摘要： 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，人民生活水平也在提高，而我國(guó)天然氣開采中仍然存在污染大，排放大的現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了“氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)”設(shè)計(jì)思想，這種發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)具有高效率、高節(jié)能環(huán)保等多種優(yōu)點(diǎn)于一體的產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于石油、石化、工業(yè)和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，滿足不同的客戶需要。這種發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以起到降壓、減壓的作用，還具有降壓和能源回收利用的雙重功能。

Abstract： With the improvement of China's economic level， people's living standards are also improving， but there are still large pollution and discharge phenomenon in natural gas exploitation in China. In view of this problem， this paper puts forward the design idea of "gas differential pressure engine"， which is a product with many advantages such as high efficiency， high energy saving and environmental protection. It can be widely used in petroleum， petrochemical， industrial and transportation fields to meet different customer needs. This kind of engine can not only play the role of depressurization and decompression， but also has the dual functions of depressurization and energy recovery and utilization.

關(guān)鍵詞： 天然氣;壓縮機(jī);發(fā)動(dòng)機(jī)

Key words： natural gas;compressor;engine

中圖分類號(hào)：U467.2+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0213-02

0? 引言

天然氣是一種高品質(zhì)、高效率、高節(jié)能環(huán)保的可燃?xì)怏w，它埋藏在不同深度、不同壓力的地層中，與石油、煤碳并稱為現(xiàn)今世界能源的三大能源之王。

在我國(guó)，LNG的進(jìn)口量在2019年達(dá)到4820億立方米，相比2018年增長(zhǎng)13%，盡管在2020年下降約4.2%，但可能會(huì)在2021年迅速回升到以前的水平。

現(xiàn)階段，以天然氣以及其副產(chǎn)品已經(jīng)作為一種紐帶形成一系列的產(chǎn)業(yè)集合。我國(guó)對(duì)天然氣的需求日益增長(zhǎng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，我國(guó)需要天然氣傳輸網(wǎng)線基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)保證天然氣產(chǎn)業(yè)鏈和商品鏈帶動(dòng)石油、石化、工業(yè)、運(yùn)輸和環(huán)保等一系列產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)需要從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，以提高能源效率為手段，解決天然氣能源浪費(fèi)為最終目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種具有降壓和能源回收利用的雙重功能氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)，將是一項(xiàng)有重大意義的設(shè)計(jì)。

1? 氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的提出

我國(guó)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要是壓縮天然氣（CNG）發(fā)動(dòng)機(jī)以及液化天然氣（LNG）發(fā)動(dòng)機(jī)為主。我國(guó)主要發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)以小批量生產(chǎn)的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)和選用國(guó)外產(chǎn)品為主。國(guó)外的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)已在廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而LNG發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)已相當(dāng)經(jīng)純熟。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用點(diǎn)燃燃料的方式，其工作原理如圖1所示，按照引燃方式的不同主要分為兩大類，一類是點(diǎn)燃式的純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，另一類是柴油引燃天然氣的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)火花塞引燃天然氣混合氣，為進(jìn)氣道內(nèi)和燃燒室內(nèi)直接供給天然氣。柴油引燃天然氣的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要通過(guò)采油機(jī)改裝，通過(guò)壓縮柴油引燃天然氣實(shí)現(xiàn)。兩種方式均存在能源消耗，并向環(huán)境排放污染物的問(wèn)題。而“氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)”設(shè)計(jì)思想的提出，為解決這個(gè)問(wèn)題提供了新的思路。天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如表1所示，它不僅可以起到降壓、減壓的作用，而且還能將損失掉的壓力能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)做功，并將這部分能量轉(zhuǎn)化成電其他機(jī)械做功，具有降壓和能源回收利用的雙重功能。一旦“氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)”研制成功，對(duì)能源的綜合利用將發(fā)揮巨大作用。

2? 氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的介紹

2.1 應(yīng)用場(chǎng)合

氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以用在井口，也可以用在集輸管線的過(guò)程中。氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)可以將實(shí)現(xiàn)降壓，輸入壓力為18～25MPa，輸出壓力為5～8MPa，它是將將壓力差的壓力能，通過(guò)三級(jí)葉輪進(jìn)行降壓而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

2.2 氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的原理

氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理如圖2所示，參考汽輪機(jī)的工作原理，主要由三級(jí)葉輪、主軸、底座以及其它輔助裝置構(gòu)成。氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力裝置。其中葉輪是由多個(gè)葉片構(gòu)成的，葉片的流道、弧線直接影響發(fā)動(dòng)的降壓效率。根據(jù)天然氣在輪腔內(nèi)的工作方式不同，氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)可分為徑流式和軸流式發(fā)動(dòng)機(jī)。與徑流式相比，軸流式可使從井下抽出的高溫高壓的天然氣直接進(jìn)入氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)工作腔體沖擊葉片，將葉片設(shè)計(jì)為弧線型，使葉片表面盡可能的都能受到一定的沖擊力，并葉片流道是做成收斂型的，減少流道的能量損失，同時(shí)使得天然氣的壓力和溫度會(huì)逐漸下降。在葉片的沖擊下，壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，葉輪旋轉(zhuǎn)，并且把降掉的那一部分壓力能利用起來(lái)，天然氣進(jìn)入下一級(jí)葉輪繼續(xù)沖擊葉片，葉輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與外界設(shè)備相聯(lián)結(jié)，在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能對(duì)外界輸出設(shè)備做功。葉輪連接的主要媒介是軸，它是天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的主要器件和動(dòng)力傳遞的紐帶，通過(guò)軸傳動(dòng)功率，最后實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。設(shè)計(jì)中，減壓閥的采用并聯(lián)連接，保證開采過(guò)程中可以適用于不同壓力的天然氣開采，這樣氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以起到減壓的作用還能夠降壓和能源回收利用的雙重功能，滿足更多的客戶需企業(yè)。

2.3 氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)最終希望達(dá)到的效果

氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)，包括原理設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及其他輔助機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì)，通過(guò)降壓完成壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從而帶動(dòng)其他的機(jī)器工作。其主要是利用天然氣為工作介質(zhì)。由于天然氣是一個(gè)節(jié)能高效的氣體，所以價(jià)格比較昂貴，考慮到成本問(wèn)題，可將天然氣換為空氣，最終可以不僅僅利用在石油石化行業(yè)，還可以廣泛利用在化工、材料、機(jī)械、冶金、電力、交通運(yùn)輸?shù)炔煌袠I(yè)中，滿足不同的客戶需要。

3? 氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決方法

3.1 井口壓力波動(dòng)

在石油開采的過(guò)程中，由于天然氣進(jìn)入每一級(jí)葉輪葉片時(shí)，每一級(jí)可承受的的壓力差是有一定范圍的，這個(gè)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于井口壓力波動(dòng)的范圍，而且不同的井口壓力也是不同的，可以對(duì)不同壓力選擇不同級(jí)的葉輪進(jìn)入降壓，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，井口壓力波動(dòng)不會(huì)對(duì)壓差發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生影響。

3.2 溫度降低，減壓閥失效

在氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，壓力和溫度都會(huì)降低，天然氣會(huì)在通過(guò)減壓閥時(shí)凝固，使得發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作，需要設(shè)計(jì)加熱鍋爐。由于通過(guò)氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)做功后排出的天燃?xì)?，仍具有相?dāng)高的溫度，利用這一部分天然氣的溫度設(shè)計(jì)余熱回收鍋爐就很有必要了。

3.3 安全問(wèn)題

由于天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)是利用壓力差轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，沒(méi)有產(chǎn)生碰撞和火花，不會(huì)引起燃燒問(wèn)題。但是存在葉輪輪腔內(nèi)葉片沖擊，工作腔內(nèi)壓力較大，需要特別考慮各個(gè)部分的強(qiáng)度，保證天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的安全問(wèn)題。

4? 天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用可行性

4.1 天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的使用范圍

天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的提出，滿足了我國(guó)現(xiàn)階段工業(yè)制造領(lǐng)域的需求，能夠廣泛應(yīng)用于石油、石化、工業(yè)和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，滿足我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)機(jī)械制造、智能制造的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展與探索，解決我國(guó)石油、煤炭、天然氣三大能源領(lǐng)域的能源浪費(fèi)問(wèn)題，對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到舉足輕重的作用。

4.2 天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能理念

天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)提倡綠色節(jié)能功能環(huán)保理念，在設(shè)計(jì)中加入余熱回收鍋爐，解決能量浪費(fèi)，這種節(jié)能理念，可以用于礦山機(jī)械制造、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸，對(duì)浪費(fèi)掉的能源進(jìn)行回收循環(huán)，從而有效節(jié)約能源，緩解我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與能源過(guò)度消耗之間的矛盾。通過(guò)有效的余熱回收鍋爐設(shè)計(jì)，既能夠合理有效的利用能源，減少浪費(fèi)，還能夠減少燃燒天然氣對(duì)大氣環(huán)境造成污。天然氣壓差發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)可以解決能源流失又能保障生態(tài)環(huán)境，將是解決現(xiàn)今煤礦、石油礦區(qū)以及工業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境污染的一項(xiàng)有重大意義的設(shè)計(jì)。

5? 結(jié)論

本文提出了一種氣體壓差發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性。該發(fā)動(dòng)機(jī)利用汽輪機(jī)的工作原理，把壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再通過(guò)軸傳動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為所需要的電能或者其他能。這樣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)中天然氣的利用率，還可以將能源回收利用用來(lái)加熱進(jìn)口的天然氣。這種發(fā)動(dòng)機(jī)為提高油田以及用戶天然氣的利用以及對(duì)減少環(huán)境污染都具有重要的參考價(jià)值。

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