黄小美 秦瑞丰 胡睿 陈思蓓

【摘要】本文设计了一种适用于中低压调压装置的压力能发电展示装置，阐述了其发电原理，推导了发电功率的计算方法，该装置的实践应用可有效回收中低压调压站内降压过程中压力能。

【关键词】管网压力能；旋转磁场；新型回收装置

引言

天然气长输管线往往通过高压方式送至各城市或大型用户后，再经城镇燃气管道降至中压或低压，以与不同的用气设备匹配。天然气在减压过程中会释放巨大的能量，从热力学角度，对天然气管网可利用的压力能进行分析计算后得出，西气东输干线每年可回收的最大压力能相当于装机489.2MW的电站一年的发电量[1]。目前主要是以透平膨胀机代替传统的调压阀来回收高压天然气降压过程中的压力能，并将其用于发电和制冰等用途。

然而，透平膨胀机体积规模大，仅能设在城市门站，无法在中小调压站使用。并且，需要改造调压站的旁通管道，增加阀门等设备，投资大且不便利[2][3]。为了合理便捷地回收中低压调压站内的压力能，提高能源利用率，设计了一种适于中低压调压站的天然气压力能发电展示装置。该装置通过管道内的旋转磁场直接将机械能通过磁场传递到管体外，减少通过机械传递的物理摩擦损失，避免对管体进行改变，保证燃气降压过程的安全可靠，降低设备成本。

1.原理分析

旋转磁场理论是磁感应矢量在空间以某种频率旋转的一种磁场，是旋转磁场发电装置将转动机械能转化为电能的基本条件。旋转磁场有两种：一种是通过原动机或某种外力直接带动磁极旋转而产生的磁场为机械旋转磁场；一种是将三相对称线圈中通入三相对称的交流电时，线圈产生的旋转磁场为电气旋转磁场。这两种旋转磁场的根本原理，都是由于绕组在旋转磁场中，切割旋转磁场而产生感应电动势。旋转磁场产生的电流均为交流电[4]。

本文设计的装置为天然气直接驱动磁极旋转，属于机械旋转磁场。旋转磁场发电装置的作用是将天然气的压力能转化为电能，它的工作原理是：天然气以一定的压力流经装置，天然气经过叶轮作用在叶片上，形成转矩，使叶轮转动。叶轮转动的同时带动了与叶轮轴相连的永磁铁随之转动，形成一个旋转的磁场，管道外的线圈与磁场之间有相对运动，线圈切割磁感线，产生感应电动势，从而产生电流。

2.原理设计

2.1设计要求及结构

本文设计的压力能发电展示装置的设计燃气流速为5～20m/s，发电目标为0.55W～5W，适用于将进口压力不大于0.44MPa的中压燃气降至低压的调压装置[5]，发电能量可用于照明或调压装置及其站场的仪表用电。

该装置的结构示意图如图1所示。永磁体固定在支架上。叶轮通过轴固定在底座上，叶轮可以在天然气的带动下转动。叶片采用螺旋桨叶片。线圈采用线径为0.4mm的铜线缠绕而成。

该压力能发电展示装置的结构简单，制作工艺难度低；直接由天然气驱动与叶片固定在一根轴上的磁极转动，无传动系统，既减少损耗，又解决了对燃气管道的改造等不便的缺点。

2.2设计发电功率计算

图1 压力能发电装置结构示意图

2.2.1稳定工况下叶轮转速计算

根据叶轮进出口的速度三角形，和可压缩流体的连续性原理，在已知叶轮进、出口处的绝对速度，与圆周运动方向的夹角以及叶轮叶片与轴线的夹角，则叶轮在圆周方向的速度变化为[6]：

作用在叶轮圆周方向的力F，能够产生转矩推动叶轮旋转。已知叶轮处的管道截面积S，可根据叶轮进、出口处的天然气密度，，可算出天然气的平均流速，此处取叶轮进、出口的速度的平均值v。近似认为上述力以及动量变化都产生于叶轮叶片的平均半径r处：

叶轮进口处的流通截面积大约为管道截面积的0.8，作用在叶轮上的转动力矩M为：

在压力能发电装置正常工作的情况下，管道内天然气可近似为恒定流，此时叶轮以恒定的角速度旋转，转动力矩与旋转阻力矩（包括机械摩擦阻力矩和粘性摩擦阻力矩等）之间相平衡

得出的叶轮转速n为

在压力能发电装置稳定工作时， 可忽略阻力矩对叶轮的影响。简化表示为：

2.2.2旋转磁场发电功率计算

由叶轮转速，压力能发电装置的频率f和永磁体的磁极对数P可得：

进一步得到旋转磁场发电装置每相绕组产生的电动势E。其中气隙磁场的波形系数在正弦分布时为1.11；每极磁通，N为线圈匝数，电枢绕组系数则带入基波绕组系数计算：

再根据绕组的相数m和绕组的相电流I，最终得出旋转磁铁发电装置的计算功率P为：

由于压力能发电装置所产生的电流为交流，计算运行性能时采用该装置的等效电路。等效电路中主要包括绕组电阻和绕组电抗（主要有主电抗和漏电抗）等重要参数，对发电装置的运行性能有着不同程度的影响。

以上就是关于中低压两级管网的变工况求流量分析。现以例说明。

〔例〕有一根DN300的中压管道，已知设计工况下，管道压力由0.4MPa降低为0.1MPa。标况下，求通过此装置发电的功率。

解：标况下，天然气密度取0.7174Kg/Nm3。

，

，

由不可压缩流体连续性方程，得，取

稳定工况下，约为30°，转速根据旋转磁场发电原理，计算时取0.0005，N取50，取1，电流I取0.3A，m=3

电动势V

最后得出压力能发电机有效功率W

从计算可以看出，此时的发电功率符合设计要求，可以提供照明设备的能源补充。

3.结语

（1）借鉴现有的旋转磁铁发电技术，设计了压力能发电装置。该装置适用于中低压调压站，可有效回收中低压调压站内降压过程中释放的压力能，收到了预期的结果。

（2）从装置设计发电功率与初步计算结果看，该装置的压力能发电能力能够满足调压站内的日常照明能源要求。但其对用气不均匀性造成的波峰波谷导致的发电效率和运行稳定性还需进一步验证。

参考文献

[1]王松岭，论立勇，谢英柏.崔洪刚，基于天然气管网压力能回收的联合循环构思[J].热能动力工程，2005（6）

[2]李峥，张文宽，牛文波，谢红林.Li Zheng.Zhang Wenkuan.Niu Wenbo.Xie Honglin，天然气输配过程中余能回收的探讨[J].城市燃气，2007（10）

[3]李夏喜，荆亚州，高岷，王硕，韩立信，严琳，徐文东，袁丹.北京天然气管网压力能发电潜能研究及应用前景分析[J].城市燃气，2014（10）

[4]王璐，海洋流驱动的旋转磁场发电装置的理论及试验研究[学位论文]硕士，2014

[5]呼志强，燃气调压器流量系数及静态特性的研究[学位论文]硕士 2010

[6]张淳.速度式流量计螺旋叶轮的设计和制造[J].辽宁工学院学报，2003，第6期（6）：41-43.

[7]王玉君.WANG Yujun天然气门站压力能的回收利用[J].冶金动力，2015（7）

[8]陈绍凯.李自力.高卓.张彩君，高压天然气管道压力能的回收与利用技术[J].油气储运，2009（2）