CN2091951U

CN2091951U - 天然气压力能回收用螺杆膨胀机

Info

Publication number: CN2091951U
Application number: CN 91214610
Authority: CN
Inventors: 郑娱泉; 李德禄; 杨永革; 郑冲涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-06-12
Filing date: 1991-06-12
Publication date: 1992-01-01

Abstract

天然气压力能回收用螺杆膨胀机属于通用回转机械。可用于设计高压、小容积流量的膨胀机；也可用于设计通用的低压膨胀机。包括一对转子缸体，轴承，同步齿轮以及密封组件。本机螺杆部分与螺杆压缩机相同，但热物理过程恰恰相反。气体由吸气口进入阴阳螺杆齿间容积后，两螺杆朝背离方向旋转，气体膨胀对外作功，膨胀后的气体从排气口排出。对于小容积流量，压力大于等于6MP_a的天然气膨胀机，可设计成小膨胀比，超短长径的悬臂螺杆来保证膨胀机的可靠性。

Description

本实用新型涉及回转机械类，特别是用于设计、制造以及气体或气、液混合物为工质的膨胀机及研制新型的燃气发动机。

靠气体膨胀消耗内能来作功的机械叫原动机械或发动机，如内燃机、蒸气机、燃气轮机等都是这种机械，实质上都是膨胀机，这些动九机械存在已久，技术已相当成熟。但是，用天然气膨胀作功来发电或拖动工作机的膨胀机却极少，八十年代曾有过12KW的TT12天燃气透平发电机问世，但是机器效率特别低，原因是在6至10MPa高压下进入透平的容积流量只有2M³／min左右，对于如此小的容积流量，速度型的轴流式透平膨胀机欲获得高效率是办不到的，目前在天燃气分离的轻烃回收装置上出现了一些不同规格的径流式透平膨胀机，然而面对小流量欲得高效率同样束手无策，同时要从每分钟数万转的转速度降下来，拖动发电机，本身又存在问题，况且天燃气分离的压力不高，欲用径流透平回收高压天燃气能量，密封和受力也难以解决。近年来国外出现了适合小流量的螺杆膨胀机技术，用于小规模废热回收发电或制冷，如1988年日本达支兼一的“螺杆膨胀机基本性能的研究”之文章所述，但工作压力很低，只有0.3MPa，并未涉及高压天然气的领域，不能实现在6至10MPa高压下的运转。又由于大多数天然气井及大小集输气站的天然气压力大多高于甚至大大高于管道输气的要求压力，对此，一般采用节流方法，使压力进行无用膨胀和损失，以便降低下来满足输气要求，这无疑是能量的一种浪费。

本实用新型的目的是针对已有天然气膨胀机技术的不足，首先按非常规方法设计出一种最新型的螺杆容积式膨胀机，靠容积的膨胀变气体的内能为机械能，对外作功的动力机械，在小容积流量下具有高效率，它在速度型透平膨胀机无力占据的小容积流量领域内显出独特的优越性，将天然气压力能转换成机械能，来带动发电机进行能量回收，以解决边远地区气井，气站的缺电问题。本实用新型既可用于设计、制造高压力、小容积流量、小膨胀比的天然气膨胀机，代替燃气透平，作为新型的燃气发动机用；还可用于设计、制造低压通用螺杆膨胀机，用于低温制冷；天然气液化分离；化工尾气、烟气及高炉气和地热等能量的回收。

天然气压力能回收用螺杆膨胀机包含一对转子缸体、轴承、同步齿轮以及密封组件，其特征是：阴、阳转子采用超短长径比的粗短形螺杆，并悬臂于缸体呈“∞”形的缸体中，相互啮合的螺旋形，阴阳转子平行地置于气缸中按一定传动比反向旋转。在节圆外具有凸齿的转子叫阳转子，在节圆内具有凹齿的转子叫阴转子，阴、阳螺杆和气缸之间形成的呈“∨”字形的一对齿间容积值随着转子的回转而变化，同时其位置在空间也不断移动，采用小膨胀比，气体从吸气孔进入阴、阳螺杆和气缸之间形成的“∨”字形的齿间容积，推动阴、阳螺杆转子彼此向背离方向高速旋转，以完成吸气、膨胀、排气三个工作过程。螺杆啮合形成的每对齿间容积里，气体所进行的上述三个过程是周而复始的，机器便不停地旋转对外作功。

与现有技术相比本实用新型的优点是：采用超短长径比后，螺杆变得短而粗，阴阳转子似如两个厚饼子，同时因采用小膨胀比，吸排气压力差作用在螺杆上的力减小，明显改善了转子受力状况。由于螺杆短，便使螺杆压缩机习惯采用的两端支承变成为悬臂支承，即在压力等于排气压的轴承腔里充满的润滑油，对高压气的外泄漏造成一道不可逾越的堵塞障碍，于是高压带来的受力和密封问题便得到理想的解决。本实用新型与现有透平膨胀机相比：能在吸气容积流量为0.5～5m³／min（相当于6MPa压力下，天然气每一天的标况流量为2～20×10⁴Nm³／d）的小流量下，提高一倍至数倍的效率，获得2.5～100KW的发电功率；甚至在0.125至0.5m³／min（相当于6MPa压力下，每天天然气标况流量是0.5～2×10⁴Nm³／d）的特小流量下，透平对外已不能输出有用功，而本设计还可提供0.5～2.5KW的电量来。并且本机结构简单、零件少，易于制造、成本低、转速低，不需高转速比的减速箱，操作运行方便、安全可靠，自动化程度要求低。与容积式的活塞膨胀机相比较：结构简单、紧凑、零部件少、体积小、重量轻、基本无易损件、可靠性高、运转周期长、操作方便、振动小、工作平稳、制造容易、成本低。与容积式的滑片膨胀机相比较：易损件少，机械效率高，适合于高压工作条件。

变工况情况：

（1）同一台天然气螺杆膨胀机既可在设计吸气压力下工作，而且随着气井生产时间的增长，在压力降低的情况下也可照常工作。即对吸气压力下降变工况的适应能力强。或者说，同一规格型号的膨胀机，可用于低于设计吸气压力小的不同气井。

（2）同一台天然气螺杆膨胀机既可在设计气量下工作，且随着气井生产时间的增长产气量的减少，也可正常工作，但发电量亦呈下降趋势。

对于吸气压力低于1.5MPa的螺杆膨胀机，可方便采用与一般螺杆压缩机相同的两端支承结构和密封结构。作为制取冷量的气体或气、液混合的二相流膨胀机用；作为分离天然气用；作为回收动力，如化工尾气、烟气及高炉气和地热等能量的回收用；作为代替柴油机增压器的废气涡轮用：如果专门配备燃烧筒，便可代替燃气轮机的功用了，并且所发功率小，是一般大气量、大功率燃气轮机不便涉脚之地。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为天然气压力能回收用螺杆膨胀机吸气过程图

图2为天然气压力能回收用螺杆膨胀机吸气过程结束、膨胀过程开始图

图3为天然气压力能回收用螺杆膨胀机膨胀过程结束、排气过程开始图

图4为天然气压力能回收用螺杆膨胀机排气过程图

图5为天然气压力能回收用螺杆膨胀机水平剖视图

1.进气控制图 2.缸体 3.轴承 4.轴承座 5.阳转子 6.阴转子 7.中间体 8.轴承 9.叶片泵 10.机械密封 11.同步齿轮 12.齿轮室盖 13.输出联接盘 14.端盖 15.固定螺套 16.园螺母 17.密封圈

吸气过程：高压气体由吸气孔口分别进入阴、阳螺杆“∨”字形的齿间容积，推动阴、阳螺杆向彼此背离的方向旋转，且这两个齿间容积不断扩大并不断进气，当这对齿间容积后面一齿一旦切断吸气孔口时，吸气过程结束，膨胀过程开始。

膨胀过程：在吸气过程结束后的齿间容积对里，充满着高压气体，其压力高于顺转向前面一对齿间容积对里气体压力，在压力差的作用下，阴、阳螺杆转子往相互背离的方向转去，于是气体膨胀，螺杆转子旋转对外作功。转子继续回转，经某转角后，阴、阳螺杆齿间容积脱离，再转一个角度，当阴螺杆齿间容积的后齿，从阳螺杆齿间容积中离开时，这时阴、阳齿间容积值达最大值，膨胀结束，排气开始。

排气过程：当膨胀过程结束时，齿间容积与排气孔口接通，随着转子的回转，两个齿间容积因齿的侵入不断缩小，将膨胀后的气体往排气端推赶而经排气孔口排出，直到齿间容积达最小为止。螺杆啮合所形成的每对齿间容积里的气体进行的上述三过程是周而复始的，所以机器便不停地旋转。

由于天然气井口压力高，为了减少螺杆膨胀机吸排气压差，改善转子受力情况，螺杆膨胀机热力和螺杆参数具有如下特点：

（1）单级膨胀机吸气压力可在3至10MPa范围。如果井口压力高于10MPa，可考虑节流后再进入膨胀机，或者多级膨胀机串联使用。

（2）可针对产气量为0.5～20×10⁴Nm³／d的气井或气站，将气量划分为几个档次，设计出不同规格的螺杆膨胀机，形成一个系列。

（3）采用π≤3的小膨胀比，也分成几个档次以成系列。

（4）采用λ≤0.8的超短长径比，这样螺杆变得短而粗，既可满足小容积流量的实际需要，又改善了转子的受力状况。

（5）天然气螺杆膨胀机全系列的发电范围为0.5～100KW，甚至更高。如果加注大粘度的润滑油或润滑脂等防内泄漏措施，则发电量将大幅度提高。

（6）作为膨胀介质的天然气，允许含油含水。

（7）螺杆扭转角τ_1Z，τ_2Z较小。

（8）可采用部标螺杆端面型线或其它先进型线。

图2中的5、6分别是阳转子和阴转子，左端大头是具啮合齿形的螺杆部份，阴阳螺杆悬臂于缸体呈“∞”形的缸孔中，右伸轴固定在轴承3和8中，轴承3用圆螺母16和固定螺套15固定，转子轴上装有机械密封圈17，以防润滑油和天然气的泄漏，在转子轴的右端配置一对同步齿轮11，以传输功率和保证螺杆的间隙。高压气由进气控制阀1沿轴向吸气孔口进入气缸，充满阴、阳螺杆和气缸之间构成的“∨”字形齿间容积里，由于气体压力的作用，使阴、阳螺杆转子彼此朝相互背离的方向转去，齿间容积变大，气体膨胀对外作功，通过阳转子最右端的输出联接盘13与发电机联接盘的联接，便驱动发电机或其它工作机运转，膨胀作功后的气体由缸体上的径向排气孔口，在螺杆遮着的那面排出。齿轮室盖12所封着的齿轮室里盛着一定的润滑油，同步齿轮靠飞溅润滑。另外轴承座4和中间体7，分别起着轴承3和轴承8外圆配合座的作用及构成油腔的作用。端盖14装着机械密封的静环，并伸向里面固定轴承8的外圈。阴阳转子轴承油腔是相通的，润滑油靠叶片泵9的作用，使之循环冷却。排气压作用在附属的注油罐的油面上，而注油罐的油与轴承腔相通，所以轴承腔的油压与排气压相一致。

最佳实施方案或实例：

本专利发明人对吸气压力P_s＝6MPa，膨胀比π＝2，即排气压力P_d＝3MPa，标况流量V_N＝1.88×10⁴Nm³／d的天然气螺杆膨胀机进行了设计。选用部标阳齿4阴齿6非对称齿型名义直径D_O＝100mm，阳转子转速n₁＝1500r／min，螺杆长径比λ＝0.5，即螺杆长L＝50mm。其结构如图2所示。

设膨胀机的等熵效率η_S＝60％，其容积效率在下范围η_V＝40～60％时，则电机输出电功率为P＝2.5～6.1KW。关键是提高机器的容积效率，比如向螺杆加注大粘度的润滑油或润滑脂；在螺杆齿面上喷涂塑料等方法，以减少内泄漏便于达到目的。在不采取任何措施的情况下，还可发出2.5KW的电。这是透平办不到的。可以试制每日1.88万标方气量的天然气螺杆膨胀机，便可尽快得出与透平膨胀机的对比结果，展现出优越性，以得到普遍推广的目的。

Claims

天然气压力能回收用螺杆膨胀机，包含一对转子缸体、轴承、同步齿轮以及密封组件，其特征是：阴、阳转子采用小膨胀比、超短长径比的粗短形螺杆，并悬臂于缸体呈“∞”形的缸孔中，相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中按一定传动比反向旋转。