УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОДЕТАНДЕРА С АДАПТАЦИЕЙ К ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКЕ
DEVICE FOR CONTROLLING TURBO-EXPANDER WITH ADAPTATION TO EXTERNAL LOAD

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для рекуперации энергии сжатого газа и выработки электроэнергии.
Известна газораспределительная станция с выработкой электроэнергии, содержащая турбодетандеры, каждый из которых включает турбину и расположенный на ее валу электрогенератор, и, по меньшей мере, один нагреватель газа, связанный со входом турбины, по меньшей мере, одного из турбодетандеров, а выход одного из турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом конечного давления (Патент RU 2221192 С2, кл. F17D 1/04, F25B 11/00, опубл. 10.01.2004).
Данное устройство не обеспечивает высокой надежности работы турбодетандера и точности поддержания давления газа в магистрали низкого давления при существенных изменениях диапазонов нагрузки в электрической сети.
Известно устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, газовую расширительную машину, нагруженную электрическим генератором переменного тока, инвертор, причем газораспределительное устройство выполнено в виде набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми от датчика давления газа выходной магистрали, газовая расширительная машина выполнена в виде нерегулируемого по числу оборотов турбодетандера с парциальным подводом газа к соплам (Патент RU 2223533 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 10.02.2004).
Известное устройство для регулирования давления в газовой магистрали не обеспечивает адаптации величины потока газа, проходящего через турбодетандер в зависимости от изменения нагрузки в электрической 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 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.
Наиболее близким является устройство регулирования турбодетандера, установленного на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления, содержащее стопорный клапан, первый регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с турбодетандером, байпасный клапан с приводом и датчиком положения, второй регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления, переключатель режимов работы, блоки сравнения, сумматор, датчики положения байпасного клапана, первого и второго регулирующих органов, приводы, датчик нагрузки внешней электрической сети, электрический генератор, фильтр, выпрямитель и частотный преобразователь (Патент RU 2579301 C1, кл. F25B 49/02, опубл. 10.04.2016).
Данное устройство не обеспечивает адаптации при аварийных отключениях электрической нагрузки во внешней сети и при включении крупных потребителей посредством коррекции величины потока газа в зависимости от резких изменений нагрузки в электрической сети, что снижает точность поддержания давления газа в магистрали низкого давления и надежность работы турбодетандера в условиях возможных существенных изменений электрических нагрузок.
Задачей изобретения является повышение надежности работы турбодетандера и точности поддержания давления газа в магистрали низкого давления при резких изменениях нагрузки в электрической сети.
Техническим результатом является возможность адаптации устройства при аварийных отключениях электрической нагрузки во внешней сети и при включении крупных потребителей посредством коррекции величины потока газа в зависимости от резких изменений нагрузки в электрической сети.
Для достижения технического результата в устройство регулирования турбодетандера с адаптацией к внешней нагрузке, установленного на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления, содержащее стопорный клапан, выполненный в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии двух клапанов так, что когда один клапан открыт, то другой закрыт, первый регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с турбодетандером, байпасный клапан с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления, второй регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления, переключатель режимов работы, управляемый через датчик положения стопорного клапана, связанного со стопорным клапаном, первый вход переключателя режимов работы через первый блок сравнения и нормирующий усилитель соединен с датчиком давления в магистрали низкого давления, а второй вход переключателя режимов работы соединен с выходом второго блока сравнения, сумматор, первый вход которого соединен с датчиком положения первого регулирующего органа, а второй с датчиком положения второго регулирующего органа, выход сумматора соединен с первым входом второго блока сравнения, второй вход которого соединен с датчиком положения байпасного клапана, выход переключателя режимов работы через регулирующий усилитель байпасного клапана соединен с приводом байпасного клапана, второй вход первого блока сравнения соединен с задатчиком величины давления в магистрали низкого давления, выход первого блока сравнения через регулирующий усилитель второго регулирующего органа соединен с приводом второго регулирующего органа, датчик нагрузки внешней электрической сети через частотный преобразователь, фильтр и выпрямитель соединен с электрическим генератором на валу турбодетандера, выход датчика нагрузки внешней электрической сети через нормирующий усилитель соединен с первым входом третьего блока сравнения, второй вход которого соединен с задатчиком работы турбодетандера в номинальном режиме, выход третьего блока сравнения через регулирующий усилитель первого регулирующего органа соединен с приводом первого регулирующего органа, дополнительно введены блок выдачи средних почасовых значений расхода газа, датчик давления газа в магистрали высокого давления, первый, второй и третий корректоры, четвертый блок сравнения, задатчики уровней верхнего и нижнего допустимых отклонений, компараторы уровней верхнего и нижнего допустимых отклонений, первый и второй генераторы корректирующих импульсов, масштабирующий усилитель, блок измерения расхода газа второго регулирующего органа, сумматор расхода и сумматор коррекции, причем выход блока выдачи средних почасовых значений расхода газа соединен с первым входом первого корректора, выход датчика нагрузки внешней электрической сети через масштабирующий усилитель соединен с первым входом второго корректора, выход блока измерения расхода газа второго регулирующего органа соединен с первым входом третьего корректора, вторые входы первого, второго и третьего корректоров соединены с выходом датчика давления газа в магистрали высокого давления, выход первого корректора соединен с первым входом четвертого блока сравнения, второй вход которого через сумматор расхода соединен с выходами второго и третьего корректоров, выход четвертого блока сравнения через первый вход компаратора уровня верхнего допустимого отклонения и первый генератор корректирующих импульсов соединен со вторым входом сумматора коррекции, а через первый вход компаратора уровня нижнего допустимого отклонения и второй генератор корректирующих импульсов соединен с третьим входом сумматора коррекции, первый вход сумматора коррекции соединен с выходом первого блока сравнения, выход сумматора коррекции соединен с соответствующим приводом второго регулирующего органа, вторые входы компараторов уровней верхнего и нижнего допустимых отклонений соединены с выходами задатчиков уровней верхнего и нижнего допустимых отклонений соответственно.
На фигуре представлена структура устройства регулирования турбодетандера с адаптацией к внешней нагрузке.
Магистрали высокого и низкого давления газораспределительной станции 1 через систему задвижек 2 связаны со стопорным клапаном 3, выполненным в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии двух клапанов так, что когда один клапан открыт, то другой закрыт, первым регулирующим органом 4 с соответствующим приводом 5 и датчиком положения 6, вторым регулирующим органом 7 с соответствующим приводом 8 и датчиком положения 9 и байпасным клапаном 10 с соответствующим приводом 11 и датчиком положения 12. Первый регулирующий орган 4 соединен с турбодетандером 13, вал которого нагружен электрическим генератором 14, соединенным через выпрямитель 15, фильтр 16, частотный преобразователь 17 и датчик нагрузки внешней электрической сети 18 с электросетью потребителей.
Переключатель режимов работы 19 управляется датчиком положения 20 стопорного клапана, связанного со стопорным клапаном 3. Первый вход переключателя режимов работы 19 через первый блок сравнения 21 и нормирующий усилитель 22 соединен с датчиком давления 23 в магистрали низкого давления, а второй вход переключателя режимов работы 19 соединен с выходом второго блока сравнения 24, выход сумматора 25 соединен с первым входом второго блока сравнения 24. Выход переключателя режимов работы 19 через регулирующий усилитель 26 байпасного клапана соединен с приводом байпасного клапана 11.
Второй вход первого блока сравнения 21 соединен с задатчиком величины давления 27 в магистрали низкого давления. Выход регулирующего усилителя 28 второго регулирующего органа 7 соединен с приводом второго регулирующего органа 8.
Датчик нагрузки внешней электрической сети 18 с электросетью потребителей через нормирующий усилитель 29 соединен с первым входом третьего блока сравнения 30, второй вход которого соединен с задатчиком работы турбодетандера в номинальном режиме 31.
Выход третьего блока сравнения 30 через регулирующий усилитель 32 первого регулирующего органа 4 соединен с приводом 5 первого регулирующего органа.
Блок выдачи средних почасовых значений 33 расхода газа соединен с первым входом первого 34 корректора. Выход датчика нагрузки внешней электрической сети 18, через масштабирующий усилитель 35 соединен с первым входом второго 36 корректора, выход блока измерения 37 расхода газа второго регулирующего органа 7 соединен с первым входом третьего 38 корректора, вторые входы первого 34, второго 36 и третьего 38 корректоров соединены с выходом датчика давления газа 39 в магистрали высокого давления.
Выход первого корректора 34 соединен с первым входом четвертого 40 блока сравнения, второй вход которого через сумматор расхода 41 соединен с выходами второго 36 и третьего 38 корректоров. Выход четвертого 40 блока сравнения через первый вход компаратора уровня верхнего 42 допустимого отклонения и первый генератор 43 корректирующих импульсов соединен со вторым входом сумматора коррекции 44, а через первый вход компаратора уровня нижнего 45 допустимого отклонения и второй генератор 46 корректирующих импульсов соединен с третьим входом сумматора коррекции 44.
Первый вход сумматора коррекции 44 соединен с выходом первого блока сравнения 21, выход сумматора коррекции 44 соединен с входом регулирующего усилителя 28 второго регулирующего органа 7.
Вторые входы компараторов уровней верхнего 42 и нижнего 45 допустимых отклонений соединены с выходами задатчиков уровней верхнего 47 и нижнего 48 допустимых отклонений соответственно.
Устройство регулирования турбодетандера с адаптацией к внешней нагрузке работает следующим образом. При открытии стопорного клапана 3 по команде запуска турбодетандера поток газа через первый 4 регулирующий орган поступает на турбодетандер 13, вал которого нагружен электрическим генератором 14. Вырабатываемое электрическое напряжение преобразуется в постоянное напряжение с помощью выпрямителя 15 и сглаживается на фильтре. Для выработки напряжения с частотой 50 Гц и напряжением 380 В, пригодного для подачи в электросеть, применяется частотный преобразователь 17. Величина нагрузки измеряется датчиком нагрузки внешней электрической сети 18 потребителей.
Величина нагрузки внешней электросети, как правило, изменяется во времени. Это приводит к изменению режимов работы турбодетандера 13 и электрического генератора 14, что приводит к снижению надежности работы оборудования и колебаниям давления газа в магистрали низкого давления, что является нежелательным. Для уменьшения этих явлений проводится коррекция величины потока подаваемого на турбодетандер 13 газа высокого давления в зависимости от изменения нагрузки электрической сети. Коррекция производится по величине напряжения от датчика нагрузки внешней электрической сети 18, которое через нормирующий усилитель 29 подается на первый вход третьего блока сравнения 30. Значение нагрузки, отдаваемой во внешнюю электрическую сеть при номинальной работе турбодетандера 13 и электрического генератора 14, устанавливается задатчиком работы турбодетандера в номинальном режиме 31.
В результате на выходе третьего блока сравнения 30 формируется сигнал рассогласования действительного и номинального режимов работы турбодетандера 13 и электрического генератора 14. Этот сигнал через регулирующий усилитель 32 поступает на привод 5, который корректирует пропускную способность первого регулирующего органа 4. В результате производится коррекция величины потока газа проходящего через турбодетандер 13 в зависимости от значения электрической нагрузки внешней сети.
Для снижения величины незначительных колебаний давления газа в магистрали низкого давления используется второй регулирующий орган 7 с соответствующим приводом 8, сигнал коррекции на который через регулирующий усилитель 28 и сумматор коррекции 44 поступает с выхода первого блока сравнения 21. На первый вход первого блока сравнения 21 через нормирующий усилитель 22 подается сигнал с датчика давления 23 в магистрали низкого давления, который сравнивается с требуемой величиной давления, устанавливаемой задатчиком величины давления 27 в магистрали низкого давления.
При резких значительных изменений величин нагрузки внешней электросети, например при аварийном отключении внешней электрической нагрузки, срабатывании защиты или при включении крупных потребителей, резко изменяется режим работы турбодетандера 13 и электрического генератора 14, что приводит к значительным колебаниям давления газа в магистрали низкого давления. Для уменьшения этих явлений на четвертом 40 блоке сравнения производится сравнение величин прогнозируемого расхода газа для данного временного диапазона и реального расхода газа.
При этом величина прогнозируемого расхода газа для данного временного диапазона формируется посредством первого корректора 34, на один вход которого подается сигнал с блока выдачи средних почасовых значений 33, реализующего прогнозируемые значения расхода газа во времени, на другой вход - с датчика давления газа 39 для коррекции расхода газа по давлению в магистрали.
Величина реального расхода газа для текущего времени определяется посредством суммирования на сумматоре расхода 41 значений, одно из которых поступает с датчика нагрузки внешней электрической сети 18 через масштабирующий усилитель 35, пересчитывающий нагрузку в расход газа, и второй 36 корректор для коррекции расхода газа по давлению в магистрали, другое значение поступает с блока измерения 37 расхода газа второго регулирующего органа 7 на третий 39 корректор для коррекции расхода газа по давлению в магистрали.
В результате на четвертом 40 блоке сравнения формируется сигнал, величина которого зависит от резких значительных изменений величин нагрузки внешней электросети, например при аварийном отключении внешней электрической нагрузки, срабатывании защиты или при включении крупных потребителей.
Если этот сигнал превышает установленный задатчиком уровень верхнего 47 допустимого отклонения, то срабатывает компаратор уровня верхнего 42 допустимого отклонения, что приводит к формированию сигнала на первом генераторе 43 корректирующих импульсов, который, проходя через сумматор коррекции 44, ускоряет работу регулирующего усилителя 28 второго регулирующего органа 7 посредством привода второго регулирующего органа 8. В результате происходит повышение быстродействия при отработке резких изменений величин нагрузки внешней электросети.
Если сигнал на четвертом 40 блоке сравнения значительно ниже установленного задатчиком уровня нижнего 48 допустимого отклонения, то срабатывает компаратор уровня нижнего 45 допустимого отклонения, что приводит к формированию сигнала на втором генераторе 46 корректирующих импульсов, который проходя через сумматор коррекции 44 ускоряет работу регулирующего усилителя 28 второго регулирующего органа 7 посредством перемещения привода второго регулирующего органа 8 в противоположную сторону.
В результате происходит повышение быстродействия при отработке резких значительных изменений величин нагрузки внешней электросети, например при аварийном отключении внешней электрической нагрузки, срабатывании защиты или при включении крупных потребителей.
При необходимости вывода турбодетандера 13 из работы на стопорный клапан 3 подается соответствующая команда, и стопорный клапан 3 переключает поток газа, закрывая подачу газа на первый 4 и второй 7 регулирующие органы и открывая подачу газа на байпасный клапан 10.
Для сокращения времени переключения стопорного клапана 3 и снижения колебаний давления газа текущее положение байпасного клапана 10 соответствует сумме положений первого 4 и второго 7 регулирующих органов. Это обеспечивается вторым блоком сравнения 24, на первый вход которого через сумматор 25 подается сигнал с датчика положения 6 первого регулирующего органа 4 и датчика положения 9 второго регулирующего органа 7, а на второй вход - с датчика положения 12 байпасного клапана 10. В результате на выходе второго блока сравнения 24 формируется сигнал коррекции, который при штатной работе через переключатель режимов работы 19 и регулирующий усилитель 26 подается на привод байпасного клапана 11, постоянно поддерживая его величину открытия равной сумме величин открытия первого 4 и второго 7 регулирующих органов.
В процессе вывода турбодетандера 13 из работы датчик положения 20 стопорного клапана переключит переключатель режимов работы 19, соединив выход первого блока сравнения 21 с входом регулирующего усилителя 26 и привода 11 байпасного клапана 10. В результате байпасный клапан 10 будет поддерживать заданную величину в магистрали низкого давления.
Такое техническое решение обеспечивает адаптацию при аварийных отключениях электрической нагрузки во внешней сети и при включении крупных потребителей посредством коррекции величины потока газа в зависимости от резких изменений нагрузки в электрической сети, что повышает точность поддержания давления газа в магистрали низкого давления и надежность работы турбодетандера.