一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置及方法与流程

1.本发明属于空气压缩机能量回收技术领域，特别涉及一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置及方法。


背景技术：

2.水电站厂内压缩空气系统是水电站重要的辅助设备，包括空气压缩装置、压力气罐、管阀和测量控制元件等部件，其常用的中压容器内部压力一般为2.5～6.3mpa。厂内压缩空气系统主要为水轮发电机组油压装置配属的压油槽压力气罐供气，从而为水轮机调速系统提供专用操作能源。
3.在厂内压缩空气系统或机组油压装置的常规检修中，对压力气罐执行撤压排气是设备检修的一项必备的重要安全技术措施，实施频次较高。当前的一般做法是：打开压力气罐排气阀将罐体内压缩空气直接放空、排压至零，这种做法造成了一定程度的气流动能浪费和较严重的噪音污染。同时，在撤压排气过程中，罐体气压呈逐步下降形式，但由于排气过程受诸多因素影响，其排气特性较为复杂，排压情况亦存在波动性。
4.空气马达是一种能够将压缩空气压力能转换为旋转机械能输出的气压传动装置。在各行业使用广泛，主要有叶片式和活塞式两种类型的。当前各类空气马达通常需要稳定压强及流量的压缩空气流以达到额定出力，其额定工作压强通常为0.6-0.8mpa，。
5.在现有技术中，尚未发现针对水电站厂内压缩空气系统压力气罐在检修中实现撤压排气能量回收发电的系统性表述内容。当前存在利用压缩空气驱动空气马达发电的表述，如公开号为cn110829719a的发明公开了一种气动马达与发电机的发电组合，但该发明仅提出了有关概念，尚未明确说明具体应用细节，难以直接应用于厂内压缩空气系统中实现气流动能回收，且该发明无法针对厂内压缩空气系统气压逐步下降且多变的复杂排气特性实现能量回收工况优化的功能。


技术实现要素：

6.鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置及方法，能够利用压力气罐撤压排气过程释放的气流动能产生电能并储存于蓄电池中，实现能量回收并便于利用。
7.为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：
8.一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置，包括移动平台，移动平台上设置有能量回收装置和能量储存装置，能量回收装置包括空气马达和发电机，空气马达用于带动发电机转子旋转，空气马达通过总气管与压缩空气系统可拆卸地连接，总气管上设置有减压阀；能量储存装置包括蓄电池，发电机产生的电能由蓄电池储存。
9.优选的方案中，所述的能量回收装置的数量为多个，能量回收装置通过支管与同一根总气管连接。
10.优选的方案中，所述的移动平台为轮式机动板车。
11.优选的方案中，所述的能量回收装置为叶片式或活塞式且能够通过压缩空气气流驱动以实现旋转机械能输出的设备。
12.一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置的回收方法，其特征在于：
13.步骤1：当压缩空气系统检修时，将本移动式能量回收装置移动至压力气罐旁，将总气管与压力气罐排气口连接；
14.步骤2：打开减压阀，压力气罐内的压缩气体对能量回收装置做功，能量回收装置带动发电机转子旋转，将动能转化为电能并在能量储存装置内储存；
15.步骤3：能量储存装置可拆卸地设置在移动平台上，当能量储存装置充电完毕后，更换其他能量储存装置。
16.优选的方案中，所述的在每个支管上安装逻辑控制阀门，对步骤2的回收方法进行改进，方法如下：
17.步骤2.1，本移动式能量回收装置包含的减压阀通过入口及出口压强参数计算实时出口流量，如式(1)所示：
18.q
rv
(t)＝f
rv
{p1(t),p2(t)}
ꢀꢀꢀ
(1)
19.式中：q
rv
(t)为减压阀出口在时间t的出气流量；
20.p1(t)、p2(t)分别为减压阀入口及出口在时间t的压强；
21.f
rv
{}为减压阀的流量-压强关系函数；
22.步骤2.2，本移动式能量回收装置包含的能量回收模块的总数量，即配置的空气马达结合磁感应发电线圈数量，是由目标压力气罐的最大排气压强并结合减压阀及空气马达有关参数确定，如式(2)所示：
[0023][0024]
式中：nm为系统中并联的能量回收模块的总数量，即配置的空气马达结合磁感应发电线圈数量；
[0025]qrvm
为减压阀出口最大出气流量；
[0026]qae
为空气马达额定耗气量；
[0027]
为向上取整函数；
[0028]
p
1m
为目标压力气罐的最大排气压强即减压阀入口最大压强；
[0029]
p2为减压阀出口压强，本发明中p2取值为0.6mpa；
[0030]
步骤2.3，本移动式能量回收装置包含的逻辑控制阀门，用于匹配能量回收工况与压力气罐排气情况，考虑空气马达额定耗气量关闭或开启空气马达，以控制处于工作状态的能量回收模块数量，逻辑控制阀门控制逻辑如式(3)所示。
[0031][0032]
式中：nw(t)为在时间t应处于工作状态的空气马达数量；
[0033]
nc(t)为逻辑管路在时间t应关闭的空气马达数量；
[0034]
[()]为服从四舍五入规则的取整函数；
[0035]
步骤2.4，为便于估算，工作中的能量回收模块皆近似视为处于额定工作状态，则应用本移动式能量回收装置的实时发电功率及总发电量可由式(4)估算：
[0036][0037]
式中：w(t)为系统在时间t的总发电功率；
[0038]wae
为空气马达的额定输出功率；
[0039]
η为磁感应发电线圈的发电效率；
[0040]
e为系统的总发电量；
[0041]
步骤2.5，基于式(1)及式(2)计算减压阀出口最大出气流量q
rvm
，并根据备选型号空气马达的额定耗气量参数计算各型号空气马达需配置的数量；以轮式移动平台的承载能力为限制条件并以空气马达工作效率为选型指标实现空气马达的选型，其逻辑如式(5)所示：
[0042][0043]
式中：max()为最大值函数；
[0044]
g为对应型号空气马达的重量；
[0045]
me为装置除空气马达外其他模块及配件的总重量。
[0046]bm
为移动平台的最大承载重量。
[0047]
步骤2.6，在能量回收装置工作时，针对压力气罐的实时排气情况，依据式(1)及式(3)分析调整方案，并通过逻辑管路执行针对能量回收模块的关闭或开启，从而优化装置的能量回收工况；
[0048]
当厂内压缩空气系统检修结束压力气罐排气停止时或压力气罐排气压强小于空气马达额定压强0.6mpa时，认为能量回收装置完成了工作，而后移动装置使其离开厂内压缩空气系统检修现场。
[0049]
本专利可达到以下有益效果：
[0050]
1.、能够在水电站压缩空气系统常规检修中将常规中压压力气罐撤压排气过程释放的气流动能有效回收，回收能量以电能形式储存于蓄电池中，其二次利用形式便捷。
[0051]
2、本移动式能量回收装置机动性良好，能够在电厂内多个压力气罐间移动，装置与压力气罐排气孔的连接方式简单，不影响水电站厂内压缩空气系统的正常检修作业。
[0052]
3、移动式能量回收装置的能量回收方法能够在厂内压缩空气系统检修时实现能量回收工况与压力气罐排气特性的匹配，并根据压力气罐撤的气流释放情况自动调节并优化能量回收工况，则该方法有助于减少能量回收的损耗，提高回收效率。
附图说明
[0053]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0054]
图1为本发明提供的移动式能量回收装置布置图；
[0055]
图2为本发明提供的移动式能量回收装置改进图(安装了逻辑控制阀门)；
[0056]
图3为本发明移动式能量回收装置使用流程图。
具体实施方式
[0057]
优选的方案如图1至图2所示，一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置，包括移动平台，移动平台上设置有能量回收装置和能量储存装置，能量回收装置包括空气马达和发电机，空气马达用于带动发电机转子旋转，空气马达通过总气管与压缩空气系统可拆卸地连接，总气管上设置有减压阀；能量储存装置包括蓄电池，发电机产生的电能由蓄电池储存。所述的能量储存装置为电力稳压器与可拆卸蓄电池的组合，并包含有关充放电、稳定卡座及移动把手等附属配件。基于现有技术，稳压器指能够稳定能量回收模块输出电压至蓄电池额定充电电压的设备；蓄电池包括但不限于铅酸电池、锂铁电池、钠离子电池等可充放电电池，从而能够存储本装置回收气流动能产生的电力。蓄电池充满后，可从装置上拆下，并通过移动把手携带以移动至其他用电处，从而便于回收能量的利用。
[0058]
进一步地，能量回收装置的数量为多个，能量回收装置通过支管与同一根总气管连接。
[0059]
进一步地，移动平台为轮式机动板车。本实施例中，轮式机动板车不超过200kg。
[0060]
进一步地，能量回收装置为叶片式或活塞式且能够通过压缩空气气流驱动以实现旋转机械能输出的设备。能量回收装置为空气马达结合磁感应发电线圈的组合设备，通常选用具有降噪静音功能的空气马达；所述磁感应发电线圈指基于电磁感应定律和电磁力定律的通过导体切割一个固定磁场产生电力的设备；所述能量回收模块是通过将空气马达传动轴与磁感应发电线圈导体转子连接，从而在压力气罐排气导入并驱动空气马达运行时带动导体转动切割磁感线而产生电力。
[0061]
如图3所示，优选地，所述的一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置的回收方法，步骤为：
[0062]
步骤1：当压缩空气系统检修时，将本移动式能量回收装置移动至压力气罐旁，将总气管与压力气罐排气口连接；
[0063]
步骤2：打开减压阀，压力气罐内的压缩气体对能量回收装置做功，能量回收装置带动发电机转子旋转，将动能转化为电能并在能量储存装置内储存；
[0064]
步骤3：能量储存装置可拆卸地设置在移动平台上，当能量储存装置充电完毕后，更换其他能量储存装置。
[0065]
进一步地，在每个支管上安装逻辑控制阀门，逻辑控制阀门为由控制器控制的调节阀，控制器优选为plc或单片机，对步骤2的回收方法进行改进，用于建立一种适应厂内压缩空气系统压力气罐排气特性的工况优化系统，能够实现根据压力气罐气流释放情况自动调节并优化能量回收工况的功能。方法如下：
[0066]
步骤2.1，如图3所示，针对厂内压缩空气系统检修时压力气罐排气过程中排气压强由高变低，且一般高于常规空气马达额定工作压强0.6mpa的特性，考虑首先利用减压阀将压力气罐排气压强降低至0.6mpa，再根据减压阀出气流量变化通过控制逻辑控制阀门的开闭以增减并联能量回收模块的工作数量，从而实现能量回收工况与压力气罐排气特性的匹配。本移动式能量回收装置包含的减压阀通过入口及出口压强参数计算实时出口流量，
如式(1)所示：
[0067]qrv
(t)＝f
rv
{p1(t),p2(t)}
ꢀꢀꢀ
(1)
[0068]
式中：q
rv
(t)为减压阀出口在时间t的出气流量；
[0069]
p1(t)、p2(t)分别为减压阀入口及出口在时间t的压强；
[0070]frv
{}为减压阀的流量-压强关系函数；
[0071]
步骤2.2，本移动式能量回收装置包含的能量回收模块的总数量，即配置的空气马达结合磁感应发电线圈数量，是由目标压力气罐的最大排气压强并结合减压阀及空气马达有关参数确定，如式(2)所示：
[0072][0073]
式中：nm为系统中并联的能量回收模块的总数量，即配置的空气马达结合磁感应发电线圈数量；
[0074]qrvm
为减压阀出口最大出气流量；
[0075]qae
为空气马达额定耗气量；
[0076]
为向上取整函数；
[0077]
p
1m
为目标压力气罐的最大排气压强即减压阀入口最大压强，本发明中取压力气罐最大压强值；
[0078]
p2为减压阀出口压强，本发明中p2取值为0.6mpa；
[0079]
步骤2.3，本移动式能量回收装置包含的逻辑控制阀门，用于匹配能量回收工况与压力气罐排气情况，考虑空气马达额定耗气量关闭或开启空气马达，以控制处于工作状态的能量回收模块数量，逻辑控制阀门控制逻辑如式(3)所示。
[0080][0081]
式中：nw(t)为在时间t应处于工作状态的空气马达(能量回收模块)数量；
[0082]
nc(t)为逻辑管路在时间t应关闭的空气马达(能量回收模块)数量；
[0083]
[()]为服从四舍五入规则的取整函数；
[0084]
步骤2.4，为便于估算，工作中的能量回收模块皆近似视为处于额定工作状态，则应用本移动式能量回收装置的实时发电功率及总发电量可由式(4)估算：
[0085][0086]
式中：w(t)为系统在时间t的总发电功率；
[0087]wae
为空气马达的额定输出功率；
[0088]
η为磁感应发电线圈的发电效率，根据现有技术通常取大于0.9的系数；
[0089]
e为系统的总发电量；
[0090]
步骤2.5，基于式(1)及式(2)计算减压阀出口最大出气流量q
rvm
，并根据备选型号
空气马达的额定耗气量参数计算各型号空气马达需配置的数量；以轮式移动平台的承载能力为限制条件并以空气马达工作效率为选型指标实现空气马达的选型，其逻辑如式(5)所示：
[0091][0092]
式中：max()为最大值函数；
[0093]
g为对应型号空气马达的重量；
[0094]
me为装置除空气马达外其他模块及配件的总重量。
[0095]bm
为移动平台的最大承载重量。
[0096]
步骤2.6，在能量回收装置工作时，针对压力气罐的实时排气情况，依据式(1)及式(3)分析调整方案，并通过逻辑管路执行针对能量回收模块的关闭或开启，从而优化装置的能量回收工况；
[0097]
当厂内压缩空气系统检修结束压力气罐排气停止时或压力气罐排气压强小于空气马达额定压强0.6mpa时，认为能量回收装置完成了工作，而后移动装置使其离开厂内压缩空气系统检修现场。
[0098]
实施例1：
[0099]
某水电站的厂内压缩空气系统存在检修需求，其压力气罐包括两个连通的15m3容量额定工作压力4.0mpa的罐体。针对该厂内压缩空气系统应用本发明所述移动式能量回收装置及方法。
[0100]
(1)能量回收装置准备过程示例：
[0101]
针对目标厂内压缩空气系统压力气罐，为配置能量回收装置首先计算其减压阀出口最大出气流量，即在减压阀入口压强为4.0mpa，出口压强为0.6mpa的情况下，根据减压阀工作特性参数计算得到出口流量为270～295m3/h。根据此数据进行空气马达选型，最终确定选用某型号活塞式空气马达，其参数包括：耗气量0.985m3/min；额定功率1.12kw，最大输出功效转速360rpm，重量20kg。
[0102]
因此，根据式(2)计算，本例中的能量回收装置应配置5台此型号空气马达。完成能量回收装置准备后，将装置与压力气罐连通，即投入能量回收工作中。
[0103]
(2)能量回收装置的工况调节示例
[0104]
在能量回收装置工作过程中，选取两个典型工况展示能量回收装置的工作参数及根据压力气罐排气情况进行调节的过程。
[0105]
工况1：当减压阀入口压强为3.0mpa，出口压强为0.6mpa时，计算得到的出口流量为240～265m3/h，根据式(3)计算，此时处于工作状态的能量回收模块数量为4个，即逻辑管路需要关闭1台空气马达(能量回收模块)的气流输入，此时，能量回收装置的实时发电功率为4.256kw(磁感应发电线圈的发电效率系数取0.95)。
[0106]
工况2：当减压阀入口压强为2.0mpa，出口压强为0.6mpa时，计算得到的出口流量为155～180m3/h，根据式(3)计算，此时处于工作状态的能量回收模块数量为3个，即逻辑管路需要关闭2台空气马达(能量回收模块)的气流输入，则能量回收装置的实时发电功率为3.192kw(磁感应发电线圈的发电效率系数取0.95)。此时，装置为配合压力气罐排气压强降
低的情况，较工况1多关闭一个能量回收模块，即实现了能量回收的优化调节。
[0107]
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置，其特征在于：包括移动平台，移动平台上设置有能量回收装置和能量储存装置，能量回收装置包括空气马达和发电机，空气马达用于带动发电机转子旋转，空气马达通过总气管与压缩空气系统可拆卸地连接，总气管上设置有减压阀；能量储存装置包括蓄电池，发电机产生的电能由蓄电池储存。2.根据权利要求1所述的一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置，其特征在于：能量回收装置的数量为多个，能量回收装置通过支管与同一根总气管连接。3.根据权利要求1所述的一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置，其特征在于：移动平台为轮式机动板车。4.根据权利要求1所述的一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置，其特征在于：能量回收装置为叶片式或活塞式且能够通过压缩空气气流驱动以实现旋转机械能输出的设备。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置的回收方法，其特征在于：步骤1：当压缩空气系统检修时，将本移动式能量回收装置移动至压力气罐旁，将总气管与压力气罐排气口连接；步骤2：打开减压阀，压力气罐内的压缩气体对能量回收装置做功，能量回收装置带动发电机转子旋转，将动能转化为电能并在能量储存装置内储存；步骤3：能量储存装置可拆卸地设置在移动平台上，当能量储存装置充电完毕后，更换其他能量储存装置。6.根据权利要求5所述的一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置的回收方法，其特征在于：在每个支管上安装逻辑控制阀门，对步骤2的回收方法进行改进，方法如下：步骤2.1，本移动式能量回收装置包含的减压阀通过入口及出口压强参数计算实时出口流量，如式(1)所示：q
rv
(t)＝f
rv
{p1(t),p2(t)}
ꢀꢀꢀ
(1)式中：q
rv
(t)为减压阀出口在时间t的出气流量；p1(t)、p2(t)分别为减压阀入口及出口在时间t的压强；f
rv
{}为减压阀的流量-压强关系函数；步骤2.2，本移动式能量回收装置包含的能量回收模块的总数量，即配置的空气马达结合磁感应发电线圈数量，是由目标压力气罐的最大排气压强并结合减压阀及空气马达有关参数确定，如式(2)所示：式中：n
m
为系统中并联的能量回收模块的总数量，即配置的空气马达结合磁感应发电线圈数量；q
rvm
为减压阀出口最大出气流量；q
ae
为空气马达额定耗气量；为向上取整函数；
p
1m
为目标压力气罐的最大排气压强即减压阀入口最大压强；p2为减压阀出口压强；步骤2.3，本移动式能量回收装置包含的逻辑控制阀门，用于匹配能量回收工况与压力气罐排气情况，考虑空气马达额定耗气量关闭或开启空气马达，以控制处于工作状态的能量回收模块数量，逻辑控制阀门控制逻辑如式(3)所示。式中：n
w
(t)为在时间t应处于工作状态的空气马达数量；n
c
(t)为逻辑管路在时间t应关闭的空气马达数量；[()]为服从四舍五入规则的取整函数；步骤2.4，为便于估算，工作中的能量回收模块皆近似视为处于额定工作状态，则应用本移动式能量回收装置的实时发电功率及总发电量可由式(4)估算：式中：w(t)为系统在时间t的总发电功率；w
ae
为空气马达的额定输出功率；η为磁感应发电线圈的发电效率；e为系统的总发电量；步骤2.5，基于式(1)及式(2)计算减压阀出口最大出气流量q
rvm
，并根据备选型号空气马达的额定耗气量参数计算各型号空气马达需配置的数量；以轮式移动平台的承载能力为限制条件并以空气马达工作效率为选型指标实现空气马达的选型，其逻辑如式(5)所示：式中：max()为最大值函数；g为对应型号空气马达的重量；m
e
为装置除空气马达外其他模块及配件的总重量。b
m
为移动平台的最大承载重量。步骤2.6，在能量回收装置工作时，针对压力气罐的实时排气情况，依据式(1)及式(3)分析调整方案，并通过逻辑管路执行针对能量回收模块的关闭或开启，从而优化装置的能量回收工况；当厂内压缩空气系统检修结束压力气罐排气停止时或压力气罐排气压强小于空气马达额定压强0.6mpa时，认为能量回收装置完成了工作，而后移动装置使其离开厂内压缩空气系统检修现场。

技术总结
一种厂内压缩空气系统的移动式能量回收装置及方法，包括建立一种基于空气马达及磁感应发电模块的移动式气流能量回收装置；步骤2：在前述能量回收装置基础上，建立一种适应厂内压缩空气系统压力气罐排气特性的工况优化系统；步骤3：结合前述能量回收装置及工况优化系统建立一种针对厂内压缩空气系统压力气罐撤压排气的能量回收方法；步骤4：应用该方法，针对目标厂内压缩空气系统压力气罐的撤压排气过程执行能量回收并实现回收能量的利用。本发明能够利用压力气罐撤压排气过程释放的气流动能产生电能并储存于蓄电池中，实现能量回收并便于利用。并便于利用。并便于利用。


技术研发人员：宋伟鸣 黄德俊 刘斌 卢伟 李爽 童凡 祁忠荣
受保护的技术使用者：中国长江电力股份有限公司
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/6