Газораспределительная станция
GAS-DISTRIBUTING STATION

Изобретение относится к газовой технике, в частности к газораспределительным станциям для снижения давления газа в газопроводе.
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, 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 сединен 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.), 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 снижение эффективности работы газораспределительной станции при длительной эксплуатации из-за попадания  мелкодисперсных каплеобразных частиц холодного потока вихревой трубы в магистраль низкого давления и далее к потребителю, что понижает теплоту сгорания природного газа на бытовом оборудовании.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных теплотехнических параметров по теплоте сгорания природного газа при длительной эксплуатации путем устранения попадания мелкодисперсных каплеобразных частиц в магистраль низкого давления за счет повышения эффективности их отделения в конденсатоотводчике вследствие выполнения отражательной перегородки с покрытием, полученным ионно-плазменным методом, стеклоподобной нанообразной пленкой из оксида тантала со стороны патрубков ввода холодного потока из вихревой трубы.
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, при этом 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 конденсатоотводчик включает корпус с крышкой и коническое днище, соединенное с емкостью сбора конденсата, и снабжен отражательной перегородкой, которая выполнена с покрытием, полученным ионно-плазменным методом, стеклоподобной нанообразной пленкой из оксида тантала со стороны патрубка ввода холодного потока из вихревой трубы, кроме того отражательная перегородка соединена с крышкой и расположена между патрубками ввода и вывода холодного потока.
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, на фиг.3 - конденсатоотводчик с отражательной перегородкой, на фиг.4 - разрез отражательной перегородки, покрытой стеклоподобной нанообразной пленкой из оксида тантала.
Газораспределительная станция содержит блок управления 1, технологический блок 2 с газопроводами высокого давления З 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 сообщает газопроводом газовую полость 6 с атмосферой. На газопроводе высокого давления 3 установлена вихревая труба 12, выход 13 ее холодного потока соединен с конденсатоотводчиком 8, а выход 14 ее горячего потока соединен с входом 15 пластинчатого теплообменника 16, расположенного в рециркуляционном контуре 17 системы отопления 18 помещения 19 газораспределительной станции. 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, расположенным 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., Глущков 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.
Конденсатооотводчик 8 включает корпус 29 с крышкой 30 и коническое днище 31, соединенное через кран 9 с емкостью сбора конденсата 5. Конденсатоотводчик  5 снабжен отражательной перегородкой 32, которая выполнена с покрытием стеклоподобной нанообразной пленкой 33 из оксида тантала со стороны патрубка 34 ввода холодного потока из вывода 13 вихревой трубы 12. Кроме того, отражательная перегородка 32 соединена с крышкой 30 и расположена между патрубком 34 ввода холодного потока из вихревой трубы 12 и патрубком 35 вывода его из корпуса 29 конденсатоодводчика 8.
Газораспределительная станция работает следующим образом.
Природный газ всегда насыщен конденсирующейся в процессе охлаждения и транспортировки парообразной и мелкодисперсной влагой, концентрация которой существенно зависит от месторождения (добычи газа), что приводит не только к коррозийному разрушению газопроводов, но снижает теплоту сгорания при использовании природного газа как источника тепловой энергии (см., например, стр. 33. Кязимов К.Г., Гусев В.Е. Устройство и эксплуатация газового хозяйства. - М.: Издательский центр «Академия », 2004-384 с. ил.)
Поэтому отделение мелкодисперсной влаги из холодного потока, поступающего из выхода 13 вихревой трубы 12 в конденсатоодводчик 8, должно способствовать устранению поступления каплеобразных частиц в камеру смешивания 24 эжектора 22 и далее в газопровод низкого давления 4.
Однако при соприкосновении холодного потока, насыщенного мелкодисперсной влагой, с отражательной перегородкой 32, наблюдается на ее поверхности со стороны патрубка 34 ввода холодного потока от вывода 13 вихревой трубы 12 налипание капелек конденсата, которые коагулируясь и укрупняясь, образуют конденсатную пленку, которая из-за вязкообразного трения с материалом отражательной перегородки стекает в коническое днище для последующего поступления через кран 9 в емкость сбора конденсата 5. Стекание конденсатной пленки под воздействием силы тяжести и замедляемое силой трения вязкостного сопротивления налипающейся конденсатной пленки (см., Альтшуль А.Д., и др. Гидравлика и аэродинамика М.:  Стройиздат, 1987- 414 с. ил.) приводит к тому, что конденсатная пленка "зависает" между нижней частью отражательной перегородки 32 и отверстием в коническом днище 31 корпуса 29, соединенное через кран 9 с емкостью сбора конденсата 5. При этом холодный поток в конденсатоотводчике 8, огибая отражательную перегородку 32 при перемещении из патрубка ввода 34 к патрубку вывода 35, разрывает медленно движущуюся конденсатную пленку на множество мелкодисперсных частиц, переводя в состояние "витания" (см., например, Седов А.И. Механика сплошных сред. - М.: издат. «Недра» 1970-537 с. ил.), насыщается ими и поступает в камеру смешивания 24 эжектора 22 и далее в газопровод низкого давления для подачи потребителю с последующим снижением теплоты сгорания при использовании природного газа как источника тепловой энергии. Для устранения налипания мелкодисперсных частиц влаги на поверхности отражательной перегородки 32 она выполняется с покрытием, полученным ионно-плазменным методом, стеклоподобной нанообразной пленкой из оксида тантала со стороны патрубка 34 ввода холодного потока из вихревой трубы 12. В результате холодный поток, насыщенный мелкодисперсной влагой, поступающей из патрубка 34, контактирует со стеклоподобной нанообразной пленкой 33 из оксида тантала. Тогда капельки жидкости, в связи с отсутствием вязкостного трения, скользят без коагуляции и укрупнения, и соответственно без образования конденсатной пленки под действием силы тяжести со скорейшим спуском (см., например., Литвинова В.А., Саврук Е.Н. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом // Сборник трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике.» - Томск: ТСХИ НГАУ. - Вып.12. – 2010 - с.299-301.) поступают в коническое днище 31 корпуса 29 конденсатоотводчика 8 и далее через кран 9 в емкость сбора конденсата 5. Следовательно, в газоотвод низкого давления 4 и соответственно к потребителю поступает природный газ без мелкодисперсной каплеобразной влаги, обеспечивая нормированную теплоту сгорания при получении тепловой энергии. 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 с 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.
Горячий поток из выхода 14 вихревой трубы 12, 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, проходит через 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 9.
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 изобретения по поддержанию нормированных параметров по теплоте сгорания достигается путем устранения поступления к источникам получения тепловой энергии мелкодисперсных каплеобразных частиц по газопроводу низкого давления, за счет снабжения конденсатоотводчика отражательной перегородкой, выполненной с покрытием стеклоподобной нанообразной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом.