专利名称：一种天然气处理用综合动力装置的制作方法
一种天然气处理用综合动力装置，它属于机械动力设备，用于石油天然气的开发、输送以及处理等，特别适合于在沙漠以及边远地区使用。
在天然气的开发、输送以及处理过程中，都需要大量的各种形式的动力能源，如给天然气液化输送用的制冷动力源，压缩增压动力源，为天然气处理所需的热源，为其它辅助设备、控制设备以及作为其它动力需要的电力源。而现在采用的方法是二次能量转换的形式。即，使用电力来驱动电动机，用电动机的机械动力来给天然气加压，使用电动机带动压缩制冷机压缩制冷介质，而使用普通锅炉来提供热源。由于天然气处理需要的能量很大，而多数的油气田开发地、输送站等都远离大电网覆盖地区，这使得这些地区的电力相当紧张，一般只能使用自备电站自己提供电力。为适应油气田开发的流动性，减少投资，多使用轻便、易安装的燃气轮机电站做动力源，使用电力为所有设备提供能量。由于天然气处理中需要多种形式的能量，这就要经过多种形式的能量转换。如用于天然气压缩和增压的机械能就必须经过机械能-电能-机械能的两次转换，而用于天然气制冷则要经过外涵气流内能-涡轮机械能-电能-电动机机械能-制冷介质内能这样四次转换，能量利用率大大降低。
现在的燃气轮机电站所用的燃气轮机多是由航空发动机改型而来的。由于航空喷气发动机是以喷气推力为动力输出，而地面用燃气轮机电站则要求高的轴输出功率，以带动发电机。这就使得这再者的运行状态和参数都很不相同，因此不能直接利用现有的先进航空喷气发动机，而必须对其进行重大的改型设计。改型设计一方面生产研制周期长，一般的改型周期需5至10年，等到改型完成后，作为改型基础的原发动机已失去技术先进性。另一方面，改型的投资也很大，使得改型产品成本增高，而且也不能利用现在已有的还有剩余使用寿命的退役航空发动机。
本发明的目的是发明一种可同时提供天然气处理时所需的压缩增压机械能，制冷以及分离处理的热能的天然气处理用综合动力装置。它可以使用现有退役航空涡扇发动机进行改造，而不用改变原发动机的运行状态和参数。
本发明的剖视结构示意图如附
图1所示。它有由风扇及低压压气机(1)、高压压气机(2)、燃烧室(3)、高压涡轮(4)、低压涡轮(5)、高压涡轮轴(7)、低压涡轮轴(6)和机匣(8)组成的核心发动机(9)，由动力涡轮(10)、动力涡轮输出轴(11)和动力涡轮机匣(12)组成的动力涡轮组(13)，以及余热锅炉(14)，其特征在于在核心发动机(9)的风扇外涵道出口与排气口之间有封闭外涵气流进入排气口并把外涵气流引出发动机外的涡壳(15)，有与外涵引气口相连的热交换器(16)，气液分离器(17)以及膨胀制冷换热器(18)。
在本发明中，涡壳(15)可以是一个密封外涵道与排气口之间开口的环形密封堵和在外涵道尾部开口的一个带有连接法兰的开口。也可以作为一个整体替换到原发动机的尾段。
本发明的动力产生部分与现在的航空涡扇发动机一样。由风扇及低压压气机(1)吸入压缩后的空气分为内涵和外涵两个部分，分别进入高压压气机(2)和外涵道，经高压压气机(2)压缩后的高压空气在燃烧室(3)中注油燃烧，变为高温高压燃气、高温、高压燃气分别在高压涡轮(4)和低压涡轮(5)中膨胀做功，使高压涡轮(4)和低压涡轮(5)可以分别通过高压涡轮轴(7)和低压涡轮轴(6)带动高压压气机(2)和风扇及低压压气机(1)转动，以维持正常运行。通过排气口排出的燃气中还含有大量的内能，用于推动动力涡轮(10)做功。其中的一部分内能由动力涡轮(10)吸收;转变为机械能，通过动力涡轮输出轴(11)输出。做完功后的燃气还有一定的余热，可以通过余热锅炉(14)回收余热，用以提供天然气、石油处理等需用的热蒸汽。本发明中的动力涡轮(10)输出的机械能可以直接带动天然气压气机。由外涵引出的压缩空气经热交换器(16)散热降温，之后通过气液分离器(17)脱去压缩空气中的水分。加压的常温空气作为冷却介质，在膨胀制冷换热器(18)中膨胀冷却，吸收天然气的热量，为天然气液化制冷。用空气做冷却介质，不必担心制冷剂泄漏引起的污染问题，而且也在存在制冷剂的开销问题，有利于降低成本。
本发明中，发动机部分直接采用现有先进航空涡扇发动机的设计，甚至直接利用现成的航空涡扇发动机(包括退役的或存储备件)实体，只需在外涵道尾端与排气口之间加一个蜗壳(15)，使外涵气流不是进入排气口与燃气混合，而是被引出机外作为冷却天然气的制冷介质输出。在排气口处接有一个已标准化了的动力涡轮组(13)和余热锅炉(14)，使输出燃气内能转换成机械能和低压饱和蒸汽的热能形式输出。这样，同一个动力源变成可同时提供天然气开发、输送以及处理时所需要的压缩及加压、制冷液化和其它处理所需热量的动力。结构紧凑，没有多次能量转换的损耗。
本发明中由于采用了现有的航空涡扇发动机作为核心发动机，可以利用原涡扇发动机的设计参数，不用对发动机的运行状态和参数进行任何改动。附图2给出了一种原航空涡扇发动机各部位流程参数图。附图3给出了由该发动机改装的多种能量输出燃气轮机地面站核心发动机各部位流程参数图。从两图中可看出，核心发动机还是运行在原发动机的最佳工作状态，因而可得到最高的运行效率，也免除了改型设计制造的周期。这不仅可以节约费用，而且也可利用最新技术，得到最佳动力机组。
本发明中的动力涡轮组(13)和余热锅炉(14)是一种标准化的设计构件，市场上已有专门配套商提供该商品，供各种燃气轮机改装用。在本发明中只需选用即可，不用自行设计制造。而对于使用航空涡扇发动机做核心发动机(9)的改装是很简单的。只须去除原发动机外涵与排气口处的连接圈，换为一个堵住外涵气流进入排气口并把外涵气流引出发动机的涡壳(15)即可。原发动机的运行控制机构、运行控制软件、包括运行控制参数都不用变动。
本发明可以在热交换器(16)前接有一个增压涡轮(19)，膨胀制冷换热器(18)为由涡轮膨胀器(20)和普通蛇形管或翅片换热器(21)组成，如附图4所示。涡轮膨胀器(20)的输出轴与增压涡轮(19)的输入轴相连，利用涡轮膨胀器(20)中空气介质剩余动能带动增压涡轮(19)给外涵排气进一步增压，提高制冷深度，这与船用柴油机上的废气涡轮增压装置一样。通过设计参数的合理选择，可以使外涵排气的压力增高一倍，从而大大增加制冷装置冷端与热端的温差，提高制冷效率。
本发明也可以是只把膨胀制冷换热器(18)制成由涡轮膨胀器(20)和普通蛇形管或翅片换热器(21)组成，不使用蜗轮增压器。涡轮膨胀器(20)的输出轴带动一台发电机发电，所发电力提供给油田、天然气传输站以及处理厂的各种控制设备或其它设备作用。做到一个动力站可提供油田、天然气传输站等所需要的全部能源。
本发明的燃气机部分可以采用现在的英国罗·罗公司(ROLLS-ROYCE)斯贝(SPEY)512进行改装。改装后，有压力为0.26MPa，每秒流量为39kg的低压压缩空气用于驱动空气涡轮膨胀制冷机组，可提供70℃温差(由15℃降为-55℃，每小时230万大卡的制冷量。同时动力涡轮输出5500千瓦的压缩机驱动功率，余热锅炉提供每小时27吨的压力为0.8MPa的低压饱和蒸汽，以上动力系统可以提供一个日处理100万立方米-200万立方米天然气处理厂的动力。
权利要求
1.一种天然气处理用综合动力装置，它有由风扇及低压压气机(1)、高压压气机(2)、燃烧室(3)、高压涡轮(4)、低压涡轮(5)、高压涡轮轴(7)、低压涡轮轴(6)和机匣(8)组成的核心发动机(9)，由动力涡轮(10)、动力涡轮输出轴(11)和动力涡轮机匣(12)组成的动力涡轮组(13)，以及余热锅炉(14)，其特征在于在核心发动机(9)的风扇外涵道出口与排气口之间有封闭外涵气流进入排气口并把外涵气流引出发动机外的涡壳(15)，有与外涵引气口相连的热交换器(16)，气液分离器(17)以及膨胀制冷换热器(18)。
2.如权利要求1所述的天然气处理用综合动力装置，其特征在于在热交换器(16)前接有一个增压涡轮(19)，膨胀制冷换热器(18)为由涡轮膨胀器(20)和普通蛇形管或翅片换热器(21)组成。
全文摘要
一种天然气处理用综合动力装置，用于天然气开发、输送等。它有核心发动机(9)，动力涡轮组(13)和余热锅炉(14)，其特征在于核心发动机(9)后部有阻止外涵气流排气口并把它引出发动机外的涡壳(15)，有使用外涵气流的热交换器(16)、气液分离器(17)及膨胀制冷换热器(18)。它除有机械能和热能输出外，还有使用外涵压缩空气做制冷介质的制冷能量输出，可同时满足天然气开发、输送及处理时对多种形式能量的需要。
文档编号F02C6/08GK1062401SQ9010990
公开日1992年7月1日 申请日期1990年12月14日 优先权日1990年12月14日
发明者史航, 蔡睿贤, 钟杭 申请人:北京市西城区新开通用试验厂