天然气管道压力能回收系统、压力能回收装置、转子膨胀机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天然气管道压力能回收系统，还涉及所述天然气管道压力能回收系统的压力能回收装置和转子膨胀机。
【背景技术】
[0002]天然气管网是天然气资源应用过程中的最主要输送手段，高压天然气输送干线与低压天然气支线间蕴含着巨大的压力能，传统的调压阀装置无法实现能量回收，造成了大量的浪费。因此，如何实现天然气管网压力能的回收激起了很多人的研宄热情，到目前为止，已出现很多天然气压力能利用工艺及装置。
[0003]但是，由于存在诸如对压差区间选择范围窄，膨胀效率低，运营维护成本高，规模单一等问题，造成工程项目效益比较差，不具备在天然气管网各级调压站内进行规模化推广的条件。
[0004]传统上，天然气管网压力能回收是利用膨胀机，将运动中的流体的焓转换为机械能并完成降压的过程。由于降压过程中还伴随着剧烈的降温，所以在回收机械能的同时还能获取大量的冷能。因此，膨胀机是天然气管网压力能回收中完成能量转换最为核心的设备，它的性能直接决定了压力能回收工艺的优劣。目前在天然气管网压力能回收工艺中已申请专利的膨胀机主要是透平膨胀机和螺杆膨胀机。
[0005]透平为速度型膨胀机，气体通过喷嘴获得非常高的流动速度，将气流的动能转换为机械能并由主轴输出做功，该过程持续不断地将气体的内能转换为气流的动能，完成降压和降温的过程。
[0006]透平的结构和工作原理决定了其适用于大流量，高进口压力，压力越高，从喷嘴处获得的动能越大，膨胀效率有保障。透平适应天然气压力波动工况的能力有限，而且由膨胀过程产生的低温而导致的气流夹杂液体现象，易对叶轮造成损坏；另外，透平膨胀机的转速非常高，通常为每分钟上万转，如果要回收轴功带旋转设备，如带发电机发电，必须配备调速设备，会损失部分机械功；
[0007]螺杆为容积式膨胀机，气流伴随螺杆转子之间或螺杆转子与齿轮间在协调旋转过程中的齿间容积的变化，沿轴向流动，达到膨胀降压的目的。
[0008]螺杆转子具有复杂的三维结构，加工难度大。另外，机床加工精度不高会导致容积效率低，从而导致等熵效率低下。螺杆膨胀机一般要求进口流体介质的压力不能超过3.0MPa.g，进口压力太大，以及进出口压力差过大都会导致螺杆产生较大的径向力，产生不允许的机械变形，螺杆转子间就无法协调旋转。
[0009]螺杆膨胀机的辅助系统多也导致了其运营维护费用较高。
[0010]综上，天然气管道压力能回收缺乏一种适用范围广，运营成本低，效率高的膨胀机，从而导致天然气管网压差回收工程项目无法取得很好的效益，造成了目前无法大规模推广实施的现状。
【发明内容】
[0011]本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种天然气管道压力能回收系统，所述天然气管道压力能回收系统能够显著地提高能量回收的效率。
[0012]本发明还提出一种压力能回收装置，所述压力能回收装置能够显著地提高能量回收的效率。
[0013]本发明再提出一种转子膨胀机，所述转子膨胀机工况适应范围广，并能够显著地提高能量回收的效率。
[0014]根据本发明第一方面实施例的天然气管道压力能回收系统包括:调压计量装置；和至少一个压力能回收支路，所述压力能回收支路和所述调压计量装置并联，每个所述压力能回收支路包括压力能回收装置，所述压力能回收装置包括至少一级转子膨胀机和与所述转子膨胀机串联的第一冷能回收换热装置，所述转子膨胀机包括:壳体，所述壳体内具有第一容纳腔，所述壳体上设有与所述第一容纳腔连通的进气口和出气口 ；外转子，所述外转子内具有第二容纳腔，所述第二容纳腔的壁上设有N个凹槽，每个所述凹槽的壁上设有通孔，其中所述外转子可旋转地设在所述第一容纳腔内，所述外转子与所述第一容纳腔的壁限定出与所述进气口连通的进气腔以及与所述出气口连通的出气腔，所述出气腔的容积大于所述进气腔的容积；和内转子，所述内转子上间隔开地设有N-1个齿，所述齿的形状与所述凹槽的形状适配，其中所述内转子可旋转地设在所述第二容纳腔内，其中所述内转子和所述外转子不同轴，所述内转子和所述外转子的转速比与所述齿和所述凹槽的个数之比相对应。
[0015]根据本发明实施例的天然气管道压力能回收系统具有拓展性强、适用范围广、效率高、适应性强、成本低、易维护的优点。
[0016]根据本发明第二方面实施例的压力能回收装置包括:第一冷能回收换热装置；和至少一级转子膨胀机，所述冷能回收换热装置连接至所述转子膨胀机的下游，所述转子膨胀机包括:壳体，所述壳体内具有第一容纳腔，所述壳体上设有与所述第一容纳腔连通的进气口和出气口，其中所述出气口与所述第一冷能回收换热装置的进口相连；外转子，所述外转子内具有第二容纳腔，所述第二容纳腔的壁上设有N个凹槽，每个所述凹槽的壁上设有通孔，其中所述外转子可旋转地设在所述第一容纳腔内，所述外转子与所述第一容纳腔的壁限定出与所述进气口连通的进气腔以及与所述出气口连通的出气腔，所述出气腔的容积大于所述进气腔的容积；和内转子，所述内转子上间隔开地设有N-1个齿，所述齿的形状与所述凹槽的形状适配，其中所述内转子可旋转地设在所述第二容纳腔内，其中所述内转子和所述外转子不同轴，所述内转子和所述外转子的转速比与所述齿和所述凹槽的个数之比相对应。
[0017]根据本发明第三方面实施例的转子膨胀机包括:壳体，所述壳体内具有第一容纳腔，所述壳体上设有与所述第一容纳腔连通的进气口和出气口 ；外转子，所述外转子内具有第二容纳腔，所述第二容纳腔的壁上设有N个凹槽，每个所述凹槽的壁上设有通孔，其中所述外转子可旋转地设在所述第一容纳腔内，所述外转子与所述第一容纳腔的壁限定出与所述进气口连通的进气腔以及与所述出气口连通的出气腔，所述出气腔的容积大于所述进气腔的容积；和内转子，所述内转子上间隔开地设有N-1个齿，所述齿的形状与所述凹槽的形状适配，其中所述内转子可旋转地设在所述第二容纳腔内，其中所述内转子和所述外转子不同轴，所述内转子和所述外转子的转速比与所述齿和所述凹槽的个数之比相对应。
【附图说明】
[0018]图1是根据本发明实施例的天然气管道压力能回收系统的结构示意图；
[0019]图2是根据本发明实施例的天然气管道压力能回收系统的压力能回收支路的结构示意图；
[0020]图3是根据本发明的一个实施例的压力能回收装置的结构示意图；
[0021]图4是根据本发明的另一个实施例的压力能回收装置的结构示意图；
[0022]图5是根据本发明实施例的转子膨胀机的结构示意图；
[0023]图6A-图6L为根据本发明实施例的转子膨胀机的使用状态图。
【具体实施方式】
[0024]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0025]下面参考附图描述根据本发明实施例的天然气管道压力能回收系统I。根据本发明实施例的天然气管道压力能回收系统I包括调压计量装置20和至少一个压力能回收支路，如图1中所示。
[0026]压力能回收支路和调压计量装置20可以并联，每个压力能回收支路包括压力能回收装置10。根据本发明的一个实施例，压力能回收装置10可以包括至少一级转子膨胀机(将在下面进行详细说明)和与转子膨胀机相对应的冷能回收换热装置。
[0027]下面将以图3、4所示的第一转子膨胀机101作为示例来描述根据本发明实施例的转子膨胀机的构造。如图5-图6L所示，根据本发明实施例的转子膨胀机101可以包括壳体1011、外转子1012和内转子1013。壳体1011内具有第一容纳腔10111，壳体1011上设有与第一容纳腔10111连通的进气口 10112和出气口 10113，其中出气口 10113与第一冷能回收换热器102的进口相连。
[0028]外转子1012内具有第二容纳腔10121，第二容纳腔10121的壁上设有N个凹槽10122，每个凹槽10122的壁上设有通孔10123。其中，外转子1012可旋转地设在第一容纳腔10111内，外转子1012与第一容纳腔10111的壁限定出与进气口 10112连通的进气腔10124以及与出气口 10113连通的出气腔10125，出气腔10125的容积大于进气腔10124的容积。
[0029]内转子1013上间隔开地设有N-1个齿10131，其中N为大于2的整数，齿10131的形状与凹槽10122的形状适配。其中，内转子1013可旋转地设在第二容纳腔10121内。根据本发明的一个实施例，内转子1013和外转子1012不同轴，内转子1013和外转子1012的转速比与齿10131和凹槽10122的个数之比相对应，如图5中所示。
[0030]具体而言，高压天然气从壳体1011的进气口 10112进入到第一容纳腔10111内，即进入到转子膨胀机内，并推动外转子1012和内转子1013转动。由于外转子1012和内转子1013不同轴，并且外转子1012的转速与内转子1013的转速不一致，因此在转动的过程中，内转子1013的齿10131与外转子1012的凹槽10122之间形成的空腔10132的容积逐渐增大，过渡到和出气腔10125耦合，达到膨胀降压的目的(如图6A-图6L所示)。在天然气膨胀过程中，天然气的压力能通过与内转子1013相连的轴对外输出机械能。根据本发明的一个实施例，转子膨胀