УСТАНОВКА ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО ЭЛЕКТРО- И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ
INSTALLATION FOR COMBINED ELECTRICAL AND COLD SUPPLY AT GAS DISTRIBUTION STATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, конкретно к применению природного газа в средствах выработки механической энергии и холода за счет использования перепада давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС).
Природный газ транспортируется по магистральным газопроводам с давлением, среднее значение которого составляет от 3,5 до 7,5 МПа. В регионах своего потребления от магистральных газопроводов по газопроводам-отводам он поступает на газораспределительные станции, где происходит понижение его давления для потребителя от 0,6 до 1,2 МПа. Эффективная утилизации потенциальной энергии природного газа при редуцировании его давления на газораспределительных станциях может дать существенный экономический эффект при использовании природного газа на ГРС.
Известна турбодетандерная установка, в которой, посредством использования перепада давления природного газа, вырабатываются энергия и холод, заявка на изобретение РФ №96103298, МПК F25B 11/00, опубл. 27.04.1998 г., заявители: Гуров В.И., Гуров И.В., Плотников А.Е., Скибин В.А., Щербакова Е.В. (RU). Работа известной турбодетандерной установки реализована в способе, при котором пропускают природный газ повышенного давления через турбодетандер со снижением давления в нем, механически передают мощность турбодетандера лопаточной машине по повышению давления рабочего тела, часть энергии которого используют для нагрева пропускаемого через турбодетандер природного газа. Нагрев природного газа осуществляют после турбодетандера с предварительным нагревом его внешним теплом потребителя холода и в качестве рабочего тела используют воздух или жидкость.
Однако передача вырабатываемой детандером энергии только «лопаточной» машине значительно сужает диапазон использования такой энергии. Тепловая энергия сжатого (или поджатого) воздуха идет на нагрев газа после детандера. Невозможность регулировки производительности, большие температурные перепады в теплообменнике приводят к низкой термодинамической эффективности (большие потери от необратимости процесса), а также к большим температурным напряжениям, что отрицательно сказывается на ресурсе теплообменника. Кроме того, необходимость использования компрессорного воздушного контура ведет к увеличению количества используемого оборудования и, следовательно, к удорожанию установки в целом.
Известна бестопливная установка для централизованного комбинированного электро- и хладоснабжения, полезная модель РФ №158931, МПК F25B 11/02, F01K 27/00, опубл. 20.01.2016, патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ») (RU), которая при работе использует энергию потока транспортируемого природного газа, а также источника тепла низкотемпературного потенциала для генерации электроэнергии и холода как одного, так и двух различных температурных потенциалов. Бестопливная установка содержит линию подачи газа на детандер с установленным на ней первым теплообменником, детандер, компрессор, испаритель, дроссель, источник тепла низкого температурного потенциала, линию отвода газа после детандера в газопровод низкого давления, второй теплообменник, установленный на линии отвода потока газа после детандера в газопровод низкого давления, первый насос подачи первого хладоносителя, второй насос подачи второго хладоносителя потребителю электроэнергии и холода из испарителя, третий дополнительный теплообменник, выход которого по хладагенту соединен со входом в компрессор, а вход по теплу низкого температурного потенциала соединен линией подачи тепла низкого температурного потенциала с установленным на ней третьим насосом, а выход по теплу низкого температурного потенциала соединен с источником тепла низкого температурного потенциала.
В известной бестопливной установке осуществлена одновременная генерация электроэнергии и холода, однако наличие полного холодильного цикла со всеми необходимыми агрегатами: испарителем, конденсатором, компрессором, а также наличие дополнительного контура циркуляции ведет усложнению конструкции, к значительному удорожанию установки, отрицательно влияет на экономическую эффективность в целом.
Известно применение природного газа в системах выработки механической энергии, Обзорная информация. Серия «Использование газа в народном хозяйстве. Утилизация потенциальной энергии газа на ГРС в детандерных установках», вып. 4, 1988, с. 29, 30. Зарницкий Г.Э. Теоретические основы использования энергии давления природного газа - М.; Недра, 1968, с. 201. Такие системы имеют в своем составе детандерную установку, где природный газ, имеющий высокое давление, расширяется и совершает работу, которая используется для приведения в движение различных механизмов, например электрогенераторов. Кроме того, понижение температуры газа, вызванное его расширением, используют посредством теплообменных аппаратов для охлаждения во внешних холодильных установках.
Однако при этом совершенно не гарантируется достижения газом необходимых положительных температур для подачи в газопровод низкого давления, температура газа после отдачи холода внешней холодильной установке может не достичь параметров, требуемых для поставки потребителю. Невозможность подогрева газа после теплообменного аппарата делает невозможным эффективное использование известной установки на ГРС.
Целью изобретения являются повышение экономической эффективности утилизации потенциальной энергии природного газа на ГРС, упрощение конструкции установки для такой утилизации.
Поставленная цель достигается тем, что установка для комбинированного электро- и хладоснабжения на газораспределительной станции расположена между газопроводом высокого давления и газопроводом низкого давления и содержит основную линию подачи природного газа на детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, блок осушки, установленный перед детандером, и теплообменник, вход которого подключен к выходу детандера. Также она содержит основной подогреватель газа, установленный в линии газопровода высокого давления перед блоком осушки, и дополнительную линию подачи природного газа, которая проходит от второго выхода основного подогревателя газа через регулятор давления и соединяется с основной линией подачи природного газа в газопроводе низкого давления. На основной линии подачи природного газа первый выход основного подогревателя газа подсоединен ко входу блока осушки, а к выходу теплообменника подсоединен дополнительный подогреватель газа с возможностью регулирования температуры газа, направляемого в газопровод низкого давления. Теплообменник соединен трубопроводами подвода и отвода первого хладоносителя с потребителем холода, а в качестве второго хладоносителя в теплообменнике выступает природный газ, расширенный в детандере, кроме этого, электрогенератор соединен электрической связью с дополнительным подогревателем газа, блоком осушки, потребителем холода и электропотребителями газораспределительной станции. Потребитель холода выполнен разделенным, по меньшей мере, на две камеры с возможностью установления в них различных температурных режимов.
Такое конструктивное исполнение установки сочетает в себе простоту конструкции, надежность ее работы, максимально эффективное обеспечение электроэнергией и холодом потребителей на ГРС. Подключение дополнительного подогревателя для газа, поступающего из теплообменника, с возможностью регулирования температуры газа, идущего в газопровод низкого давления, эффективно обеспечивает необходимую температуру газа для потребителя, наличие дополнительной линии подачи с регулятором давления газа дает возможность бесперебойной подачи газа потребителю при проведении регламентных работ на агрегатах основной линии подачи или в случае нештатных ситуаций на ГРС, в дополнение к этому расширенное использование энергии, вырабатываемой генератором, повышает экономическую эффективность установки в целом.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее описание и прилагаемый чертеж. На фиг. 1 изображена конструктивная схема предлагаемой установки для комбинированного электро- и хладоснабжения на газораспределительной станции. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики, исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.
На фиг. 1:
1 - газопровод высокого давления;
2 - газопровод низкого давления;
3 - основной подогреватель газа;
4 - блок осушки;
5 - детандер-генератор;
6 - теплообменник;
7 - трубопровод первого хладоносителя;
8 - потребитель холода;
9 - дополнительный подогреватель газа;
10 - регулятор давления.
Установка для комбинированного электро- и хладоснабжения на ГРС расположена между газопроводом 1 высокого давления и газопроводом 2 низкого давления и работает следующим образом.
Магистральный природный газ (давление 3,8 МПа, температура около +5°С) по газопроводу 1 высокого давления подается на ГРС и проходит в основной подогреватель 3 газа, к выходам которого подключены две линии подачи газа: основная и дополнительная. По дополнительной линии через регулятор 10 давления газ поступает напрямую потребителю (примерно 10%÷15% от общего расхода). Посредством регулятора 10 давления сбрасывается давление газа до необходимых значений, требующихся в газопроводе 2 низкого давления. По основной линии подачи газ поступает в блок 4 осушки, который обеспечивает отсутствие конденсата (гидратов) в контуре холодного газа с целью сохранения работоспособности системы в целом и детандер-генератора 5, в частности. После блока 4 осушки газ направляется в детандер-генератор 5, расширяется, охлаждается и, как второй хладоноситель, проходит через теплообменник 6, где холодный газ (Т=-45°С) отдает холод первому хладоносителю, как пример антифризу, и нагревается после прохождения теплообменника 6 до ~ Т=-5°С. К выходу теплообменника 6 подсоединен дополнительный подогреватель 9 газа. В нем происходит нагрев газа и регулировка его температуры для соединения с дополнительной линией подачи и поступления потребителю по газопроводу 2 низкого давления. И природный газ с требуемыми показателями температуры и давления (Т=+5°С, Р=0,48 МПа) по основной линии подачи соединяется с дополнительной линией подачи в газопроводе 2 низкого давления для направления потребителю в газораспределительную сеть. Теплообменник 6 соединен трубопроводом 7 первого хладоносителя с потребителем 8 холода, разделенным, по меньшей мере, на две камеры с возможностью установления в них различных температурных режимов. Первый хладоноситель, как пример антифриз, поочередно поступает в камеры потребителя 8 холода, поддерживая в них разные температурные режимы, значительно расширяя этим технологические возможности применения потребителя 8 холода, позволяя варьировать холодопроизводительность его камер. После прохода всех камер потребителя 8 холода нагретый первый хладоноситель, как пример антифриз, подкачивается насосом (на фигуре не обозначен) и возвращается в теплообменник 6, где охлаждается до необходимых температур. Второй хладоноситель в теплообменнике 6 - ранее расширенный и охлажденный природный газ. Электрогенератор детандер-генератора 5 для передачи выработанной энергии соединен электрическими связями с дополнительным подогревателем 9 газа, блоком 4 осушки, с потребителем 8 холода и электропотребителями на ГРС.
Таким образом, простота конструкции, надежность работы, максимально полное обеспечение электроэнергией и холодом потребителей на ГРС дают значительное повышение экономической эффективности работы установки для комбинированного электро- и хладоснабжения на ГРС.
Опытный образец такой установки для комбинированного электро- и хладоснабжения на ГРС успешно прошел испытания и готовится к поставке заказчику на конкретную газораспределительную станцию.