天然气压力能回收利用的膨胀发电及冷能利用系统的制作方法

本发明涉及余压发电及冷能利用技术领域，尤其涉及一种天然气压力能回收利用的膨胀发电及冷能利用系统。

背景技术：

国家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。国家天然气管网的天然气输送至各大城市管网及工业用户，其主要通过各大城市管网的调压站实现降压，一般从10MPa降低至4.0MPa左右，降压后的天然气再通过各大城市管网的城市门站调压至0.4MPa后，输送到终端用户。在天然气调压站的降压过程中，具有巨大的压力能及冷能可以利用，与此同时，降压之后的管道天然气的温度低于-20℃，必须要对天然气进行补热，以保证通过城市门站的调压后的天然温度高于5℃。目前的调压站是通过调压阀门降低天然气的压力，同时，通过燃烧天然气给管道中的天气进行加热，其浪费了大量的压力能、冷能及热能，如果能通过一种方式将该压力能和冷能回收利用，将具有非常大的社会效益及经济效益。

由于天然气的工作压力高，密封性要求严格，禁止泄漏，机体的强度要求高，现有的技术中很难找到一种适用的动力机械进行能量回收。而螺杆膨胀机是一种由高压气体驱动螺杆的阴阳转子旋转的动力机械，其核心部件为一对相互啮合的阴阳转子，其特殊的内部结构，决定了螺杆膨胀机适合于天然气压力能的回收进行发电，其是一种应用范围非常广泛的专门回收天然气压力能进行发电的高新技术。

采用螺杆膨胀机对压力能回收后，天然气的温度也会降低至-20℃以下，膨胀后的低温天然气具有巨大的冷能，如何将该冷能利用，同时，又可以将膨胀后的天然气温度升至5℃以上，是天然气压力能及冷能回收利用中的又一大难点。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的天然气调压站调压后的压力能和冷能无法利用，与此同时，又需要浪费大量的天然气进行燃烧补热的问题，提供了一种天然气压力能回收利用的膨胀发电及冷能利用系统。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种天然气压力能回收利用的膨胀发电及冷能利用系统，其特征在于：包括螺杆膨胀机、发电机、预热换热器、级间换热器、热泵机组、一级油气分离器、二级油气分离器、换热器和制冰机组；所述的发电机与螺杆膨胀机通过联轴器设置在一起，所述的预热换热器的气体进口接头通过管路与天然气管道连接，所述的预热换热器的气体出口接头与螺杆膨胀机的一级进气口连接；所述的螺杆膨胀机的一级排气口与级间换热器的气体入口接头连接，级间换热器的气体出口接头与螺杆膨胀机的二级进气口连接；级间换热器的载冷剂进出口接头与通过管道与热泵机组的载冷剂进出口接头连接；所述的螺杆膨胀机的二级排气口与一级油气分离器的进气口连接；一级油气分离器的排气口与二级油气分离器的进气口连接；二级油气分离器的排气口与换热器的进气口通过管道连接，换热器的载冷剂进出口接头与制冰机组的载冷剂进出口接头连接；

所述的螺杆膨胀机至少设置有一台。

所述的二级油气分离器的回油接口和一级油气分离器的二次回油接口通过油管连接，所述的一级油气分离器和二级油气分离器的出油口与油泵的进油口设置在一起。

所述的一级油气分离器的储油槽与油粗过滤器的进口连接，油粗过滤器的排油口与油加热器的进口连接。

所述的油泵的排油口与油精过滤器连接，油精过滤器的排油口与油压调节阀连接。

所述的油压调节阀排油口与螺杆膨胀机的供油口连接。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明具有压力能回收效率高、冷能利用效率高、利用空气源进行补热、整体利用效率高、经济效益好等优点，其可广泛应用于各级天然气的城市门站的调压系统中的压力能及冷能回收利用，具有非常大的社会效益及经济效益。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为螺杆膨胀剂的结构示意图；

附图标记说明，1- 螺杆膨胀机、2-发电机、3-预热换热器、4-级间换热器、5-热泵机组、6-一级油气分离器、7-二级油气分离器、8-换热器、9-制冰机组、10-油粗过滤器、11-油加热器、12-油泵、13-油精过滤器、14-油压调节阀、15-一级机体、16-一级吸气端座、17-二级机体、18-二级吸气端座、19-一级机体压盖、20-一级阳转子、21-一级阴转子、22-二级阳转子、23-二级阴转子、24-圆柱滚子轴承一、25-一级平衡活塞、26-一级油缸套、27-一级迷宫密封套、28-圆柱滚子轴承二、29-单列角接触轴承一、30-单列角接触轴承二、31-锁紧圆螺母一、32-联轴节组件、33-二级迷宫密封套、34-圆柱滚子轴承二、35-四点接触球轴承、36-锁紧圆螺母二、37-二级阴转子轴承压盖、38-二级吸气端压盖一、39-二级阳转子轴承压盖、40-O型密封圈、41-轴封安装套、42-轴封一、43-轴封轴套、44-机械密封组件、45-轴封二、46-二级吸气端压盖二、47-圆柱滚子轴承三、48-二级平衡活塞、49-二级油缸套，50-单列角接触轴承三。

具体实施方式

下面结合附图对本设计做详细描述：

参见图1：一种天然气压力能回收利用的膨胀发电及冷能利用系统，包括螺杆膨胀机1、发电机2、预热换热器3、级间换热器4、热泵机组5、一级油气分离器6、二级油气分离器7、换热器8和制冰机组9；所述的发电机2与螺杆膨胀机1通过联轴器设置在一起；

所述的预热换热器3的气体进口接头通过管路与天然气管道连接，所述的预热换热器3的气体出口接头通过管路与螺杆膨胀机1的一级进气口连接；对来自于天然气管道中的天然气进行预热加热，预热后的天然气进入螺杆膨胀机1；所述的螺杆膨胀机1的一级排气口通过管路与级间换热器4的气体入口接头连接，级间换热器4的气体出口接头通过管路与螺杆膨胀机1的二级进气口连接；级间换热器4的载冷剂进出口接头通过管路与热泵机组5的载冷剂进出口接头连接，级间换热器4内的载冷剂通过管道输送到热泵机组5内，热泵机组5将空气中的热量输送给级间换热器4内的天然气，已达到给天然进行补热升温的目的；所述的螺杆膨胀机1的二级排气口与一级油气分离器6的进气口连接；一级油气分离器6对天然气与油的混合物进行粗效分离过滤；一级油气分离器6的排气口与二级油气分离器7的进气口连接；二级油气分离器7对天然气与油的混合物进行精密分离过滤，使得天然气中的润滑油含量小于1mg/Nm3；二级油气分离器7的排气口与换热器8的进气口通过管道连接，换热器8的载冷剂进出口接头通过管路与制冰机组9的载冷剂进出口接头连接，换热器8内部的载冷剂通过管道输送到制冰机组9内，制冰机组9吸收换热器8内的冷量，进行制冰；

所述的二级油气分离器7的回油接口和一级油气分离器6的二次回油接口通过油管连接，所述的一级油气分离器6和二级油气分离器7的出油口与油泵12的进油口设置在一起。

一级油气分离器6的储油槽与油粗过滤器10的进口连接，油粗过滤器10的排油口与油加热器11的进口连接；

一级油气分离器6内部储油槽的润滑油进入油粗过滤器10的进口处，油粗过滤器10对润滑油中的大颗粒杂质进行粗过滤；所述的油粗过滤器10的排油口与油加热器11的进口设置在一起，油加热器11内部的载冷剂对润滑油进行升温；所述的油加热器11的排油口与油泵12的进油口设置在一起，油泵12对润滑油进行升压至设定压力；所述的油泵12的排油口与油精过滤器13连接，所述的油精过滤器13对润滑油中的微细颗粒杂质进行精密过滤；所述的油精过滤器13的排油口与油压调节阀14连接，油压调节阀14调节进入膨胀螺杆机1的润滑油压力，所述的油压调节阀14排油管路中的润滑油分别进入膨胀螺杆机1的供油口，对膨胀螺杆机1进行润滑及提供油压。

所述的螺杆膨胀机1至少设置有一台，一台实现两级或多级膨胀，多台实现两级或多级膨胀，多台时每台螺杆膨胀机串联在一起。

螺杆膨胀机包括一级机体15、一级吸气端座16、二级机体17和二级吸气端座18，所述的一级机体15和二级机体18均为空心壳体，一级机体15的一级吸气端16与二级机体17连接，一级机体15的另一端设置有一级机体压盖19，二级机体17的另一端设置有二级吸气端座18，所述的二级吸气端座18上设置有二级吸气端压盖一38和二级吸气端压盖二46；

一级机体15内设置有一级阳转子20和一级阴转子21，所述的一级阳转子20和一级阴转子21相对设置成圆柱状，一级阳转子20和一级阴转子21的两侧轴分别设置于一级机体15和一级吸气端座16内，一级阳转子20的排气侧转轴上依次设置有圆柱滚子轴承一24、一级平衡活塞25，所述的一级平衡活塞25的圆周上设置有一级油缸套26，一级阴转子21的排气侧转轴上设置有圆柱滚子轴承一24；所述的圆柱滚子轴承一24主要用于承受一级阳转子20和一级阴转子21的径向气体力；所述的一级平衡活塞25和一级油缸套26设置于圆柱滚子轴承一24的外侧，一级平衡活塞25设置在一级阳转子20的排气侧轴上，

所述的一级阳转子20和一级阴转子21的吸气侧转轴上分别依次设置有一级迷宫密封套27、圆柱滚子轴承二28、单列接触球轴承一29、单列接触球轴承二30和锁紧圆螺母一31，所述的一级阳转子20的吸气侧转轴上还设置有单列接触球轴承三50，所述的单列接触球轴承三50设置于单列接触球轴承二30的右侧，所述的一级迷宫密封套27与一级阳转子20和一级阴转子21的排气侧转轴实现节流密封；圆柱滚子轴承二28设置于一级迷宫密封套27的外侧，其主要用于承受一级阳转子20和一级阴转子21的径向气体力，圆柱滚子轴承二28的外侧设置有单列接触球轴承一29和单列接触球轴承二30，主要用于承受一级阳转子20和一级阴转子21的轴向气体力；锁紧圆螺母一31设置于单列接触球轴承二30的外侧，主要用于固定圆柱滚子轴承二28、单列接触球轴承一29和单列接触球轴承二30。

二级机体17内设置有二级阳转子22和二级阴转子23，所述的二级阳转子22和二级阴转子23相对设置成圆柱状；所述的二级阳转子22和二级阴转子23的两侧轴分别设置于二级机体17和二级吸气端座18内；

二级阳转子22和二级阴转子23的吸气侧转轴上分别设置有二级迷宫密封套33、圆柱滚子轴承二34、四点接触球轴承35和锁紧圆螺母二36，所述的二级迷宫密封套33与二级阳转子22和二级阴转子23的吸气侧转轴实现节流密封；圆柱滚子轴承二34设置于二级迷宫密封套33的外侧，其主要用于承受二级阳转子22和二级阴转子23的径向气体力，圆柱滚子轴承二34的外侧设置有四点接触球轴承35，主要用于承受二级阳转子22和二级阴转子23的轴向气体力；锁紧圆螺母二36设置于四点接触球轴承35的外侧，主要用于固定圆柱滚子轴承二34和四点接触球轴承35的内圈；所述的二级阴转子轴承压盖37设置于二级吸气端座18内，用于固定圆柱滚子轴承二34和四点接触球轴承35的外圈；所述的二级吸气端压盖一38设置于二级阴转子轴承压盖37的外侧，用于固定二级阴转子轴承压盖37；

所述的二级阳转子22的的吸气侧转轴上还设置有机械密封组件44，二级吸气端座18内还设置有二级阳转子轴承压盖39，二级阳转子轴承压盖39设置于四点接触球轴承35的右侧，用于固定圆柱滚子轴承二34和四点接触球轴承35的外圈，所述的二级阳转子轴承压盖39的外圆周上设置有凹槽，凹槽内设置有O型密封圈40，用于密封二级膨胀腔内泄漏的气体；二级阳转子轴承压盖39的内圆周上设置有轴封安装套41，轴封安装套41的内圆周上设置有轴封一42，轴封一42设置于轴封轴套43上，轴封轴套43设置于二级阳转子22的吸气侧转轴上，轴封一42与轴封轴套43接触，用于密封二级膨胀腔内泄漏的气体；轴封轴套43的外侧设置有机械密封组件44，用于密封二级膨胀腔内泄漏的气体；

所述的二级阳转子22的排气侧转轴上分别设置有圆柱滚子轴承三47、二级平衡活塞48、二级油缸套49，二级阴转子23的排气侧转轴上分别设置有圆柱滚子轴承三47，所述的圆柱滚子轴承三42主要用于承受二级阳转子22和二级阴转子23的径向气体力；所述的二级平衡活塞48和二级油缸套49设置于圆柱滚子轴承三47的外侧，二级平衡活塞48设置在二级阳转子22的排气侧轴上，二级油缸套49设置在二级机体17内部，所述的二级平衡活塞48布置在所述的二级油缸套49内，所述的二级平衡活塞48在具有设定压力的润滑油的作用下，对二级阳转子22施加设定的作用力，用于平衡二级阳转子22所受到的气体力作用，二级油缸套49设置在二级机体17内部，所述的一级阳转子20的吸气端转轴端部和二级阳转子22的排气端转轴端部通过联轴节组件32连接；所述的二级阳转子轴承压盖39的外侧设置有二级吸气端压盖二46，用于固定二级吸气端压盖二46；二级吸气端压盖二46的内圈内设置有轴封二45，用于密封二级膨胀腔内泄漏的气体；

所述的一级平衡活塞25布置在所述的一级油缸套26内，所述的一级平衡活塞25在具有设定压力的润滑油的作用下，对一级阳转子20施加设定的作用力，用于平衡一级阳转子20所受到的气体力作用。

所述的二级平衡活塞48布置在所述的二级油缸套49内。

所述的联轴节组件32设置在二级平衡活塞48的外侧和两个单列接触球轴承二30的外侧。

所述的一级油缸套26设置在一级机体15内部。

所述的二级阳转子23吸气端的转轴伸出于二级吸气端压盖二46。

本发明的工作过程：来自于天然气管道的高压天然气进入预热加热器3，经过预热后的高压天然气通过一级吸气端座16上的进气口A进入一级阳转子20和一级阴转子21组成的吸气腔内，完成一级进气过程；一级吸气腔内的高压天然气进行一级膨胀，驱动一级阳转子20和一级阴转子21转动，完成一级膨胀过程；在一级阳转子20和一级阴转子21转动过程中，膨胀做功后的中间压力压天然气通过一级机体15上的排气孔口B排出，完成一级排气过程；一级膨胀后的天然气进入级间换热器4，由于一级膨胀后的天然气的温度降低，需要通过载冷剂液体吸收天然气的冷量，级间换热器4中的载冷剂液体输送给热泵机组5，热泵机组5对级间换热器4内的天然气进行加热，；通过级间换热器4的天然气进入二级吸气端座18的吸气孔口C中，进入二级阳转子22和二级阴转子23组成的吸气腔内，完成二级进气过程；二级吸气腔内的中间压力天然气进行二级膨胀，驱动二级阳转子22和二级阴转子23转动，完成二级膨胀过程；在二级阴阳转子转动过程中，中间压力的天然气膨胀做功后通过二级机体17上的排气孔口D排出，完成二级排气过程；通过膨胀螺杆机1的二级膨胀后的天然气中含有大量的润滑油，该油气混合物需要进行油气分离净化，一级油气分离器6对天然气油气混合物进行初级分离过滤，二级油气分离器7对天然气油气混合物进行精密分离过滤；过滤后的天然气由于天然气二级膨胀，温度降低的原因，需要通过制冰机组9利用载冷剂的冷量进行制冰（块冰或片冰），换热后的天然气输送至终端用户；一级气分离器6和二级油气分离器7内部的润滑油以及分离下来的润滑油通过管道汇集至油粗过滤器10内进行粗效过滤，拦截润滑油中的大颗粒杂质；粗效过滤后的润滑油进入油加热器11中，通过载冷剂对润滑油进行加热；加热后的润滑油通过油泵12加压至设定压力，加压后的润滑油通过油精过滤器13进行精密过滤，拦截润滑油中的微小颗粒；通过油压调节阀14调压后的润滑油分别进入膨胀螺杆机1的供油口，对膨胀螺杆机1进行润滑及提供油压。

上述说明并非是对发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，均属于本发明的保护范围。