CN110939571A - 喷油多级压缩机系统和控制喷油多级压缩机系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及喷油多级压缩机系统和控制喷油多级压缩机系统的方法。一种喷油多级压缩机系统，至少包括具有入口(4a)和出口(5a)的低压级压缩机元件(2)和具有入口(4b)和出口(5b)的高压级压缩机元件(3)，其中，低压级压缩机元件(2)的出口(5a)通过管道(6)连接到高压级压缩机元件(3)的入口(4b)，其特征在于，低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)各自具有电机(2a，3a)形式的驱动装置，其中，低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)直接连接到电机(2a，3a)或通过变速箱连接到电机(2a，3a)；并且，在低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)之间的管道(6)中设置有中间冷却器(9)。

Description

喷油多级压缩机系统和控制喷油多级压缩机系统的方法
技术领域
本发明涉及喷油多级压缩机系统。
背景技术
众所周知，在无油压缩的情况下，气体的压缩通常在两个以上步或“级”中进行，其中，由于技术限制，特别是关于最大允许排气温度而言的技术限制，两个以上压缩机元件串联布置。
通过将冷却剂(例如水或油)喷入压缩机元件中可以克服上述技术限制，从而允许单级压缩。
由于提供多个“级”牵涉到相当大的复杂性和额外的成本，因此目前优选的选择方案是喷油或喷水单级压缩机系统。
多级压缩机系统的维护更广泛和更复杂，这也意味着单级压缩机系统通常仍然是优选的选择方案。
在多级压缩机系统中提高第二级和后续级效率带来的好处远胜过上述缺点。通过使气体冷却，将会减少第二级和后续级的消耗，从而可以提高上述效率。然而，这并不容易实现。
多级压缩机系统是已知的，其中，在两级之间喷入油以用于冷却目的，例如通过油幕，其中，冷却器油降低了气体温度。
然而，这种解决方案仅能使气体有限的冷却，因此与无油多级压缩机系统相比仅提供有限的改进效率。
更多的油也加入到气体中，这并不总是令人满意的。
可以应用这样一种喷油多级压缩机系统，其中，例如，在第一压缩机元件和第二压缩机元件之间设置冷却器，该冷却器将在第一压缩级之后积极地从气体中提取热量。
但是，由于以下原因，不会这样做：
-首先，预计在该冷却器中会出现压降，这不可避免地意味着效率损失。
-这种中间冷却还会导致形成冷凝。必须始终防止冷凝水进入下一压缩机元件。因此，不能太过度冷却，以确保在所有运行条件下都能避免冷凝。尽管如此，如果发生冷凝，它将最终进入油中，然后进入轴承和使用油的其他部件。
-此外，与无油多级压缩机系统相比，这种解决方案自然会更复杂，并且也趋于更昂贵。
由于所带来的所有缺点，原则上可以通过冷却来使效率获得非常大的增益，以确保最终结果是有利的，该增益会因发生冷凝而受到限制。
即使不产生冷凝问题，也认为仍然不能充分进行冷却，这只是因为在第一压缩级之后油气混合物的温升不够充分。
发明内容
本发明旨在提供对上述和其他缺点中至少一个缺点的解决方案。
本发明的主题是一种喷油多级压缩机系统，至少包括具有入口和出口的低压级压缩机元件和具有入口和出口的高压级压缩机元件，低压级压缩机元件的出口通过管道连接到高压级压缩机元件的入口，其特征在于，低压级压缩机元件和高压级压缩机元件各自设置有电机形式的驱动装置，其中，低压级压缩机元件和高压级压缩机元件直接连接到电机或通过变速箱连接到电机；在低压级压缩机元件和高压级压缩机元件之间的管道中设置有中间冷却器，中间冷却器是：
-空气冷却系统，可通过风扇调节，通过调节风扇速度可以控制空气流量；或
-水冷却单元，可通过可调节水流量的阀进行调节；
中间冷却器也可以通过以下方式调节：通过旁路管道改变空气或水的温度，和/或通过屏蔽中间冷却器的一部分使得待冷却气体仅暴露于中间冷却器的一部分。
已经表明，在低压级之后的冷却可以导致比现有文献中描述的更大的气体温降。
当测量低压级压缩机元件出口处的温度时，测量油气混合物的温度。由于湿球效应，测量的温度将低于气体的实际温度。
这意味着，要实现的气体潜力性温降实际上比现有文献中描述的要大得多。
这也意味着，通过冷却得到的潜力性效率增益大于先前认定的，因此上述缺点不会胜过所提高的效率。
一个优点是：与已知的没有冷却的压缩机或以油幕形式喷油的压缩机相比，这种喷油多级压缩机系统可以实现更高的性能。
根据本发明的优选特征，中间冷却器是可调节的，其中，压缩机系统还配备有控制单元或调节器，以控制或调节中间冷却器，使得高压级压缩机元件入口处的温度高于露点。
通过将高压级压缩机元件入口处的温度保持在露点以上，可以在此处避免冷凝。
通过使中间冷却器是可调节的，可以在任何时候都实现最大冷却，而没有形成冷凝的风险。因此，在确定中间冷却器的冷却能力时不再需要使用最坏情况场景。一旦露点上升并且中间冷却器过度冷却气体从而形成冷凝，就可以调节中间冷却器以较小程度地冷却气体，以防止形成冷凝。
可以以各种方式使中间冷却器是可调节的。可调节式中间冷却器的要求是可以改变气体的冷却程度或改变气体的温降。这可以通过例如改变中间冷却器的冷却能力和/或通过旁路管道而不是通过中间冷却器输送部分气体来完成。
已知的是，露点不是定值，而是取决于各种参数，例如气体的温度、湿度、压力等。确定该露点有多种可能方式。
可以从露点推断出来是否可能存在冷凝。
根据本发明的优选特征，中间冷却器配备有热泵。
这种方式的优点是：可以进行更大程度的冷却，以便在不会有在中间冷却器之后形成冷凝的风险的任何时候都可以实现最大冷却能力，从而使高压级压缩机元件更加高效。
因此，效率或性能的总收益将更高。
本发明还涉及一种用于控制喷油多级压缩机系统的方法，喷油多级压缩机系统至少包括具有入口和出口的低压级压缩机元件和具有入口和出口的高压级压缩机元件，低压级压缩机元件的出口通过管道连接到高压级压缩机元件的入口，其特征在于，低压级压缩机元件和高压级压缩机元件各自具有电机形式的驱动装置，低压级压缩机元件和高压级压缩机元件直接连接到电机或通过变速箱连接到电机；在低压级压缩机元件和高压级压缩机元件之间的管道中设有中间冷却器，中间冷却器是可调节的，喷油多级压缩机系统还配备有控制单元或调节器，以控制或调节中间冷却器，使得高压级压缩机元件入口处的温度高于露点，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-计算或确定高压级压缩机元件入口处的露点；
-调节中间冷却器，使得高压级压缩机元件入口处的温度高于露点。
这种方法的优点当然类似于喷油多级压缩机系统的上述优点。
附图说明
为了更好地展示本发明的特征，下面参考附图以非限制性示例描述根据本发明的喷油多级压缩机系统的多个优选变型和应用于其的方法，其中：
图1提供了根据本发明的喷油多级压缩机系统的示意图。
具体实施方式
图1中所示的喷油多级压缩机系统1在本例中包括两步或两“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。例如，两个压缩机元件2，3都是螺杆压缩机元件，但这不是本发明的必须要求。
根据本发明，压缩机元件2，3各自具有电机2a，3a形式的驱动装置，在本例中，压缩机元件2，3直接联接到电机2a，3a。显然，压缩机元件2，3也可以通过变速箱连接到电机2a，3a。
压缩机元件2，3还配备有用于将油喷入压缩机元件2，3的油回路。为清楚起见，这些油路未在图中示出。
低压级压缩机元件2具有用于气体的入口4a和用于压缩气体的出口5a。
该出口5a通过管道6连接到高压级压缩机元件3的入口4b。
高压级压缩机元件3还设置有出口5b，其中，出口5b连接到液体分离器7。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之间的管道6中。
在本例中，中间冷却器9是可调节的，但这对于本发明不是必需的。
该中间冷却器9可以以各种不同方式设计。
例如，中间冷却器9可以是可通过风扇调节的空气冷却单元，其中，可通过调节风扇速度来控制空气流量。
或者，中间冷却器9可以是可通过阀调节的水冷却器，阀可调节水流量。
也可以通过改变空气或水的温度来控制中间冷却器9。
还可以提供旁路管道，该旁路管道可以分流部分气体，使得气体可以从低压级压缩机元件2直接到达高压级压缩机元件3，而不通过中间冷却器9。
中间冷却器9的一部分也可以被屏蔽，例如用板或类似物，以便不是整个中间冷却器都被使用。这意味着待冷却的气体不会暴露于整个中间冷却器9。
在本例中，中间冷却器9配备有热泵10，但这对于本发明不是必需的。
热泵10也可以是可调节的，但这也不是必需的。
可以在热泵10的辅助下从气体中提取更多的热量。
压缩机系统1还配备有用于调节或控制中间冷却器9的控制单元或调节器11。如果热泵10是可调节的，则该控制单元或调节器11也将能够控制热泵10。
在本例中，还提供传感器12。传感器12连接到控制单元或调节器11。
这涉及的传感器12可以测量低压级压缩机元件2的入口4a处的一个或多个环境参数。
例如，传感器12可以测量压力、温度和湿度。
不排除的是，代替传感器12或除了传感器12以外，传感器13设置在高压级压缩机元件3的入口4b处。这在图中用虚线示意性地示出。
这样，该传感器13可以测量入口4b处的湿度。
此外，装置1在入口4b处配备有传感器14，以测量温度。
最后，不排除的是，装置1设置有喷油装置15，从而可以将油喷入中间冷却器9下游的管道6中。这用虚线示意性地示出。
如下所述，喷油多级压缩机系统1的运行非常简单。
在运行过程中，待压缩的气体(例如空气)通过低压级压缩机元件2的入口4a吸入，并经历第一压缩级。
部分地压缩的气体通过管道6流到中间冷却器9，在中间冷却器9处被冷却，然后流到高压级压缩机元件3的入口4b，在此处经历后续压缩。
在低压级压缩元件2和高压级压缩机元件3中都喷入油，这将为压缩机元件2，3提供润滑和冷却。
压缩气体通过出口5b离开高压级压缩机元件3，并被引导至油分离器7。
喷入的油被分离，然后压缩气体可以被输送到后冷却器，然后被送到消费者。
为了确保当气体被中间冷却器9冷却时不形成冷凝，必须以合适的方式控制该中间冷却器9，以适应压缩机元件2，3的环境参数变化和/或驱动参数变化。
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处的温度高于露点。如前所述，这意味着在中间冷却器9之后在高压级压缩机元件3的入口4b处不会发生冷凝。
在第一步中，在高压级压缩机元件3的入口4b处确定或计算露点，即有无冷凝。露点取决于不同的参数，换句话说，不是定值，而是变量。
确定露点有几种选择或方式。
在图1的例中，通过在传感器12的帮助下测量环境参数来确定露点。
为此，来自传感器12的测量值被传递到控制单元或调节器11，控制单元或调节器11基于测量值来计算露点。
如果喷油多级压缩机系统1在高压级压缩机元件3的入口4b处设置有湿度传感器13，则还可以测量入口4b处的湿度，以直接确定露点，或换句话说，有无冷凝。这里，湿度传感器13也将测量值发送到控制单元11。
另一种替代方案是通过监测高压级压缩机元件3的入口4b处的温度来确定露点，例如通过在高压级压缩机元件3的入口4b处采用温度传感器14或者专门设计的其他传感器。
在本例中，温度传感器14将入口4b处的温度测量值发送到控制单元或调节器11，控制单元或调节器11将监测和评估测量温度的历程，以基于此来确定露点。
当确定了露点时，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处的温度高于露点。
为此，控制单元或调节器11将通过温度传感器14获取入口4b处的温度，并将其与预定露点进行比较。
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更多地冷却，因为气体的温度可以更进一步下降而不会发生冷凝。
如果当中间冷却器9已经冷却到最大限度时温度仍高于露点，则控制单元11将使热泵10投入运行。
热泵10也可以始终处于运行状态，并且仅通过中间冷却器9进行调节。
热泵10也可以是可调节的，从而当露点降低并且因此所需冷却能力增大时，控制单元11将先允许中间冷却器9增大冷却能力然后允许热泵10增大冷却能力，或者先允许热泵10增大冷却能力然后允许中间冷却器9增大冷却能力，或者两者同时增大冷却能力，或两者交替地增大冷却能力。
如果入口4b处的温度低于或等于露点，则控制单元11将减少中间冷却器9的冷却，使得气体温度升高，从而避免形成冷凝。
如果热泵10也是可调节的，则控制单元11也可以先降低热泵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。
在露点下降的情况下，控制单元或调节器11可以允许中间冷却器9再次冷却，使得气体温度将再次下降。
这总是允许在没有冷凝的情况下实现最大程度冷却。
通过能够始终最优地冷却，可以使高压级压缩机元件的性能最大化。
如果装置1设有喷油装置15，则可以通过这种方式实现额外的气体冷却。此外，喷入的油将为高压级压缩机元件3提供额外的润滑。
本发明不限于通过示例描述并在附图中示出的实施例；相反，根据本发明的喷油多级压缩机系统和应用于其的方法可以根据不同的变型来实现，但不超出本发明的范围。

Claims (12)

1.一种喷油多级压缩机系统，至少包括具有入口(4a)和出口(5a)的低压级压缩机元件(2)和具有入口(4b)和出口(5b)的高压级压缩机元件(3)，其中，低压级压缩机元件(2)的出口(5a)通过管道(6)连接到高压级压缩机元件(3)的入口(4b)，
其特征在于，低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)各自具有电机(2a，3a)形式的驱动装置，其中，低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)直接连接到电机(2a，3a)或通过变速箱连接到电机(2a，3a)；并且，在低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)之间的管道(6)中设置有中间冷却器(9)，其中，
中间冷却器(9)是空气冷却系统，能够通过风扇调节，通过调节风扇速度可控制空气流量；
或者中间冷却器(9)是水冷却单元，能够通过可调节水流量的阀进行调节，
其中，中间冷却器(9)也能够通过以下方式来调节：通过旁路管道改变空气或水的温度，和/或通过屏蔽中间冷却器(9)的一部分使得待冷却气体仅暴露于中间冷却器(9)的一部分。
2.根据权利要求1所述的喷油多级压缩机系统，其特征在于，中间冷却器(9)是可调节的，其中，喷油多级压缩机系统(1)还配备有控制单元或调节器(11)，以控制或调节中间冷却器(9)使得高压级压缩机元件(3)的入口(4b)处的温度高于露点。
3.根据权利要求2所述的喷油多级压缩机系统，其特征在于，喷油多级压缩机系统(1)设置有传感器(12)，传感器(12)连接到控制单元或调节器(11)以测量环境参数，其中，控制单元或调节器(11)能够基于传感器(12)的测量值确定或计算露点。
4.根据权利要求2所述的喷油多级压缩机系统，其特征在于，喷油多级压缩机系统(1)还设置有在高压级压缩机元件(3)的入口(4b)处的湿度传感器(13)，湿度传感器(13)连接到控制单元或调节器(11)，湿度传感器(13)可测量或确定湿度，控制单元或调节器(11)能够基于湿度传感器(13)的测量值确定或计算露点。
5.根据权利要求2所述的喷油多级压缩机系统，其特征在于，喷油多级压缩机系统(1)还设置有在高压级压缩机元件(3)的入口(4b)处的温度传感器(14)，温度传感器(14)连接到控制单元或调节器(11)，温度传感器(14)可测量或确定温度，控制单元或调节器(11)具有允许基于由温度传感器(14)测量的温度历程来确定露点的算法。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的喷油多级压缩机系统，其特征在于，中间冷却器(9)设置有热泵(10)。
7.根据权利要求6所述的喷油多级压缩机系统，其特征在于，热泵(10)是可调节的。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的喷油多级压缩机系统，其特征在于，油被喷入到在中间冷却器(9)下游的管道(6)中。
9.一种控制喷油多级压缩机系统(1)的方法，喷油多级压缩机系统(1)至少包括具有入口(4a)和出口(5a)的低压级压缩机元件(2)和具有入口(4b)和出口(5b)的高压级压缩机元件(3)，低压级压缩机元件(2)的出口(5a)通过管道(6)连接到高压级压缩机元件(3)的入口(4b)，
其特征在于，低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)各自具有电机(2a，3a)形式的驱动装置，低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)直接连接到电机(2a，3a)或通过变速箱连接到电机(2a，3a)；中间冷却器(9)安装在低压级压缩机元件(2)和高压级压缩机元件(3)之间的管道(6)中，中间冷却器(9)是可调节的；喷油多级压缩机系统(1)还设有控制单元或调节器(11)，用于控制或调节中间冷却器(9)，使得高压级压缩机元件(3)的入口(4b)处的温度高于露点；该方法包括以下步骤：
计算或确定高压级压缩机元件(3)的入口(4b)处的露点；
调节中间冷却器(9)，使得高压级压缩机元件(3)的入口(4b)处的温度高于露点。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过测量例如压力、温度和/或湿度的环境参数来计算或确定露点。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过测量高压级压缩机元件(3)的入口(4b)处的湿度来计算或确定露点。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过跟踪高压级压缩机元件(3)的入口(4b)处的温度历程来计算或确定露点。
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