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CN114413570B - 一种双塔落地式制氮装置 - Google Patents

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CN114413570B CN202210058374.3A CN202210058374A CN114413570B CN 114413570 B CN114413570 B CN 114413570B CN 202210058374 A CN202210058374 A CN 202210058374A CN 114413570 B CN114413570 B CN 114413570B
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Sichuan Air Separation Plant Group Co ltd
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Abstract

本发明提供一种双塔落地式制氮装置，包括进气管路、第一制氮塔、第二制氮塔、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一膨胀机、第二膨胀机、第一产品管路及废气排放管路；第一制氮塔与第二制氮塔均落地布置；第一制氮塔顶部连接有第一冷凝蒸发器，第二制氮塔顶部连接有第二冷凝蒸发器、底部连接有第三冷凝蒸发器。与现有双塔制氮装置相比，本发明设置的双塔落地布置，无需配置液氮提升泵或富氧液空提升泵，大幅度降低了冷箱高度，投资少，并将连接两塔的冷凝蒸发器分置为第一冷凝蒸发器和第三冷凝蒸发器，减小了冷凝蒸发器的直径，缩小装置横截面尺寸，便于制氮装置的工厂撬装和维护。

Description

一种双塔落地式制氮装置
技术领域
本发明涉及工业制氮技术领域，具体涉及一种双塔落地式制氮装置。
背景技术
近年来，随着锂电池等新能源行业的飞速发展，市场对于高纯氮产品的需求快速增长。为了降低生产成本，提升市场竞争力，客户对制氮装置的性能要求越来越高，即：在尽量降低制氮装置能耗的同时，可考虑使制氮装置能够方便切换不同的工况以适应不同时期的市场需求，并考虑尽量分块撬装，使客户在后期如需要资源整合时的搬迁更加便利。
目前在采用双塔精馏制取一定压力的氮气产品时，如采用常规的双塔落地式制氮装置，氮气产品取自第一制氮塔，装置氮提取率低，所需原料空气气量大，原料空压机能耗高且机型容易跳档，并且还需要配置液氮提升泵以将第二制氮塔的液氮增压后输送至更高压力的第一制氮塔；如需要提高氮提取率，则氮气产品取自第二制氮塔，连接两塔的冷凝蒸发器的冷凝侧为来自第一制氮塔的氮气、蒸发侧为来自第二制氮塔底部的富氧液空，为了使第二制氮塔的富氧液空能够顺利流进冷凝蒸发器，第一制氮塔、连接两塔的冷凝蒸发器、第二制氮塔需依次从下向上堆叠布置，或者配置富氧液空提升泵使双塔能够采用落地式布置。双塔堆叠布置的制氮装置氮提取率虽高，但所需原料空气压力也较高且装置高度较高不利于工厂撬装；而无论配置液氮提升泵或是富氧液空提升泵，都会带来装置投资增加、后期需长期维护等问题，且提升泵会给低温精馏系统带入热量，还会导致装置的经济性能下降。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种双塔落地式制氮装置，以解决现有双塔制氮装置需要配置液氮提升泵或富氧液空提升泵而导致投资增加、后期需长期维护的问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种双塔落地式制氮装置，包括：
进气管路、第一制氮塔、第二制氮塔、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一膨胀机、第二膨胀机、第一产品管路及废气排放管路；
所述第一制氮塔与所述第二制氮塔均落地布置；
所述第一制氮塔顶部连接有第一冷凝蒸发器，所述第二制氮塔顶部连接有第二冷凝蒸发器、底部连接有第三冷凝蒸发器；
所述进气管路经过所述第一换热器后分为第一支路与第二支路；
所述第一支路与所述第一制氮塔下部的空气入口连接，所述第一制氮塔上部的氮气出口通过管道依次经过所述第一换热器、第二膨胀机并返回所述第一换热器后与所述第一产品管路连接；
所述第二支路与所述第三冷凝蒸发器的冷凝侧入口连接，所述第三冷凝蒸发器的冷凝侧出口通过管道经过所述第三换热器后分为第三支路与第四支路；
所述第三支路与所述第一冷凝蒸发器的蒸发侧连接，所述第一冷凝蒸发器顶部的富氧空气出口通过管道与所述第二制氮塔下部的富氧空气入口连接，所述第一冷凝蒸发器底部的富氧液空出口通过管道与所述第二冷凝蒸发器的蒸发侧连接；
所述第四支路与所述第二制氮塔下部的液空入口连接，所述第二制氮塔上部的氮气出口通过管道依次经过所述第二换热器、第三换热器、第一换热器后与所述第一产品管路连接；
所述第二冷凝蒸发器顶部的富氧空气出口通过管道依次经过所述第二换热器、第三换热器、第一换热器、第一膨胀机并返回所述第一换热器后与所述废气排放管路连接。
在本申请公开的一个实施例中，所述第一制氮塔下部的富氧液空出口通过管道经过所述第三换热器后与所述第一冷凝蒸发器的蒸发侧连接。
在本申请公开的一个实施例中，所述第三冷凝蒸发器底部的富氧液空出口通过管道经过所述第二换热器后与所述第二冷凝蒸发器的蒸发侧连接。
在本申请公开的一个实施例中，所述第一制氮塔上部的氮气出口与所述第一冷凝蒸发器的冷凝侧入口通过第一回路连接；
所述第一冷凝蒸发器的冷凝侧出口与所述第一制氮塔上部的液氮入口通过第二回路连接。
在本申请公开的一个实施例中，所述第二回路上设有第五支路，所述第五支路通过管道经过所述第二换热器后与所述第二制氮塔上部的过冷液氮入口连接。
在本申请公开的一个实施例中，所述第二制氮塔上部的氮气出口与所述第二冷凝蒸发器的冷凝侧入口通过第三回路连接；
所述第二冷凝蒸发器的冷凝侧出口与所述第二制氮塔上部的液氮入口通过第四回路连接。
在本申请公开的一个实施例中，所述第二冷凝蒸发器的底部设有排放管路。
在本申请公开的一个实施例中，所述第一制氮塔上部的氮气出口通过管道进入所述第一换热器后设有第六支路，所述第六支路出所述第一换热器后作为第二产品管路使用。
在本申请公开的一个实施例中，所述第二产品管路与所述第一产品管路之间通过旁通管线连通，该旁通管线上安装有第二减压阀。
在本申请公开的一个实施例中，所述第一膨胀机的进出口之间通过旁通管线连通，该旁通管线上安装有第一减压阀。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、设置的双塔落地布置，无需配置液氮提升泵或富氧液空提升泵，大幅度降低了冷箱高度，投资少，并将连接两塔的冷凝蒸发器分置为第一冷凝蒸发器和第三冷凝蒸发器，减小了冷凝蒸发器的直径，缩小装置横截面尺寸，便于制氮装置的工厂撬装和维护。
2、在第一冷凝蒸发器中，蒸发侧为液空和来自第一制氮塔的含氧较低的富氧液空的混合物，相比来自第二制氮塔的含氧较高的富氧液空沸点更低，在冷凝侧同为来自第一制氮塔氮气的情况下可降低氮气的压力即第一制氮塔的工作压力从而降低原料空气压力；同时，在第三冷凝蒸发器中，冷凝侧为冷却空气，在蒸发侧同为来自第二制氮塔的含氧较高富氧液空的情况下，由于空气相比氮气液化点温度更低，因此所需冷却空气的压力要比采用第一制氮塔氮气时低，即能够同样达到降低原料空气压力的目的。因此，本发明在保持上下堆叠布置型双塔制氮装置高提取率优点的同时，可降低所需原料空气压力，从而降低能耗。
3、设置有第一、第二两台膨胀机，可方便的切换不同工况以适应市场的变化，只单独运行第一膨胀机时，装置可生产中、低压力不同的两种氮气产品；只单独运行第二膨胀机时，装置可正常生产低压氮气产品；当同时运行第一膨胀机和第二膨胀机时，制冷量较大，装置在正常生产低压氮气产品的同时可多生产液氮产品以外销提高经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
参见图1所示，本发明提供了一种双塔落地式制氮装置，包括：
进气管路、第一制氮塔C1、第二制氮塔C2、第一换热器E1、第二换热器E2、第三换热器E3、第一膨胀机ET1、第二膨胀机ET2、第一产品管路及废气排放管路；
第一制氮塔C1与第二制氮塔C2均落地布置；
第一制氮塔C1顶部连接有第一冷凝蒸发器K1，第二制氮塔C2顶部连接有第二冷凝蒸发器K2、底部连接有第三冷凝蒸发器K3；
进气管路经过第一换热器E1后分为第一支路与第二支路；
第一支路与第一制氮塔C1下部的空气入口连接，第一制氮塔C1上部的氮气出口通过管道依次经过第一换热器E1、第二膨胀机ET2并返回第一换热器E1后与第一产品管路连接；
第二支路与第三冷凝蒸发器K3的冷凝侧入口连接，第三冷凝蒸发器K3的冷凝侧出口通过管道经过第三换热器E3后分为第三支路与第四支路；
第三支路与第一冷凝蒸发器K1的蒸发侧连接，第一冷凝蒸发器K1顶部的富氧空气出口通过管道与第二制氮塔C2下部的富氧空气入口连接，第一冷凝蒸发器K1底部的富氧液空出口通过管道与第二冷凝蒸发器K2的蒸发侧连接；
第四支路与第二制氮塔C2下部的液空入口连接，第二制氮塔C2上部的氮气出口通过管道依次经过第二换热器E2、第三换热器E3、第一换热器E1后与第一产品管路连接；
第二冷凝蒸发器K2顶部的富氧空气出口通过管道依次经过第二换热器E2、第三换热器E3、第一换热器E1、第一膨胀机ET1并返回第一换热器E1后与废气排放管路连接。
具体地，预定压力的纯化空气（AIR）111（图中管道内流动的介质均以纯数字示意，下同）从进气管路进入第一换热器E1中冷却至预定温度后得到第一冷却空气151，第一冷却空气151分为第二冷却空气152和第三冷却空气153两部分，其流动过程如下：
（1）第二冷却空气152经过第一支路进入第一制氮塔C1下部的空气入口进行精馏；经过第一制氮塔C1的精馏，在第一制氮塔C1上部得到第一中压氮气251，第一中压氮气251出第一制氮塔C1上部的氮气出口后分为第二中压氮气252和第三中压氮气253；第三中压氮气253通过管道进入第一换热器E1复热至一定温度得到第四中压氮气254，第四中压氮气254进入第二膨胀机ET2膨胀制冷得到第五低压氮气215，第五低压氮气215返回第一换热器E1复热至常温得到第六低压氮气216。
（2）第三冷却空气153经过第二支路进入第三冷凝蒸发器K3的冷凝侧被冷凝为第一液空161，第一液空161通过管道进入第三换热器E3过冷后得到第一过冷液空171，第一过冷液空171分为第二过冷液空172和第三过冷液空173；第二过冷液空172经过第三支路进入第一冷凝蒸发器K1的蒸发侧进行蒸发，在第一冷凝蒸发器K1的顶部得到第一富氧空气331，第一富氧空气331进入第二制氮塔C2下部的富氧空气入口参与精馏；在第一冷凝蒸发器K1的底部得到第三富氧液空313并抽取少量将其送入第二冷凝蒸发器K2的蒸发侧；第三过冷液空173经过第四支路进入第二制氮塔C2下部的液空入口进行精馏；经过第二制氮塔C2的精馏，在第二制氮塔C2的上部得到第一低压氮气211，第一低压氮气211分为第二低压氮气212和第三低压氮气213；第三低压氮气213依次经过第二换热器E2、第三换热器E3、第一换热器E1后复热至常温得到第四低压氮气214，第四低压氮气214与第六低压氮气216汇合于第一产品管路得到低压产品氮气（LGAN）217。
（3）在第二冷凝蒸发器K2中，第三富氧液空313蒸发后得到第二富氧空气332，第二富氧空气332通过第二冷凝蒸发器K2顶部的富氧空气出口后依次经过第二换热器E2、第三换热器E3复热到一定温度得到第三富氧空气333，第三富氧空气333进入第一换热器E1复热至一定温度得到第四富氧空气334，第四富氧空气334进入第一膨胀机ET1膨胀制冷得到第五富氧空气335，第五富氧空气335返回第一换热器E1复热至常温后作为废气（GX）通过废气排放管路送出。
与现有双塔制氮装置相比，本发明设置的双塔落地布置，无需配置液氮提升泵或富氧液空提升泵，大幅度降低了冷箱高度，投资少，并将连接两塔的冷凝蒸发器分置为第一冷凝蒸发器和第三冷凝蒸发器，减小了冷凝蒸发器的直径，缩小装置横截面尺寸，便于制氮装置的工厂撬装和维护。
第一制氮塔C1下部的富氧液空出口通过管道经过第三换热器E3后与第一冷凝蒸发器K1的蒸发侧连接。
具体地，在第一制氮塔C1的底部得到第一富氧液空311，第一富氧液空311经第三换热器E3过冷后得到第一过冷富氧液空321，第一过冷富氧液空321进入第一冷凝蒸发器K1的蒸发侧；在第一冷凝蒸发器K1中，第一过冷富氧液空321和上述的第二过冷液空172一起蒸发后得到第一富氧空气331，第一富氧空气331进入第二制氮塔C2下部的富氧空气入口参与精馏。
第三冷凝蒸发器K3底部的富氧液空出口通过管道经过第二换热器E2后与第二冷凝蒸发器K2的蒸发侧连接。
具体地，在第二制氮塔C2的底部得到富氧液空，富氧液空进入第三冷凝蒸发器K3后一部分被蒸发为富氧空气返回第二制氮塔C2参与精馏，一部分从第三冷凝蒸发器K3的底部抽出得到第二富氧液空312，第二富氧液空312经第二换热器E2过冷为第二过冷富氧液空322后进入第二冷凝蒸发器K2的蒸发侧；在第二冷凝蒸发器K2中，第二过冷富氧液空322和上述的第三富氧液空313一起蒸发后得到上述的第二富氧空气332。
第一制氮塔C1上部的氮气出口与第一冷凝蒸发器K1的冷凝侧入口通过第一回路连接；第一冷凝蒸发器K1的冷凝侧出口与第一制氮塔C1上部的液氮入口通过第二回路连接。
具体地，上述的第二中压氮气252经过第一回路进入第一冷凝蒸发器K1冷凝侧被冷凝后得到第一液氮221，第一液氮221分为第三液氮223和第四液氮224，第三液氮223经过第二回路回流至第一制氮塔C1的顶部参与精馏。
第二回路上设有第五支路，第五支路通过管道经过第二换热器E2后与第二制氮塔C2上部的过冷液氮入口连接。
具体地，上述的第四液氮224经过第五支路进入第二换热器E2过冷为第一过冷液氮231，第一过冷液氮231进入第二制氮塔C2的上部参与精馏。
第二制氮塔C2上部的氮气出口与第二冷凝蒸发器K2的冷凝侧入口通过第三回路连接；第二冷凝蒸发器K2的冷凝侧出口与第二制氮塔C2上部的液氮入口通过第四回路连接。
具体地，上述的第二低压氮气212经过第三回路进入第二冷凝蒸发器K2的冷凝侧被冷凝后得到第二液氮222，第二液氮222经过第四回路回流至第二制氮塔C2的顶部参与精馏。
第二冷凝蒸发器K2的底部设有排放管路。
具体地，在第二冷凝蒸发器K2的底部抽取少量的第四富氧液空（LX）314作为富氧介质蒸发的安全排放，以保障设备和管路的安全运行。
第一制氮塔C1上部的氮气出口通过管道进入第一换热器E1后设有第六支路，第六支路出第一换热器E1后作为第二产品管路使用。当第二膨胀机ET2停机时，上述的第四中压氮气254在第一换热器E1中继续复热至常温后得到第五中压氮气255，第五中压氮气255作为中压氮气产品（HGAN）256送出。
第二产品管路与第一产品管路之间通过旁通管线连通，该旁通管线上安装有第二减压阀V2。第五中压氮气255经过第二减压阀V2减压后可以得到第六低压氮气216，从而得到低压氮气产品（LGAN）。
第一膨胀机ET1的进出口之间通过旁通管线连通，该旁通管线上安装有第一减压阀V1。当第一膨胀机ET1停机时，第四富氧空气334经第一减压阀V1减压得到第五富氧空气335。
与现有双塔制氮装置相比，本发明设置有第一、第二两台膨胀机，可方便的切换不同工况以适应市场的变化，只单独运行第一膨胀机时，装置可生产中、低压力不同的两种氮气产品；只单独运行第二膨胀机时，装置可正常生产低压氮气产品；当同时运行第一膨胀机和第二膨胀机时，制冷量较大，装置在正常生产低压氮气产品的同时可多生产液氮产品（该液氮产品可从第一过冷液氮231或第二液氮222所经过的管路上抽取，具体的抽取口图中未示出）以外销提高经济效益。
下面以氮气产量20000Nm3/h、压力400kPa(G)和纯度3ppmO2为例，将本实施例提供的制氮装置与目前常用的双塔制氮进行对比，结果见下表1。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
从上表可以看出本发明具有以下优点：
本实施例提供的双塔落地式制氮装置，与目前常用的双塔落地式制氮装置相比，可将氮提取率提高～16.5%的同时省去液氮提升泵，或着将原料空气压力降低～145kPa的同时省去富氧液空提升泵；与目前常用的双塔堆叠式制氮装置相比，本发明可将原料空气压力降低～145kPa的同时使装置高度降低～17m，总体的经济效益显著。
综上所述，与现有双塔制氮装置相比，本发明在相同的一定压力的氮气产品下，可节约能耗，降低装置高度，无需配置提升泵，能根据市场变化方便的切换不同工况，经济效益明显。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双塔落地式制氮装置，其特征在于，包括：
进气管路、第一制氮塔、第二制氮塔、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一膨胀机、第二膨胀机、第一产品管路及废气排放管路；
所述第一制氮塔与所述第二制氮塔均落地布置；
所述第一制氮塔顶部连接有第一冷凝蒸发器，所述第二制氮塔顶部连接有第二冷凝蒸发器、底部连接有第三冷凝蒸发器；
所述进气管路经过所述第一换热器后分为第一支路与第二支路；
所述第一支路与所述第一制氮塔下部的空气入口连接，所述第一制氮塔上部的氮气出口通过管道依次经过所述第一换热器、第二膨胀机并返回所述第一换热器后与所述第一产品管路连接；
所述第二支路与所述第三冷凝蒸发器的冷凝侧入口连接，所述第三冷凝蒸发器的冷凝侧出口通过管道经过所述第三换热器后分为第三支路与第四支路；
所述第三支路与所述第一冷凝蒸发器的蒸发侧连接，所述第一冷凝蒸发器顶部的富氧空气出口通过管道与所述第二制氮塔下部的富氧空气入口连接，所述第一冷凝蒸发器底部的富氧液空出口通过管道与所述第二冷凝蒸发器的蒸发侧连接；
所述第四支路与所述第二制氮塔下部的液空入口连接，所述第二制氮塔上部的氮气出口通过管道依次经过所述第二换热器、第三换热器、第一换热器后与所述第一产品管路连接；
所述第二冷凝蒸发器顶部的富氧空气出口通过管道依次经过所述第二换热器、第三换热器、第一换热器、第一膨胀机并返回所述第一换热器后与所述废气排放管路连接。
2.根据权利要求1所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于，所述第一制氮塔下部的富氧液空出口通过管道经过所述第三换热器后与所述第一冷凝蒸发器的蒸发侧连接。
3.根据权利要求1所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于，所述第三冷凝蒸发器底部的富氧液空出口通过管道经过所述第二换热器后与所述第二冷凝蒸发器的蒸发侧连接。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于：
所述第一制氮塔上部的氮气出口与所述第一冷凝蒸发器的冷凝侧入口通过第一回路连接；
所述第一冷凝蒸发器的冷凝侧出口与所述第一制氮塔上部的液氮入口通过第二回路连接。
5.根据权利要求4所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于，所述第二回路上设有第五支路，所述第五支路通过管道经过所述第二换热器后与所述第二制氮塔上部的过冷液氮入口连接。
6.根据权利要求5所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于：
所述第二制氮塔上部的氮气出口与所述第二冷凝蒸发器的冷凝侧入口通过第三回路连接；
所述第二冷凝蒸发器的冷凝侧出口与所述第二制氮塔上部的液氮入口通过第四回路连接。
7.根据权利要求6所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于，所述第二冷凝蒸发器的底部设有排放管路。
8.根据权利要求1所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于，所述第一制氮塔上部的氮气出口通过管道进入所述第一换热器后设有第六支路，所述第六支路出所述第一换热器后作为第二产品管路使用。
9.根据权利要求8所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于，所述第二产品管路与所述第一产品管路之间通过旁通管线连通，该旁通管线上安装有第二减压阀。
10.根据权利要求1或9所述的双塔落地式制氮装置，其特征在于，所述第一膨胀机的进出口之间通过旁通管线连通，该旁通管线上安装有第一减压阀。
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