低温液力透平闭式实验系统和测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种低温液力透平闭式实验系统和测试方法，该系统的液化气储槽中的液化气经过管道和低温泵提升压力后，一路经管道进入液力透平，在液力透平中被节流降压后的液化气通过管道再回到液化气储槽中，另一路通过管道进入汽化器，通过管道引入液力透平的轴封密封腔，作为液力透平的密封气；液力透平通过联轴器和测功仪连接；油站通过油管与液力透平连接。
【专利说明】低温液力透平闭式实验系统和测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于低温液化、低温空分等领域的余压回收【技术领域】，涉及一种实验系统和测试方法，尤其是一种低温液力透平闭式实验系统和测试方法。
【背景技术】
[0002]大型耗能装置中工业余能的回收是节能减排的关键措施之一，具有重大的社会效益和经济价值。低温液力透平是空分、液化天然气等高能耗低温循环装置中焦一汤液体节流阀的替代产品，它在满足工艺流程需要降压的同时，能有效的抑制汽化，避免汽蚀产生的破坏和高压液体能量的不可逆损失，并利用回收的高压能量发电，具有可观的经济效益。
[0003]在近年来已公开的专利中，涉及低温液力透平的有“一种高压液体节流用膨胀机转子”，专利号200810150526.2 ;“一种液体膨胀机”，专利号为200910023562.7 ;“径流式液力透平优化设计方法”，专利号为201110439235.7 一种低温液力透平”，专利号为201110455237.5。还有日本Ebara公司公开的用于液化天然气降压的潜液式液力透平，其专利号为US2006/0186671A1。“一种高压液体节流用膨胀机转子”公开了一种高压液体节流用膨胀机转子，转子采用叶轮悬臂卧式结构，用以解决现有液体膨胀机对介质流量及制动发电机的苛刻要求，可以采用普通发电机、泵或风机制动，适用于任意大小流量的介质降压。“一种液体膨胀机”公开了一种液体节流用全液体膨胀机，可解决现有传统空分流程中采用焦一汤节流阀所带来压力头损失、汽蚀损坏等问题。“径流式液力透平优化设计方法”公开了径流式液力透平通流部件的整机优化设计方法，包括一元优化设计、通流部件的初始形状设计、优化设计方法。“一种低温液力透平”公开了一种低温高压液体节流用液力透平，用以解决现有低温液力透平冷量损失大、叶轮出口流动损失较大以及整机结构定位安装困难之问题。另外，Ebara公司公开了一种透平转子与发电机转子同轴的立式潜液式低温液力透平。
[0004]在低温液力透平的技术应用和产品开发中，低温液力透平的测试系统和方法作用重大。但就国内和国外范围看，未发现这方面的公开资料。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种低温液力透平闭式实验系统和测试方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0007]这种低温液力透平闭式实验系统，包括液化气储槽、低温泵、汽化器、油站、液力透平以及测功仪；所述液化气储槽中的液化气经过管道和低温泵提升压力后，一路经管道进入液力透平，作为液力透平的工作介质，在液力透平中被节流降压后的液化气通过管道再回到液化气储槽中，另一路通过管道进入汽化器，闪蒸为气体，通过管道引入液力透平的轴封密封腔，作为液力透平的密封气；所述液力透平通过联轴器和测功仪连接；所述油站通过油管与液力透平连接。[0008]上述各管道的外侧均用隔温绝热材料包裹。
[0009]上述液力透平置于冷箱内隔热保温。
[0010]上述低温泵采用变频调节。
[0011]上述液力透平的轴承使用强制油系统润滑。
[0012]上述油站由油槽、油泵、油管道和冷却器组成，油泵加压后的润滑油经油管流入液力透平的轴承，使用过的润滑油经油管回到油槽，由油冷却器冷却后再进入油泵。
[0013]进一步，上述液化气储槽的出口通过管道和第一阀门与低温泵的进口连接，所述低温泵的出口分为三路，第一路通过管道、第四阀门和流量计连接至低温液力透平的高压液化气进口 ；第二路通过管道和第二阀门与液化气储槽的进口管道连接；第三路通过管道和第六阀门连接至汽化器的入口 ；所述低温液力透平的低压液化气出口通过管道和第五阀门与液化气储槽的进口管道连接，所述液化气储槽的进口管道上设置有第三阀门，并通过管道连接有释放阀；所述汽化器的出口通过管道和第七阀门连接至液力透平的轴封密封腔入口。
[0014]本发明具有以下有益效果:
[0015]1.本发明所描述的低温液力透平闭式循环系统和测试方法可完成低温液力透平产品或样机的测试工作。与现有复杂的工业低温空分系统和低温液化系统相比，所述测试系统和测试方法初始投资成本很低，且具有运行费用少、易于实现等优点。
[0016]2.本发明所描述测试系统和方法具有普适性，适用范围较广，可用于不同介质的低温液力透平测试工作，如液空液力透平、LNG液力透平、液氢液力透平等。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的液力透平测试系统图。
[0018]其中:I为液化气储槽；2为低温泵；3为汽化器；4为油站；5为液力透平；6为测功仪；7为释放阀；8为流量计；9为冷箱。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0020]参见图1，本发明的低温液力透平闭式实验系统，包括液化气储槽1、低温泵2、汽化器3、油站4、液力透平5以及测功仪6 ;所述液化气储槽I中的液化气经过管道和低温泵2提升压力后,一路经管道进入液力透平5,作为液力透平5 (Cryogenic Liquid Turbine)的工作介质，在液力透平5中被节流降压后的液化气通过管道再回到液化气储槽I中，另一路通过管道进入汽化器3，闪蒸为气体，通过管道引入液力透平5的轴封密封腔，作为液力透平5的密封气；所述液力透平5通过联轴器和测功仪6连接；所述油站4通过油管与液力透平5连接。本发明的具体关系如下:
[0021]液化气储槽I的出口通过管道和第一阀门A与低温泵2的进口连接，所述低温泵2的出口分为三路，第一路通过管道、第四阀门D和流量计8连接至低温液力透平5的高压液化气进口 ；第二路通过管道和第二阀门B与液化气储槽I的进口管道连接；第三路通过管道和第六阀门F连接至汽化器3的入口 ；所述低温液力透平5的低压液化气出口通过管道和第五阀门E与液化气储槽I的进口管道连接，所述液化气储槽I的进口管道上设置有第三阀门C，并通过管道连接有释放阀7 ;所述汽化器3的出口通过管道和第七阀门G连接至液力透平5的轴封密封腔入口。
[0022]在本发明的最佳实施例中，以上各管道的外侧均用隔温绝热材料包裹。液力透平5置于冷箱内隔热保温。低温泵采用变频调节。液力透平5的轴承使用强制油系统润滑。油站4由油槽、油泵、油管道和冷却器组成，油泵加压后的润滑油经油管流入液力透平5的轴承，使用过的润滑油经油管回到油槽，由油冷却器冷却后再进入油泵。
[0023]以上低温液力透平闭式实验系统的测试方法，包括以下步骤:
[0024]I)对低温泵2进行冷却；
[0025]在开展测试之前，需要将系统进行预冷。预冷分为两步:即低温泵的冷却和液力透平的冷却。
[0026]将第一、二和三阀门A、B和C打开,而第四、五和六阀门D、E和F关闭，如图1所示，形成一个闭式回路用于冷却低温泵2 ;在此过程中，少量液化气蒸发为气体，这些少量气体通过释放阀7排放到大气中；
[0027]2)液力透平5的冷却；
[0028]待步骤I)的低温泵的冷却完成后，将第二阀门B关闭，第一阀门A以及第三至七阀门C-G均打开；其中阀门第四阀门D和第五阀门E分别用于调节液力透平的进出口压力，第六阀门F和第七阀门G用于控制汽化器3的进出口流量；在此冷却阶段中，各回路中的所有部件均处于运行状态；油站4的油泵维持润滑油的循环；
[0029]3)测试
[0030]当整个闭式试验系统预冷完毕，且各回路中所有部件运行稳定后，就可开始所述液力透平的测试实验。测试工作主要包括测试工况点的调节以及实验数据的采集，它们是通过下述方法实现的。
[0031](I)工况点的调节
[0032]工况的调节主要包括液力透平进出口压力的调节、液力透平流量的调节以及液力透平转速的调节:
[0033]进出口压力的调节:主要通过调节第四阀门D和第五阀门E来完成，而第三阀门D作为辅助调节。
[0034]液力透平流量的调节:通过改变液力透平的可调喷嘴的开度获得所需的流量，在此流量的调节过程中需要同时调节液力透平进出口的第四阀门D和第五阀门E来完成。
[0035]液力透平的转速调节:通过设置测功仪6的指示转速由其控制实现。
[0036]试验数据的采集通过测试平台来完成，压力和温度的测点布置如图中所示，共有8个温度测点和6个压力测点。
[0037]温度的测点有8个，分别用于监测液力透平的进出口温度、轴承轴瓦温度、润滑油温度，在图1中，分别表示为！1，了2，了3，了4，了5，了6，了7，和T8。压力测点有6个，分别用于监测液力透平的进出口压力、叶轮前后侧间隙的压力、以及密封气压力。在图1中，分别表示为 P1，P2，P3，P4, P5 和 P6。
[0038]压力的测量可采用压力变送器或压力表完成。温度的测量采用钼电阻完成。流量的测量可采用涡街流量计或孔板流量计完成。测功仪6用于制动液力透平，同时转速和扭矩的测量采用测功仪6来完成。采集的数据通过数据采集系统汇总于计算机终端集成显示，实现液力透平数据的动态监测。
[0039]在测试工况下，当液力透平及其测试系统进入稳定运行状态后，即可记录数据。利用获得的液力透平进出口压力和温度、流量、扭矩、转速等实验数据，可对液体透平的性能进行评估，完成所述液力透平的测试工作。
【权利要求】
1.一种低温液力透平闭式实验系统，其特征在于，包括液化气储槽(I)、低温泵(2)、汽化器(3)、油站(4)、低温液力透平(5)、测功仪(6);所述液化气储槽(I)中的液化气经过管道和低温泵(2)提升压力后，一路经管道进入液力透平(5)，作为液力透平(5)的工作介质，在液力透平(5)中被节流降压后的液化气通过管道再回到液化气储槽(I)中，另一路通过管道进入汽化器(3)，闪蒸为气体，通过管道引入液力透平(5)的轴封密封腔，作为液力透平(5)的密封气；所述液力透平(5)通过联轴器和测功仪(6)连接；所述油站(4)通过油管与液力透平(5)连接。
2.根据权利要求1所述的低温液力透平闭式实验系统，其特征在于，所述各管道的外侧均用隔温绝热材料包裹。
3.根据权利要求1所述的低温液力透平闭式实验系统，其特征在于，所述低温泵采用变频调节。
4.根据权利要求1所述的低温液力透平闭式实验系统，其特征在于，所述液力透平(5)的轴承使用强制油系统润滑。
5.根据权利要求1或4所述的低温液力透平闭式实验系统，其特征在于，所述油站(4)由油槽、油泵、油管道和冷却器组成，油泵加压后的润滑油经油管流入液力透平(5)的轴承，使用过的润滑油经油管回到油槽，由油冷却器冷却后再进入油泵。
6.根据权利要求1所述的低温液力透平闭式实验系统，其特征在于，所述液化气储槽(I)的出口通过管道和第一阀H(A)与低温泵(2 )的进口连接，所述低温泵(2 )的出口分为三路，第一路通过管道、第 四阀门(D)和流量计(8)连接至低温液力透平(5)的高压液化气进口 ；第二路通过管道和第二阀门(B)与液化气储槽(I)的进口管道连接；第三路通过管道和第六阀门(F)连接至汽化器(3)的入口 ；所述低温液力透平(5)的低压液化气出口通过管道和第五阀门(E)与液化气储槽(I)的进口管道连接，所述液化气储槽(I)的进口管道上设置有第三阀门(C)，并通过管道连接有释放阀(7);所述汽化器(3)的出口通过管道和第七阀门(G)连接至液力透平(5)的轴封密封腔入口。
7.—种低温液力透平闭式实验系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)对低温泵(2)进行冷却； 将第一、二和三阀门(A、B和C)打开，而第四、五和六阀门(D、E和F)关闭；形成一个闭式回路用于冷却低温泵(2);在此过程中，少量液化气蒸发为气体，这些少量气体通过释放阀(7)排放到大气中； 2)液力透平(5)的冷却； 待步骤I)的低温泵的冷却完成后，将第二阀门(B)关闭，第一阀门(A)以及第三至七阀门(C-G)均打开；其中阀门第四阀门(D)和第五阀门(E)分别用于调节液力透平的进出口压力，第六阀门(F)和第七阀门(G)用于控制汽化器(3)的进出口流量；在此冷却阶段中，各回路中的所有部件均处于运行状态；油站(4)的油泵维持润滑油的循环； 3)测试 包括测试工况点的调节以及实验数据的采集: (I)工况点的调节 包括液力透平进出口压力的调节、液力透平流量的调节以及液力透平转速的调节: 进出口压力的调节:通过调节第四阀门(D)和第五阀门(E)来完成，而第三阀门(D)作为辅助调节； 液力透平流量的调节:通过改变液力透平的可调喷嘴的开度获得所需的流量，在此流量的调节过程中需要同时调节液力透平进出口的第四阀门(D)和第五阀门(E)来完成；液力透平的转速调节:通过设置测功仪(6)的指示转速由其控制实现； (2)实验数据的采集 采集压力和温度数据，在压力和温度的测点布置中，共有8个温度测点和6个压力测点；压力的测量采用压力变送器或压力表完成；温度的测量采用钼电阻完成；流量的测量采用涡街流量计或孔板流量计完成；转速和扭矩的测量采用测功仪(6)来完成；采集的数据通过数据采集系统汇总于计算机终端集成显示，实现液力透平数据的动态监测。
【文档编号】G01M13/00GK103512738SQ201310432913
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】孙金菊, 王科, 宋鹏 申请人:西安交通大学