[发明专利]一种两级串联中间换热的透平膨胀机变工况调节方法

说明书

本发明涉及一种两级串联中间换热的透平膨胀机变工况调节方法，涉及制冷系统领域，包括压缩机、与压缩机相连的若干组换热器和两台串联的透平膨胀机，若干组换热器串联且与透平膨胀机并联，两台透平膨胀机之间与其中一组换热器串联，在两台透平膨胀机之间添加一组旁通回路，旁通回路上连接有旁通调节阀，以调节旁通回路内气体流量，旁通回路与换热器或透平膨胀机相连。本发明具有避免了一级透平膨胀机长期在低转速下运转造成的低制冷能力的优点。

技术领域

本发明涉及制冷系统技术领域，尤其涉及一种两级串联中间换热的透平膨胀机变工况调节方法。

背景技术

透平膨胀机是深冷法气体分离及液化装置的重要核心部件之一。透平膨胀机的制冷能力与透平膨胀机的进口温度及膨胀比相关，在膨胀机出口压力一定的情况下，等熵焓降与进口的压力和温度相关，温度越高、膨胀比越大，则焓降越大，其中温度对等熵焓降的影响更大，所以在高温下膨胀，透平膨胀机获得的制冷量更大。此外，透平膨胀机的工作转速与其焓降的平方根近似成正比例关系，焓降越大，工作转速越高。

对于所需制冷温度较低的低温装置，通常会采用多级透平膨胀机在不同温区进行膨胀制冷，在较高温区工作的透平膨胀机在高温下膨胀可获得较大的制冷量，而低温温区工作的膨胀机在低温下膨胀制冷可以获得较低的制冷温度。

对于常用的低温制冷工质，沸点越低，在高温下膨胀就会有越高的焓降，越大的制冷能力，例如氢、氦制冷工质相对于天然气、空气、氮气等工质的沸点低，在高温下膨胀会有更高的焓降，因此采用低沸点的低温工质气体构成的制冷循环，通常会布置两个串联的透平膨胀机，采取两级膨胀加中间换热降温的方式来制冷，中间换热一方面有利于提高高温温区膨胀机的工作温度，另一方面有利于降低低温温区膨胀机的工作温度。例如图1所示的氦液化装置、氢液化装置等采用修正的Claude液化循环就是基于两级膨胀加中间换热降温的方式来制冷，这样的流程布置既有利于获得大的制冷能力、较低的制冷温度，又能通过串联减少单个膨胀机的焓降，避免过高的焓降降带来的过高转速。

对于两级串联中间换热制冷系统，在降温过程中由于系统中的换热器、透平膨胀机等部件从常温开始逐渐降温，因此膨胀机的进口温度在降温阶段都是在偏离设计工况的高温下膨胀，又加上中间有换热，在降温过程中换热器的热容较大，降温缓慢，往往会使得二级透平膨胀机的进口温度与一级透平膨胀机的进口温度相近；另一方面，由于串联膨胀的缘故，二级透平膨胀机的进口压力比一级的低，为一级透平膨胀机出口压力减去沿程流动阻力。基于进口温度及压力两个方面的原因，对于按设计工况设计的串联的一、二级透平膨胀机而言，如果要在降温初期的工况下达到设计的工作转速，所需的二级透平膨胀机的质量流量比一级透平膨胀机所需的质量流量大，但由于透平膨胀机串联布置，一、二级透平膨胀机的质量流量相同，即降温过程中串联的一、二级透平膨胀机所需的流量不匹配，这种流量的不匹配，将导致降温初期第二级透平膨胀机很容易达到工作转速，而一级透平膨胀机在降温初期往往只能低速运转，只有当系统降温到足够低的温度，一级透平的转速才能随着二级透平膨胀机进口温度的降低慢慢升高，逐渐达到工作转速。

因此，降温过程中，由于串联透平膨胀机满足设计转速下工作所需的流量不匹配，导致一级透平膨胀机长时间在低于工作转速的状态下工作，制冷能力大幅下降，大大增加了降温的时间。

因此，针对以上不足，需要提供一种两级串联中间换热的透平膨胀机变工况调节方法。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决：常规的两级串联透平膨胀机中，一级透平膨胀机在低温系统降温过程中长时间低于工作转速工作，降温效率低的问题。

（二）技术方案