VPSA气体分离系统及其控制方法与流程

vpsa气体分离系统及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及vpsa真空变压吸附技术领域，尤其涉及一种vpsa气体分离系统及其控制方法。


背景技术：

2.现有vpsa气体分离系统中，主流是以罗茨机为主，应用单台或者双台罗茨风机和罗茨真空泵作为系统的动力设备。罗茨机作为动力设备在vpsa气体分离系统中应用的优缺点已有较多的阐述(如cn108678973a)，罗茨风机的低效率、大噪声、小容量等特性严重制约了vpsa行业的发展。
3.离心式鼓风机和离心式真空泵在vpsa气体分离系统中应用能带来诸多优点，同时也需要对离心机做针对性改进和设计，离心机的应用使得vpsa气体分离系统的效率进一步提高，同时也解决了排气量和噪声问题，极大的推动了vpsa行业的发展。
4.但是大型离心机组的应用，也具有两个不足，一是大型离心机组的造价高昂，满足vpsa气体分离系统工况的具有波动变速的离心机组的造价非常高昂，是传统罗茨机的3～4倍，这其中有定制化属性强批量小的原因，也有大型离心机组配套和加工难度大的原因，离心机组配套的电机、变频器等也需要做定制化，配套成本也十分高昂。二是离心机组的特性，其高效区范围小、可调节范围小，离心机的特性不能做到像罗茨机那样近似平直的特性，对于根据vpsa气体分离系统产量需求，需要大范围调节工况的应用场合，应用受到一定的约束。


技术实现要素：

5.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种vpsa气体分离系统及其控制方法，其解决了现有技术中存在的定制化大型离心机组制造成本高和大型离心机组高效率工作区间小、可调工况范围小的问题。
6.根据本发明的实施例，一种vpsa气体分离系统，包括并联设置的若干透平机以及气体分离组件，若干透平机用于向气体分离组件输送空气或者抽真空，每个透平机连接有驱动电机与变频器，所有变频器通信连接有控制装置，控制装置用于控制变频器的输出。
7.优选的，所述透平机的结构相同并配备有相同的所述变频器。
8.优选的，所述透平机为双机头透平机。
9.优选的，所述透平机上设置有分别用于检测所述驱动电机绕组温度、支撑轴承温度和所述透平机的转子振动的传感器，所述透平机的进气端均设置有检测气体压强并传递信号至所述控制装置的传感器。
10.优选的，所述若干透平机包括至少一组离心式鼓风机和一组离心式真空泵，所述气体分离组件包括若干个独立设置用于气体变压吸附的吸附塔，吸附塔上均设置有产品气体管道和原料气体管道，一组离心式鼓风机通过一个设置有程控阀的管路与原料气体管道连通，一组离心式真空泵通过另一个设置有程控阀的管路与原料气体管道连通，产品气体
管道上也设置有程控阀，程控阀通过所述控制装置远程控制，吸附塔内设置有气压传感器。
11.优选的，所述离心式鼓风机的进气管均连接于一个管路上，且该管路的进气端设置有进气滤箱，所述离心式真空泵的出气管均连接于另一个管路上，且该管路的出气端设置有消音器，所述吸附塔的产品气体管道均连接于又一个管路上，且该管路的出气端设置有缓冲罐。
12.一种vpsa气体分离系统的控制方法，利用上述所述的一种vpsa气体分离系统，
13.在对vpsa气体分离系统的产量进行调节时，确定所述离心式鼓风机和离心式真空泵投入生产的数量；
14.首先对一个所述吸附塔进行抽真空，通过一组的所述离心式真空泵进行，当该所述吸附塔内气压传感器检测值到达设定值后，通过所述控制装置对所述程控阀进行远程控制，使得该组所述离心式真空泵对下一个所述吸附塔进行抽真空；
15.再通过一组所述离心式鼓风机对上一个所述吸附塔进行原料气体输入，当该吸附塔内气压传感器检测到气压达到设定值后，通过程控阀切换至对另一个被抽真空的所述吸附塔进行原料气体输入，并依次进行所有所述吸附塔的抽真空和原料气体输入；
16.在抽真空前为吸附塔内气体反应和反应得到的产品气体的排出过程，通过控制所述产品气体管道上的所述程控阀，将产品气体通过所述产品气体管道排出，在产品气体排出过程中，当吸附塔内的气压传感器压力值降低至达到设定值后，关闭所述产品气体管道，进行抽真空，由于存在产品气体的排出，生产过程中抽真空的时间短于输送气体的时间。
17.优选的，所述吸附塔的抽真空时间的和等于一个所述吸附塔的反应时间与产品气体输出时间的和。
18.优选的，根据所述离心式鼓风机和离心式真空泵的入口气压检测值，通过所述控制装置对对应的所述变频器的输出进行控制。
19.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
20.1.通过并联设置的离心式鼓风机或离心式真空泵用于气体压缩或者抽真空，通过减少离心机的投入数量，即可实现在不增加任何附加设备的基础上实现对于离心机组的工况范围的调节，扩大了离心机组的可调工况范围，以适应vpsa气体分离系统的产量调节的需求；同时能够保证投入的每台离心式鼓风机或离心式真空泵处于高效率的工作区间，达到离心机组在0～110％工作范围的全程流量可调；同时投入的离心机非定制化生产，机组在制造成本上低于定制化大型离心机组，同时对于设备的维修上更易操作且不会造成较长的停机，能够保证生产的维持，降低了离心机组的制造成本和维修成本。
21.2.应用至少一组离心式鼓风机和一组离心式真空泵对vpsa气体分离系统中的吸附塔进行充气和抽真空，通过控制装置远程控制程控阀，可实现多个吸附塔之间的交替充气和抽真空，提高了生产效率，离心式鼓风机和离心式真空泵通过并联的总管道与吸附塔的原料气体管道连通，总管道分别通过设置有程控阀的管道与每个吸附塔上的原料气体管道连通，既便于控制又减少管道的总长，节约了成本。
22.3.通过依次对每个吸附塔进行抽真空和充气，所有吸附塔抽真空和充气的时间为一个周期，在一个吸附塔被抽真空和充气后，整组的离心式真空泵和离心式鼓风机对后续的吸附塔进行抽真空和充气，在该过程中被充气的吸附塔开始反应，分子筛对部分气体进行吸附，反应达到时间后开始排出产品气体，抽真空过程和充气的过程根据需要的时间，通
过增加或者减少离心式鼓风机和离心式真空泵的数量实现，既能保证过程时间的准确性，又能保证投入的每个离心式鼓风机和离心式真空泵处于高效率工作区间。
附图说明
23.图1为本发明实施例的工艺流程图。
24.图2为本发明实施例的效率曲线图。
25.图3为典型vpsa气体分离系统的压力p-时间t的曲线图。
26.图4为本发明实施例中单个离心式真空泵的控制运行图。
27.上述附图中：1、进气滤箱；2、离心式鼓风机；3、变频器；4、离心式真空泵；5、程控阀；6、吸附塔；7、缓冲罐；8、消音器；9、原料气体管道；10、产品气体管道。
具体实施方式
28.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
29.如图1-2所示，为扩大vpsa气体分离系统中透平机组的可调工况范围和降低透平机组的制造成本，本发明实施例提出了一种vpsa气体分离系统，包括并联设置的若干透平机以及气体分离组件，若干透平机用于向气体分离组件输送空气或者抽真空，每个透平机连接有驱动电机与变频器3，所有变频器3通信连接有控制装置，控制装置用于控制变频器3的输出。
30.透平机组包括两个总管道以及进气管和出气管分别固定连接在两个总管道上的离心式鼓风机2或离心式真空泵4，采用现有的离心式鼓风机2和离心式真空泵4，其工作效率曲线均已知或者通过测量得出，在使用时，根据充气或抽真空需要压比后，根据所需体积流量，选择投入使用的离心式鼓风机2或离心式真空泵4的数量，即实现大范围的透平机组工况的调节；同时当离心式鼓风机2或离心式真空泵4故障时，通过一个未启动的离心式鼓风机2或离心式真空泵4替换原离心式鼓风机2或离心式真空泵4，即可对故障的离心式鼓风机2或离心式真空泵4进行进行维修，在维修过程中vpsa气体分离系统持续运行，保证了生产效率，降低了维修成本；透平机组所采用的离心式鼓风机2或离心式真空泵4均可用现有的设备，通过选择不同的离心式鼓风机2或离心式真空泵4数量，达到vpsa气体分离系统的生产要求，进一步降低了维修成本和制造成本。通过控制装置对离心式鼓风机2或离心式真空泵4对应的变频器3进行控制，通过变频器3对高速电机的变频输出，控制离心式鼓风机2或离心式真空泵4的转子的变速转动，使得离心式鼓风机2或离心式真空泵4沿其对应的效率曲线运行，提高透平机组的能效。
31.作为本发明另一种实施方式，为进一步降低透平机组的生产和维修成本，所述透平机的结构相同并配备有相同的所述变频器3。通过将离心式鼓风机2或离心式真空泵4制造为通用设备，在生产上可进行大批量生产，减少配套成本，同时在维修上，零件通用化，降低维修成本，且生产过程中的离心式鼓风机2或离心式真空泵4的替换对vpsa气体分离系统的影响更小；采用相同的离心式鼓风机2或离心式真空泵4，其透平机组的整体效率曲线更准确，透平机组的工况调节更准确。
32.作为本发明另一种实施方式，为提高离心式鼓风机2或离心式真空泵4的能效，所述透平机为双机头透平机。通过设置现有的低惯量转子，即电机转子的两端同轴固定连接
透平机的叶轮，实现双机头的形式，降低转子的转动惯量，在变频器3控制高速电机变速转动的过程中，转子的转动惯量小，离心式鼓风机2或离心式真空泵4克服转动惯性的做工小，进而提高了离心式鼓风机2或离心式真空泵4的能效。
33.作为本发明另一种实施方式，为更准确的了解离心式鼓风机2和离心式真空泵4的工况，所述透平机上设置有分别用于检测所述驱动电机绕组温度、支撑轴承温度和所述透平机的转子振动的传感器，所述透平机的进气端均设置有检测气体压强并传递信号至所述控制装置的传感器。通过机壳上的传感器对电机绕组温度、轴承温度、和转子振动进行检测，避免电机和轴承在使用过程中因过热而受损，通过检测转子振动，检测得出转子工作中是否处于平衡状态；当传感器检测出离心式鼓风机2或离心式真空泵4工作处于异常状态，即可停机，通过未启动机组进行替代，保证了生产过程的安全性。通过对离心式鼓风机2或离心式真空泵4的入口气压变化进行检测，检测后得到的竖直传递至控制装置，控制装置得出入口气压变化曲线，根据入口气压变化曲线控制变频器3输出波动的电压，进而控制离心式鼓风机2或离心式真空泵4的转子在变化的入口压力下沿设定的转速曲线运行，以实现离心式鼓风机2或离心式真空泵4的高能效。
34.如图1-2所示，为降低vpsa气体分离系统的制造成本，所述若干透平机包括至少一组离心式鼓风机2和一组离心式真空泵4，所述气体分离组件包括若干个独立设置用于气体变压吸附的吸附塔6，吸附塔6上均设置有产品气体管道10和原料气体管道9，一组离心式鼓风机2通过一个设置有程控阀5的管路与原料气体管道9连通，一组离心式真空泵4通过另一个设置有程控阀5的管路与原料气体管道9连通，产品气体管道10上也设置有程控阀5，程控阀5通过所述控制装置远程控制，吸附塔6内设置有气压传感器。
35.通过程控阀5控制管路的开关，整组的所述离心式鼓风机2通过一个管路进行原料气体的输出，整组的所述离心式真空泵4通过一个管路进行抽真空，连续设置三个吸附塔6，整组的所述离心式鼓风机2和整组的所述离心式真空泵4的总管路的端部均设置带程控阀5的分流管路分别与三个吸附塔6的原料气体管道连通，即可对三个吸附塔6进行交替式的充气和抽真空，提高生产效率，同时降低管路的总长度，降低vpsa气体分离系统的制造成本。
36.如图1所示，在使用vpsa气体分离系统制氧时，所述离心式鼓风机2的进气管均连接于一个管路上，且该管路的进气端设置有进气滤箱1，所述离心式真空泵4的出气管均连接于另一个管路上，且该管路的出气端设置有消音器8，所述吸附塔6的产品气体管道10均连接于又一个管路上，且该管路的出气端设置有缓冲罐7。通过进气滤箱1提高进气的质量，通过消音器8减小vpsa气体分离系统的排气过程的噪音，通过缓冲罐7对产品气体进行缓存，在缓冲罐7内设置氧气浓度检测装置，对产品气体的浓度进行检测，进而觉得产品气体的使用方式。
37.为提高vpsa气体分离系统的产量，本发明实施例提出了一种vpsa气体分离系统的控制方法，在对vpsa气体分离系统的产量进行调节时，确定所述离心式鼓风机2和离心式真空泵4投入生产的数量；
38.首先对一个所述吸附塔6进行抽真空，通过一组的所述离心式真空泵4进行，当该所述吸附塔6内气压传感器检测值到达设定值后，通过所述控制装置对所述程控阀5进行远程控制，使得该组所述离心式真空泵4对下一个所述吸附塔6进行抽真空；
39.再通过一组所述离心式鼓风机2对上一个所述吸附塔6进行原料气体输入，当该吸
附塔6内气压传感器检测到气压达到设定值后，通过程控阀5切换至对另一个被抽真空的所述吸附塔6进行原料气体输入，并依次进行所有所述吸附塔6的抽真空和原料气体输入；
40.在抽真空前为吸附塔6内气体反应和反应得到的产品气体的排出过程，通过控制所述产品气体管道10上的所述程控阀5，将产品气体通过所述产品气体管道10排出，在产品气体排出过程中，当吸附塔6内的气压传感器压力值降低至达到设定值后，关闭所述产品气体管道10，进行抽真空，由于存在产品气体的排出，生产过程中抽真空的时间短于输送气体的时间。
41.通过对系统中的吸附塔6进行连续的抽真空和充气，在保证气体充分产出的同时；维持离心式鼓风机2和离心式真空泵4的持续工作，避免在生产过程中停机等待和开机的过程，由于离心式鼓风机2和离心式真空泵4的开关机对造成大量的能量浪费，进而提高了能源的利用率。
42.作为本发明另一种实施方式，为进一步提高vpsa气体分离系统对于能源的利用率，所述吸附塔6的抽真空时间的和等于一个所述吸附塔6的反应时间与产品气体输出时间的和。在保证透平机组持续工作的同时，使得吸附塔6内的氧气充分的分离并通过产品气体管道10排出，维持较高的制氧率。
43.作为本发明另一种实施方式，为保持透平机组在高效率区间运行，根据所述离心式鼓风机2和离心式真空泵4的入口气压检测值，通过所述控制装置对对应的所述变频器3的输出进行控制。通过气体检测装置实时检测离心式鼓风机2和离心式真空泵4的入口气压，并将检测值传递至控制装置，控制装置通过收到的信号值控制变频器3的输出，进而对离心式鼓风机2和离心式真空泵4的转子转速进行实时控制，相对于固定设置以离心式鼓风机2或离心式真空泵4的高效率曲线运行，能够在针对进气出现异常的情况下，保持透平机组保持在高效率区间运行。vpsa气体分离系统中所配备的所有离心式真空泵4的控制模式完全一致，在vpsa气体分离系统中，其压力是随时间周期性变化的如图3所示，在这种周期性变化的过程中，如果离心式真空泵4不调速，离心式真空泵4一直在100％转速下运行，大部分工况中都会处于低效状态，控制器采集吸附塔6内压力值p，在plc程序中，通过内置的离心式真空泵4的特性图如图4中最高效率线上查找在该压力p下对应转速n，然后输出该转速n的对应频率至离心式真空泵4的变频器3，变频器3将离心式真空泵4的运行转速调整到该转速n，使离心式真空泵4始终运行在高效状态，沿最高效率曲线运行。多台离心式真空泵4采用同样的模式，使流量叠加，压力保持一致，通过增加或者减少离心式真空泵4的数量，使得总工况满足vpsa系统的产量要求。对于离心式鼓风机2采用同样的控制模式。
44.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。