СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ПОТОКА ГАЗА
METHOD AND DEVICE FOR EXPANSION OF GAS FLOW

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу расширения потока газа, более конкретно, газа или газовой смеси, такой как пар или аналогичные смеси.
В промышленном процессе пар часто используется в качестве движущей силы или в качестве ингибитора во всех видах химических или иных процессов.
Как правило, пар генерируют в бойлере с фиксированным давлением и температурой.
Для промышленного процесса обычно требуется пар более низкого давления и температуры, чем на выходе из бойлера, вследствие чего желательные параметры пара также могут варьироваться.
По этой причине в большинстве паровых установок между бойлером и последующим промышленным процессом применяется редукционный клапан, который позволяет пару расширяться до желательного давления, необходимого для промышленного процесса.
Как правило, используется насыщенный пар, который, согласно определению, не содержит воду в жидкой фазе, поскольку вся вода, присутствующая в паре, переходит в газообразное состояние.
Известно, что в случае насыщенного пара существует определенная связь между давлением и температурой пара. Другими словами, если известна температура пара, то на ее основании можно рассчитать давление, и наоборот.
Таким образом, редуцирующий клапан открывается или перекрывается в большей или меньшей степени для получения давления, равного давлению, требующемуся для последующего процесса. В ходе расширения пара давление и температура изменяются согласно изоэнтальпическому закону термодинамики.
Преимущество такого регулирования заключается в его чрезвычайной простоте.
Однако недостатком такого регулирования является то обстоятельство, что перепад давления не используется для эффективного преобразования в другую форму энергии, например, механическую или электрическую энергию.
Другим недостатком является возможность регулировать только давление, в силу чего при изоэнтальпийном расширении в редуцирующем клапане, начинающемся с насыщенного пара, всегда подается перегретый пар при температуре, которая, как правило, оказывается выше желаемой. Перегрев пара также означает неэффективный теплообмен в последующем процессе и, следовательно, его следует максимально ограничивать.
С целью понижения температуры пара и уровня перегрева традиционно применяют бойлер или «пароохладитель», недостатком которого является дороговизна и, следовательно, возможность его использования является ограниченной.
Целью настоящего изобретения является предоставление решения для устранения одного или нескольких из перечисленных выше недостатков, а также других недостатков.
В этой связи настоящее изобретение относится к способу расширения потока газа, а именно газа или газовой смеси, такой как пар или аналогичные смеси, между впуском для подачи расширяемого газа, при определенных параметрах давления и температуры на впуске, и выходом получаемого расширенного газа, при определенных параметрах давления и температуры на выходе, в силу чего настоящий способ включает по меньшей мере этап по меньшей мере частичного расширения потока газа между впуском и выходом через редуцирующий клапан, и по меньшей мере частичного расширения пара в устройстве понижения давления с ротором, приводимым в движение газом и оснащенным выходным валом для преобразования энергии, содержащейся в газе, в механическую энергию на этом валу.
При применении такого устройства понижения давления по меньшей мере часть энергии расширения может быть эффективным образом преобразована в механическую энергию на валу устройства понижения давления, в результате чего указанная механическая энергия может быть использована, например, для работы электрогенератора или для других полезных целей.
В отличие от изоэнтальпийного расширения пара в редуцирующем клапане, расширение в разработанном устройстве понижения давления происходит согласно скорее политропическому или приближенно изоэнтропийному закону термодинамики, в силу чего, по сравнению с изоэнтальпийным расширением, политропическое расширение приводит к большему снижению температуры при одинаковом падении давления.
По причине того, что расширение между впуском и выходом устройства является частично изоэнтальпийным и частично политропическим для всего потока или в определенных частях потока, и по причине подходящего распределения изоэнтропийного и политропического расширения, соответственно, в редуцирующем клапане и в устройстве понижения давления, и/или посредством подходящего распределения субпотоков, давление и температура на выходе могут устанавливаться при значениях, желательных для последующего процесса, без применения дополнительного охлаждения или охладителя пара, и с дополнительным преимуществом, позволяющим получать механическую энергию в результате политропического расширения.
В качестве устройства понижения давления предпочтительно применять винтовой детандер, преимущество которого заключается в возможности расширения пара до температур ниже температуры насыщения, в силу чего пар будет частично конденсироваться в жидкость, и, таким образом, сфера применения этого устройства оказывается шире, чем для большинства типов турбин.
Согласно предпочтительному варианту способа согласно настоящему изобретению, расширяемый поток газа параллельно проходит через редуцирующий клапан и блок понижения давления, с субпотоком расширяемого потока газа, проходящего через редуцирующий клапан и субпотоком, проходящим через блок понижения давления, в силу чего оба субпотока расширяются до желательного давления на выходе, после чего оба субпотока объединяются при одинаковом желательном давлении на выходе для подачи расширенного потока газа при желательных параметрах на выходе.
Согласно другому предпочтительному варианту способа в соответствии с настоящим изобретением расширяемый поток газа проходит через две стадии расширения последовательно, через редуцирующий клапан и через блок понижения давления, при этом редуцирующий клапан и блок понижения давления регулируются таким образом, что реализуется промежуточная рабочая точка с промежуточным давлением и температурой после первой стадии расширения, что обеспечивает расширение на второй стадии расширения до давления и температуры, соответствующих желательному давлению и температуре на выходе.
Изобретение также относится к устройству для расширения потока газа или газовой смеси, например пара или аналогичных смесей, в силу чего это устройство имеет впускной патрубок для подачи расширяемого газа при определенных параметрах давления и температуре на входе, и выходной патрубок для подачи расширенного газа при определенных параметрах давления и температуре на выходе, благодаря чему устройство позволяет применять способ согласно описанному выше изобретению, и с этой целью устройство оснащено редуцирующим клапаном и блоком понижения давления с ротором, приводимым в движение газом и оснащенным отводным валом для преобразования энергии, содержащейся в газе, в механическую энергию на этом валу, и трубами для пропускания расширяемого потока газа, по меньшей мере, частично через редуцирующий клапан и, по меньшей мере, частично через блок понижения давления.
Преимущества являются такими же, которые были описаны для способа, применяемого согласно настоящему изобретению.
С целью лучшего представления характеристик настоящего изобретения ниже, в качестве примера, приведены несколько предпочтительных применений способа согласно изобретению для расширения потока газа и применяемого для этого устройства. Эти примеры не налагают каких-либо ограничений на изобретение и приведены с соответствующими чертежами.
На фигуре 1 показана схема традиционного устройства для расширения потока газа, более конкретно пара.
На фигуре 2 показана фазовая диаграмма или диаграмма состояния пара в виде зависимости температуры от энтропии пара, с генерацией пара в процессе прохождения через устройство, указанное на фигуре.
На фигуре 3 показано устройство согласно изобретению для расширения пара.
На фигуре 4 показана фазовая диаграмма, аналогичная представленной на фигуре 2, но для устройства, изображенного на фигуре 3;
На фигуре 5 показан вариант устройства согласно настоящему изобретению;
На фигуре 6 показана диаграмма, аналогичная представленной на фигуре 4, для устройства, изображенного на фигуре 5;
На фигуре 7 показана диаграмма для фигуры 6 в ходе промежуточного регулирования.
Традиционное устройство 1, показанное на фигуре 1, оснащено впуском А, который соединен с источником 2 пара для подачи газового потока Q расширяемого пара и выпуском В для подачи расширенного пара в последующее устройство 3 потребления пара или промышленного процесса.
A
A
Например, источник 2 представляет собой бойлер, который производит насыщенный пар с определенными параметрами на впуске, т.е. определенным входным давлением P и температурой T во впуске А устройства 1.
Рабочая точка пара на впуске А показана на фазовой диаграмме как точка А, расположенная на кривой насыщения 4 фазовой диаграммы, в соответствии с чем, эта кривая насыщения создает разделение между зоной газообразной фазы G, с одной стороны, где имеются такие параметры температуры и давления пара, что пар образуется только в газообразной фазе воды, и зоной G+V, в которой газообразная фаза воды находится в равновесии с жидкой фазой воды.
A
A
Изобара постоянного давления P, проходящая через рабочую точку А, указана на фазовой диаграмме в виде пунктирной линии и представляет все рабочие точки, в которых давление равно давлению на впуске P.
A
A
A
При поступлении энергия, начиная с точки на изобаре P, налево от линии насыщения, рабочая точка будет перемещаться по горизонтальному отрезку изобары P направо при постоянной температуре T, и имеющиеся капли воды будут постепенно испаряться, пока не будет достигнута рабочая точка А, в которой вся вода окажется испарившейся и останется только газ.
A
A
При дальнейшей подаче энергии при постоянном давлении P, рабочая точка будет перемещаться дальше, направо по изобаре P, причем температура будет постепенно повышаться. В этой зоне образуется перегретый пар, соответствующий газовой фазе без жидкости.
B
B
Последующее устройство 3 потребления пара определяет параметры пара, которые должен иметь подаваемый пар, другими словами, параметры пара на выходе В из устройства 1, в частности давление на выходе P, температура на выходе T и состав пара.
B
А
B
A
Как правило, для последующего устройства 3 потребления пара желателен слегка перегретый пар. Соответствующая рабочая точка показана на фазовой диаграмме в виде точки В справа от линии насыщения 4 при давлении P, которое ниже давления Р, и температуре T, которая ниже температуры T.
A
B
Для расширения пара от давления P на впуске А до более низкого давления P на выходе В традиционно применяется редуцирующий клапан 5, который установлен на трубопроводе 6, соединяющем впуск А с выходом В для расширения потока пара Q на редуцирующем клапане 5.
B
B
В случае традиционного редуцирующего клапана 5 это расширение до давления на выходе P протекает преимущественно согласно изоэнтальпийному процессу по кривой 7 изоэнтальпийного расширения до точки С на изобаре P.
с
B
B
B
B
Температура Т, как правило, оказывается значительно выше желательной температуры на выходе T, и после редуцирующего клапана 5 применяют пароохладитель 8 или аналогичное устройство для понижения температуры на выходе до желательной температуры T при постоянном давлении P. В таком случае рабочая точка перемещается по изобаре P от точки С к точке В.
B
B
На примере традиционного устройства 1 показан регулируемый редуцирующий клапан 5, оснащенный контроллером 9 для регулирования расширения с помощью редуцирующего клапана 5 до желательной величины давления P, заданной в контроллере 9, в силу чего контроллер 9 постоянно измеряет давление на выходе В и регулирует степень открытия редуцирующего клапана 5 в зависимости от отклонения давления от заданного давления P, до тех пор, пока давление не будет соответствовать указанному заданному давлению.
1
2
1
2
На фигуре 3 показано устройство 1 согласно настоящему изобретению, которое отличается от традиционного устройства на фигуре 1, например, тем, что для него не требуется пароохладитель 8, а труба 6, помимо клапана 5, редуцирующего давление, также оснащена параллельным блоком 10 понижения давления таким образом, что поток пара Q разделяется на субпоток Q, который направляется через клапан 5, редуцирующий давление, и субпоток Q, который проходит через блок 10 понижения давления, посредством чего субпотоки Q и Q после расширения снова объединяются для совместной подачи через выход В в последующее устройство потребления пара.
Блок понижения давления предпочтительно имеет конструкцию в виде винтового детандера с двумя зацепленными роторами 11, при этом один ротор оснащен выходным валом 12 для преобразования энергии расширения пара в механическую энергию на валу 12.
В качестве примера, выходной вал 12 соединяется с электрогенератором 14 для подачи электроэнергии в сеть потребления (не показано).
Предпочтительно скорость блока 10 понижения давления может регулироваться, с этой целью генератор 14 оснащен, например, контроллером 13.
Также могут применяться другие виды устройств понижения давления, по меньшей мере, с одним ведущим ротором и выходным валом, например, тот или иной тип турбины.
Согласно настоящему изобретению, устройство оснащено контроллерами 15 и 16, соответственно, для измерения или определения температуры и давления на выходе В.
B
B
А
A
Кроме того, устройство на фигуре 3 включает в себя контроллер 9 для регулирования расширения, которым подвергается пар на редуцирующем клапане 5 и в блоке 10 понижения давления для получения пара на выходе В с желательными, установленными или регулируемыми в контроллере значениями давления P на выходе и температуры T на выходе, в зависимости от параметров Р и T на впуске, которые здесь рассматриваются как постоянные.
1
2
B
Контроллер 9 соединен посредством соединений 17 с вышеупомянутыми устройствами 15 и 16 для определения давления и температуры на выходе В, и снабжен алгоритмом управления для разделения потока Q на два указанных выше субпотока Q и Q, которые подвергаются раздельному расширению до желательного давления на выходе P.
2
Расширение субпотока Q в винтовом детандере, взятом в качестве примера, обычно протекает в соответствии с приближенным изоэнтропическим или политропическим законом по кривой расширения 19, как показано на фигуре 4.
B
Таким образом, поток изменяется от рабочей точки А на входном патрубке А к рабочей точке В'' на выходе В'' блока 10 понижения давления, в силу чего эта рабочая точка В'' оказывается расположенной на изобаре P.
B
B
На основе фазовой диаграммы можно сделать вывод, что температура T'' на выходе В'' будет ниже желательной температуры T.
1
B
Расширение субпотока Q в редуцирующем клапане 5, как правило, протекает согласно изоэнтальпийному закону аналогично процессу, показанному на фигуре 2, в соответствии с кривой расширения 7 между рабочей точкой А на входе и рабочей точкой В', расположенной на изобаре P, на выходе из редуцирующего клапана 5.
B
B
Таким образом, температура T' на выходе В' из редуцирующего клапана 5 оказывается выше желательной уставки температуры T.
1
2
B
B
B
B
1
2
1
2
B
После расширения оба субпотока Q и Q объединяются при давлении P, в силу чего на выходе В возникает объединенный поток Q при давлении P и температуре, которая находится в диапазоне между T' и T'', и который зависит от скоростей взаимного смешения обоих субпотоков Q и Q. Алгоритм управления 18 контроллера 9 таков, что скорость взаимного смешения между Q и Q можно регулировать таким образом, чтобы температура объединенного потока Q соответствовала желательной температуре T.
2
1
Для этой цели контроллер 9, с одной стороны, подсоединен к контроллеру 13 посредством соединения 20 с возможностью регулирования скорости и, тем самым, также потока Q в блоке 10 понижения давления, а, с другой стороны, подсоединен к регулируемому редуцирующему клапану 5 посредством соединения 21 для регулирования степени открытия или перекрытия этого редуцирующего клапана 5 для регулирования величины потока Q через клапан.
Алгоритм управления 18 может быть разработан, например, следующим образом.
1
2
1
2
При запуске устройства 1 поток Q распределяется, например, равномерно на поток Q через редуцирующий клапан 5 и поток Q через блок 10 понижения давления, таким образом, что Q=Q=Q/2.
B
1
2
B
B
1
2
B
В первом случае комбинированный поток Q регулируется на основе давления, измеренного на выходе В. Когда измеренное давление оказывается ниже установленной величины желательного давления P на выходе, это означает, что поток Q слишком мал, и субпотоки Q и Q увеличиваются в равной степени до тех пор, пока измеренное давление не окажется равным установленному давлению P. Аналогичным образом, когда измеренное давление оказывается выше установленной величины P, то субпотоки Q и Q уменьшаются в равной степени, пока измеренное давление не окажется равным установленному давлению P.
B
Состояние пара, проходящего через редуцирующий клапан 5, соответствует кривой 7 до точки В', тогда как состояние пара, проходящего через блок 10 понижения давления, соответствует кривой 19 до точки В'. Комбинация обоих потоков приводит к точке В'', которая отличается от требуемой температуры T.
B
1
2
B
Если температура В''' ниже температуры T, как в случае на фигуре 4, то согласно кривой 19 испаряется слишком большое количество пара. Поэтому алгоритм 18 будет обеспечивать в равной степени увеличение потока Q и уменьшение потока Q до тех пор, пока не будет достигнута желательная температура T.
B
Поскольку этот начальный контроль не оказывает влияния на суммарный комбинированный поток Q при постоянных условиях на входе, давление на выходе будет поддерживаться равным P.
B
1
2
B
Если, с другой стороны, температура В''' выше желательной температуры T, то это означает, что слишком большое количество пара испаряется согласно кривой 7. По этой причине в данном случае алгоритм 18 будет обеспечивать в равной степени уменьшение потока Q и увеличение потока Q до тех пор, пока не будет достигнута температура T.
B
1
2
Если, например, для последующего потребления в устройстве 3 обработки пара теперь требуется меньший объем потока Q, то давление P на выходе будет возрастать, если устройство 1 по-прежнему подает поток Q. Тогда, после регистрации изменения давления на выходе, контроллер 18 изменит поток Q для поддержания применяемого соотношения потоков Q/Q.
B
1
2
B
Как только будет достигнуто заданное давление на выходе P, алгоритм 18 проверит необходимость изменения соотношения потоков Q/Q для получения желательной температуры T на выходе В.
После изменения других условий, например, давления или температуры на выходе, алгоритм 18 также будет выполняться в той же последовательности, а именно:
B
- сначала устанавливается требуемое выходное давление P путем регулирования суммарного потока Q;
B
1
2
- затем для достижения требуемой выходной температуры T устанавливается соотношение потоков Q и Q.
1
2
Безусловно, устройство может быть оснащено дополнительными ответвлениями и отводами для дальнейшего разделения потока Q, или субпотоков Q, и/или Q, снова с последующим полным или частичным объединением в пропорциях, определенных контроллером, с целью получения желательных выходных параметров.
Однако очевидно, что для реализации возможности использования преимуществ настоящего изобретения, параметры на впуске А не обязательно ограничивать точками на кривой насыщения 4, причем на впуске можно использовать также слегка перегретый пар с рабочей точкой справа от кривой 4 или слабо перегретую двухфазную смесь пара и водяных капель с рабочей точкой слева от кривой 4.
A
C
C
B
На фигуре 5 показано альтернативное устройство 1 согласно изобретению, в котором редуцирующий клапан 5 и блок 10 понижения давления, например, винтовой детандер в сочетании с генератором 14, в данном случае установлены не параллельно в трубопроводе 6, как показано в варианте осуществления на фигуре 3, а последовательно друг за другом в качестве двух последовательных стадий расширения между впуском А и выходом В, - соответственно, в редуцирующем клапане 5, изменяющем давление от P на входе А до промежуточного давления P в трубопроводе 6 между редуцирующим клапаном 5 и блоком 10 понижения давления, и затем в блоке 10 понижения давления, изменяющем давление P до желательного давления на выходе P.
c
с,
Как показано на фигуре 6, затем расширение в редуцирующем клапане 5 протекает согласно кривой изоэнтальпийного расширения 7 от рабочей точки А на входе А к промежуточной рабочей точке С при давлении P и температуре Т и дальнейшее расширение в блоке понижения давления 10 протекает согласно кривой политропического или приближенно изоэнтропийного расширения 19 в направлении рабочей точки В на выходе В.
B
B
Соответствующий контроллер 9 дает возможность регулировать обе стадии расширения таким образом, что давление и температура на выходе В становятся равными установленным величинам P и T в контроллере 9.
A
A
B
B
B
B
A
B
Контроллер 9 включает в себя расчетный и контрольный алгоритм 22, который определяет направление расширения по кривым 7 и 19 в зависимости от известных параметров P и/или T на входе и в зависимости от желательных параметров P и/или T на выходе, а затем определяет рабочую точку С как отрезок обеих кривых расширения 7 и 19: Эта рабочая точка С соответствует промежуточной рабочей точке, которую требуется получить между двумя стадиями расширения для достижения желательного давления P и температуры T на выходе при заданных входных параметрах P и T.
Например, алгоритм управления 22 позволяет выполнять следующее регулирование.
B
На первой стадии регулирования поток Q устанавливается до тех пор, пока не будет получено желательное давление P на выходе В.
С этой целью, при запуске устройства 1 блок 10 понижения давления регулируется при минимальной скорости посредством корректировки нагрузки генератора 14 с помощью контроллера 13, и таким образом, систематически открывается редуцирующий клапан 5.
С
При медленном открытии вначале происходит очень большое падение давления на редуцирующем клапане 5, и промежуточное давление в промежуточной рабочей точке С' оказывается гораздо ниже желаемого промежуточного давления Р. Поток Q будет расширяться главным образом согласно кривой расширения 7 и в меньшей степени согласно кривой расширения 19.
B
Алгоритм управления 22 постепенно будет дополнительно открывать редуцирующий клапан 5 при постоянной скорости устройства понижения давления, пока не будет достигнуто требуемое выходное давление P, как показано на фигуре 7.
B
Рабочая точка В' характеризуется выходной температурой, которая превышает желательную выходную температуру T.
В ходе второй стадии регулирования промежуточное рабочее давление С регулируется при сохранении расхода потока, согласно приведенному ниже примеру.
с
с
Когда промежуточное давление ниже желательного промежуточного давления Р, то алгоритм будет увеличивать скорость блока 10 понижения давления, пока не будет достигнуто желательное давление Р.
С
с
Однако, когда промежуточное давление выше желательного промежуточного давления Р, то алгоритм еще больше перекроет редуцирующий клапан 5 до тех пор, пока не будет достигнуто желательное промежуточное давление Р.
с
Если, к примеру, последующим потребителям требуется меньший расход потока Q, то выходное давление на выходе В будет увеличено, если устройство по-прежнему подает поток Q. По этой причине, в случае обнаружения изменения выходного давления на выходе В, контроллер 9 изменит поток Q таким образом, чтобы сохранить промежуточное давление Р. Это может быть осуществлено в случае потребности в меньшем расходе потока путем одновременного перекрытия редуцирующего клапана 5 и понижения скорости блока 10 понижения давления, в определенном соотношении.
B
C
Как только будет достигнуто желательное выходное давление P, алгоритм проверит необходимость изменения положения редуцирующего клапана 5 и/или скорости блока 10 понижения давления для установления рассчитанного желательного промежуточного давления P.
с
B
Алгоритм также может включать стадию, на которой происходит уточнение рассчитанного промежуточного давления р на основании различия между измеренной выходной температурой и желательной выходной температурой T в случае неточности в алгоритме или по причине старения оборудования.
При изменении других параметров, например, входного давления или входной температуры, алгоритм всегда будет выполняться следующим образом, т.е.:
B
- сначала будет установлено желательное выходное давление P посредством регулирования суммарного потока Q;
C
- затем для установления рассчитанного промежуточного давления P регулируется соотношение между степенью открытия редуцирующего клапана 5 и скоростью блока 10 понижения давления.
Очевидно, что при последовательном подсоединении можно менять местами редуцирующий клапан 5 и блок 10 понижения давления, и также можно проводить более двух стадий расширения.
В зависимости от сложности промышленного процесса, при наличии соответствующего контроллера, не исключается применение комбинации одного или нескольких параллельных соединений, подобно показанным на фигуре 3, и/или одного или нескольких последовательных соединений, подобно показанным на фигуре 5.
Хотя в каждом из вышеописанных примеров применяется винтовой детандер, можно применять и другие типы детандеров. Преимущество винтового детандера заключается в его меньшей чувствительности к образованию капель воды в процессе расширения, как, например, в случае на фигуре 4, где рабочая точка В'' или промежуточная рабочая точка С расположены в зоне, где газ и вода находятся в равновесии.
Вместо пара также можно использовать другие газы или газовые смеси.
Настоящее изобретение ни в коей мере не ограничивается вариантами способа и устройства для расширения потока газа, описанными в качестве примера и проиллюстрированными фигурами. Способ и устройство согласно настоящему изобретению могут быть осуществлены различными другими путями без отклонения от объема прилагаемой формулы изобретения.