УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ПРИРОДНОГО СЖАТОГО ГАЗА
DEVICE FOR COMPRESSED NATURAL GAS ENERGY UTILISATION

Предлагаемое изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для утилизации энергии, запасенной в сжатом газе, например в метане, в виде получения электрической энергии и холода за счет понижения начального давления газа, пропускаемого по магистрали газопровода.
Известно устройство для утилизации энергии природного сжатого газа, описанное в патенте (RU №2351842 С1, 10.04.2009).
В известном изобретении газораспределительная станция содержит энергетическую установку, подогреватель газа и технологические блоки: блок переключений и блок редуцирования, в которых расположены узлы подготовки газа с включением в них фильтров-осушителей и запорных элементов, блок измерения расхода газа, блок контрольно-измерительных приборов и автоматики; при этом в блоке редуцирования установлено средство для регулирования и понижения давления, в качестве которого используют детандер-генераторный агрегат, содержащий электрический генератор, силовой выпрямитель, соединенный со статором генератора, регулятор напряжения, соединенный с силовым выпрямителем; патрубки подвода и отвода газа; турбина в виде рабочего колеса с лопатками, установленного на валу ротора; вывод на внешнюю электрическую сеть, соединенный с генератором, радиатор, основной и дополнительный теплообменники и холодильная камера с передачей холода потребителю.
Недостаток известного устройства заключается в том, что из-за наличия турбодетандерной установки работа газораспределительной станции не достаточно надежна.
В качестве прототипа выбрано устройство для использования энергии, запасенной в сжатом природном газе, например в метане, описанное в патенте (RU №2206028 С1, 10.06.2003).
Известное устройство содержит каскады низкого и высокого давления, средство регулирования и понижения давления, в качестве которого используют турбохолодильную установку с применением турбокомпрессора, турбодетандера, радиатор, основной теплообменник, холодильную камеру, потребитель холода, источник энергии, радиатор и дополнительный теплообменник, соединенные с основным теплообменником и холодильной камерой в замкнутый контур, в котором расположен промежуточный хладоноситель,
В известном устройстве удается увеличить холодопроизводительность установок, повысить надежность их запуска, упростить конструкцию, повысить экономичность работы в сравнении с аналогом.
Однако известное устройство не лишено недостатков, к которым относятся: неполное использование энергии, запасенной в сжатом газе, что снижает его общий КПД, применение сложного и дорого агрегата - турбодетандера, что ограничивает область его применения.
Задачей изобретения является повышение КПД установок, повышение их универсальности и упрощение конструкции.
Техническим результатом является создание устройства для утилизации энергии природного сжатого газа, позволяющего наиболее полно использовать энергию сжатого газа за счет получения электрической энергии и холода для технологических нужд, а также снижение эксплуатационных и капитальных затрат при его реализации.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для утилизации энергии природного сжатого газа, содержащем каскады низкого и высокого давления, средства регулирования и понижения давления, блок измерения расхода газа, радиатор, средства для регулирования температуры газа, поступающего потребителю, основной теплообменник, холодильную камеру, потребитель холода, источник электроэнергии, и дополнительный теплообменник, соединенный с основным теплообменником и холодильной камерой в замкнутый контур, в котором расположен промежуточный хладоноситель, согласно изобретению в каскадах низкого и высокого давления в качестве средства регулирования и понижения давления и регулирования расхода газа применены объемно-роторные лопастные машины (ОРЛМ), состоящие из входного и выходного патрубков, входящих в неподвижный статор, с концентрично установленным в нем ротором, снабженным радиальными сквозными каналами, в которых подвижно размещены кинематически связанные с ротором пластинчатые элементы, разделяющие между собой входную и выходную полости корпуса статора, статор снабжен плоской опорной площадкой прямоугольной формы, которая жестко сопряжена с корпусом статора и имеет объемное прямоугольное окно, в которое входит подвижная скользящая плита, снабженная регулировочном винтом, и перемещение которой приводит к изменению объема внутри статора, при этом вал машины, в каскаде высокого давления сочленен с первым электрическим генератором, энергию которого используют для технических целей, вал машины в каскаде низкого давления сочленяют со вторым электрическим генератором, энергию которого используют для подогрева газа в радиаторе, причем частоту вращения первого генератора поддерживают стабильной с помощью первой ОРЛМ, а давление газа и массовый его расход на выходе регулируют с помощью второй ОРЛМ.
ОРЛМ могут быть выполнены одинаковыми.
Средства регулирования могут содержать регулируемый дроссель, установленный в трубопроводе, выходящем из выходного патрубка первой ОРЛМ, в трубопроводе, выходящем из второй ОРЛМ, после теплообменника может быть установлен электрический подогреватель, получающий питание от второго генератора через выпрямитель, аккумулятор и регулятор напряжения, а также дополнительный радиатор, подогревающий газ в трубопроводе, идущим после дополнительного теплообменника, нагреватель которого питается от внешней электрической сети через регулятор напряжения, регулировочные винты первой и второй машины могут содержать двигатели, каждый из которых получает питание от первого генератора через отдельный выпрямитель аккумулятор и регулятор напряжения, вал первого генератора может быть снабжен и датчиком частоты вращения, воздействующим на двигатель регулировочного винта первой машины через регулятор напряжения, на выходе трубопровода может быть установлен датчик давления и датчик температуры газа, при этом датчик давления воздействует на двигатель регулировочного винта первой машины через регулятор напряжения первого генератора, а датчик температуры может быть связан с регулятором напряжения, присоединенным к выпрямителю и аккумулятору, подключенным ко второму генератору.
Генератор первой ОРЛМ может иметь электрическую связь через выключатель с внешней электросетью и может быть снабжен блоком автоматической синхронизации, позволяющим производить введение в синхронизм генератора указанного генератора одним из известных способов, например способом самосинхронизации, при этом в электрической цепи генератора может быть установлен датчик электрической мощности, а блок синхронизации может быть соединен с датчиком частоты вращения, кроме того, блок синхронизации может быть соединен с электродвигателем, воздействующим на регулировочный винт первой машины через отдельный регулятор напряжения, подсоединенный к первому генератору, а в трубопроводе, связывающим первую машину со второй машиной может быть установлен дополнительный датчик температуры и радиатор, подогреваемый с помощью теплоэлектроподогревателя (ТЭН), получающий питание от внешней сети, через регулятор напряжения
м
m
Средства регулирования и понижения давления и регулирования температуры газа могут содержать микропроцессор, на вход которого поступают сигналы от датчиков: частоты вращения вала первого генератора, датчика температуры газа в трубопроводе, связывающего основной теплообменник с входным патрубком второй машины, датчика температуры газа и датчика расхода газа, установленных на выходе трубопровода, ведущего к газораспределительной станции или потребителю, вход микропроцессора может быть связан также с блоком, в котором сравнивается сигнал датчика мощности Р первого генератора с его заданными максимальным значением Р, а также с блоком, в котором сравниваются максимальный расход Q газа с его реальным значением Q, снабженным рукояткой управления расходом газа, выход микропроцессора может быть соединен с регулируемым дросселем, с регулятором напряжения, питающим двигатель исполнительного механизма второй машины и с регулятором напряжения, питающим двигатель исполнительного механизма первой машины.
Микропроцессор может быть снабжен индикаторной лампой, сигнализирующей о том, что мощность первого генератора превышает предельно допустимый уровень, и индикаторной лампой, свечение которой свидетельствует о том, что расход газа превышает максимальный уровень.
Применение в каскадах низкого и высокого давления в качестве средства регулирования и понижения давления объемно-роторных лопастных машин, состоящих из всасывающего и нагнетательного патрубков, входящих в неподвижный статор с концентрично установленным в нем ротором, снабженным радиальными сквозными каналами, в которых подвижно размещены, связанные с ротором, пластинчатые элементы, разделяющие между собой входную и выходную полости корпуса статора, позволяет использовать избыточную энергию, накопленную в сжатом газе, в механическую энергию, расходуя ее на технические цели.
Наличие скользящей плиты в ОРЛМ, имеющей регулировочный винт и датчик положения, перемещение которой приводит к изменению объема внутри статора, позволяет в широком пределе регулировать скорость вращения ротора машины.
Сочленение вала ОРЛМ в каскаде высокого давления с первым электрическим генератором дает возможность получать электрическую энергию со стабильным напряжением и частотой.
Сочленение вала второй ОРЛМ в каскаде низкого давления со вторым электрическим генератором, позволяет получать электрическую энергию для использования во вспомогательных целях, например для подогрева газа на выходе системы.
Применение двух одинаковых ОРЛМ позволяет унифицировать систему управления.
Наличие регулируемого дросселя, установленного во входном трубопроводе, позволяет снижать давление в трубопроводе в случае его превышения свыше определенного значения
Использование электрического подогревателя, получающего питание от второго генератора через выпрямитель, аккумулятор и регулятор напряжения, а также дополнительного радиатора, нагреватель которого питается от внешней электрической сети через регулятор напряжения для подогревания газа, в трубопроводе, идущем после второго теплообменника, дает возможность обеспечить требуемую температуру газа, поступающего потребителю.
Питание двигателей регулировочных винтов первой машины и второй машины от первого генератора через отдельные выпрямитель, аккумулятор и регулятор напряжения позволяет обеспечить их индивидуальное управление.
Наличие датчика частоты вращения, воздействующего на двигатель регулировочного винта первой машины через регулятор напряжения, дает возможность контролировать скорость вращения первого генератора, что обеспечивает стабильность поддержания его напряжения и частоты электрической сети.
Использование на выходе трубопровода датчика давления газа, воздействующего на двигатель регулировочного винта первой машины через регулятор напряжения первого генератора, и датчика температуры газа, связанного с подключенным ко второму генератору через регулятор напряжения, присоединенного к выпрямителю и аккумулятору, позволяет поддерживать требуемое давление и расход газа с его оптимальной температурой.
Электрическая связь первого генератора с внешней электросетью, в которой установлен блок автоматической синхронизации, повышает возможности управления энергетической системой.
Установка датчика электрической мощности в цепи управления и соединение датчика частоты вращения с блоком синхронизации позволяет контролировать параметры электрической сети.
Соединение блока синхронизации с электродвигателем, воздействующим на регулировочный винт первой машины через отдельный регулятор напряжения, подсоединенный к первому генератору, и наличие в трубопроводе, связывающим первую машину со второй машиной, дополнительного датчика температуры радиатора, подогреваемого с помощью теплоэлектроподогревателя от внешней сети, через регулятор напряжения, обеспечивает дополнительные возможности системы по поддержанию стабильности работы генератора и регулированию температуры газа.
Применение микропроцессора в средствах регулирования и понижения давления и регулирования температуры газа, на вход которого поступают сигналы от датчиков: частоты вращения вала первого генератора, датчика температуры газа в трубопроводе, связывающим основной теплообменник с входным патрубком второй машины, датчика температуры газа и датчика расхода газа, установленных на выходе трубопровода, ведущего к газораспределительной станции или потребителю, позволяет контролировать указанные параметры.
м,
m
То, что вход микропроцессора связан также с блоком, в котором сравнивается сигнал датчика мощности Р первого генератора с его заданными максимальным значением Р а также с блоком, в котором сравниваются максимальный расход Q газа с его реальным значением Q, и наличие рукоятки управления расходом газа, а выход микропроцессора соединен с регулируемым дросселем, с регулятором напряжения, питающим двигатель исполнительного механизма второй машины, и с регулятором напряжения, питающим двигатель исполнительного механизма первой машины, дает оператору возможность упростить управление устройством.
Наличие индикаторных ламп, сигнализирующих о том, что мощность первого генератора превышает предельно допустимый уровень, и о том, что расход газа превышает максимальный уровень, позволяет оператору реагировать на изменение параметров системы.
Заявленное изобретение иллюстрируется шестью фигурами.
На фиг.1 представлен чертеж объемно-роторной лопастной машины первого уровня.
На фиг.2 изображена объемно-роторная лопастная машина второго уровня.
На фиг.3 показана зависимость мощности Р, вырабатываемой ОРЛМ, от расхода газа Q, проходящего через ОРЛМ.
Фиг.4 демонстрирует принципиальную структурную схему технологического процесса.
На фиг.5 изображен фрагмент принципиальной структурной схемы с блоком синхронизации.
На фиг.6 нарисована структурная микропроцессорная схема управления устройством для утилизации энергии сжатого газа.
Объемно-роторные лопастные машины ОРЛМ состоят из машины «А» первого уровня (фиг.1) и машины «В» второго уровня (фиг.2). Обе машины устроены одинаково и имеют входной 1 и выходной 2 патрубки неподвижного статора 3. В статоре 3 концентрично, с минимальным технологическим зазором (на фиг. не обозначен) установлен ротор 4, снабженный радиальными сквозными каналами 5, в которых подвижно размещены, кинематически связанные с ротором 4, пластинчатые элементы 6, разделяющие между собой входную 7 и выходную 8 полости корпуса статора 3. Статор 3 представляет собой полый цилиндр с плоской опорной площадкой 9 прямоугольной формы, которая жестко сопряжена с корпусом статора 3. Площадка 9 статора имеет объемное прямоугольное окно 10, в которое входит подвижная скользящая плита 11, имеющая вид домкратной прямоугольной плиты с внутренним цилиндрическим углублением 12. Плита 11 с боковых сторон соприкасается с прямоугольными поверхностями окна. Эта плита 11 с помощью регулировочного винта 13 и соединенной с плитой регулировочной гайкой 14 может перемещаться внутри окна, изменяя объем внутренней полости 12а между ротором 4 и внутренним углублением 12 плиты 11. При нахождении плиты 4 в крайнем верхнем положении, углубление 12 становится частью внутреннего диаметра статора 3. С торцевых сторон статор 3 снабжен подшипниковыми щитами, в которых установлены подшипники качения (на фиг. не показаны) вала 15 ротора 4. Регулировочная гайка 14 вращается с помощью электродвигателя 16.
Машина «В» выполнена аналогично (фиг.2) и обозначение ее отдельных элементов имеет ту же нумерацию, что и у машины «А», но со штрихом. Машина «В» связана с машиной «А» через патрубки (входной и выходной каналы) 2, 1'. Причем сама машина «В» может быть установлена либо рядом с машиной «А», либо отдельно от нее и сопрягаться непосредственно с механизмом, который требуется регулировать.
Специфика ОРЛМ состоит в том, что зависимость мощности Р на ее валу от расхода газа Q, проходящего через ОРЛМ (фиг.3), имеет вид параболы с максимумом Рm, конкретные параметры которой зависят от размеров машины.
На структурной схеме технологического процесса (фиг.4) вал 15 ОРЛМ «А» сочленен с синхронным генератором переменного тока 17. В свою очередь вал 15' ОРЛМ машины «В» сочленен с валом генератора 18. Входной патрубок 1 сочленен с трубопроводом 19, представляющим собой отвод от основной газовой магистрали. Между патрубками 2 и 1' имеется основной теплообменник 20. Теплообменник 20 соединен с потребителем холода, например холодильной камерой 21. Теплообменник 20 и холодильная камера 21 могут включать в себя электродвигатель, вспомогательный теплообменник и радиатор, соединенные с основным теплообменником 20 и холодильной камерой 21 посредством трубопроводов в замкнутый контур, в котором имеется хладоноситель (на фиг. не показаны). Выходной патрубок Т соединен с дополнительным теплообменником 22 и холодильной камерой 23, которая также, как основной теплообменник, содержит замкнутый контур, включающий в себя электродвигатель, вспомогательный теплообменник и радиатор, соединенные с теплообменником 22 и холодильной камерой 23 с помощью трубопроводов в замкнутый контур, в котором имеется хладоноситель (на фиг. не показаны). После теплообменника 22 газ по трубопроводу 24 поступает в газораспределительную станцию или к потребителю (на фиг. не показан). При этом предварительно газ, идущий по трубопроводу 24, подогревается в радиаторе 25 с помощью теплоэлектроподогревателя (ТЭНа) (на фиг. не обозначен), получающего питание от генератора 18 через выпрямитель 26, аккумулятор 27 и регулятор напряжения 28. В установке также имеется дополнительный радиатор 29, ТЭН которого питается от внешней электрической сети (при ее наличии) через регулятор напряжения 30.
В варианте технического решения в трубопроводе 2 установлен регулируемый дроссель 31. Двигатель 16 питается от генератора 17 через выпрямитель 32 и аккумулятор 33 с помощью регулятора напряжения 34. В свою очередь, двигатель 16' получает питание от генератора 17 через выпрямитель 32 и аккумулятор 33 через отдельный регулятор напряжения 35. Вал генератора 17 снабжен маховиком 36 и датчиком 37 частоты вращения ω, воздействующим на двигатель 16 через регулятор 34. На выходе трубопровода 24 установлен датчик давления 38 газа и датчик температуры 39 газа. При этом сигналы датчика давления 38 воздействуют на двигатель 16' через регулятор напряжения 35, а датчик температуры оказывает влияние на регулятор напряжения.
В варианте технического решения генератор 17 имеет электрическую связь через выключатель 40 (фиг.5) с внешней электросетью через блок автоматической синхронизации 41. В электрической цепи генератора 17 имеется датчик электрической мощности 42. В блок синхронизации 41 вводятся данные от датчика частоты вращения 37, кроме того, блок 41 воздействует на исполнительный электродвигатель 16 машины «А» через регулятор напряжения 34. В трубопроводе, связывающим машину «А» с машиной «В» установлен дополнительный датчик температуры 43. Газ в трубопроводе между теплообменником 20 и патрубком Т' подогревается радиатором 44 с помощью ТЭНа, получающим питание от внешней сети, через регулятор напряжения 45
м
m
В варианте технического решения средства регулирования и понижения давления и регулирования температуры газа содержат микропроцессор 46, на вход которого поступают сигналы от датчиков: частоты вращения 37 вала первого генератора, датчика температуры 43 газа в трубопроводе, связывающем основной теплообменник с входным патрубком машины «В», датчика температуры 38 газа и датчика 39 расхода газа на выходе трубопровода, ведущего к газораспределительной станции или потребителю, вход микропроцессора связан также с блоком 47, в котором сравнивается сигнал датчика мощности Р первого генератора с его заданными максимальным значением Р, а также с блоком 48, в котором сравниваются максимальный расход Q газа с его реальным значением Q, снабженным рукояткой управления 49 расходом газа. Выход микропроцессора 46 соединен с регулируемым дросселем 31, с регулятором напряжения 35, питающим двигатель 16' исполнительного механизма машины «В», и с регулятором напряжения 34, питающим двигатель 16 исполнительного механизма машины «А».
m
m
Микропроцессор также снабжен индикаторной лампой 50, сигнализирующей о том, что мощность Р генератора превышает предельно допустимый уровень P, и индикаторной лампой 51, свечение которой свидетельствует о том, что расход газа превышает уровень Q.
Устройство для утилизации энергии сжатого газа с ОРЛМ работает следующим образом. При подаче газа, имеющего высокое давление, через трубопровод 19 во входной патрубок 1 машины «А» за счет разности давлений ротор 4 приходит во вращение, приводя в движение первый генератор 17. Генератор, при достижении определенных оборотов, вырабатывает электрическую энергию, которую можно использовать для внутренних нужд. Совершив работу, газ через выходной канал 2 проходит через регулируемый дроссель 31 и направляется в основной теплообменник 20. При этом давление газа снижается, снижается и его температура. От теплообменника холод передается к потребителю холода - холодильной камере 21. Затем частично подогретый в теплообменнике 20 газ поступает во входной патрубок машины «В», ротор которой за счет перепада давления приводит во вращение второй генератор 18. При этом газ расширяется, снижая свою температуру, после чего поступает по трубопроводу в дополнительный теплообменник 22 и от него к потребителю холода - холодильной камере 23. Энергия этого генератора используется для питания ТЭНа, нагревающего газ в радиаторе 25, после чего газ попадает потребителю или подводится к газораспределительной станции. Напряжение на выходе генератора 17 поддерживается с помощью электродвигателя 16, который реагирует на частоту вращения его ротора с помощью датчика частоты вращения 37. При снижении частоты вращения объем внутренней полости 12а снижается, а при увеличении частоты вращения он повышается. Аналогично регулируется постоянство давления газа на выходе второй объемно-роторной лопастной машины. При снижении величины давления газа объем внутренней полости 12'а снижается, а при увеличении давления газа на выходе машины «В» он повышается. Для этого исполнительный механизм 16' должен реагировать на показания датчика давления 38, установленного в трубопроводе 24, показания которого используются для регулирования напряжения в регуляторе 35. Для поддержания температуры газа может быть использован дополнительный радиатор 29, ТЭН которого получает питание от внешней сети (при ее наличии) через регулятор напряжения 30, управляемый вручную.
m
В случае когда потребление газа превышает Q (см. фиг.2), то с помощью регулируемого дросселя 31 можно искусственным путем избежать перегрузки машин за счет снижения расхода.
Мощность генератора 17, скорость его вращения поддерживаются двигателем 16 с помощью регулятора напряжения 34, а наличие аккумулятора 33 позволяет избежать взаимного влияния генератора 17 и двигателя 16, что могло бы привести к автоколебаниям системы. Аналогичную роль играет аккумулятор 33, от которого через регулятор напряжения 36 получает питание двигатель 16'. Маховик 36 также способствует стабилизации скорости вращения генератора 17. За счет датчика давления 37 и датчика температуры 39 поддерживается и требуемая температура газа и его давление на выходе трубопровода.
Дополнительным достоинством предложенного технического решения является возможность подключения первого генератора к внешней электросети (фиг.5). Его работа параллельно с внешней энергосистемой повышает устойчивость работы устройства, его управляемость. Обеспечивается также подпитка энергетической системы дополнительной мощностью.
Блок автоматической синхронизации 41 позволяет производить введение в синхронизм генератора 17 одним из известных способов, например способом самосинхронизации, когда невозбужденный генератор (автоматический выключатель гашения поля (АГП) включен) раскручивается машиной «А» до номинальной частоты вращения (с отклонением ±2%) и включается в сеть автоматическим выключателем генератора. Затем подается возбуждение (АГП отключен), и генератор втягивается в синхронизм. После подачи возбуждения на генератор по мере нарастания магнитного потока ротора появляется синхронный момент, под воздействием которого генератор входит в синхронизм.
Датчик электрической мощности 42 позволяет контролировать энергию, передаваемую генератором во внешнюю сеть.
За счет дополнительной мощности газ в трубопроводе между теплообменником 20 и патрубком 2' подогревается радиатором 44 с помощью ТЭНа, получающим питание от внешней сети, через регулятор напряжения 45, что придает устройству дополнительные возможности по регулированию температуры и давления в трубопроводе.
Применение микропроцессора 46 (фиг.6) упрощает работу оператора по управлению системой газоснабжения. Позволяет автоматизировать процесс управления устройством для утилизации энергии природного сжатого газа. Для этого ему практически понадобится лишь воздействовать на рукоятку управления 49. А наличие индикаторных ламп 50 и 51 позволит визуально оценить правильность работы системы.
Таким образом, применение объемно-роторных лопастных машин позволяет перераспределять объем газа, идущий от первой ступени ко второй. При этом обеспечивается постоянство напряжения с помощью машины «А», а давление газа и его температуру на выходе поддерживают стабильными с помощью машины «В». ОРЛМ просты в изготовлении и надежны в эксплуатации, и их внедрение в практику вместо дорогих и сложных в эксплуатации турбодетандеров позволит снизить капитальные затраты и расходы на эксплуатацию.
Внедрение устройства позволит наиболее полно использовать энергию сжатого газа за счет получения электрической энергии и холода для технологических нужд.
Технико-экономические достоинства предложенного устройства для утилизации энергии сжатого газа.
1. Высокий общий КПД установок, выполненных по данному способу.
2. Стабильность работы установки.
3. Возможность передачи энергии на расстоянии.
4. Автономность работы всего комплекса по добычи газа.
5. Снижены капитальные и эксплуатационные расходы.