Установка альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов
Владельцы патента RU 2774014:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) (RU)
Изобретение относится к области энергетики. Установка альтернативного энергосбережения средств электрохимической защиты магистральных трубопроводов включает в себя установленное на газопроводе рабочее колесо турбины Пелтона с защитной решеткой, приводимое в движение потоком газа. Для повышения надежности и исключения сопротивления на валу рабочего колеса турбины Пелтона используют радиальный магнитный подшипник и упорный магнитный подшипник на постоянных магнитах. Для исключения утечек из корпуса рабочего колеса турбины Пелтона применяют магнитную муфту, через которую передают момент вращения от ведущего вала к ведомому при помощи магнитного поля. Для компенсации разности оборотов рабочего колеса турбины Пелтона и обеспечения постоянных оборотов вала генератора на постоянных магнитах используют вариаторную передачу. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в генерации электрической энергии на средства электрохимической защиты посредством перевода кинетической энергии газа рабочим колесом турбины Пелтона в момент вращения, передаваемый на генератор электрического тока. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области энергетики, в частности энергетическому машиностроению, и может быть использовано при энергообеспечении средств электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии на объектах нефтегазового комплекса путем использования электрогенерирующего устройства, преобразующего поток природного газа в электрическую энергию.
Эффективность работы средств электрохимической защиты от коррозии является одним из основополагающих факторов, определяющих надежность и долговечность эксплуатации газопроводов. Одной из проблем эксплуатации существующих средств защиты от коррозии является энергообеспечение наиболее удаленных систем катодной защиты, поскольку прокладка кабельной линии вдоль газопровода, например, между компрессорными станциями является очень трудозатратным и сложным в эксплуатации процессом.
Известно достаточное количество устройств того же назначения, которые могут быть использованы в качестве аналогов заявляемого технического решения.
Известна группа устройств для производства электроэнергии с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии, а именно природного направленного потока воздуха, приводящего в движение турбину, соединенную с ротором генератора электрического тока (например, Патент №2301355 Автономное электрогенерирующее устройство, F03G 7/04; Патент №2225949 Устройство для выработки электроэнергии, F03G 7/04; Патент №80903 Энергетическая установка, F03G 7/04).
Общий недостаток, присущий указанной группе аналогов, заключается в необходимости искусственного создания потока воздуха, что ведет к усложнению конструкции.
Еще одним недостатком известных альтернативных источников электропитания удаленных систем катодной защиты (такие как солнечные батареи, ветрогенераторы и т.д.) является тот факт, что они не обеспечивают должной надежности и постоянной необходимой мощности для систем катодной защиты в первую очередь из-за того, что на территории страны имеет место неравномерное распределение ветровых потоков и непостоянное должное количество солнечной радиации. Как следствие возникают серьезные перебои в электроснабжении станций катодной защиты сети газопроводов даже при использовании комбинированных солнечно-ветровых установок.
Известно электрогенерирующее устройство (Полезная модель №169479 (RU) Электрогенерирующее устройство, F03B 13/00), включающее корпус, гидротурбинку и электрогенератор, отличающееся тем, что в корпусе расположены две камеры - герметичная и генераторная, между которыми расположена съемная герметичная перегородка, причем гидротурбинка выполнена в виде крыльчатки, размещенной внутри герметичной камеры, а электрогенератор расположен в генераторной камере, при этом крыльчатка соединена с электрогенератором с помощью ведущей и ведомой полумуфт, выполненных в виде дисков, с жестко укрепленными на них магнитами, кроме того, ведущая полумуфта жестко связана с крыльчаткой, а ведомая полумуфта расположена в генераторной камере и связана передачей с валом электрогенератора, выход которого соединен с электрической нагрузкой. Указанное электрогенерирующее устройство используется для повышения эффективности преобразования величины напора воды в сети в электрическую энергию.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, что снижает эффективность использования и относительно низкие удельные параметры, например, низкая величина сгенерированной электрической энергии. Еще одним недостатком известного устройства является ограниченная область использования.
Известно устройство преобразования энергии потока среды, которое является альтернативным источником электроэнергии и размещается в перекачивающем трубопроводе, расположенном в труднодоступном месте (Патент №149168 (RU) Устройство преобразования энергии потока среды, F03D 11/00). Полезная модель относится к устройствам преобразования энергии потока среды в электрическую энергию, является альтернативным источником электроэнергии, размещается в перекачивающем трубопроводе, расположенном в труднодоступном месте. Вал рабочего колеса, связанный с электрическим генератором, соединен с входным валом углового редуктора. Выходной вал углового редуктора соединен с валом электрического генератора, установленным в кожухе. Кожух соединен с элементами подъемного устройства, электрический генератор и подъемное устройство размещены в камере. На корпусе редуктора установлен опорный элемент, взаимодействующий с центрирующей опорой.
Недостатком известного устройства является сложность его обслуживания и ревизии, а также нахождение рабочих органов конструкции в полости трубопровода, что препятствует проведению внутритрубной диагностики.
Известна также система электрохимической защиты, удаленного коррозионного и экологического мониторинга (Патент №63808 (RU) Система электрохимической защиты удаленного коррозийного и экологического мониторинга, C23F 13/22), представляющая собой устройство коррозионного мониторинга, включающее в себя два блока питания, основной и резервный, блок автоматического ввода резерва, две установки катодной защиты, основная и резервная, глубинное анодное заземление, протяженные анодные заземления, расположенные вдоль каждого трубопровода, блок совместной защиты, блоки измерения и сигнализации параметров электрохимической защиты по числу трубопроводов, осуществляющие сбор данных с датчиков поляризационного потенциала, датчиков скорости коррозии, датчиков наводороживания, электродов сравнения, блок управления, обрабатывающий информацию с блоков измерения и сигнализации, блок связи для передачи данных и дистанционного управления, включающий в себя модем сотовой связи, и передающий обработанную информацию с блока управления на диспетчерский пункт, оснащенный автоматизированным рабочим местом, а также блок экологического мониторинга, в состав которого входят датчики парниковых газов, датчики влажности, температуры и атмосферного давления.
Недостатком известного устройства является энергозависимость оборудования, что обуславливает требования по энергоснабжению к месту размещения или прокладку дорогостоящих линий электропередач в месте его установки.
Еще одной альтернативой строительству вдольтрассовых линий электропередач считается использование газопоршневых установок (ГПУ), использующих в качестве топлива природный газ. Особенностью данных установок является то, что при сопоставимой с ветрогенераторами и солнечными батареями стоимостью ГПУ вырабатывают электроэнергии в несколько раз больше. Для работы подобных установок разрабатываются силовые модули мощностью вплоть до 1 кВт. На основе этих модулей можно будет построить станции катодной защиты мощностью до 5 кВт, работающие от постоянного тока.
Несмотря на все достоинства газопоршневых установок по сравнению с ветрогенераторами, солнечными батареями и комбинированными установками, ГПУ обладают одним существенным недостатком - они потребляют газ для выработки энергии. Этот фактор значительно снижает энергоэффективность данных установок. Кроме этого, работа таких установок связана с выбросами в атмосферу продуктов сгорания газа.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является установка преобразования энергии потока среды, предназначенная для преобразования энергии потока среды в электрическую энергию (Патент №2381379 (RU). Установка преобразования энергии потока среды, F03D 1/02, F03B 13/10), которая представляет единый вращаемый блок из составляющих в виде первого и, по крайней мере, второго электрогенераторов с соответствующими лопатками турбин для повышения эффективности использования потока среды вдоль оси вращения этого единого вращаемого блока в виде кольцевого первого ротора с первой турбиной и второго электрогенератора со второй турбиной, в частности при малых скоростях потока среды через установку.
Недостатком известной установки является наличие в конструкции большого количества фрикционных элементов и подшипников качения, что в большой степени снижает надежность использования устройства.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в повышении энергоэффективности, надежности и экологической безопасности установок энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов.
Значительная протяженность подземных магистральных трубопроводов, в том числе по территориям, не имеющим источников централизованного электроснабжения, свидетельствует в пользу обеспечения средств катодной защиты оборудованием, функционирующим автономно. В этой связи в основу настоящего изобретения положена задача создания энергонезависимой установки преобразования энергии потока среды, которая обеспечивала бы эффективную электрохимическую защиту магистральных подземных трубопроводов, в местах, где прокладка линий электропередач невозможна или нецелесообразна.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в генерации электрической энергии на средства электрохимической зашиты посредством перевода кинетической энергии газа рабочим колесом турбины Пелтона в момент вращения, передаваемый на генератор электрического тока.
Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигаются тем, что для штатного энергоснабжения оборудования электрохимической защиты (систем катодной защиты) удаленных участков магистральных газопроводов предлагается установка альтернативного энергообеспечения, вырабатывающая ток из энергии движения природного газа, которая обеспечивает автономную работу средств электрохимической защиты.
Заявляемое техническое решение поясняется с помощью Фиг. 1, на которой представлена установка альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов, а на Фиг. 2 показан продольный разрез установки. Позициями на Фиг. 1 и Фиг. 2 обозначены:
1 - газопровод,
2 - рабочее колесо турбины Пелтона,
3 - защитная решетка (сетка),
4 - радиальный магнитный подшипник (подвес),
5 - упорный магнитный подшипник (подвес),
6 - магнитная муфта,
7 - вариаторная передача,
8 - генератор на постоянных магнитах.
Установка альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов включает в себя установленное на газопроводе 1 рабочее колесо турбины Пелтона 2 с защитной решеткой 3, приводимое в движение потоком газа, при этом лопатки рабочего колеса находятся вне плоскости газопровода для обеспечения возможности проведения диагностических работ на трубопроводе и высота лопатки рабочего колеса турбины Пелтона 2 меньше высоты впускной камеры, имеющей форму диффузора, на высоту хорды, а рабочее колесо турбины Пелтона 2 предназначено для преобразования механической энергии протекающего через нее природного газа в полезную энергию на вращающемся валу. Для повышения надежности и исключения сопротивления на валу рабочего колеса турбины Пелтона 2 используют радиальный магнитный подшипник (подвес) 4 и упорный магнитный подшипник (подвес) 5 на постоянных магнитах. Для исключения утечек из корпуса рабочего колеса применяют магнитную муфту 6. Для компенсации разности оборотов рабочего колеса турбины Пелтона 2 используют вариаторную передачу 7, которая также обеспечивает постоянные обороты вала генератора на постоянных магнитах 8.
Принцип действия предлагаемой установки альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов следующий.
Поток природного газа при высоком давлении, проходя по газопроводу 1, подходит к впускной камере (на схеме не обозначена), которая с целью уменьшения сопротивления на данном участке имеет форму диффузора и позволяет отвести часть потока газа от оси трубы для подвода его в области рабочей зоны лопатки рабочего колеса турбины Пелтона 2, где поток отклоняется вдоль стенки диффузора. Максимально допустимый угол отклонения диффузора составляет 12°, что обеспечивает неотрывность потока газа от стенки диффузора и, соответственно, отсутствие турбулентных завихрений. После попадания отклоненного потока газа в область рабочего колеса турбины Пелтона 2, защищенного от механических повреждений специальной защитной решеткой (сеткой) 3, поток газа взаимодействует с лопатками рабочего колеса турбины Пелтона 2, передает им часть кинетической энергии (за исключением потерь), и таким образом преобразуется в механическую энергию, соответственно приводя их в движение. В результате чего рабочее колесо турбины Пелтона 2 начинает вращение. При этом колесо не мешает движению потока газа и имеет минимальный коэффициент сопротивления. Повышение надежности, исключение сопротивления на валу рабочего колеса турбины Пелтона 2 и снижение коэффициента трения рабочего колеса турбины Пелтона 2 обеспечиваются системой магнитных подвесов - радиального магнитного подшипника (подвеса) 4 и упорного магнитного подшипника (подвес) 5. Предложенная система исключает физический контакт вала рабочего колеса турбины Пелтона 2 с корпусом, что соответственно исключает физический износ оборудования и повышает срок службы. Далее момент вращения передается через герметичную магнитную муфту 6 от ведущего вала к ведомому при помощи магнитного поля. Магнитная муфта 6 обеспечивает герметичность конструкции, препятствуя эмиссиям природного газа и исключая утечки из корпуса рабочего колеса турбины Пелтона 2. При этом герметичный немагнитный стакан магнитной муфты 6 способен выдержать давление до 24 МПа и исключает любое трение.
Передача крутящего момента вторичного вала через постоянное магнитное поле и плавное изменение передаточного отношения в некотором диапазоне регулирования происходит с помощью вариаторной передачи 7, обеспечивающей постоянные обороты вала генератора на постоянных магнитах 8, для выработки электроэнергии и распределения тока по станциям электрохимической защиты. Работа генератора основана на применении закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, вращающемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется электродвижущая сила. Генератор на постоянных магнитах 8 имеет наименьшее сопротивление вращения на валу за счет применения магнитных подвесов, исключающих трение на подшипниках, и использования метода бесщеточного возбуждения магнитного поля, выдерживает большие обороты и обладает высокой надежностью. При этом выходные характеристики генератора на постоянных магнитах 8 полностью соответствуют необходимым параметрам, а потери давления в месте установки оборудования незначительны из-за минимального момента страгивания генератора на постоянных магнитах 8.
Возможность искрообразования от работающего колеса установки альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов исключается благодаря применению искробезопасных материалов и отсутствию трения подшипников качения.
Предлагаемая установка альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов упрощает обслуживание в плане отсутствия кабельных линий большой протяженности; экономит электроэнергию; позволяет увеличить количество точек дренажа, что в свою очередь создает более равномерное поле разности потенциалов, снижая риск возникновения наводороживания металла трубы. Отсутствие трения движущихся элементов в предлагаемой установке альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов позволяет увеличить срок службы системы транспорта газа. Отсутствие выбросов в атмосферу свидетельствует о высокой экологичности установки в сравнении с газо-поршневыми установками. Кроме этого имеется возможность дистанционного контроля и мониторинга системы посредством средств GSM.
С учетом вырабатываемой мощности электрического тока в зависимости от типа газопровода, скорости течения газа, диаметра трубопровода предлагаемая установка альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов позволяет обеспечить покрытие 5-10 км газопроводов.
При известных входных параметрах газа и диаметре газопровода необходимые параметры основных конструктивных элементов установки альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов определяются по следующим выражениям:
- высота диффузора:
где D1 - диаметр данного сечения; Т1, Т2 - температура в сечении 1 (сечение трубы на входе в диффузор) и 2 (сечение на выходе из диффузора); k - коэффициент адиабаты среды (природного газа); S1 - площадь сечения трубы до диффузора; R - универсальная газовая постоянная;
- высота лопатки рабочего колеса:
где с - толщина защитной сетки (принимаем приблизительно 8 мм).
- площадь лопатки рабочего колеса:
где f - площадь сечения камеры диффузора;
- мощность, отбираемая турбиной от протекающего газа:
где ρ - плотность газа; g - ускорение свободного падения; Q - расход газа; Р2 - давление газа на лопатке рабочего колеса;
- момент количества движения:
где RK1 - радиус рабочего колеса у основания лопатки; RK2 - радиус рабочего колеса у края лопатки; b' - высота лопатки.
Мощность, габаритные размеры, климатическое исполнение установки альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов подбираются исходя из заданных условий эксплуатации, к которым относятся: параметры газопровода, диаметр, скорость потока газа и давление газа.
1. Установка альтернативного энергообеспечения средств электрохимической защиты магистральных газопроводов, содержащая рабочее колесо турбины Пелтона с защитной решеткой, приводимое в движение потоком газа, а для повышения надежности и исключения сопротивления на валу рабочего колеса турбины Пелтона используют радиальный магнитный подшипник и упорный магнитный подшипник на постоянных магнитах, а для исключения утечек из корпуса рабочего колеса турбины Пелтона применяют магнитную муфту, с помощью которой передают момент вращения от ведущего вала к ведомому при помощи магнитного поля, при этом для компенсации разности оборотов рабочего колеса турбины Пелтона используют вариаторную передачу, которая обеспечивает постоянные обороты вала генератора на постоянных магнитах.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что устанавливается на газопровод.
3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что впускная камера имеет форму диффузора и позволяет отвести часть потока газа от оси трубы для подвода его в области рабочей зоны лопатки рабочего колеса турбины Пелтона, где поток отклоняется вдоль стенки диффузора, при этом максимально допустимый угол отклонения диффузора составляет 12°.
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лопатки рабочего колеса турбины Пелтона расположены вне плоскости газопровода и высота лопатки рабочего колеса меньше высоты впускной камеры, имеющей форму диффузора, на высоту хорды.
