CN104595138A - 一种页岩气热能发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种页岩气热能发电装置由热能转换器、棘轮传动机构、发电输入装置组成。转换器是两个一端头大一端开口的长管颈容器套接并将套接处密封而成的一个整体，管内设隔离物，形成两个均含液体和气体的隔离空间，隔离物透气不透液体。管颈部选支撑轴使整体重心偏一端，此端在下，上端部液体水平面高于隔离物，点燃页岩气燃烧盘，产生内部正气压差，使重心随上端液体向上端部移动，下端向上摆动，燃烧盘熄灭。处水平位置时内部气压差为零，两端反向摆动，以此循环。传动机构通过若干个并列运行的棘轮加链轮的传动，将往返摆动变成大链轮的间歇转动，再变成小链轮轴的连续转动，两级增速后输入发电机。该装置可扩展到用矿井煤气等非常规化石材料进行发电。

Description

一种页岩气热能发电装置
技术领域
本发明属于热能发电技术领域，具体涉及一种利用页岩气燃烧在转换器两端产生温差，使转换器摆动发电的热能发电装置。
背景技术
利用天然气代替煤炭发电是产业调整和节能减排的重要内容，完全符合国家长期发展的政策要求。页岩气是指储藏在地下500米以下页岩层岩缝里的天燃气。随着常规化石能源石油、天然气、煤炭等的长期大规模开采，储量日趋减少，非常规化石能源的页岩气、页岩油等越来越被重视。美国于上世纪八十年代开始研究页岩气新开采技术，确立了“水压致裂法”，2009年后实现了页岩气大规模开采。虽然页岩气革命始于美国，然而中国的页岩气储量比美国还多，中国在该领域正在迎头赶上。在页岩气大规模开采中也遇到一些共性问题，如页岩气的输送成本高和矿床开采寿命不长等，特别是大量低产气流井问题更加突出。利用页岩气在矿区就地发电，就近并入电网的发电设备尚未见有报道。
发明内容
为了克服在页岩气大规模开采中遇到的页岩气输送成本高和矿床开采寿命不长带来的问题，特设计一种利用页岩气燃烧使转换器两端产生温差，使转换器摆动发电的热能发电装置，实现将页岩气就地转化为电能，就近并入国家电网，且该装置拆装简便，易于转场。
本发明所采用的技术方案是：将页岩气直接燃烧，加热热能转换器一端，利用热能转换器两端的温度差，将热能直接转换成机械能，再由机械能转变为电能。该热能发电装置由三部分组成：热能转换器，棘轮传动机构和发电输入装置。
热能转换器
热能转换器含两个一端开口的长颈管形金属容器，一个口径管径大，另一个口径管径小。另一端不开口，是大于管径的大头。管部可以是圆筒形或非圆筒形；头部可以是空心的球形或非球形。将两容器开口相对，管径小的插入管径大的里面，进行套接。在套接前向两个容器中注入一定量的低沸点液体(液体可以是单质的，也可以是非单质的)，在口径管径小的容器口部放置隔离物。该隔离物透气，但液体不能透过。套接到位后(如图2)，在套接的两管壁之间用密封材料进行密封，使容器内的气体和液体无法溢出。形成一个两端大头的密封大整体。
先将容器两端水平放置，在管颈中部找出水平位置的平衡轴线(垂直于管颈)，从平衡轴线向不带隔离物端作水平位移，找出合适的支撑轴线(如图3)。该支撑轴线须满足下面条件：以该轴线为轴心，带隔离物一端(A端)力矩变大，向下摆动，使A端低而另一端(B端)升高，上端部的液体水平面高于隔离物，形成两个均存有液体和气体的隔断空间。此刻为起始状态。在A端安装有页岩气燃烧器，此刻点燃燃烧器，低端温度增高，低端空间内的液体蒸气压增大，相对高端空间内的液体蒸气压为正压，导致内管中的液体位置上抬，造成密封容器重心移向支撑轴，继而越过支撑轴，使A端上摆，B端下摆。当A端上摆时页岩气主管自动关闭，只留一点火用火种。在B端下摆的过程中，由于管内的液体位置的流动，向下力矩逐步加大，再加上动压头的作用，摆动加快。当摆动到水平位置附近时，AB两端的气体贯通，两端气体压力差为零，动压头亦为零。此时达到平衡。由于此刻A端的力矩又变大，又开始向下摆动，内部恢复成原先的两个隔断空间，完成一个运动周期。当A端下摆一定角度时页岩气主管自动打开，火种将主管点燃，继而开始下一周期运动。这样在温度差的作用下，热能不断地转变成机械能，周而复始，循环不断。
满足上述条件的支撑轴线为转换器的合适支撑轴线。
两个一端开口的长管颈容器，管径和口径可以不同，如上述；也可以是相同的，当相同时，可用中间加套管套接方式或焊接等对接方式。
棘轮传动机构
设热能转换器的管部为圆筒形。有两个可锁定在一起的半圆瓦件，两个半圆瓦件形成的圆孔直径等于热能转换器管颈外径。在一个瓦件两侧有两个同心轴，同心轴的两个外端面有锥形中心孔(如图4)。同心轴轴心线与两半圆瓦件形成的圆孔中心线垂直交叉。组装时，将同心轴轴心线与选定的热能转换器支撑轴线重合，用瓦件包住并夹紧热能转换器的管颈部，锁定两瓦件，使之为一体。在一侧同心轴上有一台阶，台阶外圆带螺纹，与飞轮内孔螺纹匹配(飞轮即链轮和内齿圈棘轮复合件，结构及工作原理与自行车飞轮相同，如图8)，将飞轮旋固在同心轴台阶上，这样热能转换器与两瓦件和飞轮就成为一组装件。
传动机构的两侧是支撑架，两架下部刚性连接，其上部各有一个螺纹孔，两螺纹孔同心且水平。将上述组装件放置于两支撑架之间，同心轴的两个外端面中心的锥形中心孔与支撑架上的螺纹孔对正，从两侧螺纹孔各旋入一个带螺纹的锥头顶丝，顶丝的锥头顶入锥形中心孔，形成一对滑动轴承，再从两顶丝外端旋入两固紧螺帽，将两个锥头顶丝固定在支撑架上。
这样热能转换器两端的上下摆动传递到飞轮，通过内齿圈棘轮，形成飞轮外大链轮的间隙转动，再经过链条传动将动力传递到小链轮上。
为了获得小链轮轴的连续转动，若干个上述携带热能转换器的棘轮传动机构沿同心轴轴向并列运行，各同心轴轴心在同一水平线上，动力通过各自链条传递到各自对应的小链轮上。这些小链轮安装在同一水平长轴上，带动长轴转动。另外，各个热能转换器内液体质量或成分是不同的，这就使各个热能转换器摆动的时间长短和幅度大小不同。在若干个小链轮作用下使小链轮长轴上间隙转动的间隙变得无限小，成为工程意义上的匀速转动。
在热能转换成机械能的过程中可以利用上述带有内齿圈棘轮的飞轮机构，也可以采用其它齿啮式棘轮机构加链轮的组合。也可以是摩擦式棘轮机构加链轮的组合。
在机械能传递中可以是上述链轮链条传动，也可以是齿轮传动。
小链轮长轴可以是一根，也可以是若干根短轴对接而成的。
支撑架与同心轴间的轴承可以是滑动轴承，也可以是滚动轴承。
除页岩气外本发电装置的热源还可以扩展到矿井煤气等非常规化石材料。
发电输入装置
低速转动的大链轮通过链条带动小链轮转动，进行一级增速。小链轮的转轴带动增速齿轮箱，进行二级增速，增速齿轮箱输出轴转速应满足发电机的转速要求，将动力传递给发电机，从而使热能通过机械能转变成电能。
有益效果
1，与传统的热能发电相比，本发电装置不产生高温高压蒸汽，设备简单，投资少，使用寿命长，维护成本低，安全性高，有很高经济性。
2，本发电装置热能转换率高，利用页岩气燃烧发电，可以提高燃气利用率，不但可提高经济效益，而且可进一步减少废气废热的排放。
3，可以在页岩气矿区就地将页岩气转换成电能，就近并入电网，降低页岩气开采综合成本，而且本发电装置拆装简便，利于矿区转场，有利于页岩气的开发。另外本发电装置可大可小，有好的适用性。
4，本发电装置运行不需要其它资源消耗，如水，辅助电源等，对环境无污染无破坏。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，是本发明实施例的整体结构示意图。
图2，是实施例中的热能转换原理起始态透视图。
图3，是实施例中热能转换原理平衡态透视图。
图4，是实施例中棘轮传动机构图。
图5，是实施例中发电输入装置图。
图6，是实施例中带燃烧器的热能转换器构造示意图。
图7，是实施例中的燃烧器构造透视图。
图8，是旋式飞轮实物图。
图9，是旋式飞轮主要内部结构图。
图中1.球头长管颈小口金属容器，2.球头长管颈大口金属容器，3.平衡轴线，4.支撑轴线，5.B端液态水，6.B端气体，7.A端气体，8.A端液态水，9.密封胶，10.隔水织物，11.连体支撑架，12.锥头顶丝，13.顶丝固定螺帽，14.旋式飞轮，15.链条，16.金属瓦件同心轴，17.带轴半圆金属瓦件，18.半圆金属瓦件，19.瓦件螺纹孔，20.瓦件通孔，21.瓦件紧固螺栓，22.小链轮长轴，23.小链轮，24.齿轮箱输入轴套，25.增速齿轮箱，26.齿轮箱输入轴，27.发电机，28.齿轮箱输出轴套，29.齿轮箱输出轴，30.页岩气管，31.调节阀，32.主供气开关，33.主供气开关触头，34.主供气开关触角，35.大链轮，36.棘轮内齿圈，37.千斤，38.棘轮内螺纹孔，39.支撑架螺纹孔，40.锥形中心孔，41.火种软管，42.主供气软管，43.页岩气燃烧器，44.点火火种，45.燃烧器燃烧盘，46.燃烧器导热壳。
具体实施方式
本实施例页岩气热能发电装置由热能转换器(图2)、棘轮传动机构(图4)、发电输入装置(图5)等组成。将球头长管颈小口金属容器(1)插入球头长管颈大口金属容器(2)，在两管颈壁间用密封胶(9)将(1)和(2)连接成一密封整体，事先注入B端液态水(5)和A端液态水(8)，并在(1)开口处安放隔水织物(10)。找出密封整体的平衡轴线(3)和支撑轴线(4)。重心在(4)的右侧A端，A端在下，B端在上，B端的液体水平面高于隔水织物(10)。当主供气开关触角(34)接触主供气开关触头(33)，开启主供气开关(30)。页岩气从页岩气管(30)进入主供气软管(42)，到达燃烧器燃烧盘(45)，与(45)周围空气混合。点火火种(44)点燃(45)，燃烧产生的热量通过燃烧器导热壳(46)传递到A端，A端内的气体产生正压，导致球头长管颈小口金属容器(1)中的液体水位置上抬，造成重心移向支撑轴线(4)，继而越过(4)，使A端上摆，B端下摆。A端上摆使(34)脱离(33)，(30)关闭，燃烧器燃烧盘(45)的火熄灭。在B端下摆的过程中，由于B端管内的液体水流向B端头部，向下力矩逐步加大，再加上动压头的作用，摆动加快。当摆动到水平位置附近时，A、B两端的气体贯通，两端气体压力差为零，动压头亦为零，处于平衡状态。由于A端的力矩又变大，又开始向下摆动，恢复成原先的两个隔断空间，重新点燃燃烧器燃烧盘(45)，完成一个运动周期。这样在温度差的作用下，热能不断地转变成机械能，周而复始，循环不断。
页岩气管(30)上安装有调节阀(31)，可调节进气量大小，亦可在维修设备时关闭气源。火种软管(41)进气口连接在(30)上，工作时保持通气状态，使点火火种(44)不灭。见图6和图7。
将选定支撑轴线(4)后的密封整体放置于带轴半圆金属瓦件(17)和半圆金属瓦件(18)之间，将(4)与金属瓦件同心轴(16)轴线重合，用瓦件紧固螺栓(21)通过瓦件通孔(20)和瓦件螺纹孔(19)将密封整体固定在金属瓦件上。将(16)带螺纹台阶一端插入旋式飞轮(14)的棘轮螺纹中孔(38)，螺纹旋合固定组装。将上述组装件放置于连体支撑架(11)两架之间，连体支撑架(11)两架上部各有一个支撑架螺纹孔(39)，两螺纹孔(39)同心且水平。金属瓦件同心轴(16)的两个外端面的锥形中心孔(40)与两螺纹孔(39)对正，从(39)各旋入一个带螺纹的锥头顶丝(12)，(12)的锥头顶入锥形中心孔(40)，形成一对滑动轴承，再从两(12)外端旋入两顶丝固紧螺帽(13)，将两个锥头顶丝(12)固定在支撑架(4)上，见图4。用链条(15)将飞轮(14)上的大链轮(35)与小链轮(23)连接，小链轮(23)带动小链轮长轴(22)，(22)将动力通过齿轮箱输入轴套(24)和齿轮箱输入轴(26)输入增速齿轮箱(25)，再通过齿轮箱输出轴(29)和齿轮箱输出轴套(28)输入发电机(27)，见图5。
当A端开始上摆时，飞轮(14)中的千斤(37)与棘轮内齿圈(36)啮合，顶住棘轮内齿圈(36)转动，与(36)一体的大链轮(35)一起转动，见图9。当A端上摆到水平位置时两端气体贯通，而后A端开始下摆，旋固在棘轮螺纹中孔(38)的金属瓦件同心轴(16)带动千斤(37)反方向转动，千斤(37)脱离啮合，沿棘轮内齿圈(36)齿顶反向滑动，与(36)一体的大链轮(35)停留在原转动的位置不动。当A端又开始上摆时，千斤(37)又开始顶住棘轮内齿圈(36)转动相同的角度，而后又反方向转动，从而实现大链轮(35)的不断间隙转动。大链轮(35)通过链条(15)将间歇转动传递到小链轮(23)。
为了获得小链轮长轴(22)的连续转动，若干个上述携带热能转换器的棘轮传动机构沿金属瓦件同心轴(16)的轴向并列运行，各(16)的轴心在同一水平轴线上，动力通过各自链条(15)传递到各自对应的小链轮(23)上。这些小链轮(23)安装在同一水平小链轮长轴(22)上，带动(22)转动。另外，各个热能转换器液体质量或成分是不同的，这就使各个热能转换器摆动的时间长短和幅度大小不同。在若干个小链轮(23)作用下使小链轮长轴(22)上间隙转动的间隙变得无限小，成为工程意义上的匀速转动。
低速转动的大链轮(35)通过链条(15)带动小链轮(23)转动，进行一级增速。小链轮长轴(22)带动增速齿轮箱(25)二级增速，增速齿轮箱输出轴(29)转速应满足发电机(27)的转速要求，将动力传递给发电机(27)，从而使热能通过机械能转变成电能，见图1。

Claims (9)

1.一种页岩气热能发电装置，包含热能转换器、棘轮传动机构和发电输入装置，其特征是：热能转换器是两个一端大头一端开口的长颈金属容器套接并将套接处密封而成的一个大密封整体，并在内部形成两个均含液体和气体的隔离空间；隔离物透气但不透液体，其位偏向一端；密封整体两侧有支撑架，密封整体固定在支撑轴上，支撑轴两端与两侧支撑架以轴承连接；选支撑轴与密封整体的固定位置，使密封整体重心偏向带隔离物一端，带隔离物一端下摆，上端部的液体水平面高于隔离物；带隔离物一端在下时页岩气燃烧盘被点火，下端部受热产生正气压，会造成重心向上端部位移，两端会围绕支撑轴线上下摆动；带隔离物一端上摆时页岩气燃烧盘熄火，到水平位置时两端气体压力差为零，两端开始反向摆动，回到起始态。
2.根据权利要求1所述的一种页岩气热能发电装置，其特征是：热能转换器管部可以是圆筒形或非圆筒形；头部可以是空心球形或非球形。
3.根据权利要求1所述的一种页岩气热能发电装置，其特征是：两长颈容器开口端的管口径可以不同，也可以相同，相同时可用加中间套管套接密封方式或金属对焊方式。
4.根据权利要求1所述的一种页岩气热能发电装置，其特征是：密封容器内的液体可以是单质的或非单质的。
5.根据权利要求1所述的一种页岩气热能发电装置，其特征是：在热能转换成机械能的过程中可以采用内齿圈棘轮的飞轮机构加链轮的组合，也可以是齿啮式棘轮机构加链轮的组合或摩擦式棘轮机构加链轮的组合。
6.根据权利要求1所述的一种页岩气热能发电装置，其特征是：在机械能传递中可以是链轮链条传动，也可以是齿轮传动。
7.根据权利要求1所述的一种页岩气热能发电装置，其特征是：支撑架与同心轴间的轴承可以是滑动轴承，也可以是滚动轴承。
8.根据权利要求1所述的一种页岩气热能发电装置，其特征是：若干个携带热能转换器的棘轮传动机构沿同心轴轴向并列运行，各同心轴轴心在同一水平线上，动力通过各自链条传递到各自对应的小链轮上，这些小链轮安装在同一水平长轴上，带动长轴匀速转动。
9.根据权利要求1所述的一种页岩气热能发电装置，其特征是：低速转动的大链轮通过链条带动小链轮转动，进行一级增速；小链轮的转轴带动增速齿轮箱，进行二级增速；增速齿轮箱输出轴将动力传递给发电机，从而使热能通过机械能转变成电能。
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