冷能回收利用撬及安全控制系统的制作方法

本发明涉及冷能利用，具体为冷能回收利用撬及安全控制系统。

背景技术：

1、液化天然气在气化过程中会释放大量冷能。冷能回收利用撬作为一种实现冷量利用的工业装备，主要承担将冷源流体蕴含的冷量提取并输送至终端用户的任务。冷能回收利用撬内部配置换热管网与载冷剂循环回路。冷源流体与载冷剂在换热管网内发生换热，获取冷量的载冷剂在循环动力的驱动下输送至外部冷能用户端。

2、现有技术中的冷能回收利用撬普遍依赖电气控制网络维持运转。常规运行状态下，冷能回收利用撬通过变频电机驱动机械泵提供载冷剂的循环动力。换热管网沿线布置有电子温度传感器与压力变送器。冷量输入负荷发生波动时，电子传感器采集管网数据并传输至处理单元。处理单元经过逻辑运算后发出电信号，指挥变频电机调整转速或驱动调节阀改变开度，以此实现载冷剂流量与输入冷量的匹配调节。

3、现有技术高度依赖电子反馈与电气驱动回路进行流量调节，无法实现载冷剂流量与输入冷能波动的瞬态自适应匹配。冷源端输入冷量突增时，电子信号采集、数据运算与电机驱动动作之间存在时间延迟。响应延迟导致机械泵输出的载冷剂流量无法与输入流体的势能同步变化，换热管网内的载冷剂因吸收过剩冷量而发生温度下降。基于电气信号的闭环控制网络使得冷能回收利用撬在面对输入负荷波动或供电异常时，无法从物理能量传递层面自发维持冷量平衡，导致异常低温载冷剂向冷能用户端输出并引发管网冻堵问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了冷能回收利用撬及安全控制系统，解决了现有冷能回收系统高度依赖电气控制，在面对冷源负荷波动或突发断电时存在响应滞后与防冻保护失效的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种冷能回收利用撬及安全控制系统，包含底座撬块以及主换热器，还包含设置于所述底座撬块上的透平-离心同轴动力模块、梯度相变热池模块、无源机械切断模块与强制复温旁通回路；

3、所述透平-离心同轴动力模块连接于高压气相流体外输管路与主循环管网之间；所述主换热器串联于所述主循环管网中；所述梯度相变热池模块串联接入所述主循环管网，且定位于所述透平-离心同轴动力模块的输出下游；所述无源机械切断模块设置于所述主换热器的输出侧，串联于所述主换热器与冷能用户端管网之间，且所述无源机械切断模块配置有旁通接口；所述强制复温旁通回路连接所述旁通接口与所述梯度相变热池模块。

4、优选的，所述透平-离心同轴动力模块包括高压气相流体蜗壳、膨胀涡轮、刚性隔离主轴、载冷剂泵壳以及离心泵叶轮；

5、所述高压气相流体蜗壳串接于所述高压气相流体外输管路中，所述膨胀涡轮配置于所述高压气相流体蜗壳的内部主流区，所述膨胀涡轮的轴心机械偶联所述刚性隔离主轴的第一端；所述载冷剂泵壳串接于所述主循环管网中，所述离心泵叶轮配置于所述载冷剂泵壳的内部主流区，所述离心泵叶轮的轴心机械偶联所述刚性隔离主轴的第二端；所述高压气相流体蜗壳与所述载冷剂泵壳之间具有物理隔离中段，构成物理隔离的高压气相流道与载冷剂流道。

6、优选的，所述透平-离心同轴动力模块还包括布置于所述物理隔离中段的物理密封组件以及惰性气体保压支路；

7、所述物理密封组件包含气侧机械密封环、液侧机械密封环以及限定于所述气侧机械密封环与所述液侧机械密封环之间的阻隔流道；所述惰性气体保压支路连通所述阻隔流道，所述惰性气体保压支路向所述阻隔流道内持续输入压力高于气相流体侧设定压力与载冷剂侧设定压力的惰性隔离气体。

8、优选的，透平-离心同轴动力模块的能量传递受功率平衡边界约束，高压气相流体在膨胀涡轮进出口两端产生的实际比焓降幅度与高压气相流体质量流量共同决定的等熵膨胀做功量，等于离心泵提供给载冷剂的进出口压差与载冷剂质量流量所需的物理抽吸功。

9、优选的，所述梯度相变热池模块包括外围承压壳体、金属泡沫导热骨架以及序列化排布的多级独立封装腔室；

10、所述金属泡沫导热骨架填充于所述外围承压壳体内部，构成三维贯通的载冷剂流通孔隙；所述序列化排布的多级独立封装腔室嵌设于所述金属泡沫导热骨架内部，且外部与所述载冷剂流通孔隙保持物理密封隔离；所述多级独立封装腔室包含处于序列首位的第一级独立封装腔室。

11、优选的，所述序列化排布的多级独立封装腔室内部充注有多元醇类相变材料；

12、所述多元醇类相变材料的固液相变熔点沿流体流动方向呈递减梯度分布；所述第一级独立封装腔室配置具有最高相变熔点的所述多元醇类相变材料，所述第一级独立封装腔室在常规冷能回收运行阶段时吸收系统热量并保持液相或固液混相状态。

13、优选的，多级独立封装腔室构成的热池总有效蓄冷量，由各级独立封装腔室内多元醇类相变材料的质量、多元醇类相变材料在液相状态与固相状态下的定压比热容导致的显热变化量，以及多元醇类相变材料发生固液相态转变时单位质量包含的相变潜热量加和得出。

14、优选的，所述无源机械切断模块包括定容感温腔体、环境绝热层、烷烃混合物相变感温介质以及无源导压信号管路；

15、所述定容感温腔体贴附设置于所述主换热器输出侧的管网节点表面，所述定容感温腔体外表面包覆设置有所述环境绝热层；所述定容感温腔体内部密封充注有所述烷烃混合物相变感温介质，所述烷烃混合物相变感温介质预设配比限定了高于所述主循环管网中载冷剂的固化冰点的临界相变温度阈值；所述定容感温腔体连通所述无源导压信号管路的输入端。

16、优选的，烷烃混合物相变感温介质在定容感温腔体内部发生的体积变化量，由烷烃混合物相变感温介质在参考状态下的标定体积、等压体膨胀系数以及载冷剂实时温度低于临界相变温度阈值的温度差值的乘积决定。

17、优选的，所述无源机械切断模块还包括机械驱动缸、活塞组件、预紧弹簧、三通滑阀中轴、主循环阻断阀芯以及内循环旁通阀芯；

18、所述无源导压信号管路的输出端连通至所述机械驱动缸的内部密封腔室，所述活塞组件设置于所述内部密封腔室内并与所述预紧弹簧抵接；所述活塞组件机械连接所述三通滑阀中轴，所述三通滑阀中轴同步联动所述主循环阻断阀芯与所述内循环旁通阀芯。

19、优选的，所述无源机械切断模块还包含三通滑阀本体，所述三通滑阀本体配置有载冷剂入口、主循环输出口与旁通输出口，所述旁通输出口构成所述旁通接口；

20、所述强制复温旁通回路包括高压旁通主线以及毛细管复温盘管；所述高压旁通主线的始端与所述旁通输出口连接，所述高压旁通主线的末端穿透所述梯度相变热池模块，并与布置于所述梯度相变热池模块内部的所述毛细管复温盘管的入口端连通；所述毛细管复温盘管的出口端连通至所述透平-离心同轴动力模块的输入端。

21、优选的，限定了应对异常低温工况的流路切换联动机制：

22、所述主换热器输出侧载冷剂温度达到所述临界相变温度阈值时，所述烷烃混合物相变感温介质发生相变结晶过程引发体积收缩；体积收缩导致所述定容感温腔体及所述机械驱动缸的内部密封腔室压力下降，所述活塞组件力学平衡被打破，所述预紧弹簧释放弹性势能驱动所述三通滑阀中轴发生单向线性位移；所述单向线性位移驱动所述主循环阻断阀芯封闭所述主循环输出口，同步驱动所述内循环旁通阀芯开启所述旁通输出口，所述透平-离心同轴动力模块提供的流体压头驱动载冷剂整体压入所述毛细管复温盘管。

23、优选的，限定了异常低温载冷剂强制复温与系统状态恢复闭环：

24、进入所述毛细管复温盘管的载冷剂吸收所述梯度相变热池模块内部的多元醇类相变材料释出的热量完成温度回升；完成温度回升的载冷剂经由所述透平-离心同轴动力模块重新泵送，流经所述主换热器并到达布置有所述定容感温腔体的管网节点；温度回升的载冷剂促使所述烷烃混合物相变感温介质发生体积膨胀，体积膨胀促使所述机械驱动缸的内部密封腔室压力回升并推动所述活塞组件重新压缩所述预紧弹簧，所述三通滑阀中轴发生反向位移重新开启所述主循环输出口并封闭所述旁通输出口。

25、本发明提供了冷能回收利用撬及安全控制系统。具备以下有益效果：

26、1、本发明通过设置透平-离心同轴动力模块将高压气相流体外输管路与主循环管网进行机械偶联，利用气相流体在膨胀涡轮内部做功产生的旋转动能经由刚性隔离主轴直接驱动离心泵叶轮抽吸载冷剂，促使载冷剂质量流量随气相流体势能波动发生同步物理响应，实现了无需依赖电子传感器采集与变频器控制网络即可完成换热管网冷量匹配的开环自适应流量调节效果。

27、2、本发明通过在主换热器输出侧串联无源机械切断模块并充注具有临界相变温度阈值的烷烃混合物相变感温介质，利用载冷剂温度跌落至临界相变温度阈值引发感温介质相变结晶与体积收缩，进而降低内部密封腔室压力并打破活塞组件的力学平衡，依靠预紧弹簧释放的弹性势能驱动三通滑阀中轴发生单向线性位移，实现了在无源状态下主动阻断主循环管网的纯物理防冻保护效果。

28、3、本发明通过将毛细管复温盘管穿透引入梯度相变热池模块内部充注多元醇类相变材料的第一级独立封装腔室，在主循环切断后利用透平-离心同轴动力模块的流体压头驱动载冷剂进入毛细管复温盘管吸收热量完成温度回升，并依靠温度回升的载冷剂促使感温介质膨胀导致压力回升重新压缩预紧弹簧，实现了冷能回收利用撬从安全隔离状态自恢复至常规运行阶段的机械闭环重置效果。