天然气螺杆膨胀机的开发与应用.pdf

3 7 8 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L 8 L GAS 2 O 1 3 天然气 螺杆膨胀机的开发 与应用 刁安 娜徐 琼 琰 中国船舶 重 工集 团 张泉明 王 宇 公 司第七一 一研 究 摘 要 城 市天然 气高压 管 网蕴含 了 巨大 的压 力 能。通 过 对 天 然 气输 配 系统 的工 艺 分析 ， 探 讨 了输 配过程 中压 力能损 失的 回收 方式及 应 用方 向， 提 出了利 用 高压调 压 站 的压 力差通 过 螺杆 膨 胀 机发 电的 天然 气高压 管 网余 压发 电方案 ， 描述 了螺杆 膨胀 机 的技 术 优 势及 关键 技 术 。通 过应 用 实例验证 ， 螺 杆膨胀 发 电技 术 安全 可行 ， 弥补 了透平机 械 的缺 陷 ， 在 天 然 气压 力 能 回收和 膨 胀制 冷 工艺 中值 得 大 力推 广 。 关 键词 螺杆 膨胀机压 力 能回收发 电 系统 密封 系统控 制 系统 中图分 类号 TE 9 7 4 文献标 志码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 l l De v e l o pm e n t a n d a pp l i c a t i o n o f n a t u r a l g a s s c r e w e x p a n d e r Di a o An n a ，Xu Qi o n g y a n，Z h a n g Qu a n mi n g ，W a n g Yu Sha n gh ai M ar i n e Di e s e l En gi n e Re s e a r c h I n s t i t u t e，Sh an ghai 2 0 0 0 72， Chi n a Abs t r a c tThe h i g h pr e s s ur e p i pe ne t wo r ks of c i t y g a s c o nt a i n hu g e p r e s s ur e e ne r gy ．Ba s e d o n t h e t e c hn ol o g y a n a l ys i s of n a t ur a l g a s t r a n s mi s s i o n a n d di s t r i b ut i on s ys t e m ， t he r e c ov e r y me t h o d a n d a p pl i c a t i o n d i r e c t i o n a bo ut p r e s s u r e e ne r gy f r o m t h e l o s s a r e d i s c us s e d． I t i s pr o p os e d t ha t t he s c r e w e xp a n de r c h a ng e s t he pr e s s u r e e ne r g y i n t o e l e c t r i c i t y wi t h p r e s s ur e di f f e r e nc e o f h i g h p r e s s ur e r e g ul a t or s t a t i o ns ．The t e c h no l o gi c a l s u pe r i o r i t y a nd ke y t e c hn ol og y of s c r e w e x pa n d e r a r e d e s c r i be d ． Th e a p pl i c a t i o n e x a m p l e h a s pr o ve d t he s e c ur i t y a nd f e a s i bi l i t y o f t h e p o we r g e ne r a t i o n t e c hn ol og y wi t h s c r e w e x pa n de r， whi c h m a ke s u p f or t h e de f e c t s of t u r bo m a c h i ne r y a n d i s wo r t h pr o m o t i n g i n t h e na t ur a l g a s p r e s s u r e e ne r gy r e c ov e r y a n d e x pa n s i on r e f r i ge r a t i o n t e c h no l ogy． Ke y wo r ds s c r e w e xp a n de r ，pr e s s ur e e ne r g y r e c ov e r y，po we r g e n e r a t i on s y s t e m ，s e a l i ng s y s t e m ，c o nt r ol s y s t e m 天然气 已经 成 为 石油 和 煤 炭 的重 要 补 充 能源 ， 经济性 具有 重大 意义 。 许多国家都建设了天然气长途输运管网。我国长输 在压力逐级递减时存在巨大的压差能量。气体 天然气大多采用高压管输方式， 输送的高压天然气 通过节流阀降压 ， 会产生巨大冷量 ， 在阀门中产生霜 经 调压站 降至 中压 标 准进 入 城 市 燃气 管 网 ， 再 借 助 冻 ， 堵 塞管 道 。传统 的解决 方 案 是 通过 燃 烧 锅 炉或 调 压箱或 调压 柜将 压力 降至低压 后供 用户使 用 。天 换热 器 ， 提 前 对 高 压 气 体 加 热 ， 这 不 仅 需 要 消 耗 燃 然气在调压过程中将损失大量的压力能 ， 还会 因为 气 ， 并且会释放污染物 ， 压降能量全部浪费。采用降 急剧降温对调压及管道设备运行安全构成威胁 。如 压发电系统 ， 在节流阀处安装透平或容积式引擎来 果能采取适当的措施 回收利用压力能， 将提 高能源 吸收压降能量用以发 电。 的利用 率 ， 减 少资源 浪 费 ， 对提 高天然 气管 网运行 的 气 体通 过 膨胀 机 ， 结 合气 流 推 力所 产 生 的压 力 作 者简 介 刁安娜 ， 女 ， 工程师 ， 主要从事 螺杆机 械等方 面 的研 究。地址 2 0 0 0 7 2 上海市 共和新 路 2 8 0 1号。电话 0 2 1 6 6 3 1 2 9 1 5 - 6 0 3。E ma i l a n n a e n g I 1 2 6 ． c o r n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷 第 4期 刁安娜 等 天然气螺杆膨胀机 的开发 与应用 3 7 9 推 动转 子旋 转 ， 带 动感 应 发 电 机 运 动 ， 气 体 压 力 降 低 ， 从 低压 侧管 道排 出 ； 产生 电力 可直 接并 人输 电线 路 以供使用 ， 具备一定的经济价值和社会效益 ， 这为 降压 发 电系统 提供 了广 阔 的使 用 空 间 。只要有 天然 气 管 网长距 离 输运 至 城 市 区域 或其 他 消费 单 位 ， 就 有 压 降发 电 系统 的使 用 潜力 。 l螺杆膨胀机发 电系统 工作原 理 由工程热力学理论可知 ， 当天然气具备一定 的 压 力 和温度 时 ， 就具 备 了一定 的 能量 ， 即 由压力 所体 现 的势能 和 由温度 所 体 现 的 动 能 ， 二 者 合称 为天 然 气 的内能 。在 用减压 器 进行 调节 时 ， 部 分 内能损 失 。 在 膨胀 机技 术 出现 之 前 ， 人 们 还 无 法 对 这部 分 能 量 进 行 回收 。今 天利用 天 然气 在膨 胀机 内进 行绝 热膨 胀 ， 内能 降低 而对外 做 功 ， 并 由膨 胀机 驱动 发 电机将 能 量转 换 为 电能进行 回收 已成 为 可能 。 天然气 降压发 电 系统布 置在 高压 管线 和低 压管 线 之 间 图 1 。主要设 备 包括 膨 胀 机 、 发 电机 、 燃 料 电池 以及换 热 器 、 电能适 配器 、 稳 压 阀等 配 套 设 备 。 膨胀机将高压气体膨胀做功转换成机械能 ， 带动发 电机运 转 ， 产生 电能 ； 燃料 电池 根 据实 际情 况可有 可 无 ， 主要是 将天 然气 的化 学能 转换 成 电能 ， 并 将产 生 的大量热能通过换热器传递 给膨胀机入 口高压气 体 ， 避 免在 膨胀 机 内 的温 度 骤 降 中产 生 霜冻 损 坏 设 备 。稳压阀用于调节气流， 当负荷变化时 ， 膨胀机仍 能 保持 平稳 运行 口 。 ] 。 膨 胀 机 按 能量 转 换 方式 的不 同 ， 可 分 为速 度 式 和 容量 式两 大类 。速 度 式膨 胀 机 适 用 于 流 量 大 、 负 荷 稳 定 的场 合 ， 如 蒸汽 透 平 、 燃气 透 平 等 ； 容量 式 膨 天然 气低压管 网 图1 天然气降压发 电系统工作流程 Fi g． 1 Wor k f low o f n at ur al g as p r e s s ur e l e t d o wn g e n e r a t i n g s y s t e m 胀机 适用 于小 流量 、 负 荷波 动大 的场合 ， 如螺 杆膨 胀 机 等 。常用 的蒸汽 透平 与螺杆 膨胀 机技 术特 点 比较 见表 1 。 表 l 螺 杆 膨 胀机 与透 平机 械 技 术特 点 比 较 Ta bl e 1 Co mp ar i s o n be t wee n s cr ew e xpa n d er an d t u r bi n e ma ch i n er y 通过 以上 对 比可 知 ， 螺 杆膨 胀 机 在处 理 带 液工 况 时具有 明显 优势 ， 本 文 针 对 螺杆 膨 胀 机 的结 构特 点 、 关 键技 术及 实 际应用展 开 了详 细描述 。 2螺杆膨胀机结构特点 螺杆膨胀机是天然气降压发电系统中的核心设 备 ， 其结构与螺杆压缩机基本相 同， 主要由一对螺杆 转 子 、 缸体 、 轴 承 、 同步齿 轮 、 密 封组件 以及 联轴 节等 极少的零件 组成， 结构 简单 ， 其气缸呈 两圆相交 的 “ C x 。 ” 字形 ， 两根 按一 定 传 动 比反 向旋 转 相互 啮合 的 螺 旋形 阴、 阳转 子平 行地置 于气 缸 中 ， 如 图 2所 示 。 螺 杆 膨 胀机 是 螺杆 压 缩 机 的逆 运 转机 器 ， 工 作 的 热 物理 过程 与螺 杆压 缩 机恰 恰相 反 ， 从 膨胀 始 点 气端座 图2 螺杆膨胀机 的结构 Fi g． 2 St r uct u r e of s cr ew ex pander 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油与天然气化工 CHEMI CAI ENGI NE ERI NG OF OI L ＆ GAS 到终 点 ， 随着多 方膨 胀 过 程 的进 行 ， 其 压 力 、 温 度 和 焓值下降 ， 比容和熵值增加 ， 气体 内能转换为机械能 对外 做功 。 3螺杆膨胀机的关键技术 在 天然气 输 送 工 况 下 ， 由 于 压 力 较 高 ， 压 差 较 大 ， 对螺杆 膨胀 机 的结 构设 计提 出更严 格 的要求 ， 本 文从 以下 3 方 面进行 重 点研究 。 3 ． 1 转 子强 度和 刚度 在 天然 气 高 压工 况 下 ， 螺杆 膨 胀 机驱 动 轴在 旋 转 过程 中对气 体进 行 膨 胀 ， 同时起 到 传 递 轴 功率 和 扭 矩 的作用 ， 在转 子设计 中， 其 刚度 和疲 劳强度设 计 至关 重要 。在膨 胀饥 选 型 过 程 中 ， 需 对转 子 进行 轴 刚度 和轴强度 计算 。 对 于 轴 的弯 曲变形 进 行精 确计 算 比较 复杂 ， 除 受力 和支 承情况 外 ， 轴 承和 机座 的刚度 、 配合 在轴 上 零 件 的刚度 ， 以及 轴上 的局部 削 弱等 ， 对 变形 都有 影 响 。因此 ， 在进 行轴 的弯 曲变形 计算 时 ， 采用 有 限元 分析 方法 用计算 机进行 求取 l 3 ] 。 利用 F E A 软件 ， 对 转 子模 型 进行 计 算 ， 转 子 的 应变 结果 如 图 3所示 。 8 2 9 e- 0 0 4 图3 转子应 变 Fi g． 3 St r ai n o f t h e r ot or 2 ． 5 9 3 e - 0 0 4 2 ． 3 5 8 e - 0 0 4 2 ． 1 2 2 e - 0 0 4 1 ． 8 8 6 e 一 0 0 4 1 ． 6 5 0 e - 0 0 4 1 ． 4 1 5 e - 0 0 4 1 ．1 7 9 e - 0 0 4 9 ． 43 l e 一 0 0 5 7 ． O7 3 e - O 0 5 4 ． 71 5 e - 0 0 5 2 ．3 5 8 e - 0 0 5 1 ． 2 3 3 e - O 1 0 一 般机 械制 造业 中 ， 轴 的变形 许用值 列 于表 2 。 疲 劳强 度安 全系数 校核 是经 过初步计 算 和结构 设计 之后 ， 根据 轴 的实际 尺寸 、 承 受 的弯矩 、 扭 矩 图 ， 考虑应力集中、 表面状态 、 尺寸影响等 因素 ， 以及轴 材料 的疲 劳极 限 、 计 算 轴 的危 险截 面处 的疲 劳 安 全 系数是 否满足 条件 等 。 疲劳强度校核判断根据为 S ≥[ S ] 。当该式不 能满足时， 应改进轴的结构以降低应力集中， 亦可采 用热处理、 表面强化处理等工艺措施以及加大轴径、 表 2轴 变 形 许 用 值 Ta bl e 2 AI lowable v al u e of s h a f t de f or mat ion 变形 变形许用值 改 用较好 材 料等方 法解决 。 轴 的疲 劳强度 是根 据长期 作用 在轴上 的最 大载 荷进行校核计算。 危 险截 面安全 系数 S的校核计 算公 式为 s一 S ≥[ s ] 1 ／ s ； 式 中 S 为 只 考 虑 弯 矩 作 用 时 的安 全 系 数 ； S 为 只考虑扭 矩 作 用 时 的安 全 系数 ； [ S ] 为按 疲 劳强 度计算 的许 用安全 系 数 ， 见表 3 。 表 3 许用安全 系数[ s ] 值 T a b le 3 V a lu e o f a ll o w a b l e s a f e t y c o e f f ic i e n t [ s ] [ S ] 选取条件 载荷确定精 确 ， 材料性质较均匀 载荷确定不够精确 ， 材料性质不够均匀 载荷确定不精确 ， 材料性质均匀度较差 只有 当转 子 刚度 和 强度 都满 足 要求 时 ， 螺 杆膨 胀 机才 能进行 下一 步 的设 计和 优化 。 3 ． 2密 封选 型 对 于螺杆 机械 ， 密封 与轴 承是 主要 的易损部 件 ， 又 因为 螺杆膨 胀机 的工 质是 易 燃 易爆 的天 然 气 ， 这 就 对密封 提 出 了更 高 的要 求 。 目前 ， 在 工艺 气 螺 杆 压 缩机 中， 常 用 的密封 型式有 3种 1 碳 环 密 封 适 合低 压 工 况 ， 压力 一 般 低 于 1 ． 0 MP a ， 转 速高 ， 可靠性 较 高 ， 密 封 功耗 小 ， 氮气 消 耗 量 大 ， 成本 较低 ； 2 接 触 式 机 械 密 封 适 合 中低 压 工 况 ， 压 力 一 般低于 2 ． 0 MP a ， 转速低， 可靠性不高， 密封 功耗 大， 需要配备专门的密封油系统 ， 成本适中； 3 非接 触式机 械密 封 干 气 密封 适 合各 种 工况 ， 压力 可 以超过 3 ． 0 MP a ， 转 速高 ， 可靠性 高 ， 氮 气消 耗量小 ， 成 本高 。 天然 气降 压工况 中 ， 入 口压力 一般 都较 高 ， 大部 分工 况都 超过 1 ． 0 MP a ， 所 以碳 环 密 封 不 合适 。在 5 8 5 1 1 2 ～ ～ ～ 3 5 8 1 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m