天然气螺杆膨胀机的开发与应用

刁安娜 徐琼琰 张泉明 王 宇

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所）

天然气已经成为石油和煤炭的重要补充能源，许多国家都建设了天然气长途输运管网。我国长输天然气大多采用高压管输方式，输送的高压天然气经调压站降至中压标准进入城市燃气管网，再借助调压箱或调压柜将压力降至低压后供用户使用。天然气在调压过程中将损失大量的压力能，还会因为急剧降温对调压及管道设备运行安全构成威胁。如果能采取适当的措施回收利用压力能，将提高能源的利用率，减少资源浪费，对提高天然气管网运行的经济性具有重大意义［1－2］。

在压力逐级递减时存在巨大的压差能量。气体通过节流阀降压，会产生巨大冷量，在阀门中产生霜冻，堵塞管道。传统的解决方案是通过燃烧锅炉或换热器，提前对高压气体加热，这不仅需要消耗燃气，并且会释放污染物，压降能量全部浪费。采用降压发电系统，在节流阀处安装透平或容积式引擎来吸收压降能量用以发电。

气体通过膨胀机，结合气流推力所产生的压力推动转子旋转，带动感应发电机运动，气体压力降低，从低压侧管道排出；产生电力可直接并人输电线路以供使用，具备一定的经济价值和社会效益，这为降压发电系统提供了广阔的使用空间。只要有天然气管网长距离输运至城市区域或其他消费单位，就有压降发电系统的使用潜力。

1 螺杆膨胀机发电系统工作原理

由工程热力学理论可知，当天然气具备一定的压力和温度时，就具备了一定的能量，即由压力所体现的势能和由温度所体现的动能，二者合称为天然气的内能。在用减压器进行调节时，部分内能损失。在膨胀机技术出现之前，人们还无法对这部分能量进行回收。今天利用天然气在膨胀机内进行绝热膨胀，内能降低而对外做功，并由膨胀机驱动发电机将能量转换为电能进行回收已成为可能。

天然气降压发电系统布置在高压管线和低压管线之间（图1）。主要设备包括膨胀机、发电机、燃料电池以及换热器、电能适配器、稳压阀等配套设备。膨胀机将高压气体膨胀做功转换成机械能，带动发电机运转，产生电能；燃料电池根据实际情况可有可无，主要是将天然气的化学能转换成电能，并将产生的大量热能通过换热器传递给膨胀机入口高压气体，避免在膨胀机内的温度骤降中产生霜冻损坏设备。稳压阀用于调节气流，当负荷变化时，膨胀机仍能保持平稳运行［3－7］。

膨胀机按能量转换方式的不同，可分为速度式和容量式两大类。速度式膨胀机适用于流量大、负荷稳定的场合，如蒸汽透平、燃气透平等；容量式膨胀机适用于小流量、负荷波动大的场合，如螺杆膨胀机等。常用的蒸汽透平与螺杆膨胀机技术特点比较见表1。

表1 螺杆膨胀机与透平机械技术特点比较Table 1 Comparison between screw expander and turbine machinery

通过以上对比可知，螺杆膨胀机在处理带液工况时具有明显优势，本文针对螺杆膨胀机的结构特点、关键技术及实际应用展开了详细描述。

2 螺杆膨胀机结构特点

螺杆膨胀机是天然气降压发电系统中的核心设备，其结构与螺杆压缩机基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等极少的零件组成，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中，如图2所示。

螺杆膨胀机是螺杆压缩机的逆运转机器，工作的热物理过程与螺杆压缩机恰恰相反，从膨胀始点到终点，随着多方膨胀过程的进行，其压力、温度和焓值下降，比容和熵值增加，气体内能转换为机械能对外做功。

3 螺杆膨胀机的关键技术

在天然气输送工况下，由于压力较高，压差较大，对螺杆膨胀机的结构设计提出更严格的要求，本文从以下3方面进行重点研究。

3.1 转子强度和刚度

在天然气高压工况下，螺杆膨胀机驱动轴在旋转过程中对气体进行膨胀，同时起到传递轴功率和扭矩的作用，在转子设计中，其刚度和疲劳强度设计至关重要。在膨胀机选型过程中，需对转子进行轴刚度和轴强度计算。

对于轴的弯曲变形进行精确计算比较复杂，除受力和支承情况外，轴承和机座的刚度、配合在轴上零件的刚度，以及轴上的局部削弱等，对变形都有影响。因此，在进行轴的弯曲变形计算时，采用有限元分析方法用计算机进行求取［3－4］。

利用FEA软件，对转子模型进行计算，转子的应变结果如图3所示。

一般机械制造业中，轴的变形许用值列于表2。

疲劳强度安全系数校核是经过初步计算和结构设计之后，根据轴的实际尺寸、承受的弯矩、扭矩图，考虑应力集中、表面状态、尺寸影响等因素，以及轴材料的疲劳极限、计算轴的危险截面处的疲劳安全系数是否满足条件等。

疲劳强度校核判断根据为S≥［S］。当该式不能满足时，应改进轴的结构以降低应力集中，亦可采用热处理、表面强化处理等工艺措施以及加大轴径、改用较好材料等方法解决。

表2 轴变形许用值Table 2 Allowable value of shaft deformation

轴的疲劳强度是根据长期作用在轴上的最大载荷进行校核计算。

危险截面安全系数S的校核计算公式为：

式中：Sσ为只考虑弯矩作用时的安全系数；Sτ为只考虑扭矩作用时的安全系数；［S］为按疲劳强度计算的许用安全系数，见表3。

表3 许用安全系数［S］值Table 3 Value of allowable safety coefficient［S］

只有当转子刚度和强度都满足要求时，螺杆膨胀机才能进行下一步的设计和优化。

3.2 密封选型

对于螺杆机械，密封与轴承是主要的易损部件，又因为螺杆膨胀机的工质是易燃易爆的天然气，这就对密封提出了更高的要求。目前，在工艺气螺杆压缩机中，常用的密封型式有3种：

（1）碳环密封：适合低压工况，压力一般低于1.0MPa，转速高，可靠性较高，密封功耗小，氮气消耗量大，成本较低；

（2）接触式机械密封：适合中低压工况，压力一般低于2.0MPa，转速低，可靠性不高，密封功耗大，需要配备专门的密封油系统，成本适中；

（3）非接触式机械密封（干气密封）：适合各种工况，压力可以超过3.0MPa，转速高，可靠性高，氮气消耗量小，成本高。

天然气降压工况中，入口压力一般都较高，大部分工况都超过1.0MPa，所以碳环密封不合适。在中压工况下，流量在50 000m3／h以下时，都可以采用接触式机械密封，而对于3.0MPa以上的高压工况，必须选用干气密封，在必要时，还需要配置串联型干气密封，结构原理图如图4所示。

该密封结构的优点是安全性、可靠性较高。既可使工艺介质泄漏至大气中的量极少，同时也可保证密封引入的外部气源（通常为氮气）不会内漏入工艺介质中；缺点是会有少量工艺气外泄至大气中，且需要火炬条件。

3.3 控制系统

螺杆膨胀机是将热能转换为机械能的转动机械，带动其他机械做功。控制系统的任务是保证做功质量和机组的安全。当外界与机组相适应时，该机组稳定运行。当外界负荷变化，机组转速变化时，控制系统改变膨胀机的功率使转速回到给定值。其控制结构图如5所示。

采用以上控制结构，选用新型微机调速控制装置，机组启动及带负荷操作很简单，正常运行可以实现全自动无人管理。

4 应用实例

在以上关键技术研究的基础上，上海齐耀膨胀机有限公司开发了一种回收天然气压差能的螺杆膨胀机发电机组，并首次应用于北美城市管网压差能回收，其性能参数见表4。

表4 螺杆膨胀机发电机组运行参数Table 4 Operation parameters of screw expander generating unit

机组研发成功后，单机效率能达到62%，按全年工作8 000h计，年发电量120×104kWh，发电收益达75万元／年。由此可见，天然气高压管网余压发电项目既回收了大量能源、提高了能源综合利用率，又创造了较好的经济效益和良好的社会效益。

5 结语

（1）管网的压力越高，燃气的焓值也越高。高压输气管道蕴藏了大量的压力能，简单调压过程会造成巨大能源浪费。天然气螺杆膨胀余压发电装置能有效地回收管网的压力能。

（2）采用余压螺杆膨胀发电装置投资少、见效快，稳定性和使用寿命都优于透平机械，值得在业内大力推广。

（3）本方案充分利用天然气在输气管道的压力差膨胀发电，几乎无需消耗其他能源，运行费用低。

（4）由于城市燃气用户用气的不均匀性，如何消除用气峰谷差异对余压发电装置发电效率和运行稳定性的影响，有待继续深入地研究。

［1］信石玉，高文金，沈珍平，等.天然气降压发电系统研究综述［J］.石油机械，2011，39：124－126.

［2］陈绍凯，李自力，高卓，等.高压天然气管道压力能的回收与利用技术［J］.油气储运，2009，28（2）：51－54.

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