一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统

1.本发明涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统。


背景技术：

2.目前在低温制冷技术领域，建设大科学工程必须在液氦或超流氦低温环境下运行，基于透平膨胀制冷的低温系统是实现大科学装置低温环境的唯一手段。基于透平膨胀制冷的低温系统正是氦气资源开采、储存、转运、回收链不可或缺的核心设备。同时，液氢是氢能利用的主要方式之一，基于透平膨胀制冷的低温系统是获取大量液氢的关键设备。一个大气压下液氢温度为20.23k(-252.92℃)，液氦的温度为4.2k(-268.95℃)，获取大量的液氢和液氦需要基于透平膨胀制冷的低温系统。
3.目前的20l/h氦液化器、40l/h氦液化器、80l/h氢液化器、250w@4.5k氦制冷机等中小型低温设备均采用带液氮预冷的修正克劳德循环作为主要流程。按照流程工作系统从常温启动开始降温，液氮预冷级在满足换热器降温速率要求下，可迅速从300k降温至液氮温度79k；液氮预冷级后设备，由于换热器热容较大且温度较高，导致透平受进气量限制而制冷量较小，因此液氮预冷级之后的换热器及负载降温较慢，系统降温时主要是液氮预冷级之后的换热器及负载降温产生能耗。系统复温时，液氮停止供应，液氮预冷级换热器入口的高压常温气体可将液氮预冷级换热器较快复温；但液氮预冷级之后的换热器的热容较大且温度较低，进入的气体为液氮预冷级降温后的气体，低于常温，导致液氮预冷级之后的换热器复温较慢，系统复温时主要是液氮预冷级之后的换热器及用户负载复温产生能耗。因此，上述制冷系统按照正常流程降温和复温的效率较慢，耗时长，耗能高。


技术实现要素：

4.本发明的一目的是，提供一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统，该系统降温过程和复温过程效率快、耗能低且结构简单，易于实现，有利于节省大量运行成本。
5.一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统，包括低压管路，与所述低压管路形成循环回路的高压管路，设置在低压管路和高压管路之间的压缩机，设置在所述低压管路和所述高压管路形成的循环回路中的液氮预冷模块、透平换热模块、节流级换热器和负载模块，以及自所述液氮预冷模块的高压出口引出并自所述透平换热模块的低压入口或者所述节流级换热器的低压入口接入的快速降温快速复温回路；其中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统具有降温阶段和复温阶段，
6.在降温阶段，所述压缩机对所述低压管路中的气体工质进行增压，增压后的高压常温气体工质经所述高压管路输出至所述液氮预冷模块，所述高压常温气体经所述液氮预冷模块中的液氮和低压回气冷却降温后形成高压低温气体，自所述液氮预冷模块的高压出口输出，一路经由所述透平换热模块的高压入口进入所述透平换热模块，对所述透平换热模块进行冷却；另一路经由所述快速降温快速复温回路进入所述透平换热模块的低压入
口，对所述透平换热模块进行冷却；以此所述高压低温气体通过两路输出，使得所述液氮预冷模块的高压进气量增大，从而使得所述液氮预冷模块输入更多液氮，使得进入所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的冷量增大，以提高所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的降温速率；
7.在复温阶段，所述液氮预冷模块停止输入液氮，且所述透平换热模块的透平停止，此时无冷量输入所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统，常温气体经所述压缩机增压形成高压常温气体后进入所述液氮预冷模块进行换热，形成高于液氮温度的高压气体并经所述液氮预冷模块的高压出口输出，一路经由所述透平换热模块的高压入口进入所述透平换热模块，对所述透平换热模块进行加热；另一路经由所述快速降温快速复温回路进入所述透平换热模块的低压入口，对所述透平换热模块进行加热；以此所述高于液氮温度的高压气体通过两路输出，使得所述液氮预冷模块的高压进气量增大，从而使得进入所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的常温气体增加，以提高所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的复温速率；
8.其中所述透平换热模块、所述节流级换热器以及所述负载模块用于对所述液氮预冷模块输出的高压低温气体进行多级换热处理，以使得所述高压低温气体形成低压回气；并用于对所述低压回气进行多级换热处理，以使得所述低压回气升温形成常温气体，常温气体通过所述低压管路进入所述压缩机再次循环。
9.在本发明的一实施例中，所述的快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还包括设置在所述快速降温快速复温回路的调节阀，所述调节阀用于调节进入所述快速降温快速复温回路的气体流量，确保所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的降温阶段和复温阶段能够平稳快速进行，所述调节阀为一个或多个低温调节阀，包括手动调节阀、气动调节阀、电动调节阀中的任一种或多种。
10.在本发明的一实施例中，所述液氮预冷模块包括液氮预冷级换热器、设置在所述液氮预冷级换热器的高压入口侧的氮气排气管路以及设置在所述液氮预冷级换热器的高压出口侧的液氮进气管路，其中所述液氮进气管路用于在降温阶段将液氮输入所述液氮预冷级换热器，在降温阶段，所述液氮预冷级换热器用于通过液氮和低压回气对经所述压缩机增压后的高压常温气体进行冷却降温，并用于与低压回气进行换热而使得低压回气升温至常温；在复温阶段，停止供应液氮，不再向系统输入冷量；所述氮气排气管路用于将由所述液氮进气管路输入的液氮和进入所述液氮预冷模块的高压常温气体换热后形成的常温氮气排出至大气。
11.在本发明的一实施例中，所述透平模块包括透平串前级换热器和连接于所述透平串前级换热器的透平串，所述透平串包括前级透平、前级透平换热器、透平串中间换热器、后级透平、后级透平换热器，其中，
12.所述快速降温快速复温回路自所述后级透平换热器的低压入口接入，在降温阶段，所述液氮预冷级换热器输出的一路高压低温气体输入所述透平串前级换热器中，对所述透平串前级换热器进行冷却；另一路高压低温气体经由所述快速降温快速复温回路进入所述后级透平换热器的低压入口，对所述后级透平换热器进行冷却；其中在所述高压低温气体输入所述透平串前级换热器时，所述高压低温气体被所述透平串前级换热器的低压回气冷却降温后，一路进入所述透平串的所述前级透平中膨胀降温，膨胀降温后的气体进入
所述透平串中间换热器，被所述透平串中间换热器的低压回气冷却降温后进入所述透平串的所述后级透平再次膨胀降温，膨胀降温后的气体进入所述低压管路，形成低压回气，低压回气依次经所述后级透平换热器、所述透平串中间换热器、所述前级透平换热器、所述透平串前级换热器以及所述液氮预冷级换热器换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路进入所述压缩机再次循环；另一路进入所述透平串的所述前级透平换热器，被所述前级透平换热器的低压回气冷却后进入所述后级透平换热器的高压侧，被所述后级透平换热器的低压回气冷却后进入所述节流级换热器的高压侧，被所述节流级换热器的低压回气冷却后进入所述负载模块，与所述负载模块换热后形成低温低压回气，低温低压回气依次经所述节流级换热器、所述后级透平换热器、所述透平串中间换热器、所述前级透平换热器、所述透平串前级换热器以及所述液氮预冷级换热器换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路进入所述压缩机再次循环；所述液氮预冷级换热器输出的一路高压低温气体经由所述后级透平换热器的低压入口进入所述后级透平换热器，对所述后级透平换热器进行冷却；
13.在复温阶段，所述液氮预冷模块停止输入液氮，此时无冷量输入所述液氮预冷模块，所述前级透平和所述后级透平停止工作，常温气体经所述压缩机增压形成高压常温气体后进入所述液氮预冷模块进行换热，形成高压高温气体并经所述液氮预冷模块的高压出口输出，所述液氮预冷级换热器输出的一路高压高温气体进入所述透平串前级换热器的高压入口，对所述透平串前级换热器进行加热，与所述透平串前级换热器换热后的高压高温气体依次进入所述前级透平换热器的高压侧、所述透平串中间换热器的高压侧、所述后级透平换热器的高压侧以及所述节流级换热器的高压侧，以依次对所述前级透平换热器、所述透平串中间换热器、所述后级透平换热器以及所述节流级换热器进行加热；另一路高压高温气体经由所述快速降温快速复温回路进入所述后级透平换热器的低压入口，对所述后级透平换热器进行加热，与所述后级透平换热器换热后的高压高温气体依次进入所述透平串中间换热器的低压侧、所述前级透平换热器的低压侧以及所述透平串前级换热器的低压侧，以依次对所述透平串中间换热器、所述前级透平换热器以及所述透平串前级换热器进行加热。
14.在本发明的一实施例中，所述透平模块包括透平串前级换热器和连接于所述透平串前级换热器的高压出口与低压入口的透平串，所述透平串包括前级透平、前级透平换热器、透平串中间换热器、后级透平、后级透平换热器，其中，
15.所述快速降温快速复温回路自所述透平串中间换热器的低压入口接入，在降温阶段，所述液氮预冷级换热器输出的一路高压低温气体输入所述透平串前级换热器中，对所述透平串前级换热器进行冷却；另一路高压低温气体经由所述快速降温快速复温回路进入所述透平串中间换热器的低压入口，对所述透平串中间换热器进行冷却；其中在所述高压低温气体输入所述透平串前级换热器时，所述高压低温气体被所述透平串前级换热器的低压回气冷却降温后，一路进入所述透平串的所述前级透平中膨胀降温，膨胀降温后的气体进入所述透平串中间换热器，被所述透平串中间换热器的低压回气冷却降温后进入所述透平串的所述后级透平再次膨胀降温，膨胀降温后的气体进入所述低压管路，形成低压回气，低压回气依次经所述后级透平换热器、所述透平串中间换热器、所述前级透平换热器、所述透平串前级换热器以及所述液氮预冷级换热器换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路进入所述压缩机再次循环；另一路进入所述透平串的所述前级透平换热器，被所述前级
透平换热器的低压回气冷却后进入所述后级透平换热器的高压侧，被所述后级透平换热器的低压回气冷却后进入所述节流级换热器的高压侧，被所述节流级换热器的低压回气冷却后进入所述负载模块，与所述负载模块换热后形成低温低压回气，低温低压回气依次经所述节流级换热器、所述后级透平换热器、所述透平串中间换热器、所述前级透平换热器、所述透平串前级换热器以及所述液氮预冷级换热器换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路进入所述压缩机再次循环；所述液氮预冷级换热器输出的一路高压低温气体经由所述后级透平换热器的低压入口进入所述后级透平换热器，对所述后级透平换热器进行冷却；
16.在复温阶段，所述液氮预冷模块停止输入液氮，此时无冷量输入所述液氮预冷模块，所述前级透平和所述后级透平停止工作，常温气体经所述压缩机增压形成高压常温气体后进入所述液氮预冷模块进行换热，形成高压高温气体并经所述液氮预冷模块的高压出口输出，所述液氮预冷级换热器输出的一路高压高温气体进入所述透平串前级换热器的高压入口，对所述透平串前级换热器进行加热，与所述透平串前级换热器换热后的高压高温气体依次进入所述前级透平换热器的高压侧、所述透平串中间换热器的高压侧、所述后级透平换热器的高压侧以及所述节流级换热器的高压侧，以依次对所述前级透平换热器、所述透平串中间换热器、所述后级透平换热器以及所述节流级换热器进行加热；另一路高压高温气体经由所述快速降温快速复温回路进入所述透平串中间换热器的低压入口，对所述透平串中间换热器进行加热，与所述透平串中间换热器换热后的高压高温气体依次进入所述前级透平换热器的低压侧和所述透平串前级换热器的低压侧，以依次对所述前级透平换热器以及所述透平串前级换热器进行加热。在本发明的一实施例中，所述透平换热模块包括透平串前级换热器和连接于所述透平串前级换热器的高压出口与低压入口透平串，所述透平串包括前级透平和前级透平换热器，其中，
17.所述快速降温快速复温回路自所述前级透平换热器的低压入口接入，在降温阶段，所述液氮预冷级换热器输出的一路高压低温气体输入所述透平串前级换热器中，对所述透平串前级换热器进行冷却；另一路高压低温气体经由所述快速降温快速复温回路进入所述前级透平换热器的低压入口，对所述前级透平换热器进行冷却；其中在所述高压低温气体输入所述透平串前级换热器时，所述高压低温气体被所述透平串前级换热器的低压回气冷却降温后，一路进入所述透平串的所述前级透平中膨胀降温，降温后的气体进入所述低压管路，形成低压回气，低压回气依次经所述前级透平换热器、所述透平串前级换热器以及所述液氮预冷级换热器换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路进入所述压缩机再次循环；另一路进入所述前级透平换热器中被低压回气冷却后进入所述节流级换热器的高压侧，被所述节流级换热器的低压回气冷却后进入所述负载模块，与所述负载模块换热后形成低温低压回气，低温低压回气依次经所述节流级换热器、所述前级透平换热器、所述透平串前级换热器以及所述液氮预冷级换热器换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路进入所述压缩机再次循环；
18.在复温阶段，所述液氮预冷模块停止输入液氮，此时无冷量输入所述液氮预冷模块，所述前级透平停止工作，常温气体经所述压缩机增压形成高压常温气体后进入所述液氮预冷模块进行换热，形成高压高温气体并经所述液氮预冷模块的高压出口输出，所述液氮预冷级换热器输出的一路高压高温气体进入所述透平串前级换热器的高压入口，对所述透平串前级换热器进行加热，与所述透平串前级换热器换热后的高压高温气体依次进入所
述前级透平换热器的高压侧和所述节流级换热器的高压侧；另一路高压高温气体经由所述快速降温快速复温回路进入所述前级透平换热器的低压侧，对所述前级透平换热器进行加热，与所述前级透平换热器换热后的高压高温气体进入所述透平串前级换热器的低压侧，对所述透平串前级换热器进行加热。在本发明的一实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还包括设置在所述节流级换热器的高压出口和所述负载模块的高压入口之间的节流阀，所述节流阀用于对所述节流级换热器输出的高压低温气体进行节流降温以形成低温气体或低温气液混合物。
19.在本发明的一实施例中，所述负载模块为用户负载或低温液体杜瓦，其中经所述节流阀节流降温后形成的低温气体经所述用户负载换热后形成低温低压回气，其中经所述节流阀节流降温后形成的低温气液混合物经所述低温液体杜瓦进行气液分离后形成低温低压回气。
20.在本发明的一实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的气体工质为氦气或氢气。
21.在本发明的一实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用的气体工质为氢气，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还包括连接于所述液氮预冷模块、所述透平换热模块、所述节流级换热器以及所述负载模块的液化气供气路和设置在所述液化气供气路和所述负载模块之间的液化路节流阀，所述液化气供气路用于提供高压氢气，所述液化路节流阀用于对经所述液氮预冷模块、所述透平换热模块、所述节流级换热器逐级冷却后的高压低温氢气进行节流降温处理，以使高压低温氢气形成液氢。
22.本发明能够实现的有益效果包括：
23.本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统通过采用增加快速降温快速复温旁路的方式，在降温阶段，使得更多冷量进入液氮预冷级换热器之后的换热器，加快对液氮预冷级换热器之后的换热器的冷却降温速率，在复温阶段，使得更多的热量进入液氮预冷级换热器之后的换热器，加快对液氮预冷级换热器之后的换热器的升温速率，以此通过两路气体传输的方式，增大了液氮预冷级换热器的高压进气量，使得整个系统能够进入更多冷量和热量，从而提高了整个系统降温和复温速度，整个系统的降温和复温时间缩短至原来耗时的20％～25％，大大节约了降温和复温所耗费的时间，同时也减少了能耗，节约了大量运行成本。
24.本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还通过在快速降温快速复温旁路设置调节阀的方式，来调节旁通气体量，确保系统的降温阶段和复温阶段能够平稳快速进行，节省运行时间，降低能耗。
25.本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还通过在其制冷循环回路中设置节流级换热器的方式，来起到热缓冲作用，能够避免节流级换热器的出口温度急剧急剧上升，导致用户负载或低温液体杜瓦内温度升高过快，进而导致压力升高过快，引起危险的问题产生，确保整个系统的复温安全性。
26.通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
27.图1为修正克劳德循环系统的结构示意图。
28.图2为根据本发明的第一优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构示意图。
29.图3为根据本发明的第二优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构示意图。
30.图4为根据本发明的第三优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构示意图。
31.图5为根据本发明的第四优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构示意图。
32.图6为根据本发明的第五优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构示意图。
33.图7为根据本发明的第六优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构示意图。
34.附图标号说明：压缩机1；高压管路2；低压管路3；氮气排气管路4；液氮进气管路5；前级透平6；透平串中间换热器7；后级透平8；节流阀9；负载模块10；节流级换热器11；后级透平换热器12；前级透平换热器13；透平串前级换热器14；液氮预冷级换热器15；调节阀16；液化路节流阀17；液化气供气路18；快速降温快速复温回路19。
具体实施方式
35.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
36.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
37.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统为一种采用修正克劳德循环作为主要流程的制冷系统，以下将结合图1来阐明修正克劳德循环的工作原理。
40.如图1所示，带液氮预冷的修正克劳德循环系统包括低压管路3、与所述低压管路3形成循环回路的高压管路2，设置在低压管路3和高压管路2之间的压缩机1，以及设置在所
述低压管路3和所述高压管路2形成的循环回路中的液氮预冷模块、透平换热模块、节流级换热器11、节流阀9以及负载模块10，其中所述液氮预冷模块包括液氮预冷级换热器15、设置在所述液氮预冷级换热器15的高压进气口侧的氮气排气管路4以及设置在所述液氮预冷级换热器15的高压出口侧的液氮进气管路5；所述透平换热模块包括透平串前级换热器14和连接于所述透平串前级换热器14的透平串，所述透平串包括前级透平6、前级透平换热器13、透平串中间换热器7、后级透平8、后级透平换热器12，所述负载模块10为用户负载或低温液体杜瓦。
41.带液氮预冷的修正克劳德循环系统的工作原理如下：压缩机1将低压管路3中气体工质(常温气体)增压后形成高压常温气体，高压常温气体进入高压管路2，高压管路2中的高压常温气体工质进入液氮预冷级换热器15，在液氮预冷级换热器15中，所述高压常温气体工质被进入液氮预冷液氮进气管路5的液氮和液氮预冷级换热器15的低压回气冷却降温后，形成高压低温气体，进入透平串前级换热器14；
42.进入透平串前级换热器14的所述高压低温气体被低压回气冷降温后分成两路，一路进入透平串的前级透平6膨胀降温，降温后的气体工质进入透平串中间换热器7，被透平串中间换热器7的低压回气冷却降温后进入透平串的后级透平8再次膨胀降温，膨胀降温后的气体工质进入低压管路，形成低压回气；另一路进入透平串的前级透平换热器13，被透平串的前级透平换热器13的低压回气冷却后进入透平串中间换热器7高压侧，被透平串中间换热器7的低压回气冷却后进入透平串的后级透平换热器12高压侧，被透平串的后级透平换热器12中的低压回气冷却后进入节流级换热器11的高压侧，被节流级换热器11中的低压回气冷却后进入节流阀9，在节流阀9节流降温后形成低温气体或低温气液混合物，随后进入用户负载或低温液体杜瓦，给用户负载降温后或在低温液体杜瓦气液分离后形成低温低压回气；
43.所述低温低压回气进入节流级换热器11低压侧，作为低压回气冷却节流级换热器11的高压侧并升温，随后与透平串的后级透平8的膨胀降温后的气体混合进入透平串的后级透平换热器12的低压侧，作为低压回气冷却透平串的后级透平换热器12的高压侧并升温，随后进入透平串中间换热器7的低压侧，作为低压回气冷却透平串中间换热器7的高压侧并升温，随后进入透平串的前级透平换热器13的低压侧，作为低压回气冷却透平串的前级透平换热器13的高压侧并升温，随后进入透平串前级换热器14的低压侧，作为低压回气冷却透平串前级换热器14的高压侧并升温，随后进入液氮预冷级换热器15的低压侧，作为低压回气冷却液氮预冷级换热器15的高压侧并升温至常温，形成常温气体，所述常温气体通过低压管路3进入压缩机1再次循环；
44.其中，液氮通过液氮进气管路5进入液氮预冷级换热器15的液氮侧，与进入液氮预冷级换热器15的高压常温气体换热升温后成为常温氮气，通过氮气排气管路4排往大气。
45.可以理解的是，所述带液氮预冷的修正克劳德循环系统的循环回路在未启动之前为常温，在系统进入稳定运行阶段时，其循环回路位于压缩机1的一侧为常温，位于用户负载或低温液体杜瓦10的一侧为工作的低温温度，各级换热器温度从压缩机1一侧至用户负载或低温液体杜瓦10一侧温度逐渐降低。
46.在降温过程中，液氮可将液氮预冷级换热器15的高压出口较快地降温至液氮温度，液氮预冷级换热器15之后的换热器依靠液氮预冷级换热器15的高压侧的液氮温度气体
带入的冷量以及透平换热模块膨胀制冷提供的冷量逐步降温，液氮预冷级换热器15的高压侧的液氮温度气体带入的冷量从其高压侧依次流向并逐步冷却所述透平串前级换热器14、前级透平换热器13、透平串中间换热器7、后级透平换热器12以及节流级换热器11的高压侧，透平换热模块膨胀制冷提供的冷量，依次流向并逐步冷却后级透平换热器12、透平串中间换热器7、前级透平换热器13、透平串前级换热器14以及液氮预冷级换热器15的低压侧，在此过程中，由于透平串中间换热器7和前级透平换热器13属于中间位置的换热器，因此两者降温最慢。
47.透平换热模块提供的冷量随转速提高而增大，转速随进气体积流量变大而变大，通过设计工作转速可提供最大冷量，设计转速下透平进气体积流量基本不变。在降温阶段，透平串入口温度越低越接近设计温度，透平串进气质量流量越大，制冷能力越大。因此在降温阶段，提升降温速率的原则是加快透平串入口温度的降温速率，包括透平串高压入口和低压入口的降温速率。而在复温阶段，预冷液氮模块和透平(即前级透平6和后级透平8)均关闭，无冷量进入系统，进入系统的热量主要为进入液氮预冷级换热器15的高压常温气体，液氮预冷级换热器15之后的换热器，即透平串前级换热器14、前级透平换热器13、透平串中间换热器7、后级透平换热器12，进入的热量均为由其上一级的换热器被低压回气冷却后的高压气体，因此，在复温阶段提升复温速度的原则是加大进入系统的热量。
48.本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统为一种采用修正克劳德循环作为主要流程的制冷系统，如果按照上述的带液氮预冷的修正克劳德循环系统的工作流程从常温启动降温的降温过程，液氮预冷级换热器15之后的换热器的热容大，降温速度慢，透平进气质量流量小，产生冷量小，导致整机降温速度慢的问题，同样地，在复温阶段，液氮预冷级换热器15之后的换热器也存在热容大，进入的热量小，复温速度慢的问题。
49.因此，本发明通过采用增加一个快速降温快速复温旁路，在旁路上安装一个或多个调节阀的方式，使得在降温阶段，能够有更多的冷量进入液氮预冷级换热器15之后的换热器，也使得在复温阶段，能够有更多的热量进入液氮预冷级换热器15之后的换热器，如此有利于提高系统降温和复温速度，减少能耗，节约运行成本。
50.如图2所示，根据本发明的第一优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构被具体阐明。第一优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统为图1的改进系统，与图1所示的带液氮预冷的修正克劳德循环系统不同的是，第一优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还包括自所述液氮预冷模块的高压出口引出并自所述透平换热模块的低压入口接入的快速降温快速复温回路19。
51.值得一提的是，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用的循环气体(即气体工质)可以是氦气或氢气，可依据制冷需求而定，本发明对此不作限制，在本发明的第一优选实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用氦气作为循环气体，适用于氦液化流程。
52.具体地，在降温阶段，随着降温过程进行，液氮预冷级换热器15的高压出口较快达到液氮温区约79k，液氮预冷级换热器15之后的换热仍在常温附近，液氮预冷级换热器15的高压出口输出79k的低温氦气，一路进入透平串前级换热器14的高压入口，冷却透平串前级换热器14；另一路经由所述快速降温快速复温回路19进入透平串的后级透平换热器12的低压入口，冷却透平串的后级透平换热器12，即所述透平换热模块的高压入口和低压入口均
具有低温氦气进入，以此两路低温氦气能够同时对所述透平换热模块进行冷却降温，如此使得所述液氮预冷级换热器15之后的换热器均能够被快速降温；同时，两路低温气体输出导致液氮预冷级换热器15高压进气量增加，更多的液氮输入系统维持液氮预冷级换热器15高压出口温度维持在79k，即进入系统的液氮冷量增加，以此使得系统的整体降温速率提高，能够加快系统的降温过程；
53.在复温阶段，负载模块10的温度一般在4.5k左右，从液氮预冷级换热器15至负载模块10的温度逐渐降低。复温过程开始后，液氮预冷模块和透平均停止，无冷量输入系统。随着常温气体进入液氮预冷级换热器15的高压入口，液氮预冷级换热器15的高压出口温度逐渐升温至高于79k；高于79k的气体一路进入透平串前级换热器14的高压入口，加热透平串前级换热器14；另一路经由所述快速降温快速复温回路19进入透平串的后级透平换热器12的入口，加热透平串的后级透平换热器12；即所述透平换热模块的高压入口和低压入口均具有高于79k的气体进入，以此两路高温气体能够同时对所述透平换热模块进行换热升温，如此使得所述液氮预冷级换热器15之后的换热器均能够被快速复温；同时，两路高于79k的气体输出导致液氮预冷级换热器15高压进气量增加，即进入系统的常温气体增加，进入系统热量增加，以此使得系统的整体升温速率提高，能够加快系统的复温过程。
54.值得一提的是，在复温过程中，所述节流级换热器11可以起到热缓冲作用，能够避免所述节流级换热器11的出口温度急剧急剧上升，导致用户负载或低温液体杜瓦内温度升高过快，进而导致压力升高过快，引起危险的问题产生，确保整个系统的复温安全性。
55.此外，还值得一提的是，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还包括设置在快速降温快速复温回路19的调节阀16，所述调节阀16用于调节进入所述快速降温快速复温回路19的气体流量，通过调节阀16不断调节旁通气体量，能够保证系统的降温阶段和复温阶段平稳快速进行，节省运行时间，降低能耗。
56.优选地，所述调节阀16为低温调节阀，数量可为一个或多个，可以为手动调节阀、气动调节阀、电动调节阀或其他具有类似功能的阀门。所述快速降温快速复温回路19也可以设置有多个输出口，可以分别与对应的调节阀16配合以分别对透平串中间换热器7、前级透平换热器13以及后级透平换热器12输出低温气体或高温气体，从而加快整个系统的降温效率和复温效率，本发明对此不作限制。
57.可以理解的是，本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统通过采用增加快速降温快速复温旁路的方式，在降温阶段，使得更多冷量进入液氮预冷级换热器15之后的换热器，加快对液氮预冷级换热器15之后的换热器的冷却降温速率，在复温阶段，使得更多的热量进入液氮预冷级换热器15之后的换热器，加快对液氮预冷级换热器15之后的换热器的升温速率，以此通过两路气体传输的方式，增大了液氮预冷级换热器15的高压进气量，使得整个系统能够进入更多冷量和热量，从而提高了整个系统降温和复温速度，整个系统的降温和复温时间为没有采用本发明的该系统而按照稳定运行阶段流程降温复温过程的五分之一到四分之一，即本发明的快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的降温和复温时间能够缩短至原来耗时的20％～25％，大大节约了降温和复温所耗费的时间，同时也减少了能耗，节约了大量运行成本。在系统运行功率为数百瓦、千瓦、百兆瓦甚至是更大的系统中，采用本发明的快速降温快速复温的透平膨胀低温系统可节省大量运行成本，节能效率非常可观。
58.如图3所示，根据本发明的第二优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构被具体阐明。与第一优选实施例不同的是，第二优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的快速降温快速复温回路19自所述透平串中间换热器7的低压入口接入，在降温阶段，所述液氮预冷级换热器15输出的一路高压低温气体输入所述透平串前级换热器14中，对所述透平串前级换热器14进行冷却；另一路高压低温气体经由所述快速降温快速复温回路19进入所述透平串中间换热器7的低压入口，对所述透平串中间换热器7进行冷却，以此所述高压低温气体通过两路输出，使得所述液氮预冷模块的高压进气量增大，从而使得所述液氮预冷模块输入更多液氮，使得进入所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的冷量增大，以提高所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的降温速率。
59.值得一提的是，在这一实施例中，其中在所述高压低温气体输入所述透平串前级换热器14时，所述高压低温气体被所述透平串前级换热器14的低压回气冷却降温后，一路进入所述透平串的所述前级透平6中膨胀降温，膨胀降温后的气体进入所述透平串中间换热器7，被所述透平串中间换热器7的低压回气冷却降温后进入所述透平串的所述后级透平8再次膨胀降温，膨胀降温后的气体进入所述低压管路3，形成低压回气，低压回气依次经所述后级透平换热器12、所述透平串中间换热器7、所述前级透平换热器13、所述透平串前级换热器14以及所述液氮预冷级换热器15换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路3进入所述压缩机1再次循环；另一路进入所述透平串的所述前级透平换热器13，被所述前级透平换热器13的低压回气冷却后进入所述后级透平换热器12的高压侧，被所述后级透平换热器12的低压回气冷却后进入所述节流级换热器11的高压侧，被所述节流级换热器11的低压回气冷却后进入所述负载模块10，与所述负载模块10换热后形成低温低压回气，低温低压回气依次经所述节流级换热器11、所述后级透平换热器12、所述透平串中间换热器7、所述前级透平换热器13、所述透平串前级换热器14以及所述液氮预冷级换热器15换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路3进入所述压缩机1再次循环；所述液氮预冷级换热器15输出的一路高压低温气体经由所述后级透平换热器12的低压入口进入所述后级透平换热器12，对所述后级透平换热器12进行冷却。
60.此外，还值得一提的是，第二优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的降温效果和复温效果和第一优选实施例的效果接近。
61.在第二优选实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用的循环气体为氦气，适用于氦液化流程。
62.如图4所示，根据本发明的第三优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构被具体阐明。与第一优选实施例不同的是，第三优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的快速降温快速复温回路19自所述节流级换热器11的低压入口接入，同样可实现系统的快速降温和快速复温，但在复温阶段容易使所述负载模块10的压力升高过快，因此需要严格控制所述节流阀9和所述调节阀16的开度。第三优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的降温速率与复温速率与第二优选实施例相比较慢，但比没有采用本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统而按照稳定运行阶段流程进行降温复温的效率要快。
63.在第三优选实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用的循环气
体为氦气，适用于氦液化流程。
64.如图5所示，根据本发明的第四优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构被具体阐明。与第一优选实施例不同的是，第四优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的透平串仅包括前级透平6，和前级透平换热器13，不包括透平串中间换热器7、后级透平8和后级透平换热器12，而且，所述快速降温快速复温回路19自所述前级透平换热器13的低压入口接入，在降温阶段，所述液氮预冷级换热器15输出的一路高压低温气体输入所述透平串前级换热器14中，对所述透平串前级换热器14进行冷却；另一路高压低温气体经由所述快速降温快速复温回路19进入所述前级透平换热器13的低压入口，对所述前级透平换热器13进行冷却，以此所述高压低温气体通过两路输出，使得所述液氮预冷模块的高压进气量增大，从而使得所述液氮预冷模块输入更多液氮，使得进入所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的冷量增大，以提高所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的降温速率。
65.在第四优选实施例中，其中在所述高压低温气体输入所述透平串前级换热器14时，所述高压低温气体被所述透平串前级换热器14的低压回气冷却降温后，一路进入所述透平串的所述前级透平6中膨胀降温，降温后的气体进入所述低压管路3，形成低压回气，低压回气依次经所述前级透平换热器13、所述透平串前级换热器14以及所述液氮预冷级换热器15换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路3进入所述压缩机1再次循环；另一路进入所述前级透平换热器13中被低压回气冷却后进入所述节流级换热器11的高压侧，被所述节流级换热器11的低压回气冷却后进入所述负载模块10，与所述负载模块10换热后形成低温低压回气，低温低压回气依次经所述节流级换热器11、所述前级透平换热器13、所述透平串前级换热器14以及所述液氮预冷级换热器15换热处理后形成常温气体，通过所述低压管路3进入所述压缩机1再次循环。
66.在第三优选实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用的循环气体为氦气，适用于氦液化流程。
67.特别地，本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统也可以采用氢气作为循环气体，适用于氢液化流程。如图6所示，根据本发明的第五优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构被具体阐明。第五优选实施例为第二优选实施例的变形实施例，与第二优选实施例不同的是，第五优选实施例采用氢气作为循环气体，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还包括连接于所述液氮预冷模块、所述透平换热模块、所述节流级换热器11以及所述负载模块10的液化气供气路18和设置在所述液化气供气路18和所述负载模块10之间的液化路节流阀17，所述液化气供气路18用于提供高压氢气，所述液化路节流阀17用于对经所述液氮预冷模块、所述透平换热模块、所述节流级换热器11逐级冷却后的高压低温氢气进行节流降温处理，以使高压低温氢气形成液氢。
68.如图7所示，根据本发明的第六优选实施例的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的结构被具体阐明。第六优选实施例为第一优选实施例的变形实施例，与第一优选实施例不同的是，第六优选实施例采用氢气作为循环气体，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用氢气作为循环气体，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统还包括连接于所述液氮预冷模块、所述透平换热模块、所述节流级换热器11以及所述负载模块10的液化气供气路18和设置在所述液化气供气路18和所述负载模块10之间的液化路节流
阀17，所述液化气供气路18用于提供高压氢气，所述液化路节流阀17用于对经所述液氮预冷模块、所述透平换热模块、所述节流级换热器11逐级冷却后的高压低温氢气进行节流降温处理，以使高压低温氢气形成液氢。
69.可以理解的是，在本发明的第一至第四优选实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用氦气作为循环气体，在第五和第六实施例中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统采用氢气作为循环气体。
70.总的来讲，本发明的所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统通过采用增加快速降温快速复温旁路的方式，在降温阶段，使得更多冷量进入液氮预冷级换热器15之后的换热器，加快对液氮预冷级换热器15之后的换热器的冷却降温速率，在复温阶段，使得更多的热量进入液氮预冷级换热器15之后的换热器，加快对液氮预冷级换热器15之后的换热器的升温速率，以此通过两路气体传输的方式，增大了液氮预冷级换热器15的高压进气量，使得整个系统能够进入更多冷量和热量，从而提高了整个系统降温和复温速度，同时也减少了能耗，节约了大量运行成本。
71.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
72.以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。