一種氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體膨脹裝置的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法，尤其涉及一種氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法，該方法可應(yīng)用于各種化工機(jī)械行業(yè)氣體工質(zhì)余壓、中間減壓過(guò)程的能量回收設(shè)備的研發(fā)及檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國(guó)鋼鐵、有色、煤炭、建材、化工、紡織等行業(yè)的氣體工質(zhì)壓力能量存在大量的浪費(fèi)，各種化工機(jī)械行業(yè)的能量回收具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。氣體膨脹機(jī)是壓力能量回收的核心設(shè)備，可用于替代各種化工環(huán)節(jié)節(jié)流減壓閥，從而實(shí)現(xiàn)能量回收的同時(shí)滿足實(shí)際工藝流程所需的壓降，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)并未造成其他影響，所回收的能量可用于發(fā)電或驅(qū)動(dòng)其他耗能設(shè)備，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
[0003]目前各種可適用于不同化工機(jī)械行業(yè)內(nèi)部流程環(huán)節(jié)壓力能量回收的膨脹裝置逐漸引起人們重視，并已公開(kāi)多種專利，其結(jié)構(gòu)形式包括容積式、徑流式、混流式或軸流式等多種形式，應(yīng)用工質(zhì)也有空氣、氮?dú)狻⒀鯕?、天然氣、氫氣或其他易燃易爆及有毒氣體，這些膨脹機(jī)多為新研發(fā)設(shè)備，而其研發(fā)過(guò)程中最重要環(huán)節(jié)一一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和檢測(cè)技術(shù)并不成熟，目前尚無(wú)適用于此類產(chǎn)品的完善實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)試方法，而直接在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)顯然存在較大的技術(shù)和安全風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005]鑒于上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種適用于各種氣體工質(zhì)、各種結(jié)構(gòu)形式下膨脹裝置的實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況下的膨脹裝置的可靠性驗(yàn)證及性能特性研宄。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]本發(fā)明所涉及的氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]—種氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括氣體壓縮裝置、高壓儲(chǔ)氣罐、低壓儲(chǔ)氣罐、氣體膨脹裝置被試件、齒輪箱、測(cè)功器，其特征在于，
[0009]所述低壓儲(chǔ)氣罐、氣體壓縮裝置、高壓儲(chǔ)氣罐、氣體膨脹裝置被試件通過(guò)氣體管路依次連接，低壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體工質(zhì)經(jīng)氣體壓縮裝置壓縮升壓后進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣罐，然后進(jìn)入氣體膨脹裝置被試件膨脹降壓后進(jìn)入低壓儲(chǔ)氣罐，實(shí)現(xiàn)一個(gè)氣體循環(huán)；由高壓氣體工質(zhì)驅(qū)動(dòng)的氣體膨脹裝置被試件通過(guò)齒輪箱與測(cè)功器連接，通過(guò)控制測(cè)功器的負(fù)載達(dá)到氣體膨脹裝置被試件實(shí)驗(yàn)所需的旋轉(zhuǎn)速度，氣體膨脹裝置被試件所輸出功率由測(cè)功器消耗；
[0010]所述低壓儲(chǔ)氣罐、高壓儲(chǔ)氣罐的進(jìn)氣口和出氣口處均設(shè)置有截止閥；
[0011]所述氣體壓縮裝置的出氣口分為兩路:一路為與所述高壓儲(chǔ)氣罐的進(jìn)氣口連通的主流通道，所述主流通道上設(shè)置有止回閥；另一路為與所述低壓儲(chǔ)氣罐的回氣口連通的回路通道，所述回路通道上設(shè)置有止回閥、調(diào)節(jié)閥和截止閥；
[0012]所述低壓儲(chǔ)氣罐的進(jìn)氣口和所述高壓儲(chǔ)氣罐的出氣口之間還設(shè)置有一與所述氣體膨脹裝置被試件并聯(lián)的聯(lián)通管路，所述聯(lián)通管路上設(shè)置有常閉閥；
[0013]所述氣體膨脹裝置被試件的進(jìn)氣管路上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥和加熱器，所述氣體膨脹裝置被試件的出氣管路上設(shè)置有止回閥。優(yōu)選地，所述氣體膨脹裝置被試件的結(jié)構(gòu)形式為容積式、徑流式、混流式或軸流式。
[0014]優(yōu)選地，所述氣體膨脹裝置被試件采用單級(jí)、兩級(jí)或多級(jí)膨脹的結(jié)構(gòu)形式。
[0015]優(yōu)選地，所述氣體膨脹機(jī)工質(zhì)米用空氣、氮?dú)?、氧氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等單一工質(zhì)或混合工質(zhì)氣體。
[0016]優(yōu)選地，所述氣體壓縮裝置的結(jié)構(gòu)形式為容積式、徑流式、混流式或軸流式。
[0017]優(yōu)選地，所述氣體壓縮裝置采用單級(jí)、兩級(jí)及多級(jí)壓縮的結(jié)構(gòu)形式。
[0018]優(yōu)選地，所述氣體壓縮裝置工質(zhì)米用空氣、氮?dú)?、氧氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等單一工質(zhì)或混合工質(zhì)氣體，且與所述氣體膨脹裝置被試件的工質(zhì)相同。
[0019]優(yōu)選地，所述高、低壓儲(chǔ)氣罐是指兩個(gè)儲(chǔ)氣罐相對(duì)高、低壓，其絕對(duì)壓力相對(duì)于大氣環(huán)境均可為正壓，也可為負(fù)壓，完全根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需工況調(diào)節(jié)。
[0020]優(yōu)選地，所述氣體壓縮裝置出口設(shè)置兩個(gè)通道，一個(gè)是主通道工質(zhì)進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣罐，另一個(gè)是回路通道，由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)其流量，從而控制主通道流量滿足氣體膨脹裝置被試件實(shí)驗(yàn)要求。
[0021]優(yōu)選地，所述高、低壓儲(chǔ)氣罐之間有個(gè)聯(lián)通管路，并由常閉閥控制該管道開(kāi)閉，正常實(shí)驗(yàn)時(shí)該常閉閥關(guān)閉，在實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)緊急停車時(shí)該常閉閥自動(dòng)打開(kāi)，保持高、低壓儲(chǔ)氣罐聯(lián)通，防止高壓儲(chǔ)氣罐由于壓縮機(jī)的運(yùn)行而壓力過(guò)高，另外在實(shí)驗(yàn)后聯(lián)通高、低壓儲(chǔ)氣罐，使其壓力平衡，便于下次實(shí)驗(yàn)時(shí)壓縮裝置的啟動(dòng)。
[0022]優(yōu)選地，所述測(cè)功器采用水力測(cè)功器、電力測(cè)功器或電渦流測(cè)功器，其作用在于控制氣體膨脹裝置被試件轉(zhuǎn)速，并消耗氣體膨脹裝置被試件輸出的軸功。
[0023]優(yōu)選地，所述齒輪箱輸入、輸出齒輪軸分別與所述氣體膨脹裝置被試件和測(cè)功器連接，其作用是調(diào)節(jié)氣體膨脹裝置被試件的轉(zhuǎn)速，可以是增速齒輪箱也可是減速齒輪箱，其內(nèi)部則是高速齒輪軸和低速齒輪軸經(jīng)過(guò)嚙合面接觸傳遞扭矩。優(yōu)選地，所述氣體膨脹裝置被試件通過(guò)聯(lián)軸器與齒輪箱連接。
[0024]優(yōu)選地，所述加熱器的熱源可以利用電加熱器、燃?xì)饣蛉加洼o助加熱，也可利用工業(yè)廢熱進(jìn)行加熱。
[0025]優(yōu)選地，所述聯(lián)通管路的進(jìn)氣口、所述氣體膨脹裝置被試件的進(jìn)氣管路的進(jìn)氣口均設(shè)置在所述高壓儲(chǔ)氣罐的出氣口處的截止閥的出口管路上，所述聯(lián)通管路的出氣口、所述氣體膨脹裝置被試件的出氣管路的出氣口均設(shè)置在所述低壓儲(chǔ)氣罐的進(jìn)氣口處的截止閥的進(jìn)口管路上。
[0026]優(yōu)選地，所述聯(lián)通管路的進(jìn)氣口、所述氣體膨脹裝置被試件的進(jìn)氣管路的進(jìn)氣口均設(shè)置在所述高壓儲(chǔ)氣罐的出氣口處的截止閥的出口管路上，所述聯(lián)通管路的出氣口、所述氣體膨脹裝置被試件的出氣管路的出氣口均設(shè)置在所述低壓儲(chǔ)氣罐的進(jìn)氣口處的截止閥的進(jìn)口管路上。
[0027]優(yōu)選地，所述氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括油站、測(cè)控單元、密封單元和加熱單元，所述油站實(shí)現(xiàn)氣體膨脹裝置被試件和齒輪箱的潤(rùn)滑和冷卻，所述測(cè)控單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量和控制，密封單元實(shí)現(xiàn)氣體膨脹裝置被試件內(nèi)部氣體工質(zhì)和外界及油路之間的密封，冷卻單元實(shí)現(xiàn)氣體壓縮裝置和油站的冷卻，所述加熱單元實(shí)現(xiàn)氣體工質(zhì)的溫度控制實(shí)現(xiàn)所需的氣體膨脹裝置被試件入口溫度。
[0028]優(yōu)選地，所述氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各調(diào)節(jié)閥、截止閥、常閉閥均為氣動(dòng)或液壓自動(dòng)控制閥門，便于實(shí)現(xiàn)快速有效自動(dòng)控制。
[0029]上述氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，壓縮氣體出口分為主流通道和回路通道，其中主流通道高壓氣體進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣罐并驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)運(yùn)行，而回路通道高壓氣體進(jìn)入低壓儲(chǔ)氣罐，其流量由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)以調(diào)整氣體膨脹機(jī)入口壓力和流量，同時(shí)兩通道均有止回閥。
[0030]優(yōu)選地，對(duì)于易燃?xì)怏w工質(zhì)，為保證安全性，壓縮機(jī)電機(jī)采用防爆電機(jī)、膨脹機(jī)處測(cè)功器進(jìn)行防爆處理，整個(gè)系統(tǒng)閥門、接頭均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，確保安全運(yùn)行。
[0031]優(yōu)選地，對(duì)于有毒氣體工質(zhì)，為保證安全性，整個(gè)系統(tǒng)閥門、接頭均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，確保安全無(wú)泄漏。
[0032]上述氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中氣體壓縮裝置、油站運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)溫度上升現(xiàn)象，必須根據(jù)要求對(duì)其進(jìn)行冷卻，保證氣體壓縮裝置排氣和潤(rùn)滑油溫度。
[0033]優(yōu)選地，所述閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述氣體膨脹裝置被試件進(jìn)、出氣口上的溫度傳感器和/或壓力傳感器，以及設(shè)置在所述氣體膨脹裝置被試件轉(zhuǎn)子上的振動(dòng)傳感器，這些傳感器根據(jù)需要測(cè)量氣體膨脹裝置被試件進(jìn)出口及內(nèi)部壓力、溫度分布、轉(zhuǎn)子振動(dòng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)氣體膨脹裝置的實(shí)驗(yàn)研宄和性能檢測(cè)。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種氣體膨脹裝置實(shí)驗(yàn)方法，利用本發(fā)明提供的氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)方法包括如下步驟:
[0035]SSl.實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作
[0036]I)打開(kāi)各通路截止閥，調(diào)節(jié)至所需壓力并保證各管道及高、低壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)部壓力平衡，以便于氣體壓縮裝置的啟動(dòng)；
[0037]2)啟動(dòng)油站、測(cè)控單元、冷卻單元，對(duì)齒輪箱、氣體膨脹裝置被試件進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑及參數(shù)測(cè)量；
[0038]3)打開(kāi)所述回路通道上的調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉所述氣體膨脹裝置被試件的進(jìn)氣管路上的調(diào)節(jié)閥和所述聯(lián)通管路上的常閉閥。
[0039]SS2.實(shí)驗(yàn)階段
[0040]I)啟動(dòng)氣體壓縮裝置，逐漸打開(kāi)所述氣體膨脹裝置被試件進(jìn)氣管路上的調(diào)節(jié)閥至最大開(kāi)度；
[0041]2)調(diào)節(jié)測(cè)功器，確保氣體膨脹裝置被試件轉(zhuǎn)速運(yùn)行在安全范圍；
[0042]3)以氣體膨脹裝置被試件進(jìn)口壓力(略低于高壓儲(chǔ)氣罐壓力)為目標(biāo)參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)所述回路通道上的調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度至目標(biāo)參數(shù)為所需壓力；
[0043]4)以氣體膨脹裝置被試件進(jìn)口溫度為目標(biāo)參數(shù)，調(diào)節(jié)加熱器加熱功率至目標(biāo)參數(shù)為所需溫度；
[0044]5)監(jiān)測(cè)并記錄各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，主要包括氣體膨脹裝置被試件轉(zhuǎn)速、各轉(zhuǎn)子軸承溫度、各轉(zhuǎn)子振動(dòng)量等參數(shù)，確保各設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行；
[0045]6)監(jiān)測(cè)并記錄氣體膨脹裝置被試件實(shí)驗(yàn)所需要的其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備停機(jī)；
[0046]SS3.實(shí)驗(yàn)后整理工作
[0047]I)逐漸全開(kāi)所述回路通道上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，先后關(guān)閉加熱器、氣體膨脹裝置被試件進(jìn)氣管路上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度；
[0048]2)逐漸關(guān)閉氣體膨脹裝置被試件進(jìn)氣管路上的調(diào)節(jié)閥，氣體壓縮裝置停機(jī)；
[0049]3)保存測(cè)試系統(tǒng)所記錄數(shù)據(jù)并關(guān)閉，各軸承溫度冷卻至安全溫度后，關(guān)閉油站及冷卻單元；
[0050]4)打開(kāi)所述聯(lián)通管路上的常閉閥，然后關(guān)閉高、低壓儲(chǔ)氣罐所有進(jìn)出氣口處的截止閥，整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
[0051]優(yōu)選地，需要緊急停機(jī)時(shí)，可迅速關(guān)閉氣體膨脹裝置被試件進(jìn)氣管路上的調(diào)節(jié)閥，同時(shí)自動(dòng)打開(kāi)所述聯(lián)通管路上的常閉閥，保持高低壓儲(chǔ)氣罐連通，不至于出現(xiàn)高壓罐壓力過(guò)高情況，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備安全。
[0052]本發(fā)明的氣體膨脹裝置的閉式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法具有以下有益效果:
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