СТАНЦИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА (ВАРИАНТЫ)

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к станциям регулирования давления системы распределения природного газа.
Уровень техники
В системах распределения природного газа используются три типа газопроводов: газопроводы высокого давления (избыточное давление составляет приблизительно 1000 фунтов на кв. дюйм), газопроводы среднего давления (избыточное давление составляет приблизительно 100 фунтов на кв. дюйм) и газопроводы низкого давления (избыточное давление составляет приблизительно 5 фунтов на кв. дюйм). В месте перехода газопровода высокого давления в газопровод среднего давления избыточное давление должно быть снижено от 1000 фунтов на кв. дюйм до 100 фунтов на кв. дюйм. В месте перехода газопровода среднего давления в газопровод низкого давления избыточное давление должно быть снижено от 100 фунтов на кв. дюйм до 5 фунтов на кв. дюйм. Снижение давления осуществляется посредством ряда редукционных регулирующих клапанов, установленных на так называемых станциях регулирования давления.
По мере уменьшения давления природного газа происходит его расширение, а при расширении природного газа его температура уменьшается. Резкое падение температуры приводит к образованию гидратов, которые повреждают редукционные регулирующие клапана. Для предотвращения образования гидратов природный газ предварительно нагревают на станциях регулирования давления до момента понижения его давления, таким образом, чтобы температура на выходе поддерживалась порядка 5°С. Предварительный нагрев природного газа до подачи на станцию регулирования давления осуществляют за счет расхода части газа на получение горячей воды или работу парового котла низкого давления, который подает тепло к теплообменнику. Теплообменник затем используют для предварительного нагрева поступающего природного газа.
В такой обычной установке для регулирования давления в трубопроводе потери энергии на редукционных регулирующих клапанах, связанные с понижением давления от 1000 фунтов на кв. дюйм до 100 фунтов на кв. дюйм, весьма существенны. Аналогично, имеют место потери энергии на редукционных регулирующих клапанах, связанные с понижением давления от 100 фунтов на кв. дюйм до 5 фунтов на кв. дюйм. Если бы эта энергии могла быть уловлена, потенциально мог бы быть чистый выигрыш в энергии, в противовес чистому убытку энергии, имеющему место на станциях регулирования давления.
В патентном документе US 6167692 раскрыта система турборасширителя топливного газа в системе распределения газа электростанции. Система распределения газа содержит источник природного газа высокого давления, направляемого в первичный турборасширитель, причем данный первичный турборасширитель приводит в действие генератор, который может использоваться для выполнения различной работы (электрической, механической и т.д.). Указанный документ далее раскрывает возможность применения промежуточного турборасширителя для дополнительного расширения части топливного газа от первичного турборасширителя, причем каждый из турборасширителей имеет теплообменник, расположенный от них вверх по потоку, предназначенный для предварительного подогрева топливного газа до его расширения в турборасширителе.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание станции регулирования давления системы распределения природного газа, обеспечивающей использование энергии, которая в настоящее время теряется на штоках клапанов-регуляторов давления в связи с понижением давления, а также расходуется на предварительный нагрев природного газа в результате сжигания части газа.
В первом аспекте полезная модель предлагает станцию регулирования давления системы распределения природного газа, содержащую турбину, приводимую в действие за счет расширения природного газа, поступающего на станцию регулирования давления, при понижении его давления, причем отбор выходной мощности турбины используется по полезному назначению; и теплообменник, выполненный с возможностью отбора холода от природного газа, выходящего из турбины, для использования с целью кондиционирования воздуха или охлаждения.
Указанный выше технический результат обеспечивается за счет применения теплообменника, который расположен ниже по потоку относительно турбины (турборасширителя), и через который направляют выходящий из турбины природный газ для отбора холода, сопутствующего понижению давления.
В предпочтительном варианте предусмотрен электрогенератор для привода указанной турбины.
Во втором аспекте полезная модель предлагает станцию регулирования давления системы распределения природного газа, содержащую турбинный электрогенератор на газовом топливе, приводимый в действие за счет использования части природного газа, поступающего на станцию регулирования давления, причем отбор выходной мощности указанного турбинного электрогенератора используется по полезному назначению; первый теплообменник, использующий отработанные газы от турбинного электрогенератора для предварительного нагрева жидкости; турбину, приводимую в действие за счет расширения природного газа при понижении его давления, причем отбор выходной мощности турбины используется по полезному назначению; и второй теплообменник, использующий указанную жидкость для предварительного нагрева природного газа, направляемого в турбину.
В этом аспекте, предусматривающем работу турбины на предварительно нагретом природном газе, указанный выше технический результат также обеспечивается за счет отбора выходной мощности турбинного электрогенератора для выработки энергии посредством его генераторной части.
Краткое описание чертежей
Эти и другие особенности полезной модели станут очевидны из последующего описания со ссылками на сопроводительные чертежи, предназначенные лишь для иллюстративных целей и не ограничивающие каким-либо образом рамки полезной модели до ее конкретных вариантов осуществления. На чертежах:
фиг.1, помеченная как «уровень техники», представляет схематическую диаграмму станции регулирования давления;
фиг.2 представляет схематическую диаграмму станции регулирования давления, выполненную в соответствии с принципами настоящей полезной модели.
Осуществление полезной модели
Предпочтительный вариант станции регулирования давления системы распределения природного газа будет описан со ссылками на фиг.1 и 2.
Сначала будет описана известная из уровня техники система. На фиг.1 трубопроводная система высокого давления изображена под номером 12, а трубопроводная система низкого давления изображена под номером 14. Между трубопроводной системой 12 высокого давления и трубопроводной системой 14 низкого давления расположена станция регулирования давления, обозначенная в целом номером 16. Природный газ высокого давления, вытекающий из трубопроводной системы 12 высокого давления, проходит через первый линейный запорный клапан 18, клапанную сборку грубого регулирования, в целом обозначенную номером 20, клапанную сборку 22 точного регулирования, до поступления на второй линейный запорный клапан 24. Котел 26 с относящимся к нему теплообменником 28 расположен в отводной петле 30. Предусмотрено три клапана 32, которые управляют подачей природного газа в теплообменник 28 и его выходом из теплообменника. В теплообменнике 28 происходит предварительный нагрев природного газа. Предварительно нагретый природный газ затем направляют через ряд редукционных регулирующих клапанов 34. Третий линейный запорный клапан 36 обеспечивает изоляцию станции 16 регулирования давления от трубопроводной системы 14 низкого давления. Линия 38 подачи топливного газа отводит часть природного газа пониженного давления для использования в топливном котле 26. Принцип работы заключается в предварительном нагреве природного газа в теплообменнике для предотвращения образования гидратов при прохождении природного газа через ряд редукционных регулирующих клапанов 34. Энергия, высвобождаемая при понижении давления природного газа, теряется на редукционных регулирующих клапанах 34. Кроме того, необходимы затраты энергии в виде потребления газа котлом 26. Таким образом, имеют место чистые потери энергии.
На фиг.2 представлена конфигурация согласно предлагаемой полезной модели применительно к известной из уровня техники станции регулирования давления. Предусмотрено сохранение существующей инфраструктуры для поддержания резервных систем с целью обеспечения безопасности.
Согласно принципам предлагаемой полезной модели, природный газ отводят путем обхода теплообменника 28 и ряда редукционных регулирующих клапанов 34. Ключевым аспектом является направление природного газа, поступающего на станцию регулирования давления, по линии 50 в турбину 52, приводимую в действие за счет расширения природного газа при понижении его давления. Выходная мощность турбины 52 затем отбирается для использования по полезному назначению. Предпочтительно, чтобы турбина использовалась для привода электрогенератора 54. Турбина 52 может работать либо на предварительно нагретом природном газе, либо на не нагретом газе, как будет пояснено в дальнейшем.
Турбина 52 предпочтительно является турбиной, известной как «турборасширитель». Он представляет собой радиальную центростремительную турбину, снабженную поворотными входными лопатками для регулирования потока, которые используются для отбора энергии от потока газа. Предлагается использование турборасширителя (турбины 52) для выработки энергии на станциях 16 регулирования давления в системе распределения природного газа. Расширение газа на входных лопатках и рабочем колесе турбины создает крутящий момент, и мощность на валу может использоваться для вращения электрогенератора 54.
Когда это допускают характеристики рабочего потока природного газа, турбина 52 может быть использована без предварительного нагрева газа. Природный газ направляют в турбину 52 с намерением создать пониженные температуры. Для отбора холода, используемого либо для охлаждения, либо для кондиционирования воздуха, предусмотрен теплообменник 56. Через теплообменник 56 может циркулировать текучая среда, используемая для кондиционирования воздуха в соседних помещениях, либо охлаждения ближайших складов-холодильников. Степень охлаждения, достигаемая за счет расширения газа, обычно намного превышает достигаемую при расширении Джоуля-Томсона на клапане.
Если необходим предварительный нагрев природного газа, котел 26 заменяют турбинным электрогенератором 58 на газовом топливе, иногда называемом как «микро-турбина». Часть природного газа высокого давления отводят по линии 60 и пропускают через систему 62 обработки газа, подготавливающую природный газ для использования в качестве газового топлива турбинного электрогенератора 58. Отработанные газы турбинного электрогенератора текут по линии 64 и проходят через первый теплообменник 66. Предусмотрен контур циркуляции горячей воды, включающий в себя циркуляционную линию 68, расширительный резервуар 70, насос 74 и клапаны 76. Расширительный резервуар 70 в случае необходимости обеспечивает подготовку воды для циркуляционной линии 68. Насос 74 используется для обеспечения циркуляции горячей воды через циркуляционную линию 68. Вода циркулирует по линии 68, которая проходит через теплообменник 66, так что имеет место передача тепла от горячих отработанных газов, поступающих из турбинного электрогенератора 58, нагреваемой воде. Отработанные газы затем выбрасываются в атмосферу. Вторичный теплообмен происходит во втором теплообменнике 78 между горячей водой и природным газом. Природный газ, предварительно нагретый во втором теплообменнике 78, затем направляют по линии 50 к турбине 52. Выходная мощность турбинного электрогенератора 58 также отбирается для выработки энергии посредством генераторной части 54. Задачей предлагаемой полезной модели является отбор и использование энергии, которая в настоящее время теряется впустую. В зависимости от обстоятельств, может оказаться выгодной установка водоотделителя перед вторым теплообменником 78, с целью осушки природного газа. Подходящими являются водоотделители, использующие известные из уровня техники абсорбирующие среды. Обычно используют два водоотделителя. Пока один водоотделитель находится в работе, абсорбирующая среда другого водоотделителя подвергается регенерации. Конечно, если стоит задача обеспечить низкие температуры для кондиционирования воздуха или охлаждения, контур циркуляции горячей воды не используется.
В контексте настоящего документа слово «содержит» не должно использоваться в ограничительном смысле, то есть, что объекты, следующие за этим словом, включены, а объекты, специально не упомянутые, не включены. Ссылка на какой-либо элемент с использованием неопределенного артикля «а» не исключает возможности наличия более одного такого элемента, если только из контекста ясно не следует, что должен быть один единственный элемент.
Для специалиста очевидна возможность изменений описанного предпочтительного варианта осуществления, без выхода за рамки и сущность полезной модели, определенные в формуле.