天然气压力能利用系统

技术领域

本发明涉及压力能利用技术领域，具体涉及一种天然气压力能利用系统。

背景技术

在天然气采集过程中，由于传统采集工艺流程是直接将地底的气压经过减压节流，降低压力再进入长输管线，其间需要先将井口高压天然气压力降低。另外，在天然气的集输中，为了克服管道的沿程阻力，管道上游的天然气需要高压输送，但是大多用气设备需要在较低压力下运行，因此需要对管道输送的高压天然气进行降压至一定水平后供至用气设备。目前，常通过调压设备对高压天然气进行降压处理，然而，在调压过程中，往往会造成天然气压力能的浪费。

为了能利用天然气压力能，现目前采用天然气直接推动气力传动设备转动做功的方式发电。如：申请号：201820853922.0、一种利用天然气压力能的发电装置；申请号：201921854882.2、一种天然气压力能利用系统。而采用气力传动设备存在设备造价高，能量转换效率低的问题。

申请号为201310581072.5的发明申请公开了一种气压式水轮发电装置，该装置发电时将气体通入耐压储水装置中，利用气体将耐压储水装置中的水以一定压力通过水轮发电机，从而推动水轮发电机转动发电。该装置将气体的压力能转换成液压能后再发电，装置的能量转换效率高，成本低，但工作时气体会与耐压储水装置中的液体相互接触。将该装置用于天然气井口压力能利用时，由于气液会接触，将高压天然气通入耐压储水装置时，气体会冲击液体，液体会雾化起泡，雾化的液体会混入天然气中，不便天然气再次利用，液体中也会混入气泡，在流动过程中也会出现空穴现象。因此，上述装置不适用于天然气压力能的利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种设备造价低、能量转换效率高的适用于天然气压力能利用的天然气压力能利用系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：天然气压力能利用系统，包括第一压力能转换单元、第二压力能转换单元、液力传动装置和发电机；

所述第一压力能转换单元、第二压力能转换单元分别包括压力转换组件；所述压力转换组件包括进气管、排气管和至少一个能量转换装置；所述能量转换装置包括壳体和活动密封结构，所述活动密封结构可活动地设置在壳体内，并将壳体的内腔分隔成第一介质腔和第二介质腔，所述进气管上设有进气控制阀，所述排气管上设有排气控制阀，所述进气管以及排气管的一端均与第二介质腔连通；

所述第一压力能转换单元的第一介质腔通过管道与液力传动装置的一端连接，所述第二压力能转换单元的第一介质腔通过管道与液力传动装置的另一端连接，所述液力传动装置的输出轴与发电机传动连接。

进一步地，所述液力传动装置为液压马达。

进一步地，所述活动密封结构为囊式结构。

进一步地，所述第一压力能转换单元的第一介质腔与液力传动装置之间的管道上设有第一流量控制阀，所述第二压力能转换单元的第一介质腔与液力传动装置之间的管道上设有第二流量控制阀。

进一步地，还包括补液系统，所述补液系统包括补液泵、第一补液管路、第二补液管路和回油管路；所述第一补液管路、第二补液管路和回油管路的一端均与补液泵的出液口连接；

所述第一补液管路的另一端与第一压力能转换单元的第一介质腔连通，所述第一补液管路上设有向第一压力能转换单元的第一介质腔方向的单向阀；

所述第二补液管路的另一端与第二压力能转换单元的第一介质腔连通，所述第二补液管路上设有向第二压力能转换单元的第一介质腔方向的单向阀；

所述回油管路上设有溢流阀。

进一步地，所述补液系统还包括冷却装置，所述回油管路的另一端与冷却装置的入口连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明的天然气压力能利用系统采用能量转换装置将天然气的压力能转换成液体的动能，再利用液体动能推动发电机发电，能量转换效率高的同时，转换过程中气液不相接触，满足了天然气压力能利用的要求；

2、本系统采用能量转换装置将天然气压力能转换成液压介质压力能，能量转换装置的结构简单、成本低，可以达到很高的承压要求，该系统可直接用于井口天然气的压力能的利用，且系统结构简单、制造成本低、维护方便，发电效益高，能量转换装置的布置安装也方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的能量转换装置的结构示意图；

图4是发明液力传动装置不反转发电的示意图；

图中所示：第一压力能转换单元1，第二压力能转换单元2，液力传动装置3，电机4，第一流量控制阀5，补液系统6，高压管道7，低压管道8，第二流量控制阀9，能量转换装置11，进气管12，排气管13，进气控制阀14，排气控制阀15，补液泵61，第一补液管路62，第二补液管路63，回油管路64，单向阀65，溢流阀66，冷却装置67，壳体111，活动密封结构112，第一介质腔114，第二介质腔113。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图3所示，本发明的天然气压力能利用系统，包括第一压力能转换单元1、第二压力能转换单元2、液力传动装置3和发电机4。所述第一压力能转换单元1、第二压力能转换单元2分别包括压力转换组件。所述压力转换组件包括进气管12、排气管13和至少一个能量转换装置11。所述能量转换装置11包括壳体111和活动密封结构112，所述活动密封结构112可活动地设置在壳体111内，并将壳体111的内腔分隔成第一介质腔114和第二介质腔113，通过活动密封结构112可以调整第一介质腔114与第二介质腔113的大小；所述进气管12上设有进气控制阀14，以控制进气管12的通断。所述排气管113上设有排气控制阀15，以控制排气管113的通断。所述进气管12以及排气管13的一端均与能量转换装置11的第二介质腔113连接。所述第一压力能转换单元1的能量转换装置11的第一介质腔114通过管道与液力传动装置3的一端连接，所述第二压力能转换单元2的能量转换装置11的第一介质腔114通过管道与液力传动装置3的另一端连接，所述液力传动装置3的输出轴与发电机4传动连接。

液力传动装置3的作用是将液体的动能或压力能转成机械能，具体可以是液压马达、透平机、水轮机等。液压马达效率更高，为此，本发明中液力传动装置3优选液压马达。

为了方便自动控制，可以理解的是，本发明中进气控制阀14和排气控制阀15均优选采用电磁阀。

转换组件中，能量转换装置11具体数量可以为大于等于1的任意数目，本发明实施例中，转换组件包括三个能量转换装置11。为了方便控制，可以理解的是，当压力能转换单元内设有多个能量转换装置11时，同一压力转换单元内的能量转换装置11之间优选共用一根进气管和共用一个排气管。

该系统使用时，将第一压力能转换单元1和第二压力能转换单元2的进气管12连接在高压管道7上，将第一压力能转换单元1和第二压力能转换单元2的排气管12连接在低压管道8上。为了方便说明，将第一压力能转换单元1上的进气控制阀14定义为YM1，第一压力能转换单元1上的排气控制阀15定义为YM2，第二压力能转换单元2上的进气控制阀14定义为YM3，第二压力能转换单元1上的排气控制阀15定义为YM4。

如图1所示，系统利用天然气压力能时，步骤一、打开YM1和YM4，关闭YM2和YM3。此时，第一压力能转换单元1的进气管12以及第二压力能转换单元2的排气管13均处于接通状态，第一压力能转换单元1的排气管13以及第二压力能转换单元2的进气管12均处于关闭状态，井口天然气沿着第一压力能转换单元1的进气管12进入第一压力能转换单元1(能量转换装置11)的第二介质腔113内，对第一压力能转换单元1的第二介质腔113充气，在气压的作用下使第一压力能转换单元1的能量转换装置11内的活动密封结构112活动，使其第二介质腔113变大，第一介质腔114变小，从而将其第一介质腔114内的液体压出。液体压出后从液力传动装置3的一端进入液力传动装置3，推动液力传动装置3转动，液力传动装置3再通过输出轴驱动发电机4转动，发电。液体从液力传动装置3流出后进入第二压力能转换单元2的能量转换装置11的第一介质腔114内，并将其第二介质腔113内的气体压出，第二压力能转换单元2从排气管13排出低压气体。当第一压力能转换单元1的能量转换装置11的第二介质腔113充入一定量气体后，进行步骤二、关闭YM1和YM4，打开YM2和YM3。此时，井口天然气沿着第二压力能转换单元2的进气管12进入第二压力能转换单元2的能量转换装置11的第二介质腔113中，对第二压力能转换单元2的第二介质腔113充气，在气压的作用下使第二压力能转换单元2的能量转换装置11内的活动密封结构112活动，使其第二介质腔113变大，第一介质腔114变小，从而将其第一介质腔114内的液体压出。液体压出后从液力传动装置3的另一端进入液力传动装置3，推动液力传动装置3反转，液力传动装置3再驱动发电机4转动，发电。液体从液力传动装置3流出后进入第一压力能转换单元1的能量转换装置11的第一介质腔114内，并将该能量转换装置的第二介质腔113内的气体压出，第一压力能转换单元1从排气管13排出低压气体。当第二压力能转换单元2的第二介质腔113内充入一定量气体后，重复步骤1，当第一压力能转换单元1的第二介质腔113内充入一定量气体后，重复步骤2，如此不断循环步骤1和步骤2，可不断将天然气的压力能转换成电能，从而实现对天然气压力能的利用。

为了保证低压管道8的流量稳定，在高压管道7与低压管道8之间通常并列设置多个上述系统。

该系统采用能量转换装置11将天然气的压力能转换成液体的动能，再利用液体动能推动发电机发电，能量转换效率高的同时，转换过程中气液不相接触，满足了天然气压力能利用的要求。在采气井口，天然气的压力通常高达几十兆帕，常规气力传动设备难以满足如此高的承压要求，本系统的能量转换装置采用壳体111和活动密封结构112将气力转换成液力，能量转换装置的结构简单、成本低，可以达到很高的承压要求，因此，该系统也可直接用于井口天然气的压力能的利用，且系统制造成本低、维护方便。另外系统相比采用气缸推动液缸联动的气液能量转换方式，该系统的结构可以更为紧凑，能量转换装置的布置安装也更为方便。

需要说明的是，本发明中：第一压力能转换单元1的能量转换装置11的第一介质腔114与液力传动装置3的一端连接，所述第二压力能转换单元2的能量转换装置11的第一介质腔114与液力传动装置3的另一端连接，主要是实现对两压力能转换单元1中的能量转换装置11内的液体的循环利用，并不仅限于推动液力传动装置3正转、反转、正传的方式发电。如图4所示，也可以在第一压力能转换单元1的能量转换装置11的第一介质腔114与第二压力能转换单元2的能量转换装置11的第一介质腔114之间设置换向结构，实现连续推动液力传动装置3转动发电(液力传动装置3不反转)。图中，第一压力能转换单元1排液时，电磁阀YM6和YM7打开，YM5和YM8关闭，当第二压力能转换单元2排液时，YM6和YM7关闭，YM5和YM8打开，即可实现力传动装置3连续转动(不反转)。

能量转换装置11内活动密封结构112具体可参见现有的蓄能器结构，活动密封结构112可以是活塞式结构或囊式结构。由于天然气中不可避免的含有固体颗粒，特别是井口天然气中天然气未经过处理，固体颗粒较多，若能量转换装置11采用活塞式结构，固体颗粒进入能量转换装置11后，固体颗粒容易导致能量转换装置11内活塞密封失效或活塞卡死，因此为了避免上述情况，活动密封结构112优选为囊式结构。

能量转换装置11可采用各种方式设置，如：水平、直立、倒立、倾斜设置等。特别是用于井口天然气压力能利用时，气体中的固体颗粒较多，若能量转换装置11的皮囊内的固体颗粒不能及时排出，不仅会影响皮囊的收缩，还可能导致皮囊损坏。为了方便皮囊内固体颗粒及时排出，优选的，能量转换装置11倒装设置，即：能量转换装置11的第二介质腔113向下，能量转换装置11的第一介质腔114向上安装。

本系统中，第一压力能转换单元1的能量转换装置11的第一介质腔114与液力传动装置3之间的管道上设有第一流量控制阀5，第二压力能转换单元2的能量转换装置11的第一介质腔114与液力传动装置3之间的管道上设有第二流量控制阀9。这样通过第一流量控制阀5、第二流量控制阀9可分别控制第一压力能转换单元1与第二压力能转换单元2的能量转换装置11向液力传动装置3压出液体的流量，从而可以控制液力传动装置3的转速，使系统发电电压更稳定。

第一流量控制阀5和第二流量控制阀9均可选用单向或双向流量调节阀，本发明实施例中第一流量控制阀5，第二流量控制阀9均采用向液力传动装置3方向的单向流量调节阀。

本系统还包括补液系统6，所述补液系统6包括补液泵61、第一补液管路62、第二补液管路63和回油管路64。所述第一补液管路62、第二补液管路63和回油管路64的一端均与补液泵61的出液口连接。所述第一补液管路62的另一端与第一压力能转换单元1的能量转换装置11的第一介质腔114连通，所述第一补液管路62上设有向第一压力能转换单元1的能量转换装置11的第一介质腔114方向的单向阀65。所述第二补液管路63的另一端与第二压力能转换单元2的能量转换装置11的第一介质腔114连通，所述第二补液管路63上设有向第二压力能转换单元2的能量转换装置11的第一介质腔114方向的单向阀65。所述回油管路64上设有溢流阀66。当第一压力能转换单元1的能量转换装置11内的液体不足以完全补充第二压力能转换单元2的能量转换装置11时，补液泵61可通过第二补液管路63向第二压力能转换单元2的能量转换装置11补充液体；当第二压力能转换单元2的能量转换装置11内的液体不足以完全补充第一压力能转换单元1的能量转换装置11时，补液泵61又可通过第一补液管路62向第一压力能转换单元1的能量转换装置11补充液体，这样也有助于系统平稳发电。溢流阀66起完全阀的作用，是控制系统的补油压力。

本系统的补液系统还设有冷却装置67，以对补液系统油路中的液体进行冷却。回油管路64的另一端与冷却装置67的入口连接。