一種大流量空氣介質制冷機的製作方法
2023-09-19 04:33:20 1
專利名稱：一種大流量空氣介質制冷機的製作方法
技術領域：
一種大流量空氣介質制冷機，它屬於工業化工設備，適用於各種石油及天燃氣開採處理廠，其它氣體化工廠以及大型冷庫和冷凍加工廠。
在現有的石油化工以及日常生活中都需要各種製冷源，特別是進行大規模生產的某些工業企業，所需製冷量都很大。在大型冷庫或是冷凍工廠，為保持低溫和製造冰塊，使用用氟裡昂做製冷介質的壓縮制冷機械。雖然使用氟裡昂做製冷介質有比較高的製冷效率，可以較差的利用液氣相轉變的潛熱，但是，由於氟裡昂是一種對環境汙染很大的物質，已被國際上列為限用或禁用物質。使用氟裡昂壓縮製冷，在大型製冷工廠，需要大型壓縮機，並用電動機進行驅動。而有些製冷廠，它們為各種漁船提供冷卻冰塊和冰凍處理漁船運回的海產品，它們地處沿海島嶼，因而偏離大電網，電力供應十分緊張。
在天然氣田開採或是石油油田開採時，都能得到大量的天然氣。由於天然氣中含有多種烴組分，而且在常溫常壓下為氣態，體積很大，為了合理利用天然氣資源和便於輸送，需對其進行處理，一般是進行輕烴組分的分離與液化。由於石油氣體中各組分的液化點在常壓下都在常溫以下，為了使其液化，現在所採用的方法都是使用壓縮機對其進行直接加壓，然後使用冷卻換熱器把它冷卻到常溫，所加壓力使得石油氣體中的高溫組分在常溫下達到液化點。對於多級分離(多組分分離)，要進行多次壓縮和換熱，需要多臺壓縮機。由於石油氣體處理時的流量很大，現在採用的壓縮機多是渦輪壓縮機，而大型渦輪壓縮機的設計和製造都很困難。各個氣體處理廠所處理的石油氣體組分和性質以及工作參數(如流量等)都不相同，所以其壓縮機的設計參數也不相同。如果使用相同的壓縮機，則絕大多數壓縮機都未工作在設計狀態點上，這對壓縮機效率，工作壽命影響很大。而按不同地點的各自參數對壓縮機進行設計製造，會增加很多的設計製造成本，同時也大大加長了氣體處理廠的設計建設周期，由於壓機是專門設計製造的，零配件數量很少，這給設備的維修造成了很大的困難，不易保證生產的正常進行。在石油氣體的開採過程中，其性質也會不斷發生變化，所以既便是專門設計製造的壓縮機，其工作點也將變化，不能在整個壽命周期中都保持在最佳工作點，而是在大部分時間裡都要降低運行效率。
現在大功率、大流量的渦輪壓縮機，以航空渦輪發動機最為先進，其效率、使用壽命以及功率重量比都已達到了很高的水平。但是，由於航空渦輪發動機中壓氣機所壓縮的是空氣介質，空氣介質與石油氣體的流體性質差別較大，使用航空渦輪發動機的壓氣機直接做石油氣體壓縮機來壓縮石油氣體時，需對其進行重大的改型設計，渦輪葉片和匣體都要重新設計計算，因此改型工作量也很大。特別是不能利用還有一定剩餘壽命的退役航空渦輪發動機和淘汰的備用發動機，是一個很大的浪費。
本實用新型的目的是發明一臺大流量空氣介質二級制冷機。它利用現有航空渦輪發動機的技術或直接利用現有航空渦輪發動機本體，自身帶有原動機，實現制冷機與動力源的一體化，適用於缺電地區使用，並滿足不同製冷工況的需要。
本實用新型的結構示意圖如附
圖1所示。它有空氣熱交換器1和2，壓氣機3和4，級間熱交換器6，其特徵在於它還有高壓壓氣機7、燃燒室8、高壓渦輪9、低壓渦輪10、氣水分離器12、淺冷膨脹渦輪15、深冷膨脹渦輪13、動力渦輪5、發電機14及儲氣容器16，渦輪壓氣機3、高壓壓氣機7、燃燒室8、高壓渦輪9和低壓渦輪10組成一臺雙轉子航空渦輪風扇發動機11，渦輪壓氣機3為該發動機11的低壓壓氣機，壓氣機3所壓縮的外涵氣流為低壓製冷空氣介質，空氣熱交換器1的輸入端與外涵氣流輸出口相連，它的輸出口端與氣水分離器12的輸入口相連，氣水分離器12之後接有淺冷膨脹渦輪15，在淺冷膨脹渦輪15後接有級間熱交換器6，動力渦輪5接於航空渦輪風扇發動機11的尾噴口後，由該發動機的尾排氣驅動，動力渦輪5、渦輪壓氣機4、淺冷膨脹渦輪15、深冷膨脹渦輪13和發動機14連在一根軸上，級間熱交換器6連接於經淺冷膨脹渦輪15膨脹後的低壓製冷空氣管路中，級間換熱器6的被冷卻介質輸入口通過空氣熱交換器2後與壓氣機4的輸出口相連接，級間換熱器6的被冷卻介質輸出口與深冷膨脹渦輪13的輸入口相連，深冷膨脹渦輪13的輸出口為製冷介質輸出口，在壓氣機4的空氣輸入口接有儲氣容器16和完成製冷後的中壓空氣輸入口。
本實用新型的制冷機由兩級製冷組成，它使用空氣做製冷介質的開式循環流程為第一級低壓製冷，使用中壓空氣做製冷介質的閉式循環流程為第二級中壓製冷，通過兩級製冷可以得到較低的製冷溫度，以滿足大多數製冷的要求。在低壓製冷空氣流程中，外界空氣被低壓渦輪壓氣機3吸入並壓縮，經壓氣機3壓縮後的低壓空氣分為兩個部分(對應於原發動機的內涵氣流和外涵氣流)，外涵氣流被引出，作為該製冷氣體流程中的製冷介質使用，而內涵氣流作為航空渦輪風扇發動機組的空氣源，經高壓壓氣機7進一步壓縮後，送入燃燒室8加入燃料燃燒，提供整個裝置的動力。燃燒後的高溫高壓氣體通過高壓渦輪9和低壓渦輪10減壓膨脹做功，高低壓渦輪9、10吸收的能量又帶動高、低壓渦輪壓氣機7、3工作，構成一個能自行獨立運行的壓氣機與原動機一體的燃氣機泵站。由於原航空渦輪風扇發動機尾噴口處所排氣體還有大量的動能和內能，因此加裝一個自由動力渦輪5，動力渦輪5充分吸收尾排氣中的動能和內能，並作為中壓製冷空氣流程中的動力源，帶動中壓渦輪壓氣機4。與動力渦輪5和中壓渦輪壓氣機4共軸的還有淺冷膨脹渦輪15，深冷膨脹渦輪13和發電機14。深冷膨脹渦輪13用來回收中壓製冷空氣膨脹製冷時的部分動能。由於動力渦輪5、淺冷膨脹渦輪15和深冷膨脹渦輪13輸出功率大於中壓渦輪壓氣機4所需要的輸入功率，並也為調整中壓製冷空氣流程工況的方便，加裝了發電機14，用於吸收多餘的能量。整個製冷裝置由一臺兼做低壓製冷空氣壓縮機的航空渦輪風扇發動機11帶動，不需要外加原動機械，並有一定量的電能輸出。經過動力渦輪5後的排氣還會有一定的熱量可以利用。
本實用新型的氣體流程詳述如下低壓製冷空氣流程。外界空氣經低壓渦輪壓氣機3壓縮後，外涵氣流被引出。由於空氣壓縮後溫度將升高，因此，通過空氣熱交換器1對被壓空氣進行降溫，使之溫度降回到室溫。降溫後，被壓縮空氣中的水分將會凝結，因此，讓其通過氣水分離器12，除去凝結成液體的水分。加壓後的常溫高壓空氣進入淺冷膨脹渦輪15絕熱膨脹，由於氣體在絕熱膨脹後，溫度下降，因此膨脹後的被壓縮空氣變為常壓低溫空氣，用於在級間熱交換器6中對中壓製冷空氣流程中的高壓空氣進行冷卻，帶走高壓空氣的熱量。淺冷膨脹渦輪15吸收低壓製冷空氣流程中加壓空氣絕熱膨脹時所具有的動能。通過級間熱交換器6吸收了中壓製冷空氣流程中的高壓空氣的熱量，低壓空氣溫度回升到接近室溫，作為廢氣排入大氣，完成低壓製冷空氣流程循環。因此該流程是一個開式循環。
中壓製冷空氣流程。該流程中的制空氣介質是循環使用的。循環的高壓空氣進入中壓渦輪氣機4中加壓壓縮。由於渦輪壓氣機4有較大的壓縮比，加壓後的空氣具有較大的壓力，同時溫度也上升較高，因此通過空氣熱交換器2進行冷卻換熱，溫度降到接近常溫，然後再進入級間熱交換器6進行冷卻，把所帶有的熱量進一步換給低壓製冷空氣介質，從而降低該製冷裝置的熱端溫度。低溫高壓的空氣介質進入深冷膨脹渦輪13絕熱膨脹，壓力降低到製冷換熱所需要的壓力。由於是絕熱膨脹，空氣介質的溫度降得很低，提供給用戶製冷，根據用戶的不同需要，可用於製冰、天然氣的液化以及其它需要製冷的地方。對於不同的製冷要求，可在中壓製冷空氣介質出口端配接不同形式的製冷換熱器。通過換熱器吸收了熱量的中壓製冷空氣介質，通過輸入口與壓氣機4進氣口和儲氣容器16相連，形成一個閉合迴路，使吸熱後的空氣介質進入壓氣機4進行循環。
在本實用新型中，核心部件一渦輪壓氣機3和4，深冷膨脹渦輪13和淺冷膨脹渦輪15以及原動機由航空渦輪風扇發動機改型設計或直接改裝，渦輪壓氣機3和原動機由一臺雙轉子航空渦輪風扇發動機11構成，對其改裝很容易，只須把外涵通道與尾噴口之間的連通口堵住並在機匣上開外涵氣流引出口，引出外涵氣流即可。由於該渦輪風扇發動機11運行時的空氣性質沒有改變，工作狀況不變，所以整個發動機的氣動參數和熱工參數不發生變動，這樣可以只需很小的改裝工作量，而且其控制機構以及控制參數都不用變化。發動機工作在原最佳工作狀態，充分利用航空發動機的最佳工作效率。在航空渦輪風扇發動機尾噴口處接有的自由動力渦輪5為現在的燃氣輪機地面站標準設備，已成為系列產品，可以選取與所用航空發動機相匹配的型號。渦輪壓氣機4、深冷膨脹渦輪13和淺冷膨脹渦輪15可以由另一臺航空發動機改裝去除原發動機的低壓氣機、燃燒室、尾噴口以及燃油控制附件箱。高壓壓氣機成為本實用新型的渦輪壓氣機4，高壓渦輪為本實用新型的深冷膨脹渦輪13，而低壓渦輪形成本實用新型的深冷膨脹渦輪15。在被改裝發動機原安裝燃燒室的機匣處，改裝為有把壓氣機3氣流引出和把被壓縮散熱後的空氣介質重新引入深冷膨脹渦輪13的分隔機匣段。把原發動機的高低壓渦輪移開一段距離，在之間插入一段引出深冷膨脹渦輪13排氣和把經過脫水後的低壓空氣介質引入淺冷膨脹渦輪15的分隔段。在原發動機尾噴口處安裝引出低壓製冷空氣介質的渦殼，並在渦殼上安裝一根與膨脹渦輪13和15相連的輸出軸，通過輸出軸與發電機14相連。發電機14一方面可以吸收動力渦輪5以及深、淺膨脹渦輪13和15所獲得的不能被壓氣機4所完全吸收的能量，另一方面，也可以通過調節發電機的出力來調節渦輪壓氣機4的工況，以適應本實用新型的不同製冷要求和外界條件變化時的自我穩定控制。通過調節發電機14出力與前級航空渦輪風扇發動機11運行狀況相匹配，還可以達到分別調節低壓制空氣流程和中壓製冷空氣流程的製冷工況，以滿足最佳二級製冷的匹配。當提高航空渦輪風扇發動機11的功率時，增大了低壓製冷空氣流程的製冷量，同時也增大了動力渦輪5的輸出功率，這時可通過同時調節增大發電機14的出力，保持中壓渦輪壓氣機4的轉速不變，使得中壓製冷空氣流程工況不變，反之亦然。
本實用新型採用同利用現有航空發動機的設計或直接進行改裝，自身帶有原動機，實現了制冷機與動力源的一體化，適用於缺電地區使用，並滿足不同製冷工況的需要。由於航空發動機有很高的效率，體積也很小，因此本實用新型可以做成移動式製冷站，用於流動性環境。
在本實用新型的製冷介質流程中，採用了壓縮空氣做製冷介質，不僅是因為介質洩漏不會汙染空氣，也是因為可以採用航空渦輪風扇發動機作為壓縮機，以降低成本，提高效率。在第一級製冷循環中，採用開式空氣循環，使得作為製冷介質用的壓縮空氣和作為整個系統動力原動機所需要的壓縮空氣源合二為一，壓縮機與原動機也合二為一，減小了體積，提高了效率。更重要的是可以利用現成的航空渦輪風扇發動機，只需進行極少量的改裝，而且發動機的工作參數不用改變。在第二級製冷循環中，採用閉式空氣循環，作為製冷介質用的空氣是循環使用的，這些空氣是經過脫水處理過的乾燥空氣，這樣可以在流程中省去脫水裝置。在閉式循環中，之所以採用有一定基礎壓力的空氣，這一方面是因為採用現有航空發動機的高壓壓氣機作為壓縮機，為不改變高壓壓氣機的工作和氣動參數，提供一個與原來有低壓壓氣機時一樣的進氣壓力。另一方面，也因為加壓的空氣單位體積的質量增大，在同樣壓力差的情況下，單位體積製冷介質的製冷量也就增大，可以縮小整個裝置的體積。在中壓製冷空氣迴路中，裝有儲氣容器16，用於減少迴路中氣壓的波動，也可對循環空氣洩漏進行補充，以穩定壓力。
本實用新型中，低壓製冷空氣流程為開式流程，其在預冷冷箱中用於熱交換的製冷空氣介質在熱交換後被排入大氣。本實用新型也可以在低壓製冷空氣流程中採用半封閉流程，在級間熱交換器6製冷介質出口處用管道將其與低壓渦輪壓氣機3入口相連接，把排出的空氣引入渦輪壓氣機3進行循環。在渦輪壓氣機3入口處的管道壁上開一些輔助進氣口。由於在工作時，只有外涵氣流能循環使用，內涵氣流通過核心發動機燃燒做功，因此在低壓壓氣機3前必須補充外界空氣，才能維持正常的工作。使用半循環流程可減小脫水負擔。
本實用新型用於一個製冷量為3.2億大卡／小時的制冷機，可以使用兩臺英國羅·羅公司(ROLLS－ROYCE)的SPEY512航空發動機改裝。其中一臺卸除低壓壓氣機和燃燒室等，改造為中壓空氣流程中的壓氣機和膨脹渦輪，動力渦輪可選用RT46動力渦輪。在低壓製冷空氣流程中，可以得到50℃～60℃的溫差，在中壓製冷空氣流程中，可以得到140℃以上的溫差。這樣可以從室溫300°K～310°K降至120°K以下，達到天然氣液化溫度。
權利要求1.一種大流量空氣介質制冷機，它有空氣熱交換器1和2，壓氣機3和4，級間熱交換器6，其特徵在於它還有高壓壓氣機7、燃燒室8、高壓渦輪9、低壓渦輪10、氣水分離器12、淺冷膨脹輪15、深冷膨脹渦輪13、動力渦輪5、發電輪14及儲氣容器16，渦輪壓氣機3、高壓壓氣機7、燃燒室8、高壓渦輪9和低壓渦輪10組成一臺雙轉子航空渦輪風扇發動機11，渦輪壓氣機3為該發動機11的低壓壓氣機，壓氣機3所村縮的外涵氣流為低太製冷空氣介質，空氣熱交換器1的輸入端與外涵氣流輸出口相連，它的輸出滴端與水分離器12的輸入口相連，氣水分離器12之後接有淺冷膨脹渦輪15，在淺冷膨脹渦輪15後接有級間熱交換器6，動力渦累5接於航空發動機11的尾噴口後，由該發動機的尾排氣驅動，動力渦輪5、渦輪壓氣機4、淺冷膨脹渦輪15、深冷膨脹渦輪13和發動機14連在一根軸上，級間熱交換器6連接於經淺冷膨脹渦輪15膨脹後的低壓製冷空氣管路中，級間換熱器6的被冷卻介質輸入口通過空氣熱交換器2後與壓氣機4的輸出口相連接，級間換熱器6的被冷卻介質輸出口與深冷膨脹渦輪13的輸入口相連，深冷膨脹渦輪13的輸出口為製冷輸出口，在壓氣機4的空氣輸入口接有儲氣容器16和完成製冷後的中壓空氣輸入口。
專利摘要一種大流量空氣介質制冷機，適用於石油及天然氣開採處理廠，其它氣體化工廠以及大型冷庫和冷凍加工廠。它有空氣熱交換器，壓氣機，級間熱交換器，其特徵在於它還有壓氣機與原動機一體的雙轉子航空渦輪風扇發動機和由它帶動的動力渦輪、中壓壓氣機、淺冷膨脹渦輪、深冷膨脹渦輪、發動機以及儲氣容器。通過航空發動機外涵空氣和中壓壓氣機壓縮的中壓空氣兩級製冷，滿足各種不同的製冷需求。該制冷機可由現有航空發動機直接改裝。
文檔編號F25B9/00GK2089600SQ9120782
公開日1991年11月27日 申請日期1991年5月21日 優先權日1991年5月21日
發明者石行 申請人:北京市西城區新開通用試驗廠