转换气态工作流体能量的方法及其实施装置与流程
本发明的主题组涉及能源领域，包括利用涡轮驱动发电机中的气态工作流体的超压(excesspressure)能的装置和方法，即将气态工作流体的超压能转换为机械能/电能的装置和方法。
背景技术：
现有技术公开了以下大功率(1至10mw)涡轮发电机组:turbogaz(http://www.turbogaz.com.ua/equipment/turbodetandr/utdu.html),cryocor(http://www.cryocor.ru/index.php？option＝com_content&view＝article&id＝23&itemid＝67),阿特拉斯·科普柯atlascopco(http://www.atlascopco-gap.com/products/expanders/),cryostar(http://www.cryostar.com/web/turboexpanders.php)以及ge(http://site.ge-energy.com/businesses/ge_oilandgas/en/literature/en/downloads/turbo_generators.pdf)。这些涡轮发电机组仅能够在气态工作流体的高压降和高流率下运行。这大大限制了它们的使用范围，特别是在应用于工业、天然气管道系统、住宅和公用事业部门等中的二级(尾部)能源资源时。例如，这些涡轮发电机组仅可用于重型设施的气体供应系统，其特征在于高(每小时几十万到几百立方米)的持续耗气。这些设施的数量仅限于大城市、大功率热电厂和大型工厂。
允许使用气态工作流体的超压能的设施范围的扩大需要使用低功率的涡轮发电机组，其能够在低流率和低压降下运行，涡轮发电机组包括设计用于气体分配成套装置(gdps)的涡轮发电机组，以及具有低气体流率的燃气控制单元和成套装置(gcus和gcps)。这些涡轮发电机组由美国、德国、捷克共和国、俄罗斯和乌克兰的一些公司生产。
各国小功率涡轮-发电机组的趋势各不相同。例如，美国和德国的公司开发并生产出高速(高达100,000转/分钟)单级复合流涡轮机，该涡轮机采用气动或电动轴承，并与高频发生器(rmgmesstechnikgmbh和其他公司)联接。在俄罗斯和乌克兰，主要使用具有商用发电机的低速(高达3000转/分钟)单级轴流涡轮机。此外，已开发出高速涡轮发电机组以利用诸如mtt(http://stc-mtt.ru/mikroturbodetandernyj-generator-elektricheskoj-moshhnostyu-20-kvt-mdg-20)和turbokholod(http://www.turbokholod.ru/content/c10-page1.html)的天然气的超压能。
将气态工作流体的超压能转换成电能的替代方法是使用喷射式(“ukrneftezapchast”llc,http://nnhpe.spbstu.ru/wp-content/uploads/2015/02/88_tda-srt.pdf)和螺旋式(兰森langson,http://www.langsonenergy.com/products/turbo-expanders-gas)机器以及其他类型的成套装置。
但是，仍然通过燃烧一部分气体或另一种高温源而加热气体。另外，稳定控制压力和天然气流率变化以及成套装置可靠性和耐久性的问题仍未解决。
现有技术公开了膨胀机-发电机装置(参考http://www.turbogaz.com.ua/eng/equipment/turbodetandr/dgu.html)。该成套装置不包括任何天然气加热器，这使得它可以在没有燃气加热的情况下运行，或者利用具有高温流体的辅助加热器来运行，这需要燃烧所使用的气体。该成套装置基于单级设计，因此无法在气体压力和流量发生变化时实施控制。由于在单级可用的热降耗尽，该成套装置只能在较窄的负载范围内运行。该成套装置的一个优点是设计简单，但其缺点是效率低(30％)以及适用于该成套装置的设施范围受到限制。已知的一些设施已经在这些成套装置中使用。然而，dgu-8膨胀机发电机是为更高的原始气体压力而设计的；因此，它适用于gdps。这些膨胀机-发电机成套装置的性能潜力大大超过了8千瓦的功率。
现有技术还公开了gascontrol成套装置(http://www.gascontrol.cz/en/produkty/expanzni-turbina.html)。所述装置也不包括任何天然气加热；因此，它既可以在没有气体加热的情况下运行，也可以使用具有高温流体的辅助加热器，这需要燃烧所使用的气体。该装置基于单级设计，不允许根据气体压力和流率的变化进行调整。由于在单级可用热降的耗尽，该成套装置只能在较窄的负载范围内运行。该成套装置的低输出功率限制了其使用范围并延长了投资回收期。在窄的功率范围内运行限制了该成套装置适用的设施范围。该装置只能用于gdps，这大大限制了目标设施的范围。
现有技术还公开了mdg-20微型涡轮膨胀机-发电机成套装置(参考http://stc-mtt.ru/mikroturbodetandernyj-generator-elektricheskoj-moshhnostyu-20-kvt-mdg-20)。该成套装置不包括任何天然气加热器；因此，它既可以在没有气体加热的情况下运行，也可以在使用具有高温流体的辅助加热器的情况下运行，这需要燃烧所使用的气体。该装置被开发成为gdps的辅助电源。它基于最简单的单级设计。通过改变转子速度来实现成套装置控制。该成套装置采用高速发电机和气体轴承。该解决方案的使用使成套装置设计更加复杂和昂贵。由于需要产生高的原始压力和恒定的气体流率，因此适用于该成套装置的设施范围受到限制。制造商将注意力集中在开发仅用于gdps的机器上；因此，只有约10％的目标设施用于安装涡轮膨胀机发电机成套装置。虽然这些成套装置大体上具有更高的性能潜力，但由于该成套设备具有特殊用途(仅适用于作为gdps的辅助电源)，因此其使用范围受到限制。另一家俄罗斯公司(turbokholodjsc，见上文)生产的成套装置出现了类似的情况。
现有技术还公开了tda-srt-55涡轮膨胀机-发电机成套装置(参见http://ukrnz.com.ua/)。已知的装置采用具有高温流体的辅助工作气体加热器，其需要燃烧待使用的气体。该成套装置基于包括排气涡轮机的单级设计，这使得在气体的压力和流率发生变化时无法实施控制。成套装置的一个更简单的设计意味着使用喷射式涡轮机而代替叶片式涡轮机，这使得它更便宜，但是损害其能量特性。
现有技术还公开了mtg160涡轮膨胀机-发电机成套装置(参见https://www.honeywellprocess.com/library/marketing/tech-specs/mtg_rus_0702.pdf)。已知的装置不包括天然气加热；因此，它既可以在没有气体加热的情况下运行，也可以使用具有高温流体的辅助加热器的情况下运行，这需要燃烧所使用的气体。该成套装置基于单级设计，其中包括一个高速径流式叶轮。通过改变转子速度来实现成套装置控制。该成套装置联接高速发电机。
现有技术还公开了使用气态工作流体压降能的装置和使用气态工作流体压降能的方法(参考公开日为2007年12月30日申请号为by10032с1国际分类f17d1/00的白俄罗斯专利)。使用气态工作流体压降能的装置包括以下单元：
-膨胀涡轮机，由外壳和安装在外壳内的轴上的叶片式叶轮组成。该轴与一个动力输出轴联接；
-用喷嘴块供应气态工作流体的连接管以及用于移除气态工作流体的连接管，喷嘴块用于将气态工作流体供应到叶轮叶片；
-壳体，设有用于供应和移除传热介质的连接管以及其中设有膨胀涡轮机；
-螺旋通道，形成热交换器并设置在壳体和外壳之间。螺旋通道的每半圈都设置在叶轮的两侧以及螺旋通道的其中一端设有喷嘴块。
已知装置的缺点是气体回路通道的高液压阻力，这减少了以机械或电能形式做有效功所需的压降。另一个缺点是由于对称性的要求，叶轮叶片的轮廓非最佳出口轮廓。另外，由于在流动方向上的变化导致涡轮级中的流量被迫排出，所以发生损失。
上述专利by10032с1也公开了使用气态工作流体压降能的方法，其涉及伴随着其压力和温度的降低以及开始机械能的产生，气态工作流体反复膨胀。气态工作流体的每一次膨胀行为后接着是在直接设置在装置外壳内的热交换器中通过传热介质强制加热或冷却。
已知方法的缺点是，如果气态工作流体流动的水力损失保持最小并且需要在气态工作流体的每个膨胀级确保最佳比率u/cad，则难以形成足够的传热表面。
技术实现要素：
通过使用本发明的主题组可以解决的技术问题是创造一种方法和一种装置，其允许人们有效、经济和可靠地利用气态工作流体的超压能，即，将气态工作流体的超压能转换为机械能/电能。
本发明的技术结果是提高本发明装置的效率和可靠性，提高使用气态工作流体的压降能和将气态工作流体的压降减小至一些用户等级的方法的效率。
本发明的技术结果是通过使用气态工作流体的压降能转换的装置来实现的，该装置包括外壳和产生机械能的用户以及安装在外壳中的具有叶片叶轮的膨胀涡轮机，涡轮机壳体包括喷嘴通道和返回气体通道、气道、用于供应和移除传热介质的连接管、用于将气态工作流体输送到叶轮的连接管和用于去除气态工作流体的连接管，以及将叶轮安装联接产生机械能的用户轴的轴上，其中
返回气体通道围绕叶轮的圆周以沿着叶轮的旋转方向具有角度偏移设置，并通过形成气态工作流体的连续膨胀级的气道互连，其中每个气道的入口连接到返回气体通道以及其出口连接到喷嘴通道，其中所述气道为弯曲管道的形式并且布置在形成热交换器的装置的外壳内。
在本发明的一个具体实施例中，气道额外配备有翅片形式的增强器，这有利于传热表面的面积的扩大和传热介质的流动的湍流化。
在本发明的一个具体实施例中，膨胀涡轮机被实施为单个径流式叶轮。
在本发明的一个具体实施例中，控制设备安装在喷嘴通道的入口处，以控制喷嘴通道的最后一个膨胀级的出口处的压力。
本发明的技术结果通过使用气态工作流体的压降能的转换装置中的气态工作流体的压降能来实现的，该装置包括外壳和产生机械能的用户以及安装在外壳中的带叶片叶轮的膨胀涡轮机，涡轮机壳体包括喷嘴通道和返回气体通道、气道、用于供应和移除传热介质的连接管、用于将气态工作流体供应到叶轮的连接管以及用于移除气态工作流体的连接管，并且叶轮安装联接产生机械能用户轴的轴上，其中返回气体通道围绕叶轮的圆周以沿着叶轮的旋转方向具有角度偏移设置，并且通过形成气态工作流体的连续膨胀级的气道互连，其中每个气道的入口连接到返回气体通道，以及其出口连接到喷嘴通道，其中气道为弯曲管道形式并设置在形成热交换器的装置的外壳内部，方法包括气态工作流体的反复膨胀、所产生的机械能的输出、以及在每次膨胀作用后通过热交换器中的传热介质加热或冷却工作流体，其中
工作流体的反复膨胀在单个叶轮上连续进行以每级的喷嘴通道出口处的0.3-0.5的马赫数范围内气态工作流体的流率，和每个膨胀级的最佳比值u/cad＝0.5连续进行，同时在气态工作流体的每个膨胀级的压降与热降程度相同。
附图简要说明
本技术方案的主题组的特性、特征和优点从要求保护的方法和装置的实施例的以下描述中显现，利用附图示出了以下内容：
图1-理想气体(1-2a、1-2和1-a-b-c-d-e-2分别是绝热、等温和多级过程)的膨胀过程；
图2-甲烷的i-s图(i--单级膨胀，然后加热，ii--单级加热伴随膨胀，以及iii--多级膨胀，伴随着级间加热)；
图3-该装置的结构示意图；
图4-气道布局。
图中的位置指示了以下部件：
1-分体外壳的前部；2-分体外壳的配对件；3-叶轮；4-喷嘴通道和回流引导通道；5-气道；6-用于提供气态工作流体的连接管；7-用于移除气态工作流体的连接管；8-用于提供传热介质的连接管；9-用于移除传热介质的连接管；10-发电机；11-电缆密封压盖；12-增强器；13-控制设备；14-膨胀涡轮机壳体。
所要求保护的装置包括实现气态工作流体的膨胀的涡轮机、实现向气态工作流体供应热能的热交换器、以及将涡轮机叶轮旋转的机械能转化为电能的发电机。所要求保护的装置的这些结构部件使用密封外壳连接成一体式结构。所要求保护的装置的应用使得可以有效地使用低等级尾部能源来产生电能而不消耗燃料。
更详细地说，所要求保护的装置(图3)包括分体外壳、涡轮机单元、喷嘴通道和回流引导通道(4)以及发电机(10)，该分体外壳由前部(1)和配对件(2)组成，该涡轮机单元由膨胀涡轮机壳体(14)和安装在该壳体中的单叶片径向流动叶轮(3)组成，喷嘴通道和返回引导通道(4)围绕叶轮(3)的圆周以沿该叶轮旋转方向的角度偏移并且通过气道(5)相互连接，气道(5)形成热交换表面(热交换器)，发电机(10)安装在装置外壳内。该装置外壳配备有用于供应气态工作流体的连接管(6)和用于移除气态工作流体的连接管(7)、以及用于供应传热介质的连接管(8)和用于移除传热介质的连接管(9)。
气道(5)由成排的弯曲管形成，这些弯曲管布置在外壳的一个部件的内部并与外壳的该部分一起形成热交换器(图4)。
气道(5)可以另外配备有翅片形式的增强器(12)，其提高了传热效率，其中气道(5)与喷嘴通道和回流引导通道(4)一起形成气态工作流体的膨胀级。喷嘴通道安装在每个气道(5)的出口处，并且每个气道(5)的入口连接到回流引导通道。
气道(5)的喷嘴通道和回流引导通道(4)围绕叶轮(3)的圆周布置。这使得可以在从叶轮(3)的一个扇区到另一扇区的连续流通过程中在单个叶轮(3)上实现气态工作流体的多级膨胀。
膨胀级的数量可以增加到三十级。
通过将叶轮(3)安装在发电机(10)的轴上，使叶轮(3)直接联接到发电机(10)的转子。
发电机(10)安装在该装置内部。
该装置外壳的部件(1)和(2)密封连接，这在使用爆炸性和易燃气体时尤其重要。该外壳配备有防爆密封压盖(11)，用于连接来自发电机(10)的电缆。
控制设备(13)安装在喷嘴通道的入口处以稳定气态工作流体的排出压力，并且当气态工作流体的流率变化时将其维持在所需水平。通过最后膨胀级出口处的压力来实现控制。
由气态工作流体从高压区泄漏到低压区，即从气态工作流体的一个膨胀级泄露到下一级引起的叶端(tip)泄漏损失通过使用压盖填料(glandpackings)而减少。压盖填料为同轴脊线形式，并安装在叶轮(3)的轮毂和膨胀涡轮机壳体(14)上。
气态工作流体流动通过连接管(6)和控制设备(13)供给该装置，经过气态工作流体膨胀的第一级的喷嘴通道(4)和叶轮(3)的叶片，然后被供应到气道(5)，通过该气道供应到第二级的喷嘴通道(4)。在经过第二级的喷嘴通道(4)之后，通过气道(5)将该流动供应到第三级的叶轮(3)的叶片，并且最终在连续通过气道的多个级之后，该流动在需要的排气压力下通过连接管(7)从涡轮发电机组中排出。
因此，由于气态工作流体的部分供应，气态工作流体流动压力的多级降低在单个叶轮(3)的叶片上实现。
在该装置中，在膨胀级之间实施向气态工作流体的热供应。气体在气道(5)中流动并且传热介质从连接管(8)供应到外壳的部分(2)，围绕气道(5)流动并加热气态工作流体。冷却后的传热介质通过连接管(9)被移除。
在经过最后的膨胀级之后，气态工作流体通过膨胀涡轮机壳体(14)中的通道供应到该装置外壳的部分(1)的空腔并且由于从发电机(10)的壳体排热而被额外地加热。为了提供发电机(10)的冷却和升高气态工作流体的温度，大部分热量从发电机(10)传递到气态工作流体。在膨胀级之间的气体反复加热期间，实际上实现了气体在恒定温度下膨胀的热力学过程(图2)。根据热力学理论，在等温过程中，从传热介质传递到气态工作流体的所有热量被消耗以做外部机械功。
在这种情况下，实现了在超压下气态工作流体的流动和用于气体加热的低级热流的有效使用。
伴随着通过低级热流到联接安装在装置外壳内部的发电机转子的单个低速叶轮的级间加热的气态工作流体的多级部分供应，使得可以有效地利用气态工作流体的低级流(低速流动和低压降)，因此提供以下内容：
由于保持比值h/b不小于1，减少了气态工作流体的泄漏，这增大了该装置的叶片效率和叶片纵横比；
气态工作流体的低流率(马赫数为0.3-0.5)和叶轮的低速(高达3,500转/分钟(rpm))，这提高了该装置的可靠性并使得其设计更简单，这是由于使用了商用发电机和轴承单元，同时保持最佳比率u/cad＝0.5以及保持确保所需的级间加热的可能性(每1kw产生的电能应提供1kw的热量)；
该装置的单壳配置了利用多余的热能(发电机的电力的10-20％)加热气态工作流体以确保发电机有效地冷却，从而大大简化了从该装置到外部用户的动力输出并提高发电机的可靠性。
所要求保护的气态工作流体的能量转换方法涉及气态工作流体的反复膨胀，伴随着其压力和温度的降低、所产生的机械能的输出、以及在每次膨胀作用后气态工作流体被热交换器中传热介质的反复加热或冷却，其特征在于，
以每级喷嘴通道出口处马赫数0.3-0.5范围内的气态工作流体的流率以及以在每个膨胀级u/cad＝0.5的最佳比值，依次实施多级膨胀。
在气态工作流体膨胀的每级，减压均以相同程度的压降和耗尽的热降来实现。
当气态工作流体的流率变化时，气态工作流体的排出压力稳定并且在安装在喷嘴通道入口处的控制设备中维持所需水平。该控制通过最后的膨胀级出口处的压力来实现；
采用气态工作流体的反复膨胀，通过直接安装在该装置外壳内的热交换器中的传热介质强制实施气态工作流体的加热或冷却，并使用动力输出，其中
气态工作流体的重复(多级)膨胀在具有达到每个膨胀级的可用热降比(u/cad)的最佳叶片速度的单个叶轮上进行，并伴随着气态工作流体的重复(多级)加热或冷却。
-气态工作流体的多级膨胀通过环绕叶轮(3)圆周的喷嘴通道(4)供应气态工作流体而在单个叶轮(3)上进行，并且伴随着在将前一个膨胀级的出口连接到下一个膨胀级通道的通道中气态工作流体的级间加热。
-在叶轮膨胀之前和/或在每个膨胀级之前，以及通过从发电机排热并将其转移到气态工作流体中，从低级外来传热介质向气态工作流体供应热量。
-内部回收过程可以通过将在气道中流动的气态工作流体的热量传递给占据气道之间空间的气态工作流体来实现。这使得可以通过冷的气态工作流体本身来实现对膨胀的气态工作流体的更有效的冷却。
-在每个膨胀级接近等温过程之前气态工作流体膨胀的热力学过程伴随着气态工作流体的加热。
-在每个膨胀级接近等熵(理想绝热)过程之后气态工作流体膨胀的热力学过程伴随气态工作流体的冷却。
-任何超压的气体，例如天然气、水蒸气等都可以用作工作流体，任何由例如过程中热水、水蒸气或冷凝物、烟道气、热空气和汽车尾气以及由变压器或任何其他装置等发出的热量携带的废热可用作传热介质。在这种情况下，发电成套装置(动力设备？)应并入闭路成套装置，特别是采用低沸点工作流体，如丁烷、戊烷等的朗肯循环成套装置或烟气、空气等作为工作流体的布雷顿循环成套装置。
在气态工作流体膨胀的每级，减压均以相同程度的压降和消耗的热降来实现。
当气态工作流体的流率变化时，气态工作流体的排出压力稳定并且在安装在喷嘴通道入口处的控制设备中维持所需水平。该控制通过最后的膨胀级出口处的压力来实现。
在绝热膨胀期间，压缩气体的能量转换为功(work)导致每0.1mpa压降增加气体温度下降大约10℃。例如，在低温下，在气流中被称为天然气的混合物的某些组分的浓度改变，并且过量的这些组分在另一个聚集状态下被释放到气流中。当气体冷却到低于露点的温度时，过量的水分在液相或固相中释放出来。根据平衡等温线，重烃(例如丙烷-丁烷馏分)部分转化为液态。这导致形成了雪状混合物，由于叶片单元的几何特性的变化引起的永久损失的增加以及由于叶片的加速断裂的可能性而导致该装置的可靠性降低，这对轴距具有负面影响。此外，供应给用户的天然气的额定温度不得低于+5℃。因此，如上所述，应在通过涡轮发电机组之前或之后加热气体。在普通回收涡轮发电机组中，气体或者不被加热，这与这些成套装置消耗的低热降有关，或者被温度为70-130℃的水加热。天然气的加热反而取决于消耗的热降和气流的初始温度。在后一种情况下，向装置提供所需的传热介质可能存在问题。
图1示出了p-v坐标系下的各种膨胀过程，其中阴影区域表示技术功。很明显，在多级膨胀的情况下，该过程接近等温过程，以最多的过程功为特征，接近程度取决于级数。
在每级消耗的热降与膨胀级数成比例地减少，因此在下一个膨胀级之前流动的加热过程的热量也减少(图2)。最后，在极限情况下，可以使用来自冷却系统的循环水和其他其使用有吸引力但由于低温潜能难以作为加热介质实施的其他流体。
在能源成本低的情况下，使用便宜且可靠的机器，即压力控制器，其基于节流过程并且以具有相应的
绝热过程的功在i-s图中用i-截距表示，并且在包括绝热和等压过程顺序的流动多级膨胀的情况下，该功由在所有级消耗的热降的总和决定。
相同过程顺序的实施例的变型i允许使用温度相当低特点是做功较少的传热介质。
上述膨胀过程顺序的实施例的变型ii的特征在于做功最多，其与初始温度的增加有关。但是，这种变型的实施例需要使用高等级的传热介质。
为了解决消除适用于两种变型的缺点的问题，如已知的那样，建议考虑在每个级(变型iii)之后使用伴随着级间加热的气流的多级膨胀的可能性，其将该过程接近等温过程并增加了去除的功。在这种情况下，在各级膨胀后的每个级消耗的热降和气流温度恢复到其初始值的过程的热量随膨胀级数成比例地减少，这使得可以使用低温传热介质例如循环水等来加热工作流体。
气态工作流体通过进气管供应到该装置，经过第一级的喷嘴和叶轮的叶片并被供应到气道，通过该气道将气态工作流体供应到第二级的喷嘴。在通过第二级的喷嘴之后，气态工作流体再次通过喷嘴供应到第三级的叶轮的叶片，最后在连续通过气道的多级之后，其通过排气管从涡轮发电机组中以所需排气压力排出。
由于气态工作流体在叶轮上的反复部分返回，在单个叶轮的叶片上实现气态工作流体的压力的多级降低。膨胀级数可以增加到三十级。
在所要求保护的装置中，在膨胀之前和/或在每个膨胀级之前将热量供应到气态工作流体。
气态工作流体在气道中流动，同时液体或气体传热介质从管道供应到气道之间的空间中，围绕气道流动并将热量传递给气态工作流体，之后，将传热介质通过管道从所要求保护的装置中移除。所要求保护的装置与已知的涡轮发电机组不同之处在于，涡轮机、热交换器和发电机被集成到单个单元中。在从叶轮的一个扇区到另一个扇区的连续通道期间，在单个叶轮上实现流动的多级膨胀。
根据流通期间从叶轮的一个扇区到另一个扇区的膨胀级数，流动被反复加热。气道由相应直径的多排弯曲管道形成，并且加热介质在管间空间中流动。
要求保护的装置可以在理想气体和蒸气区域使用任何气体。任何低温传热介质都可以用作加热介质。使用的两种流动的压力和温度可以不同。
当天然气的进入流动和排出流动的速率和参数变化时，实施对要求保护的装置的控制。
使用低温(不高于30℃)传热介质(例如水、废热等)在集成热交换器中加热天然气。逐步实施加热，即在经过每个膨胀级之后。这缓解了对加热介质的温度潜能的需求。这个特点也是一项创新。
所要求保护的装置运行不需要燃料，并且其运行不会使用燃料燃烧来加热气体。只有一部分已经消耗的(二级)能量用于此目的。因此，该装置是环保的。
与已知的低功率涡轮发电机组不同，所要求保护的装置是低速装置。这可以简化其设计，降低成本并延长其使用寿命。
该装置的小尺寸和多功能性(不需要辅助设备)使其适用于安装在gdp和gcu建筑物中或以最小的辅助阀门范围附属于这些建筑物。
使用爆炸性气体和易燃性气体时，由于应用了磁力联合涡轮机和发电机，因此应确保高气密性等级。
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