本發(fā)明涉及用于使得氣流膨脹的方法，所述氣流更加具體地是諸如蒸汽或類似物的氣體或者氣體混合物。

背景技術(shù)：

在工業(yè)處理中，蒸汽通常用作驅(qū)動力或者作為所有種類的化學或者其它處理的抑制劑。

通常在鍋爐中產(chǎn)生蒸汽，所述鍋爐的壓力和溫度大體上固定。

工業(yè)處理通常需要壓力和溫度低于鍋爐輸出的壓力和溫度的蒸汽，其中，所需蒸汽條件還能夠變化。

因此，在大多數(shù)蒸汽設施中，在鍋爐和下游工業(yè)處理之間使用減壓閥，減壓閥允許蒸汽膨脹至工業(yè)處理所需的理想壓力。

通常，使用飽和蒸汽，按照定義，所述飽和蒸汽不包含任何液體形式的水，原因在于蒸汽中存在的所有水均已經(jīng)蒸發(fā)成氣體。

已知的是，在飽和蒸汽的情況下，在蒸汽的壓力和溫度之間存在明確關系。換言之，如果已知蒸汽溫度，則還可以由蒸汽溫度確定壓力，反之亦然。

減壓閥因此更多或更少地打開或者關閉，以獲得等于下游處理所需的壓力。在膨脹期間，蒸汽的壓力和溫度根據(jù)熱力學已知的等焓定律變化。

這種控制的優(yōu)勢在于其極其簡單。

然而，這種控制的劣勢在于壓降不能用于有效轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的能量，諸如機械能或者電能。

另一個劣勢是其僅僅使得能夠控制壓力，其中，減壓閥中的開始于飽和蒸汽的等焓膨脹經(jīng)常以通常高于所需的溫度供應過熱蒸汽。蒸汽的過熱還意味著下游處理中的熱量低效交換并且結(jié)果必須盡可能限制蒸汽過熱。

為了降低蒸汽溫度和過熱水平，傳統(tǒng)上使用鍋爐或者“減溫器”，所述鍋爐或者“減溫器”具有價格昂貴的劣勢并且因此其容量有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供針對上面所述的劣勢和其它劣勢的一種或者多種解決方案。

為此，本發(fā)明涉及在入口和出口之間使得諸如蒸汽或類似物的氣體或者氣體混合物的氣流膨脹的方法，所述入口用于供應處于入口壓力和入口溫度的特定入口條件下的待膨脹的氣體，所述出口用于輸送處于出口壓力和出口溫度的特定所需出口條件下的膨脹氣體，其中，所述方法至少包括通過減壓閥使得所述入口和所述出口之間的氣流至少部分地膨脹和通過減壓單元使得所述氣流至少部分地膨脹的步驟，其中，所述減壓單元具有由氣體驅(qū)動的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有輸出軸以便將氣體中包含的能量轉(zhuǎn)換成該輸出軸上的機械能。

通過應用這種減壓單元，膨脹能量的至少一部分能夠有效轉(zhuǎn)換成減壓單元的軸上的機械能，其中，這種機械能可以用于例如驅(qū)動發(fā)電機或者其它有用設備。

與減壓閥中的蒸汽的等焓膨脹形成對照，預期類型的減壓單元中的壓力膨脹而是根據(jù)多變或者近似等熵熱力學定律進行，其中，與等焓膨脹相比，多變膨脹針對相同的壓降產(chǎn)生更大的溫度下降。

由于裝置的輸入和輸出之間的膨脹對于整個流動或者對于流動的特定部分是部分等焓和部分多變的，并且由于分別在減壓閥和減壓單元中等熵膨脹和多變膨脹之間的適當分布，和/或通過子流的適當分布，因此出口處的壓力和溫度可以被調(diào)節(jié)成下游處理所需的值，并且這沒有應用額外的冷卻或者蒸汽冷卻器并且具有能夠從多變膨脹中提取機械能的額外優(yōu)勢。

優(yōu)選地，螺桿膨脹器用作減壓單元，減壓單元提供了這樣的優(yōu)勢，即，其還使得蒸汽能夠膨脹至低于飽和溫度的溫度，由此蒸汽將部分冷凝成液體，因而其較之大多數(shù)類型的渦輪機能夠?qū)崿F(xiàn)更廣的應用范圍。

根據(jù)依照本發(fā)明的方法的優(yōu)選變形例，驅(qū)動待膨脹的氣流并行地通過減壓閥以及通過減壓單元，其中，待膨脹的氣流的一子流流過減壓閥并且一子流流過減壓單元，由此兩股子流都膨脹到所需出口壓力，在此之后，所述兩股子流在相同的所需出口壓力條件下合并，以便在所述出口以所需出口條件供應膨脹氣流。

根據(jù)依照本發(fā)明的方法的另一個優(yōu)選變形例，在兩個相繼的膨脹階段中驅(qū)動待膨脹的氣流順次地通過減壓閥和通過減壓單元，其中，控制減壓閥和減壓單元，使得在第一膨脹階段之后獲得具有中間壓力和溫度的中間操作點，這確保在第二膨脹階段中膨脹到對應于所需出口壓力和出口溫度的壓力和溫度。

本發(fā)明還涉及一種用于使得諸如蒸汽或類似物的氣體或者氣體混合物的氣流膨脹的裝置，其中，所述裝置包括：入口，所述入口用于供應處于入口壓力和入口溫度的特定入口條件下的待膨脹的氣體；和出口，所述出口用于輸送處于出口壓力和出口溫度的特定所需出口條件下的膨脹氣體，其中，所述裝置使得能夠應用根據(jù)上面描述的本發(fā)明的方法并且為此所述裝置設置有減壓閥和減壓單元，減壓單元具有由氣體驅(qū)動的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有輸出軸以便將包含在氣體中的能量轉(zhuǎn)換成該輸出軸上的機械能；和管，所述管引導待膨脹的氣流至少部分地通過減壓閥并且至少部分地通過減壓單元。

優(yōu)勢與針對根據(jù)本發(fā)明應用的方法所描述的優(yōu)勢相同。

附圖說明

為了更好的顯示本發(fā)明的特征，在下文參照附圖通過不含任何限制屬性的示例描述了用于使得氣流膨脹的根據(jù)本發(fā)明的方法的若干優(yōu)選應用和因此應用該方法的裝置，在附圖中：

圖1示意性示出了用于使氣流更具體地是使蒸汽膨脹的傳統(tǒng)已知裝置；

圖2示出了蒸汽的溫度/熵圖形式的相圖或者蒸汽圖，圖上示出了蒸汽在裝置中通過期間蒸汽的發(fā)展；

圖3示出了用于根據(jù)本發(fā)明的使得蒸汽膨脹的裝置；

圖4示出了諸如圖2的相圖但是針對圖3的裝置的相圖；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的變形例；

圖6示出了諸如圖4的圖但是針對圖5的裝置的圖；

圖7示出了在中間控制期間的圖6的圖

具體實施方式

圖1中示出的傳統(tǒng)裝置1設置有：入口A，所述入口A連接到蒸汽源2，以便供應待膨脹的蒸汽的氣流Q；出口B，其用于將膨脹蒸汽輸送到蒸汽用戶或者工業(yè)處理的下游蒸汽裝置3。

源2是例如鍋爐，其產(chǎn)生處于特定入口條件的飽和蒸汽，所述特定入口條件即，在裝置1的入口A處的特定入口壓力P_A和入口溫度T_A。

入口A中的蒸汽的操作點在相圖中示出為位于相圖的飽和曲線4上的點A，其中，此飽和曲線A形成氣相G的區(qū)域和區(qū)域G+V之間的分離，一方面，在所述氣相G中，蒸汽的壓力和溫度使得蒸汽僅僅存在于水的氣相中，在所述區(qū)域G+V中，水的氣相與水的液相平衡。

在相圖中通過操作點A的恒定壓力P_A的等壓線表示為虛線并且代表壓力等于入口壓力P_A的所有操作點。

當從等壓線P_A上的位于飽和線左側(cè)上的一點開始供應能量時，操作點然后將沿著等壓線P_A的水平段朝向恒溫T_A處的右側(cè)運動并且存在的水滴將逐漸蒸發(fā)直到達到操作點A，在所述操作點A處所有水都已蒸發(fā)并且僅留有氣體。

隨著在恒定壓力P_A的條件下進一步供應能量，操作點將沿著等壓線P_A進一步移動到右側(cè)并且溫度將逐漸升高。在這個區(qū)域中，是對應于氣相而沒有液體的過熱蒸汽的情況。

下游蒸汽裝置3決定供應的蒸汽必須滿足的蒸汽條件，換言之，裝置1的出口B處的蒸汽條件，特別是出口壓力P_B、出口溫度T_B和蒸汽組分。

針對下游蒸汽裝置3而言，通常略微過熱蒸汽是理想的。在相圖中對應的操作點示出為位于壓力P_B和溫度T_B條件下的飽和線4右側(cè)的點B，其中，所述壓力P_B低于壓力P_A，所述溫度T_B低于T_A。

為了使得蒸汽從入口A處的壓力膨脹P_A到出口B處的更低的壓力P_B，傳統(tǒng)上使用減壓閥5，減壓閥5包含在管6中，所述管6將入口A連接到出口B，以使得蒸汽Q的流通過減壓閥5膨脹。

對于傳統(tǒng)減壓閥5而言，膨脹到出口壓力P_B的膨脹基本遵循沿著等焓膨脹曲線7的等焓發(fā)展進行到直到膨脹到等壓線P_B上的點C為止。

溫度T_C通常比所需的出口溫度T_B高得多，并且因此在減壓閥5后使用蒸汽冷卻器8或類似物，以將出口溫度降低至恒定壓力P_B條件下的所需溫度T_B。然后操作點沿著等壓線P_B從點C運動到點B。

在傳統(tǒng)裝置1的示出示例中，減壓閥5能夠被調(diào)節(jié)并且設置有控制器9，以將通過減壓閥5的膨脹控制為控制器9中設定的所需壓力值P_B，其中，控制器9連續(xù)測量出口B處的壓力并且隨著壓力大于或者小于設定的壓力P_B而更多或更少地打開減壓閥5，直到壓力等于上述設定壓力為止。

圖3示出了與圖1的傳統(tǒng)裝置不同的根據(jù)本發(fā)明的裝置1，不同之處例如在于不必設置蒸汽冷卻器8并且在管6中除了減壓閥5之外還并聯(lián)地包含減壓單元10，使得蒸汽流Q被分流為被引導通過減壓閥5的子流Q1和流過減壓單元1的子流Q₂，其中，這些子流Q₁和子流Q₂在膨脹之后再次合并以便經(jīng)由出口B一起被供應到下游蒸汽裝置。

減壓單元優(yōu)選地構(gòu)造為螺桿膨脹器，其具有兩個嚙合的轉(zhuǎn)子11，所述嚙合的轉(zhuǎn)子11中的一個轉(zhuǎn)子11設置有輸出軸12以便將蒸汽的膨脹能轉(zhuǎn)換成能夠在輸出軸12上獲得的機械能。

作為示例，輸出軸12聯(lián)接到發(fā)電機14，用于將電力輸送到用戶網(wǎng)絡(未示出)。

減壓單元10的速度優(yōu)選地能夠可變地調(diào)節(jié)，為此，發(fā)電機14設置有例如控制器13。

不排除具有至少一個從動轉(zhuǎn)子和輸出軸的其它形式的減壓單元，例如一種或者另一種類型的渦輪機。

根據(jù)本發(fā)明的裝置1設置有器件15和16，所述器件15和16分別用于測量或者確定出口B處的溫度和壓力。

另外，圖3的裝置包括控制器9，所述控制器9用于根據(jù)在此被假定為常數(shù)的入口條件P_A和T_A在控制器中控制蒸汽在減壓閥5中和減壓單元10中經(jīng)歷的膨脹，以獲得出口B中的處于所需的、設定的或者可設定的出口壓力P_B和出口溫度T_B的值的條件下的蒸汽。

控制器9經(jīng)由連接裝置17連接到上述器件15和16以便確定出口B處的壓力和溫度，并且所述控制器9具有控制算法18，以將流Q分成兩股上述子流Q₁和Q₂，所述兩股子流Q₁和Q₂都經(jīng)歷膨脹并分別膨脹到所需出口壓力P_B。

作為示例的螺桿膨脹器中的子流Q₂的膨脹通常根據(jù)近似等熵定律或近似多變定律進行，如由膨脹曲線19在圖4中所示。

因此所述流從入口A處的操作點A變化到減壓單元10的出口B”處的操作點B”，其中，該操作點B”位于等壓線P_B上。

可以從相圖得到出口B”處的溫度T_B”低于所需溫度T_B。

減壓閥5中的子流Q₁的膨脹典型地依照等焓定律進行，其根據(jù)入口處的操作點A和減壓閥5的出口處的操作點B’之間的膨脹曲線7以與圖2類似的方式進行，所述操作點B’位于等壓線P_B上。

減壓閥5的出口B’處的溫度T_B’因此高于所需設定溫度T_B。

在膨脹之后，兩股子流Q₁和Q₂在壓力P_B條件下合并，其中，合并的流Q以壓力P_B和介于溫度T_B’和T_B”之間并且取決于兩股子流Q₁和Q₂的相互混合比的溫度出現(xiàn)在出口B?？刂破?的控制算法18使得Q₁和Q₂之間的相互混合比可以被控制成使得合并的流Q的溫度對應于所需溫度T_B。

為此，控制器9一方面經(jīng)由連接裝置20連接到控制器13，以便能夠調(diào)節(jié)速度并且從而也調(diào)節(jié)減壓單元10的流Q₂，而另一方面經(jīng)由連接裝置21連接到可控的減壓閥5，以便更多或更少地打開或者關閉該減壓閥5，以便使得更多或者更少的流Q₁通過。

控制算法18例如可以如下設計。

當啟動裝置1時，流Q例如等分成通過減壓閥5的流Q₁和通過減壓單元10的流Q₂，其中，Q₁＝Q₂＝Q/2。

在第一種情況中，基于在出口B處測量的壓力控制合并的流Q。當測量的壓力低于所需出口壓力P_B的設定值時，這意味著流Q太小，子流Q₁和Q₂增加相同的程度，直到測量壓力等于設定壓力P_B為止。類似地，當測量的壓力高于設定值時，子流Q₁和Q₂減小相同的程度，直到測量壓力等于設定壓力為止。

通過減壓閥5的蒸汽遵循曲線7直到到達點B’，同時通過減壓單元10的蒸汽遵循曲線19直到到達點B”。兩股流的合并導致點B”’，所述點B”’與要求的溫度T_B不同。

如果溫度B”’低于溫度T_B，如圖4的情況，過多的蒸汽經(jīng)由曲線19膨脹。因此，算法18將確保流Q₁增加而流Q₂減少相同的程度，直到達到所需溫度T_B為止。

因為合并的總流Q不受該初始控制影響，因此在恒定入口條件下，出口壓力將保持處于P_B條件下。

另一方面，如果溫度B”’高于所需溫度T_B，則這意味著過多的蒸汽經(jīng)由曲線7膨脹。這是在這種情況中為什么算法18將確保流Q₁減小而流Q₂增加相同的程度直到達到溫度T_B為止的原因。

如果例如蒸汽裝置3中的下游消費者現(xiàn)在需要更少的流Q，則出口壓力P_B在裝置1仍然供應流Q的情況下將增大。然后，在檢測到出口壓力中的變化時，控制器18將改變流Q，使得此時可施加的流的比率Q₁/Q₂保持不變。

一達到正確的出口壓力P_B，算法18就繼而檢查流的比率Q₁/Q₂是否必須改變，以實現(xiàn)出口B處的所需溫度T_B。

在改變諸如入口壓力或入口溫度的其它條件時，算法18也將以相同的方式進行，即：

-首先，通過調(diào)節(jié)總流Q實現(xiàn)所要求的出口壓力P_B；

-然后，調(diào)節(jié)流Q₁和流Q₂之間的比率，以實現(xiàn)所要求的出口溫度T_B。

當然，裝置中還可以存在其它分流和分支，所述分流和分支進一步使流Q或者子流Q₁和/或Q₂分流，以在此后使其再次以由控制器確定的比例完全或者部分地合并，以便獲得所需的出口條件。

明確的是，入口A處的條件不需要局限為飽和曲線A上的點，而是在入口處其還可以開始于略微過熱的蒸汽(其中，操作點位于曲線4的右側(cè))或者蒸汽和水滴的輕微兩相混合物(其中，操作點位于曲線4的左側(cè))，以便盡管如此仍然能夠利用本發(fā)明的優(yōu)勢。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的替代裝置1，其中，在這種情況中，減壓閥5和減壓單元10(在示例中為聯(lián)接到發(fā)電機14的螺桿膨脹器)沒有如圖3的實施例那樣并聯(lián)地包含在管6中，而是一個在另一個之后地串聯(lián)作為在入口A和出口B之間的兩個相繼的膨脹階段，分別在從入口A處的壓力P_A至減壓閥5和減壓單元10之間的管6中的中間壓力Pc的減壓閥5中，然后在從中間壓力Pc至所需出口壓力P_B的減壓單元10中。

如圖6所示，減壓閥5中的膨脹然后遵循從入口A處的操作點A至壓力P_C和溫度T_C條件下的操作點C的等焓膨脹曲線7，并且減壓單元10中的進一步膨脹根據(jù)多變或者近似等熵膨脹曲線19進行至針對出口B的操作點B。

適當?shù)目刂破?使得能夠控制兩個膨脹階段，使得出口B的壓力和溫度等于控制器9中的設定值P_B和T_B。

控制器9包括計算和控制算法22，所述計算和控制算法22確定作為已知入口條件P_A和/或T_A的函數(shù)和作為所需出口條件P_B和/或T_B的函數(shù)的膨脹曲線7和19的進程，然后確定作為兩條膨脹曲線7和19的一部分的操作點C。該操作點C對應于中間操作點，在兩個膨脹階段之間需要到達所述中間操作點，以對于給定入口條件P_A和T_B在出口達到所需壓力P_B和溫度T_B。

控制算法22例如提供以下控制。

在第一控制步驟期間，調(diào)節(jié)流Q，直到在出口B達到所需壓力P_B。

為此，當啟動裝置1時，通過經(jīng)由控制器13調(diào)節(jié)發(fā)電機14的負荷在最小速度條件下控制減壓單元10并且由此系統(tǒng)地打開減壓閥5。

當在開始時緩慢地進行打開時，將在減壓閥5兩側(cè)發(fā)生非常大的壓降，使得中間操作點C’的中間壓力比所需中間壓力P_C低得多。流Q將主要經(jīng)由膨脹曲線7膨脹并且更小程度經(jīng)由膨脹曲線19膨脹。

控制算法22將在減壓單元10的恒定速度的條件下逐漸進一步打開膨脹閥5直到如圖7所示達到所需出口壓力P_B為止。

操作點B’的特征在于出口溫度高于所需的出口溫度T_B。

在第二控制步驟期間，調(diào)節(jié)中間操作壓力C的中間壓力，同時保持流量，并且這例如用以下方式。

當中間壓力低于所需中間壓力P_C時，則算法將增加減壓單元10的速度直到達到所需中間壓力P_C為止。

然而，當中間壓力高于所需中間壓力P_C時，算法將更大程度關閉減壓閥5，直到實現(xiàn)所需中間壓力P_C。

例如，如果下游消費者現(xiàn)在要求更少的流Q，則出口B處的出口壓力將在裝置仍然供應流Q的情況下增加。這是控制器9為什么在檢測到出口B中的出口壓力變化時改變流Q使得維持中間壓力P_C的原因。在更少的所需流的情況中這可以通過根據(jù)特定比率同時關閉減壓閥5以及減小減壓單元10的速度完成。

一達到所需出口壓力P_B，算法就將繼而檢查減壓閥5的狀態(tài)和/或減壓單元10的速度是否必須改變以實現(xiàn)計算得到的所需中間壓力P_C。

不排除算法包括這樣的步驟，即，針對算法中出現(xiàn)不準確性或者機器出現(xiàn)老化時的情況基于測量的出口溫度和所需出口溫度T_B之間的差改進計算得到的中間壓力P。

在改變諸如入口壓力或者入口溫度的其它條件時，算法將始終以相同的方式進行，即：

-首先，通過調(diào)節(jié)總流Q實現(xiàn)所需出口壓力P_B；

-然后，調(diào)節(jié)減壓閥5的開度和減壓單元10的速度之間的比率，以實現(xiàn)計算的中間壓力P_C。

明確的是，當減壓單元10串聯(lián)時還可以交換減壓閥5的順序并且還可以設置多于兩個的階段。

根據(jù)工業(yè)處理的復雜性，當然，不排除一個或者多個并聯(lián)連接裝置(諸如圖3的連接裝置)和/或一個或者串聯(lián)連接裝置(諸如圖5的連接裝置)的組合與適當?shù)目刂破鳛榇四康囊黄饝谩?/p>

盡管在上述示例中的每一個示例中使用螺桿膨脹器，但是不排除使用其它類型的膨脹器，螺桿膨脹器的優(yōu)勢是，在膨脹期間，例如在操作點B”或者中間操作點C位于氣體和液體處于平衡的區(qū)域中的圖4的情況中，螺桿膨脹器對水滴的形成不很敏感。

替代蒸汽，還可以使用其它氣體或者氣體混合物。

本發(fā)明絕不局限于在作為示例描述并且在附圖中示出的用于使得氣流膨脹的方法和裝置的變形例，而是在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以在各種變形例中實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置。