ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫЙ АГРЕГАТ
EXPANDER-GENERATOR UNIT

Изобретение относится к устройствам для использования механической энергии расширения сжатого магистрального природного газа с предварительным подогревом этого газа за счет низкопотенциальной тепловой энергии и может быть использовано на тепловых электрических станциях, потребляющих большое количество топливного природного газа и имеющих низкопотенциальную тепловую энергию в виде теплоты оборотной воды, охлаждающей конденсаторы паровых турбин.
Известна система для защиты детандер-генераторного агрегата (ДГА) от перегрузки при выработке электроэнергии и холода, содержащая датчики температуры и давления охлаждающей среды ДГА, соединенные через средства суммирования и преобразования сигналов с блоком контроля и сравнения, выполненным с возможностью сравнения сигнала о величине тока генератора, поступающего от генератора через систему управления (штатную САУ) ДГА, с сигналом предельной величины тока, поступающим от средств суммирования и преобразования сигналов от датчиков температуры и давления, и с возможностью подачи сигнала на разгрузку генератора или остановку ДГА (Патент на полезную модель RU №77020, МПК F17D 1/04, F25B 11/00, 10.10.2008).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является детандер-генераторный агрегат, содержащий газопроводы высокого и низкого давления, установленные по ходу газа и последовательно соединенные теплообменник, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, и компрессор, электродвигатель, испаритель, дроссель, при этом электрогенератор электрически соединен с электродвигателем, приводящим в движение компрессор, соединенный с выходом испарителя, вход которого через дроссель соединен с выходом теплообменника, а вход теплообменника соединен с выходом компрессора (патент РФ №2150641, МПК F25B 11/02, 10.06.2000).
Недостатки известного детандер-генераторного агрегата:
1. Невозможность автоматического поддержания оптимальной температуры топливного газа перед горелками в зависимости от тепловой производительности котла и температуры низкопотенциального теплоносителя.
2. Невозможность автоматического поддержания необходимого давления топливного газа в газопроводе низкого давления перед горелками в зависимости от тепловой производительности котла и температуры низкопотенциального теплоносителя.
Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи поддержания оптимальной температуры и необходимого давления топливного газа перед горелками в зависимости от производительности котла и температуры низкопотенциального теплоносителя.
Технический результат достигается тем, что в детандер-генераторный агрегат, содержащий электрогенератор, первую ступень детандера для привода электрогенератора, компрессор, теплообменник, дроссель, испаритель, газопровод высокого давления, газопровод низкого давления, первую регулировочно-запорную электроприводную задвижку, насос с частотно-регулируемым приводом для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель, байпасную регулировочно-запорную задвижку, при этом компрессор соединен с выходом испарителя, вход которого через дроссель соединен с выходом теплообменника, а вход теплообменника соединен с выходом компрессора, выход первой ступени детандера через первую регулировочно-запорную электроприводную задвижку соединен с газопроводом низкого давления, согласно заявляемому изобретению введены вторая ступень детандера для привода компрессора, блок управления, вторая регулировочно-запорная электроприводная задвижка, первый датчик температуры, второй датчик температуры, третий датчик температуры и датчик давления, при этом вторая ступень детандера выполнена с возможностью выработки механической энергии за счет расширения топливного газа и соединена с компрессором, выход второй ступени детандера соединен с входом первой ступени детандера, вход второй ступени детандера через вторую регулировочно-запорную электроприводную задвижку соединен с газопроводом высокого давления, первый датчик температуры установлен на выходе низкопотенциального теплоносителя после испарителя, второй датчик температуры установлен после теплообменника на газопроводе высокого давления, третий датчик температуры и датчик давления установлены на газопроводе низкого давления непосредственно перед горелками котла, блок управления соединен электрическими связями с байпасной, первой и второй регулировочно-запорными электроприводными задвижками, с частотно-регулируемым приводом насоса для подачи низкопотенциального теплоносителя, с первым, вторым, третьим датчиками температуры и датчиком давления, причем блок управления имеет пакет прикладных программ поддержания оптимальной температуры и необходимого давления топливного газа в газопроводе низкого давления на основе требуемой тепловой мощности котла, управления расходом низкопотенциального теплоносителя по его температуре и выполнен с возможностью воздействия на степень открытия байпасной, первой и второй регулировочно-запорных электроприводных задвижек, а также с возможностью управления частотой вращения электродвигателя привода насоса для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель.
Таким образом, технический результат достигается путем применения в качестве привода компрессора второй ступени детандера, которая расположена на одном валу с компрессором, а также применения компьютеризированного блока управления, соединенного электрическими связями с частотно-регулируемым приводом насоса подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель, с задвижками, с первым датчиком температуры на выходе низкопотенциального теплоносителя после испарителя, с вторым датчиком температуры на газопроводе непосредственно после теплообменника, с третьим датчиком температуры и датчиком давления на газопроводе низкого давления.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема предлагаемого детандер-генераторного агрегата.
На чертеже элементы и узлы обозначены следующими позициями:
1 - первая ступень детандера для привода электрогенератора, 2 - вторая ступень детандера для привода компрессора, 3 - электрогенератор, 4 - компрессор, 5 - теплообменник, 6 - дроссель, 7 - испаритель, 8 - газопровод высокого давления, 9 - первая регулировочно-запорная электроприводная задвижка, 10 - насос с частотно-регулируемым приводом для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель, 11 - вход низкопотенциального теплоносителя, 12 - выход низкопотенциального теплоносителя, 13 - блок управления, 14 - первый датчик температуры, 15 - датчик давления, 16 - газопровод низкого давления, 17 - байпасная регулировочно-запорная электроприводная задвижка, 18 - вторая регулировочно-запорная электроприводная задвижка, 19 - второй датчик температуры, 20 - третий датчик температуры.
Детандер-генераторный агрегат содержит электрогенератор 3, первую ступень 1 детандера для привода электрогенератора 3, компрессор 4, теплообменник 5, дроссель 6, испаритель 7, газопровод 8 высокого давления, газопровод 16 низкого давления, первую регулировочно-запорную электроприводную задвижку 9, насос 10 с частотно-регулируемым приводом для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель 7, байпасную регулировочно-запорную задвижку 17. Компрессор 4 соединен с выходом испарителя 7.
Вход испарителя 7 через дроссель 6 соединен с выходом теплообменника 5. Вход теплообменника 5 соединен с выходом компрессора 4. Выход первой ступени 1 детандера для привода электрогенератора 3 через первую регулировочно-запорную электроприводную задвижку 9 соединен с газопроводом 16 низкого давления.
Отличием предлагаемого детандер-генераторного агрегата является то, что в него введены вторая ступень 2 детандера для привода компрессора 4, блок 13 управления, вторая регулировочно-запорная электроприводная задвижка 18, первый датчик 14 температуры, второй датчик 19 температуры, третий датчик 20 температуры и датчик 15 давления.
Вторая ступень 2 детандера для привода компрессора 4 выполнена с возможностью выработки механической энергии за счет расширения топливного газа и соединена с компрессором 4, т.е. вторая ступень 2 детандера передает эту механическую энергию непосредственно для вращения вала компрессора 4, а топливный газ после второй ступени 2 детандера поступает на первую ступень 1 детандера для привода электрогенератора 3.
Выход второй ступени 2 детандера соединен с входом первой ступени 1 детандера. Вход второй ступени 2 детандера через вторую регулировочно-запорную электроприводную задвижку 18 соединен с газопроводом 8 высокого давления.
Первый датчик 14 температуры установлен на выходе 12 низкопотенциального теплоносителя после испарителя 7.
Второй датчик 19 температуры установлен после теплообменника 7 на газопроводе 8 высокого давления.
Третий датчик 20 температуры и датчик 15 давления установлены на газопроводе низкого давления непосредственно перед горелками котла (на чертеже горелки котла не показаны).
Блок 13 управления соединен электрическими связями с байпасной 17, первой 9 и второй 18 регулировочно-запорными электроприводными задвижками, с частотно-регулируемым приводом насоса 10 для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель 7, с первым 14, вторым 19, третьим 20 датчиками температуры и датчиком 15 давления.
Блок 13 управления имеет пакет прикладных программ поддержания необходимого давления и оптимальной температуры топливного газа в газопроводе 16 низкого давления на основе требуемой тепловой мощности котла, управления расходом низкопотенциального теплоносителя по его температуре.
Блок 13 управления выполнен с возможностью воздействия на степень открытия байпасной 17, первой 9 и второй 18 регулировочно-запорных электроприводных задвижек.
Блок 13 управления выполнен с возможностью управления частотой вращения электродвигателя привода насоса 10 для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель 7.
Назначение и взаимодействие элементов следующее.
Первая ступень 1 осевого детандера находится на одном валу с электрогенератором 3 и служит для сообщения ему вращательного движения.
Вторая ступень 2 осевого детандера находится на одном валу с компрессором 4 и служит для сообщения ему вращательного движения.
Компрессор 4 служит для создания разрежения в испарителе 7 за счет отсасывания из него хладагента (на чертеже хладагент позицией не обозначен), последующего сжатия и подачи его в газовый теплообменник 5, во внутритрубное пространство которого поступает для нагрева топливный газ из газопровода 8 высокого давления.
Дроссель 6 служит для охлаждения хладагента и превращения его в жидкое состояние за счет расширения.
Испаритель 7 служит для передачи теплоты хладагенту от низкопотенциального теплоносителя, поступающего через вход 11.
В качестве низкопотенциального теплоносителя используется оборотная циркуляционная нагретая вода после конденсаторов паровых турбин (на чертеже конденсаторы не показаны).
Первая 9 и вторая 18 регулировочно-запорные электроприводные задвижки служат для регулирования расхода топливного газа, поступающего на первую 1 и вторую 2 ступени детандера соответственно для привода электрогенератора 3 и компрессора 4, а также для отключения обеих ступеней детандера в случае профилактического осмотра.
Насос 10 с частотно-регулируемым приводом служит для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель 7.
Вращение частотно-регулируемого электродвигателя (на чертеже не показан) для привода насоса 10 осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором 3.
Блок 13 управления выполнен компьютеризированным, соединен электрическими связями с насосом 10 для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель 7, с задвижками 9, 18, с датчиками 14, 19, 20 температуры и датчиком 15 давления и служит для управления в автоматическом режиме расходом низкопотенциального теплоносителя по его температуре на выходе 12, а также для регулирования температуры и давления топливного газа в газопроводе 16 низкого давления.
Байпасная регулировочно-запорная электроприводная задвижка 17 служит для подачи топливного газа со стороны газопровода 8 высокого давления на сторону газопровода 16 низкого давления при закрытых задвижках 9, 18.
При недостатке вырабатываемой электрогенератором 3 электроэнергии насос 10 для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель 7 подключается к внешней электросети (на чертеже внешняя электросеть не показана) в автоматическом режиме по электрическому сигналу с блока 13 управления.
Детандер-генераторный агрегат работает следующим образом.
В соответствии с требуемой тепловой нагрузкой котла при подаче электрического напряжения от внешней электросети блок 13 управления по программе на основе электрического сигнала с первичного датчика регулирования тепловой мощности котла устанавливает степень открытия задвижек 9, 18 на ступенях детандера, соответственно 1 и 2, и количество подаваемого насосом 10 в испаритель 7 низкопотенциального теплоносителя (на чертеже не показаны котел, первичный датчик регулирования тепловой мощности котла и линии электрической связи котла с блоком 13 управления).
После открытия основной задвижки (на чертеже не показана) на газопроводе 8 топливный газ под повышенным давлением проходит внутри трубчатого теплообменника 5 и при закрытой байпасной задвижке 17 поступает через вторую задвижку 18 на вторую ступень 2 детандера, на которой происходит расширение топливного газа и механическая энергия передается через вал для привода компрессора 4.
После второй ступени 2 детандера топливный газ с пониженными температурой и давлением поступает на первую ступень 1 детандера, на которой происходит дальнейшее понижение температуры и давления топливного газа, а механическая энергия используется для привода электрогенератора 3.
Далее топливный газ через первую задвижку 9 поступает в газопровод низкого давления 16 для сжигания в котле.
Компрессор 4 за счет получаемой механической энергии при открытых всасывающих и нагнетательных запорных вентилях (на чертеже позициями не обозначены) сжимает хладагент и температура его повышается. Горячие пары хладагента нагнетаются компрессором в теплообменник 7, в котором теплота сжатия и теплота низкопотенциального теплоносителя передаются холодному топливному газу, поступающему во внутритрубное пространство теплообменника 5.
Топливный газ нагревается, а хладагент охлаждается и поступает в дроссель 6, в котором происходит его расширение и превращение в жидкое состояние. После дросселя 6 хладагент поступает в испаритель 7, в котором за счет теплоты, получаемой от низкопотенциального теплоносителя, происходит его кипение и испарение. Пары хладагента отсасываются компрессором 4 и цикл повторяется.
По температуре на выходе 12 низкопотенциального теплоносителя из испарителя 7, измеренной первым датчиком 14 температуры, который соединен электрической связью с блоком 13 управления, а также на основании электрических сигналов с второго 19, третьего 20 датчиков температуры и датчика 15 давления вводится корректировка на степень открытия задвижек 9, 18 и 17 и на частоту вращения электродвигателя привода насоса 10 для подачи низкопотенциального теплоносителя в испаритель 7.
Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит решить задачу по поддержанию оптимальной температуры и необходимого давления топливного газа перед горелками в зависимости от производительности котла и температуры низкопотенциального теплоносителя.