СИСТЕМА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПРИ ВЫРАБОТКЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ХОЛОДА

Область техники
Полезная модель относится к области тепло-энергетики и предназначено для применения в детандер-генераторных агрегатах, вырабатывающих электроэнергию и холод за счет использования энергии избыточного давления природного газа в системах его добычи и распределения по потребителям.
Предшествующий уровень техники.
Известно применение энергии перепада давления природного газа в системах добычи и распределения природного газа (см., например, Степанец А.А. «Энергосберегающие турбодетандерные установки», Недра, 1999 г.; Аксенов Д.Т. «Утилизация «бросовой» энергии на ГРС», Газовая промышленность, №10, 2003 г., Патент РФ №2264581).
Сущность известной технологии заключается в том, что электроэнергия и холод вырабатываются с помощью детандер-генераторных агрегатов (ДГА), в которых газ высокого давления проходит через детандер, расширяется и совершает внешнюю механическую работу (на приводы электрогенератора, других механизмов), при этом снижается температура газа, т.е. вырабатывается холод, В ДГА капсульного исполнения (ПЭГА - пневмоэлектрогенераторный агрегат) температура газа на выходе достигает минус 45°С (генератор рассчитан на получение номинальной мощности при плюс 40°С, а давление газа внутри капсулы колеблется от 0,3 мПа до 1,2 мПа). Как видно, имеется резерв повышения электрической мощности таких детандеров, так как при снижении температуры и повышении давления в капсуле усиливается теплоотвод от обмоток генератора.
Применяются, как правило, два вида ДГА:
1) Электрогенератор устанавливается отдельно от детандера и соединяется с ним муфтой и редуктором, а для безопасности отделяется перегородкой;
2) Электрогенератор и детандер устанавливаются в прочной герметичной камере-капсуле (ПЭГА). Природный газ после детандера с пониженной температурой проходит через капсулу, охлаждает генератор, и затем отводится в трубопровод подачи газа потребителям.
В известных решениях используются возможности генератора по мощности без учета мощностных возможностей генератора при фактическом снижении температуры. Однако использование этого резерва порождает ряд проблем.
Первая проблема, связанная с повышением мощности генератора выше номинальной, касается создания условий, при которых температура обмотки генератора не должна превышать своего предельного уровня при снижении температуры и повышении давления окружающей среды.
При проектировании электрогенераторов по ГОСТ 14965-8сз задаются: максимальная температура окружающей среды плюс 40°С и давление 1000 м над уровнем моря. При этих параметрах генератор по ГОСТ Р551330.0-99 должен обеспечивать номинальную мощность. Кроме этого задают и минимальную температуру окружающей среды - минус 20°С. Снижение температуры от плюс 40°С до минус 20°С позволяет повышать его мощность выше номинального значения. При этом тепловой баланс обмоток генератора не нарушится, а наибольшая их температура не превысит предельных значений. Как видно, имеется резерв повышения мощности генератора, но он не используется в существующих системах.
Как отмечалось, при капсульном использовании детандер-генераторного агрегата этот резерв значительно возрастает, так как температура окружающей (охлаждающей) генератор среды может снижаться до минус 40÷45°С, а ее давление повышается от 0,3 до 1,2 мПа, что также усиливает отвод тепла от обмоток генератора.
В технической литературе (см., например, Вишневский С.Н. «Расчет характеристик сопротивления электродвигателей», Энергоиздат, 1954 г.;
Попов В.К. «Основы электропривода», Энергоиздат, 1951 г.; Справочник машиностроителя, том 2, стр.426-427, Издательство машиностроительной литературы, 1957 г.и др.) рассматриваются способы расчета мощности по условиям нагрева. При этом показано, что установившееся превышение температуры обмоток генератора над температурой окружающей среды пропорционально квадрату величины тока, проходящего через обмотки.
С повышением мощности при использовании указанного резерва ток будет увеличиваться и, следовательно, будет возрастать тепловыделение по квадратичной зависимости. Для предотвращения перегрева обмоток необходимо обеспечить требуемый отвод тепла в окружающую среду, т.е. соблюсти условие:
подв.обм.
отв.охл.
обм
Q=Q, тогда Т.=Const;
При заданной наибольшей температуре обмоток генератора и возможностей системы их охлаждения существует предельная (максимальная) величина тока. В обычных агрегатах она в основном однозначно определяется температурой окружающей среды. В детандер-генераторных агрегатах капсульного исполнения величина отвода тепла и, следовательно, наибольшая величина тока зависит как от температуры, так и от давления окружающей среды. При повышении плотности окружающей среды при прочих равных условиях, отвод тепла соответственно увеличивается, а, следовательно, и возрастает допустимая величина тока (мощности) генератора. Одновременная зависимость мощности генератора от изменения двух параметров (температуры и давления) окружающей среды порождает новую и наиболее важную проблему. Она касается технологии и технических средств, которые позволят обеспечивать ограничение предельной мощности при изменении уровней температуры и давления окружающей среды, и любых возможных сочетаниях этих параметров.
В известных решениях для этой цели применяют фиксированную Уставку ограничения тока (предельную величину тока) генератора при температуре окружающей среды 40°С. В случае достижения фактической величины тока генератора фиксированной Уставки, подается сигнал либо на разгрузку генератора с целью снижения силы тока, либо на его останов. Как видно, существующее решение не может быть использовано для решения обозначенной проблемы, так как оно может выполнить функцию защиты генератора только в одной режимной точке, а в данном случае необходимо обеспечить ограничение мощности в целом поле режимных точек. Отсюда следует, что необходима новая технология и технические средства, обеспечивающие слежение за уровнями температуры и давления окружающей среды и возможными сочетаниями этих параметров во всем поле их значений, ограничивая предельную наибольшую мощность генератора путем ее снижения или останова агрегата при совпадении фактической силы тока и предельной по условиям не превышения температуры обмоток генератора. Другими словами, необходима следящая Уставка ограничения наибольшей мощности генератора.
При использовании указанного резерва мощности детандер-генераторного агрегата возникает еще одна проблема, которая касается прочностных характеристик детандера, генератора, других компонентов агрегата и характеристик электросиловой системы, включая ее оборудование, которые должны быть способны обеспечить как надежную работу агрегата, так и работу электросиловой системы при мощности агрегата, существенно превышающей ее номинальную величину. Эти проблемы до настоящего времени оставались не решенными, так как сформулированы они впервые.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения является создание технологии и технических решений, обеспечивающих наибольшую эффективность использования энергии технологического перепада давления («бросовой» энергии)
источника природного газа и повышения энергетических показателей детандер-генераторного агрегата, который одновременно вырабатывает электроэнергию и холод.
Применяемые в этой технологии технические решения должны осуществляться с помощью оборудования серийного производства, а используемые устройства должны быть усовершенствованными и унифицированными элементами такого оборудования.
Технический результат полезной модели состоит в том, что мощность детандер-генераторного агрегата повышается за счет использования заложенного при разработке генератора резерва по его тепловому балансу. Суть состоит в том, что номинальная мощность генератора обеспечивается при температуре окружающей среды плюс 40°С и высоте размещения 1000 м над уровнем моря, а при более низкой температуре и повышенном давлении окружающей среды предельная температура обмоток генератора будет достигать наибольшей допустимой величины при более высокой мощности. При этом предусмотрена защита от превышения мощности по этим условиям. При использовании этого результата к уже существующим детандер-генераторным агрегатам требуется проверка или приведение в соответствие применительно к повышенной мощности прочностных характеристик детандера, генератора и других компонентов агрегата, а также пропускной возможности силовой электрической системы. Для новых агрегатов это следует предусматривать при их разработке.
Указанный технический результат достигается системой для защиты детандер-генераторного агрегата (ДГА) от перегрузки, содержащей датчики температуры и давления охлаждающей среды ДГА, соединенные через средства суммирования и преобразования сигналов с блоком контроля и сравнения, выполненным с возможностью сравнения сигнала о величине тока генератора, поступающего от генератора через систему управления (штатную САУ) ДГА, с сигналом предельной величины тока, поступающим от средств суммирования и преобразования сигналов от датчиков
температуры и давления, и с возможностью подачи сигнала на разгрузку генератора или остановку ДГА.
Кроме того, в частном случае выполнения системы датчики температуры и давления соединены со средствами суммирования и преобразования сигналов через блок приема сигналов, а указанные средства выполнены в виде последовательно соединенных блока суммирования сигналов и блока преобразования и усиления сигналов.
Кроме того, блок контроля и сравнения выполнен в виде блока контроля нагрузки ДГА, вход которого соединен с блоком измерения тока генератора, и блока сравнения, входы которого соединены с выходом блока контроля нагрузки и с выходом средств суммирования и преобразования сигналов, а выход блока сравнения соединен с системой управления ДГА.
При этом целесообразно, чтобы блок сравнения был соединен также с дополнительным контактом кнопки включения-выключения ДГА.
Технический результат безопасного использования резерва по мощности генератора достигается тем, что вводится динамичная («подвижная») Уставка по току генератора, которая автоматически устанавливается по температуре и давлению охлаждающей среды и предотвращает выход теплового баланса обмоток за допустимые предельные значения либо разгрузкой генератора, либо остановом агрегата, т.е. исключает возможность их перегрева.
Техническим результатом является и то, что всережимная защита детандер-генераторного агрегата с применением следящей токовой Уставки осуществляется с помощью системы, которая имеет входы - сигналы от датчиков температуры и давления окружающей среды. Эти сигналы в элементах системы суммируются, преобразуются, усиливаются и передаются в блок контроля и сравнения. В этом блоке синтезированная по показаниям датчиков температуры и давления окружающей среды следящая предельная токовая Уставка сравнивается с показателем действительной величины тока
генератора и при их совпадении блок сравнения подает импульсы в САУ на разгрузку или останов агрегата.
Техническим результатом при этом является также и то, что в блоке САУ «Пуск»-«Стоп» для надежности защиты агрегата от перегрузки вводится дополнительный элемент, позволяющий остановить агрегат путем замыкания импульсом блока контроля и сравнения (одновременно с подачей импульса в САУ на останов) дополнительного контакта, замыкающего цепь в обход кнопки «Стоп».
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображены качественные зависимости располагаемой мощности детандер-генераторного агрегата от температуры и давления охлаждающей среды;
на фиг.2 изображена зависимость мощности генератора СГВ-600-2УХЛЗ 10,5 кВ агрегата ПЭГА от температуры и давления охлаждающего газа;
на фиг.3 изображена блок-схема системы ограничения предельной мощности генератора в зависимости от температуры и давления окружающей среды.
На фиг.1 представлены качественные зависимости располагаемой мощности детандер-генераторного агрегата, создающие предпосылки к возможности использования резерва мощности генератора в зависимости от температуры и давления окружающей среды. Номинальная мощность генератора (точка А на фиг.1) достигается при температуре плюс 40°С, но работа генератора гарантируется на номинальной мощности и при температуре - минус 20°С (точка Б на фиг.1). Это задается при проектировании генератора. Как видно, при этой температуре генератор имеет существенный резерв мощности даже при атмосферном давлении окружающей среды. Работа с предельной мощностью при этом не нарушает теплового баланса генератора, а температура его обмоток не выходит за
наибольшее значение. Очевидно, что это условие сохранится при дальнейшем снижении температуры окружающей среды и повышении мощности генератора. Кроме того, в случае увеличения давления окружающей среды выше атмосферного теплоотвод от генератора улучшается (выше плотность окружающей среды), и потому возможность повышения энергетических показателей детандер-генераторного агрегата по выработке электроэнергии и холода увеличивается. При этом наибольшая мощность при самой низкой температуре и самом высоком давлении охлаждающей среды ограничивается (точка В на фиг.1) прочностными характеристиками детандера и генератора, а также пропускной способностью по току силовой электрической системы.
0
4
охл.г
0
4
Поле возможных режимов работы генератора (на фиг.1) ограничено линиями Р÷Р и линиями t.: плюс 40°С÷минус 40°С. Повышение давления Р÷Р может быть только у детандер-генераторного агрегата в капсульном исполнении. В зависимости от конкретных значений этих параметров и их сочетаний необходимо выбрать в этом поле множество режимов безопасной работы детандер-генераторного агрегата. Причем это должно делаться автоматически с помощью специальной подсистемы САУ.
На фиг.2 представлены зависимости мощности ДГА, эксплуатируемого в составе пневмо-электрогенераторного агрегата (ПЭГА-Бис/600) в капсульном исполнении. Они показывают, что мощность этих агрегатов при температуре газа - минус 40°С и при давлении -Р=0,3 мПА можно повысить до 650 кВт вместо 600 кВт, при Р=0,6 мПа - до 750кВт, а при Р=1,2 мПа - до 850 кВт. Это значительное повышение энергетических показателей агрегатов ПЭГА-Бис/600. Предпосылки к его использованию в этих агрегатах состоят в том, что при конструировании детандера и генератора нами предусмотрен необходимый запас прочности. Валы рассчитаны на передачу крутящего момента (при 3000 об./мин.) при мощности, равной 900 кВт, капсула рассчитана на внутреннее давление до 3,0 мПа. Данное предложение
будет внедрено прежде всего на этих агрегатах, которые планируются к широкому внедрению в системе ОАО «Газпром».
На фиг.3 дана блок-схема системы ограничения предельно допустимой мощности детандер-генераторного агрегата в зависимости от температуры и давления охлаждающей среды в его капсуле 1. В капсуле 1 размещен детандер 2, генератор 3, установлен датчик 4 температуры и датчик 5 давления. Датчики 4 и 5 своими выходами соединены кабелями с блоком 6 приема сигналов, который соединен кабелем с блоком 7 суммирования сигналов. Блок 7 кабелями соединен с блоком 8 преобразования и усиления, который также кабелями соединен с блоком 9 сравнения. Блок 9 кабелями 10 соединен со штатным блоком САУ «Пуск-Стоп» агрегата и с контактом 11 на обводной линии электропитания кнопки «Стоп». Блок 9 соединен с выходом блока 13 контроля нагрузки штатной САУ 21 агрегата кабелем 12. Штатный блок 13 контроля нагрузки САУ 21 соединен своим входом кабелем 14 с блоком 15 измерения тока генератора. Соответствующий штатный блок САУ 21 агрегата кабелем 16 соединен с исполнительным устройством - ИУ 17, который подает импульс на размыкание контактов 18 блока отключения/включения токовой нагрузки. С помощью этих контактов 18 силовые кабели 19 генератора отключаются от внешней электрической сети. Одновременно этот же импульс подается на закрытие управляемого органа 20 подвода рабочей среды (природного газа) к детандеру 2.
В блок 9 сравнения Уставок тока от блока 13 штатной САУ по кабелю 12 поступает сигнал о фактической величине тока генератора 3, который поступает в САУ 21 от блока 15 измерения тока генератора по кабелю 14, и затем в преобразованном виде передается в блок 9 сравнения. Далее необходимо в этот же блок 9 подать сигнал предельно допустимой величины (Уставки) тока генератора при конкретных значениях температуры и давления охлаждающей среды, который должен быть сформирован по сигналам датчиков 4 и 5 температуры и давления, установленных в капсуле 1 агрегата. Этот сигнал зависит от конкретного режима работы и параметров
окружающей (охлаждающей) среды, то есть изменяется по режимам работы агрегата. Он синтезирует сигналы датчиков 4 и 5, исходя из условий непревышения наибольшей допустимой температуры обмоток генератора 3. При этом тепловой баланс приближается к предельно допустимому, и ужесточать его - не безопасно.
В тот момент, когда в блоке 9 сравнения динамичная - следящая Уставка по величине тока совпадает с сигналом о фактической величине тока генератора, блок 9 выдает (по кабелю 10) импульс в САУ 21 на разгрузку генератора 3 или останов агрегата по штатной схеме. Кроме того, для повышения безопасности от блока 9 сравнения поступает импульс на дополнительный контакт 11 на обводной линии питания кнопки «Стоп».
Следящая Уставка по величине тока формируется следующим образом. Сигналы от датчиков 4 и 5 поступают в блок 6 приема. Из блока 6 эти сигналы поступают в блок 7, где они суммируются. Из блока 7 в блок 8 поступает единый сигнал, который в нем преобразуется в требуемое измерение и усиливается. Усиленный сигнал из блока 8 поступает в блок 9 сравнения, где сравнивается с сигналом о фактической величине тока, который поступает от блока 15 измерения по кабелю 14 в блок 13 САУ. Из блока 13 сигнал в идентичном со следящей Уставкой измерении поступает в блок 9 сравнения.
Как указывалось, при совпадении этих двух сигналов, блок 9 выдает импульс на разгрузку генератора 3 или останов агрегата по штатной схеме от импульса САУ, который по кабелю 16 передается на исполнительное устройство - ИУ 17 для отключения контактов 18. При этом агрегат отсоединяется от внешней электросети, т.е. от потребителя электроэнергии. Одновременно этот же импульс подается на закрытие управляемого органа 20 подачи рабочей среды (природного газа) в детандер 2 агрегата.
При запуске и работе агрегата САУ выполняет свои штатные функции, а описанная система автоматически (в зависимости от температуры и давления охлаждающей среды) изменяет динамичную - следящую токовую Уставку.
Приведенный выше материал дает основание заключить, что предложенное техническое решение позволяет преодолеть ряд проблем, стоящих на пути повышения энергетических показателей детандер-генераторных агрегатов для выработки электроэнергии и холода, и этим повысить эффективность технологии использования природного газа путем утилизации перепада давления источника. Все это свидетельствует о том, что поставленная задача решена.
Промышленная применимость.
Настоящая полезная модель может быть применена в средствах выработки электроэнергии и холода за счет использования энергии технологических перепадов давления природного газа, прежде всего, в газораспределительных системах (на газоредуцирующих станциях - ГРС и пунктах - ГРП), а также в местах добычи газа и на компрессорных станциях.