[發明專利]一種天然氣靜壓氣浮軸承雙級膨脹發電機及發電系統

有效

• 申請號: 202010156132.9
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111365080B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 顧發華;滕衛明;范海東;張嶸;錢偉斌;關鍵;錢濟人;張國民;沈國良;陳迦勒;龐金華
• 申請（專利權）人: 浙江省能源集團有限公司;浙江浙能天然氣運行有限公司;顧發華
• 主分類號: F01D15/10
• 分類號: F01D15/10;F01D25/12;F01D25/16;F01K7/02;F01K7/16;H02K5/20;H02K7/08;H02K9/08
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 黎雙華

本發明公開了一種天然氣靜壓氣浮軸承雙級膨脹發電機，包括機殼、轉子、定子、第一透平、第二透平、第一靜壓氣浮軸承和第二靜壓氣浮軸承；機殼包含第一進氣蝸殼流道、第二進氣蝸殼流道、發電機腔；第一透平、第二透平分別安裝于轉子兩端，轉子設置于發電機腔內，定子固定于發電機腔的內壁；第一透平通過第一靜壓氣浮軸承安裝于轉子的一端，第二透平通過第二靜壓氣浮軸承安裝于轉子的另一端；第一靜壓氣浮軸承和第二靜壓氣浮軸承由天然氣供壓，并排氣至出口通道。本發明具有的優點包括：采用靜壓氣浮軸承，避免使用潤滑油，降低了制造成本和使用成本；采用高速永磁電機增加機組的變工況適應能力，并提供了有效的發電機冷卻設計。

技術領域

本發明屬于天然氣膨脹發電機領域，具體涉及一種天然氣靜壓氣浮軸承雙級膨脹發電機及發電系統。

背景技術

國家天然氣管網的天然氣在管道輸送過程中，壓力一般維持在10MPa左右。到達各大城市管網及工業用戶后，由各大城市管網的調壓站進行降壓，一般從10MPa降低至4.0MPa左右，降壓后的天然氣再通過各大城市管網的城市門站調壓至0.4MPa后，輸送到終端用戶。目前的調壓站是通過調壓閥門降低天然氣的壓力，浪費了大量的壓力能。天然氣壓力高，易燃易爆，含有硫化氫等腐蝕性氣體和微量水份，此外，天然氣和潤滑油乳化難以分離，這些問題提高了壓力能回收利用的技術門檻。目前為止，回收設備復雜制造成本高，運行維護成本高，使得天然氣壓力能的回收利用失去經濟價值。

天然氣壓力能的回收利用的關鍵設備是天然氣膨脹發電機組，主要包含膨脹透平和發電機兩個主要部件。天然氣經透平膨脹，壓力和溫度都降低，產生可以利用的冷能，同時透平驅動發電機發電，產生電能。因此天然氣壓力能回收具有發電和制冷的雙重功能。

天然氣膨脹發電機組的設計面臨諸多技術難點。首先是天然氣泄漏問題，整個膨脹發電機必須是一個全封閉的腔體，與外界的交互只有進出口法蘭和電源接線端子，以避免天然氣泄漏到環境中。傳統的膨脹機和發電機通過聯軸節和減速箱連接而傳輸動力的方式存在天然氣從膨脹機軸封間隙漏氣的問題。第二是防爆問題，理論上，在天然氣中空氣的體積含量為4％～15％時且火種溫度在620℃以上時才能點燃(比汽油的點燃點還高)，由于天然氣的壓力遠高于環境大氣壓，空氣不會進入膨脹發電機內部，因此，即使發電機腔中發生電弧也不會發生爆炸。然而，實際設計中仍然要考慮降低電弧發生的可能性。發電機線圈置于充滿天然氣的機腔中天然氣中的腐蝕性成分會腐蝕銅線浸漆，造成定子短路；接線端子間若產生電弧會引起天然氣碳化，在端子間形成電流通路而短路，這個風險隨著電壓增高而增加。第三是發電機冷卻問題，對于高速永磁發電機這個問題更加棘手，因為單位體積能量密度大因而單位體積損失產生的熱量也高。最后一個問題是膨脹降溫產生的冷凝液滴，液體天然氣積累在膨脹機中甚至會導致機組無法運轉。

天然氣膨脹發電機組按膨脹機分主要有三個類型：螺桿機、向心透平和軸流透平。軸流透平流量大，往往超過了調壓站的能力，且制造成本高，不適合調壓站站中使用。螺桿機需要使用潤滑油，而潤滑油和天然氣混合產生乳化，難以分離。目前最先進的向心透平采用磁懸浮軸承，避免了潤滑油，但制造成本高，投資回報周期長。天然氣膨脹發電機組按發電機分主要有兩個類型：帶有齒輪減速箱的工頻發電機和高速永磁發電機組。齒輪減速箱必須使用潤滑油，工頻發電機存在潤滑油分離問題，且轉速恒定天然氣管路出現壓力波動和流量波動時調節能力差，變工況效率低。高速永磁發電機能量密度大，發電機冷卻問題需要解決。

美國專利US5334004提供了一種壓縮或膨脹天然氣等危險氣體的旋轉機械，膨脹機和發電機處于獨立的腔體中，膨脹機的功通過磁耦合傳到發電機軸上，這樣將膨脹機中的天然氣與發電機隔離，避免天然氣帶給發電機線圈的任何風險。但膨脹機本身的軸承依然使用潤滑油，潤滑油的壓力大于天然氣的壓力避免天然氣進入軸承的另一側。磁耦合膨脹機側的永磁體在潤滑油中旋轉，損失大。此外，磁耦合能夠傳輸的扭矩較小，難以用于千瓦級的膨脹發電機組。