制氮系统及其控制方法与流程

1.本技术属于制氮技术领域，具体涉及一种制氮系统及其控制方法。


背景技术：

2.制氮设备可以从空气中分离出高纯度的氮气。氮气是惰性气体，常作为保护气体，在高纯氮气的环境中，氮气能有效地防止氧化，也常利用其稳定的化学特性，应用于煤炭开采和存储、石油和天然气开采、石油和石化工业、化学工业、医药工业等领域。
3.在电网未覆盖的地区，制氮设备以内燃机为动力源，通过一系列的空气处理流程产出所需纯度的氮气。但是，在电网未覆盖且空气较为稀薄的地区，如高海拔地区，这种地区的空气中的含氧量较低，空气中含氧量低则会导致内燃机燃烧做功不充分，进而导致内燃机输出功率下降。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的是提供一种制氮系统及其控制方法，能够解决目前由于空气中含氧量低而导致的内燃机燃烧做功不充分，进而导致内燃机输出功率下降的问题。
5.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
6.本技术实施例提供了一种制氮系统，包括内燃机、制氮设备和补偿管路，内燃机与制氮设备相连，内燃机可为制氮设备提供动力，内燃机具有进气口，制氮设备具有富氧出口，补偿管路的两端分别与进气口和富氧出口相连通。
7.本技术实施例还提供了一种制氮系统的控制方法，应用于上述的制氮系统，包括：
8.启动内燃机，以运行制氮设备；
9.获取内燃机的进气参数，判断进气参数是否满足补偿条件；
10.当进气参数满足补偿条件时，控制补偿管路处于导通状态。
11.本技术实施例中，制氮设备产生的富氧可通过补偿管路进入内燃机的进气口，也就是说，内燃机的进气口除了可吸入空气外，还可吸入富氧，如此可提高内燃机吸入的气体中的含氧量，使内燃机能更加充分地燃烧做功，提升内燃机的输出功率。
附图说明
12.图1为本技术实施例公开的制氮系统的系统图；
13.图2为本技术实施例公开的第一种控制方法的流程示意图；
14.图3为本技术实施例公开的第二种控制方法的流程示意图；
15.图4为本技术实施例公开的第三种控制方法的流程示意图。
16.附图标记说明：
17.100-内燃机、200-制氮设备、300-补偿管路、310-第一调节阀、320-第一流量检测装置、330-第一浓度检测装置、340-温度调节装置、350-减压装置、360-第一温度检测装置、370-第一压力检测装置、380-第三浓度检测装置、391-第一单向阀、392-第二温度检测装
置、393-第二压力检测装置、394-第二三通阀、400-氮气导入管路、410-第二调节阀、420-第二流量检测装置、430-第二浓度检测装置、440-第二单向阀、500-气体混合装置、600-富氧放空管路、700-混合气体放空管路、800-空气滤清器。
具体实施方式
18.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
19.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
20.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例提供的制氮系统及其控制方法进行详细地说明。
21.如图1所示，本技术实施例公开了一种制氮系统，包括内燃机100、制氮设备200和补偿管路300。可选地，制氮设备200可包括空压机、空气预处理装置、氮气分离装置、氮气增压装置以及中央控制装置。下文所述的内燃机100可为空压机、氮气增压装置等提供动力，空压机可从大气中吸入空气并将空气压缩后提供给空气预处理装置；空气预处理装置可包括缓冲罐、汽水分离器和多级过滤器，空气预处理装置可对压缩空气进行初步处理，除去压缩空气中的水分、油污、灰尘等，从而输出干净、干燥的压缩空气；氮气分离装置可将干净、干燥的压缩空气进行分离，分离出合格的氮气，这里的氮气为混合气体，除氮气外还包括其他气体；氮气增压装置可将合格的氮气进行增压，以满足现场作业需求。可选地，可在内燃机100的进气口处设置空气滤清器800，以过滤空气中的悬浮物。
22.内燃机100与制氮设备200相连，内燃机100可为制氮设备200提供动力，内燃机100具有进气口，制氮设备200具有富氧出口，补偿管路300的两端分别与进气口和富氧出口相连通。本技术实施例中，制氮设备200产生的富氧可通过补偿管路300进入内燃机100的进气口，也就是说，内燃机100的进气口除了可吸入空气外，还可吸入富氧，如此可提高内燃机100吸入的气体中的含氧量，使内燃机100能更加充分地燃烧做功，提升内燃机100的输出功率。
23.在上一实施例中，将富氧输入内燃机100的进气口虽可提高内燃机100吸入的气体中的含氧量，进而提高内燃机100的输出功率，但输入进气口的补偿气体仅含有富氧，而富氧中的氧气含量较高，约为99％，在补偿气体同外界的空气一同进入内燃机100时，补偿气体会与外界空气进行混合，这将会改变空气中的不同气体的占比，进而改变空气中的不同气体的膨胀比，从而使内燃机100的做功效率无法达到最佳。在一种可选的实施例中，制氮设备200还具有氮气出口，制氮系统还包括氮气导入管路400，氮气导入管路400的第一端与氮气出口相连通，氮气导入管路400的第二端与补偿管路300相连通。本技术实施例中，制氮
设备200生产的氮气可通过氮气导入管路400进入补偿管路300，从而使富氧和氮气混合，富氧和氮气混合后的气体为补偿气体，如此可减小输入进气口中的补偿气体中的富氧的占比，使补偿气体中的氧气和氮气的比例接近于空气中的氧气和氮气的比例。因此，相较于上一实施例，补偿气体对外界空气中的不同气体的占比的影响较小，进而使补偿气体对空气中的不同气体的膨胀比的影响较小，如此可进一步地提高内燃机100的做功效率。
24.在一种可选的实施例中，补偿管路300上设有气体混合装置500，氮气导入管路400的第二端与气体混合装置500的进气端相连通。若不设置气体混合装置500，氮气与富氧可能会混合不均匀，而本实施例设置气体混合装置500后可使氮气和富氧混合得更加均匀。可选地，气体混合装置500可采用旋转搅拌的方式将氮气和富氧快速地混合，操作简单；或者，可采用水浴加热方式使氮气和富氧快速地混合；或者，采用静态混合罐的方式将氮气和富氧均匀地混合。本技术不对气体混合装置500的混合方式作限定，具体可根据现场使用工况进行选择。可选地，氮气导入管路400上设有第二单向阀440，在氮气导入管路400向氮气导入管路400的第二端延伸的方向上，第二单向阀440导通，补偿管路300上设有第一单向阀391，第一单向阀391位于气体混合装置500的上游，在补偿管路300向气体混合装置500延伸的方向上，第一单向阀391导通。
25.制氮设备200生产的富氧和氮气均为混合气体，富氧中包括氧气和其他气体，氮气中还包括除氮气以外的其他气体，在上述实施例中，可根据制氮设备200运行稳定时的富氧产量和富氧中氧气的纯度来确定所需氮气的总量，而后再结合制氮设备200的氮气产量和氮气的纯度来确定氮气导入管路400的管径，从而使富氧和氮气的混合比例位于预设范围之内；富氧和氮气混合后所形成的气体为补偿气体，补偿气体中，氮气和氧气的目标比例约为(75～81％):(18～24％)，可根据补偿气体中的氮气和氧气的目标比例、制氮设备200生产的氮气的纯度、富氧中氧气的纯度来确定预设范围；例如，先通过目标氮气的含量和氮气的纯度获取氮气的总量，通过目标氧气的含量和富氧中氧气的纯度获取富氧的总量，预设范围即为氮气的总量与富氧的总量的比值范围；当然，本技术不对补偿气体中的氮气和氧气的目标比例作限定，可根据实际工况进行调整。需要说明的是，本实施例中的富氧产量、富氧中氧气的纯度、氮气产量和氮气的纯度可以为制氮设备200的控制装置中的预设值。
26.在上一实施例中，若富氧产量、富氧中氧气的纯度、氮气产量和氮气的纯度中的任意一个指标发生改变，都会影响富氧和氮气的混合比例，从而影响内燃机做功效率。在一种可选的实施例中，补偿管路300上设有第一调节阀310，第一调节阀310位于氮气导入管路400的第二端的上游；和/或，氮气导入管路400上设有第二调节阀410；第一调节阀310和/或第二调节阀410用于调节氮气和富氧的混合比例，而控制氮气和富氧的混合比例实际上则是控制氧气和氮气的混合比例。本实施例中的第一调节阀310可调节与氮气混合的富氧的流量，从而控制与氮气混合的氧气的气体含量；第二调节阀410可调节与富氧混合的氮气的流量，从而控制与富氧混合的氮气的气体含量；在富氧产量、富氧中氧气的纯度、氮气产量和氮气的纯度中的任意一个指标发生改变时，均可通过调节第一调节阀310的开度和/或第二调节阀410的开度来控制富氧和氮气的混合比例，从而使内燃机的做功效率达到最佳。可选地，第一调节阀310和第二调节阀410可为球阀、蝶阀等可调节流量的阀门。
27.在一种可选的实施例中，补偿管路300上设有第一流量检测装置320和第一浓度检测装置330，第一流量检测装置320和第一浓度检测装置330均位于氮气导入管路400的第二
端的上游，氮气导入管路400上还设有第二流量检测装置420和第二浓度检测装置430；第一流量检测装置320和第一浓度检测装置330用于获取氧气的气体含量，第二流量检测装置420和第二浓度检测装置430用于获取氮气的气体含量，根据氧气的气体含量和氮气的气体含量，可获取第一调节阀310和/或第二调节阀410的开度。可选地，第一浓度检测装置330可为氧气浓度分析仪；第二浓度检测装置430可为氮气浓度分析仪或者氧气浓度分析仪，在第二浓度检测装置430为氧气浓度分析仪时，可通过检测氮气中的氧气含量间接地获取氮气的纯度。
28.本实施例的第一流量检测装置320可检测富氧的流量，第一浓度检测装置330可检测富氧中氧气的纯度，根据富氧的流量和富氧中氧气的纯度可获取参与混合的富氧中氧气的气体含量；第二流量检测装置420可检测氮气的流量，第二浓度检测装置430可检测氮气的纯度，根据氮气的流量和氮气的纯度可获取参与混合的氮气的气体含量，可根据氧气的气体含量和氮气的气体含量，获取第一调节阀310的第一目标开度和/或第二调节阀410的第二目标开度；这里可根据预先输入的氧气的气体含量和氮气的气体含量与第一调节阀310的第一目标开度和/或第二调节阀410的第二目标开度的曲线，来确定第一调节阀310的第一目标开度和/或第二调节阀410的第二目标开度；或者，可通过预设的氧气气体含量和第一调节阀310的开度控制曲线获取第一目标开度，通过氮气气体含量和第二调节阀410的开度控制曲线获取第二目标开度；或者，可实时地控制第一调节阀310的开度和/或第二调节阀410的开度，在氧气的气体含量和氮气的气体含量的实际比例位于氮气和氧气的目标比例的范围之内时，可获取第一调节阀310第一目标开度和/或第二调节阀410的第二目标开度。由此可见，本实施例可动态地调整第一调节阀310和/或第二调节阀410的开度，从而精准地控制富氧和氮气的混合比例。当然，除本实施例外，还可通过制氮设备200检测的富氧产量、富氧中氧气的纯度、氮气产量和氮气的纯度来调节第一调节阀310和/或第二调节阀410的开度。
29.在制氮设备200运行的初期，即：制氮设备200刚开始运行时，氮气的产量和富氧的产量等指标不稳定，如此会导致富氧和氮气的混合比例不易控制，从而加大制氮系统的控制难度。在一种可选的实施例中，制氮系统还包括富氧放空管路600，富氧放空管路600的第一端可通断地与补偿管路300相连通，富氧放空管路600的第一端位于氮气导入管路400的第二端和富氧出口之间，补偿管路300包括第一管段，第一管段位于氮气导入管路400的第二端和富氧放空管路600的第一端之间，第一管段与富氧出口可通断地相连通。在本实施例中，在制氮设备200运行的初期，可控制富氧放空管路600处于导通状态，控制氮气导入管路400和第一管段处于截止状态，如此可使富氧从富氧放空管路600外排；当制氮设备200运行稳定时，再控制富氧放空管路600处于截止状态，控制第一管段和氮气导入管路400处于导通状态，如此更易控制富氧和氮气的混合比例，减小制氮系统的控制难度。可选地，第一调节阀310可设于富氧放空管路600的第一端，且第一调节阀310为第一三通阀，调节第一三通阀可同时控制第一管段和富氧放空管路600的导通/截止状态。
30.由制氮设备200产出的氮气和富氧的压力较高，这可能会导致补偿气体的压力大于内燃机100所需的进气压力，且制氮设备200产出的氮气和富氧的温度也可能存在波动。在一种可选的实施例中，补偿管路300上还设有温度调节装置340和/或减压装置350，温度调节装置340和/或减压装置350设于氮气导入管路400的第二端的下游。可选地，温度调节
装置340可包括加热器和冷却器。本实施例可通过温度调节装置340和/或减压装置350，调节混合后的补偿气体的温度和/或压力，从而使补偿气体的温度和/或压力满足内燃机100的进气要求，从而可进一步地提高内燃机100的做功效率。进一步地，补偿管路300上还设有第二温度检测装置392和第二压力检测装置393，且第二温度检测装置392和第二压力检测装置393均位于温度调节装置340和减压装置350中的较为靠近氮气导入管路400的第二端的一者和氮气导入管路400的第二端之间。本实施例可在调节补偿气体的温度和压力之前，对补偿气体的温度和压力进行测量，从而提高温度调节装置340和减压装置350分别对温度和压力调节的准确性。
31.在一种可选的实施例中，补偿管路300上还设有第一温度检测装置360、第一压力检测装置370和第三浓度检测装置380中的至少一者，第三浓度检测装置380用于检测氮气和富氧混合后所形成的气体中的氧气的纯度，第一温度检测装置360、第一压力检测装置370和第三浓度检测装置380中的至少一者均位于温度调节装置340和/或减压装置350的下游。本实施例的第一温度检测装置360可检测经温度调节装置340和/或减压装置350调节后的补偿气体的温度，第一压力检测装置370可检测经温度调节装置340和/或减压装置350调节后的补偿气体的压力，通过第一温度检测装置360、第一压力检测装置370和第三浓度检测装置380中的至少一者检测到的状态参数，可判断经过温度调节装置340和/或减压装置350处理后的补偿气体是否达到内燃机100所需气体的状态参数的目标值。需要说明的是，补偿管路300上可配套地设置第一温度检测装置360和温度调节装置340，还可配套地设置第一压力检测装置370和减压装置350。
32.若补偿气体的状态参数未达到内燃机100所需气体的状态参数的目标值，从而使内燃机100的做功效率无法达到最佳，这里的状态参数包括温度、压力和氧含量中的至少一个，状态参数的目标值是与状态参数相匹配的温度、压力和氧含量的目标值。在一种可选的实施例中，制氮系统还包括混合气体放空管路700，混合气体放空管路700的第一端可通断地与补偿管路300相连通，混合气体放空管路700的第一端位于第一温度检测装置360、第一压力检测装置370和第三浓度检测装置380中最靠近进气口的一者和进气口之间，补偿管路300包括第二管段，第二管段位于进气口和混合气体放空管路700的第一端之间，第二管段与进气口可通断地相连通。本技术实施例中，当补偿气体的状态参数未达到内燃机100所需气体的状态参数的目标值时，可控制第二管段处于截止状态，控制混合气体放空管路700处于导通状态，补偿气体可通过混合气体放空管路700进行放空；当补偿气体的状态参数达到内燃机100所需气体的状态参数的目标值时，可控制第二管段处于导通状态，控制混合气体放空管路700处于截止状态，补偿气体可通过第二管段进入内燃机100的进气口，进行补偿。可选地，补偿管路300上还设有第二三通阀394，第二三通阀394位于混合气体放空管路700的第一端，调节第二三通阀394可同时控制第二管段和混合气体放空管路700的导通/截止状态。
33.如图2至图4所示，本技术实施例还公开了一种制氮系统的控制方法，应用于上述任一实施例所述的制氮系统，包括：
34.s100、启动内燃机100，以运行制氮设备200；
35.s200、获取内燃机100的进气参数，判断进气参数是否满足补偿条件；
36.这里的进气参数是指内燃机100吸入的空气的压力值、氧含量等参数，可通过预先
设定好的与进气参数相关联的补偿曲线来判断进气参数是否满足补偿条件。
37.s300、当进气参数满足补偿条件时，控制补偿管路300处于导通状态。
38.本技术实施例中，制氮设备200产生的富氧可通过补偿管路300进入内燃机100的进气口，也就是说，内燃机100的进气口除了可吸入空气外，还可吸入富氧，如此可提高内燃机100吸入的气体中的含氧量，使内燃机100能更加充分地燃烧做功，提升内燃机100的输出功率。
39.在一种可选的实施例中，制氮设备200还具有氮气出口，制氮系统还包括氮气导入管路400，制氮系统的控制方法还包括：
40.s400、当进气参数满足补偿条件时，控制氮气导入管路400处于导通状态。
41.本技术实施例中，制氮设备200生产的氮气可通过氮气导入管路400进入补偿管路300，从而使富氧和氮气混合，从而减小输入进气口中的补偿气体中的富氧的占比，使补偿气体中的氧气和氮气的比例接近于空气中的氧气和氮气的比例，从而使补偿气体对空气中的不同气体的膨胀比的影响较小，进而进一步地提高内燃机100的做功效率。
42.在一种可选的实施例中，制氮设备200还具有氮气出口，制氮系统还包括氮气导入管路400和混合气体放空管路700，补偿管路300包括第一管段和第二管段，控制补偿管路300处于导通状态的步骤之前还包括：
43.s510、控制第一管段和第二管段处于截止状态；
44.s520、控制氮气出口和混合气体放空管路700之间的流体通路处于导通状态；
45.这里的步骤s510和s520可以在步骤s200之后，也可以在步骤s200之前。
46.在步骤s300中，控制补偿管路300处于导通状态的步骤具体为：
47.s310、控制第一管段处于导通状态，以使富氧和氮气混合；
48.s320、获取富氧和氮气混合后所形成气体的状态参数；
49.这里的状态参数包括温度、压力和氧含量中的至少一个。
50.s330、当状态参数达到目标值时，控制混合气体放空管路700处于截止状态，控制第二管段处于导通状态。
51.这里的目标值是与状态参数相匹配的温度、压力和氧含量的目标值。
52.本技术实施例在富氧和氮气混合之前，可使用氮气对氮气出口和混合气体放空管路700之间的流体通路进行吹扫，如此可排出流体管路内的水蒸气等气体，从而避免该流体通路中的水蒸气等气体干扰富氧和氮气的混合比例，这里的流体通路包括补偿管路300的一部分和氮气导入管路400。待吹扫完毕以后，再将第一管段导通，使富氧和氮气混合，当富氧和氮气混合后所形成的补偿气体的状态参数达到内燃机100的进气状态参数的目标值时，可导通第二管段向进气口提供补偿气体。
53.在一种可选的实施例中，补偿管路300上设有第一调节阀310，和/或，氮气导入管路400上还设有第二调节阀410，制氮系统的控制方法还包括：
54.s600、调节第一调节阀310的开度和/或第二调节阀410的开度，使氮气和富氧的混合比例位于预设范围之内。
55.具体来讲，第一调节阀310可调节与氮气混合的富氧的流量，从而控制与氮气混合的氧气的气体含量；第二调节阀410可调节与富氧混合的氮气的流量，从而控制与富氧混合的氮气的气体含量。本实施例可通过调节第一调节阀310的开度和/或第二调节阀410的开
度来控制富氧和氮气的混合比例，以使氮气和富氧的混合比例位于预设范围之内。富氧和氮气混合后所形成的气体为补偿气体，在补偿气体中，氮气和氧气的目标比例约为(75～81％):(18～24％)，可根据补偿气体中的氮气和氧气的目标比例、制氮设备200生产的氮气的纯度和富氧中氧气的纯度来确定预设范围；例如，先通过目标氮气的含量和氮气的纯度获取氮气的总量，通过目标氧气的含量和富氧中氧气的纯度获取富氧的总量，预设范围即为氮气的总量与富氧的总量的比值范围；当然，本技术不对补偿气体中的氮气和氧气的目标比例作限定，可根据实际工况进行调整。
56.在一种可选的实施例中，步骤s600具体为：
57.s610、分别获取混合前氧气的气体含量和氮气的气体含量；
58.这里可通过第一流量检测装置320和第一浓度检测装置330获取氧气的气体含量，可通过第二流量检测装置420和第二浓度检测装置430获取氮气的气体含量。
59.s620、根据氧气的气体含量和氮气的气体含量，获取第一调节阀310的第一目标开度和/或第二调节阀410的第二目标开度；
60.这里可通过预先输入的氧气的气体含量和氮气的气体含量与第一调节阀310的第一目标开度和/或第二调节阀410的第二目标开度的曲线，来确定第一调节阀310的第一目标开度和/或第二调节阀410的第二目标开度。或者，可通过预设的氧气气体含量和第一调节阀310的开度控制曲线获取第一目标开度，通过氮气气体含量和第二调节阀410的开度控制曲线获取第二目标开度。
61.s630、将第一调节阀310的开度调节至第一目标开度，和/或，将第二调节阀410的开度调节至第二目标开度。
62.本实施例可动态地调节第一调节阀310和/或第二调节阀410的开度，从而精准地控制富氧和氮气的混合比例。
63.本技术上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。