ОБОГРЕВАТЕЛЬ-ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ПУНКТА
HEATER-ELECTRIC GENERATOR FOR GAS-DISTRIBUTING STATION

Предлагаемое изобретение относится к газоснабжению и может быть использовано для обогрева и электроснабжения основного оборудования газораспределительных пунктов и газораспределительных станций путем трансформации энергии давления транспортируемого газа в тепловую, а тепловой в электрическую.
Известен локальный обогреватель для газораспределительного пункта, который включает в себя бортовой кожух, в который помещены оребренная вихревая труба, соединенная выходным патрубком через выходную трубу и запорное устройство с тройником, в свою очередь соединенным с газовым фильтром, предохранительным клапаном и регулятором давления, соединенным с выходным газопроводом, причем входной патрубок вихревой трубы соединен через входную трубу, запорное устройство и тройник с входным газопроводом, который также соединен с входным патрубком фильтра через запорное устройство и тройник, а нижняя кромка кожуха установлена выше отметки пола на высоту Н [Свид. на полез, мод. №104275, МПК F16L 53/00, 2011].
Недостатком известного устройства являются необходимость для работы газового оборудования подвода извне электроэнергии, что требует дополнительных расходов, повышает пожаро- и взрывоопасность помещения газораспределительного пункта и, таким образом, снижает надежность и эффективность его работы.
Более близким к предлагаемому изобретению является газораспределительная станция, содержащая блок управления, технологический блок с газопроводами высокого и низкого давления и емкость сбора конденсата, эжектор и вихревую трубу, соединенную выходом горячего потока с входом теплообменника, причем выход теплообменника соединен с камерой смешивания эжектора, при этом вихревая труба снабжена термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для горячего потока и проходным каналом для холодного потока и комплектом дифференциальных термопар (термоэмиссионных элементов), «холодные» концы (спаи) которых расположены в проходном канале для холодного потока, термодинамически расположенного в вихревой трубе газа, а «горячие» концы (спаи) расположены в проходном канале для горячего потока [Патент РФ №2463514, МПК F17D 1/04, 2012].
Основными недостатками известного изобретения являются сложность конструкции, обусловленная значительным количеством элементов ее оборудования, и размещение спаев термопар (термоэмиссионых элементов) в проходных каналах горячего и холодного потоков, для чего требуется наличие в поверхности труб вышеупомянутых каналов отверстий, что снижает надежность и эффективность работы газораспределительной станции.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности обогревателя-электрогенератора для газораспределительного пункта.
Технический результат достигается в обогревателе-электрогенераторе для газораспределительного пункта, включающем бортовой кожух, установленный нижней кромкой выше отметки пола на высоту Н, в который помещены оребренная вихревая труба, соединенная трубопроводами с входным газопроводом, теплообменник, темоэлектрогенератор, причем оребреннная часть вихревой трубы представляет собой термоэлектрогенератор, в состав которого входят вертикальные полосы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, прикрепленные к корпусу вихревой трубы по периметру его окружности с образованием вертикальных прямоугольных пазов, в которые вставлены термоэлектрические звенья, состоящие из прямоугольных вставок, выполненных из диэлектрического коррозионно-стойкого материала с высокой теплопроводностью, внутри которых помещены ряды, состоящие из расположенных параллельно термоэмиссионных преобразователей, представляющих собой пару параллельных проволочных отрезков, выполненных из разных металлов M1 и M2, спаянных на концах между собой с образованием некоторого зазора шириной Δ, причем термоэлектрические звенья установлены в щелях таким образом, чтобы большая часть поверхности каждого ряда омывалась наружным воздухом, при этом каждое термоэлектрическое звено сверху попарно соединено между собой перемычкой, снизу электрическим конденсатором, образуя термоэлектрические секции, которые, в свою очередь, последовательно соединены между собой через перемычки, а первый и последний из вышеупомянутых конденсаторов соединены с токовыводами, которые, в свою очередь, соединены через преобразователь и аккумулятор с потребителем.
Предлагаемый обогреватель-электрогенератор для газораспределительного пункта (ОЭГРП) приведен на фиг. 1-7 (фиг. 1, 2 - общий вид и вид сверху; фиг. 3 - разрез; фиг. 4-7 - узлы термоэлектрических звеньев).
Обогреватель-электрогенератор для газораспределительного пункта (ОЭГРП) включает в себя бортовой кожух 1 (узлы крепления на фиг. 1-7 не показаны), в который помещены оребренные вихревые трубы 2, каждая из которых снабжена входным и выходным патрубками 3 и 4, соответственно, соединенная выходным патрубком 4 через выходную трубу 5, запорное устройство (задвижку или вентиль) 6 и обратный коллектор 7 с тройником 8, в свою очередь, соединенным с газовым фильтром 9, предохранительным клапаном 10 и регулятором давления 11, соединенным с выходным газопроводом (на фиг. 1-7 не показан), причем входной патрубок 3 вихревой трубы 2 соединен через запорное устройство 12, входную трубу 13, прямой коллектор 14 и тройник 15 с входным газопроводом (на фиг. 1, 2 не показан), который также соединен с входным патрубком фильтра 9 через запорное устройство 16 и тройник 8, а нижняя кромка кожуха 1 установлена выше отметки пола на высоту Н, причем оребренная часть вихревой трубы 2 представляет собой вертикальные полосы 17, выполненные из материала с высокой теплопроводностью (например, алюминия), прикрепленные к корпусу вихревой трубы 2 по периметру его окружности с образованием вертикальных прямоугольных пазов 18. В пазы 18 вставлены термоэлектрические звенья (ТЭЗ) 19, состоящие из прямоугольных вставок 20, выполненных из диэлектрического коррозионно-стойкого материала с высокой теплопроводностью (например, оксида тантала), внутри которых помещены ряды 21, состоящие из расположенных параллельно термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 22. Каждый ТЭП 22 представляет собой пару параллельных проволочных отрезков 23 и 24, выполненных из разных металлов M1 и M2, спаянных на концах между собой с образованием некоторого зазора шириной Δ (значение Δ выбирается из условий надежной изоляции отрезков 23 и 24), причем ТЭЗ 19 установлены в щели 18 таким образом, чтобы большая часть каждого ряда 21 омывалась наружным воздухом. ТЭЗ 19 сверху попарно соединены между собой перемычкой 25, снизу электрическим конденсатором 26, образуя термоэлектрические секции (ТЭС) 27, которые, в свою очередь, последовательно соединены между собой через перемычки 28, образуя термоэлектрический генератор (ТЭГ) 29, первый и последний из вышеупомянутых конденсаторов 25 которого соединены с токовыводами 30 и 31, соответственно, которые, в свою очередь, соединены через преобразователь и аккумулятор с потребителем (на фиг. 1-7 не показаны).
В основу работы предлагаемого ОЭГРП положено использование трансформации энергии давления газа в вихревой трубе 2 в тепло [Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности. 1969 - 357 с. ил.] и эффекта термоэлектричества для генерации электричества с помощью этого тепла. Так как в ТЭЗ 19 помещены ряды 21, состоящие из ТЭП 22, изготовленных из проволочных отрезков 23 и 24, выполненных из металлов M1 и M2, спаянные на концах между собой, то при нагреве одних спаянных концов, помещенных в пазы 18, горячим газом и охлаждении других наружным воздухом в ТЭЗ 19 возникает термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506].
1
1
2
2
1
1
2
1
2
ОЭГРП работает следующим образом. Предварительно, изготавливаются вихревые трубы 2 (число труб 2 выбирается в зависимости от изменения параметров расхода газа и оптимальной нагрузки отдельной тепловой трубы), которые должны обеспечивать снижение давления исходного природного газа от начального P, с которым газ поступает в газораспределительный пункт (ГРП), до промежуточного давления , величина которого также должна обеспечивать заданное повышение температуры газа от начальной t до конечной t. Кроме того, величина промежуточного давления  должна превышать величину требуемого конечного давления газа после регулятора давления 11 P на величину ΔP, которая обеспечивает устойчивую и надежную работу регулятора давления 11. Значение ΔP определяется в зависимости от характеристик конкретного регулятора давления 11. После этого вихревые трубы 2 снаряжаются вышеописанными термоэлектрогенератороми 29 и производится наладка регулятора давления 11 на пониженное начальное давление  Для включения ОЭГРП в работу предварительно открывают запорные устройства 12, 6 в требуемом числе вихревых труб 2 и закрывают запорное устройство 16, после чего из входного газопровода через тройник 15, прямой коллектор 14, входные трубы 13 и запорные устройства 12 в вихревую трубу 2 начинает поступать природный газ с давлением P и температурой t. В вихревой трубе 2 давление природного газа снижается до промежуточного , а температура повышается до конечной t, в результате чего нагреваются ее поверхность и ребра. При этом за счет теплообмена наружной поверхности полос 17, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, стенку вихревой трубы 2 и ребер (прямоугольных вставок 20, выполненных из материала с высокой теплопроводностью) с воздухом, проходящим внутри бортового кожуха 1, этот воздух нагревается, в результате чего в воздушном столбе внутри кожуха 1 возникает естественная тяга [Г.Н. Делягин и др. Теплогенерирующие установки. - М.: Стройиздат, 1986, с. 179] и нагретый воздушный поток начинает двигаться снизу вверх, омывает фильтр 9, предохранительный клапан 10 и регулятор давления 11, одновременно подогревая их (подогрев в зимнее время, в первую очередь, корпуса регулятора давления 11 предохраняет от возникновения ледяных отложений внутри его, которые являются основной причиной отказа работы регулятора давления 11 в период сильных холодов и тем самым предотвращает возникновение аварийных ситуаций в системах газоснабжения). Кроме того, в регулятор давления 11 из выходного патрубка 4 через выходную трубу 5, запорное устройство 6, обратный коллектор 7, тройник 8, газовый фильтр 9 и предохранительный клапан 10 поступает газ, горячий после вихревой трубы 2, что также предотвращает образование в нем наледи. Одновременно, нагретый вихревой трубой 2 воздух увлекает за собой холодный воздух с температурой T из щели между нижней кромкой бортового кожуха 1 и поверхностью пола высотой Н в нижнее отверстие кожуха 1, в результате чего теплый воздушный поток истекает из его верхнего отверстия вверх с температурой T, создавая циркуляционные воздушные потоки в помещении ГРП, и обогревает его.
Параллельно вышеописанным процессам горячий газ, проходя по вихревой трубе 2, нагревает вертикальные полосы 17 и прямоугольные пазы 18 и, соответственно, спаи термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 22 ТЭЗ 19, противоположные концы которых охлаждаются воздухом, омывающим вихревые трубы 2. В результате нагрева спаянных концов проволочных отрезков 23 и 24 ТЭП 22 в рядах 20 ТЭЗ 19, расположенных в пазах 18, горячим газом и охлаждении других спаянных концов ТЭП 22, расположенных снаружи, холодным наружным воздухом, в рядах 21 ТЭЗ 19 каждой ТЭС 27 образуется термоэлектричество, которое суммируется в ТЭГ 28 и через токовыводы 30 и 31 подается потребителю. При этом проволочные отрезки 23 и 24 ТЭП 22 рядов 21 изолированы от непосредственного контакта с дымовыми газами и воздухом слоем диэлектрического коррозионно-стойкого материала прямоугольных вставок 8, что предохраняет металлы M1 и M2 пар 23 и 24 ТЭП 22 от коррозии и появления между ними короткого замыкания. При этом, включение в конструкции ТЭС 27 и ТЭГ 28 ТЭВДТ последовательно соединенных между собой через конденсаторов 14 значительно снижает электрическое сопротивление ОЭГРП и, соответственно, увеличивает силу тока на токовыводах 30 и 31.
Величина разности электрического потенциала на токовыводах 30 и 31 ОЭГРП зависит от характеристик пар металлов M1 и M2, из которых изготовлены проволочные отрезки 30 и 31 ТЭП 22, числа их в ТЭЗ 19, числа ТЭС 27 в ТЭГ 28 и количества ТЭГ 28. Полученный электрический ток можно использовать для обслуживания работы ГРП.
3
щ
об
с
щ
об
с
Количество нагреваемого воздуха зависит не только от размеров вихревой трубы 2, температуры ее поверхности и ребер, но и от высоты щели Н. Для определения Н находят периметр П (м) бортового кожуха 1 из его известных конструктивных параметров, расход нагретого воздуха G (м/с) по уравнениям теплопередачи и теплового баланса [В.Н. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II. - М.; Стройиздат, 1978, с. 329] и скорость воздуха в щели w (м/с), значение которой выбирают из условия (ΔP+ΔP)<ΔР, где (ΔP+ΔP) - суммарное аэродинамическое сопротивление щели ЛОГРП, Па; ΔР - естественная тяга (самотяга), Па.
Высоту щели находят из уравнения расхода [В.Н. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II. - М.; Стройиздат, 1978, с. 323]
H=G/(w·П), м.
Таким образом, ОЭГРП обеспечивает подогрев фильтра, предохранительного клапана, регулятора давления и воздуха в помещении ГРП, что позволяет использовать энергию давления природного газа для отопления ГРП и генерации электроэнергии, что снижает эксплуатационные расходы систем газоснабжения и повышает надежность и эффективность работы ГРП.