一种级间冷热量高质量回收及储存的空气压缩机组

摘要

本发明公开了一种级间冷热量高质量回收及储存的空气压缩机组，包括空气压缩系统和级间热量回收储存系统，所述空气压缩系统包括利用管路串联的若干级空气压缩机（1-6），所述级间热量回收储存系统包括用管路连接的泵（13、14）、若干级级间冷却器（7-12）和不同温度等级的储罐（16-18），所述级间冷却器设置于相邻两级压缩机之间，空气压缩系统和级间热量回收储存系统通过各级级间冷却器耦合在一起，级间冷却器的热侧同压缩空气管路相连，冷侧同冷却剂管路相连，各级级间冷却器的冷却剂出口经冷却剂管路与相应温度等级的储罐相连。本发明的空气压缩机组可以高质量回收级间冷却热量，并按能量品位的高低分别存储在不同温度等级的储罐中，实现了级间冷热量在“量”和“质”上最大限度的回收和存储。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空气压缩机组，尤其涉及一种可以将级间冷却热量高质量回收并按其能量品位的高低分别储存的空气压缩机组。

背景技术

目前，生产高压空气的空气压缩机组均采用多级压缩、级间冷却的技术方案。传统的级间冷却的方法是：以水为冷却剂，通过级间冷却器对压缩空气进行冷却，冷却后的压缩空气进入下一级空气压缩机，吸收热量的冷却水通过散热器向大气释放热量，自身温度降低后循环使用。这种作法造成了级间热量在“量”和“质”上的完全浪费。

发明内容

为了克服现有的空气压缩机组的级间冷却热量不能高质量地回收和储存的缺点，本发明提供了一种新型的空气压缩机组。该空气压缩机组在有效冷却级间压缩空气的基础上，能够高质量地回收压缩空气在级间冷却器释放的热量，并且可以将这部分热量按照能量品位的高低分别存储于不同温度等级的储罐内，实现了级间冷却热量在“量”和“质”上最大限度的回收和存储。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种级间冷热量高质量回收及储存的空气压缩机组，包括空气压缩系统和级间热量高质量回收储存系统，其特征在于，所述空气压缩系统包括利用管路串联的若干级空气压缩机（1-6），所述级间热量高质量回收储存系统包括用管路连接的泵（13、14）、级间冷却器（7-12）和不同温度等级的储罐（16-18），所述级间冷却器设置于相邻两级压缩机之间，所述空气压缩系统和级间热量高质量回收储存系统通过各级级间冷却器耦合在一起，所述级间冷却器的热侧同压缩空气管路相连，冷侧同冷却剂管路相连，各级级间冷却器的冷却剂出口经冷却剂管路与相应温度等级的储罐相连。

优选的，在每一级级间冷却器的热侧，压缩空气的温度下降到进入第一级压缩机前的温度；在每一级级间冷却器的冷侧，冷却剂的温度提高到接近压缩空气在该级级间冷却器的进口温度。

本发明的间冷热量高质量回收及储存的空气压缩机组在工作时，压缩空气依次流经各级压缩机和级间冷却器。在每一级压缩机内，压缩空气的压力提高，温度提高；在该级的级间冷却器的热侧，压缩空气的压力因流动阻力略有下降，温度下降到进入第一级压缩机前的温度。冷却剂在泵的驱动下分别进入各级级间冷却器的冷侧，与压缩空气进行热量交换，自身温度提高到接近压缩空气在级间冷却器的进口温度。各级级间冷却器是实现级间冷热量高质量回收的关键设备，它通过合理地选择换热器的形式和足够的换热面积，来实现冷热流体很小的平均换热温差，从而保证了热量高质量地存储于冷却剂中。各股冷却剂在流经各级级间冷却器之后，按照自身温度的不同分别存储于不同温度等级的储罐中。不同温度等级的储罐是实现间冷热量高质量储存的关键设备，通过设置不同温度等级的储罐，避免了因掺混而造成的能量质量的降低。

优选的，所述空气压缩机（1-6）有6级，由前台压缩机组和后台压缩机组组成，其中前台压缩机组包括前4级压缩机，后台压缩机组包括第5至6级压缩机，这6级压缩机的压比依次为3、3、2.8、2.8、2.4、1.8；相应地，所述级间冷却器（7-12）也有6级，其中第1至4级级间冷却器（7-10）采用铝制板翅式换热器，从这4级级间冷却器的冷侧排出的冷却剂储存在高温储罐（16）中，第5级级间冷却器（11）采用耐高压的管壳式换热器，从该级级间冷却器的冷侧排出的冷却剂储存在中温储罐（17）中，第6级级间冷却器（12）采用耐高压的管壳式换热器，从该级级间冷却器的冷侧排出的冷却剂储存在低温储罐（18）中。

优选的，第1至4级级间冷却器（7-10）分别由一台换热器组成，第5级级间冷却器（11）由4台换热器串联组成，第6级级间冷却器（12）由3台换热器串联组成。

优选的，所述泵设置于冷却剂管路的进口端，并通过供给母管以并联的形式将冷却剂分配流入各级间冷却器（7-12），所述泵的数量为两台，且两台水泵并联，一台工作，一台备用。

优选的，各级间冷却器（7-12）使用膨胀珍珠岩制品包裹，厚度5厘米；管道使用聚氨酯类保温材料进行包裹，厚度5厘米；储罐（16-18）使用真空绝热板作为保温材料，厚度8cm。

优选的，所述储罐（16-18）使用不锈钢材料制成，壁厚5毫米，设计工作压力4.5bar，包括进液管、出液管、排污管、安全阀和观液管。

优选的，所述储罐（16-18）前设置换向阀，用于在启动和停机过程中，冷却剂在储罐流入管道与排空管道之间的切换。

优选的，所述储罐（16-18）内设温度传感器和压力传感器，储罐顶端设有安全阀门，当储罐内压力高于安全阀设定压力时，安全阀自动打开。

优选的，所述冷却剂管路和压缩空气管路中设置有传感器、仪表和控制阀门，所述泵（13-14）后设冷却剂主阀门，第1级压缩机（1）前设压缩空气主阀门，所述空气压缩机（1-6）前后管路均设温度传感器和压力传感器，各级级间冷却器（7-12）热侧的进出口管道均设温度传感器和压力传感器，冷却剂进口管道设自动控制阀门，出口管道设温度传感器。

优选的，所述冷却剂管路的出口段还设置有排空管道（19-21）。

优选的，所述压缩机为离心式、轴流式、活塞式、涡片式、齿轮式、螺杆式压缩机中的一种或几种的组合。

优选的，所述级间冷却器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、板圈式、管翅式、热管式冷却器中的一种或几种的组合。

优选的，所述储罐为卧式储罐、立式储罐、拱顶储罐、浮顶储罐或球形储罐。根据冷却剂的不同温度可设置一个或多个，接于各级级间冷却器的后面。

优选的，所述冷却剂为导热油、熔融盐或离子液体，或空气、二氧化碳、氮气、氧气、或氩气中的一种或几种的组合。

优选的，所述冷却剂为水，冷却水进入各级级间冷却器（7-10）的压力均为4bar。

优选的，所述空气压缩机组还包括软化水处理设备（15），所述软化水处理设备（15）同所述泵（13、14）直接连接。

本发明的有益效果是：可以高质量地回收级间冷却热量，并按能量品位的高低将这部分能量分别存储，从而实现了级间冷却热量在“量”和“质”上最大限度的回收和储存。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的流程图。

图中：1-6.压缩机，7-12. 级间冷却器，13、14.泵，15.软化水设备，16.高温储罐，17.中温储罐，18.低温储罐，19、20、21.排空管道。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

见附图1所示：该实施例的间冷热量高质量回收及储存的空气压缩机组包括空气压缩系统和级间热量高质量回收储存系统，空气压缩系统主要用于将空气进行压缩，以达到提高空气压力的目的。压缩空气系统主要由6级空气压缩机1-6及相关管道组成。级间热量高质量回收储存系统的作用是，通过级间冷却器7-12，使用冷却剂对级间压缩空气进行冷却，一方面使压缩空气以较低的温度进入下一级压缩机，另一方面在保证有用能损失很小的情况下使级间冷却热量传递到冷却剂，并将冷却剂按照其能量品味的高低分别储存于不同温度等级的储罐内，从而在“量”和“质”两方面最大限度地回收并储存这部分能量。级间热量回收储存系统主要由泵13-14、软化水处理设备15、级间高效冷却器7-12、高温储罐16、中温储罐17、低温储罐18、以及相关仪表和控制阀门等设备组成。空气压缩系统和级间热量高质量回收储存系统由级间冷却器7-12耦合在一起。

在该实施例中，压缩空气依次通过压缩机1、级间冷却器7、压缩机2、级间冷却器8、压缩机3、级间冷却器9、压缩机4、级间冷却器10、压缩机5、级间冷却器11、压缩机6、级间冷却器12，最后流出空气压缩系统，供给外界用户。由于对压缩空气的压力要求很高，压缩机1-6由2台空气压缩机组组成，前台压缩机组包括压缩机1-4，后台压缩机组包括压缩机5-6，两台压缩机组均为活塞式压缩机。压缩空气的流量为0.29kg/s，压缩空气在进入压缩机组前的压力为1.01MPa，温度为33℃。空气压缩机1-6的压比依次为3、3、2.8、2.8、2.4、1.8，压缩空气流出空气压缩机1-6的压力分别为0.31MPa、0.93MPa、2.64MPa、7.10MPa、17.34MPa、32.10MPa，流出各压缩机1-6时的温度为159℃、156℃、148℃、142℃、131℃、100℃。级间冷却器7-10采用板翅式换热器，级间冷却器11-12采用管壳式换热器。在级间冷却器7-12内，压缩空气的压降分别为8.08kPa、8.08kPa、10.81kPa、5.28kPa、500Pa、300Pa；在流出级间冷却器7-12时，压缩空气的温度均为33℃。

本实施例采用水作为冷却剂。冷却水在泵13-14的驱动下，首先流经软化水处理设备15，经软化后流入给水母管，在给水母管内经流量分配，以并联方式流入各级级间冷却器7-12。在级间冷却器7-12内分别与压缩机1-6流出的压缩空气换热，自身温度得到提高。流出级间冷却器7-12后，由级间冷却器7-10流出的冷却水温度较高，汇于高温母管，然后流入高温储罐16储存；由级间冷却器11流出的冷却水温度中等，流入中温储罐17储存；由级间冷却器12流出的冷却水温度较低，流入低温储罐18储存。冷却水的总流量为0.496 kg/s，流经级间冷却器7-12的冷却水流量分别为0.084kg/s、0.082kg/s、0.078kg/s、0.078kg/s、0.084kg/s、0.090kg/s。冷却水在进入级间冷却器7-12前的温度为25℃，流出级间冷却器7-12的温度为130℃、130℃、130℃、130℃、120℃、90℃。为了保证冷却水在级间冷却器内不发生相变，冷却水进入级间冷却器7-12的压力均为4bar。

本实施例中的泵13-14采用卧式热水管道泵，两台水泵并联，一台工作，一台备用。每台水泵的流量为1500kg/h，扬程为35m。

本实施例中设置软化水处理设备15，目的是去除冷却水中携带的钙、镁等离子，防止因此而产生的传热能力下降和堵塞流通通道的问题。本实施例中软化水处理设备15采用全自动钠离子交换器，顺流再生方式，额定流量2.5m³/h，工作压力0.2-0.6MPa，工作温度5-45℃，原水硬度≤6.5mmol/L,树脂型号为001×7强酸型阳离子树脂，pH值范围在1-14。经软化后出水硬度小于0.05mmol/L。

本实施例中的级间冷却器7-12采用两种换热器形式。级间冷却器7-10压力相对较低，采用铝制板翅式换热器。每级级间冷却器由一台换热器组成，每台换热器长246毫米，宽160毫米，高1760毫米，逆流换热方式，最高工作温度150℃，压缩空气侧设计压力分别为0.4MPa、1.1MPa、2.9MPa、7.9MPa，冷却水侧设计压力为0.6MPa。级间冷却器11-12压力较高，采用可耐高压的管壳式换热器，采用不锈钢材料。级间冷却器11由4台换热器串联组成，每台换热器长4米，直径219毫米。换热器采用逆流换热方式，最高工作温度150℃，压缩空气侧设计压力分别为19.1MPa，冷却水侧设计压力0.5MPa。级间冷却器12由3台换热器串联组成，每台换热器长4米，直径219毫米。换热器均采用逆流换热方式，最高工作温度150℃，压缩空气侧设计压力分别为35.3MPa，冷却水侧设计压力0.5MPa。

本实施例使用高温储罐16、中温储罐17和低温储罐18来分别储存不同温度等级的冷却水。高温储罐16储存从级间冷却器7-10出来的130℃的高温冷却水，中温储罐17储存从级间冷却器11出来的120℃的中温冷却水，低温储罐18储存从级间冷却器12出来的90℃的低温冷却水。高温储罐16设计工作压力4.5bar，设计工作温度150℃，采用卧式储罐形式，椭圆形封头，包括进水管、出水管、排污管、安全阀和观液管等装置，使用不锈钢材料，壁厚5毫米，储罐容积2m³，外径0.8米，长4.5米。中温储罐17和低温储罐18设计工作压力4.5bar，设计工作温度135℃，采用卧式储罐形式，包括进水管、出水管、排污管、安全阀和观液管等装置，使用不锈钢材料，壁厚5毫米，储罐容积1.5m³，外径0.8米，长3.5米。

为了实现良好的保温效果，本实施例需要对各级间冷却器、高温管道和储罐进行保温措施。各级间冷却器使用膨胀珍珠岩制品包裹，厚度5厘米。高温管道使用聚氨酯类保温材料进行包裹，厚度5厘米。储罐使用真空绝热板作为保温材料，保温厚度8cm。在使用该保温措施的条件下，一天内热水的温降不超过1℃，可以完全达到工程要求。

本实施例在以下关键部位安装必要的传感器和阀门，以监测和控制系统的正常运行。

1.    压缩机1前设压缩空气主阀门，用于调节压缩空气的流量。泵13-14后设冷却水主阀门，控制冷却水的总流量；软化水处理设备15后设压力传感器，用于检测冷却水进入级间冷却器的压力。

2.    压缩机1-6前后管路均设温度传感器和压力传感器，用以检测压缩空气的状态。

3.    级间冷却器7-12压缩空气侧的进出口管道均设温度传感器和压力传感器，冷却水进口管道设自动控制阀门，出口管道设温度传感器。根据测量结果，通过自动控制系统调节冷却水进口阀门开度，以控制冷却水流量，使其满足冷却水出口温度和压缩空气出口温度的要求。

4.    高温储罐16、中温储罐17和低温储罐18前设置换向阀，用于在启动和停机过程中，冷却水在储罐流入管道与排空管道之间的切换。

5.    高温储罐16、中温储罐17和低温储罐18内设温度传感器和压力传感器，用于检测储罐内的温度和压力。储罐顶端设有安全阀门，当储罐内压力高于安全阀设定压力时，安全阀自动打开。

在本实施例的开机过程中，首先关闭高温储罐16、中温储罐17和低温储罐18的进口管道，打开排空管路19、20、21；然后打开泵13、14，通过压力、温度传感器和相关阀门的控制，使各级冷却水按照规定的流量流经级间冷却器7-12，通过排空管路19、20、21排空；然后开启压缩机1-6，通过压力、温度传感器和相关阀门的控制，使压缩空气机组达到设计的工况；当整个系统运行稳定后，关闭排空管路19、20、21，打开高温储罐16、中温储罐17和低温储罐18的流入管道，将升温后的冷却水按照自身温度的不同分别存储于高温储罐16、中温储罐17和低温储罐18中。

在关机过程中，首先关闭高温储罐16、中温储罐17和低温储罐18的流入管路，打开排空管路19、20、21，使冷却水排空；然后关闭空气压缩机1-6，停止向用户供气；最后待系统稳定后，关闭水泵13、14，停止供应冷却水。

从热力学第一定律的角度来看，级间冷却器7-12的热负荷分别为37.9kW、39.6kW、34.8kW、34.7kW、33.5kW、23.1kW，合计203.6kW。在使用一般的空气压缩机组时，该部分热量最终被散入大气中，完全损失；而在该发明的空气压缩机组时，该部分热量被储存于储罐中，能量回收了203.6kW。从热力学第二定律的角度来看，压缩空气进出级间冷却器7-12的焓火用差为7.21kW、6.99kW、5.47kW、5.22kW、4.56kW、2.18kW，共计31.6kW，而级间冷却器7-12冷却水的焓火用差分别为5.18kW、5.72kW、4.72kW、4.70kW、4.16kW、1.96kW，共计26.5kW。在使用一般的空气压缩机组时，压缩空气在级间冷却器内的火用降完全损失；而在使用该发明的空气压缩机组时，冷却水可回收火用26.5kW，火用回收率高达83.7%。