CN110671164B - 一种透平驱动气体压缩系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透平驱动气体压缩系统，包括二氧化碳压缩机、低温回热器、高温回热器、加热器、透平、空气预热器、预冷器、间冷器和空压机。本发明可将空气经空压机增压后升温的热量加以回收，被超临界二氧化碳循环利用，减少了加热器的热功率，从而使空气压缩过程的热耗下降，节省了生产成本，在超临界二氧化碳循环中，若不计入所回收的压缩空气间冷的热量，则循环的热效率可达50％，而常规的蒸汽透平机组的热效率约为35％，但是本发明的空压机的功耗较高，比常规压缩过程增加了约10％，因此，总的空气压缩过程的热耗下降约20％。
Description
技术领域
本发明涉及气体压缩技术领域，特别涉及到一种透平驱动气体压缩系统及其工作方法。
背景技术
在化工领域，需要使用到各种空压机和工艺气体压缩机，这些压缩机通常采用蒸汽透平或燃气透平驱动。由于气体压缩能耗高，对生产成本有重要影响，所以节能降耗任务长期以来受到化工企业的重视。随着透平技术的创新发展，新型的高效节能驱动方案呼之欲出。
近年来，以超临界二氧化碳为工质的动力循环发展很快，超临界二氧化碳透平将成为新一代的动力装置。二氧化碳的临界点为31℃/7.4MPa，在温度和压力超过临界点时的状态为超临界态。由于二氧化碳化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本、循环系统简单、结构紧凑、起停快、效率高，超临界二氧化碳动力循环具有良好的应用前景。
根据化工厂中的气体压缩工艺，结合超临界二氧化碳循环，可组成新型的透平驱动气体压缩系统，有望进一步降低能耗。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明目的提供了一种设计合理、结构简单、可将空气经空压机增压后升温的热量加以回收，被超临界二氧化碳循环利用，减少了加热器的热功率，从而使空气压缩过程的热耗下降，节省了生产成本的透平驱动气体压缩系统及其工作方法。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案来实现的：
一种透平驱动气体压缩系统，其特征在于，包括
一用于对二氧化碳工质进行压缩的二氧化碳压缩机；
一用于对经过二氧化碳压缩机增压后的二氧化碳工质进行加热的低温回热器，所述低温回热器的低温侧进口与二氧化碳压缩机的出口相连通；
一用于对经过低温回热器加热的二氧化碳工质进行加热的高温回热器，所述高温回热器的低温侧进口与低温回热器的低温侧出口相连通，所述高温回热器的高温侧出口与低温回热器的高温侧进口相连通；
一用于对经过高温回热器加热的二氧化碳工质进行进一步加热的加热器，所述加热器的进口与高温回热器的低温侧出口相连通；
一用于提供推动动力的透平，所述透平的进口与加热器的出口相连通，所述透平的出口与高温回热器的高温侧进口相连通；
一用于对空气进行预热处理的空气预热器，所述空气预热器的二氧化碳侧进口与低温回热器的高温侧出口相连通，所述空气预热器的空气进口与外界大气相连通；
一用于对经过空气预热器冷却的二氧化碳工质进一步冷却的预冷器，所述预冷器的进口与空气预热器的二氧化碳侧出口相连通，所述预冷器的出口与二氧化碳压缩机的进口相连通；
一间冷器，所述间冷器的二氧化碳侧进口与二氧化碳压缩机的出口相连通，所述间冷器的二氧化碳侧出口与高温回热器的低温侧进口相连通；
一用于通过透平的推动对空气进行增压的空压机，所述空压机的第一段进口与空气预热器的空气出口相连通，所述空压机的第一段出口与间冷器的第一段空气侧进口相连通，所述间冷器的第一段空气侧出口与空压机的第二段进口相连通，所述空压机的第二段出口与间冷器的第二段空气侧进口相连通，所述间冷器的第二段空气侧出口与空压机的第三段进口相连通，所述空压机的第三段出口与间冷器的第三段空气侧进口相连通，所述间冷器的第三段空气侧出口与空压机的第四段进口，所述空压机的第四段出口与设置在下游的化工设备相连通。
在本发明的一个优选实施例中，所述二氧化碳压缩机、透平以及空压机同轴布置。
本发明还公开了一种透平驱动气体压缩系统的工作方法，该工作方法采用上述系统进行操作，其特征在于，包括以下步骤：
S1.二氧化碳工质经二氧化碳压缩机增压，分成两路，一路进入低温回热器吸收透平排出二氧化碳工质的余热，另一路进入间冷器吸收压缩空气的热量并使压缩空气冷却；
S2.然后经过加热的两路二氧化碳工质合并进入高温回热器吸收透平排出二氧化碳工质的余热；
S3.经过高温回热器进行加热的二氧化碳工质再进入加热器进一步加热，最后进入透平膨胀做功，且透平推动空压机工作；
S4.透平排出的二氧化碳工质经高温回热器和低温回热器释放热量，再经空气预热器释放热量给空气，再经预冷器冷却至常温，最后回到二氧化碳压缩机；
S5.经过空气预热器预热后的空气进入空压机第一段增压，再进入间冷器第一段冷却，再进入空压机第二段增压，再进入间冷器第二段冷却，再进入空压机第三段增压，再进入间冷器第三段冷却，再进入空压机第四段增压，最后送往下游的化工设备。
在本发明的一个优选实施例中，所述S1中二氧化碳压缩机的出口处压力为15～20Mpa。
在本发明的一个优选实施例中，所述S3的透平的进口温度为450～550℃。
在本发明的一个优选实施例中，所述S5的空压机第一段到第四段的压缩比为2～3。
与现有技术相比，本发明可将空气经空压机增压后升温的热量加以回收，被超临界二氧化碳循环利用，减少了加热器的热功率，从而使空气压缩过程的热耗下降，节省了生产成本，在超临界二氧化碳循环中，若不计入所回收的压缩空气间冷的热量，则循环的热效率可达50％，而常规的蒸汽透平机组的热效率约为35％，但是本发明的空压机的功耗较高，比常规压缩过程增加了约10％，因此，总的空气压缩过程的热耗下降约20％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的气体压缩原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参照图1所示，图中给出了一种透平驱动气体压缩系统，包括二氧化碳压缩机100、低温回热器200、高温回热器300、加热器400、透平500、空气预热器700、预冷器600、间冷器900和空压机800。
二氧化碳压缩机100用于对二氧化碳工质进行压缩，低温回热器200用于对经过二氧化碳压缩机100增压后的二氧化碳工质进行加热，低温回热器200的低温侧进口与二氧化碳压缩机100的出口相连通。
高温回热器300用于对经过低温回热器200加热的二氧化碳工质进行加热，高温回热器300的低温侧进口与低温回热器200的低温侧出口相连通，高温回热器300的高温侧出口与低温回热器200的高温侧进口相连通。
加热器400用于对经过高温回热器300加热的二氧化碳工质进行进一步加热，加热器400的进口与高温回热器300的低温侧出口相连通，透平500用于提供推动动力，透平500的进口与加热器400的出口相连通，透平500的出口与高温回热器300的高温侧进口相连通。
空气预热器700用于对空气进行预热处理，空气预热器700的二氧化碳侧进口与低温回热器200的高温侧出口相连通，空气预热器700的空气进口与外界大气相连通，预冷器600用于对经过空气预热器700冷却的二氧化碳工质进一步冷却，预冷器600的进口与空气预热器700的二氧化碳侧出口相连通，预冷器600的出口与二氧化碳压缩机100的进口相连通。
间冷器900的二氧化碳侧进口与二氧化碳压缩机100的出口相连通，间冷器900的二氧化碳侧出口与高温回热器300的低温侧进口相连通，空压机800用于通过透平500的推动对空气进行增压，空压机500的第一段进口与空气预热器700的空气出口相连通。
空压机800的第一段出口与间冷器900的第一段空气侧进口相连通，间冷器900的第一段空气侧出口与空压机800的第二段进口相连通，空压机800的第二段出口与间冷器900的第二段空气侧进口相连通，间冷器900的第二段空气侧出口与空压机800的第三段进口相连通，空压机800的第三段出口与间冷器900的第三段空气侧进口相连通，间冷器900的第三段空气侧出口与空压机800的第四段进口，空压机800的第四段出口与设置在下游的化工设备相连通，在本实施例中二氧化碳压缩机100、透平500以及空压机800同轴布置。
本发明还公开了一种透平驱动气体压缩系统的工作方法，该工作方法采用上述系统进行操作，包括以下步骤：
S1.二氧化碳工质经二氧化碳压缩机100增压到18MPa，分成两路，一路进入低温回热器200吸收透平500排出二氧化碳工质的余热，另一路进入间冷器900吸收压缩空气的热量并使压缩空气冷却；
S2.然后经过加热的两路二氧化碳工质合并进入高温回热器300吸收透平500排出二氧化碳工质的余热；
S3.经过高温回热器300进行加热的二氧化碳工质再进入加热器400进一步加热，加热到达520℃，最后进入透平500膨胀做功，且透平500推动空压机800工作；
S4.透平500排出的二氧化碳工质经高温回热器300和低温回热器200释放热量，再经空气预热器700释放热量给空气，再经预冷器600冷却至常温，最后回到二氧化碳压缩机100；
S5.经过空气预热器700预热后的空气进入空压机第一段增压，再进入间冷器900第一段冷却，再进入空压机800第二段增压，再进入间冷器900第二段冷却，再进入空压机800第三段增压，再进入间冷器900第三段冷却，再进入空压机800第四段增压，每段增压压缩比为2.5，达到工艺要求的压力3.5Mpa，最后送往下游的化工设备。
综上所述本发明可将空气经空压机增压后升温的热量加以回收，被超临界二氧化碳循环利用，减少了加热器的热功率，从而使空气压缩过程的热耗下降，节省了生产成本，在超临界二氧化碳循环中，若不计入所回收的压缩空气间冷的热量，则循环的热效率可达50％，而常规的蒸汽透平机组的热效率约为35％，但是本发明的空压机的功耗较高，比常规压缩过程增加了约10％，因此，总的空气压缩过程的热耗下降约20％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (2)
1.一种透平驱动气体压缩系统，其特征在于，包括
一用于对二氧化碳工质进行压缩的二氧化碳压缩机；
一用于对经过二氧化碳压缩机增压后的二氧化碳工质进行加热的低温回热器，所述低温回热器的低温侧进口与二氧化碳压缩机的出口相连通；
一用于对经过低温回热器加热的二氧化碳工质进行加热的高温回热器，所述高温回热器的低温侧进口与低温回热器的低温侧出口相连通，所述高温回热器的高温侧出口与低温回热器的高温侧进口相连通；
一用于对经过高温回热器加热的二氧化碳工质进行进一步加热的加热器，所述加热器的进口与高温回热器的低温侧出口相连通；
一用于提供推动动力的透平，所述透平的进口与加热器的出口相连通，所述透平的出口与高温回热器的高温侧进口相连通；
一用于对空气进行预热处理的空气预热器，所述空气预热器的二氧化碳侧进口与低温回热器的高温侧出口相连通，所述空气预热器的空气进口与外界大气相连通；
一用于对经过空气预热器冷却的二氧化碳工质进一步冷却的预冷器，所述预冷器的进口与空气预热器的二氧化碳侧出口相连通，所述预冷器的出口与二氧化碳压缩机的进口相连通；
一间冷器，所述间冷器的二氧化碳侧进口与二氧化碳压缩机的出口相连通，所述间冷器的二氧化碳侧出口与高温回热器的低温侧进口相连通；
一用于通过透平的推动对空气进行增压的空压机，所述空压机的第一段进口与空气预热器的空气出口相连通，所述空压机的第一段出口与间冷器的第一段空气侧进口相连通，所述间冷器的第一段空气侧出口与空压机的第二段进口相连通，所述空压机的第二段出口与间冷器的第二段空气侧进口相连通，所述间冷器的第二段空气侧出口与空压机的第三段进口相连通，所述空压机的第三段出口与间冷器的第三段空气侧进口相连通，所述间冷器的第三段空气侧出口与空压机的第四段进口，所述空压机的第四段出口与设置在下游的化工设备相连通；
采用上述的透平驱动气体压缩系统进行操作的具体方法，包括以下步骤：
S1.二氧化碳工质经二氧化碳压缩机增压，分成两路，一路进入低温回热器吸收透平排出二氧化碳工质的余热，另一路进入间冷器吸收压缩空气的热量并使压缩空气冷却；
S2.然后经过加热的两路二氧化碳工质合并进入高温回热器吸收透平排出二氧化碳工质的余热；
S3.经过高温回热器进行加热的二氧化碳工质再进入加热器进一步加热，最后进入透平膨胀做功，且透平推动空压机工作；
S4.透平排出的二氧化碳工质经高温回热器和低温回热器释放热量，再经空气预热器释放热量给空气，再经预冷器冷却至常温，最后回到二氧化碳压缩机；
S5.经过空气预热器预热后的空气进入空压机第一段增压，再进入间冷器第一段冷却，再进入空压机第二段增压，再进入间冷器第二段冷却，再进入空压机第三段增压，再进入间冷器第三段冷却，再进入空压机第四段增压，最后送往下游的化工设备；
所述S1中二氧化碳压缩机的出口处压力为15～20Mpa；
所述S3的透平的进口温度为450～550℃；
所述S5的空压机第一段到第四段的压缩比为2～3。
2.根据权利要求1所述透平驱动气体压缩系统，其特征在于：所述二氧化碳压缩机、透平以及空压机同轴布置。
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| CN110671164A (zh) | 2020-01-10 |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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