УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА С ТУРБОДЕТАНДЕРОМ
GAS PRESSURE CONTROL DEVICE 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 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, турбодетандер, электрический генератор переменного тока, регулируемый по напряжению выпрямитель, регулируемый по частоте инвертор, датчик нагрузки внешней электросети, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб, последовательно соединенные дополнительный выпрямитель, датчик нагрузки нагревательных элементов, регулируемый силовой усилитель, силовые ключи и нагревательные элементы (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.
Известно устройство турбодетандера с регулированием 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 и нагревательными элементами, датчик давления магистрали низкого давления, турбодетандер, электрический генератор, выпрямитель, инвертор, задатчик номинального режима работы, регулирующее устройство с индикаторами предельных положений регулирующего элемента, измерительный шунт, задатчик величины давления в магистрали низкого давления, измерительный выпрямитель, блоки сравнения заданных режимов работы и величины давления в магистрали низкого давления, реверсивный двоичный счетчик, силовые ключи, привод регулирующего устройства с индикаторами предельных положений регулирующего элемента (Патент RU 2626268 С1, кл. F17D 1/00, опубл. 25.07.2017).
В известном устройстве эффективность преобразования запасенной энергии природного газа в магистрали высокого давления при его редуцировании в электрическую энергию при изменении нагрузки внешней электросети не высока.
Известно 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, регулируемым по частоте инвертором и датчиком нагрузки внешней электросети, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи, управляющие входы которых соединены с контроллером, датчик нагрузки нагревательных элементов, задатчик номинального режима работы турбодетандера, соединенный с первым входом блока сравнения номинальной работы турбодетандера, расходомер в магистрали высокого давления, датчик давления магистрали высокого давления (Патент RU 2645821 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 28.02.2018).
Известное устройство не обладает высокой эффективностью преобразования запасенной энергии природного газа в магистрали высокого давления при его редуцировании в электрическую энергию при изменении нагрузки внешней электросети и расхода потребления газа.
Наиболее близким является устройство регулирования давления газа 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, регулируемым по частоте инвертором и датчиком нагрузки внешней электросети, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи, задатчик номинального режима работы турбодетандера, блок сравнения номинальной работы турбодетандера, расходомер в магистрали высокого давления, датчики давления и температуры газа, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, блоки сравнения, регуляторы мощности нагревательных элементов, силовые ключи, перемножители, корректирующие усилители, делитель, блок сравнения мощностей, сумматор нагрузки турбодетандера, индикатор недостатка мощности газового потока, ключ отсечки подогрева газа. (Патент RU 2680638 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 25.02.2019).
Известное устройство не обеспечивает высокую эффективностью преобразования запасенной энергии природного газа высокого давления при его редуцировании в электрическую энергию и не производит согласование преобразования энергии при изменении расхода потребления газа.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении эффективности преобразования запасенной энергии природного газа в электрическую энергию путем согласования величины запасенной энергии и преобразованной в процессе редуцирования магистрального газа высокого давления при изменении потребления газа.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство регулирования давления газа 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, регулируемым по частоте инвертором и датчиком нагрузки внешней электросети, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи, управляющие входы которых соединены с контроллером, датчик нагрузки нагревательных элементов, задатчик номинального режима работы турбодетандера, соединенный с первым входом блока сравнения номинальной работы турбодетандера, расходомер в магистрали высокого давления, датчик давления магистрали высокого давления, датчики температуры газа, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, блоки сравнения температуры газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, вторые входы которых соединены с выходами датчиков температуры газа на каждой из набора труб разного диаметра соответственно, регуляторы мощности нагревательных элементов на каждой из набора труб разного диаметра, управляющие входы которых соединены с выходами блоков сравнения температуры газа с заданными значениями соответственно, силовые входы регуляторов мощности нагревательных элементов соединены с выходами силовых ключей, входы которых через датчик нагрузки нагревательных элементов соединены с выходом электрического генератора переменного тока, первый перемножитель, первый вход которого соединен с линией напряжения регулируемого по частоте инвертора, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки внешней электросети, второй перемножитель, первый вход которого соединен с линией напряжения электрического генератора переменного тока, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки нагревательных элементов, выходы первого и второго перемножителей соответственно через первый и второй измерительные выпрямители с фильтрами соединены с входами сумматора нагрузки турбодетандера, первый и второй корректирующие усилители соединены с выходами датчиков давления в магистралях высокого и низкого давления соответственно, первый вход делителя соединен с выходом первого корректирующего усилителя, а второй - с выходом второго корректирующего усилителя, вход третьего перемножителя соединен с выходом расходомера в магистрали высокого давления, первый вход блока вычитания соединен с выходом третьего перемножителя, второй вход соединен с выходом расходомера в магистрали высокого давления, а выход - со вторым входом блока сравнения мощностей, первый вход блока сравнения мощностей соединен с выходом сумматора нагрузки турбодетандера, выход блока сравнения мощностей через первый блок выделения положительных значений и третий корректирующий усилитель соединен с индикатором недостатка мощности газового потока и через инвертор с управляющим входом ключа отсечки подогрева газа, входы сумматора подогрева газа соединены с выходом блока контроля включения запорных устройств набора труб разного диаметра, выходом инвертора и через четвертый корректирующий усилитель и ключ отсечки подогрева газа с выходом блока сравнения номинальной работы турбодетандера, выход сумматора подогрева газа соединен с первыми входами блоков сравнения температуры газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, второй вход блока сравнения номинальной работы турбодетандера соединен с выходом сумматора нагрузки турбодетандера, входы блока контроля включения запорных устройств набора труб разного диаметра соединены с контроллером, дополнительно введены датчик температуры газа, соединенный с турбодетандером и установленный на магистрали выхода газа низкого давления, датчик температуры газа, установленный на магистрали газа высокого давления, ограничитель нагрузки электросети, блок ступенчатой регулировки ограничения нагрузки электросети, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый корректирующие усилители, второй делитель, корректирующий сумматор, блок выделения отрицательных значений, компаратор выделения положительных значений и компаратор выделения отрицательных значений, причем, силовой вход ограничителя нагрузки электросети соединен с датчиком нагрузки внешней электросети, а выход с электросетью, управляющий вход ограничителя нагрузки электросети соединен с выходом блока ступенчатой регулировки ограничения нагрузки электросети, датчик температуры газа, установленный на магистрали газа высокого давления через пятый корректирующий усилитель соединен с первым входом второго делителя, датчик температуры газа, соединенный с турбодетандером и установленный на магистрали выхода газа низкого давления через шестой корректирующий усилитель соединен со вторым входом второго делителя, выход делителя через седьмой корректирующий усилитель соединен с первым входом корректирующего сумматора, выход второго делителя через восьмой корректирующий усилитель соединен со вторым входом корректирующего сумматора, выход корректирующего сумматора соединен с входом третьего перемножителя, выход третьего корректирующего усилителя соединен с входом компаратора выделения положительных значений, выход блока сравнения мощностей через блок выделения отрицательных значений и девятый корректирующий усилитель соединен с входом компаратора выделения отрицательных значений, выход компаратора выделения положительных значений соединен с управляющим входом снижения нагрузки блока ступенчатой регулировки ограничения нагрузки электросети, выход компаратора выделения отрицательных значений соединен с управляющим входом увеличения нагрузки блока ступенчатой регулировки ограничения нагрузки электросети.
На фигуре представлена структура устройства регулирования давления газа 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 магистрали низкого давления 4, соединенного с турбодетандером 5, нагруженным электрическим генератором 6 переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем 7, регулируемым по частоте инвертором 8 и датчиком нагрузки 9 внешней электросети, нагревательные элементы 10, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи 11, управляющие входы которых соединены с контроллером 3, датчик нагрузки 12 нагревательных элементов, задатчик номинального режима работы 13 турбодетандера, соединенный с первым входом блока сравнения номинальной работы 14 турбодетандера, расходомер 15 в магистрали высокого давления, датчик давления магистрали высокого 16 давления, датчики температуры 17 газа, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, блоки сравнения температуры 18 газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, вторые входы которых соединены с выходами датчиков температуры 17 газа на каждой из набора труб разного диаметра соответственно, регуляторы мощности 19 нагревательных элементов на каждой из набора труб разного диаметра, управляющие входы которых соединены с выходами блоков сравнения температуры 18 газа с заданными значениями соответственно, силовые входы регуляторов мощности 19 нагревательных элементов соединены с выходами силовых ключей 11, входы которых через датчик нагрузки 12 нагревательных элементов соединены с выходом электрического генератора 6 переменного тока, первый перемножитель 20, первый вход которого соединен с линией напряжения регулируемого по частоте инвертора 8, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки 9 внешней электросети, второй перемножитель 21, первый вход которого соединен с линией напряжения электрического генератора 6 переменного тока, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки 12 нагревательных элементов, выходы первого 20 и второго 21 перемножителей соответственно через первый 22 и второй 23 измерительные выпрямители с фильтрами соединены с входами сумматора нагрузки 24 турбодетандера, первый 25 и второй 26 корректирующие усилители соединены с выходами датчиков давления в магистралях высокого 16 и низкого 4 давления соответственно, первый вход делителя 27 соединен с выходом первого 25 корректирующего усилителя, а второй - с выходом второго 26 корректирующего усилителя, вход третьего перемножителя 28 соединены с выходом расходомера 15 в магистрали высокого давления, первый вход блока вычитания 29 соединен с выходом третьего 28 перемножителя, второй вход соединен с выходом расходомера 15 в магистрали высокого давления, а выход - со вторым входом блока сравнения мощностей 30, первый вход блока сравнения мощностей 30 соединен с выходом сумматора нагрузки 24 турбодетандера, выход блока сравнения мощностей 30 через первый блок выделения положительных значений 31 и третий 32 корректирующий усилитель соединен с индикатором недостатка мощности 33 газового потока и через инвертор 34 с управляющим входом ключа отсечки 35 подогрева газа, входы сумматора подогрева газа 36 соединены с выходом блока контроля включения 37 запорных устройств набора труб разного диаметра, выходом инвертора 34 и через четвертый 38 корректирующий усилитель и ключ отсечки 35 подогрева газа с выходом блока сравнения номинальной работы 14 турбодетандера, выход сумматора подогрева газа 36 соединен с первыми входами блоков сравнения температуры 18 газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, второй вход блока сравнения номинальной работы 14 турбодетандера соединен с выходом сумматора нагрузки 24 турбодетандера, входы блока контроля включения 37 запорных устройств набора труб разного диаметра соединены с контроллером 3, датчик температуры газа низкого давления 39, соединенный с турбодетандером 5 и установленный на магистрали выхода газа низкого давления, датчик температуры газа высокого давления 40, установленный на магистрали газа высокого давления, ограничитель нагрузки 41 электросети, блок ступенчатой регулировки 42 ограничения нагрузки электросети, пятый 43, шестой 44, седьмой 45, восьмой 46 и девятый 47 корректирующие усилители, второй делитель 48, корректирующий сумматор 49, блок выделения отрицательных 50 значений, компаратор выделения положительных 51 значений и компаратор выделения отрицательных 52 значений, силовой вход ограничителя нагрузки 41 электросети соединен с датчиком нагрузки 9 внешней электросети, а выход с электросетью, управляющий вход ограничителя нагрузки 41 электросети соединен с выходом блока ступенчатой регулировки 42 ограничения нагрузки электросети, датчик температуры газа высокого давления 40, установленный на магистрали газа высокого давления через пятый 43 корректирующий усилитель соединен с первым входом второго делителя 48, датчик температуры газа низкого давления 39, соединенный с турбодетандером и установленный на магистрали выхода газа низкого давления через шестой 44 корректирующий усилитель соединен со вторым входом второго делителя 48, выход делителя 27 через седьмой 45 корректирующий усилитель соединен с первым входом корректирующего сумматора 49, выход второго делителя 48 через восьмой 46 корректирующий усилитель соединен со вторым входом корректирующего сумматора 49, выход корректирующего сумматора 49 соединен с входом третьего перемножителя 28, выход третьего 32 корректирующего усилителя соединен с входом компаратора выделения положительных 51 значений, выход блока сравнения мощностей 30 через блок выделения отрицательных 50 значений и девятый 47 корректирующий усилитель соединен с входом компаратора выделения отрицательных 52 значений, выход компаратора выделения положительных 51 значений соединен с управляющим входом снижения нагрузки блока ступенчатой регулировки 42 ограничения нагрузки электросети, выход компаратора выделения отрицательных 52 значений соединен с управляющим входом увеличения нагрузки блока ступенчатой регулировки 42 ограничения нагрузки электросети.
Устройство регулирования давления газа 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. На основе этого вырабатываются управляющие воздействия для запорных устройств 2 на отдельных трубах.
Одновременно с открытием запорных устройств 2 на каждой из набора труб разного диаметра, открывается соответствующий силовой ключ 11, через который часть нагрузки с выхода электрического генератора 6 переменного тока через датчик нагрузки 12 нагревательных элементов подается на соответствующий регулятор мощности 19 нагревательных элементов на каждой из набора труб разного диаметра.
Для равномерного прогрева газа в каждой из набора труб разного диаметра установлены датчики температуры 17 газа, сигнал с которых сравнивается на блоках сравнения температуры 18 газа с заданными значениями и на основе этого вырабатывается сигнал регулирования температуры газа в каждой из набора труб разного диаметра. Этот сигнал отрабатывается регулятором мощности 19 и нагревательными элементами 10, обеспечивая равномерный прогрев газа в каждой из набора труб разного диаметра, повышая тем самым эффективность преобразования запасенной энергии природного газа высокого давления в электрическую энергию.
Для определения величины запасенной энергии природного газа высокого давления, выделяемой при его редуцировании в низкое давление, производятся замеры давлений газа в магистрали высокого давления датчиком 16 и в магистрали низкого давления датчиком 4.
Дополнительно производятся замеры температуры газа в магистрали высокого давления датчиком температуры газа высокого давления 40 и в магистрали низкого давления датчиком температуры газа низкого давления 39.
Сигнал от датчика 16 магистрали высокого давления через первый 25 корректирующий усилитель подается на первый вход делителя 27, сигнал от датчика магистрали низкого давления 4 через второй 26 корректирующий усилитель подается на второй вход делителя 27. В результате на выходе делителя 27 формируется сигнал, пропорциональный отношению давлений в магистралях высокого и низкого давлений.
Сигнал от датчика температуры газа высокого давления 40 через пятый 43 корректирующий усилитель подается на первый вход второго делителя 48, сигнал от датчика температуры газа низкого давления 39 через шестой 44 корректирующий усилитель подается на второй вход второго делителя 48. В результате на выходе второго делителя 48 формируется сигнал, пропорциональный отношению температур редуцируемого газа.
Сигнал с выхода делителя 27 через седьмой 45 корректирующий усилитель подается на первый вход корректирующего сумматора 49, сигнал с выхода второго делителя 48 через восьмой 46 корректирующий усилитель подается на второй вход корректирующего сумматора 49, сигнал с выхода которого подается на второй вход третьего 28 перемножителя. Сигнал от расходомера 15 в магистрали высокого давления подается на первый вход третьего 28 перемножителя и затем на первый вход блока вычитания 29, на второй вход которого подается сигнал от расходомера 15.
В результате на выходе блока вычитания 29 формируется сигнал, пропорциональный величине запасенной энергии природного газа высокого давления, выделяемой при его редуцировании в низкое давление не только с учетом перепада давлений, но и температур газа в магистралях высокого и низкого давлений.
Величины седьмого 45 и восьмого 46 корректирующих усилителей устанавливаются в зависимости от соотношений перепада давлений и температур в запасенной энергии природного газа высокого давления.
Величина мощности, выдаваемой во внешнюю электрическую сеть, определяется первым 20 перемножителем, на входы которого подаются сигналы, пропорциональные току и напряжению, отдаваемому устройством во внешнюю сеть.
Величина мощности, используемой для подогрева газа, определяется вторым 21 перемножителем, на входы которого подаются сигналы, пропорциональные току и напряжению, отдаваемому нагревательным элементам 10 устройства.
Эти величины мощностей через первый 22 и второй 23 измерительные выпрямители с фильтрами подаются на сумматор нагрузки 24 турбодетандера, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный полной вырабатываемой мощности турбодетандера.
Величина полной вырабатываемой мощности турбодетандера на блоке сравнения мощностей 30 сравнивается с величиной запасенной энергии природного газа высокого давления, выделяемой при его редуцировании в низкое давление в единицу времени. В результате на выходе блока сравнения мощностей 30 формируется сигнал, пропорциональной разности выделяемой и потребляемой энергии.
Этот сигнал через первый блок выделения положительных значений 31 и третий 32 корректирующий усилитель подается на компаратор выделения положительных 51 значений и индикатор недостатка мощности 33 газового потока, предназначенный для информирования обслуживающего персонала о рассогласовании допускаемой и потребляемой мощностей.
Также сигнал с выхода блока сравнения мощностей 30 через блок выделения отрицательных 50 значений и девятый 47 корректирующий усилитель подается на компаратор выделения отрицательных 52 значений.
Регулирование избыточной мощности, отдаваемой на подогрев газа, производится посредством изменения температуры газа с помощью блоков сравнения температуры 18 газа с заданными значениями, поступающими от сумматора подогрева газа 36.
Сумматор подогрева газа 36 формирует выходной сигнал на основе количества включенных труб разного диаметра, определяемого блоком контроля включения 37 запорных устройств, избытка мощности запасенной энергии в магистрали высокого давления, определяемого блоком сравнения мощностей 30 и поддержания эффективной работы посредством блока сравнения номинальной работы 14 турбодетандера. Сигнал с блока сравнения мощностей 30 поступает на сумматор подогрева газа 36 через первый блок выделения положительных значений 31, третий 32 корректирующий усилитель и инвертор 34. Блок сравнения номинальной работы 14 турбодетандера отключает через ключ отсечки 35 подогрева газа четвертый 38 корректирующий усилитель в случае отсутствия запаса мощности редуцирования газового потока.
В результате на подогрев газа расходуется энергия превышения энергии газового потока по отношению к энергии, передаваемой во внешнюю сеть посредством автоматического регулирования температуры подогрева газа в наборе труб разного диаметра. При недостатке энергии газового потока по отношению к энергии, передаваемой во внешнюю сеть, электрическая энергия на подогрев газа не расходуется.
При значительном недостатке энергии газового потока дополнительно производится ограничение по электроэнергии, передаваемой во внешнюю электрическую сеть. При этом срабатывает компаратор выделения положительных 51 значений и блок ступенчатой регулировки 42 ограничения нагрузки электросети формирует сигнал снижения нагрузки на одну заранее установленную ступень посредством ограничителя нагрузки 41 электросети.
При избытке энергии газового потока производится увеличение подачи электроэнергии во внешнюю электрическую сеть. При этом срабатывает компаратор выделения отрицательных 52 значений и блок ступенчатой регулировки 42 ограничения нагрузки электросети формирует сигнал увеличения нагрузки на одну заранее установленную ступень посредством ограничителя нагрузки 41 электросети.
При превышении энергии газового потока по отношению к энергии, передаваемой во внешнюю сеть, электрическая энергия используется для подогрева газа в наборе труб разного диаметра.
Такое техническое решение обеспечивает повышение эффективности преобразования запасенной энергии природного газа в электрическую энергию путем согласования величины запасенной энергии и преобразованной в процессе редуцирования магистрального газа высокого давления при изменении потребления газа.