Детандер-генераторный агрегат
EXPANDER-GENERATOR UNIT

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к газоредуцирующему оборудованию с использованием детандер-генераторной технологии понижения давления газа, и предназначено для утилизации избыточной энергии давления природного газа, транспортируемого по трубопроводной системе, с попутной выработкой электрической энергии.
Известна газораспределительная станция с энергетической установкой (1), в состав которой входит детандерно-генераторный агрегат.Корпус указанного детандерно-генераторного агрегата выполнен с крышкой, днищем, патрубками подвода и отвода газа. Внутри корпуса на подшипниках размещен вал, на котором установлены ротор генератора и турбина, выполненная в виде рабочего колеса активного типа с лопатками (пневмомотор). В патрубках подвода газа установлен сопловый аппарат в виде трех сопел, размещенных под углом к поверхности лопаток рабочего колеса. Во внутренней полости корпуса закреплен кожух с размещенным внутри него генератором электрического тока. Генератор состоит из статора и ротора, силового выпрямителя и регулятора напряжения, который соединен с кабельным выводом на внешнюю электрическую сеть. Кабельный вывод установлен на наружной стороне крышки.
Главный недостаток известного детандерно-генераторного агрегата заключается в том, что уровень его полезной мощности определяется величинами объемного расхода газа, проходящего через турбину, и перепада давления на ней. Данные обстоятельства в значительной степени ограничивают область эффективного использования указанного агрегата.
Известен агрегат детандерно-генераторный (2), который имеет цилиндрический корпус с осевым входным патрубком, а также с расположенным перпендикулярно оси корпуса выходным патрубком. Внутри корпуса на подшипниках размещен вал, на котором консольно установлены рабочее колесо активного типа с осевой подачей (пневмомотор) и ротор генератора. Статор генератора закреплен в кожухе, который соосно размещен внутри корпуса. Между корпусом и кожухом образован канал для прохода потока газа от входного патрубка к выходному. Кабельная коробка генератора установлена на наружной стороне корпуса.
Основной недостаток известного агрегата детандерно-генераторного, как и рассмотренного ранее, состоит в том, что для его эффективной работы необходимо обеспечить значительные величины объемного расхода газа, проходящего через турбину, и перепада давления на ней. Эти обстоятельства в значительной степени ограничивают область применения указанного агрегата.
Известен генератор электрической энергии с пневмоприводом (3), содержащий в своем составе генератор электрической энергии, приводной вал которого посредством муфты соединен с ведущим валом шестеренного пневматического двигателя. Генератор и пневматический двигатель имеют собственные корпуса, которые соединены между собой с помощью фланцев. Снаружи на боковой поверхности корпуса шестеренного пневматического двигателя размещены боковые входной и выходной штуцеры, предназначенные соответственно для подачи и отвода сжатого газа. Внутри корпуса установлены ведущий и ведомый валы, которые вращаются на подшипниковых опорах. На каждом их валов закреплено по равновеликой шестерне, зубья которых находятся в зацеплении.
К недостаткам известного генератора электрической энергии с пневмоприводом следует отнести отсутствие возможности регулирования частоты вращения генератора электрической энергии при изменении объемного расхода газа, вызванного неравномерностью его отбора потребителями, и ограниченность ресурса пневматического двигателя, шестерни которого постоянно работают в режиме сухого трения. Кроме того, для эффективной работы шестеренного пневматического двигателя необходимо обеспечить значительные величины объемного расхода газа и перепада давления на нем.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является известный пневматический детандер-генераторный агрегат (4), который может быть предложен в качестве прототипа. Упомянутый пневматический детандер-генераторный агрегат состоит из пневмодвигателя (пневмомотора шестеренного с внешним зацеплением), который кинематически связан с электрогенератором. Пневмодвигатель состоит из корпуса с днищем, входным и выходным патрубками, которые расположены на его боковой наружной поверхности, и съемной крышкой. Во внутренней полости корпуса параллельно установлены ведущий и ведомый валы, на каждом из которых закреплена шестерня внешнего зацепления. Ведущий и ведомый валы установлены на подшипниках, которые размещены в кольцевых проточках, выполненных в днище и крышке. Шестерни выполнены равновеликими, т.е. имеют одинаковый диаметр, толщину и число зубьев, что обеспечивает возможность их синхронного вращения в противоположных направлениях. С обеих сторон каждой шестерни на ведущем и ведомом валах размещены регулировочные шайбы, которые позволяют изменять величину зазора между боковой поверхностью шестерни и внутренней поверхностью днища или крышки. В крышке выполнен сквозной канал для размещения в нем ведущего вала. С внешней стороны к крышке присоединена фланцевая катушка, а на ней соосно размещены основание и колпак с расположенными на его наружной поверхности боковыми впускным и выпускным патрубками. Впускной патрубок имеет форму изогнутого колена и присоединен к выходному патрубку. Колпак имеет цилиндрическую форму, а в основании выполнен осевой канал для размещения в нем ведущего вала. Во внутренней полости колпака установлен электрогенератор со статором и ротором, последний из которых размещен на приводном валу электрогенератора. Приводной вал электрогенератора установлен соосно ведущему валу и связан с ним при помощи компенсирующей муфты. Кабельная коробка размещена на наружной поверхности колпака. Все патрубки оборудованы присоединительными фланцами.
Основные недостатки известного пневматического детандер-генераторного агрегата заключаются в ограниченном ресурсе пневмодвигателя и невысоких эксплуатационных характеристиках, обусловленных нестабильностью значений генерируемого напряжения и мощности электрического тока. Первый из указанных недостатков вызван интенсивным нагревом шестерней, работающих в режиме сухого трения, а второй - отсутствием системы регулирования частоты вращения пневмодвигателя, которая необходима для обеспечения стабильной работы электрогенератора при переменных расходах газа, вызванных неравномерностью его отбора внешними потребителями.
Задачей изобретения является получение технического результата, который выражается в создании надежной конструкции детандер-генераторного агрегата с увеличенным рабочим ресурсом и улучшенными эксплуатационными характеристиками, который способен эффективно работать при невысоких величинах входного давления и объемного расхода газа.
Задача решается и технический результат достигается за счет того, что детандер-генераторный агрегат, включающий пневмомотор шестеренный с внешним зацеплением, состоящий из корпуса с днищем, напорным и всасывающим патрубками, которые расположены с противоположных сторон на боковой наружной поверхности корпуса, ведущего и ведомого валов с закрепленной на каждом из них равновеликой зубчатой шестерней, параллельно установленных внутри корпуса на подшипниках с возможностью взаимодействия шестерней и их синхронного вращения в противоположных направлениях, и установленной на корпусе крышки со сквозным каналом для размещения в нем ведущего вала, последовательно и соосно присоединенные к крышке фланцевую катушку и основание, которые выполнены соответственно с проходным и сквозным каналами для размещения в них ведущего вала, а также колпак цилиндрической формы с расположенными на наружной боковой поверхности выпускным и продувочным патрубками, последний из которых имеет форму изогнутого колена, размещенный внутри колпака электрогенератор с приводным валом, который установлен соосно ведущему валу и связан с ним посредством муфты, и кабельную коробку электрогенератора, размещенную на наружной поверхности колпака, снабжен двумя равновеликими кулачковыми роторами и наружным трубопроводом, в состав которого включены регулируемый дроссель, теплообменник и расширительный бачок, причем ведомый вал выполнен удлиненным, при этом в крышке и в основании выполнены соответственно соосные сквозной и глухой каналы для возможности размещения ведомого вала в проходном канале фланцевой катушки, а кулачковые роторы размещены на ведущем и ведомом валах внутри проходного канала фланцевой катушки с возможностью синхронного вращения в противоположных направлениях, причем для обеспечения синхронного вращения кулачковых роторов используют взаимодействующие между собой шестерни, при этом напорный и всасывающий патрубки гидравлически связаны между собой посредством наружного трубопровода, в составе которого, в направлении от напорного к всасывающему патрубку, последовательно размещены теплообменник, регулируемый дроссель и расширительный бачок, а теплообменник выполнен в виде кожуховой трубы, концентрично размещенной на наружной поверхности отводного патрубка, причем фланцевая катушка выполнена с соосными впускным и отводным патрубками, которые диаметрально расположены на ее наружной боковой поверхности, при этом поперечное сечение проходного канала фланцевой катушки имеет форму овала, малая ось которого совпадает с осью впускного и отводного патрубков, причем оси впускного и отводного патрубков размещены перпендикулярно осям ведущего и ведомого валов и расположены в плоскости, которая проходит между осями этих валов и равноудалена от них, а отводной патрубок присоединен к продувочному патрубку.
Конструкция детандер-генераторного агрегата поясняется чертежами, где: на фиг. 1 приведен общий вид детандер-генераторного агрегата (фронтальная проекция); на фиг. 2 - общий вид детандер-генераторного агрегата (горизонтальная проекция); на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 1.
Детандер-генераторный агрегат состоит из соосно размещенных и связанных между собой корпуса 1, фланцевой катушки 2, основания 3 и колпака 4.
Корпус 1 имеет выполнен с днищем, съемной крышкой 5 и соосными напорным 6 и всасывающим 7 патрубками, которые размещены на его боковой наружной поверхности напротив друг друга.
Фланцевая катушка 2 выполнена с проходным каналом, а также с соосными и диаметрально размещенными на ее боковой наружной поверхности впускным 8 и отводным 9 патрубками. Проходной канал фланцевой катушки 2 в поперечном сечении имеет форму овала, малая ось которого совпадает с осью впускного 8 и отводного 9 патрубков.
Колпак 4, имеющий цилиндрическую форму, выполнен с расположенными на его наружной боковой поверхности продувочным 10 и выпускным 11 патрубками. Продувочный патрубок 10 имеет форму изогнутого колена. Патрубки 6-11 оборудованы присоединительными фланцами.
На корпусе 1 установлена крышка 5, к которой соосно и последовательно в осевом направлении присоединены фланцевая катушка 2, основание 3 и колпак 4. При этом внутренняя полость корпуса 1 сформирована за счет присоединенной к нему крышки 5; внутренняя полость фланцевой катушки 2 - за счет присоединенных к ней с противоположных сторон крышки 5 и основания 3; а внутренняя полость колпака 4 - за счет присоединенного к нему основания 3.
Ведущий вал 12 размещен во внутренних полостях корпуса 1, фланцевой катушки 2 и колпака 4, а ведомый вал 13 - во внутренних полостях корпуса 1 и фланцевой катушки 2. С целью обеспечения возможности указанного выше размещения, для ведущего вала 12 в крышке бив основании 3 выполнены соосные сквозные каналы, а для ведомого вала 13 - соосные сквозной и глухой каналы.
Оси ведущего 12 и ведомого 13 валов взаимно параллельны. Для обеспечения возможности осевого вращения валов 12 и 13 предусмотрена их установка на подшипниках, для размещения которых в днище корпуса 1, крышке 5 и основании 3 выполнены соответствующие посадочные места в виде кольцевых проточек.
На каждом из валов 12 и 13 закреплены шестерня 14 внешнего зацепления и кулачковый ротор 15. Равновеликие шестерни 14 установлены напротив друг друга на участках валов 12 и 13, расположенных во внутренней полости корпуса 1, а равновеликие кулачковые роторы 15 - на участках валов 12 и 13, расположенных во внутренней полости фланцевой катушки 2, т.е. внутри ее проходного канала.
Шестерни 14 могут быть выполнены прямозубыми, косозубыми или шевронными, а кулачковые роторы 15 - преимущественно, с двумя или с тремя кулачками (т.к. большее количество кулачков в значительной степени усложняет их изготовление), при этом в телах кулачков могут быть выполнены симметрично расположенные осевые разгрузочные каналы. С обеих сторон каждой шестерни 14 и кулачкового ротора 15 на валах 12 и 13 размещены регулировочные шайбы (на чертежах не показаны), обеспечивающие возможность минимизации утечек рабочей среды через боковые зазоры.
Шестерни 14 и кулачковые роторы 15, которые установлены на валах 12 и 13, имеют возможность синхронного вращения в противоположных направлениях. При этом шестерни 14, находящиеся между собой в зацеплении, обеспечивают синхронность вращения кулачковых роторов 15 с минимально допустимым зазором, который исключает вероятность их взаимного соприкосновения и заклинивания.
Герметизация валов 12 и 13 в сквозных каналах, выполненных в крышке 5 и основании 3, осуществляется при помощи уплотнительных узлов (на чертежах не показаны).
Оси впускного 8 и отводного 9 патрубков размещены перпендикулярно осям валов 12 и 13. При этом оси впускного 8 и отводного 9 патрубков расположены в одной плоскости, которая проходит между осями валов 12 и 13 и равноудалена от них.
Внутренние полости фланцевой катушки 2 и колпака 4 гидравлически связаны между собой посредством присоединения отводного патрубка 9 к продувочному патрубку 10.
В частном случае, с целью значительного уменьшения наружных габаритов детандер-генераторного агрегата, вместо расположенных снаружи отводного 9 и продувочного 10 патрубков, в нижней части основания 3 может быть выполнено окно в виде фигурного сквозного канала (на чертежах не показан), который обеспечивает гидравлическую связь между внутренними полостями фланцевой катушки 2 и колпака 4. Однако следует учитывать, что изменение оптимальной траектории движения газового потока через внутреннюю полость фланцевой катушки 2 может негативно повлиять на эффективность работы кулачковых роторов 15.
Напорный 6 и всасывающий 7 патрубки гидравлически связаны между собой при помощи наружного трубопровода 16 и образуют замкнутый контур циркуляции, который должен быть заполнен рабочей жидкостью. В качестве последней могут быть использованы, к примеру, маловязкие смазочно-охлаждающие жидкости. В составе наружного трубопровода 16, в направлении от напорного 6 к всасывающему 7 патрубку, последовательно установлены теплообменник 17 типа «труба в трубе», регулируемый дроссель 18 и расширительный бачок 19. Теплообменник 17 выполнен в виде кожуховой трубы, которая концентрично размещена на наружной поверхности отводного патрубка 9. Охлаждение рабочей жидкости осуществляется в процессе ее прохождения через внутреннюю кольцевую полость теплообменника 17, образованную внутренней поверхностью кожуховой трубы и наружной поверхностью отводного патрубка 9.
Во внутренней полости колпака 4 на опорах 20 установлен электрогенератор 21 с расположенными внутри него ротором и статором (на чертежах не показаны), при этом приводной вал 22 электрогенератора 21 расположен соосно ведущему валу 12 и соединен с ним посредством компенсирующей муфты 23 (например, упругой втулочно-пальцевой). Концы обмоток электрогенератора 21 герметично выведены из внутренней полости колпака 4 и присоединены к кабельной коробке 24, которая размещена на наружной поверхности колпака 4.
Детандер-генераторный агрегат устанавливается преимущественно на байпасной линии в узле редуцирования газораспределительной станции (ГРС) или пункта (ГРП) и позволяет преобразовать избыточную энергию давления природного газа в электрическую энергию. Таким образом, он способен выполнять роль автономного источника электропитания.
Работа детандер-генераторного агрегата осуществляется следующим образом. Впускной 8 и выпускной 11 патрубки детандер-генераторного агрегата присоединяют соответственно к подводящей и отводящей трубам на байпасной линии газопровода (на чертежах не показаны). Поток природного газа, проходящий по байпасной линии газопровода, поступает через впускной патрубок 8 во внутреннюю полость фланцевой катушки 2. Поток газа, проходящий через фланцевую катушку 2 в направлении от впускного 8 к отводному патрубку 9, обеспечивает вращение в противоположных направлениях кулачковых роторов 15, установленных на валах 12 и 13. Процесс преобразования потенциальной энергия газа в механическую энергию вращения кулачковых роторов 15 сопровождается понижением давления и температуры газа при выходе из внутренней полости фланцевой катушки 2 в отводной патрубок 9.
Находящиеся в зацеплении шестерни 14, размещенные внутри корпуса 1 на валах 12 и 13, обеспечивают синхронность вращения кулачковых роторов 15, не допуская возможности их соприкосновения и заклинивания.
Вращение ведущего вала 12 с помощью компенсирующей муфты 23 передается на приводной вал 22 электрогенератора 21. При взаимодействии электромагнитных полей ротора и статора механическая энергия преобразуется в электрическую, а вырабатываемый при этом переменный ток по изолированным проводникам направляется в кабельную коробку 24.
По отводному 9 и продувочному 10 патрубкам поток газа поступает из внутренней полости фланцевой катушки 2 во внутреннюю полость колпака 4, где принудительно охлаждает корпусные детали и обмотки электрогенератора 21. Температура газа, за счет активного теплообмена с нагретыми частями электрогенератора 21, возрастает. Далее поток газа через выпускной патрубок 11 отводится из внутренней полости колпака 4 и возвращается в байпасную линию газопровода.
Размещение теплообменника 17 на наружной поверхности отводного патрубка 9, с точки зрения эффективности охлаждения рабочей жидкости, можно считать наиболее целесообразным решением.
В частном случае, предусматривающем замену отводного 9 и продувочного 10 патрубков на окно в нижней части основания 3, вполне допустимо размещение теплообменника 17 на наружной поверхности выпускного патрубка 11.
Шестерни 14, которые размещены внутри корпуса 1, в случае их принудительного вращения в противоположных направлениях, работают в режиме шестеренного насоса. При этом выходящие из зацепления зубья шестерен 14 создают разряжение во всасывающем патрубке 7 и рабочая жидкость поступает в него по наружному трубопроводу 16 из расширительного бачка 19. Затем рабочая жидкость, которая находится между зубьев вращающихся шестерен 14, перемещается вдоль внутренней поверхности корпуса 1 в напорный патрубок 6. Входящие в зацепление зубья шестерен 14 увеличивают давление рабочей жидкости в напорном патрубке 6, что обеспечивает ее нагнетание под давлением в наружный трубопровод 16.
Рабочая жидкость, в процессе своего контакта с наружной поверхностью взаимодействующих шестерен 14, смазывает и охлаждает их. При этом, за счет отбора избыточного тепла, температура рабочей жидкости повышается. Далее рабочая жидкость по наружному трубопроводу 16 поступает в теплообменник 17, т.е. во внутреннюю кольцевую полость между кожуховой трубой и отводным патрубком 9, где происходит ее охлаждение. После охлаждения рабочая жидкость по наружному трубопроводу 16 направляется через регулируемый дроссель 18 в расширительный бачок 19, а из него поступает во всасывающий патрубок 7.
Регулируемый дроссель 18 обеспечивает возможность изменения величины гидравлического сопротивления в замкнутом контуре циркуляции рабочей жидкости, что позволяет оперативно поддерживать частоту вращения кулачковых роторов 15 в требуемом диапазоне. За счет этого стабилизируется работа электрогенератора 21 при переменных расходах газа, которые вызваны неравномерностью его отбора внешними потребителями.
Электрическая энергия, вырабатываемая с помощью детандер-генераторного агрегата может быть использована для питания различных нагрузочных устройств, как входящих в состав ГРС или ГРП, так и внешних.
Источники информации:
1. Патент РФ на изобретение №2351842 С1, F17D 1/04, опубл. 10.04.2009.
2. Патент РФ на изобретение №2424475 С1, F25B 11/00, опубл. 20.07.2011.
3. Патент РФ на полезную модель №168607 U1, H02K 7/18, опубл. 13.02.2017.
4. Патент РФ на изобретение №2525027 С1, F25B 11/00, опубл. 10.08.2014.