Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством
Полезная модель относится к газовой промышленности, а именно к газоредуцирующему оборудованию с использованием детандер - генераторной технологии понижения давления газа и предназначена для снижения высокого давления газа магистральных газопроводов до более низких значений, необходимых потребителям газа, с попутной выработкой электроэнергии за счет использования энергии перепада давления газа на входе и выходе газораспределительной станции (ГРС). ГРС с электрогенерирующим устройством содержит входной трубопровод (1) высокого давления газа и выходной трубопровод (2) низкого давления газа, блок редуцирования, подогреватель газа (3) с регулятором напряжения (4), преобразователь частоты (5), силовой трансформатор (6), фильтр газа (7) и счетчик газа (8), соединенные последовательно и включенные в трубопровод (1) высокого давления газа. Блок редуцирования выполнен в виде высокоскоростных детандера (9) и электрогенератора (10), расположенных на едином валу. Вход и выход детандера (9) подключены к трубопроводу (1) высокого и трубопроводу (2) низкого давления газа. Выход электрогенератора (10) соединен с входом преобразователя частоты (5) и через регулятор напряжения (4) с подогревателем газа (3). Выход преобразователя частоты (5) соединен с первичной обмоткой силового трансформатора (6). Датчик (12) температуры газа, датчик (13) давления газа, датчик (14) скорости потока газа и датчик (15) влажности газа установлены на входе в детандер (9). На выходе детандера (9) установлены датчик (16) температуры газа и датчик (17) давления газа. Выходы датчиков (12-17) соединены с входами микропроцессорного устройства (18), выход которого подключен к управляющему входу регулятора напряжения (4). Технический результат: обеспечение оптимального режима нагрева газа при различных внешних возмущающих воздействиях. 1 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 1 илл.
Полезная модель относится к газовой промышленности, а именно к газоредуцирующему оборудованию с использованием детандер - генераторной технологии понижения давления газа и предназначена для снижения высокого давления газа магистральных газопроводов до более низких значений, необходимых потребителям газа, с попутной выработкой электроэнергии за счет использования энергии перепада давления газа на входе и выходе газораспределительной станции (ГРС).
На ГРС, расположенных в местах, где нет низкопотенциального пара, сбор низкопотенциальной теплоты из окружающей среды представляет значительные технические сложности и требует чрезвычайно больших капитальных и эксплуатационных затрат.
Известна автоматическая газораспределительная станция (АГРС) типа «Исток», предназначенная для понижения давления магистрального газа перед подачей его потребителям. АГРС базовой комплектации, содержит блок очистки, блок переключения и блок редуцирования газа, подогреватель газа трубный автоматический (ПГТА), блок управления и ряд других блоков и вспомогательного оборудования, соединенные между собой межблочными трубопроводами и кабелями (см. Техническое описание АГРС типа «Исток». Интернет сайт, режим доступа: [http//www.agrs.ru./production-agrs.htm]).
Недостатком известной АГРС является малая эффективность работы из-за того, что для понижения давления газа используется дросселирование, в ходе которого теряется энергия давления транспортируемого газа.
Известно устройство детандер-генераторный агрегат, содержащий последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, дополнительными первым и вторым компрессорами, электрически соединенными с электрогенератором, обводным трубопроводом, испарителем, дросселирующим устройством, тремя задвижками, при этом вход первого компрессора соединен с выходом испарителя, вход которого через дросселирующее устройство соединен с выходом теплообменника, обводной трубопровод с расположенной на нем первой задвижкой соединяет выход первого компрессора со входом теплообменника, выход первого компрессора через вторую задвижку сообщен со входом второго компрессора, выход второго компрессора через третью задвижку соединен со входом теплообменника, выходной трубопровод второго компрессора и обводной трубопровод после задвижек объединены в один трубопровод, подсоединенный
ко входу теплообменника (см. свидетельство РФ на полезную модель №12434, МПК F01D 15/08, опубл. 10.01.2000 г.).
Недостатками известного устройства являются следующие: электрогенерирующая способность установки очень сильно зависит от количества и давления транспортируемого газа; для обеспечения строго стабильной скорости вращения турбины детандера при общем неравномерном расходе газа через ГРС в установке предусмотрено, что через детандер направляется не весь газ, а только часть, остальная часть газа проходит через байпасную линию детандера. Поэтому не вся потенциальная энергия транспортируемого через ГРС сжатого газа преобразуется в механическую энергию вращения вала детандера и, соответственно, в электроэнергию в генераторе, что влечет за собой снижение эффективности работы устройства.
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством, выполненная в виде автономного устройства для тепло- и электроснабжения, содержащего входной трубопровод высокого давления газа, выходной трубопровод низкого давления газа, подогреватель газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором шунтирующий детандер трубопровод с газоредуцирующим клапаном, силовой трансформатор, соединенный вторичной обмоткой с электросетью, фильтр газа, счетчик газа, подогреватель газа, снабженный регулятором напряжения, преобразователь частоты, при этом фильтр газа и счетчик газа соединены последовательно и включены в трубопровод высокого давления газа, а валы детандера и электрогенератора жестко соединены между собой, причем выход электрогенератора соединен с входом преобразователя частоты и через регулятор напряжения с подогревателем газа, а выход преобразователя частоты с входом силового трансформатора (см. патент РФ на полезную модель №47441, МПК F01D 15/08, опубл. 27.08.2005 г.).
Однако недостатком известного устройства для тепло- и электроснабжения является отсутствие стабилизации температуры газа на входе в детандер-генераторное устройство, что влечет за собой неэффективный расход электроэнергии на подогрев газа в электроподогревателе.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности работы устройства за счет снижения расхода электроэнергии на подогрев газа в электроподогревателе при изменении расхода и температуры газа на входе газораспределительной станции.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является обеспечение оптимального режима нагрева газа при различных внешних возмущающих воздействиях.
Указанный технический результат достигается тем, что газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством, содержащая входной трубопровод высокого давления газа и выходной трубопровод низкого давления газа, блок редуцирования, подогреватель газа с регулятором напряжения, преобразователь частоты, силовой трансформатор, фильтр газа и счетчик газа, соединенные последовательно и включенные в трубопровод высокого давления газа, при этом блок редуцирования выполнен в виде высокоскоростных детандера и электрогенератора, расположенных на едином валу, причем вход и выход детандера подключены к трубопроводам высокого и низкого давления газа, выход электрогенератора соединен с входом преобразователя частоты и через регулятор напряжения с подогревателем газа, а выход преобразователя частоты соединен с первичной обмоткой силового трансформатора, согласно полезной модели, содержит микропроцессорное устройство управления регулятором напряжения, датчики температуры газа, установленные на входе и выходе детандера, датчики входного и выходного давлений газа, установленные на входе и выходе детандера, датчик скорости потока газа и датчик влажности газа, установленные на входе детандера, при этом выходы всех датчиков соединены с входами микропроцессорного устройства, выход которого подключен к управляющему входу регулятора напряжения.
Целесообразно, чтобы на входе в детандер был установлен регулируемый клапан.
Датчики температуры газа, установленные на входе и выходе детандера, измеряют температуру газа и подают сигналы на микропроцессорное устройство. Датчики входного и выходного давления газа, установленные на входе и выходе детандера, регистрируют изменение давления при редуцировании и подают сигналы на микропроцессорное устройство. Датчик скорости потока газа, установленный на входе детандера, измеряет скорость потока газа и подает сигнал на микропроцессорное устройство. Датчик влажности газа, установленный на входе детандера, измеряет влажность газа и подает сигнал на микропроцессорное устройство.
Микропроцессорное устройство управления регулятором напряжения сравнивает результаты измерения температуры, давления, влажности и скорости потока газа, полученные с датчиков, обрабатывает полученную информацию с помощью заложенной программы ее обработки, вырабатывает управляющий сигнал и подает его на
управляющий вход регулятора напряжения. Это позволяет оптимизировать количество электроэнергии, подаваемое на электроподогреватель, при поступлении на вход ГРС газа с более высокой температурой, при уменьшении расхода газа, изменении влажности газа.
Во входном фильтре транспортируемый газ, подлежащий редуцированию, очищается от мелких примесей. Для контроля количества транспортируемого газа применен счетчик газа. Для понижения давления газа используется детандер. В детандере происходит преобразование энергии сжатого газа в механическую работу вращения турбины и соединенного с ней электрогенератора. В электрогенераторе механическая энергия вращения вала преобразуется в электроэнергию.
При расширении газа его температура сильно понижается, что является крайне нежелательным. Для исключения этого явления часть вырабатываемой электроэнергии 20-25% подается на нагревательные элементы электроподогревателя газа, установленного в трубопроводе высокого давления. При изменении количества газа, проходящего через ГРС, требуется и разное количество электроэнергии на его подогрев. Для регулировки количества электроэнергии подаваемой в электроподогреватель, применен регулятор напряжения в виде управляемого выпрямителя. Для изменения (ограничения) потока газа, проходящего через детандер, используется регулируемый клапан, установленный на входе в детандер.
В связи с тем, что валы детандера и электрогенератора соединены между собой по безредукторной схеме, частота генерируемого напряжения значительно превышает требуемую стандартную частоту промышленной электросети. Для преобразования генерируемой электроэнергии по параметрам, нормируемым ГОСТ 13109-97, используется преобразователь частоты, обеспечивающий генерацию электроэнергии с заданными параметрами при всех изменениях входного напряжения и возмущающих воздействиях постоянно изменяющейся нагрузки. При значительных колебаниях количества транспортируемого газа параметры генерируемого напряжения сильно изменяются, изменяется и величина генерируемой мощности, но она остается максимальной для данного количества редуцируемого газа.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством.
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - входной трубопровод высокого давления газа; 2 - выходной трубопровод низкого давления газа; 3 - подогреватель газа; 4 - регулятор напряжения подогревателя газа 3; 5 - преобразователь частоты; 6 - силовой трансформатор; 7 - фильтр газа; 8 - счетчик газа; 9 - детандер; 10 - электрогенератор;
11 - регулируемый клапан, установленный на входе в детандер 9; 12 - датчик температуры газа, установленный на входе в детандер 9; 13 - датчик давления газа, установленный на входе в детандер 9; 14 - датчик скорости потока газа, установленный на входе в детандер 9; 15 - датчик влажности газа, установленный на входе в детандер 9; 16 - датчик температуры газа, установленный на выходе из детандера 9; 17 -датчик давления газа, установленный на выходе из детандера 9; 18 - микропроцессорное устройство управления регулятором напряжения 4; 19 - байпасная газораспределительная станция.
Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством содержит входной трубопровод 1 высокого давления газа и выходной трубопровод 2 низкого давления газа, блок редуцирования, подогреватель газа 3 с регулятором напряжения 4, преобразователь частоты 5, силовой трансформатор 6. Регулятор напряжения 4 выполнен в виде управляемого выпрямителя. В качестве подогревателя газа 3 использован электроподогреватель. Фильтр газа 7 и счетчик газа 8 соединены последовательно и включены в трубопровод 1 высокого давления газа. Блок редуцирования выполнен в виде высокоскоростных детандера 9 и электрогенератора 10, расположенных на едином валу. Вход детандера 9 подключен к трубопроводу 1 высокого давления газа, а выход - к трубопроводу 2 низкого давления газа. На входе в детандер 9 установлен регулируемый клапан 11. Датчик 12 температуры газа, датчик 13 давления газа, датчик 14 скорости потока газа и датчик 15 влажности газа установлены на входе в детандер 9. На выходе детандера 9 установлены датчик 16 температуры газа и датчик 17 давления газа. Выходы датчиков 12-17 соединены с входами микропроцессорного устройства 18, выход которого подключен к управляющему входу регулятора напряжения 4.
Выход электрогенератора 10 соединен с входом преобразователя частоты 5 и через регулятор напряжения 4 с подогревателем газа 3. Выход преобразователя частоты 5 соединен с первичной обмоткой силового трансформатора 6.
Байпасная газораспределительная станция 19 представляет собой стандартную ГРС, которая включается в работу при отказе детандера 9, т.е. выполняет функцию резервного газораспределительного устройства.
Основными технологическими задачами газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством являются: снижение давления магистрального газа и попутное получение полезной электроэнергии. Предложенное схемотехническое решение может быть применено на всех существующих ГРС. При существующей системе газоснабжения давление магистрального газа перед подачей его потребителю снижается
в двух ступенях. В первой из них на ГРС давление газа снижается до 1,0...1,5 МПа, во второй на газораспределительных пунктах (ГРП) - до 0,1...0,3 МПа.
При расходе газа через установку 30-50 тыс. нм3/ч и перепаде давлений в детандере 9 от 7,0 до 1,2 МПа может быть полезно использовано 2-2,5 МВт электрической мощности. Установка работает без выбросов вредных веществ в окружающую среду.
Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством работает следующим образом.
Газ по входному трубопроводу 1 высокого давления поступает на вход фильтра газа 7, где он очищается от мелких механических примесей и влаги. С выхода фильтра 7 газ поступает через счетчик газа 8 на теплообменник электроподогревателя 3, где газ подогревается до температуры 30-70°С. После подогрева до нужной температуры газ через регулируемый клапан 11, проходя по датчикам температуры 12, давления 13, скорости потока газа 14 и влажности газа 15, поступает в детандер 9. Затем, минуя байпасную газораспределительную станцию 19, поступает в трубопровод 2 низкого давления газа.
Детандер 9 представляет собой тепловую машину, рабочим телом в которой является транспортируемый природный газ. Энергия природного газа при его расширении в детандере 9 преобразуется в механическую энергию вращения его вала, которая затем, в соединенном с детандером 9 электрогенераторе 10, преобразуется в электрическую энергию. Часть электрической энергии от генератора 10 поступает через регулятор напряжения 4 на электроподогреватель газа 3, где используется для подогрева транспортируемого газа. Детандер 9 и электрогенератор 10 образуют электрогенерирующую часть ГРС. Детандер-генераторный агрегат, состоящий из детандера 9 и электрогенератора 10, выполнен без редуктора по схеме «единый вал». При этом частота генерируемого напряжения определятся скоростью вращения общего вала детандер-генераторного агрегата. Так, при скорости вращения детандера в 12000 об/мин частота генерируемого напряжения будет равна 200 Гц. Это напряжение подается на регулятор напряжения 4 электроподогревателя газа 3 и на вход преобразователя частоты 5, выполненного по схеме многомостового инвертора «с явным звеном постоянного тока».
С выхода преобразователя частоты 5 напряжение частотой 50 Гц поступает на первичную обмотку силового трансформатора 6, со вторичной обмотки которого подается внешним потребителям электроэнергии. Газ с выхода детандера 9 после расширения и совершения им работы поступает в трубопровод 2 низкого давления газа. Датчики температур 12 и 16 измеряют температуру газа на входе и выходе из детандера 9.
Датчики давления 13 и 17 измеряют давление газа на входе и выходе из детандера 9. Датчик 14 скорости потока газа и датчик 15 влажности газа измеряют, соответственно, скорость поток газа и влажность газа на входе в детандер 9. Сигналы с датчиков 12 и 16 температуры газа, датчиков 13 и 17 давления газа, датчика 14 скорости потока газа и датчика 15 влажности газа поступают в микропроцессорное устройство 18. На основании полученной информации и заложенной программы ее обработки микропроцессорное устройство 18 вырабатывает управляющий сигнал, который подается на управляющий вход регулятора напряжения 4. При поступлении на вход ГРС газа с более высокой температурой или при уменьшении расхода газа количество электроэнергии, подаваемое на электроподогреватель газа 3, уменьшается. Таким образом, на подогрев газа расходуется минимально необходимое количество электроэнергии, а весь остаток выработанной электроэнергии передается во внешнюю электросеть потребителям, тем самым, повышая экономическую эффективность работы ГРС.
Расход электроэнергии на подогрев газа не превышает 20-25% от общего количества вырабатываемой электрогенератором 10 электроэнергии.
Основным преимуществом предложенной ГРС с электрогенерирующим устройством является то, что в ней максимально используется энергия газа высокого давления для выработки электроэнергии и подогрева газа. В связи с тем, что в составе ГРС с электрогенерирующим устройством используется преобразователь частоты 5, то по сравнению с техническим решением, принятым в качестве прототипа, сняты ограничения по скорости и стабильности вращения общего вала детандер-генераторного агрегата, т.е. в этом случае нет необходимости строго выдерживать постоянство скорости вращения турбины детандера 9. Поэтому при изменении расхода газа через турбину и колебаниях давления газа в трубопроводе 1 высокого давления газа и трубопроводе 2 низкого давления газа скорость вращения вала детандера 9 будет изменяться, но это не повлияет на параметры генерируемого напряжения. Частота генерируемого напряжения и его стабильность определяются настройками преобразователя частоты 5, выполненного по схеме многомостового инвертора «с явным звеном постоянного тока».
Предложенное техническое решение позволяет выполнить детандер-генераторный агрегат без редуктора. За счет высокой скорости вращения турбины детандера 9 и, соответственно, электрогенератора 10, они имеют уменьшенные габариты и массу. Наличие преобразователя частоты 5 позволяет иметь гостированные параметры генерируемой электроэнергии и максимально просто решать вопросы синхронизации напряжения преобразователя частоты 5 и энергосистемы при подключении к энергосистеме.
Предложенная схема газораспределительной станции с электрогенерирующим устройством, выполненным в виде детандер-генераторного агрегата, позволяет значительно увеличить выработку электроэнергии с параметрами качества, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 13109-97, при существенно меньших габаритах и массе вращающихся агрегатов, при этом не сжигает газ и не имеет выбросов продуктов горения газа в окружающую среду.
1. Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством, содержащая входной трубопровод высокого давления газа и выходной трубопровод низкого давления газа, блок редуцирования, подогреватель газа с регулятором напряжения, преобразователь частоты, силовой трансформатор, фильтр газа и счетчик газа, соединенные последовательно и включенные в трубопровод высокого давления газа, при этом блок редуцирования выполнен в виде высокоскоростных детандера и электрогенератора, расположенных на едином валу, причем вход и выход детандера подключены к трубопроводам высокого и низкого давления газа, выход электрогенератора соединен с входом преобразователя частоты и через регулятор напряжения с подогревателем газа, а выход преобразователя частоты соединен с первичной обмоткой силового трансформатора, отличающаяся тем, что содержит микропроцессорное устройство управления регулятором напряжения, датчики температуры газа, установленные на входе и выходе детандера, датчики входного и выходного давлений газа, установленные на входе и выходе детандера, датчик скорости потока газа и датчик влажности газа, установленные на входе детандера, при этом выходы всех датчиков соединены с входами микропроцессорного устройства, выход которого подключен к управляющему входу регулятора напряжения.
2. Станция по п. 1, отличающаяся тем, что на входе в детандер установлен регулируемый клапан.
