ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ С ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

Полезная модель относится к газовой промышленности, а именно к газоредуцирующему оборудованию с использованием детандер - генераторной технологии понижения давления газа и предназначена для снижения высокого давления газа магистральных газопроводов до более низких значений, необходимых потребителям газа, с попутной выработкой электроэнергии за счет использования энергии перепада давления газа на входе и выходе газораспределительной станции (ГРС).
Известна автоматическая газораспределительная станция (АГРС) типа «Исток», предназначенная для понижения давления магистрального газа перед подачей его потребителям. АГРС базовой комплектации, содержащая блок очистки, блок переключения и блок редуцирования газа, подогреватель газа трубный автоматический (ПГТА), блок управления и ряд других блоков и вспомогательного оборудования, соединенные между собой межблочными трубопроводами и кабелями (см. Техническое описание АГРС типа «Исток» Режим доступа: [http//www.agrs,ru,/production-agrs.htm]).
Недостатком известной АГРС является малая эффективность работы из-за того, что для понижения давления газа используется дросселирование, в ходе которого теряется энергия давления транспортируемого газа. Кроме того, производится сжигание части магистрального газа для подогрева транспортируемого газа с целью предотвращения гидратообразования. Сжигание органического топлива и выброс продуктов горения в атмосферу приводит к увеличению экологической нагрузки на окружающую среду.
Известно устройство детандер-генераторный агрегат, содержащий последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, дополнительными первым и вторым компрессорами, электрически соединенными с электрогенератором, обводным трубопроводом, испарителем, дросселирующим устройством, тремя задвижками, при этом вход первого компрессора соединен с выходом испарителя, вход которого через дросселирующее устройство соединен с выходом теплообменника, обводной трубопровод с расположенной на нем первой задвижкой соединяет выход первого компрессора со входом теплообменника, выход первого компрессора через вторую задвижку сообщен со входом второго компрессора, выход второго компрессора через третью задвижку соединен со входом теплообменника, выходной трубопровод второго компрессора и
обводной трубопровод после задвижек объединены в один трубопровод, подсоединенный ко входу теплообменника (см. свидетельство на полезную модель №12434, МПК F 01 D 15/08, опубл. 10.01.2000 г.).
Недостатками известного устройства являются следующие: во-первых, эффективное использование установки возможно только на ГРС, расположенных на предприятиях, имеющих большой сброс низкопотенциальной теплоты в окружающую среду, например, на тепловых электрических станциях; во-вторых, электрогенерирующая способность установки очень сильно зависит от количества и давления транспортируемого газа. При отсутствии в городах газгольдерных станций, выравнивающих суточную неравномерность потребления газа, режим расхода газа на газораспределительных станциях имеет неравномерный характер и зависит от графика потребления газа. В этих условиях для обеспечения строго стабильной скорости вращения турбины детандера при общем неравномерном расходе газа через ГРС в установке предусмотрено, что через детандер направляется не весь газ, а только часть, остальная часть газа проходит через байпасную линию детандера. Таким образом, не вся потенциальная энергия транспортируемого через ГРС сжатого газа преобразуется в механическую энергию вращения вала детандера и, соответственно, в электроэнергию в генераторе, что влечет за собой снижение эффективности работы устройства.
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством, выполненная в виде автономного устройства для тепло- и электроснабжения, содержащего последовательно соединенные трубопровод высокого давления, первый теплооб-менник, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, шунтирующий детандер трубопровод с газоредуцирующим клапаном, первый тепловой насос, подключенный к первому теплообменнику, компрессор теплового насоса электрически соединен с электрогенератором, дополнительным тепловым насосом, вторым теплообменником, а каждый тепловой насос снабжен регенеративным теплообменником, охватывающим входную и выходную по хладагенту магистрали от испарителя теплового насоса, при этом дополнительный тепловой насос подключен также к первому теплообменнику, испарители тепловых насосов подсоединены к источнику низкопотенциального тепла, а вход по греющей среде испарителя дополнительного теплового насоса соединен обводным трубопроводом с выходом компрессора первого теплового насоса, выход же по греющей среде испарителя дополнительного теплового насоса соединен обводным трубопроводом с входной магистралью регенеративного теплообменника первого теплового насоса, вход по греющей среде второго теплообменника через задвижку
и регулятор соединен с выходом компрессора дополнительного теплового насоса, а выход по греющей среде второго теплообменника через задвижку соединен с входной по хладагенту магистралью регенеративного теплообменника дополнительного теплового насоса. Первый теплообменник это подогреватель газа, в котором в качестве теплоносителя используются горячие пары фреона. Электрогенератор соединен с силовым трансформатором, вторичная обмотка которого соединена с электросетью (см. свидетельство на полезную модель №14603, МПК F 01 D 15/08, опубл. 10.08.2000 г.).
Однако недостатками известного устройства для тепло- и электроснабжения является ограниченная область эффективного использования - только на ГРС, расположенной на предприятии, имеющем большой сброс низкопотенциальной теплоты в окружающую среду, например, на тепловых электрических станциях, а также низкая эффективность работы за счет того, что не вся потенциальная энергия транспортируемого через ГРС сжатого газа преобразуется в механическую энергию вращения вала детандера и, соответственно, в электроэнергию в генераторе.
На ГРС, расположенных в местах, где нет низкопотенциального пара, сбор низко-потенциальной теплоты из окружающей среды представляет значительные технические сложности и требует чрезвычайно больших капитальных и эксплуатационных затрат.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности работы газораспределительных станций с детандер-генераторным агрегатом.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является увеличение количества вырабатываемой электроэнергии за счет максимального использования энергии транспортного газа, повышение стабильности параметров генерируемой электроэнергии по частоте и величине генерируемого напряжения за счет использования каналов управления преобразователя частоты, а также уменьшение массогабаритных показателей детандер-генераторного агрегата за счет увеличения частоты вращения генератора и исключения из схемы редуктора.
Указанный технический результат достигается тем, что газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством, содержащая входной трубопровод высокого давления, выходной трубопровод низкого давления газа, подогреватель газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, шунтирующий детандер трубопровод с газоредуцирующим клапаном, силовой трансформатор, соединенный вторичной обмоткой с электросетью, согласно полезной модели, содержит фильтр газа, счетчик газа, подогреватель газа, снабженный регулятором напряжения, преобразователь
частоты, при этом фильтр и счетчик газа соединены последовательно и включены в трубопровод высокого давления газа, а валы детандера и электрогенератора жестко соединены между собой, причем выход электрогенератора соединен с входом преобразователя частоты и через регулятор напряжения с подогревателем газа, а выход преобразователя частоты с входом силового трансформатора.
Регулятор напряжения может быть выполнен в виде управляемого выпрямителя. В качестве подогревателя газа использован электроподогреватель.
Транспортируемый газ, подлежащий редуцированию должен быть очищен от мелких примесей во входном фильтре. Для контроля количества транспортируемого газа применен счетчик газа. Для понижения давления газа используется детандер. В детандере происходит преобразование энергии сжатого газа в механическую работу вращения турбины и соединенного с ней электрогенератора. В электрогенераторе механическая энергия вращения вала преобразуется в электроэнергию. При расширении газа его температура сильно понижается, что является крайне нежелательным. Для исключения этого явления часть вырабатываемой электроэнергии 20-25% подается на нагревательные элементы электроподогревателя газа, установленного в трубопроводе высокого давления. При изменении количества газа, проходящего через ГРС, требуется и разное количество электроэнергии на его подогрев. Для регулировки количества электроэнергии подаваемой в электроподогреватель, применен регулятор напряжения в виде управляемого выпрямителя.
В связи с тем, что валы детандера и электрогенератора соединены между собой по безредукторной схеме, частота генерируемого напряжения значительно превышает требуемую стандартную частоту промышленной электросети. Для преобразования генерируемой электроэнергии по параметрам, нормируемым ГОСТ 13109-97, используется преобразователь частоты. Данный преобразователь частоты обеспечивает генерацию электроэнергии с заданными параметрами при всех изменениях входного напряжения и возмущающих воздействиях постоянно изменяющейся нагрузки. При значительных колебаниях количества транспортируемого газа параметры генерируемого напряжения сильно изменяются, изменяется и величина генерируемой мощности, но она остается максимальной для данного количества редуцируемого газа.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством.
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - трубопровод высокого давления; 2 - фильтр газа, 3 - счетчик газа, 4 - электроподогреватель газа; 5 - регулятор напряжения электроподогревателя газа в виде управляемого выпрямителя; 6 - детандер;
7 - электрогенератор; 8 - преобразователь частоты; 9, 10, 11, 13, 14, 15- автоматические выключатели; 12 - силовой трансформатор; 16 - резервная газоредуцирующая вставка; 17 - трубопровод низкого давления.
Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством содержит трубопровод высокого давления 1, входной фильтр газа 2, счетчик газа 3, электроподогреватель газа 4, который снабжен регулятором напряжения в виде управляемого выпрямителя 5, детандер 6, электрогенератор 7, преобразователь частоты 8, автоматические выключатели 9, 10, 11, 13, 14, 15, силовой трансформатор 12, резервную газоредуцирующую вставку 16, трубопровод низкого давления 17. Газ по трубопроводу высокого давления 1 поступает во входной фильтр 2, и проходя через счетчик газа 3 попадает в подогреватель газа 4. После подогрева до нужной температуры газ поступает в детандер 6, затем минуя резервную газоредуцирующую вставку 16, поступает в трубопровод низкого давления 17. Детандер 6 и электрогенератор 7 образуют электрогенерирующую часть ГРС.
Электрогенератор 7 последовательно соединен с преобразователем частоты 8, силовым трансформатором 12 и автоматическими выключателями 10-11, 13. Между электрогенератором 7 и автоматическим выключателем 10 включен регулятор напряжения 5, который через автоматический выключатель 9 подсоединен к подогревателю газа 4.
Основными технологическими задачами газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством являются: снижение давления магистрального газа и попутное получение полезной электроэнергии. Предложенное схемотехническое решение может быть применено на всех существующих ГРС. При существующей системе газоснабжения давление магистрального газа перед подачей его потребителю снижается в двух ступенях. В первой из них на ГРС давление газа снижается до 1,0...1,5 МПа, во второй на газораспределительных пунктах (ГРП) - до 0,1...0,3 МПа.
3
При расходе газа через установку 30-50 тыс. нм/ч и перепаде давлений в детандере от 7,0 до 1,2 МПа может быть полезно использовано 2-2,5 МВт электрической мощности. Установка работает без выбросов вредных веществ в окружающую среду.
Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством работает следующим образом.
Газ по входному трубопроводу высокого давления 1 поступает на вход фильтра 2, где он очищается от мелких механических примесей и влаги. С выхода фильтра 2 газ поступает через счетчик газа 3 на теплообменник электроподогревателя 4, где газ подогревается
до температуры 30-70С° и далее подается на вход детандера 6. Детандер 6 представляет собой тепловую машину, рабочим телом в которой является транспортируемый природный газ. Энергия природного газа при его расширении в детандере 6 преобразуется в механическую энергию вращения его вала, которая затем, в соединенном с детандером 6 электрогенераторе 7, преобразуется в электрическую энергию. Часть электрической энергии от генератора 7 поступает через регулятор напряжения 5 и автоматический выключатель 9 на электроподогреватель газа 4, где используется для подогрева транспортируемого газа. Детандер-генераторный агрегат, состоящий из детандера 6 и электрогенератора 7 выполнен без редуктора по схеме «единый вал». При этом частота генерируемого напряжения определятся скоростью вращения общего вала детандер-генераторного агрегата. Так, при скорости вращения детандера в 12000 об/мин частота генерируемого напряжения будет равна 200 Гц. Это напряжение подается на регулятор напряжения элетроподогревателя газа 4 и на вход преобразователя частоты 8 выполненного по схеме многомостового инвертора «с явным звеном постоянного тока». С выхода преобразователя 8 напряжение частотой 50 Гц через систему автоматических выключателей 9, 10, 11, 13, 14, 15 и силовой трансформатор 12 подается внешним потребителям электроэнергии. Газ с выхода детандера после расширения и совершения им работы поступает в трубопровод низкого давления 17.
Расход электроэнергии на подогрев газа не превышает 20-25% от общего количества вырабатываемой электрогенератором 7 электроэнергии.
Основным преимуществом предложенной газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством является то, что в ней максимально используется энергия газа высокого давления для выработки электроэнергии и подогрева газа. В связи с тем, что в составе газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством используется преобразователь частоты, то по сравнения с прототипом сняты ограничения по скорости и стабильности вращения общего вала детандер - генератора, т.е. в этом случае нет необходимости строго выдерживать постоянство скорости вращения турбины детандера. Поэтому при изменении расхода газа через турбину и колебаниях давления в трубопроводах высокого и низкого давления скорость вращения вала детандера будет изменяться, но это не повлияет на параметры генерируемого напряжения. Частота генерируемого напряжения и его стабильность определяются настройками преобразователя частоты, выполненного по схеме многомостового инвертора с явным звеном постоянног тока.
Данное техническое решение позволило выполнить детандер-генераторный агрегат без редуктора. За счет высокой скорости вращения турбины детандера и соответственно
генератора они имеют уменьшенные габариты и массу. Наличие преобразователя частоты позволяет иметь гостированные параметры генерируемой электроэнергии и максимально просто решать вопросы синхронизации напряжения преобразователя и энергосистемы при подключении к энергосистеме.
Предложенная схема газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством, выполненным в виде детандер-генераторного агрегата позволяет значительно увеличить выработку электроэнергии с параметрами качества удовлетворяющие требованиям ГОСТ 13109-97 при существенно меньших габаритах и массе вращающихся агрегатов, при этом не сжигает газ и не имеет выбросов продуктов горения газа в окружающую среду.