УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ ИЗ ПОТОКА СЖАТОГО ГАЗА
DEVICE TO EXTRACT ENERGY FROM COMPRESSED GAS FLOW

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству, предназначенному для отбора энергии от сжатого газа, причем такое устройство размещается в участке трубы, обычно образующем часть трубопровода.
Уровень техники
Конечно, хорошо известна практика пропуска газа по трубопроводу под высоким давлением, предназначенная для пропуска газа от точки сбора или производства до распределительной сети. Современные трубопроводы, предназначенные для транспортировки природного газа, могут тянуться на сотни или тысячи миль. Обычная система распределения природного газа содержит участок трубопровода, работающий под давлением от 50 до 100 бар, и участок трубопровода, работающий под гораздо более низким давлением, обычно от 5 до 10 бар, причем последний сообщается с локальной распределительной сетью, работающей под давлением несколько выше 1 бара. Поэтому требуется создание станций, на которых давление может быть понижено с высокого до более низкого уровня.
Понижение давления может быть достигнуто просто путем пропуска сжатого газа через подходящую систему клапанов понижения давления. При понижении давления газа происходит его расширение и понижение температуры. В случае если газ содержит водяной пар, падение температуры может привести к образованию гидратов и углеводородных жидкостей, которые могут повредить клапаны. По этой причине практикуется предварительный нагрев сжатого газа до его расширения.
Значительным недостатком клапанов понижения давления (или расширительных) является то, что практически теряется работа, выполненная при повышении давления газа до высокого уровня. Хорошо известна альтернативная форма станции понижения давления, лишенной этого недостатка. На станции альтернативной формы понижения давления для понижения давления применяется турбодетандер. Вращение турбодетандера применяется для выполнения полезной работы. Один пример такого решения описан в канадской патентной заявке №2461086А (СА-А-2461086). Согласно СА-А-2461086 природный газ, поступающий в станцию контроля давления, направляется в турбину, которая приводится в действие природным газом при понижении давления природного газа. Энергия, которая вырабатывается турбиной, используется для полезных целей, обычно для осуществления привода электрического генератора.
Известны устройства, в которых турбодетандер сочетается с электрическим генератором. Пример такого устройства описан в патенте США №5481145 (US-A-5481145), причем упоминается его использование с газопроводом большой длины. Устройство содержит турбину дросселирования, имеющую радиальный входной канал, центральный выпускной канал, рабочее колесо турбины, привод которого осуществляется газом, проходящим от входного канала до выпускного канала, и электрический генератор, имеющий ротор, который приводится во вращение рабочим колесом турбины. Рабочее колесо турбины имеет лицевую сторону или поверхность, которая включает в себя систему лопастей, имеющих конфигурацию, которая способствует расширению газа. Ротор и рабочее колесо турбины опираются на магнитные подшипники. Лицевая сторона рабочего колеса турбины обращена в сторону от генератора, и большая часть расширенного газа выпускается из устройства в том же направлении, в котором он поступает. При этом часть расширенного газа просачивается через лабиринтное уплотнение и используется для охлаждения магнитных подшипников и пространства между ротором и статором электрического генератора.
Устройство, описанное в US-A-5481145, вырабатывает в процессе работы значительное количество тепла и поэтому нуждается в его рассеивании, причем эта потребность больше той, с которой можно столкнуться при небольшом воздействии газа, который может просачиваться из турбины в генератор. Поэтому на наружную поверхность электрического генератора подается внешний охладитель. На практике улучшения в системе охлаждения требуются в том случае, когда установка применяется для понижения давления, например, природного газа, проходящего по распределительному трубопроводу, в особенности при предварительном нагреве природного газа на участке перед его расширением.
Раскрытие изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается устройство для отбора энергии из потока сжатого газа, которое содержит, во-первых, турбодетандер, имеющий рабочее колесо турбодетандера, в которое поступает радиальный поток, и, во-вторых, генератор, имеющий ротор и статор, причем ротор может приводиться во вращение рабочим колесом турбодетандера, а турбодетандер и ротор помещаются в участке трубы, при этом лицевая сторона рабочего колеса турбодетандера обращена к генератору, и имеется неограниченный канал для потока расширенного газа, обеспечивающий сообщение посредством газового потока между лицевой стороной рабочего колеса турбодетандера и наружной поверхностью статора.
Устройство согласно изобретению выполнено с возможностью нормальной работы с целью охлаждения статора генератора полностью за счет расширения сжатого газа без обращения к жидкому охладителю типа воды.
Наружная поверхность статора предпочтительно имеет охлаждающие ребра. Такая конструкция упрощает охлаждение статора расширенным газом.
Обычно лицевая сторона рабочего колеса турбодетандера сообщается посредством газового потока через по меньшей мере уплотнение с газовым пространством, ограниченным ротором и внутренней поверхностью статора. Уплотнением обычно является лабиринтное уплотнение. Кроме того, генератор имеет впускное отверстие для помещения газообразного охладителя в пространство, ограниченное ротором и статором и сообщающееся с пропуском газового потока с дальнейшим участком трубы, расположенным перед установкой. Обычно впускное отверстие сообщается с участком трубы, расположенным далее перед любым устройством предварительного нагрева в ней.
Устройство согласно изобретению может быть связано с устройством предварительного нагрева, предназначенным для предварительного нагрева сжатого газа, предназначенного для расширения в турбодетандере. Устройство предварительного нагрева может быть расположено далее на участке трубы перед настоящим устройством.
Если требующееся понижение или опускание давления больше того, которое может быть достигнуто с использованием одного рабочего колеса турбодетандера, возможно последовательное размещение множества устройств согласно настоящему изобретению. При желании между двумя устройствами может быть помещено устройство предварительного нагрева. Если потребуется, устройство предварительного нагрева может быть помещено перед самым первым устройством. С другой стороны, устройство согласно настоящему изобретению может содержать один генератор, но несколько рабочих колес турбодетандера.
Обычно ротор и рабочее колесо турбодетандера устанавливают на валу, который опирается на несколько магнитных подшипников, причем магнитные подшипники содержат отдельные радиальные и аксиальные магнитные подшипники. Однако возможно применение и других компоновок подшипников. Например, вместо магнитных подшипников или в дополнение к ним могут использоваться подшипники скольжения с масляной смазкой, газовые подшипники или другие формы антифрикционных подшипников.
Устройство согласно изобретению, предпочтительно, дополнительно включает в себя средства уравновешивания давления на лицевой и обратной сторонах рабочего колеса турбодетандера. В одном примере такой компоновки средство уравновешивания содержит упорную камеру, прикрепленную одной стороной к обратной стороне рабочего колеса турбодетандера, причем упорная камера сообщается, посредством газового потока, с наконечником рабочего колеса турбодетандера через уплотнение, обычно лабиринтное уплотнение, причем упорная камера содержит связанный с ней выпускной канал, а выпускной канал содержит размещенный в нем регулятор потока, который можно настроить на уравновешивание давления на лицевой и обратной сторонах рабочего колеса турбодетандера.
Обычно регулятор потока приспособлен для реагирования на сигналы от датчика осевого упора в осевом магнитном подшипнике, который поддерживает ротор.
Устройство может иметь связанное с ним устройство предварительного нагрева, предназначенное для предварительного нагрева потока сжатого газа, предназначенного для расширения в турбодетандере, причем устройство предварительного нагрева предпочтительно располагается далее на участке трубы перед настоящим устройством.
Генератор предпочтительно содержит впускное отверстие для размещения дополнительного газообразного охладителя в пространстве, ограниченном ротором и статором и сообщающимся посредством газового потока с дополнительным участком трубы, расположенным перед указанной трубой.
Дополнительный участок трубы, с которым сообщается указанное впускное отверстие для газообразного охладителя, предпочтительно является тем же участком трубы, в котором располагается устройство предварительного нагрева. Указанное впускное отверстие для газообразного охладителя сообщается с областью дополнительного участка трубы перед устройством предварительного нагрева.
Устройство может дополнительно включать в себя по меньшей мере одно дополнительное рабочее колесо турбодетандера.
Согласно настоящему изобретению также предлагается множество указанных выше устройств, размещенных последовательно.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается распределительный трубопровод природного газа, который включает в себя указанное выше устройство.
Краткое описание чертежей
Устройство согласно изобретению будет описано далее в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 показана схематическая проекция устройства сбоку в разрезе;
на фиг.2 показана структурная схема вспомогательного оборудования для устройства, показанного на фиг.1;
на фиг.3 схематически показан вид сбоку установки, содержащей два устройства типа, показанного на фиг.1 и 2.
Чертежи выполнены не в масштабе.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1, устройство содержит турбодетандер 2 и электрический генератор 4. Турбодетандер 2 имеет рабочее колесо 6 турбодетандера. Вращение рабочего колеса 6 осуществляется в процессе работы расширенного газа. Рабочее колесо 6 турбодетандера установлено на аксиальном валу 8. Вал 8 несет также на себе ротор 10, образующий часть генератора 4. Ротор 10 располагается внутри статора 12. В процессе работы вращение рабочего колеса 6 турбодетандера посредством расширенного газа осуществляет привод ротора 10 и обеспечивает в результате генерирование электрической энергии.
Аксиальный узел турбодетандера 2 и генератора 4 установлен внутри кожуха 14, имеющего форму участка трубы. Для этой цели применяются опорные ребра 15. Кожух или труба 14 снабжен на каждом конце фланцами 16. К одному фланцу 16 присоединен дополняющий фланец 18 имеющего в общем форму усеченного конуса всасывающего патрубка 20, имеющего аксиальное впускное отверстие 22, снабженное фланцем 24, к которому может быть присоединен первый трубопровод (не показан), предназначенный для распределения сжатого газа, обычно природного газа. Наружный фланец 16 трубы 14 соединен с дополняющим фланцем 26 имеющего в общем форму усеченного конуса выпускного патрубка 28. Между фланцами 16 и 18 помещен защитный экран 17. Выпускной патрубок 28 имеет аксиальное выпускное отверстие 30, снабженное фланцем 32, к которому может быть присоединен второй трубопровод (не показан), предназначенный для распределения сжатого газа. Соответственно, газ при первом повышенном давлении может проходить из первого трубопровода через турбодетандер 2 и поступать во второй трубопровод под вторым повышенным давлением, которое ниже первого.
В рабочее колесо турбодетандера 6 поступает радиальный поток. Рабочее колесо 6 установлено таким образом, что его лицевая сторона 7 обращена к генератору 4, в то время как обратная сторона 9 обращена в противоположную от генератора 4 сторону. Лицевая сторона имеет образующие с ней одно целое лопасти 40 обычной конфигурации. Газ, поступающий из всасывающего патрубка 20, проходит через впускные направляющие лопатки 36, положение которых регулируется автоматически в зависимости от величины расхода газа, проходящего через них. Подходящий регулирующий механизм типа, хорошо известного для турбодетандеров, помещается внутри опор 38, которые прикреплены к внутренней стенке трубы 14. Сжатый газ расширяется при его прохождении через лопасти 40 и осуществляет привод рабочего колеса 6 турбодетандера. Когда рабочее колесо 6 турбодетандера приводится во вращение, весь блок вала 8 и ротора 10 начинает вращаться вокруг оси вращения с такой же скоростью, как рабочее колесо 6 турбодетандера.
Расширившийся газ поступает в выпускной канал 42, идущий от лицевой стороны 7 рабочего колеса 6 турбодетандера до ближнего конца статора 12 и над наружной поверхностью статора 12. В результате расширения температура газа уменьшается. Например, он может поступать при температуре в диапазоне от 70 до 90°С и охлаждаться до температуры в диапазоне от 5 до 10°С. Желательно, чтобы температура на входе была достаточно высока для того, чтобы гарантировать, что температура после расширения не упадет до уровня, при котором любая влага, содержащаяся в газе, не образует гидрата с газом или конденсата любого углеводорода. Поскольку газ теперь обычно находится при температуре в диапазоне от 5 до 10°С, он может выполнять полезную функцию охлаждения генератора. Газ, протекающий по наружной поверхности статора 12, отбирает тепло от него. Для того чтобы облегчить отбор тепла, наружную поверхность статора 12 формируют с системой аксиально располагающихся ребер 44. Газ протекает по ребрам 44 в целом в аксиальном направлении и проходит в выпускной патрубок 28. Из него он поступает во второй трубопровод (не показан) при выбранном давлении, значительно более низком, чем давление, при котором он поступает из первого трубопровода (не показан).
В дополнение к охлаждению наружной поверхности статора 12, осуществляемому расширившимся газом, газообразный охладитель просачивается из канала 42 через лабиринтное или иное уплотнение 60 между ротором 10 и статором 12 и обеспечивает охлаждение внутренней поверхности статора 12. Интенсивность протечки через уплотнение 60 обычно соответствует целям охлаждения, но при типичной компоновке предусмотрен подпитывающий канал 48, предназначенный для аварийной подачи дополнительного газообразного охладителя и проходящий от внешней части устройства сквозь стенку трубы 14 и стенку статора 12 для того, чтобы иметь возможность подавать этот охладитель в пространство между ротором 10 и статором 12. При типичной компоновке генератора 4 в нем постоянно происходит синхронное возбуждение, при котором ротор 10 является электрически пассивным и содержит обладающие высокой энергией постоянные магниты, установленные на валу 8 и размещенные сегментами. Статор 12 содержит при этом всю обмотку 50 генератора 4. В процессе работы эта обмотка выделяет тепло. Поток газообразного охладителя вокруг обмотки способствует отводу тепла.
Блок из рабочего колеса 6 турбодетандера, вала 8 и ротора 10 опирается на активные магнитные подшипники 52, 54, 56 и 58, размещенные внутри статора 12. Магнитные подшипники 52, 54, 56 и 58 обеспечивают отсутствие контакта между валом 8 и ротором 10, с одной стороны, и со статором 12 при нормальной работе генератора 4. Магнитные подшипники 52 и 54 располагаются по одному с каждой стороны обмотки 50 генератора 4. Оба несущих элемента 52 и 54 являются активными радиальными магнитными подшипниками. Их структура и конфигурация сходны с соответствующими подшипниками, описанными и проиллюстрированными в US-A-5481145, и относятся к типу, хорошо известному в технике. Их структура, конфигурация и работа не будут описаны дополнительно ниже. Следует отметить, однако, что в отличие от соответствующих подшипников, описанных и проиллюстрированных в US-A-5481145, магнитные подшипники 52 и 54 не содержат никаких аксиальных несущих элементов. Вместо этого отдельные магнитные подшипники 56 и 58 являются активными аксиальными магнитными подшипниками. Эти подшипники располагаются в нижнем по направлению движения конце статора 12. Активные аксиальные магнитные подшипники 56 и 58 относятся к типу, хорошо известному в технике, так что их структура, конфигурация и работа не будут описаны дополнительно ниже.
Магнитные подшипники 52, 54, 56 и 58, все, включают в себя электрические катушки и обмотки, которые в процессе работы генерируют тепло. Охлаждающий газ, который применяется для охлаждения внутренней поверхности статора 12 (и его обмоток 50), обеспечивает также охлаждение магнитных подшипников 52, 54, 56 и 58.
Поскольку газ, охлаждающий внутреннюю поверхность статора 12, обычно состоит из газа, отобранного из поступающего потока сжатого газа, обычно нет необходимости иметь соответствующую систему уплотнения в нижнем по направлению потока конце статора 12. Однако если в качестве газа, охлаждающего внутреннюю поверхность, выбран газ, состав которого отличается от состава потока сжатого газа, в нижнем по направлению потока конце статора 12 должно быть помещено уплотнение (не показано), сходное с уплотнением 60, а на обоих концах статора 12 должны быть помещены отводящие каналы (не показаны), сходные с подпитывающим каналом 48 и предназначенные для выпуска газа, охлаждающего внутреннюю поверхность.
Блок из рабочего колеса 6 турбодетандера, вала 8 и ротора 10 снабжается также механическими подшипниками в форме шарикоподшипников 64 и 66 на каждом из концов статора 12. Шарикоподшипники 64 и 66 могут относиться к обычному типу и будут поддерживать блок в случае отключения электропитания магнитных подшипников 52, 54, 56 и 58, или в случае, когда эти магнитные подшипники не включаются. Шарикоподшипники 64 и 66 относятся к обычному типу, и поэтому их структура, конфигурация и работа не нуждаются в описании.
Устройство, показанное на фиг.1, включает также в себя втулки 68 и 70, пропущенные сквозь стенку трубы 14, и через которые могут соответственно быть пропущены линии электропитания 72 от генератора 4 и линии электропитания и управляющей сигнализации 74, идущие к магнитным подшипниками 52, 54, 56 и 58.
Устройство, показанное на фиг.1, снабжено упорной камерой, предназначенной для контроля и уравновешивания сил осевого давления, воздействующих на рабочее колесо турбодетандера. Упорная камера ограничена на одном конце обратной стороной 9 рабочего колеса 6 турбодетандера, а на другом конце - отдельной стенкой 35 камеры, образованной элементом 34. На обратной стороне 9 рабочего колеса 6 имеется ступенчатая система цилиндрических колец, которые взаимодействуют с дополняющим ступенчатым лабиринтным кольцом, встроенным в стенку 35. Эта система показана схематически на фиг.1, будучи обозначена ссылочной позицией 90. При отсутствии упорной камеры и системы 90 лабиринтного уплотнения, давление, воздействующее на обратную сторону 9 рабочего колеса 6 турбодетандера, должно приближаться к давлению на кончике рабочего колеса 6. Поскольку на лицевой стороне 7 газ расширяется, существует чистое осевое давление в направлении генератора 4. Применение упорной камеры 34 способствует значительному ограничению осевого давления. Перепад давления в системе 90 лабиринтного уплотнения служит для уменьшения осевого давления. Оно устраняется полностью с помощью канала 76 уравновешивания давления, который обеспечивает возможность прохождения потока газа из упорной камеры 34 в область выпускного патрубка 28. В канале 76 имеется регулятор потока. Положение регулятора 78 может быть установлено таким образом, чтобы гарантировать уравновешивание давления, действующего на лицевую сторону 7 рабочего колеса 6 турбодетандера, давлением, действующим на обратную сторону 9. Регулирование установки регулятора 78 может выполняться автоматически в ответ на сигналы, указывающие на осевое давление, которое испытывают один или оба аксиальных упорных подшипника 56 и 58. Вместо канала 76 и регулятора 78 рабочее колесо турбодетандера может быть снабжено несколькими уравновешивающими отверстиями (не показаны).
Как показано на фиг.2, трубопровод 200, расположенный перед устройством 202, идентичным устройству 1, имеет помещенное в нем устройство предварительного нагрева 204. Устройство предварительного нагрева 204 может относиться к любому типу косвенного теплообменника, позволяющему поднять температуру потока сжатого газа до уровня от 50 до 100°С. Обычно устройство предварительного нагрева 204 может включать в себя систему нагревательных змеевиков, по которым могут циркулировать горячая вода или пар. Из области трубопровода 200, расположенной перед нагревательным устройством 204, канал 206 подводит холодный сжатый газ к входному каналу 208 для охладителя, идентичному подпитывающему каналу 48, предназначенному для дополнительного охладителя в устройстве 1, показанному на фиг.1. Регулятор потока 210 располагается в канале 206, и его настройка может быть выбрана таким образом, чтобы допустить поступление охладителя в канал 208 с минимальной выбранной интенсивностью.
На случай аварийной ситуации в области трубопровода 202 между устройством предварительного нагрева 204 и устройством 200 помещен быстродействующий отсечный клапан 212.
На фиг.3 показан трубопровод 300, снабженный двумя устройствами 302 и 304 согласно настоящему изобретению, причем устройства 302 и 304 располагаются последовательно. Перед каждым из устройств 302 и 304 имеются, соответственно, отрезки трубы 306 и 308, в каждом из которых может помещаться устройство предварительного нагрева, описанное со ссылкой на фиг.2. Быстродействующий отсечный клапан 312 помещается здесь перед первым устройством предварительного нагрева 306. Компоновка, показанная на фиг.3, может применяться при особенно большой разнице в давлении на входе и на выходе, когда требуется особенно большое понижение давления.