CN112431640A - 一种管道式工艺气压力能回收发电装置及工艺气减压管路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种管道式工艺气压力能回收发电装置及工艺气减压管路。该装置至少包括壳体、发电机以及透平膨胀机。壳体具有进气口和出气口；发电机位于壳体内；透平膨胀机位于壳体内并与发电机同轴连接。管道式工艺气压力能回收发电装置利用透平膨胀机发电机组替代现有工艺系统中的减压阀组，实现了全封闭式压力能回收发电，能量转化效率高，结构紧凑，安装简便。透平膨胀机包括平衡盘，平衡盘用于平衡透平膨胀机的转子轴向力，进而保证管道式工艺气压力能回收装置的运行稳定。
Description
技术领域
本发明涉及节能减排领域，尤其涉及一种管道式工艺气压力能回收发电装置及工艺气减压管路。
背景技术
石油、化工、冶金、天然气等工业领域的生产过程中普遍存在工艺气减压工序。目前通常的做法是采用减压阀来实现工艺气减压，但这种减压的方式会造成能源的浪费和损失。例如，在天然气门站减压、煤改气装置天然气管道减压、燃机电厂天然气管道减压等场合，上游管道输送来的高压天然气须通过减压阀组(称为调压撬)降压后分输给下游用户，高压天然气中蕴含的压力能在此过程中被白白耗散，导致大量
(能量)损失，进而造成能源的浪费和损失。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供了一种管道式工艺气压力能回收发电装置及工艺气减压管路，用于解决上述问题中的至少一个。
为了实现上述目的，本发明提供了一种管道式工艺气压力能回收发电装置。该装置包括：
壳体，所述壳体具有进气口和出气口；
发电机，所述发电机位于所述壳体内；
透平膨胀机，所述透平膨胀机位于所述壳体内并与所述发电机同轴连接；所述透平膨胀机包括进气锥体、叶轮转子总成、静叶组件和平衡气管；其中，所述叶轮转子总成前端装有平衡盘，所述平衡盘用于平衡所述透平膨胀机的轴向力；以及
磁浮轴承部套，所述磁浮轴承部套位于发电机两端，用于支撑和限位所述透平膨胀机的叶轮转子总成。
本发明公开的一种管道式工艺气压力能回收发电装置利用透平膨胀机发电机组替代现有工艺系统中的减压阀组，实现了全封闭式压力能回收发电，能量转化效率高，结构紧凑，安装简便，同时解决了工艺气泄漏及所产生的安全环保问题，可用于工艺气压力能回收，达到节能减排、降本增效的目的。以及，所述透平膨胀机的平衡盘可以用于平衡所述透平膨胀机的轴向力，进而保证管道式工艺气压力能回收发电装置运行的稳定。
本发明还公开了一种工艺气减压管路，其特征在于，所述工艺气减压管路包括互为并联的用户原工艺气减压阀管路、工作管路和停车旁路，所述工作管路上依次设置有快速切断阀、流量调节阀和管道式工艺气压力能回收发电装置，所述停车旁路上依次设置有快开阀、自动调节阀和节流孔板，当所述管道式工艺气压力能回收发电装置发生故障时，所述停车旁路用于稳定上下游工艺气压力波动，以及将所述工作管路平稳切换至所述用户原工艺气减压阀管路。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例公开的管道式工艺气压力能回收发电装置构成图；
图2为本发明的实施例公开的管道式工艺气压力能回收发电装置结构示意图；
图3为管道式工艺气压力能回收发电装置的轴向力平衡示意图；
图4为管道式工艺气压力能回收发电装置的叶轮转子总成结构示意图；
图5为管道式工艺气压力能回收发电装置的静叶组件结构示意图；
图6为管道式工艺气压力能回收发电装置的径流式叶轮结构示意图；
图7为本发明的实施例公开的工艺气减压管路示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参阅图1所示，本发明的实施例提供了一种管道式工艺气压力能回收发电装置。该装置可以包括壳体1、透平膨胀机2、发电机3和磁浮轴承部套4。高压的工艺气体进入壳体1后通过透平膨胀机2降压并带动其叶轮转动做功，然后透平膨胀机2再带动发电机3转动发电，进而能在将高压气体降低压力的同时发电，进而避免能量的损失和浪费。
参阅图2所示，所述的壳体1可以为管道式结构。壳体1可以由三段构成，包括进气壳体11、中间壳体12和排气壳体13。进气壳体11的进口法兰和排气壳体13的出口法兰分别与工艺气进气管道和工艺气排气管道的法兰相连接。进气口具有进口法兰，出气口具有出口法兰。高压的工艺气体从进气壳体11进入管道式工艺气压力能回收发电装置内，在透平膨胀机2中做功，进而驱动同轴的发电机3发电，产生清洁电能。降温降压后的工艺气体在中间壳体12中带走发电机产生的热量，再排入排气壳体13输送给下游用户，进而实现在对工艺气体降压的同时实现发电，提高能量的利用率。
参阅图2和图3所示，所述的透平膨胀机2包括进气锥体21、叶轮转子总成22、平衡气管路23和静叶组件24。进气锥体21包括锥头211、锥身212和进气导流支撑213。进气导流支撑213将进气锥体21与进气壳体11相连接，沿周向均匀分布若干数量，呈翼型结构，起到固定支撑进气锥体21的作用。进气锥体21型线呈流线形，曲率均匀变化，与进气壳体11一起构成进气收敛通道，使气流均匀加速且平顺地进入装置流道，达到一定的进气条件，减少进气损失，避免能量的浪费。在装配管道式工艺气压力能回收发电装置时，锥头211可拆卸，先将进气锥体21腔内的平衡盘224安装好后，再把锥头211固定到锥身212上。
参阅图4以及图6所示，叶轮转子总成22包括叶轮221、主轴222、锁紧螺母223、平衡盘224和推力盘225。叶轮221可以是轴流式或径流式，级数可以为单级或多级。例如，以图4所示的二级轴流叶轮为例，叶轮221通过镶套方式安装到主轴222上，通过右侧轴肩进行轴向定位。锁紧螺母223采用反螺纹，具有自锁性，从左侧压紧叶轮221。叶轮转子总成22的前端设置有平衡盘224，用于平衡所述透平膨胀机的转子轴向力。
继续参阅图3所示，透平膨胀机2包括安装于叶轮转子总成22前端的平衡盘224，平衡盘224用于平衡透平膨胀机的转子轴向力。具体的，平衡盘224的工作原理是，通过进气锥体21上周向分布的平衡气孔2241引入高压进气气流，经过平衡盘224轴套与进气锥体21隔板之间的间隙节流后进入平衡气腔2242，平衡气腔2242内的气流压力作用于平衡盘224上，产生与转子轴向力方向相反的平衡力，从而抵消掉大部分的转子轴向力，保证管道式工艺气压力能回收发电装置轴向方向上的受力平衡。平衡气腔2242通过平衡气孔2241承接来自于壳体1进气口的工艺气体输入，平衡气腔2242通过间隙2244排出工艺气体，间隙2244自动可调，并使平衡气腔2242内的工艺气压力同步自适应调节。例如，当工况改变导致转子轴向力发生变化时，平衡盘224与平衡环2243的轴向间隙2244随之变化，当轴向力增大时，间隙2244减小，当轴向力减小时，间隙2244增大，由于间隙2244的自适应改变，会自动调节平衡气腔2242内的压力，从而达到轴向力“自平衡”的目的，进而保证该装置运行时的稳定。剩余转子轴向力再由安装在叶轮转子总成22尾端的推力盘225完全平衡。
进一步参阅图2所示，在一优选的实施方式中，该装置还包括平衡气管路23。平衡气管路23连通进气锥体21和壳体1的出气口。平衡气管路23将用于平衡的气体从进气锥体21内引出，连接至排气壳体13，其作用是进一步使平衡盘224前后始终保持一定的压力差。
参阅图5以及图6所示，静叶组件24包括静叶环241和静叶片242，静叶环241和静叶片242通过焊接方式连接。
参阅图2所示，的发电机3包括发电机永磁体铁芯31、发电机定子铁芯32、发电机定子绕组33、发电机散热翅板34、发电机壳体35、排气导流支撑36和电缆穿线管37。发电机永磁体铁芯31与的透平膨胀机的叶轮转子总成22共用一根主轴，即采用“同轴驱动”方式，中间不设联轴器和减速箱，减小了传动损失。发电机定子铁芯32、发电机定子绕组33和发电机散热翅板34组装为一体，安装于发电机壳体35中部。发电机3可以为现有技术中被本领域技术人员采用的结构，在此不再赘述。
发电机壳体35通过排气导流支撑36与中间壳体12相连，构成排气腔，排气腔为一扩散通道，减缓排气流速，减小气流损失。排气导流支撑36为翼型结构，沿周向均匀分布若干数量。
本装置与前述现有技术中得到发电机3相比，改进在于：发电机散热翅板34上分布有换热扰流翅片，降温降压后的排气气流与发电机散热翅板34直接接触，从而带走发电机3运行中产生的热量。优选的，换热扰流翅片可以沿周向成螺旋形。降温降压后的排气气流经扩散状排气腔减速后，在中间壳体12中与发电机散热翅板34直接接触，从而带走发电机3运行中产生的热量。当排气温度低于0℃，且工艺气组分中含水时，可有效防止管道“冰堵”现象的产生。由于排气气流不直接通过发电机永磁体铁芯31、定子铁芯32和定子绕组33，减少了气流扰动损失和摩擦损失，增大了排气气流的顺畅度。对于易燃易爆工艺气，更易于做成防爆型结构。进一步的，的电缆穿线管37将发电机电缆通过密闭管道引出到装置外。
继续参阅图2所示，的磁浮轴承部套4可以包括前轴承箱41、前磁浮支撑轴承42、前陶瓷辅助轴承43、后轴承箱44、后磁浮支撑轴承45、磁浮推力轴承46、后陶瓷辅助轴承47和后轴承箱盖48。前磁浮支撑轴承42和前陶瓷辅助轴承43安装在前轴承箱41内，前轴承箱41通过压盖法兰固定到发电机壳体35的前部端面。后磁浮支撑轴承45、磁浮推力轴承46和后陶瓷辅助轴承47安装在后轴承箱44内，后轴承箱44通过压盖法兰固定到发电机壳体35的后部端面。后轴承箱盖48在后轴承箱44安装好后，通过螺栓与发电机壳体35相连。装置正常工作时，前磁浮支撑轴承42和后磁浮支撑轴承45为叶轮转子总成22提供支撑，并相对于透平膨胀机构成悬臂式结构。因为发电机永磁体铁芯31本身质量很大，代替了传统悬臂式转子中平衡毂的作用。
磁浮推力轴承46安装在后轴承箱44的末端，产生双向电磁力作用于推力盘225上，起到平衡剩余轴向力和轴向限位的作用。因为大部分的转子轴向力已被平衡盘224所抵消，故磁浮推力轴承46的体积可以做得很小，节约了成本。采用磁浮轴承省去了复杂的润滑油系统，且由于运转时与转子无接触，摩擦损失极小。前陶瓷辅助轴承43和后陶瓷辅助轴承47选用精密陶瓷滚动轴承，当装置启、停机或失电故障时，起到临时支撑和吸收冲击保护转子的作用。其中，后陶瓷辅助轴承47采用配对的角接触球轴承，可承受一定的轴向推力。
参阅图7所示，本发明还公开了一种工艺气减压管路。该工艺气减压管路包括互为并联的用户原工艺气减压阀管路5、工作管路6和停车旁路7。用户原工艺气减压阀管路5上通常设置有切断阀51和传统减压阀52。工作管路6上依次设置有快速切断阀61、流量调节阀62和管道式工艺气压力能回收发电装置63。工作管路6在功能上可以完全替代用户原工艺气减压阀管路5，并且实现对用户原工艺气减压阀管路5的方便改造。停车旁路7上依次设置有快开阀71、自动调节阀72和节流孔板73。其中，自动调节阀72的开度根据上下游工艺气的压力差值自动调节，节流孔板73的通流能力与管道式工艺气压力能回收发电装置63的流通能力相当。当管道式工艺气压力能回收发电装置63发生故障时，停车旁路7用于稳定上下游工艺气压力波动，以及将工作管路6平稳切换至用户原工艺气减压阀管路5。
当管道式工艺气压力能回收发电装置63正常工作时，用户原工艺气减压阀管路5上的切断阀51和停车旁路7上的快开阀71均处于关闭状态，所有工艺气仅通过工作管路6进而实现减压并同时发电。当管道式工艺气压力能回收发电装置63发生故障时，自控系统触发联锁停车信号，使工作管路6上的快速切断阀61迅速关闭，同时迅速打开停车旁路7上的快开阀71。停车旁路7上的自动调节阀72根据上下游工艺气压差始终保持一定的开度，即处于“热备”状态。随后自控系统发出信号，在管网压力不波动的情况下，缓慢关闭停车旁路7上的自动调节阀72，同时缓慢打开用户原工艺气减压阀管路5上的切断阀51，逐步恢复到由用户原工艺气减压阀管路5进行降压输送。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (9)
1.一种管道式工艺气压力能回收发电装置，其特征在于，该装置包括：
壳体，所述壳体具有进气口和出气口；
发电机，所述发电机位于所述壳体内；
透平膨胀机，所述透平膨胀机位于所述壳体内并与所述发电机同轴连接；所述透平膨胀机包括进气锥体、叶轮转子总成、静叶组件和平衡气管；其中，所述叶轮转子总成前端装有平衡盘，所述平衡盘用于平衡所述透平膨胀机的转子轴向力；以及
磁浮轴承部套，所述磁浮轴承部套位于发电机两端，用于支撑和限位所述透平膨胀机的叶轮转子总成。
2.根据权利要求1所述的管道式工艺气压力能回收发电装置，其特征在于，所述进气椎体上设置有平衡环和至少一个平衡气孔，所述平衡盘与所述平衡环同轴心，所述平衡盘与所述进气锥体组合形成平衡气腔。
3.根据权利要求2所述的管道式工艺气压力能回收发电装置，其特征在于，所述平衡盘与所述平衡环之间形成有间隙，所述间隙与所述平衡气腔相连通。
4.根据权利要求3所述的管道式工艺气压力能回收发电装置，其特征在于，所述平衡气腔通过所述平衡气孔承接来自于所述壳体进气口的工艺气体输入，所述平衡气腔通过所述间隙排出工艺气体，所述间隙自动可调，并使所述平衡气腔内的工艺气压力同步自适应调节。
5.根据权利要求2所述的管道式工艺气压力能回收发电装置，其特征在于，还包括平衡气管路，所述平衡气管路连通所述进气锥体和所述壳体的出气口。
6.根据权利要求1所述的管道式工艺气压力能回收发电装置，其特征在于，所述发电包括发电机散热翅板，所述发电机散热翅板上设置有换热扰流翅片，所述换热扰流翅片沿周向呈螺旋形布置。
7.根据权利要求1所述的管道式工艺气压力能回收发电装置，其特征在于，所述磁浮轴承部套包括布置在靠近所述发电机前端的前磁浮支撑轴承和前陶瓷辅助轴承，以及靠近所述发电机后端的后磁浮支撑轴承、磁浮推力轴承和后陶瓷辅助轴承，所述透平膨胀机相对于所述磁浮轴承部套构成悬臂式结构。
8.根据权利要求1所述的管道式工艺气压力能回收发电装置，其特征在于，所述壳体上设置有电缆穿线管，所述电缆穿线管用于将所述发电机的电缆引出所述壳体。
9.一种工艺气减压管路，其特征在于，所述工艺气减压管路包括互为并联的用户原工艺气减压阀管路、工作管路和停车旁路，所述工作管路上依次设置有快速切断阀、流量调节阀和管道式工艺气压力能回收发电装置，所述停车旁路上依次设置有快开阀、自动调节阀和节流孔板，当所述管道式工艺气压力能回收发电装置发生故障时，所述停车旁路用于稳定上下游工艺气的压力波动以及将所述工作管路平稳切换至所述用户原工艺气减压阀管路。
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