CN106460569B - 用于使蒸汽膨胀的装置和控制所述装置的方法 - Google Patents

用于使蒸汽膨胀的装置和控制所述装置的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于使蒸汽膨胀的装置，该装置(1)包括膨胀机(2)，膨胀机具有连接至进口管(5)的进口(3)和连接至出口管(6)的出口(4)，进口管(5)设置有进口阀(7)并且出口管(6)设置有出口阀(8)，当膨胀机(2)不运转时，通过关闭阀(7、8)来使阀(7、8)之间的空间(9)隔离，装置(1)设置有蒸汽供给部(16)，当膨胀机(2)不运转时，蒸汽供给部调节阀(7、8)之间的空间(9)，使得不会有空气渗入到空间(9)中。

Description

用于使蒸汽膨胀的装置和控制所述装置的方法
技术领域
本发明涉及用于使蒸汽膨胀的装置。
蒸汽在此处指的是水蒸气或者任何其他形式的两相气体。
更具体地，本发明涉及用于使蒸汽膨胀的装置，该装置包括具有转子的膨胀机，该转子用于将蒸汽能转换成转子的轴上的机械能，该膨胀机包括连接至蒸汽进口管的进口和连接至蒸汽出口管的出口，其中，进口管设置有进口阀，并且出口管设置有出口阀，当膨胀机不运转时，通过关闭进口阀和出口阀来使进口阀和出口阀之间容纳膨胀机的空间隔离。
背景技术
众所周知，这样的装置使高压蒸汽膨胀成低压蒸汽，从而产生机械能或者电能。
在运转期间，进口阀和出口阀是打开的，并且装置完全处于蒸汽中。
当装置停止时(例如，因为不存在对蒸汽或能量的需求，或者因为存在故障状况)，进口阀和出口阀被关闭，并且蒸汽被封闭在装置中，更具体地，被封闭在这两个阀之间容纳膨胀机的空间中。
被封闭的蒸汽冷却至环境温度，由于蒸汽的特性前述空间中的压力将下降，并且在进口阀和出口阀之间将产生强真空。
由此，空气会例如穿过蒸汽膨胀机或阀中或者其他位置的密封件而吸入到装置中。
装置中的空气和蒸汽冷凝液的组合产生了强腐蚀性环境，装置的部件以及膨胀机因此暴露于该环境中。
这具有使这些部件的寿命显著缩短的缺点。
此外，对于装置的可靠性而言，这具有有害的后果。
另外的缺点是：膨胀机自身的腐蚀会使效率下降，使得一旦再次起动膨胀机则产生较少的能量。
另外的缺点是：装置中的空气还会造成下游的出口管中的问题，如当单元被再次起动时会发生管和设备的腐蚀，以及例如由于热交换器中减少的热传递而发生过程中的效率损失。
发明内容
本发明的目的是针对前述和其他缺点中的至少一个提供解决方案。
本发明的目的是提供用于使蒸汽膨胀的装置，该装置包括具有转子的膨胀机，该转子用于将蒸汽能转换成转子的轴上的机械能，该膨胀机包括连接至蒸汽进口管的进口和连接至蒸汽出口管的出口，其中，进口管设置有进口阀，并且出口管设置有出口阀，当膨胀机不运转时，通过关闭进口阀和出口阀来使进口阀和出口阀之间容纳膨胀机的空间隔离，此装置还设置有蒸汽供给部，当膨胀机不运转时，蒸汽供给部向进口阀和出口阀之间的前述空间提供过压蒸汽。
过压在此处指的是高于膨胀机环境压力(在许多情况下为当地大气压力)的压力。
优点是：前述空间处于过压下而没有出现真空，因此不会有空气进入到装置中。
因此，装置中腐蚀性环境的风险保持在最低限度，使得可以限制归因于此的负面后果。
优选地，蒸汽供给部设置有连接至控制器的供给阀，当膨胀机停止运转时，控制器打开供给阀，并且当膨胀机恢复运转时，控制器再次关闭供给阀。
这具有以下优点：仅当膨胀机停止运转时，换句话说，仅在有必要防止吸入空气的腐蚀或者其他有害后果时，才提供蒸汽供给部供给的蒸汽。
在实用的实施例中，膨胀机设置有用于排出冷凝液的排出管，其优点在于：不会在膨胀机中积聚会有害地影响膨胀机良好运转的冷凝液。
在优选的实施例中，蒸汽供给部由蒸汽供给管形成，蒸汽供给管从进口阀上游的进口管分接蒸汽，和/或从出口阀下游的出口管分接蒸汽。
这具有以下优点：可以使用已经能够在进口管或者出口管中获得的蒸汽，而不必单独地生产额外的蒸汽。
当然，仅仅在出口阀下游的出口管中的蒸汽处于足够的压力情况下，才可以使用来自出口阀下游的出口管的蒸汽，足够的压力指的是出口管中的压力必须至少大于两个阀之间的前述空间中的压力，并且优选大于环境压力。
根据本发明的优选的特征，装置设置有至少一个压力传感器和/或温度传感器，传感器的信号连通至控制器，并且基于该信号，控制器不同程度地打开或关闭供给阀，以在进口阀和出口阀之间的空间中获得过压。
此特征的优点在于：将供给使所述空间保持过压所需的蒸汽量。
在实用的实施例中，优选地设置有防止膨胀机的转子在膨胀机不运转时被蒸汽供给部供给的蒸汽驱动的措施。
这具有以下优点：在不使用时，转子不会进行不期望的运转。
本发明还涉及用于控制根据本发明的使蒸汽膨胀的装置的方法，该装置包括膨胀机，膨胀机具有连接至进口管的进口、连接至出口管的出口以及用于将蒸汽能转换成转子的轴上的机械能的转子，该方法包括在膨胀机不运转时关闭进口阀和出口阀的步骤，其特征在于，在前述步骤期间，该方法包括将蒸汽供给至进口阀和出口阀之间容纳膨胀机的封闭空间。
附图说明
为了更好地示出本发明的特征，下面参照附图以示例性而没有任何限制性的方式描述了根据本发明的装置的一些优选实施例，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的装置；
图2和图3各自示意性地示出了图1的装置的替代实施例。
具体实施方式
图1中示出的装置基本上包括具有进口3和出口4的膨胀机2。
进口3连接至蒸汽(其例如来源于蒸汽发生器或者工业过程)的进口管5，出口4连接至蒸汽(其例如用于工业过程的供给)的出口管6。
进口管5设置有进口阀7，而出口管6设置有出口阀8。
两个阀7、8之间的空间9容纳膨胀机。
在此实例中，膨胀机2是具有转子10的螺杆膨胀机2，在此实例中，转子为具有阴转子10a和阳转子10b的双转子10，阴转子和阳转子设置有互相啮合的叶片。
阳转子10b固定至轴11，轴11驱动发电机12。发电机12连接至电气负载13。
膨胀机2设置有冷凝液的排出管14。在此实例中，排出管14设置有可控阀15，但是其也可以例如是冷凝液分离器。
此外，蒸汽供给部16以蒸汽供给管17的形式设置，蒸汽供给管17形成进口阀7的直接旁路，该蒸汽供给管一方面连接至进口阀7上游的进口管5，并且另一方面连接至进口阀7下游的进口管5。
蒸汽供给管17设置有供给阀18，供给阀在此实例中构造为控制阀18。
还设置有控制器19，其连接至控制阀18，并且连接至压力传感器20以测量前述空间9中的压力(在此实例中为膨胀机2的进口3处的压力)。
装置1还设置有防止在膨胀机2不运转时双转子10进行不期望运转的措施。
在图1的实例中，所述措施由机械制动器21形成，机械制动器可以由控制器19启用或者停用。
不排除的是：控制器19也连接至排出管14中的前述可控阀15。
装置1的操作是非常简单的并且如下所述。
为了驱动发电机12，打开进口阀7和出口阀8，以便向膨胀机2供给来源于蒸汽发生器(例如进口管5连接的蒸汽发生器)的蒸汽。
由此，膨胀机2的双转子10被驱动，蒸汽经历膨胀，从而蒸汽能被转换成阳转子10b的轴11(发电机12连接至该轴上)上的机械能。
发电机12将产生可以供给至电气负载13的电能。
膨胀后的蒸汽经由膨胀机2的出口4移除并利用出口管6供给至位于下游侧的生产过程，或者被供送回蒸汽发生器。此蒸汽也可以引导至蒸汽负载。
当暂时不需要蒸汽或者能量时，通过关闭进口阀7和出口阀8来使膨胀机2停止运转，如图1中所示，从而使进口阀7和出口阀8之间的前述空间9隔离。
该空间9中的蒸汽经过一定时间后冷却，压力将下降并且真空将产生。
为了防止上述情况发生，基于由控制器19所产生的控制信号，通过不同程度地打开供给阀18来将蒸汽供给至空间9，控制器确保空间9中相对于环境总是为过压，以防止空气从外侧渗入。
为此，控制器连续地或者间歇地确定前述空间9中的压力和环境压力之间的差值。
基于所述差值，控制器19确定是否需要及何时需要供给蒸汽和需要供给多少蒸汽来维持空间9相对于环境的过压。
为此，基于这些测量值，控制器19将不同程度地打开供给阀18，并且经由蒸汽供给管17向空间9供给蒸汽至膨胀机2的进口3处，以在前述空间9中获得过压。
因为供给的蒸汽来源于供给未膨胀蒸汽的供给管17，所以蒸汽相对于前述空间9中的蒸汽将处于过压。
在此实例中，过压被控制器19维持在设定值，例如超过环境压力1千帕。
通过在前述空间9中产生相对于环境压力的过压，不会有空气渗入到该空间9中，因此不会有空气渗入到膨胀机2中。
由此，不会出现腐蚀性环境，并且防止了与其相关的不利后果。
通过打开可控阀15来经由冷凝液的排出管14去除产生的冷凝液。
不排除的是：在膨胀机2的运转期间，打开可控阀15来去除冷凝液。
这样，可以防止膨胀机2中冷凝液的积聚。
此外，也可以通过控制器19来控制可控阀15。
为了防止双转子10由于所供给的蒸汽而进行运转(这在膨胀机2不运转时是不期望的)，当膨胀机2不运转时，控制器19将启用双转子10的轴11上的制动器21。
当再次存在对蒸汽或者能量的需求时，进口阀7和出口阀8可以再次打开并且膨胀机2可以恢复运转。
控制器19然后将关闭供给阀18并且停用制动器21。
图2示出了替代的第二实施例。
该装置与前述装置1的区别在于：蒸汽供给部16现在由经由跨出口阀8的直接旁路而从出口阀8下游的出口管6分接蒸汽的蒸汽供给管17形成，并且蒸汽供给管17将分接出的蒸汽供给至进口阀7和出口阀8之间的空间9中(在此实例中，供给至膨胀机2的出口4处)。
在此实例中，压力传感器20由出口4的位置处的温度传感器22替代，该温度传感器22使控制器19能够间接地确定空间9中的压力。
毕竟，在饱和蒸汽的情况下，压力和温度之间存在明确的联系。
此外，机械制动器21由电源23替代，电源联接至发电机12，以在必要时将直流电注入到发电机中来阻止其转动。
图2的装置1的运转类似于图1的装置1的运转，只是蒸汽供给部16将来源于出口管6的蒸汽供给至膨胀机2的出口4。
这在出口管6中的压力大于前述空间9中的压力时是可行的。
基于通过温度传感器22获得的测量值，控制器19控制供给阀18。
为了防止双转子10的轴11由于所供给的蒸汽而进行运转，在此实例中，使用电池23来向发电机12的绕组施加直流电。
由此，如同双转子10的轴11上的制动器那样，将发电机12用作为制动器。
可以使用除了电池23以外的其他电源来向发电机12的绕组施加直流电。
图3示出了图1的装置1的另一变例。
该装置1与第一实施例是一致的，但是还设置有额外的蒸汽管24，该蒸汽管在前述空间9中位于进口3处的连接点和前述空间9中位于出口4处的连接点之间形成了旁路。
此外，作为制动器21的替代，防止双转子10转动的措施通过以下方式来实现：将处于相同压力的蒸汽供给至膨胀机2的两侧，则不会有蒸汽流经膨胀机。
该装置的运转类似于第一实施例的运转。
当在此实例中供给阀18被控制器19打开时，在膨胀机2的停机期间，将在膨胀机2的进口3和出口4两者处存在蒸汽供给。
由此，膨胀机2的两侧同时处于压力下，这防止膨胀机2的双转子10由于两侧之间的压力差而进行运转。
在该实施例中也不排除蒸汽供给管17从出口管6而不是从进口管5分接蒸汽。
为了防止膨胀机2运转，可以选择的是：例如，选择尽可能小的通过供给阀18的流量，使得其不足以驱动双转子10。
显然，在每个描述的实施例中，可以使用一种或多种描述的用于防止双转子10被蒸汽供给部16供给的蒸汽驱动的措施。
此外，还显然的是，在每个描述的实施例中，可以在进口3和出口4处的不同合适位置处设置一个或多个压力传感器20和/或一个或多个温度传感器22。
此外，还显然的是，螺杆膨胀机2还可以是其他种类的膨胀机或者例如是透平机等。
还显然的是，不排除在没有供给阀18和没有控制器19的情况下装置1也能运转，其中，供给阀18例如由可调节的开口替代，当关闭进口阀7和出口阀8时，该开口允许流过足够的蒸汽来确保空间9中的压力相对于环境总是处于过压。
也可以将供给阀18与进口阀7或者出口阀8结合。或者换句话说：进口阀7和/或出口阀8起到了供给阀18的作用并且在停机期间将也由控制器19控制。
本发明绝不局限于作为示例描述和在附图中示出的实施例，而是能够在不背离本发明范围的情况下以不同的变例来实现用于使蒸汽膨胀的装置和用于控制所述装置的方法。

Claims (22)

1.一种用于使蒸汽膨胀的装置，该装置(1)包括具有转子(10)的膨胀机(2)，该转子用于将蒸汽能转换成转子(10)的轴(11)上的机械能，该膨胀机(2)包括连接至蒸汽进口管(5)的进口(3)和连接至蒸汽出口管(6)的出口(4)，蒸汽进口管(5)设置有进口阀(7)并且蒸汽出口管(6)设置有出口阀(8)，当膨胀机(2)不运转时，通过关闭进口阀(7)和出口阀(8)来使进口阀(7)和出口阀(8)之间容纳膨胀机(2)的封闭空间(9)隔离，其特征在于，装置(1)还设置有蒸汽供给部(16)，当膨胀机(2)不运转时，蒸汽供给部调节进口阀(7)和出口阀(8)之间的前述封闭空间(9)，使得不会有空气渗入到前述封闭空间(9)中；并且，蒸汽供给部(16)由蒸汽供给管(17)形成，该蒸汽供给管从进口阀(7)上游的蒸汽进口管(5)分接蒸汽，和/或从出口阀(8)下游的蒸汽出口管(6)分接蒸汽。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，蒸汽供给部(16)设置有连接至控制器(19)的供给阀(18)，当膨胀机(2)停止运转时，控制器打开供给阀(18)，并且当膨胀机(2)恢复运转时，控制器再次关闭供给阀(18)。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于，供给阀(18)是控制阀，利用其能够控制进口阀(7)和出口阀(8)之间的封闭空间(9)中的过压。
4.根据上述任一项权利要求的装置，其特征在于，膨胀机(2)设置有用于排出冷凝液的排出管(14)。
5.根据权利要求4的装置，其特征在于，排出管(14)设置有冷凝液分离器或者可控阀(15)。
6.根据权利要求1的装置，其特征在于，蒸汽供给管(17)形成跨进口阀(7)和/或跨出口阀(8)的直接旁路。
7.根据上述权利要求2或3的装置，其特征在于，装置(1)设置有至少一个压力传感器(20)和/或温度传感器(22)，其信号连通至控制器(19)，并且基于该信号，控制器(19)不同程度地打开和关闭供给阀(18)，以在进口阀(7)和出口阀(8)之间的封闭空间(9)中获得过压。
8.根据权利要求7的装置，其特征在于，控制器(19)使所述过压保持在设定值。
9.根据上述权利要求2、3、5、6或8的装置，其特征在于，膨胀机(2)是螺杆膨胀机。
10.根据上述权利要求2、3、5、6或8的装置，其特征在于，该装置设置有在膨胀机(2)不运转时防止膨胀机(2)的转子(10)被蒸汽供给部(16)供给的蒸汽驱动的措施。
11.根据权利要求2的装置，其特征在于，该装置设置有在膨胀机(2)不运转时防止膨胀机(2)的转子(10)被蒸汽供给部(16)供给的蒸汽驱动的措施，并且前述措施由供给阀(18)构成，该供给阀允许通过不足以驱动膨胀机(2)的转子(10)的流量。
12.根据权利要求1的装置，其特征在于，该装置设置有在膨胀机(2)不运转时防止膨胀机(2)的转子(10)被蒸汽供给部(16)供给的蒸汽驱动的措施，并且所述措施由在进口(3)和出口(4)二者处供给至前述封闭空间(9)的蒸汽构成。
13.根据权利要求10的装置，其特征在于，前述措施由转子(10)的轴(11)上的制动器(21)形成，当膨胀机(2)不运转时，该制动器启用，并且当膨胀机(2)运转时，该制动器停用。
14.根据权利要求13的装置，其特征在于，制动器(21)是机械制动器。
15.根据权利要求13的装置，其特征在于，转子(10)机械地联接至发电机(12)，当膨胀机(2)不运转时，通过向发电机(12)的绕组施加直流电而将该发电机用作为制动器(21)。
16.一种用于控制使蒸汽膨胀的装置(1)的方法，该装置(1)包括膨胀机(2)，膨胀机具有连接至蒸汽进口管(5)的进口(3)、连接至蒸汽出口管(6)的出口(4)以及用于将蒸汽能转换成转子(10)的轴(11)上的机械能的转子(10)，所述方法包括在膨胀机(2)不运转时关闭进口阀(7)和出口阀(8)的步骤，其特征在于，在前述步骤期间，所述方法包括将蒸汽供给至进口阀(7)和出口阀(8)之间容纳膨胀机(2)的封闭空间(9)；并且，对于向前述封闭空间(9)提供蒸汽的蒸汽供给部(16)，从蒸汽进口管(5)和/或蒸汽出口管(6)分接蒸汽。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，至少在膨胀机(2)不运转时去除前述封闭空间(9)中产生的冷凝液。
18.根据上述权利要求16或17的方法，其特征在于，测量容纳膨胀机的前述封闭空间(9)中的压力和环境压力，确定这两个压力之间的差值，并且基于前述差值，增加或减少蒸汽供给部(16)供给的蒸汽，以在前述封闭空间(9)中获得过压。
19.根据上述权利要求16或17的方法，其特征在于，所述方法防止膨胀机(2)的转子(10)在膨胀机(2)不运转时被蒸汽供给部(16)供给的蒸汽驱动。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于，向前述封闭空间(9)供给不足以驱动膨胀机(2)的转子(10)的蒸汽。
21.根据权利要求19的方法，其特征在于，向膨胀机(2)的进口(3)和出口(4)二者供给蒸汽。
22.根据权利要求19的方法，其特征在于，当膨胀机(2)不运转时，转子(10)的轴(11)被制动，并且当膨胀机(2)运转时，该轴被释放。
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