冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統和方法

2023-10-19 22:21:27 1

冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統和方法
【專利摘要】本發明公開了一種冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統和方法，所述的冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統包括高壓蒸發器，在高壓蒸發器中進行換熱，從而實現對壓縮機出口氣體的冷卻；且通過高壓蒸發器交換的熱量推動ORC透平轉動，ORC透平帶動ORC壓縮機運動，以對製冷劑氣體進行壓縮；壓縮之後的製冷劑氣體和ORC透平排氣口排出的高壓製冷劑氣體經過冷凝器冷凝之後，液態製冷劑一方面經過加壓泵被送入高壓蒸發器，一方面經過減壓閥被送入低壓蒸發器，以實現對所述壓縮機進口氣體的冷卻；在所述低壓蒸發器中氣化的液態製冷器被送回製冷壓縮機，從而實現製冷劑的循環工作；可見本發明採用渦輪發動機對壓縮機的級後餘熱進行利用，能源回收效率高。
【專利說明】冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統和方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種壓縮機的輔助設備，尤其涉及一種冷卻氣體壓縮機進口氣體的系 統和方法。

【背景技術】
[0002] 空氣或其它工質的壓縮機每一級的功耗在壓比一定的情況下與進口絕對溫度成 正比；如進口溫度降低10%，則能耗降低10%。這是任何氣動設計改進、壓縮機驅動系統優 化都難以實現的。常用多級工業壓縮機級後排氣溫度一般為l〇〇°C左右，為了降低下一級 的能耗一般採用級間冷卻系統。現有冷卻系統採用環境水將上一級排氣溫度降低到環境溫 度，然後冷卻後的氣體進入到下一級，被進一步壓縮。
[0003] 現有級後餘熱一般被排放到大氣中，不僅造成能源浪費，而且造成熱汙染。採用 ORC餘熱發電是當前利用超低溫餘熱（餘熱溫度在90?IKTC之間）的一種方法，但發電 效率極低，一次性投入成本極高（約為15000元/kW)。發出的電由於不穩定，難以併入大電 網，常被稱為垃圾電。
[0004] 降低壓縮機進口氣體溫度的一種可選方法是利用電機驅動的製冷設備來實現，但 由於製冷壓縮機需要在高速運行，需要增速齒輪箱將工頻電機的轉速提高後才能驅動壓縮 機。這種方式造成了兩個問題，一是齒輪箱的機械傳動損失及高速齒輪旋轉引起潤滑油旋 轉的鼓風損失；二是潤滑油進入製冷劑引起換熱器性能降低，還需要額外的設備進行製冷 劑和潤滑油的分離。
[0005] 利用餘熱的另一種方法是溴化鋰吸收式製冷。吸收式製冷的COP很低，在上述溫 度條件下COP難以達到I. 0 (ARI工況下，離心水冷機組的COP已經超過7. 0)。溴化鋰屬於 鹽類，對換熱器有腐蝕作用，需要採用昂貴的材料，維修周期短。經常吸收式制冷機的壽命 比壓縮機還短。
[0006] 綜上可以看出，現有技術中還不存在能對壓縮機的級後餘熱進行有效利用的方法 和系統。


【發明內容】

[0007] 本發明目的是提供一種冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統和方法，其能降低氣體壓 縮機各級進口氣體溫度，且能在不消耗額外動力的條件下把氣體壓縮機的各級進口溫度降 低到低壓環境的溫度，顯著降低壓縮機的功耗。
[0008] 本發明解決技術問題採用如下技術方案：一種冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統， 包括高壓蒸發器、ORC透平、ORC壓縮機、冷凝器、高壓減壓閥、低壓減壓閥、低壓蒸發器、經 濟器和加壓泵；
[0009] 所述高壓蒸發器、低壓蒸發器和經濟器均包括製冷劑入口、製冷劑出口、被冷卻介 質入口和被冷卻介質出口；
[0010] 所述冷凝器包括製冷劑入口、製冷劑出口、冷卻介質入口和冷卻介質出口；
[0011] 所述高壓蒸發器的被冷卻介質入口連接於所述氣體壓縮機的排氣口；
[0012] 所述高壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述ORC透平的進氣口；
[0013]所述ORC透平的排氣口連接於所述冷凝器的製冷劑入口；
[0014] 所述ORC透平驅動所述ORC壓縮機旋轉；
[0015] 所述ORC壓縮機的排氣口連接於所述冷凝器的製冷劑入口；
[0016] 所述冷凝器的製冷劑出口分別連接於所述高壓減壓閥的入口和加壓泵的入口；
[0017] 所述加壓泵的出口連接於所述高壓蒸發器的製冷劑入口；
[0018] 所述高壓減壓閥的出口連接於所述經濟器的製冷劑入口；
[0019] 所述經濟器的製冷劑出口連接於所述低壓減壓閥的入口；
[0020] 所述經濟器的製冷劑出口還連接於所述ORC壓縮機的進氣口；
[0021] 所述低壓減壓閥的出口連接於所述低壓蒸發器的製冷劑入口；
[0022] 所述低壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述ORC壓縮機的進氣口；
[0023] 所述經濟器的被冷卻介質出口連接於所述低壓蒸發器的被冷卻介質入口；
[0024] 所述低壓蒸發器的被冷卻介質出口連接於所述氣體壓縮機的進氣口。
[0025] 本發明解決技術問題還採用如下技術方案：一種冷卻多級壓縮機進口氣體的系 統，包括高壓蒸發器、ORC透平、ORC壓縮機、冷凝器、高壓減壓閥、低壓減壓閥、低壓蒸發器、 經濟器、加壓泵和水冷卻器；
[0026] 所述高壓蒸發器、低壓蒸發器和經濟器均包括製冷劑入口、製冷劑出口、被冷卻介 質入口和被冷卻介質出口；
[0027] 所述冷凝器包括製冷劑入口、製冷劑出口、冷卻介質入口和冷卻介質出口；
[0028] 所述水冷卻器包括被冷卻介質入口、被冷卻介質出口、冷卻介質入口和冷卻介質 出口；
[0029] 所述高壓蒸發器的被冷卻介質入口連接於多級壓縮機的級出口；
[0030] 所述高壓蒸發器的被冷卻介質出口連接於所述水冷卻器被冷卻介質的入口；
[0031] 所述高壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述ORC透平的進氣口；
[0032] 所述ORC透平的排氣口連接於所述冷凝器的製冷劑入口；
[0033] 所述ORC透平驅動所述ORC壓縮機旋轉；
[0034] 所述ORC壓縮機的排氣口連接於所述冷凝器的製冷劑入口；
[0035] 所述冷凝器的製冷劑出口分別連接於所述高壓減壓閥的入口和加壓泵的入口；
[0036] 所述加壓泵的出口連接於所述高壓蒸發器的製冷劑入口；
[0037] 所述高壓減壓閥的出口連接於所述經濟器的製冷劑入口；
[0038] 所述經濟器的製冷劑出口連接於所述低壓減壓閥的入口；
[0039] 所述經濟器的製冷劑出口還連接於所述ORC壓縮機的進氣口；
[0040] 所述低壓減壓閥的出口連接於所述低壓蒸發器的製冷劑入口；
[0041] 所述低壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述ORC壓縮機的進氣口；
[0042] 所述經濟器的被冷卻介質入口連接於所述水冷卻器的被冷卻介質出口；
[0043] 所述經濟器的被冷卻介質出口連接於所述低壓蒸發器的被冷卻介質入口；
[0044] 所述低壓蒸發器的被冷卻介質出口連接於所述多級壓縮機的下一級的級進口。
[0045] 可選的，所述氣體壓縮機為多級氣體壓縮機，所述高壓蒸發器的被冷卻介質入口 連接於多級壓縮機的級出口，所述低壓蒸發器的被冷卻介質出口連接於所述多級氣體壓縮 機的上一級的級進氣口。
[0046] 可選的，所述ORC壓縮機為雙級ORC製冷壓縮機，所述經濟器的製冷劑出口連接於 所述雙級ORC製冷壓縮機的第二級進氣口，所述低壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述雙級 ORC製冷壓縮機的第一級進氣口。
[0047] 可選的，所述雙級ORC製冷壓縮機與所述ORC透平為一體結構，形成ORC透平製冷 壓縮一體機，所述ORC透平製冷壓縮一體機包括中間體、主軸、渦輪蝸殼、一級蝸殼、二級蝸 殼、渦輪葉輪、一級葉輪、二級葉輪、中間隔板、推力盤和密封件；
[0048] 所述中間體的兩端為具有凹槽的法蘭，所述主軸通過軸承可轉動地設置於所述中 間體內；
[0049] 所述渦輪蝸殼固定於所述中間體的左端，所述二級蝸殼固定於所述中間體的右 端，所述一級蝸殼固定於所述二級蝸殼上；
[0050] 所述渦輪葉輪固定於所述主軸的左端，且位於所述渦輪蝸殼內；所述二級葉輪固 定於所述主軸的右端，且位於所述二級蝸殼內；所述一級葉輪固定於所述主軸的右端，且位 於所述二級葉輪的右側，並位於所述一級蝸殼內；
[0051 ] 所述主軸的右端還設置有中間隔板，所述中間隔板位於所述一級葉輪和二級葉輪 之間；
[0052] 所述主軸的左端還套設有推力盤，所述推力盤上套設有密封件，且所述密封件212 固定於所述中間體的左端。
[0053] 本發明解決技術問題還採用如下技術方案：一種冷卻氣體壓縮機進口氣體的方 法，包括：
[0054] S10、氣體壓縮機所排出的氣體經高壓蒸發器冷卻後排出，且其通過高壓蒸發器所 釋放的熱量用於加熱製冷劑液體，所述製冷劑液體在所述高壓蒸發器中氣化，形成製冷劑 氣體；
[0055] S20、所述製冷劑氣體驅動ORC透平轉動，所述ORC透平帶動雙級ORC製冷壓縮機 轉動；並將所述ORC透平排出的製冷劑氣體輸送至冷凝器；
[0056] S30、所述製冷劑氣體經所述冷凝器冷凝後成製冷劑液體，所述製冷劑液體一部分 通過加壓泵輸送至高壓蒸發器，一部分通過高壓減壓閥輸送至經濟器；
[0057] S40、所述經濟器對進入所述氣體壓縮機的氣體進行冷卻，且其排出的製冷劑氣體 被輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第二級，經所述雙級ORC製冷壓縮機的第二級壓縮後，輸送 至所述冷凝器；餘下的製冷劑液體經過低壓減壓閥輸送至所述低壓蒸發器；
[0058] S50、所述低壓蒸發器對所述經濟器排出的進入所述氣體壓縮機的氣體進行冷卻， 並將進入所述氣體壓縮機的氣體輸送至所述氣體壓縮機；
[0059] S60、所述低壓蒸發器所排出的製冷劑氣體輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第一級， 並經所述雙級ORC製冷壓縮機壓縮後，輸送至所述冷凝器。
[0060] 本發明解決技術問題還採用如下技術方案：一種冷卻多級氣體壓縮機進口氣體的 方法，包括：
[0061] S10、所述多級氣體壓縮機本級所排出的氣體經高壓蒸發器冷卻後，輸送至所述水 冷卻器，並通過所述水冷卻器冷卻後，輸送至經濟器；且所述多級氣體壓縮機所排出的氣體 經過高壓蒸發器時所釋放的熱量用於加熱製冷劑液體，所述製冷劑液體在所述高壓蒸發器 中氣化，形成製冷劑氣體；
[0062] S20、所述製冷劑氣體驅動ORC透平轉動，所述ORC透平帶動雙級ORC製冷壓縮機 轉動；將所述ORC透平排出的製冷劑氣體輸送至冷凝器；
[0063] S30、所述製冷劑氣體經所述冷凝器冷凝後成製冷劑液體，所述製冷劑液體一部分 通過加壓泵輸送至高壓蒸發器，一部分通過高壓減壓閥輸送至經濟器；
[0064] S40、所述經濟器對SlO步驟中經過水冷卻器冷卻後的氣體進行進一步冷卻，且其 排出的製冷劑氣體被輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第二級，經所述雙級ORC製冷壓縮機的 第二級壓縮後，輸送至所述冷凝器；餘下的製冷劑液體經過低壓減壓閥輸送至所述低壓蒸 發器；
[0065] S50、所述低壓蒸發器對所述經濟器排出的進入所述多級氣體壓縮機的氣體進行 冷卻，並將進入所述多級氣體壓縮機的氣體輸送至所述多級氣體壓縮機的下一級；
[0066] S60、所述低壓蒸發器所排出的製冷劑氣體輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第一級， 並經所述雙級ORC製冷壓縮機壓縮後，輸送至所述冷凝器。
[0067] 本發明具有如下有益效果：所述冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統的ORC循環包括 高壓蒸發器，在高壓蒸發器中壓縮機上級（對多級壓縮機而言）排出的高溫被冷卻介質與 製冷劑進行換熱，製冷劑升溫氣化，被冷卻介質溫度降低；所述冷卻氣體壓縮機進口氣體的 系統還可以包括水冷卻器；來自所述高壓蒸發器的被冷卻介質在水冷卻器中被第二次冷 卻，熱量被水帶走；所述冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統的製冷循環包括經濟器，在經濟器 中來自水冷卻器的氣體壓縮機的工質（即被冷卻介質，可以是空氣）與製冷劑進行換熱，制 冷劑升溫氣化，被冷卻介質被第三次冷卻；所述冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統的製冷循 環還包括低壓蒸發器，在低壓蒸發器中來自經濟器的被冷卻介質與製冷劑進行換熱，製冷 劑升溫氣化，被冷卻介質被第四次冷卻，隨後返回到多級壓縮機，被繼續壓縮；所述冷卻氣 體壓縮機進口氣體的系統的ORC循環還包括ORC透平，來自所述高壓蒸發器的高溫氣態制 冷劑在ORC透平中膨脹，驅動所述ORC透平轉動；所述冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統的制 冷循環還包括雙級ORC製冷壓縮機，對氣態製冷劑進行壓縮；壓縮之後的氣態製冷劑和ORC 透平排氣口排出的氣態製冷劑被送入冷凝器，冷凝之後的液態製冷劑一部分經過加壓泵被 送入高壓蒸發器，其餘部分經過減壓閥被送入經濟器；在所述經濟器中部分液態製冷劑吸 熱氣化，與進減壓閥產生的氣態製冷劑一起被雙級ORC製冷壓縮機的第二級吸入；經濟器 中其餘液態製冷劑通過減壓閥後進入低壓蒸發器；在所述低壓蒸發器中液態製冷劑吸熱氣 化被雙級ORC製冷壓縮機吸入，從而實現製冷劑的循環工作；可見本發明採用ORC透平對氣 體壓縮機的級後餘熱進行利用，與傳統的溴化鋰製冷相比，能夠把氣體壓縮機排出氣體降 低到更低的溫度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0068] 圖1為本發明的冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統的結構示意圖；
[0069] 圖2為本發明的冷卻多級氣體壓縮機進口氣體的系統的結構示意圖；
[0070] 圖3為本發明的ORC透平製冷壓縮一體機的結構示意圖。
[0071] 圖中標記示意為：101_高壓蒸發器；102-0RC透平；103-0RC壓縮機；104-冷凝器； 105-高壓減壓閥；106-低壓減壓閥；107-低壓蒸發器；108-經濟器；109-加壓泵；111-水 冷卻器；201-中間體；202-主軸；203-渦輪蝸殼；204--級蝸殼；205-二級蝸殼；206-渦輪 葉輪；207--級葉輪；208-二級葉輪；209-中間隔板；210-軸套；211-推力盤；212-密封 件；213-鎖母。

【具體實施方式】
[0072] 下面結合實施例及附圖對本發明的技術方案作進一步闡述。圖中所示的"一"表 示進入所述氣體壓縮機所排出的氣體（被冷卻介質）流通線路，"--?*?"表示製冷劑流通 線路；" 表示排放到環境中的熱量。
[0073] 實施例1
[0074] 參考圖1，本實施例提供了一種冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統，包括高壓蒸發器 10U0RC透平102、0RC壓縮機103、冷凝器104、高壓減壓閥105、低壓減壓閥106、低壓蒸發 器107、經濟器108和加壓泵109;所述高壓和低壓意思是指通過所述蒸發器或者減壓閥內 部的流體壓力或者對技術術語進行區分；
[0075] 所述高壓蒸發器101、低壓蒸發器107和經濟器108均包括製冷劑入口、製冷劑出 口、被冷卻介質入口和被冷卻介質出口；所述被冷卻介質為所述氣體壓縮機的工質，可以為 空氣或者其他氣體；
[0076] 所述冷凝器104包括製冷劑入口、製冷劑出口、冷卻介質入口和冷卻介質出口；所 述冷卻介質可以為環境水，以通過所述冷凝器104將熱量排放至環境中；
[0077] 所述高壓蒸發器101的被冷卻介質入口連接於所述氣體壓縮機的排氣口；當所述 氣體壓縮機為單級氣體壓縮機時，所述高壓蒸發器101的被冷卻介質入口連接於所述單級 氣體壓縮機的排氣口；當所述氣體壓縮機為多級氣體壓縮機時，所述多級氣體壓縮機具有 多個級出口，其中的一個級出口連接於所述高壓蒸發器101的被冷卻介質入口；
[0078]所述高壓蒸發器101的被冷卻介質出口作為所述氣體壓縮機的排氣口；即所述高 壓蒸發器的被冷卻介質出口向外排出被壓縮後的高壓氣體；
[0079] 所述高壓蒸發器101的製冷劑出口連接於所述ORC透平102的進氣口；
[0080] 所述ORC透平102的排氣口連接於所述冷凝器104的製冷劑入口；
[0081] 所述ORC透平102驅動所述ORC壓縮機103旋轉；
[0082] 所述ORC壓縮機103的排氣口連接於所述冷凝器104的製冷劑入口；即所述ORC 壓縮機103的排氣口所排出的具有壓力的製冷劑與所述ORC透平102的排氣口所排出的具 有壓力的製冷劑匯合後，輸入至所述冷凝器104的製冷劑入口；
[0083] 所述冷凝器104的製冷劑出口分別連接於所述高壓減壓閥105的入口和加壓泵 109的入口；
[0084] 所述加壓泵109的出口連接於所述高壓蒸發器101的製冷劑入口；
[0085] 所述高壓減壓閥105的出口連接於所述經濟器108的製冷劑入口；
[0086] 所述經濟器108的製冷劑出口連接於所述低壓減壓閥106的入口；
[0087] 所述經濟器108的製冷劑出口還連接於所述ORC壓縮機103的進氣口；優選地，所 述ORC壓縮機103為雙級ORC製冷壓縮機，所述經濟器的製冷劑出口還連接於所述雙級ORC 製冷壓縮機的第二級進氣口；
[0088] 所述低壓減壓閥106的出口連接於所述低壓蒸發器107的製冷劑入口；
[0089] 所述低壓蒸發器107的製冷劑出口連接於所述ORC壓縮機103的進氣口，所述ORC 壓縮機103可以為雙級ORC製冷壓縮機，所述低壓蒸發器107的製冷劑出口連接於所述雙 級ORC製冷壓縮機的進氣口（第一級的進氣口）；
[0090] 所述經濟器108的被冷卻介質入口作為所述氣體壓縮機的氣體吸入口；
[0091] 所述經濟器108的被冷卻介質出口連接於所述低壓蒸發器107的被冷卻介質入 n；
[0092] 所述低壓蒸發器107的被冷卻介質出口連接於所述氣體壓縮機的進氣口，當所述 氣體壓縮機為單級氣體壓縮機時，所述低壓蒸發器107的被冷卻介質出口連接於所述單級 氣體壓縮機的進氣口；當所述氣體壓縮機為多級氣體壓縮機時，所述低壓蒸發器107的被 冷卻介質出口連接於所述多級氣體壓縮機的上一級（相對於所述多級氣體壓縮機的排氣 級）的級進氣口。
[0093] 為解決由於所述經濟器的製冷劑出口所排出的製冷劑的壓力大於所述低壓蒸發 器的製冷劑出口所排出的製冷劑壓力所帶來的低壓蒸發器效率低下的問題，本實施例中， 所述ORC壓縮機103為雙級ORC製冷壓縮機，其包括第一級進氣口和第二級進氣口，所述經 濟器108的製冷劑出口連接於所述雙級ORC製冷壓縮機的第二級進氣口，所述低壓蒸發器 107的製冷劑出口連接於所述雙級ORC製冷壓縮機的第一級進氣口，採用此連接方式，通過 所述雙級ORC製冷壓縮機的第一級對所述低壓蒸發器107所排出的製冷劑氣體進行壓縮 後，與所述經濟器108的製冷劑出口所排出的製冷劑氣體進行匯合，輸入至所述雙級ORC制 冷壓縮機的第二級進行進一步壓縮，提高了所述低壓蒸發器的工作效率，且也提高了所述 雙級ORC製冷壓縮機的工作效率。
[0094] 本實施例中，對多級氣體壓縮機而言，其各級之間的級間冷卻器可以採用實施例2 的系統。
[0095] 實施例2
[0096]參考圖2,本實施例提供了一種冷卻多級氣體壓縮機進口氣體的系統，包括高壓蒸 發器10U0RC透平102、0RC壓縮機103、冷凝器104、高壓減壓閥105、低壓減壓閥106、低壓 蒸發器107、經濟器108、加壓泵109和水冷卻器111;
[0097] 所述高壓蒸發器101、低壓蒸發器107和經濟器108均包括製冷劑入口、製冷劑出 口、被冷卻介質入口和被冷卻介質出口；
[0098] 所述冷凝器104包括製冷劑入口、製冷劑出口、冷卻介質入口和冷卻介質出口；
[0099] 所述水冷卻器111包括被冷卻介質入口、被冷卻介質出口、冷卻介質入口和冷卻 介質出口；
[0100] 所述高壓蒸發器101的被冷卻介質入口連接於多級氣體壓縮機的級出口；
[0101] 所述高壓蒸發器101的被冷卻介質出口連接於所述水冷卻器111被冷卻介質的入 n；
[0102] 所述高壓蒸發器101的製冷劑出口連接於所述ORC透平102的進氣口；
[0103] 所述ORC透平102的排氣口連接於所述冷凝器104的製冷劑入口；
[0104] 所述ORC透平102驅動所述ORC壓縮機103旋轉；
[0105]所述ORC壓縮機103的排氣口連接於所述冷凝器104的製冷劑入口；
[0106] 所述冷凝器104的製冷劑出口分別連接於所述高壓減壓閥105的入口和加壓泵 109的入口；
[0107] 所述加壓泵109的出口連接於所述高壓蒸發器101的製冷劑入口；
[0108] 所述高壓減壓閥105的出口連接於所述經濟器108的製冷劑入口；
[0109] 所述經濟器108的製冷劑出口連接於所述低壓減壓閥106的入口；
[0110] 所述經濟器108的製冷劑出口還連接於所述ORC壓縮機103的進氣口；
[0111] 所述低壓減壓閥106的出口連接於所述低壓蒸發器107的製冷劑入口；
[0112] 所述低壓蒸發器107的製冷劑出口連接於所述ORC壓縮機103的進氣口；
[0113] 所述經濟器108的被冷卻介質入口連接於所述水冷卻器111的被冷卻介質出口；
[0114] 所述經濟器108的被冷卻介質出口連接於所述低壓蒸發器107的被冷卻介質入 n；
[0115] 所述低壓蒸發器107的被冷卻介質出口連接於所述多級壓縮機的下一級的級進 □。
[0116] 本實施例中，所述ORC壓縮機103為雙級ORC製冷壓縮機，所述經濟器108的製冷 劑出口連接於所述雙級ORC製冷壓縮機的第二級進氣口，所述低壓蒸發器107的製冷劑出 口連接於所述雙級ORC製冷壓縮機的第一級進氣口。
[0117] 本實施例中，所述多級氣體壓縮機的第一級的進口氣體可以採用如實施例1所述 的冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統進行冷卻。
[0118] 實施例3
[0119] 參考圖3,本實施例提供了一種ORC透平製冷壓縮一體機，包括中間體201、主軸 202、渦輪蝸殼203、一級蝸殼204、二級蝸殼205、渦輪葉輪206、一級葉輪207、二級葉輪 208、中間隔板209、軸套210、推力盤211、密封件212和鎖母213 ;
[0120] 所述中間體201的兩端為具有凹槽的法蘭，所述中間體201的上開設有通孔，所述 通孔的軸線與所述中間體201的軸線重合，所述主軸202通過軸承可轉動地設置於所述中 間體201的通孔內；
[0121] 所述渦輪蝸殼203固定於所述中間體201的左端，所述二級蝸殼205固定於所述 中間體201的右端，所述一級蝸殼204固定於所述二級蝸殼205上；所述一級蝸殼204與所 述二級蝸殼205連通，所述一級蝸殼204包括進氣口和排氣口，且其排氣口連通於所述二級 蝸殼205的進氣口；所述二級蝸殼205包括進氣口和排氣口；
[0122] 所述渦輪葉輪206固定於所述主軸202的左端，且位於所述渦輪蝸殼203內；所述 二級葉輪208固定於所述主軸202的右端，且位於所述二級蝸殼205內；所述一級葉輪207 固定於所述主軸202的右端，且位於所述二級葉輪208的右側，並位於所述一級蝸殼204 內；所述渦輪葉輪206帶動所述主軸202轉動，所述主軸202帶動所述二級葉輪208和一級 葉輪207轉動；
[0123] 所述主軸202的右端還設置有中間隔板209,所述中間隔板209位於所述一級葉 輪207和二級葉輪208之間，所述中間隔板209與所述一級葉輪207和二級葉輪208同步 轉動；本實施例中，優選地，所述中間隔板209通過軸套210設置於所述主軸202上；
[0124] 所述主軸202的左端還套設有推力盤211，所述推力盤211上套設有密封件212， 且所述密封件212固定於所述中間體201的左端；
[0125] 所述中間體201上開設有多個通氣口，所述軸承為氣浮軸承，通過所述通氣口可 以向所述氣浮軸承供氣；
[0126] 所述主軸201的左右兩端分別設置有鎖母213,以將所述渦輪葉輪206固定於所述 主軸202的左端，並將所述一級葉輪207和二級葉輪208固定於所述主軸202的右端。
[0127] 本實施例中，優選地，所述密封件212設置於所述中間體201的凹槽內。
[0128] 實施例4
[0129] 本實施例提供了一種冷卻氣體壓縮機進口氣體的方法，包括：
[0130] S10、氣體壓縮機所排出的氣體經高壓蒸發器冷卻後排出，且其通過高壓蒸發器所 釋放的熱量用於加熱製冷劑液體，所述製冷劑液體在所述高壓蒸發器中氣化，形成製冷劑 氣體；
[0131] S20、所述製冷劑氣體驅動ORC透平轉動，所述ORC透平帶動雙級ORC製冷壓縮機 轉動；並將所述ORC透平排出的製冷劑氣體輸送至冷凝器；
[0132] S30、所述製冷劑氣體經所述冷凝器冷凝後成製冷劑液體，所述製冷劑液體一部分 通過加壓泵輸送至高壓蒸發器，一部分通過高壓減壓閥輸送至經濟器；
[0133] S40、所述經濟器對進入所述氣體壓縮機的氣體進行冷卻，且其排出的製冷劑氣體 被輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第二級，經所述雙級ORC製冷壓縮機的第二級壓縮後，輸送 至所述冷凝器；餘下的製冷劑液體經過低壓減壓閥輸送至所述低壓蒸發器；
[0134] S50、所述低壓蒸發器對所述經濟器排出的進入所述氣體壓縮機的氣體進行冷卻， 並將進入所述氣體壓縮機的氣體輸送至所述氣體壓縮機；
[0135] S60、所述低壓蒸發器所排出的製冷劑氣體輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第一級， 並經所述雙級ORC製冷壓縮機壓縮後，輸送至所述冷凝器。
[0136] 實施例5
[0137] 本實施例提供了一種冷卻多級氣體壓縮機進口氣體的方法，包括：
[0138] S10、所述多級氣體壓縮機本級所排出的氣體經高壓蒸發器冷卻後，輸送至所述水 冷卻器，並通過所述水冷卻器冷卻後，輸送至經濟器；且所述多級氣體壓縮機所排出的氣體 經過高壓蒸發器時所釋放的熱量用於加熱製冷劑液體，所述製冷劑液體在所述高壓蒸發器 中氣化，形成製冷劑氣體；
[0139] S20、所述製冷劑氣體驅動ORC透平轉動，所述ORC透平帶動雙級ORC製冷壓縮機 轉動；將所述ORC透平排出的製冷劑氣體輸送至冷凝器；
[0140] S30、所述製冷劑氣體經所述冷凝器冷凝後成製冷劑液體，所述製冷劑液體一部分 通過加壓泵輸送至高壓蒸發器，一部分通過高壓減壓閥輸送至經濟器；
[0141] S40、所述經濟器對SlO步驟中經過水冷卻器冷卻後的氣體進行進一步冷卻，且其 排出的製冷劑氣體被輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第二級，經所述雙級ORC製冷壓縮機的 第二級壓縮後，輸送至所述冷凝器；餘下的製冷劑液體經過低壓減壓閥輸送至所述低壓蒸 發器；
[0142] S50、所述低壓蒸發器對所述經濟器排出的進入所述多級氣體壓縮機的氣體進行 冷卻，並將進入所述多級氣體壓縮機的氣體輸送至所述多級氣體壓縮機的下一級；
[0143] S60、所述低壓蒸發器所排出的製冷劑氣體輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第一級， 並經所述雙級ORC製冷壓縮機壓縮後，輸送至所述冷凝器。
[0144]參見圖1-3,本發明的基本原理是：利用氣體壓縮機（可以為多級氣體壓縮機）級 後餘熱降低級的進口氣體溫度。針對於多級氣體壓縮機，其每一級可以單獨使用自己的冷 卻系統，也可以共用一個冷卻系統。氣體壓縮機的級後熱空氣在四個換熱器（高壓蒸發器、 水冷卻器、經濟器和低壓蒸發器）中逐步冷卻。氣體壓縮機級後的熱空氣在高壓蒸發器中 加熱並使製冷劑液體氣化，高溫高壓的製冷劑氣體在ORC透平中膨脹產生機械功，然後進 入冷凝器被冷卻液化，製冷劑液體被加壓泵送回到高壓蒸發器，完成一個朗肯循環。因為工 作介質是高分子有機介質，這個過程也稱為有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle)。ORC 透平產生的機械功驅動ORC壓縮機，它將低壓蒸發器中的氣態製冷劑吸入，壓縮後送入冷 凝器冷卻並液化，製冷劑液體經減壓閥後減壓形成氣體液體混合物進入低壓蒸發器，製冷 劑液體在低壓蒸發器中吸收進入氣體壓縮機的進口氣體的熱量而氣化，完成製冷循環。因 此，在ORC循環中，氣體壓縮機出口氣體的熱量被吸收利用而冷卻，而在製冷循環中，壓縮 機出口氣體被進一步冷卻，溫度下降到低於大氣環境的溫度。
[0145]參見圖3,本發明的ORC透平製冷壓縮一體機共享同一根主軸，將ORC透平產生的 扭矩傳輸給雙級ORC製冷壓縮機上，自動實現了系統的動態平衡。具體平衡過程描述如下：
[0146] 1.當氣體壓縮機剛啟動或壓比較低時，級後排氣溫度較低。加壓泵低速運行，使高 壓蒸發器處於較低的飽和壓力，部分液態製冷劑氣化，ORC透平開始轉動。
[0147] 2.ORC透平驅動雙級ORC製冷壓縮機開始低速旋轉，雙級ORC製冷壓縮機將低壓蒸 發器中的氣態製冷劑吸入到製冷壓縮機中，導致低壓蒸發器中的飽和壓力和溫度的降低， 更多的製冷劑液體被氣化，同時氣體壓縮機的進口氣體溫度被降低。
[0148] 3.當氣體壓縮機進入到正常工作狀態時，級後排氣溫度提高，加壓泵提速進入正 常運行狀態。高壓蒸發器飽和壓力和溫度提高，ORC透平加速產生更多的功，雙級ORC製冷 壓縮機產生更多的製冷量，氣體壓縮機的進口氣體溫度被盡一步降低。
[0149] 4.本實施例的加壓泵通過高壓蒸發器中的製冷劑液體的液位的高低進行轉速控 制；具體為：所述加壓泵的轉速使得所述高壓蒸發器中的製冷劑液體的液位的高度穩定， 即其所泵送的液態製冷劑的量與所述高壓蒸發器所蒸發的液態製冷劑的量相同。
[0150] 本發明的直接效果是把氣體壓縮機的進口氣體溫度降低到低於環境（製冷循環） 的溫度，現有水冷卻系統最多只能將進口氣體溫度下降到環境溫度。假定壓縮機級後排氣 溫度為IKTC，經過水冷卻器後的溫度為35°C，如採用R134a作為製冷劑，在ORC透平和雙 級ORC製冷壓縮機效率都為85 %，高壓和低壓蒸發器接近溫度都為5 °C的情況下，如氣體壓 縮機進口氣體溫度為25°C (第一級），則本發明可把進口氣體溫度降低到12°C，本發明的級 間冷卻器可把氣體溫度下降到16°C，因此，多級壓縮機的功耗可降低超過5%。
[0151] 本發明的間接效果是簡化了大型離心氣體壓縮機的設計。決定離心氣體壓縮機尺 寸的關鍵因素是進口體積流量，流量越大，葉輪進口直徑越大。由於葉輪材料強度的限制， 在一定的轉速下進口直徑不能超過上限值。由於這一限制，大型離心氣體壓縮機的第一級 不得不採用高比轉速設計而犧牲了性能。採用本發明後，進口氣體溫度的降低引起進口體 積流量的減少，因而降低了比轉速，提高了空氣壓縮機的性能。
[0152] 以上實施例的先後順序僅為便於描述，不代表實施例的優劣。
[0153] 最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡 管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然 可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替 換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精 神和範圍。
【權利要求】
1. 一種冷卻氣體壓縮機進口氣體的系統，其特徵在於，包括高壓蒸發器、ORC透平、ORC 壓縮機、冷凝器、高壓減壓閥、低壓減壓閥、低壓蒸發器、經濟器和加壓泵； 所述高壓蒸發器、低壓蒸發器和經濟器均包括製冷劑入口、製冷劑出口、被冷卻介質入 口和被冷卻介質出口； 所述冷凝器包括製冷劑入口、製冷劑出口、冷卻介質入口和冷卻介質出口； 所述高壓蒸發器的被冷卻介質入口連接於所述氣體壓縮機的排氣口； 所述高壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述ORC透平的進氣口； 所述ORC透平的排氣口連接於所述冷凝器的製冷劑入口； 所述ORC透平驅動所述ORC壓縮機旋轉； 所述ORC壓縮機的排氣口連接於所述冷凝器的製冷劑入口； 所述冷凝器的製冷劑出口分別連接於所述高壓減壓閥的入口和加壓泵的入口； 所述加壓泵的出口連接於所述高壓蒸發器的製冷劑入口； 所述高壓減壓閥的出口連接於所述經濟器的製冷劑入口； 所述經濟器的製冷劑出口連接於所述低壓減壓閥的入口； 所述經濟器的製冷劑出口還連接於所述ORC壓縮機的進氣口； 所述低壓減壓閥的出口連接於所述低壓蒸發器的製冷劑入口； 所述低壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述ORC壓縮機的進氣口； 所述經濟器的被冷卻介質出口連接於所述低壓蒸發器的被冷卻介質入口； 所述低壓蒸發器的被冷卻介質出口連接於所述氣體壓縮機的進氣口。
2. -種冷卻多級壓縮機進口氣體的系統，其特徵在於，包括高壓蒸發器、ORC透平、ORC 壓縮機、冷凝器、高壓減壓閥、低壓減壓閥、低壓蒸發器、經濟器、加壓泵和水冷卻器； 所述高壓蒸發器、低壓蒸發器和經濟器均包括製冷劑入口、製冷劑出口、被冷卻介質入 口和被冷卻介質出口； 所述冷凝器包括製冷劑入口、製冷劑出口、冷卻介質入口和冷卻介質出口； 所述水冷卻器包括被冷卻介質入口、被冷卻介質出口、冷卻介質入口和冷卻介質出 n； 所述高壓蒸發器的被冷卻介質入口連接於多級壓縮機的級出口； 所述高壓蒸發器的被冷卻介質出口連接於所述水冷卻器被冷卻介質的入口； 所述高壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述ORC透平的進氣口； 所述ORC透平的排氣口連接於所述冷凝器的製冷劑入口； 所述ORC透平驅動所述ORC壓縮機旋轉； 所述ORC壓縮機的排氣口連接於所述冷凝器的製冷劑入口； 所述冷凝器的製冷劑出口分別連接於所述高壓減壓閥的入口和加壓泵的入口； 所述加壓泵的出口連接於所述高壓蒸發器的製冷劑入口； 所述高壓減壓閥的出口連接於所述經濟器的製冷劑入口； 所述經濟器的製冷劑出口連接於所述低壓減壓閥的入口； 所述經濟器的製冷劑出口還連接於所述ORC壓縮機的進氣口； 所述低壓減壓閥的出口連接於所述低壓蒸發器的製冷劑入口； 所述低壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述ORC壓縮機的進氣口； 所述經濟器的被冷卻介質入口連接於所述水冷卻器的被冷卻介質出口； 所述經濟器的被冷卻介質出口連接於所述低壓蒸發器的被冷卻介質入口； 所述低壓蒸發器的被冷卻介質出口連接於所述多級壓縮機的下一級的級進口。
3. 根據權利要求1所述的冷卻壓縮機進口氣體的系統，其特徵在於，所述氣體壓縮機 為多級氣體壓縮機，所述高壓蒸發器的被冷卻介質入口連接於多級壓縮機的級出口，所述 低壓蒸發器的被冷卻介質出口連接於所述多級氣體壓縮機的上一級的級進氣口。
4. 根據權利要求1或2所述的冷卻壓縮機進口氣體的系統，其特徵在於，所述ORC壓縮 機為雙級ORC製冷壓縮機，所述經濟器的製冷劑出口連接於所述雙級ORC製冷壓縮機的第 二級進氣口，所述低壓蒸發器的製冷劑出口連接於所述雙級ORC製冷壓縮機的第一級進氣 □。
5. 根據權利要求4所述的冷卻壓縮機進口氣體的系統，其特徵在於，所述雙級ORC製冷 壓縮機與所述ORC透平為一體結構，形成ORC透平製冷壓縮一體機，所述ORC透平製冷壓縮 一體機包括中間體、主軸、渦輪蝸殼、一級蝸殼、二級蝸殼、渦輪葉輪、一級葉輪、二級葉輪、 中間隔板、推力盤和密封件； 所述中間體的兩端為具有凹槽的法蘭，所述主軸通過軸承可轉動地設置於所述中間體 內； 所述渦輪蝸殼固定於所述中間體的左端，所述二級蝸殼固定於所述中間體的右端，所 述一級蝸殼固定於所述二級蝸殼上； 所述渦輪葉輪固定於所述主軸的左端，且位於所述渦輪蝸殼內；所述二級葉輪固定於 所述主軸的右端，且位於所述二級蝸殼內；所述一級葉輪固定於所述主軸的右端，且位於所 述二級葉輪的右側，並位於所述一級蝸殼內； 所述主軸的右端還設置有中間隔板，所述中間隔板位於所述一級葉輪和二級葉輪之 間； 所述主軸的左端還套設有推力盤，所述推力盤上套設有密封件，且所述密封件固定於 所述中間體的左端。
6. -種冷卻氣體壓縮機進口氣體的方法，其特徵在於，包括： S10、氣體壓縮機所排出的氣體經高壓蒸發器冷卻後排出，且其通過高壓蒸發器所釋 放的熱量用於加熱製冷劑液體，所述製冷劑液體在所述高壓蒸發器中氣化，形成製冷劑氣 體； S20、所述製冷劑氣體驅動ORC透平轉動，所述ORC透平帶動雙級ORC製冷壓縮機轉動； 並將所述ORC透平排出的製冷劑氣體輸送至冷凝器； S30、所述製冷劑氣體經所述冷凝器冷凝後成製冷劑液體，所述製冷劑液體一部分通過 加壓泵輸送至高壓蒸發器，一部分通過高壓減壓閥輸送至經濟器； S40、所述經濟器對進入所述氣體壓縮機的氣體進行冷卻，且其排出的製冷劑氣體被輸 送至雙級ORC製冷壓縮機的第二級，經所述雙級ORC製冷壓縮機的第二級壓縮後，輸送至所 述冷凝器；餘下的製冷劑液體經過低壓減壓閥輸送至所述低壓蒸發器； S50、所述低壓蒸發器對所述經濟器排出的進入所述氣體壓縮機的氣體進行冷卻，並將 進入所述氣體壓縮機的氣體輸送至所述氣體壓縮機； S60、所述低壓蒸發器所排出的製冷劑氣體輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第一級，並經 所述雙級ORC製冷壓縮機壓縮後，輸送至所述冷凝器。
7. -種冷卻多級氣體壓縮機進口氣體的方法，其特徵在於，包括： S10、所述多級氣體壓縮機本級所排出的氣體經高壓蒸發器冷卻後，輸送至所述水冷卻 器，並通過所述水冷卻器冷卻後，輸送至經濟器；且所述多級氣體壓縮機所排出的氣體經過 高壓蒸發器時所釋放的熱量用於加熱製冷劑液體，所述製冷劑液體在所述高壓蒸發器中氣 化，形成製冷劑氣體； S20、所述製冷劑氣體驅動ORC透平轉動，所述ORC透平帶動雙級ORC製冷壓縮機轉動； 將所述ORC透平排出的製冷劑氣體輸送至冷凝器； S30、所述製冷劑氣體經所述冷凝器冷凝後成製冷劑液體，所述製冷劑液體一部分通過 加壓泵輸送至高壓蒸發器，一部分通過高壓減壓閥輸送至經濟器； S40、所述經濟器對SlO步驟中經過水冷卻器冷卻後的氣體進行進一步冷卻，且其排 出的製冷劑氣體被輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第二級，經所述雙級ORC製冷壓縮機的第 二級壓縮後，輸送至所述冷凝器；餘下的製冷劑液體經過低壓減壓閥輸送至所述低壓蒸發 器； S50、所述低壓蒸發器對所述經濟器排出的進入所述多級氣體壓縮機的氣體進行冷卻， 並將進入所述多級氣體壓縮機的氣體輸送至所述多級氣體壓縮機的下一級； S60、所述低壓蒸發器所排出的製冷劑氣體輸送至雙級ORC製冷壓縮機的第一級，並經 所述雙級ORC製冷壓縮機壓縮後，輸送至所述冷凝器。
【文檔編號】F25B27/02GK104315750SQ201410583979
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優先權日:2014年10月27日
【發明者】顧發華, 張學鋒, 陶林, 鄧嶸, 嚴卓 申請人:勢加透博（北京）科技有限公司