CN115507620A - 应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统及其控制系统，涉及空分装置预冷系统技术领域。本发明通过利用空冷塔循环水回水余压与空分装置循环水回水的压差驱动水力驱动泵，代替空冷塔常规配套的电力驱动泵，达到节能减排目的。此外，其控制系统通过空冷塔底液位控制冷冻水泵的供电，空压机末段排出气体温度控制循环水增压泵的供电。通过冷冻水和循环水的总流量控制水力透平进口输水阀门的开度，使其满足在不同操作状态下的自动操作和调节需求。在该控制系统下，整个系统可以自动启动、运行和关闭。

Description

应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统及其控制系统
技术领域
本发明涉及空分装置预冷系统技术领域，具体涉及一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统及其控制系统。
背景技术
空分装置预冷系统是将大型空气压缩机压缩产生的热空气进行冷却，便于后续吸附净化系统脱除空气中水、有机物、二氧化碳等生产有害物质的前置系统。
传统的预冷系统包含空冷塔和水冷塔，热空气在空冷塔中两段接触冷却，先用常温循环水与热空气接触冷却，然后用低温冷冻水(约8～10℃)冷却到12℃左右。其中，因为空冷塔带压操作(5～6atm)，通常的常温循环水压头不足以达到空冷塔常温循环水进口高度，故需要配置水泵将常温循环水加压到所需压头，克服空冷塔操作压力和常温循环水进口高度的阻碍。而同时，空冷塔排出的水回到循环水回水系统，其压头仅需克服管道阻力和循环水站回水进口和液体分布器的流阻，需求压头相对很小。
因而，在现有的空分预冷系统空冷塔，配置的循环水水泵消耗电能，而同时排出的循环水浪费了水压能，导致了很大的能量浪费。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统及其控制系统，解决了现有空分预冷系统能量浪费的技术问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统，包括空冷塔和水冷塔；
所述空冷塔的下部与空压机末段气体出口相连接，顶部与下一工段的分子筛吸附器气体进口相连接，分子筛吸附器前设有第三阀门；所述顶部与分子筛吸附器的连接管路分设有支管，该支管经过第五阀门与污氮输送管道相连接，共同接入所述水冷塔的下部；
循环水进水管路一分为二，一路经过第二阀门与所述水冷塔的上部相连接，所述水冷塔的下部通过冷冻水泵与空冷塔的上部相连接，另一路依次通过第一阀门、常温循环水泵、水力透平驱动泵与空冷塔的中部相连接；其中，所述常温循环水泵设有用于回流的第六阀门；
所述空冷塔的底部依次经过第四阀门、水力透平与循环水回水管网相连接。
优选的，该系统包括四继电开关、两变频器、一晶闸管；
第一继电开关的动力电输入端接入三相电源，控制端接入第一温度仪的信号输出端，所述第一温度仪用于监测空压机末端气体出口的进气温度，输出端接入第一变频器，所述第一变频器变频输出至冷冻水泵的电机；
所述第一继电开关与第一变频器之间引出单相动力电，分别接入第一、二、五阀门之执行机构的动力电端；
第二继电开关的动力电输入端接入三相电源，控制端接入晶闸管的阴极端点，所述晶闸管用于监测空冷塔内部的液位，输出端接入第二变频器，所述第二变频器变频输出至常温循环水泵的电机；
所述第二继电开关与第二变频器之间引出单相动力电，分别经过第三继电开关接入第三阀门之执行机构的动力电端、直接接入第四阀门之执行机构的动力电端、经过第四继电开关接入第六阀门之执行机构的动力电端。
优选的，所述晶闸管的阳极端点接入第一液位计的信号输出端，所述第一液位计用于监测空冷塔的停车液位信号；所述晶闸管的门极端点接入第二液位计的信号输出端，所述第二液位计用于监测空冷塔的启动液位信号，其中所述启动液位高于停车液位。
优选的，所述第一变频器的流量设定端和流量信号反馈端均接入第一流量计的信号输出端，所述第一流量计用于监测进入空冷塔的冷冻水流量；所述第一变频器的流量设定端还接入第三温度仪的信号输出端，所述第三温度仪用于监测空冷塔的出气温度；
所述第二变频器的流量信号反馈端均接入第二流量计的信号输出端，所述第二流量计用于监测进入空冷塔的常温循环水流量，流量设定端接入现场人工设定或远程DCS设定的信号。
优选的，所述第一、二流量计的信号输出端通过流量加法器接入第四阀门之执行机构的信号端，调节第四阀门的开度，可以使空冷塔内部的液位介于启动液位和停车液位信号之间。
优选的，所述第三继电开关的动力电输入端接入单相动力电，控制端接入所述第三温度仪的信号输出端，输出端接入第三阀门之执行机构的动力电端。
优选的，所述控制系统还包括一互感器；
所述第四继电开关的动力电输入端接入单相动力电，控制端接入一电信号，该电信号由所述第一阀门的单相动力电电路通过互感器引出，输出端接入第六阀门之执行机构的动力电端。
优选的，所述第二阀门的之执行机构的信号端接入第三液位计的信号输出端，所述第三液位计用于监测水冷塔内部的液位；
所述第五阀门之执行机构的信号端接入第二温度仪的信号输出端，所述第二温度仪用于监测水冷塔内部的水温。
优选的，当第一温度仪监测到进气温度高于50℃时，控制第一继电开关以打开第一、二、五阀门；
优选的，当第三温度仪监测到出气温度不低于12℃时，第一变频器的反馈值为正，加大进入空冷塔的冷冻水流量；低于12℃时，第一变频器的反馈值为负，减小进入空冷塔的冷冻水流量；
优选的，当第三温度仪监测到出气温度高于14℃时，控制第三继电开关以关闭第三阀门。
(三)有益效果
本发明提供了一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统及其控制系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明包括水力驱动泵、常温循环水泵、冷冻水泵、空冷塔、管道系统、阀门等设备，通过水力驱动泵代替常规空冷塔配套的电力驱动泵，利用空冷塔循环水回水余压与空分装置循环水回水的压差驱动水力驱动泵，达到节能减排目的。
控制系统通过空冷塔底液位控制冷冻水泵的供电，空压机末段排出气体温度控制循环水增压泵的供电。通过冷冻水和循环水的总流量控制水力透平进口输水阀门的开度，使其满足在不同操作状态下的自动操作和调节需求。通过空冷塔气体进口温度，在该控制系统下，整个系统可以自动启动、运行和关闭。
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为本发明实施例提供的一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统的设备示意图；
图2为本发明实施例提供的一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统的控制系统示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例通过提供一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统及其控制系统，解决了现有空分预冷系统能量浪费的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
现有的空分预冷系统，由于冷冻水的加入，使得进入空冷塔的水要大于输入的常温循环水。此时，空冷塔排出的循环水能量与空冷塔循环水泵需要的功率相比，仅略有不足。故本申请想到可以通过增加一电驱动水泵补足不足的输水功率，以实现系统的可靠运行。
具体的，水力透平驱动泵依靠具有一定压头的流动水作为能量载体，推动水轮机产生旋转动能，带动水泵，现已有成熟产品，应用于空分装置预冷系统中，有很好的节能效果。而变频器在动力机械节能中广泛使用，通过它控制动力机械的输入电功，可以使得水泵启动简单，运行节能。进而，本申请最终提出了一种应用水力透平驱动泵和变频器的空分装置预冷系统及其控制系统。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例提供了一种应用水力透平驱动泵P2的空分装置预冷系统，包括空冷塔和水冷塔；
所述空冷塔的下部与空压机末段气体出口相连接，顶部与下一工段的分子筛吸附器气体进口相连接，分子筛吸附器前设有第三阀门V3；所述顶部与分子筛吸附器的连接管路分设有支管，该支管经过第五阀门V5与污氮输送管道相连接，共同接入所述水冷塔的下部；
循环水进水管路一分为二，一路经过第二阀门V2与所述水冷塔的上部相连接，所述水冷塔的下部通过冷冻水泵P3与空冷塔的上部相连接，另一路依次通过第一阀门V1、常温循环水泵P1、水力透平驱动泵P2与空冷塔的中部相连接，所述常温循环水泵P1可以采用电动增压泵，用于补足压头；
所述空冷塔的底部依次经过第四阀门V4、水力透平W1与循环水回水管网相连接，所述水力透平W1驱动水力透平泵P2向空冷塔中输入常温循环水。
为了防止冷冻水泵P3操作失误下，常温循环水泵P1发生气蚀，在一实施例中，所述常温循环水泵P1设有用于回流的第六阀门V6，其在第一阀门V1关闭的时候开启。
实施例2：
如图2所示，本发明提供了一种如实施例1所述的空分装置预冷系统的控制系统，该系统包括四继电开关、两变频器、一晶闸管、一互感器HG1以及其他配套设备。
第一继电开关KM1的动力电输入端接入380V三相电源，控制端接入第一温度仪T1的信号输出端，所述第一温度仪T1用于监测空压机末端气体出口的进气温度，输出端接入第一变频器VVVF1，所述第一变频器VVVF1变频输出至冷冻水泵P3的电机M3；
所述第一继电开关KM1与第一变频器VVVF1之间引出220V单相动力电，分别接入第一、二、五阀门之执行机构的动力电端；
第二继电开关KM2的动力电输入端接入380V三相电源，控制端接入晶闸管的阴极端点，所述晶闸管用于监测空冷塔内部的液位，输出端接入第二变频器VVVF2，所述第二变频器VVVF2变频输出至常温循环水泵P1的电机M1；
所述第二继电开关KM2与第二变频器VVVF2之间引出220V单相动力电，分别经过第三继电开关KM3接入第三阀门V3之执行机构的动力电端、直接接入第四阀门V4之执行机构的动力电端、经过第四继电开关KM4接入第六阀门V6之执行机构的动力电端。
在一实施例中，所述晶闸管的阳极端点接入第一液位计L1的信号输出端，所述第一液位计L1用于监测空冷塔的停车液位信号；所述晶闸管的门极端点接入第二液位计L2的信号输出端，所述第二液位计L2用于监测空冷塔的启动液位信号，其中所述启动液位高于停车液位。通过晶闸管，L2可以闭合继电开关KM2，L1可以断开继电开关KM2。
在一实施例中，所述第一变频器VVVF1的流量设定端和流量信号反馈端均接入第一流量计F1的信号输出端，所述第一流量计F1用于监测进入空冷塔的冷冻水流量；所述第一变频器VVVF1的流量设定端还接入第三温度仪T3的信号输出端，所述第三温度仪T3用于监测空冷塔的出气温度。
空冷塔出口气体温度作为第一变频器VVVF1流量设定输入的反馈信号，以使得空冷塔出口气体温度基本稳定在所需温度，约12℃。具体而言，当第三温度仪T3监测到出气温度不低于12℃时，第一变频器VVVF1的反馈值为正，加大进入空冷塔的冷冻水流量；低于12℃时，第一变频器VVVF1的反馈值为负，减小进入空冷塔的冷冻水流量。
实际运行中，只有P1、P2启动后，有循环水进入空冷塔后，F1的示数增大后，F2的示数才会降低。否则，因为T3反馈的存在，使得F2的示数一直处于最大流量，M3处于最大输出功率状态。
所述第二变频器VVVF2的流量信号反馈端均接入第二流量计F2的信号输出端，所述第二流量计F2用于监测进入空冷塔的常温循环水流量，流量设定端接入现场人工设定或远程DCS设定的信号。
在一实施例中，所述第一、二流量计的信号输出端通过流量加法器UY接入第四阀门V4之执行机构的信号端，调节第四阀门V4的开度，调节水力透平W1的进口水流量，使空冷塔内部的液位介于启动液位和停车液位信号之间。
在一实施例中，所述第三继电开关KM3的动力电输入端接入220V单相动力电，控制端接入所述第三温度仪T3的信号输出端，输出端接入第三阀门V3之执行机构的动力电端。
在一实施例中，所述第四继电开关KM4的动力电输入端接入220V单相动力电，控制端接入一电信号，该电信号由所述第一阀门V1的220V单相动力电电路通过互感器HG1引出，输出端接入第六阀门V6之执行机构的动力电端。
在一实施例中，所述第二阀门V2的之执行机构的信号端接入第三液位计L3的信号输出端，所述第三液位计L3用于监测水冷塔内部的液位，以保持水冷塔底部冷冻水液位不至于过低。
所述第五阀门V5之执行机构的信号端接入第二温度仪T2的信号输出端，所述第二温度仪T2用于监测水冷塔内部的水温，在启动时V5全开，输入降温的高压空气，膨胀后形成低温常压空气，冷却常温循环水。当空分装置正常运行，有低温污氮输入时，根据需要补充冷量不足。
此外，关于第六阀门V6，还需要说明的是，实际操作中，当阀门V1得电开启的时候——阀门V6可能因为继电开关KM2未闭合而关闭，此时水泵P1也未运行；当继电开关KM2闭合的时候，阀门V6闭合，水泵P1运行。当阀门V1失电关闭的时候——继电开关KM2仍处于闭合状态，水泵P1仍在运行或备用，阀门V6打开，防止了水泵P1的气蚀；当继电开关KM2断开，水泵P1断电停运，阀门V6失电关闭。
接下来，示例性的介绍上述控制系统的具体使用方式：
启动阶段：当来自压缩机末段的热空气温度高于50℃时，T1闭合继电开关KM1，变频器VVVF1和电机M3获取380V动力电。
从继电开关KM1后引出的220V动力电连接阀门V1、V2、V5，作为其驱动动力来源。
空水冷塔底液位计L1和L2通过晶闸管共同控制了继电开关KM2的通断。L1接晶闸管阳极，L2接晶闸管门级。晶闸管阴极接KM2控制端。
继电开关KM2的380V动力电输入端接三相电，输出端接变频器VVVF2。三相电在VVVF2中根据流量设定信号和实际流量F2输入信号的控制下，变频输出给冷冻水泵P1的电机M1。
从KM2的输出端引出一单相线作为阀门V3、V4和V6的驱动动力电。输往V3的单相电经过继电器KM3的控制。KM3通断信号为空冷塔输出空气温度——当高于14℃，T3控制KM3关断V3的驱动电，使得V3关闭。输往V6的单相电经过继电器KM4的控制。
从阀门V1的动力电电路引出一支路，接入继电器KM4控制端。阀门V6的驱动电接入KM4无控制信号得电端，使得构成与阀门V1之间的互锁，在阀门V1断电关闭的时候开启，避免常温循环水泵P1发生气蚀。
运行期间：为了使得空冷塔输出空气温度良好控制，将T3的反馈信号作为VVVF2流量设定的一个串级输入，对冷冻水流量进行串级控制。
停止阶段：空分装置停止运行，空压机停车。当来自压缩机末段的热空气温度低于50℃时，则阀门V1、V2、V5因为失去动力电而关闭，冷冻水泵P3同时停止运行。接着因为空冷塔底部液位低于停车液位，V3、V4关闭，水力透平W1、水利透平驱动泵P2、常温循环水泵P1失去动力，停止运行；空气输出阀门V3关闭——空分预冷系统就此停止。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
1、本发明包括水力驱动泵、常温循环水泵、空冷塔、管道系统、阀门等设备，通过水力驱动泵代替空冷塔配套的电力驱动泵，利用空冷塔循环水回水余压与空分装置循环水回水的压差驱动空冷塔常温循环水泵，达到节能减排目的。
2、通过空冷塔底液位控制冷冻水泵的供电，通过空压机末段排出气体温度控制循环水增压泵的供电。通过冷冻水和循环水的总流量控制控制水力透平进口输水阀门的开度，使其满足在不同操作状态下的自动操作和调节需求。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种应用水力透平驱动泵的空分装置预冷系统，其特征在于，包括空冷塔和水冷塔；
所述空冷塔的下部与空压机末端气体出口相连接，顶部与下一工段的分子筛吸附器气体进口相连接，分子筛吸附器前设有第三阀门；所述顶部与分子筛吸附器的连接管路分设有支管，该支管经过第五阀门与污氮输送管道相连接，共同接入所述水冷塔的下部；
循环水进水管路一分为二，一路经过第二阀门与所述水冷塔的上部相连接，所述水冷塔的下部通过冷冻水泵与空冷塔的上部相连接，另一路依次通过第一阀门、常温循环水泵、水力透平驱动泵与空冷塔的中部相连接；其中，所述常温循环水泵设有用于回流的第六阀门；
所述空冷塔的底部依次经过第四阀门、水力透平与循环水回水管网相连接。
2.一种用于权利要求1所述的空分装置预冷系统的控制系统，其特征在于，该系统包括四继电开关、两变频器、一晶闸管；
第一继电开关的动力电输入端接入三相电源，控制端接入第一温度仪的信号输出端，所述第一温度仪用于监测空压机末端气体出口的进气温度，输出端接入第一变频器，所述第一变频器变频输出至冷冻水泵的电机；
所述第一继电开关与第一变频器之间引出单相动力电，分别接入第一、二、五阀门之执行机构的动力电端；
第二继电开关的动力电输入端接入三相电源，控制端接入晶闸管的阴极端点，所述晶闸管用于监测空冷塔内部的液位，输出端接入第二变频器，所述第二变频器变频输出至常温循环水泵的电机；
所述第二继电开关与第二变频器之间引出单相动力电，分别经过第三继电开关接入第三阀门之执行机构的动力电端、直接接入第四阀门之执行机构的动力电端、经过第四继电开关接入第六阀门之执行机构的动力电端。
3.一种如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，
所述晶闸管的阳极端点接入第一液位计的信号输出端，所述第一液位计用于监测空冷塔的停车液位信号；所述晶闸管的门极端点接入第二液位计的信号输出端，所述第二液位计用于监测空冷塔的启动液位信号，其中所述启动液位高于停车液位。
4.一种如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，
所述第一变频器的流量设定端和流量信号反馈端均接入第一流量计的信号输出端，所述第一流量计用于监测进入空冷塔的冷冻水流量；所述第一变频器的流量设定端还接入第三温度仪的信号输出端，所述第三温度仪用于监测空冷塔的出气温度；
所述第二变频器的流量信号反馈端均接入第二流量计的信号输出端，所述第二流量计用于监测进入空冷塔的常温循环水流量，流量设定端接入现场人工设定或远程DCS设定的信号。
5.一种如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述第一、二流量计的信号输出端通过流量加法器接入第四阀门之执行机构的信号端，调节第四阀门的开度，使空冷塔内部的液位介于启动液位和停车液位信号之间。
6.一种如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，
所述第三继电开关的动力电输入端接入单相动力电，控制端接入所述第三温度仪的信号输出端，输出端接入第三阀门之执行机构的动力电端。
7.一种如权利要求2～6任一项所述的控制系统，其特征在于，还包括一互感器；
所述第四继电开关的动力电输入端接入单相动力电，控制端接入一电信号，该电信号由所述第一阀门的单相动力电电路通过互感器引出，输出端接入第六阀门之执行机构的动力电端。
8.一种如权利要求2～6任一项所述的控制系统，其特征在于，
所述第二阀门的之执行机构的信号端接入第三液位计的信号输出端，所述第三液位计用于监测水冷塔内部的液位；
所述第五阀门之执行机构的信号端接入第二温度仪的信号输出端，所述第二温度仪用于监测水冷塔内部的水温。
9.一种如权利要求4～6任一项所述的控制系统，其特征在于，
当第一温度仪监测到进气温度高于50℃时，控制第一继电开关以打开第一、二、五阀门；
和/或当第三温度仪监测到出气温度不低于12℃时，第一变频器的反馈值为正，加大进入空冷塔的冷冻水流量；低于12℃时，第一变频器的反馈值为负，减小进入空冷塔的冷冻水流量；
和/或当第三温度仪监测到出气温度高于14℃时，控制第三继电开关以关闭第三阀门。
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