УСТРОЙСТВО ТУРБОДЕТЕНДЕРА С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ДАВЛЕНИЯ В ГАЗОВОЙ МАГИСТРАЛИ
TURBOEXPANDER DEVICE WITH PRESSURE REGULATION IN GAS PIPELINE

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования давления в газовой магистрали с помощью турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для рекуперации энергии сжатого газа и выработки электрической энергии.
Известно устройство турбодетандера для выработки электроэнергии, где регулирование подачи газа к турбодетандеру и поддержание давления осуществляется при помощи регулирующих вентилей (Патент RU 1822237 С, кл. F25B 11/00, опубл. 19.06.1995).
Недостаток устройства состоит в низкой надежности работы турбодетандера и отсутствии коррекции потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения электрической нагрузки сети.
Известна система регулирования турбодетандера, установленная на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления, содержащая стопорный клапан, выполненный в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии, регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с турбодетандером и байпасный клапан с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления (Патент RU 2110022 С1, кл. F25B 49/02, опубл. 27.04.1998).
Данное устройство не обеспечивает постоянные параметры режима работы турбодетандера и коррекцию величины потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения нагрузки в электрической сети, что снижает точность поддержания давления газа в магистрали низкого давления и надежность работы турбодетандера в условиях возможных существенных изменений диапазонов электрических нагрузок.
Известно устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенной с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем и регулируемым по частоте инвертором (Патент RU 2223533 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 10.02.2004).
Данное устройство не обеспечивает постоянные параметры режима работы турбодетандера при перепадах нагрузки в электрической сети, что снижает надежность работы устройства в целом.
Наиболее близким является устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами и нагревательными элементами, датчик давления магистрали низкого давления, соединенный с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, задатчик номинального режима работы турбодетандера, регулируемый силовой усилитель и последовательно соединенные выпрямитель и инвертор (Патент RU 2587021 С1, кл. F17D 1/00, опубл. 10.06.2016).
Известное устройство не обеспечивает плавное изменение величины потока газа и требуемую точность регулированием давления в газовой магистрали низкого давления при перепадах нагрузки в электрической сети, что снижает качество регулирования давления газа в магистрали и надежность работы устройства в целом.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении надежности работы устройства и обеспечении требуемой точности регулирования давления в газовой магистрали низкого давления при перепадах нагрузки в электрической сети посредством обеспечения плавного изменения величины потока газа, проходящего через турбодетандер и перенаправления части вырабатываемой электрической энергии на нагревательные элементы подогрева газа, подаваемого в турбодетандер.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство турбодетандера с регулированием давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами и нагревательными элементами, датчик давления магистрали низкого давления, соединенный с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенные выпрямитель и инвертор, задатчик номинального режима работы турбодетандера, регулируемый силовой усилитель дополнительно введены соединенная с магистралью высокого давления дополнительная труба турбодетандера с установленными на ней регулирующим устройством с индикаторами предельных положений регулирующего элемента и нагревательным элементом, измерительный шунт, соединенный последовательно между электрическим генератором переменного тока и выпрямителем, задатчик величины давления в магистрали низкого давления, измерительный выпрямитель и фильтр, блок сравнения заданного номинального режима работы турбодетандера, блок сравнения заданной величины давления в магистрали низкого давления, реверсивный двоичный счетчик, первый и второй одновибраторы, силовые ключи, усилитель и привод регулирующего устройства с индикаторами предельных положений регулирующего элемента, причем первый вход блока сравнения заданного номинального режима работы турбодетандера соединен с выходом задатчика номинального режима работы турбодетандера, а второй вход через фильтр и измерительный выпрямитель соединен с измерительным шунтом, первый вход блока сравнения заданной величины давления в магистрали низкого давления соединен с выходом задатчика величины давления в магистрали низкого давления, а второй вход с выходом датчика давления магистрали низкого давления, выход блока сравнения заданного номинального режима работы турбодетандера соединен с управляющим входом регулируемого силового усилителя, силовой вход которого соединен с выходом измерительного шунта, а силовой выход соединен с нагревательным элементом дополнительной трубы турбодетандера непосредственно и через силовые ключи с нагревательными элементами и запорными устройствами набора труб разного диаметра, соединенных с магистралью высокого давления, входы управления силовыми ключами соединены с выходами реверсивного двоичного счетчика, выход блока сравнения заданной величины давления в магистрали низкого давления соединен через усилитель и привод регулирующего устройства с управляющим входом регулирующего устройства с индикаторами предельных положений дополнительной трубы турбодетандера, выходы индикаторов предельных положений полностью открытого и полностью закрытого регулирующего элемента регулирующего устройства дополнительной трубы турбодетандера соединены через первый и второй одновибраторы с суммирующим и вычитающим входами реверсивного двоичного счетчика соответственно.
На фигуре представлена структура устройства турбодетандера с регулированием давления в газовой магистрали.
Устройство содержит газораспределительное устройство 1, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами 2 и нагревательными элементами 3, датчик давления 4 магистрали низкого давления, соединенный с турбодетандером 5, нагруженным электрическим генератором 6 переменного тока, последовательно соединенные выпрямитель 7 и инвертор 8, задатчик номинального режима работы 9 турбодетандера, регулируемый силовой усилитель 10, соединенная с магистралью высокого давления дополнительная труба 11 турбодетандера с установленными на ней регулирующим устройством 12 с индикаторами предельных положений 13 и 14 регулирующего элемента и нагревательным элементом 15, измерительный шунт 16, соединенный последовательно между электрическим генератором 6 переменного тока и выпрямителем 7, задатчик величины давления 17 в магистрали низкого давления 18, измерительный выпрямитель 19 и фильтр 20, блок сравнения заданного номинального режима работы 21 турбодетандера, блок сравнения заданной величины давления 22 в магистрали низкого давления 18, реверсивный двоичный счетчик 23, первый 24 и второй 25 одновибраторы, силовые ключи 26, усилитель 27 и привод 28 регулирующего устройства с индикаторами предельных положений 13 и 14 регулирующего элемента.
Устройство турбодетандера с регулированием давления в газовой магистрали работает следующим образом.
В процессе запуска устройства в работу реверсивный двоичный счетчик 23 обнулен и силовые ключи 26 закрыты. Запорные устройства 2 закрыты и газ через газораспределительное устройство 1 из набора труб разного диаметра на турбодетандер 5 не поступает.
При установке требуемой величины давления газа в магистрали низкого давления 18 посредством задатчика величины давления 17 на выходе блока сравнения заданной величины давления 22 формируется сигнал, который посредством усилителя 27 и привода 28 регулирующего устройства приоткрывает регулирующее устройство 12 с индикаторами предельных положений 13 и 14 регулирующего элемента. Через соединенную с магистралью высокого давления дополнительную трубу 11 газ начинает поступать в турбодетандер 5, который начинает раскручиваться и приводить в движение электрический генератор 6 переменного тока. Электрический генератор 6 переменного тока начинает вырабатывать электроэнергию, которая через измерительный шунт 16 поступает на выпрямитель 7, посредством инвертора 8 преобразуется в переменный ток промышленной частоты и подается во внешнюю электрическую сеть.
Номинальный режим работы турбодетандера 5 и электрического генератора 6 устанавливается посредством задатчика номинального режима работы 9, реальный режим работы определяется посредством измерительного шунта 16, сигнал с которого выпрямляется измерительным выпрямителем 19 и фильтруется с помощью фильтра 20.
На блоке сравнения заданного номинального режима работы 21 турбодетандера 5 и электрического генератора 6 производится сравнение реального режима работы с номинальным режимом его работы, который является наиболее предпочтительным. В случае отклонения реального режима работы турбодетандера 5 и электрического генератора 6 от номинального на выходе блока сравнения заданного номинального режима работы 21 формируется сигнал, который управляет работой регулируемого силового усилителя 10, перенаправляя часть выработанной электрической энергии на нагревательный элемент 15, установленный на дополнительной трубе 11 турбодетандера 5.
Регулирование величины давления газа в магистрали низкого давления 18 производится посредством сравнения реального значения давления газа, измеряемого датчиком давления 4, и значения заданного задатчиком величины давления 17 в магистрали низкого давления 18 на блоке сравнения заданной величины давления 22, который вырабатывает сигнал управления регулирующим устройством 12 с индикаторами предельных положений 13 и 14 регулирующего элемента, подаваемый через усилитель 27 и привод 28 регулирующего устройства. При этом появляющийся избыток или недостаток вырабатываемой электрической энергии компенсируется посредством уменьшения или увеличения части электроэнергии, подаваемый через регулируемый силовой усилитель 10 на нагревательные элементы.
В случае выхода в процессе управления регулирующего устройства 12 в крайнее открытое положение индикатор предельного положения 13 сработает, что приведет к срабатыванию первого 24 одновибратора и значение реверсивного двоичного счетчика 23 увеличится на единицу. На первом выходе реверсивного двоичного счетчика 23 появится сигнал, который откроет соответствующий силовой ключ 26, что приведет к открытию запорного устройства 2 соответствующей трубы из набора труб разного диаметра газораспределительного устройства 1. Одновременно начинает работать соответствующий нагревательный элемент 3.
При следующем срабатывании индикатора предельного положения 13 произойдет дальнейшее увеличение значения реверсивного двоичного счетчика 23, откроются силовые ключи 26 в соответствии с сформированным в счетчике 23 значением и произойдет открытие запорных устройств 2 соответствующих труб газораспределительного устройства 1 с одновременным включением соответствующих нагревательных элементов 3.
При выходе регулирующего устройства 12 в крайнее закрытое положение индикатор предельного положения 14 сработает, что приведет к срабатыванию второго 25 одновибратора, и значение реверсивного двоичного счетчика 23 уменьшится на единицу. При этом закроются соответствующие силовые ключи 26 в соответствии с сформированным в счетчике 23 значением и произойдет закрытие запорных устройств 2 соответствующих труб газораспределительного устройства 1 с одновременным отключением соответствующих нагревательных элементов 3. При этом недостаток или избыток вырабатываемой электрической энергии компенсируется уменьшением или увеличением части электроэнергии, подаваемый на нагревательные элементы.
Таким образом, грубое регулирование давления газа производится посредством включения или отключения труб разного диаметра, а точное - с помощью плавного регулирования посредством регулирующего устройства 12. Изменение электрической нагрузки во внешней сети компенсируется перенаправлением части вырабатываемой электрической энергии на нагревательные элементы подогрева газа, подаваемого в турбодетандер.
Такое техническое решение обеспечивает повышение надежности работы устройства и требуемую точность регулирования давления в газовой магистрали низкого давления при перепадах нагрузки в электрической сети посредством обеспечения плавного изменения величины потока газа, проходящего через турбодетандер, и перенаправления части вырабатываемой электрической энергии на нагревательные элементы подогрева газа, подаваемого в турбодетандер.