氣體壓差發動機的可行性研究

摘要： 隨著我國經濟水平的提高，人民生活水平也在提高，而我國天然氣開采中仍然存在污染大，排放大的現象。針對這一問題，本文提出了“氣體壓差發動機”設計思想，這種發動機是一個具有高效率、高節能環保等多種優點于一體的產品，可廣泛應用于石油、石化、工業和運輸等領域，滿足不同的客戶需要。這種發動機不僅可以起到降壓、減壓的作用，還具有降壓和能源回收利用的雙重功能。

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.

關鍵詞： 天然氣;壓縮機;發動機

Key words： natural gas;compressor;engine

中圖分類號：U467.2+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0213-02

0? 引言

天然氣是一種高品質、高效率、高節能環保的可燃氣體，它埋藏在不同深度、不同壓力的地層中，與石油、煤碳并稱為現今世界能源的三大能源之王。

在我國，LNG的進口量在2019年達到4820億立方米，相比2018年增長13%，盡管在2020年下降約4.2%，但可能會在2021年迅速回升到以前的水平。

現階段，以天然氣以及其副產品已經作為一種紐帶形成一系列的產業集合。我國對天然氣的需求日益增長，從長遠發展來看，我國需要天然氣傳輸網線基礎設施來保證天然氣產業鏈和商品鏈帶動石油、石化、工業、運輸和環保等一系列產業的發展。因此，天然氣發動機需要從環境保護的角度出發，以提高能源效率為手段，解決天然氣能源浪費為最終目標，設計一種具有降壓和能源回收利用的雙重功能氣體壓差發動機，將是一項有重大意義的設計。

1? 氣體壓差發動機的提出

我國天然氣發動機主要是壓縮天然氣（CNG）發動機以及液化天然氣（LNG）發動機為主。我國主要發動機市場以小批量生產的LNG發動機和選用國外產品為主。國外的CNG發動機已在廣泛應用于工業生產，而LNG發動機缸內直噴技術已相當經純熟。

天然氣發動機主要采用點燃燃料的方式，其工作原理如圖1所示，按照引燃方式的不同主要分為兩大類，一類是點燃式的純天然氣發動機，另一類是柴油引燃天然氣的雙燃料發動機。點燃式天然氣發動機通過火花塞引燃天然氣混合氣，為進氣道內和燃燒室內直接供給天然氣。柴油引燃天然氣的雙燃料發動機主要通過采油機改裝，通過壓縮柴油引燃天然氣實現。兩種方式均存在能源消耗，并向環境排放污染物的問題。而“氣體壓差發動機”設計思想的提出，為解決這個問題提供了新的思路。天然氣壓差發動機的優點如表1所示，它不僅可以起到降壓、減壓的作用，而且還能將損失掉的壓力能轉化成動能，驅動原動機做功，并將這部分能量轉化成電其他機械做功，具有降壓和能源回收利用的雙重功能。一旦“氣體壓差發動機”研制成功，對能源的綜合利用將發揮巨大作用。

2? 氣體壓差發動機的介紹

2.1 應用場合

氣體壓差發動機不僅可以用在井口，也可以用在集輸管線的過程中。氣體壓差發動機可以將實現降壓，輸入壓力為18～25MPa，輸出壓力為5～8MPa，它是將將壓力差的壓力能，通過三級葉輪進行降壓而轉化成機械能。

2.2 氣體壓差發動機的原理

氣體壓差發動機的工作原理如圖2所示，參考汽輪機的工作原理，主要由三級葉輪、主軸、底座以及其它輔助裝置構成。氣體壓差發動機是一種能夠實現壓力能轉化為機械能的動力裝置。其中葉輪是由多個葉片構成的，葉片的流道、弧線直接影響發動的降壓效率。根據天然氣在輪腔內的工作方式不同，氣體壓差發動機可分為徑流式和軸流式發動機。與徑流式相比，軸流式可使從井下抽出的高溫高壓的天然氣直接進入氣體壓差發動機工作腔體沖擊葉片，將葉片設計為弧線型，使葉片表面盡可能的都能受到一定的沖擊力，并葉片流道是做成收斂型的，減少流道的能量損失，同時使得天然氣的壓力和溫度會逐漸下降。在葉片的沖擊下，壓力能轉化為機械能，葉輪旋轉，并且把降掉的那一部分壓力能利用起來，天然氣進入下一級葉輪繼續沖擊葉片，葉輪通過轉動軸與外界設備相聯結，在高速旋轉的過程中將壓力能轉換為機械能對外界輸出設備做功。葉輪連接的主要媒介是軸，它是天然氣壓差發動機運動的主要器件和動力傳遞的紐帶，通過軸傳動功率，最后實現機械能轉化為電能。設計中，減壓閥的采用并聯連接，保證開采過程中可以適用于不同壓力的天然氣開采，這樣氣體壓差發動機不僅可以起到減壓的作用還能夠降壓和能源回收利用的雙重功能，滿足更多的客戶需企業。

2.3 氣體壓差發動機最終希望達到的效果

氣體壓差發動機，包括原理設計，結構設計，以及其他輔助機構等的設計，通過降壓完成壓力能轉化為機械能從而帶動其他的機器工作。其主要是利用天然氣為工作介質。由于天然氣是一個節能高效的氣體，所以價格比較昂貴，考慮到成本問題，可將天然氣換為空氣，最終可以不僅僅利用在石油石化行業，還可以廣泛利用在化工、材料、機械、冶金、電力、交通運輸等不同行業中，滿足不同的客戶需要。

3? 氣體壓差發動機中可能出現的問題以及解決方法

3.1 井口壓力波動

在石油開采的過程中，由于天然氣進入每一級葉輪葉片時，每一級可承受的的壓力差是有一定范圍的，這個范圍遠遠大于井口壓力波動的范圍，而且不同的井口壓力也是不同的，可以對不同壓力選擇不同級的葉輪進入降壓，實現能量的轉換，井口壓力波動不會對壓差發動機產生影響。

3.2 溫度降低，減壓閥失效

在氣體壓差發動機的工作過程中，壓力和溫度都會降低，天然氣會在通過減壓閥時凝固，使得發動機不能正常工作，需要設計加熱鍋爐。由于通過氣體壓差發動機做功后排出的天燃氣，仍具有相當高的溫度，利用這一部分天然氣的溫度設計余熱回收鍋爐就很有必要了。

3.3 安全問題

由于天然氣壓差發動機是利用壓力差轉化為機械能，沒有產生碰撞和火花，不會引起燃燒問題。但是存在葉輪輪腔內葉片沖擊，工作腔內壓力較大，需要特別考慮各個部分的強度，保證天然氣壓差發動機的安全問題。

4? 天然氣壓差發動機的應用可行性

4.1 天然氣壓差發動機應用的使用范圍

天然氣壓差發動機的提出，滿足了我國現階段工業制造領域的需求，能夠廣泛應用于石油、石化、工業和運輸等領域，滿足我國現階段對機械制造、智能制造的長遠發展與探索，解決我國石油、煤炭、天然氣三大能源領域的能源浪費問題，對我國生態環境保護起到舉足輕重的作用。

4.2 天然氣壓差發動機的節能理念

天然氣壓差發動機提倡綠色節能功能環保理念，在設計中加入余熱回收鍋爐，解決能量浪費，這種節能理念，可以用于礦山機械制造、工業生產、交通運輸，對浪費掉的能源進行回收循環，從而有效節約能源，緩解我國經濟社會發展與能源過度消耗之間的矛盾。通過有效的余熱回收鍋爐設計，既能夠合理有效的利用能源，減少浪費，還能夠減少燃燒天然氣對大氣環境造成污。天然氣壓差發動機設計可以解決能源流失又能保障生態環境，將是解決現今煤礦、石油礦區以及工業生產中環境污染的一項有重大意義的設計。

5? 結論

本文提出了一種氣體壓差發動機的可能性。該發動機利用汽輪機的工作原理，把壓力能轉化為機械能再通過軸傳動，將機械能轉化為所需要的電能或者其他能。這樣可以提高發動機中天然氣的利用率，還可以將能源回收利用用來加熱進口的天然氣。這種發動機為提高油田以及用戶天然氣的利用以及對減少環境污染都具有重要的參考價值。

參考文獻：

[1]呂美茜，趙昊罡，任偉，李麗.飛行試驗的微壓差式滅火劑濃度機載測試系統[J].測控技術，2020，39（11）：23-28，44.

[2]王振宇.天然氣壓力余能在燃氣輪機電廠中的綜合應用[J].熱力透平，2018，47（01）：66-70.

[3]劉義.氣體壓差發動機設計方案分析[J].建材與裝飾，2016（50）：219-220.

[4]李晶.氣體壓差發動機設計[D].西安石油大學，2014.

[5]郭培勇，等.天然氣集輸系統節能減排措施研究與實施[J].油氣田環境保護，2011，21（2）：1-4.