CN106460570B - 使气体压缩和膨胀的设备及在两压力网中控制压力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于使气体压缩和膨胀的设备，其特征在于：该设备(1)包括能够沿两个方向驱动的装置(2)，沿一个方向，该装置(2)操作而压缩气体，沿另一方向，该装置(2)操作而使气体膨胀。

Description

使气体压缩和膨胀的设备及在两压力网中控制压力的方法
本发明涉及一种用于使气体压缩和膨胀的设备以及一种用于在具有不同额定压力水平的两个网络中控制压力的方法。
已知在工业环境中，气体网络用于在不同压力下联接网络。气体能够是例如蒸汽，但是也可以是压缩空气、天然气、氮气或其它类型气体。
在网络中的压力通过在气体供给和气体消耗之间的平衡而获得，这又通过将气体从特定压力压缩至更高压力(通过“压缩站”)或者通过将气体从特定压力膨胀至更低压力(通过“膨胀站”)而进行控制。该膨胀站能够是简单的减压阀，或者是膨胀机，该膨胀机将压力差转变成机械和/或电能。
不过，已知的设备或机器只能够沿一个方向处理气体：在减压阀和膨胀机中从高压至低压，或者在压缩机中从低压至高压。
这样的缺点是，在膨胀站的情况下，低压气体不能沿相反方向压缩成高压气体，例如灵活地响应高压网络中的气体要求的增加。还有，压缩站不能用作膨胀站或者灵活地响应在低压网络中的增加的要求。
通常，具有单独的压缩站和单独的膨胀站的气体网络的缺点是它们不容易部署成用于能量储存。
如已知的那样，电能量不能直接储存，有利的是在电能量过剩时可以用于压缩气体并使用气体网络作为能量储存容积，且该压缩气体通过膨胀机而膨胀回来，以便产生电能。
不过，普通设备对于操作而言是单向的，不能用于该目的。
通常还需要在所述站中安装两个或更多机器，即，至少一个膨胀机和至少一个压缩机。
这样的缺点是它的整个安装和控制变得更复杂昂贵。
本发明的目的是提供一种用于解决至少一个前述和其它缺点的方案。
本发明的目的是一种用于使气体压缩和膨胀的设备，因此，该设备包括能够沿两个方向驱动的装置，沿一个方向，该装置操作而压缩气体，沿另一方向，该装置操作而使气体膨胀。
优点是，这样的设备沿两个方向操作，这意味着根据本发明的设备能够使气体膨胀和压缩。
因此，能够使用一个机器来供给处于不同压力下的两个网络，因此能够更灵活地响应不同网络的需求。
优点是，这样，能够根据是电能量过剩还是需求电能量而通过分别使用该站作为压缩站或膨胀站而将气体网络用作能量储存容积。
这样的附加优点是能够节省成本。
而且，整个安装能够简化。它的控制也更简单，因为在单独的压缩机和膨胀机之间没有相互作用。
优选是，当装置操作而用于气体的膨胀时，能量能够通过所述设备从气体中回收。
这与普通的膨胀机类似，具有能量损失更少的优点。
本发明还涉及一种用于控制在具有不同额定压力水平的网络中的压力的方法，该网络分别为高压网络和低压网络，其特征在于：这两个压力网络通过一个装置连接在一起，该装置能够用作压缩机，用于将气体从低压网络压缩至高压网络，且该装置能够用作膨胀机，用于使得气体从高压网络膨胀至低压网络，因此，该方法包括：根据在高压网络和/或低压网络中的压力而控制该装置而使其用作压缩机或膨胀机。
这样的方法具有的优点是，它比使用单独压缩机和单独膨胀机的方法简单得多，例如，因为在单独压缩机和膨胀机之间没有相互作用。
该优点与根据本发明的设备的上述优点类似。
为了更好地理解本发明的特征，下面将通过实例(没有任何限制性质)参考附图介绍根据本发明的设备和用于该设备的方法的几种优选变化形式，附图中：
图1示意表示了根据本发明的设备；
图2表示了图1的可选实施例；
图3示意表示了根据本发明的方法。
图1中所示的设备1主要包括装置2，该装置2能够沿两个方向被驱动，因此，沿一个方向，它用作用于压缩气体的压缩机，沿另一方向，它用作用于使气体膨胀的膨胀机。
在本例中，装置2提供了在高压网络3和低压网络4之间的连接，该高压网络具有例如在16巴压力的空气，该低压网络4具有例如在4巴压力的空气。
在本例中(但并不必须)，该装置是具有两个啮合的螺杆5的改进的螺杆膨胀机-压缩机，这两个螺杆5安装在壳体6中的轴承上，该壳体6设有两个通道7a、7b。
第一通道7a通过低压管道8而与低压网络4连接，第二通道7b通过高压管道9而与高压网络3连接。
通过使得螺杆10沿一个方向或沿另一方向旋转，螺杆膨胀机-压缩机2将能够从第一通道7a向第二通道7b压缩气体，或者能够从第二通道7b向第一通道7a使气体膨胀。
换句话说，第一通道7a在装置2被驱动为压缩机时用作进口，在装置2被驱动为膨胀机时用作出口。
第二通道7b在装置2被驱动为压缩机时用作出口，在装置2被驱动为膨胀机时用作进口。
螺杆5的叶片啮合在一起，并与壳体6一起限定了气密腔室10，当螺杆5沿一个方向或沿另一方向旋转时，该气密腔室10从第一通道7a运动至第二通道7b(或者相反)，从而分别逐渐变得更小或更大，因此，捕获在该气密腔室10中的气体能够分别被压缩或膨胀。
优选是，装置2设有所需的双向密封件，该双向密封件保证沿两个方向的所需密封，装置2能够沿这两个方向被驱动。使用的轴承(例如，在壳体中的螺杆5的轴承)也能够沿两个方向旋转，装置2能够沿这两个方向被驱动。
这些措施将保证装置2能够沿两个方向操作，而不会由于较差密封或轴承中的摩擦损失而有较大损失。
两个螺杆5中的一个固定在伸出轴11上，该伸出轴11穿过壳体6延伸至外部，且在本例中，该伸出轴11与马达13的轴12联接，在本例中为感应马达13。
在所述装置操作而用作压缩机时(用于使空气压缩)，马达13能够用于驱动该装置。
在所述装置2操作为膨胀机时，马达13还用作发电机，以便将伸出轴11上的机械能转变成电能。
显然，代替感应马达13，也能够使用其它类型的马达，只要该马达也能够在要回收能量时用作发电机即可。
马达13通过四象限转换器而与电网14连接，该四象限转换器能够从电网14吸收能量，并能够将由设备1回收的能量供给电网14。
在本例中，进口阀16固定在高压管道9中，以便对气体从高压网络3通过装置2向低压网络4的供给进行控制。
与进口阀16并联地，在旁通管道17中提供了止回阀18，该止回阀18只允许气体从低压网络4流向高压网络3。这意味着，只有当装置2操作为压缩机时气体才能够流过止回阀18。
在本例中，换热器19布置成与止回阀18串联，用于冷却由装置2压缩的气体。
设备1还提供有控制单元20，用于控制该设备1，更具体地说，用于控制马达13和进口阀16，以便控制在高压网络3和低压网络4中的压力。
控制单元20还与用于确定在高压网络3和低压网络4中的压力的装置21、22联接。
在本例中，这些装置21、22构成为压力传感器，该压力传感器将它们的信号发送给控制单元20。
设备1的操作非常简单，表示如下。
设备1的装置2能够被驱动为膨胀机或压缩机。
当装置2被驱动为膨胀机时，控制单元20将控制进口阀16，以使得具有近似16巴压力的气流Q能够从高压网络3通过装置2。止回阀18将不允许从高压网络3至装置2的任何气流。
气流Q将通过装置2而膨胀至4巴压力，因此，螺杆5工作，气密腔室10从第二通道7b运动至第一通道7a，从而逐渐变得更大。这样，气流Q将在4巴的低压下供给低压网络4。
两个螺杆5中的一个将驱动伸出轴11，这样，感应马达14将产生电或因此产生电能，在本例中，该感应马达14作为发电机而由伸出轴11驱动。
呈电能形式的回收能量将通过四象限转换器15而被供给到电网14。
当装置2被驱动为压缩机时，控制器20将驱动感应马达13，以使得螺杆5的伸出轴11沿另一方向被驱动，这样，装置2操作为压缩机。感应马达13将通过四象限转换器15而从电网14吸收能量。
气流Q'将从低压网络4由装置2压缩至16巴的压力，因此，在本例中，气密腔室10从第一通道7a运动至第二通道7b，从而逐渐变得更小。气流Q'还能够被压缩至稍微高于16巴的压力，以便考虑例如管道损失，该管道损失特别可能在换热器19中产生。
如已知的那样，气体的温度将在压缩过程中增加。
当压缩气体在16巴的高压力下离开所述装置时，它将通过止回阀18而供给道高压网络3，因此，进口阀16通过控制单元20而完全关闭。
在气体通过止回阀18之前，它将通过换热器19，以便冷却压缩后的气体。
显然，进口阀16和止回阀18将保证设备的膨胀机操作和压缩机操作很好地进行，因此，进口阀16将保证在膨胀机操作过程中对进入气流的良好控制，止回阀18将保证压缩气体无阻碍地流向高压网络3。
不管装置2被驱动的方向如何，密封件和轴承将保证沿各方向的充分密封和尽可能低的摩擦损失。
控制单元20将确定所述装置2必须被驱动的方向(作为膨胀机或者作为压缩机)，因此将使用根据本发明的方法来用于控制两个分开的网络3和4的压力。
因此，控制单元20包括根据高压网络3和低压网络4中的压力来控制所述装置2的算法，该算法实施所述方法的多个步骤。
在第一步骤中，将由装置21和22来确定高压网络3和低压网络4的压力。
根据这些压力，将进行以下步骤中的一个：
当在高压网络3中的压力低于设置值PHA时，控制所述装置而使其作为压缩机；
当在低压网络4中的压力低于设置值PLA时，控制所述装置2而使其作为膨胀机；
当低压网络4和高压网络3中的压力都低于设置值PLA和PHA时，关闭装置2；
当低压网络4和高压网络3中的压力都高于设置值PLA和PHA时，根据选择来控制所述装置2而使其作为膨胀机或压缩机。
这在图3中示意表示。在附图中，水平轴线表示在低压网络4中的压力，因此，PL是低压网络4的目标值或额定压力水平，并等于4巴。竖直轴线表示在高压网络3中的压力，其中，目标值或额定压力水平PH为16巴。
在图中能够识别四个区域I至IV。在区域I中，在低压网络4和高压网络3中的压力低于设置值PLA和PHA，这些设置值PLA和PHA优选是低于目标值PL和PH0.2巴。
在该区域中，控制单元20将关闭装置2，因此，在网络3和4之间能够没有气流Q或Q’。
在区域IV中，在两个网络3和4中的压力都高于相应的设置值PHA或PLA。控制单元20将能够控制所述装置2作为压缩机或者作为膨胀机。
例如，可以选择而确定用于电网14的需求或合适的电或电能，并根据该需求来控制所述装置2作为压缩机或膨胀机。这样，能够响应与该电网14连接的任何电消费者的电力需求。
替代地，当在设置值PLA和低压网络4中的压力之间的差值大于在设置值PHA和高压网络3中的压力之间的差值时，选择将装置2控制为压缩机，且当在设置值PLA和低压网络4中的压力之间的差值小于在设置值PHA和高压网络3中的压力之间的差值时，选择将装置2控制为膨胀机。
下面给出在区域IV中的可能控制的几种其它可能性(并不是用于限制本发明)。
——高压网络3的压力控制，控制单元20将控制装置2，以便一直保持目标值PH。在高压气体的较大需求情况下，装置2将操作为压缩机，并从低压网络4向高压网络3压缩气体。当高压气体的需求下降时，在第一情况下，装置2将停机，以使得气流Q’减小。当需求进一步下降时，装置2将停止，然后开始操作为膨胀机，以便使得气体从高压网络3向低压网络4膨胀，这样，在高压网络3中的压力保持在目标值PH。
——低压网络4的压力控制：控制单元20将控制所述装置2，以便通过应用与上述原理类似的控制而一直保持目标值PL。
——使能量的产生最大化：控制单元20将控制所述装置2，以使得装置2产生尽可能多的能量。这意味着装置2将一直被驱动为膨胀机，优选是处于产生能量最大的速度。这样的控制将保持，只要在两个网络3和4中的压力都高于相应的设置值PHA或PLA。
——能量消耗最大：控制单元20将控制所述装置2，以使得装置2消耗尽可能多的能量。这意味着装置2将一直被驱动为压缩机，优选是处于能量消耗最大的速度。这样的控制将保持，只要在两个网络3和4中的压力都高于相应的设置值PHA或PLA。
当在高压网络3中的压力低于设置值PHA，且在低压网络4中的压力高于设置值PLA时，控制单元20将控制所述装置2作为压缩机，以便这样向高压网络3供给来自低压网络4的气体。这对应于在附图3中的区域II。
在本例中，装置2将只在还满足在低压网络4中的压力高于预设值PLB(该PLB高于PLA)的条件时才被控制为压缩机。换句话说，在区域Ib中，装置2将不操作为压缩机，而是例如将关闭。
当低压网络4中的压力低于设置值PLA，且在高压网络3中的压力高于PHA时，控制单元20将控制所述装置2作为膨胀机，以便这样向低压网络4供给来源于高压网络3的气体。这对应于在图3的附图中的区域III。
在本例中，装置2将只在还满足在高压网络3中的压力高于预设值PHB(该PHB高于PHA)的条件时才被控制为膨胀机。换句话说，在区域Ia中，装置2将并不操作为膨胀机，而是例如关闭。
前述预设值PLB和PHB优选是比目标值PH和PL低0.1巴。
通过使用设置值，能够保证只有当一个网络自身具有足够高压力时所述一个网络才供给另一网络，以便防止所述一个网络由于装置2的操作或者装置2的重复开关而处于太低的压力。
显然，上述设置值PLA、PHA和预设值PLB、PHB只是实例。例如，能够将值PLB或PHB选择为等于或者甚至大于目标值PL或PH。
图2表示了根据本发明的装置1的可选实施例。在本例中，冷却风扇23设置在马达13的轴12的位置处，用于沿两个方向都冷却该轴12(装置2能够沿这两个方向被驱动)。
而且，进口阀16设置于低压管道8中，且与该进口阀16并联地只设置了止回阀18，但是没有换热器19。
设备1的其余部分与图1中所示的设备1相同。
第三可能变化形式将包括使得图1中的换热器19移动至高压管道9中，在高压网络3的一侧恰好邻近装置2。在图1的结构中，这意味着换热器19这时将布置在装置2的左侧。
换热器19能够用于当装置2操作为压缩机时冷却压缩后的气体，但是当装置2操作为膨胀机时只是进行预热。
尽管在所示实施例中，进口阀16和止回阀18单独地构成，但是并不排斥将这两个阀16和18固定在一个壳体中，或者使用一个专门控制的阀，该阀组合了这两个阀16和18的功能。
本发明决不局限于作为实例介绍和在附图中表示的实施例，而是该设备和方法能够以不同变化形式来实现，而并不脱离本发明的范围。

Claims (19)

1.一种用于使气体压缩和膨胀的设备，该设备(1)包括能够沿两个方向被驱动的装置(2)，沿一个方向，该装置(2)操作而压缩气体，沿另一方向，该装置(2)操作而使气体膨胀，该设备(1)包括：高压管道(9)，该高压管道(9)使得装置(2)与高压网络(3)连接；以及低压管道(8)，该低压管道(8)使得装置(2)与低压网络(4)连接，因此，当装置(2)沿一个方向被驱动时，装置(2)能够将气体从低压网络(4)压缩至高压网络(3)，当它沿另一方向被驱动时，气体能够从高压网络(3)膨胀至低压网络(4)，其特征在于，进口阀(16)固定在高压管道(9)中或固定在低压管道(8)中，用于对气体从高压网络(3)通过装置(2)向低压网络(4)的供给进行控制，而止回阀(18)与该进口阀(16)并联地设置，该止回阀(18)允许气体从低压管道(8)流向高压管道(9)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：当装置(2)操作而用于使气体膨胀时，能够通过设备(1)而从气体中回收能量。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：装置(2)是具有啮合的两个螺杆(5)的改进的螺杆膨胀机-压缩机，这两个螺杆(5)安装在壳体(6)中的轴承上，该壳体(6)设有两个通道，根据装置(2)是沿用于压缩气体的一个方向被驱动还是沿用于使气体膨胀的另一方向被驱动，这两个通道中的第一通道(7a)能够用作进口或出口，根据装置(2)是沿用于压缩气体的一个方向被驱动还是沿用于使气体膨胀的另一方向被驱动，这两个通道中的第二通道(7b)能够用作出口或进口。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：装置(2)设有所需的双向密封件，该双向密封件保证沿两个方向的所需密封，装置(2)能够沿所述两个方向被驱动。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：装置(2)设有轴承，该轴承能够允许所述装置(2)沿两个方向被驱动旋转。
6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：设备(1)设有马达(13)，该马达(13)有轴(12)，该轴(12)与装置(2)连接，当装置(2)操作而压缩气体时，该马达(13)能够用作马达(13)以便驱动所述装置(2)，而当装置(2)操作而使气体膨胀时，该马达(13)能够用作发电机，用于从气体中回收能量。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：马达(13)是感应马达。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：该设备(1)设有冷却风扇(23)，用于沿两个方向冷却马达(13)的轴(12)，装置(2)能够沿这两个方向被驱动。
9.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：该设备(1)设有四象限转换器(15)，当装置(2)操作而使气体膨胀时，该四象限转换器(15)能够将由设备(1)回收的能量供给到电网(14)，当所述装置操作而压缩气体时，该四象限转换器(15)能够从电网(14)中吸取能量，以便驱动所述装置(2)。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：进口阀(16)和止回阀(18)固定在一个壳体中。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于：换热器(19)与止回阀(18)串联地布置，用于冷却由装置(2)压缩的气体。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：该设备(1)设有控制单元(20)，用于控制该设备(1)，以便控制在高压网络(3)和低压网络(4)中的压力。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于：该设备(1)设有用于确定在高压网络(3)和低压网络(4)中的压力的装置(21、22)，控制单元(20)包含算法，用于根据在高压网络(3)和低压网络(4)中确定的压力而沿两个方向中的一个来驱动该装置(2)。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：该设备设有在高压管道(9)中的换热器，该换热器在高压网络的一侧恰好靠近该装置(2)。
15.用于控制在具有不同额定压力水平的两个网络中的压力的方法，该两个网络分别为高压网络(3)和低压网络(4)，其特征在于：高压网络(3)和低压网络通过一个装置(2)连接在一起，该装置(2)能够用作压缩机，用于将气体从低压网络(4)压缩至高压网络(3)，且该装置(2)能够用作膨胀机，用于使得气体从高压网络(3)膨胀至低压网络(4)，因此，该方法包括：根据在高压网络(3)和/或低压网络(4)中的压力而控制该装置(2)而使其用作压缩机或膨胀机。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：该方法包括确定在高压网络(3)和低压网络(4)中的压力的步骤，并根据它而采取任意一个以下步骤：
——当在高压网络(3)中的压力低于设置值(PHA)时，控制该装置(2)而使其作为压缩机；
——当在低压网络(4)中的压力低于设置值(PLA)时，控制该装置(2)而使其作为膨胀机；
——当在低压网络(4)和高压网络(3)中的压力都低于设置值(PLA、PHA)时，关闭该装置(2)；
——当在低压网络(4)和高压网络(3)中的压力都高于设置值(PLA、PHA)时，根据选择而控制所述装置(2)而使其作为膨胀机或压缩机。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：只有当低压网络(4)中的压力高于预设值(PLB)时，装置(2)才能够被控制为压缩机，且只有当高压网络(3)中的压力高于预设值(PHB)时，装置(2)才能够被控制为膨胀机。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：设置值(PLA、PHA)比高压网络(3)或低压网络(4)的目标值(PL、PH)低0.2巴，和/或预设值(PLB、PHB)比高压网络(3)或低压网络(4)的目标值(PL、PH)低0.1巴。
19.根据权利要求15至18中任意一项所述的方法，其特征在于：使用根据权利要求1至14中任意一项所述的设备(1)。
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