Газораспределительная станция
Владельцы патента RU 2463514:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет"(ЮЗ ГУ) (RU)
Изобретение относится к газовой технике, в частности к газораспределительным станциям для снижения давления газа в газопроводе. Технической задачей является получение электрической энергии для поддержания дежурного освещения в темное время суток в здании газораспределительной станции и/или питания автоматизированной системы контроля и регулирования распределения газа и как следствие повышение КПД станции за счет использования потенциальной энергии газа в газопроводе высокого давления при термодинамическом расслоении в вихревой трубе на горячий и холодный потоки, направляемые в термоэлектрический генератор, обеспечивающий необходимое напряжение для освещения. Технический результат по эффективному использованию потенциала газа при перепаде давления в газопроводах высокого и низкого давления, для уменьшения энергозатрат на дежурное освещение без использования постороннего источника электроэнергии, достигается на газораспределительной станции, содержащей блок управления, технологический блок с газопроводами высокого и низкого давления и емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган с газопроводом низкого давления, на газопроводе высокого давления последовательно установлены эжектор и вихревая труба, выход эжектора соединен с входом вихревой трубы, а выход горячего потока ее - с входом теплообменника, причем выход теплообменника соединен с камерой смешивания эжектора, при этом вход теплообменника выполнен в виде суживающегося сопла с винтообразными канавками на внутренней поверхности, образующая которых имеет направление движения по часовой стрелке, а выход теплообменника выполнен в виде расширяющегося сопла с винтообразными канавками на внутренней поверхности, образующая которых имеет направление движения против часовой стрелки, при этом теплообменник установлен на трубопроводе системы отопления помещения газораспределительной станции, при этом вихревая труба снабжена термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для горячего потока и проходным каналом для холодного потока, и комплектом дифференциальных термопар, «холодные» концы которых расположены в проходном канале для холодного потока, термодинамически расположенного в вихревой трубе газа, а «горячие» концы расположены в проходном канале для горячего потока, при этом проходной канал для холодного потока соединен своим выходом с входом холодного потока из вихревой трубы и выходом соединен через конденсатоотводчик с емкостью сбора конденсата, а проходной канал для горячего потока соединен своим входом с выходом горячего потока из вихревой трубы и выходом - с входом теплообменника. 3 ил.
Изобретение относится к газовой технике, в частности к газораспределительным станциям для снижения давления газа в газопроводе.
Известна газораспределительная станция (патент РФ №2316693, МПК F17D 1/04, 2008, Бюл. №4), содержащая блок управления, технологический блок управления с газопроводом высокого давления и с газопроводом низкого давления и емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган - с газопроводом низкого давления, на газопроводе высокого давления последовательно установлены эжектор и вихревая труба, выход эжектора соединен с входом вихревой трубы, а выход горячего потока ее - с выходом теплообменника, причем выход теплообменника соединен с камерой смешивания эжектора.
Недостатком является невысокий КПД газораспределительной станции, обусловленный тем, что при эксплуатации, особенно при отрицательных температурах окружающей среды, требуется необходимость подогрева помещения станции за счет источника теплоты, использующего дополнительные ресурсы, например систему отопления с АГВ или централизованную систему отопления.
Известна газораспределительная станция (см. патент РФ №2378578, МПК F17D 1/04, опубл. 20.01.2010 Бюл. №2), содержащая блок управления, технологический блок с газопроводами высокого и низкого давления и емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган - с газопроводом низкого давления, на газопроводе высокого давления последовательно установлены эжектор и вихревая труба, выход эжектора соединен с входом вихревой трубы, а выход горячего потока ее - с входом теплообменника, причем выход теплообменника соединен с камерой смешивания эжектора, при этом вход теплообменника выполнен в виде суживающегося сопла с винтообразными канавками на внутренней поверхности, образующая которых имеет направление движения по часовой стрелке, а выход теплообменника выполнен в виде расширяющегося сопла с винтообразными канавками на внутренней поверхности, образующая которых имеет направление движения против часовой стрелки, при этом теплообменник установлен на трубопроводе системы отопления помещения газораспределительной станции.
Недостатком является энергоемкость газораспределительной станции, обусловленная необходимостью поддержания дежурного освещения в темное время суток с подводом электроэнергии от источника, обеспечивающего безопасные условия эксплуатации при транспортировке природного газа, что в конечном итоге снижает КПД станции в целом.
Технической задачей является получение электрической энергии, необходимой для поддержания дежурного освещения в темное время суток в здании газораспределительной станции и/или питания автоматизированной системы контроля и регулирования распределения газа и как следствие повышение КПД станции за счет использования потенциальной энергии газа в газопроводе высокого давления при термодинамическом расслоении в вихревой трубе на горячий и холодный потоки, направляемые в термоэлектрический генератор, обеспечивающий необходимое напряжение для освещения.
Технический результат по эффективному использованию потенциала газа при перепаде давления в газопроводах высокого и низкого давления, для уменьшения энергозатрат на дежурное освещения без использования постороннего источника электроэнергии, достигается на газораспределительной станции, содержащей блок управления, технологический блок с газопроводами высокого и низкого давления и емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган - с газопроводом низкого давления, на газопроводе высокого давления последовательно установлены эжектор и вихревая труба, выход эжектора соединен с входом вихревой трубы, а выход горячего потока ее - с входом теплообменника, причем выход теплообменника соединен с камерой смешивания эжектора, при этом вход теплообменника выполнен в виде суживающегося сопла с винтообразными канавками на внутренней поверхности, образующая которых имеет направление движения по часовой стрелке, а выход теплообменника выполнен в виде расширяющегося сопла с винтообразными канавками на внутренней поверхности, образующая которых имеет направление движения против часовой стрелки, при этом теплообменник установлен на трубопроводе системы отопления помещения газораспределительной станции, при этом вихревая труба снабжена термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для горячего потока и проходным каналом для холодного потока, и комплектом дифференциальных термопар, «холодные» концы которых расположены в проходном канале для холодного потока, термодинамически расположенного в вихревой трубе газа, а «горячие» концы расположены в проходном канале для горячего потока, при этом проходной канал для холодного потока соединен своим выходом с входом холодного потока из вихревой трубы и выходом соединен через конденсатоотводчик с емкостью сбора конденсата, а проходной канал для горячего потока соединен своим входом с выходом горячего потока из вихревой трубы и выходом - с входом теплообменника.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема газораспределительной станции, на фиг.2 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с винтообразными канавками, образующая которых имеет направление движения по часовой стрелке, на фиг.3 - внутренняя поверхность расширяющегося сопла с винтообразными канавками, образующая которых имеет направление движения против часовой стрелки.
Газораспределительная станция содержит блок управления 1, технологический блок 2 с газопроводами высокого 3 и низкого 4 давления и емкость 5 сбора конденсата, соединенную с газопроводом 3 высокого давления. Газовая полость 6 в емкости 5 сбора конденсата дополнительно соединена через запорный орган 7 с газопроводом 4 низкого давления. Кроме того, газопровод 3 высокого давления связан с газовой полостью в емкости 5 сбора конденсата через конденсатоотводчик 8 и кран 9. В линии связи блока управления 1 и емкости 5 сбора конденсата установлен датчик 10 уровня, кран 11 соединяет газопроводом полость 6 с атмосферой. На газопроводе высокого давления 3 последовательно установлены эжектор 12 и вихревая труба 13, а на трубопроводе системы отопления установлен теплообменник 14, при этом вход 15 эжектора 12 соединен с входом 16 вихревой трубы 13. Выход 17 холодного потока вихревой трубы соединен через термоэлектрический генератор с конденсатоотводчиком 8, а выход горячего потока вихревой трубы 13 соединен через термоэлектрический генератор с входом 19 теплообменника 14, причем выход 20 теплообменника 14 соединен с камерой смешивания 21 эжектора 12. Вход 19 теплообменника 14 выполнен в виде суживающегося сопла с винтообразными канавками 22 на внутренней поверхности 23, образующая которых имеет направление движения по часовой стрелке, а выход 20 теплообменника 14 выполнен в виде расширяющегося сопла с винтообразными канавками 24 на внутренней поверхности 25, образующая которых имеет направление движения против часовой стрелки, при этом теплообменник 14 установлен на трубопроводе системы отопления, включающей подводящий трубопровод нагреваемой 26 и трубопровод нагретой воды 27, соединенный с нагревательными элементами системы отопления помещения газораспределительной станции.
Вихревая труба 13 снабжена термоэлектрическим генератором 28, выполненным в виде корпуса 29 с проходным каналом 30 для горячего потока и проходным каналом 31 для холодного потока, и комплектом дифференциальных термопар 32. «Холодные» концы 33 дифференциальных термопар 32 расположены в проходном канале 31 для холодного потока термодинамически расслоенного в вихревой трубе 13 газа. «Горячие» концы 34 дифференциальных термопар 32 расположены в проходном канале 30 для горячего потока. Проходной канал 31 для холодного потока газа соединен своим входом 35 с выходом 17 холодного потока из вихревой трубы 13 и выходом 36 соединен через конденсатоотводчик 8 и кран 9 с емкостью 5 сбора конденсата. Проходной канал 30 для горячего потока соединен своим входом 37 с выходом горячего потока 18 из вихревой трубы 13, а выходом 38 соединен с входом 19 теплообменника 14.
Газораспределительная станция работает следующим образом.
Газ по газопроводу 3 высокого давления поступает в технологический блок 2, проходит по эжектору 12 и из его выхода 15 поступает на вход 16 вихревой трубы 13. В результате термодинамического расслоения в вихревой трубе 13 газ, поступающий из эжектора 12, разделяется на периферийный горячий поток (температура потока превышает температуру газа, поступающего в вихревую трубу 13) и осевой холодный поток (температура потока ниже температуры газа, поступающего в вихревую трубу 13). Из выхода 18 горячего потока вихревой трубы 13 на вход 37 проходного канала 30 корпуса 29 термоэлектрического генератора 28 поступает горячий поток, где контактирует с расположенными «горячими» концами 34 комплекта дифференциальных термопар 32. Одновременно из выхода 17 холодного потока вихревой трубы 13 на вход 35 проходного канала 31 поступает холодный поток, где контактирует с расположенными «холодными» концами 33 комплекта дифференциальных термопар 32. При выполнении дифференциальных термопар 32 из хромель-копеля при температуре горячего потока до 100°С (что наблюдается в реальных условиях работы вихревой трубы 13) и температуре холодного потока, близкой к 0°С, термоЭДС достигает 6,96 мВ (см. например, стр.92, Миронов К.А., Шипетин Л.И. Теплотехнические измерительные приборы. Справочные материалы. М., 1959 - 856 с. Ил.; Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат. 1984 - 230 с. ил.), а это при использовании комплекта из ряда дифференциальных термопар 32 обеспечивает величину напряжения на выходе из термоэлектрического генератора 28, достаточную для постоянного дежурного освещения (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общ. ред. В.М.Зорина. Энергоатомиздат. 1988 - 560 с. ил.) в помещении газораспределительной станции.
Из выхода 38 проходного канала 30 горячий поток после контакта с «горячими» концами 34 дифференциальных термопар 32 поступает на вход 19 выполненного в виде суживающегося сопла теплообменника 14 с повышенной температурой (около 100°С), где перемещается по винтообразным канавкам 22, расположенным на внутренней поверхности 23, дополнительно турбулизуется и рекуперативно отдает свою теплоту нагретой воде, поступающей по трубопроводу 26 (например, из водопроводной сети). Далее остывший поток из теплообменника 14 направляется к выходу 20, выполненному в виде расширяющегося сопла, где перемещается по винтообразным канавкам 24, расположенным на внутренней поверхности 25.
Выполнение входа 19 в виде суживающегося сопла с расположением винтообразных канавок 22 на внутренней поверхности 23 с образующей, которая имеет направление движения по ходу часовой стрелки, приводит к ускоренному поступлению и закручиванию горячего потока газа по направлению движения часовой стрелки, а выполнение выхода 20 в виде расширяющегося сопла с расположением винтообразных канавок 24 на внутренней стороне поверхности 25 с образующей, которая имеет направление движения против хода часовой стрелки, приведет к замедлению выхода закрученного остывшего потока газа и вращению его против направления движения часовой стрелки. В результате в межтрубном пространстве теплообменника 14 возникают встречно направленные от входа 19 к выходу 20 микрозавихрения потока газа, поступающего из выхода 18 вихревой трубы 13. В этом случае процесс теплообмена интенсифицируется (см., например, Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности. 1969 - 357 с. ил.), что позволяет энергию, заключенную в газе газопровода высокого давления 3 при переводе на параметры газопровода низкого давления 4, использовать как источник тепла в теплообменнике 14 с последующим поступлением к нагревательным элементам (радиатора) систем отопления здания газораспределительной станции. Охлажденный за счет отдачи тепла нагреваемой воде поток газа из выхода 20 теплообменника 14 направляется в камеру смешивания 21 и смешивается с газом, поступающим в эжектор 12 из газопровода 3 высокого давления, вновь направляется в вихревую трубу 13. Использование эжектора 12 позволяет предотвратить потери газа, термодинамически расслоенного в вихревой трубе 13 на холодный осевой поток и горячий периферийный поток (около 40%).
Из выхода 36 проходного канала 31 холодный поток газа (объемом не менее 60% от общего объема газа), поступающий в вихревую трубу 13 с конденсатом, полученным как в процессе охлаждения парообразующей влаги, при термодинамическом расслоении газа в вихревой трубе 13, так и соответствующий движущемуся газу по газопроводу высокого давления, проходит через конденсатоотводчик 8, где происходит отбор конденсата с последующим его самотеком через кран 9 по трубопроводу в емкость 5 сбора конденсата. Одновременно очищенный от конденсата холодный поток газа поступает в газопровод 4 низкого давления.
При заполнении емкости 5 до определенного уровня (например, 0,75 объема) от датчика 10 уровня поступления поступает сигнал в блок 1 управления о необходимости опорожнить емкость 5. Для опорожнения емкости 5 закрывается кран 9 и открывается запорный орган 7. Газ, находящийся в емкости 5, поступает в газопровод 4 низкого давления, и тем самым в емкости 5 для сбора конденсата давление снижается. Это позволяет перекачивать находящийся там конденсат в забирающее устройство, например в автоцистерну, перекрывая запорный орган 7 и открывая кран 11.
Оригинальность предлагаемого изобретения по повышению КПД за счет снижения энергоемкости эксплуатации газораспределительной станции, особенно в темное время суток при применении служебного освещения, достигается использованием энергетического потенциала газопровода высокого давления с последующим термодинамическим расслоением газа в вихревой трубе на холодный и горячий потоки, которые в свою очередь при прохождении через термоэлектрический генератор обеспечивают получение электрической энергии величиной, обеспечивающей дежурное освещение здания и/или питание автоматизированной системы контроля и регулирования распределения газа.
Газораспределительная станция, содержащая блок управления, технологический блок с газопроводами высокого и низкого давления и емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган с газопроводом низкого давления, на газопроводе высокого давления последовательно установлены эжектор и вихревая труба, выход эжектора соединен с входом вихревой трубы, а выход горячего потока ее с входом теплообменника, причем выход теплообменника соединен с камерой смешивания эжектора, при этом вход теплообменника выполнен в виде суживающегося сопла с винтообразными канавками на внутренней поверхности, образующая которых имеет направление движения по часовой стрелке, а выход теплообменника выполнен в виде расширяющегося сопла с винтообразными канавками на внутренней поверхности, образующая которых имеет направление движения против часовой стрелки, при этом теплообменник установлен на трубопроводе системы отопления помещения газораспределительной станции, отличающаяся тем, что вихревая труба снабжена термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для горячего потока и проходным каналом для холодного потока, и комплектом дифференциальных термопар, «холодные» концы которых расположены в проходном канале для холодного потока, термодинамически расположенного в вихревой трубе газа, а «горячие» концы расположены в проходном канале для горячего потока, при этом проходной канал для холодного потока соединен своим выходом с входом холодного потока из вихревой трубы и выходом соединен через конденсатоотводчик с емкостью сбора конденсата, а проходной канал для горячего потока соединен своим входом с выходом горячего потока из вихревой трубы и выходом с входом теплообменника.
