气体膨胀装置和气体膨胀方法与流程

本发明涉及气体膨胀装置和气体膨胀方法。

背景技术：

在与用于发电的发电机联接的体积式膨胀元件中的多相流体膨胀的各种应用具有广泛的特点和局限。

在一些应用中，随时间变化，压力和气体组分相对稳定，从而能够实现恒定的运行特性和较低的控制水平。

在其他应用中，运行条件会发生显著变化，这导致出现低效率和/或可靠性问题。

在一些应用中，例如用于天然气的减压站，通常在减压站的下游保持恒定压力，但在上游为可变压力。正确地向终端用户分配天然气要求下游为恒定压力，而上游的变化压力是由诸如供应变化和不稳定控制之类的影响因素所决定。

在这种情况下，膨胀装置所产生的能量受入口压力的强烈影响。这出于以下两个原因。首先，更高的入口压力导致压力比增加，因此每单位膨胀质量的焓降更大，其次，更高的入口压力导致因更高的气体密度而更大的质量流量。

由于维持下游压力对系统至关重要，因此膨胀机可以仅需膨胀等于气体管网端点处气体瞬时需求的质量流量。

这导致了对具有可变入口压力的体积膨胀机中入口处体积流量复杂可变性的要求。

控制体积膨胀装置中体积流量的现有解决方案包括VSD(即变速驱动器)、入口处减少流量以及用于改变膨胀机冲程容积的机械装置。

入口处减少流量意味着可以调节气体的密度以控制所膨胀的质量流量。缺点是明显的效率损失，这是因为膨胀装置的压力比基本上始终降低，除了在需要最大流量时(这种情况很少发生)之外。

*为了控制冲程容积，通常采用可移动的套筒阀或其他改变膨胀机冲程容积的阀机构。这样的解决方案可以非常有效，但是昂贵并且增加了设计的复杂性且因此有损可靠性。

*VSD可以精确控制所膨胀的质量体积，而且具有高效率和低设计复杂性。但是，体积膨胀机的扭矩通常很少取决于速度或甚至逆相关。

这意味着VSD发电机必须能够以低速和高扭矩安全运行。而且，这意味着作用在体积膨胀装置内部的力将由入口压力限定，而不是由产生的电力限定。换句话说，力直接取决于在输出轴上产生的机械扭矩。

在VSD应用中，如果入口压力向上变化，则膨胀装置结构过载的风险很明显。如果使用尺寸过大的膨胀机，则在正常运行条件下每个入口压力处的效率都会受到影响。如果使用具有精确尺寸的膨胀装置，则正常入口压力下的效率将优化，而在入口压力高峰处预期会发生结构损坏。

而且，在特别高的扭矩和低速度的条件下，对速度控制很复杂且昂贵。

相关问题是对速度过高问题进行昂贵且复杂的调节。当丧失制动扭矩时，膨胀机将快速加速并产生会危害系统可靠性的有害运行条件，并将导致对下游气体网络的过量供应。

常用的调节技术是在膨胀装置之前使用速闭阀，以便不到一秒内有效地切断质量流量和扭矩。

由于旋转延迟，这种速闭阀会在膨胀装置的入口处产生暂时真空。该真空使膨胀机快速制动至停止。速闭阀的使用意味着对机械系统的瞬态负载非常高。

此外，膨胀机将保持不运行，直到其被适当控制、重新启动并再次与电网同步为止。

造成制动扭矩丧失的原因可以是轴连接断开，因此通过速闭阀来实施停止就足够了。但是，原因也可以是电网短时或长时中断、不稳定的VSD速度控制或发电机制动设备过载。

对实际的或假设的紧急情况检测(例如在辅助系统中或通过紧急按钮)会导致需要使用速闭阀。

因此，需要一种安全、可靠且快速地限制膨胀装置中扭矩的方式，并且优选地需要一种即使入口压力暂时停止也能够在不损失膨胀机运行时间的情况下连续运行的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供对上述和其它缺点的解决方案，实现方式如下：提供了一种用于膨胀气体或气液混合物的气体膨胀装置，其中，气体膨胀装置包括气体膨胀元件，气体膨胀元件具有用于待膨胀气体的入口和用于待膨胀气体的入口管，入口管连接到入口，气体膨胀装置还包括用于注入液体的第一液体注入点，第一液体注入点位于与入口齐平的位置或入口上游的位置，并且优选地处于入口的上游。

结果，当检测到过高的扭矩时，可以在入口上游或者与入口齐平的位置向气流中喷射液体，使得该液体与气体一起进入膨胀腔。

当高速运行时，注入的液体确保了对进气的制动效果。加速液体所需的能量降低了气体的总压力，从而降低了气体膨胀装置的膨胀压力比和体积流入量。结果，扭矩受到限制。

当以低速运行时，注入的液体填充了腔容积的大部分，否则腔容积将被进气占据。因此，减少了气体的体积流入量。压力比保持不变，但质量流量减少。结果，扭矩受到限制。

此外，当检测到需要气体膨胀装置快速停止的紧急情况时，可以从入口上游注入液体。

因而，液体具有如上所述的效果，而且还基本上降低了否则会短暂发生的高速。这意味着在膨胀装置之前的保护阀可以以更慢的运行速度关闭，否则就会以更快的运行的速度关闭。因此，不需要极其快速且昂贵的速闭阀，使用标准阀即可，不会发生可能的短暂过载并且在紧急情况之后气体膨胀装置可以更快地再次运行。

在发生技术故障(例如，能量所供应到的能量网络断开。或者丧失了膨胀元件和发电机之间的机械联接)的情况下会发生这种紧急情况，并且可以用本领域技术人员已知的多种方式检测该紧急情况。

如果辅助设备正确或不正确地发出紧急信号或者如果通过人为干预或通过软件激活紧急停止程序，则也会发生这种紧急情况。

在优选实施例中，气体膨胀装置设有用于启动或关闭液体向第一液体注入点流动的器件，以便可以根据需要使用或不使用第一液体注入点。

优选地，所述器件连接到控制单元以控制该器件，并且气体膨胀元件机械地联接到发电机，使得膨胀元件可以驱动发电机，其中，控制单元连接到发电机。

结果，可使用发电机的运行条件和测量参数来控制所述器件。

优选地，气体膨胀装置设置有液体分离器，用于将液体与在气体膨胀元件中膨胀后的气体分离开，其中，第一液体注入点连接到液体分离器的液体出口。

结果，可使用已经与气体分离开的液体(通常为油)来供应第一液体注入点。

优选地，气体膨胀装置包括第二液体注入点，第二液体注入点配置成在入口下游的位置处将液体注入气体膨胀元件中，并且气体膨胀装置设置有用于液体的储存器或供应管，其中，第一液体注入点和第二液体注入点都连接到该供应管或该储存器。

结果，通常通过第二液体注入点注入的用于冷却和/或润滑的液体也可以被注入第一液体注入点，从而降低了装置的复杂性。

优选地，所述器件包括具有三个连接口的三通阀，其中，第一连接口连接到供应管或储存器，而其他连接口分别连接到第一液体注入点和第二液体注入点。

结果，如果运行情况需要使用第一液体注入点，则可以容易地把在正常运行中所需的对第二液体注入点供应转移到第一液体注入点。

在优选实施例中，第一液体注入点定位成使得注入方向在上游。这确保了在高速运行时出现高扭矩情况下的最大制动效果，原因在于液体的方向必须通过流动的气体来反转。

本发明还涉及一种气体膨胀方法，其中，由根据本发明的气体膨胀装置来引导气体，仅在检测到异常运行条件时经由第一液体注入点注入液体。

在此，超过扭矩的第一阈值表示第一异常运行条件。

该扭矩是彼此机械联接起来的发电机轴和膨胀元件轴的扭矩。可以在各种地方测量该扭矩，或者由本领域技术人员用已知方式从其他测量值(例如转速和功率)推导出该扭矩。

在此，例如，发生需要停止气体膨胀装置的紧急情况表示第二异常运行条件。

在此，例如，超过膨胀元件的转速阈值或者超过扭矩的第二阈值或者超过所产生电力的第一阈值表示紧急情况。

替代地，也可以通过以下条款来定义本发明：

1、一种气体膨胀装置，其包括气体膨胀元件，气体膨胀元件具有入口，入口连接到加压气体入口管，其中，气体膨胀装置包括位于入口之前的液体注入点。

2、根据条款1的气体膨胀装置，其中，气体膨胀装置还包括主液体注入点，主液体注入点配置成在入口之后的位置处将液体注入气体膨胀元件中。

3、根据条款1和2的气体膨胀装置，其中，液体注入点和主液体注入点都通过液体管连接到三通阀的两个连接口，三通阀的第三连接口连接到液体分离器的液体出口，该液体分离器连接到气体膨胀元件的出口。

4、根据条款1和2的气体膨胀装置，其中，设有注入控制器件，用于控制通过液体注入点注入的液体流量和通过主液体注入点注入的液体流量。

5、根据条款3和4的气体膨胀装置，其中，控制器件包括三通阀。

6、根据条款3的气体膨胀装置，其中，三通阀连接到控制器。

7、根据条款6的气体膨胀装置，其中，控制器还连接到发电机，发电机连接到气体膨胀元件，使得膨胀元件可以驱动发电机。

8、一种用于运行根据条款1的气体膨胀装置的方法，其中，在正常运行期间切断通过液体注入点的液体注入。

9、一种用于运行根据条款1的气体膨胀装置的方法，其中，当高速运行时，在扭矩或入口压力超过第一预定阈值时，激活通过液体注入点的液体注入。

10、一种用于运行根据条款1的气体膨胀装置的方法，其中，当以低速运行时，在扭矩或入口压力超过第二预定阈值时，激活经由液体注入点的液体注入。

11、一种用于运行根据条款1的气体膨胀装置的方法，其中，在正常运行期间，当低于功率或扭矩极限时或超过速度极限时，激活通过液体注入点的液体注入。本发明涉及一种用于记录铰接体肢体动作的方法。

附图说明

为了更好地显示本发明的特征，在下文中参考附图通过非限制性示例来描述根据本发明的气体膨胀装置的优选实施例以及相关方法，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的气体膨胀装置；

图2示出了气体膨胀装置的运行原理。

具体实施方式

在该示例中，气体膨胀装置1是双螺杆天然气膨胀装置，膨胀过程中喷油。

然而，本发明也可以类似地应用于其他类型的体积膨胀机和除油和天然气之外的其他流体。

如图1所示，气体膨胀装置1包括机械联接在一起的双螺杆膨胀元件2和发电机3。

膨胀元件2包括天然气的入口4，其连接到天然气的入口管5。截止阀6设置在入口管5中。

用于把油和气分离开的油分离器7设置在膨胀元件2的下游。油分离器7具有用于膨胀气体的出口8和用于油的出口9。

用于油的出口9经由油泵11连接到三通阀12的第一连接口。

三通阀12的另外两个连接口连接到液体注入点。

更具体地，这涉及第一液体注入点13和第二液体注入点14，该第一液体注入点13附连在紧邻膨胀元件2或入口管5中的入口4上游，第二液体注入点14附连在入口4的下游。

因此，第一液体注入点13的注入方向与气体流动方向相反。

气体膨胀装置1还设置有电子控制单元15，该电子控制单元15以数据传输方式连接到截止阀6、三通阀12和发电机3。

气体膨胀装置1的运行简单并且如下所述。

在正常运行的情况下，即，当未检测到比所需扭矩更高的扭矩时，三通阀12设定成使得所有的油被驱动到第二液体注入点14。那么，该运行类似于传统的气体膨胀装置。

这在图2中示意性地示出。横轴表示膨胀元件2的转子的旋转进程。纵轴表示膨胀腔的容积。

因此，入口4在由A和B表示的点之间向膨胀腔开放。在入口4刚刚关闭之后，如从点C到点D的间隔示意性地表示，经由第二液体注入点14注入油。

这样做的原因是：为了符合成本效益地应用螺杆膨胀装置，转子的圆周速度必须尽可能高。因此，必须最少限度地向膨胀机入口注油，以限制摩擦损失，否则会降低膨胀腔的最佳填充。因此，通常控制注油，使得在入口关闭之后油才进入膨胀腔，此时油对气体填充腔的过程不会产生进一步的影响。

为了获得所注入油的良好效果，通常在入口关闭后立即在高压下注入油。尽管在入口关闭后腔压力立即降低，但油压通常高于管道入口处的气体压力。

在第一异常运行条件下，即，如果通过控制单元15在发电机3中测量或计算出高于所需扭矩，则三通阀12设定成使得所有的油流到第一液体注入点13。

这具有两个效果。第一个效果是：在注入时，由于气体流过，油会发生方向的变窄和变化，从而降低了气体的有效入口压力。第二个效果是：油在膨胀元件的膨胀腔中流动，使得留给气体的空间极小。在高速旋转时第一效果将显著地占上风，而在低速旋转时第二效果将显著地占上风。

在两种情况下，扭矩都减小，从而防止了气体膨胀装置1的过载。

在第二异常运行条件下，在检测到紧急情况时，三通阀12也设定成使得所有的油流到第一液体注入点13，这具有上述两种效果；并且另外还通过控制单元15关闭截止阀6，使得气体膨胀装置1快速停止从而不会对气体膨胀装置1造成任何损坏。

在上文中，下游和上游指的是气体流动方向。

本发明不限于作为示例描述并在附图中示出的实施例，而是可以在不背离本发明范围的前提下以各种形式和尺寸实施根据本发明的气体膨胀装置和方法。