[发明专利]两级悬臂式轴流膨胀机

说明书

技术领域

本发明涉及余压和余热发电系统中的膨胀机技术领域，特别是一种两级悬臂式轴流膨胀机。

背景技术

目前我国天然气输配管网的压力调节均采用阀门泄压，压力能量都没有得到利用，造成了大量的能量浪费。我国天然气年消耗量约2000亿立方米，其中自采1300多亿立方米，进口600多亿立方米。从采气口到用户均存在不同程度的调压环节，采用膨胀机代替调压阀降压，可以对浪费的压力能量进行回收，转化为机械能用于发电

天然气属于易燃易爆气体，一旦泄漏，就存在很大的安全隐患。目前我国已建成的几个天然气压差发电示范项目，均存在许多的问题，最主要的问题就是天然气的泄漏。传统的方法是在膨胀机输出轴上安装轴端密封。采用的密封主要有涨圈、机械密封和干气密封。涨圈密封价格便宜，结构简单，但是密封性能较差，常伴有小量的天然气泄漏。机械密封需要高压油站配合，利用高压滑油来封气，会有少量滑油渗入膨胀机内，进而附着在下游设备上。另外，机械密封寿命短机组维修、保养频繁。干气密封系统复杂，成本高，使用过程中需消耗大量高压氮气，即使在机组停机后，仍然需要长时间消耗高压氮气，运行成本高，适合在兆瓦级以上的大功率设备上使用。

另外，发电机组如果采用油润滑，滑油泄漏进入天然气管道后，会对下游的输配气造成影响。

天然气压差发电系统中，工质压力高，气体密度大，使得机组在加大质量流量的情况下，体积流量任然很小，功率密度非常大。目前小流量膨胀机多采用向心涡轮，但是单级向心涡轮转速很高，多级向心涡轮管道复杂，管道连接法兰多，潜在的泄漏点较多。向心涡轮由于叶轮自身几何形状的限制，设计时对转速的适应范围较小，降低转速的空间非常有限。使得机组转速较高，电机功率很难满足设计要求。

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle简称ORC)发电与天然气压差发电，有很多相同的地方。工质都是烃类有机物，都需要采用膨胀机将压力能转化成电能，所面临的问题基本一致。

天然气压差发电系统和ORC发电系统中，膨胀机的工作压力都较高，大部分机组工作压力都在兆帕级。由于气压较高，膨胀机轴向推力都非常大。即使发电功率100kW左右的机组，如果不对轴向推力进行专门调整，部分机组轴向推力可以达到10000牛以上。如果采用磁悬浮或空气悬浮轴承等无油润滑技术，机组能承受的轴向推力非常有限，通常需要控制在1000牛以下，所以单从膨胀机叶片设计的角度去降低轴向推力，经常无法满足设计要求。

综上所述，现有的膨胀机应用到天然气和有机朗肯循环系统中，主要存在以下几个问题：

1、密封问题；

2、滑油对工质气造成污染；

3、机组转速高可靠性差；

4、膨胀机轴向推力都非常大，机组能承受的轴向推力非常有限；

5、寿命短，维修、保养频繁；

6、系统复杂，造价高。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种两级悬臂式轴流膨胀机，膨胀机采用两级轴流叶轮，分别悬挂与电机两端，采用悬臂式连接，与电机同轴。利用两级轴流，可以有效降低膨胀机转速，提升电机、变频器的可靠性和效率，并获得较高的能量转化率。利用动叶出口气体对电机壳体进行冷却，提升冷却效率。采用无油润滑轴承，可完全杜绝滑油渗入管道内，影响下游设施、设备。机组无转动部件与外界相连，只有法兰位置的静密封与外界接触，没有与外界连接的动密封，可实现工质零泄漏。

本发明采用的技术方案是：