CN120101389A 一种节能型多级压缩机系统及其节能方法 （浙江科维节能技术股份有限公司）

(19)国家知识产权局(71)申请人浙江科维节能技术股份有限公司地址310012浙江省杭州市西湖区文二路文欣大厦708室申请人侯马北铜铜业有限公司(72)发明人吕同峰陶冬生武战强樊建利牛聪鲍云海(74)专利代理机构杭州浙科专利事务所(普通合伙)33213专利代理师吴昌榀F25D23/00(2006.01)F04B25/00(2006.01)7/32(2006.01)(54)发明名称一种节能型多级压缩机系统及其节能方法本发明属于压缩机领域，公开了一种节能型多级压缩机系统及其节能方法，包括多级压缩机组和汽轮机，多级压缩机组包括若干依次串联的压缩级，至少两个相邻压缩级之间通过管路配合连接热-电-冷自耦合复合型级间冷却器，热-电-冷自耦合复合型级间冷却器包括自前一压缩级至后一压缩级依次连接的热-电转换模块、水冷模块和电-冷转换模块。本发明通过热-电-冷自耦合复合型级间冷却器中的热-电转换模块利用前一压缩级出口排出气体热量输出直流电，降低气体温度，利用循环冷却水继续对气体进行降温，热-电转换模块输出的直流电直接供应电-冷转换模块，利用低温冷进一步对气体进行降温，21.一种节能型多级压缩机系统，包括多级压缩机组和驱动多级压缩机组工作的汽轮机(1),所述多级压缩机组包括若干依次串联的压缩级(2),其特征在于，至少两个相邻压缩级(2)之间通过管路配合连接热-电-冷自耦合复合型级间冷却器(3),所述热-电-冷自耦合复合型级间冷却器(3)包括自前一压缩级至后一压缩级依次连接的热-电转换模块(30)、水冷模块(31)和电-冷转换模块(32);所述热-电转换模块(30)利用半导体材料的塞贝克效应将气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块(32),并对气体进行初次降温；所述水冷模块(31)对气体进行二次降温；所述电-冷转换模块(32)接受热-电转换模块(30)传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应对气体进行三次降温。2.根据权利要求1所述的一种节能型多级压缩机系统，其特征在于，所述热-电转换模块(30)包括第一金属气体通道(300)、设置于第一金属气体通道(300)外侧的半导体温差发电层及设置于半导体温差发电层外侧的第一水冷却夹套(302),所述第一金属气体通道(300)供气体通过，所述半导体温差发电层包括若干半导体温差发电器(301),半导体温差发电器(301)利用半导体材料的塞贝克效应将气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块(32),所述第一水冷却夹套(302)通过冷却水对半导体温差发电层的冷侧进行降温。3.根据权利要求2所述的一种节能型多级压缩机系统，其特征在于，所述第一金属气体通道(300)的内壁设置第一强化传热翅片(303)。4.根据权利要求1所述的一种节能型多级压缩机系统，其特征在于，所述水冷模块(31)包括第二金属气体通道(310)和设置于第二金属气体通道(310)外侧的第二水冷却夹套(311),所述第二金属气体通道(310)供气体通过，所述第二水冷却夹套(311)通过冷却水对气体进行降温。5.根据权利要求4所述的一种节能型多级压缩机系统，其特征在于，所述第二金属气体通道(310)的内壁设置第二强化传热翅片(312)。6.根据权利要求1所述的一种节能型多级压缩机系统，其特征在于，所述电-冷转换模块(32)包括第三金属气体通道(320)、设置于第三金属气体通道(320)外侧的半导体制冷层及设置于半导体制冷层外侧的第三水冷却夹套(322),所述第三金属气体通道(320)供气体通过，所述半导体制冷层包括若干半导体制冷器(321),所述半导体制冷器(321)接受热-电转换模块(30)传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应对气体进行三次降温，所述第三水冷却夹套(322)通过冷却水对半导体制冷层的热侧进行降温。7.根据权利要求6所述的一种节能型多级压缩机系统，其特征在于，所述第三金属气体通道(320)的内壁设置第三强化传热翅片(323)。8.根据权利要求1所述的一种节能型多级压缩机系统，其特征在于，所有相邻压缩级(2之间均通过管路配合连接热-电-冷自耦合复合型级间冷却器(3)。9.一种如权利要求1-8中任一所述的节能型多级压缩机系统的节能方法，其特征在于，步骤1,热-电转换模块(30)利用半导体材料的塞贝克效应将前一压缩级(2)出口排出气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块(32),并对气体进行初次降温；步骤2,水冷模块(31)对气体进行二次降温；3步骤3,电-冷转换模块(32)接受热-电转换模块(30)传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应对气体进行三次降温，将三次降温后的气体输送至下一压缩级(2)。4技术领域[0001]本发明涉及压缩机领域，具体为一种节能型多级压缩机系统及其节能方法。背景技术制冷剂、氢气等进行压缩升压。气体在压缩机内压缩过程中温度不断升高，不同被压缩的气体有着不同的绝热指数，相同升压情况下温度升高值不同，但各种气体在被压缩过程中的温升幅度均与压比有关，压比越大，温度上升越高。由于压缩机内气体温度越高，压缩机效率越低，增加压缩机组动力消耗。因此，在高压比要求的气体压缩需求中，为了降低压缩机内气体平均温度，提高压缩效率降低压缩机组能源消耗，压缩机组一般会设计成多级压缩，每个压缩级之间设置中间冷却器，利用循环冷却水对前一级压缩级排出的高温气体进行冷却，降低进入后一压缩级的气体温度，降低机[0003]目前普遍配置的级间冷却器利用循环冷却水对气体进行间接冷却，存在以下问题：循环冷却水温度受环境温度的影响，且间接传热需要一定的温差，传统的级间冷却器对高温气体的冷却能够达到的温度有一定的限制，一般出冷却器的气体温度按40℃进行设计，会导致尤其是在夏季高温季节循环冷却水温度比较高时，对高温气体冷却效果不好，导致压缩机组运行效率不高，在极端环境温度情况下还会出现压缩机出口温度偏高导致机组报警甚至跳车。[0004]因传热过程中需有一定的温差，气体能够被冷却到的温度与和气体接触的冷源温度有直接关系，传统的循环冷却水级间冷却器不能达到更低的冷却温度。[0005]鉴于传统配置利用循环水冷却间冷却器的多级压缩机系统级存在的问题，出于节能及安全考虑，能够使气体被冷却到更低温度是大型多级压缩机系统亟待解决的问题。发明内容[0006]本发明的目的在于提供一种节能型多级压缩机系统及其节能方法，以解决上述背景技术中提出的问题。[0007]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种节能型多级压缩机系统，包括多级压缩机组和驱动多级压缩机组工作的汽轮机，所述多级压缩机组包括若干依次串联的压缩级，至少两个相邻压缩级之间通过管路配合连接热-电-冷自耦合复合型级间冷却器，所述热-电-冷自耦合复合型级间冷却器包括自前一压缩级至后一压缩级依次连接的热-电转换模块、水冷模块和电-冷转换模块；所述热-电转换模块利用半导体材料的塞贝克效应将气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块，并对气体进行初次降温；所述水冷模块对气体进行二次降温；所述电-冷转换模块接受热-电转换模块传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖5效应对气体进行三次降温。[0008]进一步地，所述热-电转换模块包括第一金属气体通道、设置于第一金属气体通道外侧的半导体温差发电层及设置于半导体温差发电层外侧的第一水冷却夹套，所述第一金属气体通道供气体通过，所述半导体温差发电层包括若干半导体温差发电器，半导体温差发电器利用半导体材料的塞贝克效应将气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块，所述第一水冷却夹套通过冷却水对半导体温差发电层的冷侧进行降温。[0009]进一步地，所述第一金属气体通道的内壁设置第一强化传热翅片。[0010]进一步地，所述水冷模块包括第二金属气体通道和设置于第二金属气体通道外侧的第二水冷却夹套，所述第二金属气体通道供气体通过，所述第二水冷却夹套通过冷却水对气体进行降温。[0011]进一步地，所述第二金属气体通道的内壁设置第二强化传热翅片。[0012]进一步地，所述电-冷转换模块包括第三金属气体通道、设置于第三金属气体通道外侧的半导体制冷层及设置于半导体制冷层外侧的第三水冷却夹套，所述第三金属气体通道供气体通过，所述半导体制冷层包括若干半导体制冷器，所述半导体制冷器接受热-电转换模块传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应对气体进行三次降温，所述第三水冷却夹套通过冷却水对半导体制冷层的热侧进行降温。[0013]进一步地，所述第三金属气体通道的内壁设置第三强化传热翅片。[0014]进一步地，所有相邻压缩级之间均通过管路配合连接热-电-冷自耦合复合型级间冷却器。[0015]本发明提供一种如上所述的节能型多级压缩机系统的节能方法，包括：步骤1,热-电转换模块利用半导体材料的塞贝克效应将前一压缩级出口排出气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块，并对气体进行初次降温；步骤2,水冷模块对气体进行二次降温；步骤3,电-冷转换模块接受热-电转换模块传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应对气体进行三次降温，将三次降温后的气体输送至下一压缩级。[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用热-电-冷自耦合复合型级间冷却器中的热-电转换模块利用前一压缩级出口排出气体热量输出直流电，降低气体温度，利用循环冷却水继续对气体进行降温，热-电转换模块输出的直流电直接供应电-冷转换模块，利用低温冷进一步对气体进行降温，降低进后一压缩级的气体温度，提高等温压缩效附图说明[0017]图1为本发明的一种节能型多级压缩机系统结构示意图。[0018]图2为本发明的一种节能型多级压缩机系统中热-电-冷自耦合复合型级间冷却器结构示意图。[0019]图3为本发明的一种节能型多级压缩机系统中热-电转换模块内部结构示意图。[0020]图4为本发明的一种节能型多级压缩机系统中热-电转换模块径向截面结构示意[0021]图5为本发明的一种节能型多级压缩机系统中水冷模块内部结构示意图。6[0022]图6为本发明的一种节能型多级压缩机系统中电-冷转换模块内部结构示意图。[0023]图7为本发明的一种节能型多级压缩机系统中电-冷转换模块径向截面结构示意[0024]图8为本发明的一种节能型多级压缩机系统的节能方法流程图。[0025]图中：1为汽轮机，2是压缩级，3是热-电-冷自耦合复合型级间冷却器，30是热-电转换模块，300是第一金属气体通道、301是半导体温差发电器、302第一水冷却夹套，303是第一强化传热翅片，31是水冷模块，310是第二金属气体通道，311是第二第二强化传热翅片，32是电-冷转换模块，320是第三金属气体通道、321是半导体制冷器、322第三水冷却夹套，323是第三强化传热翅片。具体实施方式[0026]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0027]请参阅图1-图7,一种节能型多级压缩机系统，包括多级压缩机组和驱动多级压缩机组工作的汽轮机1,多级压缩机组包括两个串联的压缩级2,压缩级2就是压缩机，两个相邻压缩级2之间通过管路配合连接热-电-冷自耦合复合型级间冷却器3,热-电-冷自耦合复合型级间冷却器3由三段换热模块串级组成，从进气端到出气端包括依次连接的热-电转换模块30、水冷模块31和电-冷转换模块32。热-电转换模块30利用半导体材料的塞贝克效应(Seebeckeffect)将气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块32,并对气体进行初次降温。水冷模块31对气体进行二次降温。电-冷转换模块32接受热-电转换模块30传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应(Peltiereffect)对气体进行三次降温。[0028]需要说明的是，多级压缩机组也可以包括三个甚至更多压缩级2,任意两个相邻压缩级2之间均可通过管路连接热-电-冷自耦合复合型级间冷却器3。[0029]继续参阅图3和图4,在本发明的一个实施例中，热-电转换模块30包括第一金属气体通道300、设置于第一金属气体通道300外侧的半导体温差发电层及设置于半导体温差发电层外侧的第一水冷却夹套302。第一金属气体通道300为圆形筒体结构，第一金属气体通道300供气体通过，其具有气体进口和气体出口。第一金属气体通道300的内壁还设置若干第一强化传热翅片303。半导体温差发电层为围设于第一金属气体通道300外壁上的环形结构，其包括若干均匀环布的半导体温差发电器301,半导体温差发电器301也称为半导体温差发电片，其利用半导体材料的塞贝克效应将气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块32,半导体温差发电片包括冷侧和热侧，冷侧靠近第一水冷却夹套302,热侧靠近第一金属气体通道300。第一水冷却夹套302同样为环形结构，围设于半导体温差发电层外部，其通过循环冷却水对半导体温差发电层的冷侧进行降温。其中，单个半导体温差发电片输出电线采用并联、串联形式，使多个半导体温差发电片集成为半导体温差发电堆，提高输出电[0030]上述热-电转换模块30设置于气体高温段，壁面内部高温气体与外壁循环冷却水形成温差，利用半导体材料的塞贝克效应(Seebeckeffect)将内部高温气体热能转化为电7能，通过发电堆引出线输出电能，并降低气体的温度。此段为了提高发电效率，设计此段出气温度为80℃。[0031]继续参阅图5,在本发明的一个实施例中，水冷模块31包括第二金属气体通道310和设置于第二金属气体通道310外侧的第二水冷却夹套311,第二金属气体通道310为圆形筒体结构，第二金属气体通道310供气体通过，其具有气体进口和气体出口。第二金属气体通道310的内壁还设置若干第二强化传热翅片312。第二水冷却夹套311同样为环形结构，其围设于第二金属气体通道310外部，其通过循环冷却水对气体进行降温。[0032]水冷模块31设置于热-电转换模块30后，利用常温循环冷却水将气体继续冷却至40℃,此温度也是一般循环冷却水能够冷却气体到达的温度。[0033]继续参阅图6和图7,在本发明的一个实施例中，电-冷转换模块32包括第三金属气体通道320、设置于第三金属气体通道320外侧的半导体制冷层及设置于半导体制冷层外侧的第三水冷却夹套322.第三金属气体通道320为圆形筒体结构，第三金属气体通道320供气体通过，其具有气体进口和气体出口。第三金属气体通道320的内壁还设置若干第三强化传热翅片323。半导体制冷层为围设于第三金属气体通道320外壁上的环形结构，其包括若干均匀环布的半导体制冷器321,半导体制冷器321也称为半导体制冷片，半导体制冷器321接受热-电转换模块30传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应对气体进行三次降温，半导体制冷片包括冷侧和热侧，冷侧靠近第三金属气体通道320,热侧靠近第三水冷却夹套322。第三水冷却夹套322同样为环形结构，围设于半导体制冷层外部，其通过循环冷却水对半导体温差发电层的冷侧进行降温。其中，单个半导体制冷片输入电线采用并联、串联形式，使多个半导体制冷片集成为半导体制冷堆，提高制冷量及制冷效率。[0034]电-冷转换模块32设置于气体低温段，即水冷模块31后，通过引入热-电转换模块30输出的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应(Peltiereffect)在壁面两侧形成60℃的温差，即内侧冷面较外侧热面温度低60℃。外侧由循环冷却水冷却维持平均35℃,则内侧可达到的温度为-25℃,通过内侧强化传热翅片与气体进行热交换，在水冷模块31能够达到的降温幅度基础上，再次对气体进行降温，降低下一压缩级的气体温度，减[0035]上述第一金属气体通道300、第二金属气体通道310及第三金属气体通道320的内部气体通道三段串联组成封闭通道，外部循环冷却水夹套每段独立设置。[0036]因单压缩级进气温度降低对该压缩级能耗下降有一定的比例关系，优选地，电-冷转换模块32设置于单级压缩功耗较大的压缩级前段，更有利于压缩机系统能耗降低。[0037]请参阅图8,一种如上所述节能型多级压缩机系统的节能方法，包括以下步骤：步骤1,前一级压缩级2输出的高温气体经管路进入热-电转换模块30,热-电转换模块30利用半导体材料的塞贝克效应将高温气体的热能转化为电能传输给电-冷转换模块32,并对高温气体进行初次降温。初次降温后的气体进入水冷模块。[0038]步骤2,水冷模块31对气体进行二次降温，二次降温后的气体进入电-冷转换模块[0039]步骤3,电-冷转换模块32接受热-电转换模块30传输来的电能，利用半导体材料的珀耳帖效应对气体进行三次降温，将三次降温后的气体输送至下一级压缩级2。[0040]实施例[0041]一、气体压缩需求及传统压缩机系统结构形式8压缩气量为225000Nm³/h的空气压缩机，需要将空气压力压缩至0.8MPa(a)。利用凝汽式汽轮机进行驱动，汽轮机消耗蒸汽为4.0MPa(a)、400℃过热蒸汽，吨汽做功220kW.h/t。为了提高压缩效率，压缩机系统配置两压缩级，中间设置循环水冷却器。传统的系统参数指标如下：内容1总概2压缩级数级23第一压缩级进气压力0.095(也即过滤器后压力)4进气温度℃5排气压力6排气温度℃7功耗8级间冷却器形式/单级循环水冷却器9出口压力压力损失2出口温度℃第二压缩级进气压力进气温度℃排气压力排气温度℃功耗总能耗功耗利用本发明中的热-电-冷自耦合复合型级间冷却器3装备于第一、二压缩级之间，对气体进行降温。91、按气体出级间冷却器第一段热-电转换模块30的温度80℃计算气体释放热量为10461kW,以深圳达汇能科技有限公司生产的半导体温差发电片技术指标(型号：TEG-10-6230,匹配电压：4.2V,匹配电流：7.3A,输出功率30.6W,热电转换效率：5.1%),需单体元器件17500片；2、按输出电压110V设计由单体元器件进行串并联，发电堆由每组100片进行正负3、级间冷却器第三段电-冷转换模块32输入电能为第一段热-电转换模块30输出的电能，即536kW,以安徽富信半导体科技有限公司生产的半导体制冷片技术指标(型号：TEC1-12715,额定电压：12V,额定电流：15A,输入功率180W,制冷功率150W,制冷效率83.3%,冷热面温差60℃),需单体元器件2975片，总制冷能力446kW,采用每组35片进行正负极串联，共85串，将85串首尾正负极并联后形成制冷堆，总电压、电流与第输出参数匹配。[0044](二)级间冷却器设计方法按进气温度208℃、出气温度80℃及气体传热系数、气体通道流速等因素，按换热器设计规范计算内侧强化传热结构和面积。按进气80℃、出气40