Устройство регулирования давления газа с турбодетандером

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования давления в газовой магистрали с помощью турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для выработки электрической энергии. Устройство содержит турбодетандер, генератор, выпрямитель, инвертор, контроллер, датчики давления, нагревательные элементы, силовые ключи, датчики нагрузки сети и нагревательных элементов, задатчик номинального режима работы турбодетандера, блоки сравнения, расходомер, датчики температуры газа, регуляторы мощности нагревательных элементов на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи, перемножители, измерительные выпрямители с фильтрами, сумматоры нагрузки турбодетандера, корректирующие усилители, блок сравнения мощностей и индикатор недостатка мощности газового потока. Технический результат - повышение эффективности преобразования запасенной энергии природного газа в магистрали высокого давления при его редуцировании в электрическую энергию при изменении нагрузки внешней электросети и расхода потребления газа. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования давления в газовой магистрали с помощью турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для рекуперации энергии сжатого газа и выработки электрической энергии.

Известно устройство регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, турбодетандер, электрический генератор переменного тока, регулируемый по напряжению выпрямитель, регулируемый по частоте инвертор, датчик нагрузки внешней электросети, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб, последовательно соединенные дополнительный выпрямитель, датчик нагрузки нагревательных элементов, регулируемый силовой усилитель, силовые ключи и нагревательные элементы (Патент RU 2587021 С1, кл. F17D 1/00, опубл. 10.06.2016).

Известное устройство не обеспечивает согласования запасенной энергии сжатого газа и электроэнергии, отдаваемой в сеть и требуемой величины подогрева природного газа в зависимости от его расхода, что снижает надежность работы устройства.

Известно устройство турбодетандера с регулированием давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами и нагревательными элементами, датчик давления магистрали низкого давления, турбодетандер, электрический генератор, выпрямитель, инвертор, задатчик номинального режима работы, регулирующее устройство с индикаторами предельных положений регулирующего элемента, измерительный шунт, задатчик величины давления в магистрали низкого давления, измерительный выпрямитель, блоки сравнения заданных режимов работы и величины давления в магистрали низкого давления, реверсивный двоичный счетчик, силовые ключи, привод регулирующего устройства с индикаторами предельных положений регулирующего элемента (Патент RU 2626268 С1, кл. F17D 1/00, опубл. 25.07.2017).

В известном устройстве эффективность преобразования запасенной энергии природного газа в магистрали высокого давления при его редуцировании в электрическую энергию при изменении нагрузки внешней электросети не высока.

Наиболее близким является устройство регулирования давления в газовой магистрали с турбодетандером, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенного с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем, регулируемым по частоте инвертором и датчиком нагрузки внешней электросети, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи, управляющие входы которых соединены с контроллером, датчик нагрузки нагревательных элементов, задатчик номинального режима работы турбодетандера, соединенный с первым входом блока сравнения номинальной работы турбодетандера, расходомер в магистрали высокого давления, датчик давления магистрали высокого давления (Патент RU 2645821 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 28.02.2018).

Известное устройство не обладает высокой эффективностью преобразования запасенной энергии природного газа в магистрали высокого давления при его редуцировании в электрическую энергию при изменении нагрузки внешней электросети и расхода потребления газа.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении эффективности преобразования запасенной энергии природного газа в магистрали высокого давления при его редуцировании в электрическую энергию при изменении нагрузки внешней электросети и расхода потребления газа.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство регулирования давления газа с турбодетандером, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенного с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем, регулируемым по частоте инвертором и датчиком нагрузки внешней электросети, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи, управляющие входы которых соединены с контроллером, датчик нагрузки нагревательных элементов, задатчик номинального режима работы турбодетандера, соединенный с первым входом блока сравнения номинальной работы турбодетандера, расходомер в магистрали высокого давления, датчик давления магистрали высокого давления, дополнительно введены датчики температуры газа, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, блоки сравнения температуры газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, вторые входы которых соединены с выходами датчиков температуры газа на каждой из набора труб разного диаметра соответственно, регуляторы мощности нагревательных элементов на каждой из набора труб разного диаметра, управляющие входы которых соединены с выходами блоков сравнения температуры газа с заданными значениями соответственно, силовые входы регуляторов мощности нагревательных элементов соединены с выходами силовых ключей, входы которых через датчик нагрузки нагревательных элементов соединены с выходом электрического генератора переменного тока, первый перемножитель, первый вход которого соединен с линией напряжения регулируемого по частоте инвертора, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки внешней электросети, второй перемножитель, первый вход которого соединен с линией напряжения электрического генератора переменного тока, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки нагревательных элементов, выходы первого и второго перемножителей соответственно через первый и второй измерительные выпрямители с фильтрами соединены с входами сумматора нагрузки турбодетандера, первый и второй корректирующие усилители соединены с выходами датчиков давления в магистралях высокого и низкого давления соответственно, первый вход делителя соединен с выходом первого корректирующего усилителя, а второй - с выходом второго корректирующего усилителя, входы третьего перемножителя соединены с выходами расходомера в магистрали высокого давления и делителя, первый вход блока вычитания соединен с выходом третьего перемножителя, второй вход соединен с выходом расходомера в магистрали высокого давления, а выход - со вторым входом блока сравнения мощностей, первый вход блока сравнения мощностей соединен с выходом сумматора нагрузки турбодетандера, выход блока сравнения мощностей через первый блок выделения положительных значений и третий корректирующий усилитель соединен с индикатором недостатка мощности газового потока и через инвертор с управляющим входом ключа отсечки подогрева газа, входы сумматора подогрева газа соединены с выходом блока контроля включения запорных устройств набора труб разного диаметра, выходом инвертора и через четвертый корректирующий усилитель и ключ отсечки подогрева газа с выходом блока сравнения номинальной работы турбодетандера, выход сумматора подогрева газа соединен с первыми входами блоков сравнения температуры газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, второй вход блока сравнения номинальной работы турбодетандера соединен с выходом сумматора нагрузки турбодетандера, входы блока контроля включения запорных устройств набора труб разного диаметра соединены с контроллером.

На фигуре представлена структура устройства регулирования давления газа с турбодетандером.

Устройство содержит газораспределительное устройство 1, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами 2, управляемыми через контроллер 3 от датчика давления магистрали низкого давления 4, соединенного с турбодетандером 5, нагруженным электрическим генератором 6 переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем 7, регулируемым по частоте инвертором 8 и датчиком нагрузки 9 внешней электросети, нагревательные элементы 10, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи 11, управляющие входы которых соединены с контроллером 3, датчик нагрузки 12 нагревательных элементов, задатчик номинального режима работы 13 турбодетандера, соединенный с первым входом блока сравнения номинальной работы 14 турбодетандера, расходомер 15 в магистрали высокого давления, датчик давления магистрали высокого 16 давления, датчики температуры 17 газа, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, блоки сравнения температуры 18 газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, вторые входы которых соединены с выходами датчиков температуры 17 газа на каждой из набора труб разного диаметра соответственно, регуляторы мощности 19 нагревательных элементов на каждой из набора труб разного диаметра, управляющие входы которых соединены с выходами блоков сравнения температуры 18 газа с заданными значениями соответственно, силовые входы регуляторов мощности 19 нагревательных элементов соединены с выходами силовых ключей 11, входы которых через датчик нагрузки 12 нагревательных элементов соединены с выходом электрического генератора 6 переменного тока, первый перемножитель 20, первый вход которого соединен с линией напряжения регулируемого по частоте инвертора 8, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки 9 внешней электросети, второй перемножитель 21, первый вход которого соединен с линией напряжения электрического генератора 6 переменного тока, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки 12 нагревательных элементов, выходы первого 20 и второго 21 перемножителей соответственно через первый 22 и второй 23 измерительные выпрямители с фильтрами соединены с входами сумматора нагрузки 24 турбодетандера, первый 25 и второй 26 корректирующие усилители соединены с выходами датчиков давления в магистралях высокого 16 и низкого 4 давления соответственно, первый вход делителя 27 соединен с выходом первого 25 корректирующего усилителя, а второй - с выходом второго 26 корректирующего усилителя, входы третьего перемножителя 28 соединены с выходами расходомера 15 в магистрали высокого давления и делителя 27, первый вход блока вычитания 29 соединен с выходом третьего 28 перемножителя, второй вход соединен с выходом расходомера 15 в магистрали высокого давления, а выход - со вторым входом блока сравнения мощностей 30, первый вход блока сравнения мощностей 30 соединен с выходом сумматора нагрузки 24 турбодетандера, выход блока сравнения мощностей 30 через первый блок выделения положительных значений 31 и третий 32 корректирующий усилитель соединен с индикатором недостатка мощности 33 газового потока и через инвертор 34 с управляющим входом ключа отсечки 35 подогрева газа, входы сумматора подогрева газа 36 соединены с выходом блока контроля включения 37 запорных устройств набора труб разного диаметра, выходом инвертора 34 и через четвертый 38 корректирующий усилитель и ключ отсечки 35 подогрева газа с выходом блока сравнения номинальной работы 14 турбодетандера, выход сумматора подогрева газа 36 соединен с первыми входами блоков сравнения температуры 18 газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, второй вход блока сравнения номинальной работы 14 турбодетандера соединен с выходом сумматора нагрузки 24 турбодетандера, входы блока контроля включения 37 запорных устройств набора труб разного диаметра соединены с контроллером 3.

Устройство регулирования давления газа с турбодетандером работает следующим образом.

Газ магистрали высокого давления через набор труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами 2 газораспределительного устройства 1 поступает в турбодетандер 5 и приводит во вращательное движение электрический генератор 6 переменного тока. Вырабатываемое переменное напряжение выпрямляется на выпрямителе 7 и преобразуется в напряжение промышленной частоты с помощью инвертора 8. Датчик нагрузки внешней электросети 9 вырабатывает напряжение, пропорциональное значению текущей нагрузки внешне электросети.

Для поддержания требуемого давления газа при возможных изменениях расхода в магистрали низкого давления, датчик давления 4 магистрали низкого давления вырабатывает пропорциональное напряжение, которое обрабатывается контроллером 3. На основе этого вырабатываются управляющие воздействия для запорных устройств 2 на отдельных трубах.

Одновременно с открытием запорных устройств 2 на каждой из набора труб разного диаметра, открывается соответствующий силовой ключ 11, через который часть нагрузки с выхода электрического генератора 6 переменного тока через датчик нагрузки 12 нагревательных элементов подается на соответствующий регулятор мощности 19 нагревательных элементов на каждой из набора труб разного диаметра.

Для равномерного прогрева газа в каждой из набора труб разного диаметра установлены датчики температуры 17 газа, сигнал с которых сравнивается на блоках сравнения температуры 18 газа с заданными значениями и на основе этого вырабатывается сигнал регулирования температуры газа в каждой из набора труб разного диаметра. Этот сигнал отрабатывается регулятором мощности 19 и нагревательными элементами 10, обеспечивая равномерный прогрев газа в каждой из набора труб разного диаметра, повышая тем самым эффективность преобразования запасенной энергии природного газа высокого давления в электрическую энергию.

Для определения величины запасенной энергии природного газа высокого давления, выделяемой при его редуцировании в низкое давление, производятся замеры давлений газа в магистрали высокого давления датчиком 16 и в магистрали низкого давления датчиком 4. Эти сигналы через первый 25 и второй 26 корректирующие усилители подаются на первый и второй входы делителя 27 соответственно. В результате на выходе делителя 27 формируется сигнал, пропорциональный отношению давлений в магистралях высокого и низкого давлений, который с сигналом от расходомера 15 в магистрали высокого давления подается на третий 28 перемножитель и затем первый вход блока вычитания 29, на второй вход которого подается сигнал от расходомера 15. В результате на выходе блока вычитания 29 формируется сигнал, пропорциональный величине запасенной энергии природного газа высокого давления, выделяемой при его редуцировании в низкое давление,

Величина мощности, выдаваемой во внешнюю электрическую сеть, определяется первым 20 перемножителем, на входы которого подаются сигналы, пропорциональные току и напряжению, отдаваемому устройством во внешнюю сеть.

Величина мощности, используемой для подогрева газа, определяется вторым 21 перемножителем, на входы которого подаются сигналы, пропорциональные току и напряжению, отдаваемому нагревательным элементам 10 устройства.

Эти величины мощностей через первый 22 и второй 23 измерительные выпрямители с фильтрами подаются на сумматор нагрузки 24 турбодетандера, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный полной вырабатываемой мощности турбодетандера.

Величина полной вырабатываемой мощности турбодетандера на блоке сравнения мощностей 30 сравнивается с величиной запасенной энергии природного газа высокого давления, выделяемой при его редуцировании в низкое давление в единицу времени. В результате на выходе блока сравнения мощностей 30 формируется сигнал, пропорциональной разности выделяемой и потребляемой энергии.

Этот сигнал через первый блок выделения положительных значений 31 и третий 32 корректирующий усилитель соединен с индикатором недостатка мощности 33 газового потока, предназначенным для информирования обслуживающего персонала о рассогласовании допускаемой и потребляемой мощностей.

Регулирование избыточной мощности, отдаваемой на подогрев газа, производится посредством изменения температуры газа с помощью блоков сравнения температуры 18 газа с заданными значениями, поступающими от сумматора подогрева газа 36.

Сумматор подогрева газа 36 формирует выходной сигнал на основе количества включенных труб разного диаметра, определяемого блоком контроля включения 37 запорных устройств, избытка мощности запасенной энергии в магистрали высокого давления, определяемого блоком сравнения мощностей 30 и поддержания эффективной работы посредством блока сравнения номинальной работы 14 турбодетандера. Сигнал с блока сравнения мощностей 30 поступает на сумматор подогрева газа 36 через первый блок выделения положительных значений 31, третий 32 корректирующий усилитель и инвертор 34. Блок сравнения номинальной работы 14 турбодетандера отключает через ключ отсечки 35 подогрева газа четвертый 38 корректирующий усилитель в случае отсутствия запаса мощности редуцирования газового потока.

В результате на подогрев газа расходуется энергия превышения энергии газового потока по отношению к энергии, передаваемой во внешнюю сеть посредством автоматического регулирования температуры подогрева газа в наборе труб разного диаметра.

Такое техническое решение обеспечивает повышение эффективности преобразования запасенной энергии природного газа в магистрали высокого давления при его редуцировании в электрическую энергию при изменении нагрузки внешней электросети и расхода потребления газа.

Устройство регулирования давления газа с турбодетандером, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенного с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем, регулируемым по частоте инвертором и датчиком нагрузки внешней электросети, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, силовые ключи, управляющие входы которых соединены с контроллером, датчик нагрузки нагревательных элементов, задатчик номинального режима работы турбодетандера, соединенный с первым входом блока сравнения номинальной работы турбодетандера, расходомер в магистрали высокого давления, датчик давления магистрали высокого давления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены датчики температуры газа, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, блоки сравнения температуры газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, вторые входы которых соединены с выходами датчиков температуры газа на каждой из набора труб разного диаметра соответственно, регуляторы мощности нагревательных элементов на каждой из набора труб разного диаметра, управляющие входы которых соединены с выходами блоков сравнения температуры газа с заданными значениями соответственно, силовые входы регуляторов мощности нагревательных элементов соединены с выходами силовых ключей, входы которых через датчик нагрузки нагревательных элементов соединены с выходом электрического генератора переменного тока, первый перемножитель, первый вход которого соединен с линией напряжения регулируемого по частоте инвертора, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки внешней электросети, второй перемножитель, первый вход которого соединен с линией напряжения электрического генератора переменного тока, а второй - с измерительным выходом датчика нагрузки нагревательных элементов, выходы первого и второго перемножителей соответственно через первый и второй измерительные выпрямители с фильтрами соединены с входами сумматора нагрузки турбодетандера, первый и второй корректирующие усилители соединены с выходами датчиков давления в магистралях высокого и низкого давления соответственно, первый вход делителя соединен с выходом первого корректирующего усилителя, а второй - с выходом второго корректирующего усилителя, входы третьего перемножителя соединены с выходами расходомера в магистрали высокого давления и делителя, первый вход блока вычитания соединен с выходом третьего перемножителя, второй вход соединен с выходом расходомера в магистрали высокого давления, а выход - со вторым входом блока сравнения мощностей, первый вход блока сравнения мощностей соединен с выходом сумматора нагрузки турбодетандера, выход блока сравнения мощностей через первый блок выделения положительных значений и третий корректирующий усилитель соединен с индикатором недостатка мощности газового потока и через инвертор - с управляющим входом ключа отсечки подогрева газа, входы сумматора подогрева газа соединены с выходом блока контроля включения запорных устройств набора труб разного диаметра, выходом инвертора и через четвертый корректирующий усилитель и ключ отсечки подогрева газа - с выходом блока сравнения номинальной работы турбодетандера, выход сумматора подогрева газа соединен с первыми входами блоков сравнения температуры газа с заданными значениями для каждой из набора труб разного диаметра, второй вход блока сравнения номинальной работы турбодетандера соединен с выходом сумматора нагрузки турбодетандера, входы блока контроля включения запорных устройств набора труб разного диаметра соединены с контроллером.