一种多功能天然气余压发电装置及方法

摘要

本发明公开了一种多功能天然气余压发电装置及方法，结构简单，操作方便、成本低、发电效率高。能满足原料气中对液固杂质的分离需求，具备抵抗冰堵的能力。包括壳体、发电机，壳体内固定设有定子前支架、定子后支架，发电机具有发电机内定子、发电机外转子，发电机内定子的两端分别固定支撑于定子前支架、定子后支架，发电机外转子上套设有呈锥状的发电机叶轮，发电机叶轮与壳体之间形成天然气通道，壳体对应天然气通道的末端设有用于离心除杂的环形腔，环形腔的下端依次连接有导流管、杂质存储罐，壳体具有天然气进口、天然气出口，定子前支架、定子后支架上分别设有通气孔，使天然气进口与天然气通道连通，环形腔与天然气出口连通。

说明书

技术领域

本发明涉及天然气净化及余压发电技术领域，特别是涉及一种多功能天然气余压发电装置及方法。

背景技术

随着我国工业技术的不断发展，环境问题的不断突出，天然气作为一种清洁能源和优质化工原料，对国家、人民的发展和大气质量、环境保护与能源结构的改善都在发挥着重要的作用。

从天然气井中开采出来的原料气一般压力较高，并且含有一定量的水、硫化氢、二氧化碳以及一些固体杂质。天然气的运输压力有明确的规定，因此气井中的天然气由于压力过高，必须要进行节流降压才能往下输送，而节流降压将会极大的浪费天然气的压能，节流降压位置也极易发生冰堵现象，降低管线的流动能力或产生物理性破坏，或者对阀门及仪表造成破坏。同时液态水还极易溶于酸性气体，形成具有腐蚀性的酸性液体，腐蚀管路及设备。严重的将造成巨大经济损失或人员伤亡。而其他固态杂质的存在会加剧对管壁的冲蚀破坏。因此针对天然气中存在的水分及固态颗粒，需要设计相应的装置对其进行分离。针对天然气的节流降压问题，也需要设计能量回收装置将压能转化成清洁能源。余压发电装置能够利用管道中的压差来进行发电，将以往节流降压浪费的压能转化成电能，起到了节能环保的重要作用，同时也相应了国家绿色发展的战略号召。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多功能天然气余压发电装置及方法，本发明适用于高压天然气管道，结构简单，操作方便、成本低、发电效率高。该装置除了具备发电功能外，还能满足原料气中对液固杂质的分离需求，还具备抵抗冰堵的能力。

本发明的目的是这样实现的：

一种多功能天然气余压发电装置，包括壳体、发电机，所述壳体内固定设有定子前支架、定子后支架，所述发电机具有发电机内定子、发电机外转子，所述发电机内定子的两端分别固定支撑于定子前支架、定子后支架，所述发电机外转子上套设有呈锥状的发电机叶轮，所述发电机叶轮与壳体之间形成天然气通道，壳体对应天然气通道的末端设有用于离心除杂的环形腔，环形腔的下端依次连接有导流管、杂质存储罐，所述壳体具有天然气进口、天然气出口，所述定子前支架、定子后支架上分别设有通气孔，使天然气进口与天然气通道连通，环形腔与天然气出口连通。

优选地，所述壳体包括沿天然气流动方向依次连接的天然气进口接头、杂质清除壳、中间连接壳、天然气出口变径接头，所述定子前支架位于杂质清除壳的前端，所述定子后支架位于中间连接壳的后端，所述发电机叶轮、环形腔均位于杂质清除壳内，所述杂质清除壳的形状与发电机叶轮、环形腔适配。

优选地，所述天然气进口接头、杂质清除壳、中间连接壳、天然气出口变径接头之间通过法兰连接，中间连接壳的前端法兰作为环形腔的后端壁。

优选地，所述天然气进口接头的前端、天然气出口变径接头的后端均设有用于与天然气管道连接的法兰。

优选地，所述发电机外转子与发电机内定子同轴布置，发电机外转子与发电机内定子之间由两个背向安装的角接触球轴承定位，且形成转动支撑。

优选地，所述定子前支架、定子后支架上分别设有矩形孔，所述发电机内定子的两端分别设有矩形头与定子前支架/定子后支架上的矩形孔配合，形成周向定位，所述通气孔均匀分布于定子前支架/定子后支架上的矩形孔周围。

优选地，所述发电机外转子上设有用于与发电机叶轮连接的法兰。

优选地，所述发电机叶轮具有螺旋形叶片。

优选地，所述导流管上安装有球阀，所述杂质存储罐为密闭式耐高压箱体，杂质存储罐上设有排水阀。

一种多功能天然气余压发电方法，

天然气从天然气进口输入；

天然气流经发电机叶轮时，带动发电机叶轮旋转，进而带动发电机外转子旋转，发电机内定子与发电机外转子之间形成切割磁感线运动，进而形成电能；同时，由于发电机叶轮旋转产生的离心力，天然气内夹杂的水和固体颗粒被分离到环形腔，并经导流管排出，由于水被分离，可以防止发生冰堵现象，固体颗粒被分离，可以降低后续天然气净化工艺难度；同时，发电机发电过程中，天然气压力降低，温度降低，容易形成冰堵，而发电机外转子与发电机叶轮相连，使发电过程中产生的热量快速传递到发电机叶轮上，提高天然气的温度，防止发生冰堵现象，同时发电机叶轮的传热对发电机起到降温作用；

天然气从天然气出口输出。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.本发明能够将天然气开采及运输过程中的余压能转化成电能，起到了节能环保的重要作用，同时也相应了国家绿色发展的战略号召。

2.本发明能够对原料气中的水及固体杂质进行分离，避免了管线、阀门、仪表等发生冰堵现象，保证了管线的流动能力，确保天然气集输的安全性。

3.本发明利用天然气自身能量来对气体内的液态水及固体颗粒进行清理，在达到杂质清理要求的同时节约了能量。

4.本发明的发电机叶轮与外转子直接相连，其热传导效果较好，能够最大程度的将发电机工作过程中产生的热能用来除霜化冰，缓解了冰堵现象的发生。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为定子前支架的结构示意图；

图3为发电机叶轮的结构示意图；

图4为发电机内定子的结构示意图。

附图标记

附图中，1-天然气进口接头；2-定子前支架；3-杂质清除壳；4-中间连接壳；5-定子后支架；6-天然气出口变径接头；7-发电机内定子；8-轴承压紧螺母；9-角接触球轴承、10-发电机外转子；11-发电机叶轮；12-导流管；13-球阀；14-杂质存储罐；15-排水阀。

具体实施方式

参见图1-图4，一种多功能天然气余压发电装置，其安装于天然气管道之间，由天然气进口接头1、定子前支架2、杂质清除壳3、中间连接壳4、定子后支架5、天然气出口变径接头6、发电机内定子7、发电机外转子10、发电机叶轮11、导流管12以及杂质存储罐14等组成。

所述天然气进口接头左侧与天然气管道通过法兰连接，右侧与杂质清除壳法兰盘相连，定子前支架安装于天然气进口接头与杂质清除壳之间；中间连接壳两端均有法兰盘，与左右两边的杂质清除壳和天然气出口变径接头之间通过法兰连接；天然气出口变径接头右端与天然气管道通过法兰连接；定子后支架安装于中间连接壳与天然气出口变径接头之间；发电机内定子由定子前支架和定子后支架支撑；发电机外转子与发电机内定子同轴布置，两者之间由两个背向安装的角接触球轴承9定心定位，角接触球轴承9通过轴承压紧螺母8轴向定位；发电机叶轮中间开有通孔，可安装在发电机外转子上，发电机外转子中部有法兰盘，发电机叶轮与发电机外转子之间由螺栓进行联接。

其中，所述天然气进口接头为哑铃状，中间有通孔，接头两端为法兰盘。

其中，所述发电机内定子支撑架为圆盘状，支架中心开有矩形通孔，中心孔与支架外圆之间设计有通气孔，通气孔在该环形空间内均布4个。当然，所述矩形通孔也可以采用内十字孔。

其中，所述杂质清除壳左侧与天然气进口接头通过法兰连接，右侧与所述中间连接壳相连。所述杂质清除壳为喇叭状，分别由小直径连接法兰、锥形段(对应发电机叶轮)、杂质收集段(对应环形腔)组成，其中杂质收集段为空心圆柱结构，空心圆柱右端开口，并且外圆上设计有法兰盘；锥形段伸入杂质收集段内，与杂质收集段通过焊接方式连接。所述杂质清除壳杂质收集段下部开有通孔，与杂质排出管道采用焊接方式连接。所述导流管上安装有球阀13，工作时为常开状态。

其中，所述中间连接壳为非对称哑铃状，短节中间为通孔，左右两端布置有法兰盘，左端法兰盘直径较大，用来与杂质清除装置连接，右端法兰盘直径较小。用来与天然气出口变径接头连接。

其中，所述天然气出口变径接头呈漏斗状，两端同样布置有法兰盘。

其中，所述发电机内定子为阶梯轴，其结构左右对称，中间最大直径段为定子绕组所在轴段，该轴段开设有绕组线槽，绕组段往后是定位轴承所在轴段，再往后是矩形头。

其中，所述发电机外转子为空心圆柱状，外圆柱面中部布置有法兰盘，发电机外转子两端由阶梯孔。

其中，所述发电机叶轮由螺栓连接在发电机外转子法兰盘上，发电机叶轮呈圆台状，圆台斜面上均匀布置有螺旋形叶片；所述发电机外转子为圆筒状，转子外圆柱面上有法兰盘。

其中，所述导流管为空心圆管。

其中，所述杂质存储罐为长方体形状的密闭式耐高压箱体，箱体顶部开有圆孔，孔径与所述杂质清除壳的杂质排出管道相同，杂质存储箱与所述杂质清除壳的杂质排出管道通过焊接方式联接。杂质存储箱右侧端面下方与排水阀15螺纹连接。

本发明的工作原理：

当天然气从入口进入高低温补偿式外转子余压发电装置时，气流会带动装置内部叶轮进行高速旋转，由于叶轮固连在发电机转子上，因此发电机转子会随叶轮一起高速转动，定转子之间进行切割磁感线运动，进而形成电能。

天然气管道在节流降压过程中极易形成冰堵现象，而本发明将发电机叶轮与发电机外转子固连，这样可以使得发电机运转过程中产生的热量快速传递到叶轮上，有效缓解了发电机位置冰堵现象的发生，同时叶轮的传热也能对发电机起到降温的作用。

在气体流经叶轮位置时，由于锥形叶轮离心分离的作用，气流内夹杂的水和固体颗粒就会优先被分离到最外围，分离出来的液体和固体颗粒会进入到杂质清除壳的开口空心圆环内执行圆周运动，当液体和固体颗粒运动到开口空心圆环底部的排渣口时，会流入排渣口中，并存储至杂质存储箱内，高压天然气杂质分离装置工作时，球阀13为常开状态。当杂质存储一定时间后关闭球阀13，并打开排水阀15，对储存箱内的水分进行排出。

本发明较于传统天然气余压发电技术相比，结构简单，加工制作容易，制造成本低，没有动密封，能够适用于高压环境，本发明中的杂质清除结构能够对原料气中的水或固相进行分离。同时叶片与外转子固连的方式能够缓解发电机低温冰堵现象的发生。本发明具备节能减排的重要作用。对建设环境友好型社会以及建立绿色环保产业具有重要意义。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。