Способ электроснабжения автономно функционирующих газоредуцирующих объектов магистральных газопроводов и газовых сетей низкого давления
Изобретение относится к технологическим приемам решения задачи обеспечения электрической энергией потребностей собственных нужд (средства телемеханики, контрольно-измерительные приборы, освещение, охранно-пожарная сигнализация и т.д.) автономно функционирующих газоредуцирующих объектов магистральных газопроводов и газовых сетей низкого давления. Способ выработки электрической энергии основан на использовании при редуцировании сжатого газа эффектов Ранка-Хилша и Зеебека. Для повышения эффективности выработки электрической энергии в термоэлектрическом модуле объединение горячего и холодного потоков газа низкого давления вихревой трубы происходит в эжекторе, в котором горячий газ выступает в качестве рабочего, а холодный - инжектируемого потока. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к технологическим приемам решения задачи обеспечения электрической энергией потребностей собственных нужд автономно функционирующих газоредуцирующих объектов магистральных газопроводов и газовых сетей низкого давления (средства телемеханики, контрольно-измерительные приборы, освещение, охранно-пожарная сигнализация и т.д.).
Известны предложения использовать для этих целей энергосберегающие технологии, основанные на возобновляемых природных источниках энергии (ветроэнергетические /Абдрахманов Р.С., Назмеев Ю.Г., Якимов А.В. Об эффективности использования ветроэнергетики в регионах с умеренными скоростями ветра // Изв. РАН. - Энергетика. - 2001. - №5. - с.93-102/, солнечные батареи /Ананенков А.Г., Булучевский А.Н., Каратаев Ю.П., Кудояр Ю.А., Ремизов В.В., Салихов З.С., Семененко В.Ф., Якупов З.Г. Автономная система энергоснабжения на газовой скважине // Газовая промышленность. - 2001. - №7. - с.56-58/), а также утилизации энергии давления природного газа магистрального газопровода в детандер-генераторных агрегатах /Степанец А.А. Об эффективности детандер-генераторных агрегатов в тепловой схеме ТЭЦ, Энергетик, №4, 1999/.
Существенным недостатком первых является зависимость от климатических условий, а второго - ограниченный по времени ресурс работы, а также необходимость постоянного или периодического обслуживания специальным, высокопрофессиональным техническим персоналом, что для удаленных, автономно функционирующих газоредуцирующих станций (ГРС) магистральных газопроводов и газоредуцирующих пунктов (ГРП) газовых сетей низкого давления зачастую оказывается неприемлемым.
Также известен энергосберегающий способ решения задачи электроснабжения, базирующийся на утилизации энергии давления сжатого газа с помощью вихревого энергоразделяющего устройства (вихревой трубы) и термоэлектрического электрогенератора - способ- прототип /Патент РФ №2234161 «Вихревой термоэлектрический генератор», 10.08.2004/.
Его существо заключается в том, что для расширения потока сжатого газа используется вихревое энергоразделяющее устройство - вихревая труба. Генерируемые вихревой трубой потоки горячего и холодного газа используются в термоэлектрическом устройстве для выработки электрической энергии.
После этого они объединяются и возвращаются в магистраль низкого давления.
Достоинством подобного решения является простота и надежность эксплуатации составляющих устройство элементов (в конструкциях нет движущихся частей), практически неограниченный ресурс работы, а также отсутствие необходимости в его текущем обслуживании.
Недостатком способа является сравнительно невысокий уровень термодинамического совершенства. Интегральный коэффициент полезного действия (кпд) устройства при преобразовании тепловой энергии в электрическую энергию не превышает (1-2%). Частично это обусловлено низким значением кпд работы вихревой трубы.
Существует достаточно большое число действующих газоредуцирующих объектов, где степень расширения газа не превышает 3…4 раз, реально достижимая разность температур между горячим и холодным потоками газа, которая собственно и определяет объем выработки электрической энергии в термоэлектрическом генераторе, не превышает 62 К.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности использования способа при общем сохранении достоинств, присущих подобному подходу к решению задачи производства электроэнергии.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе электроснабжения автономно функционирующих газоредуцирующих объектов предпринимаются дополнительные технические действия, направленные на увеличение достигаемой разности температур между горячим и холодными потоками газа, генерируемыми вихревой трубой.
Практическая реализация задачи осуществляется следующим образом. Горячий и холодный потоки газа, выходящие из вихревой трубы, после прохождения теплообменников термоэлектрического генератора и выдачей в сеть низкого давления, объединяются в эжекторе. При этом горячий газ выступает в качестве рабочего, а холодный - инжектируемого потока. Подобная организация процесса обеспечивает повышение степени расширения газа на холодном и ее снижение на теплом конце вихревой трубы. Следствием является понижение и возрастание абсолютных значений температур газа низкого давления на холодном и горячем участках работающей вихревой трубы соответственно.
В результате наблюдается рост разности температур между теплым и холодным потоками газа, подаваемыми в термоэлектрический генератор, а следовательно, возрастает и объем вырабатываемой в нем электроэнергии. Пример реализации способа. В качестве примера рассматривается природный газ магистрального газопровода, обладающий составом и имеющий технологические параметры, характерные для ряда газораспределительных станций Северо-Запада РФ:
- Состав:
СН4 - 98.045…98.105% (об.)
С2Н6 - 0.723% (об.)
С3Н8 - 0,260% (об.)
i-C4H10 - 0,049% (об.)
n-С4Н10 - 0,051%(об.)
i-C5H12 - 0,004% (об.)
n-С5Н12 - 0,01%(об.)
СO2 - 0,04…0,1%(об.)
N2-0,755% (об.)
- Давление газа на входе ДВТ (P1) - 2,6 МПа
- Давление на выходе ДВТ (Рх) - 0,69 МПа
- Температура газа на входе в ДВТ (T1) -+7°С
Для расчета эффективности энергоразделения сжатого природного газа в ДВТ используются эмпирические зависимости адиабатного кпд и доли холодного потока (µ) от степени расширения газа в вихревой трубе / И.Л.Ходорков, Н.В.Пошернев. Опыт работы универсальной конической вихревой трубы на природном газе.//Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2003, №10/.
Расчеты величины разности температур между горячим и холодным потоками делящей вихревой трубы проведены при µ=0,65 (при этом достигается максимальный адиабатный кпд) для способа-прототипа и предлагаемого способа. Расчеты эжектора выполнены в соответствии с методикой, изложенной в /Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - 3 изд. - перераб. - М:. Энергоатомиздат, 1989. - 352 с./.
Полученные результаты приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| № п/п | Наименование параметра | Единица измерения | Значение параметра |
| Простая вихревая труба | |||
| 1 | Степень расширения газа холодного | - | 3,77 |
| потока | |||
| 2 | Степень расширения газа горячего | - | 3,77 |
| потока | |||
| 3 | Температура холодного потока | °С | -24,5 |
| 4 | Температура горячего потока | °С | +37,0 |
| 5 | Разность температур | °C | 61,5 |
| Вихревая труба с использованием эжектора | |||
| 1 | Степень расширения газа холодного потока | 4,33 | |
| 2 | Степень расширения газа горячего потока | 1.86 | |
| 3 | Температура холодного потока | °С | -27,1 |
| 4 | Температура горячего потока | °С | +43,4 |
| 5 | Разность температур | °С | 70,5 |
В соответствии с эффектом Зеебека термоЭДС, вырабатываемая термоэлементом, прямо пропорциональна разности температур его спаев. Следовательно, в случае объединения горячего и холодного потоков газа низкого давления делящей вихревой трубы в эжекторе эффективность работы термоэлемента по сравнению с прототипом возрастет в 1,15 раза.
Схема организации газовых потоков в предлагаемом способе приведена на чертеже.
При реализации предлагаемого способа часть потока сжатого природного газа перед газоредуцирующим объектом 1 (газораспределительной станцией (пунктом) - ГРС (ГРП)) отделяется от основного потока и направляется в энергоразделяющее устройство - вихревую трубу 2.
В процессе расширения в вихревой трубе сжатый газ редуцируется и разделяется на «холодный» 3 и «горячий» 4 потоки газа низкого давления. В дальнейшем каждый из них направляется в соответствующие рабочие полости термоэлектрического генератора 5 для обеспечения выработки электрического тока и зарядки аккумуляторной батареи 8, используемой в качестве источника энергопитания потребителей собственных нужд газоредуцирующего объекта. Отработавшие в термоэлектрическом генераторе потоки газа объединяются в эжекторе 6, при этом «горячий» поток 4 выступает в качестве рабочего, а «холодный» поток 3 - инжектируемого потока. После эжектора 6 объединенный поток 7 выводится в магистраль низкого давления за газоредуцирующим объектом.
Способ электроснабжения автономно функционирующих газоредуцирующих объектов, включающий вихревое энергоразделение природного газа высокого давления в вихревой трубе на горячий и холодные потоки газа низкого давления и их последующее объединение в единый газовый поток после прохождения теплообменников термоэлектрического модуля, используемого для выработки электрической энергии, отличающийся тем, что объединение горячего и холодного потоков газа низкого давления происходит в эжекторе, в котором горячий газ выступает в качестве рабочего, а холодный - инжектируемого потока.
