ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННЫЙ КОМПЛЕКС АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H02J7/34 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к энергетической отрасли, а конкретно к автономным источникам питания, обеспечивающим комплексное решение энергетических потребностей удаленных объектов нефтегазовой отрасли, находящихся преимущественно во взрывоопасных окружающих условиях.

Уровень техники

В настоящее время сотрудники/операторы удаленных объектов нефтегазовой отрасли в процессе работы, находящегося во взрывоопасной среде оборудования, в значимой степени ориентируются на существующие системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) с целью мониторинга, измерения и управления “внешним” обслуживающим оборудованием (системы телеметрии, системы катодной защиты, системы спутниковой связи и др.).

Для штатной работы перечисленных внешне удаленных систем, используемых в нефтегазовой отрасли необходим надежный и безопасный источник питания, который адаптирован для работы во взрывоопасных условиях.

Из уровня техники известна автономная энергетическая установка (см. RU 2686844, кл. H02J 7/34, публ. 06.05.2019 г. [1]).

Известное решение относится к энергетической области, а конкретно к области автономных систем энергоснабжения, предназначенных для объектов, удаленных от центрального энергоснабжения.

Известная автономная энергетическая установка содержит аппаратный и топливный отсек, расположенные внутри корпуса, первичный источник энергии, вторичный источник энергии, накопители энергии в виде аккумуляторных батарей, блок управления установкой, расположенный в отдельном отсеке.

Известная энергоустановка [1] отличается надежностью эксплуатации и может успешно применяться в условиях экстремально низких температур.

Основной особенностью автономной энергетической установки является возможность отвода конденсата из топливного генератора в специальную дренажную емкость, что повышает надежность функционирования системы.

В качестве недостатка известного решения [1] следует отметить следующий.

В состав известной энергоустановки включены отдельные теплоизолированные климатический и термический отсеки, которые позволяют использовать установку в условиях критически низких температур, повышая тем самым функциональные возможности, но вместе с тем, повышаются эксплуатационные затраты на содержание, обслуживание и ремонт, что сопряжено с необходимостью особой подготовки обслуживающего персонала и применения специализированной техники, работающей в условиях вечной мерзлоты.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения следует считать систему автономного электроснабжения, известную из RU 2762163, кл. H02J 7/34, публ. 16.12.2021 г. [2].

Известное решение [2] относится к энергетике, а именно к системе автономного электроснабжения, содержащей несколько источников энергии и используется в качестве основного источника питания при отсутствии внешних источников электроснабжения или в качестве резервного источника электропитания различных промышленных объектов в условиях умеренного и холодного климата.

Известная система [2] характерна тем, что содержит первичный источник энергии, блок управления и контроля, накопитель энергии, вторичный источник энергии, систему охлаждения и вентиляции, включающую датчики температуры и вентиляции.

Известное решение [2] отличается высокой надежностью функционирования, что сопровождается возможностью автоматического поддержания температуры, а также возможностью безопасной эксплуатации за счет принципа действия работы генерирующих средств и мониторинга технологических параметров благодаря чему обеспечивается дистанционное управление и максимальное увеличение периода автономной работы.

В качестве недостатка решения [2] следует отметить отдельные ограничения в промышленном использовании, связанные с невозможностью эксплуатирования системы во взрывоопасных условиях, следовательно, не представляется возможным успешное использование на опасных и отдаленных от цивилизации объектов нефтегазовой отрасли.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание обладающей улучшенными технико-эксплуатационными показателями установки автономного электроснабжения добычных и производственных объектов нефтегазовой отрасли.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является реализация назначения по созданию надежного в эксплуатационном отношении, а также эргономично и компактно сконструированного средства автономного исполнения, предназначенного для безопасного электроснабжения, не допускающего передачу воспламеняющихся компонентов во внешнюю возможно взрывоопасную среду.

Заданный технический результат и существующая техническая проблема достигаются в результате того, что автономная установка электроснабжения комбинированного строения содержит защитный корпус взрывозащищенного исполнения, конструкционно разделенный на два взаимосвязанных между собой рабочих отсека, первый из которых основной и по существу подразделяется на обособленные, по меньшей мере, три эксплуатационные части, одна из которых предназначена для размещения топливного источника энергии в виде тепловой машины, теплообменного оборудования, измерительного электрооборудования, а также приточной и вытяжной вентиляционных подсистем, а вторая и третья из указанных эксплуатационных частей взаимосвязаны с упомянутой первой, физически отделены друг от друга и содержат в составе электрооборудование, включающее логический модуль управления, накопительное средство электроэнергии и промежуточное устройство преобразования для подключения, располагаемой с внешней стороны защитного корпуса солнечной фотоэлектрической панели электрически соединенной посредством внешней линии с упомянутым топливным источником энергии, охлаждение которого производится посредством имеющегося теплообменного оборудования, один из тепловых компонентов которого размещается с внешней стороны защитного корпуса и выполнен в виде теплообменного устройства конвекционного типа с воздушным охлаждением, причем второй из обозначенных рабочих отсеков выполнен вспомогательным и представляет из себя взрывозащищенный газорегуляторный пункт, оборудование которого задействовано в передачи топлива в первый отсек, способствуя при этом возможности бесшовной интеграции с внешней инфраструктурой обслуживаемого энергетического объекта, уменьшая тем самым потребность в использовании дополнительного оборудования для контроля и изменения параметров входного давления газа.

Предлагаемая автономная установка электроснабжения комбинированного строения образует совокупность технических признаков, достаточных для достижения заданного технического результата, заключающегося в реализации назначения по созданию надежного в эксплуатационном отношении, а также эргономично и компактно сконструированного средства автономного исполнения, предназначенного для безопасного электроснабжения, не допускающего передачу воспламеняющихся компонентов во внешнюю возможно взрывоопасную среду, в связи с чем обеспечивается решение обозначенной технической проблемы по созданию, обладающей улучшенными технико-эксплуатационными показателями установки автономного электроснабжения добычных и производственных объектов нефтегазовой отрасли.

Краткое описание чертежей

На фиг. схематично представлен общий вид предлагаемого изобретения.

Осуществление изобретения

Предлагаемая автономная установка электроснабжения комбинированного строения поясняется конкретными примерами выполнения и реализации, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядным образом демонстрируют достижение указанной совокупностью существенных признаков указанного технического результата, а также решение существующей технической проблемы.

На чертеже цифровыми позициями представлены следующие части и элементы, используемые при осуществлении предлагаемого изобретения:

1 – автономная установка электроснабжения комбинированного строения;

2 – основной рабочий отсек;

3 – топливный источник энергии;

4 – вторая эксплуатационная часть;

5 – третья эксплуатационная часть;

6 – вспомогательный (второй) рабочий отсек;

7 – теплообменное устройство конвекционного типа;

8 – вентилятор теплообменного устройства 7;

9 – солнечная фотоэлектрическая панель;

10 – газовый клапан;

11 – розетка для подключения внешнего дизельного генераторного устройства (ДГУ);

12 – теплообменное устройство (воздух-жидкость);

13 – вентилятор обдува теплообменного устройства 12;

14 – сигнализатор загазованности;

15 – инвертор;

16 – приточное преграждающее устройством;

17 – вентилятор второго преграждающего устройства;

18 – второе преграждающее устройство;

19 – искрогаситель;

20 – накопительное средство электроэнергии;

21 – промежуточное устройство преобразования;

22 – логический модуль управления;

23 – электрооборудование специального назначения;

24 – электрический подогреватель газа;

25 – газовый фильтр;

26 – первая ступень высокого давления;

27 – вторая ступень низкого давления;

28 – первая эксплуатационная часть.

Осуществляется автономная установка электроснабжения комбинированного строения, следующим образом.

Предлагаемая установка электроснабжения 1 имеет два связанных между собой рабочих отсека 2 и 6.

Рабочий отсек 2 выполнен основным, имеет уровень взрывозащиты Exe и подразделяется на три эксплуатационные части (первая эксплуатационная часть 28, вторая эксплуатационная часть 4 и третья эксплуатационная часть 5).

В первой указанной эксплуатационной части 28 располагается топливный источник энергии 3 (свободнопоршневой двигатель Стирлинга), основное и вспомогательное теплообменное оборудование, измерительное электрооборудование, а также приточная и вытяжная вентиляционные подсистемы.

Во второй эксплуатационной части 4 содержится электрооборудование, включающее логический модуль управления 22 в виде программируемого логического контроллера, накопительное средство электроэнергии 20 в виде аккумулятора, а кроме того промежуточное устройство преобразования 21, выполненное в виде выпрямителя для подключения солнечной фотоэлектрической панели 9.

В третьей эксплуатационной части 5 располагается электрооборудование специального назначения, содержание которого зависит от объекта, который обслуживает предлагаемая установка 1. В качестве такого оборудования может быть телеметрическое оборудование, станция катодной защиты, оборудование спутниковой связи или другое, необходимое объекту для его штатной работы.

Второй из обозначенных рабочих отсеков 6 представляет из себя взрывозащищенный газорегуляторный пункт, оборудование которого участвует в передачи газа в рабочий отсек 2, при этом осуществляется возможность бесшовной интеграции с внешней инфраструктурой обслуживаемого энергетического объекта, уменьшая тем самым потребность в использовании дополнительного оборудования для контроля и изменения параметров входного давления газа.

Имеющееся теплообменное устройство 7 конвекционного типа обдувается вентилятором 8, который исполнен во взрывозащищенном исполнении.

Фотоэлектрическая панель 9 размещенная с внешней стороны защитного корпуса выполнена во взрывозащищенном исполнении и имеет мощность до 400 Вт.

Снизу корпуса размещен газовый клапан 10, регулирующий подачу газа в топливный источник 3 из вспомогательного рабочего отсека 6, кроме того снизу корпуса имеется розетка 11, предназначенная для подключения внешнего дизельного генераторного устройства (ДГУ).

Согласно конструкции, в основном рабочем отсеке 2 установлено несколько компонентов. Главный компонент – топливный источник энергии 3 в виде тепловой машины (свободнопоршневой двигатель Стирлинга) со вспомогательными узлами, обеспечивающими его нормальную работу. Теплообменное устройство 12 (воздух-жидкость) встроено в систему жидкостного охлаждения и служит для охлаждения внутреннего пространства отсека 2, при этом вся избыточная тепловая энергия поступают в теплоноситель и отводится наружу через теплообменное устройство конвекционного типа 7.

Вентилятор 13 служит для интенсификации теплообмена во внутреннем пространстве рабочего отсека 2. Вентилятор 13 отключается по команде от сигнализатора загазованности 14 выполненного во взрывозащищенном исполнении.

Обогрев рабочего отсека 2 происходит от работающего оборудования.

Имеющийся инвертор 15 необходим для заряда накопительного средства электроэнергии 20 от сервисного ДГУ, первичного запуска топливного источника энергии 3, а также для рекуперации в накопительное средство электроэнергии 20 (аккумулятор) излишков энергии, выработанной тепловой машиной при скачкообразном уменьшении нагрузки.

Инвертор 15 отключается по команде от сигнализатора загазованности 14, кроме того с инвертора 15 снимается напряжение от накопительного средства электроэнергии 20.

Для цели вентиляции организовано приточное отверстие, закрытое приточным преграждающим устройством 16. Закрытое приточное преграждающее устройство 16 служит для притока воздуха внутрь рабочего отсека 2.

Кроме того, в отсеке 2 предусмотрено наличие вентилятора 17, который включается от сигнализатора загазованности 14, при этом воздух вентилятором 17 выбрасывается через второе преграждающее устройство 18.

Имеющийся искрогаситель 19 изготовлен из нержавеющей стали и служит для отвода газов из топливного источника энергии 3.

Сигнализатор загазованности 14 выполнен инфракрасным и установлен он внутри рабочего отсека 2. При возникновении опасной концентрации среды в атмосфере рабочего отсека 2 сигнализатор загазованности 14 посылает сигнал на отключение инвертора 15 и газового клапана 10. Отключение инвертора 15 происходит путем отключения подачи напряжения от накопительного средства электроэнергии 20. После этого в рабочем отсеке 2 отключается электропитание от логического модуля управления 22, от электрооборудования специального назначения 23 и от топливного источника энергии 3. Отключение напряжения от накопительного средства электроэнергии 20 выполняется контактором, установленном внутри второй эксплуатационной части 4.

В то время как сигнализатор загазованности 14 определяет атмосферу как взрывоопасную в рабочем отсеке 2 отсутствуют все виды напряжений и отсутствует подача газа. Для этой цели выполняется отключение инвертора 15 от накопительного средства электроэнергии 20. В случае если концентрация в воздухе понизится до безопасного уровня сигнализатор загазованности 14 восстановит подачу напряжения накопительного средства электроэнергии 20 на инвертор 15, включит подачу газа через газовый клапан 10 и в рабочем отсеке 2 восстановятся условия для рестарта топливного источника энергии 3. Через определенное время после этого топливный источник энергии 3 перезапустится и начнет заряжать накопительное средство электроэнергии 20.

Логический модуль управления 22 управляет всеми режимами работы предлагаемой установки. В качестве данного модуля выступает микропроцессорная система управления, решающая следующие задачи:

1. Постоянная диагностика состояния установки 1 по показаниям датчиков и определение состояния готовности к запуску;

2. Пуск и останов топливного источника энергии 3;

3. Реализация защитных алгоритмов для безопасного останова теплового источника энергии 3 при возникновении аварийных режимов или ситуаций;

4. Формирование информационного потока с целью его передачи во внешний канал связи для удаленного мониторинга работы установки 1.

5. Формирование ЧМИ (человеко-машинного-интерфейса) и работа с физическими органами управления установки 1 на участке ее эксплуатации.

Вспомогательный рабочий отсек 6 и его оборудование необходимо для понижения входного давления, применяемого для работы газовой горелки в топливном источнике энергии 3. Все оборудование в рабочем отсеке 6 выполнено во взрывозащищенном исполнении. На входе в отсеке 6 газ проходит через газовый фильтр 25. Перед редуцированием в первой ступени высокого давления 26 установлен взрывозащищенный электрический подогреватель газа 24. Газ предварительно подогревается для предотвращения обмерзания редуктора. После чего газ проходит через вторую ступень низкого давления 27. Обе указанные ступени сопровождаются предохранительными клапанами.

Потенциальное применение автономной установки электроснабжения комбинированного строения 1 может быть на нефтегазовой станции мониторинга, расположенной в опасных условиях на дальнем участке газопровода. Предлагаемая установка 1 определяет решающую роль в контроле расхода газа, давления и других параметров для эффективной работы трубопровода и может использовать спутниковую связь для передачи данных в реальном времени в удаленный диспетчерский пункт.

Корпус предлагаемой установки 1 обеспечивает безопасную эксплуатацию при наличии потенциально взрывоопасных газов и паров и выполнен в исполнении Exe. Основная цель такого корпуса – это защита окружающей среды за счет возможности сдерживания искр и взрывов внутри самой установки 1.

Компактное исполнение установки 1 позволит легко установить ее в ограниченное пространство.

Имеющийся отсек 6 обеспечит бесшовную интеграцию с существующей внешней инфраструктурой оборудования, сводя к минимуму потребность в использовании дополнительного оборудования с целью понижения давления газа.

Оборудование спутниковой связи может быть установлено в третьей эксплуатационной части 5 и питаться от накопительного средства электроэнергии 20.

Применение топливного источника энергии 3 в сочетании с солнечной фотоэлектрической панелью 9 обеспечивает исключительную надежность и экономичность, что имеет высокую ценность для отдаленных объектов нефтегазовой отрасли.

Предлагаемая установка существенно отличается от имеющихся аналогов и обеспечивает безопасность в том числе за счет корпуса, способного выдерживать по существу любой взрыв внутри. Корпусное исполнение установки 1 прочное и герметичное.

Взрывозащищенное исполнение установки 1 предотвращает возможную передачу пламени, горячих газов, искр во внешнюю среду. Имеются в конструкции взрывозащищенные соединения и уплотнения, способные противостоять внутренним взрывам и сохранять целостность корпуса.

Герметичные кабельные вводы предлагаемой установки 1 предотвращают проникновение горючих газов и пыли.

Предлагаемая установка имеет защиту от перегрева и это достигается за счет теплоизоляции и использования системы охлаждения, гарантирующих работу оборудования в пределах безопасных температур.

Предлагаемое изобретение найдет широкое применение в промышленности и может быть использовано в качестве комплексного решения энергетических потребностей удаленных объектов нефтегазовой отрасли, находящихся преимущественно во взрывоопасных окружающих условиях.

Изобретение относится к энергетической отрасли, а конкретно к автономным источникам питания. Технический результат заключается в повышении надежности и безопасности электроснабжения. Автономная установка электроснабжения содержит защитный корпус взрывозащищенного исполнения, конструкционно разделенный на два взаимосвязанных между собой рабочих отсека. Первый отсек имеет три эксплуатационные части, одна из которых предназначена для размещения топливного источника энергии, теплообменного оборудования, измерительного электрооборудования, а также приточной и вытяжной вентиляционных подсистем. Вторая и третья эксплуатационные части взаимосвязаны с упомянутой первой, физически отделены друг от друга и содержат в составе логический модуль управления, накопительное средство электроэнергии и промежуточное устройство преобразования для подключения располагаемой с внешней стороны защитного корпуса солнечной фотоэлектрической панели, электрически соединенной посредством внешней линии с топливным источником энергии, охлаждение которого производится посредством теплообменного оборудования. Второй отсек представляет из себя взрывозащищенный газорегуляторный пункт, оборудование которого задействовано в передачи топлива в первый отсек 1 ил.

Автономная установка электроснабжения комбинированного строения, содержащая защитный корпус взрывозащищенного исполнения, конструкционно разделенный на два взаимосвязанных между собой рабочих отсека, первый из которых основной и по существу подразделяется на обособленные, по меньшей мере, три эксплуатационные части, одна из которых предназначена для размещения топливного источника энергии в виде тепловой машины, теплообменного оборудования, измерительного электрооборудования, а также приточной и вытяжной вентиляционных подсистем, а вторая и третья из указанных эксплуатационных частей взаимосвязаны с упомянутой первой, физически отделены друг от друга и содержат в составе электрооборудование, включающее логический модуль управления, накопительное средство электроэнергии и промежуточное устройство преобразования для подключения располагаемой с внешней стороны защитного корпуса солнечной фотоэлектрической панели, электрически соединенной посредством внешней линии с упомянутым топливным источником энергии, охлаждение которого производится посредством имеющегося теплообменного оборудования, один из тепловых компонентов которого размещается с внешней стороны защитного корпуса и выполнен в виде теплообменного устройства конвекционного типа с воздушным охлаждением, причем второй из обозначенных рабочих отсеков выполнен вспомогательным и представляет из себя взрывозащищенный газорегуляторный пункт, оборудование которого задействовано в передаче топлива в первый отсек, способствуя при этом возможности бесшовной интеграции с внешней инфраструктурой обслуживаемого энергетического объекта, уменьшая тем самым потребность в использовании дополнительного оборудования для контроля и изменения параметров входного давления газа.