ТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области энергетического машиностроения, в частности к турбодетандерной генераторной установке, и может быть использована в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа.
Уровень техники
Известны турбодетандеры мощностью от 1 до 6 MB производимые международными компаниями, например, АББ (шведско-швейцарская компания), Атлас Копко (Швеция), Компания ENCE GmbH (Швейцария) и Ротофлоу (Лос-Анджелес, Калифорния, США). Турбодетандеры данных производителей - высокотехнологичные (большая частота вращения ротора, совершенная турбина и сопловой аппарат, сложная система регулирования и т.д. - высокий КПД), что при больших мощностях оправдывает высокую стоимость, а также фирма «Корпорация Ротофлоу», которая является частью «Атлас Копко» производит турбодетандеры, при этом турбодетандеры Ротофлоу имеет не такую современную, по сравнению с турбодетандером компании АББ, конструкцию. Она применяет ТДА с механической коробкой передач (редуктором). Мощность работающих турбодетандеров находится в диапазоне от 50 до 15000 кВт, при этом имеет также высокую стоимость.
Известна газотурбодетандерная установка для утилизации энергии сжатого природного газа, содержащая последовательно установленные на магистрали природного газа высокого давления электрический нагреватель для подогрева газа и турбодетандер, кинематически связанный с электрогенератором, при этом она дополнительно снабжена аккумуляторной батареей с возможностью подзарядки последней от электрогенератора при работающем в режиме турбодетандере и подключении к нагревателю в начальный момент работы установки с последующим отключением от нагревателя при выходе турбодетандера на режимную работу, а электрический нагреватель выполнен резистивным и подключен к электрогенератору через блок управления, электрически связанный с датчиками температуры, установленными на входе и выходе турбодетандера.
В газотурбодетандерной установке, перед турбодетандером установлен теплообменник - регенератор для предварительного подогрева поступающего в турбодетандер газа высокого давления горячим газом низкого давления, выходящим из турбодетандера (см. пат. RU №2276758, МПК F25B 11/00, F17D 1/04, опубл. 20.05. 2006 г.).
Недостатком данной установки, является сложность конструкции, невысокая эффективность утилизации энергии избыточного давления газа.
Известна турбодетандерная установка, включающая турбодетандер, содержащий рабочее колесо, камеру высокого давления и камеру низкого давления, которые сообщаются через уплотнения с накопительной камерой, а последняя сообщена через магистраль отвода газовоздушной смеси с эжекторной трубой с размещенным в ней вентилятором и форсунками, при этом эжекторная труба выходом соединена с теплообменником, сопряженным с магистралью природного газа высокого давления, а рабочее колесо турбодетандера жестко соединено с ротором электрогенератора на подшипниках, преимущественно магнитных или воздушных, причем электрогенератор через преобразователь частоты соединен с потребителям электроэнергии.
В турбодетандерной установке, магистраль отвода газовоздушной смеси содержит регулировочный орган, который соединен магистралью с топливным элементом, связанным с потребителем электроэнергии и газоводом, который соединен с эжекторной трубой (см. пат. RU №2317430, МПК F02C 7/28 опубл. 20.02.2008 г.).
Недостатком данной установки является невысокая эффективность использования потенциальной энергии утечек природного газа.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятая авторами за прототип является турбодетандерная генераторная установка и система отбора энергии потока природного газа из газопровода, содержащая электрогенератор и турбодетандер с рабочим колесом, рабочее колесо турбодетандера расположено на валу ротора электрогенератора консольно и закреплено с одного конца вала, ротор электрогенератора расположен в корпусе между подшипниками, а статор электрогенератора снабжен обмотками в сердечнике, при этом установка входным патрубком, соединенным с основным газопроводом природного газа и выходным патрубком, соединенным с основным газопроводом подачи природного газа потребителю, при этом турбодетандер выполнен в виде безлопаточной расширительной канальной газовой турбины и образует с электрогенератором единую конструкцию с турбодетандерной генераторной установкой, которая работает от перепада давления природного газа между подводящим газопроводом и технологическими узлами основного газопровода, турбодетандер и электрогенератор размещены в одном корпусе, при этом в общем для турбодетандера и электрогенератора корпусе на подшипниках закреплен их общий вал, перепад температуры природного газа между подаваемым на сопловый аппарат рабочего колеса турбодетандера и природного газа в выходном патрубке установки не превышает 5-12°C в результате относительно малого перепада давления в проточной части турбодетандера и компенсации падения температуры при расширении природного газа за счет охлаждения подвижных частей электрогенератора - ротора и подшипников, рабочее колесо турбодетандера выполнено в виде безлопаточной расширительной канальной газовой турбины и жестко закреплено на общем валу турбодетандера и электрогенератора, при этом рабочее колесо турбодетандера вращает вал при малом перепаде давления от 0,1 до 0,3 МПа в проточной части турбодетандера, и отвод природного газа из рабочего колеса турбодетандера осуществляют через выпускной патрубок в основной газопровод подачи природного газа потребителю (см. пат. RU №2564173, МПК F01D 15/10, F02C 1/02, F01K 27/02, F01D 1/34, опубл. 27.09.2015 г.).
Недостатком данной установки и системы отбора энергии потока природного газа из газопровода является сложность конструкции, невысокая эффективность использования потенциальной энергии утечек природного газа.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка турбодетандерной генераторной установки, обладающей упрощением конструкции, повышением эффективности использования потенциальной энергии утечек природного газа.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к упрощению конструкции и повышению эффективности использования потенциальной энергии утечек природного газа, что дает возможность решить техническую проблему по упрощению конструкции и повышению эффективности использования потенциальной энергии утечек природного газа.
Технический результат достигается с помощью турбодетандерной энергетической установки, содержащей турбодетандер, соединенный с магистральным трубопроводом, блок управления, установленный на газораспределительной станции, при этом на входе турбодетандера установлен дроссель с возможностью изменения диаметра проходного сечения и индукционный нагреватель газа для нагрева рабочей среды, при этом турбодетандер установлен на, по меньшей мере, две резиновые полые подкладки, выполненные с возможностью заполнения газообразным веществом, на одной из которых установлен регулировочный клапан и соединенные между собой с помощью патрубка, с возможностью регулирования давления в камерах подкладок, при этом на выходе корпуса турбодетандера выполнены проточки для крепления расходомера.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 дана турбодетандерная энергетическая установка, общий вид.
На фиг. 2 то же, дроссель, разрез.
На фиг. 3 то же, блок управления, расположенный в помещении газораспределительной станции, общий вид.
Осуществление полезной модели
Турбодетандерная энергетическая установка состоит из турбодетандера 1, соединенного с магистральным трубопроводом 2, при этом для регулирования производительности турбодетандера 1 на его входе установлен дроссель 3 с возможностью изменения диаметра проходного сечения 4 для регулирования потока газа и индукционный нагреватель 5 газа для нагрева рабочей среды, природного газа выше температуры точки росы, так как при понижении давления газа происходит его охлаждение и для недопущения появления конденсата в рабочем органе турбодетандера 1 установлен индукционный нагреватель 5, а для поглощения вибрации турбодетандер 1 установлен на, по меньшей мере, две резиновые полые подкладки 6, выполненные с возможностью заполнения газообразным веществом, например, воздухом, на одной из которых установлен регулировочный клапан 7 и соединенные между собой с помощью патрубка 8, с возможностью регулирования давления в камерах подкладок 6, при этом на выходе корпуса (на фиг. не обозначен) турбодетандера 1 выполнены проточки 9 для крепления расходомера (на фиг. не показан), причем управление дросселем 3 осуществляется в автоматическом режиме с помощью блока управления 10, расположенном в помещении газораспределительной станции (на фиг. не показана), при этом дроссель 3 с регулируемым диаметром проходного сечения 4 выполнен из газонефтестойкого материала, помещенного в металлический корпус 11 и вспомогательной камеры 12.
Изменение проходного сечения 4 осуществляют путем закачки газа в вспомогательную камеру 12 дросселя 3 через регулировочный клапан 13, при этом вспомогательная камера 12 увеличивается, а проходное сечение 4 уменьшается. Уменьшение проходного сечения 4 газа позволит увеличить скорость потока, при этом давление во вспомогательной камере 12 может быть постоянным или меняться оператором в зависимости от режима.
Турбодетандерную энергетическую установку эксплуатируют следующим образом.
Из магистрального трубопровода, соединенного с турбодетандером 1, производят закачку газа через регулировочный клапан 13 во вспомогательную камеру 12 дросселя 3, с регулируемым диаметром проходного сечения 4, выполненного из газонефтестойкого материала, помещенного в металлический корпус 11 и установленного на входе турбодетандера 1, при этом вспомогательная камера 12 увеличивается, а проходное сечение 4 уменьшается. Уменьшение проходного сечения 4 газа, позволяет увеличить скорость потока, при этом давление во вспомогательной камере 12 может быть постоянным или меняться оператором в зависимости от режима, при этом индукционный нагреватель 5 газа производит нагрев рабочей среды природного газа выше температуры точки росы, так как при понижении давления газа происходит его охлаждение, а индукционный нагреватель 5 исключает появление конденсата в рабочем органе турбодетандера 1, при этом поглощение вибрации турбодетандера 1 производят, по меньшей мере, две резиновые полые подкладки 6, которые заполняют газообразным веществом, например, воздухом, а с помощью регулировочного клапана 7 регулируют давление в камерах подкладок 6, соединенных между собой с помощью патрубка 8, при этом на выходе корпуса турбодетандера 1 на проточках 9 установлен расходомер, причем управление дросселем 3 осуществляется в автоматическом режиме с помощью блока управления 10, расположенного в помещении газораспределительной станции.
С помощью предлагаемой полезной модели создан и испытан опытный образец турбодетандерной энергетической установки (ТДЭУ), являющейся альтернативным источником электроэнергии переменного тока, осуществляющего утилизацию энергии сжатого природного газа и предназначенной для обеспечения электроснабжением газораспределительных станций (ГРС) в качестве основного или резервного источника питания, которая обладает простой, надежной и дешевой конструкцией, технологичной в производстве и имеющей высокие технические показатели при небольших массогабаритных характеристиках, например, суммарная потребляемая мощность на собственные нужды ГРС составляет 2,5-5,5 кВт, мощность потребителей трехфазного тока 3 кВт, отношение давления газа на входе в ГРС к давлению газа на выходе из ГРС, как в зимний период, так и в летний не менее 2,2-2,3, при этом ТДЭУ можно расположить не только в помещении редуцирования газа, но и рядом с ним в отдельном укрытии капотного исполнения параллельно одной из линий редуцирования (на фиг. не показано), а также в помещении КИП и А, при этом испытания опытного образца имели следующие показатели:
- минимально достигнутое давление газа на входе 1,27 МПа (лето);
- максимально достигнутое за год давление газа на входе 3,35 МПа;
- давление газа на выходе зима/лето 0,6/0,3 МПа;
3
- объемный расход газа среднелетний/среднезимний 7,96/47,74 тыс. нм/час.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- упрощение конструкции;
- повышение эффективности использования потенциальной энергии утечек природного газа.