СПОСОБ НАГРЕВА ГАЗА В УСТАНОВКЕ РЕДУЦИРОВАНИЯ Российский патент 2022 года по МПК F01D15/10 F24H3/02 F02C1/02 F17D1/04 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к установке редуцирования давления природного газа (ПГ) с преобразователем энергии перепада давления в теплоту, и применяется в области газораспределения и газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) при редуцировании природного газа перед подачей его потребителям.

Известно, что в магистральных трубопроводах исходное давление ПГ составляет 5,5-8,0 (9,0) МПа, поэтому для подачи газа потребителю, он дросселируется в несколько ступеней, сначала на газоредуцирующих станциях (ГРС) с применением мощных турбодетандеров или редукционных клапанов, а затем на газорегуляторных пунктах (ГРП), также с применением редукционных клапанов. При этом в дросселирующих устройствах потенциальная энергия ПГ вместо того, чтобы совершать полезную работу, расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений и безвозвратно теряется. В настоящее время для совершения полезной работы и на ГРП заменяют дроссельные клапаны электрогенерирующими детандерами, что позволяет генерировать электричество или производить другую полезную работу.

При расширении газа на турбине детандера происходит понижение давления газа, снижение его температуры и одновременно вырабатывается свободная механическая энергия, используемая для привода электрогенератора, кинематически связанного с валом детандера или приводным валом гидронасоса. При адиабатном расширении газа с отдачей внешней работы существенно снижается температура рабочего тела, величина этого снижения определяется отношением давлений на входе и выходе детандера.

Понижение температуры газа может быть значительным, что приводит к гидратообразованию в редуцируемом газе.

Изобретение может найти применение преимущественно на ГРС, ГРП тепловых электростанций, котельных, а также технологических агрегатах.

На объектах газораспределительной сети нет необходимости всю кинетическую энергию потока газа преобразовывать в электрическую. Электроэнергии нужно вырабатывать ровно столько, сколько необходимо для обеспечения электроснабжения объекта, а перепад давления на детандере должен быть при этом как можно меньше, поскольку газ еще предстоит транспортировать дальше по сети.

Так, в случае использования установки в схеме ГРС с подачей природного газа для бытового потребления необходимо обеспечить подогрев газа перед детандером, что бы не происходило переохлаждение газа после детандера или нагревать газ после детандера. Согласно требованиям, ГОСТ 5542-2014, температура газа после ГРП должна быть выше точки росы. Точка росы транспортируемого газа зависит от давления, влажности, температуры и находится в пределах - минус 7°С … - минус 12°С.

Если температура газа понизится слишком сильно, то возможно появление и выпадение гидратов в редуцируемом газе, что является недопустимым. Для предотвращения гидратообразования температуру газа необходимо поддерживать на определенном уровне в зависимости от давления и влажности газа, а также в зависимости от температуры окружающего воздуха. Система подогрева газа является одной из основных систем, определяющих технико-экономические показатели установки редуцирования с электрогенерирующим детандером. Тепловая мощность системы подогрева выбирается по условиям обеспечения нормальной работы ГРС при самых экстремальных параметрах редуцируемого газа. Эта тепловая мощность эквивалентна, примерно мощности установленного детандера.

Вопрос выбора источника и способа подогрева газа является одним из основных при принятии решения о целесообразности использования электрогенерирующих детандерных агрегатов в установках редуцирования.

Кроме того, показатели системы подогрева газа существенно влияют на эксплуатационные затраты электрогенерирующего детандерного агрегата и, как следствие, на себестоимость производимой электроэнергии. Иногда используют вторичные энергоресурсы, что бы отказаться от огневого способа подогрева газа, а наличие электроэнергии на ГРС позволяет перейти на электроподогрев редуцируемого газа, что повышает безопасность и экологические характеристики ГРС.

Поэтому выбор и оптимизация способа подогрева газа перед и после детандера является одной из приоритетных задач, решаемых при создании узлов и установок редуцирования.

Известен способ подогрева газа после турбодетандера за счет тепла циркуляционной воды конденсатора паротурбинной установки [авт. свид. СССР N 1231237, опубл. 04.01.85].

Недостатком является то, что при этом газ в турбодетандере и на выходе из него может иметь температуру ниже 0°С, что может привести к нарушению работы турбодетандера и газовых трубопроводов.

Известен способ работы турбодетандерной установки [РФ, заявка на изобретение N 96103298, опубл. БИ N 12, 1998 г.], заключающийся в том, что природный газ повышенного давления пропускают через турбодетандер со снижением давления в нем, механически передают мощность турбодетандера лопаточной машине по повышению давления рабочего тела, часть энергии которого используют для нагрева пропускаемого через турбодетандер газа, при этом нагрев природного газа осуществляют после турбодетандера с предварительным нагревом его внешним теплом потребителя холода и в качестве рабочего тела используют воздух или жидкость.

Недостатком этого способа является то, что при этом не реализуется возможность выработки электроэнергии, нагрев газа осуществляют после турбодетандера, что при определенных условиях может привести к охлаждению газа в турбодетандере до недопустимо низких температур.

Известно устройство для получения дополнительной электрической энергии в теплоэнергетической установке ["Влияние детандер-генераторных агрегатов на тепловую экономичность ТЭЦ", Э.К. Аракелян, А.В. Андрюшин, В.С. Агабабов и др., "Электрические станции", спецномер, 1997 г., стр. 77-82], содержащее кинематически соединенный с электрогенератором детандер, подключенный входным патрубком к трубопроводу высокого давления, выходным патрубком - к трубопроводу низкого давления, а также теплообменник для технологического подогрева газа перед детандером за счет энергии, полученной в результате сжигания топлива в постороннем источнике.

Недостатком такой установки является необходимость использования постороннего источника энергии для технологического подогрева газа перед детандером, что приводит к снижению экономичности, а также к ухудшению экологических показателей вследствие сжигания топлива.

Известен так же способ снижения давления газа в устройстве по патенту 2150641 RU, заключающийся в том, что газ высокого давления пропускают через детандер со снижением давления в нем, часть мощности детандера передают компрессору для повышения энергии рабочего тела, которую используют для нагрева пропускаемого через детандер газа, согласно изобретению, нагревание газа производят перед детандером, причем повышение энергии рабочего тела производят за счет низкопотенциального тепла окружающей среды. Устройство, реализующее способ работы детандерной установки, содержит последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, и оно дополнительно снабжено компрессором, электрически соединенным с электрогенератором, испарителем, дросселирующим устройством, вход компрессора соединен с выходом испарителя, вход которого через дросселирующее устройство соединен с выходом теплообменника, а вход теплообменника соединен с выходом компрессора.

Недостатком такого способа снижения давления газа и установки для его реализации является необходимость использования постороннего источника энергии для технологического подогрева газа перед детандером, что приводит к снижению экономичности, а также к ухудшению экологических показателей вследствие необходимости затрат на извлечение низкопотенциального тепла иногда связанного со сжиганием топлива.

Известен принцип нагрева, который используется в аэродинамическом нагревателе воздуха по полезной модели BY 10286 U 2014.08.30, в воздухонагревателе по авторскому свидетельству SU 1793167 А1, аэродинамическом теплогенераторе по авторскому свидетельству SU 1733868 А1. Конструкция для реализации данного принципа приведена также в изобретении «Аэродинамический нагреватель по авторскому свидетельству №487290 (F 27 d 7/00).

В качестве прототипа выбран турбонагреватель по патенту 2044965 RU. (Авторы патента Панкратов В.К. и Долотовский В.В.), состоящий из турбины детандера и преобразователя энергии вращения турбины в тепловую энергию, размещенных на одном валу и расположенных в одном корпусе, отличающийся тем, что преобразователь энергии вращения в теплоту выполнен в виде ротора аэродинамического нагрева с двусторонним подводом газа к его лопаткам, закрепленным на сплошном разделительном диске, проточная часть корпуса между турбиной детандера и ротором выполнена в виде диффузора, соосно с ротором в корпусе расположен выходной патрубок нагреваемого газа, проходное сечение которого перекрывается регулирующим клапаном с центробежным регулятором температуры, расположенным на валу ротора, причем возвратная пружина центробежного регулятора выполнена таким образом, что ее упругость обратно пропорциональна температуре нагреваемого газа.

Недостатком прототипа является то, что для привода аэородинамического нагревателя требуется немного мощности и для обеспечения необходимого срабатываемого перепада давления при редуцировании необходимо дополнительно нагружать турбину турбодетандера или использовать перепуск газа со стороны высокого давления для предотвращения разгона и резкого увеличения оборотов вращения, что ведет к уменьшению срабатываемого перепада давления.

Основным недостатком турбонагревателя является то, что при нагреве газа за детандером нет выработки электроэнергии из-за отсутствия присоединенного к турбине детандера генератора, что приводит к снижению экономичности процесса снижения давления газа. Только малая часть потенциальной энергии высокого давления газа полезно используется.

Задачей настоящего технического решения является высокоточное поддержание температуры газа направляемого потребителю после снижения давления в соответствии с нормативными документами, увеличение срабатываемого перепада давления газа в установке редуцирования, дополнительное повышения температуры газа пред турбиной детандера, выработка дополнительной энергии из потенциальной энергии газа высокого давления, увеличение экономичности и улучшении экологических показателей работы турбонагревателя в составе установки редуцирования.

Поставленная техническая задача решается благодаря тому, что реализуется способ нагрева газа в установке редуцирования, состоящей из нескольких турбонагревателей, соединенных системой трубопроводов, заключающийся в том, что весь перепад газа между магистральным трубопроводом высокого давления и магистральным трубопроводом низкого давления, который необходимо сработать при редуцировании давления газа, делится на несколько неравных частей, и полезно используется в турбонагревателях, из которых состоит установка редуцирования, при этом для нагрева газа используется только энергия получаемая при редуцировании газа, а все турбонагреватели, входящие в установку редуцирования, подключенной между магистральным трубопроводом высокого и магистральным трубопроводом низкого давления, соединены между собой посредством системы трубопроводов с регулирующими запорными клапанами, имеющие управляемые привода. Установка снабжена блоком управления, датчиками температуры, давления и частоты вращения турбины детандера, что позволяет соединять последовательно и параллельно турбонагреватели, для регулирования и поддержания температуры и давления газа выходящего из турбонагревателей и установки редуцирования в целом для подачи в магистральный трубопровод низкого давления.

В предлагаемой установке редуцирования поддерживается требуемая температура газа, увеличивается срабатываемый перепад давления, дополнительно вырабатывается электрическая энергия и гидроэнергия движения жидкости, но при этом внешние источники энергии для нагрева газа не используются, транспортируемый газ не сжигается, достигается экологическая чистота и повышается экономическая эффективность установки редуцирования.

Установка редуцирования, реализующая способ нагрева газа, состоит из турбонагревателей, электрогенерирующих турбонагревателей, турбонагревателей генерирующих энергию потока жидкости, системы трубопроводов с регулирующими запорными клапанами, имеющими управляемый привод, датчиков давления, температуры, частоты вращения, блока автоматического управления. При этом каждый турбонагреватель на входе и на выходе снабжен датчиками давления и температуры, а в зоне расположения турбины детандера датчиком частоты вращения.

Турбонагреватели, входящие в установку редуцирования, имеют в своем составе турбину детандера, который используется для привода нагревателей протекающего газа, кинематически соединенных с ним посредством вала на котором находится турбина детандера.

Генерирующие турбонагреватели, входящие в установку, дополнительно могут иметь электрогенератор или гидронасос, кинематически соединенные с валом турбины детандера.

Мощность детандера в турбонагревателе рассчитывается в зависимости от конструктивного устройства нагревателя, количества нагревателей в турбонагревателе и от расположения нагревателя на валу относительно детандера, а в генерирующем турбонагревателе, от мощности установленного гидронасоса (гидрогенератора) или электрического генератора, для обеспечения постоянства оборотов турбины детандера и выработки максимального количества тепловой энергии, гидроэнергии или электроэнергии.

Для обеспечения нагрева газа после турбины детандера, срабатываемый перепад давления при редуцировании давления газа выбирается таким образом, что бы мощность детандера была больше не менее чем в 1,5 раза потребной мощности нагревателя для нагрева расхода газа до требуемого значения при редуцировании давления в турбонагревателе и компенсации потерь при нагреве.

Турбонагреватели могут иметь в своем составе нагреватели различного конструктивного устройства: электрический нагреватель, аэродинамический турбонагреватель, индукционный нагреватель газа с вращающимися постоянными магнитами или электромагнитами, нагревающими стальной теплообменник. Для прохода газа теплообменник электрического и индукционного нагревателя имеет каналы.

В турбонагревателе все нагреватели кинематически соединены с валом турбины детандера и могут располагаться на валу до детандера в зоне высокого давления или после детандера в зоне низкого давления, в количестве зависящем от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя и перепада давления при редуцировании давления газа.

Входящие в установку редуцирования генерирующие турбонагреватели в дополнение к аэродинамическому и индукционному нагревателю газа, могут иметь в своем составе электрический нагреватель газа получающий электроэнергию от установленного в турбонагревателе электрогенератора, при этом мощность электронагревателя изменяется в зависимости от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя или электронагреватель используется как нагрузка при отсутствии потребителей электроэнергии.

Турбонагреватели, входящие в установку редуцирования, рассчитаны на давление в магистральном трубопроводе высокого давления и имеют герметичный корпус. Герметичный корпус состоит из двух частей, соединенных посредством фланцев со шпильками, внутри которых находится: детандер, генератор и нагреватели, кинематически объединенные единым валом, при этом одна часть герметичного корпуса имеет патрубок для присоединения трубопровода высокого давления и в ней расположена сопловая часть детандера, а в другой части корпуса с патрубком для присоединения трубопровода низкого давления расположено рабочее колесо турбины детандера, и которые разделены на зону высокого и низкого давления диафрагмой с отверстиями для выхода газа из сопловой части детандера, зажатой герметично между фланцами частей корпуса, и через которую проходит вал с рабочим колесом турбины детандера, причем размер отверстия в диафрагме зависит от величины перепада давления редуцируемого газа и температуры газа перед сопловым аппаратом детандера и используется для изменения парциальности при редуцировании. При наличии электрического генератора в части корпуса, где он установлен выполнены герметичные выводы электрических контактов, а при наличии гидрогенератора присутствуют штуцеры подключения гидросистемы.

Для предотвращения разгона турбины детандера при увеличении перепада давления редуцируемого газа установлен перепускной клапан, который управляется центробежным регулятором и который при превышении скорости вращения турбины детандера открывается и перепускает газ из зоны высокого давления перед детандером в зону низкого давления после детандера.

Каждый турбонагреватель, подключенный к трубопроводу газа высокого давления на входе и трубопроводу низкого давления на выходе, имеет в своем составе турбодетандер, выполненный в виде лопаточной осевой машины с устройством для регулирования парциальности, причем в качестве опор для рабочего вала турбины детандера использованы предпочтительно керамические подшипники качения с керамическими шариками.

Выбор схемы подключения турбонагревателей в установке редуцирования позволяет обеспечить необходимую температуру перед каждым генерирующим турбонагревателем и перепад давления при редуцировании давления газа в детандере для эффективной выработки гидроэнергии или электроэнергии, в зависимости от температуры окружающей среды, температуры транспортируемого газа в магистральном трубопроводе высокого давления и требуемой температуры газа для потребителей в трубопроводе среднего или низкого давления.

Для высокоточного поддержания температуры турбонагреватель с электронагревателем устанавливается последним перед подачей газа потребителю и мощность его электронагревателя изменяется в зависимости от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя или электронагреватель используется как нагрузка при отсутствии потребителей электроэнергии.

Для реализации способа нагрева газа, изменения схемы подключения турбонагревателей и автоматического управления в установку редуцирования входит блок управления, который по сигналам от датчиков давления, температуры окружающего воздуха, температуры газа на входе и на выходе из турбонагревателя, датчиков частоты вращения турбины детандера, в зависимости от давления и температуры газа в магистральном трубопроводе высокого давления и требуемом давлении и температуре газа в магистральном трубопроводе низкого давления, управляет: переключением регулирующих запорных клапанов, посредством управляемых приводов, что позволяет системой трубопроводов соединять последовательно и параллельно турбонагреватели и генерирующие турбонагреватели, электронагревателем, в генерирующем турбонагревателе, подключением и отключением генератора электрической энергии, управляемыми приводами регулирующих запорных клапанов, для регулирования температуры и давления газа выходящего из турбонагревателей, и установки редуцирования в целом, при подаче газа потребителям в магистральный трубопровод низкого давления.

Блок управления также вырабатывает сигналы: для подключения или отключения гидронасоса (гидрогенератора), в другую систему управления для передачи данных, контроля и обеспечения возможности дистанционного управления установкой редуцирования.

Данный способ позволяет подогреть газ перед турбиной детандера в турбонагревателе, снизить давление газа, выработать гидро- или электроэнергию и нагреть газ до требуемой температуры, направляемый потребителям, поддерживать температуру газа с высокой точностью, предотвратить гидратообразование в редуцируемом газе без затрат электроэнергии, сжигания топлива или использования внешнего источника тепла. Значительно повысить эффективность использования потенциальной энергии сжатого газа.

Краткое описание чертежей.

Преимущества и особенности изобретения поясняются схемой и конкретными

примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, где

Фиг. 1 - Схема установки редуцирования для осуществления предлагаемого способа нагрева газа;

Фиг. 2 - Турбонагреватель с индукционным нагревателем;

Фиг. 3 - Турбонагреватель с гидронасосом;

Фиг. 4 - Турбонагреватель с генератором электрической энергии.

На фиг.1-4 позициями обозначены следующие элементы.

1 - магистральный трубопровод высокого давления;

2 - турбонагреватель;

3 - генерирующий турбонагреватель;

4 - гидрогенерирующий турбонагреватель;

5 - магистральный трубопровод низкого давления;

6 - турбонагреватель;

7 - блок управления;

8 - регулирующий запорный клапан;

9 - управляемый привод;

10 - трубопровод высокого давления;

11 - лопатки соплового аппарата;

12 - детандер;

13 - лопатки турбины детандера;

14 - вал;

15 - диафрагма;

16 - фланец корпуса высокого давления;

17 - фланец корпуса низкого давления;

18 - шпилька;

19 - корпус детандера;

20 - корпус компрессора аэродинамического нагрева;

21 - подшипниковый узел;

22 - ротор с лопатками;

23 - разделительные лопатки;

24 - подшипниковый узел;

25 - ротор с постоянными магнитами;

26 - стальной теплообменник;

27 - трубопровод низкого давления;

28 - перепускной клапан;

29 - входной патрубок;

30 - выходной патрубок;

31 - статор с обмотками;

32 - ротор;

33 - корпус герметичного кабельного ввода;

34 - фланец;

G - генератор;

Н - электронагреватель;

N - гидронасос;

Р - датчик давления;

Т - датчик температуры;

V - датчик частоты вращения.

Предлагаемая установка редуцирования для реализации способа нагрева газа содержит (см. фиг.1), подключенные, через систему трубопроводов, к магистральному трубопроводу высокого давления 1 и к магистральному трубопроводу низкого давления 5, через регулирующие запорные клапана 8 с управляемым приводом 9, турбонагреватель 2, турбонагреватель 6 с электронагревателем Н, гидрогенерирующий турбонагреватель 4 с гидронаосом N, и генерирующий турбонагреватель 3 с генератором G электрической энергии.

Управляемые привода 9 регулирующих запорных клапанов 8 управляются от блока управления 7. К блоку управления 7 подключены датчики давления Р и температуры Т на магистральных трубопроводах высокого и низкого давления и датчики давления Р и температуры Т установленные на входе и выходе турбонагревателей 2, 6, генерирующего турбонагревателя 3, гидрогенерирующего турбонагревателя 4. К блоку управления 7 также подключены датчик частоты вращения V турбины детандера в каждом турбонагревателе 2, 3, 4, 6. Генератор G в генерирующем турбонагревателе 3 и электрический нагреватель газа Н в турбонагревателе 6 аналогично подключен к блоку управления 7. Блок управления 7 управляет процессом выработки электроэнергии генератором G и процессом нагрева потока газа в электрическом нагревателе Н.

Установка редуцирования работает следующим образом. Газ высокого давления поступает по трубопроводу 1 в турбонагреватель 2, в корпусе которого установлен детандер, в котором срабатывается перепад давлений редуцируемого газа, приводящий во вращение кинематически соединенный с ним нагреватель. Газ более низкого давления, нагретый в нагревателе турбонагревателя 2, поступает в электрогенерирующий турбонагреватель 3, в котором установлен детандер для срабатывания давления газа и привода нагревателя и генератора G электрической энергии.

Дальнейшее редуцирование давления газа с нагревом может осуществляться последовательно в гидрогенерирующем турбонагревателе 4 с установленным гидронасосом N и турбонагревателе 6 с электронагревателем Н или одновременно. Турбонагрегватели 2, 3, 4 и 6 можно подключать в определенной последовательности и по отдельности между магистральным трубопроводом высокого давления 1 и магистральным трубопроводом низкого давления 5.

Предпочтительно турбонагреватель 6 с электронагревателем Н необходимо устанавливать, в схеме установки редуцирования, последним для точного регулирования и поддержания температуры газа направляемого потребителю в магистральный трубопровод низкого давления 5.

Схема взаимного расположения турбонагревателей выбирается из условия точного поддержания температуры и давления газа при подаче к потребителю.

Процессом переключения турбонагревателей и регулированием температуры и давления управляет блок управления 7, который получает информацию от датчиков давления Р, датчиков температуры Т, установленных в системе, в каждом турбонагревателе и датчиков частоты вращения V турбины детандера, установленных в каждом турбонагревателе с детандером, Блок управления 7 для регулирования давления и температуры газа выходящего из турбонагревателей и установки в магистральный трубопровод низкого давления 5 в зависимости от температуры и давления газа в магистральном трубопроводе высокого давления 1 посредством управляемых приводов 9 регулирующих запорных клапанов 8 осуществляет переключение схемы с турбонагревателями 2, 3, 4, 6 и осуществляет управление генератором G в генерирующем турбонагревателе 3 и электрическим нагревателем Н в турбонагревателе 6.

Если перепускной клапан 28 в турбонагревателе 2, 3, 4, 6 не сработал и турбина детандера в указанных турбонагревателях начала раскручиваться или температура газа начала расти, то блок управления 7, получив сигналы от датчиков Р, Т и V, отключает турбонагреватель от магистрали высокого и низкого давления посредством воздействия на управляемые привода 9 регулирующих запорных клапанов 8.

Турбонагреватели 2, 3, 4, и 6 могут быть выполнены в виде цилиндрических корпусов соединенных фланцевым соединением друг с другом и с трубопроводами высокого и низкого давления имеющие фланцы для соединения со следующим турбонагревателем или соединительным трубопроводом.

Турбонагреватель 2 может быть выполнен в виде турбонагревателя (см. фиг.2), использующего для нагрева газа компрессор аэродинамического нагрева и индукционный нагреватель в котором используются токи Фуко, возникающие в стальном теплообменнике при вращении постоянных магнитов.

Турбонагреватель 2 содержит трубопровод высокого давления 10 по которому в него подается газ, который поступает на лопатки соплового аппарата 11 детандера 12, при расширении со снижением давления газа он совершает работу на лопатках турбины детандера 13 находящегося на валу 14. Полости высокого и низкого давления турбонагревателя 2 разделяет диафрагма 15, зажатая между фланцами частей корпуса высокого давления 16 и 17 корпуса низкого давления. Фланцы 16 и 17 стянуты с помощью шпилек 18. На диафрагме 15 со стороны высокого давления крепится корпус детандера 19 с подшипниковым узлом 24 вала 14. В диафрагме 15 имеются отверстия для выхода газа после рабочего колеса в корпус низкого давления. В корпусе низкого давления с фланцем 17 установлен корпус компрессора аэродинамического нагрева 20 с подшипниковым узлом 21 другого конца вала 14, на котором закреплен ротор с лопатками 22. В корпусе компрессора аэродинамического нагрева 20, расположены разделительные лопатки 23 формирующие полости в которых происходит завихрение и нагрев газа при вращении ротора 22 с лопатками. На валу 14 также жестко закреплены ротор с постоянными магнитами 25, полюса которых чередуются, при вращении постоянных магнитов в стальном теплообменнике 26, индуцируются токи Фуко нагревающие его. Взаимодействие постоянных магнитов со стальным теплообменником 26 тормозит и нагружает детандер 12, тем самым предотвращая увеличение скорости вращения. Выходящий из детандера 12 газ протекает через сквозные каналы в стальном теплообменнике 26 и нагревается. Из стального теплообменника 26 газ поступает в полость корпуса компрессора аэродинамического нагрева 20, в котором при вращении ротора с лопатками 22, происходит частичное восстановление давления потока и повышение температуры потока газа, выходящего из него. Далее газ по трубопроводу низкого давления 27 подается в следующий за ним турбонагреватель или в магистральный трубопровод низкого давления 5. Если перепад давления увеличился и детандер 12 увеличил скорость вращения турбины детандера, то перепускной клапан 28, содержащий, к примеру, центробежный механизм, открывается и перепускает газ из зоны высокого давления в зону низкого давления через отверстие в валу 14.

Для нагружения детандера и предотвращения увеличения скорости вращения может использоваться гидронасос кинематически соединенный с валом рабочего колеса детандера. В такой конфигурации на чертеже (см. фиг.3) представлен гидрогенерирующий турбонагреватель 4.

Гидрогенерирующий турбонагреватель 4 содержит трубопровод высокого давления 10 по которому в него подается газ, который поступает на лопатки соплового аппарата 11 детандера 12, при расширении со снижением давления газа он совершает работу на рабочих лопатках турбины детандера 13 находящейся на валу 14. Полости высокого и низкого давления гидрогенерирующего турбонагревателя 4 разделяет диафрагма 15, зажатая между фланцами частей корпуса высокого давления 16 и 17 корпуса низкого давления. Фланцы 16 и 17 стянуты с помощью шпилек 18. На диафрагме 15 со стороны высокого давления крепится корпус детандера 19 с подшипниковым узлом 24 вала 14. В диафрагме 15 имеются отверстия для выхода газа после рабочего колеса в корпус низкого давления. В корпусе низкого давления с фланцем 17 установлен корпус компрессора аэродинамического нагрева 20 с подшипниковым узлом 21 другого конца вала 14, на котором закреплен ротор с лопатками 22. В корпусе компрессора аэродинамического нагрева 20, расположены разделительные лопатки 23, формирующие полости в которых происходит завихрение и нагрев газа при вращении ротора с лопатками 22. На валу 14 также жестко закреплен вал поршневого гидронасоса N со своими подшипниковыми узлами вращения. Корпус гидронасоса N закреплен на диафрагме 15. На корпусе низкого давления с фланцем 17 расположен входной патрубок 29 для гидрожидкости герметично соединенный гибким шлангом с входным отверстием гидронасоса N, а выходное отверстие для гидрожидкости высокого давления герметично соединено с выходным патрубком 30. Гидронасос N преобразует механическую энергию вращения рабочего колеса с лопатками 13 детандера 12 в гидродинамическую энергию (давление и скорость гидрожидкости) передавая ее по трубопроводам высокого давления, к примеру, на гидромотор, преобразующий гидродинамическую энергию в механическую энергию вращения ротора электрогенератора для выработки электроэнергии или для привода насоса для перекачивания жидкости. Выходящий из детандера 12 газ охлаждает корпус гидронасоса N, нагревается и поступает в полость корпуса компрессора аэродинамического нагрева 20, в котором при вращении ротора с лопатками 22, происходит частичное восстановление давления потока и повышение температуры потока газа, выходящего из него. Далее газ по трубопроводу 27 подается в сеть к потребителю. Перепускной клапан 28 предохраняет от резкого увеличения оборотов вращения вала 14.

Генерирующий турбонагреватель 3 аналогично может быть выполнен в виде цилиндрических корпусов соединенных фланцевым соединением друг с другом и с трубопроводами высокого и низкого давления или со следующим турбонагревателем или сетью. Размеры корпусов могут быть одинаковыми, что позволит снизить стоимость изготовления турбонагревателей установки редуцирования газа.

Генерирующий турбонагреватель 3 (см. фиг.4) содержит трубопровод высокого давления 10 по которому в него подается газ, который поступает на лопатки соплового аппарата 11 детандера 12, при расширении со снижением давления газа он совершает работу на лопатках турбины детандера 13 находящейся на валу 14. Полости высокого и низкого генерирующего турбонагревателя 3 разделяет диафрагма 15, зажатая между фланцами частей корпуса высокого давления 16 и 17 корпуса низкого давления. Фланцы 16 и 17 стянуты с помощью шпилек 18. На диафрагме 15 со стороны высокого давления крепится корпус детандера 19 с подшипниковым узлом 24 вала 14. В диафрагме 15 имеются отверстия для выхода газа после рабочего колеса в корпус низкого давления. В корпусе низкого давления с фланцем 17 на диафрагме 15 закреплен электрический генератор G, имеющий в своем составе статор с обмотками 31 и ротор 32 насаженный на валу 14. Электрические контакты генератора G выведены через корпус герметичного кабельного ввода 33, закрепленном на фланце 34 корпуса низкого давления с фланцем 17. После генератора G установлен корпус компрессора аэродинамического нагрева 20 с подшипниковым узлом 21 другого конца вала 14, на котором закреплен ротор с лопатками 22. В корпусе компрессора аэродинамического нагрева 20, расположены разделительные лопатки 23, формирующие полости в которых происходит завихрение и нагрев газа при вращении ротора с лопатками 22. Электрогенератор G преобразует механическую энергию вращения рабочего колеса 49 с лопатками 13 детандера 12 в электрическую энергию. Выходящий из детандера 12 газ охлаждает корпус генератора G, нагревается и поступает в полость корпуса компрессора аэродинамического нагрева 20, в котором при вращении ротора с лопатками 22, происходит частичное восстановление давления потока и повышение температуры потока газа, выходящего из него. Далее газ по трубопроводу 27 подается в сеть к потребителю. Перепускной клапан 28 предохраняет от резкого увеличения оборотов вращения вала 14.

Турбонагреватель 6 по конструктивному устройству аналогичен турбонагревателю 2 или генерирующему турбонагревателю 3, но имеет электронагреватель с электрическими нагревательными элементами, расположенные в потоке газа в корпусе высокого давления до детандера 12 и в корпусе низкого давления.

Таким образом, повышение экономичности и экологических показателей обусловлено отказом от постороннего источника тепла для нагрева газа перед детандером с электрическим генератором и после него.

Нагрев газа до и после детандера позволяет исключить образования инея и льда на рабочих поверхностях детандера, гидратообразование в объеме газа после детандера.

Для нагрева газа используется только энергия транспортируемого газа и электроэнергия вырабатываемая при редуцировании.

Точность поддержания температуры газа отправляемого потребителю обеспечивается активным управлением электронагревателем газа в схеме установки редуцирования для реализации способа нагрева газа.

Группа изобретений относится к энергетическому машиностроению, в частности к установка редуцирования давления природного газа с преобразователем энергии перепада давления в теплоту, и применяется в области газораспределения и газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа на газораспределительных станциях при редуцировании природного газа перед подачей его потребителям. Установка редуцирования содержит несколько турбонагревателей, состоящих из турбины детандера и преобразователя энергии вращения турбины в тепловую энергию, электрическую или гидроэнергию, размещенных на одном валу и расположенных в одном корпусе, которые соединяются последовательно и параллельно посредством системы трубопроводов. Установка редуцирования дополнительно содержит блок управления, датчики давления и температуры, датчики скорости, регулирующие запорные клапана с управляемыми приводами от блока управления. В турбонагревателе может быть расположен нагреватель аэродинамического нагрева, индукционного нагрева с постоянными и электромагнитами, электронагреватель, которые располагаются до и после турбины детандера, гидронасос и электрогенератор. Турбонагреватель содержит перепускной клапан регулирования давления и скорости с центробежным регулятором. Осуществляется высокоточное поддержание температуры газа выходящего потребителям из установки редуцирования, обеспечивается увеличения доли полезно используемой потенциальной энергии газа высокого давления для эффективной выработки максимального количества тепловой, электрической и гидроэнергии в зависимости от температуры газа в магистральном трубопроводе высокого давления и требуемой температуры газа в магистральном трубопроводе низкого давления. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Установка редуцирования и нагрева газа содержит турбонагреватель, состоящий из турбины детандера и преобразователя энергии вращения турбины в тепловую энергию, размещенных на одном валу и расположенных в одном корпусе, ротора аэродинамического нагрева с двусторонним подводом газа к его лопаткам, закрепленным на сплошном разделительном диске, соосно с ротором в корпусе расположен выходной патрубок нагреваемого газа, проходное сечение которого перекрывается регулирующим клапаном с центробежным регулятором температуры, расположенным на валу ротора, причем возвратная пружина центробежного регулятора выполнена таким образом, что ее упругость обратно пропорциональна температуре нагреваемого газа, отличающаяся тем, что установка редуцирования содержит несколько турбонагревателей, которые соединяются последовательно и параллельно посредством системы трубопроводов и регулирующих запорных клапанов с управляемыми приводами от блока управления, содержащая датчики давления и температуры, датчики скорости, причем мощность турбины детандера должна быть больше для компенсации потерь при нагреве и выработке энергии и зависит от конструктивного устройства нагревателя, количества нагревателей в турбонагревателе и от расположения на валу относительно детандера, от мощности установленного гидронасоса или электрического генератора, для регулирования температуры газа, обеспечения постоянства оборотов турбины детандера и выработки максимального количества тепловой энергии, гидроэнергии или электроэнергии, для точного поддержания температуры газа выходящего к потребителям из установки редуцирования, увеличения перепада давления при редуцировании, увеличения доли полезно используемой потенциальной энергии газа высокого давления для эффективной выработки гидроэнергии или электроэнергии в зависимости от температуры газа в магистральном трубопроводе высокого давления и требуемой температуры газа в магистральном трубопроводе низкого давления.

2. Установка редуцирования по п. 1, содержащая турбонагреватель, для срабатывания перепада давления, который для нагрева газа в своем составе имеет нагреватели различного конструктивного устройства: электрический нагреватель, аэродинамический турбонагреватель, индукционный нагреватель газа с вращающимися постоянными магнитами нагревающими стальной теплообменник, кинематически соединенные с валом детандера и расположенные на валу до детандера в зоне высокого давления или после детандера в зоне низкого давления, в количестве, зависящем от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя и перепада давления газа во всей установке редуцирования.

3. Установка редуцирования по п. 1, содержащая турбонагреватель для срабатывания перепада давления, который для нагрева газа, в своем составе имеет, в дополнение к аэродинамическому и индукционному нагревателю газа, электрический нагреватель газа, расположенный в зоне высокого давления или в зоне низкого давления после детандера, в количестве, зависящем от требуемой температуры, и получающий электроэнергию от установленного в турбонагревателе электрогенератора, вал которого кинематически соединен с валом детандера, при этом турбонагреватель с электронагревателем устанавливается последним перед подачей газа потребителю и мощность его электронагревателя изменяется в зависимости от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя или электронагреватель используется как нагрузка при отсутствии потребителей электроэнергии.

4. Установка редуцирования по п. 1, содержащая в составе турбонагреватель, для срабатывания перепада давления газа, который в своем составе имеет гидронасос, служащий дополнительной нагрузкой для детандера, приводной вал которого кинематически связан с валом детандера и ротора компрессора аэродинамического нагрева, и преобразующий механическую энергию вращения рабочего колеса детандера в гидродинамическую энергию (давление и скорость гидрожидкости), передавая ее по трубопроводам высокого давления на гидромотор, который преобразует гидродинамическую энергию в механическую энергию вращения ротора электрогенератора для выработки электроэнергии или для привода, к примеру насоса или компрессора, располагающихся на расстоянии от установки редуцирования.

5. Установка редуцирования по п. 1, содержащая в составе турбонагреватель для срабатывания перепада давления газа, который содержит в своем составе индукционный нагреватель газа с вращающимся ротором, внешняя поверхность по окружности которого снабжена постоянными магнитами или электрическими магнитами, с чередующимися полюсами, находящийся на одном валу с детандером и кинематически связанный с детандером и ротором компрессора аэродинамического нагрева, и неподвижный теплообменник в корпусе турбонагревателя, с отверстиями для прохода газа, из магнитного материала вокруг ротора, который нагревается под воздействием переменного магнитного поля от вращающегося ротора с постоянными магнитами, нагревая тем самым вышедший из детандера газ и проходящий через него перед входом в компрессор аэродинамического нагрева, а для электропитания электромагнитов имеется электрогенератор, вал которого кинематически соединен с валом детандера.

6. Установка редуцирования по п. 1, содержащая турбонагреватель для срабатывания перепада давления, подключенный к трубопроводу газа высокого давления на входе и трубопроводу низкого давления на выходе, при этом для предотвращения разгона детандера при увеличении перепада давления редуцируемого газа в зоне высокого давления установлен перепускной клапан, который управляется центробежным регулятором и который при превышении скорости вращения детандера открывается и перепускает газ из зоны высокого давления перед детандером в зону низкого давления после детандера через отверстие, выполненное внутри вала с рабочим колесом детандера.

7. Установка редуцирования по п. 1, содержащая турбонагреватель, имеющий два герметичных корпуса, соединенных посредством фланцев со шпильками, внутри которых находится: детандер, генератор и нагреватели, кинематически объединенные единым валом, при этом одна часть герметичного корпуса имеет патрубок для присоединения трубопровода высокого давления и в ней расположена сопловая часть детандера с устройством для регулирования парциальности в виде парциального соплового аппарата, выполненным в виде заслонки, закрывающей часть соплового аппарата для регулирования степени парциальности, а в другой части корпуса с патрубком для присоединения трубопровода низкого давления расположено рабочее колесо детандера, и которые разделены на зону высокого и низкого давления диафрагмой, с отверстиями для выхода газа из сопловой части детандера, при этом размер отверстия в диафрагме зависит от величины перепада давления редуцируемого газа и температуры газа перед сопловым аппаратом детандера, зажатой герметично между фланцами частей корпуса и через которую проходит вал с рабочим колесом детандера, причем в качестве опор для вала используются предпочтительно керамические подшипники качения с керамическими шариками.

8. Установка редуцирования по п. 1, содержащая несколько турбонагревателей, объединенных системой трубопроводов, в которой присутствуют регулирующие запорные клапаны, с управляемыми приводами, имеет блок управления, который по сигналам от датчиков давления и температуры газа на входе и выходе турбонагревательных агрегатов и датчиков частоты вращения детандеров, в зависимости от давления и температуры газа в магистральном трубопроводе высокого давления и требуемом давлении и температуре газа в магистральном трубопроводе низкого давления, управляет: переключением регулирующих запорных клапанов в системе трубопроводов, посредством управляемых приводов, соединяет последовательно и параллельно турбонагреватели, управляет электронагревателем, электромагнитами в индукционном нагревателе, подключает и отключает генератор, для регулирования расхода газа, давления, перепада давления и температуры газа в турбонагревателях установки редуцирования и поддерживает параметры газа перед подачей потребителю в магистральный трубопровод низкого давления.

9. Способ нагрева газа, применяемый в установке редуцирования по п. 1, заключающийся в том, что поддерживаются перепад давления, оптимальная температура газа и давление, с высокой точностью, в установке редуцирования и на выходе из установки редуцирования, для чего весь перепад давления газа между магистральным трубопроводом высокого давления и магистральным трубопроводом низкого давления, который необходимо сработать при редуцировании давления газа и обеспечить требуемую температуру газа, делится на несколько неравных частей, и полезно используется в турбонагревателях с детандерами, в которых происходит редуцирование давления газа и его нагрев в нагревателях, входящих в турбонагреватели, соединяемых посредством системы трубопроводов с регулирующими запорными клапанами в определенной последовательности, при этом турбонагреватель с электронагревателем устанавливается последним перед подачей газа потребителю и мощность его электронагревателя изменяется в зависимости от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя или электронагреватель используется как нагрузка при отсутствии потребителей электроэнергии, а именно по получаемой информации и сигналам датчиков давления, температуры, скорости, блоком управления, для обеспечения требуемого перепада давления при редуцировании, поддержания давления и температуры газа, выходящего из турбонагревателей, и установки редуцирования в магистральный трубопровод низкого давления без использования внешних источников энергии для нагрева газа.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в турбонагревателе установлен индукционный нагреватель газа с вращающимися постоянными магнитами, нагревающими стальной теплообменник с отверстиями для прохода газа, кинематически соединенный с валом детандера и расположенный на валу до детандера в зоне высокого давления или после детандера в зоне низкого давления, в количестве, зависящем от требуемой температуры газа на выходе из турбонагревателя, индукционный нагреватель с электрическими магнитами, для электропитания которых установлен электрогенератор, вал которого кинематически также соединен с валом детандера, установлен перепускной клапан, который управляется центробежным регулятором и который при превышении скорости вращения детандера открывается и перепускает газ из зоны высокого давления перед детандером в зону низкого давления после детандера через отверстие, выполненное внутри вала детандера, ротор аэродинамического нагрева в зоне высокого давления до детандера и в зоне низкого давления после детандера, гидронасос для нагрузки детандера, электрогенератор.