CN114046188A - 一种密闭式天然气管道发电、过滤装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，该装置密封性能好、结构简单、发电效率高且能在发电的同时分离原料气中的液固杂质，还能将电能安全有效的输出到外部。一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，包括发电系统、接线系统、旁通系统、排污系统，所述发电系统、排污系统串联在天然气管道上，发电系统用于将天然气的压能转换为机械能，再将机械能转换为电能；所述接线系统与发电系统电连接，用于输出发电系统产生的电能；所述排污系统位于发电系统的上游端，用于分离天然气携带的杂质；所述旁通系统与排污系统并联，用于排污系统关闭时保证发电系统正常工作。

Description

一种密闭式天然气管道发电、过滤装置
技术领域
本发明涉及技术领域，特别是涉及一种密闭式天然气管道发电、过滤装置。
背景技术
从天然气井开采出来的原料气一般压力较高，并且含有一定量的水、硫化氢、二氧化碳及一些固体杂质。人们生产生活中使用的天然气压力有明确的规定，因此现在的天然气开采运输工业过程中，通常会对天然气进行节流降压的处理后供用户使用，这将导致大量的冗余压能被浪费掉，在节流降压的过程中，由于天然气压力急剧下降将导致节流降压位置的温度骤降，极易发生冰堵现象，降低管线的流动能力引起固体杂质堆积堵塞管道或产生物理性破坏，或者对阀门及仪表造成破坏。同时原料气中的硫化氢等酸性气体极易溶于水产生具有腐蚀性的酸性气体，对管道及设备产生腐蚀作用。在高压天然气运输过程中其中的固体颗粒会对管壁造成冲蚀破坏。
倘若将天然气运输过程中节流降压的压能回收利用起来，并设计相应的装置将天然气中存在的水和固体颗粒进行分离，在保证天然气正常运输前提下带来很好的经济效益并减少一部分人们对能源的需求。天然气管道发电装置能够利用管道中的压差进行发电，将以往节流降压浪费的压能转化为电能，起到节能环保的作用。天然气管道发电装置具有如下特点：
1利用天然气原料气的高压能进行降压发电，将以往节流降压浪费的压能转化为电能，可大大节约成本；
2天然气管道发电装置结构简单、体积小，可直接与天然气运输管道相连且不影响天然气的正常开采和运输；
3天然气管道发电装置的密封十分重要，一旦发生泄漏很可能会引起天然气管道爆炸等安全事故；
4从天然气井开采出来的原料气含有一定量的水、硫化氢、二氧化碳及一些固体杂质，高压天然气通过天然气管道发电装置极易对其造成冲蚀、腐蚀等破坏；
5天然气节流降压过程中，节流降压位置的温度会骤降，极易产生冰堵现象，降低管线的流动能力或对天然气管道发电装置产生物理破坏。
近年来，国内公开了部分天然气管道发电装置，如专利号“CN201610323265.4”公布了一种磁力驱动式天然气管道发电机，该装置通过磁极实现动力的隔空传递，由于磁阻过大导致无法保证发电效率；对天然气中含有的杂质并没有采取分离措施容易造成叶轮冲蚀和管道堵塞。专利号CN01228655.9公布了一种全封闭天然气管道发电机，该装置并没有考虑电力从完全封闭的管道输出到外部，该装置的叶轮容易受到高速流动的固体杂质的冲蚀。专利号CN201611067678.7公布了一种撬装式天然气管道发电机，该装置同样存在天然气内含的杂质堆积堵塞管道或产生物理性破坏的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，该装置密封性能好、结构简单、发电效率高且能在发电的同时分离原料气中的液固杂质，还能将电能安全有效的输出到外部。
本发明的目的是这样实现的：
一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，包括发电系统、接线系统、旁通系统、排污系统，所述发电系统、排污系统串联在天然气管道上，发电系统用于将天然气的压能转换为机械能，再将机械能转换为电能；所述接线系统与发电系统电连接，用于输出发电系统产生的电能；所述排污系统位于发电系统的上游端，用于分离天然气携带的杂质；所述旁通系统与排污系统并联，用于排污系统关闭时保证发电系统正常工作。
优选地，所述发电系统包括从上到下依次固定连接的隔离端盖、发电机隔离壳、叶轮壳体、叶轮端盖，所述发电机隔离壳呈筒状，所述叶轮壳体呈倒盆状，所述隔离端盖、发电机隔离壳、叶轮壳体通过螺栓连接并通过密封圈密封，形成上密闭腔体，所述叶轮壳体、叶轮端盖通过螺栓连接并通过密封圈密封，形成下密闭腔体，所述上密闭腔体内安装有发电机，所述发电机固定与叶轮壳体的上表面，所述发电机的转轴穿过叶轮壳体伸入下密闭腔体内，且通过轴承支撑于叶轮端盖，所述下密闭腔体内设有叶轮，所述叶轮安装在发电机的转轴上，所述叶轮壳体外设有天然气工作管线，所述天然气工作管线与下密闭腔体连通，且与叶轮一侧的叶片相对，用于通过天然气沿叶轮切向推动叶轮旋转。
优选地，所述旁通系统包括依次串联的进口三通阀、U形旁通管、出口三通阀，所述进口三通阀、出口三通阀连接在天然气工作管线上，用于通过控制进口三通阀和出口三通阀改变天然气的流向。
优选地，所述接线系统包括接线柱，所述接线柱呈圆筒状，接线柱下部外表面设有台阶，接线柱作为电流传递的导体将电流输出，所述隔离端盖上设有接线柱安装孔，接线柱上套接有上密封圈、下密封圈，所述下密封圈通过接线柱的台阶定位，接线柱的上端穿过接线柱安装孔，并通过螺母锁紧，下密封圈的上表面与隔离端盖的下表面贴合，上密封圈的下表面与隔离端盖的上表面贴合，形成密封；接线柱的内孔中设有电缆，电缆与接线柱的孔壁之间填充有玻璃纤维，形成密封，电缆的一端与发电机电连接，电缆的另一端用于输出发电机产生的电能。
优选地，所述发电机的转轴上设有上环形槽和下环形槽，所述上环形槽内安装有密封圈，使发电机的转轴、叶轮壳体之间形成密封；所述下环形槽内安装有弹性挡圈，形成对叶轮的轴向定位。
优选地，所述叶片为弧形，叶片的凹面与天然气工作管线相对，用于增大叶片受到的天然气的推力。
优选地，所述天然气工作管线入口端安装有锥形喷嘴，用于减小天然气气流截面积，增大天然气流速，增大叶片受到的天然气的推力。
优选地，所述排污系统包括从上到下依次串联的排污罐、上排污阀、储污箱、下排污阀，所述排污罐的上部设置有入口管、出口管，所述入口管、出口管等高，且连接于进口三通阀、出口三通阀之间，所述排污罐内设有隔离桶，所述隔离桶的顶部通过斜向隔离板与排污罐的内壁固定连接，将排污罐的内部分隔为上腔、下腔，斜向隔离板用于对天然气流导向，所述上腔与出口管连通，所述下腔与入口管连通，所述上排污阀连接于下腔底部，所述隔离桶内安装有滤芯，所述滤芯导通上腔、下腔，且形成过滤作用。
优选地，所述隔离桶的外周面固定有螺旋向下延伸的去污板，螺旋去污板用于改变天然气流向，使天然气延隔离桶形成天然气绕流，螺旋去污板的上表面设置有多个球状凸起，球状凸起用于在天然气绕流过程中分离出固体杂质。
优选地，所述排污罐的上端具有密封固定的罐盖，所搜滤芯的上端固定在罐盖上。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
1、本发明摒弃了动密封结构，提高了发电效率且密封性能更可靠；
2、本发明设有排污系统，降低天然气中含的杂质对发电机系统的影响和破坏；
3、本发明能在发电的同时分离天然气中含有的杂质，且结构简单不需大拆就能轻松的更换滤芯和排出分离的杂质；
4、本发明设有接线系统，可以在保证装置安全性的同时将装置产生的电能有效的输出到外部。
附图说明
图1为本发明整体三维示意图；
图2为发电系统剖面示意图；
图3为发电机端盖剖面示意图；
图4为发电机三维示意图；
图5为发电机隔离壳剖面示意图；
图6为叶轮壳体三维示意图；
图7为叶轮三维示意图；
图8为叶轮端盖三维示意图；
图9为接线系统三维示意图；
图10为旁通系统三维示意图；
图11为排污系统三维示意图；
图12为排污罐剖面示意图；
图13为隔离桶三维示意图。
附图标记
1.发电系统，11.隔离端盖，12.发电机，12-1上环形槽，12-2下环形槽；13.电机隔离壳，13-1.上密封沟槽，13-2.下密封沟槽，14.叶轮壳体；
15.叶轮，16.叶轮端盖，16-1.端盖密封沟槽；17.轴承，18.接线柱安装孔；
2.接线系统，21.接线柱；21-1.螺纹；22.下密封圈；23上密封圈；24.螺母；
3.旁通系统，31.进口三通阀；32.出口三通阀；
4.排污系统，41.排污罐；42.隔离桶，41-1隔离板；41-2螺旋去污板；43.上排污阀；44.储污箱；45.下排污阀，46.滤芯。
具体实施方式
参照图1，一种密闭式天然气管道发电机装置，由发电系统1、接线系统2、旁通系统3、排污系统4构成，其特征为：排污系统4右侧螺栓连接有进口三通阀31，排污系统4左侧螺栓连接有出口三通阀32，出口三通阀32螺栓连接有发电系统1，发电系统1顶部设置有接线系统2。1、排污系统4工作原理为：天然气进入排污罐41在隔离板42-1的作用下顺着螺旋去污板42-2绕流并去除一些杂质，天然气到达排污罐41底端后，分离出的杂质留在排污罐41底端，打开上排污阀43，排污罐41底端的杂质经过上排污阀43到达储污箱44，当储污箱44内杂质达到一定量时，关闭上排污阀43，打开下排污阀45，储污箱44内的杂质通过下排污阀45排出，待储污箱44内杂质排尽后关闭下排污阀45，打开上排污阀43，储污箱44继续存储杂质，从而保证整个排出杂质的过程中排污系统4能持续正常工作；排污罐41底部天然气从隔离桶42底部的通孔进入滤芯46进一步过滤掉细小杂质最后天然气经排污罐41左侧出口管流出排污系统4。2、发电系统1工作原理为：天然气流入发电系统1垂直作用于叶轮15，叶轮15带动发电机轴高速旋转，发电机轴将动能传送至发电机12从而带动发电机12工作产生电能。3、接线系统2工作原理为：发电机12产生的电能通过电缆输出，电缆从接线柱21的空心圆柱中穿出，空心圆柱内填充有玻璃纤维防止天然气从空心圆柱泄漏。
参照图2，发电系统1用于将天然气的压能转换为机械能，再将机械能转换为电能。发电系统1由隔离端盖11、发电机12、发电机隔离壳13、叶轮壳体14形成上密闭腔体，上密闭腔体用于安装发电机12。叶轮壳体14和叶轮端盖16螺栓连接形成下密闭腔体，下密闭腔体用于安装叶轮15，叶轮15与发电机轴形成键连接，键连接用于为叶轮15提供周向固定；发电机轴下端套有轴承17，轴承17用于给发电机轴提供径向支撑。
参照图2、图3，隔离端盖11用于安装接线系统2并与发电机隔离壳13接触形成密闭空间。隔离端盖11上设有10个均布的螺栓孔，螺栓孔用于隔离端盖11与发电机隔离壳13形成螺栓紧固连接。隔离端盖11上设有接线柱安装孔18，接线柱安装孔18用于安装接线柱21，接线柱21用于输出发电系统产生的电能。接线柱安装孔18的上下端面设有上密封圈23和下密封圈22，上密封圈23和下密封圈22用于防止天然气从接线柱安装孔18泄露至空气中。
参照图4，发电机轴用于将叶轮的机械能传递给发电机12。发电机轴上端连接有发电机12，发电机12用于将机械能转化为电能。发电机轴上设有键槽，键槽用于发电机轴与叶轮形成键连接。发电机轴上设有上环形槽12-1和下环形槽12-2，上环形槽12-1用于安装密封圈；下环形槽12-2用于安装弹性挡圈，弹性挡圈用于为叶轮15提供轴向支撑。
参照图2、图5，发电机隔离壳13用于与叶轮壳体14接触形成上密闭腔体。发电机隔离壳13下端凸台设有10个均布的螺栓孔，螺栓孔用于发电机隔离壳13与叶轮壳体14形成螺栓紧固连接。发电机隔离壳13上、下端面分别设有上密封沟槽13-1和下密封沟槽13-2，上密封沟槽13-1和下密封沟槽13-2分别用于安装密封圈，密封圈用于防止天然气从上密闭腔体泄露至空气中。
参照图2、图6，叶轮壳体14用于承载装置主体的重力，并为叶轮15提供安装空间。叶轮壳体14上表面与发电机的端面形成螺栓紧固连接从而使叶轮壳体14承载发电机的重力。叶轮壳体14端面上设有密封沟槽，密封沟槽用于安装密封圈，密封圈由发电机12下端面和叶轮壳体14压紧，密封圈用于防止天然气从下密闭腔体窜入上密闭腔体内。叶轮壳体14顶部中心设置有通孔，通孔用于穿过发电机轴；通孔内安装有密封圈，密封圈用于防止下密闭腔体内的天然气窜入上密封腔体。
本发明设计了两道密封，第一处是叶轮壳体通孔、发电机轴之间，第二处是发电机隔离壳13的两端面，如果第一处轴密封失效，会有部分天然气进入上密闭腔室，为了防止上密闭腔室内的天然气泄露，从而在壳体12的端面设置了密封，防止泄露的天然气泄露到空气中。
叶轮壳体14侧端焊接有轴向穿过的天然气工作管线，天然气工作管线内侧安装有喷嘴，喷嘴用于提高天然气流速从而提高能量转化效率。天然气工作管线通过螺栓固定于天然气运输管线上。叶轮壳体14下端凸台设有10个均布的螺栓孔，螺栓孔用于叶轮壳体14与叶轮端盖16形成螺栓紧固连接。
参照图2、图7，叶轮15用于将天然气的压能转换为机械能。叶轮15中心设有通孔，通孔用于穿过发电机轴；通孔内设有键槽，键槽用于叶轮15与发电机轴形成键连接。
参照图2、图8，叶轮端盖16用于与叶轮壳体14下端面接触形成下密闭腔体。叶轮端盖16设有12个均布的螺栓孔，螺栓孔用于叶轮端盖16与叶轮壳体14形成螺栓紧固连接。叶轮端盖16上设有端盖密封沟槽16-1，端盖密封沟槽16-1用于安装密封圈，密封圈用于防止天然气从下密闭腔体泄漏至空气中。
参照图9，接线系统2用于输出发电系统1产生的电能。接线系统2包括接线柱21、上密封圈23、下密封圈22、垫片、螺母24。接线柱21呈空心阶梯圆柱状，空心圆柱用于电缆穿出。空心圆柱与电缆的间隙处填充有玻璃纤维，填充玻璃纤维可以防止天然气从空心圆柱泄漏至空气中。接线柱21中部设计有螺纹21-1，螺纹21-1用于接线柱21与螺母24形成螺纹21-1连接，从而压紧下密封圈22和上密封圈23，达到防止天然气泄漏的功效。螺纹21-1下侧设计有台阶，台阶用于提供压紧上密封圈23和下密封圈22的反作用力。上密封圈23安装于垫片与隔离端盖11之间，垫片用于增大螺母24接触面积，防止螺栓松动。
参照图1、图10，旁通系统3用于排污系统4关闭时保证发电系统1正常工作。旁通系统3包括进口三通阀31、出口三通阀32。进口三通阀31各个接口面上均设有8个均布的螺栓孔，接口端面的螺栓孔分别用于进口三通阀31与天然气输送管道、U形旁通管、排污罐41形成螺栓紧固连接。出口三通阀32各个接口面上均设有8个均布的螺栓孔，接口端面的螺栓孔分别用于出口三通阀32与排污罐41、U形旁通管、发电系统1进气口形成螺栓紧固连接。通过控制进口三通阀31和出口三通阀32可以改变天然气的流向，当排污系统4需要更换滤芯46而短暂关闭时使天然气从U形旁通管流入发电系统1从而保证发电系统1持续在线工作。
参照图11，排污系统4用于分离天然气携带的杂质。排污系统4包括排污罐41、隔离桶42、上排污阀43、储污箱44、下排污阀45、滤芯46。排污罐41与罐盖形成螺栓紧固连接，排污罐41与罐盖之间设有密封圈从而防止天然气泄露至空气中。排污罐41顶部右侧焊接有入口管，排污罐41顶部左侧焊接有出口管。入口管和出口管端面上设有8个均布的螺栓孔，螺栓穿过螺栓孔将排污罐41紧固连接在进口三通阀31和出口三通阀32之间。排污罐41下端螺栓连接有上排污阀43，上排污阀43下端螺栓连接有储污箱44，储污箱44下端螺栓连接有下排污阀45。排污系统4工作时上排污阀43处于打开状态，排污罐41中过滤出的杂质通过上排污阀43进入储污箱44，储污箱44用于暂时存储从排污罐41分离出的杂质。当储污箱44内杂质达到一定量时，关闭上排污阀43，打开下排污阀45将储污箱44内的杂质通过下排污阀45排出，待储污箱44内杂质排尽后关闭下排污阀45，打开上排污阀43，储污箱44继续存储杂质，从而保证整个排出杂质的过程中排污系统4能持续正常工作。
参照图12、图13，排污罐41用于安装隔离桶42，并承载排污系统的重力。隔离桶42主要用于分离天然气中的杂质。隔离桶42顶部焊接有斜向隔离板42-1，斜向隔离板42-1用于改变天然气流向，迫使天然气向排污罐41底部流动。隔离桶42外部焊接有螺旋去污板42-2，螺旋去污板42-2用于改变天然气流向使天然气延隔离桶42做绕流。螺旋去污板42-2上表面有许多的小型球状凸起，小型球状凸起用于天然气绕流过程中分离一些固体杂质。隔离桶42底部设置有通孔，通孔用于排污罐41底部的天然气进入隔离桶42。隔离桶42内安装有滤芯46，滤芯46用于进一步分离天然中含有的杂质，更换滤芯46时只需将排污罐41的端盖打开直接更换，操作简单、更换时间短。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：包括发电系统(1)、接线系统(2)、旁通系统(3)、排污系统(4)，所述发电系统(1)、排污系统(4)串联在天然气管道上，发电系统(1)用于将天然气的压能转换为机械能，再将机械能转换为电能；所述接线系统(2)与发电系统(1)电连接，用于输出发电系统(1)产生的电能；所述排污系统(4)位于发电系统(1)的上游端，用于分离天然气携带的杂质；所述旁通系统(3)与排污系统(4)并联，用于排污系统(4)关闭时保证发电系统(1)正常工作。
2.根据权利要求1所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述发电系统(1)包括从上到下依次固定连接的隔离端盖(11)、发电机隔离壳(13)、叶轮壳体(14)、叶轮端盖(16)，所述发电机隔离壳(13)呈筒状，所述叶轮壳体(14)呈倒盆状，所述隔离端盖(11)、发电机隔离壳(13)、叶轮壳体(14)通过螺栓连接并通过密封圈密封，形成上密闭腔体，所述叶轮壳体(14)、叶轮端盖(16)通过螺栓连接并通过密封圈密封，形成下密闭腔体，所述上密闭腔体内安装有发电机(12)，所述发电机(12)固定与叶轮壳体(14)的上表面，所述发电机(12)的转轴穿过叶轮壳体(14)伸入下密闭腔体内，且通过轴承(17)支撑于叶轮端盖(16)，所述下密闭腔体内设有叶轮(15)，所述叶轮(15)安装在发电机(12)的转轴上，所述叶轮壳体(14)外设有天然气工作管线，所述天然气工作管线与下密闭腔体连通，且与叶轮一侧的叶片相对，用于通过天然气沿叶轮切向推动叶轮旋转。
3.根据权利要求2所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述旁通系统(3)包括依次串联的进口三通阀(31)、U形旁通管、出口三通阀(32)，所述进口三通阀(31)、出口三通阀(32)连接在天然气工作管线上，用于通过控制进口三通阀(31)和出口三通阀(32)改变天然气的流向。
4.根据权利要求2所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述接线系统(2)包括接线柱(21)，所述接线柱(21)呈圆筒状，接线柱(21)下部外表面设有台阶，接线柱(21)作为电流传递的导体将电流输出，所述隔离端盖(11)上设有接线柱安装孔(18)，接线柱(21)上套接有上密封圈(23)、下密封圈(22)，所述下密封圈(22)通过接线柱(21)的台阶定位，接线柱(21)的上端穿过接线柱安装孔(18)，并通过螺母(24)锁紧，下密封圈(22)的上表面与隔离端盖(11)的下表面贴合，上密封圈(23)的下表面与隔离端盖(11)的上表面贴合，形成密封；接线柱(21)的内孔中设有电缆，电缆与接线柱(21)的孔壁之间填充有玻璃纤维，形成密封，电缆的一端与发电机(12)电连接，电缆的另一端用于输出发电机(12)产生的电能。
5.根据权利要求2所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述发电机(12)的转轴上设有上环形槽(12-1)和下环形槽(12-2)，所述上环形槽(12-1)内安装有密封圈，使发电机(12)的转轴、叶轮壳体(14)之间形成密封；所述下环形槽(12-2)内安装有弹性挡圈，形成对叶轮(15)的轴向定位。
6.根据权利要求2所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述叶片为弧形，叶片的凹面与天然气工作管线相对，用于增大叶片受到的天然气的推力。
7.根据权利要求2或6所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述天然气工作管线入口端安装有锥形喷嘴，用于减小天然气气流截面积，增大天然气流速，增大叶片受到的天然气的推力。
8.根据权利要求3所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述排污系统(4)包括从上到下依次串联的排污罐(41)、上排污阀(43)、储污箱(44)、下排污阀(45)，所述排污罐(41)的上部设置有入口管、出口管，所述入口管、出口管等高，且连接于进口三通阀(31)、出口三通阀(32)之间，所述排污罐(41)内设有隔离桶(42)，所述隔离桶(42)的顶部通过斜向隔离板(42-1)与排污罐(41)的内壁固定连接，将排污罐(41)的内部分隔为上腔、下腔，斜向隔离板(42-1)用于对天然气流导向，所述上腔与出口管连通，所述下腔与入口管连通，所述上排污阀(43)连接于下腔底部，所述隔离桶(42)内安装有滤芯(46)，所述滤芯(46)导通上腔、下腔，且形成过滤作用。
9.根据权利要求8所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述隔离桶(42)的外周面固定有螺旋向下延伸的去污板(42-2)，螺旋去污板(42-2)用于改变天然气流向，使天然气延隔离桶(42)形成天然气绕流，螺旋去污板(42-2)的上表面设置有多个球状凸起，球状凸起用于在天然气绕流过程中分离出固体杂质。
10.根据权利要求8所述的一种密闭式天然气管道发电、过滤装置，其特征在于：所述排污罐(41)的上端具有密封固定的罐盖，所搜滤芯的上端固定在罐盖上。
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