1.本發(fā)明涉及氮氣液化制冷技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置及其液化方法。

背景技術(shù)：

2.液氮是一種較為方便的冷源，具有資源豐富、安全性較好、不易燃易爆等優(yōu)點，在醫(yī)療、食品、電子、冶金、航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到越來越普遍的應(yīng)用。液氮通常是空氣液化分離的最大宗產(chǎn)品、工業(yè)制氧的副產(chǎn)品，在需求用量大的場合大宗購置液氮的成本較低，而對于如科研實驗室、學(xué)校等液氮用量小的場合，長期直接零散購買液氮成本較高；在偏遠(yuǎn)地區(qū)、野外或特殊場合等液氮槽車不方便到達(dá)的地方，往往需要配置現(xiàn)場氮氣液化/制冷裝置。目前氮氣液化裝置主要采用帶預(yù)冷的克勞德制冷循環(huán)來實現(xiàn)氮氣液化，根據(jù)循環(huán)壓力，可分為低壓液化循環(huán)流程及高壓液化循環(huán)流程。低壓循環(huán)液化流程一般適用于液氮產(chǎn)量小于60t/d的中小型液化裝置；而高壓循環(huán)液化流程則適用于液氮產(chǎn)量大于60t/d的大型液化裝置。因此科研實驗室、學(xué)校等液氮用量小的場合往往采用如圖1所示低壓循環(huán)液化流程。對于小型裝置，如果透平膨脹機(jī)的軸功較小，可以不回收透平軸功，從而簡化流程。

3.如圖1所示，現(xiàn)有的一種低壓循環(huán)氮氣液化裝置100p的具體結(jié)構(gòu)被闡明，所述低壓循環(huán)氮氣液化裝置100p包括壓縮機(jī)1p、精密濾油器2p、第一換熱器3p、預(yù)冷換熱器4p、透平膨脹機(jī)5p、第二換熱器6p、第三換熱器7p、j

?

t節(jié)流閥8p、液氮儲存罐9p、冷箱10p以及水冷器13p,所述低壓循環(huán)氮氣液化裝置100p的液化流程為：低壓氮氣經(jīng)所述壓縮機(jī)1p壓縮形成中壓氮氣，中壓氮氣經(jīng)由所述水冷器13p冷卻和所述精密濾油器2p除油后依次流經(jīng)所述第一換熱器3p和所述預(yù)冷換熱器4p中進(jìn)行換熱處理，換熱后的一部分氮氣輸入所述透平膨脹機(jī)5p中膨脹制冷，膨脹制冷后的低壓氮氣依次返流經(jīng)所述第二換熱器6p和所述第一換熱器3p換熱處理后，重新進(jìn)入所述壓縮機(jī)1p中循環(huán)；換熱后的另一部分氮氣依次經(jīng)過所述第二換熱器6p、所述第三換熱器7p換熱處理，換熱后的氮氣經(jīng)由所述j

?

t節(jié)流閥8p節(jié)流降溫后形成低壓氮氣和液氮，低壓氮氣和液氮輸入所述液氮儲存罐9p中，低壓氮氣經(jīng)由所述液氮儲存罐9p的氣體出口進(jìn)入所述第三換熱器7p換熱，換熱后的低壓氮氣和所述透平膨脹機(jī)5p輸出的低壓氮氣匯合，匯合后的低壓氮氣依次經(jīng)所述第二換熱器6p、所述第一換熱器3p換熱后，重新進(jìn)入所述壓縮機(jī)1p中循環(huán)。

4.可以理解的是，在液化裝置中透平膨脹機(jī)是提供冷量的關(guān)鍵低溫動設(shè)備，而壓縮機(jī)是為透平膨脹機(jī)提供絕熱膨脹所需壓力氣體的核心室溫動設(shè)備，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的性能參數(shù)對整體流程的能耗有很大的影響，此外，換熱器的換熱效率對整體流程的能耗也至關(guān)重要。對于圖1所示的低壓循環(huán)氮氣液化裝置100p來講，由于所述透平膨脹機(jī)5p的膨脹比較大，理論焓差較大，因而所述透平膨脹機(jī)5p的效率相對不易提高；而且，所述低壓循環(huán)氮氣液化裝置100p所采用的所述壓縮機(jī)1p的壓縮也比較大，因此壓縮機(jī)1p的效率也相對較低。另外，對于液化所需的j

?

t節(jié)流而言，節(jié)流前的壓力對循環(huán)性能影響較大，一方面是氮氣的臨界壓力為33.98bara，臨界溫度為126.2k，在所述低壓循環(huán)氮氣液化裝置100p中，低壓循

環(huán)的j

?

t氮氣流在三級低溫?fù)Q熱器內(nèi)出現(xiàn)兩相等溫液化段，不利于提高換熱器的換熱效率。

5.總的來講，現(xiàn)有低壓循環(huán)氮氣液化裝置100p的透平膨脹效率、壓縮機(jī)的效率以及換熱效率均較低，能耗較高，不適用于液氮用量小的場合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

6.基于此，本發(fā)明的一目的是，提供一種兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置及其液化方法，能夠有效提高換熱效率和氮氣的液化率，減少裝置能耗。

7.為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置具有透平膨脹制冷回路和j

?

t節(jié)流液化回路，所述透平膨脹制冷回路采用低壓循環(huán)，所述j

?

t節(jié)流液化回路采用高壓循環(huán)，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置包括低壓壓縮機(jī)，連接于所述低壓壓縮機(jī)的氮氣出口的低壓循環(huán)濾油器和中壓壓縮機(jī)，連接于所述中壓壓縮機(jī)的氮氣出口的中壓循環(huán)濾油器，連接于所述低壓循環(huán)濾油器和所述中壓循環(huán)濾油器的氮氣出口以及所述低壓壓縮機(jī)的氮氣進(jìn)口的冷箱，設(shè)置于所述冷箱的一級換熱器、預(yù)冷換熱器、透平膨脹機(jī)、二級換熱器以及三級換熱器，連接于所述三級換熱器的高壓出口和液氮儲存罐的氣液兩相進(jìn)口的j

?

t節(jié)流閥，所述液氮儲存罐的氣體出口連接于所述冷箱；

8.其中低壓氮氣在所述低壓壓縮機(jī)中被壓縮形成中壓氮氣，一部分中壓氮氣經(jīng)由所述低壓循環(huán)濾油器精密除油處理后，進(jìn)入所述冷箱，依次經(jīng)所述一級換熱器、所述預(yù)冷換熱器換熱處理后進(jìn)入所述透平膨脹機(jī)中膨脹制冷，形成低溫低壓氮氣，低溫低壓氮氣返流經(jīng)過所述二級換熱器、所述一級換熱器換熱處理后，重新回到所述低壓壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)，構(gòu)成所述透平膨脹制冷回路；

9.其中從所述低壓壓縮機(jī)中出來的另一部分中壓氮氣經(jīng)所述中壓壓縮機(jī)壓縮形成高壓氮氣，高壓氮氣經(jīng)由所述中壓循環(huán)濾油器精密除油處理后，進(jìn)入所述冷箱，依次經(jīng)所述一級換熱器、所述預(yù)冷換熱器、所述二級換熱器、所述三級換熱器換熱處理后，進(jìn)入所述j

?

t節(jié)流閥中節(jié)流降壓，得到低壓氮氣和液氮，低壓氮氣和液氮進(jìn)入所述液氮儲存罐中，其中液氮儲存在所述液氮儲存罐中，低壓氮氣經(jīng)由所述液氮儲存罐的氣體出口進(jìn)入所述冷箱，經(jīng)所述三級換熱器換熱處理后與所述透平膨脹機(jī)出口輸出的低壓氮氣匯合，匯合的低壓氮氣依次返流經(jīng)過所述二級換熱器、所述一級換熱器回收冷量后，重新回到所述低壓循環(huán)壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)，構(gòu)成所述j

?

t節(jié)流液化回路。

10.在本發(fā)明的一實施例中，所述透平膨脹制冷回路采用的低壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：0.8～1.2mpag；所述j

?

t節(jié)流液化回路采用的高壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：2.0～3.5mpag。

11.在本發(fā)明的一實施例中，所述透平膨脹制冷回路的氮氣流量大于所述j

?

t節(jié)流液化回路的氮氣流量。

12.在本發(fā)明的一實施例中，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置還包括設(shè)置在所述低壓壓縮機(jī)和所述低壓循環(huán)濾油器之間的第一水冷器，其中中壓氮氣經(jīng)由所述第一水冷器冷卻后進(jìn)入所述低壓循環(huán)濾油器中進(jìn)行精密除油處理。

13.在本發(fā)明的一實施例中，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置還包括設(shè)置在所述中壓壓縮機(jī)和所述中壓循環(huán)濾油器之間的第二水冷器，其中高壓氮氣經(jīng)由所述第二水冷器冷卻

后進(jìn)入所述中壓循環(huán)濾油器中進(jìn)行精密除油處理。

14.本發(fā)明在另一方面還提供了所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置的液化方法，包括步驟：

15.s1、采用低壓循環(huán)進(jìn)行透平膨脹制冷：

16.將低壓氮氣通入低壓壓縮機(jī)中增壓形成中壓氮氣；

17.將一部分中壓氮氣輸入低壓循環(huán)濾油器中進(jìn)行精密除油處理；

18.將除油處理后的中壓氮氣依次輸入一級換熱器、預(yù)冷換熱器中進(jìn)行換熱處理；

19.將換熱后的中壓氮氣輸入透平膨脹機(jī)中進(jìn)行膨脹制冷，形成低溫低壓氮氣；

20.將低溫低壓氮氣返流經(jīng)過二級換熱器和所述一級換熱器進(jìn)行換熱處理，換熱后的低壓氮氣重新回到所述低壓壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)；

21.s2、采用高壓循環(huán)進(jìn)行j

?

t節(jié)流液化：

22.將所述低壓壓縮機(jī)中的另一部分中壓氮氣輸入中壓壓縮機(jī)中壓縮形成高壓氮氣；

23.將高壓氮氣輸入中壓循環(huán)濾油器中進(jìn)行精密除油處理；

24.將除油后的高壓氮氣依次輸入所述一級換熱器、所述預(yù)冷換熱器、所述二級換熱器、三級換熱器中進(jìn)行換熱處理；

25.將換熱后的高壓氮氣輸出至j

?

t節(jié)流閥中進(jìn)行節(jié)流降壓，輸出低壓氮氣和液氮至液氮儲存罐，其中液氮儲存在所述液氮儲存罐中；

26.將低壓氮氣經(jīng)由所述液氮儲存罐的氣體出口輸出至所述冷箱中的所述三級換熱器中換熱處理，換熱后的低壓氮氣與所述透平膨脹機(jī)出口輸出的低壓氮氣匯合；

27.將匯合后的低壓氮氣依次返流經(jīng)過所述二級換熱器、所述一級換熱器回收冷量，回收冷量后的低壓氮氣重新回到所述低壓壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)。

28.在本發(fā)明的一實施例中，在所述步驟s1中，低壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：0.8～1.2mpag；在所述步驟s2中，高壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：2.0～3.5mpag。

29.在本發(fā)明的一實施例中，所述步驟s1中的氮氣流量大于所述步驟s2中的氮氣流量。

30.本發(fā)明的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置的透平膨脹制冷回路采用低壓循環(huán)，因此所述透平膨脹機(jī)的膨脹比較小，容易提高所述透平膨脹機(jī)的絕熱膨脹效率；j

?

t節(jié)流液化回路采用較高循環(huán)壓力，如把高壓壓力提高到臨界壓力以上,可以保證j

?

t節(jié)流液化回路的正流氣體在被冷卻時不出現(xiàn)或不會過早出現(xiàn)等溫液化段，從而有利于換熱布置,減低傳熱溫差；另外，由于采用兩級壓縮，節(jié)流前后壓降增加，等溫節(jié)流效應(yīng)增加，有利于提高液化率。

31.本發(fā)明的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置通過采用兩級壓縮，中間冷卻的方式，使得所述低壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)的壓縮比較小，壓縮機(jī)效率容易提高；而且僅用于j

?

t節(jié)流液化的氮氣才通過所述高壓壓縮機(jī)壓縮，j

?

t節(jié)流液化的流量與透平制冷循環(huán)的流量相比僅占小部分，因此可以有效減少裝置能耗。

32.通過對隨后的描述和附圖的理解，本發(fā)明進(jìn)一步的目的和優(yōu)勢將得以充分體現(xiàn)。

附圖說明

33.圖1為現(xiàn)有的一種低壓循環(huán)氮氣液化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

34.圖2為本發(fā)明的一優(yōu)選實施例的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

35.附圖標(biāo)號說明：低壓循環(huán)氮氣液化裝置100p；壓縮機(jī)1p；精密濾油器2p；第一換熱器3p；預(yù)冷換熱器4p；透平膨脹機(jī)5p；第二換熱器6p；第三換熱器7p；j

?

t節(jié)流閥8p；液氮儲存罐9p；冷箱10p；水冷器13p；兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100；低壓壓縮機(jī)1；中壓循環(huán)濾油器2；一級換熱器3；預(yù)冷換熱器4；透平膨脹機(jī)5；二級換熱器6；三級換熱器7；j

?

t節(jié)流閥8；液氮儲存罐9；冷箱10；中壓壓縮機(jī)11；低壓循環(huán)濾油器12；第一水冷器13；第二水冷器14。

具體實施方式

36.以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實施方案、形變方案、改進(jìn)方案、等同方案以及沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。

37.本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，在本發(fā)明的揭露中，術(shù)語“豎向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系是基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，其僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此上述術(shù)語不能理解為對本發(fā)明的限制。

38.可以理解的是，術(shù)語“一”應(yīng)理解為“至少一”或“一個或多個”，即在一個實施例中，一個元件的數(shù)量可以為一個，而在另外的實施例中，該元件的數(shù)量可以為多個，術(shù)語“一”不能理解為對數(shù)量的限制。

39.在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接或可以相互通訊；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

40.本發(fā)明將用于膨脹制冷的循環(huán)氮氣壓力和用j

?

t節(jié)流液化的壓力區(qū)別開來，采用兩級壓縮，其中用于制冷的氮氣制冷循環(huán)采用低壓循環(huán)壓力，典型循環(huán)壓力一般在0.8～1.2mpag左右，而用于j

?

t節(jié)流的節(jié)流回路壓力采用高壓壓力，典型循環(huán)壓力一般為2.0～3.5mpag。

41.如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100的具體結(jié)構(gòu)被闡明。具體地，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100具有透平膨脹制冷回路和j

?

t節(jié)流液化回路，所述透平膨脹制冷回路采用低壓循環(huán)，所述j

?

t節(jié)流液化回路采用高壓循環(huán)，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100包括低壓壓縮機(jī)1，連接于所述低壓壓縮機(jī)1的氮氣出口的低壓循環(huán)濾油器12和中壓壓縮機(jī)11，連接于所述中壓壓縮機(jī)11的氮氣出口的中壓循環(huán)濾油器2，連接于所述低壓循環(huán)濾油器12和所述中壓循環(huán)濾油器2的氮氣出口以及所述低壓壓縮機(jī)1的氮氣進(jìn)口的冷箱10，設(shè)置于所述冷箱10的一級換熱器3、預(yù)冷換熱器4、透平膨脹機(jī)5、二級換熱器6以及三級換熱器7，連接于所述三級換熱器7的高壓出口和液氮儲存罐9的氣液兩相進(jìn)口的j

?

t節(jié)流閥8，所述液氮儲存罐9的氣體出口連接于所述冷箱10；

42.其中低壓氮氣在所述低壓壓縮機(jī)1中被壓縮形成中壓氮氣，一部分中壓氮氣經(jīng)由

所述低壓循環(huán)濾油器12精密除油處理后，進(jìn)入所述冷箱10，依次經(jīng)所述一級換熱器3、所述預(yù)冷換熱器4換熱處理后進(jìn)入所述透平膨脹機(jī)5中膨脹制冷，形成低溫低壓氮氣，低溫低壓氮氣返流經(jīng)過所述二級換熱器6、所述一級換熱器3換熱處理后，重新回到所述低壓壓縮機(jī)1中進(jìn)行循環(huán)，構(gòu)成所述透平膨脹制冷回路；

43.其中從所述低壓壓縮機(jī)1中出來的另一部分中壓氮氣經(jīng)所述中壓壓縮機(jī)11壓縮形成高壓氮氣，高壓氮氣經(jīng)由所述中壓循環(huán)濾油器2精密除油處理后，進(jìn)入所述冷箱10，依次經(jīng)所述一級換熱器3、所述預(yù)冷換熱器4、所述二級換熱器6、所述三級換熱器7換熱處理后，進(jìn)入所述j

?

t節(jié)流閥8中節(jié)流降壓，得到低壓氮氣和液氮，低壓氮氣和液氮進(jìn)入所述液氮儲存罐9中，其中液氮儲存在所述液氮儲存罐9中，低壓氮氣經(jīng)由所述液氮儲存罐9的氣體出口進(jìn)入所述冷箱10，經(jīng)所述三級換熱器7換熱處理后與所述透平膨脹機(jī)5出口輸出的低壓氮氣匯合，匯合的低壓氮氣依次返流經(jīng)過所述二級換熱器6、所述一級換熱器3回收冷量后，重新回到所述低壓循環(huán)壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)，構(gòu)成所述j

?

t節(jié)流液化回路。

44.可以理解的是，本發(fā)明的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100的透平膨脹制冷回路采用低壓循環(huán)，所述透平膨脹機(jī)5的膨脹比較小，容易提高其絕熱膨脹效率；所述j

?

t節(jié)流液化回路采用較高循環(huán)壓力，如把高壓壓力提高到臨界壓力以上,可以保證所述j

?

t節(jié)流液化回路的正流氣體在被冷卻時不出現(xiàn)或不會過早出現(xiàn)等溫液化段，從而有利于換熱布置,減低傳熱溫差；另外，由于采用兩級壓縮，節(jié)流前后壓降增加，等溫節(jié)流效應(yīng)增加，有利于提高液化率。

45.特別地，所述透平膨脹制冷回路的氮氣流量大于所述j

?

t節(jié)流液化回路的氮氣流量。

46.可以理解的是，本發(fā)明的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100通過采用兩級壓縮，中間冷卻的方式，使得低壓循環(huán)壓縮機(jī)和高壓循環(huán)壓縮機(jī)的壓縮比較小，壓縮機(jī)效率容易提高；而且僅用于j

?

t節(jié)流液化的氮氣才通過高壓壓縮機(jī)壓縮，j

?

t節(jié)流液化的流量與透平制冷循環(huán)的流量相比僅占小部分，因此可以有效減少裝置能耗。

47.具體地，在本發(fā)明的這一優(yōu)選實施例中，所述低壓壓縮機(jī)1的進(jìn)氣壓力為0.005mpag，排氣壓力為0.9mpag,流量為204g/s；所述中壓壓縮機(jī)11的進(jìn)氣壓力為0.9mpag，排氣壓力為2.4mpag,流量為51g/s。

48.值得一提的是，在本發(fā)明的一些實施例中，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100還包括設(shè)置在所述低壓壓縮機(jī)1和所述低壓循環(huán)濾油器12之間的第一水冷器13，其中中壓氮氣經(jīng)由所述第一水冷器13冷卻后進(jìn)入所述低壓循環(huán)濾油器12中進(jìn)行精密除油處理。

49.此外，還值得一提的是，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100還包括設(shè)置在所述中壓壓縮機(jī)11和所述中壓循環(huán)濾油器2之間的第二水冷器14，其中高壓氮氣經(jīng)由所述第二水冷器14冷卻后進(jìn)入所述中壓循環(huán)濾油器2中進(jìn)行精密除油處理。

50.以下為圖1所示的所述低壓循環(huán)氮氣液化裝置對應(yīng)的一個實施例的工作參數(shù)：

51.1)氮氣液化率：100l/h；

52.2)壓縮機(jī)：進(jìn)氣:0.005mpag，排氣:1.15mpag，流量：240g/s；

53.3)透平膨脹機(jī)：絕熱效率80％；

54.4)預(yù)冷換熱器44預(yù)冷溫度：

?

4℃；

55.5)預(yù)冷換熱器44換熱量：1kw(按cop＝2.5折合能耗0.4kw)；

56.6)裝置總耗功：96.15kw(壓縮機(jī)絕熱效率按80％估取)；

57.7)單位液化功：0.962kw.h/l(ln2)。

58.以下為本發(fā)明的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100對應(yīng)的一個實施例的工作參數(shù)：

59.1)氮氣液化率：100l/h；

60.2)低壓循環(huán)壓縮機(jī)1：進(jìn)氣0.005mpag，排氣0.9mpag,流量：204g/s；

61.3)中壓壓循環(huán)壓縮機(jī)11：進(jìn)氣0.9mpag，排氣2.4mpag,流量：51g/s；

62.4)透平膨脹機(jī)：絕熱效率80％；

63.5)預(yù)冷換熱器44預(yù)冷溫度：

?

7℃；

64.6)預(yù)冷換熱器44換熱量：1.52kw(按cop＝2.5折合能耗0.6kw)；

65.7)裝置總耗功：84.9kw(壓縮機(jī)絕熱效率按80％估取)；

66.8)單位液化功：0.85kw.h/l(ln2)。

67.對比上述參數(shù)可以看出，即使按照同等絕熱壓縮效率及絕熱膨脹效率保守估算，與圖1所示的所述低壓循環(huán)氮氣液化裝置相比，本發(fā)明的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100的能耗減少了11.7％，節(jié)能效果明顯。由于本發(fā)明的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100采用兩級壓縮，壓縮機(jī)絕熱效率、透平膨脹機(jī)絕熱效率、第三級換熱器換熱效率都有所提高，也就是說，本發(fā)明的所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100的透平膨脹效率、壓縮機(jī)效率、換熱效率均比圖1所示的所述低壓循環(huán)氮氣液化裝置要高，因此能耗減少量應(yīng)該比保守估算的11.7％的能耗減少量更高，兩級壓縮循環(huán)氮氣液化的效率更高。

68.可以理解的是，本發(fā)明在另一方面還提供了所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100的液化方法，包括步驟：

69.s1、采用低壓循環(huán)進(jìn)行透平膨脹制冷：

70.將低壓氮氣通入低壓壓縮機(jī)1中增壓形成中壓氮氣；

71.將一部分中壓氮氣輸入低壓循環(huán)濾油器12中進(jìn)行精密除油處理；

72.將除油處理后的中壓氮氣依次輸入一級換熱器3、預(yù)冷換熱器4中進(jìn)行換熱處理；

73.將換熱后的中壓氮氣輸入透平膨脹機(jī)5中進(jìn)行膨脹制冷，形成低溫低壓氮氣；

74.將低溫低壓氮氣返流經(jīng)過二級換熱器6和所述一級換熱器3進(jìn)行換熱處理，換熱后的低壓氮氣重新回到所述低壓壓縮機(jī)1中進(jìn)行循環(huán)；

75.s2、采用高壓循環(huán)進(jìn)行j

?

t節(jié)流液化：

76.將所述低壓壓縮機(jī)1中的另一部分中壓氮氣輸入中壓壓縮機(jī)11中壓縮形成高壓氮氣；

77.將高壓氮氣輸入中壓循環(huán)濾油器2中進(jìn)行精密除油處理；

78.將除油后的高壓氮氣依次輸入所述一級換熱器3、所述預(yù)冷換熱器4、所述二級換熱器6、三級換熱器7中進(jìn)行換熱處理；

79.將換熱后的高壓氮氣輸出至j

?

t節(jié)流閥8中進(jìn)行節(jié)流降壓，輸出低壓氮氣和液氮至液氮儲存罐9，其中液氮儲存在所述液氮儲存罐9中；

80.將低壓氮氣經(jīng)由所述液氮儲存罐9的氣體出口輸出至所述冷箱10中的所述三級換熱器7中換熱處理，換熱后的低壓氮氣與所述透平膨脹機(jī)5出口輸出的低壓氮氣匯合；

81.將匯合后的低壓氮氣依次返流經(jīng)過所述二級換熱器6、所述一級換熱器3回收冷

量，回收冷量后的低壓氮氣重新回到所述低壓壓縮機(jī)1中進(jìn)行循環(huán)。

82.值得一提的是，在所述步驟s1中，低壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：0.8～1.2mpag；在所述步驟s2中，高壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：2.0～3.5mpag。

83.此外，還值得一提的是，所述步驟s1中的氮氣流量大于所述步驟s2中的氮氣流量。

84.總的來講，本發(fā)明提供了一種兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置及其液化方法，通過采用兩級壓縮的方式，將用于膨脹制冷的循環(huán)氮氣壓力和用j

?

t節(jié)流液化的壓力區(qū)別開來，能夠有效提高換熱效率和氮氣的液化率，減少裝置能耗，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置100適用于液氮用量小的場合。

85.以上實施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

86.以上實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。技術(shù)特征：

1.一種兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置，其特征在于，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置具有透平膨脹制冷回路和j

?

t節(jié)流液化回路，所述透平膨脹制冷回路采用低壓循環(huán)，所述j

?

t節(jié)流液化回路采用高壓循環(huán)，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置包括低壓壓縮機(jī)，連接于所述低壓壓縮機(jī)的氮氣出口的低壓循環(huán)濾油器和中壓壓縮機(jī)，連接于所述中壓壓縮機(jī)的氮氣出口的中壓循環(huán)濾油器，連接于所述低壓循環(huán)濾油器和所述中壓循環(huán)濾油器的氮氣出口以及所述低壓壓縮機(jī)的氮氣進(jìn)口的冷箱，設(shè)置于所述冷箱的一級換熱器、預(yù)冷換熱器、透平膨脹機(jī)、二級換熱器以及三級換熱器，連接于所述三級換熱器的高壓出口和液氮儲存罐的氣液兩相進(jìn)口的j

?

t節(jié)流閥，所述液氮儲存罐的氣體出口連接于所述冷箱；其中低壓氮氣在所述低壓壓縮機(jī)中被壓縮形成中壓氮氣，一部分中壓氮氣經(jīng)由所述低壓循環(huán)濾油器精密除油處理后，進(jìn)入所述冷箱，依次經(jīng)所述一級換熱器、所述預(yù)冷換熱器換熱處理后進(jìn)入所述透平膨脹機(jī)中膨脹制冷，形成低溫低壓氮氣，低溫低壓氮氣返流經(jīng)過所述二級換熱器、所述一級換熱器換熱處理后，重新回到所述低壓壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)，構(gòu)成所述透平膨脹制冷回路；其中從所述低壓壓縮機(jī)中出來的另一部分中壓氮氣經(jīng)所述中壓壓縮機(jī)壓縮形成高壓氮氣，高壓氮氣經(jīng)由所述中壓循環(huán)濾油器精密除油處理后，進(jìn)入所述冷箱，依次經(jīng)所述一級換熱器、所述預(yù)冷換熱器、所述二級換熱器、所述三級換熱器換熱處理后，進(jìn)入所述j

?

t節(jié)流閥中節(jié)流降壓，得到低壓氮氣和液氮共存的氣

?

液兩相混合物，低壓氮氣和液氮進(jìn)入所述液氮儲存罐中，其中液氮儲存在所述液氮儲存罐中，低壓氮氣經(jīng)由所述液氮儲存罐的氣體出口進(jìn)入所述冷箱，經(jīng)所述三級換熱器換熱處理后與所述透平膨脹機(jī)出口輸出的低壓氮氣匯合，匯合的低壓氮氣依次返流經(jīng)過所述二級換熱器、所述一級換熱器回收冷量后，重新回到所述低壓循環(huán)壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)，構(gòu)成所述j

?

t節(jié)流液化回路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置，其特征在于，所述透平膨脹制冷回路采用的低壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：0.8～1.2mpag；所述j

?

t節(jié)流液化回路采用的高壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：2.0～3.5mpag。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置，其特征在于，所述透平膨脹制冷回路的氮氣流量大于所述j

?

t節(jié)流液化回路的氮氣流量。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置，其特征在于，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置還包括設(shè)置在所述低壓壓縮機(jī)和所述低壓循環(huán)濾油器之間的第一水冷器，其中中壓氮氣經(jīng)由所述第一水冷器冷卻后進(jìn)入所述低壓循環(huán)濾油器中進(jìn)行精密除油處理。5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置，其特征在于，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置還包括設(shè)置在所述中壓壓縮機(jī)和所述中壓循環(huán)濾油器之間的第二水冷器，其中高壓氮氣經(jīng)由所述第二水冷器冷卻后進(jìn)入所述中壓循環(huán)濾油器中進(jìn)行精密除油處理。6.一種根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置的液化方法，其特征在于，包括步驟：s1、采用低壓循環(huán)進(jìn)行透平膨脹制冷：將低壓氮氣通入低壓壓縮機(jī)中增壓形成中壓氮氣；將一部分中壓氮氣輸入低壓循環(huán)濾油器中進(jìn)行精密除油處理；

將除油處理后的中壓氮氣依次輸入一級換熱器、預(yù)冷換熱器中進(jìn)行換熱處理；將換熱后的中壓氮氣輸入透平膨脹機(jī)中進(jìn)行膨脹制冷，形成低溫低壓氮氣；將低溫低壓氮氣返流經(jīng)過二級換熱器和所述一級換熱器進(jìn)行換熱處理，換熱后的低壓氮氣重新回到所述低壓壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)；s2、采用高壓循環(huán)進(jìn)行j

?

t節(jié)流液化：將所述低壓壓縮機(jī)中的另一部分中壓氮氣輸入中壓壓縮機(jī)中壓縮形成高壓氮氣；將高壓氮氣輸入中壓循環(huán)濾油器中進(jìn)行精密除油處理；將除油后的高壓氮氣依次輸入所述一級換熱器、所述預(yù)冷換熱器、所述二級換熱器、三級換熱器中進(jìn)行換熱處理；將換熱后的高壓氮氣輸出至j

?

t節(jié)流閥中進(jìn)行節(jié)流降壓，輸出低壓氮氣和液氮至液氮儲存罐，其中液氮儲存在所述液氮儲存罐中；將低壓氮氣經(jīng)由所述液氮儲存罐的氣體出口輸出至所述冷箱中的所述三級換熱器中換熱處理，換熱后的低壓氮氣與所述透平膨脹機(jī)出口輸出的低壓氮氣匯合；將匯合后的低壓氮氣依次返流經(jīng)過所述二級換熱器、所述一級換熱器回收冷量，回收冷量后的低壓氮氣重新回到所述低壓壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置的液化方法，其特征在于，在所述步驟s1中，低壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：0.8～1.2mpag；在所述步驟s2中，高壓循環(huán)的典型循環(huán)壓力范圍為：2.0～3.5mpag。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置的液化方法，其特征在于，所述步驟s1中的氮氣流量大于所述步驟s2中的氮氣流量。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置及其液化方法，所述兩級壓縮循環(huán)氮氣液化裝置具有透平膨脹制冷回路和J

技術(shù)研發(fā)人員：熊聯(lián)友 徐鵬 邵東方 王愛林 王廣海 楊坤

受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京中科富海低溫科技有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.07.12

技術(shù)公布日：2021/10/15