УТИЛИЗАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F02C1/02 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и предназначено для редуцирования давления природного газа с одновременным получением электрической энергии. Изобретение может найти применение преимущественно на газораспределительных станциях, газорегуляторных пунктах тепловых электростанций, котельных, а также технологических агрегатах в схемах выработки холода и сжижения газа.

В настоящее время актуальной является задача разработки установок, позволяющих утилизовать энергию избыточного давления газа, в том числе природного газа, в процессе его добычи или подачи потребителю для получения полезной мощности, в частности для выработки электрической энергии.

Известны технические решения [з-ка РФ N 93036159/06, F 02 C 7/00, публ. БИ N 2, 1996; з-ка РФ N 93036167/06, F 02 C 1/04, публ. БИ N 2, 1996], в которых предлагается использовать энергию пластового давления природных газовых залежей для выработки электроэнергии с помощью газотурбинных установок.

Применение указанных установок ограничено тем, что они могут быть использованы только в местах добычи природного газа.

Известен целей ряд утилизационных энергетических установок, использующих энергию избыточного давления природного газа, поступающего на газораспределительную станцию (ГРС), для выработки электрической энергии, например а. с. СССР N 918469, F 02 C 6/6, публ. 1982; ж. "Газовая промышленность", N 1, 1994, с. 17; з-ка РФ N 92016138/29, F 17 D 1/14, публ. БИ N 26, 1995; патент РФ N 2009389, F 17 D 1/04, F 01 K 23/06, публ. 1994.

Данные установки включают турбодетандер, подключенный к магистральному газопроводу, выходной вал которого соединен с валом электрогенератора. При расширении газа на турбодетандере происходит понижение давления газа и одновременно вырабатывается свободная механическая энергия, используемая для привода электрогенератора, кинематически связанного с валом турбодетандера.

Недостатком указанных установок является то, что для осуществления кинематической связи с электрогенератором вал турбодетандера выходит за пределы корпуса турбодетандера. При этом возникает опасность утечки газа во внешнюю среду в выходном отверстии корпуса, через которое проходит вал турбодетандера. Для устранения утечки приходится использовать сложные системы уплотнения, что усложняет и удорожает конструкцию установок.

Из уровня техники известны технические решения, в которых для выработки электроэнергии используются размещенные в едином корпусе электрогенератор и газовая турбина, установленные на одном валу, например, преобразователь энергии [а.с. СССР N 1379880, H 02 K 7/18, 5/136, публ. 1988].

Однако указанная установка не является утилизационной и предназначена непосредственно для преобразования пневматической энергии в электрическую.

В качестве прототипа авторами выбрана утилизационная энергетическая установка [ж. "Газовая промышленность", N 1, 1994, с. 17].

Установка подключена параллельно блоку редуцирования давления газа ГРС и содержит установленный в газовом тракте турбодетандер, корпус которого на входе соединен с магистралью газа высокого давления, а на выходе подсоединен к магистрали подвода газа потребителю. Установка содержит электрогенератор, вал которого кинематически соединен с валом турбодетандера.

Установка также содержит регулирующий клапан и теплообменник.

Природный газ после подогрева направляется в установку. В ней газ вначале дросселируется в регулирующем клапане, а затем расширяется в турбодетандере до уровня выходного давления ГРС с производством работы, передаваемой электрогенератору, кинематически подключенному к турбодетандеру.

Недостатком установки является необходимость уплотнения вала детандера для предотвращения утечек газа в атмосферу, а также отсутствие в установке возможности возврата и полезного использования тепловых потерь электрогенератора, что приводит к снижению общего КПД установки.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение безопасности работы установки и увеличение ее полезной мощности и экономичности.

Сущность изобретения заключается в том, что утилизационная энергетическая установка содержит установленный в газовом тракте детандер, корпус которого на входе соединен с газовой магистралью высокого давления, а на выходе - с магистралью подвода газа потребителю, и электрогенератор, кинематически связанный с детандером, при этом электрогенератор установлен в газовом тракте перед детандером и размещен в едином корпусе с ним на одном валу.

Новыми отличительными от прототипа признаками предлагаемого изобретения являются следующие признаки.

Электрогенератор установлен в газовом тракте и размещен в едином корпусе с детандером, при этом электрогенератор установлен перед детандером на одном валу с ним.

Наличие в установке помещенного в газовый тракт детандера, корпус которого на входе соединен с магистралью газа высокого давления, а на выходе - с магистралью подвода газа потребителю, обеспечивает редуцирование давления газа до требуемой величины выходного давления.

Наличие электрогенератора, кинематически связанного с детандером, позволяет утилизовать свободную механическую энергию вращения вала детандера для выработки электроэнергии.

Установка электрогенератора в газовом тракте и размещение его в едином корпусе с детандером на одном с ним валу обеспечивает изоляцию детандера и электрогенератора от внешней среды при реализации их кинематической связи. При этом вал детандера не выходит за пределы корпуса во внешнюю среду, что исключает утечку газа в атмосферу, а также необходимость уплотнения вала. Тем самым повышается безопасность работы устройства и снижаются затраты, связанные с дорогостоящими уплотнительными системами.

Размещение электрогенератора в газовом тракте перед детандером обеспечивает охлаждение электрогенератора потоком газа, что повышает на 5 - 7% полезную мощность генератора из-за снижения тепловых потерь. При этом тепло, отдаваемое электрогенератором, используется для подогрева газа, поступающего на детандер.

Установка (см. чертеж) содержит корпус 1, в котором размещены электрогенератор 2 и детандер 3, установленные на одном валу 4.

Входной патрубок 5 корпуса 1 соединен с газовой магистралью 6 высокого давления. Выходной патрубок 7 корпуса 1 соединен с магистралью 8 подвода газа потребителю.

Выходные части вала 4 генератора 2 и детандера 3 установлены в подшипниках 9. Корпус статора генератора 2 закреплен в корпусе 1, например, с помощью пластинчатых кронштейнов 10.

В корпусе 1 размещено герметичное устройство 11 вывода проводов.

Установка снабжена системой автоматического регулирования параметров газа для обеспечения стабильности работы электрогенератора 2 и стабильности выходных характеристик подаваемого потребителю газа, включающей, например, датчик 12 давления и регулирующий клапан 13.

Установка также содержит патрубок 14 для присоединения в случае необходимости системы подогрева газа перед детандером 3 и продувочную трубу 15.

Установка работает следующим образом.

Перед пуском установки из корпуса 1 полностью вытесняют воздух путем продувки корпуса 1 природным газом при открытой продувочной трубе 15 и частично открытом клапане 13. При пуске установки это необходимо для исключения возможности взрыва смеси природного газа с воздухом. Взрывоопасная концентрация находится в пределах 5 - 15 об.% (по метану). Продувка установки природным газом перед ее пуском обеспечивает заполнение корпуса 1 природным газом, что гарантирует превышение верхнего предела взрывоопасной концентрации метана в газообразной среде внутри корпуса 1.

По окончании продувки закрывают трубу 15 и увеличивают подачу газа, открывая клапан 13, до набора детандером 3 необходимой частоты вращения.

Поток газа высокого давления из магистрали 6 поступает в корпус 1 через патрубок 5 и проходит через кольцевое сечение, образованное корпусом 1 и корпусом статора электрогенератора 2. Площадь кольцевого сечения выбирается из условия обеспечения интенсивного теплообмена в зоне обтекания потоком газа электрогенератора 2 при минимальной потере давления газа.

Пройдя по кольцевому сечению, поток газа высокого давления попадает на детандер 3 и приводит его во вращение. При этом давление газа за детандером 3 снижается до требуемого потребителю уровня.

Газ поступает к потребителю из магистрали 8 подвода газа, связанной с выходным патрубком 7 корпуса 1.

Вращение детандера 3 через общий вал 4 передается ротору электрогенератора 2. Вырабатываемый электрогенератором 2 ток выводится по проводам с помощью герметичного устройства 11 и поступает к потребителю.

В качестве детандера 3 могут быть использованы, например, газовая турбина, винтовой детандер и прочие устройства.

Для подогрева газа, поступающего на детандер 3, предусмотрен патрубок 14, к которому при необходимости присоединяется система подачи теплоносителя (на чертеже не показана) в пространстве корпуса 1 между электрогенератором 2 и детандером 3.

Предлагаемая установка может иметь различные варианты исполнения в зависимости от выбранного типа детандера 3 (например, винтовой детандер, лопаточная газовая турбина и др.), от выбранной системы автоматического регулирования параметров газа (например, дроссельное регулирование или регулирование с парциальным подводом газа), от выбранной системы подогрева газа перед детандером 3 (например, путем подачи теплоносителя от внешнего источника или путем подачи воздуха от компрессора и организации процесса сгорания газовоздушной смеси).

Конструктивное оформление установки зависит также от конкретной схемы технологического процесса, в которой включена установка.

Так, в случае использования установки в схеме ГРС с подачей природного газа для бытового потребления необходимо обеспечить подогрев газа перед детандером 3.

В случае использования установки в системе выработки холода и сжижения газа отпадает необходимость подогрева газа.

Таким образом, предлагаемая утилизационная энергетическая установка характеризуется улучшенными энергетическими и экономическими показателями, повышенной безопасностью эксплуатации, является компактной и хорошо совместима с коммуникационными схемами различных объектов, в которых существует необходимость редуцирования давления природного газа.

В корпусе в газовом тракте утилизационной энергетической установки установлены детандер, корпус которого на входе соединен с газовой магистралью природного газа высокого давления, а на выходе - с магистралью подвода газа потребителю, и электрогенератор, кинематически связанный с детандером. При этом электрогенератор установлен в газовом тракте перед детандером и размещен с ним на одном валу. Использование изобретения позволит повысить безопасность работы установки и увеличить ее мощность и экономичность. 1 ил.

Утилизационная энергетическая установка, связанная с трактом подвода приводного газа потребителю, вход которой соединен с магистралью газопровода природного газа, а выход - с магистралью подвода природного газа потребителю, содержащая детандер и кинематически связанный с ним электрогенератор, отличающаяся тем, что электрогенератор и детандер размещены в едином корпусе, входной патрубок которого соединен с магистралью газопровода природного газа, а выходной патрубок - с магистралью подвода природного газа потребителю, при этом электрогенератор установлен перед детандером на одном с ним валу, ориентированном вдоль направления движения потока газа в корпусе, входной патрубок снабжен регулировочным клапаном, а выходной патрубок снабжен продувочной трубой.