CN105736216B - 利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，包括：一利用地层压能发电的装置，包括一单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构、一过滤分离缓冲器、一多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、一高背压天然气轮机及二发电机；以及一利用剩余压能发电的装置，包括并列连接于来自上级站高压出气口的的活塞式单冲程天然气动机组及活塞式二冲程天然气动机组；本发明可以利用开采石油天然气的过程中地层所释放出的压能以及天然气输送到集气输气站、下级站、分支站、末站所剩余的压能来做功发电。

Description

利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置

技术领域

本发明涉及石油天然气开采、管道输送以及汽轮机发电，特别涉及一种利用地层压力能，在开采地下石油天然气的过程中将地层压力能转化成机械能的发电装置。

背景技术

目前，石油天然气开采、石油天然气管道输送、汽轮机发电在制造、工艺、运行、自控等方面都有成熟完善的技术，但是，三项技术结合高效利用的技术仍属空白。三项技术分属开采、管输、发电三个领域，处在各自分管单打独斗状态。石油天然气领域，不但是一个电能消耗大户，而且还将石油天然气开采过程中的地层压力能、输送过程中的剩余压力能被无为的消耗和浪费。汽轮机发电动能来自煤的燃烧把水加热成蒸汽，用蒸汽推动汽轮机发电，这过程复杂，还给环境带来危害。

天然气、石油、水蕴藏在地层中蓄积着极大的能量。在开采时，石油天然气从井口喷出具有极高的压力和流量，而这个压力与流量所赋予的能量一直被人们所忽视。就天然气、石油开采和利用而言，目前人们只关注它们的化学能量，并无关注到它与生俱来的自然压力能以及利用，却将这个自然压力能无为地消耗在限流喷嘴、限流孔板、减压阀及减压装置上。石油天然气在长输过程中压头将消耗殆尽，为了保证输送量，不得不逐级增压输送。因此，在石油天然气从上级站输到下级站、分支站、末站时总是剩余着很高的压能，如果从上级站到下级站不是采用“从泵到泵”、“从机到机”的输送工艺流程，就总会有剩余压能被浪费。天然气从上级站输送到分支站或末站再到用户及城市天然气管网，剩余压能被无奈地消耗在减压装置上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置及发电工艺，使其可以利用开采石油天然气的过程中地层所释放出的压能以及天然气输送到集气输气站、下级站、分支站、末站所剩余的压能来做功发电。

为实现上述目的，本发明提供一种利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，包括：

一利用地层压能发电的装置，包括一单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构、一过滤分离缓冲器、一多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、一高背压天然气轮机及二发电机；其中，单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构、多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、过滤分离缓冲器及高背压天然气轮机顺序连接，二发电机分别连接于多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机及高背压天然气轮机；以及

一利用剩余压能发电的装置，包括并列连接于来自上级站高压出气口的的活塞式单冲程天然气动机组及活塞式二冲程天然气动机组；活塞式单冲程天然气动机组包括过滤分离缓冲器、进气转速调谐阀、活塞式单冲程天然气动机及发电机，四者顺序连接；活塞式二冲程天然气动机组包括过滤分离缓冲器、进气转速调谐阀、活塞式二冲程天然气动机及发电机，四者顺序连接。

其中，多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机包括：分流板及装配用转子轴临时支架，中间入口段壳体，左、右出口段壳体，子口法兰，轴承支撑架，入口法兰，出口法兰；左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮，左、右旋换向离心叶轮；转子轴，一、二级机械密封，轴承，联轴器；泄漏气集气罩室；阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统；泄漏气压传感器及报警监控系统。

其中，该多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，其中间入口段壳体，左、右出口段壳体组成三段体壳体；中间入口段壳体是机体的支架段壳体，以中心切面对称，其中部是螺旋涡壳，螺旋涡壳向两侧开放延伸出筒状壳体；在左、右筒状壳体两端一体制造有用于壳体连接的子口法兰；在螺旋涡壳内部中心切面上一体制造有分流板，也兼做转子轴装配用的临时支架来使用；在螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向入口及管道连接法兰；左、右出口段壳体相互对称，是向左、右一侧开放的螺旋涡壳，在开放一侧均制造有用于壳体连接的子口法兰；在左、右螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向出口及管道连接法兰；在左、右螺旋涡壳的外侧轴孔同心的安装着泄漏气集气罩室；在左、右出口段壳体的外侧在延伸了安装泄漏气集气罩室的空间后还一体制造有转子轴轴承支架；子口法兰使三段体连接成一个完整壳体。

其中，该多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，其转子为左、右对称分立体：由转子轴、叶轮组成；叶轮分为两段：一段为左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮，另一段是左、右旋换向离心叶轮，同是耐磨钢铸造或焊接而成的(厚重)结构体；两种叶轮左旋与左旋、右旋与右旋搭配，分别套装在对称的转子轴左、右两端，利用键槽配合和轴向锁紧螺母压紧固定在转子轴上；在叶轮制造以及安装时，筒状体内的左、右旋多头螺旋板与左、右旋换向离心叶轮中的叶片圆滑过度对接在一起，多头螺旋筒状体叶轮中的螺旋板的头数与换向叶轮中叶片的数量比例关系是1：n(n≧2)。

其中，该多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，其密封为两级减压机械密封：在转子轴与左、右出口段壳体轴孔、泄漏气集气罩室轴孔之间均采用机械密封，一级机械密封动环套装固定在转子轴上，其定环轴孔同心的安装固定在左、右出口段壳体内侧；二级机械密封动环套装固定在露出左、右出口段壳体的转子轴上，其定环安装固定在泄漏气集气罩室内侧，再将泄漏气集气罩室安装在左、右出口段壳体的外侧，轴孔同心；泄漏气集气罩室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统，并将泄漏的天然气用管道引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点放空；一级机械密封承受的压力为做功介质的压力为井口压力，二级密封承受的压力为阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所设定的排放压力，以此实现两级减压密封。

其中，该多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，其装配为将转子轴穿过中间入口段壳体，并固定在分流板及装配用转子轴临时支架上，在转子轴的左、右两端依次套装固定左、右旋多头螺旋板叶轮，左、右旋换向离心叶轮，一级机械密封的动环，左、右出口段壳体，二级机械密封动环、泄漏气集气罩室，轴承，调整紧固子口法兰，拆除转子轴临时支架上的固定支撑而成；装配完成后转子与壳体的对应位置是：左、右旋离心叶轮的出口中心与左、右出口段的切向出口及管道连接法兰的中心在同一个切面上。

其中，该高背压天然气轮机包括：分流板及装配用临时轴支架，中间入口段壳体，左、右出口段壳体，子口法兰，轴承支架，入口法兰，出口法兰，多级左、右旋导叶；多级左、右旋叶轮，左、右旋换向离心叶轮；转子轴，一、二级机械密封，轴承，联轴器；泄漏气集气罩室；阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统；泄漏气压力传感器及报警监控系统。

其中，该高背压天然气轮机，其中间入口段壳体，左、右出口段壳体组成三段体壳体；中间入口段壳体是机体的支架段壳体，以中心切面对称，其中部是螺旋涡壳，螺旋涡壳向两侧开放延伸出筒状壳体；在左、右筒状壳体两端一体制造有用于壳体连接的子口法兰；在螺旋涡壳内部中心切面上一体制造有分流板，也兼做转子轴装配用的临时支架来使用；在螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向入口及管道连接法兰；在左、右筒状壳体内安装有左、右旋多级导叶，利用导叶外缘宽边相互咬合、子口法兰轴向压紧固定在筒状壳体中；左、右出口段壳体相互对称，是向左、右一侧开放的螺旋涡壳，在开放一侧均制造有用于壳体连接的子口法兰；在左、右螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向出口及管道连接法兰；在左、右螺旋涡壳的外侧轴孔同心的安装着泄漏气集气罩室；在左、右出口段壳体的外侧在延伸了安装泄漏气集气罩室的空间后还一体制造有转子轴轴承支架；子口法兰使三段体连接成一个完整壳体，并同时压紧固定导叶。

其中，该高背压天然气轮机，其转子为左、右对称分立体：由转子轴、叶轮组成；叶轮分成两种：一种是左、右旋多级叶轮；另一种是左、右旋换向离心叶轮；两种叶轮左旋与左旋、右旋与右旋搭配，分别套装在对称的转子轴左、右两端，利用键槽配合和叶轮内缘宽边相互咬合锁紧螺母轴向压紧固定在转子轴上。

其中，该高背压天然气轮机，其密封为两级减压机械密封：在转子轴与左、右出口段壳体轴孔、泄漏气集气罩室轴孔之间均采用机械密封，一级机械密封动环套装固定在转子轴上，其定环轴孔同心的安装固定在左、右出口段壳体内侧；二级机械密封动环套装固定在露出左、右出口段壳体的转子轴上，其定环安装固定在泄漏气集气罩室内侧，再将泄漏气集气罩室安装在左、右出口段壳体的外侧，轴孔同心；泄漏气集气罩室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统，并将泄漏的天然气用管道引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点放空；一级机械密封承受的压力为做功介质的压力为井口压力，二级密封承受的压力为阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所设定的排放压力，以此实现两级减压密封。

其中，该高背压天然气轮机，其装配为将转子轴穿过中间入口段壳体，并固定在分流板及装配用转子轴临时支架上，在转子轴的左、右两端依次、交替套装左、右旋1级导叶并固定在中间入口段向两侧开放延伸的筒状壳体中，左、右旋1级叶轮并固定在转子轴上，左、右旋2级导叶、左、右旋2级叶轮至左、右旋末级叶轮，左、右旋末级导叶，左、右旋换向离心叶轮，一级机械密封的动环，左、右出口段壳体，二级机械密封动环，泄漏气集气罩室，轴承，调整紧固子口法兰，拆除转子轴临时支架上的固定支撑而成；装配完成后转子与壳体的对应位置是：左、右旋离心叶轮的出口中心与左、右出口段的切向出口及管道连接法兰的中心在同一个切面上。

其中，该活塞式单冲程气动机包括：曲轴连杆飞轮及发电机，配气传动机构，滑阀杆前一、二、三级气封及集气罩室，滑阀杆后集气罩室，一级气封泄漏气排气管，二级气封泄漏气排气管，进气口，出气口，活塞，活塞杆，滑阀及滑阀杆，活塞杆一、二、三级气封及集气罩室，泄漏气压力传感器及报警监控系统，阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统。

其中，该活塞式单冲程气动机，其密封为三级减压密封：在蒸汽机原有本体气封基础上增加滑阀杆前二、三级气封及泄漏气集气罩室、滑阀杆后集气罩室、活塞杆二、三级气封及泄漏气集气罩室，在滑阀杆后集气罩室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统；用一级气封泄漏气排气管将滑阀杆前、后端、活塞杆的一级气封及泄漏气集气罩室串联一同与出气口相连接，从而与用户及城市天然气管网相连接；用二级气封泄漏气排气管将滑阀杆前端、活塞杆的二级气封及泄漏气集气罩室串联一同接入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点放空；一级气封承受的压力是做功介质的压力，二级气封承受的压力是用户及城市天然气管网的压力，三级气封承受的压力是阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的压力，以此实现三级减压密封。

其中，该活塞式单冲程气动机，其气封的装配为滑阀杆前二、三级气封及泄漏气集气罩室、滑阀杆后集气罩室、活塞杆二、三级气封及泄漏气集气罩室，各自用子口法兰双层叠压紧固到原有本体气封的外侧部位及缸体上；滑阀进、排气配气时间为：活塞自上止点下行至X/2度时，滑阀进气口开启并≥160度关闭，间隔X/2度活塞到下止点，活塞自下止点上行至X/2度时，滑阀排气口开启并≥160度关闭，间隔X/2度活塞到上止点，活塞自上止点下行至X/2度时，滑阀进气口开启并≥160度关闭，以此周而复始。

其中，该活塞式二冲程气动机包括曲轴箱室，缸体，缸盖，气门室，配气传动机构室，外置式进气门，内置式排气门，正时齿轮，从动轮及配气传动机构，气门及配气机构，高压进气口，高压出气口，泄漏气压力传感器及警监控系统，四室低压泄漏气排气口，四室通油通气均压孔，1、2级曲轴机械密封及集气罩室，润滑油泵，曲轴连杆机构，发电机，阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统；其结构中无冷却系统；进气门为外置式、排气门为内置式，进、排气门的开启方向都是迎着做工介质的高压一侧；在曲轴输出力轴端部有两级机械密封及泄漏气集气罩室；在曲轴的另一端设置了配气机构传动室；在机体上设置了均压通油通气孔，并用均压通油通气孔将曲轴箱室、配气机构传动室、气门室、一级机械密封及泄漏集气罩室四室连通。

其中，该活塞式二冲程气动机，其密封为两级减压机械密封，在泄漏气集气罩室轴孔之间采用两级机械密封：一级机械密封动环套装固定在曲轴输出轴上，其定环轴孔同心的安装固定在一级泄漏气集气罩室的内侧；二级机械密封动环套装固定在露出一级泄漏气集气罩室的曲轴输出轴上，其定环安装固定在二级泄漏气集气罩室内侧；一、二级机械密封及泄漏气集气罩室均用子口法兰双层叠压紧固到曲轴输出力轴端部的缸体上；在与一级泄漏气集气罩室连通的气门室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统，并将泄漏的天然气用管道接入用户及城市天然气管网中；在二级泄漏气集气罩室上接有管道将泄漏的天然气引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点放空；一级机械密封承受的压力为用户及城市天然气管网的压力，二级机械密封承受的压力为阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的排放压力，以此实现两级减压机械密封。

其中，该活塞式二冲程气动机，其配气时间为：活塞自下止点上行，排气门开启180度至上止点关闭；活塞自上止点下行，间隔X度，进气门开启并≥160度后关闭，间隔X度，活塞自下止点上行，排气门开启180度至上止点关闭，以此周而复始。

其中，该活塞式二冲程气动机，其润滑方式为飞溅和润滑油泵供油结合润滑；润滑油泵为面向正时齿轮与从动轮啮合部位一侧开放的汇油壳体，将壳体开口一侧对准并包含两齿轮啮合部位固定在气缸壳体上，汇聚正时齿轮与从动轮啮合挤压出的油流，并用油管供向各个润滑点。

其中，单进双出式转速调谐阀及控速联运执行机构包括：单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构；其单进双出式转速调谐阀包括阀门壳体，阀座，阀杆，一体双向阀瓣，阀杆密封，入口及法兰，左出口及法兰，右出口及法兰；控速联动执行机构由执行机构包括壳体，控制电机，电机轴及蜗杆，蜗轮，阀杆传动齿条；单进双出式转速调谐阀及控速联运执行机构的装配为阀杆与阀杆传动齿条一体制造或安装固定为一体；单进双出式转速调谐阀与控速联运执行机构的两壳体以螺纹定位连接，然后装配控制电机，电机轴及蜗杆，蜗轮而成；当石油天然气轮机转速增高时，测速联动执行机构将反向推动阀杆把用于做功一路的通道关小，同时把支流一路通道开大；当转速降低时，测速联动执行机构将正向推动阀杆把用于做功一路的通道开大，同时把支流一路通道减小；两个出口通道在测速联动执行机构的控制下做着一开一关的相逆运动，控速联运执行机构的驱动为双电机蜗轮蜗杆驱动齿条的传动机构，以增大控制力；改变控制电机的转向即刻改变调谐阀的双出口开或关，以此实现控制流量、控制转速。

为实现上述目的，本发明还提供一种应用上述发电装置发电的工艺：利用石油天然气开采时喷出井口的天然气、石油及水混合相介质流量和传递出的地层压能，在单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构的控制下，先推动多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机做功发电，发电后的混合相介质经过滤分离缓冲器得到天然气气相介质，再推动高背压天然气轮机做功发电；发电后的天然气气相介质进入集气输气站再输送到下级站、分支站及末站；利用天然气输送到分支站及末站时所具有的剩余压能在进气转速调谐阀的控制下，再推动活塞式单冲程天然气动机、活塞式二冲程天然气动机做功发电，做功减压后得到的低压天然气再供给用户及城市天然气管网。

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种利用石油天然气开采时传递出的地层压力能来推动石油天然气轮机、利用天燃气从上级站输送到下级站、分支站、末站剩余压力能推动活塞式天然气动机做功发电的装置。

本发明主要由过虑分离缓冲器，单进双出式(转速)调谐阀及控速联动执行机构，进气(转速)调谐阀，石油天然气轮机：多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、高背压天然气轮机，活塞式天然气动机：活塞式单冲程天然气动机、活塞式二冲程天然气动机，发电机，阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统，泄漏气压力传感器及报警监控系统组成。井口喷出的高、中压石油天然气混合相介质经单进双出式(转速)调谐阀进入多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、高中压天然气介质经单进双出式(转速)调谐阀及控速联动执行机构进入高背压天然气轮机推动转子对外做功发电；高、中压天然气经进气(转速)调谐阀进入活塞式单行程气动机或活塞式二冲程气动机推动活塞对外做功发电,做功发电后的天然气得到减压再输向集气输气站、下级站、分支站、末站、用户及天然气城市管网。实现了石油天然气地层压能转化为电能、天然气输送到集气输气站、下级站、分支站、末站剩余压能转化为电能，高、中压石油天然气流态减压，高、低压隔离、限流、计量、输送和节能环保的目的。

本发明装置于使用时，将井口开采时喷出的高、中压天然气、石油、水及其混合相介质全部经单进双出式(转速)调谐阀及控速联动执行机构引入多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，利用高、中压混合相介质的高速流动来推动多头螺旋板离心叶轮转子做功发电，称为前置发电机组。前置发电机组做功后的高、中压混合相介质经过虑分离缓冲器将高、中压天然气分离出来，再将高、中压天然气经单进双出式(转速)调谐阀及控速联动执行机构引入高背压天然气轮机，利用高、中压天然气介质的高速流动推动高背压天然气轮机的转子对外做功发电，称为后置发电机组。把后置发电机组做功后的天然气再输送到集气输气站。将集气输气站输送到分支站以及末站的天然气经进气(转速)调谐阀引入活塞式单冲程天然气动机、活塞式二冲程天然气动机，利用集气输气站输送到分支站以及末站时天然气剩余的压力推动活塞对外做功发电，称为末级发电机组。经过末级发电机组减压得到适合用户及城市天然气管网需要的低压天然气供向用户或市民。

一般情况下，前置发电机组和后置发电机组以及末级发电机组在工艺流程中同步运行，它们各自有着独立的流量控制和电控系统，构成完整的发电装置。前、后置发电机组以及末级发电机组也可以在工艺流程中独立运行，各自构成独立的发电装置。末级发电机组可根据用户及城市天然气管网压力、流量的要求选用多台活塞式单冲程、二冲程气动机发电机组并列运行，构成一个多机组发电装置。

本发明的有益效果及可行性详述如下：

本发明对地层中与生俱来的自然压能做了充分利用，既生产、输送石油天然气又完成发电；对输送过程中的剩余压能做了充分利用，既保证向用户及城市天然气管网供气又完成发电。

1、多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机主要由壳体、转子、机械密封、泄漏气集气罩室、轴承、阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统、泄漏气压力传感器及报警监控系统等部件组成。其壳体是三段体：中间入口段壳体，左、右出口段壳体。中间入口段壳体是机体的支架段壳体，以中心切面对称；中间入口段壳体的中部是螺旋涡壳，螺旋涡壳向两侧开放延伸出筒状壳体；在左、右筒状壳体两端一体制造有与左、右出口段壳体连接的子口法兰；在螺旋涡壳内部中心切面上一体制造有分流板，也兼做转子轴装配用的临时支架来使用；在螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向入口及管道连接法兰。左、右出口段壳体相互对称，是向一侧开放的螺旋涡壳，在开放一侧制造有与中间入段壳体连接的子口法兰；在螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向出口及管道连接法兰；在左、右出口段螺旋涡壳的外侧在延伸了安装泄漏气集气罩室的空间后还一体制造有转子轴轴承支架。子口法兰使三段体连接成一个完整壳体。其转子由转子轴和叶轮组成，叶轮是用耐磨钢铸造或焊接机加工而成的厚重体结构，分为两段：一段为多头螺旋板筒状体叶轮，另一段是换向离心叶轮；多头螺旋板叶轮、换向离心叶轮均有左、右旋两种；在叶轮制造以及安装时，筒状体内的多头螺旋板与换向离心叶轮中的叶片圆滑过度对接在一起，多头螺旋筒状体叶轮中的螺旋板的头数与换向叶轮中叶片的数量关系是1：n≧2，两种叶轮左旋与左旋、右旋与右旋搭配分别套装在中心对称的转子轴左、右两侧，利用键槽配合和轴向锁紧螺母压紧固定在转子轴上。在左、右出口段壳体的外侧轴孔同心的安装着泄漏气集气罩室。转子轴与左、右出口段壳体轴孔、泄漏气集气罩室轴孔之间的密封均采用机械密封：一级机械密封其动环套装固定在转子轴上，定环轴孔同心的安装固定在左、右出口段壳体内侧；二级机械密封其动环套装固定在露出左、右出口段壳体的转子轴上，定环轴孔同心的安装固定在泄漏气集气罩室内侧。泄漏气集气罩室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统,并将泄漏的天然气用管道引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点排放。在运行中，一级机械密封承受的压力为做功介质的压力即井口压力；二级机械密封承受的压力为一级机械密封泄漏所产生的压力，也就是阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的压力，从而实现分级减压密封。

装配：先将转子轴穿过中间入口段壳体，并固定在分流板及装配用转子轴临时支架上，在转子轴的左、右两端依次套装固定左、右旋多头螺旋板叶轮，左、右换向离心叶轮，一级机械密封的动环，左、右出口段壳体，二级机械密封动环，左、右泄漏气集气罩室，轴承，调整紧固子口法兰，拆除转子轴临时支架上的固定支撑即成。装配完成后转子与壳体的对应位置是：左、右旋离心叶轮的出口中心与左、右出口段的切向出口及管道连接法兰的中心在同一个切面上。

做功原理：从井口喷出的高、中压天然气、石油及水混合相介质经管道从中间入口段管道连接法兰进入中间入口段的螺旋涡壳，被分流板分成左右两股，同时进入左、右旋多头螺旋板叶轮、左、右旋换向离心叶轮，推动转子产生动能，然后从左、右出口段壳体的螺旋涡壳出口排出机体，从而完成做功过程。混合相介质在流经转子时不断对多头螺旋板摩擦和冲击，在多头螺旋板上产生巨大推力。带有多头螺旋板的筒状体叶轮增长了混合相介质流经转子的路径、增加了阻力，从而延长了天然气、石油及水混合相介质作用在转子螺旋板上的时间，并以此获取动能；换向离心叶轮在改变介质流向的同时又获取了介质的换向能，使得天然气、石油及水混合相介质的压力能最大程度地转化为了机械能。

多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机的扩展应用：多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机综合了轴流机、离心泵的优特点，其转子结构是厚重型耐磨钢制造而成，对工况介质毫不挑剔具有很强的适应性，不但适应气、液相混合介质，而且还适应于含有悬浮固体颗粒的三相混合相介质，可做为高落差水利发电装置中的水轮机使用。轴承在机体的外部，避免了高压做功介质的侵害，更适宜冷却和润滑。

2、高背压天然气轮机主要由壳体、导叶、转子、机械密封、泄漏气集气罩室、轴承、阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统、泄漏气压力传感器及报警监控系统等部件组成。其壳体是三段体：中间入口段壳体，左、右出口段壳体。中间入口段壳体是机体的支架段壳体，以中心切面对称；中间入口段的中部是螺旋涡壳，螺旋涡壳向两侧开放延伸出筒状壳体；在左、右筒状壳体两端一体制造有与左、右出口段壳体连接的子口法兰；在螺旋涡壳内部中心切面上一体制造有分流板，也兼做转子轴装配用的临时支架来使用；在螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向入口及管道连接法兰；在左、右筒状壳体内安装有导叶,导叶的静叶栅分为左、右旋向，因此有左、右旋导叶之分，利用导叶外缘宽边相互咬合由子口法兰轴向压紧固定在筒状壳体中。左、右出口段壳体相互对称，是向一侧开放的螺旋涡壳，在开放一侧制造有与中间入口段壳体连接的子口法兰；在螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向出口及管道连接法兰；在左、右出口段壳体的外侧轴孔同心的安装着泄漏气集气罩室；在左、右出口段壳体的外侧在延伸了安装泄漏气集气罩室的空间后还一体制造有转子轴轴承支架。子口法兰使三段体连接成一个完整壳体，同时压紧导叶。其转子由转子轴和叶轮组成；叶轮分成两种：一种是多级叶轮，多级叶轮的动叶栅分为左、右旋向，因此多级叶轮有左、右旋之分；另一种是换向离心叶轮，也是转子的末级叶轮，换向离心叶轮也有左旋、右旋之分；左旋多级叶轮与左旋换向离心叶轮、右旋多级叶轮与右旋换向离心叶轮配合分别套装在左、右对称的转子轴的两端，利用键槽配合和叶轮内缘宽边相互顶靠，锁紧螺母轴向压紧固定在转子轴上。泄漏气集气罩室安装在左、右出口段壳体的外侧，轴孔同心。转子轴与左、右出口段壳体轴孔、泄漏气集气罩室轴孔之间均采用机械密封：一级机械密封其动环套装固定在转子轴上，定环轴孔同心的安装固定在左、右出口段壳体内侧；二级机械密封其动环套装固定在转子轴上，定环轴孔同心的安装固定在泄漏气集气罩室内侧。泄漏气集气罩室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统,并将泄漏的天然气用管道引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点排放。在运行中一级机械密封承受压力为做功介质的压力即经多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机做功后的天然气压力，二级机械密封承受压力为一级机械密封泄漏所产生的压力，也就是阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的压力，从而实现了分级减压密封。

装配：将转子轴穿过中间入口段壳体，并固定在分流板及装配用转子轴临时支架上，在转子轴的左、右两端依次、交替套装左、右旋1级导叶并固定在中间入口段向两侧开放延伸的筒状壳体中，左、右旋1级叶轮并固定在转子轴上，左、右旋2级导叶、左、右旋2级叶轮……以此类推，最后装入左、右旋末级叶轮，左、右旋末级导叶，左、右换向离心叶轮，一级机械密封的动环，左、右出口段壳体，二级机械密封动环，左、右泄漏气集气罩室，左、右轴承，调整紧固子口法兰，拆除转子轴临时支架上的固定支撑即成。装配完成后转子与壳体的对应位置是：左、右旋离心叶轮的出口中心与左、右出口段的切向出口及管道连接法兰的中心在同一个切面上。

做功原理：高、中压天然气由中间入口段管道连接法兰进入中间入口段的螺旋涡壳，被分流板分成左、右两股同时进入左、右筒体，气流经1级导叶静叶栅变向冲动一级叶轮动叶栅，1级叶轮的排气进入2级导叶，又经2级导叶静叶栅变向再冲动2级叶轮动叶栅,2级叶轮的排气进入3级导叶……，以此类推，最后从末级导叶冲出的气流经换向离心叶轮换向分别从左、右出口段壳体的螺旋涡壳出口排出机体，从而完成做功过程。天然气在流经导叶和叶轮时不断被多级导叶静叶栅调向冲击多级叶轮动叶栅生成了巨大推力，多级叶轮分级获取天然气介质携带的压力能和换向能，换向离心叶轮在改变介质流向的同时也获取了介质的换向能，使得天然气介质的压力能最大程度地转化为了机械能。

天然气轮机的扩展应用：高背压天然气轮机与高背压汽轮机相比，其内部结构极为相似，工作原理完全相同。由于工况介质由高温蒸汽替换为了接近常温的天然气，因此减小了高温给轮机带来的风险与麻烦，从而也取消了生产蒸汽所需要的锅炉系统、润滑系统、冷却系统，减化了背压式汽轮机的结构以及精密的轴封，使其结构更为简单，更宜于制造。高背压天然气轮机与高背压汽轮机外壳结构不同，打破了汽轮机壳体上下盖结构的传统模式，转子增加了换向离心叶轮，使得做功介质排出机体更加顺畅，也减小了做功介质对一级机械密封的冲力。天然气轮机的做功介质决不局限于天然气，完全可以用蒸汽所替代，当做汽轮机来使用。它的筒状结构更便于制造、安装、调试；轴端密封采用了机械密封，使之更为简单、严密；轴承在机体的外部，避免了高温、高压做功介质对轴承的侵害，更适宜冷却和润滑。因此，将天然气轮机做为蒸汽轮机使用也有广阔前景。

3、活塞式单冲程天然气动机与蒸汽机相比结构、做功原理完全相同，是蒸汽机的再利用，不再赘述；所不同的是把蒸汽机的做功介质由蒸汽更换为了高、中压天然气，因此，对活塞杆、滑阀杆可能泄漏的各个部位又增加了两级气封及泄漏气集气罩室。一级气封是蒸汽机原有的本体气封，又增加的二、三级气封及泄漏气集气罩室，用子口法兰双层叠压紧固到一级气封的外侧部位及缸体上，形成三级气封结构。用管道将滑阀杆前、杆后和活塞杆一级气封及泄漏气集气罩室连通，把泄漏气引入用户及城市天然气管网中；用管道将滑阀杆前、活塞杆二级气封及泄漏气集气罩室连通，把泄漏气引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中到指定地点放空。一级气封承受的压力是做功介质的压力，二级气封及泄漏气集气罩室承受的压力是用户及城市天然气管网的压力，三级气封所承受的压力是阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的排放压力，从而实现了分级减压密封。

在气缸配气时间设置上，进、排气门交替开关，没有同时开启的重叠时间，保证了中压与低压天然气的隔离；单冲程做功使得能量转换效率最高；在做功压力下对天然气有精确的计量功能：有效容积(V)*转速(n)*运行时间(t)＝流量(Q)。

4、活塞式二冲程天然气动机与内燃机很相似，做功原理都是用高压气流推动活塞对外做功，不再赘述。所不同的是把做功介质由内燃膨胀气更换成了常温外来高、中压天然气，因此使得二冲程活塞式天然气动机不需要冷却系统，使缸体、缸盖没有水套，减化了缸体及缸盖的结构，减小了制造难度增加了缸体、缸盖的强度；进气门采用外置式、排气门采用内置式，即进、排气门的开启方向将克服天然气的压力才能打开，这样增加了气门的回坐压力，增加了高、中压与低压系统隔离的可靠性，这也是发动机不能当做天然气动机使用原因之一；由于活塞与气缸、气门杆与气门导管之间不可避免地存在着泄漏，会造成曲轴箱室的压力增高，引起曲轴两端向机体外部泄漏，为此，在曲轴输出力轴端部增加了两级机械密封及泄漏气集气罩室、在曲轴的另一端设置了配气机构传动室、在机体上还设置了均压通油通气孔，并用均压通油通气孔将曲轴箱室、配气机构传动室、气门室、一级机械密封及泄漏集气罩室“四室”连通，用管道将泄漏到“四室”的天然气与做功后的排气合并一同接入用户及城市天然气管网中；活塞式二冲程天然气动机在运行时，曲轴输出力轴端虽然装设了二级机械密封与泄漏气集气罩室，但是仍然是最可能发生向机体外部泄漏的部位，为了做到安全可靠，用管道将二级机械密封及泄漏气集气罩室与阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统连通，把泄漏的天然气引至指定地点放空；还在“四室”连通的气门室设置了泄漏气压力传感器及报警监控系统，使“四室”在运行时始终保持在用户及城市天然气管网的压力下运行。活塞式二冲程天然气动机在运行时，“四室”及一级机械密封承受的压力是用户及城市天然气管网的压力，二级机械密封承受的压力是阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的排放压力,从而实现了分级减压密封。

曲轴箱室、气门盖室、配气机构传动室、泄漏气集气罩室“四室”在用户及城市天然气管网的压力下工作，其壳体强度要根据这个压力要求来设计制造。

在气缸配气时间设置上，进、排气门交替开关，没有同时开启的重叠时间，保证了高、中压与低压天然气的隔离；二冲程比四冲程内燃机效率提高一倍；结构紧凑易小型化；在做功压力下对天然气有精确的计量功能：有效容积(V)*转速(n)*运行时间(t)＝流量(Q)。

活塞式二冲程气然气动机的润滑仍然采用飞溅与油泵强制循环结合的方式。润滑油泵更为简单由一只一侧开放的壳体构成，壳体的开口一侧包含着正时齿轮与配气机构传动齿轮相啮合的部位，并固定在缸体上。其工作原理与齿轮泵相同，利用两齿轮啮合挤出的润滑油用管道供向各润滑点。

5、单进双出式(转速)调谐阀及控速联动执行机构是为保证石油天然气能等流量平稳输送和石油天然气轮机平稳运行而设置的。其结构是在同一阀体上有一个进口通道，两个出口通道，其中安装有阀杆及一体双向阀瓣，同时控制着两个出口通道，并配有控制电机、蜗轮、阀杆传动齿条组成的控速联动执行机构。单进双出式(转速)调谐阀的原理是在控速联动执行机构的控制下，在左出口通道扩大的同时右出口通道缩小，在右出口通道扩大的同时左出口通道缩小，终保持着一个恒定的开度，即进入单进双出式(转速)调谐阀的介质始终保持着一个恒定的流量，这个恒定的流量等于两个出口流量之和。两个出口通道分别为：用于控制发电介质流量的左出口通道和用于控制输送介质流量的右出口通道。两个出口通道分别与石油天然气轮机的进、出口并联。

发电机的负荷是变化的，而天然气、石油及水及混合相从井口喷出的流量、管道输送的流量是较恒定的。当发电机组负荷发生变化时，石油天然气轮机的转速也会随之变化，为了同时实现石油天然气轮机发电机组的平稳转速与石油天然气开采管道输送的平稳流量，单进双出式(转速)调谐阀在控速联动执行机构的控制下在开大或关小一个出口通道的同时会关小或开大另一个出口通道。当石油天然气轮机发电机组负荷增加转速下降时，会将左出口通道开大右出口通道关小；当石油天然气轮机发电机组负荷减小转速增高时，会将左出口通道关小右出口通道开大。这样就避免了石油天然气轮机发电机组因负荷不稳定而引起的管输流量的不稳定。

6、阻火定压单向排放阀由下壳体及入口法兰、中间壳体及阻火网、上壳体及出口法兰、铜质配重阀板、中心螺杆、螺母及阀板扶正套、可燃气体检测探头及接头、微正压氮气及接头组成。铜质配重阀板给定了它的排放压力。在阻火定压单向排放阀的入口腔内装有氮气微正压保持管，在出口腔中装有可燃气体检测报警监控系统的检测探头，构成了阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统。它的作用是：石油天然气轮机、活塞式天然气动机正常运行时，机械密封或气封泄漏的气量是一个微小的量级，当泄漏形成的压力逐渐蓄积增大到阻火定压单向排放阀所限定的排放压力时，阻火定压单向排放阀开启排放，同时，与之相连接的天然气检测报警监控系统将检测到天然气而发出报警信号(声光)，并将泄漏信号传至DCS控制系统及做一次自动记录；当压力释放后，阻火定压单向排放阀关闭，常态化微正压氮气会驱赶置换走阀体腔及之后的放空管中的天然气，与之相连接的天然气检测报警监控系统检测不到天然气而结束报警；至此，阻火定压单向排放阀及天然气检测报警监控系统完成一个工作循环。从阻火定压单向排放阀及天然气检测报警监控系统的报警频次、报警持续时间的长短可以观察到天然气轮机、活塞式天然气动机的气封、机械密封的工作状况，判断出气封、机械密封是否在正常的工作。当出现连续报警或报警不停时，必须进行人为检查或隔离停机。可燃气体检测报警监控系统还设有其它探头，在所划定的易燃易爆区域内多点分布，如有在发电装置及其管道、阀门、法兰等处有天然气的泄漏都将发出报警，这也是现有集气输气站、接力站、末站不可或缺的安全设施，其检测信号一并进入DCS控制系统。

7、高、中压大流量的天然气、石油、水及其混合相介质从多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机中经过，高、中压大流量的天然气从高背压天然气轮机中经过，高、中压天然气从活塞式单、双冲程气动机中经过，流量无消耗，即Q进＝Q出；压力有一定的损耗，即：进口压力(P1)-出口压力(P2)＝做功压力(P)。天然气轮机的进口压力(P1)也就是井口压力，出口压力(P2)就是集气输气站的压力；活塞式天然气动机的进口压(P1)力就是集气输气站到末站的剩余压力，出口压力(P2)也就是到用户及城市天然气管网的压力。由此可知：P1与P2的压差越大石油天然气轮机、活塞式天然气动机做功的能力就会越大。做功压力(P)对石油天然气轮机来说是介质受到转子阻力的结果、是做功的结果，起到了石油天然气开采管路中的限流喷嘴、减压阀的作用，即产生动能又在流动状态下减压、限流，可谓一举三得；做功压力(P)对活塞式天然气动机来说是受到滑阀、进、排气门以及活塞的阻隔和控制的结果，即生产动能又减压、限流、计量，可谓一举四得。

石油天然气轮机、活塞式天然气动机的输出功率在忽略自耗时为：N＝P*Q

8、本发明的工况介质是高、中压大流量的天然气、石油及其混合相介质同属易燃易爆介质，这是人们不愿涉及甚至是远离地层压力利用的一个重要原因。为了保障石油天然气介质在天然气轮机、活塞式天然气动机的运行安全，必须将石油天然气密闭在设备及管道内部，与空气彻底隔离，必须严防泄漏出的天然气与空气形成达到爆炸极限的混合气体，并且要远离高温和火源。然而在多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机前后轴处、高背压天然气轮机前后轴处、单冲程活塞式气动机的活塞杆和滑阀杆处、二冲程活塞式气动机输出力轴端部都是不可避免的易发生石油天然气泄漏的部位，而且泄漏量随着天然气轮机、活塞式天然气动机运行时间的延长有扩大的趋势。显然，天然气轮机和活塞式天然气动机只能在一个能保障安全运行所许可的泄漏量、泄漏压之内工作，而且天然气轮机、活塞式天然气动机泄漏出的天然气要尽可能的集中排放。定压阻火单向排放阀及可燃气体检测报警系统是石油天然气轮机、活塞式天然气动机与大气联通的唯一通道。为了使天然气轮机、活塞式天然气动机能安全可靠地长周期运行，本发明对天然气轮机、活塞式天然气动机易发生泄漏的部位，以及发生异常泄漏后的紧急处置采用了下列预防与控制措施：

(1)在石油天然气轮机前后轴处设置了两级机械密封，以及泄漏气集气罩室，并在其内设置了泄漏气压传感器及报警监控系统的压力传感器，用管道将前后轴一级机械密封泄漏到集气罩室内的天然气串通起来汇入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中，再引至安全地带进行放空。

(2)在活塞式单冲程气动机滑阀杆前端、活塞杆出入缸体处都又增加了两级气封及泄漏气集气罩室形成了三级气封，在滑阀杆后端增加了泄漏气集气罩室并设置了泄漏气压传感器及报警监控系统，用管道将滑阀杆前、后端、活塞杆的一级气封泄漏到一级集气罩内的天然气串通起来一同汇入用户及城市天然气管网中；用管道将滑阀杆前端、活塞杆的二级气封泄漏到二级集气罩内的天然气串通起来一同汇入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中，再引至安全地带进行放空。

(3)在活塞式二冲程气动机的曲轴输出力轴端设置了两级机械密封及泄漏气集气罩室，在机体上增加了通油通气均压孔将曲轴箱室、配气传动机构室、气门室、一级机械密封及泄漏气集气罩室“四室”联通，并在气门室上设置了泄漏气压传感器及报警监控系统的压力传感器，用管道将泄漏到“四室”中的天然气汇入低压用户及城市天然气管网中；用管道将一级机械密封泄漏到集气罩室内的天然气引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中，再引至安全地带进行放空。

(4)建立DCS操作控制系统，接入发电机测速信号、接入发电控制信号、工艺介质控制信号，用以监控发电机组正常运行；接入泄漏压控制信号、可燃气体检测信号，用以监控发电机组的事故控制与隔离，即建立管道输送与发电装置电气自控联锁，通过执行机构使隔离阀能快速地把故障状态下的石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置从输送管道中快速地隔离出来、把发电机从电网中快速地隔离出来。

(5)石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置附带一个高、中压氮气储备站，这也是现有集气输气站、接力站、分支站及末站不可或缺的必备安全设施。它由数个高、中压氮气瓶并联，并用管道将氮气分别接入石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置的管路中。它的作用是：对即将投运的发电机组的高、中、低压管路进行氮气充装置换和压力试验；对已经投运的发电机组中的阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统实行常态化微正压氮气隔离保护。

泄漏气压力传感器及报警监控系统的作用：在运行中，阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统的排量是有限的，当一级或二级气封、密封出现失效的故障时，二级或三级气封将承受做功介质的压力，这种工况可能会招致泄漏，会给运行带来风险，为此，一级气封、密封及泄漏气集气罩室都设置了泄漏气压力传感器及报警监控系统。泄漏气压力传感器及报警监控系统是一个定压报警而后强行停机隔离的控制系统，报警压力设定为略高于用户及城市天然气管网的运行压力，泄漏气压信号传至DCS控制系统。当泄漏压力达到设定的报警压力时，首先发出强于或不同于阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统的报警(声光)，当泄漏压力继续上升达到设定的最高上限时，泄漏气压力传感器及报警监控系统将会通过DCS控制系统迅速隔离发电机组，强行停机。

阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统和泄漏气压力传感器及报警控制系统对石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置以及石油天然气管道输送的安全运行有着互补性保护，前者是一级保护，后者是二级保护，即前者检测的是泄漏压力信号，进行的是泄漏压力保护，后者检测的是泄漏信号，进行的是泄漏流量保护；后者检测的虽然是可燃气体的成份，其实是检测到了更为精准的不能用以计量的微弱流量信号。泄漏压力是产生泄漏流量的根源，泄漏压力出现一个较小的变化将引起泄漏流量一个较大的变化。持续的泄漏流量的排放将预示着气封、机械密封的可能失效。一旦出现阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警控制系统持续报警(声光)，便可及早处理及时隔离，尽可能避免泄漏气压力传感器及报警监控系统检测到泄漏压力超标引起的自动强行隔离停机。

通过阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警控制系统、泄漏气压力传感器及报警控制系统的双级保护，以及高、中压氮气储备站对阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警控制系统的氮气微正压充装与隔离，将泄漏出的天然气引到远离发电机组、井场、集气输气站的通风地点放空这些安全防护措施，完全可以防止石油天然气在工况场所及工况环境下的泄漏和带来风险，保证了石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置安全运行。

现在人类是一天也离不开易燃易爆的石油和天然气，对石油天然气的化学性能了如指掌，对石油天然气的泄漏监测能力已经精确到了毫厘不差。本发明本着科学指导安全至上的原则，在运行中，石油天然气始终被封闭在高、中、低压管道及设备之中，与空气隔绝，远离热源，高速流过以及得到减压的石油天然气介质还会将机械运行产生的温度带走起来冷却作用，这都保证了发电机组的安全可靠运行。

成熟的汽轮机、发动机制造技术，成熟的电能变频、逆变、储存、控制、运行技术，为石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置的制造、电气控制运行打下了坚实的基础；石油工业及管道输送对易燃易爆气体的监测、工艺上安全平稳运行积累了大量的经验和完备的工艺卡。这些都是石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置得到实施的成熟条件与可靠保障，足以保证石油天然气的正常开采和长输管道、电网的安全运行。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1a为本发明装置中多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机结构主视图；

图1b为本发明装置中多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机结构侧视图；

图2a为本发明装置中高背压天然气轮机结构主视图；

图2b为本发明装置中高背压天然气轮机结构侧视图；

图3a为本发明装置中活塞式单冲程天然气动机结构示意图；

图3b为本发明装置中活塞式单冲程天然气动机滑阀进、排气配气时间图；

图4a为本发明装置中活塞式二冲程天然气动机结构侧视图(一)；

图4b为本发明装置中活塞式二冲程天然气动机结构侧视图(二)；

图4c为本发明装置中活塞式二冲程天然气动机结构主视图；

图4d为本发明装置中活塞式二冲程天然气动机进、排气门配气时间图；

图5a为本发明装置中单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构示意图；

图5b为本发明装置中单进双出式转速调谐阀结构简图；

图6a为本发明装置中阻火定压单向排放阀结构示意图；

图6b为本发明装置中阻火定压单向排放阀结构简图；

图7为为本发明的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置(石油天然气轮机以及天然气动机发电装置)工艺流程图；

其中，附图标记：

4A1-0：分流板及装配用轴临时支架，4A1-1：中间入口段壳体，4A1-2：左、右出口段壳体，4A1-3：子口法兰，4A1-4：轴承支撑架，4A1-5：入口法兰，4A1-6：出口法兰；4A2-1：左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮，4A2-2：左、右旋换向离心叶轮；4A3-1：转子轴，4A3-2a：一级机械密封，4A3-2b：二级机械密封，4A3-3：轴承，4A3-4：联轴器；4A4：泄漏气集气罩室；6：阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统；4A12：泄漏气压力传感器及报警监控系统；

4B1-0：分流板及装配用轴临时支架，4B1-1：中间入口段壳体，4B1-2：左、右出口段壳体，4B1-3：子口法兰，4B1-4：轴承支撑架，4B1-5：入口法兰，4B1-6：出口法兰，4B1-7：1、2……级左、右旋导叶；4B2-1：1、2……级左、右旋叶轮，4B2-2：左、右旋换向离心叶轮；4B3-1：转子轴，4B3-2a：一级机械密封，4B3-2b：二级机械密封，4B3-3：轴承，4B3-4：联轴器；4B4：泄漏气集气罩室；6：阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统；4B12：泄漏气压力传感器及报警监控系统；

4C1：曲轴连杆飞轮及发电机5，4C2：配气传动机构，4C4：滑阀杆后气封及泄漏气集气罩室，4C5-1：一级气封泄漏气排气管，4C5-2：二级气封泄漏气排气管，4C6：进气口，4C7：出气口，4C8：活塞，4C9：活塞杆，4C10：滑阀及滑阀杆，4C3：滑阀杆一、二、三级气封及泄漏气集气罩室，4C11：活塞杆的一、二、三级气封及泄漏气集气罩室，4C12：泄漏气压力传感器及报警监控系统，6：阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统，4C13：进、排气滑阀配气时间图；

4D1：曲轴箱室，4D2：缸体，4D3：缸盖，4D4：气门室，4D5：配气传动机构室，4D6：进气门，4D7：排气门，4D8：正时齿轮，4D9：从动轮及配气传动机构，4D10：气门及配气机构，4D11：进气口，4D13：出气口，4D12：泄漏气压力传感器及报警监控系统，4D14：“四室：4D1、4D4、4D5、4D16”泄漏气排气口，4D15：“四室”通油通气均压孔，4D16：一、二级曲轴机械密封及泄漏气集气罩室，4D17：润滑油泵，4D18：曲轴连杆机构，5：发电机，6：阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统，4D19：进、排气门配气时间图；

3A、3B：对应于前置、后置发电机组A、B的调谐阀，3AK、3AK：对应于单进双出式(转速)调谐阀3A、3B的控速联运执行机构；

3-1：阀门壳体，3-2：阀座，3-3：阀杆，3-4：一体双向阀瓣，3-5：阀杆密封，3-6：入口及法兰，3-7：左出口及法兰，3-8：右出口及法兰，3-9：执行机构壳体，3-10：控制电机，3-11：电机轴及蜗杆，3-12：蜗轮，3-13阀杆传动齿条；

6-1：下壳体及入口法兰，6-2：中间壳体及阻火网，6-3：上壳体及出口法兰，6-4：铜质配重阀板，6-5：中心螺杆，6-6：螺母及阀板扶正套，6-7：可燃气体检测探头及接头，6-8：微正压氮气及接头；

A：前置发电机组，B：后置发电机组，C：活塞式单冲程天然气动机发电机组，D：活塞式二冲程天然气动机发电机组；1：石油天然气井口装置，2：过虑分离缓冲器，3A、3B：单进双出式(转速)调谐阀，3AK、3BK：与3A、3B相对应的控速联动执行机构，3C、3D：进气(转速)调谐阀，3CK、3DK：与3C、3D相对应的控速联动执行机构；4A：多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，4B：高背压天然气轮机，4C：活塞式单冲程天然气动机，4D：活塞式二冲程天然气动机，4E：撬装减压装置；5：发电机，6：阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警系统，7：油、水处理站，8：集气输气站，9：天然气末站，10：用户及天然气城市管网；F1、F2、F3、……F11：电动球阀；4C3、4C11：滑阀杆、活塞杆的一、二、三级气封及泄漏气集气罩室，4C5-1、4C5-2：一、二级气封泄漏气排气管，4C6、4C7：4C的进、出气口；4D11、4D13：4D的进、出气口，4D14：曲轴箱室、气门室、配气机构传动室、泄漏气集气罩室排气口，即“四室”泄漏气体排气口，4D16：一、二级曲轴机械密封及泄漏气集气罩室；4A12、4B12、4C12、4D12：对应于4A、4B、4C、4D的泄漏气压力传感器及报警监控系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

请参考图1a至图7，为利用开采石油天然气的过程中地层所释放出的压能以及天然气输送到集气输气站、下级站、分支站、末站所剩余的压能来做功发电，本发明提供一种利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置(即石油天然气轮机以及天然气动机发电装置)，包括：

一利用地层压能发电的装置，包括一单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构、一过滤分离缓冲器、一多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、一高背压天然气轮机及二发电机；其中，单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构、多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、过滤分离缓冲器及高背压天然气轮机顺序连接，二发电机分别连接于多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机及高背压天然气轮机；以及

一利用剩余压能发电的装置，包括并列连接于来自上级站高压出气口的的活塞式单冲程天然气动机组及活塞式二冲程天然气动机组；活塞式单冲程天然气动机组包括过滤分离缓冲器、进气转速调谐阀、活塞式单冲程天然气动机及发电机，四者顺序连接；活塞式二冲程天然气动机组包括过滤分离缓冲器、进气转速调谐阀、活塞式二冲程天然气动机及发电机，四者顺序连接。

其中各个部件及连接关系具体如下：

多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机4A(图1a、1b所示)由分流板及装配用临时轴支架4A1-0，中间入口段壳体4A1-1，左、右出口段壳体4A1-2，子口法兰4A1-3，轴承支撑架4A1-4，入口法兰4A1-5，出口法兰4A1-6；左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮4A2-1，左、右旋换向离心叶轮4A2-2；转子轴4A3-1，一级机械密封4A3-2a，二级机械密封4A3-2b，轴承4A3-3，联轴器4A3-4；泄漏气集气罩室4A4；阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6；泄漏气压力传感器及报警监控系统4A12组成。

装配：1、分流板及装配用临时轴支架4A1-0与中间入口段壳体4A1-1一体制造；一级高压机械密封4A3-2a的静环安装在左、右出口段壳体4A1-2轴孔内侧；二级机械密封4A3-2b的静环安装在泄漏气集气罩室4A4轴孔内侧；泄漏气集气罩室4A4安装在左、右出口段壳体4A1-2的外侧，轴孔同心；轴承支撑架4A1-4与左、右出口段壳体4A1-2一体制造，延伸到泄漏气集气罩室4A4的外端。阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6以及氮封管道、泄漏气压力传感器及报警监控系统4A12现场安装到泄漏气集气罩室4A4上，与DCS操作控制系统共同进行调试。2、先将转子轴4A3-1从中间入口段壳体4A1-1中穿过，并固定在分流板及装配用临时轴支架4A1-0上，然后在转子轴4A3-1的两端依次套装左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮4A2-1，左、右换向离心叶轮4A2-2，一级高压机械密封4A3-2a的动环并固定在转子轴上，再安装左、右出口段壳体4A1-2，二级机械密封4A3-2b的动环并固定在转子轴上，泄漏气集气罩室4A4，轴承4A3-3，联轴器4A3-4，调整把紧子口法兰4A1-3，最后从入口法兰4A1-3口中拆掉分流板及装配用临时轴支架4A1-0上的临时轴支撑，即完成装配。

做功原理及过程：高、中压天然气、石油、水及其混合相介质从入口法兰4A1-5进入中间入口段壳体4A1-1，被分流板4A1-0分成左、右两股，分别进入左、右筒状壳体及左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮4A2-1、左、右旋换向离心叶轮4A2-2；并推动左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮4A2-1对外做功；从左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮4A2-1冲出的气流再推动左、右旋换向离心叶轮4A2-2对外做功，同时做功介质得到换向从左、右出口段壳体出口法兰4A1-6排出，至此完成做功过程。

高背压天然气轮机4B(图2a、2b所示)由分流板及装配用临时轴支架4B1-0，中间入口段壳体4B1-1，左、右出口段壳体4B1-2，子口法兰4B1-3，轴承支撑架4B1-4，入口法兰4B1-5，出口法兰4B1-6，1、2……多级左、右旋导叶4B1-7；1、2……多级左、右旋叶轮4B2-1，左、右旋换向离心叶轮4B2-2；转子轴4B3-1，一级机械密封4B3-2a，二级机械密封4B3-2b，轴承4B3-3，联轴器4B3-4；泄漏气集气罩室4B4；阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6；泄漏气压力传感器及报警监控系统4B12组成。

装配：1、分流板及装配用临时轴支架4B1-0与中间入口段壳体4B1-1一体制造；一级机械密封的静环4B3-2a安装在左、右出口段壳体4B1-2的内侧；二级机械密封4B3-2b的静环安装在泄漏气集气罩室4B4的内侧；泄漏气集气罩室4B4安装在左、右出口段壳体4B1-2的外侧，轴孔同心；轴承支撑架4B1-4与左、右出口段壳体4B1-2一体制造，延伸到泄漏气集气罩室4B4的外端。阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6以及氮封管道、泄漏气压力传感器及报警监控系统4B12现场安装到泄漏气集气罩室4B4上，与DCS操作控制系统共同进行调试。2、先将转子轴4B3-1从中间入口段壳体4B1-1中穿过，并固定在分流板及装配用临时轴支架4B1-0上，然后在转子轴4B3-1的两端依次、交替套装1级左、右旋导叶4B1-7并固定在中间入口段壳体4B1-1上、1级左、右叶轮4B2-1并固定在转子轴4B3-1上，2级左、右旋导叶4B1-7、2级左、右旋叶轮4B2-1……末级左、右旋叶轮4B2-1、末级左、右旋导叶4B1-7，左、右旋换向叶轮4B2-2，一级机械密封4B3-2a的动环，左、右出口段壳体4B1-2，二级机械密封4B3-2b的动环，泄漏气集气罩室4B4，轴承4B3-3，联轴器4B3-4，调整把紧子口法兰4B1-3，最后从入口法兰口中拆掉分流板及装配用临时轴支架4B1-0上的临时轴支撑，即完成装配。

做功原理及过程：高、中压天然气从入口法兰4B1-5进入中间入口段壳体4B1-1，被分流板4B1-0分成左、右两股，分别进入左、右筒状壳体和多级左、右旋导叶4B1-7、多级左、右旋叶轮4B2-1；高、中压天然气经1级左、右旋导叶静叶栅整流冲出推动1级左、右旋叶轮及动叶栅对外做功；从1级左、右旋叶轮及动叶栅冲出的气流经2级左、右旋导叶静叶栅整流冲出推动2级左、右旋叶轮及动叶栅对外做功；以此类推，从左、右旋末级叶轮及静叶栅冲出的气流再经左、右末级导叶静叶栅整流冲出推动左、右换向离心叶轮4B2-2对外做功，同时做功介质得到换向从左、右出口段壳体出口法兰4B1-6排出，至此完成做功过程。

活塞式单冲程气动机4C(图3a所示)由曲轴连杆飞轮及发电机4C1，配气传动机构4C2，滑阀杆前一、二、三级气封及集气罩室4C3，滑阀杆后集气罩室4C4，一级气封泄漏气排气管4C5-1，二级气封泄漏气排气管4C5-2，高、中压进气口4C6，高、中压出气口4C7，活塞4C8，活塞杆4C9，滑阀及滑阀杆4C10，活塞杆一、二、三级气封及集气罩室4C11，泄漏气压力传感器及报警监控系统4C12，阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6组成。

滑阀杆前、后、活塞杆的一级气封是蒸汽机原有的本体气封；单冲程活塞式气动机4C与蒸汽机的不同之处是在原有的本体气封基础上又增加了滑阀杆前二、三级气封及泄漏气集气罩室4C3、滑阀杆后集气罩室4C4、活塞杆二、三级气封及泄漏气集气罩室4C11，同时还增加了一级气封泄漏气排气管4C5-1，二级气封泄漏气排气管4C5-2。将滑阀杆前二、三级气封及泄漏气集气罩室4C3、滑阀杆后集气罩室4C4、活塞杆2、3级气封及泄漏气集气罩室4C11用子口法兰双层叠压紧固到原有本体一级气封的外侧部位及缸体上；在滑阀杆后集气罩室4C4上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统；将一级气封及泄漏气集气罩室用一级气封泄漏气排气管4C5-1串联，一同引入出气口4C7中，即用户及城市天然气管网10中；将二级气封及泄漏气集气罩室用二级气封泄漏气排气管4C5-2串联，一同引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6中进行定点排放。一级气封承受的压力是做功介质的压力，二级气封承受的压力是用户及城市天然气管网的压力，三级气封承受的压力是阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的压力，从而实现了分级减压密封。一级气封泄漏气排气管4C5-1、二级气封泄漏气排气管4C5-2、阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6以及氮封气管道、泄漏气压力传感器及报警监控系统4C12可现场安装，与DCS操作控制系统共同进行调试。其它装配、工作原理与蒸汽机相同，不再赘述。

请参见图3b，4C13是滑阀进、排气配气时间图：活塞自上止点下行至X/2度时，滑阀进气口开启并≥160度(进气时间用密黑段表示)关闭，间隔X/2度活塞到下止点，活塞自下止点上行至X/2度时，滑阀排气口开启并≥160度(排气时间用虚黑段表示)关闭，间隔X/2度活塞到上止点，活塞自上止点下行至X/2度时……周而复始。其中X值与滑阀进气口大小、滑阀进气口开度有关，本领域技术人员在具体实践中根据活塞式单冲程气动机设计和实施来做出具体设定。

活塞式二冲程天然气动机4D(图4a、图4b、图4c所示)由曲轴箱室4D1，缸体4D2，缸盖4D3，气门室4D4，配气传动机构室4D5，外置高压进气门4D6，内置高压排气门4D7，正时齿轮4D8，从动轮及配气传动机构4D9，气门及配气机构4D10，高压进气口4D11，高压出气口4D13，泄漏气压力传感器及报警监控系统4D12，“四室”(4D1、4D4、4D5、4D16)泄漏气排气口4D14，“四室”通油通气均压孔4D15，一、二级机械密封及泄漏气集气罩室4D16，润滑油泵4D17，曲轴连杆机构4D18，发电机5，阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6组成。

二冲程活塞式气动机4D与发动机极为相似，不同之处是在曲轴输出力轴端增加了一、二级机械密封及泄漏气集气罩室4D16；在机体上增加了“四室”通油通气均压孔4D15，并将“四室”泄漏气排气口4D14与用户及天然气城市管网10相连接；由于做功介质压力来自进气门外部，所以二冲程活塞气动机的进气门4D6改造成了外置式，即进气门的开启方向迎向来压，即克服做功气体的压力才能开启。将一、二级机械密封及泄漏气集气罩室4D16安装在曲轴输出力轴端缸体的外部，用子口法兰双层叠压紧固到缸体上；在“四室”(4D1、4D4、4D5、4D16)串联的气门室4D4上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统4D12,将再把“四室”泄漏气排气口4D14用管道与用户及城市天然气管网10相连接；将二级机械密封及泄漏气集气罩室用管道引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中定点排放。泄漏气压力传感器及报警监控系统4D12、阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6，以及氮封气管道可在现场安装与DCS操作控制系统共同进行调试。其它装配、工作原理与发动机相同，不再赘述。

请参看图4d，4D19是进、排气门配气时间图：活塞自下止点上行，排气门开启180度至上止点(排气时间用虚黑段表示)关闭；活塞自上止点下行，间隔X度，进气门开启并≥160度后(进气时间用密黑段表示)关闭，间隔X度，活塞自下止点上行，排气门开启180度至上止点关闭……周而复始。其中X值与气门口径大小、气门开启高度有关，本领域技术人员在具体实践中根据活塞式二冲程天然气动机设计和实施来做出具体设定。

活塞式二冲程天然气动机4D的润滑方式采用飞溅加润滑油泵4D17强制循环。滑油泵4D17是一只一侧开放的汇油壳体，开放一侧包含着正时齿轮4D8与从动轮4D9啮合部位，固定在气缸壳体上；其工作原理与齿轮泵相同，利用正时齿轮4D8与从动轮4D9啮合挤压出的油流用管道引至曲轴连杆机构4D18、气门及配气机构4D10的各个润滑点上。

单进双出式(转速)调谐阀及控速联动执行机构(图5a、图5b所示)单进双出式(转速)调谐阀由阀门壳体3-1，阀座3-2，阀杆3-3，一体双向阀瓣3-4，阀杆密封3-5，入口及法兰3-6，左出口及法兰3-7，右出口及法兰3-8组成；控速联动执行机构由执行机构壳体3-9，控制电机3-10，电机轴及蜗杆3-11，蜗轮3-12，阀杆传动齿条3-13组成。

阀门入口及法兰3-6与做功介质管道相连接，左出口法兰3-7与石油天然气轮机的入口管道连接，右出口法兰3-8与石油天然气轮机的出口管道连接，即完成单进双出式(转速)调谐阀3A、3B的工艺连接。单进双出式(转速)调谐阀3A、3B各在相对应的测速联动执行机构3AK或3BK控制下工作：当石油天然气轮机转4A、4B速增高时，测速联动执行机构3AK或3BK将反向推动阀杆3-3把用于做功一路的通道关小，同时把支流一路通道开大；当转速降低时，测速联动执行机构3AK或3BK将正向推动阀杆3-3把用于做功一路的通道开大，同时把支流一路通道减小。两个出口通道在测速联动执行机构3AK或3BK的控制下做着一开一关的相逆运动，既保障了天然气外输的流量不发生改变，又保障了发电机的负荷变化需求，从而实现了石油天然气轮机发电装置和天然气管道输送的双双平稳运行。控速联运执行机构是双电机蜗轮蜗杆驱动齿条的传动机构，改变控制电机3-10的转向即刻改变调谐阀的双出口开或关，实现了控制流量、控制转速的目的。

阻火定压单向排放阀(图6a、图6b所示)

下壳体及入口法兰6-1、中间壳体及阻火网6-2、上壳体及出口法兰6-3、铜质配重阀板6-4、中心螺杆6-5、螺母及阀板扶正套6-6、可燃气体检测探头及接头6-7、微正压氮气及接头6-8所组成。

下壳体及入口法兰6-1与泄漏气集气罩室的排气管道相连接，上壳体及出口法兰6-3与放空排放管相连接，接头6-7与可燃气体检测探头相连接，接头6-8与高、中压氮气储备站经减压来的微正压氮气管相连接，即完成阻火定压单向排放阀的工艺连接。阻火定压单向排放阀与可燃气体检测探头相连接就构成了阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6。铜质配重阀板6-4的导杆安装在螺母及阀板扶正套6-6中，保证了铜质配重阀板6-4升降的定位。铜质配重阀板6-4的重量限定着阻火定压单向排放阀的排放压力，根据设计压力来配重。

石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置工艺流程(图7所示)

一、石油天然气轮机发电机组由前置发电机组A和后置发电机组B组成。前置发电机组A与后置发电机组B串联，并与电动球阀F6、F7所控制的输气管道并联，再配以石油天然气井口装置1、油水处理站7、集气输气站8完成工艺连接。

前置发电机组A由单进双出式(转速)调谐阀3A及控速联动执行机构3AK、多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机4A、发电机5、阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6、泄漏气压传感器及报警监控系统4A12、隔离阀F1、F2、F3组成。

后置发电机组B由天然气过虑分离缓冲器2、单进双出式(转速)调谐阀3B及控速联动执行机构3BK、高背压天然气轮机4B、发电机5、阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6、泄漏气压力传感器及报警监控系统4B12、隔离阀F3、F4、F5组成。

由井口装置1喷出的天然气、石油、水及其混合相介质分成两个主回路：第一主回路是前置发电机组A和后置发电机组B相串联的发电回路；第二主回路是第一主回路的跨接回线。两个主回路并联后与集气输气站8相连接。

第一主回路的作用与流程：发电、输气并举，一举两得同步完成。由井口装置1喷出的天然气、石油、水及其混合相介质经阀F1进入前置发电机组A发电，发电后的混合相介质经阀F3进入后置发电机组B发电，再经阀F5与第二主回路汇合后输到集气输气站8中。

第二主回路的作用与流程：1、当石油天然气轮机发电装置因故退出运行即关闭阀门F1、F2、F4、F5时，由井口装置1喷出的天然气、石油、水及其混合相介质通过阀门F6、F7输到集气输气站8中。2、当前置发电机组A因故退出运行即关闭阀门F1、F2、F3时，关闭阀门F7，由井口装置1喷出的天然气、石油、水及其混合相介质可通过阀门F6、F4进入后置发电机组B，使之单机运行发电，做功后的介质经阀门F5与第二回主路汇合输到集气输气站8。3、当后置发电机组B因故退出运行即关闭阀门F3、F4、F5时，关闭阀门F6，由井口装置1喷出的天然气、石油、水及其混合相介质可通过阀门F1进入前置发电机组A，使之单机运行发电，做功后的介质经阀门F2、F7与第二主回路汇合输到集气输气站8。

第一主回路来的天然气、石油、水及其混合相介质经阀门F1进入前置发电机组A中。当介质进入单进双出式(转速)调谐阀3A后又被分成主流一路、支流一路。主流一路进入多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机4A，推动转子对发电机5做功发电，做功后的混合相介质与支流一路汇合经阀门F3进入后置发电机组B，或经阀F2与第二主回路汇合经阀门F7输到集气输气站8；轴封处泄漏的天然气从泄漏气集气罩室4A4被管道连接到阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6引至安全地点排放。至此，完成前置机发电机组A工艺流程。从前置发电机组A中出来的天然气、石油、水及其混合相介质经阀门F3进入后置发电机组B中，或从第二主回路中经阀门F4将天然气、石油、水及其混合相介质引入后置发电机组B中，先进入天然气过虑分离缓冲器2，被分离出的以天然气为主的气相介质经单进双出式(转速)调谐阀3B又被分成主流一路、支流一路。主流一路进入高背压天然气轮机4B，推动转子对发电机5做功发电，做功后的介质与支流一路汇合经阀门F5再与第二主回路汇合输到集气输气站8；经过虑分离缓冲器2分离出的石油、水等机械杂质排入油、水处理站7中得到处理；轴封处泄漏的天然气从泄漏气集气罩及排气口4B4被管道连接到阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统6引至安全排放地点。至此，完成后置机发电机组B的工艺流程。

前置与后置发电机组不但可以串联运行、并联运行、同时运行，也可成为各自独立的发电装置，即多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机发电装置、高背压天然气轮机发电装置。

从井口喷出或未经处理的天然气可能携带有杂质，不能直接引入高背压天然气轮机，为此，在天然气进入后置发电机组前设置了天然气过虑分离缓冲器2。天然气过虑分离缓冲器2一般为多台并列切换运行，以便清理和备用。

二、末级减压天然气动机发电机组一般建在天然气末站9内，为了满足用户及天然气城市管网10的压力与流量的需求，一般为多台并列运行。由多台活塞式单冲程天然气动机发电机组C、多台活塞式二冲程天然气动机发电机组D、天然气末站9内固有的撬装减压装置4E并联，与用户及天然气城市管网10串联，即完成工艺连接。

1、活塞式单冲程天然气动机发电机组C由过滤分离缓冲器2、进气(转速)调谐阀3C以及控速联动执行机构3CK、单冲程活塞式天然气动机4C、发电机5、阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警控制系统6、泄漏气压力传感器及检测报警监控系统4C12、隔离阀F9-1、F10-1组成，与天然气末站9内的撬装减压装置4E及隔离阀F8、F11完成工艺并联，最后接入用户及天然气城市管网10中，即完成工艺连接。

2、活塞式二冲程天然气动机发电机组D由过滤分离缓冲器2、进气(转速)调谐阀3D以及控速联动执行机构3DK、活塞式二冲程天然气动机4D、发电机5、阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警控制系统6、泄漏气压力传感器及检测报警监控系统4D12、隔离阀F9-2、F10-2组成，与天然气末站9内的撬装减压装置4E及隔离阀F8、F11完成工艺并联，最后接入用户及天然气城市管网10中，即完成工艺连接。

从上级站来的进入天然气末站9未经减压的天然气分成两个主回路：第一主回路叫做发电、减压回路，第二主回路叫做减压回路。第一主回路它的作用与流程：为了满足用户及天然气城市管网10供气量、供气压的需要，此回路由数个发电支路并联，在此仅列出图示的两个支路：支路一：从集气输气站8来的中压天然气经隔离阀F9-1、过滤分离缓冲器2、调谐阀3C、进入活塞式单冲程天然气动机4C的高压进气口4C6，推动活塞对外做功发电；做功后的天然气从4C7排出经隔离阀F10-1与第二主回路汇合向用户及天然气城市管网10供气。第二支路经隔离阀或9F-2、调谐阀3D进入活塞式二冲程天然气动机4D的进气口4D11、进气门，推动活塞对外做功发电；做功后的天然气从排气门、出气口4D13排出经过滤分离缓冲器2、隔离阀F10-2与第二主回路汇合向用户及天然气城市管网10供气。至此，第一主回路完成了发电、减压、计量、输气，一举四得同步完成。

第二主回路的作用与流程：它是天然气末站9内本身自带的减压功能回路，与活塞式天然气动机发电机组的工艺流程并联。当活塞式天然气动机发电机组处于正常的做功、减压、输气状态时，撬装减压装置4E将自动停止供气，用户及城市天然气管网10中的天然气完全由活塞式天然气动机发电机组完成做功后的排气来供给；当活塞式天然气动机发电机组中并列运行的某个或部分机组不能正常工作或退出运行时，排气量不能满足用户及天然气城市管网10的压力和流量需要时，即压力低至撬装减压装置4E所限定的某个压力值时，撬装减压装置4E将自动向用户及天然气城市管网10中补充天然气。

第一主回路与第二主回路在向用户及天然气城市管网10供应天然气时有互补性，保证了用户及天然气城市管网10的流量和压力需求。

当发电机组负荷发生变化时，活塞式天然气动机发电机组的转速也会随之变化。为了实现平稳转速，调谐阀3C、3D在相对应的控速联动执行机构3CK、3DK的控制下会开大或关小，以改变进入活塞式天然气动机的天然气供给量：当活塞式天然气动机发电机组负荷增大时，开大进气量；在负荷减小时，关小进气量。从而使机组获得较为稳定的转速。

石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电装置是基于石油天然气开采、输送之上的附加装置，首先要保障石油天然气开采、输送的需求，在此基础上再谈发电。所以，石油天然气轮机、活塞式天然气动机的结构必须是要立于简单和安全，以能快速地从电网中退出而不影响电网、快速地从输气管网中退出而不影响管道输送为目的。以石油天然气为工况介质，接近常温，这给石油天然气轮机、活塞式气动机的简单化创造了条件。进入石油天然气轮机发电做功后的介质，流量无消耗，只有流态下压力有所降低，而静压是不会降低的，也就是说石油天然气轮机对静压没有隔离作用。

通过以上技术与措施保证了石油天然气轮机、活塞式天然气动机发电机组能在一个许可的泄漏压、泄漏量下安全运行，保证用户及城市天然气管网在规定的压力下安全运行。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，用于利用开采石油天然气的过程中地层所释放出的压能以及天然气输送到集气输气站、下级站、分支站、末站所剩余的压能做功发电，其特征在于，该利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置包括：

一利用地层压能发电的装置，包括一单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构、一过滤分离缓冲器、一多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、一高背压天然气轮机及二发电机；其中，单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构、多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机、过滤分离缓冲器及高背压天然气轮机顺序连接，二发电机分别连接于多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机及高背压天然气轮机；以及

一利用剩余压能发电的装置，包括并列连接于来自上级站高压出气口的活塞式单冲程天然气动机组及活塞式二冲程天然气动机组；活塞式单冲程天然气动机组包括过滤分离缓冲器、进气转速调谐阀、活塞式单冲程天然气动机及发电机，四者顺序连接；活塞式二冲程天然气动机组包括过滤分离缓冲器、进气转速调谐阀、活塞式二冲程天然气动机及发电机，四者顺序连接；

其中，多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机包括：分流板及装配用转子轴临时支架，中间入口段壳体，左、右出口段壳体，子口法兰，轴承支撑架，入口法兰，出口法兰；左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮，左、右旋换向离心叶轮；转子轴，一、二级机械密封，轴承，联轴器；泄漏气集气罩室；阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统；泄漏气压传感器及报警监控系统；该多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，其中间入口段壳体，左、右出口段壳体组成三段体壳体；中间入口段壳体是机体的支架段壳体，以中心切面对称，其中部是螺旋涡壳，螺旋涡壳向两侧开放延伸出筒状壳体；在左、右筒状壳体两端一体制造有用于壳体连接的子口法兰；在螺旋涡壳内部中心切面上一体制造有分流板及装配用转子轴临时支架；在螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向入口及管道连接法兰；左、右出口段壳体相互对称，是向左、右一侧开放的螺旋涡壳，在开放一侧均制造有用于壳体连接的子口法兰；在左、右螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向出口及管道连接法兰；在左、右螺旋涡壳的外侧轴孔同心的安装着泄漏气集气罩室；在左、右出口段壳体的外侧在延伸了安装泄漏气集气罩室的空间后还一体制造有转子轴轴承支架；子口法兰使三段体连接成一个完整壳体。

2.根据权利要求1所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，其转子为左、右对称分立体：由转子轴、叶轮组成；叶轮分为两段：一段为左、右旋多头螺旋板筒状体叶轮，另一段是左、右旋换向离心叶轮，同是耐磨钢铸造或焊接而成的结构体；两种叶轮左旋与左旋、右旋与右旋搭配，分别套装在对称的转子轴左、右两端，利用键槽配合和轴向锁紧螺母压紧固定在转子轴上；在叶轮制造以及安装时，筒状体内的左、右旋多头螺旋板与左、右旋换向离心叶轮中的叶片圆滑过渡对接在一起。

3.根据权利要求2所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，其密封为两级减压机械密封：在转子轴与左、右出口段壳体轴孔、泄漏气集气罩室轴孔之间均采用机械密封，一级机械密封动环套装固定在转子轴上，其定环轴孔同心的安装固定在左、右出口段壳体内侧；二级机械密封动环套装固定在露出左、右出口段壳体的转子轴上，其定环安装固定在泄漏气集气罩室内侧，再将泄漏气集气罩室安装在左、右出口段壳体的外侧，轴孔同心；泄漏气集气罩室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统，并将泄漏的天然气用管道引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点放空；一级机械密封承受的压力为做功介质的压力，二级密封承受的压力为阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所设定的排放压力，以此实现两级减压密封。

4.根据权利要求3所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机，其装配为将转子轴穿过中间入口段壳体，并固定在分流板及装配用转子轴临时支架上，在转子轴的左、右两端依次套装固定左、右旋多头螺旋板叶轮，左、右旋换向离心叶轮，一级机械密封的动环，左、右出口段壳体，二级机械密封动环、泄漏气集气罩室，轴承，调整紧固子口法兰，拆除转子轴临时支架上的固定支撑而成；装配完成后转子与壳体的对应位置是：左、右旋离心叶轮的出口中心与左、右出口段的切向出口及管道连接法兰的中心在同一个切面上。

5.根据权利要求1所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该高背压天然气轮机包括：分流板及装配用临时轴支架，中间入口段壳体，左、右出口段壳体，子口法兰，轴承支架，入口法兰，出口法兰，多级左、右旋导叶；多级左、右旋叶轮，左、右旋换向离心叶轮；转子轴，一、二级机械密封，轴承，联轴器；泄漏气集气罩室；阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统；泄漏气压力传感器及报警监控系统。

6.根据权利要求5所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该高背压天然气轮机，其中间入口段壳体，左、右出口段壳体组成三段体壳体；中间入口段壳体是机体的支架段壳体，以中心切面对称，其中部是螺旋涡壳，螺旋涡壳向两侧开放延伸出筒状壳体；在左、右筒状壳体两端一体制造有用于壳体连接的子口法兰；在螺旋涡壳内部中心切面上一体制造有分流板及装配用转子轴临时支架；在螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向入口及管道连接法兰；在左、右筒状壳体内安装有左、右旋多级导叶，利用导叶外缘宽边相互咬合、子口法兰轴向压紧固定在筒状壳体中；左、右出口段壳体相互对称，是向左、右一侧开放的螺旋涡壳，在开放一侧均制造有用于壳体连接的子口法兰；在左、右螺旋涡壳的旋向大头处一体制造有切向出口及管道连接法兰；在左、右螺旋涡壳的外侧轴孔同心的安装着泄漏气集气罩室；在左、右出口段壳体的外侧在延伸了安装泄漏气集气罩室的空间后还一体制造有转子轴轴承支架；子口法兰使三段体连接成一个完整壳体，并同时压紧固定导叶。

7.根据权利要求6所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该高背压天然气轮机，其转子为左、右对称分立体：由转子轴、叶轮组成；叶轮分成两种：一种是左、右旋多级叶轮；另一种是左、右旋换向离心叶轮；两种叶轮左旋与左旋、右旋与右旋搭配，分别套装在对称的转子轴左、右两端，利用键槽配合和叶轮内缘宽边相互咬合锁紧螺母轴向压紧固定在转子轴上。

8.根据权利要求7所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该高背压天然气轮机，其密封为两级减压机械密封：在转子轴与左、右出口段壳体轴孔、泄漏气集气罩室轴孔之间均采用机械密封，一级机械密封动环套装固定在转子轴上，其定环轴孔同心的安装固定在左、右出口段壳体内侧；二级机械密封动环套装固定在露出左、右出口段壳体的转子轴上，其定环安装固定在泄漏气集气罩室内侧，再将泄漏气集气罩室安装在左、右出口段壳体的外侧，轴孔同心；泄漏气集气罩室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统，并将泄漏的天然气用管道引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点放空；一级机械密封承受的压力为做功介质的压力，二级密封承受的压力为阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所设定的排放压力，以此实现两级减压密封。

9.根据权利要求8所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该高背压天然气轮机，其装配为将转子轴穿过中间入口段壳体，并固定在分流板及装配用转子轴临时支架上，在转子轴的左、右两端依次、交替套装左、右旋1级导叶并固定在中间入口段向两侧开放延伸的筒状壳体中，左、右旋1级叶轮并固定在转子轴上，左、右旋2级导叶、左、右旋2级叶轮至左、右旋末级叶轮，左、右旋末级导叶，左、右旋换向离心叶轮，一级机械密封的动环，左、右出口段壳体，二级机械密封动环，泄漏气集气罩室，轴承，调整紧固子口法兰，拆除转子轴临时支架上的固定支撑而成；装配完成后转子与壳体的对应位置是：左、右旋离心叶轮的出口中心与左、右出口段的切向出口及管道连接法兰的中心在同一个切面上。

10.根据权利要求1所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该活塞式单冲程气动机包括：曲轴连杆飞轮及发电机，配气传动机构，滑阀杆前一、二、三级气封及泄漏气集气罩室，滑阀杆后集气罩室，一级气封泄漏气排气管，二级气封泄漏气排气管，进气口，出气口，活塞，活塞杆，滑阀及滑阀杆，活塞杆一、二、三级气封及泄漏气集气罩室，泄漏气压力传感器及报警监控系统，阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统。

11.根据权利要求10所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该活塞式单冲程气动机，其密封为三级减压密封：在蒸汽机原有本体气封基础上增加滑阀杆前二、三级气封及泄漏气集气罩室、滑阀杆后集气罩室、活塞杆二、三级气封及泄漏气集气罩室，在滑阀杆后集气罩室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统；用一级气封泄漏气排气管将滑阀杆前、后端、活塞杆的一级气封及泄漏气集气罩室串联一同与出气口相连接，从而与用户及城市天然气管网相连接；用二级气封泄漏气排气管将滑阀杆前端、活塞杆的二级气封及泄漏气集气罩室串联一同接入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点放空；一级气封承受的压力是做功介质的压力，二级气封承受的压力是用户及城市天然气管网的压力，三级气封承受的压力是阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的压力，以此实现三级减压密封。

12.根据权利要求11所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该活塞式单冲程气动机，其气封的装配为滑阀杆前二、三级气封及泄漏气集气罩室、滑阀杆后集气罩室、活塞杆二、三级气封及泄漏气集气罩室，各自用子口法兰双层叠压紧固到原有本体气封的外侧部位及缸体上。

13.根据权利要求1所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该活塞式二冲程气动机包括曲轴箱室，缸体，缸盖，气门室，配气传动机构室，外置式进气门，内置式排气门，正时齿轮，从动轮及配气传动机构，气门及配气机构，高压进气口，高压出气口，泄漏气压力传感器及报警监控系统，四室低压泄漏气排气口，四室通油通气均压孔，1、2级曲轴机械密封及泄漏气集气罩室，润滑油泵，曲轴连杆机构，发电机，阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统；其中所述四室为曲轴箱室、气门室、配气传动机构室及泄漏气集气罩室；其结构中无冷却系统；进气门为外置式、排气门为内置式，进、排气门的开启方向都是迎着做功 介质的高压一侧；在曲轴输出力轴端部有两级机械密封及泄漏气集气罩室；在曲轴的另一端设置了配气机构传动室；在机体上设置了四室通油通气均压孔，并用四室通油通气均压孔将曲轴箱室、配气机构传动室、气门室、一级机械密封及泄漏集气罩室四室连通。

14.根据权利要求13所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该活塞式二冲程气动机，其密封为两级减压机械密封，在泄漏气集气罩室轴孔之间采用两级机械密封：一级机械密封动环套装固定在曲轴输出轴上，其定环轴孔同心的安装固定在一级泄漏气集气罩室的内侧；二级机械密封动环套装固定在露出一级泄漏气集气罩室的曲轴输出轴上，其定环安装固定在二级泄漏气集气罩室内侧；一、二级机械密封及泄漏气集气罩室均用子口法兰双层叠压紧固到曲轴输出力轴端部的缸体上；在与一级泄漏气集气罩室连通的气门室上安装有泄漏气压力传感器及报警监控系统，并将泄漏的天然气用管道接入用户及城市天然气管网中；在二级泄漏气集气罩室上接有管道将泄漏的天然气引入阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统中进行定点放空；一级机械密封承受的压力为用户及城市天然气管网的压力，二级机械密封承受的压力为阻火定压单向排放阀及可燃气体检测报警监控系统所限定的排放压力，以此实现两级减压机械密封。

15.根据权利要求14所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，该活塞式二冲程气动机，其润滑方式为飞溅和润滑油泵供油结合润滑；润滑油泵为面向正时齿轮与从动轮啮合部位一侧开放的汇油壳体，将壳体开口一侧对准并包含两齿轮啮合部位固定在气缸壳体上，汇聚正时齿轮与从动轮啮合挤压出的油流，并用油管供向各个润滑点。

16.根据权利要求1所述的利用石油开采地层压力能和输送剩余压力能发电的装置，其特征在于，单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构包括：单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构；其单进双出式转速调谐阀包括阀门壳体，阀座，阀杆，一体双向阀瓣，阀杆密封，入口及法兰，左出口及法兰，右出口及法兰；控速联动执行机构包括执行机构壳体，控制电机，电机轴及蜗杆，蜗轮，阀杆传动齿条；单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构的装配为阀杆与阀杆传动齿条一体制造或安装固定为一体；单进双出式转速调谐阀与控速联动执行机构的两壳体以螺纹定位连接，然后装配控制电机，电机轴及蜗杆，蜗轮而成。

17.一种应用权利要求1-16任一项所述装置发电的工艺，其特征在于：利用石油天然气开采时喷出井口的天然气、石油及水混合相介质流量和传递出的地层压能，在单进双出式转速调谐阀及控速联动执行机构的控制下，先推动多头螺旋板离心叶轮转子式气液相轮机做功发电，发电后的混合相介质经过滤分离缓冲器得到天然气气相介质，再推动高背压天然气轮机做功发电；发电后的天然气气相介质进入集气输气站再输送到下级站、分支站及末站；利用天然气输送到分支站及末站时所具有的剩余压能在进气转速调谐阀的控制下，再推动活塞式单冲程天然气动机、活塞式二冲程天然气动机做功发电，做功减压后得到的低压天然气再供给用户及城市天然气管网。