CN1312378C - 在气体输送管道内或附近产生电力的方法和热电发电机 - Google Patents
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Abstract
一种用于在气体输送管道(2)例如在采气井中的产气管内或附近产生电力的热电发电机(3)，包括：声共鸣腔(7)，该声共鸣腔具有一进口(8)，该进口可与管道(2)的壁中的开口或布置在管道(2)内的设备的壁中的开口连接，以响应管道(2)中的气流而在共鸣腔(7)中产生标准声波；以及可渗透体(9)，该可渗透体位于声共鸣腔(7)内，该可渗透体由于绝热膨胀或压缩而形成冷点和/或热点。热电装置10例如Peltier元件与在可渗透体中形成的所述冷点和/或热点连接，以根据可渗透体(9)形成的温度降低或升高(可以超过50℃)而产生电力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力发电机以及一种在气体输送管道内或附近产生电力的方法。
发明背景
气体输送管道可以位于遥远位置，例如在采气井的井下或水下和/或地下，或者在没有可靠电源的区域例如海上或无人区。
由美国专利6150601可知通过热电装置在井下的产气管中发电，该热电装置通过井的温度梯度来产生能量，该温度梯度可以通过在产气管布置节流而产生，在该产气管中，气体进行膨胀，且通过绝热膨胀而冷却。已知系统的缺点是节流将减小采气量，且该气体只将冷却几摄氏度，除非节流非常高，例如在文氏管中产生超音速的气体速度，这时，文氏管将产生很大的节流，并有很高的磨损率。
美国专利6011346公开了另一种井下发电机，它包括压电部件，该压电部件通过文氏管中的压力差而变形。该已知发电机的缺点是压电部件的电输出较低，因此它的效率较低。
发明内容
本发明的目的是消除已知发电系统的缺点，并提供一种热声发电机，它有着比已知发电机更高的效率，且它不需要在输送管道中采用节流。
本发明的方法包括：
使得流过气体输送管道的气体沿声共鸣腔的进口流动，从而在共鸣腔中产生标准声波，使得在腔内的流体流过可渗透体，在该可渗透体中，由于共鸣流体的绝热膨胀或压缩而形成多个基本静止的冷点和/或热点；以及
使热电装置与至少一个所述冷点和/或热点进行热连接，以便产生电力。
可渗透体可以包括一系列的层叠板，这些层叠板彼此以预定间距间隔开。
美国专利4625517和5456082公开了热声装置，该热声装置具有由一组杆或板形成的可渗透体，该热声装置可以用于本发明的方法和发电机。
热电装置可以包括热电偶，它可以形成Peltier元件的一部分。
而且，一组声信号传感器可以布置在气体输送管道中或附近，这些传感器检测在气体输送管道中由声共鸣装置的进口发出的标准声波特征。该声信号传感器可以是麦克风，该麦克风将在离所述进口不同距离处的声信号的相位差转变成电、光纤或其它信号，该信号传送给流动监测系统，该流动监测系统将声信号的测量相位差和/或其它特征转变成在气体输送管道中的气体流速的指示。
优选是，麦克风通过由热电装置产生的电力来供电，并将声信号转变成脉冲数字声、光、电或其它信号。流动监测系统可以与流动控制系统连接，该流动控制系统根据监测的气体速度与参考值的偏差而调节在输送管道中的气体流速。
优选是，所述声信号传感器包括一个或多个可充电电池，这些可充电电池通过热电装置来充电。
本发明还涉及一种用于在气体输送管道内或附近产生电力的热电发电机。本发明的发电机包括：声共鸣腔，该声共鸣腔具有一进口，该进口可与气体输送管道的壁中的开口或布置在管道内的设备(例如机器人装置、测井工具或检查和/或清洁工具)的壁中的开口连接；可渗透体，该可渗透体位于声共鸣管内，该可渗透体在使用时由于共鸣流体的绝热膨胀或压缩而至少部分被冷却或加热；以及热电装置，该热电装置可与使用时在可渗透体中形成的至少一个冷点和/或热点连接，以产生电力。
附图说明
下面将参考图1更详细地介绍本发明，该图1表示了气井中的产气管的示意纵剖图，该产气管装备有本发明的热声发电机。
具体实施方式
在图1中，天然气流1向上流过产气管2并流向在地表的井口(未示出)。热声电力发电机3布置在产气管2和井筒5之间的环形空间4内，该井筒5由水泥浇铸形成在地层6中。
发电机3包括环形声共鸣腔7，该声共鸣腔包括一个或多个进口开口8，该进口开口8由产气管2的壁中的孔形成。该环形声共鸣腔7具有封闭顶部18，且可渗透体9安装在共鸣管7内并靠近顶部18。
环形热电转换器10安装在该可渗透体9附近。转换器10由Peltier元件11形成，该Peltier元件11包括双金属或半导体电偶，它们由于可渗透体9和井的其它部件之间的温度差而产生电力，该温度差通过由于气体在共鸣腔7中的绝热膨胀引起的可渗透体的冷却而产生，该绝热膨胀由腔7中的共鸣声波引起。可渗透体9的热沉可以超过50℃。因此，Peltier元件10的冷却侧暴露在可渗透体的热沉中，而Peltier元件的另一热侧可以装备有导热体11，该导热体11与相邻的未冷却部件例如产气管2的臂以及井筒5产生热桥。声共鸣腔7的上端和Peltier元件10被装入保护绝热封套19中。
电缆12延伸穿过封套19，并与电力调节器和/或可充电电池和/或电动力井下设备(未示出)(例如气流监测和/或控制系统)连接。
优选是，一组声信号传感器比如麦克风13布置在采气井2中，以便检测在产气管2中的声波的频率和相位，该相位涉及在产气管2中的气流1的速度。所述麦克风通过由热电腔产生的电力来供电，并将声信号转变成脉冲数字声、光、电或其它信号。所述声信号传感器包括一个或多个可充电电池，这些可充电电池通过热电装置来充电。因此，由麦克风13产生的信号可以传递给流动监测装置，该流动监测装置将检测的频率转换成气体速度指示。流动监测装置可以位于地表，由麦克风产生的信号可以通过电缆或光纤电缆传送至地表，或者作为放大声信号或作为电磁信号而通过产气管2的壁传送。
应当知道，热声发电机3也可以与地表处或附近的气体输送管道结合使用，例如海底气体输送管路和在遥远区域的管路，例如极地区域和荒漠，这些地方没有足够的电源来提供流动监测和控制设备所需的电力。
而且，本发明的热声发电机可以用于向在气体输送管道或井中使用的设备提供电力，例如机器人装置、测井工具或内部管检查和/或清洁工具。这时，声共鸣腔可以形成于设备壳体内，而腔的进口由形成于设备壳体壁中的一个或多个开口形成，而气流环绕壳体流动，并在声共鸣腔内引起标准声波。
在可选实施例中，本发明的热声发电机可以作为热泵，并可以与由于流体的绝热压缩而在可渗透体中形成的热点连接，该绝热压缩由在声共鸣腔中的共鸣声波波形引起。热电装置可以连接在由于共鸣声波波形引起的热效应而在可渗透体中形成的一个或多个冷点以及一个或多个热点之间。
Claims (13)
1.一种在气体输送管道内或附近产生电力的方法，该方法包括：
使流过气体输送管道的气体沿声共鸣腔的进口流动，从而在共鸣腔中产生标准声波；使在腔内的流体流过一可渗透体，在该可渗透体中，由于共鸣流体的绝热膨胀或压缩而形成多个基本静止的冷点和/或热点；以及
使热电装置与至少一个所述冷点和/或热点进行热连接，以产生电力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：所述共鸣腔为环形形状，其设置在井下，环绕采气井中的产气管。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：所述气体输送管道是一种位于遥远位置处的气体输送管路。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中：所述可渗透体包括一系列层叠板，这些层叠板彼此以预定间距间隔开。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：通过将条带绕环形共鸣管的内壁盘绕，并通过将一系列垫片布置在盘绕的条带的相邻层之间，从而使该层叠板形成于所述环形共鸣腔中。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中：所述热电装置包括热电偶，该热电偶连接于可渗透体的热点和冷点之间，或者连接于可渗透体的热点或冷点和温度基本不受所述标准声波影响的部件之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：该热电偶形成Peltier元件的一部分。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中：一组声信号传感器布置在气体输送管道中或其附近，这些传感器检测气体输送管道中的自声共鸣腔的进口发出的标准声波的特征。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：该声信号传感器包括麦克风，该麦克风将声信号转变成电、光纤或其它信号，该信号传送给流动监测系统，该流动监测系统将声信号的相位差和/或其它特征转变成气体输送管道中的气体流速的指示。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：所述麦克风通过由热电腔产生的电力来供电，并将声信号转变成脉冲数字声、光、电信号。
11.根据权利要求8所述的方法，其中：所述声信号传感器包括一个或多个可充电电池，这些可充电电池通过热电装置来充电。
12.根据权利要求9所述的方法，其中：所述流动监测系统与一流动控制系统连接，该流动控制系统根据监测到的气体速度与参考值的偏差来调节输送管道中的气体流速。
13.一种用于在气体输送管道内或附近产生电力的热电发电机，包括：
声共鸣腔，该声共鸣腔具有一进口，该进口可与气体输送管道的壁中的开口或布置在该管道内的设备的壁中的开口连接；
可渗透体，该可渗透体位于声共鸣管内，该可渗透体在使用时由于共鸣流体的绝热膨胀或压缩而至少部分被冷却或加热；以及热电装置，该热电装置可与在使用时在可渗透体中形成的至少一个冷点和/或热点连接，以产生电力。
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