一种基于磁力转动的压力能回收装置和蓄能系统

1.本发明涉及能量回收技术领域，尤其涉及一种基于磁力转动的压力能回收装置和蓄能系统。


背景技术：

2.天然气长距离输送通常采用高压输送的方式完成，高压天然气需要降压才能输送到下游用户端。目前天然气调压站通常采用节流降压的方式完成，该方法虽然将天然气的压力从高压转变成低压，但是损失了大量可以回收的压力能，因此回收天然气调压过程中被浪费掉的压力能显得尤为重要。
3.目前压力能回收利用的主要方式主要分为发电和制冷，其中，压力能制冷受冷能用户需求量波动的影响较大，天然气调压与冷能用户的匹配程度不高，这就使得利用压力能发电成为压力能回收利用的主要方式。现有的压力能发电工艺主要将高压天然气通过透平膨胀机或者螺杆膨胀机带动发电机旋转发电。但是需要注意的是，现有膨胀发电设备具有明显的缺陷，膨胀发电机与旋转叶轮之间属于动密封，内部通入高压气体，稍有不慎将会使得易燃易爆的天然气泄漏，存在很大的安全隐患，极易造成爆炸危险。另外，我国压力能调压站数量多、分布分散，不利于建设大型电力回收系统集中回收，中小型调压站压力能回收技术成本高，技术成熟度不高，压力能利用率低，设备经济性较差。上述因素导致都限制了压力能回收设备的进步，造成了压力能回收工艺的落后。


技术实现要素：

4.本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于磁力转动的压力能回收装置以及利用这种压力能回收装置的蓄能系统，设计了特有的磁力传动发电装置，具有改造成本低、操作简单、性能可靠、维护方便的优点，即可以满足中小型调压站的调压需要，又能回收原本浪费掉的高压管网压力能，具有较高的经济价值。
5.为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
6.一种基于磁力转动的压力能回收装置，其特征在于：包括蜗壳、径流式向心叶轮、外壳、机盖、隔离罩、内磁、外磁、水泵、第一转轴和第二转轴，所述蜗壳上设置有进气口和出气口，所述水泵上设置有进水口和出水口，所述径流式向心叶轮设置在蜗壳内，蜗壳的边缘设置有导叶，所述机盖与蜗壳固定连接，所述隔离罩固定连接在所述外壳和机盖之间，机盖和隔离罩之间形成一腔体，所述第一转轴的一端连接在径流式向心叶轮的中心，另一端穿过机盖延伸到所述腔体中，所述内磁设置在腔体内并同轴连接第一转轴，所述外磁设置在所述腔体的外侧并通过所述第二转轴与所述水泵的水力轮同轴连接，内磁和外磁之间形成相互的磁力作用。
7.进一步的，所述外磁包括圆柱状的外磁轭铁和沿着外磁轭铁内侧边缘设置的外磁永磁体，所述内磁包括圆柱状的内磁轭铁和沿着内磁轭铁外侧边缘设置的内磁永磁体，所述外磁轭铁同轴罩设在所述内磁轭铁的外侧，所述外磁永磁体和内磁永磁体相对设置。
8.进一步的，所述机盖上贯穿设置有若干冷却孔连通所述蜗壳和隔离罩内的腔体，所述第一转轴的中心设置有通孔，所述内磁上设置有若干导气孔，所述进气口、冷却孔、导气孔、通孔和出气口依次连通形成一气体通道。
9.进一步的，所述第一转轴和机盖之间设置有永磁止推轴承，所述永磁止推轴承包括承力片、第一环状永磁体和第二环状永磁体，所述承力片同轴设置在第一转轴上，所述第一环状永磁体同轴固定连接在所述承力片的两侧，所述第二环状永磁体设置在第一环状永磁体的外侧并固定连接在机盖上，第一环状永磁体和第二环状永磁体相对的一侧为相同的磁极。
10.进一步的，所述第一转轴和机盖之间设置有永磁径向轴承和动压气浮轴承。
11.一种蓄能系统，其特征在于：包括压力能回收支路、抽水蓄能支路、上述任一项所述的压力能回收装置，所述压力能回收支路包括预热器、流量计、第一快速关断阀、第一逆止阀，高压管网依次连通所述预热器、流量计、第一快速关断阀、压力能回收装置的进气口，所述压力能回收装置的出气口依次连通第一逆止阀、低压管网；所述抽水蓄能支路包括上水库、下水库、水轮机、发电机、变压器，所述下水库连接压力能回收装置的进水口，压力能回收装置的出水口依次连接所述上水库、水轮机、发电机、变压器和电网。
12.进一步的，所述压力能回收支路还并联有备用调压支路，所述备用调压支路包括处理器、第二快速关断阀、调压阀、第二逆止阀，所述流量计、第二快速关断阀、调压阀、第二逆止阀和低压管网依次相连，所述处理器分别与流量计、第一快速关断阀和第二快速关断阀电连接。
13.进一步的，所述抽水蓄能支路还包括备用水泵，光伏发电装置和风力发电装置均与所述变压器连接，所述备用水泵设置在所述下水库和上水库之间，变压器连接备用水泵并提供电源。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明中的压力能回收装置基于磁力传动技术设计，通过磁连轴发电装置，采用内外磁转子的无接触传递方式代替了传统的动密封设计，避免了转轴连接处发生高压燃气泄漏的风险，提升了设备的安全稳定性。2、机盖上设置的冷却孔可以引导一部分的高压气流进入隔离罩内，起到冷却降温的效果，防止在交变磁场中，内部形成的感应电流会带来涡流损失，使得设备工作温度升高，从而造成的永磁体退磁现象的发生。3、永磁止推轴承、动压气浮轴承、永磁径向轴承的设置能够有效限制第一转轴在工作中发生的轴向和径向的偏移，减少了轴承的磨损问题，提高了轴承的稳定性和设备的可靠性。4、本发明中的蓄能系统根据现有门站、中小型调压站的工作特点，考虑到天然气使用量随时间变化的特点，将压力能、风电、光伏相结合，保证了天然气压力能回收过程中的稳定性。
附图说明
15.图1为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的立体结构示意图；
16.图2为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的剖面结构示意图；
17.图3为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的外壳内部结构示意图；
18.图4为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的隔离罩安装位置示意图；
19.图5为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的隔离罩内部的内磁结构示意
图；
20.图6为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的蜗壳内部结构示意图；
21.图7为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的机盖结构示意图；
22.图8为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的永磁止推轴承、动压气浮轴承安装结构示意图；
23.图9为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的外磁、水泵结构示意图一；
24.图10为本发明一种基于磁力转动的压力能回收装置的外磁、水泵结构示意图二；
25.图11为本发明一种蓄能系统的结构示意图。
26.其中：1-压力能回收装置，2-调压阀，3-预热器，4-第一快速关断阀，5-第一逆止阀，6-处理器，7-流量计，8-光伏发电装置，9-风力发电装置，10-发电机，11-变压器，12-备用水泵，13-上水库，14-水轮机，15-下水库，16-电网，17-第二快速关断阀，18-第二逆止阀，1-1-径流式向心叶轮，1-2-蜗壳，1-2-1-进气口，1-2-2-出气口，1-4-外壳，1-5-水泵，1-5-1-进水口，1-5-2-出水口，1-6-机盖，1-6-1-冷却孔，1-7-动压气浮轴承，1-8-内磁，1-8-1-内磁永磁体，1-8-2-内磁轭铁，1-8-3-导气孔，1-9-外磁，1-9-1-外磁永磁体，1-9-2-外磁轭铁，1-10-隔离罩、1-11-导气孔，1-12-第一转轴，1-12-1-通孔，1-13-永磁径向轴承，1-14-永磁止推轴承，1-14-1-承力片，1-14-2-第一环状永磁体，1-14-3-第二环状永磁体，1-15-导叶，1-16-滚动轴承，1-17-水力轮，1-18-第二转轴，1-19-腔体。
具体实施方式
27.为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
28.图1-10示出了一种基于磁力转动的压力能回收装置的具体实施例，包括蜗壳1-2、径流式向心叶轮1-1、外壳1-4、机盖1-6、隔离罩1-10、内磁1-8、外磁1-9、水泵1-5、第一转轴1-12和第二转轴1-18，蜗壳1-2上设置有进气口1-2-1和出气口1-2-2，水泵1-5上设置有进水口1-5-1和出水口1-5-2，径流式向心叶轮1-1设置在蜗壳1-2内，蜗壳1-2的边缘设置有导叶1-15，机盖1-6与蜗壳1-2固定连接，隔离罩1-10固定连接在外壳1-4和机盖1-6之间，机盖1-6和隔离罩1-10之间形成一腔体1-19，第一转轴1-12的一端连接在径流式向心叶轮1-1的中心，另一端穿过机盖1-6延伸到腔体1-19中，内磁1-8设置在腔体1-19内并同轴连接第一转轴1-12，外磁1-9设置在腔体1-19的外侧并通过第二转轴1-18与水泵1-5的水力轮1-17同轴连接，内磁1-8和外磁1-9之间形成相互的磁力作用。
29.其中，如图9、10所示，外磁1-9包括圆柱状的外磁轭铁1-9-2和沿着外磁轭铁1-9-2内侧边缘设置的外磁永磁体1-9-1；如图5所示，内磁1-8包括圆柱状的内磁轭铁1-8-2和沿着内磁轭铁1-8-2外侧边缘设置的内磁永磁体1-8-1，如图1、3所示，外磁轭铁1-9-2同轴罩设在内磁轭铁1-8-2的外侧，外磁永磁体1-9-1和内磁永磁体1-8-1相对设置。
30.优选地，机盖1-6上贯穿设置有若干冷却孔1-6-1连通蜗壳1-2和隔离罩1-10内的腔体1-19，第一转轴1-12的中心设置有通孔1-12-1，内磁1-8上设置有若干导气孔1-8-3，进气口1-2-1、冷却孔1-6-1、导气孔1-8-3、通孔1-12-1和出气口1-2-2依次连通形成一气体通道。
31.第一转轴1-12和机盖1-6之间设置有永磁止推轴承1-14，永磁止推轴承1-14包括
承力片1-14-1、第一环状永磁体1-14-2和第二环状永磁体1-14-3，承力片1-14-1同轴设置在第一转轴1-12上，第一环状永磁体1-14-2同轴固定连接在承力片1-14-1的两侧，第二环状永磁体1-14-3设置在第一环状永磁体1-14-2的外侧并固定连接在机盖1-6上，第一环状永磁体1-14-2和第二环状永磁体1-14-3相对的一侧为相同的磁极。第一转轴1-12和机盖1-6之间设置有永磁径向轴承1-13和动压气浮轴承1-7。如图1所示，安装时，径流式向心叶轮1-1、永磁止推轴承1-14的承力片1-14-1、动压气浮轴承1-7、永磁径向轴承1-13、内磁轭铁1-8-2从左至右依次通过键槽连接到第一转轴1-12上。
32.上述实施例的具体工作过程及原理如下：
33.从高压管网来的高压气流经进气口进入的蜗壳内1-2经过导叶1-15膨胀加速后，冲击径流式向心叶轮1-1高速旋转，进而带动第一转轴1-12右侧的内磁1-8同轴旋转，在内磁永磁体1-8-1和外磁永磁体1-9-1的磁力作用下，外磁1-9被带动同轴高速旋转，隔离罩1-10将内磁1-8与外磁1-9割开形成内外两个空间，达到能量的无接触传递，将传统动密封转变为静密封。外磁1-9的转动通过第二转轴1-18经滚动轴承1-16传递给水泵1-5中的水力轮1-17转动，从而用于抽水蓄能，将高压管网压力能转变为水的势能储存起来。
34.压力能回收装置在工作时，隔离罩1-10处于交变的磁场中，内部形成的感应电流会带来涡流损失，使得设备工作温度升高。为避免高温造成外磁永磁体1-9-1和内磁永磁体1-8-1发生退磁，机盖1-6上开设有若干冷却孔1-6-1，一部分高压气流从导叶1-15与径流式向心叶轮1-1之间的间隙内经冷却孔1-6-1流入隔离罩1-10与内磁轭铁1-8-2之间的狭小间隙以及内磁上的导气孔1-8-3后，从第一转轴1-12中心的通孔1-12-1中流入下游出气口1-2-2，起到缓解涡流损失带来的升温作用，冷却装置。
35.压力能回收设备安装有永磁止推轴承1-14、动压气浮轴承1-7、永磁径向轴承1-13以及滚动轴承1-16。其中的永磁止推轴1-14承根据磁铁间的同极相斥原理，承力片1-14-1以及第一转轴1-12的轴向运动被限制。气体径向力的平衡依靠两个动压气浮轴承1-7和永磁径向轴承1-13完成，设备启动时，由于转速较低，径向力主要通过永磁径向轴承1-13磁极之间的排斥力相互平衡，转速升高后，第一转轴1-12与动压气浮轴承1-7之间形成了良好的气体润滑膜，依靠天然气气膜支承转轴运动，第一轴承1-12径向支撑采用永磁辅助式动压轴承的方案，即解决了永磁轴承的稳定性问题，又减少了动压轴承启动过程中的磨损问题，提升了设备的可靠性。
36.图11示出了一种蓄能系统的具体实施例，包括压力能回收支路、抽水蓄能支路、备用调压支路以及压力能回收装置1，压力能回收支路包括预热器3、流量计7、第一快速关断阀4、第一逆止阀5，高压管网依次连通预热器3、流量计7、第一快速关断阀4、压力能回收装置1的进气口1-2-1，压力能回收装置1的出气口1-2-2依次连通第一逆止阀5、低压管网；抽水蓄能支路包括上水库13、下水库15、水轮机14、发电机10、变压器11，下水库15连接压力能回收装置1的进水口1-2-1，压力能回收装置1的出水口1-2-2依次连接上水库13、水轮机14、发电机10、变压器11和电网16。备用调压支路与压力能回收支路并联，备用调压支路包括处理器6、第二快速关断阀17、调压阀2、第二逆止阀18，流量计7、第二快速关断阀17、调压阀2、第二逆止阀18和低压管网依次相连，处理器6分别与流量计7、第一快速关断阀4和第二快速关断阀17电连接。抽水蓄能支路还包括备用水泵12，光伏发电装置8和风力发电装置9均与变压器11连接，备用水泵12设置在下水库15和上水库13之间，变压器11连接备用水泵12并
提供电源。
37.上述蓄能系统的实施例的具体工作过程及原理如下：
38.系统正常工作时，压力能回收支路通过压力能回收装置1从下水库15向上水库13抽水蓄能，将高压管网的压力能转换为水的势能；光伏发电装置8和风力发电装置9产生的电能经过变压器11后，一部分能量输送给电网16，多余电量经备用水泵12后与压力能回收支路输入的电量共同从下水库15向上水库13抽水蓄能。当电网16处于用电高峰时，上水库13的水推动水轮机14转动，带动发电机10工作，经变压器11向电网16输电，上水库13的水做功后进入下水库15；当夜间等工况下电网16处于用电低谷时，电网6多余电量通过变压器11后推动备用水泵12将下水库15的水输送到上水库13中进行蓄能。
39.在压力能回收支路中，高压天然气进入预热器3加热后，处理器6根据流量计7监测得到的流量值控制备用调压支路和压力能回收支路的关断，当流量值达到压力能回收装置1所需的流量时，处理器6发出信号控制备用调压支路的第二快速关断阀17关闭，调压阀2暂停工作，压力能回收支路的第一快速关断阀4开启，高压气流进入压力能回收装置1内，将高压管网压力能转变为水的势能，出来的低压气流进入低压管网中。
40.该实施例根据现有门站、中小型调压站的工作特点，考虑到天然气使用量随时间变化的特点，设计了一种压力能、风电、光伏相结合的抽水蓄能系统，保证了天然气压力能回收过程中的稳定性；压力能回收装置采用径流式向心叶轮的设计方案，能够保证压力能的高效回收；径流式向心叶轮同轴相连的离心水泵直接将高压压力能用于抽水蓄能，避免发电等过程中能量的二次转换造成的浪费；采用磁力传动的静密封设计，有利于保证设备的安全运行，采用永磁止推轴承、径向磁浮轴承与动压气浮轴承相结合的设计方案，提高了现有发电装置的成熟度。上述技术推动了压力能调压站发电技术的发展，适用于城市门站、中小型调压站的建设与改造工作。
41.上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于磁力转动的压力能回收装置，其特征在于：包括蜗壳(1-2)、径流式向心叶轮(1-1)、外壳(1-4)、机盖(1-6)、隔离罩(1-10)、内磁(1-8)、外磁(1-9)、水泵(1-5)、第一转轴(1-12)和第二转轴(1-18)，所述蜗壳(1-2)上设置有进气口(1-2-1)和出气口(1-2-2)，所述水泵(1-5)上设置有进水口(1-5-1)和出水口(1-5-2)，所述径流式向心叶轮(1-1)设置在蜗壳(1-2)内，蜗壳(1-2)的边缘设置有导叶(1-15)，所述机盖(1-6)与蜗壳(1-2)固定连接，所述隔离罩(1-10)固定连接在所述外壳(1-4)和机盖(1-6)之间，机盖(1-6)和隔离罩(1-10)之间形成一腔体(1-19)，所述第一转轴(1-12)的一端连接在径流式向心叶轮(1-1)的中心，另一端穿过机盖(1-6)延伸到所述腔体(1-19)中，所述内磁(1-8)设置在腔体(1-19)内并同轴连接第一转轴(1-12)，所述外磁(1-9)设置在所述腔体(1-19)的外侧并通过所述第二转轴(1-18)与所述水泵(1-5)的水力轮(1-17)同轴连接，内磁(1-8)和外磁(1-9)之间形成相互的磁力作用。2.根据权利要求1所述一种基于磁力转动的压力能回收装置，其特征在于：所述外磁(1-9)包括圆柱状的外磁轭铁(1-9-1)和沿着外磁轭铁(1-9-2)内侧边缘设置的外磁永磁体(1-9-1)，所述内磁(1-8)包括圆柱状的内磁轭铁(1-8-2)和沿着内磁轭铁(1-8-2)外侧边缘设置的内磁永磁体(1-8-1)，所述外磁轭铁(1-9-2)同轴罩设在所述内磁轭铁(1-8-2)的外侧，所述外磁永磁体(1-9-1)和内磁永磁体(1-8-1)相对设置。3.根据权利要求1所述一种基于磁力转动的压力能回收装置，其特征在于：所述机盖(1-6)上贯穿设置有若干冷却孔(1-6-1)连通所述蜗壳(1-2)和隔离罩(1-10)内的腔体(1-19)，所述第一转轴(1-12)的中心设置有通孔(1-12-1)，所述内磁(1-8)上设置有若干导气孔(1-8-3)，所述进气口(1-2-1)、冷却孔(1-6-1)、导气孔(1-8-3)、通孔(1-12-1)和出气口(1-2-2)依次连通形成一气体通道。4.根据权利要求1所述一种基于磁力转动的压力能回收装置，其特征在于：所述第一转轴(1-12)和机盖(1-6)之间设置有永磁止推轴承(1-14)，所述永磁止推轴承(1-14)包括承力片(1-14-1)、第一环状永磁体(1-14-2)和第二环状永磁体(1-14-3)，所述承力片(1-14-1)同轴设置在第一转轴(1-12)上，所述第一环状永磁体(1-14-2)同轴固定连接在所述承力片(1-14-1)的两侧，所述第二环状永磁体(1-14-3)设置在第一环状永磁体(1-14-2)的外侧并固定连接在机盖(1-6)上，第一环状永磁体(1-14-2)和第二环状永磁体(1-14-3)相对的一侧为相同的磁极。5.根据权利要求1所述一种基于磁力转动的压力能回收装置，其特征在于：所述第一转轴(1-12)和机盖(1-6)之间设置有永磁径向轴承(1-13)和动压气浮轴承(1-7)。6.一种蓄能系统，其特征在于：包括压力能回收支路、抽水蓄能支路、权利要求1-5中任一项所述的压力能回收装置(1)，所述压力能回收支路包括预热器(3)、流量计(7)、第一快速关断阀(4)、第一逆止阀(5)，高压管网依次连通所述预热器(3)、流量计(7)、第一快速关断阀(4)、压力能回收装置(1)的进气口(1-2-1)，所述压力能回收装置(1)的出气口(1-2-2)依次连通第一逆止阀(5)、低压管网；所述抽水蓄能支路包括上水库(13)、下水库(15)、水轮机(14)、发电机(10)、变压器(11)，所述下水库(15)连接压力能回收装置(1)的进水口(1-5-1)，压力能回收装置(1)的出水口(1-5-2)依次连接所述上水库(13)、水轮机(14)、发电机(10)、变压器(11)和电网(16)。7.根据权利要求6所述一种蓄能系统，其特征在于：所述压力能回收支路还并联有备用
调压支路，所述备用调压支路包括处理器(6)、第二快速关断阀(17)、调压阀(2)、第二逆止阀(18)，所述流量计(7)、第二快速关断阀(17)、调压阀(2)、第二逆止阀(18)和低压管网依次相连，所述处理器(6)分别与流量计(7)、第一快速关断阀(4)和第二快速关断阀(17)电连接。8.根据权利要求6所述一种蓄能系统，其特征在于：所述抽水蓄能支路还包括备用水泵(12)，光伏发电装置(8)和风力发电装置(9)均与所述变压器(11)连接，所述备用水泵(12)设置在所述下水库(15)和上水库(13)之间，变压器(11)连接备用水泵(12)并提供电源。

技术总结
本发明公开了一种基于磁力转动的压力能回收装置和蓄能系统，压力能回收装置包括蜗壳、径流式向心叶轮、外壳、机盖、隔离罩、内磁、外磁、水泵、第一转轴和第二转轴等，基于磁力传动技术设计，通过磁连轴发电装置，采用内外磁转子的无接触传递方式代替了传统的动密封设计，避免了转轴连接处发生高压燃气泄漏的风险，提升了设备的安全稳定性。蓄能系统包括备用调压支路，压力能回收支路以及抽水蓄能支路，压力能回收支路通过压力能回收装置从下水库向上水库抽水蓄能，将高压管网的压力能转换为水的势能；抽水蓄能支路根据系统发电量与电网需求量合理选择选择并网供电与抽水蓄能调峰双重工作状态。峰双重工作状态。峰双重工作状态。


技术研发人员：蔡亮 毛衍钦 郭万军 刘洋露 范雪晴 程嘉煜
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1