CN113758148A - 一种用于低温氮气冷量回收的装置及其使用方法 - Google Patents

一种用于低温氮气冷量回收的装置及其使用方法 Download PDF

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李玲
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Abstract

一种用于低温氮气冷量回收的装置及其使用方法，所述的装置包括：一个压缩系统，一个膨胀制冷系统及一个热交换系统，三者通过管道和阀门相连通，所述的压缩系统由适用低温气体的原料压缩机和适用低温气体的循环压缩机组成，用于对低温氮气的压缩；所述的膨胀制冷系统由一台或多台透平膨胀机组成，为装置提供冷源；所述的热交换系统由一组或多组换热器组成，用于氮气液化的换热。所述三个系统高度耦合，可适应不同温度条件下的原料低温氮气，适应范围宽广，能够大幅度提高低温氮气冷量回收效率，降低液氮产品的能耗。

Description

一种用于低温氮气冷量回收的装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及的是一种用于低温氮气冷量回收的装置及方法，更具体的说，通过低温原料压缩机、循环压缩机、膨胀制冷系统和热交换系统的高效耦合来回收低温氮气冷量用于生产液氮的节能装置与方法。
背景技术
氮占大气组分的78%左右，其性质不活泼，具有化学惰性，是一种应用领域广泛的工业气体，被广泛应用在化工生产、装备制造、食品保鲜、激光切割、航空航天工程低温模拟试验等领域。目前，有些行业经常出现氮气的富余放散，特别像在大型客机、大型运输机、空间站天地往返运输系统和探月工程等一系列重大航空航天工程用到的空间环境低温模拟试验装置中，经常会有大量干燥干净的低温氮气需要放空，为了减少对周围环境和人员带来的不利影响，需要对这些低温氮气进行加热后高空排放，不仅造成了能源的浪费，而且对环境也造成了一定的影响，不利于节能减排的环保理念。同时，随着工业技术的快速发展，市场上对液氮的需求量迅速增加，通过低温氮气冷量回收装置将富余低温氮气进行液化贮存使用或销售，既避免了能源浪费，同时也创造了一定的经济效益和环境效益。
目前，已有的一些氮气回收液化装置均针对常温氮气而言。对于低温氮气，其本身具有大量冷量，若采用回收装置进行液化回收，能耗较常规氮液化回收装置具有更优的能耗。在中国发明专利说明书CN104961109A中公开了一种低温风洞氮气回收装置及回收方法中，它通过在低温风洞回路后增加氮气回收系统和氮气压缩机膨胀系统，利用液体在低压环境下沸点会降低的特性对低温氮气进行液化回收。但是目前该蓄冷装置理论研究较多，工程应用的可行性、工艺流程的可靠性尚待验证，目前尚不能大范围推广应用。
发明内容
针对上述技术背景，本发明的目的在于提供一种用于低温氮气冷量回收的装置及方法，不仅可以有效实现低温氮气的回收利用，而且工艺流程高效可靠、经济性好、操作和维护便捷、可推广性大。同时，此方法可以对最低至77K的不同低温区的氮气进行回收液化，并且降低了原料压缩机和循环氮气压缩机的能耗，从而有效降低液氮制备的单耗。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种用于低温氮气冷量回收的装置，它至少包括：一个压缩系统，一个膨胀制冷系统及一个热交换系统，三者通过管道和阀门相连通，所述压缩系统由适用低温气体的原料压缩机NTC1和适用低温气体的循环压缩机NTC2组成，可用于对低温氮气的压缩；所述膨胀制冷系统由一台或多台透平膨胀机ET组成，为装置提供冷量,所述热交换系统由一组或多组换热器组成，用于氮气液化的换热。
作为优选：所述原料压缩机NTC1的气体出口通道与所述循环压缩机NTC2的气体入口通道通过管道和阀门相连通，膨胀制冷系统由两台高低温增压透平膨胀机ET1+BT1和ET2+BT2组成，高温增压透平膨胀机的膨胀端ET1和所述低温增压透平膨胀机的膨胀端ET2并联，所述高温增压透平膨胀机的增压端BT1和所述低温增压透平膨胀机的增压端BT2通过管道和阀门串联连接，所述循环压缩机NTC2的出口通过管道和阀门与所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端的入口通道相连接，所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端的出口通道与所述的热交换系统的换热器E1的第一入口通道通过管道和阀门相连接；所述高温增压透平膨胀机膨胀端的入口通道和所述低温增压透平膨胀机膨胀端的入口通道分别与所述换热器E1的第一出口通道和第二出口通道通过管道和阀门相连接；所述高温增压透平膨胀机的所述膨胀端出口通道与所述换热器E1的第二入口通道通过管道和阀门相连接。所述循环压缩机NTC2的出口也通过管道和阀门与所述换热器E1的第三入口通道通过管道和阀门相连接。所述换热器E1还有第四入口通道和第四出口通道，供未液化氮气的复热用。所述换热器E1的所述第二入口通道与所述换热器E1的第五出口通道相连通，所述第五出口通道和所述第四出口通道分别与所述循环压缩机NTC2的气体入口通道通过管道和阀门相连接，所述热交换系统的气液分离器SV的第一入口通道与所述换热器E1的第三出口通道通过管道和高压节流阀V1相连接，所述气液分离器SV的第二入口通道与所述低温增压透平膨胀机的所述膨胀端的出口通道通过管道和阀门相连接。所述气液分离器SV的第一出口通道通过管道和阀门与所述换热器E1的第四一入口通道相连接。所述气液分离器SV的第二出口通道，用于液氮产品的输出到液氮贮槽TK，所述热交换系统的液氮过冷器E2的第一入口通道通过管道和阀门与所述气液分离器SV的第二出口通道相连，所述液氮过冷器E2的第一出口通道通过管道和节流阀V2与所述液氮过冷器E2的第二入口相连接，所述液氮过冷器E2的第二出口与所述换热器E1的第五入口通道相连接，所述换热器E1的所述第五入口通道与所述换热器E1的第六出口通道相连通。所述换热器E1的所述第六出口通道与所述原料压缩机NTC1的入口通道相连通。
作为优选：所述原料压缩机NTC1或循环压缩机NTC2均为可为单台低温原料压缩机或由多台低温原料压缩机并联组成，其处理流量可相同，也可不同；所述多台低温原料压缩机的排气压力相同，所述原料压缩机NTC1由多级离心叶轮串联组成，不设气体中间冷却器和气体后冷却器，所述原料压缩机NTC1可为单台低温原料压缩机或由多台低温原料压缩机并联组成，其处理流量可相同，也可不同；所述多台低温原料压缩机的排气压力相同，所述循环压缩机NTC2由NTC2-1段和NTC2-2段两部分组成，所述NTC2-1段由单级或多级离心叶轮串联组成，不设气体中间冷却器，可适用对低温氮气的压缩；所述NTC2-2段由单级或多级离心叶轮串联组成，所述多级离心叶轮级间可设气体中间冷却器WC，也可不设气体中间冷却器WC。所述NTC2-2段设气体后冷却器WC1。所述NTC2-1段和所述NTC2-2段之间有通道A和通道B联通，所述通道A通过管道和阀门VA直接连接所述NTC2-1段和所述NTC2-2段，所述通道B通过管道和阀门VB1和阀门VB2经气体中间冷却器WC0连接所述NTC2-1段和所述NTC2-2段。所述通道A和所述通道B采用并联方式连接。所述气体中间冷却器WC和WC0和气体后冷却器WC1用来冷却气体，其气体热量被冷却介质带走。
作为优选：所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2，可为两个独立的压缩机，分别由两个独立的驱动装置驱动，也可整合成一个独立的压缩机，由一个共同的驱动装置驱动。
作为优选：所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2的NTC2-1段的材质能适应77K（-196℃）的低温条件，所述原料压缩机NTC1的入口设有保冷启动管线，所述启动管线可与所述贮槽TK的气体安全放空装置出口通过管道和阀门相连接。
一种用于低温氮气冷量回收的装置的方法，该方法包括如下步骤：
原料低温氮气00经原料低温压缩机NTC1压缩后的第一气体，其出口温度仍较低，可直接进入循环压缩机NTC2的TC2-1段压缩，压缩后的第三十一气体如果出口温度还是较低，可以通过A通道直接进入循环压缩机NTC2的TC2-2段压缩，如果出口温度已较高，可以通过B通道先进入中间冷却器WC0冷却，冷却后的气体再进入循环压缩机NTC2的TC2-2段压缩。压缩后的第三十二气体经后冷却器WC1过冷后分成两股：第四气体和第五气体。第四气体进入换热器E1冷却后在换热器E1的中上部抽出，第十二气体进入高温膨胀机的膨胀端ET1膨胀后，第十三气体又进入换热器E1复热；第五气体进入高低温增压透平膨胀机的增压端串级增压后的第六气体进入换热器E1冷却。在换热器E1的中下部，一部分第八气体进入低温膨胀机的膨胀端ET2膨胀，膨胀后的第九气体进入气液分离器SV；在换热器E1的下部，一部分第七气体进入高压节流阀V1节流后进入气液分离器SV。经气液分离器SV分离后的第十气体又进入换热器E1复热。复热后的第十一气体和第十四气体汇合成第十五气体后又与第一气体汇合成第二气体进入循环压缩机的入口进行压缩。经气液分离器SV分离后的液体A进入液氮过冷器E2自过冷，液体B的大部分液体作为液氮产品进入液氮贮槽TK，一部分液氮经节流阀V2节流后流体先后经液氮过冷器E2、换热器E1复热成常温，常温第二十气体或可以进入常温低压管网供用户使用，或可以放空，也可以回流到原料低温压缩机NTC1的入口。
作为优选：所述原料压缩机NTC1由不小于2级的离心叶轮串联组成，串联的离心叶轮级数为2-7级，出口压力介于0.2MPaA和1.0MPaA之间，不设气体中间冷却器和气体后冷却器。
作为优选：循环压缩机NTC2由NTC2-1段和NTC2-2段两部分组成，经所述NTC2-1段压缩后的气体温度不低于-40℃：优选地如若压缩后气体温度介于-40℃到40℃之间，气体可直接通过通道A进入所述NTC2-2段进行压缩。如若压缩后气体温度不小于-10℃，优选地气体温度不小于40℃，气体也可通过通道B经气体中间冷却器WC0冷却后再进入所述NTC2-2段进行压缩。所述NTC2-2段的出口压力介于0.4MPaA-5.0MPaA之间，优选地出口压力为1.8MPaA-3.5MPaA之间。
作为优选：所述原料压缩机NTC1的入口设有保冷启动管线，所述保冷启动管线可与所述贮槽TK的气体安全放空装置出口通过管道和阀门相连接。在所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2不运行时，所述贮槽TK贮存液体的汽化了的冷气体通过所述保冷启动管线进入所述原料压缩机NTC1的入口，对所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2进行预冷，以保持所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2的所述TC2-1段的低温状态，以便加快所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2运行时的启动时间。在所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2运行时，所述保冷启动管线通过阀门关闭与所述原料压缩机NTC1和所述贮槽TK的气体安全放空装置出口之间的联通。
在处理温区范围变化大的原料低温氮气时，所述的压缩系统的低温型原料压缩机可设置两只回流阀，一只用于压缩机自身防喘振需要，一只用于调整原料压缩机出口温度。
本发明的一个优点是通过将低温氮气增压、膨胀、热交换得到液氮产品，通过合理匹配压力与换热器温差，高效回收了低温氮气冷量，降低了液氮的产出能耗。本发明中原料氮气压缩机以低温氮气作为压缩介质，低温氮气的冷量回收效率高，压缩机能耗较常规压缩机能耗低。同时，低温氮气经原料压缩机增压后，出口温度仍低于常温，因此，无需设置后冷却器，不仅降低了成本及场地尺寸，而且使得循环氮压机的入口温度也比常温氮液化流程中的循环氮压机入口温度低，能耗得到进一步降低。
本发明的另一个优点是在装置启动阶段无返流氮气的情况下，可以考虑设置回流阀，待出口温度达到要求后送出至循环氮压机，以保证循环氮压机的稳定运行。
本发明的另一个优点是通过设置合理数量的并联原料低温压缩机和并联的循环压缩机，使整个装置可以达到较宽的负荷运行范围。
本发明采用的低温氮气冷量回收方法能够有效降低液氮的生产单耗，经济效益明显。以入口温度为150K的低温氮气和入口温度为313K的常温氮气为例，经计算，氮气入口温度为150K时生产液氮的单耗比313K时少约8.5%；氮气入口温度为110K时生产液氮的单耗比313K时少约12%。由此可见，该方法能有效降低能耗液氮的生产能耗，并且达到了低温氮气冷量回收的目的。
附图说明
图1是本发明所述系统和方法的一个实例示意图。
图2是本发明所述系统和方法的另一个变形实例示意图。
图3是本发明所述系统和方法的另一个变形实例的示意图。
图4是本发明所述系统和方法的另一个变形实例的示意图。
图5是本发明所述系统和方法的另一个变形实例的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1-5所示，本发明所述的一种用于低温氮气冷量回收的装置，它至少包括：一个压缩系统，一个膨胀制冷系统及一个热交换系统，三者通过管道和阀门相连通，所述压缩系统由适用低温气体的原料压缩机NTC1和适用低温气体的循环压缩机NTC2组成，可用于对低温氮气的压缩；所述原料压缩机NTC1的气体出口通道与所述循环压缩机NTC2的气体入口通道通过管道和阀门相连通。
所述膨胀制冷系统由一台或多台透平膨胀机ET组成，为装置提供冷量；作为优选，由两台高低温增压透平膨胀机ET1+BT1和ET2+BT2组成，优选地所述高温增压透平膨胀机的膨胀端ET1和所述低温增压透平膨胀机的膨胀端ET2并联，优选地所述高温增压透平膨胀机的增压端BT1和所述低温增压透平膨胀机的增压端BT2通过管道和阀门串联连接。所述循环压缩机NTC2的出口通过管道和阀门与所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端的入口通道相连接。
所述热交换系统由一组或多组换热器组成，用于氮气液化的换热。所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端的出口通道与所述的热交换系统的换热器E1的第一入口通道通过管道和阀门相连接；所述高温增压透平膨胀机膨胀端的入口通道和所述低温增压透平膨胀机膨胀端的入口通道分别与所述换热器E1的第一出口通道和第二出口通道通过管道和阀门相连接；所述高温增压透平膨胀机的所述膨胀端出口通道与所述换热器E1的第二入口通道通过管道和阀门相连接。所述循环压缩机NTC2的出口也通过管道和阀门与所述换热器E1的第三入口通道通过管道和阀门相连接。所述换热器E1还有第四入口通道和第四出口通道，供未液化氮气的复热用。所述换热器E1的所述第二入口通道与所述换热器E1的第五出口通道相连通，所述第五出口通道和所述第四出口通道分别与所述循环压缩机NTC2的气体入口通道通过管道和阀门相连接。
所述热交换系统的气液分离器SV的第一入口通道与所述换热器E1的第三出口通道通过管道和高压节流阀V1相连接，所述气液分离器SV的第二入口通道与所述低温增压透平膨胀机的所述膨胀端的出口通道通过管道和阀门相连接。所述气液分离器SV的第一出口通道通过管道和阀门与所述换热器E1的第四一入口通道相连接。所述气液分离器SV的第二出口通道，用于液氮的输出到液氮贮槽TK。
所述热交换系统的液氮过冷器E2的第一入口通道通过管道和阀门与所述气液分离器SV的第二出口通道相连，所述液氮过冷器E2的第一出口通道通过管道和节流阀V2与所述液氮过冷器E2的第二入口相连接，所述液氮过冷器E2的第二出口与所述换热器E1的第五入口通道相连接，所述换热器E1的所述第五入口通道与所述换热器E1的第六出口通道相连通。所述换热器E1的所述第六出口通道与所述原料压缩机NTC1的入口通道相连通。
所述原料压缩机NTC1由多级离心叶轮串联组成，不设气体中间冷却器和气体后冷却器。
所述原料压缩机NTC1可为单台低温原料压缩机，也可由多台低温原料压缩机并联组成。所述多台低温原料压缩机的处理流量可相同，也可不同；所述多台低温原料压缩机的排气压力相同。
所述循环压缩机NTC2由NTC2-1段和NTC2-2段两部分组成，所述NTC2-1段由单级或多级离心叶轮串联组成，不设气体中间冷却器，可适用对低温氮气的压缩；所述NTC2-2段由单级或多级离心叶轮串联组成，所述多级离心叶轮级间可设气体中间冷却器WC，也可不设气体中间冷却器WC。所述NTC2-2段设气体后冷却器WC1。所述NTC2-1段和所述NTC2-2段之间有通道A和通道B联通，所述通道A通过管道和阀门VA直接连接所述NTC2-1段和所述NTC2-2段，所述通道B通过管道和阀门VB1和阀门VB2经气体中间冷却器WC0连接所述NTC2-1段和所述NTC2-2段。所述通道A和所述通道B采用并联方式连接。所述气体中间冷却器WC和WC0和气体后冷却器WC1用来冷却气体，其气体热量被冷却介质带走。
所述压缩系统的所述循环压缩机NTC2可为单台循环压缩机，也可由多台循环压缩机并联组成。所述多台循环压缩机的处理流量可相同，也可不同；所述多台循环压缩机的排气压力相同。
所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2，可为两个独立的压缩机，分别由两个独立的驱动装置驱动，也可整合成一个独立的压缩机，由一个共同的驱动装置驱动。
所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2的NTC2-1段的材质能适应77K（-196℃）的低温条件。
所述原料压缩机NTC1的入口设有保冷启动管线60，所述启动管线60可与所述贮槽TK的气体安全放空装置出口通过管道和阀门相连接。
一种用于低温氮气冷量回收的装置的方法，该方法包括如下步骤：
原料低温氮气00经原料低温压缩机NTC1压缩后的第一气体01，其出口温度仍较低，可直接进入循环压缩机NTC2的TC2-1段压缩，压缩后的第三十一气体31如果出口温度还是较低，可以通过A通道直接进入循环压缩机NTC2的TC2-2段压缩，如果出口温度已较高，可以通过B通道先进入中间冷却器WC0冷却，冷却后的气体再进入循环压缩机NTC2的TC2-2段压缩。压缩后的第三十二气体32经后冷却器WC1过冷后分成两股：第四气体04和第五气体05。第四气体04进入换热器E1冷却后在换热器E1的中上部抽出，第十二气体12进入高温膨胀机的膨胀端ET1膨胀后，第十三气体13又进入换热器E1复热；第五气体05进入高低温增压透平膨胀机的增压端串级增压后的第六气体06进入换热器E1冷却。在换热器E1的中下部，一部分第八气体08进入低温膨胀机的膨胀端ET2膨胀，膨胀后的第九气体09进入气液分离器SV；在换热器E1的下部，一部分第七气体07进入高压节流阀V1节流后进入气液分离器SV。经气液分离器SV分离后的第十气体10又进入换热器E1复热。复热后的第十一气体11和第十四气体14汇合成第十五气体15后又与第一气体01汇合成第二气体02进入循环压缩机的入口进行压缩。
经气液分离器SV分离后的液体A16进入液氮过冷器E2自过冷后大部分液体作为液氮产品进入液氮贮槽TK，一部分液氮18经节流阀V2节流后流体19先后经液氮过冷器E2、换热器E1复热成常温。
根据原料低温氮气温度的不同，常温第二十气体20既可以进入常温低压管网供用户使用，或可以放空，也可以回流到原料低温压缩机NTC1的入口用于调整循环压缩机进气温度，灵活性较大。
所述原料压缩机NTC1由不小于2级的离心叶轮串联组成，优选地串联的离心叶轮级数为2-7级，出口压力介于0.2MPaA和1.0MPaA之间，不设气体中间冷却器和气体后冷却器，节省成本及场地空间。
所述循环压缩机NTC2由NTC2-1段和NTC2-2段两部分组成，经所述NTC2-1段压缩后的气体温度不低于-40℃：优选地如若压缩后气体温度介于-40℃到40℃之间，气体可直接通过通道A进入所述NTC2-2段进行压缩。如若压缩后气体温度不小于-10℃，优选地气体温度不小于40℃，气体也可通过通道B经气体中间冷却器WC0冷却后再进入所述NTC2-2段进行压缩。所述NTC2-2段的出口压力介于0.4MPaA-5.0MPaA之间，优选地出口压力为1.8MPaA-3.5MPaA之间。
所述原料压缩机NTC1的入口设有保冷启动管线60，所述保冷启动管线60可与所述贮槽TK的气体安全放空装置出口通过管道和阀门相连接。在所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2不运行时，所述贮槽TK贮存液体的汽化了的冷气体通过所述保冷启动管线60进入所述原料压缩机NTC1的入口，对所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2进行预冷，以保持所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2的所述TC2-1段的低温状态，以便加快所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2运行时的启动时间。在所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2运行时，所述保冷启动管线60通过阀门关闭与所述原料压缩机NTC1和所述贮槽TK的气体安全放空装置出口之间的联通。
实施例：
在图1的实施例中，原料干净干燥且温度约为110K的氮气00经两级叶轮串联的原料低温压缩机NTC1压缩到约0.52MPaA，氮气01温度升至约219K，然后直接进入循环压缩机NTC2的TC2-1段压缩到约1.1MPaA左右，压缩后的第三十一气体31出口温度约为313K左右，然后通过A通道直接进入循环压缩机NTC2的TC2-2段压缩到约3.0MPaA左右，温度升至388K左右。压缩后的第三十二气体32经后冷却器WC1过冷到313K后的第三气体03分成两股：第四气体04和第五气体05。第四气体04进入换热器E1冷却后在换热器E1冷却，冷却到约290K后在换热器E1的中上部抽出，第十二气体12进入高温膨胀机的膨胀端ET1膨胀到约0.525MPaA后，第十三气体13又进入换热器E1复热到约310K抽出；第五气体05进入高温增压透平膨胀机的增压端BT1增压并经后冷却器WC2冷却后又进入低温增压透平膨胀机的增压端BT2串联增压并经后冷却器WC3冷却后的第六气体06进入换热器E1冷却。在换热器E1的中下部，一部分第八气体08在温度约为182K时抽出进入低温膨胀机的膨胀端ET2膨胀到约0.524MPaA，膨胀后的第九气体09进入气液分离器SV；在换热器E1的下部，剩余另一部分第七气体07进入高压节流阀V1节流到约0.524MPaA后进入气液分离器SV。经气液分离器SV分离后的第十气体10又进入换热器E1复热到约310K抽出。复热后的第十一气体11和第十四气体14与氮气01又进入循环压缩机NTC2的TC2-1段压缩到约1.1MPaA左右，压缩后的第三十一气体31出口温度约为360K左右，然后通过B通道进入中间冷却器WC0冷却到313K，冷却后的气体再进入循环压缩机NTC2的TC2-2段压缩。经气液分离器SV分离后的液体A16进入液氮过冷器E2自过冷后大部分液体50作为液氮产品进入液氮贮槽TK，一部分液氮18经节流阀V2节流到约0.13MPaA后流体19先后经液氮过冷器E2、换热器E1复热，氮气20复热到约310K后抽出去常温低压氮气管网或直接去放空装置放空。当原料干净干燥低温氮气00来源不足时或低温氮气00的温度较低时，氮气20也可以回到原料低温压缩机NTC1入口，同原料干净干燥低温氮气00被原料低温压缩机NTC1压缩以补充原料气或用于调整循环压缩机NTC2的入气温度以保证进入循环压缩机NTC2的TC2-2段的气体温度是适宜的。
在图2的实施例中，第五气体05进入低温增压透平膨胀机的增压端BT2增压并经后冷却器WC3冷却后又进入高温增压透平膨胀机的增压端BT1串联增压并经后冷却器WC2冷却后的第六气体06进入换热器E1冷却。其它思路同图1。
在图3和图4的实施例中，经气液分离器SV分离后的液体50可直接作为液氮产品进入液氮贮槽TK。
在图5的实施例中，原料压缩机NTC1和循环压缩机NTC2整合成一个独立的压缩机NTC1+ NTC2，由一个共同的驱动装置驱动。
如图1-5所示，这些实施例仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例。在某些特殊情况，如图1-5中的原料低温压缩机可以是几台低温压缩机采用并联形式或循环压缩机可以是几台循环压缩机采用并联形式。
因此，在本发明的范畴下所作的各种变型或优化，也在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于低温氮气冷量回收的装置，它至少包括：一个压缩系统，一个膨胀制冷系统及一个热交换系统，三者通过管道和阀门相连通，其特征在于：所述压缩系统由适用低温气体的原料压缩机NTC1和适用低温气体的循环压缩机NTC2组成，可用于对低温氮气的压缩；所述膨胀制冷系统由一台或多台透平膨胀机ET组成，为装置提供冷量,所述热交换系统由一组或多组换热器组成，用于氮气液化的换热。
2.根据权利要求1所述的用于低温氮气冷量回收的装置，其特征在于：所述原料压缩机NTC1的气体出口通道与所述循环压缩机NTC2的气体入口通道通过管道和阀门相连通，膨胀制冷系统由两台高低温增压透平膨胀机ET1+BT1和ET2+BT2组成，高温增压透平膨胀机的膨胀端ET1和所述低温增压透平膨胀机的膨胀端ET2并联，所述高温增压透平膨胀机的增压端BT1和所述低温增压透平膨胀机的增压端BT2通过管道和阀门串联连接，所述循环压缩机NTC2的出口通过管道和阀门与所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端的入口通道相连接，所述膨胀制冷系统的所述透平膨胀机增压端的出口通道与所述的热交换系统的换热器E1的第一入口通道通过管道和阀门相连接；所述高温增压透平膨胀机膨胀端的入口通道和所述低温增压透平膨胀机膨胀端的入口通道分别与所述换热器E1的第一出口通道和第二出口通道通过管道和阀门相连接；所述高温增压透平膨胀机的所述膨胀端出口通道与所述换热器E1的第二入口通道通过管道和阀门相连接，所述循环压缩机NTC2的出口也通过管道和阀门与所述换热器E1的第三入口通道通过管道和阀门相连接，所述换热器E1还有第四入口通道和第四出口通道，供未液化氮气的复热用，所述换热器E1的所述第二入口通道与所述换热器E1的第五出口通道相连通，所述第五出口通道和所述第四出口通道分别与所述循环压缩机NTC2的气体入口通道通过管道和阀门相连接，所述热交换系统的气液分离器SV的第一入口通道与所述换热器E1的第三出口通道通过管道和高压节流阀V1相连接，所述气液分离器SV的第二入口通道与所述低温增压透平膨胀机的所述膨胀端的出口通道通过管道和阀门相连接，所述气液分离器SV的第一出口通道通过管道和阀门与所述换热器E1的第四一入口通道相连接，所述气液分离器SV的第二出口通道，用于液氮产品的输出到液氮贮槽TK，所述热交换系统的液氮过冷器E2的第一入口通道通过管道和阀门与所述气液分离器SV的第二出口通道相连，所述液氮过冷器E2的第一出口通道通过管道和节流阀V2与所述液氮过冷器E2的第二入口相连接，所述液氮过冷器E2的第二出口与所述换热器E1的第五入口通道相连接，所述换热器E1的所述第五入口通道与所述换热器E1的第六出口通道相连通，所述换热器E1的所述第六出口通道与所述原料压缩机NTC1的入口通道相连通。
3.根据权利要求1或2所述的用于低温氮气冷量回收的装置，其特征在于：所述原料压缩机NTC1或循环压缩机NTC2均为可为单台低温原料压缩机或由多台低温原料压缩机并联组成，其处理流量可相同，也可不同；所述多台低温原料压缩机的排气压力相同，所述原料压缩机NTC1由多级离心叶轮串联组成，不设气体中间冷却器和气体后冷却器，所述原料压缩机NTC1可为单台低温原料压缩机或由多台低温原料压缩机并联组成，其处理流量可相同，也可不同；所述多台低温原料压缩机的排气压力相同，所述循环压缩机NTC2由NTC2-1段和NTC2-2段两部分组成，所述NTC2-1段由单级或多级离心叶轮串联组成，不设气体中间冷却器，可适用对低温氮气的压缩；所述NTC2-2段由单级或多级离心叶轮串联组成，所述多级离心叶轮级间可设气体中间冷却器WC，也可不设气体中间冷却器WC，所述NTC2-2段设气体后冷却器WC1，所述NTC2-1段和所述NTC2-2段之间有通道A和通道B联通，所述通道A通过管道和阀门VA直接连接所述NTC2-1段和所述NTC2-2段，所述通道B通过管道和阀门VB1和阀门VB2经气体中间冷却器WC0连接所述NTC2-1段和所述NTC2-2段，所述通道A和所述通道B采用并联方式连接，所述气体中间冷却器WC和WC0和气体后冷却器WC1用来冷却气体，其气体热量被冷却介质带走。
4.根据权利要求3所述的用于低温氮气冷量回收的装置，其特征在于：所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2，可为两个独立的压缩机，分别由两个独立的驱动装置驱动，也可整合成一个独立的压缩机，由一个共同的驱动装置驱动。
5.根据权利要求4所述的用于低温氮气冷量回收的装置，其特征在于：所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2的NTC2-1段的材质能适应77K（-196℃）的低温条件，所述原料压缩机NTC1的入口设有保冷启动管线（60），所述启动管线可与所述贮槽TK的气体安全放空装置出口通过管道和阀门相连接。
6.一种利用权利要求1-5任意一项权利要求所述的一种用于低温氮气冷量回收的装置的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
原料低温氮气（00）经原料低温压缩机NTC1压缩后的第一气体（01），其出口温度仍较低，可直接进入循环压缩机NTC2的TC2-1段压缩，压缩后的第三十一气体(31)如果出口温度还是较低，可以通过A通道直接进入循环压缩机NTC2的TC2-2段压缩，如果出口温度已较高，可以通过B通道先进入中间冷却器WC0冷却，冷却后的气体再进入循环压缩机NTC2的TC2-2段压缩，压缩后的第三十二气体（32）经后冷却器WC1过冷后分成两股：第四气体（04）和第五气体（05），第四气体（04）进入换热器E1冷却后在换热器E1的中上部抽出，第十二气体（12）进入高温膨胀机的膨胀端ET1膨胀后，第十三气体(13)又进入换热器E1复热；第五气体(05)进入高低温增压透平膨胀机的增压端串级增压后的第六气体(06)进入换热器E1冷却，在换热器E1的中下部，一部分第八气体(08)进入低温膨胀机的膨胀端ET2膨胀，膨胀后的第九气体(09)进入气液分离器SV；在换热器E1的下部，一部分第七气体(07)进入高压节流阀V1节流后进入气液分离器SV，经气液分离器SV分离后的第十气体(10)又进入换热器E1复热，复热后的第十一气体(11)和第十四气体(14)汇合成第十五气体(15)后又与第一气体(01)汇合成第二气体(02)进入循环压缩机的入口进行压缩，经气液分离器SV分离后的液体A(16)进入液氮过冷器E2自过冷，液体B（17）的大部分液体作为液氮产品进入液氮贮槽TK，一部分液氮（18）经节流阀V2节流后流体（19）先后经液氮过冷器E2、换热器E1复热成常温，常温第二十气体（20）进入常温低压管网供用户使用，或放空，或回流到原料低温压缩机NTC1的入口。
7.根据权利要求6所述的一种用于低温氮气冷量回收的装置的方法，其特征在于：所述原料压缩机NTC1由不小于2级的离心叶轮串联组成，串联的离心叶轮级数为2-7级，出口压力介于0.2MPaA和1.0MPaA之间，不设气体中间冷却器和气体后冷却器。
8.根据权利要求6所述的一种用于低温氮气冷量回收的装置的方法，其特征在于：所述循环压缩机NTC2由NTC2-1段和NTC2-2段两部分组成，经所述NTC2-1段压缩后的气体温度不低于-40℃：优选地如若压缩后气体温度介于-40℃到40℃之间，气体可直接通过通道A进入所述NTC2-2段进行压缩，如若压缩后气体温度不小于-10℃，优选地气体温度不小于40℃，气体也可通过通道B经气体中间冷却器WC0冷却后再进入所述NTC2-2段进行压缩，所述NTC2-2段的出口压力介于0.4MPaA-5.0MPaA之间，优选地出口压力为1.8MPaA-3.5MPaA之间。
9.根据权利要求8所述的一种用于低温氮气冷量回收的装置的方法，其特征在于：所述原料压缩机NTC1的入口设有保冷启动管线(60)，所述保冷启动管线(60)可与所述贮槽TK的气体安全放空装置出口通过管道和阀门相连接，在所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2不运行时，所述贮槽TK贮存液体的汽化了的冷气体通过所述保冷启动管线60进入所述原料压缩机NTC1的入口，对所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2进行预冷，以保持所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2的所述TC2-1段的低温状态，以便加快所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2运行时的启动时间，在所述原料压缩机NTC1和所述循环压缩机NTC2运行时，所述保冷启动管线(60)通过阀门关闭与所述原料压缩机NTC1和所述贮槽TK的气体安全放空装置出口之间的联通。
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