УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОДЕТАНДЕРА
TURBO-EXPANDER CONTROL DEVICE

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для рекуперации энергии сжатого газа и выработки электроэнергии.
Известна схема установки турбодетандера для выработки электроэнергии, где регулирование подачи газа к турбодетандеру и поддержание давления осуществляется при помощи регулирующих вентилей (Патент RU 1822237 С, кл. F25В 11/00, опубл. 19.06.1995).
Недостаток этого устройства состоит в низкой надежности работы турбодетандера и отсутствии коррекции потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения электрической нагрузки сети.
Известна газораспределительная станция с выработкой электроэнергии, содержащая турбодетандеры, каждый из которых включает турбину и расположенный на ее валу электрогенератор, и, по меньшей мере, один нагреватель газа, связанный со входом турбины, по меньшей мере, одного из турбодетандеров, а выход одного из турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом конечного давления (Патент RU 2221192 С2, кл. F17D 1/04, F25В 11/00, опубл. 10.01.2004).
Данное устройство не обеспечивает высокой надежности работы турбодетандера и точности поддержания давления газа в магистрали низкого давления при существенных изменениях диапазонов нагрузки в электрической сети.
Известно устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, газовую расширительную машину, нагруженную электрическим генератором переменного тока, инвертор, причем газораспределительное устройство выполнено в виде набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми от датчика давления газа выходной магистрали, газовая расширительная машина выполнена в виде нерегулируемого по числу оборотов турбодетандера с парциальным подводом газа к соплам (Патент RU 2223533 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 10.02.2004).
Известное устройство для регулирования давления в газовой магистрали не обеспечивает плавного изменения величины потока газа, проходящего через турбодетандер в зависимости от изменения нагрузки в электрической сети, что снижает надежность работы устройства в целом.
Наиболее близким является система регулирования турбодетандера, установленная на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления, содержащая стопорный клапан, выполненный в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии, регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с турбодетандером и байпасный клапан с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления (Патент RU 2110022 С1, кл. F25В 49/02, опубл. 27.04. 1998).
Данное устройство не обеспечивает коррекцию величины потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения нагрузки в электрической сети, что снижает точность поддержания давления газа в магистрали низкого давления и надежность работы турбодетандера в условиях возможных существенных изменений диапазонов электрических нагрузок.
Задачей изобретения является повышение надежности работы турбодетандера и точности поддержания давления газа в магистрали низкого давления.
Техническим результатом является возможность обеспечения коррекции величины потока подаваемого на турбодетандер газа высокого давления в зависимости от изменения нагрузки в электрической сети и регулирования давления газа в магистрали низкого давления применением двух взаимосвязанных регулирующих органов.
Для достижения технического в устройство регулирования турбодетандера, установленного на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления и содержащего стопорный клапан, выполненный в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии двух клапанов, первый регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с турбодетандером, байпасный клапан с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления, дополнительно введены второй регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления, переключатель режимов работы, управляемый через датчик положения стопорного клапана, связанного со стопорным клапаном, первый вход переключателя режимов работы через первый блок сравнения и нормирующий усилитель соединен с датчиком давления в магистрали низкого давления, а второй вход переключателя режимов работы соединен с выходом второго блока сравнения, сумматор, первый вход которого соединен с датчиком положения первого регулирующего органа, а второй с датчиком положения второго регулирующего органа, выход сумматора соединен с первым входом второго блока сравнения, второй вход которого соединен с датчиком положения байпасного клапана, выход переключателя режимов работы через регулирующий усилитель байпасного клапана соединен с приводом байпасного клапана, второй вход первого блока сравнения соединен с задатчиком величины давления в магистрали низкого давления, выход первого блока сравнения через регулирующий усилитель второго регулирующего органа соединен с приводом второго регулирующего органа, датчик нагрузки внешней электрической сети через частотный преобразователь, фильтр и выпрямитель соединен с электрическим генератором на валу турбодетандера, выход датчика нагрузки внешней электрической сети через нормирующий усилитель соединен с первым входом третьего блока сравнения, второй вход которого соединен с задатчиком работы турбодетандера в номинальном режиме, выход третьего блока сравнения через регулирующий усилитель первого регулирующего органа соединен с приводом первого регулирующего органа.
На фигуре представлена структура устройства регулирования турбодетандера.
Магистрали высокого и низкого давления газораспределительной станции 1 через систему задвижек 2 связаны со стопорным клапаном 3, выполненным в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии двух клапанов так, что когда один клапан открыт, то другой закрыт, первым регулирующим органом 4 с соответствующим приводом 5 и датчиком положения 6, вторым регулирующим органом 7 с соответствующим приводом 8 и датчиком положения 9 и байпасным клапаном 10 с соответствующим приводом 11 и датчиком положения 12. Первый регулирующий орган 4 соединен с турбодетандером 13, вал которого нагружен электрическим генератором 14, соединенным через выпрямитель 15, фильтр 16, частотный преобразователь 17 и датчик нагрузки внешней электрической сети 18 с электросетью потребителей.
Переключатель режимов работы 19 управляется датчиком положения 20 стопорного клапана, связанного со стопорным клапаном 3. Первый вход переключателя режимов работы 19 через первый блок сравнения 21 и нормирующий усилитель 22 соединен с датчиком давления 23 в магистрали низкого давления, а второй вход переключателя режимов работы 19 соединен с выходом второго блока сравнения 24, выход сумматора 25 соединен с первым входом второго блока сравнения 24. Выход переключателя режимов работы 19 через регулирующий усилитель 26 байпасного клапана соединен с приводом байпасного клапана 11.
Второй вход первого блока сравнения 21 соединен с задатчиком величины давления 27 в магистрали низкого давления. Выход первого блока сравнения 21 через регулирующий усилитель 28 второго регулирующего органа 7 соединен с приводом второго регулирующего органа 8.
Датчик нагрузки внешней электрической сети 18 с электросетью потребителей через нормирующий усилитель 29 соединен с первым входом третьего блока сравнения 30, второй вход которого соединен с задатчиком работы турбодетандера в номинальном режиме 31.
Выход третьего блока сравнения 30 через регулирующий усилитель 32 первого регулирующего органа 4 соединен с приводом 5 первого регулирующего органа.
Устройство регулирования турбодетандера работает следующим образом. При открытии стопорного клапана 3 по команде запуска турбодетандера поток газа через первый 4 регулирующий орган поступает на турбодетандер 13, вал которого нагружен электрическим генератором 14. Вырабатываемое электрическое напряжение преобразуется в постоянное напряжение с помощью выпрямителя 15 и сглаживается на фильтре. Для выработки напряжения с частотой 50 Гц и напряжением 380 В, пригодного для подачи в электросеть, применяется мощный частотный преобразователь 17. Величина нагрузки измеряется датчиком нагрузки внешней электрической сети 18 потребителей.
Величина нагрузки внешней электросети, как правило, изменяется во времени, иногда в больших диапазонах. Это приводит к изменению режимов работы турбодетандера 13 и электрического генератора 14, что приводит к снижению надежности работы оборудования и колебаниям давления газа в магистрали низкого давления, что является не желательным. Для уменьшения этих явлений проводится коррекция величины потока подаваемого на турбодетандер 13 газа высокого давления в зависимости от изменения нагрузки электрической сети. Коррекция производится по величине напряжения от датчика нагрузки внешней электрической сети 18, которое через нормирующий усилитель 29 подается на первый вход третьего блока сравнения 30. Значение нагрузки, отдаваемой во внешнюю электрическую сеть при номинальной работе турбодетандера 13 и электрического генератора 14, устанавливается задатчиком работы турбодетандера в номинальном режиме 31.
В результате на выходе третьего блока сравнения 30 формируется сигнал рассогласования действительного и номинального режимов работы турбодетандера 13 и электрического генератора 14. Этот сигнал через регулирующий усилитель 32 поступает на привод 5, который корректирует пропускную способность первого регулирующего органа 4. В результате производится коррекция величины потока газа проходящего через турбодетандер 13 в зависимости от значения электрической нагрузки внешней сети.
Для снижения величины колебаний давления газа в магистрали низкого давления используется второй регулирующий орган 7 с соответствующим приводом 8, сигнал коррекции на который через регулирующий усилитель 28 поступает с выхода первого блока сравнения 21. На первый вход первого блока сравнения 21 через нормирующий усилитель 22 подается сигнал с датчика давления 23 в магистрали низкого давления, который сравнивается с требуемой величиной давления, устанавливаемой задатчиком величины давления 27 в магистрали низкого давления.
В случае возникновения аварийных ситуаций или необходимости вывода турбодетандера 13 из работы, на стопорный клапан 3 подается соответствующая команда, и стопорный клапан 3 переключает поток газа, закрывая подачу газа на первый 4 и второй 7 регулирующие органы и открывая подачу газа на байпасный клапан 10. Этим обеспечивается повышение надежности газоснабжения в аварийных ситуациях.
Для сокращения времени переключения стопорного клапана 3 и снижения колебаний давления газа текущее положение байпасного клапана 10 соответствует сумме положений первого 4 и второго 7 регулирующих органов. Это обеспечивается вторым блоком сравнения 24, на первый вход которого через сумматор 25 подается сигнал с датчика положения 6 первого регулирующего органа 4 и датчика положения 9 второго регулирующего органа 7, а на второй вход - с датчика положения 12 байпасного клапана 10. В результате на выходе второго блока сравнения 24 формируется сигнал коррекции, который при штатной работе через переключатель режимов работы 19 и регулирующий усилитель 26 подается на привод байпасного клапана 11, постоянно поддерживая его величину открытия равной сумме величин открытия первого 4 и второго 7 регулирующих органов.
В аварийных ситуациях и при необходимости вывода турбодетандера 13 из работы датчик положения 20 стопорного клапана переключит переключатель режимов работы 19, соединив выход первого блока сравнения 21 с входом регулирующего усилителя 26 и привода 11 байпасного клапана 10. В результате байпасный клапан 10 будет поддерживать заданную величину в магистрали низкого давления.
Такое техническое решение обеспечивает повышение надежности работы турбодетандера и точности поддержания давления газа в магистрали низкого давления посредством коррекции величины потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения электрической нагрузки сети.