CN115596687A - 水蒸气压缩设备及其控制方法和水蒸气循环系统 - Google Patents

水蒸气压缩设备及其控制方法和水蒸气循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水蒸气压缩设备及其控制方法和水蒸气循环系统，水蒸气压缩设备包括：第一压缩部，用于压缩水蒸气；第二压缩部，与第一压缩部通过中间流路连接并被配置成压缩经第一压缩部压缩后的水蒸气；第一冷却用水蒸气流路，与中间流路连通，以向中间流路输送降低第二压缩部吸入的水蒸气的温度的冷却用水蒸气；温度检测部件，设在中间流路中，以检测向第二压缩部输送的水蒸气的温度；第一控制阀，设在第一冷却用水蒸气流路中；控制器，与温度检测部件和第一控制阀分别信号连接，并被配置成根据温度检测部件检测到的温度调节第一控制阀的开度，以使第二压缩部吸入的水蒸气的温度高于饱和温度。

Description

水蒸气压缩设备及其控制方法和水蒸气循环系统
技术领域
本发明涉及压缩机领域，具体而言，涉及一种水蒸气压缩设备及其控制方法和水蒸气循环系统。
背景技术
蒸汽被广泛应用在各种工业生产中，是现代工业不可或缺的一种动力能源。目前，蒸汽多由各类锅炉生产出，但无论是电锅炉、燃气锅炉、燃煤锅炉，都存在着比较大的缺陷，其能源利用效率不高，而且燃煤锅炉还可能会对大气造成污染，在国家明确提出“碳达峰”、“碳中和”的节能减排目标后，能源利用效率已经是一个不得不考虑的问题。机械蒸汽再压缩是一项高效节能技术，它可以通过对热泵产出的较低温低压的蒸汽再压缩，生产出符合工程所需要的温度、压力的蒸汽，被广泛应用于食品加工、化工、纸业、盐场、制药与及海水淡化的领域，热泵通过提取空气源中的热量，输出一定温度压力水蒸气，远超锅炉的能源利用效率。
水蒸气压缩机是机械蒸汽再压缩系统的核心部件，它将低压或低温蒸汽进行加压升温，以达到工艺或者工程所需的温度和压力要求。目前主要有离心式水蒸气压缩机、螺杆式水蒸气压缩机以及罗茨式水蒸气压缩机三种水蒸气压缩机。螺杆式水蒸气压缩机以及罗茨式水蒸气压缩机都是容积型压缩机，容量较小，在需要大流量水蒸气的场景下并不适用。离心式水蒸气压缩机容量大，但压缩比小，在制取高温高压水蒸气时需要使用到多级压缩技术，在多级压缩系统中，每一级的水蒸气排气温度都很高，排气过热度很大，这会造成每级压缩的功耗增大，同时也会造成电机转子、定子的温度升高，加大压缩机电机的冷却难度。
发明内容
本发明旨在提供一种水蒸气压缩设备及其控制方法和水蒸气循环系统，以改善现有技术中存在的压缩机的压缩部的能耗大、电机转子和定子的温度高的问题。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种水蒸气压缩设备，在一些实施例中，包括：
第一压缩部，用于压缩水蒸气；
第二压缩部，与第一压缩部通过中间流路连接并被配置成压缩经第一压缩部压缩后的水蒸气；
第一冷却用水蒸气流路，与中间流路连通，以向中间流路输送降低第二压缩部吸入的水蒸气的温度的冷却用水蒸气；
温度检测部件，设在中间流路中，以检测向第二压缩部输送的水蒸气的温度；
第一控制阀，设在第一冷却用水蒸气流路中；
控制器，与温度检测部件和第一控制阀分别信号连接，并被配置成根据温度检测部件检测到的温度调节第一控制阀的开度，以使第二压缩部吸入的水蒸气的温度高于饱和温度。
在一些实施例中，水蒸气压缩设备还包括设在中间流路中的压力检测部件，控制器与压力检测部件信号连接并被配置成根据压力检测部件检测到的压力计算中间流路中的水蒸气的饱和温度。
在一些实施例中，
控制器还被配置成计算中间流路中的水蒸气的过热度T过热度并在T过热度与目标过热度T目标过热度之间的过热度差值△T大于预定值时增大第一控制阀的开度，
其中，
△T＝T过热度-T目标过热度；
过热度T过热度＝温度检测部件检测到的温度-饱和温度。
在一些实施例中，增大第一控制阀的开度的增量△D＝A*△T1+B*(△T1-△T2)；
其中，A和B均为常数；
开度为阀的流通面积与全开状态的流通面积的比值；
△T1为第一控制阀当前调节周期的过热度差值△T；
△T2为第一控制阀前一个调节周期的过热度差值△T，
△T为表示T过热度和T目标过热度差值的数值。
在一些实施例中，在中间流路中的水蒸气的流动方向上，第一冷却用水蒸气流路位于压力检测部件的上游。
在一些实施例中，在中间流路中的水蒸气的流动方向上，第一冷却用水蒸气流路位于温度检测部件的上游。
在一些实施例中，水蒸气压缩设备还包括与第一压缩部的进气口连接、以向第一压缩部输送待压缩的冷却用水蒸气的供给部，供给部与第一冷却用水蒸气流路连通，以向第一冷却用水蒸气流路提供冷却用水蒸气。
在一些实施例中，水蒸气压缩设备还包括：
冷却装置，包括与冷却用水蒸气供给部连通的进口和与第一冷却用水蒸气流路连通的出口。
在一些实施例中，水蒸气压缩设备包括：
进气口，用于引入待压缩的水蒸气；
出气口，用于输出压缩后的水蒸气；
第二冷却用水蒸气流路，与出气口连接，以调整出气口输出的水蒸气的温度；
第二控制阀，设在第二冷却用水蒸气流路中，以调节第二冷却用水蒸气流路的流量。
在一些实施例中，第二冷却用水蒸气流路的出口与在进气口和出气口之间的水蒸气流通路径上最临近出气口的压缩部和出气口之间的水蒸气流路连通。
根据本发明的另一方面，还提供一种水蒸气循环系统，在一些实施例中，包括上述的水蒸气压缩设备。
根据本发明的另一方面，还提供一种上述的水蒸气压缩设备的控制方法，在一些实施例中，包括：
获取向第二压缩部输送的水蒸气的温度；
根据水蒸气的温度的调节第一控制阀的开度，以使第二压缩部吸入的水蒸气的温度高于饱和温度。
在一些实施例中，控制方法还包括：
获取中间流路中的水蒸气的压力；
根据中间流路中的水蒸气的压力计算饱和温度。
在一些实施例中，控制方法还包括：
计算中间流路中的水蒸气的过热度T过热度，过热度T过热度＝温度检测部件检测到的温度-饱和温度；
计算T过热度与目标过热度T目标过热度之间的过热度差值△T；
若热度差值△T大于预定值则增大第一控制阀的开度。
在一些实施例中，增大第一控制阀的开度的增量△D＝A*△T1+B*(△T1-△T2)，
其中，A和B均为常数；
开度为阀的流通面积与全开状态的流通面积的比值；
△T1为第一控制阀当前调节周期的过热度差值△T；
△T2为第一控制阀前一个调节周期的过热度差值△T，
△T为表示T过热度和T目标过热度差值的数值。
应用本申请的技术方案第一冷却用水蒸气流路向中间流路输送降低第二压缩部吸入的水蒸气的温度的冷却用水蒸气，改善了现有技术中存在的压缩机的压缩部的能耗大、电机转子和定子的温度高的问题。进一步地，通过控制中间流路中的加入的冷却用水蒸气量，保证第二压缩部吸入的水蒸气都为无液体的干饱和气体，防止第二压缩部吸入的水蒸气携带液体，避免造成湿压缩，保护离心式压缩设备运行的长期可靠性。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明的实施例的压缩设备的结构示意图。
图中：1、第一压缩部；2、第二压缩部；3、压力检测部件；4、温度检测部件；5、中间流路；6、第一冷却用水蒸气流路；7、第一控制阀；8、泵；9、冷却装置；10、供给部；11、第三压缩部；12、第二冷却用水蒸气流路；13、第二控制阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
如图1所示，本实施例的水蒸汽压缩设备包括第一压缩部1、第二压缩部2和第一冷却用水蒸气流路6。第二压缩部2与第一压缩部1通过中间流路5连接并被配置成压缩经第一压缩部1压缩后的水蒸气。第一冷却用水蒸气流路6与中间流路5连通，以降低第二压缩部2吸入的水蒸气的温度。其中，中间流路5包括第一压缩部1的排气口和第二压缩部2的吸气口。
在本实施例中，在第一压缩部1的排气口后的中间流路6加入适量的冷却用水蒸气以降低水蒸气的温度，使进入第二压缩部2的水蒸气的温度下降，降低第二压缩部2的功耗，从而降低水蒸气压缩设备的整体功耗，排气温度的下降，还降低了水蒸气压缩设备的电机冷却难度。进一步地，加入到中间流路6中的冷却用水蒸气和压缩后的水蒸气混合气化后还可以增加水蒸气的压缩气体产量。
在一些实施例中，水蒸气压缩设备包括离心压缩设备。离心压缩设备的每一级压缩部均包括离心叶轮。
在一些实施例中，水蒸气还包括温度检测部件4、第一控制阀7和控制器。温度检测部件4设在中间流路5中；第一控制阀7设在第一冷却用水蒸气流路6中；控制器与温度检测部件4和第一控制阀7分别信号连接，并被配置成根据温度检测部件4检测到的温度调节第一控制阀7的开度，以使第二压缩部2吸入的水蒸汽的温度高于饱和温度。
如果水蒸气吸入的水蒸气带有液体，会造成湿压缩并对水蒸气的叶轮造成损害，通过控制中间流路5中的加入的冷却用水蒸气量，保证第二压缩部2吸入的水蒸气都为无液体的干饱和气体，防止第二压缩部2吸入的水蒸气携带液体，避免造成湿压缩，保护离心式水蒸气运行的长期可靠性。
在中间流路5中的水蒸气的流动方向上，第一冷却用水蒸气流路6位于温度检测部件4的上游。温度检测部件4检测冷却用水蒸气和压缩后水蒸气混合后的水蒸气的温度。
在一些实施例中，水蒸气压缩设备还包括设在中间流路5中的压力检测部件3，控制器与压力检测部件3信号连接并被配置成根据压力检测部件3检测到的压力计算中间流路5中的水蒸汽的饱和温度。
在中间流路5中的水蒸气的流动方向上，第一冷却用水蒸气流路6位于压力检测部件3的上游。压力检测部件3检测与冷却用水蒸气混合后的水蒸气的压力。
在一些实施例中，水蒸气压缩设备还包括进气口、出气口、第三压缩部11和第二控制阀13。进气口用于引入待压缩的水蒸气；出气口用于输出压缩后的水蒸气；第三压缩部11为在水蒸气的由进气口至出气口的流动方向上最邻近出气口的压缩部；第二冷却用水蒸气流路12与第三压缩部11和出气口之间的流路连通；第二控制阀13设在第二冷却用水蒸气流路12中，以调节第二冷却用水蒸气流路12的流量。
本实施例中，水蒸气的最后一级压缩部的排气口与水蒸气的出气口之间的流路也相应地设置有第二冷却用水蒸气流路12，通过调节第二控制阀13的开度可以调节第二冷却用水蒸气流路12的流量，从而调节水蒸气压缩设备的出气口排出的水蒸气的过热度，扩大水蒸气的应用范围。
在另一些实施例中，压缩设备包括两级压缩部或多于两级的压缩部，第二冷却用水蒸气流路12与最后一级压缩部的出口连通以向其输出调节水蒸气压缩设备的出气口输出水蒸气的多热度的冷却用水蒸气。
第三压缩部11和水蒸气压缩设备的出气口之间的流路中也设置有温度检测部件和压力检测部件。在水蒸气的流通路径上，温度检测部件和压力检测部件位于第二冷却用水蒸气流路12的下游。
在一些实施例中，沿水蒸气压缩设备的进气口和出气口之间的水蒸气的流通路径上，在第二压缩部2和第三压缩部11之间还设置有至少一个第四压缩部。在另一些实施例中，部分或全部的压缩部的吸气口分别与冷却用水蒸气流路连接，以降低压缩部的吸气温度、提高吸气量，有利于降低水蒸气压缩设备的工作温度、保证水蒸气压缩设备稳定运行。
第一冷却用水蒸气流路6和第二冷却用水蒸气流路12中分别设置有泵8。
水蒸气压缩设备还包括与所述第一压缩部1的进气口连接、以向所述第一压缩部1输送待压缩的冷却用水蒸气的供给部10，所述供给部10与所述第一冷却用水蒸气流路6连通，以向所述第一冷却用水蒸气流路6提供所述冷却用水蒸气。
水蒸气压缩设备还包括冷却装置9，冷却装置9包括与冷却用水蒸气供给部10连通的进口和与第一冷却用水蒸气流路6连通的出口。水蒸汽从水蒸供给部10进入冷却装置9，由冷却装置9冷却后形成液态水，液态水通过泵8增压提供动力，再经过控制阀控制其流量后进入到压缩部的排气管与压缩后的水蒸汽混合形成饱和蒸汽。
在本实施例中，在每级压缩部的排气管中加入一定量的冷却用水蒸气，加入的冷却用水蒸气与压缩后的过热的水蒸气混合形成无液体的干饱和气体后再进入下一级压缩部，从而降低了下一级压缩部所需要的功耗，同时增加下一级压缩部的吸气量。
控制器还被配置成计算中间流路5中的水蒸气的过热度T过热度并在T过热度与目标过热度T目标过热度之间的过热度差值△T大于预定值时增大第一控制阀7的开度，其中过热度和温度的单位均为摄氏度。
其中，△T＝T过热度-T目标过热度；
过热度T过热度＝温度检测部件4检测到的温度-饱和温度。
增大第一控制阀7的开度的增量△D＝A*△T1+B*(△T1-△T2)；
其中，
A和B均为常数；
开度为阀的流通面积与全开状态的流通面积的比值。
△T1为第一控制阀7当前调节周期的过热度差值△T；
△T2为第一控制阀7前一个调节周期的过热度差值△T，
△T为表示T过热度和T目标过热度差值的数值。
根据本发明的另一方面，还提供了一种水蒸气循环系统，水蒸气循环系统包括上述的水蒸气压缩设备。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述的水蒸气压缩设备的控制方法，控制方法包括：
获取向第二压缩部2输送的水蒸气的温度；
根据水蒸气的温度的调节第一控制阀7的开度，以使第二压缩部2吸入的水蒸汽的温度高于饱和温度。
在一些实施例中，控制方法还包括：
获取中间流路5中的水蒸气的压力；
根据中间流路5中的水蒸气的压力计算饱和温度。
在一些实施例中，控制方法还包括：
计算中间流路5中的水蒸气的过热度T过热度，过热度T过热度＝温度检测部件4检测到的温度-饱和温度；
计算T过热度与目标过热度T目标过热度之间的过热度差值△T；
若热度差值△T大于预定值则增大第一控制阀7的开度。
在一些实施例中，增大第一控制阀7的开度的增量△D＝A*△T1+B*(△T1-△T2)，
其中，A和B均为常数；
开度为阀的流通面积与全开状态的流通面积的比值；
△T1为第一控制阀7当前调节周期的过热度差值△T；
△T2为第一控制阀7前一个调节周期的过热度差值△T，
△T为表示T过热度和T目标过热度差值的数值。
在本实施例中，控制方法，通过在相邻两级压缩部之间的中间流路中设置温度检测部件4和压力检测部件3，分别测量每一级压缩部的排气温度(T排气)与排气压力(P排气)，通过测量排气压力计算出排气饱和温度(T饱和)，然后可以计算出水蒸汽排气过热度，根据排气过热度与排气过热度目标值的偏差值，通过一定的逻辑控制每条冷却管路上第一控制阀7的开度，进而控制每级的喷水量，保证下一级压缩吸入的水蒸汽为饱和蒸汽，避免压缩机湿压缩和功耗浪费。
具体地，本实施例的控制方法包括：
用于向第一压缩部1和第二压缩部2之间的中间流路输送水的1#泵8控制方法：水蒸气压缩设备启动前，1#泵提前60秒开启，以便及时调整进入到第二压缩部2的水蒸气的过热度；水蒸气压缩设备停止后，1#泵8延时60秒关闭，以在水蒸气压缩设备因惯性运行阶段继续向第二压缩部2提供冷却降温用的水蒸气。
控制阀控制方法：
1.第一次上电，第一控制阀7执行复位动作，复位动作为先开100％，再关闭第一控制阀7，最后使第一控制阀7的开度为0。
2.第一次检测到水蒸气压缩设备启动后，第一控制阀7开度开至开度0，延时10S后进入“排气过热度调节状态”，控制阀的开度的动作周期(调节周期)为每间隔T(控制阀调节周期)秒调节用于一次。
第一控制阀7调节目标：T过热度＜T过热度目标值+0.5℃。
第一压缩部1的排气过热度差值△T＝T过热度-T目标过热度。
第一压缩部1的排气过热度差值△T小于预定值时，第一控制阀7开度不变化，预定值为0～0.5℃。
第一压缩部1的排气过热度差值△T大于上述预定值时：
第一控制阀7开度的增量△D＝A*△T1+B*(△T1-△T2)。
其中，A和B均为常数；
开度为阀的流通面积与全开状态的流通面积的比值；
△T1——第一控制阀7当前动作周期(调节周期)的过热度差值△T；
△T2——第一控制阀7前一个动作周期(调节周期)过热度差值△T，
△T为表示T过热度和T目标过热度差值的数值。
3.检测到水蒸气压缩设备停机后，第一控制阀7延时30S后开至开度0。
向第二压缩部以及第三压缩部之间的中间流路输送水蒸气的2#泵、向第三压缩部以及第四压缩部之间的中间流路输送水蒸气的3#泵、向第四压缩部与压缩和设备的出气口之间的中间流路输送水蒸气的4#泵与1#泵控制方法一致；分别控制2#泵、3#泵和4#泵向相应的目标位置输出的水蒸气的流量的控制阀的控制方法与第一控制阀7的控制方法类似，只需将过热度目标值调整为相应的目标即可。
以上仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种水蒸气压缩设备，其特征在于，包括：
第一压缩部(1)，用于压缩水蒸气；
第二压缩部(2)，与所述第一压缩部(1)通过中间流路(5)连接并被配置成压缩经所述第一压缩部(1)压缩后的水蒸气；
第一冷却用水蒸气流路(6)，与中间流路(5)连通，以向所述中间流路(5)输送降低所述第二压缩部(2)吸入的水蒸气的温度的冷却用水蒸气；
温度检测部件(4)，设在所述中间流路(5)中，以检测向所述第二压缩部(2)输送的水蒸气的温度；
第一控制阀(7)，设在所述第一冷却用水蒸气流路(6)中；
控制器，与所述温度检测部件(4)和所述第一控制阀(7)分别信号连接，并被配置成根据所述温度检测部件(4)检测到的温度调节所述第一控制阀(7)的开度，以使所述第二压缩部(2)吸入的水蒸气的温度高于饱和温度。
2.根据权利要求1所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，还包括设在所述中间流路(5)中的压力检测部件(3)，所述控制器与所述压力检测部件(3)信号连接并被配置成根据所述压力检测部件(3)检测到的压力计算所述中间流路(5)中的水蒸气的饱和温度。
3.根据权利要求2所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，
所述控制器还被配置成计算所述中间流路(5)中的水蒸气的过热度T过热度并在所述T过热度与目标过热度T目标过热度之间的过热度差值△T大于预定值时增大所述第一控制阀(7)的开度，
其中，△T＝T过热度-T目标过热度；
所述过热度T过热度＝所述温度检测部件(4)检测到的温度-所述饱和温度。
4.根据权利要求3所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，所述增大所述第一控制阀(7)的开度的增量△D＝A*△T1+B*(△T1-△T2)；
其中，A和B均为常数；
开度为阀的流通面积与全开状态的流通面积的比值；
△T1为所述第一控制阀(7)当前调节周期的过热度差值△T；
△T2为所述第一控制阀(7)前一个调节周期的过热度差值△T；
△T为表示T过热度和T目标过热度差值的数值。
5.根据权利要求2所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，在所述中间流路(5)中的水蒸气的流动方向上，所述第一冷却用水蒸气流路(6)位于所述压力检测部件(3)的上游。
6.根据权利要求1所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，在所述中间流路(5)中的水蒸气的流动方向上，所述第一冷却用水蒸气流路(6)位于所述温度检测部件(4)的上游。
7.根据权利要求1所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，还包括与所述第一压缩部(1)的进气口连接、以向所述第一压缩部(1)输送待压缩的冷却用水蒸气的供给部(10)，所述供给部(10)与所述第一冷却用水蒸气流路(6)连通，以向所述第一冷却用水蒸气流路(6)提供所述冷却用水蒸气。
8.根据权利要求7所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，还包括：
冷却装置(9)，包括与所述冷却用水蒸气供给部(10)连通的进口和与所述第一冷却用水蒸气流路(6)连通的出口。
9.根据权利要求1所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，包括：
进气口，用于引入待压缩的水蒸气；
出气口，用于输出压缩后的水蒸气；
第二冷却用水蒸气流路(12)，与所述出气口连接，以调整所述出气口输出的水蒸气的温度；
第二控制阀(13)，设在所述第二冷却用水蒸气流路(12)中，以调节所述第二冷却用水蒸气流路(12)的流量。
10.根据权利要求9所述的水蒸气压缩设备，其特征在于，所述第二冷却用水蒸气流路(12)的出口与在所述进气口和所述出气口之间的水蒸气流通路径上最临近所述出气口的压缩部和所述出气口之间的水蒸气流路连通。
11.一种水蒸气循环系统，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的水蒸气压缩设备。
12.一种权利要求1至10中任一项所述的水蒸气压缩设备的控制方法，其特征在于，包括：
获取向所述第二压缩部(2)输送的水蒸气的温度；
根据所述水蒸气的温度的调节所述第一控制阀(7)的开度，以使所述第二压缩部(2)吸入的水蒸气的温度高于饱和温度。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，还包括：
获取所述中间流路(5)中的水蒸气的压力；
根据所述中间流路(5)中的水蒸气的压力计算所述饱和温度。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，还包括：
计算所述中间流路(5)中的水蒸气的过热度T过热度，所述过热度T过热度＝所述温度检测部件(4)检测到的温度-所述饱和温度；
计算所述T过热度与目标过热度T目标过热度之间的过热度差值△T；
若所述热度差值△T大于预定值则增大所述第一控制阀(7)的开度。
15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述增大所述第一控制阀(7)的开度的增量△D＝A*△T1+B*(△T1-△T2)，
其中，A和B均为常数；
开度为阀的流通面积与全开状态的流通面积的比值；
△T1为所述第一控制阀(7)当前调节周期的过热度差值△T；
△T2为所述第一控制阀(7)前一个调节周期的过热度差值△T，
△T为表示T过热度和T目标过热度差值的数值。
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