Система утилизации избыточного давления природного газа
Система позволяет использовать потенциальную энергию избыточного давления природного газа с обеспечением потребителей электроэнергией и холодом с повышенной экономичностью их выработки. Технический результат достигается тем, что система содержит магистрали высокого и низкого давления, турбодетандер и электрогенератор, механически связанные между собой, и источник внутреннего нагрева. Турбодетандер и электрогенератор расположены в герметичном корпусе с входным и выходным патрубками. Входной патрубок подключен к магистрали высокого давления, а выходной патрубок - через источник внутреннего нагрева к магистрали низкого давления. Система дополнительно содержит теплообменники нагрева и охлаждения, источник внешнего нагрева, потребитель холода и запорнорегулирующие краны. Входной патрубок подключен к магистрали высокого давления через теплообменник нагрева. Теплообменник охлаждения установлен между выходным патрубком и источником внутреннего нагрева. Теплообменник нагрева подключен через кран к источнику внешнего нагрева. 1 н.п. и 7 з.п. ф-лы. 1 ил.
Изобретение относится к устройствам для утилизации потенциальной избыточной энергии давления природного газа (ПГ) при установке их в систему трубопроводов между магистралями высокого и низкого давления с выработкой электроэнергии. Известна тенденция по замене регуляторов давления на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП) на установки с турбодетандерами для получения электроэнергии за счет использования перепада давления на ГРС или ГРП, величина которого может достигать 5МПа. Перепад давления обусловлен разницей между давлениями в магистральном газопроводе и газопроводом потребителя.
Одна из таких установок, принятая в качестве аналога, описана в книге «Энергосберегающие турбодетандерные установки», Степанец А.А., Москва, Недра, 1999 г., с.11, где турбодетандер соединен с электрогенератором через механический редуктор. В результате снижение давления ПГ в турбодетандере дает положительный эффект - электрическую энергию за счет мощности, генерируемой турбодетандером. Недостатком этого технического решения является применение механического редуктора, который снижает эффективность выработки электроэнергии и надежность
работы установки.
Для исключения этих недостатков в другом аналоге («Турбодетандерная установка», патент на изобретение RU 2317430 С1, МКП F02C 7/28 от 09.06.2006) применение механического редуктора исключено за счет использования высокоскоростного электрогенератора. Кроме того, эффективность работы установки повышена за счет применения магнитных подшипников и эффективной утилизации внешних утечек ПГ. Однако при отсутствии необходимости нагрева ПГ перед турбодетандером наличие внешних утечек снижают эффективность выработки электроэнергии.
Недостатки этого аналога устраняются техническим решением по патенту РФ 
2386818 от 29.11.2007 г.принятым за прототип.
Газотурбогенератор размещен в герметичном корпусе с входным и выходным патрубками, подключенными соответственно к магистралям природного газа высокого и низкого давления. Выходной патрубок газодинамически сопряжен с источником внутреннего нагрева. Капсульное исполнение газотурбогенератора позволило исключить утечки природного газа в атмосферу. Недостатком же этого технического решения является то, что не используется образующаяся на выходе из герметичного корпуса «холодильная мощность», стоимость которой вдвое превышает стоимость электрической энергии.
Технической задачей заявляемого технического решения является максимально эффективное использование потенциальной энергии избыточного давления природного газа с обеспечением потребителей электроэнергией и холодом с расширением потребительских свойств.
Поставленная задача решается тем, что система утилизации избыточного давления природного газа содержит магистрали высокого и низкого давления, турбодетандер и электрогенератор, механически связанные между собой и расположенные в герметичном корпусе с входным и выходным патрубками, и источник внутреннего нагрева. Входной патрубок подключен к магистрали высокого давления, а выходной патрубок - через источник внутреннего нагрева к магистрали низкого давления.
Новым в полезной модели является то, что система дополнительно содержит теплообменники нагрева и охлаждения, источник внешнего нагрева, потребитель холода и запорнорегулирующие краны. Входной патрубок подключен к магистрали высокого давления через теплообменник нагрева. Теплообменник охлаждения установлен между выходным патрубком и источником внутреннего нагрева. Теплообменник нагрева подключен через кран к источнику внешнего нагрева.
Наличие теплообменника нагрева совместно с источником внешнего нагрева позволяет подогревать природный газ, поступающий из магистрали высокого давления в турбодетандер, и соответственно повышать мощность турбодетандера и электрогенератора для обеспечения потребителя электроэнергией.
Наличие теплообменника охлаждения позволяет отбирать от природного газа, выходящего из турбодетандера, холод для обеспечения потребителя холода необходимым хладоресурсом.
Наличие запорнорегулирующих кранов позволяют регулировать уровень температуры природного газа перед турбодетандером и величину хладоресурса, отбираемого потребителем холода.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Источник внутреннего нагрева может содержать воздушный компрессор с приводом и устройство частичного сжигания природного газа, что повышает экологические показатели системы, т.к. отсутствуют при этом выбросы в атмосферу продуктов сгорания.
Источник внешнего нагрева может быть выполнен в виде системы выхлопных газов от поршневого двигателя, что повышает экономичность системы.
Источник внешнего нагрева может быть выполнен в виде системы выхлопных газов от газотурбинной установки, что повышает экономичность системы.
Источник внешнего нагрева природного газа может быть выполнен с использованием тепла геотермального источника, что повышает экономичность системы.
Источник внешнего нагрева может быть выполнен в виде автономного источника тепла, использование которого может приводить к минимальным затратам природного газа, например, путем применения котла с погружным нагревом воды, по сравнению с иными источниками нагрева ПГ.
Потребителем холода может быть холодильник, что расширяет потребительские свойства системы.
Потребителем холода может быть кондиционируемое помещение, что расширяет потребительские свойства системы.
Различие в потребителях холода определяется уровнем температуры в выходном патрубке корпуса, что в итоге определяется степенью снижения давления природного газа на турбодетандере и уровнем его к.п.д.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача. Разработана конструктивная схема эффективной системы для утилизации избыточного давления природного газа с обеспечением потребителей электроэнергией и холодом.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания схемы, приведенной на чертеже.
Система утилизации избыточного давления природного газа, схематически изображенная на фигуре, содержит магистрали высокого 1 и низкого 2 давления природного газа, турбодетандер 3, электрогенератор 4, герметичный корпус 5 с входным 6 и выходным 7 патрубками и источник внутреннего нагрева 8. Турбодетандер 3, механически связанный валом с электрогенератором 4 расположен в герметичном корпусе 5. Входной патрубок 6 соединен с магистралью высокого давления 1. Выходной патрубок 7 через источник внутреннего нагрева 8 соединен с магистралью низкого давления 2.
Система дополнительно содержит теплообменник нагрева 9, теплообменник охлаждения 10, источник внешнего нагрева 11, потребитель холода 12 и краны 13, 14. Магистраль высокого давления 1 соединена с входным патрубком 6 через теплообменник нагрева 9. Выходной патрубок 7 соединен с источником внутреннего нагрева 8 через теплообменник охлаждения 10. Источник внешнего нагрева 11 связан по теплу с теплообменником нагрева краном 13, а потребитель холода 12 - с теплообменником охлаждения 10 краном 14.
Система утилизации избыточного давления природного газа, представленная на фигуре, работает следующим образом.
Природный газ из магистрали поступает через магистраль высокого давления 1 в теплообменник нагрева 9, где он подогревается от источника внешнего нагрева 11. Нагретый газ через входной патрубок 6 герметичного корпуса 5 поступает в турбодетандер 3, вырабатывая на нем мощность, передаваемую механически связанному с ним по валу электрогенератору 4. В турбодетандере газ расширяется, давление, и температура его понижаются. Холодный газ выходит из выходного патрубка 7 герметичного корпуса 5 поступает в теплообменник охлаждения 10, где отдает часть хладоресурса потребителю холода 12. Подогретый в теплообменнике охлаждения 10 газ поступает в источник внутреннего подогрева 8, где дополнительно нагревается и с температурой заданного уровня поступает в магистраль низкого давления 2. Установка нужного температурного уровня газа перед турбодетандером 3 производится за счет изменения величины отбора тепла от источника внешнего подогрева 11 с помощью крана 13 в зависимости от потребного уровня потребления холода. Регулирование величины подводимого холода к потребителю холода 12 производится краном 14.
В качестве примера оценим для случая отсутствия потребления холода потребную величину тепла Q, необходимую для работы системы с характерными значениями параметров газораспределительных станций России:
- мощность турбодетандера - NТД =1 МВт,
- расход природного газа - GПГ =13 кг/с,
- степень понижения полного давления турбодетандера - 
Т=2.0,
- подогрев природного газа перед турбодетандером - 
Т=40К. Величина тепла определяется выражением Q=СрG ПГТ, где Ср - теплоемкость природного газа.
При использовании в качестве источника внешнего подогрева выхлопных газов, например, от двигателя внутреннего сгорания при его к.п.д. 
ДВС=0.42 и теплотворной способности используемого им топлива
НU=45МДж/кг потребуется расход топлива 
С учетом неизбежного уноса части тепла в атмосферу такой двигатель должен иметь мощность NДВС=1.1-1.3 МВт.
Очевидно, что при максимальном использовании хладоресурса природного газа после турбодетандера отпадает необходимость в подогреве ПГ как с использованием источника 8 внутреннего нагрева, так и с использованием теплообменника 9. В этом случае с помощью крана 13 исключается из работы системы теплообменник 9 и исключается из работы системы источник 8. Потребитель 12 при этом использует весь хладоресурс системы.
Предлагаемая система обладает возможностью автономного обеспечения электроэнергией и холодом различных потребителей, расположенных вблизи ГРС или ГРП за счет избыточного давления природного газа, причем с высокой эффективностью.
1. Система утилизации избыточного давления природного газа между магистралями высокого и низкого давления, содержащая турбодетандер и электрогенератор, механически связанные между собой и расположенные в герметичном корпусе с входным и выходным патрубками, и источник внутреннего нагрева, где входной патрубок подключен к магистрали высокого давления, а выходной патрубок через источник внутреннего нагрева - к магистрали низкого давления, отличающаяся тем, что дополнительно содержит теплообменники нагрева и охлаждения, источник внешнего нагрева, потребитель холода и запорно-регулирующие краны, причем входной патрубок подключен к магистрали высокого давления через теплообменник нагрева, теплообменник охлаждения установлен между выходным патрубком и источником внутреннего нагрева, а теплообменник нагрева подключен через кран к источнику внешнего нагрева.
2. Система утилизации избыточного давления природного газа по п.1, отличающаяся тем, что источник внутреннего нагрева содержит воздушный компрессор с приводом и устройство частичного сжигания природного газа.
3. Система утилизации избыточного давления природного газа по п.1, отличающаяся тем, что источник внешнего нагрева выполнен в виде системы подвода выхлопных газов от поршневого двигателя.
4. Система утилизации избыточного давления природного газа по п.1, отличающаяся тем, что источник внешнего нагрева выполнен в виде системы подвода выхлопных газов от газотурбинного двигателя.
5. Система утилизации избыточного давления природного газа по п.1, отличающаяся тем, что источник внешнего нагрева выполнен с использованием тепла геотермального источника.
6. Система утилизации избыточного давления природного газа по п.1, отличающаяся тем, что источник внешнего нагрева выполнен в виде автономного источника тепла.
7. Система утилизации избыточного давления природного газа по п.1, отличающаяся тем, что потребитель холода выполнен в виде холодильника.
8. Система утилизации избыточного давления природного газа по п.1, отличающаяся тем, что потребитель холода выполнен в виде кондиционируемого помещения.
