CN115574253A - 一种压缩气体冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种压缩气体冷却系统，包括液氮储罐、增压管路、冷却管路和氮气回收管路；所述液氮储罐的液氮出口与增压管路的入口连接，所述增压管路上设有第一控制阀、第一复热器以及第一压力变送器，所述增压管路的出口连接所述液氮储罐的入口；所述液氮储罐的液氮出口还连接所述冷却管路入口端，所述冷却管路上设有流量调节阀，所述冷却管路部分或全部位于一气气换热器内，需预冷气体的管道也位于该气气换热器内，需冷却的气体与液氮的流向相反，所述需冷却的气体的管道上设有第一温度变送器；所述冷却管路的出口端连接所述氮气回收管路。该压缩气体冷却系统预冷时间短，能耗低，同时还可对使用过的氮气进行回收，减少了氮气的浪费。

Description

一种压缩气体冷却系统
技术领域
本发明涉及压缩气体预冷领域，具体涉及一种压缩气体冷却系统。
背景技术
一些低温压缩物质(如压缩氢、压缩天然气、压缩乙烯、压缩丙烷及丁烷等)在储存、运输或加注的过程中不可避免地因漏入环境热量而蒸发为相应的低温气态物质，这些蒸发气必须回收，否则会引起设备、管线的超压，造成安全隐患，同时也造成有用资源的浪费。
以压缩氢气为例，在国内，加氢站中，氢主要以压缩氢气进行存储，当向车瓶内加注压缩氢气时会发热，而使得车瓶的氢气温度可能超高，因此加氢站在加注压缩氢气时先对压缩氢气进行冷却是非常必要的。目前国内35MP以及70MPa加氢站对于压缩氢气的冷却多采用冷水机组供冷的模式。为了满足氢气能够快速冷却的需要，冷水机组要么根据氢气需要预冷的时候启动，导致预冷时间长，要么长时间维持冷态运转，耗能较高。
因此，急需一种预冷快，耗能低的压缩气体冷却系统。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种压缩气体冷却系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种压缩气体冷却系统，包括液氮储罐、增压管路、冷却管路和氮气回收管路；
所述液氮储罐的液氮出口与增压管路的入口连接，所述增压管路上设有第一控制阀、第一复热器以及第一压力变送器，所述增压管路的出口连接所述液氮储罐的入口；
所述液氮储罐的液氮出口还连接所述冷却管路入口端，所述冷却管路上设有流量调节阀，所述冷却管路部分或全部位于一气气换热器内，需预冷气体的管道也位于该气气换热器内，需冷却的气体与液氮的流向相反，所述需冷却的气体的管道上设有第一温度变送器；
所述冷却管路的出口端连接所述氮气回收管路。
该压缩气体冷却系统通过增压管路对液氮储罐进行增压，从而使得液氮流入冷却管路中对压缩气体进行冷却，且该冷却管路结构简单，预冷时间短，能耗低，同时还可对使用过的氮气进行回收，能提高氮气的复利用率，减少氮气的浪费。
该压缩气体冷却系统的优选方案：所述氮气回收管路上设有第二复热器以及第一缓冲罐,所述第一缓冲罐的第一出口端连接至氮气复利用端口，在所述第一缓冲罐的第一出口端与氮气复利用端口之间设有第一单向阀。
该优选方案中，通过至氮气复利用端口可对升温的氮气进行复利用，例如在加氢站代替加氢站氮气格栅进行吹扫和仪表风使用。
该压缩气体冷却系统的优选方案：所述第一缓冲罐的第二出口端还连接有压缩机,在第一缓冲罐的第二出口端与压缩机之间设有第二单向阀,所述压缩机的出口端连接第二缓冲罐，所述第二缓冲罐的出口端连接至所述氮气复利用端口，沿所述第二缓冲罐的出口端到氮气复利用端口之间的管路上依次设置有压力调节阀以及第二控制阀。该优选方案可回收存储更多的氮气，以供他用。
该压缩气体冷却系统的优选方案：所述第一缓冲罐的第一出口端与第一单向阀之间的管路上设有第二压力变送器，在所述第一单向阀与氮气复利用端口之间的管路上设有安全阀。该优选方案中安全阀的设置保证了氮气复利用端口不超压，第二压力变送器的设置避免了第一缓冲罐内以及第一缓冲罐到氮气复利用端口之间的管路上的气压过高，保障了各元器件及管路的安全；由于液氮储罐压力需高于第一缓冲罐内的压力才能让气体流动，从而保证第一复热器里面有低温气体流动且，因此，可根据第二压力变送器所采集的压力值控制压缩机的启停。
该压缩气体冷却系统的优选方案：所述第二复热器与第一缓冲罐之间的管路上设有第三复热器以及第三温度变送器。第三温度变送器实时监测复热后氮气的温度，如果温度低于氮气存储温度阈值，则启动第三复热器对第二复热器加热后的氮气进行复热。
该压缩气体冷却系统的优选方案：所述冷却管路的出口端设有第二温度变送器。第二温度变送器实时监测气气换热器氮气出口的温度，保证预冷时以及换热后的氮气温度不高于预冷后氮气温度阈值，达到满足工作温度的需求。
该压缩气体冷却系统的优选方案：还包括控制器，所述第一压力变送器、第一温度变送器的信号输出端连接所述控制器的对应信号输入端，所述第一控制阀、流量调节阀分别与所述控制器连接。所述第二温度变送器的信号输出端连接控制器的对应信号输入端。所述压缩机和第二控制阀分别与控制器连接。所述第二压力变送器的信号输出端连接控制器的对应信号输入端。通过控制器控制该压缩气体冷却系统，实现压缩气体冷却系统的智能化。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是压缩气体冷却系统的结构示意图；
图2是压缩气体冷却系统的原理框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种压缩气体冷却系统的实施例，该实施例中以给加氢站的压缩氢气预冷为例进行展开讲解。
具体的，该压缩气体冷却系统包括液氮储罐Q、增压管路、冷却管路和氮气回收管路。
液氮储罐Q的液氮出口与增压管路的入口连接，所述增压管路上设有第一控制阀PV1、第一复热器E1以及第一压力变送器PT1，所述增压管路的出口连接所述液氮储罐Q的入口。
所述液氮储罐Q的液氮出口还连接所述冷却管路入口端，所述冷却管路上设有流量调节阀PCV1，所述冷却管路部分或全部位于一气气换热器R1内，需预冷气体的管道也位于该气气换热器R1内，需预冷气体与液氮的流向相反，所述需预冷气体的管道上设有第一温度变送器TT1，所述冷却管路的出口端设有第二温度变送器TT2。
所述冷却管路的出口端连接所述氮气回收管路。
该实施例中，如要对压缩气体冷却系统进行预冷、氢气冷却，首先都需要先进行液氮储罐Q的增压：打开增压管路上的第一控制阀PV1，利用液氮储罐Q内的液氮流入第一复热器E1气化后返回液氮储罐Q的气相空间，对液氮储罐Q进行增压，第一压力变送器PT1实时监测液氮储罐Q的压力，当液氮储罐Q的压力达到设定的液氮储罐Q压力阈值时，关闭第一控制阀PV1。
然后进行换热器预冷：调节流量调节阀PCV1，液氮经液氮储罐Q增压后被输送至冷却管路中对气气换热器R1进行预冷，并由第二温度变送器TT2实时监测气气换热器R1氮气出口的温度，保证换热后的氮气温度不能高于预冷后氮气温度阈值。这一步的目的是保持气气换热器R1处于冷态，满足随时氢气冷却的需求。
氢气冷却：调节流量调节阀PCV-1，液氮储罐Q内增加的压力使液氮流入冷却管路中并于气气换热器R1中对氢气进行冷却，由第一温度变送器TT1实时监测冷却后的氢气温度，保证冷却后的氢气温度在压缩氢气规定温度值范围内，换热后的氮气进行氮气回收管路中。
该实施例中，氮气回收管路上设有第二复热器E2以及第一缓冲罐G1,所述第一缓冲罐G1的第一出口端连接至氮气复利用端口，在所述第一缓冲罐G1的第一出口端与氮气复利用端口之间设有第一单向阀CV1。换热后的氮气经第二复热器E2进行加热后存储入第一缓冲罐G1，然后通过第一单向阀CV1排至氮气复利用端口。。比如本实施例中，可用升温的氮气代替加氢站氮气格栅进行吹扫和作仪表风使用，第一缓冲罐G1上可自带安全阀门，保证第一缓冲罐G1内的压力不超压。
为避免氮气经第二复热器E2加热后温度仍然较低，在第二复热器E2与第一缓冲罐G1之间的管路上设第三复热器WE1以及第三温度变送器TT3。第三温度变送器TT3实时监测复热后氮气的温度，如果温度低于氮气存储温度阈值，则启动第三复热器WE1对第二复热器E2加热后的氮气进行复热。这里的第三复热器WE1优选但不限于为水浴式加热器。
为尽可能多的保存加热后的氮气，所述第一缓冲罐G1的第一出口端与第一单向阀CV1之间的管路上设有第二压力变送器PT2，第一缓冲罐G1的第二出口端还连接有压缩机C1,在第一缓冲罐G1的第二出口端与压缩机C1之间设有第二单向阀CV2,所述压缩机C1的出口端连接第二缓冲罐G2，所述第二缓冲罐G2的出口端连接至所述氮气复利用端口，沿所述第二缓冲罐G2的出口端到氮气复利用端口之间的管路上依次设置有压力调节阀CPV1以及第二控制阀PV2。
在保证不浪费氮气的情况下，保持第一缓冲罐G1内压力低于液氮储罐Q，第二压力变送器PT2实时监测第一缓冲罐G1内的压力，当压力高于第一缓冲罐G1的最高压力阈值时，气动压缩机C1将氮气压缩到第二缓冲罐G2中。
为保证第一缓冲罐G1、及其到氮气复利用端口之间管路及元器件的安全性，在所述第一单向阀CV1与氮气复利用端口之间的管路上设有安全阀SVC1，当第一缓冲罐G1到氮气复利用端口之间管路内的压力超过安全阀SVC1的设定压力值时，安全阀SVC1进行自动泄压。
氮气的复利用：优先使用第一缓冲罐G1内的氮气，当第一缓冲罐G1内压力低于需求时，打开第二控制阀PV2，压力调节阀CPV1将第二缓冲罐G2内氮气减压后输送给仪表风及吹扫使用。
本实施例中的压缩气体冷却系统的工作可由控制器进行控制完成。具体地，如图2所示：
第一压力变送器PT1、第二压力变送器PT2、第一温度变送器TT1、第二温度变送器TT2、第三温度变送器TT3的信号输出端连接所述控制器的对应信号输入端，第一控制阀PV1、第二控制阀PV2、第三复热器WE1、压缩机C1以及流量调节阀PCV1分别与所述控制器连接，由控制器控制第一控制阀PV1、第二控制阀PV2、第三复热器WE1、压缩机C1的启闭，控制流量调节阀PCV1的启闭及开度。安全阀SVC1可为机械式安全阀，在安全阀SVC1上人为设定好压力阈值，当安全阀SVC1承受的压力达到压力阈值时，安全阀SVC1自己卸放；当然安全阀SVC1也可与控制器连接，控制器控制安全阀SVC1的压力卸放。
本实施例中的第一单向阀CV1、第二单向阀CV2可为机械式的常开单向阀；也可以是控制型的单向阀，此时第一单向阀CV1、第二单向阀CV2与控制器连接，由控制器控制其启闭。
本实施例中的第一复热器E1、第二复热器E2可为机械式复热器；也可以是智能控制型的复热器，此时第一复热器E1、第二复热器E2与控制器连接，由控制器控制其启闭。
本实施例中的压力调节阀CPV1可为机械式压力调节阀，自己调整出口压力，也可以是控制型的压力调节阀，此时压力调节阀CPV1与控制器连接，由控制器控制其启闭及开度。
在控制器中可设置液氮储罐压力阈值，液氮储罐Q增压时，控制器增压管路上的第一控制阀PV1打开，利用液氮储罐Q内的液氮流入第一复热器E1气化后返回液氮储罐Q的气相空间，对液氮储罐Q进行增压，第一压力变送器PT1实时监测液氮储罐Q压力并发送至控制器中，当液氮储罐Q压力达到设定的液氮储罐压力阈值时，控制器关闭第一控制阀PV1。
在控制器中可设置预冷后氮气温度阈值，换热器预冷时，控制器根据第二温度变送器TT2实时采集气气换热器R1氮气出口的温度调节流量调节阀PCV1，从而控制液氮流入冷却管路的流速及流量，保证换热后的氮气温度不高于预冷后氮气温度阈值。
在控制器中可设置压缩氢气规定温度值范围，氢气冷却时，控制器根据第一温度变送器TT1实时采集的冷却后的氢气温度、第二温度变送器TT2实时采集气气换热器R1氮气出口的温度来调节流量调节阀PCV1，保证冷却后的氢气温度在压缩氢气规定温度值范围内。
在控制器中可设置氮气存储温度阈值，第三温度变送器TT3实时监测复热后氮气的温度，如果该温度低于氮气存储温度阈值，则控制器启动第三复热器WE1对第二复热器E2加热后的氮气进行复热。
在控制器中可设置第一缓冲罐G1的最高压力阈值，当第二压力变送器PT2实时采集的第一缓冲罐G1内的压力高于第一缓冲罐G1的最高压力阈值时，控制器控制压缩机C1启动将氮气压缩到第二缓冲罐G2中，以保持第一缓冲罐G1内压力低于液氮储罐Q内的压力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种压缩气体冷却系统，其特征在于，包括液氮储罐(Q)、增压管路、冷却管路和氮气回收管路；
所述液氮储罐(Q)的液氮出口与增压管路的入口连接，所述增压管路上设有第一控制阀(PV1)、第一复热器(E1)以及第一压力变送器(PT1)，所述增压管路的出口连接所述液氮储罐(Q)的入口；
所述液氮储罐(Q)的液氮出口还连接所述冷却管路入口端，所述冷却管路上设有流量调节阀(PCV1)，所述冷却管路部分或全部位于一气气换热器(R1)内，需预冷气体的管道也位于该气气换热器(R1)内，需冷却的气体与液氮的流向相反，所述需冷却的气体的管道上设有第一温度变送器(TT1)；
所述冷却管路的出口端连接所述氮气回收管路。
2.根据权利要求1所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，所述氮气回收管路上设有第二复热器(E2)以及第一缓冲罐(G1),所述第一缓冲罐(G1)的第一出口端连接至氮气复利用端口，在所述第一缓冲罐(G1)的第一出口端与氮气复利用端口之间设有第一单向阀(CV1)。
3.根据权利要求2所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，所述第一缓冲罐(G1)的第二出口端还连接有压缩机(C1),在第一缓冲罐(G1)的第二出口端与压缩机(C1)之间设有第二单向阀(CV2),所述压缩机(C1)的出口端连接第二缓冲罐(G2)，所述第二缓冲罐(G2)的出口端连接至所述氮气复利用端口，沿所述第二缓冲罐(G2)的出口端到氮气复利用端口之间的管路上依次设置有压力调节阀(CPV1)以及第二控制阀(PV2)。
4.根据权利要求2所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，所述第一缓冲罐(G1)的第一出口端与第一单向阀(CV1)之间的管路上设有第二压力变送器(PT2)，在所述第一单向阀(CV1)与氮气复利用端口之间的管路上设有安全阀(SVC1)。
5.根据权利要求2所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，所述第二复热器(E2)与第一缓冲罐(G1)之间的管路上设有第三复热器(WE1)以及第三温度变送器(TT3)。
6.根据权利要求1所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，所述冷却管路的出口端设有第二温度变送器(TT2)。
7.根据权利要求1所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，还包括控制器，所述第一压力变送器(PT1)、第一温度变送器(TT1)的信号输出端连接所述控制器的对应信号输入端，所述第一控制阀(PV1)、流量调节阀(PCV1)分别与所述控制器连接。
8.根据权利要求6所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，所述第二温度变送器(TT2)的信号输出端连接控制器的对应信号输入端。
9.根据权利要求3所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，所述压缩机(C1)、和第二控制阀(PV2)分别与控制器连接。
10.根据权利要求4所述的压缩气体冷却系统，其特征在于，所述第二压力变送器(PT2)的信号输出端连接控制器的对应信号输入端。
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