CN1080381C - 利用天然气管道中过剩压力发电的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种设备和方法；它包括使用一个装满水的容器；该容器有两个竖直部分和将这两个竖直部分各自的顶端和底端连接起来的两个水平部分。一个链轮安装在一个水平部分内的水平输出轴上并同该轴一起旋转，一个可旋转的惰轮安装在另一个水平部分内、一个载带多个气体贮槽或吊桶的环状驱动链围绕着容器内的链轮和惰轮、一个气体入口位于容器的底部以使进入容器的气体中的一部分进入开口向下的吊桶内并迫使吊桶内的一部分水排出桶外。水的静压所产生的向上的浮力施加在吊桶内的气体上。使得吊桶向上运动。当吊桶向上运动时水的静压减少，引起相应的气压减小直至在表面气体的压降等于气体进入容器入口处水的静压。吊桶的向上运动使链轮和输出轴旋转，由此可以发电以供容器外面使用并且降低了气体压力。

Description

利用天然气管道中过剩压力发电的设备和方法
技术领域
本发明涉及能源回收领域，特别是提取在天然气管道中以过剩压力形式存在的势能，用其进行发电的设备和方法。
发明背景
天然气通常在700-1000psia(绝对压强)的压力下在传输管道中传送。在城市入口站，通过压力调节器及控制阀，天然气的压力被减至150-200psia以输送到分配网，在分配网中天然气的压力再次被减至约50psia并供应给用户。但是，在传统的减压设备中，气体过剩压力的势能主要以废热的形式白白损失掉了。
对天然气管道中能源损耗这一问题的一个解决方法是Stewart &Stevenson最近研究出来的被称做“能量扩展器”(“Power expander”)的能源回收装置。能量扩展器在线设置并使高压气体通过其内的喷嘴以一定角度流向反击式汽轮机涡轮。该涡轮在气体压力的作用下旋转并通过与感应发电机联接的输出轴传送机械能。
当安装在每天连续流量2100万立方英尺、进气压力150psia、出气压力50psia的天然气输送道内时，能量扩展器的输出功率为382马力，即在压降为100psi时，功率为250kw。这就是说，该装置输出约3.82马力，即在气体压力每下降1psi时相应产生2.5kw功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种将气体压力转换成电能的设备和方法，它能充分利用气体管道中以过剩压力形式存在的势能。
根据本发明的用于发电同时降低管道中气体压力的设备，它包括：一个装满液体的容器，该容器包含一个基本竖直的第一部分和一个从第一部分向上倾斜的第二部分，每个部分都有顶端和底端，该容器还包含将第一和第二部分的顶端和底端连接起来的两个基本上水平的部分；一个安装在其中一个水平部分内与水平输出轴一起旋转的链轮；一个安装在另一个水平部分内且能旋转的惰轮；一个环绕着链轮和惰轮的环形驱动链；多个由驱动链带动的开口贮槽，每个贮槽安装在链上，使得当贮槽同驱动链一起向上运动通过第二部分时是开口朝下的，而当贮槽随驱动链一起向下运动通过第一部分时是开口朝上的；一个位于第二部分的底端下方的气体入口，以使至少一部分流入容器内的气体能够进入在第二部分内开口朝下的贮槽中并置换贮槽内的液体，这样就可以产生一个正的浮力以推动贮槽向上运动并使链轮及输出轴旋转，且还可以减小贮槽中气体的压力，当贮槽绕过链轮而翻转成开口朝上时，贮槽中的气体被释放并向上流向容器顶部；一个在第二部分的顶端上方与容器相连的气体出口。
在本发明的设备中，所述链轮的直径大于惰轮的直径，链轮被安装在将第一和第二部分的顶端连接起来的水平部分内并且能够旋转，而所述惰轮被安装在将第一和第二部分的底端连接起来的另一水平部分内并且也能够旋转。
在本发明的设备中，每个贮槽外侧都设有一个溢流通道，进入容器中的气体可通过此通道并进入下一个较高的贮槽内直到产生足够的浮力能使贮槽开始向上运动并使链轮旋转。
根据本发明的发电而同时将输送管道中天然气压力减至分配压力的方法，它包括以下步骤：使天然气在向外倾斜部分的下方注入充满液体的容器，以便被由环状驱动链带动的多个开口的贮槽所收集，环状链围绕着一个安装在容器内水平输出轴上并同该轴一起旋转的链轮，这样当贮槽在向外倾斜的部分内运动时其开口端朝下，当位于向外倾斜部分内的贮槽收集天然气时，从贮槽中被置换的液体将产生一个正的浮力以推动开口朝下的贮槽向上运动并使链轮和输出轴旋转，同时降低了贮槽内天然气的压力，当每个贮槽绕过链轮并翻转成口朝上时天然气被释放并向容器的上部流动；经容器顶部的出口收集释放的天然气并将其顺序地导入串联连接的其它这样充满液体的容器中，然后从中释放以使压力进一步降低直至从所述其它容器中的一个容器释放出的天然气的压力大约为适于分配的水平；将在每个容器中向上运动的贮槽的浮力转化为各容器的输出轴的旋转能。
本发明的装置能够降低天然气管道中的气体压力而同时又显著提高气体压力下降每psi时所能回收的能量。具体地讲，当气体压力由进气时的150psia被降至出气时的50psia时，本发明的装置拟提供约31.42马力，它将在每psi气压降的条件下产生22.14KW功率。
本发明的这些和其它目的、优点和特征对于本领域的技术人员而言，可以从本说明书和附图以及权利要求书中显而易见。
附图说明
在附图中：
图1是本发明所述发电设备的局部前视和局部剖面图；
图2是沿图1中2-2线截取的发电设备下部水平部分的剖视图；
图3是由多个本发明所述发电设备串联成的用以将天然气管道中的部分压力转换成电能的工艺流程图。
具体实施方式
图3示出了以串联方式在入口管道12和出口管道16之间连接的几个本发明所述发电设备10的流程图。流经管道12的天然气压力为150-200psia。当天然气以气泡状通过14.3英尺的水时，输送到各连续发电装置10的气体的压力将下降约6.2psi(磅/英寸)。此时，这6.2psi压降中所体现的能量的一部分按下述方式转换成驱动输出轴28旋转所做的功。每根输出轴28上产生的扭矩通过感应发电机(图中未显示)或其它装置转换成电能。通过将多个发电设备10以串联方式排列，出气管14中气体的压力将最终被降至适合用户使用的水平。例如，16个这样的设备10串联布置将使气体的压力从气体入口管道12处的150psia降至出气体出口管道16处的约50psia，而同时在约53-55％的发电机效率下，将累计输出3,142马力，其产生2,214kw的可回收能量。
实现本发明所述方法的设备的优选实施方案如图1所示，该设备标号总体为10。设备10包括一个装满水的容器，该容器有两个大体呈竖直的部分18和20以及将两个竖直部分各自的顶端和底端连接起来的两个水平部分22和24。如实施方案中所示，竖直部分20相对于垂直轴稍有倾斜。上水平部分22包括倾斜的上表面22A和22B以及穿孔的水平上表面22C。
链轮26安装在上水平部分22中的水平输出轴28上并与该轴一起旋转。惰轮30安装在下水平部分24中的惰轮轴32上并与该轴一起旋转。在链轮26的周边设有外部沟槽27，在惰轮30的周边设有外部沟槽31，其原因将在下面说明。
环形驱动链34环绕着链轮26和惰轮30延续。气体贮槽或吊桶36连接在环形驱动链上。气体贮槽36优选地由尽可能接近中等浮力的材料例如丙烯酸材料制成。在所示的实施方案中，每个吊桶36都有一对凸缘37，凸缘37通过销39与驱动链的链节44枢轴式地连接，以便凸缘在驱动链内起另一个链节的作用。惰轮30上的槽31和链轮26上的槽27间隔开以便当驱动链围绕惰轮和链轮运动时与销39啮合，迫使惰轮和链轮随着运动的驱动链转动。
在运转时，容器10内被注满水，水的高度超过吊桶36绕过链轮26的路径的高度。有压力的气体经入口管道I进入容器。有孔的管子40与入口管道I垂直相联以在横穿吊桶开口端46的宽度方向上分配天然气。
气体首先进入最低的吊桶36A中并且置换了该吊桶内的水。最初，只有水的静压力作用在吊桶的气体上并推动吊桶向上。但这并不足以迫使驱动链运动，所以提供了通道48以使剩余的气体流入下一个吊桶。这个过程一直持续到每个开口朝下的吊桶都被注入天然气且作用在吊桶上的总浮力推动连接到吊桶上的驱动链34在容器部分20中向上运动。一但驱动链和吊桶开始运动，就会有足够的浮力将大部分运动转变成功。链34的转动通过销39与相应的槽27和31啮合以使链轮26和惰轮辐30旋转。轴28和32依次在链轮26和惰轮辐30的作用下转动。
伸出容器上部22外部的输出轴28旋转所产生的扭矩用来驱动一台在容器外发电的发电机。在这个过程中，传输管道中天然气的压力被降至适合用户使用的水平。
流进容器但没有收集进入吊桶的气体大约为25％，它在水中急剧上升，形成的气流按逆时针方向环绕容器顺序流过部分20、22、18和24。这股强力环流强化了吊桶36的链34环绕容器的运动。
正如以上所解释的，气体从输送管道到分配管道通常所希望的压降是约100psi。要用本发明的容器获得这100psi的压降就需要该容器含230英尺高的水。或者，采用串联的几个容器，例如串联的16个容器，每个容器都具有足够的水以使气体通过14.3英尺高的水层，从而使得气体的压力从约150psi的管道压力下降约100psi，并按前面解释的那样产生约2,214kw的功率。在这种情况下，气体通过每一个容器的压降是大约6.2psi。
从以上叙述可以看出：本发明十分适合于完成本文所提出的目的和目标以及本发明其它明显和内在的优点。
应该理解，本发明的某些特征和附属组合具有多种用途并可以被单独使用而与其它的特点和附属组合无关。这一点已经被考虑到并包括在权利要求的范围中。
由于不偏离本发明范围的实施方案很多，应当理解，本文提供的和附图表示的所有材料都是说明性的，而并没有限制的含意。
例如，尽管在优选实施方案中，本发明以多台发电设备10的形式来说明，应当理解，这些设备可以根据具体的系统要求并联使用或单独使用。
此外，本领域的技术人员应当理解，本发明适用于任何存在气体过剩压力的系统中，如丙烷和甲烷贮存罐以及精炼厂燃烧气体。

Claims (4)

1.一种用于发电同时降低管道中气体压力的设备，它包括：
一个装满液体的容器，该容器包含一个基本竖直的第一部分和一个从第一部分向上倾斜的第二部分，每个部分都有顶端和底端，该容器还包含将第一和第二部分的顶端和底端连接起来的两个基本上水平的部分；
一个安装在其中一个水平部分内与水平输出轴一起旋转的链轮；
一个安装在另一个水平部分内且能旋转的惰轮；
一个环绕着链轮和惰轮的环形驱动链；
多个由驱动链带动的开口贮槽，每个贮槽安装在链上，使得当贮槽同驱动链一起向上运动通过第二部分时是开口朝下的，而当贮槽随驱动链一起向下运动通过第一部分时是开口朝上的；
一个位于第二部分的底端下方的气体入口，以使至少一部分流入容器内的气体能够进入在第二部分内开口朝下的贮槽中并置换贮槽内的液体，这样就可以产生一个正的浮力以推动贮槽向上运动并使链轮及输出轴旋转，且还可以减小贮槽中气体的压力，当贮槽绕过链轮而翻转成开口朝上时，贮槽中的气体被释放并向上流向容器顶部；
一个在第二部分的顶端上方与容器相连的气体出口。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述链轮的直径大于惰轮的直径，链轮被安装在将第一和第二部分的顶端连接起来的水平部分内并且能够旋转，而所述惰轮被安装在将第一和第二部分的底端连接起来的另一水平部分内并且也能够旋转。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，每个贮槽外侧都设有一个溢流通道，进入容器中的气体可通过此通道并进入下一个较高的贮槽内直到产生足够的浮力能使贮槽开始向上运动并使链轮旋转。
4.一种发电而同时将输送管道中天然气压力减至分配压力的方法，它包括以下步骤：
使天然气在向外倾斜部分的下方注入充满液体的容器，以便被由环状驱动链带动的多个开口的贮槽所收集，环状链围绕着一个安装在容器内水平输出轴上并同该轴一起旋转的链轮，这样当贮槽在向外倾斜的部分内运动时其开口端朝下，当位于向外倾斜部分内的贮槽收集天然气时，从贮槽中被置换的液体将产生一个正的浮力以推动开口朝下的贮槽向上运动并使链轮和输出轴旋转，同时降低了贮槽内天然气的压力，当每个贮槽绕过链轮并翻转成口朝上时天然气被释放并向容器的上部流动；
经容器顶部的出口收集释放的天然气并将其顺序地导入串联连接的其它这样充满液体的容器中，然后从中释放以使压力进一步降低直至从所述其它容器中的一个容器释放出的天然气的压力大约为适于分配的水平；
将在每个容器中向上运动的贮槽的浮力转化为各容器的输出轴的旋转能。
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