本發(fā)明涉及一種天然氣管網(wǎng)壓力能回收利用領(lǐng)域，具體涉及一種利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能工藝及裝置。

背景技術(shù)：

天然氣以高壓方式通過長輸管道送入終端用戶后，通常需要調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行調(diào)壓處理，以便用氣設(shè)施匹配。國內(nèi)外的現(xiàn)實(shí)情況是，調(diào)壓過程中天然氣內(nèi)蘊(yùn)含的巨大壓力能不僅被白白浪費(fèi)掉，而且還因?yàn)榧眲〗禍貙φ{(diào)壓及管道設(shè)備運(yùn)行安全造成威脅。而天然氣壓力能回收不僅解決調(diào)壓站用電困難的問題，而且利用了其蘊(yùn)含的壓力能，提高燃?xì)庀到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

目前，天然氣壓力能的回收工藝中一般用的是膨脹機(jī)，主要包括活塞式膨脹機(jī)和透平膨脹機(jī)，相對于活塞式膨脹機(jī)，透平膨脹機(jī)具有流量大、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高運(yùn)轉(zhuǎn)周期長而被廣泛應(yīng)用于各種低溫設(shè)備中。

中國專利CN103422899針對偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)計(jì)了一套小型天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電的工藝及裝置，該工藝?yán)门蛎浌影l(fā)電機(jī)發(fā)電，但是所使用的膨脹機(jī)機(jī)械效率較低，發(fā)電量小。中國專利CN105114131A發(fā)明了一膨脹發(fā)電與壓縮制冷的裝置，有效將機(jī)械能與冷能充分利用。中國專利CN105401990A提供一種天然氣壓力能發(fā)電調(diào)壓裝置及方法，通過控制部調(diào)整各閥門的開度以及膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,將低壓管網(wǎng)前端的天然氣壓力調(diào)至設(shè)定水平，對壓力能進(jìn)行了回收。中國專利CN104989459A提供了一種智能化天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電裝置控制方法，實(shí)現(xiàn)了儲電系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)的綜合高效利用。以上專利都充分對壓力能進(jìn)行了回收，并未針對膨脹過程高速運(yùn)轉(zhuǎn)引起軸的斷裂提出解決方案。中國專利CN102767398A涉及一種透平膨脹機(jī)與葉輪主軸的配合結(jié)構(gòu)，可滿足低溫高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的可靠的傳動連接要求。中國專利CN102767401A涉及一種透平膨脹機(jī)的外功輸出裝置的傳動軸支承機(jī)構(gòu)，確保與軸瓦腔相配合的傳動軸之間的配合效果。但是實(shí)際效果并不明顯，并且對于膨脹過程高速運(yùn)轉(zhuǎn)引起傳動軸的斷裂問題的解決并未起到實(shí)質(zhì)性效果。

有鑒于此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上專利及文獻(xiàn)存在且尚未解決的問題，本發(fā)明提供一種利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能回收工藝及裝置，整套工藝簡單、無需增加油水分離器、經(jīng)濟(jì)性好，并且使用改進(jìn)的聯(lián)優(yōu)膨脹機(jī)，采用高密封機(jī)構(gòu)以及N2微正壓進(jìn)而阻礙潤滑油滲泄和天然氣，安全高效，適用范圍廣，并且增加了一套制動系統(tǒng)，緩解因天然氣流量變化而導(dǎo)致傳動軸斷裂的情況。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中，所述裝置包括調(diào)壓系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、以及智能控制系統(tǒng)；

所述調(diào)壓系統(tǒng)包括與高壓管網(wǎng)通過管道進(jìn)氣的透平膨脹機(jī)(5)，與膨脹機(jī)的出氣口連接的溫壓平衡器(6)，與溫壓平衡器連接的復(fù)熱器(7)，復(fù)熱器的出氣口與低壓管網(wǎng)連接；所述發(fā)電系統(tǒng)包括與膨脹機(jī)連接的變速箱(12)，與變速箱連接的發(fā)電機(jī)(14)，發(fā)電機(jī)與下游用戶電源(15連接；所述智能控制系統(tǒng)包括PLC(17)、高壓管網(wǎng)與透平膨脹機(jī)(5)之間依次設(shè)有的第一電控閥(1)、第一壓力變送器(2)、第一溫度變送器(3)和第一流量調(diào)節(jié)閥(4)，復(fù)熱器(7)與低壓管網(wǎng)之間依次設(shè)有的第二壓力變送器(8)、第二溫度變送器(9)、第一電控閥(10)和第二流量調(diào)節(jié)閥(11)以及變速箱(12)與發(fā)電機(jī)(14)之間設(shè)有速度變送器(13)以及透平膨脹機(jī)(5)。

優(yōu)選的，所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中：所述從高壓管網(wǎng)進(jìn)來的天然氣其壓力范圍一般在1.6-4MPa之間。

優(yōu)選的，所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中：所述透平膨脹機(jī)(5)為改進(jìn)的聯(lián)優(yōu)膨脹機(jī)，采用的是葉輪式透平膨脹機(jī)；

優(yōu)選的，所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中：所述葉輪式透平膨脹機(jī)(5)其傳動軸(18)連接葉輪的一側(cè)采用完全密封的方式，連接配接機(jī)組的傳動軸(18)一側(cè)，圍繞潤滑油通道引入密封結(jié)構(gòu)(19)。

優(yōu)選的，所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中：所述密封為左端引入氣體流通通道(21)，其氣體為惰性的N2，右端傳動軸(18)與制動機(jī)構(gòu)(23)、法蘭盤(20)之間通過進(jìn)油通道(22)引入潤滑油。

優(yōu)選的，所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中：在膨脹機(jī)的右端傳動軸(18)上，即與變速箱(12)連接的左側(cè)添加一個制動系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中：所述制動系統(tǒng)包括承接平面(25)磨砂盤(26)、法蘭(27)、壓板(上)(28)、彈簧(29)、壓板(下)(30)、滾珠(31)、傳感線(32)、固定盤(33)。

優(yōu)選的，所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中：所述固定盤(23)為不銹鋼材質(zhì)。

優(yōu)選的，所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中：所述壓板(28)、(30)采用彈性及耐磨性好的順丁橡膠或丁腈橡膠。

一種利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能方法，基于所述的利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能裝置，其中，所述方法包括以下幾個步驟:

S100、從高壓管網(wǎng)過來的天然氣，滿足1.6-4MPa時打開第一電控閥(1)以及第一流量調(diào)節(jié)閥(4)，進(jìn)入到透平膨脹機(jī)(5)，此時經(jīng)膨脹過后的天然氣，先后經(jīng)過溫壓平衡器和復(fù)熱器進(jìn)行回溫后，再經(jīng)過第二電控閥(10)和第二流量調(diào)節(jié)閥(11)進(jìn)入低壓管網(wǎng)；

S200、高壓管網(wǎng)天然氣經(jīng)透平膨脹機(jī)(5)后將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過變速箱(12)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速匹配于發(fā)電機(jī)(14)，進(jìn)而供給下游用戶電源(15)；

S300、當(dāng)天然氣流量突增時通過電控閥(1)調(diào)節(jié)；當(dāng)流量突減時，此時通過膨脹機(jī)(5)與第一壓力傳感器(2)的聯(lián)動，通過傳感線(31)帶動固定在承接平面(25)的壓片(28)往軸心方向壓，進(jìn)而彈簧下端壓板(下)(30)與磨砂盤(26)接觸，產(chǎn)生摩擦力，通過滾珠(30)與傳動軸(18)連接，進(jìn)而達(dá)到制動目的；當(dāng)恢復(fù)正常流量時，彈簧(29)帶動壓板(下)(30)回位，此時壓板(32)與磨砂盤(26)不接觸，傳動軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)，整個過程信號反饋到到PLC(17)，PLC(17)發(fā)出控制指令后又控制各個控制系統(tǒng)部件。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

(1)本發(fā)明裝置機(jī)械效率高、安全系數(shù)好。采用改進(jìn)的聯(lián)優(yōu)膨脹機(jī)，安裝靈活，密封系統(tǒng)好，有效保證天然氣的外泄以及避免天然氣與潤滑油接觸產(chǎn)生爆炸；

(2)用途廣泛。采用高膨脹比的透平膨脹機(jī)，對于低溫領(lǐng)域的余壓余熱利用、天然氣液化都有很好的應(yīng)用；

(3)有效避免因天然氣流量突變而導(dǎo)致傳動軸斷裂的情況。通過增加制動系統(tǒng)，第一壓力變送器反饋到PLC的信號，通過PLC進(jìn)行控制作用到制動系統(tǒng)的傳感線，進(jìn)而帶動壓板向軸心方向運(yùn)動，進(jìn)一步與磨砂盤接觸，從而達(dá)到制動的目的；

(4)工藝簡單、易控制。整個過程包括調(diào)壓、發(fā)電以及控制系統(tǒng)，無需油水分離器，氣體干凈，耗能少；

(5)經(jīng)濟(jì)效益好。通過利用調(diào)壓過程中產(chǎn)生的壓力能進(jìn)行發(fā)電，不僅節(jié)約了減壓閥帶來的昂貴費(fèi)用，又可將這部分能量進(jìn)行做功。

附圖說明

圖1為本發(fā)明利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能工藝流程圖。

圖2為本發(fā)明圖1中改進(jìn)的聯(lián)優(yōu)膨脹機(jī)截面示意圖。

圖3為本發(fā)明圖2中制動系統(tǒng)的側(cè)視圖。

圖中所示：第一電控閥1、第一壓力變送器2、第一溫度變送器3、第一流量調(diào)節(jié)閥4、透平膨脹機(jī)5、溫壓平衡器6、復(fù)熱器7、第二壓力變送器8、第二溫度變送器9、第二電控閥10、第二流量調(diào)節(jié)閥11、變速箱12、速度變送器13、發(fā)電機(jī)14、電源15、減壓閥16、PLC17，傳動軸18，密封結(jié)構(gòu)19，法蘭盤20，進(jìn)氣通道21,進(jìn)油通道22，固制動機(jī)構(gòu)23，回油孔24，承接平面25，磨砂盤26，法蘭27，壓板(上)28，彈簧29，壓板(下)30，滾珠3,1，感應(yīng)線32，固定盤33。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說明的是，具體實(shí)施方式并不構(gòu)成對本發(fā)明要求保護(hù)的限定。

一種利用透平膨脹機(jī)的管網(wǎng)壓力能工藝及裝置，其特征在于所述工藝包括調(diào)壓系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、以及智能控制系統(tǒng)。

所述調(diào)壓系統(tǒng)包括與高壓管網(wǎng)通過管道進(jìn)氣的透平膨脹機(jī)(5)，與膨脹機(jī)的出氣口連接的溫壓平衡器(6)，與溫壓平衡器連接的復(fù)熱器(7)，復(fù)熱器的出氣口與低壓管網(wǎng)連接；所述發(fā)電系統(tǒng)包括與膨脹機(jī)連接的變速箱(12)，與變速箱連接的發(fā)電機(jī)(14)，發(fā)電機(jī)與下游用戶電源(15連接；所述智能控制系統(tǒng)包括PLC(17)、高壓管網(wǎng)與透平膨脹機(jī)(5)之間依次設(shè)有的第一電控閥(1)、第一壓力變送器(2)、第一溫度變送器(3)和第一流量調(diào)節(jié)閥(4)，復(fù)熱器(7)與低壓管網(wǎng)之間依次設(shè)有的第二壓力變送器(8)、第二溫度變送器(9)、第一電控閥(10)和第二流量調(diào)節(jié)閥(11)以及變速箱(12)與發(fā)電機(jī)(14)之間設(shè)有速度變送器(13)以及透平膨脹機(jī)(5)。

進(jìn)一步地，所述從高壓管網(wǎng)進(jìn)來的天然氣其壓力范圍一般在1.6-4MPa之間；

進(jìn)一步地，所述透平膨脹機(jī)(5)所述膨脹機(jī)為改進(jìn)的聯(lián)優(yōu)膨脹機(jī)，采用的是葉輪式透平膨脹機(jī)；

進(jìn)一步地，所述葉輪式透平膨脹機(jī)(5)其傳動軸(18)連接葉輪的一側(cè)采用完全密封的方式，連接配接機(jī)組的傳動軸(18)一側(cè)，圍繞潤滑油通道引入密封結(jié)構(gòu)(19)；

進(jìn)一步地，所述密封為左端引入氣體流通通道(21)，其氣體優(yōu)選為惰性的N2，右端傳動軸(18)與制動機(jī)構(gòu)(23)、法蘭盤(20)之間通過進(jìn)油通道(22)引入潤滑油；

進(jìn)一步地，所述改進(jìn)為在膨脹機(jī)的右端傳動軸(18)上，即與變速箱(12)連接的左側(cè)添加一個制動系統(tǒng)(23)；

進(jìn)一步地，所述制動系統(tǒng)包括承接平面(25)磨砂盤(26)、法蘭(27)、壓板(上)(28)、彈簧(29)、壓板(下)(30)、滾珠(31)、傳感線(32)、固定盤(33)；

進(jìn)一步地，所述固定盤(23)優(yōu)選不銹鋼材質(zhì)；

進(jìn)一步地，所述壓板(28)、(30)優(yōu)選彈性及耐磨性好的順丁橡膠或丁腈橡膠；

參見圖1，從高壓管網(wǎng)過來的天然氣，滿足1.6-4MPa時打開第一電控閥(1)以及第一流量調(diào)節(jié)閥(4)，進(jìn)入到透平膨脹機(jī)(5)，此時經(jīng)膨脹過后的天然氣，先后經(jīng)過溫壓平衡器和復(fù)熱器進(jìn)行回溫后，再經(jīng)過第二電控閥(10)和第二流量調(diào)節(jié)閥(11)進(jìn)入低壓管網(wǎng)；高壓管網(wǎng)天然氣經(jīng)透平膨脹機(jī)(5)后將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過變速箱(12)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速匹配于發(fā)電機(jī)(14)，進(jìn)而供給下游用戶電源(15)；

參見圖2，在膨脹機(jī)的右端傳動軸(18)上，即與變速箱(12)連接的左側(cè)添加一個制動系統(tǒng)(23)；

參見圖3，當(dāng)天然氣流量突增時通過電控閥(1)調(diào)節(jié)；當(dāng)流量突減時，此時通過膨脹機(jī)(5)與第一壓力傳感器(2)的聯(lián)動，通過傳感線(31)帶動固定在承接平面(25)的壓片(28)往軸心方向壓，進(jìn)而彈簧下端壓板(下)(30)與磨砂盤(26)接觸，產(chǎn)生摩擦力，通過滾珠(30)與傳動軸(18)連接，進(jìn)而達(dá)到制動目的；當(dāng)恢復(fù)正常流量時，彈簧(29)帶動壓板(下)(30)回位，此時壓板(32)與磨砂盤(26)不接觸，傳動軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)，整個過程信號反饋到到PLC(17)，PLC(17)發(fā)出控制指令后又控制各個控制系統(tǒng)部件。

相比其他膨脹機(jī)回收，透平膨脹機(jī)具有流量大、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高運(yùn)轉(zhuǎn)周期長而被廣泛應(yīng)用于各種低溫設(shè)備中，特別是應(yīng)用于4-1.6MPa條件下的高壓管網(wǎng)天然氣進(jìn)行調(diào)壓，能夠有效避免因高速運(yùn)轉(zhuǎn)傳動軸斷裂的現(xiàn)象，進(jìn)而提高機(jī)械效率以及經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)施例

實(shí)施例的設(shè)備組成如圖1所示；膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示；制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

以某調(diào)壓站為例，該站調(diào)壓流量為17000m3/h，調(diào)壓規(guī)模為4MPa至1.6MPa，天然氣初始溫度約為20℃。

(1滿足城市管網(wǎng)瞬時需求量17000m3/h的天然氣，壓力4MPa、溫度20℃打開第一電控閥以及第一流量調(diào)節(jié)閥，進(jìn)入到透平膨脹機(jī)，此時經(jīng)膨脹過后，壓力達(dá)到1.6MPa的天然氣溫度降至-32℃，先后經(jīng)過溫壓平衡器和復(fù)熱器進(jìn)行回溫后至5℃，再經(jīng)過第二電控閥和第二流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入低壓管網(wǎng)；

(2)高壓管網(wǎng)天然氣經(jīng)透平膨脹機(jī)后將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過變速箱使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速匹配于發(fā)電機(jī)，其發(fā)電量達(dá)到219KW，進(jìn)而供給下游用戶電源；

(3)當(dāng)天然氣流量突增時通過電控閥調(diào)節(jié)；當(dāng)流量突減時，此時通過膨脹機(jī)與第一壓力傳感器的聯(lián)動，通過傳感線帶動固定在承接平面的壓板(下)往軸心方向壓，進(jìn)而彈簧下端壓板(下)與磨砂盤接觸，產(chǎn)生摩擦力，通過滾珠與傳動軸連接，進(jìn)而達(dá)到制動目的；當(dāng)恢復(fù)正常流量時，彈簧帶動壓片回位，此時壓片與磨砂盤不接觸，傳動軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)，整個過程信號反饋到到PLC，PLC發(fā)出控制指令后又控制各個控制系統(tǒng)部件。

表1顯示了在同一流量，不同壓降條件下經(jīng)膨脹后天然氣的出口溫度與發(fā)電量之間的關(guān)系。

表1同一流量，不同壓降條件下出口溫度與發(fā)電量的關(guān)系表

由表1可以看出，對于1.6-4MPa高壓管網(wǎng)的天然氣，說明能夠利用的壓力能范圍大，并且可以用于大流量的天然氣壓力能的回收，其透平膨脹機(jī)的機(jī)械效率高達(dá)0.89。根據(jù)不同的進(jìn)出氣壓力即壓差不同，可通過調(diào)節(jié)天然氣的流量將發(fā)電量控制在200-600KW，并且此部分電量可考慮用于下游用戶電源供電或者入網(wǎng)使用。如表1當(dāng)進(jìn)口壓力為4MPa，出口壓力為1.6MPa時，可以通過調(diào)節(jié)流量的方式使得進(jìn)口壓力為1.6MPa，出口壓力為0.4MPa的發(fā)電量一致，都為200KW。另外當(dāng)流量值大致時，壓力差越大其發(fā)電量越大。因而，該裝置能夠有效將天然氣管網(wǎng)壓力能用于回收發(fā)電，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅為清楚說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所述領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。