天然氣螺桿膨脹機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用

刁安娜 徐瓊琰 張泉明 王 宇

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所）

天然氣已經(jīng)成為石油和煤炭的重要補(bǔ)充能源，許多國家都建設(shè)了天然氣長途輸運(yùn)管網(wǎng)。我國長輸天然氣大多采用高壓管輸方式，輸送的高壓天然氣經(jīng)調(diào)壓站降至中壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，再借助調(diào)壓箱或調(diào)壓柜將壓力降至低壓后供用戶使用。天然氣在調(diào)壓過程中將損失大量的壓力能，還會因?yàn)榧眲〗禍貙φ{(diào)壓及管道設(shè)備運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。如果能采取適當(dāng)?shù)拇胧┗厥绽脡毫δ埽瑢⑻岣吣茉吹睦寐?，減少資源浪費(fèi)，對提高天然氣管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重大意義［1－2］。

在壓力逐級遞減時存在巨大的壓差能量。氣體通過節(jié)流閥降壓，會產(chǎn)生巨大冷量，在閥門中產(chǎn)生霜凍，堵塞管道。傳統(tǒng)的解決方案是通過燃燒鍋爐或換熱器，提前對高壓氣體加熱，這不僅需要消耗燃?xì)猓⑶視尫盼廴疚?，壓降能量全部浪費(fèi)。采用降壓發(fā)電系統(tǒng)，在節(jié)流閥處安裝透平或容積式引擎來吸收壓降能量用以發(fā)電。

氣體通過膨脹機(jī)，結(jié)合氣流推力所產(chǎn)生的壓力推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動感應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)動，氣體壓力降低，從低壓側(cè)管道排出；產(chǎn)生電力可直接并人輸電線路以供使用，具備一定的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益，這為降壓發(fā)電系統(tǒng)提供了廣闊的使用空間。只要有天然氣管網(wǎng)長距離輸運(yùn)至城市區(qū)域或其他消費(fèi)單位，就有壓降發(fā)電系統(tǒng)的使用潛力。

1 螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)工作原理

由工程熱力學(xué)理論可知，當(dāng)天然氣具備一定的壓力和溫度時，就具備了一定的能量，即由壓力所體現(xiàn)的勢能和由溫度所體現(xiàn)的動能，二者合稱為天然氣的內(nèi)能。在用減壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)時，部分內(nèi)能損失。在膨脹機(jī)技術(shù)出現(xiàn)之前，人們還無法對這部分能量進(jìn)行回收。今天利用天然氣在膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹，內(nèi)能降低而對外做功，并由膨脹機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)將能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行回收已成為可能。

天然氣降壓發(fā)電系統(tǒng)布置在高壓管線和低壓管線之間（圖1）。主要設(shè)備包括膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃料電池以及換熱器、電能適配器、穩(wěn)壓閥等配套設(shè)備。膨脹機(jī)將高壓氣體膨脹做功轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能；燃料電池根據(jù)實(shí)際情況可有可無，主要是將天然氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，并將產(chǎn)生的大量熱能通過換熱器傳遞給膨脹機(jī)入口高壓氣體，避免在膨脹機(jī)內(nèi)的溫度驟降中產(chǎn)生霜凍損壞設(shè)備。穩(wěn)壓閥用于調(diào)節(jié)氣流，當(dāng)負(fù)荷變化時，膨脹機(jī)仍能保持平穩(wěn)運(yùn)行［3－7］。

膨脹機(jī)按能量轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為速度式和容量式兩大類。速度式膨脹機(jī)適用于流量大、負(fù)荷穩(wěn)定的場合，如蒸汽透平、燃?xì)馔钙降?；容量式膨脹機(jī)適用于小流量、負(fù)荷波動大的場合，如螺桿膨脹機(jī)等。常用的蒸汽透平與螺桿膨脹機(jī)技術(shù)特點(diǎn)比較見表1。

表1 螺桿膨脹機(jī)與透平機(jī)械技術(shù)特點(diǎn)比較Table 1 Comparison between screw expander and turbine machinery

通過以上對比可知，螺桿膨脹機(jī)在處理帶液工況時具有明顯優(yōu)勢，本文針對螺桿膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用展開了詳細(xì)描述。

2 螺桿膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺桿膨脹機(jī)是天然氣降壓發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機(jī)基本相同，主要由一對螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等極少的零件組成，結(jié)構(gòu)簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中，如圖2所示。

螺桿膨脹機(jī)是螺桿壓縮機(jī)的逆運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器，工作的熱物理過程與螺桿壓縮機(jī)恰恰相反，從膨脹始點(diǎn)到終點(diǎn)，隨著多方膨脹過程的進(jìn)行，其壓力、溫度和焓值下降，比容和熵值增加，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能對外做功。

3 螺桿膨脹機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

在天然氣輸送工況下，由于壓力較高，壓差較大，對螺桿膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出更嚴(yán)格的要求，本文從以下3方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。

3.1 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和剛度

在天然氣高壓工況下，螺桿膨脹機(jī)驅(qū)動軸在旋轉(zhuǎn)過程中對氣體進(jìn)行膨脹，同時起到傳遞軸功率和扭矩的作用，在轉(zhuǎn)子設(shè)計中，其剛度和疲勞強(qiáng)度設(shè)計至關(guān)重要。在膨脹機(jī)選型過程中，需對轉(zhuǎn)子進(jìn)行軸剛度和軸強(qiáng)度計算。

對于軸的彎曲變形進(jìn)行精確計算比較復(fù)雜，除受力和支承情況外，軸承和機(jī)座的剛度、配合在軸上零件的剛度，以及軸上的局部削弱等，對變形都有影響。因此，在進(jìn)行軸的彎曲變形計算時，采用有限元分析方法用計算機(jī)進(jìn)行求?。?－4］。

利用FEA軟件，對轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行計算，轉(zhuǎn)子的應(yīng)變結(jié)果如圖3所示。

一般機(jī)械制造業(yè)中，軸的變形許用值列于表2。

疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核是經(jīng)過初步計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計之后，根據(jù)軸的實(shí)際尺寸、承受的彎矩、扭矩圖，考慮應(yīng)力集中、表面狀態(tài)、尺寸影響等因素，以及軸材料的疲勞極限、計算軸的危險截面處的疲勞安全系數(shù)是否滿足條件等。

疲勞強(qiáng)度校核判斷根據(jù)為S≥［S］。當(dāng)該式不能滿足時，應(yīng)改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中，亦可采用熱處理、表面強(qiáng)化處理等工藝措施以及加大軸徑、改用較好材料等方法解決。

表2 軸變形許用值Table 2 Allowable value of shaft deformation

軸的疲勞強(qiáng)度是根據(jù)長期作用在軸上的最大載荷進(jìn)行校核計算。

危險截面安全系數(shù)S的校核計算公式為：

式中：Sσ為只考慮彎矩作用時的安全系數(shù)；Sτ為只考慮扭矩作用時的安全系數(shù)；［S］為按疲勞強(qiáng)度計算的許用安全系數(shù)，見表3。

表3 許用安全系數(shù)［S］值Table 3 Value of allowable safety coefficient［S］

只有當(dāng)轉(zhuǎn)子剛度和強(qiáng)度都滿足要求時，螺桿膨脹機(jī)才能進(jìn)行下一步的設(shè)計和優(yōu)化。

3.2 密封選型

對于螺桿機(jī)械，密封與軸承是主要的易損部件，又因?yàn)槁輻U膨脹機(jī)的工質(zhì)是易燃易爆的天然氣，這就對密封提出了更高的要求。目前，在工藝氣螺桿壓縮機(jī)中，常用的密封型式有3種：

（1）碳環(huán)密封：適合低壓工況，壓力一般低于1.0MPa，轉(zhuǎn)速高，可靠性較高，密封功耗小，氮?dú)庀牧看?，成本較低；

（2）接觸式機(jī)械密封：適合中低壓工況，壓力一般低于2.0MPa，轉(zhuǎn)速低，可靠性不高，密封功耗大，需要配備專門的密封油系統(tǒng)，成本適中；

（3）非接觸式機(jī)械密封（干氣密封）：適合各種工況，壓力可以超過3.0MPa，轉(zhuǎn)速高，可靠性高，氮?dú)庀牧啃。杀靖摺?/p>

天然氣降壓工況中，入口壓力一般都較高，大部分工況都超過1.0MPa，所以碳環(huán)密封不合適。在中壓工況下，流量在50 000m3／h以下時，都可以采用接觸式機(jī)械密封，而對于3.0MPa以上的高壓工況，必須選用干氣密封，在必要時，還需要配置串聯(lián)型干氣密封，結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

該密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是安全性、可靠性較高。既可使工藝介質(zhì)泄漏至大氣中的量極少，同時也可保證密封引入的外部氣源（通常為氮?dú)猓┎粫?nèi)漏入工藝介質(zhì)中；缺點(diǎn)是會有少量工藝氣外泄至大氣中，且需要火炬條件。

3.3 控制系統(tǒng)

螺桿膨脹機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動機(jī)械，帶動其他機(jī)械做功?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是保證做功質(zhì)量和機(jī)組的安全。當(dāng)外界與機(jī)組相適應(yīng)時，該機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)外界負(fù)荷變化，機(jī)組轉(zhuǎn)速變化時，控制系統(tǒng)改變膨脹機(jī)的功率使轉(zhuǎn)速回到給定值。其控制結(jié)構(gòu)圖如5所示。

采用以上控制結(jié)構(gòu)，選用新型微機(jī)調(diào)速控制裝置，機(jī)組啟動及帶負(fù)荷操作很簡單，正常運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)全自動無人管理。

4 應(yīng)用實(shí)例

在以上關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，上海齊耀膨脹機(jī)有限公司開發(fā)了一種回收天然氣壓差能的螺桿膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組，并首次應(yīng)用于北美城市管網(wǎng)壓差能回收，其性能參數(shù)見表4。

表4 螺桿膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Table 4 Operation parameters of screw expander generating unit

機(jī)組研發(fā)成功后，單機(jī)效率能達(dá)到62%，按全年工作8 000h計，年發(fā)電量120×104kWh，發(fā)電收益達(dá)75萬元／年。由此可見，天然氣高壓管網(wǎng)余壓發(fā)電項目既回收了大量能源、提高了能源綜合利用率，又創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。

5 結(jié)語

（1）管網(wǎng)的壓力越高，燃?xì)獾撵手狄苍礁?。高壓輸氣管道蘊(yùn)藏了大量的壓力能，簡單調(diào)壓過程會造成巨大能源浪費(fèi)。天然氣螺桿膨脹余壓發(fā)電裝置能有效地回收管網(wǎng)的壓力能。

（2）采用余壓螺桿膨脹發(fā)電裝置投資少、見效快，穩(wěn)定性和使用壽命都優(yōu)于透平機(jī)械，值得在業(yè)內(nèi)大力推廣。

（3）本方案充分利用天然氣在輸氣管道的壓力差膨脹發(fā)電，幾乎無需消耗其他能源，運(yùn)行費(fèi)用低。

（4）由于城市燃?xì)庥脩粲脷獾牟痪鶆蛐裕绾蜗脷夥骞炔町悓τ鄩喊l(fā)電裝置發(fā)電效率和運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，有待繼續(xù)深入地研究。

［1］信石玉，高文金，沈珍平，等.天然氣降壓發(fā)電系統(tǒng)研究綜述［J］.石油機(jī)械，2011，39：124－126.

［2］陳紹凱，李自力，高卓，等.高壓天然氣管道壓力能的回收與利用技術(shù)［J］.油氣儲運(yùn)，2009，28（2）：51－54.

［3］Enbar N，Jaffe S.Enbridge＇S approach to greening the natural gas T＆D network via hybrid fuel cells［R］.Energy Insights，2010.

［4］Babasola A.System study and CO2emissions analysis of a waste energy recovery system for natural gas Letdown station application［D］.Adegboyega Babasola：Queen＇S University，2010.

［5］Energy Recovery from Natural Gas Letdown Stations.LEI，2011.

［6］Waste Energy Recovery Opportunities for Interstate Natural Gas Pipelines.Interstate Natural Gas Association of America，2008.

［7］Howard C R.Hybrid turbo expander and fuel cell system for power recovery at natural gas pressure reduction station［D］.Clifford Robert Howard：Queen＇S University，2009.