WO2017048149A1 - Способ преобразования энергии газообразного рабочего тела и установка для его осуществления - Google Patents

Способ преобразования энергии газообразного рабочего тела и установка для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
WO2017048149A1
WO2017048149A1 PCT/RU2015/000588 RU2015000588W WO2017048149A1 WO 2017048149 A1 WO2017048149 A1 WO 2017048149A1 RU 2015000588 W RU2015000588 W RU 2015000588W WO 2017048149 A1 WO2017048149 A1 WO 2017048149A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
working fluid
expansion
impeller
gaseous working
gas
Prior art date
Application number
PCT/RU2015/000588
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Кирилл Леонидович ЛЕВКОВ
Леонид Федорович ЛЕВКОВ
Алесандр Леонидович НОВИКОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Турбоэнерджи"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Турбоэнерджи" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Турбоэнерджи"
Priority to CN201580083226.5A priority Critical patent/CN108055857A/zh
Priority to EP15904207.6A priority patent/EP3351724A4/en
Priority to EA201890680A priority patent/EA035797B1/ru
Priority to PCT/RU2015/000588 priority patent/WO2017048149A1/ru
Priority to US15/760,721 priority patent/US20180252106A1/en
Publication of WO2017048149A1 publication Critical patent/WO2017048149A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/06—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially radially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/12—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines with repeated action on same blade ring
    • F01D1/14—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines with repeated action on same blade ring traversed by the working-fluid substantially radially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/10—Heating, e.g. warming-up before starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/06—Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/06—Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • F01D9/065—Fluid supply or removal conduits traversing the working fluid flow, e.g. for lubrication-, cooling-, or sealing fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/02—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being an unheated pressurised gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/60—Application making use of surplus or waste energy
    • F05D2220/62—Application making use of surplus or waste energy with energy recovery turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/213—Heat transfer, e.g. cooling by the provision of a heat exchanger within the cooling circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence

Definitions

  • the claimed group of inventions relates to the field of energy, in particular to devices and methods for utilizing the energy of excess pressure of a gaseous working fluid in a turbogenerator, namely, the conversion of energy of excess pressure of a gaseous working fluid into mechanical / electrical energy.
  • High-power turbogenerator plants are known from the prior art: 1-10 MW (turbogas http: // www urbogaz ⁇ com ⁇ ⁇ a / equi ment / turbodetand ⁇ / utdu ⁇ html, Cryocor
  • DGU-8 is designed for large initial gas pressures, i.e. applicable for GDS. Such stations have significantly greater potential than 8 kW, which this installation can generate.
  • a gascontrol installation is also known in the art from http://wvvw.gascontrol.cz/en/ etcy/expanzni-turbina.html.
  • the specified installation is implemented according to a single-stage scheme, which does not allow for regulation when the pressure and gas flow rate change. Since the available heat transfer is triggered at one stage, the unit is able to work exclusively in a narrow load range. A small output power not only limits the scope, but also increases the payback period of this installation. Work in a narrow range of capacities limits the number of acceptable objects for implementation.
  • the use of the known installation is possible only on the gas distribution system, which significantly reduces the number of potential places of use.
  • microturbo expander MDG-20 see information source http://stc-mtt.ru/mikroturbodetandernyj-generator- elektricheskoj-moshhnostyu-20-kvt-mdg-20.
  • MDG-20 see information source http://stc-mtt.ru/mikroturbodetandernyj-generator- elektricheskoj-moshhnostyu-20-kvt-mdg-20.
  • the installation was designed to provide the needs of the GDS with electricity.
  • the simplest single-stage scheme has been implemented. Regulation is carried out by changing the rotor speed. A high-speed electric generator and gas bearings are used. This solution complicates and increases the cost of construction.
  • the MTG 160 turbo expander is also known from the prior art (see the information source https://www.honevwellprocess.com/librarv/rnarketing/tech- specs / MTG eng 0702.pdf) there is no natural gas heater, therefore, heating is not carried out, or is used external heater with high temperature coolant (gas burning is required).
  • a single-stage scheme using a high-speed radial wheel is implemented. Regulation is carried out by changing the rotor speed. A high-speed electric generator is used.
  • the prior art apparatus for using the energy of the differential pressure of a gaseous working fluid and a method of using the energy of the differential pressure of a gaseous working fluid. (see patent BY 10032 C1, F17D 1/00, publ. 30.12.2007).
  • the unit for using the energy of the differential pressure of the gaseous working fluid contains:
  • an expansion turbomachine comprising a casing with an impeller located therein with blades mounted on a shaft that is connected to a mechanical energy extraction shaft;
  • nozzles for supplying a gaseous working fluid with nozzle blocks for supplying a gaseous working fluid to the blades of the impeller and branch pipes for withdrawing a gaseous working fluid;
  • the disadvantages of this method is the difficulty of creating a sufficient heat transfer surface while maintaining minimal hydraulic losses for the flow of a gaseous working fluid, as well as ensuring the optimal ratio and / C hell at all stages of expansion
  • the technical problem solved by the claimed group of inventions is the creation of a technology and device that allows efficiently, economically and reliably utilize the excess pressure energy 25 of the gaseous working fluid, namely, to convert the excess pressure energy of the gaseous working fluid into mechanical / electrical energy.
  • the technical result of the claimed invention is to increase the efficiency and reliability of the claimed device, to increase the efficiency of the technology of using the energy of the differential pressure of the gaseous working fluid, reducing the pressure of the gaseous working fluid to several consumer levels.
  • the device for converting energy of the differential pressure of the gaseous a working fluid comprising a housing, a consumer of generated mechanical energy installed therein, and an expansion turbine with an impeller with blades, the housing of which includes nozzle channels and reverse guide channels, gas ducts, pipes for supplying and removing heat carrier 5, pipes for supplying a gaseous working medium to the impeller and branch pipes for the removal of the gaseous working fluid, and the impeller is mounted on a shaft connected to the shaft of the consumer of generated mechanical energy, and the reverse guide channel s are located around the circumference of the impeller with angular displacements in the direction of rotation of the impeller, and are interconnected by gas ducts with the possibility of the formation of successive stages of expansion of the gaseous working fluid, with the inlet of each gas duct connected to the return guide channel, and the outlet of the gas duct connected to the nozzle channel, while the gas ducts are made in the form of bent 15 pipes and are located inside the device with
  • the gas ducts are additionally equipped with heat transfer intensifiers, in the form of fins, which allows to increase the area of the heat transfer surface and to turbolize the coolant flows.
  • the expansion turbine is made in the form of a single impeller of a radial type.
  • the technical result of the claimed invention is achieved due to the fact that they use the energy of the differential pressure of the gaseous working fluid in the device for converting the energy of the differential pressure of the gaseous working fluid, comprising a housing, a consumer of generated mechanical energy installed in it, and an expansion turbine with an impeller with blades, the housing of which includes nozzle channels and return guide channels, gas ducts, nozzles for supplying and discharging a heat carrier, nozzles for supplying a gaseous worker of the body to the impeller and discharge pipes a gaseous working fluid, and the impeller is mounted on a shaft connected to a consumer shaft of generated mechanical energy, the return guide channels being arranged around the circumference of the impeller with angular displacements in the direction of rotation of the impeller, and
  • Figure 2 - i-s diagram of methane (I - single-stage expansion with subsequent heating, II - single-stage heating with expansion, III - multi-stage expansion with intermediate heating between steps); zo Fig.Z - schematic diagram of the design of the installation;
  • the claimed device consists of a turbine for expanding a gaseous working fluid, a heat exchanger for supplying thermal energy to a gaseous working fluid, an electric generator for converting the mechanical energy of rotation of the turbine impeller into electrical energy.
  • These structural elements 15 of the claimed device are combined into a single structure with a sealed enclosure. The use of the claimed device allows the efficient use of low-potential secondary energy resources to generate electricity without fuel consumption.
  • the claimed installation (FIG. 3) consists of an outer 20 housing made detachable and consisting of two parts (1, 2), a turbine part consisting of an expansion turbine housing (14) and one radial impeller located therein (3) with rotor blades, nozzle channels and return guide channels (4) located around the circumference of the impeller (3) with angular displacements in the direction of rotation of the impeller 25, and interconnected by gas ducts (5), forming a heat exchange surface (heat exchanger), cogenerator (10), located to - inside the unit.
  • the housing of the installation is equipped with a supply pipe (6) and a pipe outlet (7) of the gaseous working fluid, as well as a supply pipe (8) and a pipe outlet (9) of the coolant,
  • Gas ducts (5) are formed by rows of bent pipes located inside a part of the housing and forming a heat exchanger with it (Fig. 4). Gas ducts (5) can be additionally equipped with heat transfer intensifiers (12), made in the form of fins and allowing to increase the efficiency of heat transfer.
  • gas ducts (5) in conjunction with nozzle channels and reverse 5 guide channels (4) form the expansion stages of the gaseous working fluid.
  • Nozzle channels are installed at the outlet of each gas duct (5), and the input of each gas duct (5) is made from the return guide channel.
  • Nozzle channels and reverse guide channels (4) of the gas ducts (5) are located around the circumference of the impeller (3). Thus, there is a multistage expansion of the gaseous working fluid on one impeller (3) during its successive movement from one sector of the impeller (3) to another.
  • the number of the mentioned expansion stages of the gaseous working fluid can be brought up to thirty.
  • the impeller (3) is directly connected to the rotor of the electric generator (10) by installing the impeller (3) on the shaft of the electric generator (10).
  • An electric generator (10) is located inside the unit.
  • Parts (1, 2) of the installation case are tightly connected, which is especially important when working with explosive and fire hazardous gases.
  • a 20 airtight explosion-proof output of electric cables (11) from the generator (10) is arranged.
  • an adjustment device (13) is installed that provides stabilization and maintenance of the outlet pressure of the gaseous working fluid at the required level, with a change in the flow rate of 25 gaseous working fluids, the adjustment is made according to the pressure at the outlet of the last expansion stage.
  • Labyrinth seals are made in the form of concentric scallops located on the hub of the impeller (3) and the internal housing of the installation (14).
  • the flow of the gaseous working fluid enters the installation through the pipe (6) and the adjusting device (13), passes the nozzle channels (4) of the first 35 stage of expansion of the gaseous working fluid and the impeller blades (3), enters the gas duct (5) and through them to the nozzle channel (4) of the second stage. Having passed the nozzle channel (4) of the second stage, the specified flow passes through the gas duct (5) to the blades of the impeller (3) of the third stage and so on, moving sequentially through the gas ducts through several stages, leaves the turbine unit through the pipe (7) with the required final pressure 5 )
  • a large part of the thermal energy is transferred from the generator (10) to the gaseous working fluid, with the aim of cooling the generator (10) and 20 to increase the temperature of the gaseous working fluid.
  • thermodynamic process of gas expansion at a constant temperature is practically realized (Fig. 2).
  • Fig. 2 thermodynamic process of gas expansion at a constant temperature
  • Pressure reduction occurs with equal degrees of pressure decrease and triggered heat drop at all stages of expansion of the gaseous working fluid.
  • the supply of thermal energy to the working fluid is carried out from a low-potential external coolant to the expansion on the impeller and / or before each stage of expansion, as well as by removing the heat
  • thermodynamic process of expansion of a gaseous working fluid with its simultaneous heating before each stage of expansion approaches an isothermal process.
  • thermodynamic process of expansion of the working fluid with its simultaneous cooling after each stage of expansion approaches an isentropic (ideal adiabatic process).
  • any gases under excessive pressure natural gas, water vapor, etc.
  • any thermal waste hot water or water vapor and condensate from production, flue gases, hot air, vehicle exhaust, heat generated by electric transformers and any other devices, etc.
  • Rankine cycle working fluid with a low boiling point: butane, pentane, etc.
  • Brighton cycle working fluid: flue gases, air, etc.
  • the decrease in pressure occurs with equal degrees of decrease in pressure and triggered heat transfer at all stages of expansion of the gaseous working fluid.
  • the gas temperature decreases: about 10 ° C per step of the pressure reduction step of 0.1 MPa.
  • some of the components that make up the natural gas mixture change their
  • Fig. 1 shows various expansion processes in a p-v diagram where the technical work is depicted as a hatched area.
  • the isothermal flow variant characterized by the greatest work of the process, and the degree of approximation depends on the number of steps.
  • the heat difference triggered at each stage is reduced in proportion to the number of stages of expansion and, accordingly, the heat of the process of heating the stream before the next stage of expansion decreases (Fig. 2).
  • Fig. 2 the heat of the process of heating the stream before the next stage of expansion decreases.
  • the work of the adiabatic process on the i-s diagram is represented by a segment on the ordinate axis, and in the case of multi-stage expansion of the flow, consisting of a set of adiabatic and isobaric processes, it is determined by the sum of the triggered heat drops of all stages.
  • Option N ° I of the implementation of the same set of processes allows the use of coolants with relatively low temperatures, but is characterized by less work.
  • Option N ° II of the implementation of the specified set of expansion processes is characterized by the greatest work, which is associated with an increase in the initial temperature, however, its implementation requires a high-potential coolant.
  • the gaseous working fluid enters the installation through the inlet gas pipeline, passes the nozzles of the first stage and the blades of the wheel, enters the gas channels and goes through them to the nozzles of the second stage. Having passed the nozzles of the second stage, through gas channels it again enters the blades of the wheels of the third stage and then, moving sequentially through the channels through several stages with the required final pressure, leaves the turbine unit through the exhaust gas pipeline.
  • the supply of thermal energy to the gaseous working body 20 is carried out before expansion and / or before each stage of expansion.
  • the gaseous working fluid moves inside the channels, and the liquid or gaseous coolant from the pipelines enters the interchannel space and, washing the channels from the outside, carries out heat exchange with the gaseous working fluid, after which the coolant is removed through 25 pipelines from the claimed installation.
  • the installation differs from the known turbogenerators in that a turbine, a heat exchanger and an electric generator are combined in one unit. Multistage expansion of the flow occurs on one impeller during its successive movement from one sector of the wheel to another. The heating of the flow occurs repeatedly, in accordance with the number of stages of expansion, during its movement from one sector of the impeller to another.
  • the channels are formed by rows of bent pipes of the corresponding diameter, the heating coolant moves in the annulus.
  • any gas located both in the ideal gas and in the vapor areas can be used. Heating coolant - any low-temperature coolant. The pressures and temperatures of both utilized streams may be different.
  • the claimed installation is regulated when changing the costs and parameters of the incoming and outgoing flows of natural gas.
  • Natural gas is heated by low-temperature (up to 30 ° ⁇ ) coolant (water, thermal waste, etc.) in the built-in heat exchanger. Heating is carried out in stages, after each stage of expansion. This reduces the requirements for the temperature potential of the heating medium. This property is also an innovative solution.
  • the installation works without fuel consumption; as a result of its use, there is no fuel burning for gas heating. Only part of the energy already consumed (secondary) is used. Therefore, the installation is environmentally friendly.
  • the installation is a low-speed unit, unlike existing low-power turbogenerators. This allows you to simplify the design, reduce cost and increase its service life.
  • the compact size and versatility of the installation allows it to be placed in the buildings of the gas distribution and hydraulic fracturing or in an extension to them with a minimum amount of additional fittings.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к энергетике. Устройство преобразования энергии перепада давления газообразного рабочего тела содержит корпус, потребитель вырабатываемой механической энергии и расширительную турбину с рабочим колесом с лопатками. Корпус турбины включает сопловые каналы и обратные направляющие каналы, газоводы, патрубки для подвода и отвода теплоносителя, патрубки подвода и отвода рабочего тела. Обратные направляющие каналы расположены по окружности рабочего колеса с угловым смещением по направлению вращения рабочего колеса и соединены между собой газоводами с образованием последовательных ступеней расширения. Газоводы выполнены в виде изогнутых труб и расположены внутри корпуса устройства с образованием теплообменника. Многократное расширение рабочего тела производят последовательно на одном рабочем колесе со скоростью потока на выходе из сопловых каналов каждой ступени в пределах чисел Маха 0,3 -0,5 и оптимальным отношением окружной скорости рабочего колеса к располагаемому теплоперепаду 0,5 в каждой ступени расширения с равными степенями понижения давления на каждой ступени расширения. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования энергии.

Description

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ГАЗООБРАЗНОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА
И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
5 Область техники, которой относится изобретение
Заявленная группа изобретений относится к области энергетики, в частности к устройствам и способам утилизация энергии избыточного давления газообразного рабочего тела в турбогенераторе, а именно преобразования энергии избыточного давления газообразного рабочего тела в ю механическую/электрическую энергию.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известны турбогенераторные установки большой мощности: 1-10 МВт (турбогаз http://www urbogaz■com■υa/equi ment/turbodetandг/utdu■html, Криокор
15 http://www.crvocor.ru/index.php?option=com content&view=article&id=23&ltemid=67.
Atlas Сорсо http://www.atlascopco-gap.com/products/expanders/, CryoStar http://www.crvostar.com/web/turboexpanders.php. GE http://site.ge- energy.com/businesses/ge_oilandgas/en/literature/en/downloads/turbo_generators.pdf), которые способны работать только при больших перепадах давления и расходах
20 газообразного рабочего тела. Это существенно ограничивает область их применения, особенно при использовании для утилизации вторичных (побочных) энергоресурсов в промышленности, газотранспортной системе, жилищно- коммунальном хозяйстве и т.д. Например такие установки можно использовать только в системах газообеспечения крупных объектов с непрерывным большим,
25 на уровне ста тысяч - одного миллиона кубометров, часовым потреблением газа.
Существует ограниченное число таких объектов: крупные города, крупные тепловые электрические станции, большие заводы.
Для расширения круга объектов, допускающих утилизацию энергии избыточного давления газообразного рабочего тела, необходимы установки зо малой мощности, способные работать при малых расходах и перепадах давления.
В частности установки предназначенные для работы на газораспределитеных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах и установках (ГРП и ГРУ) с небольшими расходами газа. Такие установки представлены всего несколькими фирмами в США, Германии, Чехии, России и Украине.
Тренды в области установок малой мощности различаются в зависимости от страны. Так, в США и Германии разрабатываются и производятся
5 высокооборотные одноступенчатые радиально-осевые турбинные установки (до 100 ООО об/мин) с применением газодинамических или электродинамических подшипников и высокочастотных генераторов (компания RMG и др.). В России и Украине используются в основном одноступенчатые осевые низкооборотные турбины (до 3000 об/мин) в сочетании с промышленными электрогенераторами. ю Однако разработаны также установки для утилизации энергии избыточного давления природного газа с большим числом оборотов (Микротурбинные технологии http://stc-mtt.ru/mikroturbodetandernyj-generator-elektricheskoj- moshhnostyu-20-kvt-mdg-20, Турбохолод http://www.turbokholod.ru/content/ciO- pagei.html).
15 Альтернативными вариантами преобразования энергии избыточного давления газообразного рабочего тела в электроэнергию служат струйные (ООО «Укрнефтезапчасть» http://nnhpe.spbstu.ru/wp-content/uploads/2015/02/88_tda- SRT.pdf), винтовые машины (Langson http://www.langsonenergy.com/products/turbo- expanders-gas) и установки других типов
20 Однако, по-прежнему, вопросы подогрева газа решаются за счет сжигания части газа или за счет другого высокотемпературного источника. Не решены также проблемы стабильного регулирования изменения давления и расхода природного газа, надежности и долговечности установок
Из уровня техники известна детандер-генераторная установка (см. источник
25 информации http://www.turboqaz.com.ua/eng/equipment/turbodetandr/dqu.html ). В указанной установке отсутствует подогреватель природного газа, в результате чего подогрев не осуществляется, или используется внешний подогреватель с высокотемпературным теплоносителем, для чего требуется сжигание газа. Реализована одноступенчатая схема, которая не позволяет осуществлять зо регулирование при изменении давления и расхода газа. Так как располагаемый теплоперепад срабатывается на одной ступени, то установка способна работать в узком диапазоне нагрузок. К достоинствам можно отнести простоту конструкции, к недостаткам - низкую эффективность (30%) и ограниченное количество объектов, на которых эта установка может применяться. Известно о нескольких объектах, на
35 которых работали данные машины. Однако ДГУ-8 рассчитана на большие начальные давления газа, т.е. применима для ГРС. Такие станции обладают существенно большим потенциалом, чем 8 кВт, которые может сгенерировать данная установка.
Из уровня техники также известна установка фирмы Gascontrol http://wvvw.gascontrol.cz/en/produkty/expanzni-turbina.html. В известной установке также отсутствует подогрев природного газа, следовательно, подогрев не осуществляется, или используется внешний подогреватель с высокотемпературным теплоносителем (требуется сжигание газа). Указанная установка реализована по одноступенчатой схеме, которая не позволяет осуществлять регулирование при изменении давления и расхода газа. Так как располагаемый теплоперепад срабатывается на одной ступени, то установка способна работать исключительно в узком диапазоне нагрузок. Небольшая выходная мощность не только ограничивает область применения, но и увеличивает срок окупаемости данной установки. Работа в узком диапазоне мощностей ограничивает количество допустимых объектов для внедрения. Применение известной установки возможно только на ГРС, что заметно снижает число потенциальных мест использования.
Также известна из уровня техники микротурбодетандерная установка МДГ- 20 (см. источник информации http://stc-mtt.ru/mikroturbodetandernyj-generator- elektricheskoj-moshhnostyu-20-kvt-mdg-20). В указанной установке отсутствует подогреватель природного газа, следовательно, подогрев не осуществляется, или используется внешний подогреватель с высокотемпературным теплоносителем (требующий сжигание газа). Установка разрабатывалась с целью обеспечить собственные нужды ГРС электроэнергией. Реализована простейшая одноступенчатая схема. Регулирование осуществляется за счет изменения частоты вращения ротора. Применены высокооборотный электрогенератор и газовые подшипники. Данное решение усложняет и удорожает конструкцию. Число объектов, которые обуславливает эта установка, ограничено ввиду необходимости высокого входного давления и постоянного расхода газа. Производитель ориентируется на создание машин только для ГРС, поэтому используется всего около 10% возможных площадок для установки турбодетандеров. Узкая направленность самой установки (применима только для собственного обеспечения ГРС электроэнергией) ограничивает диапазон ее использования, хотя такие станции обладают существенно большим энергетическим потенциалом. Близкая ситуация с установками другой российской компании ТурбоХолод (см. выше).
Также из уровня техники известен турбодетандерный агрегат ТДА-СРТ-55 (см. http://ukrnz.com.ua/). В известном агрегате используется внешний подогреватель рабочего газа с высокотемпературным теплоносителем (требуется сжигание газа). Реализована одноступенчатая схема с применением струйно- реактивной турбины, которая не позволяет осуществлять регулирование при изменении давления и расхода газа. Упрощением конструкции является применение струйной, а не лопаточной машины. Это удешевляет установку, однако сказывается на ее энергетической эффективности.
Из уровня техники также известен турбодетандер MTG 160 (См. источник информации https://www.honevwellprocess.com/librarv/rnarketing/tech- specs/MTG rus 0702.pdf) отсутствует подогреватель природного газа, следовательно, подогрев не осуществляется, или используется внешний подогреватель с высокотемпературным теплоносителем (требуется сжигание газа). Реализована одноступенчатая схема с применением высокооборотного радиального колеса. Регулирование осуществляется за счет изменения частоты вращения ротора. Применен высокооборотный электрогенератор.
Из уровня техники известен агрегат для использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела и способ использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела. (см. патент BY 10032 С1 , F17D 1/00, опубл. 30.12.2007). Агрегат для использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела содержит:
- расширительную турбомашину, содержащую кожух с расположенным в нем рабочим колесом с лопатками, установленным на валу, который связан с валом отбора механической энергии;
- патрубки подвода газообразного рабочего тела с блоками сопел для подвода газообразного рабочего тела к лопаткам рабочего колеса и патрубками отвода газообразного рабочего тела;
- корпус, содержащий расширительную турбомашину, снабженный патрубками подвода и отвода теплоносителя;
- спиральные каналы, образующие теплообменники, расположенные между корпусом и кожухом, каждые полвитка, которых размещены по обеим сторонам рабочего колеса, при этом один их конец снабжен блоком сопел. Недостатками известного агрегата является большое гидравлическое сопротивление каналов газового тракта, вследствие чего снижается перепад давления для совершения полезной работы в виде механической (электрической) энергии. Присутствует также не оптимальность выходного профиля рабочих 5 лапоток, вследствие требований к их симметричности. Имеются потери на выколачивания потока в ступенях турбины из-за изменения направления течения потока.
Из указанного выше патента BY 10032 С1 известен также способ использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела, в ю котором неоднократно расширяют газообразное рабочее тело при одновременном понижении его давления, температуры и отводят вырабатываемую при этом механическую энергию, при этом после каждого расширения газообразного рабочего тела осуществляется его принудительный нагрев или охлаждение теплоносителем в теплообменнике, расположенном непосредственно внутри
15 корпуса агрегата...
Недостатками известного способа является сложность создания достаточной теплопередающей поверхности с сохранением минимальных гидравлических потерь для потока газообразного рабочего тела, а также обеспечение оптимального отношения и/Сад на всех ступенях расширения
20 газообразного тела.
Сущность изобретения
Технической задачей, решаемой заявленной группой изобретений, является создание технологии и устройства, позволяющего эффективно, экономично и надежно утилизировать энергию избыточного давления 25 газообразного рабочего тела, а именно преобразовать энергию избыточного давления газообразного рабочего тела в механическую/электрическую энергию.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении КПД и надежности заявленного устройства, в повышении эффективности технологии использования энергии перепада давления зо газообразного рабочего тела, редуцирования давления газообразного рабочего тела до нескольких потребительских уровней.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что устройство преобразования энергии перепада давления газообразного рабочего тела, содержащее, корпус, установленные в нем потребитель вырабатываемой механической энергии и расширительную турбину с рабочим колесом с лопатками, корпус которой включает сопловые каналы и обратные направляющие каналы, газоводы, патрубки для подвода и отвода теплоносителя 5 патрубки подвода газообразного рабочего тела к рабочему колесу и патрубки отвода газообразного рабочего тела, а рабочее колесо установлено на валу, соединенным с валом потребителя вырабатываемой механической энергии, причем обратные направляющие каналы расположены по окружности рабочего колеса с ю угловым смещениями по направлению вращения рабочего колеса, и соединены между собой газоводами с возможностью образования последовательных ступеней расширения газообразного рабочего тела, при чем вход каждого газовода соединен с обратным направляющим каналом, а выход газовода соединен с сопловым каналом, при этом газоводы выполнены в виде изогнутых 15 труб и расположены внутри корпуса устройства с образованием теплообменника.
В частном случае реализации заявленного изобретения газоводы дополнительно снабжены интенсификаторами теплообмена, в виде оребрения позволяющего увеличить площадь теплопередающей поверхности и турболизировать потоки теплоносителей.
20 В частном случае реализации заявленного изобретения расширительная турбина выполнена в виде одного рабочего колеса радиального типа.
В частном случае реализации заявленного изобретения на входе сопловых каналов по давлению на выходе из последней ступени расширения сопловых каналов выполнено регулировочное устройство.
25 Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того что используют энергию перепада давления газообразного рабочего тела в устройстве преобразования энергии перепада давления газообразного рабочего тела, содержащим, корпус, установленные в нем потребитель вырабатываемой механической энергии и расширительную турбину с рабочим колесом с зо лопатками, корпус которой включает сопловые каналы и обратные направляющие каналы, газоводы, патрубки для подвода и отвода теплоносителя патрубки подвода газообразного рабочего тела к рабочему колесу и патрубки отвода газообразного рабочего тела, а рабочее колесо установлено на валу, соединенным с валом потребителя вырабатываемой механической энергии, причем обратные направляющие каналы расположены по окружности рабочего колеса с угловым смещениями по направлению вращения рабочего колеса, и
5 соединены между собой газоводами с возможностью образования последовательных ступеней расширения газообразного рабочего тела, при чем вход каждого газовода соединен с обратным направляющим каналом, а выход газовода соединен с сопловым каналом, при этом газоводы выполнены в виде изогнутых труб и расположены внутри корпуса устройства с образованием ю теплообменника, включая многократное расширение газообразного рабочего тела и отвод вырабатываемой механической энергии, нагрев или охлаждение теплообменником в теплоносителе рабочего тела после каждого расширения, причем многократное расширение рабочего тела производят последовательно на одном 15 рабочем колесе, со скоростью потока газообразного рабочего тела на выходе из сопловых каналов каждой ступени в пределах чисел Маха 0,3-0,5 и оптимальном отношение 11/Сад = 0,5 в каждой ступени расширения с равными степенями понижения давления синхронно с теплоперепадом на каждой ступени расширения газообразного рабочего тела.
20 Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящей группы технических решений следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного способа и устройства с использованием чертежей, на которых показано:
25 Фиг.1 - процессы расширения идеального газа (1-2а, 1-2 и 1-а-б-в-г-д-2 - соответственно адиабатный, изотермический, многоступенчатый процессы.);
Фиг.2 - i-s диаграмма метана (I - одноступенчатое расширение с последующим подогревом, II - одноступенчатый подогрев с расширением, III - многоступенчатое расширение с промежуточным подогревом между ступенями); зо Фиг.З - принципиальная схема конструкции установки;
Фиг.4 - принципиально расположение газоводов. На фигурах позициями обозначены следующие элементы:
1 - первая часть разъемного наружного корпуса; 2 - вторая часть разъемного наружного корпуса; 3 - рабочее колесо; 4 - сопловые каналы и обратные направляющие каналы; 5 - газоводы; 6 -патрубок подвода 5 газообразного рабочего тела; 7 -патрубок отвода газообразного рабочего тела; 8 - патрубок подвода теплоносителя; 9 - патрубок отвода теплоносителя; 10 - электрогенератор; 11 -вывод электрокабеля; 12 - интенсификаторы теплообмена; 13 - регулировочное устройство; 14- корпус расширительной турбины ю Раскрытие изобретения
Заявленное устройство состоит из турбины для расширения газообразного рабочего тела, теплообменника для подвода тепловой энергии газообразному рабочему телу, электрогенератора для преобразования механической энергии вращения рабочего колеса турбины в электрическую. Указанные конструктивные 15 элементы заявленного устройства объединены в единую конструкцию герметичным корпусом. Использование заявленного устройства позволяет эффективно использовать низкопотенциальные побочные энергоресурсы для выработки электроэнергии без потребления топлива.
Более детально, заявленная установка (фиг 3) состоит из наружного 20 корпуса, выполненного разъемным и состоящим из двух частей (1 ,2), турбинной части, состоящей из корпуса расширительной турбины (14) и расположенным в нем одним радиальным рабочим колесом (3) с рабочими лопатками, сопловыми каналами и обратными направляющими каналами (4) расположенными по окружности рабочего колеса (3) с угловыми смещениями по направлению 25 вращения рабочего колеса, и соединенные между собой газоводами (5), образующие теплообменную поверхность (теплообменник), электрогенератора (10), расположенного к— внутри корпуса установки. Корпус установки снабжен патрубком подвода (6) и патрубком отвода (7) газообразного рабочего тела, а также патрубком подвода (8) и патрубком отвода (9) теплоносителя,
зо Газоводы (5) образованы рядами изогнутых труб, расположенными внутри части корпуса, и образующие с ней теплообменник (Фиг. 4). Газоводы (5) могут быть дополнительно снабжены интенсификаторами теплообмена (12), выполненными в виде оребрения и позволяющими увеличивать эффективность теплообмена.
Причем, газоводы (5) в совокупности с сопловыми каналами и обратными 5 направляющими каналами (4) образуют ступени расширения газообразного рабочего тела. Сопловые каналы установлены на выходе из каждого газовода (5), а вход каждого газовода (5) выполнен с обратного направляющего канала.
Сопловые каналы и обратные направляющие каналов (4) газоводов (5) расположены по окружности рабочего колеса (3). Таким образом, происходит ю многоступенчатое расширение газообразного рабочего тела на одном рабочем колесе(З) в ходе его последовательного перемещения с одного сектора рабочего колеса (3) к другому.
Количество упомянутых ступеней расширения газообразного рабочего тела может быть доведено до тридцати.
15 Рабочее колесо (3) напрямую соединено с ротором электрогенератора (10), посредством установки рабочего колеса (3) на валу электрогенератора (10).
Электрогенератор (10) располагается внутри установки.
Части (1 ,2) корпуса установки соединены герметично, что особенно важно при работе с взрывопожароопасными газами. Через корпус устраивается 20 герметичный взрывозащищённый вывод электрокабелей (11) от электрогенератора (10).
На входе сопловых каналов установлено регулировочное устройство (13) которое обеспечивает стабилизацию и поддержание выходного давления газообразного рабочего тела на требуемом уровне, при изменении расхода 25 газообразного рабочего тела, регулировка происходит по давлению на выходе из последней ступени расширения.
Снижение потерь в установке на переток газообразного рабочего тела из зон высокого в зоны низкого давления, а именно от одной ступени расширения газообразного рабочего тела к последующей, производится путем устройства зо лабиринтных уплотнений. Лабиринтные уплотнения выполнены в виде концентрических гребешков расположенных на ступице рабочего колеса (3) и внутреннем корпусе установки (14).
Поток газообразного рабочего тела поступает в установку через патрубок (6) и регулировочное устройство (13), проходит сопловые каналы (4) первой 35 ступени расширения газообразного рабочего тела и лопатки рабочего колеса (3), поступает в газовод (5) и по ним - к сопловому каналу (4) второй ступени. Пройдя сопловой канал (4) второй ступени указанный поток, по газоводу (5) вновь поступает на лопатки рабочего колеса (3) третьей ступени и так далее, двигаясь последовательно по газоводам через несколько ступеней, с требуемым конечным 5 давлением покидает турбоагрегат через патрубок (7).
Происходит многоступенчатое снижение давления потока газообразного рабочего тела на лопатках одного рабочего колеса (3), которое осуществляется за счет его парциального подвода.
В установке подвод тепловой энергии к газообразному рабочему телу ю происходит между ступенями расширения. Газ движется внутри газоводов (5), а теплоноситель из патрубка (8) поступает в часть (2) корпуса, омывая упомянутые газоводы (5). и, подогревает газообразное рабочее тело. Охлажденный теплоноситель отводится через патрубок (9).
После последней ступени расширения газообразное рабочее тело, 15 посредством каналов, выполненных во внутреннем корпусе (14), поступает в полость части (1) корпуса установки и дополнительно подогревается, за счет отвода тепловой энергии от корпуса электрогенератора (10). Осуществляется передача большой части тепловой энергии от электрогенератора (10) газообразному рабочему телу, с целью охлаждения электрогенератора (10) и 20 повышения температуры газообразного рабочего тела.
При многократном подогреве газа между ступенями расширения практически реализуется термодинамический процесс расширения газа при постоянной температуре (фиг 2). Согласно теории термодинамики, при изотермическом процессе вся теплота, переданная теплоносителем 25 газообразному рабочему телу, расходуется на совершение внешней механической работы.
При этом достигается эффективное использование потока газообразного рабочего тела под избыточным давлением и низкопотенциального теплого потока для подогрева. зо Многоступенчатый парциальный подвод газообразного рабочего тела с его промежуточным подогревом низкопотенциальным тепловым потоком на одно низкооборотное рабочее колесо сопряженное с ротором электрогенератора, расположенного внутри корпуса установки позволяет эффективно утилизировать
ю низкопотенциальные потоки газообразного рабочего тела (с малым расходом и перепадом давления), обеспечивая: сокращение перетоков рабочего тела вследствие обеспечения отношения h/b не менее 1 , что положительно сказывается на лопаточном КПД установки и 5 высоте рабочих лопаток; низкие скорости потока рабочего тела (число Маха 0,3-0,5) и низкая частота вращения рабочего колеса (до 3500 об/мин), позволяющего увеличить надежность и простоту установки путем применения общепромышленных электрогенераторов и подшипниковых узлов, сохраняя при этом оптимальное отношение и/Сзд =0,5 и ю возможность обеспечения требуемого подогрева между ступенями (на 1кВт вырабатываемой электроэнергии подводится 1 кВт тепловой) размещение установки в одном корпусе обеспечивает эффективное охлаждение электрогенератора с использование избытка тепловой энергии (10- 20% от электрической мощности генератора) для подогрева рабочего тела, 15 существенно упрощая отбор энергии от установки внешнему потребителю и увеличивая надежность работы электрогенератора.
Заявленный способ преобразования энергии газообразного рабочего тела включающий многократное расширение при одновременном понижении его давления, температуры и отвод вырабатываемой механической энергии, 20 многократный нагрев или охлаждение теплоносителем в теплообменнике после каждого расширения, отличающийся тем, что многоступенчатое последовательное расширение осуществляют со скоростью потока газообразного рабочего тела на выходе из сопловых каналов каждой ступени в пределах чисел Маха 0,3-0,5 и оптимальном отношение 25 и/Сад=0,5 на каждой ступени расширения.
Снижение давления происходит с равными степенями понижения давления и срабатываемого теплоперепада на всех ступенях расширения газообразного рабочего тела.
При изменении расхода газообразного рабочего тела стабилизация и зо поддержание выходного давления газообразного рабочего тела на требуемом уровне происходит в регулировочном устройстве на входе сопловых каналов по давлению на выходе из последней ступени расширения. многократное расширение газообразного рабочего тела, осуществление принудительного нагрева или охлаждения теплоносителем в теплообменнике 5 расположенным непосредственно внутри корпуса агрегата, и отвод механической энергии, при этом
многократно (многоступенчатое) расширяют газообразное рабочее тело в пределах одного рабочего колеса, при условии сохранения оптимального отношения окружной скорости рабочего колеса к располагаемому теплоперепаду ю (U/Сад) на каждом этапе расширения, с одновременным многократным (многоступенчатым) подогревом (охлаждением) газообразного рабочего тела.
- Производится многократное расширение в пределах одного рабочего колеса (3), путем подвода рабочего тела через сопловые каналы (4) расположенные по окружности рабочего колеса (3), с одновременным
15 межступенчатым подогревом рабочего тела в каналах соединяющих выход предыдущей с каналом последующей ступени расширения.
- Подвод тепловой энергии рабочему телу осуществляется от низкопотенциального внешнего теплоносителя до расширения на рабочем колесе и/или перед каждой ступенью расширения, а также путем отвода тепловой
20 энергии от электрогенератора и передачи ее газообразному рабочему телу.
- Возможна реализация процесса внутренний рекуперации путем, передачи тепловой энергии газообразного рабочего тела движущегося по газовым каналам к тому же газообразному рабочему телу, находящемуся в межканальном пространстве. Таким образом возможно осуществить еще большее охлаждение
25 расширенного газообразного рабочего тела самим холодным газообразным рабочим телом.
- Термодинамический процесс расширения газообразного рабочего тела с одновременным его подогревом перед каждой ступенью расширения приближается к изотермическому процессу.
зо - Термодинамический процесс расширения рабочего тела с одновременным его охлаждением после каждой ступени расширения приближается к изоэнтропическому (идеальному адиабатическому процессу).
- В качестве рабочего тела возможно использование любых газов, находящихся под избыточным давлением (природный газ, водяной пар и др.), а в качестве теплоносителя любых тепловых отходов (горячая вода или водяной пар и конденсат с производств, дымовые газы, горячий воздух, выхлопные газы транспортных средств, теплота, выделяемая электротрансформаторами и любыми другими устройствами, и т.д.). При этом энергетическая установка
5 включается в состав установки, работающей по замкнутому энергетическому циклу, в частности по циклу Ренкина (рабочее тело с низкой температурой кипения: бутан, пентан и т.д.), или по циклу Брайтона (рабочее тело: дымовые газы, воздух и т.д.).
Снижение давления происходит с равными степенями понижения давления ю и срабатываемого теплоперепада на всех ступенях расширения газообразного рабочего тела.
При изменении расхода газообразного рабочего тела стабилизация и поддержание выходного давления газообразного рабочего тела на требуемом уровне происходит в регулировочном устройстве на входе сопловых каналов по
15 давлению на выходе из последней ступени расширения.
В результате преобразования энергии сжатого газа в работу в ходе адиабатного расширения происходит снижение температуры газа: порядка 10°С на шаг ступени снижения давления в 0,1 МПа. Например, при низкой температуре некоторые компоненты, составляющие смесь «природный газ» изменяют свое
20 содержание в потоке газа, а избыточное количество в ином агрегатном состоянии выделяется в поток. При охлаждении ниже температуры точки росы избыточная влага выделяется в жидкой или твердой фазах. Тяжелые углеводороды, например, пропан-бутановые фракции, в соответствии с изотермой равновесия частично переходят в жидкое состояние. В результате образуется смесь подобие
25 снежной массы, которая негативно воздействует на проточную часть турбины, с одной стороны, увеличивает необратимые потери изменяя геометрические характеристики направляющего аппарата, с другой - снижает надежность работы установки из-за возможности ускоренного разрушения рабочих лопаток. Кроме того, по нормам, природный газ должен поступать потребителю с температурой не зо ниже +5°С. Поэтому его необходимо подогревать до или после турбогенератора, о чем говорилось выше. В существующих утилизационных турбогенераторах газ либо не подогревается, что связано с небольшим теплоперепадом, срабатываемом в них, либо подогревается водой с температурой 70 - 130°С. Нагрев природного газа, в свою очередь, зависит от срабатываемого теплоперепада и начальной температуры потока газа. В последнем случае могут возникнуть проблемы с обеспечением установки требуемым теплоносителем.
На фиг 1 представлены различные процессы расширения в p-v диаграмме, где техническая работа изображается заштрихованной площадью. Очевидно, что при многоступенчатом расширении имеет место приближение к изотермическому варианту протекания, характеризующемуся наибольшей работой процесса, а степень приближения зависит от числа ступеней.
Теплоперепад, срабатываемый на каждой ступени, снижается пропорционально числу ступеней расширения и, соответственно, уменьшается теплота процесса подогрева потока перед следующей ступенью расширения (фиг 2). В конечном итоге, в пределе возможно в качестве греющего теплоносителя использование оборотной воды систем охлаждения и других потоков, утилизация которых представляет интерес, но затруднена в связи с низким температурным потенциалом.
В условиях низкой стоимости энергоносителей применяются дешевые и надежные машины - регуляторы давления на базе процесса дросселирования, с соответствующими потерями эксергии. Принято с достаточной точностью считать, что энтальпия начальной и конечной точек процесса дросселирования одинакова, однако ход необратимого процесса не известен, и изображается он на i-s диаграмме пунктиром i=const.
Работа адиабатного процесса на i-s-диаграмме изображается отрезком на оси ординат, а в случае многоступенчатого расширения потока, состоящего из совокупности адиабатных и изобарных процессов, определяется суммой срабатываемых теплоперепадов всех ступеней.
Вариант N° I реализации той же совокупности процессов допускает использование теплоносителей с относительно невысокими температурами, но характеризуется меньшей работой.
Вариант N° II реализации указанной совокупности процессов расширения характеризуется наибольшей работой, что связано с увеличением начальной температуры, однако для его реализации необходим высокопотенциальный теплоноситель.
Для решения задачи устранения недостатков обоих вариантов целесообразно рассмотреть возможность применения многоступенчатого расширения потока газа с промежуточным подводом теплоты после каждой ступени (вариант Ns III), что приближает процесс к изотермическому и, как известно, увеличивает отводимую работу. При этом тепловой перепад, срабатываемый на каждой ступени, и теплота процесса возврата температуры потока газа к начальному значению после расширения в каждой ступени снижаются пропорционально числу ступеней расширения, в связи с чем 5 оказывается возможным использование для нагрева рабочего тела низкотемпературного теплоносителя, например, использование оборотной воды и пр.
Газообразное рабочее тело поступает в установку через подводящий газопровод, проходит сопла первой ступени и лопатки колеса, поступает в ю газовые каналы и по ним направляется к соплам второй ступени. Пройдя сопла второй ступени, по газовым каналам оно вновь через сопла поступает на лопатки колеса третьей ступени и далее, двигаясь последовательно по каналам через несколько ступеней с требуемым конечным давлением покидает турбоагрегат через отводящий газопровод.
15 Происходит многоступенчатое снижение давления газообразного рабочего тела на рабочих лопатках одного рабочего колеса, которое осуществляется за счет парциального многократного возврата газообразного рабочего тела газа на рабочее колесо. Число ступеней расширения может быть доведено до тридцати.
В заявленной установке подвод тепловой энергии газообразному рабочему 20 телу осуществляется до расширения и/ или перед каждой ступенью расширения.
Газообразное рабочее тело движется внутри каналов, а жидкий или газообразный теплоноситель из трубопроводов поступает в межканальное пространство и, омывая каналы снаружи, осуществляет теплообмен с газообразным рабочим телом, после этого теплоноситель отводится через 25 трубопроводы из заявленной установки. Установка отличается от известных турбогенераторов тем, что в одном агрегате совмещаются турбина, теплообменник и электрогенератор. Многоступенчатое расширение потока происходит на одном рабочем колесе в ходе его последовательного перемещения с одного сектора колеса к другому. зо Нагрев потока происходит многократно, в соответствии с числом ступеней расширения, во время его движения от одного сектора рабочего колеса к другому. Каналы образованы рядами изогнутых труб соответствующего диаметра, греющий теплоноситель движется в межтрубном пространстве. В установке может быть использован любой газ, находящийся как в идеально-газовой, так и в паровой областях. Греющим теплоносителем - любой низкотемпературный теплоноситель. Давления и температуры обоих утилизируемых потоков могут быть различными. Заявленная установка регулируется при изменении расходов и параметров входящего и выходящего потоков природного газа.
Подогрев природного газа осуществляется низкотемпературным (до 30 °С) теплоносителем (водой, тепловыми отходами и т.д.) во встроенном теплообменнике. Подогрев осуществляется поэтапно, после каждой ступени расширения. Это снижает требования к температурному потенциалу греющего теплоносителя. Данное свойство также является новаторским решением.
Установка работает без потребления топлива, в результате ее использования не происходит сжигания топлива для подогрева газа. Используется лишь часть уже затраченной энергии (вторичной). Следовательно, установка является экологически чистой.
Установка является тихоходным агрегатом в отличие от существующих турбогенераторов малой мощности. Это позволяет упростить конструкцию, снизить стоимость и повысить срок ее службы.
Компактные размеры и универсальность установки (не требуется применения дополнительного оборудования) позволяют размещать ее в зданиях ГРС и ГРП или пристройке к ним с минимальным количеством дополнительной арматуры.
При работе с взрыво- и пожароопасным газом необходимо обеспечивать высокий класс герметичности, который достигается за счет капсульного размещения электрогенератора.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство преобразования энергии перепада давления газообразного рабочего тела, содержащее, корпус, установленные в нем потребитель вырабатываемой механической энергии и расширительную турбину с рабочим 5 колесом с лопатками, корпус которой включает сопловые каналы и обратные направляющие каналы, газоводы, патрубки для подвода и отвода теплоносителя патрубки подвода газообразного рабочего тела к рабочему колесу и патрубки отвода газообразного рабочего тела, а рабочее колесо установлено на валу, соединенным с валом потребителя вырабатываемой механической энергии,
10 отличающееся тем, что обратные направляющие каналы расположены по окружности рабочего колеса с угловым смещениями по направлению вращения рабочего колеса, и соединены между собой газоводами с возможностью образования последовательных ступеней расширения газообразного рабочего тела, при чем вход каждого 15 газовода соединен с обратным направляющим каналом, а выход газовода соединен с сопловым каналом, при этом газоводы выполнены в виде изогнутых труб и расположены внутри корпуса устройства с образованием теплообменника.
2. Устройство по п.1 , отличающееся тем, что газоводы дополнительно снабжены интенсификаторами теплообмена, в виде оребрения позволяющего
20 увеличить площадь теплопередающей поверхности и турболизировать потоки теплоносителей.
3. Устройство по п.1 , отличающееся тем, что расширительная турбина выполнена в виде одного рабочего колеса радиального типа.
4. Устройство по п.1 , отличающее тем, что на входе сопловых каналов 25 по давлению на выходе из последней ступени расширения сопловых каналов выполнено регулировочное устройство.
5. Способ использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела, осуществляемый в Устройстве по пп. 1-4 включающий многократное расширение газообразного рабочего тела и отвод вырабатываемой зо механической энергии, нагрев или охлаждение теплообменником в теплоносителе рабочего тела после каждого расширения, отличающийся тем, что многократное расширение рабочего тела производят последовательно на одном рабочем колесе, со скоростью потока газообразного рабочего тела на выходе из сопловых каналов каждой ступени в пределах чисел Маха 0,3-0,5 и оптимальном отношение и/Сад = 0,5 в каждой ступени расширения с равными степенями понижения давления синхронно с теплоперепадом на каждой ступени расширения газообразного рабочего тела.
PCT/RU2015/000588 2015-09-18 2015-09-18 Способ преобразования энергии газообразного рабочего тела и установка для его осуществления WO2017048149A1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201580083226.5A CN108055857A (zh) 2015-09-18 2015-09-18 转换气态工作流体能量的方法及其实施装置
EP15904207.6A EP3351724A4 (en) 2015-09-18 2015-09-18 METHOD FOR CONVERTING THE ENERGY OF A GASEOUS WORKING FLUID AND DEVICE FOR CARRYING OUT THEREOF
EA201890680A EA035797B1 (ru) 2015-09-18 2015-09-18 Способ преобразования энергии газообразного рабочего тела и установка для его осуществления
PCT/RU2015/000588 WO2017048149A1 (ru) 2015-09-18 2015-09-18 Способ преобразования энергии газообразного рабочего тела и установка для его осуществления
US15/760,721 US20180252106A1 (en) 2015-09-18 2015-09-18 Method of converting the energy of a gaseous working fluid and apparatus for the implementation thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2015/000588 WO2017048149A1 (ru) 2015-09-18 2015-09-18 Способ преобразования энергии газообразного рабочего тела и установка для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017048149A1 true WO2017048149A1 (ru) 2017-03-23

Family

ID=58289446

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2015/000588 WO2017048149A1 (ru) 2015-09-18 2015-09-18 Способ преобразования энергии газообразного рабочего тела и установка для его осуществления

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20180252106A1 (ru)
EP (1) EP3351724A4 (ru)
CN (1) CN108055857A (ru)
EA (1) EA035797B1 (ru)
WO (1) WO2017048149A1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US791949A (en) * 1902-09-24 1905-06-06 Gustavo Scheuber Turbine.
US1603081A (en) * 1925-02-19 1926-10-12 Gen Electric Governing means for elastic-fluid turbines
RU2543586C2 (ru) * 2013-07-05 2015-03-10 Павел Николаевич Брянский Теплообменная труба

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1420600A (en) * 1972-02-23 1976-01-07 Secr Defence Rotary bladed compressors
US3932064A (en) * 1972-02-23 1976-01-13 The Secretary Of State For Defense In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland Rotary bladed fluid flow machine
RU2117173C1 (ru) * 1996-04-19 1998-08-10 Виктор Александрович Потрошков Утилизационная энергетическая установка
RU2012110729A (ru) * 2012-03-20 2013-10-27 Алексей Васильевич Гаврилов Центробежная лопаточная машина
WO2013150018A2 (en) * 2012-04-03 2013-10-10 Equitherm S.À R.L. Device for power generation according to a rankine cycle
CN203962054U (zh) * 2013-10-21 2014-11-26 陕西博尔能源科技有限公司 一种基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US791949A (en) * 1902-09-24 1905-06-06 Gustavo Scheuber Turbine.
US1603081A (en) * 1925-02-19 1926-10-12 Gen Electric Governing means for elastic-fluid turbines
RU2543586C2 (ru) * 2013-07-05 2015-03-10 Павел Николаевич Брянский Теплообменная труба

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3351724A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
EA035797B1 (ru) 2020-08-12
CN108055857A (zh) 2018-05-18
EA201890680A1 (ru) 2018-08-31
EP3351724A4 (en) 2019-05-15
US20180252106A1 (en) 2018-09-06
EP3351724A1 (en) 2018-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sung et al. Performance characteristics of a 200-kW organic Rankine cycle system in a steel processing plant
Clemente et al. Bottoming organic Rankine cycle for a small scale gas turbine: A comparison of different solutions
AU2007250531B2 (en) A method and system for generating power from a heat source
US7578142B2 (en) Method for recovering the energy of gas expansion and a recovery device for carrying out said method
AU2013231164B2 (en) An organic rankine cycle for mechanical drive applications
Weiß et al. A micro-turbine-generator-construction-kit (MTG-c-kit) for small-scale waste heat recovery ORC-Plants
Kim et al. Performance analysis of bladeless jet propulsion micro-steam turbine for micro-CHP (combined heat and power) systems utilizing low-grade heat sources
Kosowski et al. Design and investigations of the ethanol microturbine
US10662821B2 (en) Heat recovery
Alami et al. Compressed-air energy storage Systems
Wang et al. T-Q̇ diagram analyses and entransy optimization of the organic flash cycle (OFC)
EP2742214B1 (en) Parallel cascaded cycle gas expander
Saadon Computational modelling of an Organic Rankine Cycle (ORC) waste heat recovery system for an aircraft engine
US20140060048A1 (en) Process and apparatus for generating work
WO2017048149A1 (ru) Способ преобразования энергии газообразного рабочего тела и установка для его осуществления
US20090272115A1 (en) Method of Utilization of Gas Expansion Energy and Utilization Power Installation for Implementation of this Method
Richter Screw engine used as an expander in ORC for low-potential heat utilization
RU2657068C2 (ru) Установка для выработки электрической энергии при утилизации теплоты дымовых и выхлопных газов
RU2582373C2 (ru) Турбомашина с нагревом проточной части
RU2689509C1 (ru) Газотурбинный газоперекачивающий агрегат (варианты)
RU2606847C1 (ru) Способ преобразования низкопотенциальной тепловой энергии
Levkov TURBOSPHERE–MULTISTAGE MICRO TURBINE FOR SECONDARY ENERGY SOURCES RECOVERY
RU2330968C2 (ru) Теплотурбодетандерная установка в системе грс
EA029423B1 (ru) Установка для утилизации энергии избыточного давления газообразного рабочего тела
Bammert et al. Steam and gas turbines for small outputs using solar energy

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15904207

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15760721

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201890680

Country of ref document: EA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015904207

Country of ref document: EP