CN2089600U - 一种大流量空气介质制冷机 - Google Patents

Abstract

一种大流量空气介质制冷机，适用于石油及天然 气开采处理厂，其它气体化工厂以及大型冷库和冷冻 加工厂。它有空气热交换器，压气机，级间热交换器， 其特征在于：它还有压气机与原动机一体的双转子航 空涡轮风扇发动机和由它带动的动力涡轮、中压压气 机、浅冷膨胀涡轮、深冷膨胀涡轮、发动机以及储气容 器。通过航空发动机外涵空气和中压压气机压缩的 中压空气两级制冷，满足各种不同的制冷需求。该制 冷机可由现有航空发动机直接改装。

Description

一种大流量空气介质制冷机，它属于工业化工设备，适用于各种石油及天燃气开采处理厂，其它气体化工厂以及大型冷库和冷冻加工厂。

在现有的石油化工以及日常生活中都需要各种制冷源，特别是进行大规模生产的某些工业企业，所需制冷量都很大。在大型冷库或是冷冻工厂，为保持低温和制造冰块，使用用氟里昂做制冷介质的压缩制冷机械。虽然使用氟里昂做制冷介质有比较高的制冷效率，可以较差的利用液气相转变的潜热，但是，由于氟里昂是一种对环境污染很大的物质，已被国际上列为限用或禁用物质。使用氟里昂压缩制冷，在大型制冷工厂，需要大型压缩机，并用电动机进行驱动。而有些制冷厂，它们为各种渔船提供冷却冰块和冰冻处理渔船运回的海产品，它们地处沿海岛屿，因而偏离大电网，电力供应十分紧张。

在天然气田开采或是石油油田开采时，都能得到大量的天然气。由于天然气中含有多种烃组分，而且在常温常压下为气态，体积很大，为了合理利用天然气资源和便于输送，需对其进行处理，一般是进行轻烃组分的分离与液化。由于石油气体中各组分的液化点在常压下都在常温以下，为了使其液化，现在所采用的方法都是使用压缩机对其进行直接加压，然后使用冷却换热器把它冷却到常温，所加压力使得石油气体中的高温组分在常温下达到液化点。对于多级分离（多组分分离），要进行多次压缩和换热，需要多台压缩机。由于石油气体处理时的流量很大，现在采用的压缩机多是涡轮压缩机，而大型涡轮压缩机的设计和制造都很困难。各个气体处理厂所处理的石油气体组分和性质以及工作参数（如流量等）都不相同，所以其压缩机的设计参数也不相同。如果使用相同的压缩机，则绝大多数压缩机都未工作在设计状态点上，这对压缩机效率，工作寿命影响很大。而按不同地点的各自参数对压缩机进行设计制造，会增加很多的设计制造成本，同时也大大加长了气体处理厂的设计建设周期，由于压机是专门设计制造的，零配件数量很少，这给设备的维修造成了很大的困难，不易保证生产的正常进行。在石油气体的开采过程中，其性质也会不断发生变化，所以既便是专门设计制造的压缩机，其工作点也将变化，不能在整个寿命周期中都保持在最佳工作点，而是在大部分时间里都要降低运行效率。

现在大功率、大流量的涡轮压缩机，以航空涡轮发动机最为先进，其效率、使用寿命以及功率重量比都已达到了很高的水平。但是，由于航空涡轮发动机中压气机所压缩的是空气介质，空气介质与石油气体的流体性质差别较大，使用航空涡轮发动机的压气机直接做石油气体压缩机来压缩石油气体时，需对其进行重大的改型设计，涡轮叶片和匣体都要重新设计计算，因此改型工作量也很大。特别是不能利用还有一定剩余寿命的退役航空涡轮发动机和淘汰的备用发动机，是一个很大的浪费。

本实用新型的目的是发明一台大流量空气介质二级制冷机。它利用现有航空涡轮发动机的技术或直接利用现有航空涡轮发动机本体，自身带有原动机，实现制冷机与动力源的一体化，适用于缺电地区使用，并满足不同制冷工况的需要。

本实用新型的结构示意图如附图1所示。它有空气热交换器1和2，压气机3和4，级间热交换器6，其特征在于：它还有高压压气机7、燃烧室8、高压涡轮9、低压涡轮10、气水分离器12、浅冷膨胀涡轮15、深冷膨胀涡轮13、动力涡轮5、发电机14及储气容器16，涡轮压气机3、高压压气机7、燃烧室8、高压涡轮9和低压涡轮10组成一台双转子航空涡轮风扇发动机11，涡轮压气机3为该发动机11的低压压气机，压气机3所压缩的外涵气流为低压制冷空气介质，空气热交换器1的输入端与外涵气流输出口相连，它的输出口端与气水分离器12的输入口相连，气水分离器12之后接有浅冷膨胀涡轮15，在浅冷膨胀涡轮15后接有级间热交换器6，动力涡轮5接于航空涡轮风扇发动机11的尾喷口后，由该发动机的尾排气驱动，动力涡轮5、涡轮压气机4、浅冷膨胀涡轮15、深冷膨胀涡轮13和发动机14连在一根轴上，级间热交换器6连接于经浅冷膨胀涡轮15膨胀后的低压制冷空气管路中，级间换热器6的被冷却介质输入口通过空气热交换器2后与压气机4的输出口相连接，级间换热器6的被冷却介质输出口与深冷膨胀涡轮13的输入口相连，深冷膨胀涡轮13的输出口为制冷介质输出口，在压气机4的空气输入口接有储气容器16和完成制冷后的中压空气输入口。

本实用新型的制冷机由两级制冷组成，它使用空气做制冷介质的开式循环流程为第一级低压制冷，使用中压空气做制冷介质的闭式循环流程为第二级中压制冷，通过两级制冷可以得到较低的制冷温度，以满足大多数制冷的要求。在低压制冷空气流程中，外界空气被低压涡轮压气机3吸入并压缩，经压气机3压缩后的低压空气分为两个部分（对应于原发动机的内涵气流和外涵气流），外涵气流被引出，作为该制冷气体流程中的制冷介质使用，而内涵气流作为航空涡轮风扇发动机组的空气源，经高压压气机7进一步压缩后，送入燃烧室8加入燃料燃烧，提供整个装置的动力。燃烧后的高温高压气体通过高压涡轮9和低压涡轮10减压膨胀做功，高低压涡轮9、10吸收的能量又带动高、低压涡轮压气机7、3工作，构成一个能自行独立运行的压气机与原动机一体的燃气机泵站。由于原航空涡轮风扇发动机尾喷口处所排气体还有大量的动能和内能，因此加装一个自由动力涡轮5，动力涡轮5充分吸收尾排气中的动能和内能，并作为中压制冷空气流程中的动力源，带动中压涡轮压气机4。与动力涡轮5和中压涡轮压气机4共轴的还有浅冷膨胀涡轮15，深冷膨胀涡轮13和发电机14。深冷膨胀涡轮13用来回收中压制冷空气膨胀制冷时的部分动能。由于动力涡轮5、浅冷膨胀涡轮15和深冷膨胀涡轮13输出功率大于中压涡轮压气机4所需要的输入功率，并也为调整中压制冷空气流程工况的方便，加装了发电机14，用于吸收多余的能量。整个制冷装置由一台兼做低压制冷空气压缩机的航空涡轮风扇发动机11带动，不需要外加原动机械，并有一定量的电能输出。经过动力涡轮5后的排气还会有一定的热量可以利用。

本实用新型的气体流程详述如下：

低压制冷空气流程。外界空气经低压涡轮压气机3压缩后，外涵气流被引出。由于空气压缩后温度将升高，因此，通过空气热交换器1对被压空气进行降温，使之温度降回到室温。降温后，被压缩空气中的水分将会凝结，因此，让其通过气水分离器12，除去凝结成液体的水分。加压后的常温高压空气进入浅冷膨胀涡轮15绝热膨胀，由于气体在绝热膨胀后，温度下降，因此膨胀后的被压缩空气变为常压低温空气，用于在级间热交换器6中对中压制冷空气流程中的高压空气进行冷却，带走高压空气的热量。浅冷膨胀涡轮15吸收低压制冷空气流程中加压空气绝热膨胀时所具有的动能。通过级间热交换器6吸收了中压制冷空气流程中的高压空气的热量，低压空气温度回升到接近室温，作为废气排入大气，完成低压制冷空气流程循环。因此该流程是一个开式循环。

中压制冷空气流程。该流程中的制空气介质是循环使用的。循环的高压空气进入中压涡轮气机4中加压压缩。由于涡轮压气机4有较大的压缩比，加压后的空气具有较大的压力，同时温度也上升较高，因此通过空气热交换器2进行冷却换热，温度降到接近常温，然后再进入级间热交换器6进行冷却，把所带有的热量进一步换给低压制冷空气介质，从而降低该制冷装置的热端温度。低温高压的空气介质进入深冷膨胀涡轮13绝热膨胀，压力降低到制冷换热所需要的压力。由于是绝热膨胀，空气介质的温度降得很低，提供给用户制冷，根据用户的不同需要，可用于制冰、天然气的液化以及其它需要制冷的地方。对于不同的制冷要求，可在中压制冷空气介质出口端配接不同形式的制冷换热器。通过换热器吸收了热量的中压制冷空气介质，通过输入口与压气机4进气口和储气容器16相连，形成一个闭合回路，使吸热后的空气介质进入压气机4进行循环。

在本实用新型中，核心部件一涡轮压气机3和4，深冷膨胀涡轮13和浅冷膨胀涡轮15以及原动机由航空涡轮风扇发动机改型设计或直接改装，涡轮压气机3和原动机由一台双转子航空涡轮风扇发动机11构成，对其改装很容易，只须把外涵通道与尾喷口之间的连通口堵住并在机匣上开外涵气流引出口，引出外涵气流即可。由于该涡轮风扇发动机11运行时的空气性质没有改变，工作状况不变，所以整个发动机的气动参数和热工参数不发生变动，这样可以只需很小的改装工作量，而且其控制机构以及控制参数都不用变化。发动机工作在原最佳工作状态，充分利用航空发动机的最佳工作效率。在航空涡轮风扇发动机尾喷口处接有的自由动力涡轮5为现在的燃气轮机地面站标准设备，已成为系列产品，可以选取与所用航空发动机相匹配的型号。涡轮压气机4、深冷膨胀涡轮13和浅冷膨胀涡轮15可以由另一台航空发动机改装：去除原发动机的低压气机、燃烧室、尾喷口以及燃油控制附件箱。高压压气机成为本实用新型的涡轮压气机4，高压涡轮为本实用新型的深冷膨胀涡轮13，而低压涡轮形成本实用新型的深冷膨胀涡轮15。在被改装发动机原安装燃烧室的机匣处，改装为有把压气机3气流引出和把被压缩散热后的空气介质重新引入深冷膨胀涡轮13的分隔机匣段。把原发动机的高低压涡轮移开一段距离，在之间插入一段引出深冷膨胀涡轮13排气和把经过脱水后的低压空气介质引入浅冷膨胀涡轮15的分隔段。在原发动机尾喷口处安装引出低压制冷空气介质的涡壳，并在涡壳上安装一根与膨胀涡轮13和15相连的输出轴，通过输出轴与发电机14相连。发电机14一方面可以吸收动力涡轮5以及深、浅膨胀涡轮13和15所获得的不能被压气机4所完全吸收的能量，另一方面，也可以通过调节发电机的出力来调节涡轮压气机4的工况，以适应本实用新型的不同制冷要求和外界条件变化时的自我稳定控制。通过调节发电机14出力与前级航空涡轮风扇发动机11运行状况相匹配，还可以达到分别调节低压制空气流程和中压制冷空气流程的制冷工况，以满足最佳二级制冷的匹配。当提高航空涡轮风扇发动机11的功率时，增大了低压制冷空气流程的制冷量，同时也增大了动力涡轮5的输出功率，这时可通过同时调节增大发电机14的出力，保持中压涡轮压气机4的转速不变，使得中压制冷空气流程工况不变，反之亦然。

本实用新型采用同利用现有航空发动机的设计或直接进行改装，自身带有原动机，实现了制冷机与动力源的一体化，适用于缺电地区使用，并满足不同制冷工况的需要。由于航空发动机有很高的效率，体积也很小，因此本实用新型可以做成移动式制冷站，用于流动性环境。

在本实用新型的制冷介质流程中，采用了压缩空气做制冷介质，不仅是因为介质泄漏不会污染空气，也是因为可以采用航空涡轮风扇发动机作为压缩机，以降低成本，提高效率。在第一级制冷循环中，采用开式空气循环，使得作为制冷介质用的压缩空气和作为整个系统动力原动机所需要的压缩空气源合二为一，压缩机与原动机也合二为一，减小了体积，提高了效率。更重要的是可以利用现成的航空涡轮风扇发动机，只需进行极少量的改装，而且发动机的工作参数不用改变。在第二级制冷循环中，采用闭式空气循环，作为制冷介质用的空气是循环使用的，这些空气是经过脱水处理过的干燥空气，这样可以在流程中省去脱水装置。在闭式循环中，之所以采用有一定基础压力的空气，这一方面是因为采用现有航空发动机的高压压气机作为压缩机，为不改变高压压气机的工作和气动参数，提供一个与原来有低压压气机时一样的进气压力。另一方面，也因为加压的空气单位体积的质量增大，在同样压力差的情况下，单位体积制冷介质的制冷量也就增大，可以缩小整个装置的体积。在中压制冷空气回路中，装有储气容器16，用于减少回路中气压的波动，也可对循环空气泄漏进行补充，以稳定压力。

本实用新型中，低压制冷空气流程为开式流程，其在预冷冷箱中用于热交换的制冷空气介质在热交换后被排入大气。本实用新型也可以在低压制冷空气流程中采用半封闭流程，在级间热交换器6制冷介质出口处用管道将其与低压涡轮压气机3入口相连接，把排出的空气引入涡轮压气机3进行循环。在涡轮压气机3入口处的管道壁上开一些辅助进气口。由于在工作时，只有外涵气流能循环使用，内涵气流通过核心发动机燃烧做功，因此在低压压气机3前必须补充外界空气，才能维持正常的工作。使用半循环流程可减小脱水负担。

本实用新型用于一个制冷量为3.2亿大卡／小时的制冷机，可以使用两台英国罗·罗公司（ROLLS－ROYCE）的SPEY512航空发动机改装。其中一台卸除低压压气机和燃烧室等，改造为中压空气流程中的压气机和膨胀涡轮，动力涡轮可选用RT46动力涡轮。在低压制冷空气流程中，可以得到50℃～60℃的温差，在中压制冷空气流程中，可以得到140℃以上的温差。这样可以从室温300°K～310°K降至120°K以下，达到天然气液化温度。

Claims (1)

1、一种大流量空气介质制冷机，它有空气热交换器1和2，压气机3和4，级间热交换器6，其特征在于：它还有高压压气机7、燃烧室8、高压涡轮9、低压涡轮10、气水分离器12、浅冷膨胀轮15、深冷膨胀涡轮13、动力涡轮5、发电轮14及储气容器16，涡轮压气机3、高压压气机7、燃烧室8、高压涡轮9和低压涡轮10组成一台双转子航空涡轮风扇发动机11，涡轮压气机3为该发动机11的低压压气机，压气机3所村缩的外涵气流为低太制冷空气介质，空气热交换器1的输入端与外涵气流输出口相连，它的输出滴端与水分离器12的输入口相连，气水分离器12之后接有浅冷膨胀涡轮15，在浅冷膨胀涡轮15后接有级间热交换器6，动力涡累5接于航空发动机11的尾喷口后，由该发动机的尾排气驱动，动力涡轮5、涡轮压气机4、浅冷膨胀涡轮15、深冷膨胀涡轮13和发动机14连在一根轴上，级间热交换器6连接于经浅冷膨胀涡轮15膨胀后的低压制冷空气管路中，级间换热器6的被冷却介质输入口通过空气热交换器2后与压气机4的输出口相连接，级间换热器6的被冷却介质输出口与深冷膨胀涡轮13的输入口相连，深冷膨胀涡轮13的输出口为制冷输出口，在压气机4的空气输入口接有储气容器16和完成制冷后的中压空气输入口。

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