УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ГАЗА И СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ ГАЗА
GAS EXPANSION DEVICE AND GAS EXPANSION METHOD

Настоящее изобретение относится к устройству для расширения газа и способу расширения газа.
Случаи применения расширения многофазной текучей среды в элементе объемного расширения, соединенного с электрогенератором, включают широкий диапазон характеристик и ограничений.
Один пример известен из документа CN 204060830, в котором описана система для аккумулирования энергии сжатого газа. Система содержит компрессор, расширительную машину, нефтяной резервуар, резервуар для аккумулирования воздуха под высоким давлением и распылитель нефти.
В некоторых известных случаях практического применения давление и состав газа являются параметрами, относительно стабильными по времени, что обеспечивает постоянные рабочие характеристики и позволяет использовать низкий уровень регулирования.
В других случаях рабочие параметры могут изменяться в значительной степени, что создает проблемы, связанные со снижением производительности и/или надежности.
В некоторых случаях применения, в частности в пунктах редуцирования давления природного газа, обычно поддерживается постоянное давление ниже по потоку от упомянутых пунктов редуцирования давления, в то время как давление выше по потоку является переменным. Постоянное давление ниже по потоку необходимо для правильного распределения газа конечным потребителям, в то время как переменное давление выше по потоку определяется такими факторами, как колебания в подаче газа и нестабильное регулирование.
В подобных случаях применения энергия, генерируемая с помощью расширительного устройства, в значительной степени зависит от входного давления. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, более высокое входное давление обеспечивает более высокую степень расширения и, соответственно, более высокую разность энтальпии, приходящуюся на единицу расширенной массы. Во-вторых, повышение входного давления приводит к увеличению массового расхода вследствие увеличения плотности газа.
Поскольку это имеет существенное значение для систем, которые поддерживают давление ниже по потоку, расширительная машина может понижать давление потока только с массовым расходом, соответствующим текущей потребности газа в конечных пунктах газораспределительной сети.
Это приводит к необходимости усложнения изменения объемного расхода на входе в машине объемного расширения, работающей при переменном входном давлении.
Существующие решения для регулирования объемного расхода в устройстве объемного расширения включают использование ПРС, т.е. приводов с регулируемой скоростью, снижение расхода на входе и использование механических средств изменения рабочего объема машины.
Способ со снижением расхода на входе означает, что для управления массовым расходом потока, подлежащего расширению, можно использовать плотность газа. Недостаток такого решения заключается в явно выраженном снижении эффективности работы расширительного устройства, поскольку уменьшается степень снижения давления во всех случаях, за исключением редкого случая, когда необходим максимальный расход.
Для регулирования рабочего объема обычно используют подвижный золотниковый клапан или другой клапанный механизм, который изменяет рабочий объем машины. Такие решения могут быть крайне эффективны, но требуют больших затрат и усложняют конструкцию и, таким образом, создают опасность снижения эксплуатационной надежности.
Привод с регулируемой скоростью (ПРС) обеспечивает точное регулирование расширяемого объема и, кроме того, сохраняет высокую эффективность и простоту конструкции. Но крутящий момент машины объемного расширения обычно слабо зависит от скорости или даже находится в обратной от нее зависимости.
Это означает, что электрогенератор с ПРС должен быть способным хорошо работать при низкой скорости и высокой величине крутящего момента. Кроме того, это означает, что силы, которые действуют внутри устройства объемного расширения, будут определяться входным давлением, а не генерируемой мощностью. Другими словами, эти силы непосредственно зависят от механического крутящего момента, который действует на выходном валу.
В случаях использовании ПРС вероятность перегрузки конструкции расширительного устройства является очевидной, если входное давление изменяется в сторону повышения. При использовании расширительной машины с увеличенными габаритами эффективность ее работы при нормальных условиях работы будет ухудшаться при любом входном давлении. Если используется расширительное устройство с точно рассчитанными размерами, эффективность при нормальном входном давлении будет сохраняться оптимальной, в то же время при высоких пиках входного давления можно ожидать повреждения конструкции.
Кроме того, в условиях работы с очень высоким крутящим моментом и высокой скоростью вращения регулирование скорости вращения является сложным процессом и связано с большими затратами.
Смежная проблема заключается в затратных и сложных решениях проблемы, связанной со слишком высокой скоростью вращения. При отсутствии тормозящего момента расширительная машина будет быстро ускоряться, и поэтому создаются потенциально опасные условия функционирования, что снижает надежность системы и будет приводить к избыточной подаче газа в находящуюся ниже по потоку газораспределительную сеть.
Часто используемый способ смягчения указанной проблемы заключается в использовании быстродействующих клапанов, установленных перед расширительным устройством, с помощью которых массовый расход и крутящий момент прерываются эффективным образом в течение доли секунды.
Такие быстродействующие клапаны обуславливают создание кратковременного вакуума (разрежения) на входе расширительного устройства вследствие прекращения вращения. Разрежение быстро тормозит и останавливает расширительную машину. Вместе с тем использование быстродействующих клапанов означает очень высокие переходные нагрузки на механическую систему.
Кроме того, расширительная машина после остановки остается в нерабочем состоянии до тех пор, пока не будет надлежащим образом отрегулирована, после чего вновь запускается и синхронизируется с сетью электроснабжения.
Потеря тормозящего момента может быть связана с разрывом соединения с валом, поэтому прерывание работы с помощью быстродействующего клапана может быть необходимым. Но эта потеря может быть также обусловлена коротким или продолжительным разрывом электрической цепи электроснабжения, нестабильным контролем скорости вращения при использовании ПРС или перегрузкой генератора при торможении.
Выявление реальных или предполагаемых аварийных ситуаций, например, с помощью вспомогательных систем или аварийной кнопки может привести к необходимости использования быстродействующих клапанов.
Таким образом, желательно обеспечить безопасный, надежный и быстрый путь ограничения крутящего момента в расширительном устройстве и предпочтительно способ, который может осуществляться непрерывно при отсутствии потерь рабочего времени расширительной машины, даже если входное давление временами падает.
Задача настоящего изобретения заключается в устранении отмеченного выше и других недостатков за счет обеспечения устройства для расширения газа или газожидкостной смеси, при этом упомянутое устройство для расширения газа содержит элемент для расширения газа с впускным отверстием для подлежащего расширению газа и входной трубопровод для подлежащего расширению газа, причем входной трубопровод соединен с впускным отверстием, при этом устройство для расширения газа содержит первую точку инжекции жидкости для инжекции жидкости, причем упомянутая первая точка инжекции жидкости находится на одном уровне с впускным отверстием или выше по потоку от впускного отверстия, предпочтительно выше по потоку от впускного отверстия, при этом устройство для расширения газа снабжено сепаратором жидкости, предназначенным для отделения жидкости от газа, который расширяется в элементе для расширения газа, причем первая точка инжекции жидкости соединена с выходом для жидкости упомянутого сепаратора.
В результате, если выявлена слишком высокая величина крутящего момента, жидкость может быть инжектирована в газовый поток выше по потоку от впускного отверстия или на одном уровне с впускным отверстием так, что эта жидкость поступает в расширительную камеру вместе с газом.
При работе с высокой скоростью вращения инжектируемая жидкость создает эффект торможения для входящего газа. Затрата энергии, необходимой для ускорения жидкости, приводит к снижению общего давления газа, так что степень снижения давления и объемный расход потока, поступающего в устройство для расширения газа, уменьшаются. В результате происходит ограничение крутящего момента.
При работе с низкой скоростью вращения инжектируемая жидкость заполняет большую часть объема камеры, который в ином случае может быть заполнен поступающим газом. Соответственно объемный расход потока, поступающего в устройство для расширения газа, уменьшается. Степень снижения давления сохраняется, но массовый расход уменьшается. В результате крутящий момент ограничивается.
Кроме того, в случае выявления аварийной ситуации, что требует быстрой остановки функционирования устройства для расширения газа, жидкость может быть инжектирована выше по потоку от впускного отверстия.
Жидкость, таким образом, оказывает отмеченное выше воздействие, но, помимо этого, по существу уменьшает высокую скорость вращения, которая в ином случае могла бы существовать в течение непродолжительного периода времени. Это означает, что предохранительный клапан, установленный перед расширительным усройством, может быть закрыт с меньшей рабочей скоростью, чем могло быть в ином случае. Соответственно, крайне быстрый и затратный быстродействующий клапан не является необходимым, и может быть использован обычный клапан, при этом возможная кратковременная перегрузка не происходит, и после аварийной ситуации устройство для расширения газа быстрее становится вновь действующим устройством.
Такая аварийная ситуация может возникнуть в случае технической неисправности, например отсоединения от энергетической сети, к которой подводится электроэнергия, или разрыва механического соединения между расширительным элементом и электрогенератором, и может быть выявлена разными способами, известными специалисту в данной области техники.
Аварийная ситуация может также возникать, если вспомогательное устройство корректно или некорректно генерирует сигнал тревоги или если активирована процедура экстренной остановки работы устройства посредством вмешательства оператора или с помощью компьютерной программы.
Помимо этого, благодаря тому, что устройство для расширения газа содержит сепаратор жидкости, та же жидкость, которая уже была отделена от газа, обычно нефть, может быть использована для подачи в первую точку инжекции жидкости.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство для расширения газа оборудовано средствами активирования или прерывания потока указанной жидкости, направляемого в первую точку инжекции жидкости, так что может быть использована указанная первая точка инжекции жидкости или другая точка в соответствии с необходимостью.
Предпочтительно упомянутые средства подключены к блоку управления, предназначенному для управления этими средствами, при этом элемент для расширения газа механически соединен с электрогенератором, за счет чего элемент для расширения газа может приводить в действие электрогенератор, причем блок управления подключен к электрогенератору.
В результате, условия функционирования и измеренные параметры электрогенератора могут быть использованы для управления указанными средствами.
Предпочтительно устройство для расширения газа содержит вторую точку инжекции жидкости, которая предназначена для инжекции этой жидкости в указанный элемент для расширения газа, при этом вторая точка инжекции находится ниже по потоку от входного отверстия, и, кроме того, устройство для расширения газа снабжено резервуаром или питающим трубопроводом для указанной жидкости, при этом и первая и вторая точки инжекции жидкости соединены с упомянутыми резервуаром или питающим трубопроводом.
В результате та же самая жидкость, которая уже была инжектирована через вторую точку инжекции жидкости с целью охлаждения и/или смазки, может быть также инжектирована в первой точке инжекции жидкости, благодаря чему конструкция устройства упрощается.
Предпочтительно указанное средство активирования и прерывания потока жидкости представляет собой трехходовой клапан с тремя соединительными отверстиями, при этом первое из соединительных отверстий соединено с питающим трубопроводом или резервуаром, а каждое из других соединительных отверстий соединено с одной из указанных точек инжекции жидкости.
В результате питание второй точки инжекции жидкости, необходимое при нормальном функционировании устройства, может быть легко переключено на первую точку инжекции жидкости, если функционирование устройства осуществляется таким образом, что необходимо использовать именно первую точку инжекции жидкости.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения первая точка инжекции жидкости расположена таким образом, что направлением инжекции является направление вверх по потоку. Это создает максимальный эффект торможения в случае существования высокого крутящего момента при работе с высокой скоростью вращения, поскольку направление жидкости должно быть изменено протекающим газом на обратное.
Изобретение относится также к способу расширения газа, согласно которому этот газ направляют с помощью устройства для расширения газа, соответствующего изобретению, и согласно которому при выявлении нештатных условий функционирования устройства жидкость инжектируется только через первую точку инжекции жидкости.
При этом превышение в текущее время первой предельной величины крутящего момента является показателем реализации первого нештатного условия функционирования устройства.
Этот крутящий момент представляет собой крутящий момент механически соединенных валов электрогенератора и элемента для расширения газа. Указанный момент может быть измерен в нескольких местах или вычислен известным способом специалистом в данной области техники на основании результатов измерения других параметров, таких как скорость вращения и мощность.
Возникновение аварийной ситуации, которая требует прекращения работы устройства для расширения газа, является показателем, например, второго нештатного условия функционирования устройства.
Превышение, например, предельной величины скорости вращения элемента для расширения газа или второй предельной величины крутящего момента или превышение предельной величины генерируемой электрической мощности указывает на возникновение аварийной ситуации.
В качестве варианта, границы настоящего изобретения могут быть определены следующими пунктами:
1. Устройство для расширения газа, содержащее элемент для расширения газа с впускным отверстием, соединенным с входным трубопроводом для сжатого газа, при этом устройство для расширения газа имеет точку инжекции жидкости, расположенную перед впускным отверстием.
2. Устройство для расширения газа по пункту 1, которое дополнительно содержит основную точку инжекции жидкости, предназначенную для инжекции жидкости в элемент для расширения газа в точке, расположенной за впускным отверстием.
3. Устройство для расширения газа по пункту 1 и пункту 2, в котором указанная точка инжекции жидкости и основная точка инжекции жидкости обе соединены посредством трубопровода для жидкости с двумя соединительными отверстиями трехходового клапана, при этом третье соединительное отверстие трехходового клапана соединено с выходом для жидкости сепаратора жидкости, соединенного с выходом элемента для расширения газа.
4. Устройство для расширения газа по пункту 1 и пункту 2, в котором имеются средства регулирования инжекции, предназначенные для регулирования расхода жидкости, инжектируемой через точку инжекции жидкости, и расхода жидкости, инжектируемой через основную точку инжекции жидкости.
5. Устройство для расширения газа по пункту 3 и пункту 4, в котором указанные средства регулирования содержат трехходовой клапан.
6. Устройство для расширения газа по пункту 3, в котором трехходовой клапан подключен к контроллеру.
7. Устройство для расширения газа по пункту 6, в котором указанный контроллер, кроме того, подключен к электрогенератору, соединенному с элементом для расширения газа так, что указанный элемент для расширения может приводить в действие электрогенератор.
8. Способ работы устройства для расширения газа по пункту 1, в котором при нормальной работе устройства инжекцию жидкости через точку инжекции жидкости прерывают.
9. Способ работы устройства для расширения газа по пункту 1, в котором при работе с высокой скоростью вращения инжекцию жидкости через точку инжекции жидкости активируют, если крутящий момент или входное давление превышает первую предварительно заданную предельную величину.
10. Способ работы устройства для расширения газа по пункту 1, в котором при работе с низкой скоростью вращения инжекцию жидкости через точку инжекции жидкости активируют, если крутящий момент или входное давление превышает вторую предварительно заданную предельную величину.
11. Способ работы устройства для расширения газа по пункту 1, в котором при нормальной работе инжекцию жидкости через точку инжекции активируют, если величины мощности или крутящего момента находятся ниже предельных величин; или если превышен предел скорости вращения. Настоящее изобретение относится к способу согласования функционирования частей конструктивно-сочлененного агрегата.
С целью лучшей иллюстрации характерных особенностей изобретения предпочтительный вариант выполнения устройства для расширения газа в соответствии с изобретением и сопутствующего способа описаны ниже с помощью неограничивающего примера со ссылкой на сопровождающие чертежи.
На фиг. 1 показано схематическое представление устройства для расширения газа в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2 - иллюстрация принципа действия устройства для расширения газа.
В рассматриваемом примере устройство 1 для расширения газа представляет собой устройство для расширения природного газа с двумя винтовыми роторами и с инжекцией нефти при расширении.
Однако изобретение может быть в равной степени применимо к другим типам машин объемного расширения и текучим средам, которые отличаются от нефти и природного газа.
Устройство 1 для расширения газа, показанное на фиг. 1, содержит элемент 2 для расширения газа с двумя винтовыми роторами и электрический генератор 3, соединенные с помощью механического соединения.
Указанный расширительный элемент 2 содержит впускное отверстие 4 для природного газа, которое соединено с входным трубопроводом 5 для природного газа. На входном трубопроводе 5 установлен отсечной клапан 6.
Ниже по потоку относительно расширительного элемента 2 расположен сепаратор 7 нефти для разделения нефти и газа. Указанный сепаратор 7 содержит выход 8 для расширенного газа и выход 9 для нефти.
Выход 9 для нефти соединен посредством нефтяного насоса 11 с первым соединительным отверстием трехходового клапана 12.
Два других соединительных отверстия трехходового клапана 12 соединены с точками инжекции жидкости.
Это, в частности, относится к первой точке 13 инжекции жидкости, которая находится непосредственно выше по потоку от впускного отверстия 4 расширительного элемента 2 или во входном трубопроводе 5, и ко второй точке 14 инжекции жидкости, которая находится ниже по потоку от впускного отверстия 4.
Первая точка 13 инжекции жидкости обеспечивает направление инжекции, которое противоположно направлению течения газа.
Устройство 1 для расширения газа, кроме того, снабжено электронным блоком 15 управления, который подключен с возможностью передачи данных к отсечному клапану 6, трехходовому клапану 12 и электрогенератору 3.
Функционирование устройства 1 для расширения газа является простым и осуществляется следующим образом.
При нормальном функционировании, т.е. когда не выявлена большая величина крутящего момента по сравнению с требуемой, трехходовой клапан 12 устанавливается в такое положение, что вся нефть направляется во вторую точку 14 инжекции жидкости. Следовательно, в этом случае функционирование устройства происходит аналогично традиционному устройству для расширения газа.
Этот случай схематично проиллюстрирован на фиг. 2. Горизонтальная ось показывает увеличение скорости вращения ротора расширительного элемента 2. Вертикальная ось указывает объем камеры расширения.
При работе устройства в нормальных условиях входное отверстие 4 открыто для сообщения с расширительной камерой в интервале между точками, обозначенными на горизонтальной оси буквами А и В. Сразу после того, как впускное отверстие 4 закрывается, нефть инжектируется через вторую точку 14 инжекции жидкости, что схематически показано интервалом от точки С до точки D.
Такая последовательность действий связана с тем, что для экономически выгодного применения винтового расширительного устройства окружная скорость вращения роторов должна быть как можно больше. Следовательно, инжекция нефти на входе машины должна быть минимизирована, чтобы ограничить потери трения, которые уменьшают оптимальное заполнение камеры расширения. Поэтому инжекцию нефти обычно регулируют таким образом, чтобы нефть поступала в камеру расширения после закрытия впускного отверстия, когда эта нефть не оказывает дальнейшего влияния на процесс заполнения камеры газом.
Для получения хорошего эффекта инжекции нефти ее во многих случаях вводят под высоким давлением, непосредственно после закрытия впускного отверстия. Давление нефти обычно выше давления газа на входе трубопроводной линии, несмотря на то, что давление в камере снижается сразу после закрытия впускного отверстия.
В первых нештатных условиях функционирования, т.е. когда с помощью блока 15 управления измерен или вычислен более высокий крутящий момент, создаваемый электрогенератором 3, по сравнению с необходимым, трехходовой клапан 12 устанавливается в такое положение, чтобы вся нефть поступала в первую точку 13 инжекции жидкости.
Это приводит к созданию двух эффектов. Первый эффект заключается в том, что при инжекции нефть подвергается действию сжатия и изменению направления движения благодаря обтекающему ее газу, в результате чего действующее входное давление газа снижается. Второй эффект состоит в том, что в камере расширения расширительного элемента протекает нефть, в результате чего для газа остается объем меньшей величины. При этом в случае высокой скорости вращения в значительной степени будет преобладать первый эффект, а при низкой скорости вращения будет значительно усилен второй эффект.
В обоих случаях крутящий момент уменьшается, и поэтому превышение допустимой нагрузки устройства 1 для расширения газа будет предотвращено.
Во втором нештатном условии функционирования, в случае выявления аварийной ситуации, трехходовой клапан 12 также устанавливается в такое положение, при котором весь поток нефти протекает к первой точке 13 инжекции жидкости с реализацией вышеупомянутых эффектов, и дополнительно с помощью блока 15 управления закрывается отсечной клапан 6, так что устройство 1 для расширения газа быстро прекращает работу таким способом, который не приводит к какому-либо повреждению устройства 1 для расширения газа.
В приведенном выше описании термины «ниже по потоку» и «выше по потоку» относятся к направлению движения потока газа.
Настоящее изобретение никаким образом не ограничено вариантами осуществления, описанными в примере и проиллюстрированными на чертежах, при этом устройство для расширения газа и способ в соответствии с изобретением могут быть реализованы во всех видах форм и размеров без выхода за пределы объем изобретения.