CN110939569A - 喷油多级压缩机装置和用于控制压缩机装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种喷油多级压缩机装置，至少包括：低压压缩机元件(2)，具有待压缩气体的气体入口(4a)和低压压缩气体的气体出口(5a)；和高压级压缩机元件(3)，具有低压压缩气体的气体入口(4b)和高压压缩气体的气体出口(5b)，气体出口(5a)通过导管(6)连接到气体入口(4b)，在低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)之间的上述导管(6)中设置可调节的中间冷却器(9)，其被构造成使得气体入口(4b)处的温度能够被调节成高于露点，中间冷却器(9)包括可调节的空气冷却器和/或可调节的水冷却器，并且被构造成使得通过使用旁通导管(16)和/或通过屏蔽掉中间冷却器(9)的一部分可以改变空气或水的温度。

Description

喷油多级压缩机装置和用于控制压缩机装置的方法
技术领域
本发明涉及一种喷油多级压缩机装置。
背景技术
众所周知在使用压缩机装置对气体进行无油压缩的情况下，技术限制，特别是关于离开所述压缩机装置的压缩机元件的压缩气体的最大允许出口温度的技术限制，决定了通常在两个或更多个阶段或“级”中发生气体压缩，其中两个或更多个压缩机元件一个在一个之后地串联放置。
可以通过将诸如水或油的冷却剂喷入压缩机元件中来解决这些技术限制，这使得可以进行单级压缩。
由于多级涉及相当大的复杂性并且需要额外成本，因此当前优选的是喷入油或水的单级压缩机装置。
而且，多级压缩机装置的维护更广泛并且它们更复杂的事实意味着单级压缩机装置仍为优选。
在多级压缩机装置中提高第二级和后续级的效率的优点将超过上述缺点。通过冷却气体并且由此减少第二级和后续级的消耗可以实现这种提高效率。然而，这并不像看起来那么简单。
已经存在两级压缩机装置，在所述两级压缩机装置中，在两级之间喷入油，以便例如通过使用油幕冷却在第一压缩级下游且在第二压缩级上游的压缩气体，其中，更冷的油降低了气体温度。
然而，这种解决方案仅允许有限程度地冷却气体，并且相对于无油多级压缩机装置仅提供有限的效率改进。
另外，在气体中加入额外的油，这并不总是令人满意。
喷油多级压缩机装置可以用作替代方案，其中，例如，在第一压缩机元件和第二压缩机元件之间设置中间冷却器，其中，中间冷却器将在第一压缩级之后主动地从压缩气体中提取热量。
但是，由于以下原因，不能这样实施操作：
﹣首先，这种中间冷器中很可能出现压降，这意味着效率降低。
﹣其次，中间冷却可导致形成冷凝物。必须始终避免在随后的下游压缩机元件中存在冷凝物。这就是为什么冷却不能过度的原因，这可以使得在所有操作条件下都可以避免产生冷凝物。如果发生冷凝，则冷凝物将最终进入油中，随后进入轴承和使用该油的其他部件。
﹣最后，与无油多级压缩机装置相比，这种解决方案更复杂并且可能更昂贵。
由于与喷油多级压缩机装置中使用中间冷却器相关的缺点，因此原则上应该可以通过冷却实现效率的显著提高，以确保最终结果有利，其中，存在冷凝物可限制这种增益。
即使冷凝物的问题没有发挥作用，也可以认为冷却仍然不充分，这是因为在第一压缩级之后油和气体混合物的温度升高不足。
发明内容
本发明旨在提供对上述和/或其他缺点中的至少一个的解决方案。
本发明的目的是一种喷油多级压缩机装置，其至少包括：低压级压缩机元件，该低压级压缩机元件具有用于待压缩气体的气体入口和用于低压压缩气体的气体出口；以及高压级压缩机元件，其具有用于低压压缩气体的气体入口和用于高压压缩气体的气体出口，其中低压级压缩机元件的气体出口通过导管连接到高压级压缩机元件的气体入口，其特征在于，在上述导管中在低压级压缩机元件和高压级压缩机元件之间提供可调节的中间冷却器，所述中间冷却器构造成使得可以将高压级压缩机元件的气体入口处的温度调节成使其高于露点，其特征在于中间冷却器包括可调节的空气冷却器和/或可调节的水冷却器，并且其特征在于中间冷却器构造成使得通过使用旁通导管和/或通过屏蔽掉中间冷却器的一部分可以改变空气或水的温度。
已经发现与文献所述相比，冷却低压级下游可导致气体中的温度更大程度下降。
当测量低压压缩机元件出口处的温度时，测量油和气体混合物的温度。由于湿球效应，因此测得的温度将低于气体的实际温度。
换句话说，可以实现的气体的潜在温度下降实际上远大于文献中所述的温度下降。
这也意味着通过冷却获得的效率潜在增益大于先前设想的增益，使得上述缺点不会超过提高的效率。
一个优点在于，借助于这种喷油多级压缩机装置，与没有冷却或具有油幕形式的喷油的已知压缩机装置相比，可以实现更高的性能。
根据本发明，中间冷却器也可调节；中间冷却器可以构造成使得高压级压缩机元件的气体入口处的温度可以保持在露点以上。
通过将高压级压缩机元件的入口处的温度保持在露点以上可防止在该位置处形成冷凝物。
使中间冷却器可调节意味着可以在任何时刻进行最大程度的冷却而同时又不会形成冷凝物。因此，在确定中间冷却器的冷却能力时不再需要假设最坏情况。这是因为，在露点升高并且中间冷却器将过多地冷却气体使得将产生冷凝物的时刻，中间冷却器可以被调节以程度较低地冷却气体，从而不会形成冷凝物。
可以以各种方式使中间冷却器可调节。可调节中间冷却器的要求是，可以改变气体的冷却程度或气体温降。这可以通过例如改变中间冷却器的冷却能力和/或通过经由旁通导管而不是经由中间冷却器引导部分气体来完成。
众所周知，露点不是固定值，而是取决于各种参数，例如温度、湿度和气体压力。存在多种方法来确定该露点。
可以基于露点检测冷凝物的可能存在。
根据本发明的优选实施例，中间冷却器设有热泵。
这具有这样的优点，即，可以冷却到更低温度，使得在中间冷却器的下游不存在形成冷凝物的风险时可以实现最大冷却能力，从而高压级压缩机元件将会更高效。
因此，效率或性能的总增益将大得多。
本发明还涉及一种用可调节的中间冷却器控制喷油多级压缩机装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
﹣计算或确定压缩机装置的高压级压缩机元件的气体入口处的露点；
﹣调节在低压级下游其在高压级上游处提供的中间冷却器，使得高压级压缩机元件的气体入口处的温度高于露点，
其中通过监测高压级压缩机元件的气体入口处的温度历程来计算或确定露点。
这种方法的优点类似于喷油多级压缩机装置的上述优点。
附图说明
为了更好地说明本发明的特征，作为非穷举的示例，下文参照附图描述根据本发明的喷油多级压缩机装置和方法的一些优选实施例，其中：
图1显示了根据本发明的喷油多级压缩机装置的示意图；
图2和3示出了图1的变型的示意图。
具体实施方式
图1中示意性示出的喷油多级压缩机装置1在这种情况下包括两个阶段或“级”：具有低压级压缩机元件2的低压级和具有高压级压缩机元件3的高压级。
在该示例中，压缩机元件2和3二者都是螺杆压缩机元件，但是这对于本发明而言不是必需的，原因在于也可以使用其他类型的压缩机。
两个压缩机元件2和3还设有用于在压缩机元件2和3的相应压缩室中喷入油的油回路。为清楚起见，未在图中示出这些油回路。
低压级压缩机元件2具有用于待压缩气体的气体入口4a和用于低压压缩气体的出口5a。
气体出口5a经由导管6连接到高压级压缩机元件3的气体入口4b。
高压级压缩机元件3还配备有用于高压压缩气体的气体出口5b，其中出口5b连接到液体分离器7。
该液体分离器7的出口8可以连接到后冷却器。
中间冷却器9包括在低压级压缩机元件2和高压级压缩机元件3之间的上述导管6中，根据本发明，所述中间冷却器9可被调节。
可以以各种方式设计该中间冷却器9。
例如，中间冷却器9可以包括可由风扇控制的空气冷却，例如，其中，可以通过调节风扇的速度来调节空气流量。
替代地，中间冷却器9可包括例如可由阀调节的水冷却器，例如，所述水冷却器可控制水的流动。
例如，还可以通过改变空气或水的温度来调节中间冷却器9。
在这种情况下，中间冷却器9配备有热泵10，但这对于本发明不是必需的。
该热泵10也可调节，但不一定必须如此。
借助于热泵10，可以从气体中提取更多的热量。
压缩机装置1还配备有用于控制或调节中间冷却器9的控制单元或调节器11。如果热泵10可调节，则该控制单元或调节器11也可以控制热泵10。
在图1的示例中，还以传感器12a的形式提供第一测量器件12。该传感器12a连接到前述控制单元或调节器11。
这涉及例如传感器12a，所述传感器12a可以测量低压级压缩机元件2的气体入口4a处的一个或多个环境参数。
该传感器12a可以测量压力、温度和/或湿度。
不排除的是代替该传感器12a或附加于传感器12a，设置第二测量器件13，所述第二测量器件13测量高压级压缩机元件3的气体入口4b处的湿度。
这些第二测量器件13可以是传感器13a，所述传感器13a设置在高压级压缩机元件3的气体入口4b处。其示意图在图中用虚线示出。
此外，如示例中所示的装置1在高压级压缩机元件3的气体入口4b处配备有传感器14a形式的第三测量器件14，以便测量该位置处的温度。
最后，装置1不排除配备有喷油装置15，以便可以将油喷入中间冷却器9下游的导管6中。其示意图用虚线表示。
喷油多级压缩机装置1的操作非常简单，如下所述。
在操作过程中，待压缩的气体(例如，空气)将经由低压级压缩机元件2的气体入口4a被吸入并将经历第一压缩阶段。
部分压缩的气体将经由导管6流到中间冷却器9，在所述中间冷却器9处，所述部分压缩的气体将被冷却，然后到达高压级压缩机元件3的气体入口4b，用于随后的压缩。
油将被喷入低压级压缩机元件2和高压级压缩机元件3这两者中，这确保了压缩机元件2、3的润滑和冷却。
压缩气体将通过气体出口5b离开高压级压缩机元件3，然后被引导至油分离器7。
喷入的油将被分离，然后可以将压缩气体引导至后冷却器，随后将其送至消费者。
为了确保在通过中间冷却器9冷却气体时不形成冷凝物，必须适当地调节该中间冷却器9以适应压缩机元件2、3的环境参数和/或驱动参数的变化。
为此，控制单元或调节器11将调节中间冷却器9，使得高压级压缩机元件3的入口4b的温度高于露点。如前所述，这导致在中间冷却器9之后的高压级压缩机元件3的气体入口4b处没有冷凝物形成。
在第一步骤中，确定或计算在高压级压缩机元件3的气体入口4b处的露点或相应的冷凝物的存在。该露点取决于各种参数，因此该露点是变量而不是固定值。
存在不同的选择或方法来确定露点。
在图1所示实施例的情况下，通过使用传感器12a测量环境参数来确定露点。
为此，传感器12a的测量值被传输到控制单元或调节器11，所述控制单元或调节器11在此基础上计算露点。
如果喷油多级压缩机装置1在高压级压缩机元件3的气体入口4b处配备有湿度传感器13b，则还可以基于测量气体入口4b处的湿度直接确定露点或相应的冷凝物的存在。此时，湿度传感器13b还将测量值传送到控制单元11。
另一种替代方案是通过跟随高压级压缩机元件3的气体入口4b处的温度的历程来确定露点，例如，通过在高压级压缩机元件3的入口4b处使用温度传感器14b或为此专门设置的另一传感器。
在这种情况下，温度传感器14b将在气体入口4b处测量的温度值传送到控制单元或调节器11，所述控制单元或调节器11监测和评估测量温度的历程，以用作确定露点的基础。
一旦已经确定了露点，控制单元或调节器11将根据需要调节中间冷却器9，使得高压级压缩机元件3的气体入口4b处的温度高于露点。
为此目的，控制单元或调节器11将使用温度传感器14b请求气体入口4b处的温度并将其与确定的露点进行比较。
当入口4b处的温度高于露点时，控制单元11将允许中间冷却器9更大程度地冷却，这是因为在不形成冷凝物的情况下，气体的温度可以下降得更多。
如果当中间冷却器9已经以最大输出冷却时温度仍然高于露点，则控制单元11将启动热泵10。
当然，热泵10也可以连续运行并且仅使用中间冷却器9进行调节。
热泵10也可以被调节，使得当露点下降并且然后所需冷却能力增加时，控制单元11首先允许中间冷却器9中的冷却能力增加然后允许热泵10的冷却能力增加或反之或使中间冷却器9和热泵10的冷却能力同时增加或交替增加。
如果高压级压缩机元件3的气体入口4b处的温度低于或等于露点，则控制单元11将使中间冷却器9更小程度地冷却，使得气体的温度将升高以防止形成冷凝物。
如果热泵10也可调节，则控制单元11可以首先降低热泵10的冷却能力，或者交替地降低中间冷却器9和热泵10的冷却能力。
如果露点下降，则控制单元或调节器11可以使中间冷却器9再次更大程度地冷却，使得气体的温度再一次下降。
以这种方式，总是可以在不形成冷凝物的情况下进行最大程度的冷却。
始终能够最佳冷却意味着可以最大化高压级压缩机元件3的性能。
如果装置1配备有喷油装置15，则这可以用于实现气体的额外冷却。此外，喷入的油将为高压级压缩机元件3提供额外的润滑。
图2中示出了替代实施例，其中在这种情况下，旁通导管16设置在中间冷却器9上方，该旁通导管16构造成转移部分气体，使得它可以直接从低压级压缩机元件2流至高压级压缩机元件3，而不通过中间冷却器9。因此，旁通导管16可以配备有阀17，以调节流过旁通导管16的气体的量。在这种情况下，阀17连接到控制单元或调节器11用于其控制。
图3示出了中间冷却器9的另一个设计实施例，其中中间冷却器9的一部分可以例如被板18或类似物屏蔽掉，使得没有使用整个中间冷却器9。换句话说，待冷却的气体不会暴露于整个中间冷却器9。
本发明决不限于作为示例描述并在附图中示出的实施例，而是在不超出本发明的范围的情况下通过不同变形可以实现根据本发明的喷油多级压缩机装置和用于控制压缩机装置的方法。

Claims (15)

1.一种喷油多级压缩机装置，至少包括：低压压缩机元件(2)，所述低压压缩机元件具有用于待压缩气体的气体入口(4a)和用于低压压缩气体的气体出口(5a)；和高压级压缩机元件(3)，其具有用于低压压缩气体的气体入口(4b)和用于高压压缩气体的气体出口(5b)，其中，所述低压级压缩机元件(2)的气体出口(5a)经由导管(6)连接到所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)，
其特征在于：
在所述低压级压缩机元件(2)和所述高压级压缩机元件(3)之间的导管(6)中设置可调节的中间冷却器(9)，所述可调节的中间冷却器构造成使得所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的温度能够被调节成使得该温度高于露点，所述中间冷却器(9)包括可调节的空气冷却器和/或可调节的水冷却器，并且所述中间冷却器(9)被构造成使得通过使用旁通导管(16)和/或通过屏蔽掉所述中间冷却器(9)的一部分能够改变空气或水的温度。
2.根据权利要求1所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，所述喷油多级压缩机装置配备有用于确定或计算露点的器件，其中所述器件包括用于测量环境参数的第一测量器件(12)。
3.根据权利要求1所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，所述喷油多级压缩机装置配备有用于确定或计算露点的器件，其中，所述器件包括用于测量所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的湿度的第二测量器件(13)。
4.根据权利要求1所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，所述喷油多级压缩机装置配备有用于确定或计算露点的器件，其中，所述器件包括用于测量所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的温度的第三测量器件(14)，所述第三测量器件构造成允许监测所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的温度。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，如果所述中间冷却器(9)包括可调节的空气冷却器，则所述空气冷却器能够通过风扇调节，其中通过调节所述风扇的速度能够调节气流。
6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，如果所述中间冷却器(9)包括可调节的水冷却器，则所述可调节的水冷却器被构造成使得通过能够调节水的流动的阀能够调节所述可调节的水冷却器。
7.根据前述权利要求1至4中任一项所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，所述中间冷却器(9)包括热泵(10)。
8.根据权利要求7所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，所述热泵(10)能够调节。
9.根据前述权利要求1至4中任一项所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，在所述中间冷却器(9)下游的导管(6)中设置有喷油装置(15)。
10.根据前述权利要求1至4中任一项所述的喷油多级压缩机装置，其特征在于，所述喷油多级压缩机装置(1)设置有控制单元或调节器(11)，用于控制或调节所述中间冷却器(9)并且可以用于控制或调节所述热泵(10)。
11.一种控制喷油多级压缩机装置(1)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
﹣计算或确定所述喷油多级压缩机装置(1)的高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的露点；
﹣调节设置在所述高压级压缩机元件上游的中间冷却器(9)，使得所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的温度高于所述露点，
其中，通过监测所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的温度历程来计算或确定所述露点。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过测量一个或多个环境参数来计算或确定所述露点。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述环境参数选自由压力、温度和湿度组成的组。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过测量所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的湿度来计算或确定所述露点。
15.根据前述权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，通过控制单元或调节器(11)调节所述中间冷却器(9)，所述控制单元或调节器(11)将调节所述中间冷却器(9)以使所述高压级压缩机元件(3)的气体入口(4b)处的温度高于所述露点。
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