一种用于天然气管网压力能回收的压差发电装置和系统

技术领域

本发明属于天然气发电领域，尤其涉及一种用于天然气管网压力能回收的压差发电装置和系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展，天然气的需求与日俱增，为了提高天然气管道输送的效率，天然气管网的天然气在管道输送过程中，始终维持着较高的压力，其压力一般在10MPa左右，远远高于城市用户压力0.4MPa。传统的调压阀装置无法实现能量回收，造成了大量的浪费。利用膨胀机配合发电系统将压力能转化成电能，回收利用该部分压力能既可以产生显著的经济效益，亦可以消除天然气调压过程中的噪音和设备损伤隐患，具有重要的现实意义。

目前，在天然气管网压力能回收工艺中的膨胀机主要是星旋式马达、螺杆膨胀机。星旋式气动马达一般采用全滚动轴承转子结构，但一般一年以上就需要对磨损件进行更换。而螺杆膨胀机需要油润滑而且效率偏低。如CN105332743A公开了一种天然气压差发电系统，包括过滤分离器、蒸汽加热器、调压单元及去燃机，所述差压发电系统上还并联设置有一透平膨胀机，所述过滤分离器的进气端通过ESD阀门与天然气连接，所述过滤分离器的出口端与蒸汽加热器的进口端连接，所述蒸汽加热器的第一出口端与调压单元进口端连接，所述蒸汽加热器的第二出口端与透平膨胀机的进口端连接，所述透平膨胀机的第一出口端与去燃机进口端连接，所述透平膨胀机的第二出口端与电机连接。虽然该系统可回收原先由调压阀组白白泄放的能量，还能有效地解决原调压阀组减压时产生的噪音污染和管道振动，改善了工作环境，但是其采用的透平膨胀机存在磨损件更换频繁和效率低的问题。

因此，如何提供一种回收天然气压力能并且装置磨损程度低的技术方案是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于天然气管网压力能回收的压差发电装置和系统，可以将天然气的压力能转化为电能，并且降低转轴和轴承的磨损程度。

第一方面，本发明提供一种用于天然气管网压力能回收的压差发电装置，包括：

机壳；

密封所述机壳两端的压板；

转动组件，所述转动组件包括嵌设于所述机壳内的轴承和穿过所述轴承的转轴，所述转轴两端分别穿过所述压板，并固定有与其同轴的涡轮；

位于所述机壳内的发电机组件，所述发电机组件包括设于所述转轴上的电机磁性转子和嵌设于所述机壳内的电机定子，所述电机定子与所述电机磁性转子位置匹配；

天然气入口，所述天然气入口与所述轴承和转轴之间的区域连通，所述天然气入口还用于朝向所述涡轮输送天然气，以驱动所述涡轮转动；

天然气出口，所述天然气出口与所述轴承和转轴之间的区域连通，所述天然气出口还用于排出驱动所述涡轮转动后的天然气。

其中，所述天然气入口包括轴承气进气口和涡轮进气口，所述轴承气进气口与所述轴承和转轴之间的区域连通，所述涡轮进气口用于朝向所述涡轮输送天然气；

所述天然气出口包括轴承气排气口和涡轮排气口，所述轴承气排气口与所述轴承和转轴之间的区域连通，所述涡轮排气口用于排出驱动所述涡轮转动后的天然气。

其中，所述压差发电装置包括与所述涡轮数量相同的涡轮蜗壳，所述涡轮蜗壳包括容纳所述涡轮的第一容纳腔和与所述第一容纳腔连通的出口管，所述第一容纳腔与所述天然气入口连通，所述出口管与所述天然气出口连通。

其中，所述涡轮蜗壳为筒状，并且其筒状一端向内弯折形成环形的第二容纳腔，第二容纳腔与所述第一容纳腔连通，所述筒状向内弯折的一端与所述压板间设有连通所述第一容纳腔和第二容纳腔的多个喷嘴；

所述第二容纳腔与所述天然气入口连通，并用于容纳天然气；

所述喷嘴沿所述第二容纳腔的周向布置，并且所述喷嘴朝向所述涡轮，以使得喷出的天然气推动所述涡轮转动。

其中，所述涡轮蜗壳向内弯折的一侧设有密封板，所述出口管固定于所述密封板上，并且所述出口管与所述涡轮的轴线重合；

所述涡轮包括多个沿其周向布置的叶片，相邻所述叶片间设有弧形流道，所述弧形流道一端入口沿所述涡轮径向设置，另一端出口沿所述涡轮轴向设置，用于将所述喷嘴喷出的沿所述涡轮径向的天然气变为沿所述涡轮轴向的天然气。

其中，所述转轴一端设有与其同轴设置的推力盘，所述推力盘位于所述轴承内，并且所述推力盘的直径大于所述转轴的直径；

所述轴承包括沿所述转轴轴向依次设置的混合轴承、推力轴承和径向轴承，所述混合轴承和推力轴承位于所述转轴的一端，并分别位于所述推力盘两侧，所述径向轴承位于所述转轴的另一端，所述推力轴承和径向轴承间设有所述电机定子。

其中，所述机壳上设有分别与混合轴承、推力轴承和径向轴承连通的混合轴承进气管、推力轴承进气管和径向轴承进气管，所述混合轴承进气管、推力轴承进气管和径向轴承进气管均与所述天然气入口连通；

所述混合轴承、推力轴承和径向轴承内分别设有与所述混合轴承进气管、推力轴承进气管和径向轴承进气管连通的混合通道、推力通道和径向通道，所述混合通道具有两个出气口，其中一个出气口朝向所述推力盘的一侧，另一个出气口朝向所述转轴，所述推力通道的出气口朝向所述推力盘的另一侧，所述径向通道的出气口朝向所述转轴；

所述机壳上设有与其内部连通的轴承气排气管，所述轴承气排气管与所述天然气出口连通。

其中，所述混合轴承、推力轴承和径向轴承的外侧均设有环形的容纳槽，所述容纳槽底部与所述混合轴承进气管、推力轴承进气管和径向轴承进气管连通，所述容纳槽的开口抵持于所述机壳内部，以使得所述容纳槽与所述机壳形成容纳天然气的密闭区间，所述容纳槽的开口至其底部为减缩结构。

其中，所述转轴内部为镂空结构，并且所述转轴中部固定有所述电机磁性转子和包裹于所述电机磁性转子外的电机转子保护套。

第二方面，本发明还提供一种用于天然气管网压力能回收的压差发电系统，包括：

上述的压差发电装置；

天然气热电装置，所述天然气热电装置与所述天然气出口连通；

电能输出端，所述电能输出端与所述发电机组件连接。

其中，所述压差发电系统包括天然气管、排烟管和预热器；

所述天然气管通过涡轮气路朝向所述涡轮输送天然气，所述天然气管还通过轴承气路与所述轴承和转轴之间的区域连通；

所述排烟管通过烟气路与所述天然气热电装置连通；

所述涡轮气路和烟气路均穿过所述预热器。

与现有技术相比，本发明通过天然气带动涡轮转动，以使得电机磁性转子相对电机定子转动，从而将天然气的压力能转化为电能。本发明通过将天然气入口与轴承和转轴之间的区域连通，可以使得转轴在工作时为气浮状态，不会与轴承接触，从而不存在磨损的情况，也不需要存在油润滑时的油污染风险；并且气浮状态下的转轴的转速可以很高，高速下的电能转化效率更高。另外，由于转轴处于气浮时所用的气体为与带动涡轮转动的同一工质的高压天然气，无需单独准备气源用于转轴的气浮，从而不会出现互相污染的情况。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出根据本发明实施例的一种用于天然气管网压力能回收的压差发电装置的结构示意图；

图2是示出根据本发明某一实施例的转子部分的结构示意图；

图3是示出根据本发明某一实施例的定子部分的结构示意图；

图4是示出根据本发明实施例的一种用于天然气管网压力能回收的压差发电系统的示意图。

附图标记说明：1-转子部分，11-涡轮，111-第一涡轮，112-第二涡轮，12-转轴，121-主轴第一部分，122-主轴第二部分，13-电机磁性转子，14-电机转子保护套，15-推力盘，2-定子部分，211-第一涡轮进口管，212-第一涡轮出口管，213-第二涡轮进口管，214-第二涡轮出口管，22-涡轮蜗壳，221-第一涡轮蜗壳，222-第二涡轮蜗壳，223-喷嘴，224-第一喷嘴，225-第二喷嘴，226-第一容纳腔，227-第二容纳腔，23-压板，231-第一压板，232-第二压板，24-机壳，251-混合轴承进气管，252-推力轴承进气管，253-径向轴承进气管，26-轴承，261-混合轴承，262-推力轴承，263-径向轴承，264-轴承气排气管，27-电机定子，31-轴承气进气口，32-涡轮进气口，321-第一涡轮进气口，322-第二涡轮进气口，41-轴承气排气口，42-涡轮排气口，421-第一涡轮排气口，422-第二涡轮排气口，5-天然气管，61-旁通节流阀，62-涡轮气调节阀，63-轴承气调节阀，64-预热器，7-逆变器，8-压差发电装置，9-天然气热电装置，91-排烟管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

参见图1所示，本实施例提供提供了一种用于天然气管网压力能回收的压差发电装置，该压差发电装置进行发电时，通过涡轮11的转动带动电机磁性转子13进行发电，其中涡轮11的数量可以根据实际情况进行选择。本实施例以设置在转轴12两端的两个涡轮11为例，压差发电装置具体可以包括：转子部分1、定子部分2、天然气入口和天然气出口，其中，天然气入口包括轴承气进气口31和涡轮进气口32，天然气出口包括轴承气排气口41和涡轮排气口42，优选的，涡轮进气口32包括第一涡轮进气口321和第二涡轮进气口322，涡轮排气口42包括第一涡轮排气口421和第二涡轮排气口422。

参见图2所示，本实施例中的转子部分1具体可以包括：涡轮11、转轴12、电机磁性转子13、电机转子保护套14、推力盘15，涡轮11包括第一涡轮111和第二涡轮112，转轴12包括主轴第一部分121和主轴第二部分122。该转子部分1的各个部件都是同轴布置。

在实际应用场景中，本实施例的电机磁性转子13设置在主轴第一部分121和主轴第二部分122中间，并由电机转子保护套14完全包裹，避免在高速旋转时电机磁性转子13因离心力破裂。优选的，主轴第一部分121和主轴第二部分122可采用空心结构设计，以减小轴系的重量，提高轴系的转子动力学特性。本实施例在主轴第二部分122上设置有推力盘15。第一涡轮111和第二涡轮112分别设置在转子部分1(转轴12)两侧。优选的，第一涡轮111和第二涡轮112为完全相同的镜面对称设计(涡轮11的流道设计相同，但旋转方向相反)，此时涡轮11上产生的轴线推力大小相等、方向相反，可以大大减小推力盘15的负载。

本实施例中的轴承气和涡轮进气都采用带压的天然气，从而在转子部分1进行转动的时候不会出现互相污染的情况。

参见图3所示，本实施例中的定子部分2具体可以包括：出口管、涡轮蜗壳22、第一涡轮进口管211、喷嘴223、压板23、径向轴承进气管253、机壳24、推力轴承进气管252、混合轴承进气管251、第二涡轮进口管213、轴承26、轴承气排气管264、电机定子27，其中，涡轮蜗壳22包括第一涡轮蜗壳221和第二涡轮蜗壳222，进口管包括第一涡轮出口管212和第二涡轮出口管214，压板23包括第一压板231和第二压板232，喷嘴223包括第一喷嘴224和第二喷嘴225，轴承26包括混合轴承261、推力轴承262和径向轴承263。轴承气排气管264穿过机壳24与轴承26和转轴12之间的区域连通。转子部分1的电机磁性转子13与定子部分2的电机定子27形成发电机组件，优选的，电机定子27与电机磁性转子13的对称面重合。

在实际应用场景中，本实施例的第一涡轮蜗壳221、第一压板231、机壳24、第二压板232、第二涡轮蜗壳222、混合轴承261、推力轴承262、电机定子27、径向轴承263同轴设置。优选的，产生径向承载力的混合轴承261、径向轴承263分别设置在转轴12的两端，以获得较优的转子动力学特性。产生轴向承载力的推力轴承262和混合轴承261分布在推力盘15两侧，且推力轴承262和混合轴承261的轴向出气口朝向推力盘15出气，径向轴承263的出气口朝向转轴12。

自然的，轴承气进气口31与径向轴承进气管253、推力轴承进气管252、混合轴承进气管251相连通，轴承气排气口41与轴承气排气管264相连通，第一涡轮进气口321与第一涡轮进口管211相连通，第二涡轮进气口322与第二涡轮进口管213相连通，第一涡轮排气口421与第一涡轮111排口管相连通，第二涡轮排气口422与第二涡轮112排口管相连通。

工作时，高压的轴承气(天然气)从径向轴承进气管253、推力轴承进气管252、混合轴承进气管251进入该压差发电装置，通过径向轴承263、推力轴承262、混合轴承261的出气口在主轴第一部分121表面、推力盘15对应一侧、主轴第二部分122及推力盘15另一侧的表面形成气膜，同时形成承载力。经过减压的所有轴承26气最终通过轴承气排气管264排出该压差发电装置。在轴承系统(由轴承26和转轴12形成的结构)正常工作后，高压的工作气(与轴承气相同)通过第一涡轮进口管211进入第一涡轮蜗壳221再经过第一喷嘴224，将压力能转化为速度能，之后进入第一涡轮111，推动转子部分1进行旋转，将速度能转化为转子部分1旋转的机械能；旋转的转子部分1会带动其中的电机磁性转子13旋转，并在电机定子27产生感应的电流，将转子旋转的机械能转化为电能。另一路的工作气进入第二涡轮进口管213后类似。需要注意的是，工作气推动第一涡轮111和第二涡轮112旋转的方向一致，共同带动转子部分1向同一方向旋转。其中，第一涡轮蜗壳221和第二涡轮蜗壳222均包括容纳涡轮11的第一容纳腔226和向内弯折形成环形的第二容纳腔227，第一容纳腔226与第一涡轮111排口管或第二涡轮112排口管连通，第二容纳腔227与第一涡轮进口管211或第二涡轮进口管213连通，第二容纳腔227通过第一喷嘴224或第二喷嘴225与第一容纳腔226连通。

本发明实施例虽然采用了动压气体轴承的技术，但是不需要额外给轴承提供气源就可以工作。通过增加一个气囊，使得转动组件处于启停阶段时，可以给轴承提供一些气体，避免摩擦损耗。

本发明提供的技术方案实质是一种基于静压气体轴承的压力能回收装置。其目的是利用高压气体的压力能和热能，驱动涡轮11和转轴12旋转，进而带动转轴12上设置的发电机组件发出电能，即将压力能转换为电能。本发明的特点是始终给轴承26提供一定的气体，用于给转轴12提供气浮的支撑，本发明相较于传统的动压气体轴承来说，更加可靠，无磨损，承载力更大。

参见图4所示，本发明实施例还提供一种用于天然气管网压力能回收的压差发电系统，该压差发电系统主要用于天然气发电站，具体可以包括：天然气管5、旁通节流阀61、涡轮气调节阀62、轴承气调节阀63、预热器64、逆变器7、压差发电装置8、天然气热电装置9、排烟管91。其中，天然气管5用于输送高压天然气。

在实际应用场景中，本实施例的压差发电系统可以包括四个气路：轴承气路、旁通气路、涡轮气路、烟气路。具体的，轴承气路由依次连通的天然气管5、轴承气调节阀63、压差发电装置8的轴承气进气口31、压差发电装置8的轴承气排气口41和天然气热电装置9组成，旁通气路由依次连通的天然气管5、旁通节流阀61和天然气热电装置9组成，涡轮气路由依次连通的天然气管5、涡轮气调节阀62、预热器64、压差发电装置8的涡轮进气口32、压差发电装置8的涡轮排气口42和天然气热电装置9组成，烟气路由依次连通的天然气热电装置9、预热器64和排烟管91组成。

本实施例的压差发电系统在工作时，可以分为以下几个步骤：

通过轴承气路向轴承26和转轴12之间的区域通入天然气。打开轴承气调节阀63，将天然气管5中的高压天然气引入轴承气路中，并进入压差发电装置8的轴承系统中，将转子部分1悬浮起来。

通过涡轮气路朝向涡轮11输送天然气。打开涡轮气调节阀62，将天然气管5中的高压天然气引入涡轮气路中，经过预热器64进行预热，然后进入压差发电装置8并作用于涡轮11将压力能转化为电能，由于经过了预热，从压差发电装置8出来的天然气温度不低，可以直接进入天然气热电装置9。

将轴承气路和涡轮气路中经过压差发电装置8的天然气通入天然气热电装置9中进行发电。

本实施例还可以通过旁通气路将天然气直接引入天然气热电装置9中。即本实施例通过调整旁通节流阀61的开度，将天然气管5中的高压天然气引入旁通气路中，以达到保持压差发电装置8稳定运行的目的。

本实施例的天然气经轴承气路、旁通气路、涡轮气路进入天然气热电装置9进行常规燃烧发电后生成热烟气，生成的热烟气进入预热器64对涡轮气路中的高压天然气进行预热，以避免经过压差发电后的涡轮气路中的天然气温度过低；同时烟气路中的烟气经过预热器64后，温度降低，烟气中的水分大量析出，同时将烟气的有害物质连同水分一同析出，避免污染物从排烟管91排向大气，可以实现“烟气消白”的目的。

本实施例的压差发电装置8在工作过程中发出的电能频率与转子部分1的转速相关，如果需要同天然气热电装置9共同上网，还需要利用逆变器7将压差发电装置8发出的电变频为50Hz；另外，本实施例的压差发电装置8还可以直接与电能储存装置进行连接。

以上介绍了本发明的较佳实施方式，旨在使得本发明的精神更加清楚和便于理解，并不是为了限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进，均应包含在本发明所附的权利要求概括的保护范围之内。