天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统的制作方法
【专利摘要】天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统。通常通过采气树对开采的天然气进行降压处理，采气树多为节流阀组成，在节流过程中，虽然压力降低了，但其所蕴含的压力能也被大量浪费掉了。本实用新型组成包括：天然气压差能量冷电回收组（1），所述的天然气压差能量冷电回收组由单级或者多级串联的天然气压差能量冷电回收装置（2）组成，所述的天然气压差能量冷电回收组与汽轮机（3）连接，所述的汽轮机与余热发电机（4）以及锅炉（5）连接，所述的锅炉通过增压泵（6）与所述的天然气压差能量冷电回收组连接，所述的锅炉还与燃气轮机（7）连接。本实用新型用于天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统。
【专利说明】
天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统
[0001 ] 技术领域:
[0002]本实用新型涉及一种天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统。
[0003]【背景技术】:
[0004]天然气开采过程中，从地底释放出来的天然气，带有较高的压力能，一般达到30MPa到100 MPa，经过调压站分配的天然气压力在6MPa左右，实际用户管线的压力在0.4MPa。通常通过采气树对开采的天然气进行降压处理，采气树多为节流阀组成。在节流过程中，虽然压力降低了，但其所蕴含的压力能也被大量浪费掉了。
[0005]从油气开发的处理工艺上来说，节流降压的处理方式浪费了很大一部分天然气压力能量。为了利用天然气所蕴藏的压力势能，最有效的方法是采用高压天然气膨胀产生机械功的转化方式替代节流降压过程，将天然气的压能转化为机械能进行发电或者作为其他源动力。这样不仅能够产生新能源，而且绿色环保，产生的经济效益和社会效益将非常可观。
[0006]目前天然气压力能的利用方式主要有发电和制冷两大类。
[0007]—是利用高压天然气膨胀驱动发电机发电。这种技术一般要在天然气膨胀前将气预热，保证天然气膨胀后的温度在10°C以上，从而防止天然气中的水汽凝结。二是利用高压天然气膨胀降温，获得冷能，用于制冷、冷却或冷冻等方面。
[0008]通过对国内外现有专利的检索，目前国内外已公开的利用天然气压力能的专利，具有代表性的包括:
[0009]美国专利(US20090272115A1)公开了一种利用膨胀机输出机械功驱动同轴发电机发电，但该专利未涉及低温天然气冷能的利用。美国专利(CN1179198A)，提供了一种“利用天然气管道中过剩压力发电的设备和方法”，通过使有压气体在流入位于装满液体的容器，气体会置换容器中的一部分液体，产生的浮力会使贮槽向上运动并使浮力转换成旋转能。我国专利(CN 101245956A)公开了一种利用天然气压力能制冷的普适性方法。我国专利(CN101852529 A)公开了一种利用天然气管网压力能高效利用的方法及装置，该方法涉及了一种压力能制冷用于冷库和冷水空调工艺。我国专利(CN102383870A)公开了一种“自适应后端负荷变化的天然气压差发电系统”，其包括负荷自动旁路降压稳压系统和天然气压差发电系统。
[0010]以上专利多数是针对发电或制冷某一单项用途，同时专利所提方法较为理论化，属于天然气压差能应用的原则性思路和方法，具体可实用、涉及压差能量综合利用的技术专利还不多见。
[0011]因此，有必要针对上述问题和现有工业需求，开发能更加充分利用天然气压差能量、适应发电冷却等多种供能需求的、绿色环保高效的天然气压差能量利用装置和技术。
[0012]【实用新型内容】:
[0013]本实用新型的目的是提供一种天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统。
[0014]上述的目的通过以下的技术方案实现:
[0015]—种天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统，其组成包括:天然气压差能量冷电回收组，所述的天然气压差能量冷电回收组由单级或者多级串联的天然气压差能量冷电回收装置组成，所述的天然气压差能量冷电回收组与汽轮机连接，所述的汽轮机与余热发电机以及锅炉连接，所述的锅炉通过增压栗与所述的天然气压差能量冷电回收组连接，所述的锅炉还与燃气轮机连接。
[0016]所述的天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统，所述的天然气压差能量冷电回收装置包括天然气涡轮膨胀机、天然气压差发电机以及天然气换热器，所述的天然气涡轮膨胀机与所述的天然气压差发电机以及所述的天然气换热器均连接，所述的天然气换热器与所述的汽轮机或所述的增压栗连接，所述的燃气轮机包括涡轮、压气机以及燃烧室，所述的天然气涡轮膨胀机设置有高压天然气入口和低压天然气出口，所述的天然气涡轮膨胀机内部设置有涡轮轴磁转子，所述的涡轮轴磁转子外套设有外磁转子和内磁转子，所述的外磁转子和所述的内磁转子之间设置有隔离密封套，所述的天然气压差发电机中设置有一组径向空气轴承和一组止推空气轴承，所述的径向空气轴承和所述的止推空气轴承均与设置在所述的天然气压差发电机中的永磁转子配合，所述的永磁转子与设置在所述的天然气压差发电机中的永磁静子适配。
[0017]有益效果:
[0018]1.本实用新型可利用低压情况和中高压情况下的天然气压差能量，在低压情况下的天然气压差能量利用模式工作时，一般情况下，来自高压管网的天然气约为2.8?6MPa，温度约为5?6 °C。该部分天然气进入调压分配站后，经过调节阀门等设备处理后，压力降为
0.4?0.6MPa，温度约为2°C左右，继而进入城市燃气市政管网，当在调压站进行天然气压差能量利用的时候，由于出口压力为低压，可直接采用一个天然气压差能量冷电回收装置，将调压站天然气在2.SMPa到0.6MPa之间的压力能充分利用，利用天然气压差进行膨胀发电，并将膨胀后的冷量回收，实现压力能的“冷电回收”；在中高压情况下的天然气压差能量利用模式工作时，天然气采气与输送利用之间存在加大的压力差，利用膨胀机可以回收这部分压差能发电，但是由于天然气膨胀过程中会出现温度下降，为了保持膨胀过程中天然气温度不至于降低过大而对膨胀机造成损害，需要采用分级膨胀方式，同时在膨胀过程中加热天然气，针对中高压情况下的天然气压差能量利用的以上问题，本专利提出了一种天然气压差能量发电及能量梯级利用的耦合系统结构，采用多个天然气压差能量冷电回收装置串联形成的天然气压差能量冷电回收组与燃气轮机、锅炉、汽轮机耦合集成耦合循环系统，该耦合循环系统利用天然气膨胀后的冷能作为燃气轮机、锅炉、汽轮机系统中燃气、水蒸汽循环的冷端，降低了燃机、锅炉、汽轮机循环中的水蒸气冷凝温度，提高了燃机、锅炉、汽轮机联合循环的效率;利用燃气、水蒸汽循环的热能作为天然气压差能量利用系统的热端，加热天然气以便避免膨胀过程中温度过低，这种耦合循环结构形式，实现了冷、热、电多种形式的能量供给，以及天然气、燃气、水蒸气多种工质的高效循环利用。
[0019]本实用新型中的天然气涡轮膨胀机和天然气压差发电机配合时，考虑到天然气的进出口参数，结合膨胀机轴系与涡轮叶轮的使用要求，在转速为5000?20000rpm的低转速使用情况下，选取单级或多级轴流涡轮的方式，实现大流量、多级降压使用要求，在转速为20000?60000rpm的高转速情况下，选取径流式涡轮的方式实现大膨胀比、中小流量的使用要求；由于天然气工质具有高压、易燃、易爆等特点，常规轴端密封形式(如迷宫、梳齿、刷齿、指尖等密封)均不易实现高压气体工质的零泄漏密封，因此提出一种带有隔离密封的磁力传动发电机一体化结构，解决天然气密封、传动和发电的问题，该结构由外磁转子、内磁转子及不导磁的隔离密封套等关键部件组成，单级及多级涡轮中天然气膨胀做功过程在隔离密封套内部完成，可以完全封闭天然气向外界泄露，同时，天然气膨胀涡轮驱动涡轮轴磁转子转动，通过外磁转子、内磁转子组成的磁力传动部分实现功率传递，内磁转子和外磁转子均为筒形永磁转子，确保了磁力传动系统效率高、滑差小，传动效率可达90%以上，经过磁力同步传动装置输出的机械能，由高速永磁发电机转化为电能输出，高速永磁发电机主要包括发电机永磁转子、发电机永磁静子等组件，解决了传统电机励磁机制下结构复杂、效率低、体积重量大的问题，永磁转子采用径向空气轴承和止推空气轴承支承，实现轴承工作状态零磨损，使整机使用寿命和可靠性大大提高，具有转速高、功率密度大、转矩大、转动惯量小、体积重量小等优点。
[0020]本实用新型工作时，高压天然气进入天然气压差能量冷电回收装置中的天然气涡轮膨胀机膨胀做功，驱动天然气压差发电机发电，同时天然气降压降温，输出低压低温天然气，可以用于进一步膨胀做功发电，也可直接通过高压天然气换热器，为动力装置或其他需要冷源的设备提供冷却和供冷，所以天然气压差能量冷电回收装置可以完成天然气压差能量的提取和利用，用于发电和供冷，也可以根据天然气压力高低和实际使用需求，将天然气压差能量冷电回收装置采用单级或者多级串联的方式使用；也可以根据供能的需求，简便灵活的将其与其他能源动力设备耦合集成在一起，构建天然气压差能量利用设备与燃气轮机、锅炉和汽轮机等设备的耦合循环系统，发挥能量梯级利用的优势，实现绿色环保的能量回收与利用；耦合循环系统工作时，高压天然气进入天然气压差能量冷电回收组中的第一级天然气压差能量冷电回收装置的天然气涡轮膨胀机，在其中膨胀做功驱动天然气压差发电机发电，膨胀降温的天然气流经高压天然气换热器，作为换热器的冷源;之后，天然气依次流过天然气压差能量冷电回收组中的第二级、第三级一直到最后一级天然气压差能量冷电回收装置中的天然气涡轮膨胀机，最终输出低压天然气，实现天然气压差的能量的充分利用，低压天然气的一部分作为燃料供给燃气轮机，燃气轮机的燃气进入到锅炉中加热冷凝水生成水蒸汽，水蒸汽进入汽轮机中进行膨胀做功，驱动余热发电机发电，膨胀做功后的水蒸汽依次先后流过天然气压差能量冷电回收组中的高压天然气换热器，与膨胀后的天然气换热，这种换热一方面利用水蒸汽的热能为天然气加温，避免低温天然气损坏膨胀机;另一方面利用天然气的冷能为水蒸汽冷却，形成冷凝水，经过增压栗，冷凝水再回到锅炉。
[0021]本实用新型提供了一种天然气“绿色”压差发电及能量梯级利用耦合系统技术，与传统系统和技术相比，具有绿色环保、适应性高、集成性好、可控性强等特点，构建了天然气压差能量利用系统及其与其他形式能源动力系统耦合集成的模式与方法，实现了多种类工质、多梯级能量的系统化、功能化高效循环与利用，符合绿色环保的能源动力和环境保护的要求，还可用于煤矿煤层气和油页岩开采中的可燃气体能量利用的相关工艺和技术。
[0022]【附图说明】
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[0023]附图1是本实用新型的结构示意图。
[0024]附图2是本实用新型天然气涡轮膨胀机和天然气压差发电机配合的磁力传动发电机一体化结构示意图。
[0025]【具体实施方式】:
[0026]实施例1:
[0027]—种天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统，其组成包括:天然气压差能量冷电回收组I，所述的天然气压差能量冷电回收组由单级或者多级串联的天然气压差能量冷电回收装置2组成，所述的天然气压差能量冷电回收组与汽轮机3连接，所述的汽轮机与余热发电机4以及锅炉5连接，所述的锅炉通过增压栗6与所述的天然气压差能量冷电回收组连接，所述的锅炉还与燃气轮机7连接。
[0028]实施例2:
[0029]根据实施例1所述的天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统，所述的天然气压差能量冷电回收装置包括天然气涡轮膨胀机、天然气压差发电机以及天然气换热器，所述的天然气涡轮膨胀机与所述的天然气压差发电机以及所述的天然气换热器均连接，所述的天然气换热器与所述的汽轮机或所述的增压栗连接，所述的燃气轮机包括涡轮、压气机以及燃烧室，所述的天然气涡轮膨胀机设置有高压天然气入口和低压天然气出口，所述的天然气涡轮膨胀机内部设置有涡轮轴磁转子，所述的涡轮轴磁转子外套设有外磁转子和内磁转子，所述的外磁转子和所述的内磁转子之间设置有隔离密封套，所述的天然气压差发电机中设置有一组径向空气轴承和一组止推空气轴承，所述的径向空气轴承和所述的止推空气轴承均与设置在所述的天然气压差发电机中的永磁转子配合，所述的永磁转子与设置在所述的天然气压差发电机中的永磁静子适配。
【主权项】
1.一种天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统，其组成包括:天然气压差能量冷电回收组，其特征是:所述的天然气压差能量冷电回收组由单级或者多级串联的天然气压差能量冷电回收装置组成，所述的天然气压差能量冷电回收组与汽轮机连接，所述的汽轮机与余热发电机以及锅炉连接，所述的锅炉通过增压栗与所述的天然气压差能量冷电回收组连接，所述的锅炉还与燃气轮机连接。2.根据权利要求1所述的天然气压差发电及能量梯级利用耦合系统，其特征是:所述的天然气压差能量冷电回收装置包括天然气涡轮膨胀机、天然气压差发电机以及天然气换热器，所述的天然气涡轮膨胀机与所述的天然气压差发电机以及所述的天然气换热器均连接，所述的天然气换热器与所述的汽轮机或所述的增压栗连接，所述的燃气轮机包括涡轮、压气机以及燃烧室，所述的天然气涡轮膨胀机设置有高压天然气入口和低压天然气出口，所述的天然气涡轮膨胀机内部设置有涡轮轴磁转子，所述的涡轮轴磁转子外套设有外磁转子和内磁转子，所述的外磁转子和所述的内磁转子之间设置有隔离密封套，所述的天然气压差发电机中设置有一组径向空气轴承和一组止推空气轴承，所述的径向空气轴承和所述的止推空气轴承均与设置在所述的天然气压差发电机中的永磁转子配合，所述的永磁转子与设置在所述的天然气压差发电机中的永磁静子适配。
【文档编号】F01D15/10GK205714618SQ201620621541
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】刘洪鹏, 杨力平, 单国斌, 邱敬乐
【申请人】哈尔滨耦合动力工程技术中心有限公司