СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ СЖАТОГО ГАЗА Российский патент 2013 года по МПК F17D1/04 

Предлагаемое изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для утилизации энергии, запасенной в сжатом газе, например в метане, в виде получения электрической энергии и холода за счет понижения начального давления газа, пропускаемого по магистрали газопровода.

Известен способ утилизации энергии сжатого газа, описанный, например, в патенте (RU №2237214 С1, 27.09.2004).

В известном изобретении производят управление подачей природного газа потребителям газоперекачивающей станции путем разделения газа на холодный и горячий потоки, подогрев холодного потока в теплообменнике с последующем соединением двух потоков, при этом перед разделением газ дросселируют и подогревают, используя тепло теплообменных секций магистрального газа, причем давление смешанного потока газа регулируют автоматически в зависимости от температуры, давления и величины потребляемого расхода газа и температуры в магистральном трубопроводе так, что температура газа достигает максимального значения.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что в способе в качестве основного рабочего органа используется вихревая трубка, что ведет к нестабильности работы системы. Кроме того, КПД устройств, работающих по данному способу, невелик.

В качестве прототипа выбран способ использования энергии, запасенной в сжатом природном газе, например в метане, описанный в патенте (RU №2206028 С1, 10.06.2003). В известном способе энергия сжатого газа преобразуется в холод за счет формирования каскадов низкого и высокого давления путем пропускания газа через средство регулирования и понижения давления, в качестве которого используют турбохолодильную установку с применением турбокомпрессора, турбодетандера, радиатора, основного и дополнительного теплообменников и охладителя, с передачей холода потребителю.

В известных устройствах, выполненных по известному способу, удается увеличить холодопроизводительность установок, использующих данный способ, повысить надежность их запуска, упростить конструкцию, повысить экономичность работы в сравнении с аналогом.

Однако известный способ не лишен недостатков, к которым относятся: неполное использование энергии, запасенной в сжатом газе, что снижает его общий КПД, применение сложного и дорого агрегата - турбодетандера, что ограничивает область его применения

Задачей изобретения является повышение КПД установок, выполненных по предлагаемому способу, повышение их универсальности и упрощение конструкции.

Техническим результатом является создание способа, позволяющего наиболее полно использовать энергию сжатого газа за счет получения электрической энергии и холода для технологических нужд, снижение эксплуатационных и капитальных затрат при его реализации.

Технический результат достигается за счет того, что в способе утилизации энергия сжатого газа с получением холода за счет формирования каскадов низкого и высокого давления путем пропускания газа через средства регулирования и понижения давления с применением радиатора, основного и дополнительного теплообменника и охладителей, согласно изобретению, в качестве средства регулирования и понижения давления применяют специальные объемно-роторные лопастные машины, вал машины в каскаде высокого давления сочленяют с первым электрическим генератором, энергию которого используют для технических целей, вал машины в каскаде низкого давления сочленяют со вторым электрическим генератором, энергию которого используют для подогрева газа в радиаторе, причем частоту вращения первого генератора поддерживают стабильной с помощью первой объемно-роторной лопастной машины, а давление газа и величину потребляемого его расхода на выходе поддерживают стабильными с помощью второй объемно-роторной лопастной машины.

Мощность, получаемую от первого генератора первого каскада, и объем газа, получаемый на выходе второго каскада, перераспределяют в зависимости от потребностей.

Применение в качестве средства регулирования объема газа и понижения давления специальных объемно-роторных лопастных машин позволяет получать одновременно холод и электрическую энергию, снизив капитальные затраты при установке и эксплуатации оборудования.

Наличие двух каскадов объемно-роторных лопастных машин обеспечивает получение на выходе второго каскада газа с требуемым для потребителя давлением и объемом.

Применение первого генератора, вращающегося от объемно-роторной лопастной машины, в каскаде высокого давления позволяет получать устойчивое напряжение на выходе генератора.

Применение второго генератора, сочлененного с валом объемно-роторной лопастной машины в каскаде низкого давления дает возможность получать электрическую энергию, необходимую для подогрева газа, идущего потребителю.

Перераспределение мощности, получаемой от генератора первого каскада, и давления и объема газа, получаемых на выходе второго каскада, повышает универсальность способа.

Заявленное изобретение иллюстрируется тремя фигурами.

На фиг.1 представлен чертеж объемно-роторных лопастных машин первого и второго каскада (уровня).

Фиг.2 демонстрирует принципиальную структурную схему технологического процесса.

На фиг.3 изображена структурная схема управления вариатором.

Объемно-роторные лопастные машины (ОРЛМ) состоят из машины «А» первого каскада (уровня) (фиг.1) и машины «В» второго каскада (уровня). Обе машины устроены одинаково и имеют всасывающий 1 и нагнетательный 2 патрубки неподвижного статора 3. В статоре 3 концентрично, с минимальным технологическим зазором (на фиг. не обозначен) установлен ротор 4, снабженный по длине радиальными сквозными каналами 5, в которых подвижно размещены кинематически связанные с ротором 4 пластинчатые элементы 6, разделяющие между собой всасывающие 7 и нагнетательные 8 полости корпуса статора 3. Статор 3 представляет собой полый цилиндр и снабжен плоской опорной площадкой 9 прямоугольной формы, которая жестко сопряжена с корпусом статора 3. Площадка 9 статора имеет объемное прямоугольное окно 10, в которое входит подвижная скользящая плита 11, имеющая вид домкратной прямоугольной плиты с внутренним цилиндрическим углублением 12. Плита 11 с боковых сторон соприкасается с прямоугольными поверхностями окна 10. Эта плита 11 с помощью регулировочного винта 13 и соединенной с плитой регулировочной гайки 14 может перемещаться внутри окна, изменяя объем внутренней полости 12а между ротором 4 и внутренним углублением 12 плиты 11. При нахождении плиты 4 в крайнем верхнем положении углубление 12 становится частью внутреннего диаметра статора 3. С торцевых сторон статор снабжен подшипниковыми щитами, в которых установлены подшипники качения (на фиг. не показаны) вала 15 ротора 4. Регулировочная гайка 14 вращается с помощью исполнительного механизма 16.

Машина «В» выполнена аналогично и обозначение ее отдельных элементов имеет ту же нумерацию, что и у машины «А», но цифры отличаются наличием штриха. Машина «В» связана с машиной «А» через патрубки (нагнетательные каналы) 2, 1'. Причем сама машина «В» может быть установлена либо рядом с машиной «А», либо отдельно от нее и сопрягаться непосредственно с механизмом, который требуется регулировать.

На структурной схеме технологического процесса (фиг.2) вал 15 ОРЛМ «А» сочленен с генератором переменного тока 17. В свою очередь вал 15' ОРЛМ «В» сочленен с валом генератора 18. Всасывающий патрубок 1 сочленен с трубопроводом 19, представляющим собой отвод от основной газовой магистрали 20. Между патрубками 2 и 1' имеется основной теплообменник 21. Теплообменник 21 соединен с потребителем холода, например холодильной камерой 22. Теплообменник 21 и холодильная камера 22 могут включать в себя электродвигатель, дополнительный теплообменник и радиатор, соединенные с основным теплообменником 21 и охладителем 22 посредством трубопроводов в замкнутый контур, в котором расположен хладоноситель (на фиг. не показаны). Нагнетательный патрубок 2' соединен с дополнительным теплообменником 23 и охладителем 24, который так же, как основной теплообменник, содержит замкнутый контур, включающий в себя электродвигатель, дополнительный теплообменник и радиатор, соединенные с теплообменником 23 и охладителем 24 с помощью трубопроводов в замкнутый контур, в котором расположен хладоноситель (на фиг. не показаны). После теплообменника 23 газ по трубопроводу 25 поступает в газораспределительную станцию 26 или к потребителю (на фиг. не показан). При этом газ, идущий по трубопроводу 25, предварительно подогревается в радиаторе с помощью электрического ТЭНа 26, получающего питание от генератора 18. Трубопровод 19 содержит запорный клапан 27, а на выходе трубопровода 25 имеется запорный клапан 28.

Структурная схема управления способа утилизации энергии сжатого газа содержит микропроцессор 29 (фиг.3), на вход которого поступают сигналы от датчика частоты вращения ω (на фиг. не показан) вала генератора 17. Кроме того, на вход микропроцессора поступает сигнал от датчика объема Q газа (на фиг. не показан) газа, получаемого на выходе второго каскада, датчика давления P₁, расположенного на выходе машины «А» (на фиг. не показан), и датчика давления Р₂, расположенного на выходе второго каскада (на фиг. не показан). Сигналы датчиков P₁ и Р₂ поступают в блок сравнения 30, связанный с микропроцессором 29. Блок сравнения содержит также рукоятку управления 31, поворот которой изменяет соотношение между P₁ и Р₂, при постоянстве расхода Q, величина которого определяется потребителями газа. Выход микропроцессора соединен с двигателями исполнительными механизмами 16 и 16'.

Способ утилизации энергии сжатого газа с ОРЛМ работает следующим образом. При подаче газа, имеющего высокое давление, во всасывающий патрубок 1 машины «А» за счет разности давлений ее ротор 4 приходит во вращение, приводя в движение генератор 17, который вырабатывает электрическую энергию. Совершив работу, газ через отводящий канал 2 направляется в основной теплообменник 21. При этом давление газа снижается, снижается и его температура. От теплообменника холод передается к потребителю холода - холодильной камере 22. Затем частично подогретый в теплообменнике газ поступает через трубопровод в машину «В», ротор которой за счет перепада давления приводит во вращение генератор 18. При этом газ расширяется, снижая свою температуру, после чего поступает по трубопроводу в теплообменник 23 и от него к потребителю холода - холодильной камере 24. Энергия генератора используется для питания ТЭНа 26. На выходе теплообменника происходит подогрев газа с помощью ТЭНа 26, после чего газ попадает потребителю или подводится к газораспределительной станции 27. Напряжение на выходе генератора 17 поддерживается с помощью исполнительного механизма 16, который реагирует на частоту вращения его ротора за счет обратной связи по скорости. При снижении частоты вращения объем внутренней полости 12а снижается, а при увеличении частоты вращения он повышается. Аналогично регулируется постоянство давления газа и его объемный расход на выходе второй объемно-роторной лопастной машины. При снижении величины давления газа объем внутренней полости 12'а снижается, а при увеличении давления газа на выходе машины «В» он повышается. Для этого исполнительный механизм 16' должен реагировать на показания датчика давления (на фиг. не показан), устанавливаемого в трубопроводе 25.

При использовании микропроцессорной системы управления (фиг.3) мощность генератора 17 первого каскада, объем и давление газа, получаемый на выходе второго каскада, в трубопроводе 25 могут быть перераспределены в зависимости от потребностей. Для этого оператору достаточно изменить положение рукоятки управления 31. В частности, если по тем или иным причинам произошло увеличение расхода Q газа, то можно перераспределить давление на выходе машины «А», понизив P₁, и повысить Р₂ машины «В», оставляя неизменным увеличенное значение Q. Этот процесс производится за счет изменения положение регулировочных гаек 14, 14' с помощью исполнительных механизмов 16 и 16' автоматически за счет микропроцессорной системы управления.

Таким образом, применение специальных объемно-роторных лопастных машин позволяет перераспределять объем и давление газа, идущий от первого каскада ко второму. При этом обеспечивается постоянство напряжения с помощью машины «А», а давление газа на выходе поддерживают на требуемом уровне с помощью машины «В». ОБЛМ просты в изготовлении и надежны в эксплуатации, и их внедрение в практику вместо дорогих и сложных в эксплуатации турбодетандеров позволит снизить капитальные затраты и расходы на эксплуатацию.

Внедрение способа дает возможность наиболее полно использовать энергию сжатого газа за счет получения электрической энергии и холода для технологических нужд, повысить общий КПД системы.

Технико-экономические достоинства предложенного способа утилизации энергии сжатого газа:

1. Высокий общий КПД установок, выполненных по данному способу.

2. Стабильность работы установки.

3. Возможность передачи энергии на расстоянии.

4. Автономность работы всего комплекса по добыче газа.

5. Снижены капитальные и эксплуатационные расходы.

6. Повышена универсальность установки.

Способ предназначен для утилизации энергии, запасенной в сжатом газе, например в метане, в виде получения электрической энергии и холода за счет понижения начального давления газа, пропускаемого по магистрали газопровода. Способ предусматривает использование двух объемно-роторных лопастных машин, соединенных по двухкаскадной схеме. При подаче газа, имеющего высокое давление, во всасывающий патрубок машины первого каскада за счет разности давлений ее ротор приходит во вращение, приводя в движение генератор, который вырабатывает электрическую энергию. Совершив работу, газ через отводящий канал направляется в основной теплообменник. При этом давление газа снижается, снижается и его температура. От теплообменника холод передается к потребителю холода - холодильной камере. Затем частично подогретый в теплообменнике газ поступает через трубопровод в машину второго каскада, ротор которой за счет перепада давления приводит во вращение второй генератор. Энергия генератора используется для питания ТЭНа. При этом газ расширяется, снижая свою температуру, после чего поступает по трубопроводу в другой теплообменник и от него к потребителю холода - холодильной камере. На выходе теплообменника происходит подогрев газа в ТЭНе, после чего газ попадает потребителю или подводится к газораспределительной станции. Технический результат - повышение КПД установок. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ утилизации энергии сжатого газа с получением холода за счет формирования каскадов низкого и высокого давления путем пропускания газа через средства регулирования и понижения давления с применением радиатора, основного и дополнительного теплообменника и охладителей, отличающийся тем, что в качестве средства регулирования и понижения давления применяют специальные объемно-роторные лопастные машины, вал машины, в каскаде высокого давления сочленяют с первым электрическим генератором, энергию которого используют для технических целей, вал машины в каскаде низкого давления сочленяют со вторым электрическим генератором, энергию которого используют для подогрева газа в радиаторе, причем частоту вращения первого генератора поддерживают стабильной с помощью первой объемно-роторной лопастной машины, а давление газа и величину потребляемого его расхода на выходе поддерживают стабильным с помощью второй объемно-роторной лопастной машины.

2. Способ утилизации энергии сжатого газа по п.1, отличающийся тем, что мощность, получаемую от первого генератора первого каскада, и объем и давление газа, получаемые на выходе второго каскада, перераспределяют в зависимости от потребностей.