一種氣體膨脹裝置的閉式實驗系統及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氣體膨脹裝置的實驗系統和實驗方法，尤其涉及一種氣體膨脹裝置的閉式實驗系統及實驗方法，該方法可應用于各種化工機械行業氣體工質余壓、中間減壓過程的能量回收設備的研發及檢測。
【背景技術】
[0002]目前我國鋼鐵、有色、煤炭、建材、化工、紡織等行業的氣體工質壓力能量存在大量的浪費，各種化工機械行業的能量回收具有重大的社會和經濟效益。氣體膨脹機是壓力能量回收的核心設備，可用于替代各種化工環節節流減壓閥，從而實現能量回收的同時滿足實際工藝流程所需的壓降，對整個系統并未造成其他影響，所回收的能量可用于發電或驅動其他耗能設備，具有顯著的經濟價值。
[0003]目前各種可適用于不同化工機械行業內部流程環節壓力能量回收的膨脹裝置逐漸引起人們重視，并已公開多種專利，其結構形式包括容積式、徑流式、混流式或軸流式等多種形式，應用工質也有空氣、氮氣、氧氣、天然氣、氫氣或其他易燃易爆及有毒氣體，這些膨脹機多為新研發設備，而其研發過程中最重要環節一一實驗驗證和檢測技術并不成熟，目前尚無適用于此類產品的完善實驗平臺及測試方法，而直接在使用現場進行實驗顯然存在較大的技術和安全風險。
【發明內容】
[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]鑒于上述技術缺陷，本發明提供了一種適用于各種氣體工質、各種結構形式下膨脹裝置的實驗和檢測技術，實現現場實際工況下的膨脹裝置的可靠性驗證及性能特性研宄。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]本發明所涉及的氣體膨脹裝置的閉式實驗系統及實驗方法通過以下技術方案實現:
[0008]—種氣體膨脹裝置的閉式實驗系統，包括氣體壓縮裝置、高壓儲氣罐、低壓儲氣罐、氣體膨脹裝置被試件、齒輪箱、測功器，其特征在于，
[0009]所述低壓儲氣罐、氣體壓縮裝置、高壓儲氣罐、氣體膨脹裝置被試件通過氣體管路依次連接，低壓儲氣罐內的氣體工質經氣體壓縮裝置壓縮升壓后進入高壓儲氣罐，然后進入氣體膨脹裝置被試件膨脹降壓后進入低壓儲氣罐，實現一個氣體循環；由高壓氣體工質驅動的氣體膨脹裝置被試件通過齒輪箱與測功器連接，通過控制測功器的負載達到氣體膨脹裝置被試件實驗所需的旋轉速度，氣體膨脹裝置被試件所輸出功率由測功器消耗；
[0010]所述低壓儲氣罐、高壓儲氣罐的進氣口和出氣口處均設置有截止閥；
[0011]所述氣體壓縮裝置的出氣口分為兩路:一路為與所述高壓儲氣罐的進氣口連通的主流通道，所述主流通道上設置有止回閥；另一路為與所述低壓儲氣罐的回氣口連通的回路通道，所述回路通道上設置有止回閥、調節閥和截止閥；
[0012]所述低壓儲氣罐的進氣口和所述高壓儲氣罐的出氣口之間還設置有一與所述氣體膨脹裝置被試件并聯的聯通管路，所述聯通管路上設置有常閉閥；
[0013]所述氣體膨脹裝置被試件的進氣管路上設置有調節閥和加熱器，所述氣體膨脹裝置被試件的出氣管路上設置有止回閥。優選地，所述氣體膨脹裝置被試件的結構形式為容積式、徑流式、混流式或軸流式。
[0014]優選地，所述氣體膨脹裝置被試件采用單級、兩級或多級膨脹的結構形式。
[0015]優選地，所述氣體膨脹機工質米用空氣、氮氣、氧氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等單一工質或混合工質氣體。
[0016]優選地，所述氣體壓縮裝置的結構形式為容積式、徑流式、混流式或軸流式。
[0017]優選地，所述氣體壓縮裝置采用單級、兩級及多級壓縮的結構形式。
[0018]優選地，所述氣體壓縮裝置工質米用空氣、氮氣、氧氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等單一工質或混合工質氣體，且與所述氣體膨脹裝置被試件的工質相同。
[0019]優選地，所述高、低壓儲氣罐是指兩個儲氣罐相對高、低壓，其絕對壓力相對于大氣環境均可為正壓，也可為負壓，完全根據實驗所需工況調節。
[0020]優選地，所述氣體壓縮裝置出口設置兩個通道，一個是主通道工質進入高壓儲氣罐，另一個是回路通道，由調節閥調節其流量，從而控制主通道流量滿足氣體膨脹裝置被試件實驗要求。
[0021]優選地，所述高、低壓儲氣罐之間有個聯通管路，并由常閉閥控制該管道開閉，正常實驗時該常閉閥關閉，在實驗出現緊急停車時該常閉閥自動打開，保持高、低壓儲氣罐聯通，防止高壓儲氣罐由于壓縮機的運行而壓力過高，另外在實驗后聯通高、低壓儲氣罐，使其壓力平衡，便于下次實驗時壓縮裝置的啟動。
[0022]優選地，所述測功器采用水力測功器、電力測功器或電渦流測功器，其作用在于控制氣體膨脹裝置被試件轉速，并消耗氣體膨脹裝置被試件輸出的軸功。
[0023]優選地，所述齒輪箱輸入、輸出齒輪軸分別與所述氣體膨脹裝置被試件和測功器連接，其作用是調節氣體膨脹裝置被試件的轉速，可以是增速齒輪箱也可是減速齒輪箱，其內部則是高速齒輪軸和低速齒輪軸經過嚙合面接觸傳遞扭矩。優選地，所述氣體膨脹裝置被試件通過聯軸器與齒輪箱連接。
[0024]優選地，所述加熱器的熱源可以利用電加熱器、燃氣或燃油輔助加熱，也可利用工業廢熱進行加熱。
[0025]優選地，所述聯通管路的進氣口、所述氣體膨脹裝置被試件的進氣管路的進氣口均設置在所述高壓儲氣罐的出氣口處的截止閥的出口管路上，所述聯通管路的出氣口、所述氣體膨脹裝置被試件的出氣管路的出氣口均設置在所述低壓儲氣罐的進氣口處的截止閥的進口管路上。
[0026]優選地，所述聯通管路的進氣口、所述氣體膨脹裝置被試件的進氣管路的進氣口均設置在所述高壓儲氣罐的出氣口處的截止閥的出口管路上，所述聯通管路的出氣口、所述氣體膨脹裝置被試件的出氣管路的出氣口均設置在所述低壓儲氣罐的進氣口處的截止閥的進口管路上。
[0027]優選地，所述氣體膨脹裝置的閉式實驗系統還包括油站、測控單元、密封單元和加熱單元，所述油站實現氣體膨脹裝置被試件和齒輪箱的潤滑和冷卻，所述測控單元實現系統的參數測量和控制，密封單元實現氣體膨脹裝置被試件內部氣體工質和外界及油路之間的密封，冷卻單元實現氣體壓縮裝置和油站的冷卻，所述加熱單元實現氣體工質的溫度控制實現所需的氣體膨脹裝置被試件入口溫度。
[0028]優選地，所述氣體膨脹裝置的閉式實驗系統中各調節閥、截止閥、常閉閥均為氣動或液壓自動控制閥門，便于實現快速有效自動控制。
[0029]上述氣體膨脹裝置的閉式實驗系統中，壓縮氣體出口分為主流通道和回路通道，其中主流通道高壓氣體進入高壓儲氣罐并驅動膨脹機運行，而回路通道高壓氣體進入低壓儲氣罐，其流量由調節閥調節以調整氣體膨脹機入口壓力和流量，同時兩通道均有止回閥。
[0030]優選地，對于易燃氣體工質，為保證安全性，壓縮機電機采用防爆電機、膨脹機處測功器進行防爆處理，整個系統閥門、接頭均按照國家標準、行業標準要求，確保安全運行。
[0031]優選地，對于有毒氣體工質，為保證安全性，整個系統閥門、接頭均按照國家標準、行業標準要求，確保安全無泄漏。
[0032]上述氣體膨脹裝置的閉式實驗系統中氣體壓縮裝置、油站運行過程中會出現溫度上升現象，必須根據要求對其進行冷卻，保證氣體壓縮裝置排氣和潤滑油溫度。
[0033]優選地，所述閉式實驗系統還包括設置在所述氣體膨脹裝置被試件進、出氣口上的溫度傳感器和/或壓力傳感器，以及設置在所述氣體膨脹裝置被試件轉子上的振動傳感器，這些傳感器根據需要測量氣體膨脹裝置被試件進出口及內部壓力、溫度分布、轉子振動參數，從而實現氣體膨脹裝置的實驗研宄和性能檢測。
[0034]根據本發明的另一方面，還提供了一種氣體膨脹裝置實驗方法，利用本發明提供的氣體膨脹裝置的閉式實驗系統，其特征在于，所述實驗方法包括如下步驟:
[0035]SSl.實驗前準備工作
[0036]I)打開各通路截止閥，調節至所需壓力并保證各管道及高、低壓儲氣罐內部壓力平衡，以便于氣體壓縮裝置的啟動；
[0037]2)啟動油站、測控單元、冷卻單元，對齒輪箱、氣體膨脹裝置被試件進行冷卻、潤滑及參數測量；
[0038]3)打開所述回路通道上的調節閥，關閉所述氣體膨脹裝置被試件的進氣管路上的調節閥和所述聯通管路上的常閉閥。
[0039]SS2.實驗階段
[0040]I)啟動氣體壓縮裝置，逐漸打開所述氣體膨脹裝置被試件進氣管路上的調節閥至最大開度；
[0041]2)調節測功器，確保氣體膨脹裝置被試件轉速運行在安全范圍；
[0042]3)以氣體膨脹裝置被試件進口壓力(略低于高壓儲氣罐壓力)為目標參數，自動調節所述回路通道上的調節閥的開度至目標參數為所需壓力；
[0043]4)以氣體膨脹裝置被試件進口溫度為目標參數，調節加熱器加熱功率至目標參數為所需溫度；
[0044]5)監測并記錄各設備運行參數，主要包括氣體膨脹裝置被試件轉速、各轉子軸承溫度、各轉子振動量等參數，確保各設備安全穩定運行；
[0045]6)監測并記錄氣體膨脹裝置被試件實驗所需要的其他實驗數據，并準備停機；
[0046]SS3.實驗后整理工作
[0047]I)逐漸全開所述回路通道上的調節閥開度，先后關閉加熱器、氣體膨脹裝置被試件進氣管路上的調節閥開度；
[0048]2)逐漸關閉氣體膨脹裝置被試件進氣管路上的調節閥，氣體壓縮裝置停機；
[0049]3)保存測試系統所記錄數據并關閉，各軸承溫度冷卻至安全溫度后，關閉油站及冷卻單元；
[0050]4)打開所述聯通管路上的常閉閥，然后關閉高、低壓儲氣罐所有進出氣口處的截止閥，整個實驗結束。
[0051]優選地，需要緊急停機時，可迅速關閉氣體膨脹裝置被試件進氣管路上的調節閥，同時自動打開所述聯通管路上的常閉閥，保持高低壓儲氣罐連通，不至于出現高壓罐壓力過高情況，保護系統設備安全。
[0052]本發明的氣體膨脹裝置的閉式實驗系統及實驗方法具有以下有益效果:
[0053]1