用于使气流膨胀的方法和应用此方法的装置与流程

本发明涉及用于使得气流膨胀的方法，所述气流更加具体地是诸如蒸汽或类似物的气体或者气体混合物。

背景技术：

在工业处理中，蒸汽通常用作驱动力或者作为所有种类的化学或者其它处理的抑制剂。

通常在锅炉中产生蒸汽，所述锅炉的压力和温度大体上固定。

工业处理通常需要压力和温度低于锅炉输出的压力和温度的蒸汽，其中，所需蒸汽条件还能够变化。

因此，在大多数蒸汽设施中，在锅炉和下游工业处理之间使用减压阀，减压阀允许蒸汽膨胀至工业处理所需的理想压力。

通常，使用饱和蒸汽，按照定义，所述饱和蒸汽不包含任何液体形式的水，原因在于蒸汽中存在的所有水均已经蒸发成气体。

已知的是，在饱和蒸汽的情况下，在蒸汽的压力和温度之间存在明确关系。换言之，如果已知蒸汽温度，则还可以由蒸汽温度确定压力，反之亦然。

减压阀因此更多或更少地打开或者关闭，以获得等于下游处理所需的压力。在膨胀期间，蒸汽的压力和温度根据热力学已知的等焓定律变化。

这种控制的优势在于其极其简单。

然而，这种控制的劣势在于压降不能用于有效转变为另一种形式的能量，诸如机械能或者电能。

另一个劣势是其仅仅使得能够控制压力，其中，减压阀中的开始于饱和蒸汽的等焓膨胀经常以通常高于所需的温度供应过热蒸汽。蒸汽的过热还意味着下游处理中的热量低效交换并且结果必须尽可能限制蒸汽过热。

为了降低蒸汽温度和过热水平，传统上使用锅炉或者“减温器”，所述锅炉或者“减温器”具有价格昂贵的劣势并且因此其容量有限。

技术实现要素：

本发明的目的是提供针对上面所述的劣势和其它劣势的一种或者多种解决方案。

为此，本发明涉及在入口和出口之间使得诸如蒸汽或类似物的气体或者气体混合物的气流膨胀的方法，所述入口用于供应处于入口压力和入口温度的特定入口条件下的待膨胀的气体，所述出口用于输送处于出口压力和出口温度的特定所需出口条件下的膨胀气体，其中，所述方法至少包括通过减压阀使得所述入口和所述出口之间的气流至少部分地膨胀和通过减压单元使得所述气流至少部分地膨胀的步骤，其中，所述减压单元具有由气体驱动的转子，所述转子具有输出轴以便将气体中包含的能量转换成该输出轴上的机械能。

通过应用这种减压单元，膨胀能量的至少一部分能够有效转换成减压单元的轴上的机械能，其中，这种机械能可以用于例如驱动发电机或者其它有用设备。

与减压阀中的蒸汽的等焓膨胀形成对照，预期类型的减压单元中的压力膨胀而是根据多变或者近似等熵热力学定律进行，其中，与等焓膨胀相比，多变膨胀针对相同的压降产生更大的温度下降。

由于装置的输入和输出之间的膨胀对于整个流动或者对于流动的特定部分是部分等焓和部分多变的，并且由于分别在减压阀和减压单元中等熵膨胀和多变膨胀之间的适当分布，和/或通过子流的适当分布，因此出口处的压力和温度可以被调节成下游处理所需的值，并且这没有应用额外的冷却或者蒸汽冷却器并且具有能够从多变膨胀中提取机械能的额外优势。

优选地，螺杆膨胀器用作减压单元，减压单元提供了这样的优势，即，其还使得蒸汽能够膨胀至低于饱和温度的温度，由此蒸汽将部分冷凝成液体，因而其较之大多数类型的涡轮机能够实现更广的应用范围。

根据依照本发明的方法的优选变形例，驱动待膨胀的气流并行地通过减压阀以及通过减压单元，其中，待膨胀的气流的一子流流过减压阀并且一子流流过减压单元，由此两股子流都膨胀到所需出口压力，在此之后，所述两股子流在相同的所需出口压力条件下合并，以便在所述出口以所需出口条件供应膨胀气流。

根据依照本发明的方法的另一个优选变形例，在两个相继的膨胀阶段中驱动待膨胀的气流顺次地通过减压阀和通过减压单元，其中，控制减压阀和减压单元，使得在第一膨胀阶段之后获得具有中间压力和温度的中间操作点，这确保在第二膨胀阶段中膨胀到对应于所需出口压力和出口温度的压力和温度。

本发明还涉及一种用于使得诸如蒸汽或类似物的气体或者气体混合物的气流膨胀的装置，其中，所述装置包括：入口，所述入口用于供应处于入口压力和入口温度的特定入口条件下的待膨胀的气体；和出口，所述出口用于输送处于出口压力和出口温度的特定所需出口条件下的膨胀气体，其中，所述装置使得能够应用根据上面描述的本发明的方法并且为此所述装置设置有减压阀和减压单元，减压单元具有由气体驱动的转子，所述转子具有输出轴以便将包含在气体中的能量转换成该输出轴上的机械能；和管，所述管引导待膨胀的气流至少部分地通过减压阀并且至少部分地通过减压单元。

优势与针对根据本发明应用的方法所描述的优势相同。

附图说明

为了更好的显示本发明的特征，在下文参照附图通过不含任何限制属性的示例描述了用于使得气流膨胀的根据本发明的方法的若干优选应用和因此应用该方法的装置，在附图中：

图1示意性示出了用于使气流更具体地是使蒸汽膨胀的传统已知装置；

图2示出了蒸汽的温度/熵图形式的相图或者蒸汽图，图上示出了蒸汽在装置中通过期间蒸汽的发展；

图3示出了用于根据本发明的使得蒸汽膨胀的装置；

图4示出了诸如图2的相图但是针对图3的装置的相图；

图5示出了根据本发明的装置的变形例；

图6示出了诸如图4的图但是针对图5的装置的图；

图7示出了在中间控制期间的图6的图

具体实施方式

图1中示出的传统装置1设置有：入口A，所述入口A连接到蒸汽源2，以便供应待膨胀的蒸汽的气流Q；出口B，其用于将膨胀蒸汽输送到蒸汽用户或者工业处理的下游蒸汽装置3。

源2是例如锅炉，其产生处于特定入口条件的饱和蒸汽，所述特定入口条件即，在装置1的入口A处的特定入口压力P_A和入口温度T_A。

入口A中的蒸汽的操作点在相图中示出为位于相图的饱和曲线4上的点A，其中，此饱和曲线A形成气相G的区域和区域G+V之间的分离，一方面，在所述气相G中，蒸汽的压力和温度使得蒸汽仅仅存在于水的气相中，在所述区域G+V中，水的气相与水的液相平衡。

在相图中通过操作点A的恒定压力P_A的等压线表示为虚线并且代表压力等于入口压力P_A的所有操作点。

当从等压线P_A上的位于饱和线左侧上的一点开始供应能量时，操作点然后将沿着等压线P_A的水平段朝向恒温T_A处的右侧运动并且存在的水滴将逐渐蒸发直到达到操作点A，在所述操作点A处所有水都已蒸发并且仅留有气体。

随着在恒定压力P_A的条件下进一步供应能量，操作点将沿着等压线P_A进一步移动到右侧并且温度将逐渐升高。在这个区域中，是对应于气相而没有液体的过热蒸汽的情况。

下游蒸汽装置3决定供应的蒸汽必须满足的蒸汽条件，换言之，装置1的出口B处的蒸汽条件，特别是出口压力P_B、出口温度T_B和蒸汽组分。

针对下游蒸汽装置3而言，通常略微过热蒸汽是理想的。在相图中对应的操作点示出为位于压力P_B和温度T_B条件下的饱和线4右侧的点B，其中，所述压力P_B低于压力P_A，所述温度T_B低于T_A。

为了使得蒸汽从入口A处的压力膨胀P_A到出口B处的更低的压力P_B，传统上使用减压阀5，减压阀5包含在管6中，所述管6将入口A连接到出口B，以使得蒸汽Q的流通过减压阀5膨胀。

对于传统减压阀5而言，膨胀到出口压力P_B的膨胀基本遵循沿着等焓膨胀曲线7的等焓发展进行到直到膨胀到等压线P_B上的点C为止。

温度T_C通常比所需的出口温度T_B高得多，并且因此在减压阀5后使用蒸汽冷却器8或类似物，以将出口温度降低至恒定压力P_B条件下的所需温度T_B。然后操作点沿着等压线P_B从点C运动到点B。

在传统装置1的示出示例中，减压阀5能够被调节并且设置有控制器9，以将通过减压阀5的膨胀控制为控制器9中设定的所需压力值P_B，其中，控制器9连续测量出口B处的压力并且随着压力大于或者小于设定的压力P_B而更多或更少地打开减压阀5，直到压力等于上述设定压力为止。

图3示出了与图1的传统装置不同的根据本发明的装置1，不同之处例如在于不必设置蒸汽冷却器8并且在管6中除了减压阀5之外还并联地包含减压单元10，使得蒸汽流Q被分流为被引导通过减压阀5的子流Q1和流过减压单元1的子流Q₂，其中，这些子流Q₁和子流Q₂在膨胀之后再次合并以便经由出口B一起被供应到下游蒸汽装置。

减压单元优选地构造为螺杆膨胀器，其具有两个啮合的转子11，所述啮合的转子11中的一个转子11设置有输出轴12以便将蒸汽的膨胀能转换成能够在输出轴12上获得的机械能。

作为示例，输出轴12联接到发电机14，用于将电力输送到用户网络(未示出)。

减压单元10的速度优选地能够可变地调节，为此，发电机14设置有例如控制器13。

不排除具有至少一个从动转子和输出轴的其它形式的减压单元，例如一种或者另一种类型的涡轮机。

根据本发明的装置1设置有器件15和16，所述器件15和16分别用于测量或者确定出口B处的温度和压力。

另外，图3的装置包括控制器9，所述控制器9用于根据在此被假定为常数的入口条件P_A和T_A在控制器中控制蒸汽在减压阀5中和减压单元10中经历的膨胀，以获得出口B中的处于所需的、设定的或者可设定的出口压力P_B和出口温度T_B的值的条件下的蒸汽。

控制器9经由连接装置17连接到上述器件15和16以便确定出口B处的压力和温度，并且所述控制器9具有控制算法18，以将流Q分成两股上述子流Q₁和Q₂，所述两股子流Q₁和Q₂都经历膨胀并分别膨胀到所需出口压力P_B。

作为示例的螺杆膨胀器中的子流Q₂的膨胀通常根据近似等熵定律或近似多变定律进行，如由膨胀曲线19在图4中所示。

因此所述流从入口A处的操作点A变化到减压单元10的出口B”处的操作点B”，其中，该操作点B”位于等压线P_B上。

可以从相图得到出口B”处的温度T_B”低于所需温度T_B。

减压阀5中的子流Q₁的膨胀典型地依照等焓定律进行，其根据入口处的操作点A和减压阀5的出口处的操作点B’之间的膨胀曲线7以与图2类似的方式进行，所述操作点B’位于等压线P_B上。

减压阀5的出口B’处的温度T_B’因此高于所需设定温度T_B。

在膨胀之后，两股子流Q₁和Q₂在压力P_B条件下合并，其中，合并的流Q以压力P_B和介于温度T_B’和T_B”之间并且取决于两股子流Q₁和Q₂的相互混合比的温度出现在出口B。控制器9的控制算法18使得Q₁和Q₂之间的相互混合比可以被控制成使得合并的流Q的温度对应于所需温度T_B。

为此，控制器9一方面经由连接装置20连接到控制器13，以便能够调节速度并且从而也调节减压单元10的流Q₂，而另一方面经由连接装置21连接到可控的减压阀5，以便更多或更少地打开或者关闭该减压阀5，以便使得更多或者更少的流Q₁通过。

控制算法18例如可以如下设计。

当启动装置1时，流Q例如等分成通过减压阀5的流Q₁和通过减压单元10的流Q₂，其中，Q₁＝Q₂＝Q/2。

在第一种情况中，基于在出口B处测量的压力控制合并的流Q。当测量的压力低于所需出口压力P_B的设定值时，这意味着流Q太小，子流Q₁和Q₂增加相同的程度，直到测量压力等于设定压力P_B为止。类似地，当测量的压力高于设定值时，子流Q₁和Q₂减小相同的程度，直到测量压力等于设定压力为止。

通过减压阀5的蒸汽遵循曲线7直到到达点B’，同时通过减压单元10的蒸汽遵循曲线19直到到达点B”。两股流的合并导致点B”’，所述点B”’与要求的温度T_B不同。

如果温度B”’低于温度T_B，如图4的情况，过多的蒸汽经由曲线19膨胀。因此，算法18将确保流Q₁增加而流Q₂减少相同的程度，直到达到所需温度T_B为止。

因为合并的总流Q不受该初始控制影响，因此在恒定入口条件下，出口压力将保持处于P_B条件下。

另一方面，如果温度B”’高于所需温度T_B，则这意味着过多的蒸汽经由曲线7膨胀。这是在这种情况中为什么算法18将确保流Q₁减小而流Q₂增加相同的程度直到达到温度T_B为止的原因。

如果例如蒸汽装置3中的下游消费者现在需要更少的流Q，则出口压力P_B在装置1仍然供应流Q的情况下将增大。然后，在检测到出口压力中的变化时，控制器18将改变流Q，使得此时可施加的流的比率Q₁/Q₂保持不变。

一达到正确的出口压力P_B，算法18就继而检查流的比率Q₁/Q₂是否必须改变，以实现出口B处的所需温度T_B。

在改变诸如入口压力或入口温度的其它条件时，算法18也将以相同的方式进行，即：

-首先，通过调节总流Q实现所要求的出口压力P_B；

-然后，调节流Q₁和流Q₂之间的比率，以实现所要求的出口温度T_B。

当然，装置中还可以存在其它分流和分支，所述分流和分支进一步使流Q或者子流Q₁和/或Q₂分流，以在此后使其再次以由控制器确定的比例完全或者部分地合并，以便获得所需的出口条件。

明确的是，入口A处的条件不需要局限为饱和曲线A上的点，而是在入口处其还可以开始于略微过热的蒸汽(其中，操作点位于曲线4的右侧)或者蒸汽和水滴的轻微两相混合物(其中，操作点位于曲线4的左侧)，以便尽管如此仍然能够利用本发明的优势。

图5示出了根据本发明的替代装置1，其中，在这种情况中，减压阀5和减压单元10(在示例中为联接到发电机14的螺杆膨胀器)没有如图3的实施例那样并联地包含在管6中，而是一个在另一个之后地串联作为在入口A和出口B之间的两个相继的膨胀阶段，分别在从入口A处的压力P_A至减压阀5和减压单元10之间的管6中的中间压力Pc的减压阀5中，然后在从中间压力Pc至所需出口压力P_B的减压单元10中。

如图6所示，减压阀5中的膨胀然后遵循从入口A处的操作点A至压力P_C和温度T_C条件下的操作点C的等焓膨胀曲线7，并且减压单元10中的进一步膨胀根据多变或者近似等熵膨胀曲线19进行至针对出口B的操作点B。

适当的控制器9使得能够控制两个膨胀阶段，使得出口B的压力和温度等于控制器9中的设定值P_B和T_B。

控制器9包括计算和控制算法22，所述计算和控制算法22确定作为已知入口条件P_A和/或T_A的函数和作为所需出口条件P_B和/或T_B的函数的膨胀曲线7和19的进程，然后确定作为两条膨胀曲线7和19的一部分的操作点C。该操作点C对应于中间操作点，在两个膨胀阶段之间需要到达所述中间操作点，以对于给定入口条件P_A和T_B在出口达到所需压力P_B和温度T_B。

控制算法22例如提供以下控制。

在第一控制步骤期间，调节流Q，直到在出口B达到所需压力P_B。

为此，当启动装置1时，通过经由控制器13调节发电机14的负荷在最小速度条件下控制减压单元10并且由此系统地打开减压阀5。

当在开始时缓慢地进行打开时，将在减压阀5两侧发生非常大的压降，使得中间操作点C’的中间压力比所需中间压力P_C低得多。流Q将主要经由膨胀曲线7膨胀并且更小程度经由膨胀曲线19膨胀。

控制算法22将在减压单元10的恒定速度的条件下逐渐进一步打开膨胀阀5直到如图7所示达到所需出口压力P_B为止。

操作点B’的特征在于出口温度高于所需的出口温度T_B。

在第二控制步骤期间，调节中间操作压力C的中间压力，同时保持流量，并且这例如用以下方式。

当中间压力低于所需中间压力P_C时，则算法将增加减压单元10的速度直到达到所需中间压力P_C为止。

然而，当中间压力高于所需中间压力P_C时，算法将更大程度关闭减压阀5，直到实现所需中间压力P_C。

例如，如果下游消费者现在要求更少的流Q，则出口B处的出口压力将在装置仍然供应流Q的情况下增加。这是控制器9为什么在检测到出口B中的出口压力变化时改变流Q使得维持中间压力P_C的原因。在更少的所需流的情况中这可以通过根据特定比率同时关闭减压阀5以及减小减压单元10的速度完成。

一达到所需出口压力P_B，算法就将继而检查减压阀5的状态和/或减压单元10的速度是否必须改变以实现计算得到的所需中间压力P_C。

不排除算法包括这样的步骤，即，针对算法中出现不准确性或者机器出现老化时的情况基于测量的出口温度和所需出口温度T_B之间的差改进计算得到的中间压力P。

在改变诸如入口压力或者入口温度的其它条件时，算法将始终以相同的方式进行，即：

-首先，通过调节总流Q实现所需出口压力P_B；

-然后，调节减压阀5的开度和减压单元10的速度之间的比率，以实现计算的中间压力P_C。

明确的是，当减压单元10串联时还可以交换减压阀5的顺序并且还可以设置多于两个的阶段。

根据工业处理的复杂性，当然，不排除一个或者多个并联连接装置(诸如图3的连接装置)和/或一个或者串联连接装置(诸如图5的连接装置)的组合与适当的控制器为此目的一起应用。

尽管在上述示例中的每一个示例中使用螺杆膨胀器，但是不排除使用其它类型的膨胀器，螺杆膨胀器的优势是，在膨胀期间，例如在操作点B”或者中间操作点C位于气体和液体处于平衡的区域中的图4的情况中，螺杆膨胀器对水滴的形成不很敏感。

替代蒸汽，还可以使用其它气体或者气体混合物。

本发明绝不局限于在作为示例描述并且在附图中示出的用于使得气流膨胀的方法和装置的变形例，而是在不背离本发明的范围的情况下可以在各种变形例中实现根据本发明的方法和装置。