ТУРБОДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к турбомашинам, а именно, к микротурбодетандерным генераторам и может быть использована в системах децентрализованного энергоснабжения на газораспределительных пунктах для выработки электрической энергии постоянного тока напряжением 12/24 В электрической мощностью до 1 кВт.
При газификации населённых пунктов и предприятий встает вопрос об электроснабжении объектов газораспределительных пунктов. Особенно это касается крупных пунктов и станций электрохимической защиты. В настоящее время во всех отраслях промышленности, в том числе и в газораспределении, широкое распространение получают системы телеметрии. Учитывая, что объекты сети газораспределения далеко не всегда находятся вблизи линий электропередач, подключение к сетям электроснабжающих организаций часто бывает дорогостоящим и требует времени. Не менее актуальна эта проблема и для объектов транспортировки и распределения газа.
Одним из возможных источников энергии для электроснабжения объектов сети газораспределения является энергия сжатого газа, находящегося под давлением. Для транспортировки газа по газораспределительной сети существуют компрессорные станции. В большинстве случаев в сети имеется возможность направить часть газа на выработку электрической энергии с помощью детандеров. Наиболее распространены поршневые детандеры и турбодетандеры, которые применяются в основном в производстве сжиженного газа. Существуют примеры применения турбодетандеров для выработки электроэнергии, но практически все они рассчитаны на большую мощность и, следовательно, требуют больших расходов газа и перепадов давления.
Из уровня техники известен турбодетандер-генератор, содержащий входной патрубок с улиткой, сопловой аппарат, соединённое с электрогенератором рабочее колесо и выходной патрубок (см. а.с. SU1605111, кл.F25B 1/00, опубл. 07.11.1990). Основными недостатками известного устройства являются необходимость наличия значительного перепада давления и относительно малая энергоэффективность.
Эксперименты с турбодетандерами малой мощности проводятся как в России, так и за рубежом. Один из недостатков этих устройств – зависимость от расхода газа потребителями: в период отсутствия или малого отбора газа отсутствует энергия сжатого газа для выработки электроэнергии. Этот недостаток в большинстве случаев можно компенсировать за счет правильного подбора детандера и аккумуляторной батареи. На объектах газораспределительной сети нет необходимости всю энергию сжатого газа преобразовывать в электрическую. Электроэнергии нужно вырабатывать ровно столько, сколько необходимо для обеспечения электроснабжения объекта, а перепад давления на детандере должен быть при этом как можно меньше, т.к. газ нужно транспортировать дальше по сети.
Таким образом, технической проблемой является создание простого и компактного турбодетандера-генератора электрической мощностью до 1 кВт, обеспечивающего возможность бесперебойной работы на малых перепадах давления. Технический результат заключается в повышении эффективности выработки электроэнергии. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в турбодетандер-генераторе, содержащем входной патрубок с улиткой, сопловой аппарат, соединённое с электрогенератором рабочее колесо и выходной патрубок, сопловые лопатки выполнены с поперечным сечением в виде тупоугольного треугольника и расположены симметрично таким образом, что одна из прилежащих к тупому углу сторон каждой сопловой лопатки проходит по касательной к внешней окружности соплового аппарата, причём второй прилежащий к указанной стороне угол скошен по изогнутой линии, а лопатки рабочего колеса выполнены с V-образным поперечным сечением с радиальной выемкой и радиальным острием, причём вдоль периметра рабочего колеса остриё каждой его лопатки вложено в выемку соседней лопатки. Электрогенератор предпочтительно расположен в выходном патрубке.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого турбодетандер-генератора;
на фиг.2 – его осевое сечение;
на фиг.3 – участок поперечного сечения соплового аппарата;
на фиг.4 – сопловая лопатка;
на фиг.5 – поперечное сечение рабочего колеса;
на фиг.6 – принципиальная схема работы турбодетандерной установки.
Предлагаемый турбодетандер-генератор 1 состоит из входного патрубка 2 с улиткой 3 и защитной пластиной 4, соплового аппарата 5, рабочего колеса 6 и выходного патрубка 7 с кабельным вводом 8, в котором расположен соединённый с колесом 6 электрогенератор 9.
Сопловые лопатки 10 аппарата 5 выполнены с поперечным сечением в виде треугольника с тупым углом и расположены симметрично таким образом, что прилежащая к углу α сторона l каждой сопловой лопатки проходит по касательной к внешней окружности соплового аппарата. Для формирования ламинарного потока второй прилежащий к стороне l угол скошен по изогнутой линии s. Лопатки 11рабочего колеса 6 выполнены с V-образным поперечным сечением с радиальной выемкой 12 и радиальным острием 13. Вдоль периметра рабочего колеса 6 остриё 13 каждой его лопатки вложено в выемку 12 соседней лопатки.
Экспериментальным путём было выявлено, что такие формы лопаток позволяют создать значительный вращательный момент на рабочем колесе 6даже при крайне малых перепадах давления и при этом обладают максимальной энергоэффективностью.
В предлагаемой конструкции целесообразно применение газодинамических подшипников, как в серийных энергетических установках CAPSTONE.В качестве электрогенератора 9 предполагается использовать высокооборотный синхронный генератор в индукторном исполнении, типа применяющихся сегодня в системах электропитания мощностью 300 Вт (СЭП -03КМ) и 10 кВт (СЭП -10КМ), подходящий по частоте вращения и имеющий достаточной высокий КПД. В качестве преобразователя может быть выбран  преобразователь с двойным преобразованием энергии, обладающий наиболее совершенной технологией по обеспечению качественной электроэнергией нагрузки. Такие преобразователи используются для ответственных потребителей электроэнергии, предъявляющих повышенные требования к качеству электропитания (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры, телекоммуникационное оборудование, системы управления технологическим процессом и т.д.).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Природный газ поступает к установке по газопроводу высокого давления 14, проходит подогреватель 15 (опционно), регулирующий клапан 16 и попадает  в предлагаемый турбодетандер-генератор 1. Сжатый газ через входной патрубок 2, улитку 3 и сопловой аппарат 5 раскручивает рабочее колесо 6 и электрогенератор 9, производящий электрический ток. Отдав свою энергию, газ через газопровод низкого давления 17 поступает к потребителю. Байпасный трубопровод 18 используется в процессе пуска установки, ее нормального и аварийного выводов из действия. В этих случаях байпасный клапан 19, управляемый регулятором давления 20, поддерживает необходимое потребителю значение давления газа в газопроводе низкого давления 17.
3
Предлагаемый турбодетандер-генератор обеспечивает практически бесперебойную выработку постоянного тока за счет высокоэффективного преобразования энергии транспортируемого по газораспределительным сетям природного газа, соответствующего требованиям ГОСТ 5542-87 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения», при диапазоне входного давления газа от 0,15 до 0,3 МПа (минимально допустимое выходное давление 0,05 МПа), поток газа 100-1500 м/час при нормальных условиях. Включение турбодетандер-генератора в технологическую систему ГРП не нарушает нормальную работу оборудования и бесперебойную подачу газа потребителям. Конструкция турбодетандер-генератора допускает многократный пуск и останов в процессе непрерывной эксплуатации изделия. Выход из строя любого из элементов турбодетандер-генератора не будет препятствовать транспортировке газа.