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充能源，許多國家都建設(shè)了天然氣長途輸運管網(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，還會因為急劇降溫對調(diào)壓及管道設(shè)備運行安全構(gòu)成威脅。如果能采取適當(dāng)?shù)拇胧┗厥绽脡毫δ?，將提高能源的利用率，減少資源浪費，對提高天然氣管網(wǎng)運行的經(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)?，并且會釋放污染物，壓降能量全部浪費。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)長距離輸運至城市區(qū)域或其他消費單位，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)運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能；燃料電池根據(jù)實際情況可有可無，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)馔钙降龋蝗萘渴脚蛎洐C(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)特點比較見表1。

表1 螺桿膨脹機(jī)與透平機(jī)械技術(shù)特點比較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、關(guān)鍵技術(shù)及實際應(yīng)用展開了詳細(xì)描述。

2 螺桿膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)特點

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，從膨脹始點到終點，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，又因為螺桿膨脹機(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，氮氣消耗量大，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，氮氣消耗量小，成本高。

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（通常為氮氣）不會內(nèi)漏入工藝介質(zhì)中；缺點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。控制系統(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，正常運行可以實現(xiàn)全自動無人管理。

4 應(yīng)用實例

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?。高壓輸氣管道蘊藏了大量的壓力能，簡單調(diào)壓過程會造成巨大能源浪費。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，運行費用低。

（4）由于城市燃?xì)庥脩粲脷獾牟痪鶆蛐?，如何消除用氣峰谷差異對余壓發(fā)電裝置發(fā)電效率和運行穩(wěn)定性的影響，有待繼續(xù)深入地研究。

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