一種具有自預冷功能的壓縮空氣方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有自預冷功能的壓縮空氣方法和系統。該方法通過多級壓縮、級間冷卻的方式壓縮空氣，使用冷卻介質回收級間壓縮熱量及火用量，將回收的熱量作為熱源，使用吸收式制冷的方法產生冷量，并且利用這部分冷量對各級級前的待壓縮空氣進行預冷。該發明的系統主要由壓縮機組氣路子系統、壓縮機組水路子系統和吸收式制冷機子系統三部分組成。該發明特別適用于夏季或者高溫環境。采用該發明進行空氣壓縮，可以保證壓縮空氣的產氣量，降低壓縮空氣的含濕量，提高各級壓縮機的壓比，明顯降低各級壓縮過程中的耗功。此外，該發明還充分利用了各級級間壓縮熱量及其火用量，進一步提高了系統的能量利用率。
【專利說明】一種具有自預冷功能的壓縮空氣方法和系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種壓縮空氣的方法和系統，尤其涉及一種不需要提供額外能量的條 件下，可以降低其各級壓縮機的進氣溫度和耗功的壓縮空氣的方法和系統。
【背景技術】
[0002] 空氣壓縮機的作用是通過將空氣壓縮而使其帶有一定壓力的設備，廣泛應用于工 農業、交通運輸、國防、日常生活等各個領域。空氣壓縮機的結構形式很多，其中很重要的一 種是活塞式壓縮機組。目前，活塞式壓縮機組通常由若干級壓縮機和級間的冷卻器組成。 各級壓縮機的作用是將吸入氣缸的空氣進行壓縮，級間冷卻器的作用是通過冷卻介質使空 氣溫度降低，為進入下一級壓縮機進行壓縮做準備。這種方法被稱之為"多級壓縮、級間冷 卻"。
[0003] 環境溫度對空氣壓縮機組的正常運行具有很大的影響。在夏天，吸入空氣壓縮機 組的空氣溫度常常在30_40°C，而在冬天，吸入空氣壓縮機組的溫度只有0°C左右。進氣溫 度過高將會對空氣壓縮機組產生不利的影響。首先，在較高溫度下，空氣的密度變小，比體 積變大，導致氣缸吸入的實際空氣量變小，設備的產氣量下降，從而不能滿足后續設備的需 要。其次，夏天不但溫度較高，而且濕度較大。空氣在較高溫度下，其含濕量明顯上升。在壓 縮過程中，很容易使氣體飽和，導致水分從空氣中析出。空氣中含水對設備是十分不利的， 容易影響設備的正常運行，并導致設備損壞。再次，吸入的空氣溫度過高，將導致壓縮后排 出氣體溫度過高。但是，活塞式壓縮機的氣缸是不能承受過高的溫度的，過高的溫度將會導 致潤滑油變質。所以，為了保護設備，不得不降低每級的壓比，從而導致排出氣體的壓力不 足。更為重要的是，吸入空氣溫度較高會導致消耗更多的功，使得系統的效率明顯下降。實 驗結果顯示，同一臺空氣壓縮機組在夏天的效率比冬天的效率往往低10%以上。
[0004] 目前普遍采用的空氣壓縮機組的另一個明顯問題是級間熱量的浪費。壓縮空氣在 進行級間換熱之前一般具有100°c以上的溫度，這些熱量含有較多的熱量火用。但是目前采 用的級間冷卻技術，通常使用水作為冷卻工質。為了使壓縮空氣獲得較好的冷卻效果，冷卻 水量通常很大，從而導致換熱溫差很大，這就造成了這部分熱量火用的損失，造成大量的能 量浪費。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明提出了一種在不需要提供額外能量的條件下，可以對空氣壓縮 機組級前空氣預先進行冷卻的壓縮空氣的方法和系統。與傳統的空氣壓縮機組相比，本發 明不但可以有效回收、利用級間熱量，而且可以對各級級前的空氣進行冷卻，從而有效解決 吸入空氣溫度過高帶來的種種問題。更為重要的是，新的空氣壓縮機組不僅不需要提供額 外的能量，而且由于吸入空氣溫度降低，可以有效降低空氣壓縮機組的耗功。
[0006] 為達到上述目的，本發明的技術方案如下：
[0007] 根據本發明的一方面，本發明提供了一種具有自預冷功能的壓縮空氣方法，所述 壓縮空氣方法在不需要提供額外能量的條件下，可以降低多級空氣壓縮機組各級壓縮機的 進氣溫度，該方法包括以下步驟：
[0008] SS1，在所述多級空氣壓縮機組的各級壓縮機的排氣管道上設置冷卻器，空氣進 入所述多級空氣壓縮機組的第一級空氣壓縮機后，通過多級壓縮、級間冷卻的方式，逐步達 到目標壓力，各所述冷卻器的氣路部分通入各級空氣壓縮機排出的壓縮氣體，冷卻器的液 路部分通入冷卻介質，使用冷卻介質回收壓縮氣體中的壓縮熱量及火用量；
[0009] SS2,加熱后的冷卻介質經各所述冷卻器排出后匯流進入吸收式制冷設備的熱源 換熱器，為所述吸收式制冷設備提供熱量；
[0010] SS3,將所述熱源換熱器回收的熱量作為所述吸收式制冷設備的熱源，使用吸收式 制冷的方法產生冷量，并且利用這部分冷量對進入各級空氣壓縮機級前的待壓縮空氣進行 預冷，各級空氣壓縮機級前的待壓縮空氣經所述吸收式制冷設備的預冷器預冷后進入下一 級空氣壓縮機。
[0011] 進一步的，所述空氣壓縮機為活塞式、離心式、軸流式、螺桿式或轉子式壓縮機中 的一種或幾種的組合；所述冷卻器為管殼式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板殼式、板圈 式、管翅式、熱管式冷卻器中的一種或幾種的組合。
[0012] 進一步的，壓縮空氣經過各所述冷卻器級間冷卻后應達到或者略高于環境溫度。
[0013] 進一步的，壓縮空氣經過所述預冷器預冷后，溫度低于環境溫度。
[0014] 進一步的，為了達到更好的效果，各級空氣壓縮機級前可以對壓縮空氣進行除水 處理，各級空氣壓縮機級后可以對壓縮空氣進行油氣分離處理。
[0015] 進一步的，所述冷卻介質可以是為水、導熱油、熔融鹽或離子液體，或也可以所述 冷卻介質為空氣、二氧化碳、氮氣、氧氣、氦氣中的一種或幾種的組合。
[0016] 進一步的，所述冷卻介質對壓縮空氣進行級間冷卻后，自身溫度提高等于或者接 近壓縮空氣級間冷卻之前的溫度。
[0017] 進一步的，所述冷卻介質循環使用，在下一次冷卻級間壓縮空氣之前，冷卻介質的 溫度應降低到環境溫度，經過所述吸收式制冷設備后多余的熱量排向環境。
[0018] 進一步的，所述吸收式制冷設備在向各級前壓縮空氣提供冷量時，分別使用不同 壓力等級的冷卻器，各冷卻器單獨為對應壓力等級的空氣進行預冷。
[0019] 根據本發明的另一方面，該發明還提供了一種具有自預冷功能的空氣壓縮系統， 包括壓縮機組氣路子系統和壓縮機組液路子系統，其特征在于，
[0020] --所述空氣壓縮系統還包括吸收式制冷機子系統，所述吸收式制冷機子系統包括 一熱源換熱器和若干不同壓力等級的預冷器；
[0021] -所述壓縮機組氣路子系統包括通過氣體管路依次連接的多級空氣壓縮機，相鄰 兩空氣壓縮機之間的氣體管路上均設置有級間冷卻器，最后一級空氣壓縮機的出氣管路上 也設置有級間冷卻器，各級空氣壓縮機的進氣管路均與所述吸收式制冷機子系統中一對應 壓力等級的預冷器連通；
[0022] -所述壓縮機組液路子系統包括各所述級間冷卻器的液路部分，各級間冷卻器 的液路部分排出的加熱后的冷卻介質匯流后進入所述吸收式制冷機子系統中的熱源換熱 器。
[0023] 優選地，所述壓縮機氣路子系統，根據壓力等級劃分為若干串聯的空氣壓縮級， 每一空氣壓縮級包括對應該壓力等級的空氣壓縮機和級間冷卻器的氣路部分，其中，第一 空氣壓縮級的吸氣管道與吸收式制冷機子系統對應該壓力等級的第一級預冷器的進口相 連，第一級預冷器出口與第一級壓縮機進口相連，第一級壓縮機出口與第一級級間冷卻器 氣路進口相連，第一級級間冷卻器氣路出口與吸收式制冷機子系統的第二級預冷器進口相 連，由此完成第一空氣壓縮級內部各設備的連接，中間各空氣壓縮級的內部設備均按照第 一空氣壓縮級內部設備的連接方式連接；在最后一級空氣壓縮級，級間冷卻器氣路出口連 接儲氣裝置或者用氣設備。優選地，為了保證壓縮空氣的干燥，每一空氣壓縮級中均設置除 濕設備，所述除濕設備的進口與該級吸收式制冷機子系統的預冷器的出口相連，所述除濕 設備的出口與該級空氣壓縮機的進口相連。優選地，各級空氣壓縮機的排氣管線上均設置 有油氣分離器。所述壓縮機氣路子系統，其主要作用是對需壓縮的空氣進行預冷和對預冷 后的空氣進行壓縮。
[0024] 優選地，所述壓縮機組液路子系統還包括循環泵、補液裝置和液路冷卻器，其中， 吸收式制冷機子系統熱源換熱器的出口與液路冷卻器的進口相連，液路冷卻器的出口與循 環泵的進口相連，循環泵的出口管道分為若干支路，分別與各級間冷卻器的液路進口相連， 各級間冷卻器液路為并聯關系，匯流至一干路，并與吸收式制冷機子系統的熱源換熱器進 口相連，由此形成一完整的回路；補液裝置通過旁路連入循環泵之前。所述壓縮機組液路子 系統的主要作用是有效冷卻壓縮后的空氣、高效吸收級間熱量及所含火用和為吸收式制冷 機提供熱源。液路冷卻器的作用是對通過吸收式制冷機熱源換熱器的冷卻介質進行進一步 的冷卻，使其溫度滿足對壓縮空氣級間冷卻的需要。
[0025] 進一步的，所述空氣壓縮機為活塞式、離心式、軸流式、螺桿式或轉子式壓縮機中 的一種或幾種的組合；各級間冷卻器為管殼式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板殼式、板 圈式、管翅式、熱管式換熱器中的一種或幾種的組合。
[0026] 進一步的，所述冷卻介質為水、導熱油、熔融鹽或離子液體，或所述冷卻介質為空 氣、二氧化碳、氮氣、氧氣、氦氣中的一種或幾種的組合。
[0027] 優選的，所述除濕設備為分子篩干燥機。
[0028] 優選的，吸收式制冷機子系統使用水為制冷劑，溴化鋰為吸收劑。
[0029] 空氣壓縮機的作用是對進入該級空氣壓縮機氣缸的空氣進行壓縮，提高其壓力。
[0030] 所述級間冷卻器的作用是對各級空氣壓縮機排出的壓縮空氣進行冷卻，并且利用 壓縮空氣釋放的熱量來加熱冷卻介質。通過使用高效的換熱器并且合理控制冷卻水的流 量，可以有效提高冷卻水溫度和保存級間熱量所含的熱量火用。
[0031] 吸收式制冷機子系統的作用是利用升溫后的冷卻介質作為熱源，通過吸收式制冷 的原理，對各級進入壓縮機之前的空氣進行預先冷卻，使其溫度得到進一步降低。吸收式制 冷機子系統的特點在于：具備若干壓力等級的預冷器，各級預冷器耐壓能力與該級氣體壓 力相匹配。
[0032] 循環泵的作用是為壓縮機組液路子系統提供動力。
[0033] 補液裝置的作用是為壓縮機組液路子系統提供必要的補液，并且為壓縮機組液路 子系統定壓。
[0034] 吸收式制冷機子系統的特點在于對各級氣路均提供單獨的預冷器，其內部結構即 為常用的吸收式制冷機，屬公知技術，此處不再贅述。
[0035] 在該具有自預冷功能的壓縮空氣系統的穩定工作過程中，壓縮機組氣路子系統的 工作流程為：由外界吸入的空氣首先進入吸收式制冷機第一級預冷器，與其中的冷卻工質 進行熱量交換，溫度降低到環境溫度以下；而后進入到第一級壓縮機氣缸中，通過壓縮機的 壓縮，氣體的壓力上升，溫度上升；排出的空氣進入到第一級級間冷卻器中，與冷卻介質發 生熱量交換，自身溫度下降至冷卻介質在換熱器進口溫度附近（即環境溫度附近）；隨后， 壓縮空氣進入到吸收式制冷機第二級冷卻器，與其中的冷卻工質進行熱量交換，溫度得到 進一步降低。此后，壓縮空氣依次進入空氣壓縮裝置的各級中，壓力不斷上升。通過最后一 級的級間換熱器以后，壓縮空氣的壓力達到了指定壓力，溫度在環境溫度附近，壓縮氣體被 輸送到儲氣裝置或者用氣設備中。
[0036] 在該過程中，壓縮機組液路子系統的工作流程為：循環泵之前，壓縮機組液路子系 統內部的冷卻介質由系統內部的循環介質和補液裝置的補充介質共同提供，此處冷卻介質 溫度為環境溫度。循環泵為壓縮機組液路子系統提供動力。冷卻介質經過循環泵后以并聯 方式分配到各級級間冷卻器的液路中，冷卻介質在各級級間換熱器內與氣路的高溫的壓縮 空氣進行換熱。此處，冷卻介質的流量是根據該級壓縮空氣的進口溫度和高效級間換熱器 的換熱特性確定的。經過換熱后，冷卻介質溫度上升到壓縮空氣進入該級級間冷卻器之前 的溫度附近，成為高溫介質。根據此時冷卻介質的溫度，確定液路子系統內部冷卻介質需要 的壓力，并且由補液系統保證子系統壓力，使其內部冷卻介質不發生相變。高溫的冷卻介質 流出各級高效級間冷卻器液路管道，合并后流入吸收式制冷機的熱源換熱器。在熱源換熱 器內，高溫冷卻介質作為熱源向吸收式制冷機提供熱量，使其能夠產生足夠的冷量為各級 級前的壓縮空氣進行降溫。高溫的冷卻介質經過熱源換熱器后，自身溫度下降，而后進入 后換熱器中。在后換熱器內部，冷卻介質向環境釋放熱量，將自身溫度進一步降低至環境溫 度。而后，通過補液裝置對冷卻水進行必要的補液，進入下一次液路子系統的循環。
[0037] 在該過程中，吸收式制冷機子系統將高溫冷卻介質作為熱源，通過吸收式制冷產 生冷量，為各級級前的壓縮空氣進一步冷卻至環境溫度以下。
[0038] 本發明的有益效果是多方面的：
[0039] 由于該壓縮空氣機組可以對進入各級壓縮機氣缸前的壓縮空氣進行有效的冷卻， 使其溫度低于環境溫度，充分利用了各級級間壓縮熱量及其火用量，進一步提高了系統的 能量利用率，從而可以：
[0040] 1.保證壓縮空氣的產氣量，為后續設備提供充足的氣源；
[0041] 2.降低了壓縮空氣的含濕量，為壓縮機組運行提供了良好的運行條件，有利于延 長設備的工作壽命；
[0042] 3.提高了各級壓縮機的壓比，保證了壓縮空氣能夠滿足后續設備的壓力要求；
[0043] 4.明顯降低各級壓縮過程中所需要的功，節省了大量的電能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發明的具有自預冷功能的壓縮空氣方法和系統的結構示意圖。
[0045] 圖中201.吸收式制冷機，202.熱源換熱器，203. -級預冷器，204.二級預冷器， 205.三級預冷器，206.四級預冷器，211. -級除水設備，212.二級除水設備，221. -級空 氣壓縮機，222.二級空氣壓縮機，223.三級空氣壓縮機，224.四級空氣壓縮機，231. -級級 間換熱器，232.二級級間換熱器，233.三級級間換熱器，234.四級級間換熱器，241. -級油 氣分離器，242.二級油氣分離器，243.三級油氣分離器，244.四級油氣分離器，251.后換熱 器，261.補液裝置，271.循環泵。
【具體實施方式】
[0046] 為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對 本發明進一步詳細說明。需要說明的是，以下所述僅為本發明的較佳實施例，并不因此而限 定本發明的保護范圍。
[0047] 如圖1所示，該實施例為一中等規模的空氣壓縮機組。該裝置的排氣壓力為 8. IMPa，產氣量為 1000Nm3/h。
[0048] 該裝置由壓縮機組氣路子系統、壓縮機組液路子系統和吸收式制冷機子系統三部 分組成。其中壓縮機氣路子系統的主要作用是對待壓縮的空氣進行預冷和對預冷后的空 氣進行壓縮。該子系統由4級串聯組成，每級都由吸收式制冷機的預冷器、空氣壓縮機、級 間冷卻器的氣路部分和油氣分離器，以及相關的管道和閥門依次串聯組成。為了獲得較好 的除水效果，在進入第二級空氣壓縮機222和第三級空氣壓縮機223之前，加裝了除水裝置 211和212。表1說明了空氣壓縮機組氣路子系統的組成及代號。
[0049] 表1空氣壓縮機組氣路子系統的組成及代號
[0050]
【權利要求】
1. 一種具有自預冷功能的壓縮空氣方法，所述壓縮空氣方法在不需要提供額外能量 的條件下，可以降低多級空氣壓縮機組各級壓縮機的進氣溫度，該方法包括以下步驟： SS1，在所述多級空氣壓縮機組的各級壓縮機的排氣管道上設置冷卻器，空氣進入所 述多級空氣壓縮機組的第一級空氣壓縮機后，通過多級壓縮、級間冷卻的方式，逐步達到目 標壓力，各所述冷卻器的氣路部分通入各級空氣壓縮機排出的壓縮氣體，冷卻器的液路部 分通入冷卻介質，使用冷卻介質回收壓縮氣體中的壓縮熱量及火用量； 552, 加熱后的冷卻介質經各所述冷卻器排出后匯流進入吸收式制冷設備的熱源換熱 器，為所述吸收式制冷設備提供熱量； 553, 將所述熱源換熱器回收的熱量作為所述吸收式制冷設備的熱源，使用吸收式制 冷的方法產生冷量，并且利用這部分冷量對進入各級空氣壓縮機級前的待壓縮空氣進行預 冷，各級空氣壓縮機級前的待壓縮空氣經所述吸收式制冷設備的預冷器預冷后進入下一級 空氣壓縮機。
2. 根據權利要求1所述的空氣壓縮方法，其特征在于，所述空氣壓縮機為活塞式、離心 式、軸流式、螺桿式或轉子式壓縮機中的一種或幾種的組合；所述冷卻器為管殼式、板翅式、 板式、螺旋管式、套管式、板殼式、板圈式、管翅式、熱管式冷卻器中的一種或幾種的組合。
3. 根據權利要求1所述的空氣壓縮方法，其特征在于，所述冷卻介質對壓縮空氣進行 級間冷卻后，自身溫度提高到等于或者接近壓縮空氣級間冷卻之前的溫度；所述冷卻介質 循環使用，在下一次冷卻級間空氣之前，冷卻介質的溫度應降低到環境溫度，經過吸收式制 冷設備后多余的熱量排向環境。
4. 根據權利要求1所述的空氣壓縮方法，其特征在于，各級空氣壓縮機級前對壓縮空 氣進行除水處理，各級空氣壓縮機級后對壓縮空氣進行油氣分離處理。
5. 根據權利要求1所述的空氣壓縮方法，其特征在于，所述冷卻介質為水、導熱油、熔 融鹽或離子液體，或為空氣、二氧化碳、氮氣、氧氣、氬氣中的一種或幾種的組合。
6. 根據權利要求1所述的空氣壓縮方法，其特征在于，吸收式制冷設備在向各級前壓 縮空氣提供冷量時，分別使用不同壓力等級的預冷器，各預冷器單獨為對應壓力等級的空 氣進行預冷。
7. -種具有自預冷功能的空氣壓縮系統，包括壓縮機組氣路子系統和壓縮機組液路子 系統，其特征在于， 一所述空氣壓縮系統還包括吸收式制冷機子系統，所述吸收式制冷機子系統包括一熱 源換熱器和若干不同壓力等級的預冷器； 一所述壓縮機組氣路子系統包括通過氣體管路依次連接的多級空氣壓縮機，相鄰兩空 氣壓縮機之間的氣體管路上均設置有級間冷卻器，最后一級空氣壓縮機的出氣管路上也設 置有級間冷卻器，各級空氣壓縮機的進氣管路均與所述吸收式制冷機子系統中一對應壓力 等級的預冷器連通； 一所述壓縮機組液路子系統包括各所述級間冷卻器的液路部分，各級間冷卻器的液 路部分排出的加熱后的冷卻介質匯流后進入所述吸收式制冷機子系統中的熱源換熱器。
8. 根據權利要求7所述的具有自預冷功能的空氣壓縮系統，其特征在于：所述壓縮機 氣路子系統，根據壓力等級劃分為若干串聯的空氣壓縮級，每一空氣壓縮級包括對應該壓 力等級的空氣壓縮機和級間冷卻器的氣路部分，其中，第一空氣壓縮級的吸氣管道與吸收 式制冷機子系統對應該壓力等級的第一級預冷器的進口相連，第一級預冷器出口與第一級 壓縮機進口相連，第一級壓縮機出口與第一級級間冷卻器氣路進口相連，第一級級間冷卻 器氣路出口與吸收式制冷機子系統的第二級預冷器進口相連，由此完成第一空氣壓縮級內 部各設備的連接，中間各空氣壓縮級的內部設備均按照第一空氣壓縮級內部設備的連接 方式連接；在最后一級空氣壓縮級，級間冷卻器氣路出口連接儲氣裝置或者用氣設備。
9. 根據權利要求7所述的具有自預冷功能的空氣壓縮系統，其特征在于：為了保證壓 縮空氣的干燥，每一空氣壓縮級中均設置除濕設備，所述除濕設備的進口與該級吸收式制 冷機子系統的預冷器的出口相連，所述除濕設備的出口與該級空氣壓縮機的進口相連。
10. 根據權利要求7所述的具有自預冷功能的空氣壓縮系統，其特征在于：各級空氣壓 縮機的排氣管線上均設置有油氣分離器。
【文檔編號】F04B39/06GK104100494SQ201410309422
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】楊征, 陳海生, 左志濤, 陳宗衍, 譚春青 申請人:中國科學院工程熱物理研究所