專利名稱：利用天然氣管道中過剩壓力發(fā)電的設備和方法
背景技術：
本發(fā)明涉及能源回收領域，特別是提取在天然氣管道中以過剩壓力形式存在的勢能。
天然氣通常在700-1000psia(絕對壓強)的壓力下在傳輸管道中傳送。在城市入口站，通過壓力調節(jié)器及控制閥，天然氣的壓力被減至150-200psia以輸送到分配網，在分配網中天然氣的壓力再次被減至約50psia并供應給用戶。但是，在傳統(tǒng)的減壓設備中，氣體過剩壓力的勢能主要以廢熱的形式白白損失掉了。
對天然氣管道中能源損耗這一問題的一個解決方法是Stewart&Stevenson最近研究出來的被稱做“能量擴展器”(“Power expander”)的能源回收裝置。能量擴展器在線設置并使高壓氣體通過其內的噴嘴以一定角度流向反擊式汽輪機渦輪。該渦輪在氣體壓力的作用下旋轉并通過與感應發(fā)電機聯(lián)接的輸出軸傳送機械能。
當安裝在每天連續(xù)流量2100萬立方英尺、進氣壓力150psia、出氣壓力50psia的天然氣輸送道內時，能量擴展器的輸出功率為382馬力，即在壓降為100psi時，功率為250kw。這就是說，該裝置輸出約3.82馬力，即在氣體壓力每下降1psi時相應產生2.5kw功率。
本發(fā)明的一個目的是提供一種將氣體壓力轉換成電能的設備和方法，即通過使有壓氣體在一定位置連續(xù)地流入位于裝滿液體的容器中的多個向下開口貯槽中的一個，在該位置液體的靜壓等于所希望的氣體壓降，這樣氣體會置換貯槽中的一部分液體，并且產生的浮力會使貯槽向上運動并使浮力轉換成旋轉能。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種將氣體壓力轉換為可利用能源的設備，該設備用氣體置換由環(huán)形驅動鏈帶動的向下開口的吊桶或貯槽中的液體，并利用液體靜壓作用在吊桶中的氣體上以使吊桶向上運動并使發(fā)電機的軸旋轉。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠發(fā)電而同時減少管道中氣體的壓力的設備，該設備包括一個裝滿液體的容器，該容器包含兩個豎直部分和將兩個豎直部分各自的頂端和底端連接起來的兩個水平部分；一個安裝在其中一個水平部分內與水平輸出軸一起旋轉的鏈輪；一個安裝在另一個水平部分內且能夠旋轉的惰輪；一條環(huán)繞鏈輪和惰輪的環(huán)形驅動鏈；多個由傳動鏈帶動的開口貯槽，每個貯槽安裝在鏈上，使得當該貯槽與傳動鏈一同向上運動時，它的開口端朝下，而當該貯槽與驅動鏈一同向下運動時，它的開口端朝上；一個位于容器底部的氣體入口以保證至少進入容器中的氣體的一部分能夠進入向下開口的吊桶并置換吊桶中的液體，并且產生浮力使貯槽向上運動并使鏈輪和輸出軸轉動且還可以減小吊桶中氣體的壓力，當?shù)跬袄@過鏈輪并翻轉成開口朝上時，吊桶中的氣體被釋放向上朝向容器的頂部流動；一個位于容器頂部的氣體出口。
本發(fā)明的還一個目的是提供一種裝置，該裝置能夠降低天然氣管道中的氣體壓力而同時又顯著提高氣體壓力下降每psi時所能回收的能量。具體地講，當氣體壓力由進氣時的150psia被降至出氣時的50psia時，本發(fā)明的裝置擬提供約31.42馬力，它將在每psi氣壓降的條件下產生22.14KW功率，本發(fā)明的這些和其它目的、優(yōu)點和特征對于本領域的技術人員而言，可從包括附圖和權利要求書的本說明書中顯而易見。附圖簡述在附圖中

圖1是本發(fā)明所述發(fā)電設備的局部前視和局部剖面圖；圖2是沿圖1中2-2線截取的發(fā)電設備下部水平部分的剖視圖；圖3是由多個本發(fā)明所述發(fā)電設備串聯(lián)成的用以將天然氣管道中的部分壓力轉換成電能的工藝流程圖。優(yōu)選實施方案詳述圖3示出了以串聯(lián)方式在入口管道12和出口管道16之間連接的幾個本發(fā)明所述發(fā)電設備10的流程圖。流經管道12的天然氣壓力為150-200psia。當天然氣以氣泡狀通過14.3英尺的水時，輸送到各連續(xù)發(fā)電裝置10的氣體的壓力將下降約6.2psi(磅/英寸)。此時，這6.2psi壓降中所體現(xiàn)的能量的一部分按下述方式轉換成驅動輸出軸28旋轉所做的功。每根輸出軸28上產生的扭矩通過感應發(fā)電機(圖中未顯示)或其它裝置轉換成電能。通過將多個發(fā)電設備10以串聯(lián)方式排列，出氣管14中氣體的壓力將最終被降至適合用戶使用的水平。例如，16個這樣的設備10串聯(lián)布置將使氣體的壓力從氣體入口管道12處的150psia降至出氣體出口管道16處的約50psia，而同時在約53-55％的發(fā)電機效率下，將累計輸出3,142馬力，其產生2,214kw的可回收能量。
實現(xiàn)本發(fā)明所述方法的設備的優(yōu)選實施方案如圖1所示，該設備標號總體為10。設備10包括一個裝滿水的容器，該容器有兩個大體呈豎直的部分18和20以及將兩個豎直部分各自的頂端和底端連接起來的兩個水平部分22和24。如實施方案中所示，豎直部分20相對于垂直軸稍有傾斜。上水平部分22包括傾斜的上表面22A和22B以及穿孔的水平上表面22C。
鏈輪26安裝在上水平部分22中的水平輸出軸28上并與該軸一起旋轉。惰輪30安裝在下水平部分24中的惰輪軸32上并與該軸一起旋轉。在鏈輪26的周邊設有外部溝槽27，在惰輪30的周邊設有外部溝槽31，其原因將在下面說明。
環(huán)形驅動鏈34環(huán)繞著鏈輪26和惰輪30延續(xù)。氣體貯槽或吊桶36連接在環(huán)形驅動鏈上。氣體貯槽36優(yōu)選地由盡可能接近中等浮力的材料例如丙烯酸材料制成。在所示的實施方案中，每個吊桶36都有一對凸緣37，凸緣37通過銷39與驅動鏈的鏈節(jié)44樞軸式地連接，以便凸緣在驅動鏈內起另一個鏈節(jié)的作用。惰輪30上的槽31和鏈輪26上的槽27間隔開以便當驅動鏈圍繞惰輪和鏈輪運動時與銷39嚙合，迫使惰輪和鏈輪隨著運動的驅動鏈轉動。
在運轉時，容器10內被注滿水，水的高度超過吊桶36繞過鏈輪26的路徑的高度。有壓力的氣體經入口管道I進入容器。有孔的管子40與入口管道I垂直相聯(lián)以在橫穿吊桶開口端46的寬度方向上分配天然氣。
氣體首先進入最低的吊桶36A中并且置換了該吊桶內的水。最初，只有水的靜壓力作用在吊桶的氣體上并推動吊桶向上。但這并不足以迫使驅動鏈運動，所以提供了通道48以使剩余的氣體流入下一個吊桶。這個過程一直持續(xù)到每個開口朝下的吊桶都被注入天然氣且作用在吊桶上的總浮力推動連接到吊桶上的驅動鏈34在容器部分20中向上運動。一但驅動鏈和吊桶開始運動，就會有足夠的浮力將大部分運動轉變成功。鏈34的轉動通過銷39與相應的槽27和31嚙合以使鏈輪26和惰輪輻30旋轉。軸28和32依次在鏈輪26和惰輪輻30的作用下轉動。
伸出容器上部22外部的輸出軸28旋轉所產生的扭矩用來驅動一臺在容器外發(fā)電的發(fā)電機。在這個過程中，傳輸管道中天然氣的壓力被降至適合用戶使用的水平。
流進容器但沒有收集進入吊桶的氣體大約為25％，它在水中急劇上升，形成的氣流按逆時針方向環(huán)繞容器順序流過部分20、22、18和24。這股強力環(huán)流強化了吊桶36的鏈34環(huán)繞容器的運動。
正如以上所解釋的，氣體從輸送管道到分配管道通常所希望的壓降是約100psi。要用本發(fā)明的容器獲得這100psi的壓降就需要該容器含230英尺高的水?；蛘?，采用串聯(lián)的幾個容器，例如串聯(lián)的16個容器，每個容器都具有足夠的水以使氣體通過14.3英尺高的水層，從而使得氣體的壓力從約150psi的管道壓力下降約100psi，并按前面解釋的那樣產生約2,214kw的功率。在這種情況下，氣體通過每一個容器的壓降是大約6.2psi。
從以上敘述可以看出本發(fā)明十分適合于完成本文所提出的目的和目標以及本發(fā)明其它明顯和內在的優(yōu)點。
應該理解，本發(fā)明的某些特征和附屬組合具有多種用途并可以被單獨使用而與其它的特點和附屬組合無關。這一點已經被考慮到并包括在權利要求的范圍中。
由于不偏離本發(fā)明范圍的實施方案很多，應當理解，本文提供的和附圖表示的所有材料都是說明性的，而并沒有限制的含意。
例如，盡管在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明以多臺發(fā)電設備10的形式來說明，應當理解，這些設備可以根據具體的系統(tǒng)要求并聯(lián)使用或單獨使用。
此外，本領域的技術人員應當理解，本發(fā)明適用于任何存在氣體過剩壓力的系統(tǒng)中，如丙烷和甲烷貯存罐以及精煉廠燃燒氣體。
權利要求
1.一種用于發(fā)電同時降低管道中氣體壓力的設備，它包括一個裝滿液體的容器，該容器包含一個基本豎直的第一部分和一個從第一部分向上傾斜的第二部分，每個部分都有頂端和底端，該容器還包含將第一和第二部分的頂端和底端連接起來的兩個基本上水平的部分；一個安裝在其中一個水平部分內與水平輸出軸一起旋轉的鏈輪；一個安裝在另一個水平部分內且能旋轉的惰輪；一個環(huán)繞著鏈輪和惰輪的環(huán)形驅動鏈；多個由驅動鏈帶動的開口貯槽，每個貯槽安裝在鏈上，使得當貯槽同驅動鏈一起向上運動通過第二部分時是開口朝下的，而當貯槽隨驅動鏈一起向下運動通過第一部分時是開口朝上的；一個位于第二部分的底端下方的氣體入口，以使至少一部分流入容器內的氣體能夠進入在第二部分內開口朝下的貯槽中并置換貯槽內的液體，這樣就可以產生一個正的浮力以推動貯槽向上運動并使鏈輪及輸出軸旋轉，且還可以減小貯槽中氣體的壓力，當貯槽繞過鏈輪而翻轉成開口朝上時，貯槽中的氣體被釋放并向上流向容器頂部；一個在第二部分的頂端上方與容器相連的氣體出口。
2.權利要求1所述的設備，其特征在于，所述鏈輪的直徑大于惰輪的直徑，鏈輪被安裝在將第一和第二部分的頂端連接起來的水平部分內并且能夠旋轉，而所述惰輪被安裝在將第一和第二部分的底端連接起來的另一水平部分內并且也能夠旋轉。
3.權利要求1所述的設備，其特征在于，每個貯槽外側都設有一個溢流通道，進入容器中的氣體可通過此通道并進入下一個較高的貯槽內直到產生足夠的浮力能使貯槽開始向上運動并使鏈輪旋轉。
4.一種發(fā)電而同時又將管道中的氣體壓力減小所要求量的方法，它包括以下步驟使有壓氣體順序進入多個開口朝下的貯槽內，該貯槽與一根環(huán)形鏈相連并在充滿液體的容器內環(huán)繞上下兩根軸旋轉通過向外傾斜的和垂直的部分，氣體在向外傾斜部分下方的一個位置注入，在該位置流體靜壓大約等于所希望的氣體中的壓降，以置換在向外傾斜部分內的貯槽中的一部分液體并產生一個正的浮力以推動貯槽向上運動，從而將向上運動的貯槽內氣體的浮力轉換成其中一根軸的旋轉能，同時氣體壓力的下降值約等于在氣體輸入位置處水的靜壓值。
5.一種發(fā)電而同時將輸送管道中天然氣壓力減至分配壓力的方法，它包括以下步驟使天然氣在向外傾斜部分的下方注入充滿液體的容器，以便被由環(huán)狀驅動鏈帶動的多個開口的貯槽所收集，環(huán)狀鏈圍繞著一個安裝在容器內水平輸出軸上并同該軸一起旋轉的鏈輪，這樣當貯槽在向外傾斜的部分內運動時其開口端朝下，當位于向外傾斜部分內的貯槽收集天然氣時，從貯槽中被置換的液體將產生一個正的浮力以推動開口朝下的貯槽向上運動并使鏈輪和輸出軸旋轉，同時降低了貯槽內天然氣的壓力，當每個貯槽繞過鏈輪并翻轉成口朝上時天然氣被釋放并向容器的上部流動；經容器頂部的出口收集釋放的天然氣并將其順序地導入串聯(lián)連接的其它這樣充滿液體的容器中，然后從中釋放以使壓力進一步降低直至從所述其它容器中的一個容器釋放出的天然氣的壓力大約為適于分配的水平；將在每個容器中向上運動的貯槽的浮力轉化為各容器的輸出軸的旋轉能。
6.一種將輸送管道中氣體的壓力減至分配系統(tǒng)中氣體的壓力而同時利用壓降發(fā)電的方法，它包括以下步驟使氣體順序通過多個裝滿水的容器，每個容器都設有一個傾斜的氣體收集部分，氣體從各容器傾斜氣體收集部分下方的一個位置被導入，此位置與使貯槽環(huán)形鏈的一側在各容器內向上運動經過傾斜氣體收集部分所要求的靜壓對應，由于氣體壓力下降的量基本等于在每個容器內在氣體導入位置的水的靜壓，被接收器收集的氣體產生電能，直至氣體壓力被降至分配系統(tǒng)所要求的水平。
全文摘要
提供了一種設備和方法,它包括使用一個裝滿水的容器,該容器有兩個豎直部分和將這兩個豎直部分各自的頂端和底端連接起來的兩個水平部分。一個鏈輪安裝在一個水平部分內的水平輸出軸上并同該軸一起旋轉,一個可旋轉的惰輪安裝在另一個水平部分內。一個載帶多個氣體貯槽或吊桶的環(huán)狀驅動鏈圍繞著容器內的鏈輪和惰輪。一個氣體入口位于容器的底部以使進入容器的氣體中的一部分進入開口向下的吊桶內并迫使吊桶內的一部分水排出桶外。水的靜壓所產生的向上的浮力施加在吊桶內的氣體上,使得吊桶向上運動。當?shù)跬跋蛏线\動時水的靜壓減少,引起相應的氣壓減小直至在表面氣體的壓降等于氣體進入容器入口處水的靜壓。吊桶的向上運動使鏈輪和輸出軸旋轉,由此可以發(fā)電以供容器外面使用并且降低了氣體壓力。
文檔編號F01D23/00GK1179198SQ96192758
公開日1998年4月15日 申請日期1996年2月5日 優(yōu)先權日1995年2月3日
發(fā)明者小·K·W·韋爾奇 申請人:韋爾奇·韋爾奇及斯旺森