CZ29359U1

CZ29359U1 - Arrangement of pressure limiting station for generation of cold and electric power

Info

Publication number: CZ29359U1
Application number: CZ2016-32137U
Authority: CZ
Inventors: Libor Pilch; Jiří Míka
Original assignee: Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2016-04-12

Description

Uspořádání redukční stanice pro výrobu chladu a elektrické energieArrangement of reducing station for production of cold and electric energy

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení je využitelné v oblasti energetiky, dopravy zemního plynu a dále je možné využívat při modernizaci současných nebo při výstavbě nových redukčních stanic plynu.The technical solution is applicable in the field of power engineering, natural gas transport and it is also possible to use it in the modernization of existing or in the construction of new gas reduction stations.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době nelze v redukčních stanicích využít při snižování tlaku plynu škrcením, jeho energii k výrobě elektrické energie. Jsou-li v redukčních stanicích využity expanzní stroje, lze při požadovaném poklesu tlaku plynu transformovat tlakovou energii plynu na mechanickou energii a tu pomocí generátoru na energii elektrickou. Nevýhodou této redukce tlaku plynu je, že při adiabatické expanzi plynu v turbíně dochází k jeho prudkému ochlazení pod teplotu kondenzace vodních par a tím k možnému nebezpečí zamrznutí důležitých částí rozvodu. Pro omezení tohoto negativního vlivu redukce tlaku v redukční stanici i rozvodné síti, je tak nutné plyn ještě před expanzi zahřát na teplotu, která zaručí, že výstupní teplota plynu z expanzní turbíny bude vyšší než 5 °C.At present, in reducing stations, it is not possible to use its energy to produce electric energy in reducing gas pressure by throttling. If expansion machines are used in reduction stations, the pressure energy of the gas can be transformed into mechanical energy and, with the help of a generator, into electrical energy when the gas pressure drops. The disadvantage of this reduction in gas pressure is that the adiabatic expansion of the gas in the turbine causes it to cool rapidly below the condensation temperature of the water vapor and thus to the potential risk of freezing of important parts of the distribution system. In order to limit this negative effect of reducing the pressure in the reduction station and the distribution network, the gas must be heated to a temperature prior to expansion to ensure that the gas outlet temperature of the expansion turbine is greater than 5 ° C.

Výstupní teplota plynu je závislá na adiabatické účinnosti expanzní turbíny redukční stanice. Takto vyrobenou elektrickou energii, je možné považovat za ekologicky získanou energii, která nemá negativní vliv na životní prostředí.The gas outlet temperature is dependent on the adiabatic efficiency of the expansion turbine of the reduction station. The electricity produced in this way can be considered as ecologically obtained energy, which has no negative impact on the environment.

Pro ohřev zemního plynu před vstupem do expanzního stroje je v současné době možné použít centrální zdroj teplé vody nebo například odpadní teplo z výroby elektrické energie. Rovněž je možné, využít teplo z termické likvidace odpadu, popřípadě částečným spalování dopravovaného zemního plynu.At present, it is possible to use a central source of hot water or, for example, waste heat from power generation, to heat the natural gas before entering the expansion machine. It is also possible to utilize the heat from thermal waste disposal or the partial combustion of the transported natural gas.

Výše popsané redukční stanice plynu s využití energie jsou částečným Braytonovým cyklem bez kompresoru (tzv. nevlastní turbína), jelikož v nich užívané médium je již stlačené a pouze je před expanzí ohřáto na požadovanou teplotu. Výhodou této technologie je, že mechanická práce expanzní turbíny je v generátoru přeměněna na elektrickou energii. Nevýhodou standardního Braytnova cyklu však je, že značná část výkonu expanzní turbíny je spotřebovaná kompresorem. Při výrobě této energie vznikají minimální škodlivé látky, v závislosti na zdroji tepla, pro předehřev plynu na požadovanou teplotu. Doposud navrhované technologie využívající tlakovou energii plynu pracují s předehřevem kolem 100 °C. Při vyšším předehřevu je i vyšší teplota výstupního regulovaného média a nevyužitím tohoto tepla se snižuje celková účinnost cyklu.The above-described energy-using gas reduction stations are a partial Brayton cycle without a compressor (the so-called step turbine), since the medium used therein is already compressed and only heated to the desired temperature before expansion. The advantage of this technology is that the mechanical work of the expansion turbine is converted into electricity in the generator. A disadvantage of the standard Braytn cycle, however, is that a significant part of the expansion turbine power is consumed by the compressor. The production of this energy produces minimal harmful substances, depending on the heat source, for preheating the gas to the desired temperature. The hitherto proposed technologies using gas pressure energy work with preheating around 100 ° C. At higher preheating, the temperature of the controlled output medium is also higher, and by not using this heat, the overall cycle efficiency is reduced.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Podstatou řešení, dle této přihlášky, je takové uspořádání redukční stanice, která umožní využití tlakové energie plynu pro kombinovanou výrobu chladu a mechanické práce. Mechanickou práci lze v generátoru transformovat na elektrickou energii. Pro výrobu chladu je využito prudké ochlazení plynu, ke kterému dojde při jeho expanzi v turbíně. Při průměrné teplotě v plynovodu 15 až 25 °C lze podle expanzního poměru a vnitřní účinnosti turbíny počítat s výstupní teplotou zemního plynu za turbínou v rozmezí -10 až -40 °C. Pro zpětné zahřátí plynu na požadovanou teplotu se z plynu ve výměníku chladu odebere chlad, který se bude distribuovat ke spotřebiteli chladu.The essence of the solution according to the present application is a configuration of a reducing station which enables the use of gas pressure energy for the combined production of cold and mechanical work. Mechanical work can be transformed into electricity in the generator. For the production of cold is used rapid cooling of gas, which occurs during its expansion in the turbine. At an average pipeline temperature of 15 to 25 ° C, depending on the expansion ratio and the internal efficiency of the turbine, the outlet temperature of natural gas downstream of the turbine can be expected to be in the range of -10 to -40 ° C. In order to heat the gas to the desired temperature, a cold is removed from the gas in the cold exchanger and distributed to the cold consumer.

Výhodou tohoto řešení je, že při průtoku plynného média expanzní turbínou je vyráběn chlad i elektrická energie bez nutnosti dalších dodávek energie. Rovněž je výhodou, že při výrobě elektrické energie i chladu nevznikají žádné emise. V současné době se ve většině existujících redukčních stanic maří tlaková energie plynu tzv. škrcením.The advantage of this solution is that when the gaseous medium flows through the expansion turbine, both cold and electrical energy are produced without the need for further energy supply. It is also an advantage that no emissions are generated in the production of both electricity and cold. At present, the pressure energy of the gas is thwarted by so-called throttling in most existing reduction stations.

CZ 29359 UlCZ 29359 Ul

Objasnění výkresuClarification of the drawing

Na obrázku 1 je schéma současného uspořádání redukční stanice zemního plynu. Obrázek 2 představuje schéma uspořádání redukční stanice zemního plynu dle přihlášky.Figure 1 is a diagram of the current configuration of a natural gas reduction station. Figure 2 shows a diagram of the configuration of a natural gas reduction station according to the application.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Příklad 1Example 1

Technologie je užita pro redukci tlaku zemního plynu. Vstupní tlak zemního plynu do redukční stanice je 2,2 MPa (a), výstupní tlak zemního plynu z redukční stanice je 0,6 MPa (a), průtok zemního plynu je 20000 m³N.h '. Zemní plyn vstupující do redukční stanice přes zařízení i pro vstupní měření průtoku nebude před expanzí předehříván. Zemní plyn dále přes paralelně uspořádané fitry 2 postupuje potrubím do expanzní turbíny 5. Teplota zemního po expanzi je -38 °C. Při expanzi v expanzní turbíně 5 se tlaková energie zemního plynu transformuje na elektrickou energii. Po průchodu expanzní turbínou 5 prochází zemní plyn výměníkem 3 chladu, kterým je z něj odebrán chlad. Expanzní turbínou 5 protéká pouze takové množství zemního plynu, které odpovídá spotřebě chladu. V období, kdy není dodávka chladu požadována, je technologie mimo provoz.The technology is used to reduce natural gas pressure. The input pressure of natural gas to the reduction station is 2.2 MPa (a), the output pressure of natural gas from the reduction station is 0.6 MPa (a), the natural gas flow is 20000 m ³ Nh '. Natural gas entering the reduction station through the device and the inlet flow measurement will not be preheated before expansion. The natural gas is then passed through the parallel arranged filters 2 through a pipeline to the expansion turbine 5. The temperature of the natural gas after expansion is -38 ° C. Upon expansion in the expansion turbine 5, the compressed energy of natural gas is transformed into electrical energy. After passing through the expansion turbine 5, the natural gas passes through a cold exchanger 3 to remove the cold from it. Only an amount of natural gas corresponding to the cold consumption flows through the expansion turbine 5. The technology is out of operation at a time when the cold supply is not required.

Příklad 2Example 2

Uspořádání dle přihlášky je využito pro redukci zemního plynu. Vstupní tlak zemního plynu do redukční stanice je 2,2 MPa (a), výstupní tlak zemního plynu z redukční stanice je 0,6 MPa (a), průtok zemního plynuje 20000 m^h'¹. Zemní plyn procházející přes zařízení I pro vstupní měření průtoku, se nebude před expanzi v redukční stanici předehřívat. Teplota zemního plynu po expanzi je -38 °C. Při expanzi zemního plynu v expanzní turbíně 5 se tlaková energie transformuje na energii elektrickou. Na expanzní turbínu 5 je potrubím připojen výměník 3 chladu, kterým se odebírá ze zemního plynu chlad. Při odebrání chladu se zemní plyn ohřívá na vstupní teplotu, kterou měl před expanzí. Expanzní turbínou 5 protéká veškeré množství zemního plynu. Mezi výměník 3 chladu a spotřebič chladu je mní stěn vhodný akumulátor chladu, který akumuluje rozdíly mezi výrobou a spotřebou chladu. V době, kdy nebude dodávka chladu požadována, je technologie mimo provoz.The arrangement according to the application is used for the reduction of natural gas. The inlet gas pressure to the pressure reducing station is 2.2 MPa (a), the outlet gas pressure from the pressure reducing station is 0.6 MPa (a), the flow of natural gas is 20000 m ^ h ^'first Natural gas passing through the inlet flow measurement device I will not be preheated in the reduction station before expansion. The temperature of the natural gas after expansion is -38 ° C. As the gas expands in the expansion turbine 5, the pressure energy is transformed into electrical energy. A cooling exchanger 3 is connected to the expansion turbine 5 via a pipeline, which removes the cold from the natural gas. When cold is removed, the natural gas is heated to the inlet temperature it had before expansion. All natural gas flows through the expansion turbine 5. Between the cold exchanger 3 and the cold appliance there is a suitable cold storage accumulator which accumulates the differences between the production and the cold consumption. At a time when the cold supply is not required, the technology is out of order.

Příklad 3Example 3

Řešení dle přihlášky je užito pro redukci tlaku zemního plynu. Vstupní tlak zemního plynu do redukční stanice je 2,2 MPa (a), výstupní tlak zemního plynu z redukční stanice je 0,6 MPa (a), průtok zemního plynu je 20000 m³N.h¹. Zemní plyn vstupující do redukční stanice se nebude před expanzí předehřívat. Teplota zemního plynu po expanzi je -38 °C. Při expanzi v expanzní turbíně 5 se tlaková energie transformuje na elektrickou energii. Na expanzní turbínu je napojen výměník 3 chladu, kterým je ze zemního plynu odebírán chlad. Odebráním chladu se zemní plyn ohřívá na vstupní teplotu, kterou měl před expanzí. Expanzní turbínou 5 protéká veškeré množství zemního plynu. Mezi výměník 3 chladu a spotřebič chladu je umístěn vhodný akumulátor chladu, který akumuluje rozdíly mezi výrobou a spotřebou chladu. V době, kdy není dlouhodobě požadována dodávka chladu, je v provozu předehřev plynu a redukce tlaku bude probíhat standardním způsobem.The solution according to the application is used for reducing the pressure of natural gas. The input pressure of natural gas to the reduction station is 2.2 MPa (a), the output pressure of natural gas from the reduction station is 0.6 MPa (a), the natural gas flow is 20000 m ³ Nh ¹ . Natural gas entering the reduction station will not be preheated prior to expansion. The temperature of the natural gas after expansion is -38 ° C. Upon expansion in the expansion turbine 5, the pressure energy is transformed into electrical energy. A cooling exchanger 3 is connected to the expansion turbine, which is used to remove the cold from the natural gas. By removing the cold, the natural gas is heated to the inlet temperature it had before expansion. All natural gas flows through the expansion turbine 5. A suitable cold storage accumulator is placed between the cold exchanger 3 and the cold appliance, which accumulates the differences between production and consumption of cold. At a time when cold supply is not required for a long time, gas preheating is in operation and pressure reduction will be carried out in a standard manner.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení je využitelné při výrobě elektrické energie a chladu pro účely např. klimatizace.The device is usable in the production of electricity and cold for the purposes of eg air conditioning.

Claims

Arrangement of a gas reduction station for generating cold and electric energy comprising a device (1) for measuring gas flow inlet connected to a pair of parallel arranged filters (2), and further a gas heater (4) connected to a heat source (7) for preheating; Expansion turbines (5)

5 and a device (6) for measuring the output gas flow, which is arranged on the pipeline downstream of the turbine (5), characterized in that after the filters (2) the wiring is divided into two parts, the first part for gas preheating and the second a portion is directly connected to the expansion turbine (5), and a cooling exchanger (3) with a circulation pump (8) is located between the expansion turbine (5) and the cold consumption device.

The arrangement of a gas reducing station for producing cold and electric energy according to claim 1, characterized in that a storage device with a circulation pump (8) is arranged between the cold exchanger (3) and the cold consumption device.