压缩的结构形式。

优选地，所述气体压缩装置工质采用空气、氮气、氧气、天然气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等单一工质或混合工质气体，且与所述气体膨胀装置被试件的工质相同。

优选地，所述高、低压储气罐是指两个储气罐相对高、低压，其绝对压力相对于大气环境均可为正压，也可为负压，完全根据实验所需工况调节。

优选地，所述气体压缩装置出口设置两个通道，一个是主通道工质进入高压储气罐，另一个是回路通道，由调节阀调节其流量，从而控制主通道流量满足气体膨胀装置被试件实验要求。

优选地，所述高、低压储气罐之间有个联通管路，并由常闭阀控制该管道开闭，正常实验时该常闭阀关闭，在实验出现紧急停车时该常闭阀自动打开，保持高、低压储气罐联通，防止高压储气罐由于压缩机的运行而压力过高，另外在实验后联通高、低压储气罐，使其压力平衡，便于下次实验时压缩装置的启动。

优选地，所述测功器采用水力测功器、电力测功器或电涡流测功器，其作用在于控制气体膨胀装置被试件转速，并消耗气体膨胀装置被试件输出的轴功。

优选地，所述齿轮箱输入、输出齿轮轴分别与所述气体膨胀装置被试件和测功器连接，其作用是调节气体膨胀装置被试件的转速，可以是增速齿轮箱也可是减速齿轮箱，其内部则是高速齿轮轴和低速齿轮轴经过啮合面接触传递扭矩。优选地，所述气体膨胀装置被试件通过联轴器与齿轮箱连接。

优选地，所述加热器的热源可以利用电加热器、燃气或燃油辅助加热，也可利用工业废热进行加热。

优选地，所述联通管路的进气口、所述气体膨胀装置被试件的进气管路的进气口均设置在所述高压储气罐的出气口处的截止阀的出口管路上，所述联通管路的出气口、所述气体膨胀装置被试件的出气管路的出气口均设置在所述低压储气罐的进气口处的截止阀的进口管路上。

优选地，所述联通管路的进气口、所述气体膨胀装置被试件的进气管路的进气口均设置在所述高压储气罐的出气口处的截止阀的出口管路上，所述联通管路的出气口、所述气体膨胀装置被试件的出气管路的出气口均设置在所述低压储气罐的进气口处的截止阀的进口管路上。

优选地，所述气体膨胀装置的闭式实验系统还包括油站、测控单元、密封单元和加热单元，所述油站实现气体膨胀装置被试件和齿轮箱的润滑和冷却，所述测控单元实现系统的参数测量和控制，密封单元实现气体膨胀装置被试件内部气体工质和外界及油路之间的密封，冷却单元实现气体压缩装置和油站的冷却，所述加热单元实现气体工质的温度控制实现所需的气体膨胀装置被试件入口温度。

优选地，所述气体膨胀装置的闭式实验系统中各调节阀、截止阀、常闭阀均为气动或液压自动控制阀门，便于实现快速有效自动控制。

上述气体膨胀装置的闭式实验系统中，压缩气体出口分为主流通道和回路通道，其中主流通道高压气体进入高压储气罐并驱动膨胀机运行，而回路通道高压气体进入低压储气罐，其流量由调节阀调节以调整气体膨胀机入口压力和流量，同时两通道均有止回阀。

优选地，对于易燃气体工质，为保证安全性，压缩机电机采用防爆电机、膨胀机处测功器进行防爆处理，整个系统阀门、接头均按照国家标准、行业标准要求，确保安全运行。

优选地，对于有毒气体工质，为保证安全性，整个系统阀门、接头均按照国家标准、行业标准要求，确保安全无泄漏。

上述气体膨胀装置的闭式实验系统中气体压缩装置、油站运行过程中会出现温度上升现象，必须根据要求对其进行冷却，保证气体压缩装置排气和润滑油温度。

优选地，所述闭式实验系统还包括设置在所述气体膨胀装置被试件进、出气口上的温度传感器和/或压力传感器，以及设置在所述气体膨胀装置被试件转子上的振动传感器，这些传感器根据需要测量气体膨胀装置被试件进出口及内部压力、温度分布、转子振动参数，从而实现气体膨胀装置的实验研究和性能检测。

根据本发明的另一方面，还提供了一种气体膨胀装置实验方法，利用本发明提供的气体膨胀装置的闭式实验系统，其特征在于，所述实验方法包括如下步骤：

SS1.实验前准备工作

1)打开各通路截止阀，调节至所需压力并保证各管道及高、低压储气罐内部压力平衡，以便于气体压缩装置的启动；

2)启动油站、测控单元、冷却单元，对齿轮箱、气体膨胀装置被试件进行冷却、润滑及参数测量；

3)打开所述回路通道上的调节阀，关闭所述气体膨胀装置被试件的进气管路上的调节阀和所述联通管路上的常闭阀。

SS2.实验阶段

1)启动气体压缩装置，逐渐打开所述气体膨胀装置被试件进气管路上的调节阀至最大开度；

2)调节测功器，确保气体膨胀装置被试件转速运行在安全范围；

3)以气体膨胀装置被试件进口压力(略低于高压储气罐压力)为目标参数，自动调节所述回路通道上的调节阀的开度至目标参数为所需压力；

4)以气体膨胀装置被试件进口温度为目标参数，调节加热器加热功率至目标参数为所需温度；

5)监测并记录各设备运行参数，主要包括气体膨胀装置被试件转速、各转子轴承温度、各转子振动量等参数，确保各设备安全稳定运行；

6)监测并记录气体膨胀装置被试件实验所需要的其他实验数据，并准备停机；

SS3.实验后整理工作

1)逐渐全开所述回路通道上的调节阀开度，先后关闭加热器、气体膨胀装置被试件进气管路上的调节阀开度；

2)逐渐关闭气体膨胀装置被试件进气管路上的调节阀，气体压缩装置停机；

3)保存测试系统所记录数据并关闭，各轴承温度冷却至安全温度后，关闭油站及冷却单元；

4)打开所述联通管路上的常闭阀，然后关闭高、低压储气罐所有进出气口处的截止阀，整个实验结束。

优选地，需要紧急停机时，可迅速关闭气体膨胀装置被试件进气管路上的调节阀，同时自动打开所述联通管路上的常闭阀，保持高低压储气罐连通，不至于出现高压罐压力过高情况，保护系统设备安全。

本发明的气体膨胀装置的闭式实验系统及实验方法具有以下有益效果：

1.该实验系统及实验方法工艺结构简单，运行安全可靠，易于实现自动控制，闭式结构可适用于易燃、易爆及有毒气体，另外由于配有高、低压储气罐，其膨胀比可调范围较大，这些特点均可大大扩展本发明的应用范围。

2.与传统开式实验台相比，实现了排气的自动回收，不但能减少污染排放、保护环境，还能大大减小气体工质使用量，降低实验成本。

3.实验过程中为了适应所测试气体膨胀装置较大的流量范围，压缩装置流量调节范围较大，一般大范围调节采用变频器设备，造价高、控制复杂，本发明采用增加回路方法，在压缩装置稳定运行工况下可大范围调节主通道气体流量，大大降低成本。

附图说明

图1是本发明的气体膨胀装置的闭式实验系统原理图。

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，对本发明作进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

图1为本发明的气体膨胀装置闭式实验系统，主要设备包括气体压缩装置1；高压储气罐2；低压储气罐3；气体膨胀装置被试件4；齿轮箱5；测功器6；加热器7；调节阀8；调节阀9；常闭阀10。其中气体膨胀装置是作为平台被试件进行介绍分析。低压储气罐3、气体压缩装置1、高压储气罐2、气体膨胀装置被试件4通过气体管路依次连接，低压储气罐3内的气体工质经气体压缩装置1压缩升压后进入高压储气罐2，然后进入气体膨胀装置被试件4膨胀降压后进入低压储气罐3，实现一个气体循环；由高压气体工质驱动的气体膨胀装置被试件4通过齿轮箱5与测功器6连接，通过控制测功器6的负载达到气体膨胀装置被试件4实验所需的旋转速度，气体膨胀装置被试件4所输出功率由测功器6消耗。低压储气罐3、高压储气罐2的进气口和出气口处均设置有截止阀11。气体压缩装置4的出气口分为两路：一路为与高压储气罐2的进气口连通的主流通道，主流通道上设置有止回阀12；另一路为与低压储气罐3的回气口连通的回路通道，回路通道上设置有止回阀12、调节阀8和截止阀11。低压储气罐3的进气口和高压储气罐2的出气口之间还设置有一与气体膨胀装置被试件4并联的联通管路，联通管路上设置有常闭阀10。

气体膨胀装置被试件4的进气管路上设置有调节阀8和加热器7，气体膨胀装置被试件4的出气管路上设置有止回阀12。

优选地，气体膨胀装置被试件4通过联轴器与齿轮箱5连接。

优选地，齿轮箱5为减速齿轮箱，齿轮箱5减速后带动测功器6负载。

优选地，联通管路的进气口、气体膨胀装置被试件4的进气管路的进气口均设置在高压储气罐2的出气口处的截止阀11的出口管路上，联通管路的出气口、气体膨胀装置被试件4的出气管路的出气口均设置在低压储气罐3的进气口处的截止11阀的进口管路上。

除以上主要设备外，系统还有五个辅助单元，包括油站，实现气体膨胀装置和齿轮箱的润滑和冷却；4测控单元，实现系统的参数测量和控制；密封单元，实现气体膨胀装置内部气体工质和外界及油路之间的密封；冷却单元，实现气体压缩装置和油站的冷却；加热单元，可实现气体工质的温度控制实现所需的膨胀装置入口温度。

具体实施方法包括如下步骤：

SS1.实验前准备工作

1)打开各通路截止阀，调节至所需压力并保证各管道及高、低压储气罐内部压力平衡，以便于气体压缩装置的启动；

2)启动油站、测控单元、冷却单元，对齿轮箱、气体膨胀装置被试件进行冷却、润滑及参数测量；

3)打开所述回路通道上的调节阀，关闭所述气体膨胀装置被试件的进气管路上的调节阀和所述联通管路上的常闭阀。

SS2.实验阶段

1)启动气体压缩装置，逐渐打开所述气体膨胀装置被试件进气管路上的调节阀至最大开度；

2)调节测功器，确保气体膨胀装置被试件转速运行在安全范围；

3)以气体膨胀装置被试件进口压力(略低于高压储气罐压力)为目标参数，自动调节所述回路通道上的调节阀的开度至目标参数为所需压力；

4)以气体膨胀装置被试件进口温度为目标参数，调节加热器加热功率至目标参数为所需温度；

5)监测并记录各设备运行参数，主要包括气体膨胀装置被试件转速、各转子轴承温度、各转子振动量等参数，确保各设备安全稳定运行；

6)监测并记录气体膨胀装置被试件实验所需要的其他实验数据，并准备停机；

SS3.实验后整理工作

1)逐渐全开所述回路通道上的调节阀开度，先后关闭加热器、气体膨胀装置被试件进气管路上的调节阀开度；

2)逐渐关闭气体膨胀装置被试件进气管路上的调节阀，气体压缩装置停机；

3)保存测试系统所记录数据并关闭，各轴承温度冷却至安全温度后，关闭油站及冷却单元；

4)打开所述联通管路上的常闭阀，然后关闭高、低压储气罐所有进出气口处的截止阀，整个实验结束。

值得说明的是，在特殊工况下，气体膨胀装置需要紧急停机，可迅速关闭气体膨胀装置被试件进气管路上的调节阀，同时自动打开所述联通管路上的常闭阀，保持高低压储气罐连通，不至于出现高压罐压力过高情况，保护系统设备安全。

本发明实施例是气体膨胀机常用性能实验过程，通过该实施例，可有效实现本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种气体膨胀装置的闭式实验系统，包括气体压缩装置、高压储气罐、低压储气罐、气体膨胀装置被试件、齿轮箱、测功器，其特征在于，

所述低压储气罐、气体压缩装置、高压储气罐、气体膨胀装置被试件通过气体管路依次连接，低压储气罐内的气体工质经气体压缩装置压缩升压后进入高压储气罐，然后进入气体膨胀装置被试件膨胀降压后进入低压储气罐，实现一个气体循环；由高压气体工质驱动的气体膨胀装置被试件通过齿轮箱与测功器连接，通过控制测功器的负载达到气体膨胀装置被试件实验所需的旋转速度，气体膨胀装置被试件所输出功率由测功器消耗；

所述低压储气罐、高压储气罐的进气口和出气口处均设置有截止阀；

所述气体压缩装置的出气口分为两路：一路为与所述高压储气罐的进气口连通的主流通道，所述主流通道上设置有止回阀；另一路为与所述低压储气罐的回气口连通的回路通道，所述回路通道上设置有止回阀、调节阀和截止阀；

所述低压储气罐的进气口和所述高压储气罐的出气口之间还设置有一与所述气体膨胀装置被试件并联的联通管路，所述联通管路上设置有常闭阀；

所述气体膨胀装置被试件的进气管路上设置有调节阀和加热器，所述气体膨胀装置被试件的出气管路上设置有止回阀。

2.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述气体膨胀装置被试件的结构形式为容积式、径流式、混流式或轴流式。

3.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述气体膨胀装置被试件采用单级、两级或多级膨胀的结构形式。

4.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述气体膨胀机工质采用空气、氮气、氧气、天然气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等单一工质或混合工质气体。

5.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述气体压缩装置的结构形式为容积式、径流式、混流式或轴流式。

6.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述气体压缩装置采用单级、两级及多级压缩的结构形式。

7.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述气体压缩装置工质采用空气、氮气、氧气、天然气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等单一工质或混合工质气体，且与所述气体膨胀装置被试件的工质相同。

8.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述高、低压储气罐是指两个储气罐相对高、低压，其绝对压力相对于大气环境均可为正压，也可为负压，完全根据实验所需工况调节。

9.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述气体压缩装置出口设置两个通道，一个是主通道工质进入高压储气罐，另一个是回路通道，由调节阀调节其流量，从而控制主通道流量满足气体膨胀装置被试件实验要求。

10.根据权利要求1所述的闭式实验系统，其特征在于，所述高、低压储气罐之间有个联通管路，并由常闭阀控制该管道开闭，正常实验时该常闭阀关闭，在实验出现紧急停车时该常闭阀自动打开，保持高、低压储气罐联通，防止高压储气罐由于压缩机的运行而压力过高，另外在实验后联通高、低压储气罐，使其压力平衡，便于下次实验时压缩装置的启动。