一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法与流程

1.本发明涉及天然气膨胀发电机技术领域，尤其是一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法。


背景技术：

2.天然气在管道输送到达各用户下载点后，一般都需要通过调压站进行降压。目前的调压站主要通过调节阀进行降压，浪费了大量的压力能。目前市场上真正实现运行的压力能回收装置主要为螺杆机，但同时由于其需要润滑油的缺点，在实际使用过程中存在油气分离难，运行效率低的问题，因此本方案以气浮式差压径向透平发电机组的运行模式为基础设计了整套系统，使机组能够全自动化运行，从而实现天然气压力能的高效、清洁回收。
3.天然气膨胀发电机组按膨胀机分主要有三个类型：螺杆机、径向透平和轴流透平。轴流透平流量大，往往超过了天然气调压站的能力，目前尚未见相关的系统设计；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，其设计主要仍采用传统的油封及过滤系统，与本系统完全不同。
4.在中国专利文献上公开的“一种天然气静压气浮轴承双级膨胀发电机及发电系统”，其公开号为cn111365080a，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。但是公开号为cn111365080a的中国专利并未涉及整个发电系统的设计。


技术实现要素：

5.本发明解决了目前的气浮式差压径向透平发电机缺乏相关整体系统设计的问题，提出一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法，使透平机能够全自动化运行，从而实现天然气压力能的高效、清洁回收。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种天然气气浮式差压径向透平发电系统，包括独立支路，所述独立支路包括主支路，所述主支路中设置有透平机，所述主支路并联有旁通支路，所述主支路的前部并联有轴承气支路，所述主支路的后部并联有冷却气支路；所述独立支路的两侧分别设置有原站场支路球阀bv01和原站场支路球阀bv02。
7.本发明中，在整体系统设置上，设置在天然气输气站场的有压差的供气工艺流程中，一般在传统供气支路上并联单独的透平机支路或者单独设置透平机支路，本发明的系统中，设置有流量计f1、调节阀v1和透平机形成独立支路，调节阀v2/v3和流量计f2/f3、p2/p3为传统供气支路，一方面对独立支路进行压力、流量的补偿调节，另一方面主要承担下游
供气输送任务。
8.作为优选，所述主支路还包括过滤分离器gf01，所述过滤分离器gf01并联有差压变送器pdt01，所述过滤分离器gf01连接有天然气计量组件，所述温度变送器tt01的另一端连接有安全切断阀ssv，所述安全切断阀ssv的另一端连接有压力变送器pt03，所述压力变送器pt03的另一端连接有主调节阀pv01，所述主调节阀pv01并联有主调节阀pv02，所述主调节阀pv01的另一端连接有压力变送器pt04，所述压力变送器pt04连接于所述透平机的入口侧，所述透平机的出口侧连接有压力变送器pt09，所述压力变送器pt09的另一端连接有相互串联的温度变送器tt03和温度变送器tt04，所述温度变送器tt04的另一端连接有止回阀chv02，所述温度变送器tt04的另一端还连接有电动截止阀zfv。
9.本发明中，在主支路的进口设置过滤分离器gf01和差压变送器pdt01，进行一次过滤，过滤分离器的另一端设置有天然气计量组件；天然气计量组件另一端设置有安全切断阀ssv，其具有远控和超压起跳两种功能，用于支路的紧急切断；设置的主调节阀pv01以及主调节阀pv02，其口径大小不同，分别用于功率的粗和细的调节，在主调节阀的两侧设置的压力变送器pt03和压力变送器pt04，用于检测调节前后压力，在主支路的出口设置有两个温度变送器，做二取二，用于监测透平机之后的出气温度，防止气温过低；设置一个压力变送器pt09，用于监测出气压力；设置一个止回阀chv02，避免下游回流；设置电动截止阀zfv，用于支路的安全泄放。
10.作为优选，所述天然气计量组件包括流量计fiq01，所述流量计fiq01的一端连接有压力变送器pt01，所述流量计fiq01的另一端连接有温度变送器tt01。
11.本发明中，天然气计量组件的设置，一方面用于独立支路天然气的计量，另一方面用于主调节阀pv01的流量调节。
12.作为优选，所述旁通支路的一端连接于所述安全切断阀ssv的另一端，所述旁通支路的另一端连接于所述温度变送器tt04的另一端，所述旁通支路包括用于泄压的气动球阀aov。
13.本发明中，气动球阀aov用于安全切断阀ssv关闭后将主支路中的天然气进行泄压，防止透平机机组飞车。
14.作为优选，所述轴承气支路包括止回阀chv01，所述止回阀chv01连接有缓冲罐，所述缓冲罐的另一端连接有高效过滤器gf02，所述高效过滤器gf02并联有差压变送器pdt02，所述差压变送器pdt02的另一端连接有调节阀pv03，所述调节阀pv03并联有高频电磁阀sov，所述调节阀pv03的另一端连接有相互串联的压力变送器pt05和压力变送器pt06，所述压力变送器pt06的另一端连接于所述透平机。
15.本发明中，设置高效过滤器gf02和差压变送器pdt02，主要的作用是对轴承气供气前进行二次过滤；设置缓冲罐及止回阀chv01，主要为保证在安全切断阀ssv起跳后透平机由额定转速堕走至停机时气浮轴承所需要的轴承气；设置调节阀pv03和高频电磁阀sov，两者联合作用，并结合冷却气支路的调节阀pv04，通过快、慢调节相结合的方式保证轴承气的供气稳定和维持透平机的b口与c1口\c2口间的差压恒定；还设置有压力变送器pt05和压力变送器pt06，做二取二，并与冷却气支路上的两个压力变送器综合计算轴承气压差。
16.作为优选，所述冷却气支路包括流量计fiq02，所述流量计fiq02的一端连接有压力变送器pt02，所述流量计fiq02的另一端连接有温度变送器tt02，所述温度变送器tt02的
另一端连接有温度变送器tt05，所述温度变送器tt05的另一端连接有调节阀pv04，所述调节阀pv04的另一端连接于所述温度变送器tt04的另一端。
17.本发明中，冷却气支路设置流量计fiq02、调节阀pv04和温度变送器tt05，一是用于调节膨胀机冷却气流量，保证腔内温度在一个恒定的值；另一方面也用于补偿调节轴承气的压差。
18.作为优选，所述透平机包括第一叶轮和第二叶轮，所述第一叶轮和所述第二叶轮的中间内侧设置有若干个气浮轴承。
19.本发明中，动力气自a口进入并冲击一级叶轮，膨胀做功后天然气气温降低，少部分气进入定、转子腔室，用于定子的冷却，并从c1口、c2口排出，大部分气继续冲击二级叶轮做功后从d口排入出站管线；b口引气供气浮轴承工作使用，同时由于一二叶轮腔室内气压较高，轴承气会进入定、转子腔室后随冷却气一同并从c1口、c2口排出；其中气浮式透平机的工作要求就是需要保证轴承气两端的压差维持在一个恒定区间。
20.一种天然气气浮式差压径向透平发电系统的控制方法，适用于上述的一种天然气气浮式差压径向透平发电系统，包括发电功率控制、轴承气控制和安全控制；所述发电功率控制包括：输入功率设定值w.sp与通过与来自并网端的功率反馈w.fb计算误差后进行调节，并输出流量设定值q.sp，与来自fiq01的流量反馈q.fb计算误差后进行调节，并最终输出调节阀的阀位值pv，驱动主调节阀pv01和主调节阀pv02进行调节。
21.本发明中，发电功率控制设置功率
→
流量
→
阀位的串级调节模式；但对流量调节有上限阈值，当超过上限阈值时会执行限流调节；功率的设定值有电网agc和人工设定两种，需要通过手动切换；另外也可以单独进行流量调节控制，且不受功率调节影响。
22.作为优选，所述轴承气控制包括：由压差设定值dp.sp与来自压力变送器pt05、压力变送器pt06、压力变送器pt07和压力变送器pt08综合计算的反馈值dp.fb计算误差后进行调节，并输出阀位值y至调节阀pv03和高频电磁阀sov。
23.本发明中，上述的控制采用单级模式调节，单级指的是单压差调节。
24.作为优选，所述安全控制主要包括信号、工艺控制和电气的联动控制。
25.本发明中，安全控制能够提高整个系统的安全性。
26.本发明的有益效果是：本发明的一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法，使透平机能够全自动化运行，从而实现天然气压力能的高效、清洁回收；整个系统自动调节、自动稳定、自动运行，减少对人员的频繁操作依赖；本发明针对轴承气的控制品质较好，能使气浮式透平机机组能应用在多种天然气输气站场，有利于促进天然气压力能的回收利用。
附图说明
27.图1是本技术一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法的透平机结构示意图；图2是本技术一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法的系统示意图；图3是本技术一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法的独立支路的示意图；
图4是本技术一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法的控制流程示意图；图5是本技术一种天然气气浮式差压径向透平发电系统及控制方法的安全控制的结构示意图；其中，1、第一叶轮 2、气浮轴承 3、定子 4、转子 5、第二叶轮。
具体实施方式
28.实施例：本实施例提出一种天然气气浮式差压径向透平发电系统，参考图1、图2和图3，包括独立支路，独立支路包括主支路，主支路中设置有透平机，主支路并联有旁通支路，主支路的前部并联有轴承气支路，主支路的后部并联有冷却气支路；独立支路的两侧分别设置有原站场支路球阀bv01和原站场支路球阀bv02。本实施例中，独立支路可以在传统供气支路上并联设置，具体可参考图2；也可以单独设置；本发明中，独立支路即为设置有透平机的支路；此外，原站场支路球阀bv01和原站场支路球阀bv02的作用为输入和排出天然气。
29.参考图3，主支路还包括过滤分离器gf01，过滤分离器gf01并联有差压变送器pdt01，过滤分离器gf01连接有天然气计量组件，温度变送器tt01的另一端连接有安全切断阀ssv，安全切断阀ssv的另一端连接有压力变送器pt03，压力变送器pt03的另一端连接有主调节阀pv01，主调节阀pv01并联有主调节阀pv02，主调节阀pv01的另一端连接有压力变送器pt04，压力变送器pt04连接于透平机的入口侧，透平机的出口侧连接有压力变送器pt09，压力变送器pt09的另一端连接有相互串联的温度变送器tt03和温度变送器tt04，温度变送器tt04的另一端连接有止回阀chv02，温度变送器tt04的另一端还连接有电动截止阀zfv。
30.参考图3，天然气计量组件包括流量计fiq01，流量计fiq01的一端连接有压力变送器pt01，流量计fiq01的另一端连接有温度变送器tt01。天然气计量组件还包括有直管段。
31.参考图3，旁通支路的一端连接于安全切断阀ssv的另一端，旁通支路的另一端连接于温度变送器tt04的另一端，旁通支路包括用于泄压的气动球阀aov。
32.参考图3，轴承气支路包括止回阀chv01，止回阀chv01连接有缓冲罐，缓冲罐的另一端连接有高效过滤器gf02，高效过滤器gf02并联有差压变送器pdt02，差压变送器pdt02的另一端连接有调节阀pv03，调节阀pv03并联有高频电磁阀sov，调节阀pv03的另一端连接有相互串联的压力变送器pt05和压力变送器pt06，压力变送器pt06的另一端连接于透平机。本实施例中，具体的，压力变送器pt06的另一端与透平机的b口连接，止回阀chv01与安全切断阀ssv的另一端连接。
33.参考图3，冷却气支路包括流量计fiq02，流量计fiq02的一端连接有压力变送器pt02，流量计fiq02的另一端连接有温度变送器tt02，温度变送器tt02的另一端连接有温度变送器tt05，温度变送器tt05的另一端连接有调节阀pv04，调节阀pv04的另一端连接于温度变送器tt04的另一端。本实施例中，对于冷却气支路的压力变送器pt02，其另一端与压力变送器pt08连接，压力变送器pt08与透平机的c2口连接，压力变送器pt08还与压力变送器pt07连接，压力变送器pt07的另一端与透平机的c1口连接。
34.参考图1，透平机包括第一叶轮1和第二叶轮5，第一叶轮1和第二叶轮的中间内侧
设置有若干个气浮轴承2以及与气浮轴承2连接的转子4，转子4的圆周外侧设置有若干个定子3。本实施例中，在透平机本体还设置有温度传感器，用于监测定字和转子腔室温度；在透平机的a口和d口各安装一个震动传感器，用于监测机组震动；透平机的a口和d口各设置一转速传感器，用于监测机组转子速度；同时设置电压和电流传感器用于监测发电功率输出；透平机机组为高频发电机组，因此设置一套ac-dc-ac的整流逆变系统，一方面实现工频上网，另一方面内置变频器进行机组的转速限制。
35.本实施例中，在整体系统的设置上，设置在天然气输气站场的有压差的供气工艺流程中，一般在传统供气支路上并联单独的透平机支路或者单独设置透平机支路，本发明的系统中，设置有流量计f1、调节阀v1和透平机形成独立支路，调节阀v2/v3和流量计f2/f3、p2/p3为传统供气支路，一方面对独立支路进行压力、流量的补偿调节，另一方面主要承担下游供气输送任务。
36.本实施例中，在主支路的进口设置过滤分离器gf01和差压变送器pdt01，进行一次过滤，过滤分离器的另一端设置有天然气计量组件；天然气计量组件另一端设置有安全切断阀ssv，其具有远控和超压起跳两种功能，用于支路的紧急切断；设置的主调节阀pv01以及主调节阀pv02，其口径大小不同，分别用于功率的粗和细的调节，在主调节阀的两侧设置的压力变送器pt03和压力变送器pt04，用于检测调节前后压力，在主支路的出口设置有两个温度变送器，做二取二，用于监测透平机之后的出气温度，防止气温过低；设置一个压力变送器pt09，用于监测出气压力；设置一个止回阀chv02，避免下游回流；设置电动截止阀zfv，用于支路的安全泄放。
37.本实施例中，天然气计量组件的设置，一方面用于独立支路天然气的计量，另一方面用于主调节阀pv01的流量调节。
38.本实施例中，气动球阀aov用于安全切断阀ssv关闭后将主支路中的天然气进行泄压，防止透平机机组飞车。
39.本实施例中，设置高效过滤器gf02和差压变送器pdt02，主要的作用是对轴承气供气前进行二次过滤；设置缓冲罐及止回阀chv01，主要为保证在安全切断阀ssv起跳后透平机由额定转速堕走至停机时气浮轴承所需要的轴承气；设置调节阀pv03和高频电磁阀sov，两者联合作用，并结合冷却气支路的调节阀pv04，通过快、慢调节相结合的方式保证轴承气的供气稳定和维持透平机的b口与c1口\c2口间的差压恒定；还设置有压力变送器pt05和压力变送器pt06，做二取二，并与冷却气支路上的两个压力变送器综合计算轴承气压差。
40.本实施例中，冷却气支路设置流量计fiq02、调节阀pv04和温度变送器tt05，一是用于调节膨胀机冷却气流量，保证腔内温度在一个恒定的值；另一方面也用于补偿调节轴承气的压差。
41.本实施例中，动力气自a口进入并冲击一级叶轮，膨胀做功后天然气气温降低，少部分气进入定、转子腔室，用于定子的冷却，并从c1口、c2口排出，大部分气继续冲击二级叶轮做功后从d口排入出站管线；b口引气供气浮轴承工作使用，同时由于一二叶轮腔室内气压较高，轴承气会进入定、转子腔室后随冷却气一同并从c1口、c2口排出；其中气浮式透平机的工作要求就是需要保证轴承气两端的压差维持在一个恒定区间。
42.本实施例还提出一种天然气气浮式差压径向透平发电系统的控制方法，参考图4，适用于上述的一种天然气气浮式差压径向透平发电系统，包括发电功率控制、轴承气控制
和安全控制；发电功率控制包括：输入功率设定值w.sp与通过与来自并网端的功率反馈w.fb计算误差后进行调节，并输出流量设定值q.sp，与来自fiq01的流量反馈q.fb计算误差后进行调节，并最终输出调节阀的阀位值pv，驱动主调节阀pv01和主调节阀pv02进行调节。
43.参考图4，轴承气控制包括：由压差设定值dp.sp与来自压力变送器pt05、压力变送器pt06、压力变送器pt07和压力变送器pt08综合计算的反馈值dp.fb计算误差后进行调节，并输出阀位值y至调节阀pv03和高频电磁阀sov。
44.参考图5，安全控制主要包括信号、工艺控制和电气的联动控制，具体的，在此进行详细的说明，如下。
45.具体的，信号上，主要为停机触发信号，主要为透平机转子过速、功率失调（电流过大）、过滤器失效、超压超流超温、轴承气失控、机体震动过大、控制系统故障、、上网系统故障（包括与电网异常解裂）、工艺设备故障、人为停机。
46.工艺控制上，当收到停机信号后，首先会同时触发安全切断阀ssv截断、气动球阀aov平衡压力，在流程上确保机组转速降低，同时还要保证轴承气的稳定以及控制旁通支路进行快速补偿调节，减少对下游用户的扰动。
47.在电气系统上，在透平机的一侧设置一个泄能装置，泄能装置中设置有泄能电阻，当收到停机信号后，第一时间将泄能电阻投入回路中，缩短机组停机时间，提高安全性，如图5所述。
48.本实施例中，发电功率控制设置功率
→
流量
→
阀位的串级调节模式；但对流量调节有上限阈值，当超过上限阈值时会执行限流调节；功率的设定值有电网agc和人工设定两种，需要通过手动切换；另外也可以单独进行流量调节控制，且不受功率调节影响。
49.本实施例中，上述的控制采用单级模式调节，单级指的是单压差调节。
50.轴承气控制采用的单级、分区、多干扰输入的模式进行调节。对于分区模式调节，分区是指设定高高（hh）、高（h）、低（l）、低低（ll）四个值，其中，hh和ll为透平机轴承气供气压差的警戒值，h和l为正常工作值，那么在（-∞，ll]、[hh, ∞)区间，由调节阀pv03进行调节，在（ll,hh）区间，则由高频电磁阀sov进行调节。此外，对于多干扰输入模式调节，多干扰是指压差的反馈主要受到透平机负荷变化时冷却气流量q1的变化、支路（站场下游用户）出口流量qc的变化、缓冲罐压力（前端来气工况）变化pc，系统设计采用前馈控制。
[0051]
本实施例中，安全控制能够提高整个系统的安全性。
[0052]
本发明以气浮式差压径向透平发电机组的运行模式为基础，设置了一整套运行系统，使透平机机组实现稳定运行，从而实现天然气压力能的有效回收。
[0053]
上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。