ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
EXPANDER-GENERATOR REGULATOR OF PRESSURE OF NATURAL GAS

Изобретение относится к области газоснабжения и может быть использовано в составе газораспределительных станций (ГРС) и газорегуляторных пунктов (ГРП) для редуцирования давления природного газа с попутной утилизации энергии потока газа для повышения автономности и безотказности систем ГРС и ГРП.
Известна энергетическая установка для редуцирования давления природного газа (патент РФ №2032822, опубл. 10.04.1995 г.). Изобретение обеспечивает повышение эффективности и улучшение экологических показателей газораспределительных станций при потребителях тепла и холода, например теплиц, холодильников и овощехранилищ, за счет утилизации энергии газа в двух турбодетандерах без его сжигания, а также расширение функциональных возможностей путем получения дополнительно к хладоресурсу еще и некоторого количества горячего воздуха.
Недостатками такой установки являются необходимость наличия потребителей тепла и холода, а также, вследствие наличия расширительных машин турбинного типа, необходимость питания данной установки довольно большими расходами природного газа, что ограничивает применимость установки для большого числа малых пунктов редуцирования. Кроме этого в установке не предусмотрена возможность преобразования энергии потока газа в электричество, что могло бы существенно повысить автономность, как самой установки, так и пункта редуцирования.
Известна газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством (патент РФ №81767, опубл. 27.03.2009 г.). Изобретение за счет высокооборотных детандера и генератора, а также преобразователя частоты тока позволяет снижать давление природного газа и преобразовывать энергию его потока в электроэнергию при обеспечении микропроцессором, получающим сигналы с датчиков температуры, давления, скорости и влажности, расположенных до и после установки, оптимального режима работы электронагревателя газа под различными внешними возмущающими воздействиями.
Недостатками являются наличие высокоскоростных детандера и генератора, что усложняет процесс их производства и обслуживания, а также расчет на относительно высокие значения расхода и входного давления газа, что подразумевает использование нагревателей и, таким образом, не может эффективно применяться на малых пунктах редуцирования.
Известно устройство регулирования турбодетандера (патент РФ №2579301, опубл. 10.04.2016 г.), устанавливаемое параллельно газораспределительной станции и содержащее турбодетандер, генератор, стопорный клапан, два регулирующих органа с приводами, байпасный клапан, переключатель режимов работы, сумматор, три элемента сравнения, датчики давления и нагрузки внешней электрической сети, частотный преобразователь, фильтр и выпрямитель. Данное устройство позволяет регулировать работу турбодетандера в зависимости от величины нагрузки внешней электрической сети, снизить колебания давления газа в магистрали низкого давления, а также повысить надежность работы турбодетандера.
Недостатками этого устройства являются возможность эффективной работы детандер-генераторной установки в целом лишь на стабильных относительно высоких давлениях и расходах газа, а также чрезмерная сложность системы с высокими потерями энергии потока газа.
Известен детандер-генераторный агрегат с системой его регулирования (патент РФ №2620624, опубл. 29.05.2017 г.), принятый за прототип. Изобретение, за счет применения регулируемого объемного пневмодвигателя, позволяет утилизировать энергию потока газа на относительно малых давлениях и расходах, независимо от неравномерности отбора газа потребителями и изменения момента сопротивления.
Недостатком этого агрегата является необходимость наличия отдельного регулятора давления, на котором происходит потеря энергии и который необходимо подвергать перенастройке при значительном изменении входных параметров потока газа. Кроме этого регулятор давления подвержен возможным автоколебаниям вследствие работы системы регулирования детандер-генераторного агрегата.
Техническим результатом является возможность снижения давления природного газа и поддержания его на заданном уровне в пунктах редуцирования с относительно малыми расходами и давлениями при попутной утилизации энергии потока газа вне зависимости от внешних воздействий, влияющих на параметры газового потока, без применения регулятора давления как отдельного устройства и без индивидуальной системы стабилизации частоты вращения детандера, что повышает эффективность процесса редуцирования, утилизации энергии газа и безотказность пункта редуцирования в целом.
Технический результат достигается тем, что объемный пневмодвигатель устанавливается между предохранительным запорным клапаном и выходной запорной арматурой линии редуцирования, при этом выход датчика давления, установленного на выходе детандер-генераторного регулятора давления, связан с входом управляющего контроллера, выход которого связан с входом исполнительного устройства регулирующего клапана.
Устройство поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 - общая схема устройства, где:
1 - детандер-генераторный регулятор давления природного газа;
2 - линия редуцирования;
3 - входная запорная арматура;
4 - устройство очистки;
5 - предохранительный запорный клапан (ПЗК);
6 - объемный пневмодвигатель;
7 - электрогенератор;
8 - регулирующий клапан;
9 - датчик давления;
10 - контроллер;
11 - исполнительное устройство регулирующего клапана;
12 - выходная запорная арматура;
13 - предохранительный сбросной клапан (ПСК).
Детандер-генераторный регулятор давления природного газа 1 (фиг. 1), находящийся на линии редуцирования 2 между предохранительным запорным клапаном 5 и выходной запорной арматурой 12, содержит объемный пневмодвигатель 6, установленный между предохранительным запорным клапаном 5 и выходной запорной арматурой 12 линии редуцирования и кинематически связанный с электрогенератором 7, выход пневмодвигателя связан с его входом через регулирующий клапан 8, при этом выход датчика давления 9, установленного на выходе детандер-генераторного регулятора давления 1, связан с входом управляющего контроллера 10, выход которого связан с входом исполнительного устройства 11 регулирующего клапана 8.
На трубопроводе линии редуцирования 2 последовательно располагаются: входная запорная арматура 3, фильтр 4, предохранительный запорный клапан 5, детандер-генераторный регулятор давления природного газа 1, выходная запорная арматура 12 и предохранительный сбросной клапан 13.
Устройство работает следующим образом. После прохождения предохранительного запорного клапана 5 на линии редуцирования 2 природный газ разделяется на два потока, количественное соотношение которых определяется степенью открытия регулирующего клапана 8. Управление регулирующим клапаном 8 при помощи исполнительного устройства 11 происходит контроллером 10 в зависимости от величины рассогласования значения давления на выходе регулятора давления 1, определяемого датчиком 9, с уставкой, т.е. с требуемой величиной давления. Один поток поступает на объемный пневмодвигатель 6, где расширяется и совершает полезную работу, которая преобразуется в механическую, а затем, при помощи электрогенератора 7, в электрическую энергию. Другой поток проходит через регулирующий клапан 8, где дросселируется в зависимости от степени его открытия. После этого ранее разделенные потоки соединяются в один, уже имеющий требуемые значения давления и температуры, и, через выходную запорную арматуру 12, направляются в трубопровод потребителей.
Давление на выходе детандер-генераторного регулятора давления 1 зависит от количеств подачи природного газа через регулирующий клапан 8 и через объемный пневмодвигатель 6, а также от степеней понижения давления на них. Поддержание давления в трубопроводе потребителя на заданном уровне в данном случае является не только требованием системы газораспределения, но и позволяет обеспечить стабилизацию частоты вращения объемного пневмодвигателя 6, т.к. она зависит от перепада давлений на ее входе и выходе, что, в свою очередь, повышает качество получаемой электрогенератором энергии.
При уменьшении отбора газа потребителями давление после детандер-генераторного регулятора давления 1 увеличивается, уменьшая при этом перепад давлений на объемном пневмодвигателе 6 и, таким образом, уменьшая частоту его вращения. Превышение давления над уставкой при помощи датчика 9 регистрируется контроллером 10, который посылает исполнительному устройству 11 сигнал на уменьшение степени открытия регулирующего клапана 8 до тех пор, пока давление на выходе детандер-генераторного регулятора давления 1 не сравняется с уставкой, восстановив при этом перепад давлений на объемном пневмодвигателе 6.
При увеличении отбора газа потребителями, для поддержания давления на выходе детандер-генераторного регулятора давления, регулирующий клапан 8 открывается.