RU2098713C1 - Способ использования энергии перепада давления источника природного газа, энергохолодильный агрегат и турбодетандер в виде энергопривода с лопаточной машиной - Google Patents

Abstract

Способ использования энергии перепада давления источника природного газа, энерго-холодильный агрегат и энергопривод с лопаточной машиной. Сущность: газ высокого давления подают потребителю через несколько последовательно соединенных между собой турбодетандеров и работу по расширению газа используют для получения электроэнергии и для охлаждения в холодильных камерах. Для этого в зависимости от значения перепада температуры газа на выходе турбодетандера (12) газовый поток направляют либо в теплообменник (12), где газ нагревают за счет охлаждения окружающей среды, либо в следующий турбодетандер. Для осуществления способа разработан энерго-холодильный агрегат, в котором за каждым из турбодетандеров по ходу газа установлен теплообменник, содержащий во входном трубопроводе (17) запорный элемент, при этом входной и выходной (19) трубопроводы соединены другими запорными элементами с возможностью направления газового потока в обход теплообменника или турбодетандера. В энерго-холодильном агрегате используется турбодетандер (энергопривод с лопаточной машиной), ротор (31) которого установлен на валу (32), связанном валом потребителя и снабженном системой газодинамического уплотнения. Кроме газоподающего сопла (33) с дозатором (34) расхода газа энергопривод снабжен устройством дополнительной подачи струй газа, выполненным в виде блока сопел (42) с клапанным газораспределителем (43) и логическим блоком (44). 3 с. и 15 з.п.ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для применения природного газа в средствах выработки механической энергии за счет использования перепада давления природного газа главным образом в местах его добычи, газораспределительных и компрессорных станциях.

Известно применение природного газа в системах выработки механической энергии [1, 2] Сущность известной технологии заключается в том, что природный газ, имеющий высокое давление, направляют в детандерную установку, где газ расширяется и совершает работу, которая используется для приведения в движение различных механизмов, например насосов, электрогенераторов, или трансформируется в энергию, накапливаемую, например, в электроаккумуляторах. Кроме того, понижение температуры газа, вызванное его расширением, используют для охлаждения во внешних холодильных установках. Такая технология позволяет повысить эффективность использования природного газа, однако ее применение порождает ряд проблем.

Одна из таких проблем заключается в том, что освобождение потенциальной энергии газа, обусловленной его давлением, вызывает изменение термодинамических параметров газа еще до передачи его потребителю, что может привести к значениям этих параметров, недопускаемым эксплуатационными характеристиками технических средств, используемых в системах передачи газа потребителю. Так, слишком сильное расширение газа в детандерной установке может привести к падению давления газа ниже уровня, необходимого для нормальной работы, например, газораспределительной станции. Одновременно вызванное этим расширением переохлаждение газа может оказаться излишним для внешних холодильных установок и кроме того может привести к выпадению жидких фракций, что нарушит характер течения газа по технологическим магистралям и изменит свойства потребляемого газа.

Другая проблема касается применения в известной технологии использования энергии перепада давления природного газа технических средств, в частности детандерных установок. Известные установки, как правило, оказываются сложными по конструкции и в изготовлении, излишне металлоемкими и не надежными в работе. Так, например, известен турбодетандер, выполненный в виде энергопривода с лопаточной машиной, содержащий корпус с размещенным в нем ротором, установленным на валу с подшипниками, направляющий аппарат с патрубками подвода и отвода рабочего тела и коллекторами высокого и низкого давления, систему уплотнения вала ротора, систему регулирования, управления и защиты [3] В известном решении отсутствует средство, управляющее обратной связью по параметрам "скорость вращения ротора" "расход газа на входе в направляющий аппарат", что обуславливает работу турбодетандера на повышенных скоростях вращения ротора, т.е. на не оптимальных режимах и требует для передачи энергии газа, например, электрогенератору применения редуктора с высоким передаточным числом, что усложняет установку и повышает ее металлоемкость. Кроме того, высокоскоростная лопаточная машина требует точной баллансировки, высокого класса обработки деталей и применения подшипников скольжения, что приводит к повышенным требованиям к системе смазки. Применение традиционного уплотнения вала ротора типа "газ-масло" при высоких скоростях вращения приводит к необходимости использования сложной уплотнительной масляной системы, включающей регулятор перепада давления, дегазатор, систему возврата газа.

Указанные недостатки в значительной степени устранены в устройстве [4] Согласно этому решению известен энергопривод с лопаточной машиной, содержащий корпус с трубопроводами подвода и отвода газа, ротор, установленный в корпусе на валу, связанном с валом протребителя и снабженном системой уплотнения вала, газоподводящее сопло направляющего аппарата, струи которого взаимодействуют с лопатками ротора, дозатор расхода газа, сообщенный с трубопроводом подвода газа и соплом, центробежный регулятор частоты вращения вала ротора, механически связанный с дозатором расхода газа. Известное устройство позволяет поддерживать устойчивый режим работы энергопривода для заданного скоростного режима вращения ротора, например 1500 об./мин, независимо от загрузки энергопотребителя, что обеспечивается обратной связью центробежного регулятора частоты вращения вала ротора с золотниковым дозатором расхода газа и позволяет устранить один из главных недостатков аналога. Одновременно такое решение позволило применить подшипники качения для установки вала ротора в корпусе и исключить из конструкции энергопривода систему смазки, заменив ее системой газодинамического уплотнения вала с эжекторным устройством.

Последний из рассмотренных аналогов эффективно работает при высоком давлении газа (2,5-6,4 МПа), используемого на газовых промыслах и на компрессорных станциях, когда обратная связь центробежного регулятора частоты вращения вала ротора с золотниковым дозатором позволяет управлять расходом газа на входе в сопло направляющего аппарата и поддерживать заданную скорость вращения ротора. Однако при более низких давлениях газа, имеющих место на газораспределительных станциях, известное устройство не позволяет поддерживать устойчивую работу энергопривода при изменении нагрузки на энергопотребитель. Этот недостаток обусловлен конструкцией дозатора газа, в качестве которого использовано золотниковое устройство, и системой связи центробежного регулятора частоты вращения вала ротора с дозатором газа. Техническая основа этого недостатка заключается в том, что при низких давлениях используемого газа уменьшается его расход на выходе сопла направляющего аппарата и, чтобы сохранить требуемую частоту вращения ротора при увеличении нагрузки на энергопотребитель, этот расход должен быть увеличен, что и должно осуществляться дозатором расхода газа. Однако дозатор золотникового типа не может выполнить задачу, так как требует больших проходных сечений, что в свою очередь приводит к увеличению размеров дозатора и ухудшает эффективность всего энергопривода. Одновременно отсутствие в системе связи центробежного регулятора частоты вращения вала ротора с дозатором газа необходимого средства, управляющего расходом газа в зависимости от понижения его давления, ухудшает эксплуатационные показатели энергопривода.

Задачей изобретения является создание группы технических решений, обеспечивающих наибольшую эффективность технологии использования энергии перепада давления природного источника газа. При этом способ, применяемый в этой технологии, должен осуществляться с помощью типового оборудования серийного производства, а используемые устройства должны быть усовершенствованными и унифицированными элементами этого оборудования.

Указанная задача решается тем, что в способе использования энергии перепада давления источника природного газа, включающем очистку газа, подачу его потребителю через установленный в магистрали высокого давления турбодетандер, в котором производят расширение газа с одновременным понижением его давления, температуры и отводом механической энергии для привода энергопотребителя, например электрогенератора, подачу газа в теплообменник, согласно изобретению газ потребителю подают через несколько последовательно соединенных между собой турбодетандеров, измеряют перепад температуры газового потока, прошедшего турбодетандер, и в зависимости от значения этого перепада газовый поток направляют либо в теплообменник, где его нагревают за счет охлаждения окружающей среды, либо в следующий турбодетандер.

Целесообразно газовый поток, прошедший турбодетандер, направлять в конденсатосборник для выделения из газа тяжелых фракций, например пропан-бутановых.

На выходе турбодетандера, в который газовый поток поступает, пройдя теплообменник, целесообразно температуру газа поддерживать в заданных пределах, для чего можно в зависимости от степени расширения газа в турбодетандере, устанавливать в теплообменнике режим нагрева газа, компенсирующий его последующее охлаждение в турбодетандере.

После очистки перед подачей газа в турбодетандеры желательно газ предварительно нагреть.

Задача изобретения решается и тем, что для осуществления способа предлагается энерго-холодильный агрегат, содержащий подключенный через фильтр к источнику газа высокого давления турбодетандер в блоке с энергопотребителем, например электрогенератором, теплообменник, и который согласно изобретению выполнен в виде последовательно соединенных газовой магистралью нескольких турбодетандеров, за каждым из которых по ходу газа установлен теплообменник с входным и выходным трубопроводами, при этом во входном трубопроводе перед теплообменником установлен запорный элемент, а входной и выходной трубопроводы соединены другим запорным элементом с возможностью направления газового потока в обход теплообменника.

На выходе турбодетандера может быть установлен конденсатосборник.

Между фильтром и первым турбодетандером может быть установлен подогреватель газового потока с возможностью его отключения и направления газа непосредственно на вход турбодетандера.

Целесообразно, чтобы энерго-холодильный агрегат был оснащен обводным трубопроводом, подключенным к газовой магистрали и сообщенным с входным и выходным трубопроводами каждого теплообменника, причем в этих трубопроводах и в обводном трубопроводе должны быть установлены запорные элементы таким образом, чтобы в случае снижения давления газа на входе газовой магистрали или аварийной ситуации, вызвавшей остановку электроэнергоагрегатов, газовый поток мог быть направлен потребителю в обход любого турбодетандера, а также теплообменника, при этом в газовой магистрали перед узлом подключения обводного трубопровода установлен блок редукционных клапанов.

Задача изобретения решается также тем, что в качестве турбодетандера в энерго-холодильном агрегате применен энергопривод с лопаточной машиной, содержащий корпус с трубопроводами подвода и отвода газа, ротор, установленный в корпусе на валу, связанном с валом энергопотребителя и снабженном системой уплотнения вала, газоподводящее сопло, струи которого взаимодействуют с лопатками ротора, дозатор расхода газа, сообщенный с трубопроводом подвода газа и соплом, центробежный регулятор частоты вращения вала ротора, механически связанный с дозатором расхода газа, и который согласно изобретению снабжен устройством дополнительной подачи струй газа к ротору и логическим блоком, при этом устройство дополнительной подачи струй газа к ротору выполнено в виде блока сопел, установленных в периферийном окружном направлении лопаток ротора и сообщенных с коллектором подвода газа посредством клапанного газораспределителя, а логический блок электрически связан с клапанным газораспределителем и центробежным регулятором.

Целесообразно связь вала ротора с валом потребителя выполнить в виде синхронной радиальной магнитной муфты, состоящей из двух полумуфт, разделенных герметичным экраном из непроводящего или высокоомного материала.

Дозатор расхода газа может быть выполнен в виде расположенного в корпусе поворотного дросселирующего элемента с приводом виде муфтового соединения, а механическая связь центробежного регулятора с дозатором расхода газа в этом случае должна быть выполнена в виде кинематически связанного с регулятором поворотного рычага, соединенного тягой с ведущей частью муфтовой передачи, ведомая часть которой соединена с поворотным дросселирующим элементом дозатора, а электрическая связь логического блока с регулятором осуществлена посредством электрических контактов, размещенных на регуляторе с возможностью замыкания и размыкания электрической цепи.

Желательно привод поворотного дросселирующего элемента дозатора выполнить в виде магнитной или электромагнитной муфты.

В поворотном дросселирующем элементе дозатора в его стенке могут быть выполнены проточные окна различного проходного сечения. При этом контур проточного окна поворотного дросселирующего элемента дозатора по толщине стенки целесообразно выполнить в виде сужающегося канала.

Желательно, чтобы в стенках поворотного дросселирующего элемента дозатора были образованы сквозные отверстия, сообщающие его полость с полостью корпуса дозатора для выравнивания в этих полостях давлений газа.

Поворотный дросселирующий элемент дозатора может быть связан с его корпусом пружиной кручения с возможностью возврата элемента в исходное положение, соответствующее пуску энергопривода на режиме холостого хода.

Все приведенные признаки являются существенными, так как каждый из них влияет на соответствующий технический результат, совокупность которых позволяет решить задачу изобретения.

Так, в способе использования энергии перепада давления источника природного газа организация подачи газа через несколько последовательно соединенных между собой турбодетандеров позволяет осуществить регулируемый отвод энергии газа к энергопотребителю, что обеспечивает рациональное использование энергии и не допускает ее непроизводительных потерь. При этом операция измерения перепада температуры газового потока, прошедшего турбодетандер, и в зависимости от значения этого перепада выполнение одной из последующих операций либо направления газового потока в теплообменник, где его нагревают за счет охлаждения окружающей среды, либо в следующий турбодетандер, позволяет на выходе устройства, реализующего способ, получить термодинамические параметры газа, совместимые с эксплуатационными характеристиками технических средств, используемых в системах передачи газа потребителю.

Выполнение энерго-холодильного агрегата в виде последовательно соединенных газовой магистралью нескольких турбодетандеров, за каждым из которых по ходу газа установлен теплообменник с входным и выходным трубопроводами, при этом во входном трубопроводе перед теплообменником установлен запорный элемент, а входной и выходной трубопроводы соединены другим запорным элементом с возможностью направления газового потока в обход теплообменника, позволяет осуществить операции способа и тем самым указанные признаки являются существенными.

Использование в конструкции турбодетандера с лопаточной машиной устройства дополнительной подачи струй газа в виде блока сопел, установленных в окружном направлении лопаток ротора и сообщенных с коллектором подвода газа посредством клапанного газораспределителя, а также выполнение электрической связи логического блока с клапанным газораспределителем и центробежным регулятором позволяет в случае низкого давления рабочего газа увеличить его расход на лопатки ротора и тем самым восстановить необходимую частоту вращения ротора при данной нагрузке на энергопотребитель.

Таким образом показано, что признаки, которыми охарактеризованы три объекта изобретения являются существенными, так как влияют на решение одной задачи.

На фиг. 1 изображен энерго-холодильный агрегат, функциональная схема; на фиг. 2 турбодетандер (энергопривод с лопаточной машиной), общий вид; на фиг. 3 дозатор расхода газа с поворотным дросселирующим элементом; на фиг. 4 - газодинамическое уплотнение вала ротора энергопривода с эжекторной системой сбора утечек газа; на фиг. 5 электродинамическая связь валов энергопривода и потребителя.

Способ использования энергии перепада давления источника природного газа осуществляют следующим образом.

От источника природный газ высокого давления, пройдя очистку, поступает в детандер-устройство, в котором происходит расширение газа, в результате чего давление и температура газа понижаются. Расширяясь в детандере, газ совершает работу над внешними объектами, например вращает ротор лопаточной машины (в турбодетандере), который связан с рабочим валом энергопотребителя, например электрогенератора. На выходе турбодетандера измеряют уменьшение (перепад) температуры потока и если температура газа недостаточно снизилась, газ направляют в следующий турбодетандер, реализующий вторую ступень расширения газа. Если на первой ступени расширения газ достаточно сильно охладился и может быть использован в качестве хладагента, газовый поток направляют в теплообменник внешнего холодильного устройства. Пройдя теплообменник, газовый поток имеет более высокую температуру, чем на входе теплообменника, что позволяет осуществить вторую ступень расширения газа с отбором от него механической энергии. Для этого газ направляют во второй турбодетандер, на выходе которого производят такие же измерения, как и на выходе первого турбодетандера, после чего вновь направляют газ либо в теплообменник, где его нагревают за счет охлаждения окружающей среды, либо в следующий турбодетандер. Так производят регулируемый отбор механической энергии природного газа с последовательным понижением давления газа вдоль всей цепи турбодетандеров до величины давления газа, при котором его передают потребителю. При этом в промежутке между двумя турбодетандерами газовый поток используется в качестве теплоносителя внешнего холодильного устройства.

Если способ использования энергии перепада давления источника природного газа реализуется на газовом промысле и добываемый газ содержит тяжелые пропан-бутановые и другие фракции, газовый поток, прошедший турбодетандер, направляют в конденсатосборник, где снижают скорость газа и тяжелые фракции выделяют из него в виде оседающих капель газового конденсата.

Применяя в каждой ступени расширения газа турбодетандеры с одинаковыми степенями расширения и используя системы терморегулирования во внешних холодильный устройствах, можно получить заданный диапазон низких температур в холодильных камерах, для чего на выходе каждого турбодетандера, в который газовый поток поступает, пройдя теплообменник, температуру газа поддерживают в заданных пределах, при этом в зависимости от степени расширения газа в турбодетандере устанавливают в теплообменнике режим нагрева газа, компенсирующий его последующее охлаждение в турбодетандере.

Например, при степени расширения газа в одной ступени турбодетандера, равной 1.3-1.4, температура газа снижается на 12-17 град.

При температуре газа около 0 град. на входе в систему уже после первой ступени расширения создаются достаточные условия для эффективного хладосъема при минус 12-17 град. Если при этом на выходе из теплообменника температура газа-теплоносителя не превысит 0 град. что зависит от заданного режима его нагрева в теплообменнике, то на выходе следующего турбодетандера сохранится такой же перепад температур газа 12-17 град. как и на выходе предыдущего турбодетандера и в следующем теплообменнике внешнего холодильного устройства реализуются такие же как и на предыдущем теплообменнике условия для эффективного хладосъема, т.е. минус 12-17 град.

При необходимости получения очень низких температур (минус 25-30 град.) в камерах внешних холодильных устройств газ согласно отмеченному выше направляют в следующий турбодетандер, минуя теплообменник. В противном случае, если потребность в "холоде" меньше располагаемой хладопроизводительности, газ после очистки перед входом в систему турбодетандеров предварительно нагревают.

Таким образом, перед поступлением потребителю природный газ высокого давления кроме передачи механической энергии на внешние устройства, функционирует в качестве теплоносителя внешних холодильных устройств с обеспечением требуемого температурного режима холодильных камер, а в трубопровод, ведущий потребителю, газ поступает под пониженным давлением и такой температуры, которые допускаются условиями эксплуатации соответствующего оборудования, используемого в местах добычи газа или на газораспределительных станциях.

Устройство, реализующее способ, представляет собой энерго-холодильный агрегат, функциональная схема которого приведена на фиг. 1.

Энерго-холодильный агрегат подключен к источнику газа высокого давления через подающий трубопровод, содержащий последовательно размещенные запорный орган 1, фильтр 2, теплообменник 3, блок дроссельных клапанов 4, а с магистралью, ведущей к потребителю, соединен через запорное устройство 5 и отключающий запорный элемент 6. К трубопроводам, связывающим указанные элементы подсоединены трубопроводы с запорными органами 7. Кроме того, в этой системе подключения установлены два запорных органа 8.

Трубопровод, объединяющий запорные органы 7, соединен с газовым редуктором 9, за которым установлен запорно-регулирующий орган 10, размещенный на входе первого пневмоэлектрогенераторного агрегата, состоящего из энергопривода с лопаточной машиной и электрогенератора. Энергопривод включает дроссель-дозатор газа 11, турбодетандер 12, центробежный регулятор 13 скорости вращения вала ротора турбодетандера, механически связанный, например, тягой с дросселем 11. Вал турбодетандера с установленным на нем ротором (лопаточная машина) соединен, например, посредством радиальной муфты с валом электрогенератора 14.

Выход турбодетандера 12 через обратный клапан 15 соединен с входным в теплообменник 16 трубопроводом 17, в котором перед теплообменником установлен управляемый запорный орган 18. Входной трубопровод 17 и выходной из теплообменника трубопровод 19 соединены управляемым запорным органом 20. Такое размещение запорных органов 17 и 18 позволяет газовому потоку, прошедшему ступень расширения в турбодетандере, поступать либо в теплообменник, либо, минуя его, на следующую ступень расширения.

Между обратным клапаном 15 и входным трубопроводом 17 теплообменника 16 может быть размещен конденсатосборник 21, выполненный, например, в виде емкости с поплавковым клапаном, из которой газовый конденсат по отдельному трубопроводу поступает в общую накопительную емкость.

Выходной трубопровод 19 теплообменника первой ступени расширения газа сообщен трубопроводом со следующим турбодетандером, входящим во вторую ступень расширения газа, содержащую такие же конструктивные элементы, что и первая ступень расширения, как это описано выше.

В последней ступени расширения газа выходной трубопровод 19 теплообменника сообщен трубопроводом 22 через запорный орган 8, замерное устройство 5 и запорный орган 6 с газовой магистралью, ведущей к потребителю.

Количество ступеней расширения газа выбирается исходя из давления источника газа, давления, при котором газ необходимо передать потребителю, потребности "хладоприемника" и др. условий. Однако сущность изобретения, заложенная в способе, реализуемом рассматриваемым устройством, позволяет использовать некоторое оптимальное число ступеней расширения газа для любых условий эксплуатации, если этому устройству обеспечить конструктивные особенности, характеризующие частные случаи его выполнения.

Так, в конструкцию энерго-холодильного агрегата может быть введен обводной трубопровод 23, подсоединенный к магистрали подачи газа в агрегат между редуктором 9 и первым запорным органом 10 и сообщенный с входным 17 и выходным 19 трубопроводами каждого из теплообменников 16. При этом в трубопроводах 17 и 19 установлены запорные элементы, соответственно 24 и 25, а в обводном трубопроводе 23 установлены запорные элементы 26 и 27 таким образом, чтобы в случае снижения давления газа на входе газовой магистрали или аварийной ситуации, вызвавшей остановку одного или нескольких пневмоэлектрогенераторных агрегатов, газовый поток мог быть направлен потребителю в обход любого турбодетандера, а также теплообменника.

Наличие обводного трубопровода позволяет использовать во всех случаях оптимальное количество пневмоэлектрогенераторных агрегатов, а в нештатных ситуациях допустимые режимы охлаждения в холодильных камерах и давление на входе магистрали, ведущей к потребителю, поддерживать путем отвода газа от основной магистрали агрегата в обводной трубопровод.

Работает энерго-холодильный агрегат следующим образом.

Газ высокого давления при открытом запорном органе 1, пройдя очистной фильтр 2, поступает на редуктор 9, поддерживающий заданное постоянное давление на входе газовой магистрали агрегата. На редуктор 9 газовый поток поступает через запорный орган 7 по любому из трех трубопроводов, подсоединенных к подающему трубопроводу.

При умеренно низкой температуре газа или в том случае, когда требуется интенсивный режим охлаждения во внешних холодильных устройствах, газ к редуктору 9 поступает из точки A подающего трубопровода.

При очень низкой температуре газа или когда потребность в "холоде" меньше располагаемой хладопроизводительности, газ к редуктору поступает из точки B подающего трубопровода, пройдя теплообменник, где газ подогревается.

В ситуации, когда требуется газ направить в обводной трубопровод 23, газовый поток на редуктор 9 поступает, пройдя блок дроссельных клапанов 4, за которыми газ имеет существенно более низкое давление и температуру, чем газ, поступающий на редуктор 9, что позволяет агрегату работать в нештатном режиме.

В штатной ситуации газ, пройдя редуктор 9 и запорно-регулирующий орган 10, поступает через дроссель-дозатор 11 энергопривода в первый турбодетандер 12, где происходит расширение газа и совершает работу по вращению вала электрогенератора 14. На выходе турбодетандера измеряют, например, с помощью термопары понижение температуры газового потока и в зависимости от ее значения газ через обратный клапан 15 и конденсатосборник 21 направляют либо в теплообменник 16, либо, если понижение температуры недостаточно для осуществления требуемого режима работы морозильной камеры, газовый поток направляют во второй турбодетандер для реализации следующей ступени расширения газа. Для этого в первом случае перекрывают запорный элемент 20 и открывают элемент 18, а во втором случае, наоборот, при этом запорные элементы 24 и 25 остаются открытыми.

Для того, чтобы газовый поток направить в обход первого турбодетандера, система автоматики перекрывает размещенный перед ним запорный элемент 10, открывает элементы 18 и 25, и закрывает элементы 24, 26 и 27. В этом случае газовый поток поступает в первый теплообменник 16, а из него на вторую ступень расширения газа через открытый запорный элемент 25.

Для того, чтобы поток был направлен непосредственно на вторую ступень расширения газа, минуя первый теплообменник, система автоматики дополнительно перекрывает и элемент 18.

Наконец, если необходимо поток направить в обход и второго турбодетандера система автоматики перекрывает запорный элемент 25 и открывает элемент 27, в результате чего газ, минуя турбодетандер второй ступени расширения, направляется на второй теплообменник или, минуя его, на турбодетандер следующей ступени расширения, как это имело место для первой ступени расширения газа и т.д.

В процессе работы каждого пневмоэнергогенераторного агрегата центробежный регулятор 13 скорости вращения вала ротора турбодетандера 12 через механическую связь воздействует на дроссель-дозатор газа 11 таким образом, чтобы регулировкой расхода газа поддерживать заданную частоту вращения ротора турбодетандера. Кроме того, в конструкцию энергопривода с лопаточной машиной, являющегося составной частью пневмоэнергогенераторного агрегата, может быть введено средство газодинамического уплотнения вала ротора с системой эжекции газа, которая в устройстве энерго-холодильного агрегата позволяет все утечки газа между валом ротора и уплотнением направить в дополнительный трубопровод (на чертеже не показан), сообщенный с трубопроводом 22, подсоединенным к магистрали, ведущей к потребителю.

Энергопривод (турбодетандер) с лопаточной машиной пневмоэнергогенераторного агрегата приведен на фиг. 2.

Турбодетандер содержит корпус 28 с трубопроводами 29 и 30 подвода и отвода газа, ротор 31, установленный в корпусе на валу 32, связанным с валом потребителя, газоподводящее сопло 33, дроссель-дозатор 34 расхода газа, сообщенный с трубопроводом 29 подвода газа и соплом 33, центробежный регулятор 35 частоты вращения вала ротора, механически связанный с дозатором 34 расхода газа и посредством зубчатой передачи с валом 32, систему уплотнения вала ротора. Ротор установлен на валу 32 на подшипниках качения.

В частном случае дозатор 34 расхода газа может быть выполнен в виде расположенного в корпусе 36 (фиг. 3) поворотного дросселирующего элемента 37 с приводом в виде муфтового соединения, а механическая связь центробежного регулятора 35 с дозатором расхода газа может быть выполнена в виде кинематически связанного с регулятором 35 поворотного рычага 38, соединенного тягой 39 (фиг. 2) с ведущей частью 40 муфтовой передачи (фиг. 3), ведомая часть 41 которой соединена с поворотным дросселирующим элементом 37 дозатора.

Во всех случаях выполнения турбодетандера в окружном направлении лопаток ротора 31 по его периферии установлены сопла 42 (фиг. 2) дополнительной подачи газа к ротору. Сопла 42 сообщены с коллектором 29 подвода газа посредством клапанного газораспределителя 43, выполненного, например, в виде блока электромагнитных клапанов, управляемых логическим устройством 44. Последнее в свою очередь электрически связано с клапанным газораспределителем 43 и центробежным регулятором 35, причем с регулятором электрическая связь логического устройства может быть осуществлена посредством электрических контактов 45, 46, размещенных на регуляторе с возможностью замыкания и размыкания электрической цепи.

Система уплотнения вала 32 ротора выполнена в виде лабиринтного уплотнения 47 (фиг. 4), разделенного по меньшей мере на две части проточками, образующими в корпусе 28 энергопривода камеры 48 и 49 сбора утечек газа, в последней из которых размещена зубчатая передача 50, связывающая центробежный регулятор 35 (фиг. 2) с валом 32 ротора. Камеры 48 и 49 сообщены с двухступенчатым эжектором. Входы эжекторов первой 51 и второй 52 ступеней сообщены соответственно газовыми магистралями 53 и 54 с трубопроводом 29 подвода газа к энергоприводу. Выход эжектора второй ступени 52 сообщен с трубопроводом 50 отвода газа, а вход эжектора дополнительно сообщен с выходом эжектора первой ступени 51. Возможно и такое осуществление сбора утечек газа, когда выход эжектора первой ступени самостоятельно сообщен с трубопроводом 30 отвода газа, что позволяет системе отбора газа из камер 48 и 49 работать в режиме двух автономных эжекторов. Такая система выполняет отсос газа, продросселировшего через уплотнение 47, и направляет его в газовую магистраль, уменьшая утечки газа в окружающую среду. Предрасположенность газа к утечкам обусловлена тем, что мощность с ведущего вала 32 ротора энергопривода передается на ведомый вал 55 энергопотребителя посредством механической связи, например в виде обычного муфтового соединения, применение которого связано с необходимостью надежного уплотнения ведущего вала в узле его выхода из корпуса перед муфтовым соединением. Однако уплотнение, полностью исключающее такие утечки газа при механической связи ведущего и ведомого валов, осуществить затруднительно.

Для уменьшения утечек газа силовая связь вала 32 ротора 31 и ведомого вала 55 энергопотребителя может быть выполнена в виде синхронной радиальной магнитной муфты (фиг. 5), состоящей из двух магнитных полумуфт 56 и 57, разделенных герметичным экраном 58 из непроводящего или высокоомного материала. Наружная магнитная полумуфта 57 закреплена на ведомом валу 55 энергопотребителя, а в ее полости размещена внутренняя полумуфта 56, установленная на ведущем валу 32 ротора энергопривода, к корпусу 28 которого герметично крепится экран 58, разделяющий полумуфты. Полость между экраном и внутренней полумуфтой 56 сообщена газоводом 59 с размещенным в нем запорным органом 60, с трубопроводом 29 подвода газа (фиг. 2). Возможно и другое выполнение, в соответствии с которым эта же полость между экраном и внутренней полумуфтой 56 сообщена другим газоводом с запорным органом 61 с областью низкого давления, например с полостью трубопровода 30 отвода газа от энергопривода.

Другие частные случаи выполнения турбодетандера касаются усовершенствования конструкции дросселя-дозатора (фиг. 2, 3).

Так, привод поворотного дросселирующего элемента дозатора может быть выполнен в виде магнитной или электромагнитной муфты.

В поворотном дросселирующем элементе 37 (фиг. 3) дозатора в его стенке могут быть выполнены проточные окна 62 различного проходного сечения. Это позволяет осуществить почти плавную регулировку расхода газа, направляемого на лопатки ротора 31.

Контур проточного окна 62 поворотного дросселирующего элемента 37 дозатора по толщине стенки целесообразно выполнить в виде сужающегося канала, что позволит избежать нежелательных газодинамических эффектов при истечении газа из проточного окна в узкий зазор между поворотным дросселирующем элементом 37 дозатора и его корпусом 36.

В стенках поворотного дросседирующего элемента 37 дозатора могут быть образованы сквозные отверстия 63, сообщающие его полость с полостью корпуса 36 дозатора для выравнивания в этих полостях давлений газа.

Поворотный дросселирующий элемент 37 дозатора может быть связан с его корпусом 36 пружиной кручения 64 с возможностью возврата элемента в исходное положение, соответствующее пуску энергопривода на режиме холостого хода.

Работает турбодетандер следующим образом.

Газ высокого давления по трубопроводу 29 (фиг. 2) поступает в дроссель-дозатор 34, регулирующий расход газа с помощью поворотного дросселирующего элемента 37, управляемого центробежным регулятором 35 частоты вращения вала ротора 31. Пройдя через сопло 34, газ истекает в расширительную полость в корпусе 28, давление газа падает, и он одновременно совершает работу, воздействуя на лопатки ротора 31, и тем самым приводит во вращение ведомый вал 55 электрогенератора тока. Регулятор 35 настроен на постоянный рабочий скоростной режим, например, 1500 об/мин, независимо от загрузки агрегата и обеспечивает его, уменьшая или увеличивая величину проходного сечения окна 62 дозатора в соответствием с загрузкой энергопотребителя.

При существенном снижении давления на входе в лопаточную машину или значительном увеличении нагрузки на энергопотребитель для поддержания заданной частоты вращения вала ротора 31 расход газа также должен быть существенно увеличен, что с помощью только дозатора 34 может не быть выполнено в силу ограниченности пропускной способности проточного окна 62 дозатора. В случае, когда "ресурс" дозатора выработан полностью: поворотный рычаг 38 центробежного регулятора 35 займет крайнее положение ("открыто"), соответствующее максимальному сечению проточного окна 62 дозатора, при котором электроконтакты 45 (46) замыкаются (фиг. 2), после чего логический блок 44 вырабатывает сигнал на включение в заданном порядке клапанов распределителя 43, открывающих проточные тракты сопел 42 дополнительной подачи газа, что приводит к увеличению расхода газа, воздействующего на лопатки ротора 31, и восстановлению заданной скорости его вращения. В течение времени (1-2 с), пока электроконтакты 45 (46) замкнуты логический блок 44 устанавливает оптимальный режим работы, задействуя клапанами распределителя 43 такое количество периферийных сопел 42, которое необходимо для поддержания заданного режима вращения вала при некотором промежуточном положении дросселирующего элемента 37 дозатора. После размыкания контактов 45 и разрыва электрической цепи между центробежным регулятором 35 и логическим блоком 44 рычаг 38 центробежного регулятора отходит от крайнего положения в другое положение, соответствующее уменьшенному сечению проточного окна 62 дозатора, а заданный режим вращения вала лопаточной машины обеспечивается совместным действием дозатора и сопел 42 дополнительной подачи газа.

В том случае, если при включении всех клапанов частота вращения вала лопаточной машины в течение 2-3 с не восстановится, то логический блок 44 формирует импульс на разгрузку машины и ее остановку.

При увеличении давления на входе в лопаточную машину или уменьшении нагрузки на энергопотребитель, для поддержания заданной частоты вращения вала ротора 31 расход газа должен быть уменьшен за счет отключения периферийных сопел 42 дополнительной подачи газа. Это выполняет логический блок 44 после того, как поворотный рычаг 38 центробежного регулятора 35 займет другое крайнее положение ("закрыто"), соответствующее минимальному сечению проточного окна 62 дозатора, при котором электрические контакты 45 (46) вновь будут замкнуты. В течение времени (1-2 с) пока электроконтакты замкнуты логический блок 44 последовательно отключает клапаны распределителя 43 и выводит из работы часть сопел 42 или все сопла таким образом, чтобы после размыкания контактов 45 и разрыва электрической цепи между центробежным регулятором 35 и логическим блоком 44, рычаг 38 центробежного регулятора отошел от крайнего положения в другое, промежуточное положение, соответствующее увеличенному сечению проточного окна 62 дозатора, при этом заданный режим вращения вала лопаточной машины обеспечивается либо совместным действием дозатора и сопел 42 дополнительной подачи газа, либо только дозатором.

При работе дозатора 34 рычаг 38 центробежного регулятора 35 через тягу 39 воздействует на ведущую часть 40 муфты (фиг. 3) дозатора и, поворачивая ее, одновременно поворачивает ведомую часть 41, которая соединена с поворотным дросселирующим элементом 37 дозатора. Поворот дросселирующего элемента приводит к соединению полости дозатора с проточным трактом газоподводящего сопла 33 через окно 62, проходное сечение которого определяет требуемый расход газа, подводимый к лопаточной машине.

В том случае, когда привод поворотного дросселирующего элемента 37 дозатора выполнен в виде магнитной или электромагнитной муфты, усилие от ведущей части 40 муфты передается ведомой части 41 муфты через герметичную стенку корпуса 36 дозатора. При перемещении тягой 39 ведущей части муфты ведомая часть следит за ней, поворачивая подвижной элемент 37. Пружина 64, соединяющая поворотный элемент 37 дозатора с его корпусом, устраняет люфт при переходе частей муфты через "нулевую" точку путем поддержания постоянного "натяга" между частями муфты.

Отработавший на вращение ротора лопаточной машины газ под давлением, меньшим чем на входе в энергопривод, выводится из него через трубопровод 30 отвода газа.

При работе энергопривода часть газа под давлением, равным давлению на выходе из машины, перетекает через лабиринтное уплотнение 47 вала 32 ротора в камеру 48 (фиг. 4), а из нее в камеру 49. Отвод газа из камер 48, 49 осуществляется двухступенчатым эжектором. При этом газ высокого давления по отводным магистралям 53, 54 поступает в конфузорную часть входа эжектора первой и второй, соответственно 51 и 52, ступеней и истекает в конический диффузор эжектора, где струя газа создает разрежение, достаточное для отсоса газа из камер 48 и 49 лабиринтного уплотнения 47. Отобранный из камер 48 и 49 газ поступает в трубопровод 30 отвода газа от лопаточной машины.

Путем подбора конструктивных параметров первой ступени 51 эжектора можно организовать такой режим отсоса газа из камеры 49, при котором давление в этой камере будет близко к давлению окружающей среды, что не позволит газу проникать через узел выхода вала 32 из корпуса 28 в окружающую среду. Таким образом можно осуществить нетрадиционное в конструкции энергопривода с лопаточной машиной газодинамическое уплотнение вала ротора.

Однако при высоких давлениях газа на входе лопаточной машины (6,4-10 МПа) исключить утечки газа только с помощью газодинамического уплотнения достаточно сложно, так как при работе с газом большого давления необходимо применить не двух, а возможно многоступенчатый эжектор, что понижает эффективность системы уплотнения вала. В этом случае, как отмечалось выше, целесообразно использовать электромагнитную муфту с герметизирующим экраном для соединения ведущего вала 32 ротора с ведомым валом 55 электрогенератора. При вращении внутренней магнитной полумуфты 56 (фиг. 5) за счет магнитных сил приводится во вращение ведомая наружная полумуфта 57, связанная с валом энергопотребителя. Одновременно в металлическом экране 58 наводятся токи Фуко, которые приводят к нагреву экрана тем большему, чем больше сопротивление металла экрана. Для уменьшения нагрева экрана используется один из вариантов системы его охлаждения.

Согласно первому варианту часть газа высокого давления со входа в энергопривод направляется по газоводу 59 в полость между экраном 58 и внутренней ведущей полумуфтой 56 и охлаждает экран 58. Согласно другому варианту из полости между экраном и внутренней ведущей полумуфтой газ отводится через запорный орган 61 в зону низкого давления, например в трубопровод 30 отвода отработавшего газа от энергопривода. Охлаждение экрана достигается в результате того, что экран 58 омывается газом, прошедшим расширение в турбодетандере и понизившим свою температуру. Возможно охлаждение экрана с использованием обеих вариантов.

Приведенный выше материал дает основание заключить, что предложенное техническое решение в объеме трех объектов (способ и два устройства) позволяет преодолеть ряд проблем, стоящих на пути успешного применения технологии повышения эффективности использования природного газа путем утилизации энергии перепада давления источника. Все это свидетельствует о решении задачи изобретения.

Claims (18)

1. Способ использования энергии перепада давления источника природного газа, включающий очистку газа, подачу его потребителю через установленный в магистрали высокого давления турбодетандер, в котором производят расширение газа с одновременным понижением его давления, температуры и отводом механической энергии для привода электрогенератора, подачу газа в теплообменник, отличающийся тем, что газ потребителю подают через несколько последовательно соединенных между собой турбодетандеров, измеряют перепад температуры газового потока, прошедшего турбодетандер, и в зависимости от значения этого перепада газовый поток направляют либо в теплообменник, где газ нагревают за счет охлаждения окружающей среды, либо в следующий турбодетандер.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовый поток, прошедший турбодетандер, направляют в конденсатосборник, где выделяют из газа тяжелые фракции, например, пропан-бутановые.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на выходе турбодетандера, в который газовый поток поступает, пройдя теплообменник, температуру газа поддерживают в заданных пределах, для чего в зависимости от степени расширения газа в турбодетандере устанавливают в теплообменнике режим нагрева газа, компенсирующий его последующее охлаждение в турбодетандере.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что после очистки перед подачей газа в турбодетандеры газ предварительно нагревают.

5. Энергохолодильный агрегат, содержащий подключенный через фильтр к источнику газа высокого давления турбодетандер в блоке с энергопотребителем, например, электрогенератором, теплообменник, отличающийся тем, что он выполнен в виде последовательно соединенных газовой магистралью нескольких турбодетандеров, за каждым из которых по ходу газа установлен теплообменник с входным и выходным трубопроводами, при этом во входном трубопроводе перед теплообменником установлен запорный элемент, а входной и выходной трубопроводы соединены другим запорным элементом с возможностью направления газового потока в обход теплообменника.

6. Агрегат по п.5, отличающийся тем, что на выходе турбодетандера установлен конденсатосборник.

7. Агрегат по пп.5 и 6, отличающийся тем, что между фильтром и первым турбодетандером установлен подогреватель газового потока с возможностью его отключения и направления газа непосредственно на вход турбодетандера.

8. Агрегат по п.7, отличающийся тем, что он снабжен обводным трубопроводом, подключенным к газовой магистрали и сообщенным с входным и выходным трубопроводами каждого теплообменника, причем в этих трубопроводах и в обводном трубопроводе установлены запорные элементы таким образом, чтобы в случае снижения давления газа на входе газовой магистрали или аварийной ситуации, вызвавшей остановку электроэнергоагрегатов, газовый поток мог быть направлен потребителю в обход любого турбодетандера, а также теплообменника, при этом в газовой магистрали перед узлом подключения обводного трубопровода установлен блок редукционных клапанов.

9. Турбодетандер в виде энергопривода с лопаточной машиной, содержащий корпус с трубопроводами подвода и отвода газа, ротор, установленный в корпусе на валу, связанном с валом потребителя и снабженном системой уплотнения, газоподводящее сопло, струи которого взаимодействуют с лопатками ротора, дозатор расхода газа, сообщенный с трубопроводом подвода газа и соплом, центробежный регулятор частоты вращения вала ротора, механически связанный с дозатором расхода газа, отличающийся тем, что он снабжен устройством дополнительной подачи струй газа к ротору и логическим блоком, при этом устройство дополнительной подачи струй газа к ротору выполнено в виде блока сопл, установленных в окружном направлении лопаток ротора и сообщенных с трубопроводом подвода газа посредством клапанного газораспределителя, а логический блок электрически связан с клапанным газораспределителем и центробежным регулятором.

10. Турбодетандер по п. 9, отличающийся тем, что связь вала ротора с валом потребителя выполнена в виде синхронной радиальной магнитной муфты, состоящей из двух внутренней ведущей и наружной ведомой полумуфт, разделенных герметичным экраном из непроводящего или высокоомного материала с образованием между экраном и внутренней ведущей полумуфтой полости.

11. Турбодетандер по п.10, отличающийся тем, что полость между экраном и внутренней ведущей полумуфтой сообщена газоводом с полостью трубопровода подвода газа высокого давления.

12. Турбодетандер по п.10, отличающийся тем, что полость между экраном и внутренней ведущей полумуфтой сообщена газоводом с областью низкого давления.

13. Турбодетандер по пп.11 и 12, отличающийся тем, что дозатор расхода газа выполнен в виде расположенного в корпусе поворотного дросселирующего элемента с приводом в виде муфтового соединения, а механическая связь центробежного регулятора с дозатором расхода газа выполнена в виде кинематически связанного с регулятором поворотного рычага, соединенного тягой с ведущей частью муфтовой передачи, ведомая часть которой соединена с поворотным дросселирующим элементом дозатора, а электрическая связь логического блока с регулятором осуществлена посредством электрических контактов, размещенных на регуляторе с возможностью замыкания и размыкания электрической цепи.

14. Турбодетандер по п. 13, отличающийся тем, что привод поворотного дросселирующего элемента дозатора выполнен в виде магнитной или электромагнитной муфты.

15. Турбодетандер по п.14, отличающийся тем, что в поворотном дросселирующем элементе дозатора в его стенке выполнены проточные окна различного проходного сечения.

16. Турбодетандер по п.15, отличающийся тем, что контур проточного окна поворотного дросселирующего элемента дозатора по толщине стенки выполнен в виде сужающегося канала.

17. Турбодетандер по п.16, отличающийся тем, что в стенках поворотного дросселирующего элемента дозатора образованы сквозные отверстия, сообщающие его полость с полостью корпуса дозатора для выравнивания в этих полостях давлений газа.

18. Турбодетандер по п.17, отличающийся тем, что поворотный дросселирующий элемент дозатора связан с его корпусом пружиной кручения с возможностью возврата элемента в исходное положение, соответствующее пуску энергопривода на режиме холостого хода.

Images