RU45780U1 - Установка для получения электроэнергии - Google Patents

Abstract

Использование: Для получения электроэнергии в установках, работа которых основана на использовании в качестве рабочего тела газообразных и/или жидких сред, находящихся под собственным высоким давлением на больших глубинах.

Существо: Установка для получения электроэнергии содержит турбину, в корпусе которой расположены на общем валу аэрогидродинамические элементы, выполненные, например, в виде наклонных лопаток, при этом вал турбины жестко связан с ротором электрогенератора, выходами которого являются выходы его статорной обмотки, элементы турбины размещены в проходной камере, установленной на выходе газовой и/или газоконденсатной скважины, причем выход проходной камеры связан с магистралью передачи жидких и/или газообразных полезных ископаемых к потребителю.

В одном из вариантов конструкции турбина совмещена с ротором электрогенератора, выполненного из материала, стойкого к воздействию агрессивных сред, например, из керамики, внутри которой вмонтированы постоянные магниты с высокой коэрцетивной силой, при этом постоянные магниты изготовлены на основе редкоземельных металлов.

Устройство содержит и выходных каналов, где n>1, (n-1) дополнительных проходных камер с турбинами и (n-1) дополнительных электрогенераторов, а также входной и выходной коллекторы, каждая из дополнительных турбин кинематически связана с ротором соответствующего электрогенератора, причем выход газовой и/или газоконденсатной скважины связан через входной коллектор со входами проходных камер, выходы которых связаны через выходной коллектор с магистралью передачи жидких и/или газообразных полезных ископаемых к потребителю.

В устройство также входят блок управления и синхронизатор, связанный с роторами электрогенераторов, входы блока управления соединены с обмотками электрогенераторов, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам электрогенераторов и синхронизатора, при этом статорные обмотки генераторов соединены параллельно с согласованием фаз переменного напряжения, снимаемого с этих обмоток.

Description

Полезная модель относится к устройствам для получения электроэнергии, основанным на использовании в качестве рабочего тела газообразных и/или жидких сред, находящихся под собственным высоким давлением на больших глубинах, и может быть использована при проектировании установок для преобразования кинетической энергии этих сред в электроэнергию с обеспечением возможности использования этих сред по своему прямому назначению в качестве полезных ископаемых.

Известна газовая гидроэлектростанция [1], содержащая блок газовых силовых установок, размещенных в полости бассейна с рабочим агентом, буферную камеру, гидротурбину, блок управления и соединительные трубопроводы, причем газовая силовая установка выполнена в виде герметичной камеры сгорания с впускным и выпускным возвратными клапанами для рабочего агента и снабжена камерой предварительного зажигания газовоздушной смеси со свечой зажигания и поплавковым клапаном, фиксирующим уровень рабочего агента в герметичной камере сгорания, при этом буферная камера, стабилизирующая скорость потока рабочего агента, установлена на трубопроводе подачи рабочего агента на гидротурбину, после которой отработанный рабочий агент по трубопроводу поступает вновь в бассейн, а блок управления связан с поплавковым клапаном, системой впрыска газовоздушной смеси и свечой зажигания.

В известном техническом решении реализован традиционный способ воспламенения топливной смеси в камере сгорания и преобразования механической энергии вращения, вырабатываемой турбиной, в электрическую энергию.

Такая электростанция обладает недостатками, заключающимися в безвозвратном сгорании полезного компонента (газа) и образовании при этом экологически вредных веществ.

Наиболее близким по технической сущности к прелагаемому техническому решению является известная газотурбодетандерная установка [2], содержит турбодетандер и авиационный газотурбинный двигатель. В такой установке совмещена работа

турбодетандера природного газа при снижении давления газа в нем на газораспределительных станциях и газорегуляторных пунктах и работы авиационного газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления на выходе из турбодетандера, при этом работу авиационного двигателя осуществляют при его изменяемой мощности вплоть до ее нулевого значения с поддержанием температуры природного газа на выходе из турбодетандера не ниже 273 К.

В известной установке используется энергию сгорания природного газа, а следовательно, как и вышеупомянутые известные технические решения обладает отмеченным выше недостатком, заключающимся в безвозвратном сгорании полезного компонента (газа) без использования его потенциальной энергии.

Технический результат, заключающийся в устранении отмеченного недостатка, достигается в установке для получения электроэнергии, содержащей турбину, в корпусе которой на общем валу расположены аэрогидродинамические элементы, выполненные, например, в виде наклонных лопаток, при этом вал турбины жестко связан с ротором электрогенератора, электрическими выходами которого являются выходы его статорной обмотки, тем, что элементы турбины размещены в проходной камере, расположенной на выходе газовой и/или газоконденсатной скважины, а выход проходной камеры связан с магистралью передачи жидких и/или газообразных полезных ископаемых к потребителю.

Для достижения технического результата в одном из вариантов конструкции турбина совмещена с ротором электрогенератора, выполненного из материала, стойкого к воздействию агрессивных сред, например, из керамики, в которую вмонтированы постоянные магниты с высокой коэрцетивной силой, при этом постоянные магниты изготовлены на основе редкоземельных металлов.

Для повышения вырабатываемой мощности установка содержит п выходных каналов, где n>1, (n-1) дополнительных проходных камер с турбинами и (n-1) дополнительных электрогенераторов, а также входной и выходной коллекторы, каждая из дополнительных турбин кинематически связана с ротором соответствующего электрогенератора, причем выход газовой и/или газоконденсатной скважины связан через входной коллектор со входами проходных камер, выходы которых связаны через выходной коллектор с магистралью передачи жидких и/или газообразных полезных ископаемых к потребителю.

Для повышения надежности работы установка содержит блок управления и синхронизатор, связанный с роторами электрогенераторов, входы блока управления соединены со статорными обмотками электрогенераторов, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам электрогенераторов и синхронизатора.

Кроме того, для достижения технического результата, заключающегося в повышении вырабатываемой мощности статорные обмотки генераторов соединены параллельно с согласованием фаз переменного напряжения, снимаемого с этих обмоток.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 представлена структурная схема установки;

- на фиг.2 изображен возможный вариант конструкции электрогенератора;

- на фиг.3 приведена схема параллельного включения обмоток генераторов.

Работа установки основана на преобразовании кинетической энергии жидкой или газообразной среды во вращательное движение турбины, связанной с ротором электрогенератора, при этом в качестве рабочего тела используют жидкостной и/или газовый поток природных ископаемых, извлекаемых из скважин.

При этом указанный поток направляют на вращательные элементы турбины и после ее прохождения подают в магистраль потребления природных ископаемых.

Известны месторождения природного газа, содержащие газ под значительным давлением. Величина этого давления может достигать нескольких сотен атмосфер.

Газ в них находится под давлением более тысячи атмосфер при температуре около 450 градусов Цельсия (723 К).

Учитывая, что величина давления, необходимая для транспорта газа по магистральным газопроводам составляет 70-100 атмосфер, существует значительное избыточное давление природного газа или газоконденсата. Это избыточное давление может быть использовано как для производства электроэнергии.

Необходимо отметить, что речь здесь идет не об энергии сгорания (теплоте сгорания) природного газа, а той составляющей энергии, которой обладает любой сжатый газ или газоконденсат.

Проведенные расчеты показывают, что для одного миллиарда куб. метров газа, находящегося в недрах под собственным высоким давлением потенциальная энергия составляет 6*10¹⁹ джоулей !!! Роль компрессора выполняют силы земной «тектоники»,

скомпрессировавшие километровыми толщами горных пород миллиарды кубических метров газа или газоконденсата.

Установка для реализации способа получения электроэнергии монтируется на выходе скважины 1.

Установка содержит один или n выходных каналов, где n>1, с проходными камерами 2, входы которых через фланцевые соединения 3 с уплотнениями (на чертеже не показаны) связаны через входной коллектор 4 с выходом буровой скважины 1.

Выходы проходных камер 2 связаны через фланцевые соединения 5 с уплотнениями (на чертеже не показаны) со входами выходного коллектора 6, выход которого связан с магистралью 7 передачи жидких и/или газообразных полезных ископаемых к потребителю.

В проходных камерах 2 размещены турбины 8, в корпусе которой расположены на общем валу 9 аэрогидродинамические элементы, выполненные, например, в виде наклонных лопаток 10.

Валы 10 турбин 8 жестко связаны через соединительные муфты 11 с роторами 12 электрогенераторов 13.

Установка содержит также блок 14 управления и синхронизатор 15, связанный через соединительные муфты 16 с роторами 12 электрогенераторов 13.

Входы блока 14 управления соединены со статорными обмотками 17 электрогенераторов 13, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам электрогенераторов 13 и синхронизатора 15.

Статорные обмотки 17 электрогенераторов 13 (G1 - G4) соединены параллельно (см. фиг.3) с согласованием фаз переменного напряжения, снимаемого с этих обмоток.

На фиг.3 турбины 8 изображены условно и обозначены символами Т1 - Т2.

Выходы А, В, С являются выходами с трехфазным переменным напряжением.

В одном из вариантов конструкции (фиг.2) турбина 8 совмещена с ротором 12 электрогенератора 13, выполненного из материала, стойкого к воздействию агрессивных сред, например, из керамики, в которую вмонтированы постоянные магниты 17 с высокой коэрцетивной силой. При этом постоянные магниты 17 изготовлены на основе редкоземельных металлов.

Установка для получения электроэнергии работает следующим образом.

Газовый и/или газоконденсатный поток под высоким давлением из скважины 1 поступает во входной коллектор 4, посредством которого он распределяется по п отдельным независимым каналам с проходными камерами 2, в которых размещены турбины 8, в корпусе которой расположены на общем валу 9 аэрогидродинамические элементы, выполненные, например, в виде наклонных лопаток 10. Под воздействием потока газовой и/или жидкой среды (газоконденсата) турбины 8 приводятся во вращение.

Поскольку валы 10 турбин 8 жестко связаны через соединительные муфты 11 с роторами 12 электрогенераторов 13, то они также вращаются с той же угловой скоростью.

В приведенной конструкции роторы 12 содержат постоянные магниты с высокой коэрцетивной силой, благодаря чему в статорных обмотках 18 наводится трехфазное переменное напряжение, подаваемое от каждого синхронного генератора 13 через блок управления 14 на выход устройства (выходы А, В, С) к потребителю электроэнергии.

Для приведения скорости вращения роторов 12 всех генераторов 13 к одному и тому же значению служит синхронизатор 15, связанный с роторами 12 через соединительные муфты 16. Синхронизатор 15 - электромеханического типа, содержит в своем составе взаимосвязанные шестереночные передачи и элементы управления (на чертежах не показаны).

Блок управления 14 служит для обеспечения согласованной работы электрогенераторов 13 и формирования управляющих сигналов, поступающих на статорные обмотки 18, а также для согласования фаз напряжения, поступающего от всех электрогенераторов 13.

Благодаря параллельному включению электрогенераторов 13 (фиг.3) обеспечивается повышение мощности электрической энергии, получаемой в устройстве.

Вместе с тем, газовый или газоконденсатный поток, прошедший проходные камеры 2, поступает через выходной коллектор 6 далее в основную магистраль 7. Поскольку начальное давление на выходе скважин 1 является достаточно высоким, а потери кинетической энергии потока среды в турбинах 2 являются сравнительно небольшими, то на входе потока в магистраль 7 передачи полезных ископаемых к потребителю давление среды остается еще достаточно высоким и используется для транспортировки углеводородного сырья к потребителю.

Параллельная схема включения турбин и электрогенераторов способствует улучшению условий эксплуатации, т.к. отдельные каналы в случае необходимости можно

временно отключать для проведения ремонта или профилактического обслуживания без нарушения работоспособности всего устройства.

Расположение установки на выходе скважины 1 (на поверхности земли) способствует легкому доступу обслуживающего персонала к элементам устройства для диагностики и технического обслуживания.

Таким образом, предложенная установка для получения электроэнергии в отличие от известных технических средств получения электроэнергии позволяет использовать потенциальную и кинетическую энергию газа или газоконденсата, находящихся под высоким давлением, без потери массового количества сырья и с сохранением физико-химических характеристик углеводородных полезных ископаемых, используемых после соответствующей переработки как углеводородное топливо или сырье для химической промышленности.

Проведенные опытные испытания экспериментальной установки подтвердили возможность использования ее в промышленных масштабах.

Для реализация предлагаемого технического решения используются типовые конструктивные элементы и узлы, применяемые в газовой, нефтяной или электротехнической промышленности

У Академии технологических наук РФ имеются разработки керамических многополюсных турбин с постоянными магнитами. На роторе расположены от 12 до 24 постоянных магнитов на основе гексаферрита бария, обладающих высокой коэрцетивной силой и модулем магнитной индукции. С внешней стороны турбины находится стационарная трехфазная обмотка. В турбине отсутствуют какие либо коллекторные узлы и скользящие контакты, т.е. турбина выполнена в пожаро- взрывобезопасном исполнении. Керамическая турбина обладает высокой стойкостью к коррозии и может работать в химически агрессивной среде.

Таким образом предлагаемое техническое решение соответствуют условиям патентоспособности полезной модели - «новизне» и «промышленной применимости».

Источники информации:

1. Патент РФ №2154171, М. Кл. F 01 К, 25/02, 2000 г.

2. Патент РФ №2091592, М. Кл. F 01 К, 27/00, 1997 г.

Claims (6)

1. Установка для получения электроэнергии, содержащая турбину, в корпусе которой на общем валу расположены аэрогидродинамические элементы, выполненные, например, в виде наклонных лопаток, при этом вал турбины жестко связан с ротором электрогенератора, электрическими выходами которого являются выходы его статорной обмотки, причем элементы турбины размещены в проходной камере, расположенной на выходе газовой и/или газоконденсатной скважины, а выход проходной камеры связан с магистралью передачи жидких и/или газообразных полезных ископаемых к потребителю.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что турбина совмещена с ротором электрогенератора, выполненного из материала, стойкого к воздействию агрессивных сред, например, из керамики, в которую вмонтированы постоянные магниты с высокой коэрцетивной силой.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что постоянные магниты изготовлены на основе редкоземельных металлов.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит n выходных каналов, где n>1, (n-1) дополнительных проходных камер с турбинами и (n-1) дополнительных электрогенераторов, а также входной и выходной коллекторы, каждая из дополнительных турбин кинематически связана с ротором соответствующего электрогенератора, причем выход газовой и/или газоконденсатной скважины связан через входной коллектор со входами проходных камер, выходы которых связаны через выходной коллектор с магистралью передачи жидких и/или газообразных полезных ископаемых к потребителю.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что она содержит блок управления и синхронизатор, связанный с роторами электрогенераторов, входы блока управления соединены со статорными обмотками электрогенераторов, а соответствующие выходы подключены к управляющим входам электрогенераторов и синхронизатора.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что статорные обмотки генераторов соединены параллельно с согласованием фаз переменного напряжения, снимаемого с этих обмоток.