ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к области газовой промышленности, энергетики, в частности к энергетическим установкам, утилизирующим энергию избыточного давления газа с реализацией турбодетандерного эффекта, и может быть использована в установках для утилизации потенциальной энергии природного газа при редуцировании его давления на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).
Известны детандер-генераторные агрегаты (ДГА) [патенты RU на полезную модель №36125, 57434], содержащие последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник подогрева газа, детандер, кинематически связанный с электрогенератором, трубопровод низкого давления.
Известна также детандер-генераторная установка [патент RU на полезную модель №59783], содержащая генератор, в корпусе которого размещены статор и ротор, на валу которого установлен привод, патрубки подвода и отвода газа, причем корпус генератора выполнен из трубы, закрытой с торцов днищем и крышкой, которая состоит из двух частей, образующих своей внутренней поверхностью соединенную с патрубком подвода газа полость, в которой размещен привод. Статор установлен в корпусе генератора с образованием между ними кольцевого канала, а в крышке выполнены аксиальные каналы, соединяющие полость крышки с патрубком отвода газа посредством кольцевого канала.
Недостатком данного устройства является то, что в указанной конструкции детандер-генераторной установки при сильном переохлаждении газа возможно выпадение капельной влаги и кристаллогидратов, которые могут накапливаться к корпусе установки из-за указанного расположения входного и выходного патрубков газа.
Известно также устройство для утилизации избыточной энергии газа [патент RU на изобретение №2138743]. В качестве электрической машины использован асинхронный генератор повышенной частоты тока с конденсаторами самовозбуждения. Валы расширительной и электрической машин соединены между собой муфтой, причем турбина и асинхронный генератор помещены в герметичную камеру, содержащую входной и выходной патрубки для движения газа, и проходные изоляторы, посредством которых генератор соединен с конденсаторами возбуждения и дополнительно введенным силовым выпрямителем, положительный и отрицательный выводы которого соединены с инвертором тока или электролизной установкой.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является турбодетандерная установка [патент RU на изобретение №2047059], содержащая генератор, в корпусе которого расположены статор и ротор на подшипниковых опорах и турбина с рабочим колесом и сопловым аппаратом, размещенным в диафрагме. В генераторной полости размещены статор и ротор генератора, установленный в перегородках корпуса. Полости подвода и отвода газа к турбине снабжены патрубками и соединены между собой пропущенными через генераторную полость трубами с образованием генераторной полости трубчатого кольцевого теплообменника. В полости подвода газа размещена низконапорная турбина, рабочее колесо которой установлено консольно на роторе генератора.
Недостатком известных устройств является отсутствие внешнего регулирования или ограничения максимального числа оборотов вала ротора в генераторе, что может привести к повышенной нагрузке на данные элементы. Кроме того, при выводе электроэнергии от генератора на внешнюю сеть может возникнуть проблема герметичности проводника.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции ДГА при сохранении высокого уровня надежности и обеспечения снижения себестоимости устройства.
Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что ДГА содержит корпус, внутри которого: генератор, в корпусе которого расположены статор, ротор на валу, силовой выпрямитель, соединенный со статором, регулятор напряжения, соединенный с силовым выпрямителем; патрубки подвода и отвода газа; турбина в виде рабочего колеса с лопатками, установленного на валу ротора, сопловый аппарат в виде трех сопел, установленных в патрубках подвода газа и размещенных к поверхности лопаток рабочего колеса под углом 8°-30°; вывод на внешнюю электрическую
сеть, соединенный с генератором посредством элемента из проводника конусообразной формы, помещенного в штуцер, между которым и проводником - диэлектрический наполнитель, при этом элемент выполнен вывинчивающимся из бобышки, жестко закрепленной на корпусе ДГА, на штуцере установлена соединительная коробка с резиновым уплотнителем.
Технический результат заявляемой полезной модели. Поставленная задача решается с помощью применения технического приема, а именно введения в корпус генератора регулятора напряжения и силового выпрямителя. Кроме того, заявленная конструкция проводника, соединяющего вывод генератора с внешней сетью, обеспечивает легкую замену вышедших из строя элементов без замены жесткого соединения в виде бобышки на корпусе ДГА, поскольку проводник выполнен выкручивающимся. Наличие резинового уплотнителя в соединительной коробке, укрепленной на штуцере, и иэлектрического наполнителя между конусообразным проводником и штуцером обеспечивает герметичность корпуса ДГА и предотвращает утечки газа. При возможном разрушении диэлектрического наполнителя в элементе с конусообразным проводником не происходит полной разгерметизации корпуса, поскольку под влиянием давления потока газа конусная форма проводника позволяет ему продвинуться вперед по внутренней поверхности штуцера и подобно пробке перекрыть поток газа.
Выполнение соплового аппарата в виде закрепленных на корпусе ДГА трех сопел, размещенных под углом 8°-30° к поверхности лопаток рабочего колеса, дает возможность наиболее эффективно использовать энергию высокого давления газа. Данный угол выбран эмпирически из ряда значений из условия обеспечения в пусковом режиме без подсоединения вывода генератора к элементам нагрузки внешней сети максимального числа оборотов вала генератора. За пределами величин угла происходит следующее. Если величина углов меньше 8°, то поступающий газ не в достаточной мере будет раскручивать лопатки турбины, что приведет к снижению оборотов вала генератора и, как следствие, к уменьшению выработки электроэнергии. Если величина угла больше 30°, то произойдет превышение максимально допустимой величины оборотов вала генератора, что может привести к его поломке.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью чертежей, на которых представлены: на фиг.1 - общий вид заявляемого ДГА, на фиг.2 - вид турбины, фиг.3 - вывод на внешнюю сеть, на которых позициями 1-16 обозначены:
1 - корпус ДГА;
2 - корпус генератора
3 - статор;
4 - ротор;
5 - вал ротора;
6 - силовой выпрямитель;
7 - регулятор напряжения;
8 - патрубки подвода газа;
9 - патрубки отвода газа;
10 - турбина;
11 - лопатки;
12 - сопла;
13 - проводник;
14 - штуцер;
15 - диэлектрический наполнитель;
16 - бобышка.
Заявляемый ДГА содержит вертикально расположенный корпус, выполненный из отрезка трубы, закрытой с торцов днищем и крышкой округлой формы, соединенных фланцевым разъемом. Внутри корпуса 1 ДГА размещены генератор, патрубки подвода 8 и отвода 9 газа, турбина 10, сопловый аппарат, вывод на внешнюю электрическую сеть. Генератор представляет собой трехфазный электрогенератор переменного тока, в корпусе 2 которого расположены статор 3, ротор 4 на валу 5, силовой выпрямитель 6, соединенный со статором 3, регулятор напряжения 7, соединенный с силовым выпрямителем 6. Турбина 10 выполнена в виде рабочего колеса с лопатками 11, установленного на валу 5 ротора. Сопловый аппарат выполнен в виде трех сопел 12, установленных в патрубках подвода 8 газа и размещенных к поверхности лопаток 11 рабочего колеса под углом 8°-30°. Сопла 12 образуют попарно друг с другом угол 120°. Вывод на внешнюю электрическую сеть соединен с генератором посредством элемента из проводника 13 конусообразной формы, помещенного в штуцер 14, между которым и проводником 13 - диэлектрический наполнитель 15. В качестве диэлектрического наполнителя 15 может выступать, например, эпоксидная смола. Указанный элемент выполнен вывинчивающимся из бобышки 16, жестко закрепленной на корпусе 1 ДГА. Это позволяет заменять вышедшие из строя элементы без замены жесткого соединения в виде бобышки 16. На штуцере установлена соединительная коробка с резиновым уплотнителем, который обеспечивает герметичность вывода электроэнергии.
Работа ДГА осуществляется следующим образом. Газ высокого давления подводится к патрубку подвода 8 газа на корпусе 1 ДГА. В корпусе 1 ДГА газ поступает через сопловый аппарат, где потенциальная энергия давления газа переходит в кинетическую энергию движения газа. Далее газ поступает на лопатки 11 рабочего колеса турбины. Турбина 10 своим вращением раскручивает ротор 4 генератора. При взаимодействии электромагнитных полей ротора 4 и статора 3 механическая энергия преобразуется в электрическую. Получаемый при этом переменный ток преобразуется силовым выпрямителем 6 в постоянный ток, который через проводник 13 выводится на внешнюю сеть. Вентилятор, установленный на роторе 4, создает циркуляционный поток газа внутри корпуса 2 генератора, при этом охлаждаются обмотки статора 3 и ротора 4. Для обеспечения стабильных параметров напряжения сети в генераторе установлен регулятор напряжения 7, который обеспечивает регулировку напряжения в зависимости от изменения энергопотребления сети. Прошедший через рабочее колесо турбины 10 газ удаляется через патрубок отвода 9 газа, расположенный в днище корпуса 1 ДГА.