一种冷凝分离式气波增压装置与方法
阅读说明：本技术 一种冷凝分离式气波增压装置与方法 (Condensation separation type air wave supercharging device and method ) 是由 胡大鹏 赵一鸣 刘凤霞 李浩然 于洋 武锦涛 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种冷凝分离式气波增压装置与方法,属于气体射流实现引射增压的技术领域。该装置在大膨胀比工况下,可利用膨胀降温后的高压入射气体作为冷源,为装置最终产气进行冷凝脱湿；可直接回收高压入射气体膨胀所产生的压缩功对管内气体进行升压,并利用升压后的气体对低压气体进行引射增压,有效改善了直接利用高压气进行引射增压时效率低下等问题,实现高压气体能量的高效利用；利用单个转子完成冷源生产与引射增压过程,可节约装置制造成本,优化设备结构尺寸；喷嘴调节板等部件可实现装置喷嘴间偏角的外部调节,方便设备的安装与调试。本发明可广泛应用于煤层气等天然气资源的开采与净化等领域。(The invention discloses a condensation separation type gas wave supercharging device and method, and belongs to the technical field of injection supercharging of gas jet. Under the working condition of large expansion ratio, the device can utilize high-pressure incident gas after expansion and temperature reduction as a cold source to carry out condensation and dehumidification on final gas generated by the device; the device can directly recover compression work generated by expansion of high-pressure incident gas to boost the gas in the tube, and utilizes the boosted gas to inject and boost low-pressure gas, so that the problems of low efficiency and the like when high-pressure gas is directly used for injecting and boosting are effectively solved, and the high-efficiency utilization of high-pressure gas energy is realized; the single rotor is utilized to complete the cold source production and injection pressurization process, so that the manufacturing cost of the device can be saved, and the structural size of the equipment is optimized; the external adjustment of the deflection angle between the nozzles of the device can be realized by the nozzle adjusting plate and other parts, and the installation and debugging of the equipment are facilitated. The invention can be widely applied to the fields of exploitation and purification of natural gas resources such as coal bed gas and the like.)
技术领域
本发明涉及一种冷凝分离式气波增压装置与方法，属于气体射流增压的技术领域。
背景技术
利用压力波实现气体间能量传递的气波技术是新型的压力能综合利用技术，主要应用于天然气的脱湿净化、低温气源的生产制造、低压煤层气井的开采、低压气增压集输等领域。利用高压气体压力能实现引射增压的传统设备有膨胀机-压缩机组、涡轮增压机以及静态引射器等。膨胀机-压缩机组及涡轮增压机等设备结构复杂、加工维护费用高且带液运行能力差，而静态引射器虽然为结构简单的静设备，但效率低，易造成大量的压力能浪费。
通过气波技术研制的气波增压机则具备设备机构简单，可带液运行等优点，并且相比于静态引射器高低压气体直接掺混的能量传递方式，气波增压机通过压力波进行能量交换，其等熵效率也相对更高。但目前已有气波增压机如专利轴流式射流气波增压器CN201220115597.0、径流式射流气波增压器CN201210081102.1等均存在大膨胀比工况下引射率、效率较低的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种冷凝分离式气波增压装置及其工作方法。针对现有技术中存在的问题，在大膨胀比工况下，先利用高压气体膨胀制造冷源，并回收部分其膨胀所产生的压缩功以获得用于引射的高压回气，待对被引射低压气完成引射增压后，利用高压气体膨胀所产生的冷源对中压产气进行冷凝脱湿，得到最终的中压干气，实现高压气体能量的高效利用。
本发明采用的技术方案是：
在传动轴的带动下，波转子在底座与中压支撑板间旋转，各振荡管下端依次与高压喷嘴接通，高压气射入振荡管内，使管内原有气体升温升压为高温气；待振荡管上端旋至与高温出气喷嘴接通时，高温气体依次经由振荡管上端开口、高温出气喷嘴和高温喷嘴调节板，喷射进入高温出气腔；高温气流出高温出气腔后，可通过高温出气调节阀调节其压力；高温出气流经调节阀后进入热量回收器释放热能，再进入高压回气腔成为高压回气；波转子继续旋转，振荡管下端与低温出气喷嘴接通时，高压气体膨胀做功转化而成的低温气体经由低温出气喷嘴排入低温出气腔；在驱动风机的带动下，低温出气进入气体换热器，释放冷量后进入低压回气腔，再进入振荡管内作为低压回气推动低温气体排出；波转子继续旋转，振荡管下端与高压回气喷嘴接通，此时高压回气腔内的高压回气射入振荡管内，压缩管内气体，使管内气体升压为中压产气；当振荡管旋转至与低压进气喷嘴接通时，低压进气腔内的低压进气被振荡管内高压气体膨胀后所形成的低压区抽吸进入振荡管内，实现对低压进气的引射；待振荡管继续旋至与中压产气喷嘴接通时，中压气体经由中压产气喷嘴、导流通道进入中压产气腔；中压气体从中压产气腔流出后进入气体换热器，利用低温出气在此释放的能量实现冷凝，在流经气液分离器时，中压产气完成脱湿，至此完成整个冷凝分离式气波增压流程。
当用于引射增压低压气体的高压气源压力远远大于低压被引射气体时，通过本发明所述冷凝式气波增压方法，可使用于引射增压的高压气源压力降低，且具体压力值还可通过高温出气调节阀进行控制，从而使引射增压过程可在效率较优的膨胀比下进行。本发明提供的冷凝式气波增压方法可克服传统气波增压器在大膨胀比下性能受限的缺陷，保证设备在较大膨胀比下具有较优的引射增压效果，提升设备的适用范围和等熵工作效率。本发明提供的冷凝气波增压方法还可以避免高压气体能量的浪费，高压气膨胀过程输出的能量被有效回收用于引射低压气体，而膨胀过程产生的冷量也被利用于设备最终产物的冷凝脱湿。
本发明所述装置包括由传动轴带动的核心部件波转子，所述转子由沿周向均布的两端开口型振荡管组成，各振荡管完全相同但互不联通，各所述振荡管的轴向与所述转子的轴向平行。所述中压产气腔及中压、高温排气腔及高温排气喷嘴位于所述振荡管的一端；高压进气腔及高压进气喷嘴、低温排气腔及低温排气喷嘴、高压回气腔及高压回气喷嘴、低压进气腔及低压进气喷嘴均位于所述振荡管的另一端；转子外壁面与外壳间空腔为所述低压回气腔。所述传动轴带动所述转子转动使所述振荡管依次与各喷嘴接通，并使各压力、温度气体排入相应气腔。
为保证振荡管两端相隔一定时间依次与不同喷嘴接通，需保证各喷嘴间具有一定偏角；本发明中，偏角调节板、中压侧轴承压盖与中压支撑板三者通过螺栓连接为一整体，故通过旋转偏角调节板至合适角度即可调整中压支撑板上高温出气喷嘴等三个喷嘴与底座上设置的高压进气喷嘴等四个固定位置喷嘴间的偏角；偏角调整完成后，将穿过角度固定板的锁紧螺钉插入正对角度固定板通孔的齿式分度盘的两齿之间，即可实现偏角的固定。
本发明的有益效果：
在大膨胀比工况下，传统气波增压机的引射率和等熵效率均较低，如若经过节流降压等方式减小高压进气压力，即减小膨胀比后再进行引射增压过程，虽可提升引射效果，但高压气能量利用率低，造成高压气体压力能浪费，制冷效率低；本发明利用高压气体膨胀生产冷源，制冷效率高，同时又回收其输出的压缩功获得压力适中的高压回气进行对低压气的引射增压，再利用获得的低温冷源对中压产气进行冷凝脱湿，实现大膨胀比工况下过剩高压气体压力能的充分利用，保证较高的引射率，获得脱湿净化的干中压产气；本发明利用一个波转子实现膨胀制冷和引射增压，减小设备加工投入，方便运输与装配。
附图说明
图1是一种冷凝分离式气波增压装置各部件连接关系流程图。
图2是一种冷凝分离式气波增压装置的多腔式气波增压机结构简图。
图3是多腔式气波增压机的底座结构图。
图4是图2中的A-A端面图。
图5是多腔式气波增压机的波转子截面图。
图6是偏角调节板的结构示意图。
图中：1、高压进气阀，2、高压进气腔，3、低温出气腔，4、高压回气腔，5、低压进气腔，6、驱动风机，7、气液分离器，8、气体换热器，9中压产气调节阀，10、中压产气腔，11、多腔式气波增压机，12、低压回气腔，13、高温出气腔，14高温出气调节阀，15、热量回收器，16、高压进气喷嘴，17、波转子，18、振荡管，19、高温喷嘴调节板，20、高温出气喷嘴，21、中压支撑板，22、平盖封头，23、偏角调节板，24、传动轴，25、中压侧轴承压盖，26、角度固定板，27、第一轴承组，28、导流通道，29、中压产气喷嘴，30、中压喷嘴调节板，31、外壳，32、高压回气喷嘴，33、第二轴承组，34、底座，35、低温出气喷嘴，36、低压进气喷嘴，37、齿式分度盘，38、锁紧螺钉。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
图1示出了本发明的一种冷凝分离式气波增压装置各部件连接关系流程图。这种冷凝分离式气波增压装置包括高压进气阀1、驱动风机6、气液分离器7、气体换热器8、中压产气调节阀9、多腔式气波增压机11、高温出气调节阀14和热量回收器15；所述多腔式气波增压机11下端均布有四个气腔，分别为高压进气腔2、低温出气腔3、高压回气腔4以及低压进气腔5，上端从下至上设有三个气腔，分别为低压回气腔12、高温出气腔13和中压产气腔10，每个气腔对应设有一个接口；高压进气阀1与高压进气腔2相连，高温出气腔13经高温出气调节阀14、热量回收器15与高压回气腔4相连，低温出气腔3经驱动风机6、气体换热器8与低压回气腔12相连，中压产气腔10经中压产气调节阀9、气体换热器8与气液分离器7相连。
图2、3、4示出了一种冷凝分离式气波增压装置的多腔式气波增压机的结构图。所述多腔式气波增压机11包含平盖封头22、外壳31和底座34，置于外壳31内的波转子17、高温喷嘴调节板19、中压支撑板21、传动轴24、中压侧轴承压盖25、第一轴承组27、中压喷嘴调节板30、第二轴承组33，以及置于外壳31外的偏角调节板23；平盖封头22、和底座34分别安装在外壳31的两端；所述高温喷嘴调节板19与中压喷嘴调节板30厚度相同，通过螺栓固定于中压支撑板21下隔板下端面；所述波转子17位于高温喷嘴调节板19和中压喷嘴调节板30下方，且位于底座34上方，波转子17通过螺栓与传动轴24连接，在传动轴24带动下以固定速度旋转；传动轴24下端插入底座34，传动轴24下端安装在底座34上，中部穿过中压支撑板21的圆筒，上端穿过平盖封头22和中压侧轴承压盖25，传动轴24下端通过第二轴承组33固定，中部通过第一轴承组27固定。
底座34内部被隔板依次分隔为高压进气腔2、低温出气腔3、高压回气腔4和低压进气腔5；在底座34上端面板，依次设有与气腔对应的高压进气喷嘴16、低温出气喷嘴35、高压回气喷嘴31和低压进气喷嘴36。
所述的中压支撑板21为圆管结构，且圆管的上下两端面设有向外延伸的隔板，隔板的边缘与外壳31的内壁密封连接；中压支撑板21位于外壳31内的上部；平盖封头22、中压支撑板21的两层隔板及外壳31将设备中部和上部由下到上分隔为低压回气腔12、高温出气腔13和中压产气腔10；在中压支撑板21的下层隔板上分别设有与气腔相对应的高温出气喷嘴20和中压产气喷嘴29；在两层隔板间设有导流通道28，一端连接中压产气喷嘴29，另一端连接中压产气腔10用于将中压产气导入中压产气腔10。中压产气腔10位于中压支撑板21上方；中压支撑板21的上隔板的上表面和偏角调节板23的下表面通过中压侧轴承压盖25连接，平盖封头22位于中压侧轴承压盖25上端的外侧，偏角调节板23位于平盖封头22上方，平盖封头22与平盖封头22上表面相连。
为保证波转子17旋转，需使其下端面与高压进气喷嘴16、低温出气喷嘴35、高压回气喷嘴31和低压进气喷嘴36间保持0.05mm-5mm间隙，使其上端面与高温喷嘴调节板19和中压喷嘴调节板30间保持0.05mm-5mm间隙。
图5示出了多腔式气波增压机的波转子截面图。波转子17环周向设置两端开口的10-200根长度为50mm-1000mm等截面振荡管18，截面形状为方形、扇形或圆形。
所述高温喷嘴调节板19和中压喷嘴调节板30中心线弧长与波转子17中径周长比为0.1-0.4；两调节板均为带有通孔的扇环，开孔形状、尺寸均与相应的高温出气喷嘴20和中压产气喷嘴29相同，调节板与支撑板连接时，调节板通孔与喷嘴完全重合，两侧中心线弧长与波转子中径周长比为0.01-0.2。
图6示出了多腔式气波增压机角度调节板23的结构示意图。偏角调节板23带有齿式分度盘37，相邻两齿中心线夹角为0.5°-5°，总齿数为2-100。平盖封头22将中压侧轴承压盖25的顶端与外壳31之间密封为一体，平盖封头22上带有角度固定板26；偏角调节板23为环状结构，其外侧边沿上设有齿式分度盘37；偏角调节板23通过螺栓与中压侧轴承压盖25顶端连接，并固定于平盖封头22上；中压侧轴承压盖25下端通过螺栓与中压支撑板21连接；角度固定板26上设有与齿式分度盘37的分度齿相对应的螺纹通孔，角度固定板26数量与齿式分度盘37数量相等，角度固定板26上的螺纹通孔数量与分度齿的层数相等，锁紧螺钉38通过螺纹通孔插入至相邻两分度齿之间锁定角度；偏角调节板23的旋转可带动与其相连中压侧轴承压盖25以及与中压侧轴承压盖25相连的支撑板21旋转相同角度，从而实现中压产气喷嘴29与高压进气喷嘴16之间的偏角调节。
当然，本发明实施时也可将冷凝分离式气波增压装置设置为一个气波制冷装置和一个气波增压装置。此时，气波制冷装置配有一个转子、一组气腔(具体包括：高压进气腔、低温排气腔、高温排气腔以及低压回气腔)、一组高压、高温气体压力调节阀、一个热量回收器和一个驱动风机，用以完成气波制冷过程提供冷源及引射增压过程所需的高压起源；气波增压装置则配有一个转子、一组气腔(具体包括：高压回气腔、低压进气腔、中压产气腔)、一个气液分离器和一个气体换热器，用于实现对低压气体的引射增压，和最终中压产气的冷凝脱湿。而上述实施方案则将各气腔集合于单台多腔式气波增压机，利用单个转子实现本发明的全部功效，可节省设备制造成本，减小设备体积。
当然，本发明实施时，若装置最终中压产气无需冷凝脱湿，高压进气膨胀制冷产生的冷量也可采用其他方式加以回收利用。
一种冷凝分离式气波增压装置的工作步骤如下：
(a)在波转子17旋转时，各振荡管18下端依次与高压进气喷嘴16接通，高压进气腔2内的高压气经由高压进气喷嘴16射入振荡管18内，压缩管内原有气体，使管内原有气体升温升压为高温气；待振荡管18上端旋至与高温出气喷嘴20接通时，高温气体依次经由振荡管上端开口、高温出气喷嘴20和高温喷嘴调节板19，喷射进入高温出气腔9；由于高温出气腔9通过热量回收器15与高压回气腔4相连，所以高温气流出高温出气腔9后进入热量回收器15释放热能，再进入高压回气腔4成为高压回气；
(b)波转子17继续旋转，振荡管18下端与低温出气喷嘴35接通，膨胀做功后的高压气体温度降低转化为低温气体，从振荡管18下端排出，经由低温出气喷嘴35排入低温出气腔3；在驱动风机6的带动下，低温出气进入气体换热器8，释放冷量后进入低压回气腔12，再进入振荡管18内作为低压回气推动低温气体排出；
(c)波转子17继续旋转，振荡管18下端与高压回气喷嘴32接通，此时高压回气腔4内的高压回气射入振荡管18内，压缩管内气体，使管内气体升压为中压产气；待振荡管18旋至与中压产气喷嘴29接通时，中压气体经由振荡管18上端开口进入中压产气喷嘴29，再通过导流通道28进入中压产气腔10；当振荡管18旋转至与低压进气喷嘴36接通时，低压进气腔5内的低压进气被振荡管18内高压气体膨胀后所形成的低压区抽吸进入振荡管18内，实现对低压进气的引射；中压气体从中压产气腔10流出后进入气体换热器8，利用低温出气在此释放的能量实现冷凝，在流经气液分离器7时，中压产气完成脱湿，至此完成整个冷凝分离式气波增压流程。