CN105422182A - 一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统 - Google Patents

一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统 Download PDF

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CN105422182A CN201510921379.4A CN201510921379A CN105422182A CN 105422182 A CN105422182 A CN 105422182A CN 201510921379 A CN201510921379 A CN 201510921379A CN 105422182 A CN105422182 A CN 105422182A
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Abstract

一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统，该系统主要由余压回收系统、电路转换系统、增压系统和控制系统四部分组成。本发明可将天然气发电机组输气管道中的余压能转化为电能进行存储，并且同时驱动一台自由活塞膨胀/压缩机将空气压缩后分别提供给天然气发电机组进气系统和自由活塞膨胀/压缩机调压系统。相较于目前采用透平式机械作为做功单元的余压发电系统，这种余压发电系统具有工作可靠，系统能量利用率及机电一体化程度高，膨胀/压缩机出口天然气或者增压空气压力波动调节灵活的优点。

Description

一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统
技术领域
本发明属于工业节能发电领域，具体涉及一种固定天然气发电机组余压增压系统及控制方法。
背景技术
作为天然气发电机组的燃料，天然气的进气压力要远远低于其管道输送压力，通常的做法是用调压器进行减压后再进行使用。在节流降压过程中，其压降完全消耗在克服流动阻力上，天然气在流动过程中没有推动任何机械做功，压力能未得到回收。而目前对于天然气压力能的成熟应用领域，基本定位于应用透平膨胀机制取LNG或直接制取冷量上。相比冷量的利用，对天然气压力能发电等机械功利用的热力学研究和机电一体化研究还比较少，缺乏较为系统的解决方案。同时，在小功率情况下，透平机械的单位发电功率造价较高，而效率反而降低，其转速也过快，需要使用高速齿轮减速机，或者是使用特制的高速发电机和大功率变频器件，而这些都是高技术和高成本的产品。另外，透平式机械由于存在水蚀的问题，也不适合低品位的蒸汽或湿蒸汽。
新型自由活塞膨胀/压缩机-直线电机集成单元是利用天然气余压驱动装置中直线电机发电的一种能量回收转换装置。该装置回收原先由调压阀组白白泄放的能量，同时还能有效地解决原调压阀组减压时产生的噪音污染和管道振动，改善了工作环境。同时作为容积型做功机械，自由活塞膨胀/压缩机通过改变体积来获得膨胀比/压缩比和焓降，具有低流量、高膨胀/压缩比和低转速的特点，适合于小流量大膨胀/压缩比的场合，相较于目前采用透平式机械作为做功单元的余压发电系统，这种余压发电系统工作可靠，系统能量利用率及机电一体化程度高，做功后的天然气压力波动调节灵活。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述传统余压发电方案的不足，提出一种新型自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的集成单元作为能量转化装置，并基于该装置设计了一套能够根据固定天然气发电机组运行工况自动切换的天然气余压增压系统。该系统可将天然气发电机组输气管道中的余压能转化为电能进行存储，并且同时驱动一台自由活塞膨胀/压缩机将空气压缩后分别提供给天然气发电机组进气系统和自由活塞膨胀/压缩机调压系统，其不仅可作为天然气发电机组的附属增压系统，同时可为余压增压系统中的调压气缸提供高压空气，实现膨胀/压缩比灵活可调的同时，也大大提高了能源利用效率。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统，该系统主要包括余压回收系统、电路转换系统、增压系统和控制系统四部分；上述的余压回收系统包括过滤分离器(2)、蒸汽加热器(3)、调压单元(4)、自由活塞膨胀/压缩机A(22)、自由活塞膨胀/压缩机B(24)、直线电机A(23)以及相应的连接管路；上述电路转换系统包括滤波器I(27)、变流器(28)、滤波器II(29)、电量感应器(30)、电能存储器(33)以及相应的连接线路；上述增压系统包括直线电机B(35)、自由活塞膨胀/压缩机(41)、中冷器(34)、减压阀(15)以及相应的连接管路；上述控制系统包括电动阀(5、9、11、12、14、20、21、25、31、47、37、38、42、43)、入口ESD阀(1)、旁路开关电磁阀(6)、开关继电器(32)、控制模块(10)、中冷器出口天然气温度传感器(17)、中冷器出口天然气压力传感器(16)、中冷器出口天然气流量传感器(18)、第一位移传感器(13)、第二位移传感器(36)、缸内压力传感器(19、26、40)、中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)以及相应的连接线路。
上述固定天然气发电机组余压增压系统内各部件的连接关系是：
余压回收系统的连接关系是：天然气发电机组主输气管道上依次布置有入口ESD阀(1)、过滤分离器(2)、蒸汽加热器(3)，蒸汽加热器(3)与调压单元(4)之间的输气管路通过三通接头连接，该三通接头的另一端与电动阀一(5)相连，调压单元(4)的另一端与天然气发电机组进气系统相连。自由活塞膨胀/压缩机A(22)、自由活塞膨胀/压缩机B(24)的连杆分别与直线电机A(23)动子通过转接头相连。
电路转换系统的连接关系是：滤波器I(27)一端与直线电机A(23)相连，另一端与变流器(28)相连；变流器(28)与滤波器II(29)、电量感应器(30)、电能存储器(33)、开关继电器(32)通过连接线路依次相连。
增压系统的连接关系是：自由活塞膨胀/压缩机C(41)的活塞连杆组与直线电机B(35)动子通过转接头相连；自由活塞膨胀/压缩机C(41)工质出口与中冷器(34)通过管路相连；中冷器(34)与天然气发电机组之间的空气管路通过三通接头相连，该三通接头的另一端与减压阀(15)相连；减压阀(15)布置在该三通接头与调压气缸进气总管之间的管路上；调压气缸C(39)与自由活塞膨胀/压缩机C(41)相连，三缸内压力传感器(40)设置在调压气缸C(39)一侧；
控制系统的连接关系是：第一位移传感器(13)一端与直线电机动子相连，另一端与控制模块(10)相连；电动阀一(5)一端设置在膨胀/压缩机主进气通路上三通接头与天然气主输气管道上三通接头之间，另一端与控制模块(10)相连；电动阀四(12)、电动阀五(14)一端均设置在主进气通路与膨胀/压缩机入口之间，另一端分别与控制模块(10)相连；电动阀三(11)、电动阀八(25)一端分别设置在中冷器(34)出口与调压气缸入口之间的管路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀七(21)、电动阀九(31)一端分别设置在膨胀/压缩机出口与主排气通路之间，另一端分别与控制模块(10)相连；电动阀六(20)、电动阀十四(47)分别设置在调压气缸的排气通路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十二(42)设置在膨胀/压缩机C进气通路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十(37)一端布置在中冷器入口与膨胀/压缩机排气口之间的管路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十一(38)、电动阀十三(43)分别布置在调压气缸入口和出口管路上，其另一端分别与控制模块(10)相连；中冷器出口天然气压力传感器(16)、中冷器出口天然气温度传感器(17)、中冷器出口天然气流量传感器(18)一端分别与中冷器出口管路相连，另一端分别与控制模块(10)相连；开关继电器(32)一端与电能存贮器(33)相连，另一端与直线电机B(35)相连；电动阀二(9)设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的天然气通路上；
旁路开关电磁阀(6)一端设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的三通接头管路上，另一端设置蒸汽加热器(3)、调压单元(4)之间的三通接头与电动阀一(5)之间管路上，旁路开关电磁阀(6)与控制模块(10)连接。
中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的空气通路上，中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)分别与控制模块(10)相连；
该系统经由一种自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的能量转化装置实现多机并联发电，其原动机(自由活塞膨胀/压缩机)主要由膨胀/压缩机和调压气缸两部分组成，该装置包括活塞杆(48)、气缸盖(49)、导向套I(50)、气缸筒(51)、活塞环(52)、气缸头(53)、导向套II(54)、调压缸前端盖(55)、活塞(56)、紧固螺母(57)、调压缸筒(58)、调压缸后端盖(59)及各类紧固螺栓。调压缸筒(58)通过两端的安装槽分别与气缸盖(49)和气缸头(53)连接；气缸盖(49)和气缸头(53)通过紧固螺栓连接；导向套I(50)和导向套II(54)分别安装在气缸盖(49)和气缸头(53)中；膨胀/压缩机活塞(56)通过紧固螺母(57)与活塞杆(48)连接；活塞杆(48)左端与直线电机相连；活塞杆(48)右端穿过安装在调压气缸前端盖(55)上的导向套I(50)，末端通过紧固螺母(57)与调压活塞(56)连接；调压缸筒(58)与调压缸前端盖(55)和调压缸后端盖(59)分别通过紧固螺栓连接。气缸盖(49)上留有4个相同尺寸的透气孔，避免在工作过程中膨胀/压缩机活塞(56)、气缸盖(49)、气缸筒(51)之间形成的密闭腔中压力过高，影响装置正常工作。当调压气缸进气阀打开时，调压气缸充入高压空气，由于阻力的作用自由活塞膨胀/压缩机的实际上下止点位置偏离其理论位置，调压缸后端盖(59)上预留有压力传感器接口便于检测缸内压力变化情况，通过将信号及时反馈给控制模块(10)，从而调整调压气缸进排气阀门的开度，为自由活塞膨胀/压缩机设置合适的膨胀/压缩比以满足天然气发电机组进气工况要求。
系统工作时，入口ESD阀(1)打开，控制模块(10)将电动阀一(5)、电动阀四(12)、电动阀九(31)、电动阀二(9)接通形成天然气通路，电动阀六(20)、电动阀十四(47)开启，此时调压气缸内部为大气压，其余阀门均呈关闭状态。高压天然气经进气总管及歧管进入自由活塞膨胀/压缩机A(22)，此时自由活塞膨胀/压缩机A(22)处于膨胀机工作模式，天然气压力能转化为活塞-电机动子组的机械能，推动其向右(膨胀/压缩机A下止点)运动。第一位移传感器(13)检测活塞-电机动子组位置，适时将电信号反馈到控制模块(10)。当膨胀/压缩机A(22)的活塞到达其实际下止点时，控制模块(10)控制电动阀五(14)、电动阀七(21)开启，电动阀四(12)、电动阀九(31)关闭。高压天然气进入自由活塞膨胀/压缩机B(24)推动活塞-动子组向左(膨胀/压缩机B下止点)运动，完成一个工作循环。在该工作过程中，直线电机A(23)动子做往复直线运动，切割磁感线产生电动势并通过滤波器I(27)、变流器(28)、滤波器II(29)、电量感应器(30)，最终将电能收集到电能存贮器(33)中，实现了天然气余压能到电能的转化。经自由活塞膨胀/压缩机-直线电机做功后，天然气压力降为符合天然气发电机组进气要求的压力范围，经排气总管及歧管流入中冷器，最终进入固定天然气发电机组。
所述方法中还包括增压系统，在余压回收系统工作的同时，控制模块(10)控制开关继电器(32)接通，并开启电动阀十二(42)。此时，电能存贮器(33)为直线电机B(35)供电。同时，电机控制器将直线电机B(35)调整为电动机模式，驱动自由活塞膨胀/压缩机C(41)活塞连杆组向右运动(膨胀/压缩机C上止点)，同时关闭电动阀十二(42)，对进入膨胀/压缩机C(41)的空气进行压缩。当活塞到达其实际上止点位置时，第二位移传感器(36)将信号反馈到控制模块(10)，电动阀十(37)打开，高压压缩空气进入中冷器(34)被做功后的低压、低温天然气冷却之后，分成两路分别流向调压气缸及固定天然气发电机组。
所述方法中还包括调压系统。在调压进气总管上装有进气压力传感器(44)，便于监测调压气缸空气入口压力，同时配合调节减压阀(15)使调压气缸进气压力保持在合理的范围。在排气总管上装有中冷器出口天然气压力传感器(16)，当检测到管路中的压力值小于等于300KPa时，电动阀三(11)、电动阀八(25)同时开启，高压压缩空气充入调压气缸A(45)、调压气缸B(46)，缸内压力迅速增大，增加了活塞-电机动子组往复运动的阻力，从而达到调节膨胀/压缩比的目的。安装在调压气缸A(45)、调压气缸B(46)两侧的第一缸内压力传感器(19)、第二缸内压力传感器(26)将信号反馈给控制模块(10)，通过及时合理的调节调压气缸进出口电动阀三(11)、电动阀八(25)、电动阀六(20)、电动阀十四(47)的开度，控制充入调压气缸的高压空气总量，能够有效的控制膨胀/压缩比，避免做功后的天然气压力大幅波动，实现余压发电的同时保证固定天然气发电机组进气压力稳定，同时其增压系统还能为天然气发电机组提供额外的压缩空气；电动阀三(11)、电动阀八(25)分别设置在调压气缸A(45)、调压气缸B(46)一侧；
当中冷器出口空气压力传感器(7)检测到中冷器出口空气工况不符合天然气发电机组增压进气要求时，电动阀十一(38)打开，调压气缸C(39)内部压力增大。第三缸内压力传感器(40)将信号反馈到控制模块(10)，通过合理的调节电动阀十一(38)、电动阀十三(43)的开度，为处于压缩模式的膨胀/压缩机C(41)设置合理的压缩比，能够有效的调节增压后的空气压力，以满足天然气发电机组增压系统的进气要求。中冷器天然气出口温度传感器(17)监测做功后的天然气经中冷器对增压空气冷却后的温度上升情况，通过调节系统中各自由活塞膨胀/压缩机出口电动阀的开度控制流入中冷器的天然气及压缩空气的流量，合理控制天然气发电机组的供气即天然气和压缩空气温度。
与现有的技术方案相比，本发明具有如下优点：
1.余压增压系统采用新型的自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的能量转化装置，其结构紧凑简单、机电一体化程度高、机械损失小，同时自由活塞膨胀/压缩机和直线电机均可根据系统的工作要求而灵活切换不同工作模式。该项技术的最大优点是其原动机(自由活塞膨胀/压缩机)的所有啮合副的润滑都采用自润滑，取消了现有容积式膨胀机中必不可少的润滑油系统。这样进一步扩大了分布式余热余压发电系统的利用范围，使之可以应用于那些不能受到污染的带压带温流体如用于天然气、各种烷烃以及其他有压化工产品的降压发电。
2.余压增压系统采用的自由活塞膨胀/压缩机作为容积式做功机械，没有水蚀的问题，因此对余热余压的品质没有要求，工作介质可以是气、汽，气、液或汽、液的混合物，极大地扩大了余热余压的利用范围。
3.余压增压系统直接将天然气发电机组输气管道中余压能转化为电能，并驱动增压装置为天然气发电机组及调压系统提供压缩空气，无需消耗额外的能量，大大降低了能耗，有益于天然气发电机组输出功率的提高。
4.余压增压系统的开启，调节，关闭可以实现远程自动化控制。通过调节调压气缸的缸内压力，可以为自由活塞膨胀/压缩机设置合理的膨胀/压缩比，进而可以灵活调节做功后的天然气压力及其增压后空气的压力波动，从而保证通过高余压增压系统获得满足天然气发电机组工作要求的进气。
附图说明
图1是固定天然气发电机组余压增压系统的示意图；
图2是自由活塞膨胀/压缩机的结构剖面图；
图中：1、入口ESD阀；2、过滤分离器；3、蒸汽加热器；4、调压单元；5、电动阀一；6、旁路开关电磁阀；7、中冷器空气出口温度传感器；8、中冷器空气出口压力传感器；9、电动阀二；10、控制模块；11、电动阀三；12、电动阀四；13、第一位移传感器；14、电动阀五；15、减压阀；16、中冷器出口天然气压力传感器；17、中冷器出口天然气温度传感器；18、中冷器出口天然气流量传感器；19、第一缸内压力传感器；20、电动阀六；21、电动阀七；22、自由活塞膨胀/压缩机A；23、直线电机A；24、自由活塞膨胀/压缩机B；25、电动阀八；26、第二缸内压力传感器；27、滤波器I；28、变流器；29、滤波器II；30、电量感应器；31、电动阀九；32、开关继电器；33、电能存储器；34、中冷器；35、直线电机B；36、第二位移传感器；37、电动阀十；38、电动阀十一；39、调压气缸C；40、第三缸内压力传感器；41、自由活塞膨胀/压缩机C；42、电动阀十二；43、电动阀十三；44、压力传感器；45、调压气缸A；46、调压气缸B；47、电动阀十四；48、活塞杆；49、气缸盖；50、导向套I；51、气缸筒；52、活塞环；53、气缸头；54、导向套II；55、调压缸前端盖；56、活塞；57、紧固螺母；58、调压缸筒；59、调压缸后端盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1-2所示，一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统，该系统主要包括余压回收系统、电路转换系统、增压系统和控制系统四部分；上述的余压回收系统包括过滤分离器(2)、蒸汽加热器(3)、调压单元(4)、自由活塞膨胀/压缩机A(22)、自由活塞膨胀/压缩机B(24)、直线电机A(23)以及相应的连接管路；上述电路转换系统包括滤波器I(27)、变流器(28)、滤波器II(29)、电量感应器(30)、电能存储器(33)以及相应的连接线路；上述增压系统包括直线电机B(35)、自由活塞膨胀/压缩机(41)、中冷器(34)、减压阀(15)以及相应的连接管路；上述控制系统包括电动阀(5、9、11、12、14、20、21、25、31、47、37、38、42、43)、入口ESD阀(1)、旁路开关电磁阀(6)、开关继电器(32)、控制模块(10)、中冷器出口天然气温度传感器(17)、中冷器出口天然气压力传感器(16)、中冷器出口天然气流量传感器(18)、第一位移传感器(13)、第二位移传感器(36)、缸内压力传感器(19、26、40)、中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)以及相应的连接线路。
上述固定天然气发电机组余压增压系统内各部件的连接关系是：
余压回收系统的连接关系是：天然气发电机组主输气管道上依次布置有入口ESD阀(1)、过滤分离器(2)、蒸汽加热器(3)，蒸汽加热器(3)与调压单元(4)之间的输气管路通过三通接头连接，该三通接头的另一端与电动阀一(5)相连，调压单元(4)的另一端与天然气发电机组进气系统相连。自由活塞膨胀/压缩机A(22)、自由活塞膨胀/压缩机B(24)的连杆分别与直线电机A(23)动子通过转接头相连。
电路转换系统的连接关系是：滤波器I(27)一端与直线电机A(23)相连，另一端与变流器(28)相连；变流器(28)与滤波器II(29)、电量感应器(30)、电能存储器(33)、开关继电器(32)通过连接线路依次相连。
增压系统的连接关系是：自由活塞膨胀/压缩机C(41)的活塞连杆组与直线电机B(35)动子通过转接头相连；自由活塞膨胀/压缩机C(41)工质出口与中冷器(34)通过管路相连；中冷器(34)与天然气发电机组之间的空气管路通过三通接头相连，该三通接头的另一端与减压阀(15)相连；减压阀(15)布置在该三通接头与调压气缸进气总管之间的管路上；调压气缸C(39)与自由活塞膨胀/压缩机C(41)相连，三缸内压力传感器(40)设置在调压气缸C(39)一侧；
控制系统的连接关系是：第一位移传感器(13)一端与直线电机动子相连，另一端与控制模块(10)相连；电动阀一(5)一端设置在膨胀/压缩机主进气通路上三通接头与天然气主输气管道上三通接头之间，另一端与控制模块(10)相连；电动阀四(12)、电动阀五(14)一端均设置在主进气通路与膨胀/压缩机入口之间，另一端分别与控制模块(10)相连；电动阀三(11)、电动阀八(25)一端分别设置在中冷器(34)出口与调压气缸入口之间的管路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀七(21)、电动阀九(31)一端分别设置在膨胀/压缩机出口与主排气通路之间，另一端分别与控制模块(10)相连；电动阀六(20)、电动阀十四(47)分别设置在调压气缸的排气通路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十二(42)设置在膨胀/压缩机C进气通路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十(37)一端布置在中冷器入口与膨胀/压缩机排气口之间的管路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十一(38)、电动阀十三(43)分别布置在调压气缸入口和出口管路上，其另一端分别与控制模块(10)相连；中冷器出口天然气压力传感器(16)、中冷器出口天然气温度传感器(17)、中冷器出口天然气流量传感器(18)一端分别与中冷器出口管路相连，另一端分别与控制模块(10)相连；开关继电器(32)一端与电能存贮器(33)相连，另一端与直线电机B(35)相连；电动阀二(9)设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的天然气通路上；
旁路开关电磁阀(6)一端设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的三通接头管路上，另一端设置蒸汽加热器(3)、调压单元(4)之间的三通接头与电动阀一(5)之间管路上，旁路开关电磁阀(6)与控制模块(10)连接。
中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的空气通路上，中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)分别与控制模块(10)相连；
该系统经由一种自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的能量转化装置实现多机并联发电，其原动机(自由活塞膨胀/压缩机)主要由膨胀/压缩机和调压气缸两部分组成，该装置包括活塞杆(48)、气缸盖(49)、导向套I(50)、气缸筒(51)、活塞环(52)、气缸头(53)、导向套II(54)、调压缸前端盖(55)、活塞(56)、紧固螺母(57)、调压缸筒(58)、调压缸后端盖(59)及各类紧固螺栓。调压缸筒(58)通过两端的安装槽分别与气缸盖(49)和气缸头(53)连接；气缸盖(49)和气缸头(53)通过紧固螺栓连接；导向套I(50)和导向套II(54)分别安装在气缸盖(49)和气缸头(53)中；膨胀/压缩机活塞(56)通过紧固螺母(57)与活塞杆(48)连接；活塞杆(48)左端与直线电机相连；活塞杆(48)右端穿过安装在调压气缸前端盖(55)上的导向套I(50)，末端通过紧固螺母(57)与调压活塞(56)连接；调压缸筒(58)与调压缸前端盖(55)和调压缸后端盖(59)分别通过紧固螺栓连接。气缸盖(49)上留有4个相同尺寸的透气孔，避免在工作过程中膨胀/压缩机活塞(56)、气缸盖(49)、气缸筒(51)之间形成的密闭腔中压力过高，影响装置正常工作。当调压气缸进气阀打开时，调压气缸充入高压空气，由于阻力的作用自由活塞膨胀/压缩机的实际上下止点位置偏离其理论位置，调压缸后端盖(59)上预留有压力传感器接口便于检测缸内压力变化情况，通过将信号及时反馈给控制模块(10)，从而调整调压气缸进排气阀门的开度，为自由活塞膨胀/压缩机设置合适的膨胀/压缩比以满足天然气发电机组进气工况要求。
固定天然气发电机组余压增压系统控制方法，系统工作时，入口ESD阀(1)打开，控制模块(10)将电动阀一(5)、电动阀四(12)、电动阀九(31)、电动阀二(9)接通形成天然气通路，电动阀六(20)、电动阀十四(47)开启，此时调压气缸内部为大气压，其余阀门均呈关闭状态。高压天然气经进气总管及歧管进入自由活塞膨胀/压缩机A(22)，此时自由活塞膨胀/压缩机A(22)处于膨胀机工作模式，天然气压力能转化为活塞-电机动子组的机械能，推动其向右(膨胀/压缩机A下止点)运动。第一位移传感器(13)检测活塞-电机动子组位置，适时将电信号反馈到控制模块(10)。当膨胀/压缩机A(22)的活塞到达其实际下止点时，控制模块(10)控制电动阀五(14)、电动阀七(21)开启，电动阀四(12)、电动阀九(31)关闭。高压天然气进入自由活塞膨胀/压缩机B(24)推动活塞-动子组向左(膨胀/压缩机B下止点)运动，完成一个工作循环。在该工作过程中，直线电机A(23)动子做往复直线运动，切割磁感线产生电动势并通过滤波器I(27)、变流器(28)、滤波器II(29)、电量感应器(30)，最终将电能收集到电能存贮器(33)中，实现了天然气余压能到电能的转化。经自由活塞膨胀/压缩机-直线电机做功后，天然气压力降为符合天然气发电机组进气要求的压力范围，经排气总管及歧管流入中冷器，最终进入固定天然气发电机组。
所述方法中还包括增压系统，在余压回收系统工作的同时，控制模块(10)控制开关继电器(32)接通，并开启电动阀十二(42)。此时，电能存贮器(33)为直线电机B(35)供电。同时，电机控制器将直线电机B(35)调整为电动机模式，驱动自由活塞膨胀/压缩机C(41)活塞连杆组向右运动(膨胀/压缩机C上止点)，同时关闭电动阀十二(42)，对进入膨胀/压缩机C(41)的空气进行压缩。当活塞到达其实际上止点位置时，第二位移传感器(36)将信号反馈到控制模块(10)，电动阀十(37)打开，高压压缩空气进入中冷器(34)被做功后的低压、低温天然气冷却之后，分成两路分别流向调压气缸及固定天然气发电机组。
所述方法中还包括调压系统。在调压进气总管上装有进气压力传感器(44)，便于监测调压气缸空气入口压力，同时配合调节减压阀(15)使调压气缸进气压力保持在合理的范围。在排气总管上装有中冷器出口天然气压力传感器(16)，当检测到管路中的压力值小于等于300KPa时，电动阀三(11)、电动阀八(25)同时开启，高压压缩空气充入调压气缸A(45)、调压气缸B(46)，缸内压力迅速增大，增加了活塞-电机动子组往复运动的阻力，从而达到调节膨胀/压缩比的目的。安装在调压气缸A(45)、调压气缸B(46)两侧的第一缸内压力传感器(19)、第二缸内压力传感器(26)将信号反馈给控制模块(10)，通过及时合理的调节调压气缸进出口电动阀三(11)、电动阀八(25)、电动阀六(20)、电动阀十四(47)的开度，控制充入调压气缸的高压空气总量，能够有效的控制膨胀/压缩比，避免做功后的天然气压力大幅波动，实现余压发电的同时保证固定天然气发电机组进气压力稳定，同时其增压系统还能为天然气发电机组提供额外的压缩空气；电动阀三(11)、电动阀八(25)分别设置在调压气缸A(45)、调压气缸B(46)一侧；
当中冷器出口空气压力传感器(7)检测到中冷器出口空气工况不符合天然气发电机组增压进气要求时，电动阀十一(38)打开，调压气缸C(39)内部压力增大。第三缸内压力传感器(40)将信号反馈到控制模块(10)，通过合理的调节电动阀十一(38)、电动阀十三(43)的开度，为处于压缩模式的膨胀/压缩机C(41)设置合理的压缩比，能够有效的调节增压后的空气压力，以满足天然气发电机组增压系统的进气要求。中冷器天然气出口温度传感器(17)监测做功后的天然气经中冷器对增压空气冷却后的温度上升情况，通过调节系统中各自由活塞膨胀/压缩机出口电动阀的开度控制流入中冷器的天然气及压缩空气的流量，合理控制天然气发电机组的供气即天然气和压缩空气温度。

Claims (6)

1.一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统，其特征在于：该系统主要包括余压回收系统、电路转换系统、增压系统和控制系统四部分；上述的余压回收系统包括过滤分离器(2)、蒸汽加热器(3)、调压单元(4)、自由活塞膨胀/压缩机A(22)、自由活塞膨胀/压缩机B(24)、直线电机A(23)以及相应的连接管路；上述电路转换系统包括滤波器I(27)、变流器(28)、滤波器II(29)、电量感应器(30)、电能存储器(33)以及相应的连接线路；上述增压系统包括直线电机B(35)、自由活塞膨胀/压缩机(41)、中冷器(34)、减压阀(15)以及相应的连接管路；上述控制系统包括电动阀(5、9、11、12、14、20、21、25、31、47、37、38、42、43)、入口ESD阀(1)、旁路开关电磁阀(6)、开关继电器(32)、控制模块(10)、中冷器出口天然气温度传感器(17)、中冷器出口天然气压力传感器(16)、中冷器出口天然气流量传感器(18)、第一位移传感器(13)、第二位移传感器(36)、缸内压力传感器(19、26、40)、中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)以及相应的连接线路；
上述固定天然气发电机组余压增压系统内各部件的连接关系是：
余压回收系统的连接关系是：天然气发电机组主输气管道上依次布置有入口ESD阀(1)、过滤分离器(2)、蒸汽加热器(3)，蒸汽加热器(3)与调压单元(4)之间的输气管路通过三通接头连接，该三通接头的另一端与电动阀一(5)相连，调压单元(4)的另一端与天然气发电机组进气系统相连；自由活塞膨胀/压缩机A(22)、自由活塞膨胀/压缩机B(24)的连杆分别与直线电机A(23)动子通过转接头相连；
电路转换系统的连接关系是：滤波器I(27)一端与直线电机A(23)相连，另一端与变流器(28)相连；变流器(28)与滤波器II(29)、电量感应器(30)、电能存储器(33)、开关继电器(32)通过连接线路依次相连；
增压系统的连接关系是：自由活塞膨胀/压缩机C(41)的活塞连杆组与直线电机B(35)动子通过转接头相连；自由活塞膨胀/压缩机C(41)工质出口与中冷器(34)通过管路相连；中冷器(34)与天然气发电机组之间的空气管路通过三通接头相连，该三通接头的另一端与减压阀(15)相连；减压阀(15)布置在该三通接头与调压气缸进气总管之间的管路上；调压气缸C(39)与自由活塞膨胀/压缩机C(41)相连，三缸内压力传感器(40)设置在调压气缸C(39)一侧；
控制系统的连接关系是：第一位移传感器(13)一端与直线电机动子相连，另一端与控制模块(10)相连；电动阀一(5)一端设置在膨胀/压缩机主进气通路上三通接头与天然气主输气管道上三通接头之间，另一端与控制模块(10)相连；电动阀四(12)、电动阀五(14)一端均设置在主进气通路与膨胀/压缩机入口之间，另一端分别与控制模块(10)相连；电动阀三(11)、电动阀八(25)一端分别设置在中冷器(34)出口与调压气缸入口之间的管路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀七(21)、电动阀九(31)一端分别设置在膨胀/压缩机出口与主排气通路之间，另一端分别与控制模块(10)相连；电动阀六(20)、电动阀十四(47)分别设置在调压气缸的排气通路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十二(42)设置在膨胀/压缩机C进气通路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十(37)一端布置在中冷器入口与膨胀/压缩机排气口之间的管路上，另一端与控制模块(10)相连；电动阀十一(38)、电动阀十三(43)分别布置在调压气缸入口和出口管路上，其另一端分别与控制模块(10)相连；中冷器出口天然气压力传感器(16)、中冷器出口天然气温度传感器(17)、中冷器出口天然气流量传感器(18)一端分别与中冷器出口管路相连，另一端分别与控制模块(10)相连；开关继电器(32)一端与电能存贮器(33)相连，另一端与直线电机B(35)相连；电动阀二(9)设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的天然气通路上；
旁路开关电磁阀(6)一端设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的三通接头管路上，另一端设置蒸汽加热器(3)、调压单元(4)之间的三通接头与电动阀一(5)之间管路上，旁路开关电磁阀(6)与控制模块(10)连接；
中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)设置在中冷器(34)与天然气发电机组之间的空气通路上，中冷器出口空气温度传感器(7)、中冷器出口空气压力传感器(8)分别与控制模块(10)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的增压系统，其特征在于：该系统经由一种自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的能量转化装置实现多机并联发电，其原动机(自由活塞膨胀/压缩机)主要由膨胀/压缩机和调压气缸两部分组成，该装置包括活塞杆(48)、气缸盖(49)、导向套I(50)、气缸筒(51)、活塞环(52)、气缸头(53)、导向套II(54)、调压缸前端盖(55)、活塞(56)、紧固螺母(57)、调压缸筒(58)、调压缸后端盖(59)及各类紧固螺栓；调压缸筒(58)通过两端的安装槽分别与气缸盖(49)和气缸头(53)连接；气缸盖(49)和气缸头(53)通过紧固螺栓连接；导向套I(50)和导向套II(54)分别安装在气缸盖(49)和气缸头(53)中；膨胀/压缩机活塞(56)通过紧固螺母(57)与活塞杆(48)连接；活塞杆(48)左端与直线电机相连；活塞杆(48)右端穿过安装在调压气缸前端盖(55)上的导向套I(50)，末端通过紧固螺母(57)与调压活塞(56)连接；调压缸筒(58)与调压缸前端盖(55)和调压缸后端盖(59)分别通过紧固螺栓连接；气缸盖(49)上留有4个相同尺寸的透气孔，避免在工作过程中膨胀/压缩机活塞(56)、气缸盖(49)、气缸筒(51)之间形成的密闭腔中压力过高，影响装置正常工作；当调压气缸进气阀打开时，调压气缸充入高压空气，由于阻力的作用自由活塞膨胀/压缩机的实际上下止点位置偏离其理论位置，调压缸后端盖(59)上预留有压力传感器接口便于检测缸内压力变化情况，通过将信号及时反馈给控制模块(10)，从而调整调压气缸进排气阀门的开度，为自由活塞膨胀/压缩机设置合适的膨胀/压缩比以满足天然气发电机组进气工况要求。
3.固定天然气发电机组余压增压系统控制方法，其特征在于：系统工作时，入口ESD阀(1)打开，控制模块(10)将电动阀一(5)、电动阀四(12)、电动阀九(31)、电动阀二(9)接通形成天然气通路，电动阀六(20)、电动阀十四(47)开启，此时调压气缸内部为大气压，其余阀门均呈关闭状态；高压天然气经进气总管及歧管进入自由活塞膨胀/压缩机A(22)，此时自由活塞膨胀/压缩机A(22)处于膨胀机工作模式，天然气压力能转化为活塞-电机动子组的机械能，推动其向右(膨胀/压缩机A下止点)运动；第一位移传感器(13)检测活塞-电机动子组位置，适时将电信号反馈到控制模块(10)；当膨胀/压缩机A(22)的活塞到达其实际下止点时，控制模块(10)控制电动阀五(14)、电动阀七(21)开启，电动阀四(12)、电动阀九(31)关闭；高压天然气进入自由活塞膨胀/压缩机B(24)推动活塞-动子组向左(膨胀/压缩机B下止点)运动，完成一个工作循环；在该工作过程中，直线电机A(23)动子做往复直线运动，切割磁感线产生电动势并通过滤波器I(27)、变流器(28)、滤波器II(29)、电量感应器(30)，最终将电能收集到电能存贮器(33)中，实现了天然气余压能到电能的转化；经自由活塞膨胀/压缩机-直线电机做功后，天然气压力降为符合天然气发电机组进气要求的压力范围，经排气总管及歧管流入中冷器，最终进入固定天然气发电机组。
4.根据权利要求3所述的固定天然气发电机组余压增压系统控制方法，其特征在于：所述方法中还包括增压系统，在余压回收系统工作的同时，控制模块(10)控制开关继电器(32)接通，并开启电动阀十二(42)；此时，电能存贮器(33)为直线电机B(35)供电；同时，电机控制器将直线电机B(35)调整为电动机模式，驱动自由活塞膨胀/压缩机C(41)活塞连杆组向右运动(膨胀/压缩机C上止点)，同时关闭电动阀十二(42)，对进入膨胀/压缩机C(41)的空气进行压缩；当活塞到达其实际上止点位置时，第二位移传感器(36)将信号反馈到控制模块(10)，电动阀十(37)打开，高压压缩空气进入中冷器(34)被做功后的低压、低温天然气冷却之后，分成两路分别流向调压气缸及固定天然气发电机组。
5.根据权利要求3所述的固定天然气发电机组余压增压系统控制方法，其特征在于：所述方法中还包括调压系统；在调压进气总管上装有进气压力传感器(44)，便于监测调压气缸空气入口压力，同时配合调节减压阀(15)使调压气缸进气压力保持在合理的范围；在排气总管上装有中冷器出口天然气压力传感器(16)，当检测到管路中的压力值小于等于300KPa时，电动阀三(11)、电动阀八(25)同时开启，高压压缩空气充入调压气缸A(45)、调压气缸B(46)，缸内压力迅速增大，增加了活塞-电机动子组往复运动的阻力，从而达到调节膨胀/压缩比的目的；安装在调压气缸A(45)、调压气缸B(46)两侧的第一缸内压力传感器(19)、第二缸内压力传感器(26)将信号反馈给控制模块(10)，通过及时合理的调节调压气缸进出口电动阀三(11)、电动阀八(25)、电动阀六(20)、电动阀十四(47)的开度，控制充入调压气缸的高压空气总量，能够有效的控制膨胀/压缩比，避免做功后的天然气压力大幅波动，实现余压发电的同时保证固定天然气发电机组进气压力稳定，同时其增压系统还能为天然气发电机组提供额外的压缩空气；电动阀三(11)、电动阀八(25)分别设置在调压气缸A(45)、调压气缸B(46)一侧。
6.根据权利要求3所述的固定天然气发电机组余压增压系统控制方法，其特征在于：当中冷器出口空气压力传感器(7)检测到中冷器出口空气工况不符合天然气发电机组增压进气要求时，电动阀十一(38)打开，调压气缸C(39)内部压力增大；第三缸内压力传感器(40)将信号反馈到控制模块(10)，通过合理的调节电动阀十一(38)、电动阀十三(43)的开度，为处于压缩模式的膨胀/压缩机C(41)设置合理的压缩比，能够有效的调节增压后的空气压力，以满足天然气发电机组增压系统的进气要求；中冷器天然气出口温度传感器(17)监测做功后的天然气经中冷器对增压空气冷却后的温度上升情况，通过调节系统中各自由活塞膨胀/压缩机出口电动阀的开度控制流入中冷器的天然气及压缩空气的流量，合理控制天然气发电机组的供气即天然气和压缩空气温度。
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