СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2016 года по МПК H02K7/18 

Изобретение относится к способам получения и передачи энергии на большие расстояния, в частности к получению электрической энергии, необходимой для работы устройств, сопутствующих работе трубопровода, например устройств электрохимической защиты трубопроводов на участках, значительно удаленных от традиционных источников электроэнергии.

Известно устройство для получения и преобразования механической энергии потока текучей среды в электроэнергию по патенту РФ на полезную модель №120525, H02K 7/18, 2012. Устройство содержит водоотводящие - сбросные трубы изогнутой формы и водоподводящие части, соединенные с цилиндрической камерой. Камера жестко скреплена с двумя кольцевыми поясами статора турбоэлектрогенератора. Ротор генератора состоит из вала, на валу установлены лопасти с постоянными магнитами на концах. В местах соединения водоподводящей и водоотводящей части с основным трубопроводом расположены сетки для защиты потока текучей среды. Недостатком является невозможность использования устройства при значительной длине трубопровода вследствие высоких гидравлических потерь при движении среды к его удаленным участкам.

Известен способ накопления, хранения и возврата механической энергии и установка для его осуществления по заявке на изобретение РФ №2012104762, F25D 29/00, 2013. По данному способу получают накапливаемую механическую энергию от источника накапливаемой механической энергии и через связь с устройством типа компрессор подводят полученную механическую энергию к устройству типа компрессор, работающему в процессе накопления энергии. Одновременно газообразное рабочее тело, циркулирующее в контуре, подают в устройство типа компрессор, работающее в процессе накопления энергии, сжимают газообразное рабочее тело, при этом повышают его давление и температуру. После чего подают газообразное рабочее тело по трубопроводу в теплообменник, в котором охлаждают рабочее тело и одновременно нагревают текучий условно горячий теплоноситель. Перемещают теплоноситель в контуре, в котором через теплообменник-охладитель охлаждают теплоноситель. После выхода из теплообменника газообразное рабочее тело подают в теплообменник-охладитель контура газообразного рабочего тела и затем подают по трубопроводу в устройства типа расширитель, работающее в процессе накопления энергии, в котором расширяют газообразное рабочее тело и понижают его давление и температуру. При этом отводят механическую энергию, выделяющуюся на расширителе, работающем в процессе накопления энергии. В процессе возврата газообразное рабочее тело, циркулирующее в контуре, подают в устройство типа расширитель, работающее в процессе возврата энергии, и передают механическую энергию, выделяющуюся в расширителе потребителю накопленной механической энергии. В процессе хранения накопленной энергии снижают до минимума или прекращают циркуляцию газообразного рабочего тела в контуре рабочего тела. Снижают до минимума или прекращают перемещение теплоносителя в контуре теплоносителя. Недостатком способа является сложность способа, необходимость нагрева газообразного рабочего тела, использование отдельного теплоносителя, невозможность передачи энергии на большие расстояния.

В качестве ближайшего аналога заявляемому изобретению выбрано техническое решение по патенту на изобретение №2506686, H02K 7/18, 2014. Способ получения энергии для электропитания устройств автоматики трубопроводов заключается в приведении в движение постоянных магнитов относительно обмоток изолированного токопровода под действием энергии текучей среды в трубопроводе и съем напряжения с обмоток. Магниты приходят во вращение под действием части потока текучей среды, направленной в турбину, где производят преобразование энергии потока в механическую энергию, вращают вал электрогенератора и превращают механическую энергию в электрическую. Электрическую энергию преобразуют, накапливают и осуществляют электропитание. Недостатком ближайшего аналога является низкая эффективность или невозможность использования способа при большой длине трубопровода вследствие высоких потерь энергии, возникающих при трении текучей среды о внутреннюю поверхность протяженного трубопровода.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности способа получения электроэнергии.

Технический результат заключается в повышение эффективности способа получения электроэнергии, в снижении потерь при передаче энергии.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения электроэнергии для питания устройств электрохимической защиты газопроводов, заключающемся в отделении части потока текучей среды газопровода, использовании ее для вращении вала электрогенератора, в преобразовании механической энергии вращения в электрическую, согласно изобретению, используют газопровод, соединенный с источником газа, преобразуют потенциальную энергию газа, находящегося в источнике, в кинетическую энергию потока текучей среды путем направления газа от источника в газопровод, по длине которого установлены компрессорные станции, увеличивают кинетическую энергию потока текучей среды путем преобразования энергии рабочего органа каждой компрессорной станции в потенциальную энергию сжатого газа и путем дальнейшего преобразования ее в кинетическую энергию потока направляют часть потока текучей среды в расположенные между компрессорными станциями лупинги, с установленными в них лопастными машинами, преобразуют кинетическую энергию отделенной части потока в механическую энергию рабочих органов лопастных машин, связанных через редукторы с валами электрогенераторов, преобразуют кинетическую энергию вращения валов электрогенераторов в электрическую и передают ее для питания устройств катодной защиты газопроводов.

Лупинги могут состоять из концевых частей, соединенных со вставками газопровода, и средних частей, в которых установлены лопастные машины.

Технический результат обеспечивается за счет многократного преобразования энергии в процессе доведения ее до устройств катодной защиты протяженного газопровода. Для получения электроэнергии в труднодоступных участках используют уже существующие устройства и сооружения, такие, как скважины, скважинное оборудование, компрессорные станции, газопроводы, лупинги. Но используют существующие устройства и сооружения по определенному, новому назначению, для целей иных, отличающихся от традиционного транспортирования газа на большие расстояния. Устройства катодной защиты расположены вдоль всей длины трубопровода с определенной периодичностью, в местах, где отсутствуют местные источники энергоснабжения. Для работы автономных источников энергии, обеспечивающих коррозионно-промышленную безопасность магистральных газопроводов, используют энергию источника газа, например энергию природного газа, находящегося под давлением в пласте на глубине от 1000 метров до нескольких километров. Под действием давления газ попадает в скважину, откуда его направляют в трубопровод. При этом происходит преобразование потенциальной энергии сжатого газа в кинетическую энергию потока газа. Для исключения потерь на данном этапе газ, поступающий из скважины, готовят к транспортировке. Обезвоживают газ, т.к. транспортирование двухфазного потока может привести к потере напора при транспортировке газа, и удаляют примеси, вызывающие затруднения при транспортировке. Транспортировка газа по газопроводу требует его сжатия, для этого поток газа направляют в компрессорную станцию, где преобразуют энергию рабочего органа компрессорной установки в потенциальную энергию сжатого газа. При этом могут использоваться компрессоры различных конструкций, с различными рабочими органами. Для передачи энергии потока на большие расстояния используются в основном осевые, центробежные или центробежно-осевые компрессоры. На газопроводах после компрессорной станции поток газа поступает в трубопровод под давлением и движется с определенной скоростью. Для предотвращения потерь кинетической энергии потока, затрачиваемой на преодоление сил трения как между газом и стенкой трубы, так и между слоями газа, по всей его длине установлены компрессорные станции, на которых газ дожимается до нужного давления. Во всех компрессорных станциях также происходит преобразование кинетической энергии потока в энергию рабочего органа, в свою очередь также работающего под действием потока газа, энергия рабочего органа преобразуется в потенциальную энергию сжатого газа, далее энергия сжатого газа вновь преобразуется в кинетическую энергию потока газа. Таким образом, многократное преобразование одного вида энергии в другой значительно снижает потери транспортировки газа. Для дальнейшего преобразования кинетической энергии газового потока между компрессорными станциями устанавливают лупинги - участки трубопровода, расположенные параллельно основному трубопроводу. Лупинги состоят из концевых частей, соединенных под углом со вставками трубопровода, и средних частей, расположенных вдоль основного трубопровода. В средних частях лупингов установлены лопастные машины, рабочие органы которых - лопасти винта, лопатки рабочего колеса и т.д. движутся под действием потока среды, проходящего через лупинг. Лопастные машины соединены с валом электрогенератора и передают ему энергию вращательного движения, при этом происходит преобразование кинетической энергии потока в механическую энергию вращения вала электрогенератора. Далее в электрогенераторе под действием вращающегося в магнитном поле проводника происходит преобразование механической энергии в электрическую. Электрогенератор служит источником электроэнергии, электрический ток, пройдя через преобразователи, поступает на питание устройств электрохимической защиты от коррозии.

Таким образом, за счет использования источника газа, протяженного газового трубопровода и компрессорных газовых станций по определенному, новому назначению - для получения электроэнергии для питания устройств катодной защиты газопроводов, за счет многократного преобразования одного вида энергии в другой достигается технический результат данного изобретения. Снижаются потери при передаче энергии на большие расстояния, и повышается эффективность процесса получения электроэнергии для устройств катодной защиты трубопровода.

Пример осуществления способа получения электроэнергии для питания устройств электрохимической защиты газопровода

Используют газопровод диаметром 1,4 м, выходящий от существующей компрессорной станции серии «Урал», соединенной со скважиной на месторождении газа, и автоматическую катодную станцию с автономными источником тока типа АКСАИТ мощностью 5 кВт. Газ, добытый из скважины, направляют в сепараторы, где от него отделяют твердые частицы и жидкие механические примеси. Далее по промысловым газопроводам направляют газ в коллекторы и промысловые газораспределительные станции, где очищают его в масляных пылеуловителях, осушают и одорируют для предотвращения утечек и потерь при последующем движении газа по магистральному трубопроводу. После газораспределительной станции по магистральному трубопроводу направляют газ на компрессорные станции, расположенные через каждые 80-100 км трубопровода. После компрессорной станции «Урал» поток газа выходит в трубопровод под давлением 75-100 атмосфер и движется по трубопроводу со средней скоростью около 10 м/сек. При этом полезное использование кинетической энергии газа, полученной на компрессорной станции, эквивалентно потере давления порядка 1 атм на 4 км трубопровода. Полезное использование кинетической энергии газового потока составляет только 25-30% первоначальных затрат мощности компрессорных установок. Таким образом, поток обладает высоким энергетическим потенциалом в 60-75% его мощности, который по заявляемому способу используют для целей энергосбережения при обеспечении защиты подземных трубопроводов от коррозии. Для этого существующий магистральный трубопровод используют для одновременного получения электроэнергии в размерах мегаватт. На трассе газовой магистрали между компрессорными станциями монтируют лупинги в виде локальных трубных секций. Каждый лупинг состоит из концевых частей и центральной части. Концевые части представляют собой соосные с газопроводом вставки в основной трубопровод с ответвлением, расположенным под углом к оси вставки и к оси основного газопровода. Вставки концевых частей соединяются с одной стороны с концами участков трубопровода, с другой стороны - соединяются между собой, например, фланцевыми соединениями с уплотнениями. Ответвления вставок направлены навстречу друг другу, между их концами установлена центральная часть лупинга, продольная ось которой расположена параллельно осям вставок лупинга и оси основного газопровода. В полости центральной части лупинга установлена лопастная машина, рабочим органом которой является двухлопастной винт. Вал лопастной машины соединен с валом электрогенератора. Отводы лупингов снабжены индивидуальными задвижками для управления режимами работы лопастной машины. С помощью задвижек регулируют расход газового потока, влияющий на давление и скорость потока, воздействующего на двухлопастной винт. Кроме того, управление выходной мощностью электрогенератора возможно за счет смены лопастных машин, устанавливаемых в центральной части лупинга. Именно для этой цели между отводами лупингов выполнены разъемы, между которыми устанавливают центральные части, параллельные вставкам в газопровод. Замену лопастной машины производят вместе с центральной вставкой лупинга, что повышает технологичность работ и обеспечивает возможность получения заданной необходимой мощности на выходе. Экспериментально, на примере установки «Аксаит», определено, что потери давления на работающем винте единичного лупинга составляют не более 200 мм водяного столба, т.е. не более 0,02 атм. Далее под действием вращения вала в электрогенераторе происходит образование электрической энергии. Электрическую энергию через преобразователь передают для питания устройств электрохимической защиты газопровода. Для повышения значения мощности электрогенератора между валом лопастной машины и валом электрогенератора устанавливают редуктор, повышение передаточного числа в системе редуцирования позволяет поднять мощность электрогенератора до 50-100 кВт. Таким образом, при дополнительном суммарном расходе 0,2-0,4 атм на компрессорных станциях, 10-20 промежуточных установок на трассе газопровода между двумя компрессорными станциями постоянно обеспечивают выработку электроэнергии до 2 мВт. Данных значений мощности хватает для надежной, бесперебойной работы оборудования электрохимической защиты газопровода. Такое энергосбережение электричества особенно важно на трассах, проходящих через необжитые территории Сибири и Северных районов, где для обеспечения энергоснабжения требуется строительство самостоятельных дорогостоящих линий электропередачи практически для каждого магистрального трубопровода, в то время, как сам магистральный трубопровод является мощным носителем кинетической и потенциальной энергии.

Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность способа получения электроэнергии и позволяет снизить потери при передаче энергии на большие расстояния.

Изобретение относится к способам передачи энергии на большие расстояния и преобразования ее в электрическую энергию. Технический результат - повышение эффективности способа. Способ получения электроэнергии заключается в отделении части потока текучей среды газопровода, использовании ее для вращении вала электрогенератора, преобразовании механической энергии вращения в электрическую. При этом используют газопровод, соединенный с источником газа, преобразуют потенциальную энергию газа, находящегося в источнике, в кинетическую энергию потока текучей среды путем направления газа от источника в газопровод, в котором установлены компрессорные станции, увеличивают кинетическую энергию потока текучей среды путем преобразования энергии рабочего органа каждой компрессорной станции в потенциальную энергию сжатого газа, и путем дальнейшего преобразования ее в кинетическую энергию потока направляют часть потока текучей среды в расположенные между компрессорными станциями лупинги с установленными в них лопастными машинами. Затем преобразуют кинетическую энергию отделенной части потока в механическую энергию рабочих органов лопастных машин, связанных через редукторы с валами электрогенераторов, преобразуют кинетическую энергию вращения валов электрогенераторов в электрическую и передают ее для питания устройств катодной защиты газопроводов. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения электроэнергии, заключающийся в отделении части потока текучей среды газопровода, использовании ее для вращении вала электрогенератора, в преобразовании механической энергии вращения в электрическую, отличающийся тем, что используют газопровод, соединенный с источником газа, преобразуют потенциальную энергию газа, находящегося в источнике, в кинетическую энергию потока текучей среды путем направления газа от источника в газопровод, по длине которого установлены компрессорные станции, увеличивают кинетическую энергию потока текучей среды путем преобразования энергии рабочего органа каждой компрессорной станции в потенциальную энергию сжатого газа и путем дальнейшего преобразования ее в кинетическую энергию потока направляют часть потока текучей среды в расположенные между компрессорными станциями лупинги с установленными в них лопастными машинами, преобразуют кинетическую энергию отделенной части потока в механическую энергию рабочих органов лопастных машин, связанных через редукторы с валами электрогенераторов, преобразуют кинетическую энергию вращения валов электрогенераторов в электрическую и передают ее для питания устройств катодной защиты газопроводов.

2. Способ получения электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что лупинги состоят из концевых частей, соединенных со вставками газопровода, и средних частей, в которых установлены лопастные машины.