[发明专利]一种天然气静压气浮轴承双级膨胀发电机及发电系统

说明书

本发明公开了一种天然气静压气浮轴承双级膨胀发电机，包括机壳、转子、定子、第一透平、第二透平、第一静压气浮轴承和第二静压气浮轴承；机壳包含第一进气蜗壳流道、第二进气蜗壳流道、发电机腔；第一透平、第二透平分别安装于转子两端，转子设置于发电机腔内，定子固定于发电机腔的内壁；第一透平通过第一静压气浮轴承安装于转子的一端，第二透平通过第二静压气浮轴承安装于转子的另一端；第一静压气浮轴承和第二静压气浮轴承由天然气供压，并排气至出口通道。本发明具有的优点包括：采用静压气浮轴承，避免使用润滑油，降低了制造成本和使用成本；采用高速永磁电机增加机组的变工况适应能力，并提供了有效的发电机冷却设计。

技术领域

本发明属于天然气膨胀发电机领域，具体涉及一种天然气静压气浮轴承双级膨胀发电机及发电系统。

背景技术

国家天然气管网的天然气在管道输送过程中，压力一般维持在10MPa左右。到达各大城市管网及工业用户后，由各大城市管网的调压站进行降压，一般从10MPa降低至4.0MPa左右，降压后的天然气再通过各大城市管网的城市门站调压至0.4MPa后，输送到终端用户。目前的调压站是通过调压阀门降低天然气的压力，浪费了大量的压力能。天然气压力高，易燃易爆，含有硫化氢等腐蚀性气体和微量水份，此外，天然气和润滑油乳化难以分离，这些问题提高了压力能回收利用的技术门槛。目前为止，回收设备复杂制造成本高，运行维护成本高，使得天然气压力能的回收利用失去经济价值。

天然气压力能的回收利用的关键设备是天然气膨胀发电机组，主要包含膨胀透平和发电机两个主要部件。天然气经透平膨胀，压力和温度都降低，产生可以利用的冷能，同时透平驱动发电机发电，产生电能。因此天然气压力能回收具有发电和制冷的双重功能。

天然气膨胀发电机组的设计面临诸多技术难点。首先是天然气泄漏问题，整个膨胀发电机必须是一个全封闭的腔体，与外界的交互只有进出口法兰和电源接线端子，以避免天然气泄漏到环境中。传统的膨胀机和发电机通过联轴节和减速箱连接而传输动力的方式存在天然气从膨胀机轴封间隙漏气的问题。第二是防爆问题，理论上，在天然气中空气的体积含量为4％～15％时且火种温度在620℃以上时才能点燃(比汽油的点燃点还高)，由于天然气的压力远高于环境大气压，空气不会进入膨胀发电机内部，因此，即使发电机腔中发生电弧也不会发生爆炸。然而，实际设计中仍然要考虑降低电弧发生的可能性。发电机线圈置于充满天然气的机腔中天然气中的腐蚀性成分会腐蚀铜线浸漆，造成定子短路；接线端子间若产生电弧会引起天然气碳化，在端子间形成电流通路而短路，这个风险随着电压增高而增加。第三是发电机冷却问题，对于高速永磁发电机这个问题更加棘手，因为单位体积能量密度大因而单位体积损失产生的热量也高。最后一个问题是膨胀降温产生的冷凝液滴，液体天然气积累在膨胀机中甚至会导致机组无法运转。

天然气膨胀发电机组按膨胀机分主要有三个类型：螺杆机、向心透平和轴流透平。轴流透平流量大，往往超过了调压站的能力，且制造成本高，不适合调压站站中使用。螺杆机需要使用润滑油，而润滑油和天然气混合产生乳化，难以分离。目前最先进的向心透平采用磁悬浮轴承，避免了润滑油，但制造成本高，投资回报周期长。天然气膨胀发电机组按发电机分主要有两个类型：带有齿轮减速箱的工频发电机和高速永磁发电机组。齿轮减速箱必须使用润滑油，工频发电机存在润滑油分离问题，且转速恒定天然气管路出现压力波动和流量波动时调节能力差，变工况效率低。高速永磁发电机能量密度大，发电机冷却问题需要解决。

美国专利US5334004提供了一种压缩或膨胀天然气等危险气体的旋转机械，膨胀机和发电机处于独立的腔体中，膨胀机的功通过磁耦合传到发电机轴上，这样将膨胀机中的天然气与发电机隔离，避免天然气带给发电机线圈的任何风险。但膨胀机本身的轴承依然使用润滑油，润滑油的压力大于天然气的压力避免天然气进入轴承的另一侧。磁耦合膨胀机侧的永磁体在润滑油中旋转，损失大。此外，磁耦合能够传输的扭矩较小，难以用于千瓦级的膨胀发电机组。