本发明涉及压缩技术领域,特别涉及基于静压气浮轴承的高速电机直驱离心式压缩机、离心式冷水机组和气体冷却器闭式循环耦合的装置和方法。
背景技术：
在钢铁、化工、玻璃等各个行业中，需要压缩气体来满足工艺需要。以往的压缩系统通常有电机或者汽轮机驱动离心压缩机组，受限于驱动机转速和变转速装置的限制，各级压缩转速受限，压缩效率低；驱动过程耗损大、能量浪费；压缩和驱动系统占地面积大、润滑油系统复杂，故障点多；压缩机和驱动机噪声大；一次投资和工程费用高；运行维护工作繁重费用高；节能上升空间非常有限。
常规的压缩机组配套的气体冷却器采用常规的循环水系统供应的30-33℃左右的常温水作为冷源，进入下一级的压缩气体受其限制温度多在35-40℃左右，等温效率较低、整体机组效率低，无法发挥压缩机的最佳工作特性等。受循环水供水温度限制，传统的离心式压缩机的末级排气温度在70-105℃之间，通常需要设置末级气体冷却器或者需要配置单独的空冷系统。比如在空分系统需要设置庞大的空冷系统（含两个塔器、四个水泵甚至还有冷水机组等）来达到工艺需要的温度，该系统有投资成本大，水泵和冷水机组能耗增加等问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供了一种系统效率卓越、节能高效、配置简单（无润滑系统和独立的驱动机系统）紧凑、占地面积小、运行维护简单、机组运行噪声超低的系统和方法。该系统改进了压缩机组的工作状态、该系统和方法从机组的整体高效节能出发，充分利用调动各机组的最大潜能，针对性进行流程组织设计，不仅突破单机能力和效率的局限性，更重要的是提高整个系统的高效性、经济性、针对性、拓展的灵活性和维护的便捷性。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种基于静压气浮轴承的高速电机直驱离心式压缩机、离心式制冷机组和气体冷却器闭式循环耦合的装置，它至少包括：一个压缩系统，一个制冷系统以及一个气体冷却系统，三者通过管道和阀门相连通，所述压缩系统由一台或多台压缩机单元组成，单台所述压缩机单元由一个高速电机直接驱动的静压气悬浮轴承的双级离心式压缩机和组成，用于压缩气体；所述制冷系统由单个或者多个静压气悬浮轴承的离心式制冷机组单元组成，为所述装置提供冷源；所述气体冷却系统包括单个或者多个级间气体冷却器或末级气体冷却器，为所述压缩气体降温。
所述压缩机单元通过管道和阀门至少有两个气体入口和两个气体出口。所述气体出口通过管道和阀门连接所述气体冷却系统的所述级间气体冷却器和所述末级气体冷却器的气体入口，所述气体入口通过管道和阀门连接所述气体冷却系统的所述级间气体冷却器的气体出口，所述末级气体冷却器的出口通过管道和阀门排出压缩气。所述制冷机组单元的制冷介质出口通过管道和阀门连接所述气体冷却系统的所述级间气体冷却器和所述末级气体冷却器的制冷介质入口，所述制冷机组单元的制冷介质入口通过管道和阀门连接所述气体冷却系统的所述级间气体冷却器和所述末级气体冷却器的制冷介质出口。
所述压缩气可以经一台所述压缩机单元压缩，也可以经多台所述压缩机单元以串联或并联或串联加并联的形式压缩。
进出多个所述制冷机组单元的所述制冷介质温度可以相同，也可以不同。
所述气体冷却系统包含的所述级间气体冷却器或所述末级气体冷却器不是必须的，所述气体冷却系统可以只包含所述级间气体冷却器或只包含所述末级气体冷却器或只部分包含所述级间气体冷却器和所述末级气体冷却器。
一种基于静压气浮轴承的高速电机直驱离心式压缩机、离心式制冷机组和气体冷却器闭式循环耦合的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
压缩气通过气体入口进入压缩机单元由一个高速电机直接驱动的静压气悬浮轴承直驱的离心式压缩机压缩，压缩后的气体经出口进入气体冷却系统的级间气体冷却器冷却，冷却后的气体通过气体入口进入压缩机单元由高速电机直接驱动的静压气悬浮轴承直驱的离心式压缩机进一步压缩，压缩后的气体经出口进入气体冷却系统的末级气体冷却器再一次冷却，冷却后的压缩气出。静压气悬浮轴承的离心式制冷机组单元给制冷介质提供冷量，使进入制冷机组单元的制冷介质温度降低，并通过管道和阀门进入级间气体冷却器和末级气体冷却器的制冷介质入口用来冷却压缩后的气体。
作为优选：离心式压缩机和离心式制冷机组的驱动电机是静压气浮轴承的高速永磁电机。
作为优选：进入级间气体冷却器和末级气体冷却器的制冷介质的温度优选为-15℃~5℃，使得经中间气体冷却器后进入气体入口的压缩气体的温度优选为-10℃~10℃。
作为优选：若多台所述压缩机单元以串联或并联加串联的形式压缩，进入级间气体冷却器和末级气体冷却器的制冷介质的温度优选为-15℃~5℃，使得经中间气体冷却器后进入气体入口和经末级气体冷却器后进入下一台压缩机单元的压缩气入口的压缩气体的温度优选为-10℃~10℃。
本发明的一个优点是该装置的运行工况范围宽，机组噪音低，具有卓越的cop及iplv性能；无需使用润滑油，从而避免润滑油对压缩气的污染，降低了系统的复杂性，提高了性能和可靠性，减少了维护成本。
本发明的另一个优点是该装置的制冷介质在制冷系统和气体冷却系统之间循环，受外界环境的影响小，污垢系数低，换热效果好，装置体积小。
本发明的另一个优点是该装置可以以撬装的形式，从而减少了现场安装工作量和安装时间和安装费用。
附图说明
下面借助于示意性附图中所示出的实施例，详细描述本发明的细节。其中：
图1是本发明所述系统和方法的一个实例示意图。
图2是本发明所述系统和方法的另一个变形实例示意图。
图3是本发明所述系统和方法的另一个变形实例的示意图。
图4是本发明所述系统和方法的另一个变形实例的示意图。
图5是本发明所述系统和方法的另一个变形实例的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1-5所示，本发明所述的一种基于静压气浮轴承的高速电机直驱离心式压缩机、离心式制冷机组和气体冷却器闭式循环耦合的装置，它至少包括：一个压缩系统，一个制冷系统以及一个气体冷却系统，三者通过管道和阀门相连通，所述压缩系统1由一台或多台压缩机单元11组成，单台所述压缩机单元11由一个高速电机12直接驱动的静压气悬浮轴承13的双级离心式压缩机14-1和14-2组成，用于压缩气体；所述制冷系统2由单个或者多个静压气悬浮轴承的离心式制冷机组单元21组成，为所述装置提供冷源；所述气体冷却系统3包括单个或者多个级间气体冷却器31或末级气体冷却器32，为所述压缩气体降温。
图1-5中所示，所述压缩机单元11通过管道和阀门至少有两个气体入口41、42和两个气体出口51、52。所述气体出口51、52通过管道和阀门连接所述气体冷却系统3的所述级间气体冷却器31和所述末级气体冷却器32的气体入口，所述气体入口42通过管道和阀门连接所述气体冷却系统3的所述级间气体冷却器31的气体出口，所述末级气体冷却器32的出口通过管道和阀门排出压缩气。所述制冷机组单元21的制冷介质出口61通过管道和阀门连接所述气体冷却系统3的所述级间气体冷却器31和所述末级气体冷却器32的制冷介质入口611、612，所述制冷机组单元21的制冷介质入口71通过管道和阀门连接所述气体冷却系统3的所述级间气体冷却器31和所述末级气体冷却器32的制冷介质出口711、712。
所述压缩气可以经一台所述压缩机单元11压缩，也可以经多台所述压缩机单元11以串联或并联或并联加串联的形式压缩。进出多个所述制冷机组单元21的所述制冷介质温度可以相同，也可以不同。
所述气体冷却系统3包含的所述级间气体冷却器31或所述末级气体冷却器32不是必须的，所述气体冷却系统3可以只包含所述级间气体冷却器31或只包含所述末级气体冷却器32或只部分包含所述级间气体冷却器31和所述末级气体冷却器32。
一种基于静压气浮轴承的高速电机直驱离心式压缩机、离心式制冷机组和气体冷却器闭式循环耦合的方法，该方法包括如下步骤：
压缩气通过气体入口41进入压缩机单元11由一个高速电机12直接驱动的静压气悬浮轴承13直驱的离心式压缩机14-1压缩，压缩后气体经出口51进入气体冷却系统3的级间气体冷却器31冷却，冷却后的气体通过气体入口42进入压缩机单元11由高速电机12直接驱动的静压气悬浮轴承13直驱的离心式压缩机14-2进一步压缩，压缩后的气体经出口52进入气体冷却系统3的末级气体冷却器32再一次冷却，冷却后的压缩气出。静压气悬浮轴承的离心式制冷机组单元21给所述制冷介质提供冷量，使进入制冷机组单元21的所述制冷介质温度降低，并通过管道和阀门进入级间气体冷却器31和末级气体冷却器32的制冷介质入口611、612用来冷却压缩后的气体。
作为优选：离心式压缩机和离心式制冷机组的驱动电机是静压气浮轴承的高速永磁电机。
作为优选：进入级间气体冷却器31和末级气体冷却器32的所述制冷介质的温度优选为-15℃~5℃，使得经中间气体冷却器31后进入气体入口42的压缩气体的温度优选为-10℃~10℃。
作为优选：若多台所述压缩机单元11以串联或并联加串联的形式压缩，进入级间气体冷却器31和末级气体冷却器32的所述制冷介质的温度优选为-15℃~5℃，使得经中间气体冷却器31后进入气体入口42和经末级气体冷却器32后进入下一台压缩机单元11的压缩气入口41的压缩气体的温度优选为-10℃~10℃。
实施例：
在图1的实施例中，经空气过滤器后的温度约为20℃的压缩气（如空气）通过气体入口41进入压缩机单元11，由一个高速永磁电机12直接驱动的静压气悬浮轴承13直驱的带有入口调节装置的离心式压缩机14-1压缩到约0.22mpaa，压缩后的气体经出口51进入气体冷却系统3的级间气体冷却器31冷却到约8℃，冷却后的气体通过气体入口42进入压缩机单元11由高速永磁电机12直接驱动的静压气悬浮轴承13直驱的离心式压缩机14-2进一步压缩到约0.4mpaa，压缩后的气体经出口52进入气体冷却系统3的末级气体冷却器32再一次冷却到约8℃，冷却后的压缩气出。静压气悬浮轴承的离心式制冷机组单元21给制冷介质（如冷冻水）提供冷量，使进入制冷机组单元21的制冷介质（如冷冻水）温度从10℃降低到约5℃，并通过管道和阀门进入级间气体冷却器31和末级气体冷却器32的制冷介质入口611、612用来冷却压缩后的气体，制冷介质被压缩气加热温升到约10℃后通过管道和阀门回到制冷机组单元21冷却。
在图2的实施例中，压缩气经压缩机单元11a压缩和气体冷却系统3a冷却后的压缩气a又进入压缩机单元11b的气体入口41b，经压缩机单元11b进一步压缩和气体冷却系统3b进一步冷却后压缩气b出。图2中，制冷机组单元21的制冷介质（如冷冻水）温度从10℃降低到约5℃，并通过管道和阀门分别进入级间气体冷却器31a、31b和末级气体冷却器32a、32b的制冷介质入口611a、611b、612a、612b用来冷却压缩后的气体，制冷介质被压缩气加热温升到约10℃后经级间气体冷却器31a、31b和末级气体冷却器32a、32b的制冷介质出口711a、711b、712a、712b通过管道和阀门回到制冷机组单元21冷却。
在图3的实施例中，制冷系统2由2个制冷机组单元21a和21b组成。其中经制冷机组单元21a冷却的制冷介质用来冷却气体冷却系统3的级间气体冷却器31a和31b及末级气体冷却器32a，经制冷机组单元21b冷却的制冷介质用来冷却气体冷却系统3的级间气体冷却器31c及末级气体冷却器32b和32c。制冷机组单元21a和21b的制冷量可以相同，也可以不同。根据具体的工艺需求，进出制冷机组单元21a的制冷介质与进出制冷机组单元21b的制冷介质的流量、进口温度和出口温度可以相同，也可以不同。
在图4的实施例中，压缩气经气体入口41分成两股，经气体入口41a1和41a2分别进入压缩机单元11a1和11a2，压缩机单元11a1和11a2以并联的形式工作，气体冷却系统3a1和3a2以并联的形式分别冷却压缩气，压缩气a1和压缩气a2的压力相同，压缩气a1和压缩气a2出来后可以合并成一股气体，也可以不合并。制冷机组单元21分别给气体冷却系统3a1和3(a2)提供冷量。
在图5的实施例中，压缩气经气体入口41分成两股，经气体入口41a1和41a2分别进入压缩机单元11a1和11a2，压缩机单元11a1和11a2以并联的形式工作，压缩气a1和压缩气a2出来后合并成一股气体通过气体入口41(b)进入压缩机单元11b经压缩机单元11b进一步压缩和气体冷却系统3(b)进一步冷却后压缩气b出。气体冷却系统3a1、3a2和3b分别冷却压缩气。制冷机组单元21分别给气体冷却系统3a1、3a2和3b提供冷量。
如图1-5所示，这些实施例仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例。在某些特殊情况，如图1-5中的级间气体冷却器31和末级气体冷却器32也可以不配置，如果末经冷却的压缩气的排气温度已能满足后续工艺流程的需要。
因此，在本发明的范畴下所作的各种变型或优化，也在本发明的保护范围内。