RU2737214C1

RU2737214C1 - Thermoacoustic pressure regulator

Info

Publication number: RU2737214C1
Application number: RU2020115746A
Authority: RU
Inventors: Артём Евгеньевич Белоусов; Алёна Сергеевна Дмитриева; Андрей Михайлович Щипачёв
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2020-11-26

Abstract

FIELD: oil and gas industry.SUBSTANCE: invention relates to gas industry, namely, to pressure regulators. Control includes central nozzle body, control valve with actuator, control controller and pressure sensor, wherein central body is located inside nozzle, inlet and outlet of flow housing are connected to high and low pressure pipes, respectively, and to each other via pipeline with control valve, input of actuating device of which is connected to output of control controller connected to output of pressure sensor installed before output branch pipe of low pressure.EFFECT: high efficiency of the reduction process by maintaining pressure at the outlet of the thermoacoustic pressure regulator at a given level with the lowest value of gas temperature drop in wide ranges of input pressures and flow rates through it.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области газовой промышленности, а именно к регуляторам давления, и может быть использовано в пунктах редуцирования для понижения и поддержания на заданном уровне давления природного газа с попутным перераспределением его энергии таким образом, чтобы сократить величину падения температуры в процессе редуцирования, что позволит снизить расход тепла внешних источников энергии на ее восстановление, необходимое для предотвращения обмерзания оборудования и гидратообразования.The invention relates to the field of the gas industry, namely to pressure regulators, and can be used at reduction points to lower and maintain the pressure of natural gas at a given level with the associated redistribution of its energy in such a way as to reduce the temperature drop during the reduction process, which will reduce heat consumption of external energy sources for its recovery, necessary to prevent equipment freezing and hydrate formation.

Известен термостабилизирующий регулятор давления (патент РФ № 2617856, опубл. 28.04.2017), содержащий подводящий трубопровод, соединенный каналом через узел регулирования потока газа с цилиндром температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом. Положительная обратная связь обеспечивается по «горячему» контуру каналом между трубопроводом и цилиндром температурного разделения, который содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными пластинами и центральным каналом возврата «горячего» газа после крестовины в центр цилиндра температурного разделения, узел регулирования потока газа, устройство закрутки и поворота газа на «горячем» конце цилиндра температурного разделения, содержащее в стенках каналы поворота «горячего» газа, соединенные с трубками, расположенными в канале вокруг цилиндра температурного разделения для обеспечения выхода перепускаемой части «горячего» газа из цилиндра температурного разделения в отводящий трубопровод. Каждый канал поворота «горячего» газа содержит терморегулятор с возможностью поддержания заданной температуры на выходе из регулятора давления за счет изменения площади проходного сечения каналов поворота «горячего» газа в зависимости от величины температуры газа в устройстве закрутки и поворота газа.Known thermostabilizing pressure regulator (RF patent No. 2617856, publ. 28.04.2017), containing a supply pipeline connected by a channel through a gas flow control unit with a temperature separation cylinder and through a diaphragm with a discharge pipeline. Positive feedback is provided along the “hot” loop by a channel between the pipeline and the temperature separation cylinder, which contains a crosspiece with profiled plates smoothly straightening the gas flow and a central channel for returning the “hot” gas after the crosspiece to the center of the temperature separation cylinder, a gas flow control unit, a swirl device and turning the gas at the "hot" end of the temperature separation cylinder, containing in the walls the channels for turning the "hot" gas connected to pipes located in the channel around the cylinder of temperature separation to ensure the exit of the bypass part of the "hot" gas from the cylinder of temperature separation into the outlet pipeline. Each channel for turning the "hot" gas contains a thermostat with the ability to maintain a predetermined temperature at the outlet of the pressure regulator by changing the flow area of the channels for turning the "hot" gas depending on the gas temperature in the device for swirling and rotating gas.

Недостатком известного технического решения является фиксированный диапазон перепадов давлений и расходов газа, в которых возможна эффективная работа терморегуляторов, используемых в системе предварительного подогрева газа, что снижает диапазон функционирования регулятора давления в целом. Кроме этого, получение высоких температур с использованием лежащего в основе изобретения эффекта Ранка-Хилша на практике затруднительнее, чем в случае применения эффекта Гартмана-Шпренгера.The disadvantage of the known technical solution is a fixed range of pressure drops and gas flow rates, in which efficient operation of thermostats used in the gas preheating system is possible, which reduces the range of operation of the pressure regulator as a whole. In addition, obtaining high temperatures using the underlying Ranque-Hilsch effect is more difficult in practice than using the Hartmann-Sprenger effect.

Известен способ регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа и устройство для его осуществления (патент РФ № 2162190, опубл. 20.01.2001). Устройство для регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа содержит устройство энергоразделения, аппарат для утилизации образующегося холода и линии подвода и отвода газа, которое дополнительно снабжено узлом плавного регулирования общего расхода газа, соединенного линией подачи газа с энергоразделительным устройством, представляющим собой кожухотрубный теплообменник в виде трубы с относительной длиной

калибров и имеющий раздельные входы дозвукового и сверхзвукового потоков газа, линию отвода газа к потребителю и линию подачи газа в аппарат утилизации холода из теплообменника. Сам теплообменник имеет приемную камеру для приема газа и редуцирующий орган, выполненный в виде пучка сверхзвуковых каналов, при этом каждый канал начинается профилированным соплом и заканчивается диффузором, расположенным на двух трубных досках, а каждое сопло или часть их имеют отсекающий клапан для дискретного регулирования общего расхода редуцируемого газа.The known method of controlled unheated reduction of main natural gas and a device for its implementation (RF patent No. 2162190, publ. 20.01.2001). The device for controlled unheated reduction of main natural gas contains an energy separation device, an apparatus for utilizing the resulting cold and gas supply and discharge lines, which is additionally equipped with a unit for smooth regulation of the total gas flow rate connected by a gas supply line with an energy separating device, which is a shell-and-tube heat exchanger in the form of a pipe with relative length

calibers and having separate inputs for subsonic and supersonic gas flows, a gas outlet line to the consumer and a gas supply line to the cold recovery apparatus from the heat exchanger. The heat exchanger itself has a receiving chamber for receiving gas and a reducing element made in the form of a bundle of supersonic channels, with each channel starting with a profiled nozzle and ending with a diffuser located on two tube sheets, and each nozzle or part of them has a shut-off valve for discrete regulation of the total flow rate reduced gas.

Недостатком известного технического решения является генерация получаемого при дросселировании холода, требующего утилизации, что ограничивает применение известного устройства.The disadvantage of the known technical solution is the generation of cold obtained by throttling, requiring disposal, which limits the use of the known device.

Известен газодинамический нагреватель (патент РФ № 2225574, опубл. 10.03.2004), содержащий сопло, снабженное расширяющейся сверхзвуковой частью, и соосно расположенный конический резонатор, причем угол раскрытия расширяющейся части сопла составляет от 10 до 20° на одну сторону.Known gas-dynamic heater (RF patent No. 2225574, publ. 03/10/2004), containing a nozzle equipped with an expanding supersonic part, and a coaxially located conical resonator, and the opening angle of the expanding part of the nozzle is from 10 to 20 ° on one side.

Недостатком известного технического решения является узкий диапазон перепадов давлений на сопле и расстояний между соплом и резонатором, при которых возможна эффективная работа нагревателя.The disadvantage of the known technical solution is the narrow range of pressure drops across the nozzle and the distance between the nozzle and the resonator, at which efficient operation of the heater is possible.

Известен газодинамический нагреватель (патент РФ № 38899, опубл. 10.07.2004), содержащий сопло и соосно закрепленный резонатор. Сопло снабжено центральным телом, причем средний диаметр расположения минимального сечения сопла с центральным телом выбирается из условия

, где

- средний диаметр расположения сопла с центральным телом,

- диаметр входа резонатора.Known gas-dynamic heater (RF patent No. 38899, publ. 10.07.2004), containing a nozzle and coaxially fixed resonator. The nozzle is equipped with a central body, and the average diameter of the location of the minimum section of the nozzle with the central body is selected from the condition

where

- the average diameter of the location of the nozzle with the central body,

is the diameter of the resonator entrance.

Недостатками известного технического решения является рассеивание используемого для нагрева газа после прохождения им сопла, что ограничивает применимость устройства.The disadvantages of the known technical solution is the dispersion of the gas used for heating after passing through the nozzle, which limits the applicability of the device.

Известно дроссельное устройство (Шушин Н.А. О нагреве газа при дросселировании // Известия вузов. Авиационная техника. - 2001. - №4. - С. 67-70.), взятое за прототип, содержащее сверхзвуковое сопло и закрепленный соосно ему резонатор, располагаемые в едином проточном корпусе, причем единый корпус обеспечивает герметизацию потока и способствует обтеканию разогретого резонатора ранее охлажденной в процессе разгона частью потока для его подогрева, что позволяет достичь сокращения величины падения температуры на выходе из устройства в сравнении с обычным дросселированием через отверстие.Known throttle device (Shushin N.A. About gas heating during throttling // Izvestiya vuzov. Aviation technology. - 2001. - No. 4. - P. 67-70.), Taken as a prototype, containing a supersonic nozzle and a resonator fixed coaxially to it , located in a single flow-through casing, and the single casing provides sealing of the flow and contributes to the flow around the heated resonator by the part of the stream previously cooled during acceleration to heat it, which makes it possible to achieve a reduction in the temperature drop at the outlet from the device in comparison with conventional throttling through the hole.

Недостатком известного технического решения является фиксированные узкие диапазоны входных давлений и расходов газа через него, в которых возможно дросселирование до определенного требуемого выходного давления при обеспечении наименьшей величины падения температуры на выходе из устройства.The disadvantage of the known technical solution is the fixed narrow ranges of inlet pressures and gas flows through it, in which throttling to a certain required outlet pressure is possible while ensuring the smallest temperature drop at the outlet from the device.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса редуцирования путем поддержания давления на выходе из термо-акустического регулятора давления на заданном уровне при наименьшей величине падения температуры газа в широких диапазонах входных давлений и расходов через него.The technical result of the proposed invention is to increase the efficiency of the reduction process by maintaining the pressure at the outlet from the thermo-acoustic pressure regulator at a given level with the smallest drop in gas temperature in wide ranges of inlet pressures and flow rates through it.

Технический результат достигается тем, что термо-акустический регулятор давления дополнительно содержит центральное тело сопла, регулирующий клапан с исполнительным устройством, управляющий контроллер и датчик давления, причем центральное тело расположено внутри сопла, вход и выход проточного корпуса соединены соответственно с патрубками высокого и низкого давлений, а также между собой через трубопровод с регулирующим клапаном, вход исполнительного устройства которого связан с выходом управляющего контроллера, соединенного с выходом датчика давления, установленного перед выходным патрубком низкого давления.The technical result is achieved by the fact that the thermo-acoustic pressure regulator additionally contains a central body of the nozzle, a control valve with an actuator, a control controller and a pressure sensor, the central body being located inside the nozzle, the inlet and outlet of the flow-through body are connected to the high and low pressure nozzles, respectively, and also between each other through a pipeline with a control valve, the input of the actuator of which is connected to the output of the control controller connected to the output of the pressure sensor installed in front of the low pressure outlet.

Устройство поясняется следующей фигурой:The device is illustrated by the following figure:

фиг. 1 - общая схема устройства, где: fig. 1 is a general diagram of the device, where:

1 - сопло;1 - nozzle;

2 - резонатор;2 - resonator;

3 - единый проточный корпус;3 - a single flow-through body;

4 - центральное тело;4 - central body;

5 - регулирующий клапан;5 - control valve;

6 - исполнительное устройство регулирующего клапана;6 - actuator of the control valve;

7 - управляющий контроллер;7 - control controller;

8 - датчик давления;8 - pressure sensor;

9 - входной патрубок высокого давления;9 - high pressure inlet pipe;

10 - выходной патрубок низкого давления.10 - low pressure outlet branch pipe.

Термо-акустический регулятор давления содержит сопло 1 (Фиг. 1) и закрепленный соосно ему резонатор 2, расположенные в едином проточном корпусе 3. Термо-акустический регулятор давления дополнительно содержит центральное тело 4 сопла 1, регулирующий клапан 5 с исполнительным устройством 6, управляющий контроллер 7 и датчик давления 8. Причем центральное тело 4 расположено внутри сопла 1, вход и выход проточного корпуса 3 соединены соответственно с патрубками высокого 9 и низкого 10 давлений, а также между собой через трубопровод с регулирующим клапаном 5, вход исполнительного устройства 6 которого связан с выходом управляющего контроллера 7, соединенного с выходом датчика давления 8, установленного перед выходным патрубком низкого давления 10.The thermo-acoustic pressure regulator contains a nozzle 1 (Fig. 1) and a resonator 2 fixed coaxially to it, located in a single flow-through housing 3. The thermo-acoustic pressure regulator additionally contains a central body 4 of a nozzle 1, a control valve 5 with an actuator 6, a control controller 7 and pressure sensor 8. Moreover, the central body 4 is located inside the nozzle 1, the inlet and outlet of the flow-through housing 3 are connected, respectively, to the high 9 and low 10 pressure nozzles, and also to each other through a pipeline with a control valve 5, the input of the actuator 6 of which is connected to the output of the control controller 7, connected to the output of the pressure sensor 8, installed in front of the low pressure outlet 10.

Сопло 1 с центральным телом 4 обладает автоматическим регулированием, что позволяет ему обеспечивать стабильный разогрев заглушенного торца резонатора 2 в широком диапазоне перепадов давлений, начиная с критического. Контроллер 7 на основании сигнала с датчика давления 8 при помощи исполнительного устройства 6 управляет регулирующим клапаном 5, изменяя соотношение проходящих через сопло 1 и клапан 5 потоков, обладающих различным давлением, и, тем самым, обеспечивает регулирование и поддержание давления на выходе из устройства на заданном уровне, а также стабилизирует величину перепада давлений на сопле 1 при любом расходе газа через устройство.The nozzle 1 with the central body 4 has automatic control, which allows it to provide stable heating of the muffled end of the resonator 2 in a wide range of pressure drops, starting from the critical one. The controller 7, based on the signal from the pressure sensor 8 with the help of the actuator 6, controls the control valve 5, changing the ratio of flows passing through the nozzle 1 and the valve 5 with different pressures, and thereby ensures the regulation and maintenance of the pressure at the outlet from the device at a given level, and also stabilizes the value of the pressure drop across the nozzle 1 at any gas flow rate through the device.

Устройство работает следующим образом. После прохождения патрубка высокого давления 9 поток газа разделяется на два, количественное соотношение которых определяется степенью открытия регулирующего клапана 5. Управление регулирующим клапаном 5 осуществляется контроллером 7 через исполнительное устройство 6 в зависимости от величины рассогласования значений давления на выходе термо-акустического регулятора, измеряемого датчиком 8, с уставкой (Уст.) требуемой величины давления.The device works as follows. After passing through the high pressure pipe 9, the gas flow is divided into two, the quantitative ratio of which is determined by the degree of opening of the control valve 5. The control valve 5 is controlled by the controller 7 through the actuator 6, depending on the value of the mismatch of the pressure values at the output of the thermo-acoustic regulator, measured by the sensor 8 , with the setpoint (Set) of the required pressure value.

Первый поток, теряя давление и температуру, разгоняется в сопле 1 с центральным телом 4 и набегает на заглушенную полость резонатора 2, возбуждая разогревающие находящийся в нем газ высокочастотные ударные волны. Разогретый газ периодически истекает из резонатора 2 в проточную часть единого с соплом 1 корпуса 3, где смешивается с обтекающим резонатор 2 газом низкой температуры, образуя с ним поток газа усредненной температуры, направляемый на смешение с отделенным ранее после входного патрубка высокого давления 9 вторым потоком газа.The first flow, losing pressure and temperature, accelerates in nozzle 1 with central body 4 and runs onto the muffled cavity of resonator 2, exciting high-frequency shock waves that heat up the gas in it. The heated gas periodically flows out of the resonator 2 into the flow path of the housing 3, which is the same with the nozzle 1, where it mixes with the low temperature gas flowing around the resonator 2, forming with it a gas flow of an average temperature, directed to mixing with the second gas flow separated earlier after the high pressure inlet pipe 9 ...

Второй поток газа проходит через регулирующий клапан 5, где дросселируется в зависимости от степени его открытия и направляется на смешение с первым. Разделенные ранее после входного патрубка высокого давления 9 потоки смешиваются в один, который через выходной патрубок низкого давления 10 выводятся из термо-акустического регулятора давления с требуемыми значениями давления и температуры.The second gas flow passes through the control valve 5, where it is throttled depending on the degree of its opening and is directed for mixing with the first. The streams separated earlier after the high-pressure inlet 9 are mixed into one, which through the low-pressure outlet 10 is removed from the thermo-acoustic pressure regulator with the required pressure and temperature values.

Давление на выходе термо-акустического регулятора зависит от количеств подачи природного газа через регулирующий клапан 5 и через сопло 1, а также от степеней понижения давления на них. Поддержание давления на выходе из термо-акустического регулятора на заданном уровне, вместе с автоматическим регулированием высотности сопла 1 его центральным телом 4, позволяют обеспечить стабильность работы термо-акустического регулятора, зависящую от постоянства перепада давлений на сопле 1, что, в свою очередь, обеспечивает большую линейность зависимости температуры на выходе из регулятора от расхода через него и надежность технологической операции редуцирования в целом.The pressure at the outlet of the thermo-acoustic regulator depends on the amounts of natural gas supplied through the control valve 5 and through the nozzle 1, as well as on the degrees of pressure reduction on them. Maintaining the pressure at the outlet of the thermo-acoustic regulator at a predetermined level, together with automatic regulation of the height of the nozzle 1 by its central body 4, make it possible to ensure the stability of the thermo-acoustic regulator, which depends on the constancy of the pressure drop across the nozzle 1, which, in turn, provides great linearity of the dependence of the temperature at the outlet from the regulator on the flow through it and the reliability of the technological operation of reduction as a whole.

При уменьшении отбора газа потребителями давление после термо-акустического регулятора увеличивается, уменьшая при этом перепад давлений на сопле 1. Превышение давления над уставкой (Уст.), при помощи датчика 8 регистрируется контроллером 7, который посылает исполнительному устройству 6 сигнал на уменьшение степени открытия регулирующего клапана 5 до тех пор, пока давление на выходе термо-акустического регулятора не сравняется с уставкой (Уст.) требуемого давления, попутно восстановив при этом перепад давлений на сопле 1. При увеличении отбора газа потребителями, для поддержания давления на выходе термо-акустического регулятора давления, регулирующий клапан 5 открывается.With a decrease in the consumption of gas by consumers, the pressure after the thermo-acoustic regulator increases, while reducing the pressure difference across the nozzle 1. The excess pressure above the setpoint (Set), using the sensor 8, is registered by the controller 7, which sends the actuator 6 a signal to decrease the degree of opening of the regulating valve 5 until the pressure at the outlet of the thermo-acoustic regulator equals the setpoint (Set) of the required pressure, simultaneously restoring the pressure drop across the nozzle 1. With an increase in gas sampling by consumers, to maintain the pressure at the outlet of the thermo-acoustic regulator pressure, control valve 5 opens.

Таким образом, как показано в вышеприведенном описании изобретения, достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности процесса редуцирования путем поддержания давления на выходе из термо-акустического регулятора давления на заданном уровне при наименьшей величине падения температуры газа в широких диапазонах входных давлений и расходов через него.Thus, as shown in the above description of the invention, the technical result is achieved, which consists in increasing the efficiency of the reduction process by maintaining the pressure at the outlet of the thermo-acoustic pressure regulator at a predetermined level with the smallest drop in gas temperature in wide ranges of inlet pressures and flow rates through it.

Claims

Thermoacoustic pressure regulator, including a nozzle and a resonator fixed coaxially to it, located in a single flow-through housing, characterized in that additionally contains a central nozzle body, a control valve with an actuator, a control controller and a pressure sensor, with the central body located inside the nozzle, the inlet and outlet of the flow-through housing are connected respectively to the high and low pressure nozzles, as well as to each other through a pipeline with a control valve, inlet the actuator of which is connected to the output of the control controller, connected to the output of the pressure sensor installed in front of the low pressure outlet.