天然气输送管道小型发电机研究

王 凯，张 丽，李 明，江 峰

(1.武汉理工大学 机电工程学院,湖北 武汉 430070；2.湖北省磁悬浮工程技术研究中心,湖北 武汉 430070)

伴随着世界经济的飞速发展和世界人口数量的增长，人类生存产生的温室气体的排放量也随之不断增加，天然气跟传统能源煤炭相比，具有热值较高、污染较低等显著优点[1]。其燃烧产生的能量是煤炭燃烧能量的约1.5倍，因此天然气的开采和使用已经成为当今各国必不可少的选择[2]。

天然气资源分布往往并不均衡，因此天然气的贸易和输送成为了燃气开采地和燃气用户之间的连接桥梁，目前天然气的运输方式一般有液化输送和管道输送。燃气管道输送方式是利用连接油气井和用户之间的管网把未经液化气体状态的燃气进行运输的输送方式；液化输送一般是把经过降温、压缩、液化三步骤后的液化状态的天然气利用公路、铁路、海运或者管道运输的方式进行运输的输送方式。由于天然气液化条件困难、工艺设备复杂、技术要求严格和投资费用较高等缺点，液化输气方法用处较少[3]。管道输送具有输送量大、输送稳定、用户范围大、输气地区广和输气连续不断等优点，已成为目前天然气主要的运输方式。

燃气输送干线一般是以天然气处理厂或输气干线首站为起点，城镇配气或工矿企业一线站为终点的输送管线。一条完整的输气干线上包括数量不同、作用不同的站场，如增压站、防腐站、清管站和输气站等。对管线中的气体进行测量调压，需要在干线设置气体计量装置，必要时还要设置气体质量检测仪表，保证对管道内气体状态的实时把控管理，并做好管道泄漏预防[4]。

天然气输送管网跨越地区范围大，沿线管道输气站设置有的监测装置目前一般采用电池或者接线供电，充电电池往往工作时间短，更换频率高，因为燃气管道部分分布在野外或人迹罕至的地区，造成电池供电的方法成本较高，甚至无法对监测装置进行接线供电。

为了解决天然气管网沿线检测装置的供电问题，在保证不会对管道内输送气压造成过大损失的前提下，提出一种管网内置轴流式小型管道发电机的设计方法，并根据下位机的额定工作参数对电机参数进行设计计算，经数值仿真和模拟实验结果验证设计结果满足要求。

1 输送管道小型发电机结构

天然气管网沿线检测仪供电的小型管道水流发电装置如图1所示，该发电机基本结构包括：转子叶轮、发电机定子铁芯、发电机定子绕组、转子永磁体、滚动轴承、转轴、轴承卡簧、电机定子壳体、堵头和电机底座支架。其中电机转子永磁体在叶轮内壁圆柱面上采用表贴式连接，叶轮轴向内侧面开有圆柱形盲孔，转轴前端装在叶轮内侧盲孔内，后端与滚动轴承内圈采用过盈配合，转轴内圈的轴向采用轴承E型卡簧进行定位，外圈利用转轴上的轴肩定位。定子铁芯安装在定子外壳内，电机整体后端固定在支架上，绕组后端引出的导线通过底座支架的圆孔与稳压整流电路和充电锂电池连接直接为负载供电，底座支架和定子密封壳体之间利用粘胶或螺纹进行连接。

图1 管道发电机结构示意图

2 小型发电机电磁数值仿真

2.1 电磁数值仿真基本理论

电机运行过程中内部存在电磁场，对管道发电机进行电磁场分析计算时，传统的计算方法建立在磁场简化和经验参数的基础上，其计算精度往往存在偏差[5]。数值分析的方法是将电机内电磁场区域剖分成有限多的网格或单元，建立以网格上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组后利用计算机进行迭代计算的电磁场分析方法[6]。若利用理论解析法对电机参数进行计算，将计算结果跟数值分析进行验证比较，设计的电机参数准确性将会有较大提高。

2.2 小型发电机电磁设计

管道发电机通常在较低的转速下运行，考虑到在电机转子上要尽可能多布置永磁体以达到多极电机的要求，发电机选择外转子径向式结构，其永磁体的充磁方式采用Halbach阵列充磁，降低漏磁系数，增大电机气隙磁密，提高电机功率密度[7]。

由于发电机工作在狭小的管道环境内，发电机直径往往较小。电机绕组的结构选择取决于电机的应用场合和应用条件、预期发电机转速和转子极对数等，为适应电机的体积要求，极数和槽数及其配合种类要求有更多的选择，整数槽发电机由于每极每相槽数选择范围较小，而分数槽绕组适合直接驱动、低速和狭小空间的工作特性，因此管道发电机选用分数槽的绕组结构形式[8]。电机电磁参数如表1所示。

2.3 小型发电机电磁仿真分析

发电机相关参数根据设计计算参数进行设定，其中包括各项目材料、绕组分布方式和每槽绕组匝数、永磁体充磁方式、剩磁密度和矫顽力、转子转速等。设定求解域，转动域并设置边界条件为气球边界条件等，并对求解区域进行网格划分，模型建立后对发电机进行有限元求解[9]。

表1 电机电磁设计参数

图2和图3分别表示发电机的额定转速下气隙磁密随时间的变化图和发电机空载时磁力线分布情况。根据图2可知，气隙磁密波形接近正弦，最大值接近0.75 T，与计算结果接近。图3表明定子齿磁密不超过1.8 T，满足设计要求，磁力线分布均匀，基本符合设计要求[10]。

图2 电机径向气隙磁密分布图

图3 管道发电机磁力线分布图

Ansoft仿真计算的发电机空载反电动势波形发电机齿槽转矩如图4和图5所示。励磁电动势波形接近正弦，峰值接近6 V，与设计结果相似，齿槽转矩波动规律，峰值约为6 mN·m，满足设计要求。

图4 电机三相空载励磁电动势波

图5 电机三相齿槽转矩图

3 电机转速与感应电动势关系实验研究

搭建实验平台测量发电机转速与整流稳压后输出电压的关系，实验平台如图6所示。选用与发电机同轴心的可调速电机通过挠性联轴器拖动电机转子转动，测得发电机相电压峰值随拖动电机转速变化的关系如图7所示。

图6 转速-电压测试实验平台

图7 电机转速-相电压关系图

由于电机实际转速难以保证整数值，实验时转速取值与仿真条件有较小差别。由图7可知，当发电机转子转速增大时，实际测得和仿真计算的定子绕组单相电压峰值基本随转速成正比增大；当测量转速达到500 r/min附近，即与设计额定转速相近时，发电机单相励磁电动势值与设计值相近。

4 结论

设计了一种轴流式的管道发电机，采用直驱式的电机结构，计算并确定了电机电磁参数,对设计结果进行了有限元分析及实验验证。研究结果表明，所设计的管道发电机能够达到预期的研究目标，可为燃气管道轴流式发电机的设计提供依据。