СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ
ENERGY RECOVERY METHOD

Настоящее изобретение относится к способу рекуперации энергии.
Более конкретно изобретение относится к способу рекуперации энергии, в котором газ сжимают компрессорной установкой на двух или более ступенях сжатия, причем каждая ступень образована компрессором, при этом по потоку после каждого из, по меньшей мере, двух компрессоров расположен теплообменник с первой и второй частями, причем через первую часть направляют сжатый газ из ступени сжатия, расположенной по потоку перед теплообменником, а через вторую часть направляют охлаждающий агент, чтобы извлечь часть теплоты сжатия из сжатого газа.
Известно, что температура газа на входе ступени сжатия имеет большое значение для рекуперации компрессора.
Таким образом, желательно охлаждать газ между последовательными ступенями.
Традиционно газ охлаждается между двумя последовательными ступенями, причем газ направляется через первую часть теплообменника, и таким образом, охлаждающий агент, обычно вода, проходит через вторую часть.
Таким образом, общий поток поданного охлаждающего агента разделяется и распределяется среди нескольких используемых теплообменников. Другими словами, охлаждающий агент направляется параллельно, через второстепенные элементы теплообменников.
Упомянутое выше предполагает, что охлаждающий агент поступает в различные теплообменники при одинаковой температуре.
Когда охлаждающий агент проходит через теплообменники, он нагревается. На выходе из теплообменников нагретый охлаждающий агент снова объединяется. В обычном расчетном режиме это нагревание является вполне ограниченным, чтобы эффективно охладить указанный агент на ограниченной поверхности охлаждения.
Однако если аккумулированное тепло следует полезно использовать, желательно, чтобы указанное нагревание охлаждающего агента было более значительным, поэтому предполагается, что поток охлаждающего агента должен дросселироваться.
Недостатком указанного дросселирования является то, что значительно снижается скорость охлаждающего агента, протекающего через теплообменники, так что может происходить известкование в различных теплообменниках. Другим недостатком является то, что ограничение скорости охлаждающего агента в различных теплообменниках не соответствует оптимальному режиму теплообмена в указанных выше теплообменниках.
Задачей настоящего изобретения является устранение одного или нескольких указанных выше недостатков и/или других недостатков путем создания способа рекуперации энергии при сжатии газа с помощью компрессорной установки, имеющей две или больше ступеней сжатия, каждая из которых образована компрессором, при этом по потоку после каждого из, по меньшей мере, двух указанных компрессоров расположен теплообменник с первой и второй частями, причем через первую часть направляют сжатый газ из ступени сжатия, расположенной по потоку перед теплообменником, а через вторую часть направляют охлаждающий агент, чтобы извлечь часть теплоты сжатия из сжатого газа, при этом охлаждающий агент последовательно направляется через вторую часть, по меньшей мере, двух теплообменников, а последовательность, в которую направляют охлаждающий агент через теплообменники, выбирают таким образом, чтобы температура на входе в главный элемент, по меньшей мере, одного последующего теплообменника была выше или равна температуре на входе в первую часть предшествующего теплообменника, при рассмотрении в направлении потока охлаждающего агента, и в соответствии с чем, по меньшей мере, в одном теплообменнике расположена третья часть для охлаждающего агента.
Преимущество заключается в том, что можно легче поддерживать скорость поступающего охлаждающего агента за счет последовательного поступления охлаждающего агента через теплообменники, без разделения среди различных теплообменников, как в известном способе. Здесь достигается то преимущество, что, в результате повышенной скорости охлаждающего агента в различных теплообменниках, значительно снижается риск известкования. Другое преимущество заключается в том, что при повышенной скорости потока охлаждающего агента в теплообменниках обеспечивается более эффективный теплообмен между сжатым газом, с одной стороны, и охлаждающим агентом, с другой стороны.
За счет подачи охлаждающего агента через различные теплообменники, в соответствии с указанной выше последовательностью, охлаждающий агент имеет более высокую температуру после прохода через указанные теплообменники, по сравнению с существующими способами рекуперации энергии. Таким образом, можно регенерировать больше энергии, по сравнению с существующими способами рекуперации энергии.
Согласно другой предпочтительной характеристике изобретения охлаждающий агент направляют последовательно, через все теплообменники компрессора.
Поскольку охлаждающий агент направляют через все теплообменники, можно регенерировать максимальное количество энергии.
Другая предпочтительная характеристика изобретения заключается в том что скорость в одном или нескольких компрессорах регулируют в соответствии с введенным критерием.
Предпочтительно эксплуатационные параметры устанавливаются таким образом, чтобы в каждом компрессоре компрессорной установки достигалась максимально возможная эффективность. Это затруднительно, так как различные компрессоры соединены последовательно. Конечно, если отдельный компрессор эксплуатируется не в оптимальных или даже нежелательных условиях для эффективности указанного выше компрессора, тогда это сказывается на всех последующих компрессорах.
Важно, чтобы последовательно установленные компрессоры были приспособлены друг к другу таким образом, чтобы компрессорная установка в целом могла достигать максимума эффективности.
Для компрессорной установки с регулируемыми относительными скоростями на ступенях сжатия (например, многоступенчатый компрессор с непосредственным приводом), указанное приспосабливание компрессоров друг к другу может быть осуществлено в способе согласно изобретению, путем отклика к последовательности, в которой охлаждающий агент направляют через различные теплообменники, и разности относительных частот вращения последовательно установленных компрессоров.
Таким образом, частота вращения одного или нескольких компрессоров регулируется в соответствии с введенным критерием. Более конкретно, частота вращения одного или нескольких компрессоров предпочтительно регулируется таким образом, чтобы различные компрессоры были приспособлены друг к другу оптимальным образом, чтобы компрессорная установка в целом могла достигать максимума эффективности.
В соответствии со специфическим аспектом изобретения, частота вращения на ступенях сжатия регулируется таким образом, чтобы изменение оперативной зоны на каждой ступени компрессорной установки было, по меньшей мере, частично нейтрализовано в результате указанной выше рекуперации энергии.
Это может быть осуществлено, например, путем регулирования относительных скоростей таким образом, чтобы на ступенях сжатия, на которые наиболее отрицательно действует указанная выше рекуперация энергии, отбиралась меньшая доля общей нагрузки, тогда как на ступенях сжатия, на которые указанная выше рекуперация действует меньше, отбиралась большая доля общей нагрузки.
Для компрессора турбинного типа эффективность, среди прочего, определяется наличием явления " пульсации" или накачивания, таким образом, чтобы было возможно обратное направление потока газа через компрессор, когда компрессор попадает в условия за пределами рабочего диапазона температуры, давления и скорости. Аналогично, для каждого компрессора винтового типа существует определенный диапазон температуры, давления и скорости, за пределами которого не может быть использован компрессор.
Таким образом, изобретение обеспечивает возможность использования компрессора в оптимальном рабочем диапазоне путем отклика к последовательности охлаждения, в сочетании с контролем скорости. Таким образом, компрессор может эксплуатироваться ближе к пределам рабочего диапазона, не принимая во внимание важность области безопасности вблизи этого предела.
Предпочтительно, в способе согласно изобретению относительные скорости на ступенях сжатия изменяются пропорционально изменениям соответствующих температур на входе.
Кроме того, предпочтительно используются теплообменники трубчатого типа с трубами, которые расположены в корпусе с входным и выпускным патрубками для первой среды, которая проходит по трубам, и входным и выпускным патрубками для второй среды, которая проходит вокруг труб, и в соответствии с этим случаем, но не строго обязательно, охлаждающий агент проходит по трубам, и газ проходит рядом с трубами.
Путем направления газа рядом с трубами теплообменника ограничивается потеря напора газа при течении газа через теплообменник. Конечно, это окажет благоприятное влияние на эффективность компрессорной установки.
С целью лучшей демонстрации характеристик изобретения, предпочтительный способ согласно изобретению описан в последующем с использованием примера, который не имеет характера ограничения, со ссылкой на сопровождающие чертежи.
На фиг.1 показана схема устройства для осуществления способа рекуперации энергии согласно изобретению;
на фиг.2 - вариант устройства для осуществления способа согласно изобретению;
на фиг.3 - вариант устройства согласно фиг.2.
На фиг.1 показана компрессорная установка 1 для сжатия газа, например воздуха, в указанном случае с тремя ступенями сжатия, соединенными последовательно. Каждая ступень сжатия образована компрессором турбинного типа, соответственно компрессором 2 низкого давления и компрессором 3 высокого давления.
В этом конкретном примере температура на выходе из первого компрессора 2 низкого давления выше, чем температура на выходе из второго компрессора 3 высокого давления. В этом случае по потоку после каждого компрессора 2 и 3 имеется теплообменник, более конкретно первый теплообменник 4 или промежуточный холодильник, расположенный по потоку после компрессора 2 низкого давления, и второй теплообменник 5 или вторичный холодильник, расположенный по потоку после компрессора 3 высокого давления.
Компрессор 2 низкого давления соединен с первым валом 6, который приводится в движение первым двигателем 7 с блоком 8 управления.
Компрессор 3 высокого давления соединен со вторым валом 9, который приводится в движение вторым двигателем 10, также снабженным блоком 11 управления. Само собой разумеется, что изобретение не ограничено применением двух блоков 8 и 11 управления двигателем. Двигатели 7 и 10 также могут приводиться в движение с помощью единого блока управления двигателем или более чем двумя блоками управления двигателем.
Каждый теплообменник 4 и 5 содержит первую часть, через которую направляется газ из ступени сжатия, расположенной по потоку перед теплообменником, и вторую часть, через которую направляется охлаждающий агент. В этом случае промежуточный холодильник 4 также оборудован третьей частью. Этим обеспечивается увеличение подачи охлаждающего агента через промежуточный холодильник 4 до двух раз. Кроме того, третья часть может быть предусмотрена в другом теплообменнике в устройстве для осуществления способа согласно изобретению.
Охлаждающий агент А поступает по трубопроводу 12 и проходит через определенную последовательность различных теплообменников 4 и 5. В указанном случае охлаждающий агент состоит из воды, однако может быть использован другой охлаждающий агент, такой как жидкость или газ, не выходя за пределы объема изобретения.
В соответствии с характеристиками, не показанными на чертежах, по потоку после одного или нескольких теплообменников 4 и/или 5 могут быть предусмотрены водоотделители, обеспечивающие удаление конденсата, который может появиться на основной поверхности теплообменников.
Способ согласно изобретению является весьма простым и описан далее.
Газ, в рассматриваемом случае воздух, забирается через входной патрубок компрессора 2 низкого давления и затем сжимается в указанном компрессоре 2 до определенного давления.
До подачи воздуха на вторую ступень сжатия, расположенную после ступени низкого давления, воздух направляется через первую часть первого теплообменника в виде промежуточного холодильника, в соответствии с чем указанный выше воздух охлаждается. В конечном счете, важно охладить воздух между последовательными ступенями, так как это способствует улучшению эффективности компрессорной установки 1.
После пропускания воздуха через первый теплообменник 4 он направляется через компрессор 3 высокого давления и вторичный холодильник 5.
После выхода воздуха из компрессорной установки 1 сжатый воздух используется в расположенном ниже по потоку устройстве, например в качестве привода оборудования или тому подобного, или сначала воздух может направляться в устройство последующей обработки, такое как устройство фильтрации и/или сушки.
Охлаждающий агент, например вода, направляется последовательно через вторичную часть промежуточного холодильника 4 и вторичный холодильник 5 и окончательно проходит через третью часть промежуточного холодильника 4. Вода охлаждает сжатый воздух между последовательными ступенями.
В известных способах вода используется для охлаждения сжатого воздуха между последовательными ступенями. Степень рекуперации энергии, в виде горячей воды, является минимальной, так как вода незначительно нагревается при протекании через теплообменники.
Согласно изобретению способ отличается тем, что охлаждающий агент используется не только для охлаждения сжатого газа, но охлаждающий агент также нагревается в такой степени, что указанная выше теплота может быть эффективно использована. В указанном конкретном примере предпочтительно вода нагревается приблизительно до 90°С.
Нагревание охлаждающего агента в достаточной степени может быть осуществлено согласно изобретению путем последовательного направления охлаждающего агента через теплообменники 4 и 5. Более того, последовательность пропускания охлаждающего агента через различные теплообменники 4 и 5 предпочтительно определяется так, чтобы охлаждающий агент, после прохода через различные теплообменники 4 и 5, имел максимально возможную температуру.
Как показано на фиг.1, в этом случае вода сначала проходит через промежуточный холодильник 4, и затем через вторичный холодильник 5, и снова через промежуточный холодильник 4.
В указанном случае температура сжатого газа на входе в промежуточный холодильник 4 значительно выше, чем температура воздуха на входе во вторичный холодильник 5, поэтому в последнем случае вода направляется через промежуточный холодильник 4.
Другими словами, последовательность, в которой охлаждающий агент направляется через теплообменники, предпочтительно выбирается таким образом, чтобы температура на входе в первичную часть, по меньшей мере, одного последующего теплообменника была равной или выше, чем температура на входе в первичную часть предшествующего теплообменника, при рассмотрении в направлении потока охлаждающего агента.
В соответствии с весьма предпочтительной характеристикой изобретения, указанный выше последующий теплообменник представляет собой последний теплообменник, через который проходит охлаждающий агент. Конечно, последним теплообменником также может быть первый теплообменник, через который проходит охлаждающий агент, как фактически имеет место в рассмотренном варианте, но согласно изобретению это не является обязательным условием.
Температура сжатого газа в конце ступени сжатия пропорциональна энергии, потребляемой компрессором рассматриваемой ступени сжатия. Следовательно, последовательность, в которой охлаждающий агент направляется через различные теплообменники, также может быть определена в соответствии с энергией, потребляемой различными компрессорами.
В способе согласно изобретению, в последнем случае охлаждающий агент предпочтительно направляется через теплообменник, в котором газ из компрессора проходит через первичный элемент, в котором потребляется наибольшее количество энергии. В этом случае компрессор на ступени низкого давления 2 приводится в движение с помощью двигателя 7 с большей мощностью, чем у двигателя 10, который используется в качестве привода для компрессора на ступени 3 высокого давления, и, следовательно, в последнем случае охлаждающий агент направляется через третью часть промежуточного холодильника 4.
Предпочтительно устройство рекуперации энергии скомпоновано таким образом, чтобы минимизировать воздействие на общую эффективность компрессорной установки путем приспособления последовательности, в которой охлаждающий агент направляется через различные теплообменники, чтобы воздействовать на последовательность различных входных температур на ступенях и их последующее влияние на общую эффективность системы.
В этом случае охлаждающий агент, который направляется через третью часть первого теплообменника 4, уже находится при относительно высокой температуре по сравнению с температурой охлаждающего агента, поданного первоначально. Таким образом, существует опасность того, что сжатый газ недостаточно охлаждается между ступенью низкого давления и ступенью высокого давления. Это будет оказывать определенно отрицательное воздействие на компрессор, поскольку для получения оптимальной эффективности температуру на входе в ступени необходимо поддерживать на минимально возможном низком уровне. В наихудшем случае это даже может препятствовать эксплуатации компрессорной установки.
Указанные выше побочные эффекты могут быть устранены путем оснащения первого теплообменника 4 третьей частью. В таком случае первоначально поданный охлаждающий агент сначала направляется через вторую часть промежуточного холодильника 4, таким образом, чтобы сжатый газ мог охлаждаться между ступенью низкого давления и ступенью высокого давления.
Вышеизложенное проиллюстрировано на фиг.2 и 3, на которых показана компрессорная установка 13 с тремя ступенями сжатия, соединенными последовательно. Каждая ступень сжатия осуществлена с использованием компрессора турбинного типа, соответственно компрессора 14 низкого давления, первого компрессора 15 высокого давления и второго компрессора 16 высокого давления.
В указанном случае имеется теплообменник, расположенный по потоку после каждого компрессора, более конкретно первый теплообменник 17, или промежуточный холодильник, расположенный по потоку после компрессора 14 низкого давления, второй теплообменник 18 или промежуточный холодильник, расположенный по потоку после первого компрессора 15 высокого давления, и третий теплообменник 19 или вторичный холодильник, расположенный по потоку после второго компрессора 16 высокого давления.
Первый и второй компрессоры 15 и 16 высокого давления имеют общий вал 20, который приводится в движение первым двигателем 21 с блоком 22 управления двигателем. В свою очередь, компрессор 14 соединен со вторым валом 23, который приводится в движение вторым двигателем 24, и также снабжен блоком 25 управления двигателем.
За счет приведения в действие двух компрессоров 15 и 16 высокого давления от одного вала 20 их относительные скорости всегда одинаковы. В таком случае двигатели 21 и 24 потребляют одинаковую энергию. При этом предполагается, что компрессор низкого давления потребляет больше энергии, чем два других компрессора 15, 16.
В компрессоре потребляемая энергия на ступени почти полностью превращается в тепловую энергию, так что первый промежуточный холодильник 17 должен отбирать вдвое больше тепловой энергии, чем два других теплообменника 18, 19. При этом также предполагается, что температура сжатого газа на выходе из ступени низкого давления будет гораздо выше, чем температура сжатого газа в конце других ступеней сжатия. Охлаждающий агент подается по трубопроводу 26. В последнем случае охлаждающий агент проходит через первый промежуточный холодильник 17, и это обусловлено, главным образом, двумя причинами. Во-первых, температура сжатого газа на первичной поверхности первого промежуточного холодильника 17 является самой высокой, так что температура охлаждающего агента на выходе может достичь максимального значения. Во-вторых, интенсивность охлаждения в первом промежуточном холодильнике 17 является максимальной, так что, для данного охлаждающего агента, температура, равная, например, 90°С, на выходе позволяет ограничить воздействие на характеристики двух других теплообменников 18, 19.
Предпочтительно, последовательность охлаждающего агента дополнительно определяется тем фактом, что между двумя последовательными теплообменниками в последовательности охлаждающий агент сначала протекает через теплообменник, в котором газ из компрессора с минимальным потреблением энергии проходит через первую часть.
Как показано на фиг.2 и 3, в этом случае два компрессора 15 и 16 высокого давления поглощают одинаковую энергию. В этом случае охлаждающий агент сначала течет через вторичный промежуточный холодильник 18 и затем через вторичный холодильник 19.
С целью достаточного охлаждения сжатого газа между ступенями низкого давления и первой ступенью высокого давления, как показано на фиг.2, первоначально поданный охлаждающий агент проходит через первый промежуточный холодильник 17, затем проходит через второй промежуточный холодильник 18, вторичный холодильник 19, и первый промежуточный холодильник 17.
Описанный выше вариант осуществления изобретения приведен на фиг.3, где второй охлаждающий агент подается по трубопроводу 27. Указанный выше охлаждающий агент используется для того, чтобы в достаточной степени охладить сжатый газ между ступенью низкого давления и первой ступенью высокого давления, пропуская указанный агент через вторую часть первого промежуточного холодильника 17.
Вода, и более обобщенно охлаждающий агент, также может быть использована для охлаждения одного или нескольких двигателей 7, 10, 21 и/или 24 с соответствующими блоками 8, 11, 22 и/или 25 управления двигателями. Предпочтительно, охлаждающий агент сначала используется для охлаждения двигателей, до направления охлаждающего агент через различные теплообменники.
Предпочтительно, используются теплообменники трубчатого типа, в которых сжатый воздух проходит рядом с различными трубками теплообменника. Таким образом, потеря напора воздуха в теплообменнике поддерживается на минимальном уровне.
Компрессоры 15 и 16 второй и третьей ступени приводятся в действие от общего привода, в рассматриваемом случае в форме вала 20 двигателя 21, скорость которого может регулироваться независимо от привода компрессора 14 первой ступени.
Настоящее изобретение ни в коей мере не ограничено способом, описанным в качестве примера и проиллюстрированным на чертежах, но указанный способ может быть осуществлен всевозможными путями, без отклонения от объема изобретения.