Устройство и способ регулирования для систем понижения давления
DEVICE AND METHOD OF CONTROL FOR PRESSURE REDUCTION SYSTEMS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к транспортировке газа. Более конкретно, изобретение относится к так называемым станциям понижения давления, в которых находящийся под давлением газ переводится в состояние с пониженным давлением для его подачи в распределительную сеть под пониженным давлением. Варианты выполнения, описанные в данном документе, относятся к системам и способам обеспечения эффективного снижения давления газа и по меньшей мере частичной регенерации энергии давления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газ является одним из основных источников энергии, используемых как в бытовых, так и в промышленных целях. Природный газ, обычно содержащий смесь углеводородов, транспортируется по транспортным трубопроводам на большие расстояния, а затем подается в распределительные сети или системы.
Газ транспортируется по трубопроводам под относительно высоким давлением, например, в диапазоне 55-65 бар (5,5-6,5 МПа). В распределительной сети, по которой газ поступает к конечным потребителям, газ находится под существенно более низким давлением, например, в диапазоне 6-24 бар (0,6-2,4 МПа), в зависимости от местного законодательства. Используются станции понижения давления, в которых газ проходит из транспортных трубопроводов к распределительной сети, в то время как его давление снижается в соответствии с необходимостью.
В широко используемых станциях понижения давления обеспечивается расширение газа в клапанах регулирования давления, называемых также клапанами Джоуля-Томсона. Полная энергия, связанная с давлением, рассеивается в указанном клапане. Во время декомпрессии газ охлаждается вследствие эффекта Джоуля-Томсона. Более тяжелые углеводороды, присутствующие в газе, могут конденсироваться, если в конце процесса декомпрессии достигается слишком низкая температура. Для предотвращения конденсации и/или образования гидратов законодательством обычно устанавливается минимальная допустимая температура на входе распределительной сети. Минимальная температура обычно составляет около 0-5°С. Таким образом, перед декомпрессией газ нагревается так, что его окончательная температура после декомпрессии не падает ниже минимальной допустимой температуры газа на входе распределительной сети.
Сжатый газ обычно нагревается путем теплообмена с горячей водой, которая, в свою очередь, образуется в испарителе, в котором часть газа, транспортируемого по распределительной сети, сжигается с образованием тепла. Таким образом, снижение давления газа от первого значения для транспортировки до второго значения для распределения, являющегося пониженным по сравнению с давлением для транспортировки, представляет собой энергозатратный процесс вследствие двух факторов: с одной стороны, энергия давления, имеющаяся в газе, рассеивается. С другой стороны, некоторое количество газа должно быть истрачено просто для нагревания газа под высоким давлением для предотвращения падения температуры газа под низким давлением ниже минимальной допустимой температуры газа.
Были предприняты попытки сделать процесс понижения давления менее энергозатратным путем регенерации энергии давления, полученной от газа. Для этого газ расширяют в турбодетандере, например радиальной турбине, которая преобразует по меньшей мере часть энергии давления, содержащейся в потоке газа, в механическую энергию. Указанная механическая энергия может использоваться в первоначальном виде или может быть преобразована в электрическую энергию с помощью электрического генератора.
Однако, поскольку падение давления остается таким же, процесс расширения при помощи турбодетандера, который генерирует механическую энергию, приводит к гораздо большему падению температуры, чем при использовании клапана Джоуля-Томсона. Это соответствует просто тому факту, что фазовый переход газа не является адиабатическим, а становится квазиадиабатическим фазовым переходом, в процессе которого происходит отбор энергии от потока расширяющегося газа.
Таким образом, чтобы удовлетворить температурные требования на входе газораспределительной сети, необходимо потратить большее количество тепловой энергии для нагревания газа под высоким давлением до температуры, превышающей температуру, требуемую в том случае, когда для понижения давления используется простой клапан Джоуля-Томсона. Если сравнивать доход, обусловленный энергией, генерируемой детандером, с дополнительным расходом на нагревание, итоговая выгода столь незначительна, что она редко оправдывает повышенные вложения, требуемые сложным оборудованием, таким как турбодетандер и электрический генератор.
В патенте США №8028535 предложено применение сверхкритического теплового насоса в качестве источника теплоты для нагревания газа в системе понижения давления газа. Использование сверхкритического теплового насоса при определенных рабочих условиях может привести к получению более эффективной системы понижения давления вследствие высокого коэффициента преобразования, который может быть достигнут сверхкритическим тепловым насосом при его работе в диапазоне между окружающей температурой и высокой температурой, которую должен достичь газ для его расширения в системе понижения давления.
Однако выяснилось, что системы понижения давления, в которых используются сверхкритические тепловые насосы, могут оказаться неподходящими при определенных рабочих условиях, а именно когда расход газа уменьшен относительно расчетного расхода потока через детандер. Следует отметить, что вследствие способа использования этого источника энергии расход газа имеет сильные флуктуации в течение дня, например, поскольку в ночные часы требуется значительно меньшее количество газа. Также следует принимать во внимание сильные флуктуации в течение года вследствие увеличения потребления газа в холодный сезон, а также вследствие изменений потребления газа в связи с изменениями промышленной деятельности, которая также может изменяться в течение года.
Аналогичные ограничения и недостатки также имеют место в случае использования стандартного, то есть не сверхкритического, теплового насоса в качестве нагревающего средства для нагревания сжатого газа перед его расширением в детандере.
Таким образом, существует необходимость в дополнительном повышении КПД станций понижения давления, в которых в качестве источников теплоты для повышения температуры газа используются детандеры и тепловые насосы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом предложена система для понижения давления газа в трубопроводе, содержащая детандер, выполненный и расположенный с возможностью генерации механической энергии путем расширения газа с переходом от первого, повышенного давления ко второму, пониженному давлению. Кроме того, система содержит тепловой насос и теплопередающий контур, в котором циркулирует теплопередающая текучая среда и который предназначен для приема тепла от указанного теплового насоса и его передачи газу при помощи теплообменника. Система также содержит контроллер, выполненный и расположенный с возможностью регулирования расхода теплопередающей текучей среды, циркулирующей в теплопередающем контуре, в зависимости от количества тепла, которое должно быть передано от теплопередающей текучей среды к газу, в частности, в зависимости от разностей температур между газом и теплопередающей текучей средой на стороне впуска газа в теплообменник и стороне выпуска газа из теплообменника.
В некоторых вариантах выполнения теплообменник расположен выше по потоку от детандера относительно направления потока газа в трубопроводе. Таким образом, газ нагревается до расширения в детандере.
Тепловой насос может представлять собой сверхкритический тепловой насос, например сверхкритический тепловой насос, в котором в качестве рабочей текучей среды используется двуокись углерода. Сверхкритический тепловой насос представляет собой такой тепловой насос, в котором рабочая текучая среда находится в сверхкритическом состоянии в по меньшей мере части рабочего контура.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения контроллер может быть выполнен и расположен с возможностью регулирования расхода теплопередающей текучей среды в зависимости от разностей температур газа и теплопередающей текучей среды на стороне впуска газа в теплообменник и стороне выпуска газа из теплообменника для установки расхода теплопередающей текучей среды с возможностью достижения оптимального коэффициента преобразования теплового насоса.
В соответствии с еще одним аспектом предложен способ понижения давления газа в трубопроводе, включающий следующие этапы:
подачу газа через теплообменник и детандер,
расширение газа с переходом от первого давления ко второму давлению в детандере и генерацию с помощью этого механической энергии,
нагревание газа в теплообменнике путем подачи к нему тепла от теплового насоса с помощью теплопередающей текучей среды, циркулирующей в теплопередающем контуре и находящейся в процессе теплообмена с газом и рабочей текучей средой, обрабатываемой тепловым насосом,
регулирование расхода теплопередающей рабочей среды в теплопередающем контуре в зависимости от количества тепла, которое должно быть передано от теплопередающей текучей среды к газу, в частности, в зависимости от разностей температур газа и теплопередающей текучей среды на стороне впуска газа в теплообменник и стороне выпуска газа из теплообменника.
Ниже описаны характерные особенности и варианты выполнения, которые изложены также в прилагаемой формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть данного описания. В вышеизложенном кратком описании приведены характерные особенности различных вариантов выполнения данного изобретения для лучшего понимания нижеследующего подробного описания и оценки вклада, вносимого в уровень техники. Разумеется, существуют и другие характерные особенности изобретения, которые описаны ниже и изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, прежде чем перейти к подробному объяснению некоторых вариантов выполнения изобретения, следует отметить, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в их применении элементами конструкции и расположением компонентов, указанными в нижеприведенном описании или изображенными на чертежах. Изобретение может иметь другие варианты выполнения и может быть реализовано на практике и осуществлено различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в данном документе, служат для описательных целей и не должны считаться ограничивающими.
По существу, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что принцип, на котором основано изобретение, может быть легко применен в качестве базы для разработки других конструкций, способов и/или систем для реализации некоторых целей данного изобретения. Таким образом, важно рассматривать формулу изобретения как охватывающую такие эквивалентные конструкции, если они не выходят за рамки сущности и объема данного изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полная оценка и понимание предложенных вариантов выполнения изобретения и многочисленных присущих им преимуществ могут быть получены при рассмотрении нижеприведенного подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает структурную схему иллюстративного варианта выполнения системы согласно данному изобретению,
фиг. 2 иллюстрирует термодинамический цикл сверхкритического теплового насоса в виде диаграммы температура-энтропия,
фиг. 3, 4 и 5 изображают кривые теплопередачи, иллюстрирующие передачу тепла в теплообменнике системы, изображенной на фиг. 1, в различных рабочих условиях.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Более того, нижеприведенное подробное описание не ограничивает изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.
Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения», «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения», «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения (одним и тем же вариантам выполнения). Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.
Ниже приведено подробное описание иллюстративного варианта выполнения системы согласно данному изобретению, в которой используется сверхкритический тепловой насос. Однако следует понимать, что по меньшей мере некоторые характерные особенности системы и способа, описанных в данном документе, могут также применяться в установках, использующих стандартный, то есть не сверхкритический, тепловой насос.
Используемое в данном документе выражение «сверхкритический тепловой насос» означает тепловой насос, в котором рабочая текучая среда подвергается циклическим термодинамическим преобразованиям и изменяется между сверхкритическим и докритическим состояниями.
На фиг. 1 изображена схема иллюстративного варианта выполнения системы согласно данному изобретению.
Система, обозначенная в целом номером 1 позиции, расположена между трубопроводом 3 для транспортировки газа под высоким давлением и сетью 5 распределения газа под низким давлением. Система 1 содержит трубопровод 7, проточно соединенный с транспортным трубопроводом 3. Вдоль трубопровода 7 расположен теплообменник 9. Теплообменник 9 может представлять собой противоточный теплообменник.
Ниже по потоку от теплообменника 9 относительно направления потока (стрелка F) газа в трубопроводе 7 расположен детандер 11, например радиальный турбодетандер. Вход детандера 11 проточно присоединен к выходу теплообменника 9, тогда как выход детандера 11 проточно присоединен к распределительной сети 5. Детандер 11 может быть снабжен регулируемыми входными направляющими лопатками (ВНЛ), которые схематически показаны под номером 11А позиции и могут управляться с обеспечением регулирования расхода газа, проходящего через детандер 11, как описано более подробно ниже. Детандер 11 выполнен с обеспечением поддержания максимального расхода потока, проходящего через него, при этом регулируемые ВНЛ 11А используются для регулирования расхода от минимального значения до указанного максимального расхода в зависимости от потребности в газе со стороны распределительной сети 5.
Детандер 11 расположен и выполнен с возможностью расширения в нем газа от первого, повышенного давления, имеющего место выше по потоку от детандера 11, до второго, пониженного давления, имеющего место ниже по потоку от детандера 11. В результате расширения газа производится работа, и с вала 13 детандера может быть снята механическая энергия. В некоторых вариантах выполнения механическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию. Например, как показано на фиг.1, вал 13 детандера может быть механически присоединен к электрическому генератору 15, который преобразует механическую энергию, создаваемую детандером 11, в электрическую энергию, которая передается к электрораспределительной сети 17 или непосредственно к одной или более электрическим нагрузкам (не показаны).
Газ, проходящий через теплообменник 9, обменивается теплом с теплопередающим контуром 19, по которому циркулирует теплопередающая текучая среда, например, с помощью насоса 21. Теплопередающая текучая среда может быть жидкостью, например водой, или любой другой подходящей текучей средой. Стрелка НТ показывает направление потока теплопередающей текучей среды в контуре 19. Теплопередающая текучая среда в контуре 19 передает тепло газу, проходящему через трубопровод 7 и теплообменник 9. Кроме того, теплопередающая текучая среда обменивается теплом с высокотемпературной стороной теплового насоса 23, от которой указанная среда получает тепло. В иллюстративном варианте выполнения, описанном в данном документе, тепловой насос 23 представляет собой сверхкритический тепловой насос.
Сверхкритический тепловой насос 23 содержит контур рабочей текучей среды, который схематически показан под номером 25 позиции и в котором рабочая текучая среда подвергается циклическим термодинамическим преобразованиям для извлечения тепла из низкотемпературного источника теплоты, например воздуха, воды или земли, и выпуска тепла при более высокой температуре в теплопередающую текучую среду, циркулирующую в контуре 19. Под номером 27 позиции схематически показан низкотемпературный теплообменник сверхкритического теплового насоса 23, который обменивается теплом с низкотемпературным источником теплоты. Под номером 29 позиции схематически показан высокотемпературный теплообменник сверхкритического теплового насоса 23. Контур 25 рабочей текучей среды разделен на сторону низкого давления и сторону высокого давления расширительным клапаном 31 и компрессором или насосом 33, приводимым в действие электрическим двигателем 35.
Теплопередающий контур 19, расположенный между сверхкритическим тепловым насосом 23 и теплообменником 9, обеспечивает возможность размещения теплообменника 9 и трубопровода 7 отдельно и на расстоянии от насоса 23.
in
in
in
in
Газ под высоким давлением из транспортного трубопровода 3 поступает в трубопровод 7 под входным давлением P и с входной температурой T. Входное давление P зависит от условий работы трубопровода 3, тогда как входная температура T зависит, среди прочего, от факторов окружающей среды, поскольку трубопровод 3 может быть расположен в земле, температура которой может колебаться в зависимости от окружающих условий.
out
out
out
out
На входе распределительной сети 5, то есть ниже по потоку от детандера 11, должно поддерживаться по существу постоянное выходное давление газа. Система 1 управляется таким образом, что выходное давление P поддерживается вблизи установленного значения Ps давления. Для предотвращения конденсации компонентов газа, имеющих больший молекулярный вес, в сети 5, то есть ниже по потоку от детандера 11, температура газа T ниже по потоку от детандера 11 не должна падать ниже минимальной выходной температуры газа. Система 1 может управляться таким образом, что выходная температура газа T поддерживается вблизи установленного значения Ts температуры или может поддерживаться выше указанного значения. Тепло, создаваемое сверхкритическим тепловым насосом 23, повышает температуру газа до его расширения в детандере 11, так что выходная температура T газа может поддерживаться вблизи установленного значения Ts или выше него.
out
Установленное значение Ts температуры может составлять, например, около 0-5°С или представлять собой любую другую температуру, удовлетворяющую нормам, применяемым в стране, где установлена система 1. Даже несмотря на то что возможно использование температуры, превышающей минимальную температуру, допускаемую нормами, в предпочтительных вариантах выполнения установленное значение Ts температуры предпочтительно установлено на минимальном допустимом уровне, так что тепловая энергия, необходимая для нагревания газа перед расширением, сведена к минимуму. Для поддержания температуры T вблизи установленного значения Ts может быть предусмотрена цепь регулирования температуры.
out
В других вариантах выполнения цепь регулирования температуры может отсутствовать и температура на входе детандера 11 может быть выбрана таким образом, что температура T всегда превышает минимальное установленное значение температуры. Однако это не является оптимальным с точки зрения сбережения энергии. Действительно, если детандер работает при пониженном расходе газа, то есть при расходе ниже расчетного значения, генерируется меньшее количество электрической энергии, в то время как на нагревание газа перед расширением расходуется избыточное количество тепловой энергии, так что соотношение между электрической энергией, произведенной при расширении, и электрической энергией, потраченной на предварительное нагревание газа, становится ниже оптимального значения.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения детандер 11 выполнен таким образом, что максимальный поток газа через него меньше максимального ожидаемого потока газа, требуемого распределительной сетью 5. Для подачи газа в количестве, превышающем максимальный поток газа, пропускаемый через детандер 11, может быть предусмотрен дополнительный канал подачи газа. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 1, контур, содержащий трубопровод 7, теплообменник 9 и детандер 11, расположен параллельно каналу 37 подачи газа, вход которого проточно соединен с транспортным трубопроводом 3, а выход проточно соединен с распределительной сетью 5.
Вдоль канала 37 подачи газа могут быть расположены клапанное устройство 39 регулирования давления и нагревательное устройство 41. Нагревательное устройство 41 может быть расположено ниже по потоку от указанного клапанного устройства регулирования давления. В других, предпочтительных в настоящее время вариантах выполнения, как показано на чертеже, нагревательное устройство 41 расположено выше по потоку от клапанного устройства 39 в направлении (стрелка GD) прохождения потока газа через канал 37.
Как станет очевидно из нижеследующего описания, при некоторых рабочих условиях клапанное устройство 39 может быть закрыто, так что газ не проходит через канал 37 и весь поток газа, необходимый для сети 5, подается через трубопровод 7. Это происходит, в частности, когда распределительная сеть 5 требует расхода газа, который равен максимальному расчетному расходу в детандере 11 или меньше него. И наоборот, если распределительной сети 5 требуется повышенный расход газа, газ будет проходить также через канал 37.
Клапанное устройство 39 регулирования давления может содержать один клапан регулирования давления или набор клапанов 39.1, 39.2, … 39.n регулирования давления, расположенных параллельно, как схематически показано на фиг.1. Каждый клапан 39.1, 39.2 , … 39.n может быть избирательно открыт или закрыт в зависимости от требуемого расхода газа.
Нагревательное устройство 41 может содержать нагреватель 43, вторичный теплопередающий контур 45 и теплообменник 47. Тепло, образуемое в нагревателе 43, например, путем сжигания газа, поданного трубопроводом 3, передается через вторичный теплопередающий контур 45 к газу, проходящему по каналу 37, когда один или более клапанов 39.1-39.п открыты.
in
out
Вышеописанная система 1 работает следующим образом. Если значение, требуемое распределительной сетью 5, меньше, чем максимальный поток, который может проходить через детандер 11, газ проходит только через трубопровод 7 и детандер 11, при этом клапаны 39.1-39.n закрыты. Газ расширяется в детандере 11 с переходом от входного давления P (или немного меньшего давления, если учитывать потери в трубопроводе 7 и теплообменнике 9) к выходному давлению P, которое должно поддерживаться вблизи установленного значения Ps. В результате падения давления на детандере 11 генерируется механическая энергия, которая преобразуется в электрическую энергию с помощью электрического генератора 15 и может быть извлечена из электрораспределительной сети 17.
out
Газ, выходящий из детандера 11, имеет выходную температуру T, которая должна поддерживаться вблизи установленного значения Ts. Для предотвращения падения температуры расширенного газа ниже установленного значения Ts, тепло Q, обеспечиваемое сверхкритическим тепловым насосом 23, передается через теплообменник 9 к газу, проходящему по трубопроводу 7. Тепло Q, обмененное в теплообменнике 9, повышает температуру газа от входной температуры Т1 газа на стороне впуска газа в теплообменник 9 до выходной температуры Т2 газа на стороне выпуска газа из теплообменника 9. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 1, теплообменник 9 представляет собой противоточный теплообменник. Таким образом, теплопередающая текучая среда поступает в теплообменник 9 на стороне выпуска газа при входной температуре Т3 и покидает теплообменник 9 на стороне впуска газа при температуре Т4.
На фиг. 3 изображена диаграмма зависимости тепла от температуры, показывающая температуру двух текучих сред по вертикальной оси в зависимости от теплового потока по горизонтальной оси. Линия W представляет температуру теплопередающей текучей среды, например воды, а линия G представляет температуру газа. Линия CO2 на фиг. 3 представляет температуру рабочей текучей среды, например диоксида углерода, в сверхкритическом тепловом насосе. Т5 и Т6 изображают соответственно входную температуру и выходную температуру рабочей текучей среды в теплообменнике 29, при этом тепло Q2 (фиг. 1) представляет собой тепло, которым обменивается рабочая текучая среда сверхкритического теплового насоса 23 с теплопередающей текучей средой в теплопередающем контуре 19.
На фиг. 2 проиллюстрирован термодинамический цикл рабочей текучей среды в контуре 25 рабочей текучей среды сверхкритического теплового насоса 23. Высокотемпературное тепло извлекается из рабочей текучей среды в соответствии с изобарической кривой АВ, вдоль которой температура рабочей среды падает от температуры Т5 до температуры Т6. Тепло передается теплопередающей текучей среде, циркулирующей в контуре 19. Рабочая текучая среда в этой фазе находится в сверхкритическом состоянии. После охлаждения рабочая текучая среда расширяется в расширительном клапане 31 (см. кривую ВС на фиг. 2) с достижением более низкой температуры и более низкого давления. Расширенная текучая среда нагревается вследствие теплообмена в теплообменнике 27, испаряется и может достичь сверхнагретого состояния (кривая CDE на фиг. 2). Наконец, компрессор 33 сжимает рабочую текучую среду (см. кривую EF на фиг. 2) до тех пор, пока не будет достигнута требуемая температура Т5.
На диаграмме, показанной на фиг. 2, прямая линия W представляет повышение температуры теплопередающей текучей среды, обменивающейся теплом с рабочей текучей средой в противоточном теплообменнике 29.
out
in
out
Температура Т2 задана таким образом, что после расширения температура T на входе распределительной сети 5 находится вблизи установленного значения Ts, например 5°С. Количество тепла Q, которое должно быть передано газу сверхкритическим тепловым насосом 23, зависит от расхода газа и начальной температуры Т1 сжатого газа, которая, в свою очередь, зависит от входной температуры T газа. Для заданного расхода газа, проходящего через трубопровод 7, и заданного расхода теплопередающей текучей среды в контуре 19 насос 23 обеспечивает требуемое количество тепла, которое гарантирует поддержание температуры T вблизи установленного значения Ts.
out
in
in
out
В схеме, изображенной на фиг. 1, обозначения T1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6, T и T относятся к температурам текучих сред в соответствующих точках контуров текучих сред, а также схематически обозначают температурные датчики для измерения указанных температур, если это необходимо. Аналогичным образом, P и P обозначают соответствующие величины давления и могут обозначать датчики давления, предназначенные для определения величин давления.
Как известно, коэффициент преобразования (КП) сверхкритического теплового насоса 23 является функцией температуры, представляющей собой среднее значение между Т5 и Т6, и возрастает при уменьшении указанной средней температуры. Фактически, поскольку тепло «перекачивается» от источника теплоты с более низкой температурой (например окружающего воздуха) к поглотителю тепла с более высокой температурой (теплообменнику 29) с использованием механической энергии для выполнения сжатия в соответствии с кривой DA термодинамического цикла, должно быть очевидно, что чем меньше требуемый рост температуры, тем меньше количество необходимой механической энергии и, следовательно, тем выше КП насоса 23.
Сверхкритический тепловой насос 23 содержит внутренний контроллер 23С, который устанавливает условия в контуре 25 рабочей текучей среды с обеспечением максимизации КП для заданной температуры Т5. Для этого изготовителями тепловых насосов используются способы и алгоритмы, которые обычно осуществляются контроллером 23С теплового насоса.
out
out
out
out
out
out
out
Изменение потребления газа сетью 5 приводит, в свою очередь, к изменению выходного давления. Более конкретно, если потребность в газе возрастает, то давление P стремится к уменьшению. И наоборот, если потребность сети 5 в газе уменьшается, то давление P стремится к увеличению. Для регулирования выходного давления P и поддержания его вблизи установленного значения Ps предусмотрен контроллер 51, который содержит цепь управления давлением. Действительная величина выходного давления P может быть измерена датчиком давления (схематично изображенным под обозначением P на фиг. 1). Измеренная величина выходного давления P сравнивается при помощи контроллера 51 с установленным значение Ps давления. Цепь управления давлением вычисляет расхождение между измеренной величиной P и установленным значением Ps давления и генерирует сигнал Ер расхождения давлений. Сигнал Ер может использоваться для воздействия на регулируемые ВНЛ 11А детандера 11, например, с помощью подходящего исполнительного устройства, которое открывает или закрывает ВНЛ ПА в зависимости от сигнала Ер.
out
out
Если выходное давление P стремится упасть ниже установленного значения Ps, сигнал Ер вызывает открывание ВНЛ ПА для увеличения расхода газа, проходящего через детандер 11. И наоборот, если давление P стремится возрасти выше установленного значения Ps, сигнал Ер вызывает частичное закрывание ВНЛ 11А с уменьшением тем самым расхода газа.
out
out
Поскольку расход газа, проходящего через теплообменник 9, изменяется, температура Т2 газа на входе детандера и, следовательно, выходная температура T также изменяются. На температуру T также влияет КПД детандера 11, который, в свою очередь, зависит от расхода газа.
out
out
out
out
out
Контроллер 51 содержит цепь управления температурой, предназначенную для регулирования выходной температуры T с предотвращением ее колебаний, вызванных изменением расхода газа, проходящего через детандер 11, так что выходная температура T газа поддерживается вблизи установленного значения Ts. Контроллер 51 получает информацию о фактической температуре T, например, с помощью подходящего датчика (показанного на фиг. 1 под обозначением T) и генерирует сигнал Et расхождения температур на основании измеренной температуры T и установленного значения Ts температуры. Сигнал Et используется в качестве входного параметра для контроллера 23С сверхкритического теплового насоса 23.
out
out
Если потребность в газе возрастает, через детандер 11 будет проходить больший поток газа, что, в свою очередь, вызовет падение температуры T. При этом сигнал Et расхождения температур затребует дополнительную энергию от насоса 23. И наоборот, если потребность в газе падает, через трубопровод и детандер 11 будет проходить меньшее количество газа и, следовательно, температура T возрастет. Таким образом, контроллер 51 сгенерирует сигнал Et, который сообщит насосу 23 о том, что требуется меньшая нагрузка (меньше тепловой энергии). Тепловой насос 23 реагирует на сигнал Et изменением рабочего режима насоса 23. Способ управления, применяемый контроллером 23С насоса 23, может быть любым из способов, используемых производителями тепловых насосов.
Было обнаружено, что при изменении расхода газа в трубопроводе 7 в случае, когда используются только две вышеописанные цепи управления, температуры Т5 и Т6 рабочей текучей среды в тепловом насосе 23 и входные и выходные температуры Т1-Т4 на сторонах впуска и выпуска теплообменника 9 могут принимать новые значения, которые не обеспечивают максимально возможного КП для данных рабочих условий системы 1. Это явление может быть понято наилучшим образом при обращении к фиг. 3, 4 и 5.
На фиг. 4 и 5 изображены кривые CO2, W и G, аналогичные описанным выше в связи с фиг. 3, но в условиях частичной нагрузки, то есть когда количество тепла, передаваемое газу, проходящему по трубопроводу 7, составляет около 50% тепла, требуемого в рабочих условиях, соответствующих фиг. 3 (полная нагрузка). Это может быть обусловлено, например, снижением потребности в газе со стороны распределительной сети 5 и вытекающим из этого уменьшением расхода газа, проходящего через детандер 11. На фиг. 4 расход теплопередающей рабочей текучей среды в контуре 19 идентичен расходу на фиг. 3. На фиг. 5 проиллюстрирована ситуация, в которой насос 23 передает трубопроводу 7 через контур 19 такое же количество тепла, как и на фиг. 4, но с использованием другого расхода теплопередающей текучей среды, циркулирующей в указанном контуре.
out
В соответствии с фиг. 4 температура газа на входе и выходе теплообменника 9 обозначены соответственно как Т1' и Т2'. Входная и выходная температуры теплопередающей текучей среды обозначены как Т3' и Т4'. Обозначения Т5' и Т6' относятся к температурам рабочей текучей среды сверхкритического теплового насоса 23 соответственно на входе и выходе теплообменника. Рабочий режим насоса 23 регулируется контроллером 23С с обеспечением максимального КП насоса 23 при условиях, установленных контроллером 51. Температуры Т5' и Т6' и соответственно температуры Т3' и Т4' определяются контроллером 23С и имеют такие значения, что температура Т2' газа обеспечивает поддержание выходной температуры T вблизи установленного значения Ts. Угол наклона линии G пропорционален
где
mg - массовый расход газа,
cpg - удельная теплоемкость газа.
Аналогичным образом, угол наклона линии W пропорционален
где
mw - массовый расход теплопередающей текучей среды,
cpw - удельная теплоемкость теплопередающей текучей среды.
Поскольку массовый расход газа, проходящего через теплообменник 9, уменьшается с переходом от состояния, проиллюстрированного на фиг. 3, к состоянию, проиллюстрированному на фиг. 4, угол наклона кривой G возрастает от а на фиг. 3 до α' на фиг. 4. Температура Т1 на фиг. 4 остается такой же, как на фиг. 3, при допущении, что температура газа в транспортном трубопроводе 3 остается постоянной. Это допущение может быть сделано, поскольку температура газа в трубопроводе 3 изменяется намного медленнее, чем в потоке газа через детандер 11.
Угол наклона Р кривой W остается на фиг. 3 и 4 одним и тем же, поскольку было допущено, что расход теплопередающей текучей среды в контуре 19 не изменяется при переходе от ситуации, проиллюстрированной на фиг. 3, к ситуации, проиллюстрированной на фиг. 4.
Из фиг. 4 следует, что теплообменник 9 фактически имеет завышенные размеры, что подтверждается тем фактом, что разница между температурой газа и температурой теплопередающей текучей среды в определенный момент становится равной нулю, то есть фактически используется только часть общей поверхности теплообменника.
От теплопередающей текучей среды к газу, проходящему в трубопроводе 7, при других рабочих условиях контура 19 может быть передано такое же количество тепла (50% от Q) путем изменения расхода теплопередающей текучей среды. На фиг.5 проиллюстрирована ситуация, в которой газу, проходящему в трубопроводе 7, передано такое же количество тепла, как на фиг. 4, с использованием меньшего расхода теплопередающей текучей среды в контуре 19. Изменение расхода теплопередающей текучей среды соответствуют изменению наклона β кривой W. При уменьшении расхода теплопередающей текучей среды по сравнению с ситуацией, проиллюстрированной на фиг. 3 и 4, наклон кривой W увеличивается от β до β' на фиг. 5.
Как можно заметить при сравнении фиг. 4 и 5, когда изменяется расход в теплопередающем контуре 19, также изменяются входная температура Т3'' и выходная температура Т4'' теплопередающей текучей среды и соответствующие температуры Т5'' и Т6'' рабочей текучей среды в сверхкритическом тепловом насосе 23, которые устанавливаются контроллером 23С на уровне значения, обеспечивающего максимальный КП для новых рабочих условий.
При сравнении фиг. 4 и 5 может быть понятно, что средняя температура
меньше, чем средняя температура
Таким образом, в заключение, рабочие условия как на фиг. 4, так и на фиг. 5 удовлетворяют запросам цепи управления температурой и цепи управления давлением, содержащихся в контроллере 51, и соответствуют рабочему режиму теплового насоса 23, обеспечивающему максимальный КП указанного насоса. Однако путем изменения расхода теплопередающей текучей среды в контуре 19 могут быть достигнуты два разных значения КП, причем значение, соответствующее меньшему расходу теплопередающей текучей среды, является большим, поскольку средняя температура рабочей текучей среды в контуре рабочей текучей среды насоса 23 вдоль линии АВ ниже.
out
out
Цепь управления давлением и цепь управления температурой контроллера 51 вызывают изменение рабочего режима системы 1 для обеспечения поддержания выходной температуры T и выходного давления P газа ниже по потоку от детандера 11 вблизи соответственно установленного значения Ts температуры и установленного значения Ps давления. Более конкретно, цепь управления давлением изменяет расход газа, проходящего через трубопровод 7 и детандер 11. Цепь управления температурой обеспечивает регулирование температуры Т2 газа на выходе теплообменника 9. Для заданного расхода теплопередающей текучей среды в контуре 19 температура Т2 может быть достигнута при однозначно определенном рабочем режиме сверхкритического теплового насоса 23, обеспечивающем максимальный КП, причем указанный однозначно определенный рабочий режим устанавливается контроллером 23С насоса 23.
Расход теплопередающей текучей среды в контуре 19 является еще одним переменным параметром системы, на который можно воздействовать для дополнительной оптимизации КП теплового насоса 23.
Таким образом, может быть предусмотрена дополнительная цепь управления, которая регулирует расход теплопередающей текучей среды в контуре 19, например, путем изменения скорости вращения насоса 23. Эта дополнительная цепь управления в данном документе называется цепью управления расходом. Указанная цепь изменяет расход теплопередающей текучей среды в контуре 19 с обеспечением установки расхода на оптимальном уровне, который соответствует оптимальному максимальному КП сверхкритического теплового насоса 23. Цепь управления расходом может обеспечивать сигнал Ef (см. фиг. 1) управления расходом, который поступает на насос 21 для изменения расхода теплопередающей текучей среды до тех пор, пока не будут достигнуты условия с оптимальным КП.
Было обнаружено, что оптимальные рабочие условия для заданного расхода газа могут быть достигнуты, если кривые G и W параллельны друг другу, то есть если:
ΔTa=(T3-T2)=(T4-T1)=Δ Tb.
Таким образом, цепь управления расходом может использовать температуры газа и температуры теплопередающей текучей среды, измеренные на входе и выходе теплообменника 9, и выполнять алгоритм, который, основываясь на одной из указанных двух разностей температур ΔТа, ΔTb и итерационно изменяя расход теплопередающей текучей среды путем воздействия на насос 21, стремится уравнять значения указанных двух разностей температур. Например, если
ΔТа=(Т3-Т2)<(Т4-Т1)=ΔTb,
то сигнал Ef может уменьшить расход, и наоборот.
Вышеописанная цепь управления расходом является особенно эффективной, поскольку она основана на простых измерениях температуры, которые могут быть выполнены температурными датчиками, упрощенно изображенными на фиг. 1 под обозначениями T1, Т2, Т3 и Т4. Такой способ не требует доступа к данным от сверхкритического теплового насоса 23 и не требует сложных термодинамических вычислений. Он также не требует никакого знания об информации, относящейся к внутренней работе насоса 23.
Тем не менее, в вариантах выполнения, являющихся в настоящее время менее предпочтительными, цепь управления расходом может быть выполнена другим образом. Например, для заданного набора рабочих параметров может быть вычислен КП сверхкритического теплового насоса 23. Цепь управления расходом может быть основана, например, на итерационном алгоритме возмущений-и-наблюдений и вызывать ступенчатые изменения расхода теплопередающей текучей среды в контуре 19. Если изменение расхода вызывает падение КП, это означает необходимость противоположных изменений, которые будут сделаны на следующем шаге итерации. Например, если увеличение расхода теплопередающей текучей среды приводит к падению КП, следующий шаг итерации будет уменьшать расход до тех пор, пока не будет достигнут максимальный КП для заданного рабочего режима детандера 11.
И наоборот, если изменения расхода, внесенные шагом итерационного процесса, приводят к увеличению КП, следующий шаг итерации обеспечит изменение расхода в том же направлении.
В варианте выполнения, изображенном на фиг. 1, размеры детандера 11 обеспечивают поддержание такого расхода газа, который составляет только часть максимального расхода, который может быть подан через систему 1.
Это учитывает тот факт, что система понижения давления большую часть времени работает в условиях частичной нагрузки. Таким образом, было бы неэффективным выполнение детандера 11 и насоса 23 с обеспечением поддержания максимального расхода потока, который может потребоваться для сети 5 распределения газа низкого давления.
out
Когда расход газа, требуемый распределительной сетью 5, поднимается выше максимальной пропускной способности детандера 11, то есть когда цепь управления давлением полностью открывает регулируемые ВНЛ 11А детандера 11, может быть обеспечен дополнительный расход газа путем избирательного открывания клапанов 39.1-39.n клапанного устройства 39 регулирования давления. Давление газа, проходящего через клапаны 39.1-39.n регулирования давления, падает в соответствии с эффектом Джоуля-Томсона. В зависимости от расхода, требуемого распределительной сетью 5, один или более клапанов 39.1-39.n могут быть полностью открыты. Один из клапанов 39.1-39.n частично открыт и используется для динамического регулирования расхода через него в соответствии с запросом сети 5 и с обеспечением поддержания давления выходящего газа на уровне требуемого установленного значения Ps. Нагреватель 41 используется для нагревания газа, проходящего через клапанное устройство 39, с обеспечением поддержания выходной температуры T газа на уровне установленного значения Ts. Управление клапанным устройством 39 и нагревателем 41 может осуществляться по существу известным способом при помощи контроллера, отличного от контроллера 51.
out
Следует отметить, что температура T фактически измеряется ниже по потоку от местоположения, в котором газ, проходящий через детандер 11, смешивается с газом, проходящим через клапанное устройство 39, как показано на фиг. 1. В действительности имеет значение и должна регулироваться температура газа на выходе системы 1, которая зависит от расхода газа на двух траекториях 7 и 37.
Несмотря на то что раскрытые в данном документе варианты выполнения изобретения изображены на чертежах и полностью обстоятельно и подробно описаны выше в отношении нескольких иллюстративных вариантов выполнения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможно выполнение множества модификаций, изменений и опущений без существенного отклонения от новых идей, принципов и концепций, изложенных в данном документе, и преимуществ изобретения, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения.
Например, газ может нагреваться ниже по потоку от детандера 11, а не выше по потоку от него, при размещении теплообменника 9 ниже по потоку от детандера 11 относительно направления потока F газа. Это относится также к расположению нагревательного устройства 41 и клапанного устройства 39 регулирования давления вдоль траектории 37 подачи.
Соответственно, надлежащий объем раскрытых нововведений должен определяться только самым широким толкованием прилагаемой формулы изобретения с охватом всех таких модификаций, изменений и опущений. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа может изменяться или переупорядочиваться в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.