RU2777418C1

RU2777418C1 - Method for heating gas in a reduction set

Info

Publication number: RU2777418C1
Application number: RU2021123690A
Authority: RU
Inventors: Владимир Валентинович Желваков
Original assignee: Владимир Валентинович Желваков
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2022-08-03

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: group of inventions relates to power engineering, in particular, to a set for pressure reduction in natural gas with a converter of the pressure drop energy into heat, and is applied in the field of gas distribution and gas supply for recycling the energy of a compressed natural gas flow at gas distribution stations when reducing natural gas prior to supplying to consumers. Reduction set comprises multiple turbo heaters consisting of an expander turbine and a converter of the turbine rotation energy into heat, electrical, or hydraulic energy, placed on the same shaft and located in the same body, connected in series and in parallel by means of a pipeline system. Reduction set additionally comprises a control unit, pressure and temperature sensors, speed sensors, shutoff control valves with controlled drives from the control unit. An aerodynamic heating heater, an induction heating heater with permanent and electric magnets, and an electric heater, located before and after the expander turbine, as well as a hydraulic pump and an electric generator, can be located in the turbo heater. The turbo heater comprises a pressure and speed control bypass valve with a centrifugal governor.

EFFECT: high-precision maintenance of the temperature of the gas output for consumers from the reduction set, increase in the proportion of useful potential energy of high-pressure gas for the effective production of the maximum amount of heat, electric, and hydraulic energy, depending on the gas temperature in the high-pressure mains pipeline and the required temperature of gas in the low-pressure mains pipeline.

10 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к установке редуцирования давления природного газа (ПГ) с преобразователем энергии перепада давления в теплоту, и применяется в области газораспределения и газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) при редуцировании природного газа перед подачей его потребителям.The invention relates to power engineering, in particular to a natural gas (NG) pressure reduction plant with a pressure-to-heat energy converter, and is used in the field of gas distribution and gas supply for utilizing the energy of a compressed natural gas flow at gas distribution stations (GDS) when reducing natural gas before serving it to consumers.

Известно, что в магистральных трубопроводах исходное давление ПГ составляет 5,5-8,0 (9,0) МПа, поэтому для подачи газа потребителю, он дросселируется в несколько ступеней, сначала на газоредуцирующих станциях (ГРС) с применением мощных турбодетандеров или редукционных клапанов, а затем на газорегуляторных пунктах (ГРП), также с применением редукционных клапанов. При этом в дросселирующих устройствах потенциальная энергия ПГ вместо того, чтобы совершать полезную работу, расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений и безвозвратно теряется. В настоящее время для совершения полезной работы и на ГРП заменяют дроссельные клапаны электрогенерирующими детандерами, что позволяет генерировать электричество или производить другую полезную работу.It is known that in the main pipelines, the initial pressure of SG is 5.5-8.0 (9.0) MPa, therefore, to supply gas to the consumer, it is throttled in several stages, first at gas-reducing stations (GRS) using powerful turbo-expanders or pressure reducing valves , and then at gas control points (GRP), also using pressure reducing valves. At the same time, in throttling devices, the potential energy of the SG, instead of doing useful work, is spent on overcoming hydraulic resistances and is irretrievably lost. Currently, in order to perform useful work in hydraulic fracturing, throttle valves are replaced with electrically generating expanders, which makes it possible to generate electricity or perform other useful work.

При расширении газа на турбине детандера происходит понижение давления газа, снижение его температуры и одновременно вырабатывается свободная механическая энергия, используемая для привода электрогенератора, кинематически связанного с валом детандера или приводным валом гидронасоса. При адиабатном расширении газа с отдачей внешней работы существенно снижается температура рабочего тела, величина этого снижения определяется отношением давлений на входе и выходе детандера.When the gas expands on the expander turbine, the gas pressure decreases, its temperature decreases, and at the same time, free mechanical energy is generated, which is used to drive an electric generator kinematically connected to the expander shaft or the hydraulic pump drive shaft. With the adiabatic expansion of the gas with the return of external work, the temperature of the working fluid decreases significantly, the magnitude of this decrease is determined by the ratio of the pressures at the inlet and outlet of the expander.

Понижение температуры газа может быть значительным, что приводит к гидратообразованию в редуцируемом газе.The decrease in gas temperature can be significant, which leads to hydrate formation in the reduced gas.

Изобретение может найти применение преимущественно на ГРС, ГРП тепловых электростанций, котельных, а также технологических агрегатах.The invention can be used mainly in gas distribution stations, hydraulic fracturing of thermal power plants, boiler houses, and also technological units.

На объектах газораспределительной сети нет необходимости всю кинетическую энергию потока газа преобразовывать в электрическую. Электроэнергии нужно вырабатывать ровно столько, сколько необходимо для обеспечения электроснабжения объекта, а перепад давления на детандере должен быть при этом как можно меньше, поскольку газ еще предстоит транспортировать дальше по сети.At the facilities of the gas distribution network, there is no need to convert all the kinetic energy of the gas flow into electrical energy. Electricity should be generated only as much as is necessary to provide electricity to the facility, and the pressure drop across the expander should be as small as possible, since the gas has yet to be transported further along the network.

Так, в случае использования установки в схеме ГРС с подачей природного газа для бытового потребления необходимо обеспечить подогрев газа перед детандером, что бы не происходило переохлаждение газа после детандера или нагревать газ после детандера. Согласно требованиям, ГОСТ 5542-2014, температура газа после ГРП должна быть выше точки росы. Точка росы транспортируемого газа зависит от давления, влажности, температуры и находится в пределах - минус 7°С … - минус 12°С.So, in case of using the unit in the GDS scheme with the supply of natural gas for domestic consumption, it is necessary to provide heating of the gas before the expander, so that there would be no supercooling of the gas after the expander or to heat the gas after the expander. According to the requirements of GOST 5542-2014, the gas temperature after hydraulic fracturing must be above the dew point. The dew point of the transported gas depends on pressure, humidity, temperature and is within - minus 7°C ... - minus 12°C.

Если температура газа понизится слишком сильно, то возможно появление и выпадение гидратов в редуцируемом газе, что является недопустимым. Для предотвращения гидратообразования температуру газа необходимо поддерживать на определенном уровне в зависимости от давления и влажности газа, а также в зависимости от температуры окружающего воздуха. Система подогрева газа является одной из основных систем, определяющих технико-экономические показатели установки редуцирования с электрогенерирующим детандером. Тепловая мощность системы подогрева выбирается по условиям обеспечения нормальной работы ГРС при самых экстремальных параметрах редуцируемого газа. Эта тепловая мощность эквивалентна, примерно мощности установленного детандера.If the gas temperature drops too much, hydrates may form and precipitate in the reduced gas, which is unacceptable. To prevent hydrate formation, the gas temperature must be maintained at a certain level depending on the pressure and humidity of the gas, as well as depending on the ambient temperature. The gas heating system is one of the main systems that determine the technical and economic performance of a reduction plant with an electrically generating expander. The thermal power of the heating system is selected according to the conditions for ensuring the normal operation of the GDS at the most extreme parameters of the reduced gas. This thermal power is equivalent, approximately, to the power of the installed expander.

Вопрос выбора источника и способа подогрева газа является одним из основных при принятии решения о целесообразности использования электрогенерирующих детандерных агрегатов в установках редуцирования.The issue of choosing the source and method of gas heating is one of the main ones when deciding on the advisability of using electric generating expander units in reduction plants.

Кроме того, показатели системы подогрева газа существенно влияют на эксплуатационные затраты электрогенерирующего детандерного агрегата и, как следствие, на себестоимость производимой электроэнергии. Иногда используют вторичные энергоресурсы, что бы отказаться от огневого способа подогрева газа, а наличие электроэнергии на ГРС позволяет перейти на электроподогрев редуцируемого газа, что повышает безопасность и экологические характеристики ГРС.In addition, the indicators of the gas heating system significantly affect the operating costs of the power generating expander unit and, as a result, the cost of electricity produced. Sometimes secondary energy resources are used in order to abandon the fire method of gas heating, and the availability of electricity at the gas distribution station allows switching to electric heating of the reduced gas, which increases the safety and environmental performance of the gas distribution station.

Поэтому выбор и оптимизация способа подогрева газа перед и после детандера является одной из приоритетных задач, решаемых при создании узлов и установок редуцирования.Therefore, the choice and optimization of the gas heating method before and after the expander is one of the priority tasks to be solved when creating reduction units and installations.

Известен способ подогрева газа после турбодетандера за счет тепла циркуляционной воды конденсатора паротурбинной установки [авт. свид. СССР N 1231237, опубл. 04.01.85].A known method of heating the gas after the turboexpander due to the heat of the circulating water of the condenser of the steam turbine plant [ed. certificate USSR N 1231237, publ. 04.01.85].

Недостатком является то, что при этом газ в турбодетандере и на выходе из него может иметь температуру ниже 0°С, что может привести к нарушению работы турбодетандера и газовых трубопроводов.The disadvantage is that the gas in the turboexpander and at its outlet may have a temperature below 0°C, which can lead to disruption of the turboexpander and gas pipelines.

Известен способ работы турбодетандерной установки [РФ, заявка на изобретение N 96103298, опубл. БИ N 12, 1998 г.], заключающийся в том, что природный газ повышенного давления пропускают через турбодетандер со снижением давления в нем, механически передают мощность турбодетандера лопаточной машине по повышению давления рабочего тела, часть энергии которого используют для нагрева пропускаемого через турбодетандер газа, при этом нагрев природного газа осуществляют после турбодетандера с предварительным нагревом его внешним теплом потребителя холода и в качестве рабочего тела используют воздух или жидкость.A known method of operation of a turbo-expander installation [RF, application for invention N 96103298, publ. BI N 12, 1998], which consists in the fact that high-pressure natural gas is passed through a turboexpander with a decrease in pressure in it, the power of the turboexpander is mechanically transferred to a bladed machine to increase the pressure of the working fluid, part of the energy of which is used to heat the gas passed through the turboexpander, at the same time, natural gas is heated after the turboexpander with its preliminary heating by the external heat of the cold consumer, and air or liquid is used as the working fluid.

Недостатком этого способа является то, что при этом не реализуется возможность выработки электроэнергии, нагрев газа осуществляют после турбодетандера, что при определенных условиях может привести к охлаждению газа в турбодетандере до недопустимо низких температур.The disadvantage of this method is that it does not realize the possibility of generating electricity, the gas is heated after the turbo expander, which under certain conditions can lead to cooling of the gas in the turbo expander to unacceptably low temperatures.

Известно устройство для получения дополнительной электрической энергии в теплоэнергетической установке ["Влияние детандер-генераторных агрегатов на тепловую экономичность ТЭЦ", Э.К. Аракелян, А.В. Андрюшин, В.С. Агабабов и др., "Электрические станции", спецномер, 1997 г., стр. 77-82], содержащее кинематически соединенный с электрогенератором детандер, подключенный входным патрубком к трубопроводу высокого давления, выходным патрубком - к трубопроводу низкого давления, а также теплообменник для технологического подогрева газа перед детандером за счет энергии, полученной в результате сжигания топлива в постороннем источнике.A device is known for obtaining additional electrical energy in a thermal power plant ["The influence of expander-generator units on the thermal efficiency of CHP", E.K. Arakelyan, A.V. Andryushin, V.S. Agababov et al., "Electric Stations", special issue, 1997, pp. 77-82], containing an expander kinematically connected to the electric generator, connected by an inlet pipe to a high pressure pipeline, an outlet pipe - to a low pressure pipeline, as well as a heat exchanger for technological heating of gas in front of the expander due to the energy obtained as a result of fuel combustion in an external source.

Недостатком такой установки является необходимость использования постороннего источника энергии для технологического подогрева газа перед детандером, что приводит к снижению экономичности, а также к ухудшению экологических показателей вследствие сжигания топлива.The disadvantage of such an installation is the need to use an external source of energy for technological heating of the gas before the expander, which leads to a decrease in efficiency, as well as to a deterioration in environmental performance due to fuel combustion.

Известен так же способ снижения давления газа в устройстве по патенту 2150641 RU, заключающийся в том, что газ высокого давления пропускают через детандер со снижением давления в нем, часть мощности детандера передают компрессору для повышения энергии рабочего тела, которую используют для нагрева пропускаемого через детандер газа, согласно изобретению, нагревание газа производят перед детандером, причем повышение энергии рабочего тела производят за счет низкопотенциального тепла окружающей среды. Устройство, реализующее способ работы детандерной установки, содержит последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, и оно дополнительно снабжено компрессором, электрически соединенным с электрогенератором, испарителем, дросселирующим устройством, вход компрессора соединен с выходом испарителя, вход которого через дросселирующее устройство соединен с выходом теплообменника, а вход теплообменника соединен с выходом компрессора.There is also known a method for reducing gas pressure in the device according to patent 2150641 RU, which consists in the fact that high-pressure gas is passed through the expander with a decrease in pressure in it, part of the expander power is transferred to the compressor to increase the energy of the working fluid, which is used to heat the gas passed through the expander , according to the invention, the gas is heated before the expander, and the energy of the working fluid is increased due to the low-grade heat of the environment. The device that implements the method of operation of the expander plant contains a high-pressure pipeline, a heat exchanger, an expander connected in series, kinematically connected to an electric generator, and it is additionally equipped with a compressor electrically connected to an electric generator, an evaporator, a throttling device, the compressor inlet is connected to the evaporator outlet, the inlet of which is through the throttling device is connected to the heat exchanger outlet, and the heat exchanger inlet is connected to the compressor outlet.

Недостатком такого способа снижения давления газа и установки для его реализации является необходимость использования постороннего источника энергии для технологического подогрева газа перед детандером, что приводит к снижению экономичности, а также к ухудшению экологических показателей вследствие необходимости затрат на извлечение низкопотенциального тепла иногда связанного со сжиганием топлива.The disadvantage of this method of reducing the gas pressure and the installation for its implementation is the need to use an external source of energy for technological heating of the gas before the expander, which leads to a decrease in efficiency, as well as to a deterioration in environmental performance due to the need to extract low-grade heat sometimes associated with fuel combustion.

Известен принцип нагрева, который используется в аэродинамическом нагревателе воздуха по полезной модели BY 10286 U 2014.08.30, в воздухонагревателе по авторскому свидетельству SU 1793167 А1, аэродинамическом теплогенераторе по авторскому свидетельству SU 1733868 А1. Конструкция для реализации данного принципа приведена также в изобретении «Аэродинамический нагреватель по авторскому свидетельству №487290 (F 27 d 7/00).The heating principle is known, which is used in an aerodynamic air heater according to the utility model BY 10286 U 2014.08.30, in an air heater according to the author's certificate SU 1793167 A1, an aerodynamic heat generator according to the author's certificate SU 1733868 A1. The design for the implementation of this principle is also given in the invention "Aerodynamic heater according to the author's certificate No. 487290 (F 27 d 7/00).

В качестве прототипа выбран турбонагреватель по патенту 2044965 RU. (Авторы патента Панкратов В.К. и Долотовский В.В.), состоящий из турбины детандера и преобразователя энергии вращения турбины в тепловую энергию, размещенных на одном валу и расположенных в одном корпусе, отличающийся тем, что преобразователь энергии вращения в теплоту выполнен в виде ротора аэродинамического нагрева с двусторонним подводом газа к его лопаткам, закрепленным на сплошном разделительном диске, проточная часть корпуса между турбиной детандера и ротором выполнена в виде диффузора, соосно с ротором в корпусе расположен выходной патрубок нагреваемого газа, проходное сечение которого перекрывается регулирующим клапаном с центробежным регулятором температуры, расположенным на валу ротора, причем возвратная пружина центробежного регулятора выполнена таким образом, что ее упругость обратно пропорциональна температуре нагреваемого газа.The turbo-heater according to patent 2044965 RU was chosen as a prototype. (Authors of the patent Pankratov V.K. and Dolotovsky V.V.), consisting of an expander turbine and a turbine rotation energy converter into thermal energy, placed on the same shaft and located in one housing, characterized in that the rotation energy converter into heat is made in in the form of an aerodynamic heating rotor with a two-way gas supply to its blades fixed on a solid dividing disk, the flow part of the housing between the expander turbine and the rotor is made in the form of a diffuser, the heated gas outlet pipe is located in the housing coaxially with the rotor, the flow section of which is blocked by a control valve with a centrifugal temperature controller located on the rotor shaft, and the return spring of the centrifugal controller is designed in such a way that its elasticity is inversely proportional to the temperature of the heated gas.

Недостатком прототипа является то, что для привода аэородинамического нагревателя требуется немного мощности и для обеспечения необходимого срабатываемого перепада давления при редуцировании необходимо дополнительно нагружать турбину турбодетандера или использовать перепуск газа со стороны высокого давления для предотвращения разгона и резкого увеличения оборотов вращения, что ведет к уменьшению срабатываемого перепада давления.The disadvantage of the prototype is that a little power is required to drive the aerodynamic heater, and to provide the necessary actuated pressure drop during reduction, it is necessary to additionally load the turbine expander or use a gas bypass from the high pressure side to prevent acceleration and a sharp increase in rotation speed, which leads to a decrease in the actuated differential pressure.

Основным недостатком турбонагревателя является то, что при нагреве газа за детандером нет выработки электроэнергии из-за отсутствия присоединенного к турбине детандера генератора, что приводит к снижению экономичности процесса снижения давления газа. Только малая часть потенциальной энергии высокого давления газа полезно используется.The main disadvantage of the turboheater is that when the gas is heated behind the expander, there is no power generation due to the absence of a generator connected to the expander turbine, which leads to a decrease in the efficiency of the gas pressure reduction process. Only a small part of the potential energy of high gas pressure is usefully used.

Задачей настоящего технического решения является высокоточное поддержание температуры газа направляемого потребителю после снижения давления в соответствии с нормативными документами, увеличение срабатываемого перепада давления газа в установке редуцирования, дополнительное повышения температуры газа пред турбиной детандера, выработка дополнительной энергии из потенциальной энергии газа высокого давления, увеличение экономичности и улучшении экологических показателей работы турбонагревателя в составе установки редуцирования.The objective of this technical solution is to maintain a high-precision temperature of the gas sent to the consumer after pressure reduction in accordance with regulatory documents, increase the actuated gas pressure drop in the reduction unit, additionally increase the gas temperature before the expander turbine, generate additional energy from the potential energy of high-pressure gas, increase efficiency and improving the environmental performance of the turboheater as part of the reduction unit.

Поставленная техническая задача решается благодаря тому, что реализуется способ нагрева газа в установке редуцирования, состоящей из нескольких турбонагревателей, соединенных системой трубопроводов, заключающийся в том, что весь перепад газа между магистральным трубопроводом высокого давления и магистральным трубопроводом низкого давления, который необходимо сработать при редуцировании давления газа, делится на несколько неравных частей, и полезно используется в турбонагревателях, из которых состоит установка редуцирования, при этом для нагрева газа используется только энергия получаемая при редуцировании газа, а все турбонагреватели, входящие в установку редуцирования, подключенной между магистральным трубопроводом высокого и магистральным трубопроводом низкого давления, соединены между собой посредством системы трубопроводов с регулирующими запорными клапанами, имеющие управляемые привода. Установка снабжена блоком управления, датчиками температуры, давления и частоты вращения турбины детандера, что позволяет соединять последовательно и параллельно турбонагреватели, для регулирования и поддержания температуры и давления газа выходящего из турбонагревателей и установки редуцирования в целом для подачи в магистральный трубопровод низкого давления.The technical problem posed is solved due to the fact that the method of gas heating in the reduction plant is implemented, consisting of several turboheaters connected by a pipeline system, which consists in the fact that the entire gas difference between the high pressure main pipeline and the low pressure main pipeline, which must be worked out when the pressure is reduced gas, is divided into several unequal parts, and is usefully used in turboheaters that make up the reduction unit, while only the energy obtained during gas reduction is used to heat the gas, and all turboheaters included in the reduction unit are connected between the high-pressure main pipeline and the main pipeline low pressure, interconnected by means of a piping system with control shut-off valves with controlled drives. The unit is equipped with a control unit, sensors for temperature, pressure and speed of the expander turbine, which allows connecting in series and in parallel turbo heaters to control and maintain the temperature and pressure of the gas leaving the turbo heaters and the reduction unit as a whole for supply to the low pressure main pipeline.

В предлагаемой установке редуцирования поддерживается требуемая температура газа, увеличивается срабатываемый перепад давления, дополнительно вырабатывается электрическая энергия и гидроэнергия движения жидкости, но при этом внешние источники энергии для нагрева газа не используются, транспортируемый газ не сжигается, достигается экологическая чистота и повышается экономическая эффективность установки редуцирования.In the proposed reduction unit, the required gas temperature is maintained, the actuated pressure drop increases, additional electrical energy and hydropower for fluid movement are generated, but at the same time, external energy sources are not used to heat the gas, the transported gas is not burned, environmental cleanliness is achieved and the economic efficiency of the reduction unit increases.

Установка редуцирования, реализующая способ нагрева газа, состоит из турбонагревателей, электрогенерирующих турбонагревателей, турбонагревателей генерирующих энергию потока жидкости, системы трубопроводов с регулирующими запорными клапанами, имеющими управляемый привод, датчиков давления, температуры, частоты вращения, блока автоматического управления. При этом каждый турбонагреватель на входе и на выходе снабжен датчиками давления и температуры, а в зоне расположения турбины детандера датчиком частоты вращения.The reduction plant, which implements the gas heating method, consists of turboheaters, electric generating turboheaters, turboheaters generating liquid flow energy, a pipeline system with control shut-off valves having a controlled drive, pressure, temperature, speed sensors, an automatic control unit. At the same time, each turbo-heater at the inlet and outlet is equipped with pressure and temperature sensors, and in the area of the expander turbine with a speed sensor.

Турбонагреватели, входящие в установку редуцирования, имеют в своем составе турбину детандера, который используется для привода нагревателей протекающего газа, кинематически соединенных с ним посредством вала на котором находится турбина детандера.The turboheaters included in the reduction unit include an expander turbine, which is used to drive the heaters of the flowing gas, kinematically connected to it by means of a shaft on which the expander turbine is located.

Генерирующие турбонагреватели, входящие в установку, дополнительно могут иметь электрогенератор или гидронасос, кинематически соединенные с валом турбины детандера.The generating turboheaters included in the installation may additionally have an electric generator or a hydraulic pump kinematically connected to the expander turbine shaft.

Мощность детандера в турбонагревателе рассчитывается в зависимости от конструктивного устройства нагревателя, количества нагревателей в турбонагревателе и от расположения нагревателя на валу относительно детандера, а в генерирующем турбонагревателе, от мощности установленного гидронасоса (гидрогенератора) или электрического генератора, для обеспечения постоянства оборотов турбины детандера и выработки максимального количества тепловой энергии, гидроэнергии или электроэнергии.The power of the expander in the turbo-heater is calculated depending on the design of the heater, the number of heaters in the turbo-heater and the position of the heater on the shaft relative to the expander; amount of thermal energy, hydropower or electricity.

Для обеспечения нагрева газа после турбины детандера, срабатываемый перепад давления при редуцировании давления газа выбирается таким образом, что бы мощность детандера была больше не менее чем в 1,5 раза потребной мощности нагревателя для нагрева расхода газа до требуемого значения при редуцировании давления в турбонагревателе и компенсации потерь при нагреве.To ensure gas heating after the expander turbine, the actuated pressure drop during gas pressure reduction is selected in such a way that the expander power would be at least 1.5 times greater than the heater power required to heat the gas flow to the required value when the pressure in the turboheater is reduced and compensation heating losses.

Турбонагреватели могут иметь в своем составе нагреватели различного конструктивного устройства: электрический нагреватель, аэродинамический турбонагреватель, индукционный нагреватель газа с вращающимися постоянными магнитами или электромагнитами, нагревающими стальной теплообменник. Для прохода газа теплообменник электрического и индукционного нагревателя имеет каналы.Turbo heaters can include heaters of various design devices: an electric heater, an aerodynamic turbo heater, an induction gas heater with rotating permanent magnets or electromagnets that heat a steel heat exchanger. For the passage of gas, the heat exchanger of the electric and induction heater has channels.

В турбонагревателе все нагреватели кинематически соединены с валом турбины детандера и могут располагаться на валу до детандера в зоне высокого давления или после детандера в зоне низкого давления, в количестве зависящем от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя и перепада давления при редуцировании давления газа.In the turbo heater, all heaters are kinematically connected to the expander turbine shaft and can be located on the shaft before the expander in the high pressure zone or after the expander in the low pressure zone, in an amount depending on the required gas temperature at the outlet of the turbo heater and the pressure drop during gas pressure reduction.

Входящие в установку редуцирования генерирующие турбонагреватели в дополнение к аэродинамическому и индукционному нагревателю газа, могут иметь в своем составе электрический нагреватель газа получающий электроэнергию от установленного в турбонагревателе электрогенератора, при этом мощность электронагревателя изменяется в зависимости от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя или электронагреватель используется как нагрузка при отсутствии потребителей электроэнергии.The generating turboheaters included in the reduction unit, in addition to the aerodynamic and induction gas heater, can include an electric gas heater that receives electricity from an electric generator installed in the turboheater, while the power of the electric heater varies depending on the required gas temperature at the outlet of the turboheater or the electric heater is used as load in the absence of electricity consumers.

Турбонагреватели, входящие в установку редуцирования, рассчитаны на давление в магистральном трубопроводе высокого давления и имеют герметичный корпус. Герметичный корпус состоит из двух частей, соединенных посредством фланцев со шпильками, внутри которых находится: детандер, генератор и нагреватели, кинематически объединенные единым валом, при этом одна часть герметичного корпуса имеет патрубок для присоединения трубопровода высокого давления и в ней расположена сопловая часть детандера, а в другой части корпуса с патрубком для присоединения трубопровода низкого давления расположено рабочее колесо турбины детандера, и которые разделены на зону высокого и низкого давления диафрагмой с отверстиями для выхода газа из сопловой части детандера, зажатой герметично между фланцами частей корпуса, и через которую проходит вал с рабочим колесом турбины детандера, причем размер отверстия в диафрагме зависит от величины перепада давления редуцируемого газа и температуры газа перед сопловым аппаратом детандера и используется для изменения парциальности при редуцировании. При наличии электрического генератора в части корпуса, где он установлен выполнены герметичные выводы электрических контактов, а при наличии гидрогенератора присутствуют штуцеры подключения гидросистемы.The turboheaters included in the reduction unit are designed for pressure in the high-pressure main pipeline and have a sealed housing. The sealed housing consists of two parts connected by means of flanges with studs, inside of which there is: an expander, a generator and heaters, kinematically united by a single shaft, while one part of the sealed housing has a branch pipe for connecting a high-pressure pipeline and the nozzle part of the expander is located in it, and in the other part of the housing with a branch pipe for connecting the low-pressure pipeline, the expander turbine impeller is located, and which are separated into a high and low pressure zone by a diaphragm with holes for gas outlet from the expander nozzle part, which is tightly clamped between the flanges of the housing parts, and through which the shaft with the impeller of the expander turbine, and the size of the hole in the diaphragm depends on the pressure drop of the reduced gas and the gas temperature in front of the expander nozzle apparatus and is used to change the partiality during reduction. In the presence of an electric generator, in the part of the body where it is installed, sealed conclusions of electrical contacts are made, and in the presence of a hydrogenerator, there are fittings for connecting the hydraulic system.

Для предотвращения разгона турбины детандера при увеличении перепада давления редуцируемого газа установлен перепускной клапан, который управляется центробежным регулятором и который при превышении скорости вращения турбины детандера открывается и перепускает газ из зоны высокого давления перед детандером в зону низкого давления после детандера.To prevent the expander turbine acceleration with an increase in the pressure drop of the reduced gas, a bypass valve is installed, which is controlled by a centrifugal regulator and which, when the expander turbine rotation speed is exceeded, opens and bypasses gas from the high pressure zone in front of the expander to the low pressure zone after the expander.

Каждый турбонагреватель, подключенный к трубопроводу газа высокого давления на входе и трубопроводу низкого давления на выходе, имеет в своем составе турбодетандер, выполненный в виде лопаточной осевой машины с устройством для регулирования парциальности, причем в качестве опор для рабочего вала турбины детандера использованы предпочтительно керамические подшипники качения с керамическими шариками.Each turbo-heater, connected to the high-pressure gas pipeline at the inlet and the low-pressure gas pipeline at the outlet, incorporates a turbo-expander made in the form of a bladed axial machine with a device for controlling partiality, and preferably ceramic rolling bearings are used as supports for the working shaft of the expander turbine with ceramic beads.

Выбор схемы подключения турбонагревателей в установке редуцирования позволяет обеспечить необходимую температуру перед каждым генерирующим турбонагревателем и перепад давления при редуцировании давления газа в детандере для эффективной выработки гидроэнергии или электроэнергии, в зависимости от температуры окружающей среды, температуры транспортируемого газа в магистральном трубопроводе высокого давления и требуемой температуры газа для потребителей в трубопроводе среднего или низкого давления.The choice of the turboheater connection scheme in the reduction unit allows to provide the required temperature in front of each generating turboheater and the pressure drop when reducing the gas pressure in the expander for efficient generation of hydropower or electricity, depending on the ambient temperature, the temperature of the transported gas in the high-pressure main pipeline and the required gas temperature for consumers in medium or low pressure pipelines.

Для высокоточного поддержания температуры турбонагреватель с электронагревателем устанавливается последним перед подачей газа потребителю и мощность его электронагревателя изменяется в зависимости от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя или электронагреватель используется как нагрузка при отсутствии потребителей электроэнергии.For high-precision temperature maintenance, a turbo heater with an electric heater is installed last before gas is supplied to the consumer and the power of its electric heater varies depending on the required gas temperature at the outlet of the turbo heater or the electric heater is used as a load in the absence of electricity consumers.

Для реализации способа нагрева газа, изменения схемы подключения турбонагревателей и автоматического управления в установку редуцирования входит блок управления, который по сигналам от датчиков давления, температуры окружающего воздуха, температуры газа на входе и на выходе из турбонагревателя, датчиков частоты вращения турбины детандера, в зависимости от давления и температуры газа в магистральном трубопроводе высокого давления и требуемом давлении и температуре газа в магистральном трубопроводе низкого давления, управляет: переключением регулирующих запорных клапанов, посредством управляемых приводов, что позволяет системой трубопроводов соединять последовательно и параллельно турбонагреватели и генерирующие турбонагреватели, электронагревателем, в генерирующем турбонагревателе, подключением и отключением генератора электрической энергии, управляемыми приводами регулирующих запорных клапанов, для регулирования температуры и давления газа выходящего из турбонагревателей, и установки редуцирования в целом, при подаче газа потребителям в магистральный трубопровод низкого давления.To implement the gas heating method, change the turboheater connection scheme and automatic control, the reduction unit includes a control unit, which, according to signals from pressure sensors, ambient air temperature, gas temperature at the inlet and outlet of the turboheater, expander turbine speed sensors, depending on pressure and temperature of the gas in the main pipeline of high pressure and the required pressure and temperature of the gas in the main pipeline of low pressure, controls: switching of control shut-off valves, by means of controlled actuators, which allows the piping system to connect in series and parallel turbo-heaters and generating turbo-heaters, electric heater, in the generating turbo-heater , connection and disconnection of the electric power generator, controlled actuators of control shut-off valves to control the temperature and pressure of the gas leaving the turboheaters, and setting the transmission as a whole, when gas is supplied to consumers in the main low-pressure pipeline.

Блок управления также вырабатывает сигналы: для подключения или отключения гидронасоса (гидрогенератора), в другую систему управления для передачи данных, контроля и обеспечения возможности дистанционного управления установкой редуцирования.The control unit also generates signals: to connect or disconnect the hydraulic pump (hydraulic generator), to another control system for data transmission, control and remote control of the reduction unit.

Данный способ позволяет подогреть газ перед турбиной детандера в турбонагревателе, снизить давление газа, выработать гидро- или электроэнергию и нагреть газ до требуемой температуры, направляемый потребителям, поддерживать температуру газа с высокой точностью, предотвратить гидратообразование в редуцируемом газе без затрат электроэнергии, сжигания топлива или использования внешнего источника тепла. Значительно повысить эффективность использования потенциальной энергии сжатого газа.This method makes it possible to heat the gas upstream of the expander turbine in the turbo-heater, reduce the gas pressure, generate hydro or electric power and heat the gas to the required temperature, which is sent to consumers, maintain the gas temperature with high accuracy, and prevent hydrate formation in the reduced gas without spending electricity, burning fuel or using external heat source. Significantly increase the efficiency of using the potential energy of compressed gas.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

Преимущества и особенности изобретения поясняются схемой и конкретнымиThe advantages and features of the invention are illustrated by the diagram and specific

примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, гдеexamples of its implementation with reference to the attached drawings, where

Фиг. 1 - Схема установки редуцирования для осуществления предлагаемого способа нагрева газа;Fig. 1 - Scheme of the reduction installation for the implementation of the proposed method of gas heating;

Фиг. 2 - Турбонагреватель с индукционным нагревателем;Fig. 2 - Turboheater with induction heater;

Фиг. 3 - Турбонагреватель с гидронасосом;Fig. 3 - Turboheater with hydraulic pump;

Фиг. 4 - Турбонагреватель с генератором электрической энергии.Fig. 4 - Turbo heater with electric power generator.

На фиг.1-4 позициями обозначены следующие элементы.In Fig.1-4 positions indicate the following elements.

1 - магистральный трубопровод высокого давления;1 - high pressure main pipeline;

2 - турбонагреватель;2 - turboheater;

3 - генерирующий турбонагреватель;3 - generating turboheater;

4 - гидрогенерирующий турбонагреватель;4 - hydro-generating turbo-heater;

5 - магистральный трубопровод низкого давления;5 - low pressure main pipeline;

6 - турбонагреватель;6 - turboheater;

7 - блок управления;7 - control unit;

8 - регулирующий запорный клапан;8 - control shut-off valve;

9 - управляемый привод;9 - controlled drive;

10 - трубопровод высокого давления;10 - high pressure pipeline;

11 - лопатки соплового аппарата;11 - blades of the nozzle apparatus;

12 - детандер;12 - expander;

13 - лопатки турбины детандера;13 - expander turbine blades;

14 - вал;14 - shaft;

15 - диафрагма;15 - diaphragm;

16 - фланец корпуса высокого давления;16 - high pressure housing flange;

17 - фланец корпуса низкого давления;17 - low pressure casing flange;

18 - шпилька;18 - hairpin;

19 - корпус детандера;19 - expander body;

20 - корпус компрессора аэродинамического нагрева;20 - aerodynamic heating compressor housing;

21 - подшипниковый узел;21 - bearing assembly;

22 - ротор с лопатками;22 - rotor with blades;

23 - разделительные лопатки;23 - separating blades;

24 - подшипниковый узел;24 - bearing assembly;

25 - ротор с постоянными магнитами;25 - rotor with permanent magnets;

26 - стальной теплообменник;26 - steel heat exchanger;

27 - трубопровод низкого давления;27 - low pressure pipeline;

28 - перепускной клапан;28 - bypass valve;

29 - входной патрубок;29 - inlet pipe;

30 - выходной патрубок;30 - outlet pipe;

31 - статор с обмотками;31 - stator with windings;

32 - ротор;32 - rotor;

33 - корпус герметичного кабельного ввода;33 - case of sealed cable entry;

34 - фланец;34 - flange;

G - генератор;G - generator;

Н - электронагреватель;H - electric heater;

N - гидронасос;N - hydraulic pump;

Р - датчик давления;P - pressure sensor;

Т - датчик температуры;T - temperature sensor;

V - датчик частоты вращения.V - speed sensor.

Предлагаемая установка редуцирования для реализации способа нагрева газа содержит (см. фиг.1), подключенные, через систему трубопроводов, к магистральному трубопроводу высокого давления 1 и к магистральному трубопроводу низкого давления 5, через регулирующие запорные клапана 8 с управляемым приводом 9, турбонагреватель 2, турбонагреватель 6 с электронагревателем Н, гидрогенерирующий турбонагреватель 4 с гидронаосом N, и генерирующий турбонагреватель 3 с генератором G электрической энергии.The proposed reduction unit for the implementation of the gas heating method contains (see figure 1), connected, through a piping system, to the high pressure main pipeline 1 and to the low pressure main pipeline 5, through the control shut-off valves 8 with a controlled drive 9, a turbo heater 2, a turbo-heater 6 with an electric heater H, a hydro-generating turbo-heater 4 with a hydro-pump N, and a generating turbo-heater 3 with an electric power generator G.

Управляемые привода 9 регулирующих запорных клапанов 8 управляются от блока управления 7. К блоку управления 7 подключены датчики давления Р и температуры Т на магистральных трубопроводах высокого и низкого давления и датчики давления Р и температуры Т установленные на входе и выходе турбонагревателей 2, 6, генерирующего турбонагревателя 3, гидрогенерирующего турбонагревателя 4. К блоку управления 7 также подключены датчик частоты вращения V турбины детандера в каждом турбонагревателе 2, 3, 4, 6. Генератор G в генерирующем турбонагревателе 3 и электрический нагреватель газа Н в турбонагревателе 6 аналогично подключен к блоку управления 7. Блок управления 7 управляет процессом выработки электроэнергии генератором G и процессом нагрева потока газа в электрическом нагревателе Н.Controlled actuators 9 control shut-off valves 8 are controlled from control unit 7. Pressure sensors P and temperature T on the high and low pressure main pipelines and pressure sensors P and temperature T installed at the inlet and outlet of turboheaters 2, 6, generating turboheater are connected to control unit 7 3 of the hydro-generating turbo-heater 4. The speed sensor V of the expander turbine in each turbo-heater 2, 3, 4, 6 is also connected to the control unit 7. The generator G in the generating turbo-heater 3 and the electric gas heater H in the turbo-heater 6 are similarly connected to the control unit 7. The control unit 7 controls the process of generating electricity by the generator G and the process of heating the gas flow in the electric heater H.

Установка редуцирования работает следующим образом. Газ высокого давления поступает по трубопроводу 1 в турбонагреватель 2, в корпусе которого установлен детандер, в котором срабатывается перепад давлений редуцируемого газа, приводящий во вращение кинематически соединенный с ним нагреватель. Газ более низкого давления, нагретый в нагревателе турбонагревателя 2, поступает в электрогенерирующий турбонагреватель 3, в котором установлен детандер для срабатывания давления газа и привода нагревателя и генератора G электрической энергии.The reduction setup works as follows. The high-pressure gas enters through the pipeline 1 into the turboheater 2, in the casing of which an expander is installed, in which the pressure drop of the reduced gas is generated, which drives the heater kinematically connected to it. The lower pressure gas heated in the heater of the turbo heater 2 enters the electric generating turbo heater 3, in which an expander is installed to actuate the gas pressure and drive the heater and the electric power generator G.

Дальнейшее редуцирование давления газа с нагревом может осуществляться последовательно в гидрогенерирующем турбонагревателе 4 с установленным гидронасосом N и турбонагревателе 6 с электронагревателем Н или одновременно. Турбонагрегватели 2, 3, 4 и 6 можно подключать в определенной последовательности и по отдельности между магистральным трубопроводом высокого давления 1 и магистральным трубопроводом низкого давления 5.Further reduction of the gas pressure with heating can be carried out sequentially in the hydro-generating turbo-heater 4 with the installed hydraulic pump N and the turbo-heater 6 with the electric heater H or simultaneously. Turbo generators 2, 3, 4 and 6 can be connected in a certain sequence and separately between the high pressure main pipeline 1 and the low pressure main pipeline 5.

Предпочтительно турбонагреватель 6 с электронагревателем Н необходимо устанавливать, в схеме установки редуцирования, последним для точного регулирования и поддержания температуры газа направляемого потребителю в магистральный трубопровод низкого давления 5.Preferably, the turbo-heater 6 with electric heater H must be installed last in the reduction plant scheme for precise control and maintenance of the temperature of the gas sent to the consumer in the low-pressure main pipeline 5.

Схема взаимного расположения турбонагревателей выбирается из условия точного поддержания температуры и давления газа при подаче к потребителю.The layout of the mutual arrangement of turboheaters is selected from the condition of accurately maintaining the temperature and pressure of the gas when it is supplied to the consumer.

Процессом переключения турбонагревателей и регулированием температуры и давления управляет блок управления 7, который получает информацию от датчиков давления Р, датчиков температуры Т, установленных в системе, в каждом турбонагревателе и датчиков частоты вращения V турбины детандера, установленных в каждом турбонагревателе с детандером, Блок управления 7 для регулирования давления и температуры газа выходящего из турбонагревателей и установки в магистральный трубопровод низкого давления 5 в зависимости от температуры и давления газа в магистральном трубопроводе высокого давления 1 посредством управляемых приводов 9 регулирующих запорных клапанов 8 осуществляет переключение схемы с турбонагревателями 2, 3, 4, 6 и осуществляет управление генератором G в генерирующем турбонагревателе 3 и электрическим нагревателем Н в турбонагревателе 6.The process of switching the turbo heaters and regulating the temperature and pressure is controlled by the control unit 7, which receives information from pressure sensors P, temperature sensors T installed in the system in each turbo heater and speed sensors V of the expander turbine installed in each turbo heater with expander, Control unit 7 to regulate the pressure and temperature of the gas leaving the turboheaters and installation in the low pressure main pipeline 5, depending on the temperature and pressure of the gas in the high pressure main pipeline 1, by means of controlled drives 9 control shut-off valves 8 switches the circuit with turboheaters 2, 3, 4, 6 and controls the generator G in the generating turbo-heater 3 and the electric heater H in the turbo-heater 6.

Если перепускной клапан 28 в турбонагревателе 2, 3, 4, 6 не сработал и турбина детандера в указанных турбонагревателях начала раскручиваться или температура газа начала расти, то блок управления 7, получив сигналы от датчиков Р, Т и V, отключает турбонагреватель от магистрали высокого и низкого давления посредством воздействия на управляемые привода 9 регулирующих запорных клапанов 8.If the bypass valve 28 in the turbo heater 2, 3, 4, 6 did not work and the expander turbine in the specified turbo heaters began to spin up or the gas temperature began to rise, then the control unit 7, having received signals from sensors P, T and V, disconnects the turbo heater from the high and low pressure by acting on controlled actuators 9 control shut-off valves 8.

Турбонагреватели 2, 3, 4, и 6 могут быть выполнены в виде цилиндрических корпусов соединенных фланцевым соединением друг с другом и с трубопроводами высокого и низкого давления имеющие фланцы для соединения со следующим турбонагревателем или соединительным трубопроводом.Turbo heaters 2, 3, 4, and 6 can be made in the form of cylindrical housings connected by a flange connection with each other and with high and low pressure pipelines having flanges for connection with the next turbo heater or connecting pipeline.

Турбонагреватель 2 может быть выполнен в виде турбонагревателя (см. фиг.2), использующего для нагрева газа компрессор аэродинамического нагрева и индукционный нагреватель в котором используются токи Фуко, возникающие в стальном теплообменнике при вращении постоянных магнитов.The turbo heater 2 can be made in the form of a turbo heater (see figure 2), using an aerodynamic heating compressor and an induction heater to heat the gas, which use Foucault currents that occur in a steel heat exchanger during the rotation of permanent magnets.

Турбонагреватель 2 содержит трубопровод высокого давления 10 по которому в него подается газ, который поступает на лопатки соплового аппарата 11 детандера 12, при расширении со снижением давления газа он совершает работу на лопатках турбины детандера 13 находящегося на валу 14. Полости высокого и низкого давления турбонагревателя 2 разделяет диафрагма 15, зажатая между фланцами частей корпуса высокого давления 16 и 17 корпуса низкого давления. Фланцы 16 и 17 стянуты с помощью шпилек 18. На диафрагме 15 со стороны высокого давления крепится корпус детандера 19 с подшипниковым узлом 24 вала 14. В диафрагме 15 имеются отверстия для выхода газа после рабочего колеса в корпус низкого давления. В корпусе низкого давления с фланцем 17 установлен корпус компрессора аэродинамического нагрева 20 с подшипниковым узлом 21 другого конца вала 14, на котором закреплен ротор с лопатками 22. В корпусе компрессора аэродинамического нагрева 20, расположены разделительные лопатки 23 формирующие полости в которых происходит завихрение и нагрев газа при вращении ротора 22 с лопатками. На валу 14 также жестко закреплены ротор с постоянными магнитами 25, полюса которых чередуются, при вращении постоянных магнитов в стальном теплообменнике 26, индуцируются токи Фуко нагревающие его. Взаимодействие постоянных магнитов со стальным теплообменником 26 тормозит и нагружает детандер 12, тем самым предотвращая увеличение скорости вращения. Выходящий из детандера 12 газ протекает через сквозные каналы в стальном теплообменнике 26 и нагревается. Из стального теплообменника 26 газ поступает в полость корпуса компрессора аэродинамического нагрева 20, в котором при вращении ротора с лопатками 22, происходит частичное восстановление давления потока и повышение температуры потока газа, выходящего из него. Далее газ по трубопроводу низкого давления 27 подается в следующий за ним турбонагреватель или в магистральный трубопровод низкого давления 5. Если перепад давления увеличился и детандер 12 увеличил скорость вращения турбины детандера, то перепускной клапан 28, содержащий, к примеру, центробежный механизм, открывается и перепускает газ из зоны высокого давления в зону низкого давления через отверстие в валу 14.The turbo heater 2 contains a high-pressure pipeline 10 through which gas is supplied to it, which enters the blades of the nozzle apparatus 11 of the expander 12, when expanding with a decrease in gas pressure, it performs work on the blades of the turbine of the expander 13 located on the shaft 14. High and low pressure cavities of the turboheater 2 separates the diaphragm 15, sandwiched between the flanges of the parts of the high pressure housing 16 and 17 of the low pressure housing. Flanges 16 and 17 are tightened with studs 18. On the diaphragm 15 from the high pressure side, the expander body 19 is attached with the bearing assembly 24 of the shaft 14. In the diaphragm 15 there are holes for the gas to escape after the impeller into the low pressure housing. In the low-pressure housing with a flange 17, there is a housing of an aerodynamic heating compressor 20 with a bearing assembly 21 of the other end of the shaft 14, on which a rotor with blades 22 is fixed. during rotation of the rotor 22 with blades. A rotor with permanent magnets 25 is also rigidly fixed on the shaft 14, the poles of which alternate, during the rotation of the permanent magnets in the steel heat exchanger 26, Foucault currents heating it are induced. The interaction of the permanent magnets with the steel heat exchanger 26 slows down and loads the expander 12, thereby preventing an increase in the rotation speed. The gas leaving the expander 12 flows through through channels in the steel heat exchanger 26 and is heated. From the steel heat exchanger 26, the gas enters the cavity of the housing of the aerodynamic heating compressor 20, in which, during the rotation of the rotor with blades 22, there is a partial restoration of the flow pressure and an increase in the temperature of the gas flow leaving it. Further, the gas is supplied through the low pressure pipeline 27 to the next turbo heater or to the low pressure main pipeline 5. If the pressure drop has increased and the expander 12 has increased the speed of rotation of the expander turbine, then the bypass valve 28, containing, for example, a centrifugal mechanism, opens and bypasses gas from the high pressure zone to the low pressure zone through the hole in the shaft 14.

Для нагружения детандера и предотвращения увеличения скорости вращения может использоваться гидронасос кинематически соединенный с валом рабочего колеса детандера. В такой конфигурации на чертеже (см. фиг.3) представлен гидрогенерирующий турбонагреватель 4.To load the expander and prevent an increase in the rotation speed, a hydraulic pump can be used kinematically connected to the shaft of the expander impeller. In this configuration, the drawing (see figure 3) shows a hydro-generating turbo-heater 4.

Гидрогенерирующий турбонагреватель 4 содержит трубопровод высокого давления 10 по которому в него подается газ, который поступает на лопатки соплового аппарата 11 детандера 12, при расширении со снижением давления газа он совершает работу на рабочих лопатках турбины детандера 13 находящейся на валу 14. Полости высокого и низкого давления гидрогенерирующего турбонагревателя 4 разделяет диафрагма 15, зажатая между фланцами частей корпуса высокого давления 16 и 17 корпуса низкого давления. Фланцы 16 и 17 стянуты с помощью шпилек 18. На диафрагме 15 со стороны высокого давления крепится корпус детандера 19 с подшипниковым узлом 24 вала 14. В диафрагме 15 имеются отверстия для выхода газа после рабочего колеса в корпус низкого давления. В корпусе низкого давления с фланцем 17 установлен корпус компрессора аэродинамического нагрева 20 с подшипниковым узлом 21 другого конца вала 14, на котором закреплен ротор с лопатками 22. В корпусе компрессора аэродинамического нагрева 20, расположены разделительные лопатки 23, формирующие полости в которых происходит завихрение и нагрев газа при вращении ротора с лопатками 22. На валу 14 также жестко закреплен вал поршневого гидронасоса N со своими подшипниковыми узлами вращения. Корпус гидронасоса N закреплен на диафрагме 15. На корпусе низкого давления с фланцем 17 расположен входной патрубок 29 для гидрожидкости герметично соединенный гибким шлангом с входным отверстием гидронасоса N, а выходное отверстие для гидрожидкости высокого давления герметично соединено с выходным патрубком 30. Гидронасос N преобразует механическую энергию вращения рабочего колеса с лопатками 13 детандера 12 в гидродинамическую энергию (давление и скорость гидрожидкости) передавая ее по трубопроводам высокого давления, к примеру, на гидромотор, преобразующий гидродинамическую энергию в механическую энергию вращения ротора электрогенератора для выработки электроэнергии или для привода насоса для перекачивания жидкости. Выходящий из детандера 12 газ охлаждает корпус гидронасоса N, нагревается и поступает в полость корпуса компрессора аэродинамического нагрева 20, в котором при вращении ротора с лопатками 22, происходит частичное восстановление давления потока и повышение температуры потока газа, выходящего из него. Далее газ по трубопроводу 27 подается в сеть к потребителю. Перепускной клапан 28 предохраняет от резкого увеличения оборотов вращения вала 14.The hydro-generating turboheater 4 contains a high-pressure pipeline 10 through which gas is supplied to it, which enters the blades of the nozzle apparatus 11 of the expander 12, when expanding with a decrease in gas pressure, it performs work on the rotor blades of the expander turbine 13 located on the shaft 14. High and low pressure cavities The hydro-generating turbo-heater 4 is separated by a diaphragm 15 sandwiched between the flanges of the high-pressure housing parts 16 and 17 of the low-pressure housing. Flanges 16 and 17 are tightened with studs 18. On the diaphragm 15 from the high pressure side, the expander body 19 is attached with the bearing assembly 24 of the shaft 14. In the diaphragm 15 there are holes for the gas to escape after the impeller into the low pressure housing. In the low-pressure housing with a flange 17, there is a housing of an aerodynamic heating compressor 20 with a bearing assembly 21 of the other end of the shaft 14, on which a rotor with blades 22 is fixed. gas during rotation of the rotor with blades 22. On the shaft 14, the shaft of the piston hydraulic pump N with its bearing rotation units is also rigidly fixed. The body of the hydraulic pump N is fixed on the diaphragm 15. On the low-pressure body with a flange 17, there is an inlet pipe 29 for hydraulic fluid, which is hermetically connected by a flexible hose to the inlet of the hydraulic pump N, and the outlet for high-pressure hydraulic fluid is hermetically connected to the outlet pipe 30. The hydraulic pump N converts mechanical energy rotation of the impeller with blades 13 of the expander 12 into hydrodynamic energy (pressure and velocity of hydraulic fluid) transferring it through high pressure pipelines, for example, to a hydraulic motor that converts hydrodynamic energy into mechanical energy of rotation of the rotor of an electric generator to generate electricity or to drive a pump for pumping liquid. The gas leaving the expander 12 cools the housing of the hydraulic pump N, heats up and enters the cavity of the housing of the aerodynamic heating compressor 20, in which, during the rotation of the rotor with blades 22, the flow pressure is partially restored and the temperature of the gas flow leaving it rises. Further, the gas is fed through pipeline 27 to the network to the consumer. The bypass valve 28 protects against a sharp increase in the speed of rotation of the shaft 14.

Генерирующий турбонагреватель 3 аналогично может быть выполнен в виде цилиндрических корпусов соединенных фланцевым соединением друг с другом и с трубопроводами высокого и низкого давления или со следующим турбонагревателем или сетью. Размеры корпусов могут быть одинаковыми, что позволит снизить стоимость изготовления турбонагревателей установки редуцирования газа.The generating turbo-heater 3 can similarly be made in the form of cylindrical housings connected by a flange connection to each other and to high and low pressure pipelines or to the next turbo-heater or network. The dimensions of the housings can be the same, which will reduce the cost of manufacturing gas reduction unit turboheaters.

Генерирующий турбонагреватель 3 (см. фиг.4) содержит трубопровод высокого давления 10 по которому в него подается газ, который поступает на лопатки соплового аппарата 11 детандера 12, при расширении со снижением давления газа он совершает работу на лопатках турбины детандера 13 находящейся на валу 14. Полости высокого и низкого генерирующего турбонагревателя 3 разделяет диафрагма 15, зажатая между фланцами частей корпуса высокого давления 16 и 17 корпуса низкого давления. Фланцы 16 и 17 стянуты с помощью шпилек 18. На диафрагме 15 со стороны высокого давления крепится корпус детандера 19 с подшипниковым узлом 24 вала 14. В диафрагме 15 имеются отверстия для выхода газа после рабочего колеса в корпус низкого давления. В корпусе низкого давления с фланцем 17 на диафрагме 15 закреплен электрический генератор G, имеющий в своем составе статор с обмотками 31 и ротор 32 насаженный на валу 14. Электрические контакты генератора G выведены через корпус герметичного кабельного ввода 33, закрепленном на фланце 34 корпуса низкого давления с фланцем 17. После генератора G установлен корпус компрессора аэродинамического нагрева 20 с подшипниковым узлом 21 другого конца вала 14, на котором закреплен ротор с лопатками 22. В корпусе компрессора аэродинамического нагрева 20, расположены разделительные лопатки 23, формирующие полости в которых происходит завихрение и нагрев газа при вращении ротора с лопатками 22. Электрогенератор G преобразует механическую энергию вращения рабочего колеса 49 с лопатками 13 детандера 12 в электрическую энергию. Выходящий из детандера 12 газ охлаждает корпус генератора G, нагревается и поступает в полость корпуса компрессора аэродинамического нагрева 20, в котором при вращении ротора с лопатками 22, происходит частичное восстановление давления потока и повышение температуры потока газа, выходящего из него. Далее газ по трубопроводу 27 подается в сеть к потребителю. Перепускной клапан 28 предохраняет от резкого увеличения оборотов вращения вала 14.The generating turboheater 3 (see Fig.4) contains a high-pressure pipeline 10 through which gas is supplied to it, which enters the blades of the nozzle apparatus 11 of the expander 12, when expanding with a decrease in gas pressure, it performs work on the blades of the turbine of the expander 13 located on the shaft 14 The cavities of the high and low generating turbo-heater 3 are separated by a diaphragm 15 sandwiched between the flanges of the parts of the high-pressure housing 16 and 17 of the low-pressure housing. Flanges 16 and 17 are tightened with studs 18. On the diaphragm 15 from the high pressure side, the expander body 19 is attached with the bearing assembly 24 of the shaft 14. In the diaphragm 15 there are holes for the gas to escape after the impeller into the low pressure housing. In the low-pressure housing with a flange 17 on the diaphragm 15, an electric generator G is fixed, which includes a stator with windings 31 and a rotor 32 mounted on a shaft 14. The electrical contacts of the generator G are brought out through the housing of a sealed cable gland 33, fixed on the flange 34 of the low-pressure housing with a flange 17. After the generator G, there is an aerodynamic heating compressor housing 20 with a bearing assembly 21 of the other end of the shaft 14, on which a rotor with blades 22 is fixed. gas during rotation of the rotor with blades 22. Electric generator G converts the mechanical energy of rotation of the impeller 49 with blades 13 of the expander 12 into electrical energy. The gas leaving the expander 12 cools the body of the generator G, heats up and enters the cavity of the body of the aerodynamic heating compressor 20, in which, when the rotor with blades 22 rotates, the flow pressure is partially restored and the temperature of the gas flow leaving it rises. Further, the gas is fed through pipeline 27 to the network to the consumer. The bypass valve 28 protects against a sharp increase in the speed of rotation of the shaft 14.

Турбонагреватель 6 по конструктивному устройству аналогичен турбонагревателю 2 или генерирующему турбонагревателю 3, но имеет электронагреватель с электрическими нагревательными элементами, расположенные в потоке газа в корпусе высокого давления до детандера 12 и в корпусе низкого давления.Turbo heater 6 is similar in design to turbo heater 2 or generating turbo heater 3, but has an electric heater with electric heating elements located in the gas flow in the high pressure housing up to the expander 12 and in the low pressure housing.

Таким образом, повышение экономичности и экологических показателей обусловлено отказом от постороннего источника тепла для нагрева газа перед детандером с электрическим генератором и после него.Thus, the increase in efficiency and environmental performance is due to the rejection of an external heat source for heating the gas before and after the expander with an electric generator.

Нагрев газа до и после детандера позволяет исключить образования инея и льда на рабочих поверхностях детандера, гидратообразование в объеме газа после детандера.Gas heating before and after the expander makes it possible to exclude the formation of frost and ice on the working surfaces of the expander, hydrate formation in the volume of gas after the expander.

Для нагрева газа используется только энергия транспортируемого газа и электроэнергия вырабатываемая при редуцировании.To heat the gas, only the energy of the transported gas and the electricity generated during reduction are used.

Точность поддержания температуры газа отправляемого потребителю обеспечивается активным управлением электронагревателем газа в схеме установки редуцирования для реализации способа нагрева газа.The accuracy of maintaining the temperature of the gas sent to the consumer is ensured by the active control of the gas electric heater in the reduction plant circuit for implementing the gas heating method.

Claims

1. The gas reduction and heating plant contains a turboheater, consisting of an expander turbine and a turbine rotation energy converter into thermal energy, placed on the same shaft and located in the same housing, an aerodynamic heating rotor with a two-way gas supply to its blades, mounted on a solid separating disk, coaxially with the rotor in the housing there is an outlet pipe of the heated gas, the flow section of which is blocked by a control valve with a centrifugal temperature controller located on the rotor shaft, and the return spring of the centrifugal controller is designed in such a way that its elasticity is inversely proportional to the temperature of the heated gas, characterized in that the installation reduction contains several turboheaters, which are connected in series and in parallel through a system of pipelines and control shut-off valves with controlled drives from the control unit, containing pressure and temperature sensors, sensors speed, moreover, the power of the expander turbine must be greater to compensate for losses during heating and power generation and depends on the design of the heater, the number of heaters in the turboheater and on the location on the shaft relative to the expander, on the power of the installed hydraulic pump or electric generator, to control the gas temperature, ensure constant speed of the expander turbine and generation of the maximum amount of thermal energy, hydropower or electricity, to accurately maintain the temperature of the gas leaving the reduction unit for consumers, increase the pressure drop during reduction, increase the share of useful potential energy of high-pressure gas for efficient generation of hydropower or electricity, depending on the gas temperature in the high pressure main pipeline and the required gas temperature in the low pressure main pipeline.

2. The reduction plant according to claim 1, containing a turboheater for actuating a pressure drop, which, for gas heating, includes heaters of various structural devices: an electric heater, an aerodynamic turboheater, an induction gas heater with rotating permanent magnets heating a steel heat exchanger, kinematically connected to expander shaft and located on the shaft before the expander in the high pressure zone or after the expander in the low pressure zone, in an amount depending on the required gas temperature at the outlet of the turboheater and the gas pressure drop in the entire reduction unit.

3. The reduction plant according to claim 1, comprising a turboheater for actuating a differential pressure, which, for gas heating, includes, in addition to an aerodynamic and induction gas heater, an electric gas heater located in a high pressure zone or in a low pressure zone after expander, in an amount depending on the required temperature, and receiving electricity from an electric generator installed in the turbo heater, the shaft of which is kinematically connected to the expander shaft, while the turbo heater with an electric heater is installed last before gas is supplied to the consumer and the power of its electric heater varies depending on the required gas temperature by outlet of the turbo heater or the electric heater is used as a load in the absence of electricity consumers.

4. The reduction plant according to claim 1, containing a turbo-heater for triggering a gas pressure drop, which has a hydraulic pump in its composition, which serves as an additional load for the expander, the drive shaft of which is kinematically connected to the shaft of the expander and the rotor of the aerodynamic heating compressor, and converts the mechanical rotational energy of the expander impeller into hydrodynamic energy (pressure and velocity of hydraulic fluid), transferring it through high-pressure pipelines to a hydraulic motor, which converts hydrodynamic energy into mechanical energy of rotation of the rotor of an electric generator to generate electricity or to drive, for example, a pump or compressor located at a distance from the reduction setting.

5. The reduction plant according to claim 1, comprising a turboheater for triggering a gas differential pressure, which contains an induction gas heater with a rotating rotor, the outer surface around the circumference of which is equipped with permanent magnets or electric magnets, with alternating poles, located on one a shaft with an expander and kinematically connected to the expander and the rotor of the aerodynamic heating compressor, and a stationary heat exchanger in the turboheater housing, with holes for the passage of gas, made of magnetic material around the rotor, which is heated under the influence of an alternating magnetic field from a rotating rotor with permanent magnets, thereby heating the gas leaving the expander and passing through it before entering the aerodynamic heating compressor, and for powering the electromagnets there is an electric generator, the shaft of which is kinematically connected to the expander shaft.

6. The reduction plant according to claim 1, comprising a turboheater for actuating the pressure difference connected to the high pressure gas pipeline at the inlet and the low pressure pipeline at the outlet, while to prevent the expansion of the expander when the pressure drop of the reduced gas increases in the high pressure zone, a bypass valve is installed , which is controlled by a centrifugal regulator and which, when the expander rotation speed is exceeded, opens and bypasses gas from the high pressure zone in front of the expander to the low pressure zone after the expander through a hole made inside the shaft with the expander impeller.

7. The reduction unit according to claim 1, containing a turboheater having two sealed housings connected by means of flanges with studs, inside of which there is: an expander, a generator and heaters, kinematically united by a single shaft, while one part of the sealed housing has a branch pipe for connecting a high pressure pipeline pressure and in it there is a nozzle part of the expander with a device for controlling partiality in the form of a partial nozzle apparatus, made in the form of a damper, closing the part of the nozzle apparatus for controlling the degree of partiality, and in the other part of the housing with a branch pipe for connecting a low-pressure pipeline, there is an expander impeller, and which are divided into a zone of high and low pressure by a diaphragm, with holes for gas outlet from the nozzle part of the expander, while the size of the hole in the diaphragm depends on the pressure drop of the reduced gas and the temperature of the gas in front of the expander nozzle clamped by the compressor. between the flanges of the housing parts and through which the shaft with the expander impeller passes, and preferably ceramic rolling bearings with ceramic balls are used as shaft supports.

8. The reduction unit according to claim 1, containing several turboheaters, united by a piping system, in which there are control shut-off valves, with controlled drives, has a control unit, which, according to signals from pressure and gas temperature sensors at the inlet and outlet of the turbo-heating units and frequency sensors rotation of the expanders, depending on the pressure and temperature of the gas in the high-pressure main pipeline and the required pressure and temperature of the gas in the low-pressure main pipeline, controls: switching of control shut-off valves in the pipeline system, by means of controlled drives, connects the turboheaters in series and in parallel, controls the electric heater, electromagnets in the induction heater, connects and disconnects the generator, to control the gas flow, pressure, pressure drop and gas temperature in the turbo-heaters of the reduction unit and maintains the gas parameters before supplying the consumer tel in the main pipeline of low pressure.

9. The gas heating method used in the reduction unit according to claim 1, which consists in maintaining the pressure drop, the optimum gas temperature and pressure, with high accuracy, in the reduction unit and at the outlet of the reduction unit, for which the entire gas pressure drop between the high-pressure main pipeline and the low-pressure main pipeline, which must be activated when the gas pressure is reduced and ensure the required gas temperature, is divided into several unequal parts, and is usefully used in turboheaters with expanders, in which the gas pressure is reduced and it is heated in heaters, included in the turbo heaters, connected through a system of pipelines with control shut-off valves in a certain sequence, while the turbo heater with an electric heater is installed last before gas is supplied to the consumer and the power of its electric heater varies depending on the required temperature gas at the outlet of the turbo heater or an electric heater is used as a load in the absence of electricity consumers, namely, according to the information received and signals from pressure, temperature, speed sensors, the control unit, to ensure the required pressure drop during reduction, maintain pressure and temperature of the gas leaving the turbo heaters , and installations for reduction into a low-pressure main pipeline without the use of external energy sources for gas heating.

10. The method according to claim 9, characterized in that the induction gas heater with rotating permanent magnets is installed in the turboheater, heating a steel heat exchanger with holes for the passage of gas, kinematically connected to the expander shaft and located on the shaft before the expander in the high pressure zone or after the expander in the low pressure zone, in an amount depending on the required gas temperature at the outlet of the turboheater, an induction heater with electric magnets, for the power supply of which an electric generator is installed, the shaft of which is also kinematically connected to the expander shaft, a bypass valve is installed, which is controlled by a centrifugal regulator and which, when when the expander rotation speed is exceeded, it opens and bypasses gas from the high-pressure zone before the expander to the low-pressure zone after the expander through a hole made inside the expander shaft, the aerodynamic heating rotor in the high-pressure zone before the expander and in the low-pressure zone after the expander, a hydraulic pump for loading the expander, an electric generator.