ГАЗОТУРБОГЕНЕРАТОР Российский патент 2005 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к устройствам для понижения давления в магистральных газопроводах и может использоваться для утилизации избыточной энергии газа.

Известно техническое решение (см. журнал ИР №1, 1984 г., ИР №11, 1985 г., стр.12-13), где предусмотрено использовать вместо редукционных клапанов газовые турбины - детендеры, сочлененные с электрическим генератором. При этом имеется возможность получения электрической энергии за счет перепада давления в газопроводе.

Сложность решения задачи заключается в герметизации машин и регулировании скорости турбины для получения стабильной частоты тока. Вопрос герметизации машин частично решен в газотурбогенераторе по а.с. №422924, F 25 В 11/00 от 1974 г. Известный газотурбогенератор содержит расширительную и электрическую машины, валы которых соединены между собой муфтой, расположенной в герметической оболочке, соединяющей корпуса машин. Недостатки известного устройства заключаются в том, что необходимо выполнять герметичными обе машины, а это сложно. С другой стороны, сложность регулирования частоты генератора при работе его на промышленную сеть.

Наиболее близким по техническому решению является изобретение (см. патент RU 2151971, МКП F 25 В 11/00 от 30.10.00), взятое авторами за прототип.

Известный газотурбогенератор, преимущественно для утилизации избыточной энергии газа, содержащий расширительную (например, турбину) и электрическую машины, валы которых соединены между собой муфтой, а в качестве электрической машины использована асинхронная машина в генераторном режиме с рекуперацией энергии в питающую сеть, при этом турбина и электрическая машина расположены в герметической камере, содержащей проходные изоляторы, соединенные с одной стороны с электрической машиной, а с другой стороны с питающей сетью.

Недостатком известного технического решения являются низкие энергетические показатели в большом диапазоне изменения скорости вращения турбины. Это следует из формулы потерь в асинхронном двигателе:

ΔР_эл2=М(ω₀-ω)=Мω₀s,

где ΔР_эл2 - электрические потери в роторе, Вт;

М - вращающий момент, Н·м;

ω₀=2πf/р - скорость вращения магнитного поля, с-1;

f - частота питающего тока, Гц;

р - число пар полюсов, р=1, 2, 3...n;

ω - скорость вращения ротора асинхронного двигателя, с-1;

s - скольжение, о.е.

Таким образом, при высокой номинальной скорости вращения ω₀ и больших перепадах скорости вращения ротора ω (т.е. большом скольжения s) будут и большие потери энергии в роторе электрической машины.

Техническим решением поставленной задачи является повышение надежности и энергетических показателей.

Поставленная задача достигается тем, что газотурбогенератор, преимущественно для утилизации избыточной энергии газа, содержит расширительную камеру, например турбину, и асинхронную машину в генераторном режиме с рекуперацией энергии в питающую сеть, расположенные в герметической камере с проходными изоляторами, соединенные с одной стороны с асинхронной машиной, а с другой – с питающей сетью, дополнительно содержит коммутатор и датчик скорости, расположенный в герметической камере, обмотки асинхронной машины соединены с сетью, а датчик скорости - с коммутатором через проходные изоляторы, при этом асинхронная машина выполнена многополюсной.

Новизна заявляемого технического решения обусловлена использованием многополюсной асинхронной машины, работающей в режиме рекуперативного торможения с отдачей энергии в питающую сеть, дополнительно введенных коммутатора и датчика скорости, расположенного в герметической камере, при этом обмотки асинхронной машины соединены с сетью, а датчик скорости - с коммутатором через проходные изоляторы.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения. Предлагаемое техническое решение промышленно применимо.

Принцип действия газотурбогенератора поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструкция устройства, а на фиг.2 - электрическая схема соединений.

Герметическая камера 1 имеет входной 2 и выходной 3 патрубки. Расширительная машина (турбина) 4 с выходным валом 5 через муфту 6 соединена с валом 7 многополюсного асинхронного двигателя (асинхронной машины) 8, который посредством стоек 9 крепится к корпусу герметической камеры 1. Проходные изоляторы 10 с одной стороны соединены с обмотками многополюсного асинхронного двигателя 8, датчиком скорости 11, с другой стороны - с коммутатором 12 и сетью 13 (А, В, С) фиг.2.

Газотурбогенератор работает следующим образом. Газ высокого давления поступает во входной патрубок 2 герметической камеры 1, проходит через турбину 4, создавая при этом вращающий момент и снижая давление. Газ низкого давления проходит в пространстве между корпусом герметической камеры 1 и корпусом многополюсного асинхронного двигателя 8, поступает к выходным патрубкам 3 и далее в газопровод.

Допустим, в начальный момент времени коммутатор 12 находится в положении, показанном на фиг.2, т.е. три нижних контакта замкнуты, а верхние разомкнуты. В таком положении обмотки многополюсного асинхронного двигателя 8 включены на низкую скорость вращения, например 1500 мин^-1 (р=2). При увеличении скорости вращения турбины 4 и многополюсного асинхронного двигателя 8 выше скорости вращения магнитного поля (n₁>n₀₁) многополюсный асинхронный двигатель переходит в режим генераторного торможения с отдачей активной мощности в сеть: А, В, С.

При увеличении расхода газа увеличивается скорость вращения турбины, растут активные потери в роторе многополюсного асинхронного двигателя.

При достижении скорости вращения n₂>n₀₂, например 3100 мин^-1, датчик скорости 11 подает сигнал, и коммутатор 12 переключается. Верхние по схеме контакты замыкаются (фиг.2), а нижние размыкаются. Обмотки многополюсного асинхронного двигателя 8 переключаются на другое число пар полюсов (р=1). Скорость вращения магнитного поля становится 3000 мин^-1, скольжение снижается, снижаются потери в роторе, активная мощность отдается в сеть с высокими энергетическими показателями.

В качестве многополюсного асинхронного двигателя могут использоваться двух-, трех-, четырехскоростные асинхронные машины. Чем больше полюсов у асинхронной машины, тем выше эффективность газотурбогенератора. Причем механические характеристики двигателей могут быть различны, в зависимости от механической характеристики турбины (с постоянным моментом, с постоянной мощностью, вентиляторная и т.д.).

Предлагаемый газотурбогенератор имеет следующие преимущества:

1. Можно изготовлять газотурбогенератор на большой диапазон мощностей.

2. Имеет простое устройство, высокую надежность и эффективность за счет многополюсного асинхронного двигателя.

3. Многополюсный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором отдает в сеть активную мощность, при неизменной частоте тока, в широком диапазоне изменения скорости вращения, например 750/1000/1500/3000 мин^-1, что дает возможность согласовать этот турбогенератор с питающей сетью.

4. Газ, выходящий из турбины, охлаждает электрическую машину, что также повышает КПД системы.

Изобретение относится к области устройств для понижения давления в магистральных газопроводах и может использоваться для утилизации избыточной энергии газа. Для повышения надежности и энергетических показателей в качестве электрической машины использован многополюсный асинхронный электродвигатель в генераторном режиме с рекуперацией энергии в питающую сеть, причем турбина, электрическая машина и датчик скорости расположены в герметической камере, содержащей проходные изоляторы, соединенные с одной стороны с электрической машиной и датчиком скорости, а с другой стороны через коммутатор с питающей сетью. Изобретение позволяет повысить надежность и энергетические показатели газотурбогенератора. 2 ил.

Газотурбогенератор, преимущественно для утилизации избыточной энергии газа, содержащий расположенные в герметической камере турбину и асинхронную машину в генераторном режиме с рекуперацией энергии в питающую сеть и проходные изоляторы, соединенные с обмотками асинхронной машины, отличающийся тем, что содержит коммутатор и датчик скорости, расположенные в герметической камере, асинхронная машина выполнена многополюсной, проходные изоляторы, соединенные с обмотками асинхронной машины, соединены через контакты коммутатора с питающей сетью, а датчик скорости соединен с коммутатором также через проходные изоляторы.