RU2626268C1

RU2626268C1 - Turboexpander device with pressure regulation in gas pipeline

Info

Publication number: RU2626268C1
Application number: RU2016133819A
Authority: RU
Inventors: Николай Юрьевич Воробьев; Сергей Николаевич Пахомов; Геннадий Юрьевич Царьков; Михаил Владимирович Панарин
Original assignee: Акционерное общество "Газпром газораспределение Тула"
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2017-07-25

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: device contains a gas distribution device, a turboexpander, an electric generator, a rectifier, an inverter, shut-off and heating elements, a low pressure line pressure sensor, a turboexpander operation mode selector and a low pressure line pressure selector, a measuring rectifier, a filter, a regulating device with limit position indicators of the regulating element, comparison units of the preset turboexpander operation mode and the preset pressure value, a reversible binary counter, power keys, an amplifier and regulating device drive.

EFFECT: increased reliability of the device and accuracy of pressure regulation in the gas main.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования давления в газовой магистрали с помощью турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для рекуперации энергии сжатого газа и выработки электрической энергии.The invention relates to techniques for turbine construction, and in particular to devices for regulating pressure in a gas line using turboexpander, and can be used at gas distribution stations for recovering compressed gas energy and generating electric energy.

Известно устройство турбодетандера для выработки электроэнергии, где регулирование подачи газа к турбодетандеру и поддержание давления осуществляется при помощи регулирующих вентилей (Патент RU 1822237 С, кл. F25B 11/00, опубл. 19.06.1995).A device for turboexpander for generating electricity is known, where the regulation of the gas supply to the turboexpander and pressure maintenance is carried out using control valves (Patent RU 1822237 C, class F25B 11/00, published on June 19, 1995).

Недостаток устройства состоит в низкой надежности работы турбодетандера и отсутствии коррекции потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения электрической нагрузки сети.The disadvantage of this device is the low reliability of the turbine expander and the lack of correction of the flow of the supplied high-pressure gas depending on changes in the electrical load of the network.

Известна система регулирования турбодетандера, установленная на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления, содержащая стопорный клапан, выполненный в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии, регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с турбодетандером и байпасный клапан с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления (Патент RU 2110022 С1, кл. F25B 49/02, опубл. 27.04.1998).A known system for regulating a turboexpander installed on a gas distribution station between high and low pressure lines, comprising a check valve made in the form of mechanically connected to each other and passing gas to separate branch lines, a regulating body with a drive and a position sensor, mounted on a branch line connecting a check valve with a turboexpander and a bypass valve with an actuator and a position sensor mounted on a branch line connecting the check valve to the main -pressure (Patent RU 2110022 C1, cl. F25B 49/02, publ. 27.04.1998).

Данное устройство не обеспечивает постоянные параметры режима работы турбодетандера и коррекцию величины потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения нагрузки в электрической сети, что снижает точность поддержания давления газа в магистрали низкого давления и надежность работы турбодетандера в условиях возможных существенных изменений диапазонов электрических нагрузок.This device does not provide constant parameters of the operation mode of the turbo expander and the correction of the flow rate of the supplied high-pressure gas depending on changes in the load in the electric network, which reduces the accuracy of maintaining the gas pressure in the low-pressure line and the reliability of the turbo-expander in the conditions of possible significant changes in the ranges of electrical loads.

Известно устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенной с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем и регулируемым по частоте инвертором (Патент RU 2223533 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 10.02.2004).A device for regulating pressure in a gas main, comprising a gas distribution device made in the form of a set of pipes of different diameters connected to a high pressure main and equipped with shut-off devices, controlled through a controller from a pressure transducer of a low-pressure main connected to a turboexpander loaded with an alternating electric generator current connected in series with a voltage-regulated rectifier and frequency-controlled inverter (Paté m RU 2223533 C1, cl. F17D 1/04, publ. 10.02.2004).

Данное устройство не обеспечивает постоянные параметры режима работы турбодетандера при перепадах нагрузки в электрической сети, что снижает надежность работы устройства в целом.This device does not provide constant parameters of the operating mode of the turboexpander during load drops in the electrical network, which reduces the reliability of the device as a whole.

Наиболее близким является устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами и нагревательными элементами, датчик давления магистрали низкого давления, соединенный с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, задатчик номинального режима работы турбодетандера, регулируемый силовой усилитель и последовательно соединенные выпрямитель и инвертор (Патент RU 2587021 С1, кл. F17D 1/00, опубл. 10.06.2016).The closest is a device for regulating the pressure in the gas main, containing a gas distribution device made in the form of a set of pipes of different diameters connected to a high-pressure main with shut-off devices and heating elements mounted on them, a low-pressure main pressure transducer connected to a turboexpander loaded with an electric generator alternating current, turbine expander nominal operating mode adjuster, adjustable power amplifier and series and an inverter connected to the rectifier (Patent RU 2587021 C1, cl. F17D 1/00, publ. 06.10.2016).

Известное устройство не обеспечивает плавное изменение величины потока газа и требуемую точность регулированием давления в газовой магистрали низкого давления при перепадах нагрузки в электрической сети, что снижает качество регулирования давления газа в магистрали и надежность работы устройства в целом.The known device does not provide a smooth change in the magnitude of the gas flow and the required accuracy by regulating the pressure in the low-pressure gas line at load drops in the electrical network, which reduces the quality of gas pressure regulation in the line and the reliability of the device as a whole.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении надежности работы устройства и обеспечении требуемой точности регулирования давления в газовой магистрали низкого давления при перепадах нагрузки в электрической сети посредством обеспечения плавного изменения величины потока газа, проходящего через турбодетандер и перенаправления части вырабатываемой электрической энергии на нагревательные элементы подогрева газа, подаваемого в турбодетандер.The technical result achieved by the implementation of this invention is to increase the reliability of the device and provide the required accuracy of pressure regulation in the low-pressure gas line at load drops in the electric network by providing a smooth change in the magnitude of the gas flow passing through the turboexpander and redirecting part of the generated electric energy to heating elements for heating the gas supplied to the turboexpander.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство турбодетандера с регулированием давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами и нагревательными элементами, датчик давления магистрали низкого давления, соединенный с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенные выпрямитель и инвертор, задатчик номинального режима работы турбодетандера, регулируемый силовой усилитель дополнительно введены соединенная с магистралью высокого давления дополнительная труба турбодетандера с установленными на ней регулирующим устройством с индикаторами предельных положений регулирующего элемента и нагревательным элементом, измерительный шунт, соединенный последовательно между электрическим генератором переменного тока и выпрямителем, задатчик величины давления в магистрали низкого давления, измерительный выпрямитель и фильтр, блок сравнения заданного номинального режима работы турбодетандера, блок сравнения заданной величины давления в магистрали низкого давления, реверсивный двоичный счетчик, первый и второй одновибраторы, силовые ключи, усилитель и привод регулирующего устройства с индикаторами предельных положений регулирующего элемента, причем первый вход блока сравнения заданного номинального режима работы турбодетандера соединен с выходом задатчика номинального режима работы турбодетандера, а второй вход через фильтр и измерительный выпрямитель соединен с измерительным шунтом, первый вход блока сравнения заданной величины давления в магистрали низкого давления соединен с выходом задатчика величины давления в магистрали низкого давления, а второй вход с выходом датчика давления магистрали низкого давления, выход блока сравнения заданного номинального режима работы турбодетандера соединен с управляющим входом регулируемого силового усилителя, силовой вход которого соединен с выходом измерительного шунта, а силовой выход соединен с нагревательным элементом дополнительной трубы турбодетандера непосредственно и через силовые ключи с нагревательными элементами и запорными устройствами набора труб разного диаметра, соединенных с магистралью высокого давления, входы управления силовыми ключами соединены с выходами реверсивного двоичного счетчика, выход блока сравнения заданной величины давления в магистрали низкого давления соединен через усилитель и привод регулирующего устройства с управляющим входом регулирующего устройства с индикаторами предельных положений дополнительной трубы турбодетандера, выходы индикаторов предельных положений полностью открытого и полностью закрытого регулирующего элемента регулирующего устройства дополнительной трубы турбодетандера соединены через первый и второй одновибраторы с суммирующим и вычитающим входами реверсивного двоичного счетчика соответственно.The specified technical result is achieved by the fact that in the device of a turboexpander with pressure regulation in the gas main, containing a gas distribution device made in the form of a set of pipes of different diameters connected to the high-pressure main with shut-off devices and heating elements mounted on them, a low-pressure main pressure transducer connected with a turboexpander loaded with an electric alternator, the rectifier and inverter connected in series are set IR of the nominal operation mode of the turboexpander, an adjustable power amplifier, an additional turbine expander pipe connected to the high-pressure line with a regulating device mounted on it with limit position indicators of the control element and a heating element, a measuring shunt connected in series between the electric alternator and rectifier, a magnitude adjuster pressure in the low pressure line, measuring rectifier and filter, CPA unit the set nominal mode of operation of the turbo expander, a unit for comparing the set value of pressure in the low-pressure line, a reversible binary counter, the first and second single vibrators, power switches, an amplifier and a regulating device drive with indicators of limit positions of the regulating element, the first input of the comparing unit for a given nominal operating mode a turboexpander is connected to the output of the master of the nominal operating mode of the turboexpander, and the second input through a filter and a measuring rectifier is connected with a measuring shunt, the first input of the unit for comparing the set value of pressure in the low-pressure line is connected to the output of the setpoint unit of pressure in the low-pressure line, and the second input is the output of the pressure sensor for the low-pressure line, the output of the unit for comparing the specified nominal operation mode of the turbo expander is connected to the control input of the adjustable a power amplifier, the power input of which is connected to the output of the measuring shunt, and the power output is connected to the heating element of the additional pipe the dresser directly and through power switches with heating elements and locking devices for a set of pipes of different diameters connected to the high-pressure line, inputs for controlling the power keys are connected to the outputs of the binary counter, the output of the unit for comparing the set pressure value in the low-pressure line is connected through an amplifier and a control devices with a control input of a regulating device with indicators of limit positions of an additional turboexpander pipe, outputs in dictators of limit positions of the fully open and completely closed control element of the regulating device of the additional pipe of the turboexpander are connected through the first and second single vibrators with the summing and subtracting inputs of the reversible binary counter, respectively.

На фигуре представлена структура устройства турбодетандера с регулированием давления в газовой магистрали.The figure shows the structure of the device of the turboexpander with pressure regulation in the gas line.

Устройство содержит газораспределительное устройство 1, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами 2 и нагревательными элементами 3, датчик давления 4 магистрали низкого давления, соединенный с турбодетандером 5, нагруженным электрическим генератором 6 переменного тока, последовательно соединенные выпрямитель 7 и инвертор 8, задатчик номинального режима работы 9 турбодетандера, регулируемый силовой усилитель 10, соединенная с магистралью высокого давления дополнительная труба 11 турбодетандера с установленными на ней регулирующим устройством 12 с индикаторами предельных положений 13 и 14 регулирующего элемента и нагревательным элементом 15, измерительный шунт 16, соединенный последовательно между электрическим генератором 6 переменного тока и выпрямителем 7, задатчик величины давления 17 в магистрали низкого давления 18, измерительный выпрямитель 19 и фильтр 20, блок сравнения заданного номинального режима работы 21 турбодетандера, блок сравнения заданной величины давления 22 в магистрали низкого давления 18, реверсивный двоичный счетчик 23, первый 24 и второй 25 одновибраторы, силовые ключи 26, усилитель 27 и привод 28 регулирующего устройства с индикаторами предельных положений 13 и 14 регулирующего элемента.The device comprises a gas distribution device 1, made in the form of a set of pipes of different diameters connected to a high-pressure line with shut-off devices 2 and heating elements 3 mounted on them, a pressure sensor 4 of the low-pressure line connected to a turboexpander 5 loaded with an alternating current electric generator 6, in series connected rectifier 7 and inverter 8, adjuster of the nominal operating mode 9 of the turboexpander, adjustable power amplifier 10 connected to the high additional pressure 11 of the turboexpander 11 with the regulating device 12 installed on it with limit position indicators 13 and 14 of the regulating element and the heating element 15, a measuring shunt 16 connected in series between the alternating current electric generator 6 and the rectifier 7, the pressure value adjuster 17 in the low line pressure 18, a measuring rectifier 19 and a filter 20, a unit for comparing a given nominal operating mode 21 of a turboexpander, a unit for comparing a predetermined pressure 22 in a mag Strahl low pressure 18, a reversible binary counter 23, the first 24 and the second monostable multivibrator 25, power switches 26, the amplifier 27 and the drive control device 28 with indicators limit positions 13 and 14 of the adjusting member.

Устройство турбодетандера с регулированием давления в газовой магистрали работает следующим образом.The device of the turboexpander with pressure regulation in the gas main works as follows.

В процессе запуска устройства в работу реверсивный двоичный счетчик 23 обнулен и силовые ключи 26 закрыты. Запорные устройства 2 закрыты и газ через газораспределительное устройство 1 из набора труб разного диаметра на турбодетандер 5 не поступает.In the process of starting the device into operation, the reversible binary counter 23 is reset and the power switches 26 are closed. The locking device 2 is closed and gas through the gas distribution device 1 from the set of pipes of different diameters to the turbine expander 5 is not supplied.

При установке требуемой величины давления газа в магистрали низкого давления 18 посредством задатчика величины давления 17 на выходе блока сравнения заданной величины давления 22 формируется сигнал, который посредством усилителя 27 и привода 28 регулирующего устройства приоткрывает регулирующее устройство 12 с индикаторами предельных положений 13 и 14 регулирующего элемента. Через соединенную с магистралью высокого давления дополнительную трубу 11 газ начинает поступать в турбодетандер 5, который начинает раскручиваться и приводить в движение электрический генератор 6 переменного тока. Электрический генератор 6 переменного тока начинает вырабатывать электроэнергию, которая через измерительный шунт 16 поступает на выпрямитель 7, посредством инвертора 8 преобразуется в переменный ток промышленной частоты и подается во внешнюю электрическую сеть.When setting the required gas pressure in the low-pressure manifold 18, a signal is generated at the output of the set pressure comparing unit 22 at the output of the pressure unit 22, which opens the regulator 12 with the limit position indicators 13 and 14 of the control element through the amplifier 27 and the control device drive 28. Through the additional pipe 11 connected to the high-pressure line, gas begins to flow into the turbo-expander 5, which starts to spin up and drive the electric alternator 6. The electric alternator 6 begins to generate electricity, which through the measuring shunt 16 is supplied to the rectifier 7, by means of an inverter 8 is converted into alternating current of industrial frequency and supplied to an external electrical network.

Номинальный режим работы турбодетандера 5 и электрического генератора 6 устанавливается посредством задатчика номинального режима работы 9, реальный режим работы определяется посредством измерительного шунта 16, сигнал с которого выпрямляется измерительным выпрямителем 19 и фильтруется с помощью фильтра 20.The nominal operating mode of the turboexpander 5 and the electric generator 6 is set using the nominal operating mode switch 9, the real operating mode is determined by means of a measuring shunt 16, the signal from which is rectified by a measuring rectifier 19 and filtered using a filter 20.

На блоке сравнения заданного номинального режима работы 21 турбодетандера 5 и электрического генератора 6 производится сравнение реального режима работы с номинальным режимом его работы, который является наиболее предпочтительным. В случае отклонения реального режима работы турбодетандера 5 и электрического генератора 6 от номинального на выходе блока сравнения заданного номинального режима работы 21 формируется сигнал, который управляет работой регулируемого силового усилителя 10, перенаправляя часть выработанной электрической энергии на нагревательный элемент 15, установленный на дополнительной трубе 11 турбодетандера 5.The unit for comparing the specified nominal operating mode 21 of the turboexpander 5 and the electric generator 6 compares the real operating mode with the nominal operating mode, which is most preferred. In the case of deviation of the real operating mode of the turbo expander 5 and the electric generator 6 from the nominal output of the comparison unit of the specified nominal operating mode 21, a signal is generated that controls the operation of the adjustable power amplifier 10, redirecting part of the generated electric energy to the heating element 15 mounted on the additional pipe 11 of the turbo expander 5.

Регулирование величины давления газа в магистрали низкого давления 18 производится посредством сравнения реального значения давления газа, измеряемого датчиком давления 4, и значения заданного задатчиком величины давления 17 в магистрали низкого давления 18 на блоке сравнения заданной величины давления 22, который вырабатывает сигнал управления регулирующим устройством 12 с индикаторами предельных положений 13 и 14 регулирующего элемента, подаваемый через усилитель 27 и привод 28 регулирующего устройства. При этом появляющийся избыток или недостаток вырабатываемой электрической энергии компенсируется посредством уменьшения или увеличения части электроэнергии, подаваемый через регулируемый силовой усилитель 10 на нагревательные элементы.The regulation of the gas pressure in the low pressure pipe 18 is made by comparing the real value of the gas pressure measured by the pressure sensor 4 and the pressure set by the setpoint pressure 17 in the low pressure pipe 18 on the unit for comparing the set pressure 22, which generates a control signal for the control device 12 s indicators of limit positions 13 and 14 of the regulatory element supplied through the amplifier 27 and the drive 28 of the regulatory device. In this case, the excess or deficiency of the generated electric energy that is generated is compensated by reducing or increasing a part of the electric power supplied through the adjustable power amplifier 10 to the heating elements.

В случае выхода в процессе управления регулирующего устройства 12 в крайнее открытое положение индикатор предельного положения 13 сработает, что приведет к срабатыванию первого 24 одновибратора и значение реверсивного двоичного счетчика 23 увеличится на единицу. На первом выходе реверсивного двоичного счетчика 23 появится сигнал, который откроет соответствующий силовой ключ 26, что приведет к открытию запорного устройства 2 соответствующей трубы из набора труб разного диаметра газораспределительного устройства 1. Одновременно начинает работать соответствующий нагревательный элемент 3.If during the control of the regulating device 12 it reaches its extreme open position, the limit position indicator 13 will work, which will trigger the first 24 single-shot and the value of the binary counter 23 will increase by one. At the first output of the reversible binary counter 23, a signal appears that opens the corresponding power switch 26, which will lead to the opening of the locking device 2 of the corresponding pipe from the set of pipes of different diameters of the gas distribution device 1. At the same time, the corresponding heating element 3 starts to work.

При следующем срабатывании индикатора предельного положения 13 произойдет дальнейшее увеличение значения реверсивного двоичного счетчика 23, откроются силовые ключи 26 в соответствии с сформированным в счетчике 23 значением и произойдет открытие запорных устройств 2 соответствующих труб газораспределительного устройства 1 с одновременным включением соответствующих нагревательных элементов 3.The next time the limit position indicator 13 is triggered, the value of the reversible binary counter 23 will increase further, the power switches 26 will open in accordance with the value generated in the counter 23, and the locking devices 2 of the corresponding pipes of the gas distribution device 1 will be opened while the corresponding heating elements 3 are turned on.

При выходе регулирующего устройства 12 в крайнее закрытое положение индикатор предельного положения 14 сработает, что приведет к срабатыванию второго 25 одновибратора, и значение реверсивного двоичного счетчика 23 уменьшится на единицу. При этом закроются соответствующие силовые ключи 26 в соответствии с сформированным в счетчике 23 значением и произойдет закрытие запорных устройств 2 соответствующих труб газораспределительного устройства 1 с одновременным отключением соответствующих нагревательных элементов 3. При этом недостаток или избыток вырабатываемой электрической энергии компенсируется уменьшением или увеличением части электроэнергии, подаваемый на нагревательные элементы.When the regulating device 12 reaches its extreme closed position, the limit position indicator 14 will work, which will trigger the second 25 single-shot, and the value of the binary counter 23 will decrease by one. In this case, the corresponding power switches 26 are closed in accordance with the value generated in the counter 23 and the shut-off devices 2 of the corresponding pipes of the gas distribution device 1 are closed while the corresponding heating elements 3 are turned off. In this case, the deficiency or excess of the generated electric energy is compensated by a decrease or increase in the part of the electric power supplied on heating elements.

Таким образом, грубое регулирование давления газа производится посредством включения или отключения труб разного диаметра, а точное - с помощью плавного регулирования посредством регулирующего устройства 12. Изменение электрической нагрузки во внешней сети компенсируется перенаправлением части вырабатываемой электрической энергии на нагревательные элементы подогрева газа, подаваемого в турбодетандер.Thus, coarse regulation of gas pressure is carried out by turning on or off pipes of different diameters, and accurate - by means of smooth regulation by means of regulating device 12. The change in the electric load in the external network is compensated by redirecting part of the generated electric energy to the heating elements for heating the gas supplied to the turboexpander.

Такое техническое решение обеспечивает повышение надежности работы устройства и требуемую точность регулирования давления в газовой магистрали низкого давления при перепадах нагрузки в электрической сети посредством обеспечения плавного изменения величины потока газа, проходящего через турбодетандер, и перенаправления части вырабатываемой электрической энергии на нагревательные элементы подогрева газа, подаваемого в турбодетандер.This technical solution provides increased reliability of the device and the required accuracy of pressure regulation in the low-pressure gas line during load drops in the electric network by providing a smooth change in the gas flow through the turboexpander, and redirecting part of the generated electric energy to the heating elements for gas heating supplied to turbo expander.

Claims

A gas expansion turbine expander device comprising a gas distribution device made in the form of a set of pipes of different diameters connected to a high pressure highway with shut-off devices and heating elements mounted on them, a low pressure pipeline pressure sensor connected to a turboexpander loaded with an electric alternator , rectifier and inverter connected in series, turbine expander nominal operating mode adjuster, adjustable a power amplifier, characterized in that it additionally includes an additional turbine expander pipe connected to the high-pressure line with a control device mounted on it with limit position indicators of the control element and a heating element, a measuring shunt connected in series between the electric alternator and rectifier, master pressure values in the low pressure line, measuring rectifier and filter, unit for comparing the specified nominal turbo expander operating mode, a unit for comparing a predetermined pressure value in a low-pressure line, a reversible binary counter, first and second single vibrators, power switches, an amplifier and a regulating device drive with indicators of limit positions of the regulating element, the first input of a comparing unit for a given nominal turbine expander operating mode with the output of the regulator of the nominal operation mode of the turboexpander, and the second input through the filter and the measuring rectifier is connected to the measuring shunt, p the first input of the unit for comparing the set pressure value in the low-pressure line is connected to the output of the setpoint unit of pressure in the low-pressure line, and the second input is the output of the pressure sensor of the low-pressure line, the output of the unit for comparing the specified nominal operation mode of the turbo expander is connected to the control input of the adjustable power amplifier, power the input of which is connected to the output of the measuring shunt, and the power output is connected directly to the heating element of the additional turbine expander pipe o and through power switches with heating elements and locking devices for a set of pipes of different diameters connected to the high-pressure line, inputs for controlling the power keys are connected to the outputs of the binary counter, the output of the unit for comparing the set pressure value in the low-pressure line is connected through an amplifier and a control device drive with a control input of a regulating device with indicators of limit positions of an additional turboexpander pipe, outputs of limit indicator indicators eny fully open and fully closed regulating member control device further pipe turboexpander connected via a first and a second monostable multivibrator with the summing and subtracting input of reversible binary counter, respectively.