Устройство подогрева технологического газа в газораспределительной станции
DEVICE FOR HEATING PROCESS GAS IN A GAS DISTRIBUTION STATION

Изобретение относится к системам подогрева технологического газа и, в первую очередь, для подогрева технологического газа в газораспределительных станциях (ГРС) с использованием теплогенератора пульсирующего горения.
Известна система пульсирующего горения, содержащая камеру пульсирующего горения, резонатор в виде системы труб, клапанно-смесительное устройство подготовки топливной смеси и запальное устройство (см. патент RU №2175422 от 02.02.2001 г.).
Недостатком известной системы пульсирующего горения является ограниченный диапазон устойчивого горения, определяемый «однорежимностью» его работы, вызванной использованием в системе одноконтурного резонатора: камера сгорания – трубы-резонаторы. Однорежимность заключается в том, что данная система пульсирующего горения устойчиво работает на заданном расчетном по мощности режиме и при уменьшении нагрузки (уменьшение расхода теплоносителя) отключают подачу топливного газа, чтобы исключить рост температуры теплоносителя выше заданной. Затем при определенном падении температуры теплоносителя вновь включают подачу топливного газа. Частота циклов выключения-включения («стоп-старт») будет зависеть от инерции системы и будет увеличиваться по мере снижения нагрузки.
Известно также устройство подогрева технологического газа в газораспределительной станции, содержащее теплообменник с трубопроводами подвода и отвода технологического газа на узел редуцирования газа перед направлением его в сеть (потребителю) и теплогенератор пульсирующего горения в составе камеры сгорания и пучка труб-резонаторов, при этом узел подачи газа в камеру сгорания состоит из электромагнитных клапанов, управляемых регулятором температуры газа на выходе из теплообменника.
Недостатком этого аналога, взятого за прототип, также является большая частота стоп-стартов в условиях работы ГРС в летнее время, когда потребление газа может быть на порядок ниже зимнего, а подогревать его надо постоянно, т.к. температура природного газа на подводе к ГРС ниже 0°С, к тому же после редуцирования его температура понижается еще на 30…40°С.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание условий для резонансного горения в теплогенераторе на разных по мощности режима его работы и таким образом расширить диапазон устойчивой работы устройства для подогрева газа и сократить (исключить) режимы «старт-стоп», что увеличит надежность работы теплогенератора и устройства для подогрева газа в целом.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве подогрева технологического газа в газораспределительной станции, содержащем теплообменник с трубопроводами подвода и отвода технологического газа и теплогенератор с камерой пульсирующего горения в составе камеры сгорания и труб-резонаторов, помещенных в рубашку с подводом и отводом теплоносителя в теплообменник, клапанно-смесительное устройство подготовки топливной смеси и свечу зажигания, а также узел подачи газа в камеру сгорания, состоящий из электромагнитных клапанов, управляемых регулятором температуры газа на выходе из теплообменника, согласно предложенному техническому решению входная часть камеры сгорания теплогенератора выполнена в виде диффузора с углом раскрытия 40…120°С, а выхлопная труба выполнена в виде связанного с камерой пульсирующего горения дополнительного резонирующего устройства, состоящего из цилиндрической камеры размерами L/D=1,5…2,5, установленной на выходе резонатора камеры пульсирующего горения, где L, D - соответственно длина и диаметр цилиндра, и резонатора в виде трубы длиной, равной 10…12 диаметра трубы, причем дополнительное резонирующее устройство снабжено рубашкой для охлаждения циркулирующим теплоносителем, при этом установленный на выходе дополнительного резонирующего устройства реактивно-активный глушитель шума является продолжением выхлопной трубы.
Для снижения шума от воздушного клапана клапанно-смесительного устройства верхняя часть камеры пульсирующего горения соединена с трубой отбора воздуха из атмосферы с уровнем забора, равным уровню положения выхлопной трубы, и через воздушную рубашку, коаксильно размещенную относительно рубашки теплоносителя, с зоной расположения клапанно-смесительного устройства.
Для повышения точности регулирования температуры технологического газа за теплообменником применен ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор).
Техническим результатом является устойчивое резонансное горение в теплогенераторе в диапазоне мощностей 30…100%, что дает возможность работы ГРС при малых расходах технологического газа в сети, исключив практически режимы «старт-стоп».
На рис. 1 показано устройство подогрева технологического газа в ГРС, рис. 2 - конструктивная схема теплогенератора, рис. 3 - схема установки ПИД-регулятора.
Теплообменник 1 служит для подогрева отбираемого через трубопровод 2 и шаровой кран 3 из магистрального газопровода природного газа, направляемого далее в блок редуцирования ГРС через шаровой кран 4 и трубопровод 5 с целью предотвращения выпадания гидратов. Трубопроводы 6 и 7 служат для подвода-отвода теплоносителя в теплообменник 1 из теплогенератора 8. Отбор топливного газа для теплогенератора 8 произведен из трубопровода 5 через регулятор давления газа 9 и узел подачи газа 10 в составе электромагнитных клапанов 11, 12 и 13, управляемых регулятором температуры газов 14 с датчиком температуры газа 15 на выходе из теплообменника 1. Далее на линии подвода топливного газа установлен электромагнитный клапан 16 для подачи газа на клапанно-смесительное устройство 17 (рис. 2) с воздушным клапаном 18 и со свечой зажигания 19, установленные в теплогенераторе 8.
Теплогенератор 8 (рис. 2) состоит из камеры пульсирующего горения 20 и выхлопной трубы 21.
Камера пульсирующего горения 20 включает в себя соответственно камеру сгорания 22 и резонатор 23, размещенные в рубашке 24 с подводом 25 теплоносителя и отводом 26 теплоносителя в теплообменник 1.
Диффузор 27 камеры сгорания 22 выполнен с углом раскрытия β=40…120°. В этом диапазоне углов обеспечена устойчивость запуска и резонансного горения вкупе с другими техническими решениями (ниже по тексту).
Выхлопная труба 21 включает в себя связанное с камерой пульсирующего горения 20 дополнительное резонирующее устройство 28, состоящее из цилиндрической камеры 29, установленной на выходе резонатора 23, и трубы-резонатора 30. Цилиндрическая камера 29 выполнена из условия L/D=l,5…2,5, где L и D соответственно длина и диаметр цилиндрической камеры, а труба-резонатор 30 из условия L/D=10…12. Дополнительное резонирующее устройство 28 имеет рубашку 31 для охлаждения циркулирующим теплоносителем.
На выходе дополнительного резонирующего устройства 28 установлен реактивно-активный глушитель шума 32 как продолжение трубы 21. Такое выполнение выхлопной трубы 21 позволило создать условия в обеспечении резонансного горения на разных по мощности (30…100%) режимах работы теплогенератора.
Для снижения шума от воздушного клапана 5 в клапанно-смесительном устройстве 17 отбор воздуха для подачи его на воздушный клапан 18 произведен через установленную в верхней части камеры пульсирующего горения 20 трубу 33 и воздушную рубашку 34. Такое техническое решение также обеспечивает дополнительный подогрев воздуха на входе в клапанно-смесительное устройство 17.
Для повышения точности регулирования температуры технологического газа за теплообменником 1 может быть применен ПИД-регулятор (рис. 3). Тогда ПИД-регулятор 35 установят в линии 36 подачи топливного газа к теплогенератору 8. Его применение позволит плавно (бесступенчато) и более точно регулировать температуру газа за теплообменником 1, поскольку в заданном диапазоне нагрузок по мощности обеспечено устойчивое резонансное горение в теплогенераторе 8.
Устройство подогрева технологического газа в газораспределительной станции (ГРС) работает следующим образом.
Из магистрального газопровода газ отбирается на ГРС, в составе которой находится устройство для подогрева газа, в составе теплообменника 1 и теплогенератора 8. При открытых шаровых кранах 3 и 4 газ по трубопроводу 5 подается на блок редуцирования газа (на схеме не показано). Для подогрева технологического газа в теплообменнике 1 запускается в работу теплогенератор 8, для чего открывают подачу топливного газа на узел подачи газа 10 и через открытый электромагнитный клапан 16 газ поступает в клапанно-смесительное устройство 17.
Воздух на воздушный клапан 18 смесительного устройства 17 подается через трубу 33 и рубашку 34. Расход топливного газа на запуске теплогенератора определяется минимальным сечением сопла электромагнитного клапана 13, включаемого регулятором температуры газов 14. Топливно-воздушная смесь воспламеняется свечой зажигания 19, установленной в диффузоре 27 камеры сгорания 22. Происходит запуск в работу теплогенератора с выходом на режим, соответствующий минимальной мощности в 30% от номинальной мощности теплогенератора 8. Устойчивое пульсирующее горение обеспечивается системой резонаторов камеры пульсирующего горения 20 и связанного с ней дополнительного резонирующего устройства 28 с реактивно-активным глушителем 32.
На больших расходах технологического газа через теплообменник 1 при падении температуры газов за теплообменником 1 регулятор температуры 14 переключает подачу топливного газа через электромагнитный клапан 11 узла подачи газа 10. Теплогенератор 8 переходит на режим работы 100% мощности. Устойчивость пульсирующего горения на этом режиме также обеспечивается системой резонаторов теплогенератора, изготовленных с выполнением условия L/D=l,5…2,5 для цилиндрической камеры 29 и L/D=10…12 трубы-резонатора 30, где L и D соответственно длина и диаметр. Поскольку выбор резонаторов определяет их геометрию и при этом труба-резонатор 30 может заузить проходное сечение для выхлопных газов настолько, что может наступить режим теплового запирания при работе на нагрузках по мощности 100%, то введение рубашки 31 для охлаждения выхлопных газов в трубе-резонаторе 30 циркулирующим теплоносителем предотвратит это запирание. Одновременно это также дает дополнительный теплосъем теплоносителем и увеличивает кпд теплогенератора 8.
Комбинацией включения электромагнитных клапанов 11, 12 и 13 регулятором температуры газов 14 задают возможность поддержания заданной температуры газов за теплообменником 1 без выключений теплогенератора 8 и повторного включения в режиме «старт-стоп».
На рис. 3 показано применение в качестве регулятора температуры газов за теплообменником 1 ПИД-регулятора 33, устанавливаемого в линии 34 подачи топливного газа к теплогенератору 8.
Применение такого регулятора повысит точность регулирования температуры газов за теплообменником 1, если это необходимо. В этом случае ПИД-регулятор исключает применение узла подачи 10 и регулятора давления 9.