СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F17D1/04 

Изобретение относится к газораспределительным станциям (ГРС), производящим понижение давления природного газа, подаваемого из магистральных газопроводов с его подачей газа в системы газоснабжения потребителей.

В результате дросселирования газ расширяется со снижением давления и значительным понижением температуры. Для предотвращения образования гидратов в дросселированном газе на ГРС производят предварительный подогрев газа в подогревателях.

На ГРС применяют различные типы подогревателей газа - подогреватели прямого подогрева газа со сжиганием газа в подогревателях, а также подогреватели газа с промежуточным теплоносителем. Имеется опасность взрывов и пожаров в подогревателях прямого подогрева газа. Подогреватели с промежуточным теплоносителем конструктивно сложны и дороги.

Известен способ работы способ работы газораспределительной станции, предложенный в патенте РФ №2650238, при котором газ высокого давления подогревают теплом продуктов сгорания расширенных в газовой турбине, расширяют в турбодетандере, снижая в нем давление газа до требуемого уровня с поддержанием его температуры на уровне исключающем гидратообразование. Полезную работу турбодетандера используют для сжатия воздуха в компрессоре газотурбинной энергетической установки, а газовой турбины используют для выработки в электрогенераторе собственной дешевой электроэнергии.

Недостатком этого способа является сложность конструкции установки.

Известен также способ работы газораспределительной станции по патенту РФ №2619671, при котором ГРС снабжают двумя аккумулирующими емкостями одинакового объема. В этом способе газ высокого давления дросселируют и подают с высокой скоростью в первую аккумулирующую емкость большого объема. Кинетическую энергию расширенного газа используют для повышения его температуры до положительной и предотвращения гидратообразования в газе. После заполнения первой емкости и повышения в ней давление газа до 2,5-3 МПа и его температуры, прекращают дросселирование газа высокого давления и закрывают подачу газа в эту емкость, газ, находящийся в этой емкости, дросселируют и подают с положительной температурой в газопровод среднего давления. Аналогично этому используют и вторую аккумулирующую емкость с подачей в газопровод среднего давления газа с пониженным давлением и положительной температурой.

Недостатками этого способа является сложность конструкции установки и системы управления газораспределительной станции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ преобразования кинетической энергии потока газа в потенциальную энергию, при полном торможении высокоскоростного потока газа ударяющегося в поперечную стенку. В разделе 10.2 на стр. 93 -94 книги Г.И. Дульнева «Теория тепло- и массообмена» приведены выражения, позволяющие определить нагревание заторможенного высокоскоростного потока газа с переходом его кинетической энергии в потенциальную. Температура торможения этого потока газа в градусах Кельвина определяется по выражению где Т_Г - температура высокоскоростного потока газа, к - коэффициент адиабаты, М - критерий Маха (отношение скорости газа к скорости звука). На рис. 10.3 стр. 93 этой книги приведен график, показывающий повышение температуры при полном торможении высокоскоростного потока воздуха. В случае полного затормаживания этого потока, при числе Маха М > 2.5, его температура будет превышать 30°С. Однако этот способ не применяется на газораспределительных станциях и газораспределительных пунктах.

Способ преобразования кинетической энергии высокоскоростного потока газа в потенциальную энергию при его полном торможении о поперечную стенку принят в качестве прототипа к способу работы газораспределительной станции.

Технической задачей изобретения является повышение до положительной температуры природного газа подаваемого потребителям без гидратообразования.

Технический результат в предлагаемом способе работы газораспределительной станции достигается тем, что преобразовывают кинетическую энергию высокоскоростного потока газа в потенциальную энергию при его полном торможении на тормозящем устройстве, отличающийся тем, что при номинальном режиме работы газораспределительной станции природный газ высокого давления 5-7 МПа разделяют на два потока и подают в первую и вторую газодинамические установки, содержащие сверхзвуковое сопло Лаваля высокого давления, тормозящее устройство высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, тормозящее устройство среднего давления; в каждой из газодинамических установок газ высокого давления расширяют в первом сопле Лаваля высокого давления до давления 2,2 - 3 Мпа, ускоряя его до сверхкритической скорости 1,7 - 1,5 М, расширенный высокоскоростной поток затормаживают на тормозящем устройстве высокого давления, его температуру повышают до 70 - 40°С, заторможенный в нем поток газа подают при 5-10 м/с в сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, расширяют до давления 1,2 - 1,3 МПа, ускоряют до сверхкритической скорости 1,85 - 1,8 М, затормаживают в тормозящем устройстве среднего давления, повышают его температуру до 220 - 190°С, смешивают оба потока газа и подают их к потребителям; при режимах работы газораспределительной станции с уменьшенными до 70 - 90% расходами газа высокого давления прикрывают регулирующие клапаны перед обеими газодинамическими установками, поддерживая положительную температуру газа подаваемого потребителям: при снижении расхода газа высокого давления до 50 - 70% отключают вторую газодинамическую установку и регулируют расход газа высокого давления, подаваемого в первую газодинамическую установку..

Предлагаемый способ работы газораспределительной станции может быть реализован в устройстве, содержащем сверхзвуковое сопло Лаваля и затормаживающее устройство, причем газораспределительную станцию снабжают первой и второй газодинамическими установками, связанными на входе с подводящим газопроводом высокого давления 5 - 7 МПа, а на выходе с газопроводом среднего давления 1,2 - 1,3 МПа, при этом каждая газодинамическая установка содержит запорно-регулирующие клапаны высокого давления, газопровод высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля высокого давления, тормозящее устройство сопла высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, тормозящее устройство сопла среднего давления, запорный клапан среднего давления, газопровод среднего давления; по потоку газа газопровод высокого давления каждой газодинамической установки и связан через запорно-регулирующий клапан высокого давления, газопровод высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля высокого давления, тормозящее устройство сопла высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, тормозящее устройство сопла среднего давления и запорный клапан среднего давления с потребителями газа; связан с газопроводами среднего давления, а устройство регулирования газодинамическими установками связано импульсными линиями с их запорно-регулирующими клапанами высокого давления и с запорными клапанами среднего давления.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ работы газораспределительной станции, снабженной двумя газодинамическими установками с соплами Лаваля и тормозящими устройствами, осуществляют последовательно в два этапа. На первом этапе способа в первом сопле Лаваля этих газодинамических установок производят расширение потока газа высокого давления до промежуточного давления и до сверхкритической скорости, затем его полностью затормаживают и преобразуют кинетическую энергию высокоскоростного потока газа в потенциальную энергию, с повышением температуры этого газа до положительных значений. На втором этапе способа, поток газа дополнительно расширяют во втором сопле Лаваля до требуемого давления и сверхкритической скорости, затормаживают полученный высокоскоростной поток газа, преобразуют его кинетическую энергию в потенциальную энергию и повышают его температуру до положительной. Подогретый газ из газораспределительной станции подают к потребителям.

Сравнение предлагаемого способа работы газораспределительной станции с прототипом и с другими техническими решениями позволило сделать вывод, что предлагаемый способ соответствует критерию «новизна». С учетом признаков, отличающих заявляемый способ от прототипа, можно сделать вывод, что предлагаемый способ работы газораспределительной станции соответствует критерию «существенные отличия».

На Фиг. 1 приведена тепловая схема предлагаемой газораспределительной станции, которая содержит: 1 - газопровод высокого давления, 2 - газопровод высокого давления первой газодинамической установки, 3 - сверхзвуковое сопло Лаваля высокого давления, 4 - тормозящее устройство, 5 - сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, 6 - тормозящее устройство среднего давления, 7 - выходной газопровод среднего давления первой газодинамической установки, 8 - первая промежуточная камера, 9 - первые крепежные устройства, 10 - вторая промежуточная камера среднего давления, 11 - вторые крепежные устройства, 12 - запорно-регулирующий клапан высокого давления первой газодинамической установки, 13 - запорный клапан среднего давления первой газодинамической установки, 14 - газопровод среднего давления, 15 - запорно-регулирующий клапан высокого давления второй газодинамической установки, 16 - запорный клапан среднего давления второй газодинамической установки, 17 - газопровод высокого давления второй газодинамической установки, 18 - устройство регулирования газодинамическими установками, 19 - выходной газопровод второй газодинамической установки. 20 - первую газодинамическую установку, 21-вторую газодинамическую установку.

На Фиг. 2 приведены поперечные сечения А-А и Б-Б первой промежуточной камеры и второй промежуточной камеры среднего давления.

На предлагаемом способе работы ГРС дополнительно применены две газодинамические установки. Каждая из них содержит подводящий газопровод высокого давления, запорно-регулирующий клапан высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля высокого давления, тормозящее устройство, сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, тормозящее устройство среднего давления, запорный клапан среднего давления, газопровод среднего давления.

Подводящий к ГРС газопровод высокого давления 1 связан по природному газу с первой газодинамической установкой 20 через запорно-регулирующий клапан высокого давления первой газодинамической установки 12 и газопровод высокого давления 2, выход которого связан с входом сверхзвукового сопла Лаваля высокого давления 3, образовавшийся сверзвуковой поток газа ударяется в тормозящее устройство 4, который связан по газовому потоку через первую промежуточную камеру 8 с входом сверхзвукового сопла Лаваля среднего давления 5, выход которого связан по сверхзвуковому потоку газа с тормозящим устройством среднего давления 6 и через запорный клапан среднего давления 13 и газопровод среднего давления 14 связан с потребителем газа.

Предлагаемый способ работы осуществляют следующим образом. При номинальном режиме работы ГРС природный газ высокого давления 5- 7 МПа разделяют на два потока и подают в первую и вторую газодинамические установки. В каждой из них газ высокого давления расширяют в первом сопле Лаваля высокого давления до давления 2,2 - 3 МПа и ускоряют до сверхкритической скорости 1,7 - 1,5 М (Маха). Полученный высокоскоростной поток газа направляют на поперечную стенку и полностью затормаживают, при этом за счет перехода кинетической энергии высокоскоростного потока газа в потенциальную энергию, температура этого газа становится положительной и достигает 70 - 40°С.Подогретый заторможенный поток газа подают со скоростью 5-10 м/с во второе сопло Лаваля среднего давления, где его расширяют до давления 1,2 - 1,3 МПа и увеличивают скорость до 1,85 - 1,8 М. Полученный высокоскоростной газ затормаживают за счет его контакта с поперечной стенкой, при этом, вследствие перехода кинетической энергии высокоскоростного потока в потенциальную энергию, температура заторможенного газа повышается до 220 - 190°С.Этот газ, не подлежащий гидратообразованию, далее подают из ГРС к потребителям.

При режимах работы ГРС с уменьшенными до 70 - 90% расходами газа высокого давления, относительно его номинального расхода, с помощью системы управления частично прикрывают входные запорно-регулирующие клапаны установленные на газопроводе высокого давления перед первой и второй газодинамическими установками и поддерживают положительные температуры газа подаваемого к потребителям. При снижении расхода газа высокого давления до 50 - 70% от его номинального расхода, отключают вторую газодинамическую установку и с помощью системы управления регулируют расход газа высокого давления, подаваемого в первую газодинамическую установку, поддерживая положительную температуру газа подаваемого к потребителям.

Реализация предлагаемого способа работы ГРС обеспечивает подачу потребителям газа с положительной температурой, исключающей в нем гидратообразование. Отказ от предварительного подогрева газа высокого давления в подогревателях газа, которые применяются на эксплуатируемых ГРС, способствует экономии сжигаемого в них газа и обеспечивает экологичность ГРС, работающих по предлагаемому способу.

Изобретение относится к технике распределения газов, а именно к газораспределительным станциям. Предложены способ работы и устройство газораспределительной станции, содержащей две газодинамические установки 20, 21, которые снабжены запорно-регулирующими клапанами высокого давления 12, 15, газопроводами высокого давления 2, 17, сверхзвуковыми соплами Лаваля высокого давления 3, тормозящими устройствами сопла высокого давления 4, сверхзвуковыми соплами Лаваля среднего давления 5, тормозящими устройствами сопла среднего давления 6, запорными клапанами среднего давления 13, 16 и газопроводами среднего давления 7, 19. Газ высокого давления 5-7 МПа, подводимый к газораспределительной станции, последовательно расширяют в сверхзвуковых соплах Лаваля 3 до давления 2,2-3 МПа и сверхзвуковой скорости с 1,7-1,5 М, затормаживают на тормозящих устройствах 4 высокого давления, повышая температуру газа до 70-40°С, затем газ расширяют в сверхзвуковых соплах Лаваля 5 среднего давления до 1,2-1,3 МПа и скорости 1,85-1,8 М, затормаживают на тормозящих устройствах 6 среднего давления, чем повышают температуру полностью заторможенного потока газа до 220-190°С. Способ исключает возможность гидратообразования в газе, повышает экономичность и экологичность газораспределительной станции и позволяет отказаться от применения подогревателей газа. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы газораспределительной станции, заключающийся в преобразовании кинетической энергии высокоскоростного потока газа в потенциальную энергию при его полном торможении на тормозящем устройстве, отличающийся тем, что при номинальном режиме работы газораспределительной станции природный газ высокого давления 5-7 МПа разделяют на два потока и подают в первую и вторую газодинамические установки, содержащие сверхзвуковое сопло Лаваля высокого давления, тормозящее устройство высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, тормозящее устройство среднего давления; в каждой из газодинамических установок газ высокого давления расширяют в первом сопле Лаваля высокого давления до давления 2,2-3 МПа, ускоряя его до сверхкритической скорости 1,7-1,5 М, расширенный высокоскоростной поток затормаживают на тормозящем устройстве высокого давления, его температуру повышают до 70-40°С, заторможенный в нем поток газа подают при 5-10 м/с в сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, расширяют до давления 1,2-1,3 МПа, ускоряют до сверхкритической скорости 1,85-1,8 М, затормаживают в тормозящем устройстве среднего давления, повышают его температуру до 220-190°С, смешивают оба потока газа и подают их к потребителям; при режимах работы газораспределительной станции с уменьшенными до 70-90% расходами газа высокого давления прикрывают регулирующие клапаны перед обеими газодинамическими установками, поддерживая положительную температуру газа подаваемого потребителям: при снижении расхода газа высокого давления до 50-70% отключают вторую газодинамическую установку и регулируют расход газа высокого давления, подаваемого в первую газодинамическую установку.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее сверхзвуковое сопло Лаваля и затормаживающее устройство, отличающееся тем, что газораспределительную станцию снабжают первой и второй газодинамическими установками, связанными на входе с подводящим газопроводом высокого давления 5-7 МПа, а на выходе с газопроводом среднего давления 1,2-1,3 МПа, причем каждая газодинамическая установка содержит запорно-регулирующие клапаны высокого давления, газопровод высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля высокого давления, тормозящее устройство сопла высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, тормозящее устройство сопла среднего давления, запорный клапан среднего давления, газопровод среднего давления; по потоку газа газопровод высокого давления каждой газодинамической установки связан через запорно-регулирующий клапан высокого давления, газопровод высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля высокого давления, тормозящее устройство сопла высокого давления, сверхзвуковое сопло Лаваля среднего давления, тормозящее устройство сопла среднего давления, запорный клапан среднего давления и газопроводы среднего давления, с потребителями газа, а устройство регулирования газодинамическими установками связано импульсными линиями с их запорно-регулирующими клапанами высокого давления и с запорными клапанами среднего давления.