ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ
GAS-DISTRIBUTING STATION

Изобретение относится к газовой технике, в частности к газораспределительным станциям для снижения давления газа в газопроводе.
Недостатком данной газораспределительной станции является энергоемкость регулирования процесса снижения давления, обусловленная дросселированием газа, поступающего по газопроводу высокого давления в газопровод низкого давления из-за отсутствия возможности использования энергии перепада давления, например в качестве энергосберегающего источника тепла системы отопления помещения газораспределительной станции вместо осуществляемого в настоящее время сжигания газа в отопительных устройствах (возможностью регулирования системы отопления в зависимости от температуры окружающей среды).
Известна газораспределительная станция (см. патент РФ № 2428621, МПК F17D 1/04, опубл. 10.09. 2011. Бюл. №25), содержащая блок управления, технологический блок с газопроводом высокого и низкого давления, емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган с газопроводом низкого давления, эжектор, вихревую трубу, установленную на газопроводе высокого давления, теплообменник, соединенный с выходом горячего потока вихревой трубы, а выход ее холодного потока соединен с конденсатоотводчиком, при этом блок управления снабжен датчиком температуры наружного воздуха и регулятором расхода горячего потока вихревой трубы, расположенного на входе эжектора, а теплообменник выполнен пластинчатым и расположен на рециркуляционном контуре системы отопления и своим выходом соединен с входом эжектора, при этом выход эжектора соединен с газопроводом низкого давления, а его камера смешивания соединена с конденсатоотводчиком.
Недостатком является снижение нормированных параметров процесса горения из-за неполного удаления при низких температурах наружного воздуха, присутствующего в природном газе избытка влаги, что обусловлено нарушением тепломассообмена в изменяющемся температурном режиме грунта как окружающей среды для емкости сбора конденсата.
Известна газораспределительная станция (см. патент РФ № 2544404, МПК F17D 1/04, опубл. 20.03. 2015. Бюл. №8), содержащая блок управления, технологический блок с газопроводом высокого и низкого давления, емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган с газопроводом низкого давления, эжектор, вихревую трубу, установленную на газопроводе высокого давления, теплообменник, соединенный с выходом горячего потока вихревой трубы, а выход ее холодного потока соединен с конденсатоотводчиком, причем блок управления снабжен датчиком температуры наружного воздуха и регулятором расхода горячего потока вихревой трубы, расположенным на входе эжектора, а теплообменник выполнен пластинчатым и расположен на рециркуляционном контуре системы отопления и своим выходом соединен с входом эжектора, при этом выход эжектора соединен с газопроводом низкого давления, а его камера смешивания соединена с конденсатоотводчиком, причем наружная поверхность емкости сбора конденсата покрыта теплоизолирующим и теплоаккумулирующим материалом, выполненным в виде пучков вытянутых тонких волокон из базальта, расположенных вертикально.
Недостатком является энергоемкость процесса эксплуатации, обусловленная необходимостью освещения (от постороннего источника электрической энергии с обязательным снижением напряжения до нормированного безопасного 12÷24 В из-за высокой степени взрывоопасности природного газа под высоким давлением) изолированного и удаленного по условиям техники безопасности блока управления регулированием, а также помещения в темное время суток, что повышает стоимостные затраты.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости эксплуатации газораспределительной станции путем устранения отбора электрической энергии из систем энергоснабжения на освещение за счет использования теплового потенциала вихревой трубы при получениии электрического потенциала в термоэлектрическом генераторе.
Технический результат достигается тем, что газораспределительная станция содержит блок управления, технологический блок с газопроводом высокого и низкого давления, емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган с газопроводом низкого давления, эжектор, вихревую трубу, установленную на газопроводе высокого давления, теплообменник, соединенный с выходом горячего потока вихревой трубы, а выход ее холодного потока соединен с конденсатоотводчиком, причем блок управления снабжен датчиком температуры наружного воздуха и регулятором расхода горячего потока вихревой трубы, расположенным на входе эжектора, а теплообменник выполнен пластинчатым и расположен на рециркуляционном контуре системы отопления и своим выходом соединен с входом эжектора, при этом выход эжектора соединен с газопроводом низкого давления, а его камера смешивания соединена с конденсатоотводчиком, причем наружная поверхность емкости сбора конденсата покрыта теплоизолирующим и теплоаккумулирующим материалом, выполненным в виде пучков вытянутых тонких волокон из базальта, расположенных вертикально, при этом вихревая труба снабжена термоэлектрическим генератором, включающим корпус с каналом для горячего потока и каналом для холодного потока, а также комплект дифференциальных термопар, при этом «горячие» концы дифференциальных термопар закреплены внутри канала для горячего потока, а «холодные» концы дифференциальных термопар закреплены внутри канала для холодного потока, кроме того, вход канала для холодного потока соединен с выходом холодного канала вихревой трубы, а вход канала для горячего потока соединен с выходом горячего канала вихревой трубы, а его выход соединен с регулятором расхода горячего потока вихревой трубы.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема газораспределительной станции; на фиг. 2 - внешняя поверхность емкости сбора конденсата, покрытая теплоизолирующим и теплоаккумулирующим материалом, выполненным в виде пучков вытянутых тонких волокон из базальта.
Газораспределительная станция содержит блок управления 1, технологический блок 2 с газопроводами высокого давления 3 и низкого давления 4 и емкость сбора конденсата 5, соединенную с газопроводом высокого давления 3, при этом емкость сбора конденсата 5 дополнительно соединена через запорный орган 7 с газопроводом низкого давления 4. Кроме того, газопровод высокого давления 3 связан с газовой полостью 6 в емкости сбора конденсата 5 через конденсатоотводчик 8 и кран 9. В линии связи блок управления 1 и емкости сбора конденсата 5 установлен датчик уровня 10, кран 11 соединяет газопроводом газовую полость 6 с атмосферой. На газопроводе высокого давления 3 установлена вихревая труба 12.
Вихревая труба 12 снабжена термоэлектрическим генератором 29, включающим корпус 30 с каналом 31 для горячего потока и каналом 32 для холодного потока, а также комплект дифференциальных термопар 33. «Горячие» концы 34 дифференциальных термопар 33 закреплены внутри канала 31 для горячего потока, а «холодные» концы 35 дифференциальных термопар 33 закреплены внутри канала 32 для холодного потока. Вход 36 канала 32 для холодного потока соединен с выходом 13 холодного потока вихревой трубы, а его выход 37 соединен с конденсатоотводчиком 8. Вход 38 канала 31 для горячего потока соединен с выходом 14 горячего потока вихревой трубы, а его выход 39 соединен с регулятором расхода 26 горячего потока вихревой трубы 12.
Выход 20 теплообменника 16 соединен с входом 21 эжектора 22, при этом выход 23 эжектора 22 соединен с газопроводом низкого давления 4, а его камера смешивания 24 соединена с конденсатоотводчиком 8. Блок управления 1 снабжен датчиком температуры 25 наружного воздуха и регулятором расхода 26 горячего потока вихревой трубы 12, расположенного на входе 21 эжектора 22, а для увеличения количества тепла, отдаваемого теплообменником 16 в систему отопления 18 помещения 19 газораспределительной станции, он выполнен пластинчатым, как «обладающий наибольшим коэффициентом теплоотдачи для теплообмена между нагревающим газовым теплоносителем (горячий поток природного газа от вихревой трубы 12) и нагреваемым жидкостным теплоносителем (вода системы отопления 18). По теплоэнергетическому коэффициенту пластинчатые теплообменники являются наиболее эффективными по сравнению с другими теплообменниками обычного назначения для давления до 1 МПа и температуре рабочих сред до 140-150°С и могут заменять все типы кожухотрубных, скоростных и пластинчатых конструкций системы теплоснабжения (см., например, стр. 212 и 219 Коваленко А.Н., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М.: Энергоатомиздат. 1986. 240 с.).
Наружная поверхность 27 емкости сбора конденсата 5 покрыта теплоизолирующим и теплоаккумулирующим материалом, выполненным в виде пучков вытянутых тонких волокон из базальта 28, расположенных вертикально.
Газораспределительная станция работает следующим образом.
После термодинамического расслоения в вихревой трубе 12 горячий поток природного газа из выхода 14 поступает на термоэлектрический генератор 29 через вход 38 канала 31 для горячего потока корпуса 30 и, перемещаясь внутри канала 31, контактирует с «горячими» концами 34 дифференциальных термопар 33 и через выход 39 направляется к регулятору расхода 26 горячего потока вихревой трубы 12. Одновременно холодный поток природного газа после термодинамического расслоения в вихревой трубе 12 из выхода 13 поступает на вход 36 канала 32 для холодного потока корпуса 30 и, перемещаясь внутри канала 32, контактирует с «холодными» концами 35 дифференциальных термопар 33 и через выход 37 направляется к конденсатоотводчику 8. В результате на каждом элементе комплекта дифференциальных термопар 33, состоящего из «горячего» 34 и «холодного» 35 концов при использовании в качестве термопар, например, хромель-копель возникает термо-ЭДС до 6,96 мВ (см., например, Иванова Г.Н. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1984. 230 с.). Это позволяет получить на выходе термоэлектрического генератора 29 напряжение в пределах 12÷36 В (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник / под. общ. ред. В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1980. 560 с.), что вполне достаточно для освещения как блока регулирование, так и помещения газораспределительной станции в целом без подводки электроэнергии от сети энергоснабжения.
При возрастании отрицательных температур наружного воздуха глубина промерзания грунта также увеличивается (см., например, СНиП 2.01.01-83 Строительная климатология и геофизика. М.: Стройиздат. 1982), что приводит к изменению температурного режима поступления в емкость сбора конденсата 5 влаги, количество которой уменьшается вплоть до полного прекращения из-за замерзания выхода трубопровода от крана 9 конденсатоотводчика 8. Кроме того, в газовой полости 6 с понижением температуры наружной поверхности емкости сбора конденсата 5, контактирующей с промерзающим грунтом. Нарушается тепломассообменный процесс (см., например, Осипова В.Л. Теплопередача. М.: 1980) и наблюдается кристаллизация влаги и сопутствующих природному газу компонентов, что также приводит к ухудшению условий эксплуатации газораспределительной станции.
При покрытии наружной поверхности 27 емкости сбора конденсата 5 теплоизолирующим и теплоаккумулирующим материалом, выполненным в виде пучков вытянутых тонких волокон 28 из базальта, расположенных вертикально, осуществляется теплоизоляция корпуса емкости сбора конденсата 5 от промерзающего грунта, что устраняет потери теплоты с поддержанием заданного температурного режима поступления влаги по трубопроводу из конденсатоотводчика 8 через кран 9. Расположение на наружной поверхности 27 вытянутых тонких волокон 28 из базальта, расположенных вертикально, обеспечивает при поступлении в газовую полость 6 влаги с теплотой процесса конденсации аккумуляцию теплоты, начиная с нижнего уровня корпуса емкости сбора конденсата 5 и до его верхнего уровня, т.е. к местам соединения трубопроводов с кранами 7, 9 и 11, а также датчиком уровня 10 (см., например, Волокнистые материалы из базальтов Украины. Киев: Техника. 1971, 76 с.). В результате в газовой полости 6 наблюдаются оптимальные условия теплообмена конденсирующейся массы сопутствующих компонентов природного газа при изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации газораспределительной станции.
Природный газ по газопроводу высокого давления 3 поступает в помещение  9 газораспределительной станции к технологическому блоку 2 для осуществления регулирования давления газа, причем регуляторы давления работают на достаточно высоком (от 3,5 и более кратном) перепаде давления между газопроводами высокого давления 3 и низкого давления 4 с невостребованным погашением избытка энергии (см. Промышленное газовое оборудование. Справочник. Саратов: Газовик, 2002. 624 с.).
Для использования энергии движущегося в газопроводах 3 и 4 газа в качестве частичного погасителя избыточного давления применяется вихревая труба, а ее горячий поток - как источник тепла в системе отопления помещения 19. В технологическом блоке 2 природный газ из газопровода высокого давления 3 направляется в вихревую трубу 12, где в результате термодинамического расслоения разделяется на периферийный с высоким давлением горячий поток с температурой около 100°С (см., например, Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности. Куйбышев, 1969. 369 с.), и холодный поток с низким давлением с температурой ниже температуры газа, поступающего в вихревую трубу 12.
Из выхода 39 канала 31 для горячего потока корпуса 30 термоэлектрического генератора 29 горячий поток, являющийся источником тепла, направляется на вход регулятора расхода 26, расположенного на входе 21 эжектора 22 и соединенного с входом 15 пластинчатого теплообменника 16. В зависимости от температуры окружающей среды при отрицательных температурах наружного воздуха, регистрируемых датчиком температуры 25 наружного воздуха, блок управления 1 подает команду на полное или частичное поступление через регулятор расхода 26 горячего потока из вихревой трубы 12 на вход 15 пластинчатого теплообменника 16, расположенного на рециркуляционном контуре 17 системы отопления 18 помещения 19 газораспределительной станции. После нагрева воды системы отопления 18 частично остывший до 40-50°С горячий поток из выхода 20 пластинчатого теплообменника 16 поступает на вход 21 эжектора 22. При частичной подаче горячего потока из вихревой трубы 12 на вход 15 пластинчатого теплообменника 16, когда отрицательная температура наружного воздуха не требует полной отдачи тепловой энергии на систему отопления 18 помещения 19 от вихревой трубы 12, на вход 21 эжектора поступает горячий поток как от выхода 14, так и от выхода 20 пластинчатого теплообменника 16.
Холодный поток газа с конденсатом, полученным как в процессе охлаждения парообразной влаги при термодинамическом расслоении газа, так и сопутствующим движущемуся газу по газопроводу высокого давления 3, из выхода 37 канала 32 для холодного потока корпуса 30 термоэлектрическим генератором 29 поступает в конденсатоотводчик 8, где происходит отбор конденсата с последующим его самотеком через кран 9 по трубопроводу в емкость сбора конденсата 5. При заполнении емкости сбора конденсата 5 до определенного уровня (например, 0,75 объема) от датчика уровня 10 поступает сигнал в блок управления 1 о необходимости опорожнить емкость сбора конденсата 5. Для опорожнения емкости сбора конденсата 5 закрывается кран 9 и открывается запорный кран 7. Газ, находящийся в емкости сбора конденсата 5, поступает в газопровод низкого давления 4, и тем самым в емкости сбора конденсата 5 давление снижается. Это позволяет перекачивать находящийся в емкости сбора конденсата 5 конденсат в забирающее устройство, например в автоцистерну, перекрывая запорный кран 7 и открывая кран 11.
Очищенный от конденсата в конденсатоотводчике 8 холодный поток газа с давлением более низким, чем давление газа на входе в вихревую трубу 12, поступает в камеру смешивания 24 эжектора 22, где смешивается с горячим и/или частично охлажденным в пластинчатом теплообменнике 16 потоком, имеющим более высокое давление, чем холодный поток. Смешивание с горячим и/или частично охлажденным горячего и холодного потоков перед поступлением из выхода 23 эжектора 22 в газопровод низкого давления 4 обеспечивает получение потока газа с температурой, устраняющей появление инея и тем более возможность обмерзания конденсирующейся влаги. Использование эжектора 22 не только позволяет предотвратить потери газа, используемого в качестве источника тепла, но и предотвращает обмерзание при дросселировании.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что снабжение газораспределительной станции термогенератором, соединенным с выходами «горячего» и «холодного» потоков природного газа, термодинамически расслоенного в вихревой трубе, обеспечивает снижение, особенно при длительной эксплуатации, энергозатрат на регулирование и автоматизированный контроль энергоносителя путем устранения необходимости дополнительных энергозатрат на освещение помещения.