一种具有降压和能源回收利用的双重功能气体压差发动机的设计

可行性研究论文范文第六篇：一种具有降压和能源回收利用的双重功能气体压差发动机的设计

　　摘要：随着我国经济水平的提高，人民生活水平也在提高，而我国天然气开采中仍然存在污染大，排放大的现象。针对这一问题，本文提出了"气体压差发动机"设计思想，这种发动机是一个具有高效率、高节能环保等多种优点于一体的产品，可广泛应用于石油、石化、工业和运输等领域，满足不同的客户需要。这种发动机不仅可以起到降压、减压的作用，还具有降压和能源回收利用的双重功能。

　　关键词：天然气；压缩机；发动机；

　　作者简介：李晶（1987-），女，山西太原人，硕士，讲师，研究方向为单片机原理与应用、机械制造及计算机辅助设计、机器人视觉。；

　　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.

　　Keyword:natural gas; compressor; engine;

　　0 引言

　　天然气是一种高品质、高效率、高节能环保的可燃气体，它埋藏在不同深度、不同压力的地层中，与石油、煤碳并称为现今世界能源的三大能源之王。

　　在我国，LNG的进口量在2019年达到4820亿立方米，相比2018年增长13%,尽管在2020年下降约4.2%,但可能会在2021年迅速回升到以前的水平。

　　现阶段，以天然气以及其副产品已经作为一种纽带形成一系列的产业集合。我国对天然气的需求日益增长，从长远发展来看，我国需要天然气传输网线基础设施来保证天然气产业链和商品链带动石油、石化、工业、运输和环保等一系列产业的发展。因此，天然气发动机需要从环境保护的角度出发，以提高能源效率为手段，解决天然气能源浪费为最终目标，设计一种具有降压和能源回收利用的双重功能气体压差发动机，将是一项有重大意义的设计。

　　1 气体压差发动机的提出

　　我国天然气发动机主要是压缩天然气（CNG）发动机以及液化天然气（LNG）发动机为主。我国主要发动机市场以小批量生产的LNG发动机和选用国外产品为主。国外的CNG发动机已在广泛应用于工业生产，而LNG发动机缸内直喷技术已相当经纯熟。

　　天然气发动机主要采用点燃燃料的方式，其工作原理如图1所示，按照引燃方式的不同主要分为两大类，一类是点燃式的纯天然气发动机，另一类是柴油引燃天然气的双燃料发动机。点燃式天然气发动机通过火花塞引燃天然气混合气，为进气道内和燃烧室内直接供给天然气。柴油引燃天然气的双燃料发动机主要通过采油机改装，通过压缩柴油引燃天然气实现。两种方式均存在能源消耗，并向环境排放污染物的问题。而"气体压差发动机"设计思想的提出，为解决这个问题提供了新的思路。天然气压差发动机的优点如表1所示，它不仅可以起到降压、减压的作用，而且还能将损失掉的压力能转化成动能，驱动原动机做功，并将这部分能量转化成电其他机械做功，具有降压和能源回收利用的双重功能。一旦"气体压差发动机"研制成功，对能源的综合利用将发挥巨大作用。

　　图1 传统的天然气发动机原理

　　表1 天然气压差发动机的优点

　　2 气体压差发动机的介绍

　　2.1 应用场合

　　气体压差发动机不仅可以用在井口，也可以用在集输管线的过程中。气体压差发动机可以将实现降压，输入压力为18~25MPa,输出压力为5~8MPa,它是将将压力差的压力能，通过三级叶轮进行降压而转化成机械能。

　　2.2 气体压差发动机的原理

　　气体压差发动机的工作原理如图2所示，参考汽轮机的工作原理，主要由三级叶轮、主轴、底座以及其它辅助装置构成。气体压差发动机是一种能够实现压力能转化为机械能的动力装置。其中叶轮是由多个叶片构成的，叶片的流道、弧线直接影响发动的降压效率。根据天然气在轮腔内的工作方式不同，气体压差发动机可分为径流式和轴流式发动机。与径流式相比，轴流式可使从井下抽出的高温高压的天然气直接进入气体压差发动机工作腔体冲击叶片，将叶片设计为弧线型，使叶片表面尽可能的都能受到一定的冲击力，并叶片流道是做成收敛型的，减少流道的能量损失，同时使得天然气的压力和温度会逐渐下降。在叶片的冲击下，压力能转化为机械能，叶轮旋转，并且把降掉的那一部分压力能利用起来，天然气进入下一级叶轮继续冲击叶片，叶轮通过转动轴与外界设备相联结，在高速旋转的过程中将压力能转换为机械能对外界输出设备做功。叶轮连接的主要媒介是轴，它是天然气压差发动机运动的主要器件和动力传递的纽带，通过轴传动功率，最后实现机械能转化为电能。设计中，减压阀的采用并联连接，保证开采过程中可以适用于不同压力的天然气开采，这样气体压差发动机不仅可以起到减压的作用还能够降压和能源回收利用的双重功能，满足更多的客户需企业。

　　图2 天然气压差发动机原理图

　　1-轴；2-定位圆螺母；3-叶轮；4-定距套筒。

　　2.3 气体压差发动机最终希望达到的效果

　　气体压差发动机，包括原理设计，结构设计，以及其他辅助机构等的设计，通过降压完成压力能转化为机械能从而带动其他的机器工作。其主要是利用天然气为工作介质。由于天然气是一个节能高效的气体，所以价格比较昂贵，考虑到成本问题，可将天然气换为空气，最终可以不仅仅利用在石油石化行业，还可以广泛利用在化工、材料、机械、冶金、电力、交通运输等不同行业中，满足不同的客户需要。

　　3 气体压差发动机中可能出现的问题以及解决方法

　　3.1 井口压力波动

　　在石油开采的过程中，由于天然气进入每一级叶轮叶片时，每一级可承受的的压力差是有一定范围的，这个范围远远大于井口压力波动的范围，而且不同的井口压力也是不同的，可以对不同压力选择不同级的叶轮进入降压，实现能量的转换，井口压力波动不会对压差发动机产生影响。

　　3.2 温度降低，减压阀失效

　　在气体压差发动机的工作过程中，压力和温度都会降低，天然气会在通过减压阀时凝固，使得发动机不能正常工作，需要设计加热锅炉。由于通过气体压差发动机做功后排出的天燃气，仍具有相当高的温度，利用这一部分天然气的温度设计余热回收锅炉就很有必要了。

　　3.3 安全问题

　　由于天然气压差发动机是利用压力差转化为机械能，没有产生碰撞和火花，不会引起燃烧问题。但是存在叶轮轮腔内叶片冲击，工作腔内压力较大，需要特别考虑各个部分的强度，保证天然气压差发动机的安全问题。

　　4 天然气压差发动机的应用可行性

　　4.1 天然气压差发动机应用的使用范围

　　天然气压差发动机的提出，满足了我国现阶段工业制造领域的需求，能够广泛应用于石油、石化、工业和运输等领域，满足我国现阶段对机械制造、智能制造的长远发展与探索，解决我国石油、煤炭、天然气三大能源领域的能源浪费问题，对我国生态环境保护起到举足轻重的作用。

　　4.2 天然气压差发动机的节能理念

　　天然气压差发动机提倡绿色节能功能环保理念，在设计中加入余热回收锅炉，解决能量浪费，这种节能理念，可以用于矿山机械制造、工业生产、交通运输，对浪费掉的能源进行回收循环，从而有效节约能源，缓解我国经济社会发展与能源过度消耗之间的矛盾。通过有效的余热回收锅炉设计，既能够合理有效的利用能源，减少浪费，还能够减少燃烧天然气对大气环境造成污。天然气压差发动机设计可以解决能源流失又能保障生态环境，将是解决现今煤矿、石油矿区以及工业生产中环境污染的一项有重大意义的设计。

　　5 结论

　　本文提出了一种气体压差发动机的可能性。该发动机利用汽轮机的工作原理，把压力能转化为机械能再通过轴传动，将机械能转化为所需要的电能或者其他能。这样可以提高发动机中天然气的利用率，还可以将能源回收利用用来加热进口的天然气。这种发动机为提高油田以及用户天然气的利用以及对减少环境污染都具有重要的参考价值。

　　参考文献

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