ГАЗОТУРБОГЕНЕРАТОР Российский патент 2015 года по МПК F25B11/00 F01D25/10 

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

Известен 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 (патент RU 2151971 С1, МПК F25B 11/00. Опубликовано: 27.06.2000).

Недостатком известного технического решения являются низкие энергетические показатели при изменении скорости вращения турбины.

Известен газотурбогенератор, 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, 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 (патент RU 2257515 C1, МПК F25B 11/00 - прототип. Опубликовано: 27.07.2005. Бюл. №21).

Недостатком известного технического решения являются низкие энергетические показатели при изменении скорости вращения турбины.

Техническим результатом изобретения является повышение энергетической эффективности за счет асинхронного генератора со специальной системой возбуждения и двумя независимыми обмотками, смещенными по окружности статора на 60 градусов друг относительно друга, одна из которых соединена с трехфазным устройством подогрева газа определенной конструкции.

Технический результат изобретения достигается тем, что газотурбогенератор преимущественно для утилизации избыточной энергии газа, содержащий расположенные в герметической камере с входным и выходным трубопроводом турбину, асинхронный генератор (асинхронную машину) с рекуперацией энергии в питающую сеть, датчик частоты вращения турбины, проходные изоляторы и электронный коммутатор, согласно изобретению имеет трехфазное устройство подогрева газа, датчик температуры, блок управления с электронным коммутатором, косинусными конденсаторами, регулируемыми конденсаторами с выпрямителем в нулевой точке и регулирующим элементом в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), управляемого сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) от датчика активной мощности, контактор, управляемый от датчика частоты вращения турбины, каждая фаза устройства подогрева газа имеет многослойную структуру с внешней немагнитной токопроводящей трубой с датчиком температуры и двумя фланцами, посредством которых оно соединено с входным трубопроводом и герметической камерой, обмотку, которая расположена на немагнитной токопроводящей трубе, асинхронный генератор содержит основную и вспомогательную трехфазные обмотки, соединенные по схеме «звезда» и смещенные по окружности статора на 60 градусов друг относительно друга, причем основная трехфазная обмотка генератора фазными выводами соединена одновременно с регулируемыми конденсаторами с выпрямителем в нулевой точке, соединенным с регулирующим элементом в виде БТИЗ, управляемого ШИМ сигналом от датчика активной мощности, а также с силовой сетью через этот датчик активной мощности и контакты контактора, управляемого от датчика частоты вращения турбины, а вспомогательная трехфазная обмотка фазными выводами соединена через электронный коммутатор, управляемый сигналом от датчика температуры устройства подогрева газа с косинусными конденсаторами и фазными выводами обмотки трехфазного устройства подогрева газа.

Новизна заявляемого предложения заключается в том, что за счет конструктивных особенностей газотурбогенератора, который имеет трехфазное устройство подогрева газа, датчик температуры, блок управления с электронным коммутатором, косинусными конденсаторами, регулируемыми конденсаторами с выпрямителем в нулевой точке и регулирующим элементом в виде БТИЗ, управляемого сигналом с ШИМ от датчика активной мощности, контактор, управляемый от датчика частоты вращения турбины, а асинхронный генератор содержит основную и вспомогательную трехфазные обмотки, соединенные по схеме «звезда» и смещенные по окружности статора на 60 градусов друг относительно друга, и соединение вышеупомянутых элементов между собой по определенному алгоритму.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна 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. Опытный образец газотурбогенератора изготовлен и испытан в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода Кубанского госагроуниверситета.

Принцип действия газотурбогенератора поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображена конструкция газотурбогенератора с частичным разрезом; на фигуре 2 изображена конструкция фазы нагревательного устройства с частичным разрезом; на фигуре 3 - разрез фазы нагревательного устройства по линии А-А; на фигуре 4 - функциональная электрическая схема соединений элементов и узлов газотурбогенератора.

Газотурбогенератор (фиг. 1) содержит герметическую камеру 1 с входным 2 и выходным трубопроводом 3. Турбина 4 с выходным валом 5, через муфту 6 соединена с валом 7 асинхронного генератора 8, который с помощью стоек 9 крепится к корпусу герметической камеры 1. Сетевой газ в герметическую камеру 1 поступает через трехфазное устройство подогрева газа 10, которое посредством фланцев 11 и 12 соединено с входным трубопроводом 2 и герметической камерой 1. Проходные изоляторы 13 соединены с одной стороны с блоком управления 14, а с другой стороны с обмотками асинхронного генератора 8 и датчиком 15 частоты вращения турбины 4. Блок управления 14 соединен с силовой сетью 16.

Каждая фаза трехфазного устройства подогрева газа 10 (фиг. 2 и 3) состоит из обмотки 17, которая намотана на немагнитную токопроводящую трубу 18, с фланцами 11 и 12. Внутри немагнитной трубы 18 расположена ферромагнитная труба 19, герметически закрытая с шихтованным магнитопроводом 20 из электротехнической стали внутри. Между трубами 18 и 19 имеется зазор 21 для прохождения нагреваемого газа в тонком слое. На внешней стороне немагнитной трубы 18 закреплен датчик температуры 22.

Асинхронный генератор 8 (фиг. 4) содержит основную 24 и вспомогательную 25 трехфазные обмотки, соединенные по схеме «звезда» и смещенные по окружности статора на 60 градусов друг относительно друга. Основная трехфазная обмотка генератора 24 фазными выводами соединена через проходные изоляторы 13 одновременно с регулируемыми конденсаторами 26 с трехфазным выпрямителем 27 в их нулевой точке, соединенным с регулирующим элементом в виде БТИЗ 28, управляемого ШИМ сигналом от датчика активной мощности 29, а также с питающей сетью 16 через датчик активной мощности 29 и контакты контактора 30, управляемого от датчика частоты вращения 15 турбины 4. Вспомогательная трехфазная обмотка 25 через проходные изоляторы 13 фазными выводами соединена через электронный коммутатор 31, управляемый сигналом от датчика температуры 22 устройства подогрева газа 10, с косинусными конденсаторами 32 и фазными выводами обмотки 17 трехфазного устройства подогрева газа 10.

В блок управления 14 входит электронный коммутатор 31 с косинусными конденсаторами 32, регулируемые конденсаторы 26 с трехфазным выпрямителем 27 в их нулевой точке, с регулирующим элементом в виде БТИЗ 28, управляемого ШИМ сигналом от датчика активной мощности 29, контактор 30, управляемый от датчика частоты вращения 15.

В качестве электронного коммутатора 31 может применяться твердотельные реле серии GTH (200-500 А) или аналогичные с коммутацией при переходе напряжения через «ноль» [http://www.intraf.ru/index345.htm].

В качестве датчика частоты вращения 15 может применяться индуктивные или магниточувствительные датчики с необходимыми параметрами по частоте вращения и нагрузки, например, типа ВТИЮ.7019, ВТИЮ.703 [http://teko-com.ru/teko/device/10426].

В качестве датчика активной мощности 29 может применяться датчик измерения активной мощности ДИМ-200 с выходным устройством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [http://www.prommetr.ru/].

В качестве датчика температуры 22 может применяться термопара или термометр сопротивления типа ТСМ совместно с измерителем-регулятором температуры «ОВЕН-2ТРМ1» с возможностью управлять твердотельными реле [http://www.owen.га/catalog/57656033].

В газотурбогенераторе трехфазное устройство подогрева газа 10 (фиг. 2 и 3) работает следующим образом. Электромагнитное поле, создаваемое каждой обмоткой 17, пронизывает магнитопровод 20. Верхняя немагнитная труба 18 работает как короткозамкнутый виток, вызывая активные потери по всей длине, и является «прозрачной» для электромагнитной волны. Ферромагнитная труба (определенной толщины, например, 4-5 см) для определенной частоты (например, 50 Гц) и напряженности магнитного поля (например, 6000-7000 А/м) является полупрозрачной, т.е. электромагнитная волна может проникнуть через толщину трубы и возбудить в ней вихревые токи и соответственно потери энергии. Но окончательно электромагнитная волна не затухает и достигает шихтованного сердечника 20, в котором возникает поток электромагнитной индукции, последний наводит вторичную ЭДС в ферромагнитной трубе 19, создает ярко выраженный поверхностный эффект и дополнительные потери, передаваемые нагреваемой среде. Таким образом, в трубах возникают активные потери, вызывающие их нагрев. Поэтому при прохождении газа между трубами газ нагревается в тонком слое с двух сторон.

Газотурбогенератор работает следующим образом (фиг. 1). Сетевой газ поступает во входной трубопровод 2, проходит через трехфазное устройство подогрева газа 10 между трубами 18 и 19, от которых он нагревается и поступает на турбину 4. Под действием газа турбина приводится во вращение.

Момент вращения от турбины 4 через ее выходной вал 5, муфту 6 передается на вал 7 асинхронного генератора 8 (фиг. 4). При определенной частоте вращения турбины 4 асинхронный генератор самовозбуждается через основную трехфазную обмотку 24 от регулируемых конденсаторов 26 (транзистор 28 в исходном состоянии открыт за счет схемных решений, не представленных в описании заявки). При увеличении частоты вращения турбины 4 и асинхронного генератора 8 до синхронной частоты вращения, например, до 3000 мин^-1, датчик частоты вращения 15 подает сигнал на контактор 30. Он включается, и напряжение от основной трехфазной обмотки 24 поступает в питающую сеть 16.

Дальнейшее увеличение частоты вращения приводит к тому, что асинхронный генератор выдает активную мощность в сеть 16. Датчик активной мощности 29 подает ШИМ сигнал на управление транзистора 28. Происходит ограничение мощности на заданном уровне (обычно номинальная мощность).

Одновременно при самовозбуждении асинхронного генератора 8 на вспомогательной трехфазной обмотке 25 появляется напряжение, которое через электронный коммутатор 31 поступает на трехфазные обмотки 17 трехфазного устройства подогрева газа 10 и косинусные конденсаторы 32. Происходит подогрев сетевого газа в тонком слое между трубами 18 и 19. При достижении заданной температуры нагревателя датчик температуры 22 подает сигнал на отключение трехфазного устройства подогрева газа 10 посредством электронного коммутатора 31.

Электронный коммутатор 31 по сигналу от датчика температуры 22 периодически включает и отключает трехфазное устройство подогрева газа 10 и косинусные конденсаторы 32. Причем косинусные конденсаторы 32 выбраны таким образом, чтобы совместно с индуктивностью обмоток 17 коэффициент мощности их был больше единицы.

При снижении частоты вращения турбины 4 и асинхронного генератора 8 ниже синхронной, например, ниже 3000 мин^-1, датчик частоты вращения 15 подает сигнал на отключение контактора 30. Основная трехфазная обмотка 24 отключается от питающей сети 16, чтобы асинхронный генератор не перешел в двигательный режим работы с потреблением энергии из сети и это повышает эффективность работы. Асинхронный генератор 8 остается возбужденным от регулируемых конденсаторов 26, а трехфазное устройство подогрева газа 10 в функции температуры от датчика температуры 22 продолжает подогрев сетевого газа и этим повышает эффективность газотурбогенератора. В таком режиме газотурбогенератор работает до тех пор, пока не увеличится расход сетевого газа, и турбина 4 не увеличит обороты выше синхронной частоты вращения асинхронного генератора 8. Его основная трехфазная обмотка 24 опять подключается к сети 16, и описанный ранее процесс повторяется.

Изобретение может использоваться для утилизации избыточной энергии газа. Газотурбогенератор содержит турбину, асинхронный генератор, датчик частоты вращения турбины, проходные изоляторы, трехфазное устройство подогрева газа, датчик температуры, блок управления, контактор. Каждая фаза устройства подогрева газа имеет многослойную структуру с внешней немагнитной токопроводящей трубой с датчиком температуры и обмоткой. Асинхронный генератор содержит основную и вспомогательную трехфазные обмотки, соединенные по схеме «звезда» и смещенные по окружности статора на 60 градусов друг относительно друга. Основная обмотка соединена с регулируемыми конденсаторами с выпрямителем в нулевой точке, а также с питающей сетью через датчик активной мощности и контакты контактора. Выпрямитель соединен с регулирующим элементом в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ). БТИЗ управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) от датчика активной мощности. Контактор управляется от датчика частоты вращения турбины. Вспомогательная обмотка соединена через электронный коммутатор с косинусными конденсаторами и фазными выводами обмотки устройства подогрева газа. Электронный коммутатор управляется сигналом от датчика температуры. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности газотурбогенератора. 4 ил.

Газотурбогенератор преимущественно для утилизации избыточной энергии газа, содержащий расположенные в герметической камере с входным и выходным трубопроводом турбину, асинхронный генератор с рекуперацией энергии в питающую сеть, датчик частоты вращения турбины, проходные изоляторы и электронный коммутатор, отличающийся тем, что имеет трехфазное устройство подогрева газа, датчик температуры, блок управления с электронным коммутатором, косинусными конденсаторами, регулируемыми конденсаторами с выпрямителем в нулевой точке и регулирующим элементом в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), управляемого сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) от датчика активной мощности, контактор, управляемый от датчика частоты вращения турбины, каждая фаза устройства подогрева газа имеет многослойную структуру с внешней немагнитной токопроводящей трубой с датчиком температуры и двумя фланцами, посредством которых оно соединено с входным трубопроводом и герметической камерой, обмотку, которая расположена на немагнитной токопроводящей трубе, асинхронный генератор содержит основную и вспомогательную трехфазные обмотки, соединенные по схеме «звезда» и смещенные по окружности статора на 60 градусов друг относительно друга, причем основная трехфазная обмотка генератора фазными выводами соединена одновременно с регулируемыми конденсаторами с выпрямителем в нулевой точке, соединенным с регулирующим элементом в виде БТИЗ, управляемого ШИМ сигналом от датчика активной мощности, а также с питающей сетью через этот датчик активной мощности и контакты контактора, управляемого от датчика частоты вращения турбины, а вспомогательная трехфазная обмотка фазными выводами соединена через электронный коммутатор, управляемый сигналом от датчика температуры устройства подогрева газа, с косинусными конденсаторами и фазными выводами обмотки трехфазного устройства подогрева газа.