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數(shù)控渦輪膨脹機(jī)的制作方法

文檔序號(hào):5231598閱讀:736來源:國知局
專利名稱:數(shù)控渦輪膨脹機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種新型動(dòng)力裝置,確切地說,涉及一種用于石油氣體處理的數(shù)控渦輪膨脹機(jī)。
七十年代末,我國成功地應(yīng)用航空技術(shù)中的透平(渦輪)膨脹機(jī)對(duì)石油氣體進(jìn)行處理,從而結(jié)束了國內(nèi)油田到處點(diǎn)火把的時(shí)代,從這些“火把”中回收的輕烴成為重要的石油化工原料。
從空氣動(dòng)力學(xué)原理來看,這種渦輪膨脹機(jī)實(shí)際上就是一臺(tái)沒有燃燒系統(tǒng)的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī),即不點(diǎn)火的冷渦輪。它是在同一根轉(zhuǎn)軸上,一側(cè)連接離心式氣體壓縮機(jī),另一側(cè)安裝渦輪膨脹機(jī)構(gòu)成的。當(dāng)被處理的工作介質(zhì)(石油伴生氣)通過離心式壓縮機(jī)增壓后,再經(jīng)冷卻、分離,凝析出其中的液相組成后,高壓工作介質(zhì)進(jìn)入渦輪膨脹機(jī),其膨脹所做的功通過轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能,從而驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)運(yùn)行。工作介質(zhì)對(duì)渦輪膨脹作功后,其熱焓下降,體積膨脹,溫度下降,此低溫工作介質(zhì)被導(dǎo)入深冷換熱器,可以作為深冷致冷裝置的冷源。這就是渦輪膨脹機(jī)處理石油伴生氣的工作原理。
比較先進(jìn)的膨脹機(jī)渦輪的定子葉片角度可以調(diào)節(jié),也即通過可調(diào)噴嘴來進(jìn)行。但是,這種可調(diào)噴嘴只能對(duì)渦輪膨脹機(jī)的流量在有限的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)機(jī)組運(yùn)行時(shí),需要通過復(fù)雜的自動(dòng)化儀表和外部各種調(diào)節(jié)執(zhí)行控制裝置對(duì)其工況進(jìn)行調(diào)控,這不僅需要高素質(zhì)的操作人員和高性能的控制儀表,而且因不能隨時(shí)進(jìn)行實(shí)況調(diào)控,所以,裝置不能工作在最佳工況,還稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生各種故障。此外,氣體處理廠的功耗極大,在對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮、換熱、分離、膨脹處理過程中,大量的能量被工藝過程中使用的復(fù)雜儀表和調(diào)節(jié)輔助設(shè)備所消耗,這些能量又變成熱,排入大氣,造成不必要的環(huán)境污染,還損失了寶貴的能源和減少輕烴回收量。
本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)控渦輪膨脹機(jī),作為石油氣體處理以及太陽能利用、地?zé)崂玫男滦蛣?dòng)力設(shè)備。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的它是由氣體壓縮機(jī)、渦輪膨脹機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制裝置組成的,其特征在于氣體壓縮機(jī)和渦輪膨脹機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸,并且分裝在其前后兩側(cè),該電機(jī)是具有電力/動(dòng)力轉(zhuǎn)換功能的數(shù)控稀土全速同步電機(jī),即在其轉(zhuǎn)子外緣有用稀土永磁材料制成的多個(gè)磁極,其定子線圈外接有雙向可變頻逆變器,該雙向逆變器分別與供電網(wǎng)及通過大功率電力電子開關(guān)組件、濾波器組與直流負(fù)載相連接,有對(duì)雙向可變頻逆變器、電力電子開關(guān)組件進(jìn)行控制、并與其他設(shè)備共有的可編程控制器。
本發(fā)明是利用申請(qǐng)人的專利“數(shù)控全速電力/動(dòng)力裝置”(CN93200001.0)對(duì)原產(chǎn)品改進(jìn)而成的。數(shù)控稀土全速同步電機(jī)具有電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)的雙向功能轉(zhuǎn)換特點(diǎn),輔以雙向可逆逆變器、大功率電力電子組件、微型計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制軟件包,可以對(duì)傳統(tǒng)的渦輪膨脹機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造,使之成為在計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制下,比較理想地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制石油氣體處理工況的機(jī)電裝備既可以將電力轉(zhuǎn)換成動(dòng)力,并實(shí)時(shí)控制其運(yùn)行狀態(tài);也可以將裝置中富余的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,并同樣達(dá)到實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)運(yùn)行動(dòng)態(tài)的目的。
同樣,也可以把一個(gè)利用渦輪(不管是蒸汽渦輪、燃?xì)鉁u輪機(jī)或膨脹渦輪)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電站的數(shù)件作成一個(gè)軟件包,使這樣的裝置成為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的中、小型設(shè)備甚至民用裝置。
通常而言,氣體熱力學(xué)狀態(tài)過程的計(jì)算是相當(dāng)復(fù)雜的,而石油伴生氣體的處理過程實(shí)際上是將氣相和液相相混合的狀態(tài)進(jìn)行分離,這比單一氣相的熱力狀態(tài)更為復(fù)雜,這也就是,現(xiàn)在氣體處理廠為什么自動(dòng)化系統(tǒng)裝置那么繁多復(fù)雜的原因。通常,在氣體處理廠因主機(jī)的渦輪效率而損耗的能量是有限的,但分布在諸多控制儀表和外圍輔助設(shè)備上的間接損耗卻要比主機(jī)的損耗大得多。如果采用本發(fā)明作為處理廠的主機(jī),因?yàn)榭梢岳脤?shí)時(shí)控制的軟件包輸入計(jì)算機(jī),通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程的各種工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控,傳統(tǒng)的自動(dòng)化儀表和輔助調(diào)控設(shè)備就可以舍棄不用了,從而使氣體廠的生產(chǎn)裝備大為簡化,能耗也隨之大大降低,故障顯著減少,且由于實(shí)現(xiàn)最佳生產(chǎn)工況控制,使輕烴回收率明顯提高,整個(gè)工廠的經(jīng)濟(jì)效益都會(huì)得到大幅度改善。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意和氣體處理工藝流程簡圖。
圖1中,1是離心式空氣壓縮機(jī),2是渦輪膨脹機(jī),3是稀土全速同速電機(jī),三者同軸安裝,且前二者分別安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的前后兩側(cè),4是電機(jī)的數(shù)控裝置。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子外緣有用稀土永磁材料制成的磁極,使之成為永磁轉(zhuǎn)子31,當(dāng)定子線圈32中饋入交流電時(shí),此電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),并通過與轉(zhuǎn)子的永磁場(chǎng)相互作用而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),輸出扭矩從而驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)1和渦輪膨脹機(jī)2旋轉(zhuǎn)工作。
當(dāng)入電網(wǎng)6中通過控制裝置4里的雙向可變頻逆變器41給定子線圈32饋電時(shí),雙向可變頻逆變器41可把普通工頻交流電或直流電變成頻率和相位都可控的交流電輸出,并可被控改變輸出電流的大小。通過控制改變雙向逆變器41的輸出電流頻率和相位,可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子31的轉(zhuǎn)速、加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向,通過控制改變雙向可變頻逆變器41的輸出電流大小,可以控制轉(zhuǎn)子的輸出扭矩,通過可編程控制器5對(duì)其所控的雙向逆變器的輸出電流、頻率進(jìn)行積分,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)行程的控制??傊删幊炭刂破?可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)3的輸出轉(zhuǎn)速、加速度、運(yùn)動(dòng)方向、扭矩和行程實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)控制,也即對(duì)空壓機(jī)1和渦輪膨脹機(jī)2實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工況控制。此外,當(dāng)渦輪膨脹做功時(shí),其輸出的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子31轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí),在定子線圈32中感生的電勢(shì)會(huì)進(jìn)入數(shù)控裝置4中雙向可逆器41里的三相全波整流橋組件,被整流成直流電,再經(jīng)一個(gè)大功率電力電子組件42和濾波電容器組43,輸送到直流耗能負(fù)載7上作功,這時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)3變成了發(fā)電機(jī)。感生電勢(shì)也可以由雙向逆變器內(nèi)部的,與三相交流電網(wǎng)同步的直-交逆變器再逆變成三相交流電而饋送回供電網(wǎng)6。這些過程都是由可編程控制器通過發(fā)出相關(guān)指令來調(diào)整、控制相應(yīng)裝置動(dòng)作而完成的??删幊炭刂破?的控制策略和方法都可以根據(jù)氣體處理工藝要求編成實(shí)時(shí)控制軟件,予先存儲(chǔ)在其存儲(chǔ)器中,這種軟件可以充分吸收工程熱物理專家的控制策略和富有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作技藝,使裝置能夠在最佳工況下實(shí)時(shí)運(yùn)行。
附圖1還表明了本發(fā)明應(yīng)用于氣體處理時(shí),它在工藝流程中的作用。其中的雙向逆變器可以采用美國MECHATRONIC EQUIPMENT公司的BMR系列逆變器,或采用日本富士公司的G7/P7系列逆變器??删幊炭刂破骺梢允枪I(yè)過程控制器,也可以是工業(yè)控制計(jì)算機(jī),還可以是與其他裝置或設(shè)備共享的中央控制計(jì)算機(jī),通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制介面,用時(shí)分多址方法對(duì)各種裝置和參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。
總之,本發(fā)明是在繼承航空渦輪膨脹機(jī)的高技術(shù)基礎(chǔ)上,又吸收當(dāng)代數(shù)控動(dòng)力裝置新技術(shù)而產(chǎn)生的一種全新結(jié)構(gòu)的石油氣體處理裝備。可以說本發(fā)明是目前深冷氣體處理裝置中的更新?lián)Q代裝備。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控渦輪膨脹機(jī),是由氣體壓縮機(jī)、渦輪膨脹機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制裝置組成的,其特征在于氣體壓縮機(jī)和渦輪膨脹機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸,并且分裝在其前后兩側(cè),該電機(jī)是具有電力/動(dòng)力轉(zhuǎn)換功能的數(shù)控稀土全速同步電機(jī),即在其轉(zhuǎn)子外緣有用稀土永磁材料制成的多個(gè)磁極,其定子線圈外接有雙向可變頻逆變器,該雙向逆變器分別與供電網(wǎng)及通過大功率電力電子開關(guān)組件、濾波器組與直流負(fù)載相連接,有對(duì)雙向可變頻逆變器、電力電子開關(guān)組件進(jìn)行控制、并與其他設(shè)備共有的可編程控制器。
全文摘要
一種數(shù)據(jù)渦輪膨脹機(jī),是將離心式空氣壓縮機(jī)與渦輪膨脹機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸,且分裝在電機(jī)的前后兩側(cè),該電機(jī)是具有電力/動(dòng)力轉(zhuǎn)換功能的數(shù)控稀土全速同步電機(jī)。該裝置作為氣體處理廠的主機(jī),可大大簡化原來的生產(chǎn)裝備,舍棄許多自動(dòng)化儀表和輔助調(diào)控設(shè)備,降低能耗,減少故障;利用實(shí)時(shí)控制的軟件,對(duì)生產(chǎn)過程的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)最佳工況運(yùn)行,使石油伴生氣體中回收的輕烴顯著增加,提高工廠經(jīng)濟(jì)效益,是深冷氣體處理裝置中的新一代裝備。
文檔編號(hào)F02C1/02GK1105100SQ9410001
公開日1995年7月12日 申請(qǐng)日期1994年1月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月7日
發(fā)明者石行 申請(qǐng)人:北京市西城區(qū)新開通用試驗(yàn)廠
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