一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工业节能发电领域，具体涉及一种固定天然气发电机组余压增压系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]作为天然气发电机组的燃料，天然气的进气压力要远远低于其管道输送压力，通常的做法是用调压器进行减压后再进行使用。在节流降压过程中，其压降完全消耗在克服流动阻力上，天然气在流动过程中没有推动任何机械做功，压力能未得到回收。而目前对于天然气压力能的成熟应用领域，基本定位于应用透平膨胀机制取LNG或直接制取冷量上。相比冷量的利用，对天然气压力能发电等机械功利用的热力学研究和机电一体化研究还比较少，缺乏较为系统的解决方案。同时，在小功率情况下，透平机械的单位发电功率造价较高，而效率反而降低，其转速也过快，需要使用高速齿轮减速机，或者是使用特制的高速发电机和大功率变频器件，而这些都是高技术和高成本的产品。另外，透平式机械由于存在水蚀的问题，也不适合低品位的蒸汽或湿蒸汽。
[0003]新型自由活塞膨胀/压缩机-直线电机集成单元是利用天然气余压驱动装置中直线电机发电的一种能量回收转换装置。该装置回收原先由调压阀组白白泄放的能量，同时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。同时作为容积型做功机械，自由活塞膨胀/压缩机通过改变体积来获得膨胀比/压缩比和焓降，具有低流量、高膨胀/压缩比和低转速的特点，适合于小流量大膨胀/压缩比的场合，相较于目前采用透平式机械作为做功单元的余压发电系统，这种余压发电系统工作可靠，系统能量利用率及机电一体化程度高，做功后的天然气压力波动调节灵活。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服上述传统余压发电方案的不足，提出一种新型自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的集成单元作为能量转化装置，并基于该装置设计了一套能够根据固定天然气发电机组运行工况自动切换的天然气余压增压系统。该系统可将天然气发电机组输气管道中的余压能转化为电能进行存储，并且同时驱动一台自由活塞膨胀/压缩机将空气压缩后分别提供给天然气发电机组进气系统和自由活塞膨胀/压缩机调压系统，其不仅可作为天然气发电机组的附属增压系统，同时可为余压增压系统中的调压气缸提供高压空气，实现膨胀/压缩比灵活可调的同时，也大大提高了能源利用效率。
[0005]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案:
[0006]—种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统，该系统主要包括余压回收系统、电路转换系统、增压系统和控制系统四部分;上述的余压回收系统包括过滤分离器
(2)、蒸汽加热器(3)、调压单元(4)、自由活塞膨胀/压缩机A(22)、自由活塞膨胀/压缩机B
(24)、直线电机A(23)以及相应的连接管路；上述电路转换系统包括滤波器1(27)、变流器
(28)、滤波器11(29)、电量感应器(30)、电能存储器(33)以及相应的连接线路;上述增压系统包括直线电机B(35)、自由活塞膨胀/压缩机(41)、中冷器(34)、减压阀（15)以及相应的连接管路；上述控制系统包括电动阀（5、9、11、12、14、20、21、25、31、47、37、38、42、43)、入口ESD阀（1)、旁路开关电磁阀(6)、开关继电器(32)、控制模块(10)、中冷器出口天然气温度传感器（17)、中冷器出口天然气压力传感器（16)、中冷器出口天然气流量传感器（18)、第一位移传感器（13)、第二位移传感器(36)、缸内压力传感器（19、26、40)、中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)以及相应的连接线路。
[0007]上述固定天然气发电机组余压增压系统内各部件的连接关系是：
[0008]余压回收系统的连接关系是：天然气发电机组主输气管道上依次布置有入口 ESD阀（1)、过滤分离器(2)、蒸汽加热器(3)，蒸汽加热器(3)与调压单元(4)之间的输气管路通过三通接头连接，该三通接头的另一端与电动阀一（5)相连，调压单元(4)的另一端与天然气发电机组进气系统相连。自由活塞膨胀/压缩机A(22)、自由活塞膨胀/压缩机B(24)的连杆分别与直线电机A(23)动子通过转接头相连。
[0009]电路转换系统的连接关系是:滤波器1(27) —端与直线电机A(23)相连，另一端与变流器(28)相连;变流器(28)与滤波器II(29)、电量感应器(30)、电能存储器(33)、开关继电器(32)通过连接线路依次相连。
[0010]增压系统的连接关系是：自由活塞膨胀/压缩机C(41)的活塞连杆组与直线电机B(35)动子通过转接头相连；自由活塞膨胀/压缩机C(41)工质出口与中冷器(34)通过管路相连；中冷器(34)与天然气发电机组之间的空气管路通过三通接头相连，该三通接头的另一端与减压阀（15)相连;减压阀（15)布置在该三通接头与调压气缸进气总管之间的管路上；调压气缸C(39)与自由活塞膨胀/压缩机C(41)相连，三缸内压力传感器(40)设置在调压气缸 C( 39)—侧；
[〇〇11]控制系统的连接关系是：第一位移传感器（13)—端与直线电机动子相连，另一端与控制模块(10)相连；电动阀一(5) —端设置在膨胀/压缩机主进气通路上三通接头与天然气主输气管道上三通接头之间，另一端与控制模块（10)相连；电动阀四（12)、电动阀五（14)一端均设置在主进气通路与膨胀/压缩机入口之间，另一端分别与控制模块(10)相连;电动阀三（11 )、电动阀八(25) —端分别设置在中冷器(34)出口与调压气缸入口之间的管路上，另一端与控制模块(10)相连;电动阀七(21)、电动阀九(31)—端分别设置在膨胀/压缩机出口与主排气通路之间，另一端分别与控制模块(10)相连;电动阀六(20)、电动阀十四（47)分别设置在调压气缸的排气通路上，另一端与控制模块（10)相连；电动阀十二(42)设置在膨胀/压缩机C进气通路上，另一端与控制模块（10)相连；电动阀十(37)—端布置在中冷器入口与膨胀/压缩机排气口之间的管路上，另一端与控制模块（10)相连；电动阀i^一(38)、电动阀十三(43)分别布置在调压气缸入口和出口管路上，其另一端分别与控制模块（10)相连；中冷器出口天然气压力传感器（16)、中冷器出口天然气温度传感器（17)、中冷器出口天然气流量传感器（18)—端分别与中冷器出口管路相连，另一端分别与控制模块（10)相连；开关继电器(32)—端与电能存贮器(33)相连，另一端与直线电机B(35)相连；电动阀二(9)设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的天然气通路上；
[0012]旁路开关电磁阀（6)—端设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的三通接头管路上，另一端设置蒸汽加热器（3)、调压单元(4)之间的三通接头与电动阀一（5)之间管路上，旁路开关电磁阀(6)与控制模块(10)连接。
[0013]中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)设置在中冷器
(34)与天然气发电机组之间的空气通路上，中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)分别与控制模块(10)相连；
[0014]该系统经由一种自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的能量转化装置实现多机并联发电，其原动机(自由活塞膨胀/压缩机)主要由膨胀/压缩机和调压气缸两部分组成，该装置包括活塞杆(48)、气缸盖(49)、导向套1(50)、气缸筒(51)、活塞环(52)、气缸头(53)、导向套11(54)、调压缸前端盖(55)、活塞(56)、紧固螺母(57)、调压缸筒(58)、调压缸后端盖(59)及各类紧固螺栓。调压缸筒(58)通过两端的安装槽分别与气缸盖(49)和气缸头(53)连接;气缸盖(49)和气缸头(5 3)通过紧固螺栓连接;导向套I (50)和导向套II (54)分别安装在气缸盖(49)和气缸头(53)中；膨胀/压缩机活塞(56)通过紧固螺母(57)与活塞杆(48)连接；活塞杆(48)左端与直线电机相连;活塞杆(48)右端穿过安装在调压气缸前端盖(55)上的导向套1(50)，末端通过紧固螺母(57)与调压活塞(56)连接；调压缸筒(58)与调压缸前端盖(55)和调压缸后端盖(59)分别通过紧固螺栓连接。气缸盖(49)上留有4个相同尺寸的透气孔，避免在工作过程中膨胀/压缩机活塞(56)、气缸盖(49)、气缸筒(51)之间形成的密闭腔中压力过高，影响装置正常工作。当调压气缸进气阀打开时，调压气缸充入高压空气，由于阻力的作用自由活塞膨胀/压缩机的实际上下止点位置偏离其理论位置，调压缸后端盖(59)上预留有压力传感器接口便于检测缸内压力变化情况，通过将信号及时反馈给控制模块(10)，从而调整调压气缸进排气阀门的开度，为自由活塞膨胀/压缩机设置合适的膨胀/压缩比以满足天然气发电机组进气工况要求。
[0015]系统工作时，入口E S D阀(1)打开，控制模块(10)将电动阀一 (5)、电动阀四(12)、电动阀九(31)、电动阀二(9)接通形成天然气通路，电动阀六(20)、电动阀十四(47)开启，此时调压气缸内部为大气压，其余阀门均呈关闭状态。高压天然气经进气总管及歧管进入自由活塞膨胀/压缩机A(22)，此时自由活塞膨胀/压缩机A(22)处于膨胀机工作模式，天然气压力能转化为活塞-电机动子组的机械能，推动其向右(膨胀/压缩机A下止点)运动。第一位移传感器(13)检测活塞-电机动子组位置，适时将电信号反馈到控制模块(10)。当膨胀/压缩机A(22