УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ГАЗОВОЙ МАГИСТРАЛИ С ТУРБОДЕТАНДЕРОМ
DEVICE FOR PRESSURE REGULATION IN GAS LINE WITH TURBO-EXPANDER

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования давления в газовой магистрали с помощью турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для рекуперации энергии сжатого газа и выработки электрической энергии.
Известно устройство турбодетандера для выработки электроэнергии, где регулирование подачи газа к турбодетандеру и поддержание давления осуществляется при помощи регулирующих вентилей (Патент RU 1822237 С, кл. F25B 11/00, опубл. 19.06.1995).
Недостаток устройства состоит в низкой надежности работы турбодетандера и отсутствие коррекции потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения электрической нагрузки сети.
Известна газораспределительная станция с выработкой электроэнергии, содержащая турбодетандеры, каждый из которых включает турбину и расположенный на ее валу электрогенератор и по меньшей мере один нагреватель газа, связанный с входом турбины по меньшей мере одного из турбодетандеров, а выход одного из турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом конечного давления (Патент RU 2221192 С2, кл. F17D 1/04, F25B 11/00, опубл. 10.01.2004).
Данное устройство не обеспечивает высокой надежности работы турбодетандера и точности поддержания давления газа в магистрали низкого давления при существенных изменениях диапазонов нагрузки в электрической сети.
Известно устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенной с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем и регулируемым по частоте инвертором (Патент RU 2223533 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 10.02.2004).
Известное устройство не обеспечивает постоянные параметры режима работы турбодетандера и при перепадах нагрузки в электрической сети, что снижает надежность работы устройства в целом.
Наиболее близким является устройство регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенного с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем и регулируемым по частоте инвертором, датчик нагрузки внешней электросети, соединенный с выходом регулируемого по частоте инвертора, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра с силовыми ключами, управляемыми через контроллер, последовательно соединенные дополнительный выпрямитель, датчик нагрузки нагревательных элементов, регулируемый силовой усилитель, силовые ключи и нагревательные элементы, сумматор, первый вход которого через первый масштабирующий усилитель соединен с датчиком нагрузки внешней электросети, а второй через второй масштабирующий усилитель с датчиком нагрузки нагревательных элементов, блок сравнения, первый вход которого соединен с задатчиком номинального режима работы турбодетандера, а второй с выходом сумматора, выход блока сравнения соединен с управляющим входом регулируемого силового усилителя, вход дополнительного выпрямителя соединен с выходом электрического генератора переменного тока (Патент RU 2587021 С1, кл. F17D 1/00, опубл. 10.06.2016).
Известное устройство не обеспечивает согласования запасенной энергии сжатого газа и электроэнергии, отдаваемой в сеть и требуемой величины подогрева природного газа в зависимости от его расхода, что снижает надежность работы устройства.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении надежности работы устройства посредством обеспечения согласования запасенной энергии сжатого газа и электроэнергии, отдаваемой в сеть и требуемой величины подогрева природного газа в зависимости от его расхода.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство регулирования давления в газовой магистрали с турбодетандером, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенного с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем и регулируемым по частоте инвертором, датчик нагрузки внешней электросети, соединенный с выходом регулируемого по частоте инвертора, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра с силовыми ключами, управляемыми через контроллер, последовательно соединенные дополнительный выпрямитель, датчик нагрузки нагревательных элементов, регулируемый силовой усилитель, силовые ключи и нагревательные элементы, сумматор, первый вход которого через первый масштабирующий усилитель соединен с датчиком нагрузки внешней электросети, а второй через второй масштабирующий усилитель с датчиком нагрузки нагревательных элементов, блок сравнения, первый вход которого соединен с задатчиком номинального режима работы турбодетандера, а второй с выходом сумматора, выход блока сравнения соединен с управляющим входом регулируемого силового усилителя, вход дополнительного выпрямителя соединен с выходом электрического генератора переменного тока, дополнительно введены расходомер в магистрали высокого давления, выход которого через корректор и задатчик минимального значения нагрузки нагревательных элементов соединен с первым входом сумматора значения нагрузки нагревательных элементов, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, а выход - с управляющим входом регулируемого силового усилителя, датчик давления магистрали высокого давления, выход которого соединен с первым входом блока вычисления разности давлений, второй вход которого соединен с выходом датчика давления магистрали низкого давления, блок вычисления запасенной энергии газа, первый вход которого соединен с выходом расходомера в магистрали высокого давления, второй - с выходом блока вычисления разности давлений, а выход с входами корректора задатчика номинального режима работы турбодетандера и корректора задатчика максимальной нагрузки турбодетандера, выход корректора задатчика номинального режима работы турбодетандера соединен с входом задатчика номинального режима работы турбодетандера, второй блок сравнения, первый вход которого через задатчик максимальной нагрузки турбодетандера соединен выходом корректора задатчика максимальной нагрузки турбодетандера, а второй - с выходом сумматора, выход второго блока сравнения через первый компаратор соединен с блоком сигнализации максимального значения внешней нагрузки и через второй компаратор - с блоком отключения в цепи внешней нагрузки.
На фигуре представлена структура устройства регулирования давления в газовой магистрали с турбодетандером.
Устройство содержит газораспределительное устройство 1, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами 2, управляемыми через контроллер 3 от датчика давления 4 магистрали низкого давления, соединенной с турбодетандером 5, нагруженным электрическим генератором 6 переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем 7 и регулируемым по частоте инвертором 8, датчик нагрузки внешней электросети 9, подсоединенный к выходу регулируемого по частоте инвертора 8, нагревательные элементы 10, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, с силовыми ключами 11, управляемыми через контроллер 3, последовательно соединенные дополнительный выпрямитель 12, датчик нагрузки 13 нагревательных элементов 10, регулируемый силовой усилитель 14 и силовые ключи 11 нагревательных элементов 10, сумматор 15, первый вход которого через первый масштабирующий усилитель 16 соединен с датчиком нагрузки внешней электросети 9, а второй через второй масштабирующий усилитель 17 с датчиком нагрузки 13 нагревательных элементов 10, блок сравнения 18, первый вход которого соединен с задатчиком номинального режима работы 19 турбодетандера 5, а второй с выходом сумматора 15, расходомер 20 в магистрали высокого давления, выход которого через корректор 21 и задатчик минимального значения 22 нагрузки нагревательных элементов 10 соединен с первым входом сумматора значения нагрузки 23 нагревательных элементов 10, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения 18, а выход - с управляющим входом регулируемого силового усилителя 14, датчик давления магистрали высокого давления 24, выход которого соединен с первым входом блока вычисления разности давлений 25, второй вход которого соединен с выходом датчика давления 4 магистрали низкого давления, блок вычисления запасенной энергии 26 газа, первый вход которого соединен с выходом расходомера 20 в магистрали высокого давления, второй - с выходом блока вычисления разности давлений 25, а выход с входами корректора задатчика номинального режима 27 работы турбодетандера 5 и корректора задатчика максимальной нагрузки 28 турбодетандера 5, выход корректора задатчика номинального режима 27 работы турбодетандера 5 соединен с входом задатчика номинального режима 19 работы турбодетандера 5, второй блок сравнения 29, первый вход которого через задатчик максимальной нагрузки 30 турбодетандера 5 соединен выходом корректора задатчика максимальной нагрузки 28 турбодетандера 5, а второй - с выходом сумматора 15, выход второго блока сравнения 29 через первый компаратор 31 соединен с блоком сигнализации максимального значения 32 внешней нагрузки и через второй компаратор 33 - с блоком отключения 34 в цепи внешней нагрузки в электросеть.
Устройство для регулирования давления в газовой магистрали с турбодетандером работает следующим образом.
Газ магистрали высокого давления через набор труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами 2 газораспределительного устройства 1 поступает в турбодетандер 5 и приводит во вращательное движение электрический генератор 6 переменного тока. Вырабатываемое переменное напряжение выпрямляется на выпрямителе 7 и преобразуется в напряжение промышленной частоты с помощью инвертора 8. Датчик нагрузки внешней электросети 9 вырабатывает напряжение, пропорциональное значению текущей нагрузки внешне электросети.
Для поддержания требуемого давления газа при возможных изменениях расхода в магистрали низкого давления, датчик давления 4 магистрали низкого давления вырабатывает пропорциональное напряжение, которое обрабатывается контроллером 3 и на основе этого вырабатываются управляющие воздействия, регулирующие поток газа по отдельным трубам из набора труб с установленными на них запорными устройствами 2. Подогрев газа по каждой трубе производится нагревательными элементами 10.
При стабильной нагрузки внешней электрической сети и постоянном расходе газа вырабатываемая электроэнергия распределяется во внешнюю электросеть и на нагревательные элементы 10 подогрева газа через дополнительный выпрямитель 12, датчик нагрузки 13 нагревательных элементов 10 и регулируемый силовой усилитель 14 в определенной пропорции, задаваемой задатчиком номинального режима работы 19 турбодетандера 5. Напряжение задатчика номинального режима работы 19 турбодетандера 5 на блоке сравнения 18 уравновешивается напряжением сумматора 15, который суммирует нагрузку внешней электросети и нагревательных элементов 10 посредством первого масштабирующего усилителя 16, соединенного с датчиком нагрузки внешней электросети 9 и второго масштабирующего усилителя 17, соединенного с датчиком нагрузки 13 нагревательных элементов 10. В результате турбодетандер 5 работает в номинальном режиме.
Расходомер 20 в магистрали высокого давления измеряет текущее значение потока газа, проходящего через устройство. Разность давлений в магистралях высокого и низкого давлений определяется блоком вычисления разности давлений 25 на основе сигналов с датчиков давлений магистралях высокого давления 24 и низкого 4 давлений. На основе расхода газа и перепада давлений блок вычисления запасенной энергии 26 газа вырабатывает сигнал, пропорциональный энергии газа, преобразуемой на турбодетандере 5 и генераторе 6 в электрическую энергию переменного тока. Этот сигнал посредством корректора задатчика номинального режима 27 корректирует задатчик номинального режима 19 работы турбодетандера 5. Этим достигается согласование величин запасенной энергии сжатого газа и электроэнергии, отдаваемой в сеть.
Величина текущего значения запасенной энергии от блока вычисления запасенной энергии 26 газа через корректор задатчика максимальной нагрузки 28 поступает на задатчик максимальной нагрузки 30 турбодетандера 5. На втором блоке сравнения 29 происходит сравнение текущего значения запасенной энергии от блока вычисления запасенной энергии 26 газа и текущего значения вырабатываемой электроэнергии от сумматора 15, который суммирует нагрузку внешней электросети и нагревательных элементов 10 посредством датчика нагрузки внешней электросети 9 и датчика нагрузки 13 нагревательных элементов 10 через соответствующие масштабирующие усилители 16 и 17.
В результате на выходе второго блока сравнения 29 формируется сигнал рассогласования между текущими значениями запасенной энергии газа вырабатываемой электрической энергии.
В случае снижения потребления расхода газа сигнал рассогласования между текущими значениями запасенной энергии газа и вырабатываемой электрической энергии возрастает, вырабатываемой электроэнергии становится недостаточно, что приводит сначала к срабатыванию первого компаратора 31 и блока сигнализации максимального значения 32 внешней нагрузки, а затем к срабатыванию второго компаратора 33 и блока отключения 34 цепи внешней нагрузки.
В случае повышения потребления расхода газа рассогласование между текущими значениями запасенной энергии газа и вырабатываемой электрической энергии отрабатывается через корректор 27 и задатчик номинального режима работы 19 на блоке сравнения 18. В результате избыточная часть электрической энергии поступает на нагревательные элементы 10.
Минимальное значение электрической энергии, необходимой для надежной работы нагревательных элементов 10 в зависимости от текущего расхода газа, формируется посредством расходомера 20, корректора 21 и задатчика минимального значения 22 нагрузки нагревательных элементов 10. Сигнал от задатчика минимального значения 22 поступает на сумматор значения нагрузки 23 нагревательных элементов 10 и регулируемый силовой усилитель 14, что обеспечивает постоянное поддержание минимального значения электрической энергии, необходимой для надежной работы нагревательных элементов 10.
Такое техническое решение обеспечивает повышение надежности работы устройства посредством поддержания требуемой величины подогрева природного газа в зависимости от его расхода и согласования запасенной энергии сжатого газа и электроэнергии, отдаваемой в сеть.