ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ С ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
GAS DISTRIBUTING STATION WITH POWER INSTALLATION

Изобретение относится к газовой промышленности, а именно к газоредуцирующему оборудованию с использованием детандер-генераторной технологии понижения давления газа, и предназначено для снижения высокого давления газа магистральных газопроводов до более низких значений, необходимых потребителям газа, с попутной выработкой электроэнергии за счет использования энергии перепада давления газа на входе и выходе газораспределительной станции (ГРС).
Известна автоматическая газораспределительная станция (АГРС) типа «Исток», предназначенная для понижения давления магистрального газа перед подачей его потребителям. АГРС содержит блок очистки, переключения и одоризации, блок редуцирования газа, подогреватель газа автоматический, блок управления, соединенные между собой межблочными трубопроводами и кабелями [Каталог продукции ООО "НПП "Авиагаз-Союз+", АГРС типа «Исток», http://www.agrs.ru/p_istok.html]. Блоки оборудуются датчиками загазованности, пожарной сигнализации, системой отопления и вентиляции.
Недостатком известной АГРС является малая эффективность работы из-за того, что для понижения давления газа используется дросселирование, в ходе которого теряется энергия давления транспортируемого газа. Кроме того, производится сжигание части магистрального газа для подогрева транспортируемого газа с целью предотвращения гидратообразования. Сжигание органического топлива и выброс продуктов горения в атмосферу приводит к увеличению экологической нагрузки на окружающую среду.
Известна также газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством [патент RU на полезную модель № 47441], содержащая входной трубопровод высокого давления, выходной трубопровод низкого давления газа, подогреватель газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, силовой трансформатор, соединенный вторичной обмоткой с электросетью. Станция дополнительно содержит фильтр газа, счетчик газа, подогреватель газа, снабженный регулятором напряжения, преобразователь частоты. Валы детандера и электрогенератора жестко соединены между собой. Выход электрогенератора соединен с входом преобразователя частоты и через регулятор напряжения с подогревателем газа, а выход преобразователя частоты - с входом силового трансформатора. Регулятор напряжения выполнен в виде управляемого выпрямителя.
Известна также газораспределительная станция с автономной системой питания электроэнергией [патент RU на изобретение № 2270395], содержащая магистральный кран, регулятор давления газа, турбодетандер, распределительный кран магистрали потребителя, соединительную полумуфту и соединенный с ней синхронный генератор. Турбодетандер выполнен по принципу, использующему высвобождающуюся в процессе расширения газа полезную энергию с заданным перепадом давления и температуры, в котором рабочее колесо с лопатками специального профиля сидит на консольно расположенном валу, закрепленном на двух подшипниках, на конце вала с сегментным самоуплотняющимся лабиринтным уплотнением расположена соединительная полумуфта. К выходу синхронного генератора подключен узел контроля и защитного отключения при снижении сопротивления изоляции генератора и потребителей электрической энергии, выполненный в виде измерительной цепи исполнительного элемента, подключенного к сети через выпрямитель.
Известна также газораспределительная станция с выработкой электроэнергии [патент RU на изобретение № 2221192]. Станция включена между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом низкого давления. ГРС содержит электромашинные турбодетандеры, каждый из которых включает турбину и расположенный на ее валу электрогенератор, и, по меньшей мере, один нагреватель газа, связанный со входом турбины, по меньшей мере, одного из турбодетандеров. Выход одного из турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом конечного давления. Выход первого или каждого из других турбодетандеров соединен с соответствующим потребительским газопроводом промежуточного давления. Электрогенераторы турбодетандеров выполнены с регуляторами напряжения и через выпрямители подключены к аккумуляторной станции, с которой соединен инвертор напряжения.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности работы газораспределительной станции.
Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что газораспределительная станция с энергетической установкой имеет соединенные между собой с помощью обвязки: подогреватель газа и боксы с технологическими блоками - блок переключений и блок редуцирования, в которых расположены узлы подготовки импульсного газа с включением в них фильтров-осушителей и запорных элементов, блок очистки с фильтрами и накопителем конденсата, блок измерения расхода газа, блок одоризации, блок контрольно-измерительных приборов и автоматики; при этом в блоке редуцирования установлен детандер-генераторный агрегат, содержащий 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 последним и проводником - диэлектрический наполнитель, при этом элемент с проводником выполнен вывинчивающимся из бобышки, жестко закрепленной на корпусе детандер-генераторного агрегата, на штуцере установлена соединительная коробка с резиновым уплотнителем, соединенного с аккумуляторной батареей источника бесперебойного питания и циркуляционным насосом системы отопления.
Технический результат заявляемого изобретения. 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 диэлектрического 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 к 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.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью чертежей, на которых представлены: на фиг.1 - заявляемая ГРС с электрогенерирующим устройством, на фиг.2 - детандер-генераторный агрегат, на которых позициями 1-23 обозначены:
1 - блок переключений;
2 - блок очистки;
3 - подогреватель газа;
4 - блок редуцирования;
5 - ДГА;
6 - магистраль природного газа высокого давления;
7 - магистраль природного газа низкого давления;
8 - манометры;
9 - регулятор давления;
10 - отсекатель газа;
11 - входной запорный элемент;
12 - выходной запорный элемент;
13 - генератор;
14 - патрубки подвода газа;
15 - патрубок отвода газа;
16 - турбина;
17 - вывод на внешнюю сеть;
18 - статор;
19 - ротор;
20 - вал ротора;
21 - силовой выпрямитель;
22 - регулятор напряжения;
23 - блок одоризации.
Заявляемая ГРС с энергетической установкой предназначена для снижения высокого входного давления природного газа до заданного низкого давления и поддержания его с определенной точностью при изменении расхода и давления газа на входе станции, очистки газа, измерения и регистрации расхода газа, одоризации газа.
От подводящего газопровода и выходных газопроводов ГРС отсечена изолирующими фланцами. Блок переключений 1 состоит из входной, выходных и обводных линий. Обводные линии состоят из отключающего крана, регулирующего клапана с ручным приводом, манометра. Блок переключений соединен с блоком одоризации 23 газа. В составе блока переключений 1 установлены отключающие шаровые краны с пневмоприводом на входном и выходных газопроводах. Блок очистки 2 содержит фильтры очистки (рабочий и резервный), емкость сбора конденсата, соединенную с накопителем конденсата посредством крана с пневмоприводом и клапана-отсекателя. Фильтрующим элементом фильтра является металлическая сетка с ячейкой 40 мкм. В накопителе конденсата установлены датчики уровня жидкости. Блок очистки 2 газа имеет также датчик перепада, соединенный с фильтрами очистки. Узел подготовки импульсного газа включает фильтры-осушители и запорные элементы.
ГРС содержит подогреватель 3 газа, соединенный с блоками редуцирования 4 и переключений 1, и блок управления подогревателем. Узел подключения подогревателя 3 состоит из двух отключающих кранов подогревателя с пневмоприводом, обводной линии подогревателя с пневмоприводным краном, линии частичного перепуска газа с пневмоприводным краном и дросселирующим устройством.
Блок измерения расхода газа включает две линии замера расхода: рабочую и резервную, устройства замера расхода газа, например устройства сужающие быстросменные, счетчик газа с электронным корректором, соединенный с подогревателем газа.
Блок редуцирования 4 состоит из двух редуцирующих линий: рабочей и резервной, регуляторов давления, в составе которых установлены предохранительные запорные клапаны. На входе каждой редуцирующей линии расположены краны шаровые с пневмоприводом, на выходе - с ручным приводом. Редуцирующие линии соединены с продувочными свечами. Контроль за входным и выходным давлениями в блоке редуцирования осуществляется электроконтактными манометрами, а контроль за давлением в каждой линии - манометрами, которые используются для настройки регуляторов газа.
Для обеспечения системы автоматического управления ГРС и циркуляционного насоса системы отопления электроэнергией в блоке редуцирования установлен детандер-генераторный агрегат 5 (ДГА). Выход с генератора 13 ДГА соединен с аккумуляторной батарей источника бесперебойного питания системы автоматического управления ГРС. ГРС содержит также элементы контроля и управления, установленные в блоке контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА). Отопление блок боксов осуществляется от газового отопительного настенного агрегата, установленного в блок-боксе КИПиА.
Детандер-генераторный агрегат 5 содержит вертикально расположенный корпус, выполненный из газопроводной трубы, закрытой с торцов днищем и крышкой округлой формы, соединенных фланцевым разъемом. Данная конструкция корпуса дает возможность полной его разборки, при этом обеспечена простота герметизации корпуса и высокая надежность разъемного соединения. Применение крышки и днища округлой формы обеспечивает снижение металлоемкости и массы установки. ДГА соединен с одной стороны с магистралью природного газа высокого 6 давления, включающей манометр 8, регулятор давления 9 с установленным в нем отсекателем 10 газа в виде клапана-отсекателя, входной запорный 11 элемент, и с другой стороны с магистралью природного газа низкого 7 давления, включающей манометр 8 и выходной запорный 12 элемент. Внутри корпуса ДГА 5 размещены генератор 13, патрубки подвода 14 и отвода 15 газа, турбина 16, сопловый аппарат, вывод 17 на внешнюю электрическую сеть. Генератор 13 представляет собой трехфазный электрогенератор переменного тока, в корпусе которого расположены статор 18, ротор 19 на валу 20, силовой выпрямитель 21, соединенный со статором 18, регулятор напряжения 22, соединенный с силовым выпрямителем 21. Турбина 16 выполнена в виде рабочего колеса с лопатками, установленного на валу 20 ротора. Сопловый аппарат выполнен в виде трех сопел, установленных в патрубках подвода газа и размещенных к поверхности лопаток рабочего колеса под углом 8-30°, которые образуют попарно друг с другом угол 120°. Вывод 17 на внешнюю электрическую сеть соединен с генератором 13 посредством элемента из проводника конусообразной формы, помещенного в штуцер, между которым и проводником - диэлектрический наполнитель. В качестве диэлектрического наполнителя может выступать, например, эпоксидная смола. Указанный элемент выполнен вывинчивающимся из бобышки, жестко закрепленной на корпусе ДГА. Это позволяет заменять вышедшие из строя элементы без замены жесткого соединения в виде бобышки. На штуцере установлена соединительная коробка с резиновым уплотнителем, который обеспечивает герметичность вывода электроэнергии.
Работа ГРС с энергетической установкой осуществляется следующим образом. Газ высокого давления поступает на вход блока переключений 1 ГРС. После прохождения блока переключений 1 газ подается на блок очистки 2 газа. Здесь в фильтрах очистки газ очищается от механических примесей и капельной влаги. Не прошедшие через сетку механические примеси и капельная влага скапливаются в накопителе конденсата. При достижении жидкостью верхнего уровня открывается кран с пневмоприводом и жидкость сбрасывается в емкость сбора конденсата. Сброс жидкости происходит до достижения нижнего уровня, после чего подается команда на закрытие крана. Если при достижении жидкостью нижнего уровня кран не закрылся, в работу вступает клапан-отсекатель, который закрывается при прекращении течения через него жидкости и начале течения потока газа. По показаниям датчика перепада оценивается степень загрязнения фильтров очистки. Опорожнение емкости для сбора конденсата осуществляется методом передавливания. Для этого в емкость предусмотрена подача природного газа от узла редуцирования 4 газа на передавливание.
3
После очистки газ подается на узел подключения подогревателя. При общей загрузке ГРС до 10000 м/ч (при достижении падения давления на подогревателе 0,1 МПа) открывается кран на линии частичного перепуска газа. При уменьшении расхода (при величине падения давления менее 0,04 МПа) кран на линии частичного перепуска газа закрывается.
Подогрев газа осуществляется подогревателем 3 при контроле блока управления подогревателя из расчета обеспечения температуры газа на выходе ГРС не ниже плюс 5°С. После подогрева газ подается на узлы замера расхода газа. Замер расхода газа осуществляется устройствами сужающими быстросменными. После замера расхода газ поступает в блок редуцирования 4. При достижении давления на выходе регулятора давления верхнего или нижнего пределов срабатывания предохранительные запорные клапаны автоматически блокируют газовый поток.
Регулятор резервной линии в период нормальной работы станции находится в полностью закрытом состоянии. В случае выхода из строя регулятора и автоматической блокировки газового потока станция переходит на работу регулятора резервной линии. Выходное давление при этом поддерживается на несколько более низком уровне резервной линией. Контроль за входным и выходным давлениями в блоке редуцирования 4 осуществляется электроконтактными манометрами, а контроль за давлением в каждой линии - манометрами, которые используются для настройки регуляторов газа.
Из блока редуцирования 4 газ подводится к патрубку подвода 14 газа на корпусе детандер-генераторного агрегата. В корпусе ДГА газ поступает через сопловый аппарат, где потенциальная энергия давления газа переходит в кинетическую энергию движения газа. Далее газ поступает на лопатки рабочего колеса турбины 16. Турбина 16 своим вращением раскручивает ротор 19 генератора. При взаимодействии электромагнитных полей ротора 19 и статора 18 механическая энергия преобразуется в электрическую. Получаемый при этом переменный ток преобразуется силовым выпрямителем 21 в постоянный ток напряжением 28 В, который через проводник выводится на внешнюю сеть. Вентилятор, установленный на роторе 19, создает циркуляционный поток газа внутри корпуса генератора 13, при этом охлаждаются обмотки статора 18 и ротора 19. Для обеспечения стабильных параметров напряжения сети в генераторе 13 установлен регулятор напряжения 22, который обеспечивает регулировку напряжения в зависимости от изменения энергопотребления. Прошедший через рабочее колесо турбины 16 газ вместе с примесями удаляется через патрубок отвода 15 газа, расположенный в днище корпуса ДГА 5.
После редуцирования газ поступает в блок переключений 1. На входном и выходных трубопроводах ГРС установлены краны с пневмоприводом, которые служат для отключения ГРС в аварийных ситуациях и для ремонта. В этом случае подача газа потребителям осуществляется по обводным линиям, каждая из которых состоит из отключающего крана и регулирующего клапана с ручным приводом. Редуцирование давления осуществляется вручную, давление газа на выходе контролируется по манометру.
После блока переключений 1 газ одорируется в блоке одоризации 23, который обеспечивает дозированную подачу одоранта пропорционально расходу газа, с сохранением возможности одоризации капельным методом. Пополнение расходных емкостей одоранта производится путем передавливания одоранта из емкости хранения одоранта. Оборудование системы одоризации выполнено из коррозионно-стойкой стали.
Для обеспечения автономной работы системы автоматического управления и контроля, а также циркуляционного насоса системы отопления предусмотрено резервное питание с напряжением 24 В от аккумуляторов (с автоматическим поддержанием их в заряженном состоянии от внешнего источника электроснабжения), а также от входящего в состав блока редуцирования детандер - генераторного агрегата с напряжением 28 В.