專利名稱：一種天然氣處理用綜合動力裝置的制作方法
技術領域：
一種天然氣處理用綜合動力裝置，它屬于機械動力設備，用于石油天然氣的開發(fā)、輸送以及處理等，特別適合于在沙漠以及邊遠地區(qū)使用。
在天然氣的開發(fā)、輸送以及處理過程中，都需要大量的各種形式的動力能源，如給天然氣液化輸送用的制冷動力源，壓縮增壓動力源，為天然氣處理所需的熱源，為其它輔助設備、控制設備以及作為其它動力需要的電力源。而現(xiàn)在采用的方法是二次能量轉換的形式。即，使用電力來驅動電動機，用電動機的機械動力來給天然氣加壓，使用電動機帶動壓縮制冷機壓縮制冷介質，而使用普通鍋爐來提供熱源。由于天然氣處理需要的能量很大，而多數(shù)的油氣田開發(fā)地、輸送站等都遠離大電網(wǎng)覆蓋地區(qū)，這使得這些地區(qū)的電力相當緊張，一般只能使用自備電站自己提供電力。為適應油氣田開發(fā)的流動性，減少投資，多使用輕便、易安裝的燃氣輪機電站做動力源，使用電力為所有設備提供能量。由于天然氣處理中需要多種形式的能量，這就要經(jīng)過多種形式的能量轉換。如用于天然氣壓縮和增壓的機械能就必須經(jīng)過機械能－－電能－－機械能的兩次轉換，而用于天然氣制冷則要經(jīng)過外涵氣流內能－－渦輪機械能－－電能－－電動機機械能－－制冷介質內能這樣四次轉換，能量利用率大大降低。
現(xiàn)在的燃氣輪機電站所用的燃氣輪機多是由航空發(fā)動機改型而來的。由于航空噴氣發(fā)動機是以噴氣推力為動力輸出，而地面用燃氣輪機電站則要求高的軸輸出功率，以帶動發(fā)電機。這就使得這兩者的運行狀態(tài)和參數(shù)都很不相同，因此不能直接利用現(xiàn)有的先進航空噴氣發(fā)動機，而必須對其進行重大的改型設計。改型設計一方面生產(chǎn)研制周期長，一般的改型周期需5至10年，等到改型完成后，作為改型基礎的原發(fā)動機已失去技術先進性。另一方面，改型的投資也很大，使得改型產(chǎn)品成本增高，而且也不能利用現(xiàn)在已有的還有剩余使用壽命的退役航空發(fā)動機。
本實用新型的目的是發(fā)明一種可同時提供天然氣處理時所需的壓縮增壓機械能，制冷以及分離處理的熱能的天然氣處理用綜合動力裝置。它可以使用現(xiàn)有退役航空渦扇發(fā)動機進行改造，而不用改變原發(fā)動機的運行狀態(tài)和參數(shù)。
本實用新型的剖視結構示意圖如附
圖1所示。它有由風扇及低壓壓氣機(1)、高壓壓氣機(2)、燃燒室(3)、高壓渦輪(4)、低壓渦輪(5)、高壓渦輪軸(7)、低壓渦輪軸(6)和機匣(8)組成的核心發(fā)動機(9)，由動力渦輪(10)、動力渦輪輸出軸(11)和動力渦輪機匣(12)組成的動力渦輪組(13)，以及余熱鍋爐(14)，其特征在于在核心發(fā)動機(9)的風扇外涵道出口與排氣口之間有封閉外涵氣流進入排氣口并把外涵氣流引出發(fā)動機外的渦殼(15)，有與外涵引氣口相連的熱交換器(16)，氣液分離器(17)以及膨脹制冷換熱器(18)。
在本實用新型中，渦殼(15)可以是一個密封外涵道與排氣口之間開口的環(huán)形密封堵和在外涵道尾部開口的一個帶有連接法蘭的開口。也可以作為一個整體替換到原發(fā)動機的尾段。
本實用新型的動力產(chǎn)生部分與現(xiàn)在的航空渦扇發(fā)動機一樣。由風扇及低壓壓氣機(1)吸入壓縮后的空氣分為內涵和外涵兩個部分，分別進入高壓壓氣機(2)和外涵道，經(jīng)高壓壓氣機(2)壓縮后的高壓空氣在燃燒室(3)中注油燃燒，變?yōu)楦邷馗邏喝細?、高溫、高壓燃氣分別在高壓渦輪(4)和低壓渦輪(5)中膨脹做功，使高壓渦輪(4)和低壓渦輪(5)可以分別通過高壓渦輪軸(7)和低壓渦輪軸(6)帶動高壓壓氣機(2)和風扇及低壓壓氣機(1)轉動，以維持正常運行。通過排氣口排出的燃氣中還含有大量的內能，用于推動動力渦輪(10)做功。其中的一部分內能由動力渦輪(10)吸收，轉變?yōu)闄C械能，通過動力渦輪輸出軸(11)輸出。做完功后的燃氣還有一定的余熱，可以通過余熱鍋爐(14)回收余熱，用以提供天然氣、石油處理等需用的熱蒸汽。本實用新型中的動力渦輪(10)輸出的機械能可以直接帶動天然氣壓氣機。由外涵引出的壓縮空氣經(jīng)熱交換器(16)散熱降溫，之后通過氣液分離器(17)脫去壓縮空氣中的水分。加壓的常溫空氣作為冷卻介質，在膨脹制冷換熱器(18)中膨脹冷卻，吸收天然氣的熱量，為天然氣液化制冷。用空氣做冷卻介質，不必擔心制冷劑泄漏引起的污染問題，而且也在存在制冷劑的開銷問題，有利于降低成本。
本實用新型中，發(fā)動機部分直接采用現(xiàn)有先進航空渦扇發(fā)動機的設計，甚至直接利用現(xiàn)成的航空渦扇發(fā)動機(包括退役的或存儲備件)實體，只需在外涵道尾端與排氣口之間加一個蝸殼(15)，使外涵氣流不是進入排氣口與燃氣混合，而是被引出機外作為冷卻天然氣的制冷介質輸出。在排氣口處接有一個已標準化了的動力渦輪組(13)和余熱鍋爐(14)，使輸出燃氣內能轉換成機械能和低壓飽和蒸汽的熱能形式輸出。這樣，同一個動力源變成可同時提供天然氣開發(fā)、輸送以及處理時所需要的壓縮及加壓、制冷液化和其它處理所需熱量的動力。結構緊湊，沒有多次能量轉換的損耗。
本實用新型中由于采用了現(xiàn)有的航空渦扇發(fā)動機作為核心發(fā)動機，可以利用原渦扇發(fā)動機的設計參數(shù)，不用對發(fā)動機的運行狀態(tài)和參數(shù)進行任何改動。附圖2給出了一種原航空渦扇發(fā)動機各部位流程參數(shù)圖。附圖3給出了由該發(fā)動機改裝的多種能量輸出燃氣輪機地面站核心發(fā)動機各部位流程參數(shù)圖。從兩圖中可看出，核心發(fā)動機還是運行在原發(fā)動機的最佳工作狀態(tài)，因而可得到最高的運行效率，也免除了改型設計制造的周期。這不僅可以節(jié)約費用，而且也可利用最新技術，得到最佳動力機組。
本實用新型中的動力渦輪組(13)和余熱鍋爐(14)是一種標準化的設計構件，市場上已有專門配套商提供該商品，供各種燃氣輪機改裝用。在本實用新型中只需選用即可，不用自行設計制造。而對于使用航空渦扇發(fā)動機做核心發(fā)動機(9)的改裝是很簡單的。只須去除原發(fā)動機外涵與排氣口處的連接圈，換為一個堵住外涵氣流進入排氣口并把外涵氣流引出發(fā)動機的渦殼(15)即可。原發(fā)動機的運行控制機構、運行控制軟件、包括運行控制參數(shù)都不用變動。
本實用新型可以在熱交換器(16)前接有一個增壓渦輪(19)，膨脹制冷換熱器(18)為由渦輪膨脹器(20)和普通蛇形管或翅片換熱器(21)組成，如附圖4所示。渦輪膨脹器(20)的輸出軸與增壓渦輪(19)的輸入軸相連，利用渦輪膨脹器(20)中空氣介質剩余動能帶動增壓渦輪(19)給外涵排氣進一步增壓，提高制冷深度，這與船用柴油機上的廢氣渦輪增壓裝置一樣。通過設計參數(shù)的合理選擇，可以使外涵排氣的壓力增高一倍，從而大大增加制冷裝置冷端與熱端的溫差，提高制冷效率。
本實用新型也可以是只把膨脹制冷換熱器(18)制成由渦輪膨脹器(20)和普通蛇形管或翅片換熱器(21)組成，不使用蝸輪增壓器。渦輪膨脹器(20)的輸出軸帶動一臺發(fā)電機發(fā)電，所發(fā)電力提供給油田、天然氣傳輸站以及處理廠的各種控制設備或其它設備作用。做到一個動力站可提供油田、天然氣傳輸站等所需要的全部能源。
本實用新型的燃氣機部分可以采用現(xiàn)在的英國羅·羅公司(ROLLS－ROYCE)斯貝(SPEY)512進行改裝。改裝后，有壓力為0.26MPa，每秒流量為39kg的低壓壓縮空氣用于驅動空氣渦輪膨脹制冷機組，可提供70℃溫差(由15℃降為－55℃，每小時230萬大卡的制冷量。同時動力渦輪輸出5500千瓦的壓縮機驅動功率，余熱鍋爐提供每小時27噸的壓力為0.8MPa的低壓飽和蒸汽，以上動力系統(tǒng)可提供一個日處理100萬立方米－－200萬立方米天然氣處理廠的動力。
權利要求1.一種天然氣處理用綜合動力裝置，它有由風扇及低壓壓氣機(1)、高壓壓氣機(2)、燃燒室(3)、高壓渦輪(4)、低壓渦輪(5)、高壓渦輪軸(7)、低壓渦輪軸(6)和機匣(8)組成的核心發(fā)動機(9)，由動力渦輪(10)、動力渦輪輸出軸(11)和動力渦輪機匣(12)組成的動力渦輪組(13)，以及余熱鍋爐(14)，其特征在于在核心發(fā)動機(9)的風扇外涵道出口與排氣口之間有封閉外涵氣流進入排氣口并把外涵氣流引出發(fā)動機外的渦殼(15)，有與外涵引氣口相連的熱交換器(16)，氣液分離器(17)以及膨脹制冷換熱器(18)。
2.如權利要求1所述的天然氣處理用綜合動力裝置，其特征在于在熱交換器 16)前接有一個增壓渦輪(19)，膨脹制冷換熱器(18)為由渦輪膨脹器(20)和普通蛇形管或翅片換熱器(21)組成。
專利摘要一種天然氣處理用綜合動力裝置，用于天然氣開發(fā)、輸送等。它有核心發(fā)動機(9)，動力渦輪組(13)和余熱鍋爐(14)，其特征在于核心發(fā)動機(9)后部有阻止外涵氣流排氣口并把它引出發(fā)動機外的渦殼(15)，有使用外涵氣流的熱交換器(16)、氣液分離器(17)及膨脹制冷換熱器(18)。它除有機械能和熱能輸出外，還有使用外涵壓縮空氣做制冷介質的制冷能量輸出?？赏瑫r滿足天然氣開發(fā)、輸送及處理時對多種形式能量的需要。
文檔編號F02C6/04GK2087693SQ9022469
公開日1991年10月30日 申請日期1990年12月14日 優(yōu)先權日1990年12月14日
發(fā)明者史航, 蔡睿賢, 鐘杭 申請人:北京市西城區(qū)新開通用試驗廠