CN105823637B - 一种涡旋膨胀机性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡旋膨胀机性能测试系统，包括空压机模块、气体调节模块、温度控制模块、测功机模块、上位机及背压调节模块，所述的空压机模块、气体调节模块、温度控制模块依次连接，所述的温度控制模块通过一换向阀(14)与涡旋膨胀机(20)连接，所述的测功机模块及背压调节模块均与涡旋膨胀机(20)连接，所述的测功机模块采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上。与现有技术相比，本发明具有结构简单、维修方便等优点。

Description

一种涡旋膨胀机性能测试系统

技术领域

本发明属于余热回收技术领域，尤其是涉及一种涡旋膨胀机性能测试系统。

背景技术

目前，我国在能源利用方面，主要存在利用效率低、经济效益差、余热大量浪费、生态环境压力大等一系列问题，而这些问题集中体现在用能最大的工业领域。从国家统计年鉴给出的相关数据可知：2014年，我国各行业的能源消耗中，工业占了69.8％。然而，由于生产工艺落后、产业结构不合理等原因，这近70％的工业用能中，真正用于生产的却不足50％，其余超过50％的能源，都以余热的形式直接或者间接的排放到了周围大气中。这之中，以低品位余热的浪费最为严重。

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)作为一种能高效、环保地实现低品位热能向高品位电能或动力转化的技术，现已成为目前低品位能源利用领域研究的热点。该系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵4大部件组成。首先在蒸发器中完成低品位余热的输入，然后在膨胀机中转变为机械能输出，再经过冷凝器和工质泵，完成一个循环。而膨胀机作为ORC系统的热功转换核心部件，其运行效率等各参数，对提高整个ORC系统的性能，以及低品位余热资源的回收利用效率，均有极其重要的影响。

申请号为201420158423.1的中国实用新型专利公开了一种螺杆膨胀机发电机组性能测试实验系统，该系统由蒸汽锅炉、减温减压器、螺杆膨胀机、冷凝器以及第一循环水泵依次相接构成发电系统；经冷凝器冷凝后的凝结水分为两路：一路经第一循环水泵送至锅炉；另一路凝结水经第二循环水泵及截止阀进入减温减压器，与锅炉中的高温高压蒸汽进行混合再次进入螺杆膨胀机做功。从而得到机组效率曲线以及机组效率随干度、压比、流量之间的变化关系。

上述专利公布的技术方案主要是针对螺杆膨胀机的性能测试，采用的工质具有状态的变化，并不适用于涡旋膨胀机；另外闭环系统结构复杂，安装维修不方便；就膨胀机的输出参数的采集而言，只能获得其输出电量，转速、扭矩等不能直接获得，且无法进行反向性能实验，即膨胀机负载变化对其转速的影响的性能实验不能进行。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、维护方便的涡旋膨胀机性能测试系统，本发明为适合涡旋膨胀机进行性能测试的实验装置，以不会发生状态变化的常温常压气体经脱水、除杂质后的干气体为试验用工质，利用带有控制系统的测功机检测涡旋膨胀机的各个输出性能参数，并通过MCGS组态软件将所有仪表采集到的信号上传到上位机上。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种涡旋膨胀机性能测试系统，用于检测涡旋膨胀机的输出功、扭矩和转速与其入口压力、入口温度、背压以及质量流量等参数的关系，该系统包括空压机模块、气体调节模块、温度控制模块、测功机模块、上位机及背压调节模块，所述的空压机模块、气体调节模块、温度控制模块依次连接，所述的温度控制模块通过一换向阀与涡旋膨胀机连接，所述的测功机模块及背压调节模块均与涡旋膨胀机连接，所述的测功机模块采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上。换向阀的一路出口与大气连通，另一路出口与涡旋膨胀机连接。

所述的温度控制模块与换向阀之间设有第四温度传感器及第四压力传感器，用于给操作人员提供信息来指导换向阀的操作。所述的第四温度传感器及第四压力传感器采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上。第四压力传感器与换向阀的入口连接。

所述的换向阀与涡旋膨胀机之间设有第一流量计、第二温度传感器及第二压力传感器，用于测量进入涡旋膨胀机的气体的流量、温度和压力，所述的第一流量计、第二温度传感器及第二压力传感器采集的数据通过MCGS软件上传至上位机。

所述的涡旋膨胀机与背压调节模块之间设有第二流量计、第三压力传感器及第三温度传感器，用于测量从涡旋膨胀机排出的气体的流量、温度和压力，所述的第二流量计、第三压力传感器及第三温度传感器采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上。

所述的空压机模块包括依次连接的空压机、第一截止阀、储气罐、第二截止阀、干燥器及过滤器，所述的储气罐上设有第一温度传感器和第一压力传感器，用于监测储气罐内压缩气体的温度和压力。所述的第一温度传感器和第一压力传感器采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上。

所述的气体调节模块包括相互连接的用于调节涡旋膨胀机入口气体压力的减压阀和用于调节气体流量的调节阀。

所述的温度控制模块包括相互连接的加热器及温度控制器，通过与换向阀配合，调节进入涡旋膨胀机气体的温度。

所述的测功机模块包括相互连接的测功机及测功机控制器，所述的测功机与涡旋膨胀机的输出轴连接，用于实时监测涡旋膨胀机的输出功、扭矩、转速等信息，另外，利用测功机控制器对涡旋膨胀机的输出特性进行调节(转速、负载等)，实现对涡旋膨胀机性能的反向测试。测功机控制器通过调节加载的负载值，控制涡旋膨胀机的转速。

所述的背压调节模块为一针阀，所述的针阀与涡旋膨胀机连接，位于涡旋膨胀机性能测试系统的末端，实现对涡旋膨胀机的背压调节。

第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器、第三压力传感器、第三温度传感器、第四压力传感器、第四温度传感器、第一流量计及第二流量计均具有数据接口，从而实现数据的上传。

本发明的涡旋膨胀机性能测试系统所使用的工质，为常温常压下的空气；

在工作状态下，本发明的涡旋膨胀机性能测试系统为开式系统，且从加热器的出口至针阀的出口的所有管路，均采取保温措施。

本发明工作时，常温常压空气经空压机加压后进入储气罐，之后经干燥器、过滤器、减压阀、调节阀，在加热器中加热到指定温度后，进入涡旋膨胀机做功，而涡旋膨胀机的输出功、扭矩、转速则通过与之相连的测功机进行测量。实验时，通过调节减压阀、调节阀以及针阀的开度、加热器的设定温度、测功机的加载特性等，获得不同的涡旋膨胀机入口压力、入口流量、背压、入口温度以及不同的涡旋膨胀机的转速，从而获得涡旋膨胀机的进出口参数与其性能间的关系。通过测功机控制器的调节，增加或者减小施加在涡旋膨胀机上的负载，从而反向调节涡旋膨胀机的转速。在实际工作过程中，所有传感器采集到的数据，都通过MCGS软件上传到上位机上。

本发明中，通过改变涡旋膨胀机入口和出口的各个参数，包括入口压力、入口温度、流量、背压等，利用测功机控制器控制和调节功能，获得涡旋膨胀机的输出参数，如扭矩、输出功、转数等，从而得到涡旋膨胀机各参数对其性能的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用测功机对涡旋膨胀机的各个输出参数进行集中测量，更加精确，且通过测功机的控制系统可进行反向性能实验，即负载对涡旋膨胀机性能参数的影响；

(2)整个涡旋膨胀机性能测试系统为开式系统，结构简单，安装维修方便；

(3)在涡旋膨胀机的出口添加了针阀，实现了背压的调节，从而减小了过膨胀和欠膨胀对测得的涡旋膨胀机性能参数的影响；

(4)所有仪表采集到的数据，均通过MCGS组态软件上传到一台计算机，便于处理研究；

(5)在涡旋膨胀机的入口前端添加了带有控制系统的加热器，实现了对涡旋膨胀机入口温度的控制；

(6)储气罐的存在，减小了减压阀入口的压力波动，提高了涡旋膨胀机入口压力的稳定性；

(7)本发明基于涡旋膨胀机的性能测试，对涡旋膨胀机的运行特性和效果的探索，对小型有机朗肯循环(ORC)系统的推广，对低品位余热资源的回收利用，都具有重大的意义。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图中标识为：1—空压机，2—第一截止阀，3—第一压力传感器，4—第一温度传感器，5—储气罐，6—第二截止阀，7—干燥器，8—过滤器，9—减压阀，10—调节阀，11—加热器，12—第四温度传感器，13—第四压力传感器，14—换向阀，15—第一流量计，16—第二温度传感器，17—测功机控制器，18—第二压力传感器，19—测功机，20—涡旋膨胀机，21—第二流量计，22—第三压力传感器，23—第三温度传感器，24—针阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种涡旋膨胀机性能测试系统，使用时，空压机1的出口端依次与第一截止阀2、储气罐5、第二截止阀6、干燥器7、过滤器8、减压阀9、调节阀10、加热器11相连，而加热器11的出口端与换向阀14的入口端相连，经过换向阀14后，分为两路出口，一路出口直接与大气接通，另一路出口依次与涡旋膨胀机20以及针阀24相连，涡旋膨胀机20的输出轴与测功机19相连，用于实时监测涡旋膨胀机20的输出功、扭矩、转速等，另外，利用测功机控制器17对涡旋膨胀机20的输出特性进行调节(转速、负载等)，实现对涡旋膨胀机20性能的反向测试。测功机控制器17通过调节加载的负载值，控制涡旋膨胀机20的转速。

在储气罐5上设有第一温度传感器4和第一压力传感器3，用于监测储气罐5内压缩空气的温度和压力，换向阀14与涡旋膨胀机20之间的管路上设有第一流量计15、第二温度传感器16及第二压力传感器18，用于监测涡旋膨胀机20入口处空气的流量、温度及压力，涡旋膨胀机20与针阀24之间的管路上设有第二流量计21、第三温度传感器23及第三压力传感器22，用于监测涡旋膨胀机20出口处空气的流量、温度及压力，加热器11和换向阀14之间的管路上设有第四温度传感器12和第四压力传感器13，用于给操作人员提供信息来指导换向阀14的操作。所有传感器、流量计及测功机19均具有数据接口，采集的数据通过MCGS软件上传至上位机。

在该性能测试系统中，在各仪器仪表均能正常工作，同时各截止阀均处于关闭状态，换向阀14不与大气连通，减压阀9、调节阀10和针阀24均处于最小开度状态，并且整个系统的管路连接中不存在泄漏现象的前提下，进行以下操作：

首先，打开第一截止阀2，启动空压机1，开始向储气罐5中充气，当第一压力传感器3的压力值快达到所需的设定值时，将换向阀14转换到与大气连通，打开第二截止阀6，增加减压阀9和调节阀10的开度，使气体能够流通。压缩空气经干燥器7、过滤器8后，成为洁净的干空气，再经减压阀9、调节阀10的调节，达到所需的压力和流量范围，最后经过加热器11加热到设定温度。待第四温度传感器12所示的温度达到设定值后，打开针阀24，将换向阀14从与大气连通切换到与涡旋膨胀机20连通，实验测试开始。

通过调节减压阀9和调节阀10，给涡旋膨胀机20提供设定的入口压力，慢慢加载测功机19的负载值，使涡旋膨胀机20的转速稳定在所需的设定值，待其转速稳定之后，采用测功机控制器17进行测试，同时利用上位机记录所有数据。继续改变测功机19的负载值，使转速稳定在多个不同的值，重复上述步骤，由此测得一组关于转速的数据。

保持其他阀门开度以及设定参数值不变，通过调节减压阀9，获得不同的涡旋膨胀机20的入口压力，即使得第二压力传感器18的测量值不同，待涡旋膨胀机20转速稳定之后，采用测功机控制器17进行测试，同时利用上位机记录所有数据，得到另一组关于转速和入口压力的数据。

保持其他阀门开度以及设定参数值不变，通过调节加热器11的出口温度设定值，使得第四温度传感器12和第二温度传感器16的测量值不同，待涡旋膨胀机20转速稳定之后，采用测功机控制器17进行测试，同时利用上位机记录所有数据，得到另一组关于转速和入口温度的数据。

保持其他阀门开度以及设定参数值不变，通过调节针阀24的开度，使得涡旋膨胀机20获得不同的背压，同时慢慢加载测功机19，使涡旋膨胀机20的转速稳定在某一个确定值，采用测功机控制器17进行测试，同时利用上位机记录所有数据，得到另外一组关于背压的数据。

最后，依次关闭空压机1、第一截止阀2、第二截止阀6，保持换向阀14连通加热器11和涡旋膨胀机20而与大气不连通，卸载掉测功机19的负载，关闭测功机控制器17，关闭针阀24，排空储气罐5，最后记录环境温度和大气压值。完成对涡旋膨胀机20各个性能参数的测试。

本实施例中，采用的工质为常温常压的空气，主要利用空压机1、减压阀9、加热器11、针阀24以及测功机18对涡旋膨胀机20的各个性能参数进行调节和测试，通过测功机控制器17以及上位机(利用MCGS组态软件)，将各组数据上传到一个文档，从而能够通过分析这些数据，了解涡旋膨胀机20进出口各个性能参数对涡旋膨胀机20的输出扭矩、轴功等的影响，最终为对涡旋膨胀机20运行特性和运行效果的探索提供相关实验依据。另外，涡旋膨胀机20作为小型有机朗肯循环(ORC)系统的唯一热功转换部件，其性能的改进，有利于提高ORC系统的整体效率，从而实现低品位废热的高效利用，同时还能避免因废热而对周围环境产生的热污染，对小型有机朗肯循环(ORC)系统的推广、低品位余热资源的回收利用，都具有重大的意义，且本发明可以对不同的涡旋膨胀机20进行相关性能测试，具有一定的通用性。

Claims (5)

1.一种涡旋膨胀机性能测试系统，其特征在于，包括空压机模块、气体调节模块、温度控制模块、测功机模块、上位机及背压调节模块，所述的空压机模块、气体调节模块、温度控制模块依次连接，所述的空压机模块包括依次连接的空压机(1)、第一截止阀(2)、储气罐(5)、第二截止阀(6)、干燥器(7)及过滤器(8)，所述的储气罐(5)上设有第一温度传感器(4)和第一压力传感器(3)，所述的第一温度传感器(4)和第一压力传感器(3)采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上，所述的气体调节模块包括相互连接的用于调节涡旋膨胀机(20)入口气体压力的减压阀(9)和用于调节气体流量的调节阀(10)，所述的背压调节模块为一针阀(24)，所述的针阀(24)与涡旋膨胀机(20)连接，所述的温度控制模块包括相互连接的加热器(11)及温度控制器，加热器(11)的出口端与换向阀(14)的入口端相连，经过换向阀(14)后，分为两路出口，一路出口直接与大气接通，另一路出口依次与涡旋膨胀机(20)以及针阀(24)相连，所述的测功机模块与涡旋膨胀机(20)连接，所述的测功机模块采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上；

首先，打开第一截止阀(2)，启动空压机(1)，开始向储气罐(5)中充气，当第一压力传感器(3)的压力值快达到所需的设定值时，将换向阀(14)转换到与大气连通，打开第二截止阀(6)，增加减压阀(9)和调节阀(10)的开度，使气体能够流通，压缩空气经干燥器(7)、过滤器(8)后，成为洁净的干空气，再经减压阀(9)、调节阀(10)的调节，达到所需的压力和流量范围，最后经过加热器(11)加热到设定温度，待第四温度传感器(12)所示的温度达到设定值后，打开针阀(24)，将换向阀(14)从与大气连通切换到与涡旋膨胀机(20)连通，实验测试开始。

2.根据权利要求1所述的一种涡旋膨胀机性能测试系统，其特征在于，所述的温度控制模块与换向阀(14)之间设有第四温度传感器(12)及第四压力传感器(13)，所述的第四温度传感器(12)及第四压力传感器(13)采集的数据通过MCGS软件上传至上位机。

3.根据权利要求1所述的一种涡旋膨胀机性能测试系统，其特征在于，所述的换向阀(14)与涡旋膨胀机(20)之间设有第一流量计(15)、第二温度传感器(16)及第二压力传感器(18)，所述的第一流量计(15)、第二温度传感器(16)及第二压力传感器(18)采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上。

4.根据权利要求1所述的一种涡旋膨胀机性能测试系统，其特征在于，所述的涡旋膨胀机(20)与背压调节模块之间设有第二流量计(21)、第三压力传感器(22)及第三温度传感器(23)，所述的第二流量计(21)、第三压力传感器(22)及第三温度传感器(23)采集的数据通过MCGS软件上传到上位机上。

5.根据权利要求1所述的一种涡旋膨胀机性能测试系统，其特征在于，所述的测功机模块包括相互连接的测功机(19)及测功机控制器(17)，所述的测功机(19)与涡旋膨胀机(20)连接，所述的测功机控制器(17)对涡旋膨胀机(20)的输出特性进行调节。