RU187613U1

RU187613U1 - TURBO-EXPANDER ELECTRIC POWER PLANT

Info

Publication number: RU187613U1
Application number: RU2018127766U
Authority: RU
Inventors: Георгий Анатольевич Фокин; Александр Борисович Федотов; Виталий Михайлович Иванов; Николай Алексеевич Забелин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Санкт-Петербург"
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2019-03-13

Abstract

Полезная модель относится к газовой промышленности, а именно к системам электроснабжения газораспределительных станций (ГРС) для снижения давления магистрального природного газа с 5,5 МПа до 0,3÷1,2 МПа. Задачей полезной модели является упрощение конструкции установки с целью возможности ее обслуживания и ремонта непосредственно в цехе редуцирования газа при обеспечении низкой ее стоимости при производстве. Поставленная задача решается турбодетандерной генераторной установкой, содержащей помещенные в герметичную камеру высокого давления, в нижней части которой выполнены входной и выходной патрубки и заведены в ее полость электроды для подключения нагрузки, электрогенератор, на валу которого установлен ротор турбины, и радиальную газовую турбину, состоящую из статора кольцевой формы, внутри которого в рабочем положении располагается ротор, на лопатки которого направлены струи газа, вращающие ротор и вал электрогенератора, отличающийся тем, что камера высокого давления образована установленной на металлических опорах стальной станиной и сферической заглушкой с фланцем, стянутых между собой резьбовыми шпильками, а в качестве электрогенератора используется автомобильный бесщеточный электрогенератор постоянного тока напряжением 24 В и мощностью до 3 кВт.The utility model relates to the gas industry, namely, power supply systems of gas distribution stations (GDS) to reduce the pressure of main natural gas from 5.5 MPa to 0.3 ÷ 1.2 MPa. The objective of the utility model is to simplify the design of the installation in order to be able to maintain and repair it directly in the gas reduction workshop while ensuring its low cost in production. The problem is solved by a turboexpander generator set containing placed in a sealed high-pressure chamber, in the lower part of which inlet and outlet pipes are made and electrodes for connecting the load are inserted into its cavity, an electric generator, on the shaft of which a turbine rotor is installed, and a radial gas turbine, consisting of a stator of a circular shape, inside of which a rotor is located in the working position, gas blades directed at the blades of the rotor and the rotor of the electric generator, different t We assume that the high-pressure chamber is formed by a steel frame mounted on metal supports and a spherical plug with a flange, tightened together by threaded rods, and an automobile brushless DC generator with a voltage of 24 V and power up to 3 kW is used as an electric generator.

Description

Полезная модель относится к газовой промышленности, а именно, к системам электроснабжения газораспределительных станций (ГРС) для снижения давления магистрального природного газа с 5,5 МПа до 0,3÷1,2 МПа.The utility model relates to the gas industry, namely, to power supply systems of gas distribution stations (GDS) to reduce the pressure of main natural gas from 5.5 MPa to 0.3 ÷ 1.2 MPa.

Известна турбодетандерная установка, содержащая турбодетандер, электрогенератор и газоводяной теплообменник для подогрева природного газа перед детандером. (А.А.Степанец. Об эффективности детандер-генераторных агрегатов в тепловой схеме ТЭЦ // Энергетик. - 4, 1999 г., с.2.) Недостатком данной установки является низкий КПД из-за наличия теплообменников и большая себестоимость.Known turboexpander installation containing a turboexpander, an electric generator and a gas-water heat exchanger for heating natural gas before the expander. (A.A. Stepanets. On the efficiency of the expander-generator units in the thermal scheme of the thermal power station // Energetik. - 4, 1999, p.2.) The disadvantage of this installation is the low efficiency due to the presence of heat exchangers and high cost.

Известна турбодетандерная установка. (патент РФ 2213915, 2003 г.), содержащая электрогенератор, турбодетандер, вихревую трубу, сепаратор и холодильную камеру. Особенность этой установки в том, что выход горячего потока газа из вихревой трубы направляется в турбодетандер для обогрева его рабочих поверхностей, а холодный поток газа поступает в сепаратор, где происходит улавливание сконденсировавшейся жидкости и твердых частиц. Недостатком данной установки является сложность конструкции вихревой трубы.Known turboexpander installation. (RF patent 2213915, 2003), containing an electric generator, a turboexpander, a vortex tube, a separator and a cooling chamber. The peculiarity of this installation is that the exit of the hot gas stream from the vortex tube is sent to the turboexpander to heat its working surfaces, and the cold gas stream enters the separator, where condensed liquid and solid particles are trapped. The disadvantage of this installation is the design complexity of the vortex tube.

Известна турбодетандерная установка, содержащая турбодетандер, электрогенератор, линию высокого давления природного газа, газопаровый теплообменник и электропарогенератор, соединенный с противодавленческой турбиной (патент RU 2403406, 2010 г.). Недостатками установки являются узкая область применения, наличие газопарового теплообменника и электропарогенератора, что повышает себестоимость и снижает надежность установки.Known turboexpander installation containing a turboexpander, an electric generator, a high pressure line of natural gas, a gas-steam heat exchanger and an electric steam generator connected to a backpressure turbine (patent RU 2403406, 2010). The disadvantages of the installation are a narrow scope, the presence of a gas-steam heat exchanger and an electric steam generator, which increases the cost and reduces the reliability of the installation.

Наиболее близким к заявляемой установке является турбодетандерная генераторная установка (патент РФ №2564173, 2015 г.), содержащая электрогенератор и турбодетандер с рабочим колесом. Рабочее колесо турбодетандера расположено на валу ротора электрогенератора консольно и закреплено с одного конца вала, ротор электрогенератора расположен в корпусе между подшипниками, а статор электрогенератора снабжен обмотками в сердечнике, при этом установка снабжена входным патрубком, соединенным с основным газопроводом природного газа, и выходным патрубком, соединенным с основным газопроводом подачи природного газа потребителю. Турбодетандер и электрогенератор размещены в одном корпусе, рабочее колесо турбодетандера выполнено в виде безлопаточной расширительной канальной газовой турбины и жестко закреплено на общем валу с электрогенератором, выполненным в виде трехфазного высокооборотного синхронного бесколлекторного генератора на постоянных магнитах. Однако, описанная конструкция является дорогостоящей.Closest to the claimed installation is a turboexpander generator set (RF patent No. 2564173, 2015), containing an electric generator and a turboexpander with an impeller. The impeller of the turboexpander is located on the rotor shaft of the electric generator cantilever and mounted on one end of the shaft, the rotor of the electric generator is located in the housing between the bearings, and the stator of the electric generator is equipped with windings in the core, while the installation is equipped with an inlet pipe connected to the main gas pipeline of natural gas and an output pipe, connected to the main gas pipeline supplying natural gas to the consumer. The turbo expander and the electric generator are placed in one housing, the impeller of the turbo expander is made in the form of a bladeless expansion channel gas turbine and is rigidly fixed to a common shaft with an electric generator made in the form of a three-phase high-speed synchronous permanent collector generator with permanent magnets. However, the described construction is expensive.

Задачей полезной модели является упрощение конструкции установки с целью возможности ее обслуживания и ремонта непосредственно в цехе редуцирования газа при обеспечении низкой ее стоимости при производстве.The objective of the utility model is to simplify the design of the installation in order to be able to maintain and repair it directly in the gas reduction workshop while ensuring its low cost in production.

Поставленная задача решается турбодетандерной генераторной установкой, содержащей помещенные в герметичную камеру высокого давления, в нижней части которой выполнены входной и выходной патрубки и заведены в ее полость электроды для подключения нагрузки, электрогенератор, на валу которого установлен ротор турбины, и радиальную газовую турбину, состоящую из статора кольцевой формы, внутри которого в рабочем положении располагается ротор, на лопатки которого направлены струи газа, вращающие ротор и вал электрогенератора, отличающейся тем, что камера высокого давления образована установленной на металлических опорах стальной станиной и сферической заглушкой с фланцем, стянутых между собой резьбовыми шпильками, а в качестве электрогенератора используется автомобильный бесщеточный электрогенератор постоянного тока напряжением 24 В и мощностью до 3 кВт.The problem is solved by a turboexpander generator set containing placed in a sealed high-pressure chamber, in the lower part of which inlet and outlet pipes are made and electrodes for connecting the load are inserted into its cavity, an electric generator, on the shaft of which a turbine rotor is installed, and a radial gas turbine, consisting of a stator of a circular shape, inside of which a rotor is located in the working position, gas blades directed to the blades of the rotor and the rotor of the electric generator shaft, different t We assume that the high-pressure chamber is formed by a steel frame mounted on metal supports and a spherical plug with a flange, tightened together by threaded rods, and an automobile brushless DC generator with a voltage of 24 V and power up to 3 kW is used as an electric generator.

Конструкция установки представлена на фиг. 1, где 1 - станина, 2 - сферическая заглушка с фланцем, 3 - резиновая прокладка, 4 - резьбовые шпильки, 5 и 6 - клеммы электрогенератора, 7 - электрогенератор, 8 - статор, 9 - ротор, 10 - фланцевый патрубок для подвода газа высокого давления, 11 - фланцевый патрубок для вывода газа низкого давления.The design of the installation is shown in FIG. 1, where 1 is the bed, 2 is the spherical plug with the flange, 3 is the rubber gasket, 4 are the threaded rods, 5 and 6 are the terminals of the generator, 7 is the generator, 8 is the stator, 9 is the rotor, 10 is the flange pipe for gas supply high pressure, 11 - flange pipe for the output of low pressure gas.

Электрогенератор 12 и турбина, помещены в герметичную камеру высокого давления, образованную металлической станиной 1 из стального листа толщиной 30-40 мм и сферической заглушкой с фланцем 2 диаметром 300-500 мм. Герметичность соединения станины 1 и фланца 2 обеспечивается самоуплотняющейся кольцевой резиновой прокладкой 3, установленной в пазу фланца. Фланец 2 и станина 1 стянуты резьбовыми шпильками 4. Снизу через станину в полость камеры заведены два металлических резьбовых электрода с изолирующими и герметизирующими прокладками для подключения нагрузки к клеммам электрогенератора 5 и 6.The generator 12 and the turbine are placed in a sealed high-pressure chamber formed by a metal frame 1 from a steel sheet 30-40 mm thick and a spherical plug with a flange 2 with a diameter of 300-500 mm. The tightness of the connection of the frame 1 and the flange 2 is provided by a self-sealing ring rubber gasket 3 installed in the groove of the flange. Flange 2 and bed 1 are pulled together with threaded rods 4. From the bottom, two metal threaded electrodes with insulating and sealing gaskets are connected through the bed to the chamber cavity to connect the load to the terminals of the electric generator 5 and 6.

Радиальная газовая турбина состоит из двух частей - ротора, устанавливаемого на вал электрогенератора 7, и статора кольцевой формы 8, внутри которого в рабочем положении без соприкосновения располагается ротор 9. Из статора к центру, через сменную кольцевую вставку с соплами, на лопатки ротора, направлены струи газа, вращающие ротор и вал электрогенератора. Подвод газа высокого давления к кольцевому статору турбины произведен снизу через фланцевый патрубок 10. Газ низкого давления выводится из камеры через второй патрубок с фланцевый патрубок большего размера 11.The radial gas turbine consists of two parts - the rotor mounted on the shaft of the electric generator 7, and the ring stator 8, inside of which the rotor 9 is located in the working position without contact. From the stator to the center, through the interchangeable ring insert with nozzles, are directed to the rotor blades, jets of gas, rotating the rotor and the shaft of the generator. The supply of high pressure gas to the turbine annular stator is made from below through the flange pipe 10. Low pressure gas is discharged from the chamber through the second pipe with a larger flange pipe 11.

При закреплении ротора турбины непосредственно на валу электрогенератора осевой или радиальной нагрузки на подшипники генератора не возникает, что увеличивает межремонтный период всей установки.When fixing the turbine rotor directly to the generator shaft, axial or radial load on the generator bearings does not occur, which increases the overhaul period of the entire installation.

Станина с электрогенератором и турбиной монтируется непосредственно в цехе редуцирования газа на металлических опорах на высоте 900-1000 мм от пола для удобства обслуживания и ремонта. Расположение станины на некоторой высоте дают возможность безопасного демонтажа фланца со сферической заглушкой, вес которого составляет 100-300 кг, при помощи дополнительно установленной кран-балки.The bed with an electric generator and a turbine is mounted directly in the gas reduction workshop on metal supports at a height of 900-1000 mm from the floor for ease of maintenance and repair. The location of the bed at a certain height makes it possible to safely dismantle the flange with a spherical plug, the weight of which is 100-300 kg, using an additionally installed crane beam.

Для питания приборов КИП и А, телемеханики, связи и других систем, имеющих питающее напряжение 24 В постоянного тока, установка напрямую подключается к буферным аккумуляторам необходимой емкости. Для питания потребителей напряжением 220 В переменного тока (освещение, приборы контроля загазованности и т.п.) используется преобразователь постоянного напряжения в переменное.To power instrumentation and instrumentation, telemechanics, communications and other systems having a supply voltage of 24 V DC, the unit is directly connected to buffer batteries of the required capacity. To supply consumers with a voltage of 220 V AC (lighting, gas monitoring devices, etc.), a DC-to-AC converter is used.

Параметры упрощенной конструкции турбины с использованием автомобильного электрогенератора обеспечивают возможность получения номинальной паспортной мощности электрогенератора на выходе и не превышают максимальной скорости вращения электрогенератора при полном отключении электрической нагрузки, при том, что автомобильный электрогенератор имеет низкую стоимость.The parameters of the simplified turbine design using an automobile electric generator provide the possibility of obtaining the rated passport power of the electric generator at the output and do not exceed the maximum rotation speed of the electric generator when the electric load is completely disconnected, despite the fact that the automobile electric generator has a low cost.

Технический результат заключается в удобстве обслуживания и низкой стоимости установки и позволит ее использовать либо как основной источник электроэнергии на «малых» ГРС, либо как резервный или вспомогательный источник для питания всех систем управления и контроля ГРС.The technical result is the ease of maintenance and low cost of the installation and will allow it to be used either as the main source of electricity on the "small" GDS, or as a backup or auxiliary source for powering all control systems and monitoring GDS.

Claims

A turbo-expander generator set containing placed in a sealed high-pressure chamber, in the lower part of which inlet and outlet pipes are made and electrodes for connecting the load are inserted into its cavity, an electric generator, on which a turbine rotor is installed, and a radial gas turbine consisting of a ring shaped stator , inside of which in the working position there is a rotor, on the blades of which gas jets are directed, rotating the rotor and the generator shaft, characterized in that the high-pressure chamber I am formed by a steel bed mounted on metal supports and a spherical plug with a flange, tightened together by threaded rods, and an automobile brushless DC generator with a voltage of 24 V and power up to 3 kW is used as an electric generator.