УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОДЕТАНДЕРА
DEVICE ADAPTIVE CONTROL OF EXPANSION TURBINES

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для рекуперации энергии сжатого газа и выработки электроэнергии.
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 C2, кл. F17D 1/04, F25В 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, газовую расширительную машину, нагруженную электрическим генератором переменного тока, инвертор, причем газораспределительное устройство выполнено в виде набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми от датчика давления газа выходной магистрали, газовая расширительная машина выполнена в виде нерегулируемого по числу оборотов турбодетандера с парциальным подводом газа к соплам (Патент RU 2223533 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 10.02.2004).
Известное устройство для регулирования давления в газовой магистрали не обеспечивает плавного изменения величины потока газа, проходящего через турбодетандер в зависимости от изменения нагрузки в электрической сети, что снижает надежность работы устройства в целом.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является система регулирования турбодетандера, установленная на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления, содержащая стопорный клапан, выполненный в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии двух клапанов так, что когда один клапан открыт, то другой закрыт, байпасный клапан с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления и регулирующий орган с приводом и датчиком положения. (Патент RU 2110022 C1, кл. F25В 49/02, опубл. 27.04.1998).
Основной недостаток данного устройства состоит в том, что при колебаниях электрической нагрузки во внешней электросети меняется механическая нагрузка на валу турбодетандера и режим его работы, что приводит к нестабильной работе и снижению надежности оборудования.
Технический результат изобретения состоит в повышении надежности работы турбодетандера посредством стабилизации механической нагрузки на его валу при колебаниях электрической нагрузки во внешней электросети путем перераспределения части электрической энергии на нагрев природного газа во входной магистрали системы.
Для достижения технического результата в устройство адаптивного регулирования турбодетандера, установленного на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления, содержащее стопорный клапан, выполненный в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии двух клапанов так, что когда один клапан открыт, то другой закрыт, байпасный клапан с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления, регулирующий орган с приводом и датчиком положения, дополнительно введены переключатель режимов работы, управляющий вход которого соединен с датчиком положения стопорного клапана, связанного со стопорным клапаном, первый вход переключателя режимов работы через первый нормирующий усилитель и первый блок сравнения соединен с датчиком давления в магистрали низкого давления, датчик нагрузки внешней электрической сети через фильтр, частотный преобразователь и выпрямитель соединен с электрическим генератором на валу турбодетандера, выход датчика нагрузки внешней электрической сети через второй нормирующий усилитель соединен с первыми входами второго, третьего и четвертого блоков сравнения и через первый масштабирующий усилитель с входом сумматора, выход первого блока сравнения через первый корректор задатчика давления и первый задатчик соединен со вторым входом второго блока сравнения, выход которого через второй масштабирующий усилитель соединен с управляющим входом частотно-регулируемого ключа, силовой вход которого соединен с выходом выпрямителя, а выход с электрическим подогревателем газа в магистрали высокого давления и со вторыми входами пятого и шестого блоков сравнения и через второй масштабирующий усилитель с входом сумматора, первые входы пятого и шестого блоков сравнения соединены соответственно с задатчиками максимального и минимального значений нагрузки в цепи электрического подогревателя газа в магистрали высокого давления, выходы пятого и шестого блоков сравнения через первый и второй триггеры Шмидта соединены с входами первого и второго элементов «И» соответственно, первые входы третьего и четвертого блоков сравнения соединены соответственно с задатчиками максимального и минимального значений нагрузки в цепи внешней электросети, а выходы через третий и четвертый триггеры Шмидта соединены с входами первого и второго элементов «И», первые входы седьмого и восьмого блоков сравнения соединены соответственно с задатчиками максимального и минимального значений давления в магистрали низкого давления, вторые входы с выходом первого блока сравнения, а выходы через пятый и шестой триггеры Шмидта соединены с входами первого и второго элементов «И», выход первого элемента «И» через первый одновибратор соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, а выход второго элемента «И» через второй одновибратор соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, выход реверсивного счетчика через цифроаналоговый преобразователь соединен с первым входом девятого блока сравнения, выход которого соединен со входом привода регулирующего органа, выход датчика положения регулирующего органа соединен со вторым входом девятого блока сравнения и через третий масштабирующий усилитель с входом сумматора, выход которого соединен со вторым входом переключателя режимов работы, выход переключателя режимов работы соединен с первым входом десятого блока сравнения, второй вход которого соединен с датчиком положения байпасного клапана, а выход соединен с входом привода байпасного клапана, задатчик значения низкого давления соединен с первым входом первого блока сравнения, регулирующий орган с приводом и датчиком положения установлен на шунтирующей линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления.
На чертеже представлена структура устройства адаптивного регулирования турбодетандера.
Магистрали высокого и низкого давления газораспределительной станции 1 через систему задвижек 2 связаны со стопорным клапаном 3, выполненным в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии двух клапанов так, что когда один клапан открыт, то другой закрыт, байпасный клапан 4 с приводом 5 и датчиком положения 6, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан 3 с магистралью низкого давления, регулирующий орган 7 с приводом 8 и датчиком положения 9, переключатель режимов 10 работы, управляющий вход которого соединен с датчиком положения 11 стопорного клапана, связанного со стопорным клапаном 3, первый вход переключателя режимов 10 работы через первый нормирующий усилитель 12 и первый 13 блок сравнения соединен с датчиком давления 14 в магистрали низкого давления, датчик нагрузки внешней электрической сети 15 через частотный преобразователь 16, фильтр 17 и выпрямитель 18 соединен с электрическим генератором 19 на валу турбодетандера 20, выход датчика нагрузки внешней электрической сети 15 через второй нормирующий усилитель 21 соединен с первыми входами второго 22, третьего 23 и четвертого 24 блоков сравнения и через первый масштабирующий усилитель 25 с входом сумматора 26, выход первого 13 блока сравнения через первый корректор 27 задатчика давления 28 и первый задатчик соединен со вторым входом второго 22 блока сравнения, выход которого через второй масштабирующий усилитель 29 соединен с управляющим входом частотно-регулируемого ключа 30, силовой вход которого соединен с выходом выпрямителя 18, а выход с электрическим подогревателем 31 газа в магистрали высокого давления и со вторыми входами пятого 32 и шестого 33 блоков сравнения и через второй масштабирующий усилитель 34 с входом сумматора 26, первые входы пятого 32 и шестого 33 блоков сравнения соединены соответственно с задатчиками максимального 35 и минимального 36 значений нагрузки в цепи электрического подогревателя 31 газа в магистрали высокого давления, выходы пятого 32 и шестого 33 блоков сравнения через первый 37 и второй 38 триггеры Шмидта соединены с входами первого 39 и второго 40 элементов «И» соответственно, первые входы третьего 23 и четвертого 24 блоков сравнения соединены соответственно с задатчиками максимального 41 и минимального 42 значений нагрузки в цепи внешней электросети, а выходы через третий 43 и четвертый 44 триггеры Шмидта соединены с входами первого 39 и второго 40 элементов «И», первые входы седьмого 45 и восьмого 46 блоков сравнения соединены соответственно с задатчиками максимального 47 и минимального 48 значений давления в магистрали низкого давления, вторые входы с выходом первого 13 блока сравнения, а выходы через пятый 49 и шестой 50 триггеры Шмидта соединены с входами первого 39 и второго 40 элементов «И», выход первого 39 элемента «И» через первый одновибратор 51 соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 52, а выход второго 40 элемента «И» через второй одновибратор 53 соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика 52, выход реверсивного счетчика 52 через цифроаналоговый преобразователь 54 соединен с первым входом девятого 55 блока сравнения, выход которого соединен с входом привода 8 регулирующего органа, выход датчика 9 положения регулирующего органа соединен со вторым входом девятого 55 блока сравнения и через третий масштабирующий усилитель 56 с входом сумматора 26, выход которого соединен со вторым входом переключателя режимов 10 работы, выход переключателя режимов 10 работы соединен с первым входом десятого 57 блока сравнения, второй вход которого соединен с датчиком положения 6 байпасного клапана, а выход соединен с входом привода 5 байпасного клапана, задатчик значения низкого давления 58 соединен с первым входом первого 14 блока сравнения, регулирующий орган 7 с приводом 8 и датчиком положения 9 установлен на шунтирующей линии, связывающей стопорный клапан 3 с магистралью низкого давления.
Устройство адаптивного регулирования турбодетандера работает следующим образом. При открытии стопорного клапана 3 по команде запуска турбодетандера поток газа поступает на турбодетандер 20, вал которого нагружен электрическим генератором 19. Вырабатываемое электрическое напряжение преобразуется в постоянное напряжение с помощью выпрямителя 18, сглаживается на фильтре 17 и преобразуется в напряжение промышленной частоты частотным преобразователем 16. Величина нагрузки внешней электрической сети измеряется датчиком нагрузки внешней электрической сети 15 потребителей.
Величина нагрузки внешней электросети, как правило, изменяется во времени, иногда в больших пределах, например дневная и ночная нагрузка сильно различаются.
Это приводит к изменению режимов работы турбодетандера 20 и электрического генератора 19, механическая нагрузка на валу турбодетандера 20 изменяется, что приводит к колебаниям скорости его вращения и снижению надежности работы оборудования.
Для обеспечения стабилизации механической нагрузки на валу турбодетандера 20 при колебаниях электрической нагрузки во внешней электросети часть вырабатываемой электрической энергии направляется на подогрев природного газа во входной магистрали системы. Это не только стабилизирует работу турбодетандера 20, но и повышает эффективность работы системы в целом за счет подогрева природного газа во входной магистрали. Для этого часть электрической энергии с выпрямителя 18 при колебаниях нагрузки во внешней электрической сети перераспределяется через частотно-регулируемый ключ 30 на электрический подогреватель 31 газа.
При снижении нагрузки во внешней электросети сигнал с датчика нагрузки внешней электрической сети 15 через второй нормирующий усилитель 21 подается на второй 22 блок сравнения. Если давление в магистрали низкого давления, измеряемое датчиком давления 14, находится в пределах, установленных задатчиком значения низкого давления 58, то сигнал с первого 13 блока сравнения через первый корректор 27 задатчика давления 28 на второй 22 блок сравнения не поступает, и все снижение нагрузки во внешней электросети компенсируется посредством второго масштабирующего усилителя 29 и частотно-регулируемого ключа 30, увеличивая нагрузку на электрический подогреватель 31 газа.
Если давление в магистрали низкого давления, измеряемое датчиком давления 14, выходит за установленные задатчиком значения низкого давления 58 пределы, то сигнал с первого 13 блока сравнения через первый корректор 27 задатчика давления 28 поступает на второй 22 блок сравнения, который корректирует нагрузку на электрический подогреватель 31 газа и, соответственно, на турбодетандер 20, тем самым регулируя поток газа и величину давления в магистрали низкого давления.
Максимальное и минимальное значения величины электрической нагрузки, направляемой на электрический подогреватель 31 газа, устанавливаются с помощью задатчиков максимального 35 и минимального 36 значений нагрузки в цепи электрического подогревателя 31. В случае превышения максимального значения нагрузки в цепи электрического подогревателя 31 на выходе пятого 32 блока сравнения формируется сигнал, который через первый 37 триггер Шмидта поступает на первый 39 элемент «И». В случае снижения величины нагрузки в цепи электрического подогревателя 31 меньше минимального на выходе шестого 32 блока сравнения формируется сигнал, который через второй 38 триггер Шмидта поступает на второй 40 элемент «И».
Значение измеренной нагрузки в цепи внешней электросети сравнивается с заданными величинами с помощью задатчиков максимального 41 и минимального 42 значений нагрузки и посредством третьего 23 и четвертого 24 блоков сравнения, третьего 43 и четвертого 44 триггеров Шмидта формируются сигналы, поступающие на первый 39 и второй 40 элементы «И» соответственно.
Также на первый 39 и второй 40 элементы «И» формируются сигналы посредством седьмого 45 и восьмого 46 блоков сравнения, задатчиков максимального 47 и минимального 48 значений давления в магистрали низкого давления, подключенных через пятый 49 и шестой 50 триггеры Шмидта.
В результате на входах первого 39 элемента «И» все сигналы устанавливаются в случае достижения предельно минимального значения нагрузки в цепи внешней электросети, предельно максимального значения нагрузки в цепи электрического подогревателя и максимально допустимого значения давления в магистрали низкого давления. На выходе первого 39 элемента «И» формируется высокий уровень напряжения, который вызывает срабатывания первого одновибратора 51, соединенного с вычитающим входом реверсивного счетчика 52, значение последнего уменьшится и через цифроаналоговый преобразователь 54 сигнал поступит на девятый 55 блок сравнения, связанный с приводом 8 регулирующего органа 7. Привод 8 регулирующего органа 7 сработает и подзакроет регулирующий орган 7, выравнивая значение величины давления в магистрали низкого давления.
В случае достижения предельно максимального значения нагрузки в цепи внешней электросети, предельно минимального значения нагрузки в цепи электрического подогревателя и минимально допустимого значения давления в магистрали низкого давления на выходе второго 40 элемента «И» формируется высокий уровень напряжения, который вызывает срабатывания второго одновибратора 53, соединенного с суммирующим входом реверсивного счетчика 52, значение последнего увеличится и через цифроаналоговый преобразователь 54 сигнал поступит на девятый 55 блок сравнения, связанный с приводом 8 регулирующего органа 7. Привод 8 регулирующего органа 7 сработает и приоткроет регулирующий орган 7, выравнивая значение величины давления в магистрали низкого давления. В результате обеспечивается поддержание параметров в допустимых значениях.
Текущее положение регулирующего органа 7 измеряется датчиком положения 9 и через третий масштабирующий усилитель 56 подается на сумматор 26. Текущее значение нагрузки внешней электросети измеряется датчиком нагрузки внешней электрической сети 15 и через второй нормирующий усилитель 21 и первый масштабирующий усилитель 25 подается на сумматор 26. Текущее значение нагрузки в цепи электрического подогревателя 31 через второй масштабирующий усилитель 34 подается на сумматор 26. В результате на выходе сумматора 26 формируется сигнал, пропорциональный текущему значению потока газа, протекающему через турбодетандер 20 и регулирующий орган 7.
Этот сигнал через замкнутый контакт переключателя режимов 10 работы подается на десятый 57 блок сравнения и привод 5 байпасного клапана 4. На десятом 57 блоке сравнения происходит сравнение сигналов от сумматора 26 и датчика положения 6 и по разности корректируется положение байпасного клапана 4. В результате текущее положение байпасного клапана 4 соответствует пропусканию такого потока газа, который в текущее время проходит через турбодетандер 20 и регулирующий орган 7.
В случае возникновения аварийных ситуаций или необходимости вывода турбодетандера 20 из работы на стопорный клапан 3 подается соответствующая команда, и стопорный клапан 3 переключает поток газа, закрывая подачу на турбодетандер 20 и регулирующий орган 7 и открывая подачу на байпасный клапан 4. Так как текущее положение байпасного клапана 4 соответствует пропусканию такого потока газа, который в текущее время проходит через турбодетандер 20 и регулирующий орган 7, скачков давления газа в магистрали низкого давления в случае возникновения аварийных ситуаций и вывода турбодетандера 20 из работы не происходит. Давление поддерживается от датчика давления 14 в магистрали низкого давления посредством задатчика значения низкого давления 58, первого 13 блока сравнения и первого нормирующего усилителя 12. Этим обеспечивается повышение надежности газоснабжения в аварийных ситуациях.
Такое техническое решение обеспечивает повышение надежности работы турбодетандера посредством стабилизации механической нагрузки на его валу при колебаниях электрической нагрузки во внешней электросети путем перераспределения части электрической энергии на нагрев природного газа во входной магистрали системы.