CN108518919A - 使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统，包括天然气源、第一降温单元、第二降温单元、第三降温单元、第一液化天然气储罐、第二液化天然气储罐，其中，天然气源通过第一降温管路连通第一降温单元、第二降温单元以及第一液化天然气储罐，第一液化天然气储罐通过第二降温管路连通第三降温单元以及第二液化天然气储罐，第一降温单元包括至少一台高温区脉管型斯特林制冷机，第二降温单元包括至少一台中温区脉管型斯特林制冷机，第三降温单元包括至少一台低温区脉管型斯特林制冷机。

Description

使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统
技术领域
本发明属于气体低温液化技术领域，具体涉及一种结合脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统。
背景技术
天然气作为清洁能源是21世纪消费量增长最快的能源，天然气消费的增长促进了液化天然气工业的迅速发展，近十年来，我国的液化天然气(LNG)开发处于大发展时期。LNG链的每一环节上都有所发展，其中液化技术比较复杂，涉及的专业面很广，包括天然气预处理、预冷、深冷技术以及低温容器设计与工艺等。天然气液化流程设备的投资占LNG工厂总投资的30％左右，因此，液化流程直接影响到LNG工厂建设及运行的经济性。鉴于我国天然气资源零散分布的特点，小型天然气液化流程具备很大的优势，可将其应用于汽车燃料加注站、BOG液化回收、城市燃气调峰等，与大中型液化装置相比，小型液化流程投资少，设备简单紧凑，启停方便。高效、经济的小型天然气液化装置的开发，还有利于边远气田、海上气田气源的开发利用，有利于推动天然气应用，改善能源结构，其应用前景十分广阔。
随着制冷技术的不断发展，天然气液化工艺越来越多样化，液化流程的选择是一个至关重要的技术、经济问题。天然气的液化流程主要有级联式循环、混合制冷剂循环(MRC)以及膨胀制冷循环。级联式制冷工艺流程通常由三级独立的制冷循环组成，液化流程设备较为复杂，初投资较高且不易控制和维护。世界天然气液化工艺技术研究的主要方向，一是提高现有流程工艺及装置设备效率，减少液化过程的功耗；二是研究与开发新型或者改进型的天然气液化流程技术。新型的脉管型斯特林制冷机利用气动技术进行膨胀制冷，温区广、效率高。其中三种不同结构形式的脉管型斯特林制冷机可以在高、中、低三种制冷温区实现大范围的制冷和控温，可以分别用来代替传统级联式液化流程中的丙烷、乙烯、甲烷制冷循环，简化天然气液化流程，实现液化流程小型化发展。结合脉管型斯特林制冷机在流程简化和小型化发展上的优势，还可以采用并联系统实现中等规模的天然气液化。
发明内容
本发明目的之一在于提供新型结合脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统。
本发明提供了一种使用脉管型斯特林制冷机的级联回热式天然气液化系统，具有这样的特征，包括天然气源、第一降温单元、第二降温单元、第三降温单元、第一液化天然气储罐、第二液化天然气储罐，其中，天然气源通过第一降温管路连通第一降温单元、第二降温单元以及第一液化天然气储罐，第一液化天然气储罐通过第二降温管路连通第三降温单元以及第二液化天然气储罐，第一降温单元包括至少一台高温区脉管型斯特林制冷机，第二降温单元包括至少一台中温区脉管型斯特林制冷机，第三降温单元包括至少一台低温区脉管型斯特林制冷机，高温区脉管型斯特林制冷机包括第一压缩机机架、第一压缩活塞、第一膨胀活塞、第一脉冲管、第一二级热端换热器、第一一级热端换热器，第一压缩机机架具有活塞管，活塞管具有用于容纳第一压缩活塞和第一膨胀活塞的柱形活塞腔，第一脉冲管连通活塞腔与活塞腔同轴设置，第一二级热端换热器设置在第一脉冲管中，第一一级热端换热器设置在活塞管的外部，第一压缩活塞、第一膨胀活塞以及活塞腔构成第一压缩腔，第一膨胀活塞、二级热端换热器以及第一脉冲管构成第一膨胀腔，第一膨胀腔与第一压缩腔同轴布置，第一脉冲管的内径与活塞腔内径相同，垂直于活塞腔轴线，活塞腔上设置有多个穿透活塞管管壁的第一通孔，第一通孔连通活塞腔与第一一级热端换热器，中温区脉管型斯特林制冷机包括第二压缩机机架、第二压缩活塞、第二膨胀活塞、第二脉冲管、第二二级热端换热器、第二一级热端换热器，第二压缩机机架具有同轴设置且连通的柱形第一压缩活塞腔和第一膨胀活塞腔，第二压缩活塞、第二膨胀活塞分别设置在第一压缩活塞腔和第一膨胀活塞腔中，第二脉冲管连通第一膨胀活塞腔且与第一膨胀活塞腔同轴设置，第二二级热端换热器设置在第二脉冲管中，第二一级热端换热器设置在第一膨胀活塞腔的外部，第二压缩活塞、第二膨胀活塞、第一压缩活塞腔以及第一膨胀活塞腔构成第二压缩腔，第二膨胀活塞、第二二级热端换热器以及第一膨胀活塞腔构成第二膨胀腔，第二膨胀腔与第二压缩腔同轴布置，压缩活塞腔的内径大于膨胀活塞腔的内径，膨胀活塞腔的内径与第二脉冲管的内径是相同的，平行于压缩活塞腔轴线，第二压缩机机架上设置有多个连通第一压缩腔与第二一级热端换热器的第二通孔，用于工质气体的流动，低温区脉管型斯特林制冷机包括第三压缩机机架、第三压缩活塞、第三膨胀活塞、第三脉冲管、第三二级热端换热器、第三一级热端换热器，第三压缩机机架具有同轴设置且连通的柱形第二压缩活塞腔、第二膨胀活塞腔、热交换腔，第三压缩活塞、第三膨胀活塞分别设置在第二压缩活塞腔和第二膨胀活塞腔中，第三脉冲管连通热交换腔且与热交换腔同轴设置，第三二级热端换热器设置在热交换腔中，第三一级热端换热器设置在第二膨胀活塞腔的外部，第三压缩活塞、第三膨胀活塞、第二压缩活塞腔以及第二膨胀活塞腔构成第三压缩腔，第三膨胀活塞、第三二级热端换热器、热交换腔以及第二膨胀活塞腔构成第三膨胀腔，第三膨胀腔与第三压缩腔同轴布置，第二压缩活塞腔的内径大于第二膨胀活塞腔的内径，第二膨胀活塞腔的内径大于热交换腔的内径，热交换腔的内径与第三脉冲管的内径相同，平行于第二压缩活塞腔轴线，第三压缩机机架上设置有多个连通压缩活塞腔与外部的第三通孔，用于工质气体的流动。
在本发明提供的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统中，其特征在于，还包括第一稳压阀，设置在天然气源与第一降温单元之间的第一降温液化管路中。
另外，在本发明提供的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统中，其特征在于，还包括节流阀，设置在第二降温单元与第一液化天然气储罐之间的降温液化管路中。
另外，在本发明提供的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统中，其特征在于，还包括第一排液阀，设置在第一液化天然气储罐通往LNG(液化天然气)贮槽的第一排液管路中。
另外，在本发明提供的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统中，其特征在于，还包括第二排液阀，设置在第而液化天然气储罐通往LNG(液化天然气)贮槽的第二排液管路中。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的使用脉管型斯特林制冷机的级联回热式天然气液化系统，本发明的特点是结合了适用于不同工作温区的新型高效的脉管型斯特林制冷机，利用了低温制冷机分级制冷的原理逐级降温，采用高温区脉管型斯特林制冷机进行初步预冷，采用中温区脉管型斯特林制冷机进行深冷和过冷，经节流阀等焓节流降压后冷凝液化部分气体，采用低温区脉管型斯特林制冷机将未液化天然气气体继续降温至标准大气压饱和温度以下使气体完全液化，流程复杂程度较低。脉管型斯特林制冷机采用氦气为工质，在其最优工作温区制冷效率较高，系统高效灵活，可以实现小型化，也可以在深冷和液化环节采用并联系统实现中等规模的天然气液化，液化率可以达到100％。
另外，脉管型斯特林制冷机采用氦气为工质，在其最优工作温区制冷效率较高，系统高效灵活，可以实现小型化，也可以在深冷和液化环节采用并联系统实现中等规模的天然气液化。
附图说明
图1是本发明实施例中结合脉管型斯特林制冷机的级联回热式天然气液化系统的流程图；
图2是本发明的实施例中高温区脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；
图3是本发明的实施例中高温区脉管型自由活塞斯特林制冷机机架的立体示意图；
图4是图3中A向视图；
图5是图4中C-C剖视图；
图6是本发明的实施例中高温区脉管型自由活塞斯特林制冷机机架的立体剖视示意图；
图7是本发明的实施例中中温区脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；
图8是本发明的实施例中中温区脉管型自由活塞斯特林制冷机机架的立体示意图；
图9是图8中B向视图；
图10是图9中D-D剖视图；
图11是本发明实施例的低温区脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；
图12是本发明的实施例低温区脉管型自由活塞斯特林制冷机机架的立体剖视示意图；以及
图13是本发明的实施例低温区脉管型自由活塞斯特林制冷机机架的剖视示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明使用脉管型斯特林制冷机的级联回热式天然气液化系统作具体阐述。
实施例
如图1所示，结合脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统包括气源1L、稳压阀2、两台高温区脉管型斯特林制冷机301、两台中温区脉管型斯特林制冷机302、节流阀5、液化天然气储罐Ⅰ6、排液阀Ⅰ7、低温区脉管型斯特林制冷机304、液化天然气储罐Ⅱ9以及排液阀Ⅱ10、第一降温管路J1、第二降温管路J2、第一排液管路P1、第二排液管路P2。
天然气源1L通过第一降温管路J1依次连通两台高温区脉管型斯特林制冷机301、两台中温区脉管型斯特林制冷机302到达液化天然气储罐Ⅰ6，液化天然气储罐Ⅰ6通过第二降温管路J2连通低温区脉管型斯特林制冷机304到达液化天然气储罐Ⅱ9。稳压阀2设置在天然气源1L与高温区脉管型斯特林制冷机301之间的第一降温管路J1中。节流阀5设置在中温区脉管型斯特林制冷机302与液化天然气储罐Ⅰ6之间的第一降温管路J1中。排液阀Ⅰ7设置在液化天然气储罐Ⅰ6通往LNG(液化天然气)贮槽的第一排液管路P1中。排液阀Ⅱ10设置在液化天然气储罐Ⅱ9通往LNG(液化天然气)贮槽的第二排液管路P2中。
如图2、图7、图11所示，分别为高温区脉管型斯特林制冷机301、中温区脉管型斯特林制冷机302以及低温区脉管型斯特林制冷机304的结构剖视图。高温区脉管型斯特林制冷机301的最优工作温区为220K(-53℃)以上制冷区间，在其最优工作温区可提供50W～200W的制冷量，适用于天然气液化流程中的预冷环节；中温区脉管型斯特林制冷机302的最优工作温区为120K～220K(-153℃～-53℃)的制冷区间，在其最优工作温区可提供20W～50W的制冷量，适用于天然气液化流程中进一步冷却的深冷环节；低温区脉管型斯特林制冷机304的最优工作温区为120K(153℃)以下的制冷区间，在其最优工作温区可提供2W～20W的制冷量，能在标准大气压下达到天然气饱和温度以下低温条件并持续输出冷量，将气体完全液化。三种温区的脉管型斯特林制冷机在其最优工作温区的相对卡诺效率可达30％。
如图2所示，高温区脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机1、压缩单元、膨胀机单元、无阻尼动力吸振单元4、机架50、以及外壳60。
如图3、4、5、6所示，机架50包括法兰52、设置在法兰52中的活塞管51以及底座53，
其中，法兰52呈圆盘形状，该法兰的一侧还设置有同心的小圆盘521，法兰52上均匀设置有多个连接通孔。
底座53呈筒状，一端与法兰52的一侧相连，另一端为自由端，底座53的中心线与法兰52的中心线重合，底座53的自由端上设置有多个连接螺孔，实施例中，底座53为围绕法兰52的中心线的四个支腿。
活塞管51为直通管，设置在法兰52中且与法兰52同轴线，外侧一端开口位于小圆盘521的外侧，内侧一端开口位于底座53内，活塞管51内具有柱形活塞腔，活塞腔上设置有多个垂直于活塞管轴线并穿透活塞管管壁的通孔511，实施例中，通孔511的截面为圆弧槽，数量为3个。
直线电机1包括外轭铁11、内轭铁14以及动子，外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体13和永磁体支架15。
如图2所示，直线电机1主要包括外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14，永磁体支架15，动子包括永磁体13、永磁体支架15、连接件16、固定螺母18、压缩活塞19以及压缩活塞板弹簧17(计算动子质量时只取板弹簧质量的1/3)，永磁体支架15与永磁体13相连接，并与压缩活塞19和连接件16通过螺纹连接。外轭铁11与内轭铁14为软磁材料，常用电功纯铁、硅钢片等材料制作，永磁体13为永磁材料，常用汝铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架50上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。
当线圈通入直流电时，外轭铁11和内轭铁14会形成磁力回线，从而在外轭铁11和内轭铁14上产生磁极。当在线圈中通入交流电时，永磁体13就会受到交变电磁力而做往复直线运动。当永磁体13做往复直线运动时，会带动压缩活塞19做往复直线运动，压缩活塞板弹簧17提供轴向的往复弹性力以及径向支撑。
压缩单元包括连接件16、压缩活塞板弹簧17、固定螺母18、压缩活塞19。压缩活塞板弹簧17通过固定螺母18与连接件16相连接，压缩活塞板弹簧17与机架50通过连接件固定连接，压缩活塞19设置在活塞腔中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧17相连，另一端为自由端。
膨胀机单元包括膨胀活塞21、膨胀活塞板弹簧22、活塞杆23、一级热端换热器26、二级热端换热器33、回热器25、脉冲管31、冷端换热器24、冷指壳35，
一级热端换热器26呈圆筒状，套在活塞管51的外壁上且设置在小圆盘521的端面上，一级热端换热器26与机架50为分体结构，一级热端换热器26与活塞管51的外壁过盈配合。
脉冲管31的一端与活塞管51外侧一端相连，另一端与冷端换热器24相连，
回热器25呈截面呈环形的圆筒状，设置在脉冲管31的外侧，一端与冷端换热器24相连，另一端与一级热端换热器26相连。
二级热端换热器33设置在脉冲管31内，位于脉冲管31与活塞管51的连接处，二级热端换热器33与机架50为分体结构，二级热端换热器33与活塞管51的内壁过盈配合。
膨胀活塞21设置在活塞管51中，膨胀活塞板弹簧22通过连接件与机架50固定连接，活塞杆23的一端与膨胀活塞21相连，另一端穿过压缩活塞19、压缩活塞板弹簧17后与膨胀活塞板弹簧22相连，
压缩活塞19、膨胀活塞21以及活塞腔构成压缩腔，压缩活塞19、二级热端换热器33以及活塞腔构成膨胀腔，膨胀腔与压缩腔为同轴布置。
冷指壳35设置在一级热端换热器26、回热器25、冷端换热器24的外部，外壳60设置在机架50以及膨胀机单元30的外部，外壳60、冷指壳35与机架50通过连接件连接成一体。
无阻尼动力吸振单元4与外壳60相连且设置在外壳60的外部，用于对制冷机进行减震。
本实施例适用于220K(-53℃)以上的制冷温度，可以提供50W-200W的制冷量。
如图7所示，同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机1、压缩单元、膨胀机单元、无阻尼动力吸振单元4、机架50B、以及外壳60。
如图8、9、10所示，机架50B包括法兰52B、膨胀活塞管51B、压缩活塞管54B以及底座53B，
其中，法兰52B呈圆盘形状，该法兰52B的一侧面设置有同心的圆盘521B，另一侧面与底座53B相连，法兰52B上均匀设置有多个连接通孔。
底座53B呈筒状，一端与法兰52B相连且与圆盘521B同轴线，另一端为自由端，底座53B的中心线与法兰52B的中心线重合，底座53B的自由端上设置有多个连接螺孔，实施例中，底座53B为围绕底座53B的中心线的四个支腿。
膨胀活塞管51B为直通管，一端与圆盘521B相连，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管51B内具有柱形膨胀活塞腔511B，
压缩活塞管54B为直通管，设置在底座53B中，一端与法兰52B相连且与法兰52B同轴线，另一端为自由端，压缩活塞管54B内具有柱形压缩活塞腔541B，压缩活塞腔541B与膨胀活塞腔511B同轴线且相连通。
平行于压缩活塞腔541B轴线，圆盘521B上设置有多个连通压缩活塞腔541B与外部的通孔522B，通孔522B的数量在3-9个之间。实施例中，通孔522B的截面为圆弧槽，数量为4个。
压缩活塞腔541B的内径大于膨胀活塞腔511B的内径，膨胀活塞腔511B的内径与脉冲管的内径是相同的。
直线电机1包括外轭铁11、内轭铁14以及动子，外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体13和永磁体支架15。
如图7所示，直线电机1主要包括外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14，永磁体支架15，动子包括永磁体13、永磁体支架15、连接件16、固定螺母18、压缩活塞19以及压缩活塞板弹簧17(计算动子质量时只取板弹簧质量的1/3)，永磁体支架15与永磁体13相连接，并与压缩活塞19和连接件16通过螺纹连接。外轭铁11与内轭铁14为软磁材料，常用电功纯铁、硅钢片等材料制作，永磁体13为永磁材料，常用汝铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架50B上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。
当线圈通入直流电时，外轭铁11和内轭铁14会形成磁力回线，从而在外轭铁11和内轭铁14上产生磁极。当在线圈中通入交流电时，永磁体13就会受到交变电磁力而做往复直线运动。当永磁体13做往复直线运动时，会带动压缩活塞19做往复直线运动，压缩活塞板弹簧17提供轴向的往复弹性力以及径向支撑。
压缩单元包括连接件16、压缩活塞板弹簧17、固定螺母18、压缩活塞19。压缩活塞板弹簧17通过固定螺母18与连接件16相连接，压缩活塞板弹簧17与机架50B通过连接件固定连接，压缩活塞19设置在压缩活塞腔541B中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧17相连，另一端为自由端。
膨胀机单元包括膨胀活塞21B、膨胀活塞板弹簧22B、活塞杆23B、一级热端换热器26B、二级热端换热器33B、回热器25B、脉冲管31B、冷端换热器24B、冷指壳35B。
一级热端换热器26B呈圆筒状，套在膨胀活塞管51B的外壁上且设置在小圆盘521B的端面上，一级热端换热器26B与机架50B为分体结构，一级热端换热器26B与活塞管51B的外壁过盈配合。
脉冲管31B的一端与膨胀活塞管51B的一端相连，另一端与冷端换热器24B相连。
回热器25B呈截面呈环形的圆筒状，设置在脉冲管31B的外侧，一端与冷端换热器24B相连，另一端与一级热端换热器26B相连。
二级热端换热器33B设置在脉冲管31B内，位于脉冲管31B与膨胀活塞管51B的连接处，二级热端换热器33B与机架50B为分体结构，二级热端换热器33B与膨胀活塞管51B的内壁过盈配合。
膨胀活塞21B设置在膨胀活塞管51B中，膨胀活塞板弹簧22B通过连接件与机架50B固定连接，活塞杆23B的一端与膨胀活塞21B相连，另一端穿过压缩活塞19、压缩活塞板弹簧17后与膨胀活塞板弹簧22B相连，
压缩活塞19、膨胀活塞21B、压缩活塞腔541B以及膨胀活塞腔511B构成压缩腔。
膨胀活塞21B、二级热端换热器33B以及膨胀活塞腔511B构成膨胀腔。膨胀腔与压缩腔为同轴布置。
冷指壳35B设置在一级热端换热器26B、回热器25B、冷端换热器24B的外部，外壳60设置在机架50B以及膨胀机单元的外部，外壳60、冷指壳35B与机架50B通过连接件连接成一体。
散热器27位于一级热端换热器26B的外侧且设置在冷指壳35B上，一级热端换热器26B将热量通过冷指壳35B传递给外侧的散热器27，最终释放给环境。
无阻尼动力吸振单元4与外壳60相连且设置在外壳60的外部，用于对制冷机进行减震。
本实施例适用于120K～220K(-153℃～53℃)的制冷温度区间，可以提供20W～50W的制冷量。
如图11所示，同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机1、压缩单元、膨胀机单元、无阻尼动力吸振单元4、机架50C、以及外壳60。
如图12、13所示，机架50C包括法兰52C、膨胀活塞管51C、压缩活塞管54C以及底座53C，
其中，法兰52C呈圆盘形状，该法兰52C的一侧面设置有同心的圆盘521C，另一侧面与底座53C相连，法兰52C上均匀设置有多个连接通孔。
底座53C呈筒状，一端与法兰52C相连，另一端为自由端，底座53C的中心线与法兰52C的中心线重合，底座53C的自由端上设置有多个连接螺孔531C，实施例中，底座53C为围绕法兰52C中心线的设置的四个支腿。
膨胀活塞管51C为直管，一端与圆盘521C相连且与圆盘521C同轴线，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管内51C具有柱形的热交换腔511C和柱形的膨胀活塞腔512C，热交换腔511C连通脉冲管，脉冲管、热交换腔511C以及膨胀活塞腔512C同轴线且相连通，压缩活塞管54C为直管，设置在底座53C中，一端与法兰52C相连设置在法兰52C的中心，另一端为自由端，压缩活塞管54C内具有柱形压缩活塞腔541C，压缩活塞腔541C与膨胀活塞腔512C同轴线且相连通。
平行于压缩活塞腔541C轴线，圆盘上设置有多个连通压缩活塞腔541C与外部的通孔522C，通孔522C的数量在3-9个之间，实施例中，通孔522C的截面为圆弧槽，数量为4个。
压缩活塞腔541C的内径大于膨胀活塞腔512C的内径，膨胀活塞腔512C的内径大于热交换腔511C的内径，热交换腔511C的内径与脉冲管的内径相同。
直线电机1包括外轭铁11、内轭铁14以及动子，外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体13和永磁体支架15。
如图11所示，直线电机1主要包括外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14，永磁体支架15，动子包括永磁体13、永磁体支架15、连接件16、固定螺母18、压缩活塞19以及压缩活塞板弹簧17(计算动子质量时只取板弹簧质量的1/3)，永磁体支架15与永磁体13相连接，并与压缩活塞19和连接件16通过螺纹连接。外轭铁11与内轭铁14为软磁材料，常用电功纯铁、硅钢片等材料制作，永磁体13为永磁材料，常用汝铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架50C上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。
当线圈通入直流电时，外轭铁11和内轭铁14会形成磁力回线，从而在外轭铁11和内轭铁14上产生磁极。当在线圈中通入交流电时，永磁体13就会受到交变电磁力而做往复直线运动。当永磁体13做往复直线运动时，会带动压缩活塞19做往复直线运动，压缩活塞板弹簧17提供轴向的往复弹性力以及径向支撑。
压缩单元包括连接件16、压缩活塞板弹簧17、固定螺母18、压缩活塞19。压缩活塞板弹簧17通过固定螺母18与连接件16相连接，压缩活塞板弹簧17与机架50C通过连接件固定连接，压缩活塞19设置在压缩活塞腔541C中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧17相连，另一端为自由端。
膨胀机单元包括膨胀活塞21C、膨胀活塞板弹簧22C、活塞杆23C、一级热端换热器26C、二级热端换热器33C、回热器25C、脉冲管31C、冷端换热器24C、冷指壳35C。
一级热端换热器26C呈圆筒状，套在膨胀活塞管51C的外壁上且设置在小圆盘521C的端面上，一级热端换热器26C与机架50C为分体结构，一级热端换热器26C与膨胀活塞管51C的外壁过盈配合。
脉冲管31C的一端与膨胀活塞管51C的一端相连，另一端与冷端换热器24C相连，冷端换热器24C设置在冷指壳35C的端部。
回热器25C呈截面呈环形的圆筒状，设置在脉冲管31C的外侧，一端与冷端换热器24C相连，另一端与一级热端换热器26C相连。
二级热端换热器33C设置在热交换腔511C内，位于脉冲管31C与膨胀活塞管51C的连接处，二级热端换热器33C与机架50C为分体结构，二级热端换热器33C与膨胀活塞管51C的内壁过盈配合。
膨胀活塞21C设置在膨胀活塞腔512C中，膨胀活塞板弹簧22C通过连接件与机架50C固定连接，活塞杆23C的一端与膨胀活塞21C相连，另一端穿过压缩活塞19、压缩活塞板弹簧17后与膨胀活塞板弹簧22C相连。
压缩活塞19、膨胀活塞21C、压缩活塞腔541C以及膨胀活塞腔512C构成压缩腔，膨胀活塞21C、二级热端换热器33C、膨胀活塞腔512C以及热交换腔511C构成膨胀腔，压缩腔与膨胀腔同轴设置。
冷指壳35C设置在一级热端换热器26C、回热器25C、冷端换热器24C的外部，外壳60设置在机架50C以及膨胀机单元的外部，外壳60、冷指壳35C与机架50C通过连接件连接成一体。
散热器27位于一级热端换热器26C的外侧且设置在冷指壳35C上，一级热端换热器26C将热量通过冷指壳35C传递给外侧的散热器27，最终释放给环境。
无阻尼动力吸振单元4与外壳60相连且设置在外壳60的外部，用于对制冷机进行减震。
膨胀活塞与压缩活塞的运动过程以及气体流动过程：
膨胀活塞板弹簧22C与活塞杆23C固定，膨胀活塞21C与活塞杆23C相连。
膨胀活塞21C为纯气动驱动，利用膨胀活塞21C和压缩活塞19之间的位移相位差产生制冷效应，通常膨胀活塞21C的位移领先压缩活塞19约70°～100°，在低温区(冷头温度在-100以下)时，位移相位差会减小至50°～60°。由于直线电机为正弦交流电激励，所以膨胀活塞21C和压缩活塞19的运动也是呈正弦曲线的连续运动，但为了阐述其工作原理，假设膨胀活塞21C与压缩活塞19按照循环规律做间歇性跳跃式运动。
声波压缩过程：膨胀活塞21停留在上止点不动，压缩活塞19由下止点向上运动，此时主主压缩腔29C内的声波被压缩，并流入气缸外侧的一级热端换热器26C，将压缩过程产生的热量释放给一级热端换热器26C，一级热端换热器26C再将热量通过外壳体传递给外侧的散热器27，最终释放给环境。理想情况下认为气缸与外壳体是完全导热的，同时一级热端换热器26C与散热器27的换热面积无限大，因此工质的温度保持不变。但在实际过程中，等温压缩是不可能实现的，且膨胀活塞21C不可能间歇运动，在压缩活塞19向上运动的时膨胀活塞21C已经开始向下运动。
回热器放热过程：压缩活塞19运动至上止点后不动，膨胀活塞21C向下运动，此时声波通过回热器25C，与回热器25C内的填料充分接触换热，将热量释放至回热器25C内，此时回热器25C的温度升高，声波温度和压力降低。但在实际换热过程中，回热器25C换热过程并不是定容的，也不可能实声波和回热器25C填料的完全换热。
声波层流流动过程：气体流经冷端换热器24C后通过导流器32C，以层流的形式进入脉冲管31C，把脉冲管31C内气体推向膨胀腔28C。气体受挤压后，压力和温度上升。产生的热量通过二级热端换热器33C沿径向传递至一级热端换热器26C，最终传递至散热器27并释放给环境。在膨胀腔28C内的气体膨胀做功，辅助推动膨胀活塞向下止点，功回收压缩腔34C变小，起到了回收声功的作用。在实际工作过程中，压缩活塞19并不会一直停留在上止点，而是会随膨胀活塞21C一起向下运动，但需指出的是两者并不是同向运动而是膨胀活塞领先压缩活塞一定的相位角。
声波制冷过程：膨胀活塞21C从下止点开始向上运动至上止点，压缩活塞19运动至下止点，膨胀活塞21C将膨胀腔28C内的声波推回至脉冲管31C中，气体在脉冲管内膨胀吸热，产生制冷效应，在脉冲管31C顶部靠近导流器32C处达到最低制冷温度。产生的冷量通过冷端换热器24C导出至用冷环境。声波工质再沿原路径返回回热器25C内并与填料充分接触换热，吸收回热器25C内的热量后，重新返回主压缩腔29C等待下一次压缩。该过程声波的温度和压力上升，回热器25C温度下降。在实际过程中，压缩活塞19达到下止点时膨胀活塞21C并未达到上止点，而是在返回上止点的过程中，但其在位移波相位上仍超前压缩活塞19。
本实施例适用于120K(-153℃以下的制冷温度)，可以提供2W～20W的制冷量。
结合图1、图2、图7、图11所示，一种结合脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统的工作流程为：经过洁净除湿等操作处理的高压气态天然气，从气源1L输出，经稳压阀2稳压至一定的工作压力，流入降温液化管路中，在降温液化管路中首先流经第一级高温区脉管型斯特林制冷机301的冷端进行初步预冷，第一台高温区脉管型斯特林制冷机301的冷端温度设置在253K(-20℃)，第二台高温区脉管型斯特林制冷机301的冷端温度设置在220K(-53℃)，初步预冷后的气态天然气从第一级高温区脉管型斯特林制冷机301中流出后，进入第二级中温区脉管型斯特林制冷机302进一步降温冷却，第一台中温区脉管型斯特林制冷机302的冷端温度设置在178K(-95℃)，第二台中温区脉管型斯特林制冷机302的冷端温度设置在140K(-133℃)，使气态天然气过冷，进一步深冷及过冷后的气态天然气从第二级中温区脉管型斯特林制冷机302流出后，流经节流阀5等焓节流降压至一个标准大气压，气态天然气根据其深冷后的过冷情况以一定的液化率冷凝液化，流入液化天然气储罐Ⅰ6，打开排液阀Ⅰ7可将液化天然气储罐Ⅰ6中的液化天然气排出，送入LNG贮槽。部分未液化的低温天然气气体从液化天然气储罐Ⅰ6中流出后，进入低温区脉管型斯特林制冷机304的冷端，低温区脉管型斯特林制冷机304的冷端温度设置在106K(-167℃)，在低于标准大气压下天然气饱和温度的低温持续输出冷量，使流经的未液化天然气气体完全液化(系统液化率Z＝100％)，流入液化天然气储罐Ⅱ9，经排液阀Ⅱ10排出送至LNG贮槽。当天然气流量较大，可在第二台中温区脉管型斯特林制冷机和低温区脉管型斯特林制冷机304处采用并联结构，实现中等规模的天然气完全液化。整个级联式天然气液化系统流程中的各管道、各设备冷端、阀件以及天然气储罐均作绝热保温处理。
实施例的作用与效果
本实施例的特点是结合了适用于不同工作温区的新型高效的脉管型斯特林制冷机，利用了低温制冷机分级制冷的原理逐级降温，采用高温区脉管型斯特林制冷机进行初步预冷，采用中温区脉管型斯特林制冷机进行深冷和过冷，经节流阀等焓节流降压后冷凝液化部分气体，采用低温区脉管型斯特林制冷机将未液化天然气气体继续降温至标准大气压饱和温度以下使气体完全液化，流程复杂程度较低。脉管型斯特林制冷机采用氦气为工质，在其最优工作温区制冷效率较高，系统高效灵活，可以实现小型化，也可以在深冷和液化环节采用并联系统实现中等规模的天然气液化，液化率可以达到100％。
另外，脉管型斯特林制冷机采用氦气为工质，在其最优工作温区制冷效率较高，系统高效灵活，可以实现小型化，也可以在深冷和液化环节采用并联系统实现中等规模的天然气液化。
另外，本实施例的脉管型自由活塞斯特林制冷机取消了传统自由活塞斯特林制冷机较长的低温膨胀活塞，以较短室温区工作的功回收膨胀活塞代替。自由活塞斯特林制冷机的膨胀气缸变成了脉管冷指的脉冲管，脉冲管冷端布置有层流化的导流器，热端设有二级热端换热器。这种改变结合了自由活塞斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，通过取消在冷热端高频运动的膨胀活塞，消除了低温膨胀活塞带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失。通过热端设置较短的室温膨胀活塞解决了脉管制冷机的声功回收问题，因此，当完全回收冷端声功时，该新型脉管型自由活塞斯特林制冷机理论效率为卡诺循环效率。同时，取消低温膨胀活塞降低了制冷机制造难度，减小了整机质量。

Claims (5)

1.一种使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统，其特征在于，包括：
天然气源、第一降温单元、第二降温单元、第三降温单元、第一液化天然气储罐、第二液化天然气储罐，
其中，天然气源通过第一降温管路连通所述第一降温单元、所述第二降温单元以及所述第一液化天然气储罐，
所述第一液化天然气储罐通过第二降温管路连通所述第三降温单元以及所述第二液化天然气储罐，
所述第一降温单元包括至少一台高温区脉管型斯特林制冷机，所述第二降温单元包括至少一台中温区脉管型斯特林制冷机，所述第三降温单元包括至少一台低温区脉管型斯特林制冷机，
所述高温区脉管型斯特林制冷机包括第一压缩机机架、第一压缩活塞、第一膨胀活塞、第一脉冲管、第一二级热端换热器、第一一级热端换热器，
所述第一压缩机机架具有活塞管，所述活塞管具有用于容纳所述第一压缩活塞和所述第一膨胀活塞的柱形活塞腔，所述第一脉冲管连通所述活塞腔与所述活塞腔同轴设置，所述第一二级热端换热器设置在所述第一脉冲管中，所述第一一级热端换热器设置在所述活塞管的外部，
所述第一压缩活塞、所述第一膨胀活塞以及所述活塞腔构成第一压缩腔，
所述第一膨胀活塞、所述二级热端换热器以及所述第一脉冲管构成第一膨胀腔，所述第一膨胀腔与所述第一压缩腔同轴布置，
所述第一脉冲管的内径与所述活塞腔内径相同，
垂直于所述活塞腔轴线，所述活塞腔上设置有多个穿透所述活塞管管壁的第一通孔，所述第一通孔连通所述活塞腔与所述第一一级热端换热器，
所述中温区脉管型斯特林制冷机包括第二压缩机机架、第二压缩活塞、第二膨胀活塞、第二脉冲管、第二二级热端换热器、第二一级热端换热器，
所述第二压缩机机架具有同轴设置且连通的柱形第一压缩活塞腔和第一膨胀活塞腔，所述第二压缩活塞、所述第二膨胀活塞分别设置在所述第一压缩活塞腔和所述第一膨胀活塞腔中，所述第二脉冲管连通所述第一膨胀活塞腔且与所述第一膨胀活塞腔同轴设置，所述第二二级热端换热器设置在所述第二脉冲管中，所述第二一级热端换热器设置在第一膨胀活塞腔的外部，
所述第二压缩活塞、所述第二膨胀活塞、所述第一压缩活塞腔以及所述第一膨胀活塞腔构成第二压缩腔，
所述第二膨胀活塞、所述第二二级热端换热器以及所述第一膨胀活塞腔构成第二膨胀腔，所述第二膨胀腔与所述第二压缩腔同轴布置，
所述压缩活塞腔的内径大于所述膨胀活塞腔的内径，所述膨胀活塞腔的内径与所述第二脉冲管的内径是相同的，
平行于所述压缩活塞腔轴线，所述第二压缩机机架上设置有多个连通所述第一压缩腔与所述第二一级热端换热器的第二通孔，用于工质气体的流动，
所述低温区脉管型斯特林制冷机包括第三压缩机机架、第三压缩活塞、第三膨胀活塞、第三脉冲管、第三二级热端换热器、第三一级热端换热器，
所述第三压缩机机架具有同轴设置且连通的柱形第二压缩活塞腔、第二膨胀活塞腔、热交换腔，所述第三压缩活塞、所述第三膨胀活塞分别设置在所述第二压缩活塞腔和所述第二膨胀活塞腔中，所述第三脉冲管连通所述热交换腔且与所述热交换腔同轴设置，所述第三二级热端换热器设置在所述热交换腔中，所述第三一级热端换热器设置在所述第二膨胀活塞腔的外部，
所述第三压缩活塞、所述第三膨胀活塞、所述第二压缩活塞腔以及所述第二膨胀活塞腔构成第三压缩腔，
所述第三膨胀活塞、所述第三二级热端换热器、所述热交换腔以及所述第二膨胀活塞腔构成第三膨胀腔，所述第三膨胀腔与所述第三压缩腔同轴布置，
所述第二压缩活塞腔的内径大于所述第二膨胀活塞腔的内径，所述第二膨胀活塞腔的内径大于所述热交换腔的内径，所述热交换腔的内径与所述第三脉冲管的内径相同，
平行于所述第二压缩活塞腔轴线，所述第三压缩机机架上设置有多个连通所述压缩活塞腔与外部的第三通孔，用于工质气体的流动。
2.根据权利要求1所述的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统，其特征在于，还包括：
第一稳压阀，设置在所述天然气源与所述第一降温单元之间的所述第一降温液化管路中。
3.根据权利要求1所述的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统，其特征在于，还包括：
节流阀，设置在所述第二降温单元与所述第一液化天然气储罐之间的所述降温液化管路中。
4.根据权利要求1所述的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统，其特征在于，还包括：
第一排液阀，设置在所述第一液化天然气储罐通往LNG(液化天然气)贮槽的第一排液管路中。
5.根据权利要求1所述的使用脉管型斯特林制冷机的级联式天然气液化系统，其特征在于，还包括：
第二排液阀，设置在所述第而液化天然气储罐通往LNG(液化天然气)贮槽的第二排液管路中。
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