天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)、壓力能回收裝置、轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)，還涉及所述天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)的壓力能回收裝置和轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣管網(wǎng)是天然氣資源應(yīng)用過程中的最主要輸送手段，高壓天然氣輸送干線與低壓天然氣支線間蘊含著巨大的壓力能，傳統(tǒng)的調(diào)壓閥裝置無法實現(xiàn)能量回收，造成了大量的浪費。因此，如何實現(xiàn)天然氣管網(wǎng)壓力能的回收激起了很多人的研宄熱情，到目前為止，已出現(xiàn)很多天然氣壓力能利用工藝及裝置。
[0003]但是，由于存在諸如對壓差區(qū)間選擇范圍窄，膨脹效率低，運營維護(hù)成本高，規(guī)模單一等問題，造成工程項目效益比較差，不具備在天然氣管網(wǎng)各級調(diào)壓站內(nèi)進(jìn)行規(guī)模化推廣的條件。
[0004]傳統(tǒng)上，天然氣管網(wǎng)壓力能回收是利用膨脹機(jī)，將運動中的流體的焓轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并完成降壓的過程。由于降壓過程中還伴隨著劇烈的降溫，所以在回收機(jī)械能的同時還能獲取大量的冷能。因此，膨脹機(jī)是天然氣管網(wǎng)壓力能回收中完成能量轉(zhuǎn)換最為核心的設(shè)備，它的性能直接決定了壓力能回收工藝的優(yōu)劣。目前在天然氣管網(wǎng)壓力能回收工藝中已申請專利的膨脹機(jī)主要是透平膨脹機(jī)和螺桿膨脹機(jī)。
[0005]透平為速度型膨脹機(jī)，氣體通過噴嘴獲得非常高的流動速度，將氣流的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并由主軸輸出做功，該過程持續(xù)不斷地將氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為氣流的動能，完成降壓和降溫的過程。
[0006]透平的結(jié)構(gòu)和工作原理決定了其適用于大流量，高進(jìn)口壓力，壓力越高，從噴嘴處獲得的動能越大，膨脹效率有保障。透平適應(yīng)天然氣壓力波動工況的能力有限，而且由膨脹過程產(chǎn)生的低溫而導(dǎo)致的氣流夾雜液體現(xiàn)象，易對葉輪造成損壞；另外，透平膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高，通常為每分鐘上萬轉(zhuǎn)，如果要回收軸功帶旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如帶發(fā)電機(jī)發(fā)電，必須配備調(diào)速設(shè)備，會損失部分機(jī)械功；
[0007]螺桿為容積式膨脹機(jī)，氣流伴隨螺桿轉(zhuǎn)子之間或螺桿轉(zhuǎn)子與齒輪間在協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)過程中的齒間容積的變化，沿軸向流動，達(dá)到膨脹降壓的目的。
[0008]螺桿轉(zhuǎn)子具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，加工難度大。另外，機(jī)床加工精度不高會導(dǎo)致容積效率低，從而導(dǎo)致等熵效率低下。螺桿膨脹機(jī)一般要求進(jìn)口流體介質(zhì)的壓力不能超過3.0MPa.g，進(jìn)口壓力太大，以及進(jìn)出口壓力差過大都會導(dǎo)致螺桿產(chǎn)生較大的徑向力，產(chǎn)生不允許的機(jī)械變形，螺桿轉(zhuǎn)子間就無法協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)。
[0009]螺桿膨脹機(jī)的輔助系統(tǒng)多也導(dǎo)致了其運營維護(hù)費用較高。
[0010]綜上，天然氣管道壓力能回收缺乏一種適用范圍廣，運營成本低，效率高的膨脹機(jī)，從而導(dǎo)致天然氣管網(wǎng)壓差回收工程項目無法取得很好的效益，造成了目前無法大規(guī)模推廣實施的現(xiàn)狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提出一種天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)，所述天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)能夠顯著地提高能量回收的效率。
[0012]本發(fā)明還提出一種壓力能回收裝置，所述壓力能回收裝置能夠顯著地提高能量回收的效率。
[0013]本發(fā)明再提出一種轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)，所述轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)工況適應(yīng)范圍廣，并能夠顯著地提高能量回收的效率。
[0014]根據(jù)本發(fā)明第一方面實施例的天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)包括:調(diào)壓計量裝置；和至少一個壓力能回收支路，所述壓力能回收支路和所述調(diào)壓計量裝置并聯(lián)，每個所述壓力能回收支路包括壓力能回收裝置，所述壓力能回收裝置包括至少一級轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)和與所述轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)串聯(lián)的第一冷能回收換熱裝置，所述轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)包括:殼體，所述殼體內(nèi)具有第一容納腔，所述殼體上設(shè)有與所述第一容納腔連通的進(jìn)氣口和出氣口 ；外轉(zhuǎn)子，所述外轉(zhuǎn)子內(nèi)具有第二容納腔，所述第二容納腔的壁上設(shè)有N個凹槽，每個所述凹槽的壁上設(shè)有通孔，其中所述外轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)在所述第一容納腔內(nèi)，所述外轉(zhuǎn)子與所述第一容納腔的壁限定出與所述進(jìn)氣口連通的進(jìn)氣腔以及與所述出氣口連通的出氣腔，所述出氣腔的容積大于所述進(jìn)氣腔的容積；和內(nèi)轉(zhuǎn)子，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子上間隔開地設(shè)有N-1個齒，所述齒的形狀與所述凹槽的形狀適配，其中所述內(nèi)轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)在所述第二容納腔內(nèi)，其中所述內(nèi)轉(zhuǎn)子和所述外轉(zhuǎn)子不同軸，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子和所述外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比與所述齒和所述凹槽的個數(shù)之比相對應(yīng)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明實施例的天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)具有拓展性強(qiáng)、適用范圍廣、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低、易維護(hù)的優(yōu)點。
[0016]根據(jù)本發(fā)明第二方面實施例的壓力能回收裝置包括:第一冷能回收換熱裝置；和至少一級轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)，所述冷能回收換熱裝置連接至所述轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的下游，所述轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)包括:殼體，所述殼體內(nèi)具有第一容納腔，所述殼體上設(shè)有與所述第一容納腔連通的進(jìn)氣口和出氣口，其中所述出氣口與所述第一冷能回收換熱裝置的進(jìn)口相連；外轉(zhuǎn)子，所述外轉(zhuǎn)子內(nèi)具有第二容納腔，所述第二容納腔的壁上設(shè)有N個凹槽，每個所述凹槽的壁上設(shè)有通孔，其中所述外轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)在所述第一容納腔內(nèi)，所述外轉(zhuǎn)子與所述第一容納腔的壁限定出與所述進(jìn)氣口連通的進(jìn)氣腔以及與所述出氣口連通的出氣腔，所述出氣腔的容積大于所述進(jìn)氣腔的容積；和內(nèi)轉(zhuǎn)子，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子上間隔開地設(shè)有N-1個齒，所述齒的形狀與所述凹槽的形狀適配，其中所述內(nèi)轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)在所述第二容納腔內(nèi)，其中所述內(nèi)轉(zhuǎn)子和所述外轉(zhuǎn)子不同軸，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子和所述外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比與所述齒和所述凹槽的個數(shù)之比相對應(yīng)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明第三方面實施例的轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)包括:殼體，所述殼體內(nèi)具有第一容納腔，所述殼體上設(shè)有與所述第一容納腔連通的進(jìn)氣口和出氣口 ；外轉(zhuǎn)子，所述外轉(zhuǎn)子內(nèi)具有第二容納腔，所述第二容納腔的壁上設(shè)有N個凹槽，每個所述凹槽的壁上設(shè)有通孔，其中所述外轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)在所述第一容納腔內(nèi)，所述外轉(zhuǎn)子與所述第一容納腔的壁限定出與所述進(jìn)氣口連通的進(jìn)氣腔以及與所述出氣口連通的出氣腔，所述出氣腔的容積大于所述進(jìn)氣腔的容積；和內(nèi)轉(zhuǎn)子，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子上間隔開地設(shè)有N-1個齒，所述齒的形狀與所述凹槽的形狀適配，其中所述內(nèi)轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)在所述第二容納腔內(nèi)，其中所述內(nèi)轉(zhuǎn)子和所述外轉(zhuǎn)子不同軸，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子和所述外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比與所述齒和所述凹槽的個數(shù)之比相對應(yīng)。
【附圖說明】
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)的壓力能回收支路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的壓力能回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的壓力能回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6A-圖6L為根據(jù)本發(fā)明實施例的轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的使用狀態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0024]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0025]下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)I。根據(jù)本發(fā)明實施例的天然氣管道壓力能回收系統(tǒng)I包括調(diào)壓計量裝置20和至少一個壓力能回收支路，如圖1中所示。
[0026]壓力能回收支路和調(diào)壓計量裝置20可以并聯(lián)，每個壓力能回收支路包括壓力能回收裝置10。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，壓力能回收裝置10可以包括至少一級轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(將在下面進(jìn)行詳細(xì)說明)和與轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)相對應(yīng)的冷能回收換熱裝置。
[0027]下面將以圖3、4所示的第一轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)101作為示例來描述根據(jù)本發(fā)明實施例的轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的構(gòu)造。如圖5-圖6L所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)101可以包括殼體1011、外轉(zhuǎn)子1012和內(nèi)轉(zhuǎn)子1013。殼體1011內(nèi)具有第一容納腔10111，殼體1011上設(shè)有與第一容納腔10111連通的進(jìn)氣口 10112和出氣口 10113，其中出氣口 10113與第一冷能回收換熱器102的進(jìn)口相連。
[0028]外轉(zhuǎn)子1012內(nèi)具有第二容納腔10121，第二容納腔10121的壁上設(shè)有N個凹槽10122，每個凹槽10122的壁上設(shè)有通孔10123。其中，外轉(zhuǎn)子1012可旋轉(zhuǎn)地設(shè)在第一容納腔10111內(nèi)，外轉(zhuǎn)子1012與第一容納腔10111的壁限定出與進(jìn)氣口 10112連通的進(jìn)氣腔10124以及與出氣口 10113連通的出氣腔10125，出氣腔10125的容積大于進(jìn)氣腔10124的容積。
[0029]內(nèi)轉(zhuǎn)子1013上間隔開地設(shè)有N-1個齒10131，其中N為大于2的整數(shù)，齒10131的形狀與凹槽10122的形狀適配。其中，內(nèi)轉(zhuǎn)子1013可旋轉(zhuǎn)地設(shè)在第二容納腔10121內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，內(nèi)轉(zhuǎn)子1013和外轉(zhuǎn)子1012不同軸，內(nèi)轉(zhuǎn)子1013和外轉(zhuǎn)子1012的轉(zhuǎn)速比與齒10131和凹槽10122的個數(shù)之比相對應(yīng)，如圖5中所示。
[0030]具體而言，高壓天然氣從殼體1011的進(jìn)氣口 10112進(jìn)入到第一容納腔10111內(nèi)，即進(jìn)入到轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)內(nèi)，并推動外轉(zhuǎn)子1012和內(nèi)轉(zhuǎn)子1013轉(zhuǎn)動。由于外轉(zhuǎn)子1012和內(nèi)轉(zhuǎn)子1013不同軸，并且外轉(zhuǎn)子1012的轉(zhuǎn)速與內(nèi)轉(zhuǎn)子1013的轉(zhuǎn)速不一致，因此在轉(zhuǎn)動的過程中，內(nèi)轉(zhuǎn)子1013的齒10131與外轉(zhuǎn)子1012的凹槽10122之間形成的空腔10132的容積逐漸增大，過渡到和出氣腔10125耦合，達(dá)到膨脹降壓的目的(如圖6A-圖6L所示)。在天然氣膨脹過程中，天然氣的壓力能通過與內(nèi)轉(zhuǎn)子1013相連的軸對外輸出機(jī)械能。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，轉(zhuǎn)子膨脹