ОБРАТИМАЯ ЭЛЕКТРОТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА
REVERSIBLE ELECTRIC TURBO-EXPANDER PLANT

Изобретение относится к области газовой промышленности и энергетики, в частности к установкам перекачки природного газа и энергетическим установкам, утилизирующим энергию избыточного давления природного газа.
Известна турбодетандерная установка, содержащая турбодетандер, электрогенератор, линию высокого давления природного газа, газопаровый теплообменник и электропарогенератор, соединенный с противодавленческой турбиной (патент RU 2403406, опубл. 10.11.2010 г.).
Недостатками установки являются узкая область применения, наличие газопарового теплообменника и электропарогенератора, что повышает себестоимость и снижает надежность установки.
Известна теплотурбодетандерная установка в системе ГРС (патент RU 2330968, опубл. 10.08.2008), содержащая компрессор, камеру сгорания, турбину, подогреватель цикловой воды, дымовую трубу, газопровод высокого давления, подогреватель газа, гидротурбину, электродвигатель, циркуляционный насос, гидромуфту, турбодетандер, электрогенератор, распределительные коллекторы, причем, циркуляционный насос, подогреватель цикловой воды, подогреватель газа, гидротурбина образуют замкнутый контур цикловой воды, при этом турбина соединена с подогревателем цикловой воды, который подключен через магистраль воды к подогревателю газа, а магистралью отработавшего газа к дымовой трубе, магистраль природного газа высокого давления через подогреватель соединена с турбодетандером, который на своем выхлопе через систему газопроводов подключен к распределительным коллекторам.
Недостатками установки является ее привязка к ГРС, что существенно снижает область применения, а также неэкологичность эксплуатации, поскольку происходит сжигание природного газа, и выброс продуктов сгорания в атмосферу.
Известна газотурбодетандерная установка для утилизации энергии сжатого природного газа (патент RU 2276758, опубл. 20.05.2006), принятая за прототип. Она содержит последовательно установленные на магистрали природного газа высокого давления электрический нагреватель для подогрева газа, турбодетандер, кинематически связанный с электрогенератором, и аккумуляторную батарею с возможностью подзарядки последней от электрогенератора при работающем в режиме турбодетандера и подключении к нагревателю в начальный момент работы установки с последующим отключением от нагревателя при выходе турбодетандера на режимную работу.
Недостатками установки являются узкая область применения и низкая надежность, т.к. отсутствует дублирующая система подогрева газа на входе турбодетандера.
Техническим результатом изобретения является расширение возможностей устройства и повышение надежности работы.
Технический результат достигается тем, что обратимая электротурбодетандерная установка, содержащая электрическую машину, турбодетандер, установленный перед ним электрический нагреватель, подключенный к аккумуляторной батареи, установленной с возможностью подзарядки от электрической машины, дополнительную систему подогрева природного газа, снабжена центробежным нагнетателем и газовой турбиной, кинематически связанной с турбодетандером, с центробежным нагнетателем и с электрической машиной, снабженной полупроводниковым преобразователем, при этом дополнительная система подогрева выполнена в виде рекуператора тепла, установленного в газовой турбине, и соединенного через водяной насос с водяным нагревателем, установленным перед электрическим нагревателем, а аккумуляторная батарея соединена с электрической машиной через полупроводниковый преобразователь.
В системе подогрева природного газа, перед турбодетандером, электрический нагреватель является основным, а водяной нагреватель - дополнительным.
Структурная схема обратимой электротурбодетандерной установки представлена на фиг.1. Установка содержит электрическую машину 8, снабженную полупроводниковый преобразователем 9, турбодетандер 3, установленный перед ним электрический нагреватель 2, подключенный к аккумуляторной батареи 4, центробежный нагнетатель 7, дополнительную систему подогрева природного газа, газовую турбину 6. Дополнительная система подогрева выполнена в виде рекуператора тепла 11, установленного в газовой турбине 6, и соединенного через водяной насос 12 с водяным нагревателем 13, установленным перед электрическим нагревателем 2. Рекуператор тепла 11 служит для утилизации тепла и использования его в дополнительном водном нагревателе 13 природного газа на входе в турбодетандер 3. В качестве теплоносителя используется вода. Водяной насос 12 используют для обеспечения циркуляции воды. Электрический нагреватель 2 для подогрева природного газа, турбодетандер 3 и центробежный нагнетатель 7 установлены на магистрали природного газа высокого давления 1. Газовая турбина 6 кинематически связана с турбодетандером 3, с центробежным нагнетателем 7 и с электрической машиной 8. Турбодетандер 3 также кинематически связан с электрической машиной 8. Аккумуляторная батарея 4 установлена с возможностью подзарядки от электрической машины 8 и соединена с ней через полупроводниковый преобразователь 9.
Обратимая электротурбодетандерная установка работает следующим образом. Из магистрали высокого давления 1 природный газ поступает в турбодетандер 3, расходует энергию на его вращение и теряет давление (фиг.2). На выходе турбодетандера 3 начинается магистраль природного газа низкого давления 5. Таким образом, за счет турбодетандетрного эффекта, происходит снижение давления природного газа. При снижении давления природного газа происходит снижение его температуры. Для избежания обмерзания турбодетандера 3 температуру природного газа повышают электрическим нагревателем 2. При вращении турбодетандера 3 вращается кинематически связанная с ним электрическая машина 8. Электрическая машина 8 работает в генераторном режиме и через полупроводниковый преобразователь 9 заряжает аккумуляторную батарею 4 и питает электрический нагреватель 2. Таким образом, обратимая электротурбодетандерная установка работает в турбодетандерном режиме.
При неисправности электрического нагревателя 2 или электрической машины 8, запускают газовую турбину 6 (фиг.3). В результате, работает дополнительная система подогрева. В рекуператоре тепла 11 происходит нагрев воды, которую с помощью водяного насоса 12 перекачивают в водяной нагреватель 13 и подогревают природный газ на входе в турбодетандер 3. Этим достигают надежность работы установки.
При работе на повышение давления за счет центробежного нагнетателя 7 (фиг.4), последний может приводиться во вращательное движение со стороны газовой турбины 6, при отсутствии электроэнергии. При этом, одновременно с вращением центробежного нагнетателя 7, происходит вращение электрической машины 8. При этом электрическая машина 8 работает в генераторном режиме, а выработанная энергия направляют в аккумуляторную батарею 4 и внешнюю сеть. Таким образом, обратимая электротурбодетандерная установка обеспечивает комбинированный режим работы.
При работе на повышение давления за счет центробежного нагнетателя 7 (фиг.5), последний может приводиться во вращательное движение также со стороны электрической машины 8. При этом она работает в двигательном режиме, а управление ею осуществляют с помощью полупроводникового преобразователя 9.
Обратимая электротурбодетандерная установка работает в режиме газового компрессора центробежного нагнетателя 7 магистрали высокого давления 1.
Установка работает в турбодетандерном режиме, в режиме газового компрессора магистрального газопровода с приводом от газовой турбины или электрической машины и в комбинированном режиме работы при использовании газовой турбины в качестве привода центробежного нагнетателя для компремирования природного газа, и электрической машины для генерации электроэнергии.
Таким образом, расширяются возможности использования установки и повышается надежность ее работы.