CN115111014A - 静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统及控制方法。为了克服技术没有提供轴承供气的方式，也没有提供膨胀机冷却方式的问题；本发明包括：静压气浮轴承供气回路，天然气经过换热器高温侧后分别向轴承供气，向电机提供冷却供气；轴承排气与发电机冷却排气汇合后输出至换热器低温侧；天然气膨胀发电机组主回路，天然气经多级涡轮膨胀做功后将降压降温后的天然气输出至换热器低温侧；换热器，低温侧流经的天然气为高温侧流经的天然气降温。使用天然气为轴承供气，实现了无油润滑；同时解决了轴承供气的稳定性问题和发电机冷却的问题。

Description

静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种天然气膨胀发电机领域，尤其涉及一种静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统及控制方法。

背景技术

国家天然气管网的天然气在管道输送过程中，压力一般维持在10MPa左右。到达各大城市管网及工业用户后，由各大城市管网的调压站进行降压，一般从10MPa降低至4.0MPa左右，降压后的天然气再通过各大城市管网的城市门站调压至0.4MPa后，输送到终端用户。目前的调压站是通过调压阀门降低天然气的压力，浪费了大量的压力能。天然气压力高，易燃易爆，含有硫化氢等腐蚀性气体和微量水份，此外，天然气和润滑油乳化难以分离，这些问题提高了压力能回收利用的技术门槛。目前为止，回收设备复杂制造成本高，运行维护成本高，使得天然气压力能的回收利用失去经济价值。

天然气压力能的回收利用的关键设备是天然气膨胀发电机组，主要包含膨胀机和发电机两个主要部件。天然气经膨胀，压力和温度都降低，膨胀机驱动发电机发电，产生电能，同时产生可以利用的冷能。因此天然气压力能回收具有发电和制冷的双重功能。

天然气膨胀发电机组按膨胀机分主要有三个类型：螺杆机、向心透平和轴流透平。轴流透平流量大，往往超过了调压站的能力，且制造成本高，不适合调压站站中使用。螺杆机需要使用润滑油，而润滑油和天然气混合产生乳化，难以分离。目前最先进的向心透平采用磁悬浮轴承，避免了润滑油，但制造成本高，投资回报周期长。天然气膨胀发电机组按发电机分主要有两个类型：带有齿轮减速箱的工频发电机和高速永磁发电机组。齿轮减速箱必须使用润滑油，工频发电机存在润滑油分离问题，且转速恒定天然气管路出现压力波动和流量波动时调节能力差，变工况效率低。高速永磁发电机能量密度大，发电机冷却问题需要解决。

采用静压气浮轴承的挑战在于轴承进出口压差的稳定性，轴承进出口压差的波动不仅改变轴承的承载力，而且改变轴承-转子系统的刚度，造成轴承损坏，影响机组的稳定运行。由于用气量的波动，天然气来流压力和膨胀机下游压力均在变化。

例如，美国专利US5334004提供了一种压缩或膨胀天然气等危险气体的旋转机械，膨胀机和发电机处于独立的腔体中，膨胀机的功通过磁耦合传到发电机轴上，这样将膨胀机中的天然气与发电机隔离，避免天然气带给发电机线圈的任何风险。但膨胀机本身的轴承依然使用润滑油，润滑油的压力大于天然气的压力避免天然气进入轴承的另一侧。磁耦合膨胀机侧的永磁体在润滑油中旋转，损失大。此外，磁耦合能够传输的扭矩较小，难以用于千瓦级的膨胀发电机组。

例如，一种在中国专利文献上公开的“压力能回收设备及管道压力能回收系统”，其公告号CN107882604A，但该结构没有提供轴承供气的方式，也没有提供膨胀机冷却的方法。

发明内容

本发明主要解决现有技术没有提供轴承供气的方式，也没有提供膨胀机冷却方式的问题；提供静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统及控制方法，使用天然气为轴承供气，实现了无油润滑；控制方法同时解决了轴承供气的稳定性问题和发电机冷却的问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统，包括：

静压气浮轴承供气回路，天然气经过换热器高温侧后分别向轴承供气，向电机提供冷却供气；轴承排气与发电机冷却排气汇合后输出至换热器低温侧；

天然气膨胀发电机组主回路，天然气经多级涡轮膨胀做功后将降压降温后的天然气输出至换热器低温侧；

换热器，低温侧流经的天然气为高温侧流经的天然气降温。

本方案设置了换热器，利用膨胀机下游的低温气体来降低轴承供气温度，有利于降低轴承温度和电机温度。使用天然气为轴承供气，实现了无油润滑。

作为优选，所述的静压气浮轴承供气回路包括：

过滤器，将过滤后的天然气输入到换热器的高温侧；

供气罐，存储换热器高温侧输出的天然气；

轴承供气管路，为轴承提供供气罐中的天然气；

发电机冷却管路，为发电机提供供气罐中冷却的天然气；

排气管路，轴承排气与发电机冷却排气在发电机中汇合后排出至换热器低温侧。

使用天然气为轴承供气，实现了无油润滑。

作为优选，所述的静压气浮轴承供气回路还包括：

冷却调节阀，设置在发电机冷却管路上，用于调节供气罐输出的冷却的天然气流量；

排气调节阀，设置在排气管路上，用于调节发电机轴承进出口之间天然气的压力差；

压差传感器，测量轴承进出口之间天然气的压力差，以此控制排气调节阀的开度。保证轴承安全。

安装了排气调节阀，使膨胀发电机机腔中的压力位于膨胀机进口和出口压力之间，降低了第一级和第二级齿封的漏气损失，在极端情况下第二级的齿封漏气量可以降低为0。

作为优选，所述的天然气膨胀发电机组主回路包括：

第一截止阀，调节高压侧天然气输入第一级涡轮的流量，并限制输出压力；

第一级涡轮，天然气膨胀对其做功，进行第一级的天然气降压与降温；

连接管，连接第一级涡轮的输出端与第二级涡轮的输入端；

第二级涡轮，天然气膨胀对其做功，进行第二级的天然气降压与降温；

第二截止阀，调节第二级涡轮的出口压力；

排气调节阀设置在第二截止阀的下游。

高压天然气在第一级涡轮膨胀做功后进入到第二级继续膨胀做功，涡轮的旋转机械能驱动发电机旋转发电。经过两级膨胀的天然气压力下降，温度降低。

作为优选，所述的第一截止阀和第二截止阀为电动球阀。具有调节功能，且密封性好。

静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气控制方法，包括以下步骤：

S1：启动，分别向静压气浮轴承供气回路和天然气膨胀发电机组主回路中流入天然气，使发电机转轴悬浮在轴承中，发电机开始发电；

S2：运行过程中分别根据发电机下游耗气量以及输入天然气压力的增加或降低控制第一截止阀和第二截止阀的开度；

S3：停机，依次关闭所有阀门。

每一个执行机构（阀门）都由唯一的一个测量参数控制，逻辑简单，可靠性高。同时，无论运行工况如何变化，由于第一截止阀和第二截止阀承担了部分压力波动，膨胀机的转速在较小的范围波动，降低了轴承进出口压差控制的难度，保证了机组的长期稳定运行。

作为优选，所述的步骤S1具体包括以下过程：

S101：完全打开第一截止阀，关闭第二截止阀、冷却调节阀和排气调节阀，分别向静压气浮轴承供气回路和天然气膨胀发电机组主回路中流入天然气；

S102：逐步打开排气调节阀，使压差传感器测量的轴承进出口压差满足设定阈值；

S103：逐步打开第二截止阀，发电机开始发电；

S104：当发电机转速到达设定值时，停止第二截止阀的调节。

避免膨胀机飞车（旋转速度超过额定值）。这样，天然气压力的降低一部分由膨胀发电机承担（有效载荷），一部分由截止阀2承担。虽然天然气的压差没有得到全部利用，但保证了膨胀机的安全运行。另一种可选方案是设计功率更大的发电机组使压力能全部得到利用，但大部分时候发电机组处于部分负荷状态。

作为优选，当下游耗气量降低时，第二截止阀下游压力升高，转速下降。逐步增加第二截止阀的开度以降低其压损，避免转速持续下降；若第二截止阀已到最大开度，逐步关闭第一截止阀直至转速稳定；

当下游耗气量增加时，第二截止阀下游压力降低，膨胀机进出口压差增加，转速上升。若转速接近转速预设上限，逐步关闭第一截止阀使转速回到额定运行转速，同时调节门站网络上的其它阀门增加气体流量满足用户需求，待下游压力上升转速下降时将第二截止阀调节至最大开度；若转速低于预设上限，将第二截止阀调节至最大开度，逐步增加第一截止阀开度至转速升至预设上限；

当输入天然气压力增加时，膨胀机进出口压差增加，转速提升。逐步关闭第二截止阀，使转速下降至额定运行转速，若第二截止阀关闭到最小开度，逐步关闭第一截止阀，至转速下降至额定运行转速；

当输入天然气压力降低时，膨胀机进出口压差降低，转速降低。逐步开启第一截止阀至转速升到额定运行转速；若第一截止阀开启到最大值，逐步开启第二截止阀至额定转速或最大开度。

每一个执行机构（阀门）都由唯一的一个测量参数控制，逻辑简单，可靠性高。同时，无论运行工况如何变化，由于第一截止阀和第二截止阀承担了部分压力波动，膨胀机的转速在较小的范围波动，降低了轴承进出口压差控制的难度，保证了机组的长期稳定运行。

作为优选，所述的步骤S3具体包括以下过程：

S301：逐步关闭第二截止阀，直至全部关闭。膨胀发电机转速降低，发电量减少。

S302：根据压差传感器测量的压差调节排气调节阀开度；

S303：膨胀发电机停止转动，额定时间后关闭第一截止阀，关闭排气调节阀。

本发明的有益效果是：

1. 设置了换热器，利用膨胀机下游的低温气体来降低轴承供气温度，有利于降低轴承温度和电机温度。

2. 排气调节阀使膨胀发电机机腔中的压力位于膨胀机进口和出口压力之间，降低了第一级和第二级齿封的漏气损失。

3. 使用天然气为轴承供气，实现了无油润滑。

4. 每一个执行机构（阀门）都由唯一的一个测量参数控制，逻辑简单，可靠性高。

5.无论运行工况如何变化，由于第一截止阀和第二截止阀承担了部分压力波动，膨胀机的转速在较小的范围波动，降低了轴承进出口压差控制的难度，保证了机组的长期稳定运行。

附图说明

图1是本发明的一种供气系统的连接结构示意图。

图2是本发明的一种供气控制方法流程图。

图中1.过滤器，2.换热器，3.供气罐，4.发电机，5.第一截止阀，6.第二截止阀，7.第一级涡轮，8.第二级涡轮，9.差压传感器，10.轴承供气管路，11.发电机冷却管路，12.排气管路，13.冷却调节阀，14.排气调节阀，15.连接管。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例的一种静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统，如图1所示，包括静压气浮轴承供气回路、天然气膨胀发电机组主回路和换热器2。

静压气浮轴承供气回路中，天然气经过换热器2高温侧后分别向轴承供气，向电机提供冷却供气；轴承排气与发电机冷却排气汇合后输出至换热器低温侧。

本实施例采用的发电机参见申请人于2020年3月9日申请的，申请号为“CN202010156132.9”，名称为“一种天然气静压气浮轴承双级膨胀发电机及发电系统”中所涉及的发电机。

具体的，静压气浮轴承供气回路包括过滤器2、供气罐3、轴承供气管路10、发电机冷却管路11和排气管路12。

过滤器1的输入端接收天然气的高压来流，过滤器1的输出端连接换热器2的高温侧的输入端，换热器2高温侧的输出端与供气罐3的入口连接。

供气罐3分别通过轴承供气管路10和发电机冷却管路11与发电机4连接，轴承供气管路10为轴承提供供气罐3中的天然气；发电机冷却管路11为发电机4提供供气罐3中冷却的天然气。轴承排气与发电机冷却排气在发电机中汇合后仅排气管路排出至换热器2低温侧，换热器2的低温侧输出天然气的低压排气。换热器2的低温侧流经的天然气为高温侧流经的天然气降温。

在发电机冷却管路11上设置有冷却调节阀13，冷却调节阀13用于调节供气罐3输出的冷却的天然气流量。

在排气管路12上设置有排气调节阀14，排气调节阀14用于调节发电机4轴承进出口之间天然气的压力差。

过滤器1过滤掉天然气中的水分和其它对发电机定子线圈有腐蚀性的成分。换热器2利用膨胀机出口的低温天然气冷却进入供气罐3的高压天然气，低温高压天然气用于向轴承供气和电机冷却，有效降低轴承温度和电机温度。供气罐3起到缓冲作用，当主回路关闭后，供气罐3中的气体继续向轴承供气，起到保护轴承的作用。冷却管路上的调节阀用于冷却气体的流量。轴承排气和电机冷却排气在发电机中会合后经排气管路排出到发电机下游。供气罐3和排气管路12之间安装有压差传感器9，用于测量轴承进出口压差，用来调节排气调节阀的开度，保证轴承安全。

天然气膨胀发电机组主回路，天然气经多级涡轮膨胀做功后将降压降温后的天然气输出至换热器低温侧。

具体的，天然气膨胀发电机组主回路依次包括第一截止阀5、第一级涡轮7、连接管15、第二级涡轮8和第二截止阀6。

第一截止阀5用于调节高压侧天然气输入第一级涡轮7的流量，并限制输入压力；第一截止阀5的输出端连接过滤器1的输入端和第一级涡轮7的输入端。

天然气分别对第一级涡轮7和第二级涡轮8膨胀做功，减低天然气的压力与温度。连接管15连接第一级涡轮7的输出端与第二级涡轮8的输入端；第二截止阀6用于调节第二级涡轮8的出口压力。排气管路12的输出端与第二截止阀6的输出端连接；排气调节阀14安装在第二截止阀6的下游。

第一截止阀5和第二截止阀6是具有调节功能且密封性较好的电动球阀。高压天然气在第一级涡轮7膨胀做功后进入到第二级继续膨胀做功，涡轮的旋转机械能驱动发电机旋转发电。经过两级膨胀的天然气压力下降，温度降低。

本实施例的系统安装了换热器2，利用膨胀机下游的低温气体来降低轴承供气温度，有利于降低轴承温度和电机温度；安装了排气调节阀，使膨胀发电机机腔中的压力位于膨胀机进口和出口压力之间，降低了第一级和第二级齿封的漏气损失，在极端情况下第二级的齿封漏气量可以降低为0。

本实施例的一种静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1：启动，分别向静压气浮轴承供气回路和天然气膨胀发电机组主回路中流入天然气，使发电机转轴悬浮在轴承中，发电机开始发电。

S101：完全打开第一截止阀5，关闭第二截止阀6、冷却调节阀13和排气调节阀14，分别向静压气浮轴承供气回路和天然气膨胀发电机组主回路中流入天然气。使供气回路和膨胀发电机内部压力与来流压力一致。

S102：逐步打开排气调节阀14，使压差传感器9测量的轴承进出口压差满足设定阈值。此时发电机4转轴已经悬浮在轴承中。

S103：逐步打开第二截止阀6，发电机开始发电。膨胀机开始转动，发电机开始发电。根据压差传感器测量的压差调节排气调节阀开度；根据电机温度调节冷却阀开度。

S104：当发电机转速到达设定值时，停止第二截止阀6的调节。

避免膨胀机飞车（旋转速度超过额定值）。这样，天然气压力的降低一部分由膨胀发电机承担（有效载荷），一部分由第二截止阀6承担。虽然天然气的压差没有得到全部利用，但保证了膨胀机的安全运行。另一种可选方案是设计功率更大的发电机组使压力能全部得到利用，但大部分时候发电机组处于部分负荷状态。

S2：运行过程中分别根据发电机下游耗气量以及输入天然气压力的增加或降低控制第一截止阀和第二截止阀的开度。

当下游耗气量降低时，此时第二截止阀6下游压力升高，转速下降。

逐步增加第二截止阀6的开度，使转速稳定；若第二截止阀6已到最大开度，逐步关闭第一截止阀5直至转速稳定。

当下游耗气量增加时，此时第二截止阀6下游压力降低，膨胀机进出口压差增加，转速上升。

若转速接近转速预设上限，逐步关闭第一截止阀5使转速回到额定运行转速，同时调节门站网络上的其它阀门增加气体流量满足用户需求，待下游压力上升转速下降时，将第二截止阀6调节至最大开度；若转速低于预设上限，将第二截止阀6调节至最大开度，逐步增加第一截止阀5开度至转速升至预设上限。

当输入天然气压力增加时，此时膨胀机进出口压差增加，转速提升。

逐步关闭第二截止阀6，使转速下降至额定运行转速，当第二截止阀6关闭到最小开度时，逐步关闭第一截止阀5至转速下降至额定运行转速。

当输入天然气压力降低时，此时膨胀机进出口压差降低，转速降低。

逐步开启第一截止阀5至转速升到额定运行转速，当第一截止阀5开启到最大值时，逐步开启第二截止阀6至最大开度。

根据压差传感器测量的压差调节排气调节阀开度；若压差小于设定值，则增加排气调节阀开度，反之亦然。

根据电机温度调节冷却阀开度。若电机温度高于设定值，则增加冷却阀开度，反之亦然。

S3：停机，依次关闭所有阀门。

S301：逐步关闭第二截止阀6，直至全部关闭。膨胀发电机转速降低，发电量减少。

S302：根据压差传感器9测量的压差调节排气调节阀14开度。

S303：膨胀发电机停止转动，额定时间后关闭第一截止阀5，关闭排气调节阀14。

每一个执行机构（阀门）都由唯一的一个测量参数控制，逻辑简单，可靠性高。同时，无论运行工况如何变化，由于第一截止阀和第二截止阀承担了部分压力波动，膨胀机的转速在较小的范围波动，降低了轴承进出口压差控制的难度，保证了机组的长期稳定运行。

应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统，其特征在于，包括：

静压气浮轴承供气回路，天然气经过换热器高温侧后分别向轴承供气，向电机提供冷却供气；轴承排气与发电机冷却排气汇合后输出至换热器低温侧；

天然气膨胀发电机组主回路，天然气经多级涡轮膨胀做功后将降压降温后的天然气输出至换热器低温侧；

换热器，低温侧流经的天然气为高温侧流经的天然气降温。

2.根据权利要求1所述的静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统，其特征在于，所述的静压气浮轴承供气回路包括：

过滤器，将过滤后的天然气输入到换热器的高温侧；

供气罐，存储换热器高温侧输出的天然气；

轴承供气管路，为轴承提供供气罐中的天然气；

发电机冷却管路，为发电机提供供气罐中冷却的天然气；

排气管路，轴承排气与发电机冷却排气在发电机中汇合后排出至换热器低温侧。

3.根据权利要求2所述的静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统，其特征在于，所述的静压气浮轴承供气回路还包括：

冷却调节阀，设置在发电机冷却管路上，用于调节供气罐输出的冷却的天然气流量；

排气调节阀，设置在排气管路上，用于调节发电机轴承进出口之间天然气的压力差；

压差传感器，测量轴承进出口之间天然气的压力差，以此控制排气调节阀的开度。

4.根据权利要求1或2或3所述的静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统，其特征在于，所述的天然气膨胀发电机组主回路包括：

第一截止阀，调节高压侧天然气输入第一级涡轮的流量，并限制输出压力；

第一级涡轮，天然气膨胀对其做功，进行第一级的天然气降压与降温；

连接管，连接第一级涡轮的输出端与第二级涡轮的输入端；

第二级涡轮，天然气膨胀对其做功，进行第二级的天然气降压与降温；

第二截止阀，调节第二级涡轮的出口压力；

排气调节阀设置在第二截止阀的下游。

5.根据权利要求4所述的静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统，其特征在于，所述的第一截止阀和第二截止阀为电动球阀。

6.静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气控制方法，采用如权利要求1-5中任意一项所述的静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动，分别向静压气浮轴承供气回路和天然气膨胀发电机组主回路中流入天然气，使发电机转轴悬浮在轴承中，发电机开始发电；

S2：运行过程中分别根据发电机下游耗气量以及输入天然气压力的增加或降低控制第一截止阀和第二截止阀的开度；

S3：停机，依次关闭所有阀门。

7.根据权利要求6所述的静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气控制方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包括以下过程：

S101：完全打开第一截止阀，关闭第二截止阀、冷却调节阀和排气调节阀，分别向静压气浮轴承供气回路和天然气膨胀发电机组主回路中流入天然气；

S102：逐步打开排气调节阀，使压差传感器测量的轴承进出口压差满足设定阈值；

S103：逐步打开第二截止阀，发电机开始发电；

S104：当发电机转速到达设定值时，停止第二截止阀的调节。

8.根据权利要求6所述的静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气控制方法，其特征在于，

当下游耗气量降低时，逐步增加第二截止阀的开度，使转速稳定；若第二截止阀已到最大开度，逐步关闭第一截止阀直至转速稳定；

当下游耗气量增加时，若转速与转速预设上限的差值小于额定差值，逐步关闭第一截止阀，至转速回到额定运行转速；若转速低于转速预设上限，将第二截止阀调节至最大开度，逐步增加第一截止阀开度至转速升至预设上限；

当输入天然气压力增加时，逐步关闭第二截止阀，使转速下降至额定运行转速，若第二截止阀关闭到最小开度，逐步关闭第一截止阀，至转速下降至额定运行转速；

当输入天然气压力降低时，逐步开启第一截止阀至转速升到额定运行转速；若第一截止阀开启到最大值，逐步开启第二截止阀至额定转速或最大开度。

9.根据权利要求6所述的静压气浮轴承天然气膨胀发电机轴承供气控制方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包括以下过程：

S301：逐步关闭第二截止阀，直至全部关闭；

S302：根据压差传感器测量的压差调节排气调节阀开度；

S303：膨胀发电机停止转动，额定时间后关闭第一截止阀，关闭排气调节阀。

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