Газораспределительная станция с автономным бестопливным энергообеспечением и способ её работы Российский патент 2024 года по МПК F01D15/08 F01D15/10 

Заявленные технические решения относятся к газовой промышленности, а именно к газ редуцирующему оборудованию с использованием детандер-генераторной технологии понижения давления газа. Предназначены для снижения высокого давления газа магистральных газопроводов до более низких значений с попутной выработкой электроэнергии за счет использования энергии перепада давления газа на входе и выходе газораспределительной станции (ГРС). Могут быть использованы как для создания новых ГРС, так и в качестве вспомогательного блочного энергокомплекса (ЭК) автономного бестопливного энергообеспечения стандартной ГРС.

Заявленная ГРС с автономным бестопливным энергообеспечением предназначена для обеспечения электроэнергией инфраструктуры самой ГРС за счет использования энергии перепада давления газа на входе и выходе ГРС, а также низкопотенциальной тепловой энергии. Может быть использована в местах, где нет или представляет большие трудности устройство внешнего электроснабжения и отсутствует технологический источник тепловой энергии, а сбор низкопотенциальной теплоты из окружающей среды для обеспечения подогрева газа при функционировании детандер генераторного агрегата (ДГА) требует больших капитальных затрат.

Известна газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством по патенту на полезную модель РФ: RU 47441 U1 от 27.08.2005, МПК F01D 15/08 - [1], содержащая входной трубопровод высокого давления, выходной трубопровод низкого давления газа, подогреватель газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, шунтирующий детандер трубопровод с газ редуцирующим клапаном, силовой трансформатор, соединенный вторичной обмоткой с электросетью. Также станция содержит фильтр газа, счетчик газа, подогреватель газа, снабженный регулятором напряжения, преобразователь частоты, при этом фильтр газа и счетчик газа соединены последовательно и включены в трубопровод высокого давления газа, а валы детандера и электрогенератора жестко соединены между собой, причем выход электрогенератора соединен с входом преобразователя частоты и через регулятор напряжения с подогревателем газа, а выход преобразователя частоты с входом силового трансформатора. При этом регулятор напряжения может быть выполнен в виде управляемого выпрямителя, а в качестве подогревателя газа использован электроподогреватель.

Известна газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством по патенту на полезную модель РФ: RU 81767 U1 от 27.03.2009, МПК F01D 15/08 - [2], содержащая трубопровод высокого давления газа и выходной трубопровод низкого давления газа, блок редуцирования, подогреватель газа с регулятором напряжения, преобразователь частоты, силовой трансформатор, фильтр газа и счетчик газа, соединенные последовательно и включенные в трубопровод высокого давления газа. Блок редуцирования выполнен в виде высокоскоростных детандера и электрогенератора, расположенных на едином валу. Вход и выход детандера подключены к трубопроводу высокого и трубопроводу низкого давления газа. Выход электрогенератора соединен с входом преобразователя частоты и через регулятор напряжения с подогревателем газа. Выход преобразователя частоты соединен с первичной обмоткой силового трансформатора. Датчик температуры газа, датчик давления газа, датчик скорости потока газа и датчик влажности газа установлены на входе в детандер. На выходе детандера установлены датчик температуры газа и датчик давления газа. Выходы датчиков соединены с входами микропроцессорного устройства, выход которого подключен к управляющему входу регулятора напряжения.

Недостатком аналогов [1] и [2] является то, что электроэнергии, получаемой в ДГА при редуцировании природного газа высокого давления и используемой для подогрева электропогревателем природного газа перед детандером и для собственных нужд ГРС, может быть недостаточно. В результате чего, температура редуцируемого природного газа после детандера может опуститься ниже точки конденсации паров воды в газе и произойдет льдообразование паров воды, что может привести к поломке самой ГРС. Особенно это актуально в местах расположения ГРС, где нет внешнего электроснабжения и отсутствует технологический источник тепловой энергии.

Данное обстоятельство приводит к дополнительным недостаткам аналогов [1] и [2], примененных не только для подогрева технологического газа, но и для переменных режимов тепло- и электроснабжения помещений ГРС. Отсутствие в этом случае стабилизации температуры газа на входе в ДГА влечет за собой неэффективный расход электроэнергии на подогрев газа в электроподогревателе.

Как известно, [А.С. Стребков, С.В. Жавроцкий, Оценка эффективности производства электрической энергии при использовании силового потенциала топливного газа, Вестник Брянского государственного технического университета. 2013. № 4(40)] - [3], на номинальных режимах работы детандера удельный расход теплоты на производство электрической энергии изменяется в диапазоне от 980 до 1120 ккал/(кВт⋅ч), что подтверждается данными, [Джураева Е.В. Эксергетический анализ процессов, происходящих в детандер-генераторном агрегате / Е.В. Джураева, А.А. Александров // Теплоэнергетика. - 2005. - №2. - С. 73-77] - [4], то есть при работе детандера для восстановления температуры до первоначальной (до подогрева) необходимо затратить тепла от 114 до 130% от эквивалентного количества тепла, которое может выделить электроэнергия, выработанная детандером. Таким образом указанная выше полезная модель не способна обеспечить автономное электроснабжение ГРС с одновременным электроподогревом редуцируемого газа до требуемых значений температуры на выходе из ГРС.

Прототипом заявленного технического решения является детандер - генераторный агрегат по патенту на полезную модель РФ: RU 12434 U1 от 10.01.2000, МПК F01D 15/08 - [5], содержащий последовательно соединенные трубопровод высокого давления, теплообменник, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором. При этом он снабжен первым и вторым компрессорами, электрически соединенными с электрогенератором, обводным трубопроводом, испарителем, дросселирующим устройством, тремя задвижками, при этом вход первого компрессора соединен с выходом испарителя, вход которого через дросселирующее устройство соединен с выходом теплообменника, обводной трубопровод с расположенной на нем первой задвижкой соединяет выход первого компрессора со входом теплообменника, выход первого компрессора через вторую задвижку сообщен со входом второго компрессора, выход второго компрессора через третью задвижку соединен со входом теплообменника, выходной трубопровод второго компрессора и обводной трубопровод после задвижек объединены в один трубопровод, подсоединенный ко входу теплообменника.

Основным недостатком прототипа [5] является его сравнительно низкая эффективность в виду того, что организация сбора низкопотенциальной теплоты из окружающей среды для обеспечения подогрева газа при функционировании детандер-генераторного агрегата (ДГА) только им самим (для ДГА) требует больших капитальных затрат и в нем нет электрического подогревателя природного газа перед ДГА, имеющего меньшие капитальные затраты, но способного обеспечить долевой подогрев газа в газораспределительной станции при одновременных затратах электроэнергии на собственные нужды.

Кроме того, можно выделить следующие дополнительные недостатки устройства - прототипа [5]:

- пониженная способность электрогенерирующей установки обеспечивать высокую долю электроэнергии для собственных нужд в виду высоких затрат электроэнергии на привод двух последовательно соединенных тепловых насосов, обеспечивающих высокий требуемый температурный потенциал для подогрева газа;

- существенные капитальные затраты на создание подобного устройства возникающие по причине увеличенных размеров источника тепловой энергии для достижения повышенной мощности двух последовательно соединенных тепловых насосов.

Недостатки аналогов и прототипа ставят задачу повышения эффективности устройства и способа его работы для обеспечения полной круглогодичной автономности заявляемой ГРС.

При этом можно заметить, что прототип [5] фактически является «газораспределительной станцией с электрогенерирующим устройством», как и аналоги [1] и [2], в которых выработанную электроэнергию в электрогенерирующим устройством направляют на подогрев газа высокого давления перед его детандированием. Таким образом, как прототип [5], так и аналоги [1] и [2], практически решают задачу бестопливного энергообеспечения (без дополнительного стороннего энергообеспечения на собственные нужды) самой газораспределительной станции. Поэтому целесообразно заявленное техническое решение назвать следующим образом «Газораспределительная станция с автономным бестопливным энергообеспечением».

Способ работы известного устройства - прототипа [5] заключается в том, что подаваемый в «детандер - генераторный агрегат» природный газ высокого давления первоначально подогревают в теплообменнике - конденсаторе теплового насоса, приводимого в действие электродвигателем, питаемым электроэнергией от детандер - генераторного агрегата, при этом недостающую теплоту для нагрева природного газа высокого давления тепловым насосом отбирают из окружающей среды теплообменником - испарителем. Сам тепловой насос работает в двух режимах, в зависимости от расхода газа на ГРС. В режиме низкой производительности теплового насоса, когда всю электроэнергию из детандер - генераторного агрегата направляют в электродвигатель теплового насоса, и в режиме высокой производительности, когда одну часть электроэнергии из детандер - генераторного агрегата направляют в электродвигатель теплового насоса, а другую часть направляют внешнему потребителю.

Сущность заявленного технического решения (устройства) состоит в том, что газораспределительная станция с автономным бестопливным энергообеспечением, содержит последовательно соединенные трубопровод высокого давления, два теплообменника подогрева природного газа высокого давления, регулятор расхода газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, а также трубопровод низкого давления, при этом:

- первый теплообменник подогрева природного газа высокого давления выполнен в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса, состоящего из соединенных последовательно трубопроводами к выходу теплообменника-конденсатора, компрессора, теплообменника-конденсатора, дроссельного регулятора, выход которого подсоединен со входом теплообменника конденсатора, при этом компрессор кинематически соединен с электродвигателем;

- регулятор расхода газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, образуют детандер-генераторный агрегат, электрический выход которого через трансформатор и автоматический выключатель подсоединены к электрической сети газораспределительной станции;

- электрическая сеть через автоматический выключатель соединена со вторым теплообменником подогрева природного газа высокого давления, который выполнен в виде электрического подогревателя;

- электрическая сеть через автоматический выключатель соединена с электродвигателем теплового насоса;

- трубопровод низкого давления байпасными трубопроводами через регуляторы расхода газа соответственно соединены с трубопроводом высокого давления и с трубопроводом, соединяющим теплообменники подогрева природного газа высокого давления;

- теплообменник-испаритель теплового насоса - его второй (внешний) выход через циркуляционный насос, кинематически связанный с электродвигателем, трубопроводами соединен через промежуточный теплообменник с теплообменником возобновляемого источника энергии (ВИЭ) окружающей среды, выход промежуточного теплообменника соединен со входом трехходового вентиля, первый выход трехходового вентиля соединен со входом грунтового теплообменника, выход которого, а также второй выход трехходового вентиля трубопроводами соединены со вторым (внешним) входом теплообменника-испарителя теплового насоса;

- электрическая сеть через автоматический выключатель соединена с электродвигателем циркуляционного насоса.

Кроме того, электрическая сеть устройства через автоматический выключатель может быть соединена с внешней по отношению к газораспределительной станции электрической сетью, резервным источником или аккумулятором электрической энергии.

Сама газораспределительная станция с автономным бестопливным энергообеспечением, может быть смонтирована в мобильном транспортном контейнере (железнодорожном, автомобильном и т.д.), в стенках которого установлены разъемы (штуцера, колодки и т.д.) для внешнего подключения теплообменника возобновляемого источника энергии, грунтового теплообменника и внешней электрической сети.

Сущность заявленного «способа работы газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением» состоит в том, что (с учетом известности аналогов [1] и [2]) подаваемый в газораспределительную станцию газ частично проходит систему устройств, содержащую последовательно соединенные трубопровод высокого давления, два теплообменника подогрева природного газа высокого давления, регулятор расхода газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, трубопровод низкого давления, а вторая часть природного газа высокого давления, не требующаяся для выработки необходимой электроэнергии, проходит по обводной магистрали высокого давления, регулятор расхода газа, перемешиваясь затем с подогретым газом идущим по перемычке с регулятором расхода газа после конденсатора и поступает в общий газопровод низкого давления. При этом газ первоначально подогревается в первом теплообменнике подогрева, выполненном в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса, а теплоту для нагрева природного газа высокого давления тепловым насосом отбирают из окружающей среды теплообменником-испарителем, а теплоту к теплообменнику-испарителю теплового насоса подводят через промежуточный теплообменник от устроенного в окружающей среде теплообменника (например, воздушного теплообменника) возобновляемого источника энергии и от грунтового теплообменника. Далее после подогрева в теплообменнике-конденсаторе теплового насоса природный газ высокого давления, выделенный для прохождения через детандер, подогревают во втором - электрическом теплообменнике.

Заявленное устройство - газораспределительная станция с автономным бестопливным энергообеспечением, выполненная в мобильном модульном исполнении, например в мобильном железнодорожном, автомобильном и т.д. контейнере (мобильном транспортном контейнере), может быть как самостоятельным объектом - газораспределительная станция с автономным бестопливным энергообеспечением, так и в качестве дополнительного объекта возле стационарной ГРС для обеспечения ее необходимой электроэнергией с одновременным увеличением производительности ГРС (состоящей из стационарной ГРС и заявленной ГРС), а также со снижением нагрузки на стационарную ГРС.

При установке заявленной ГРС возле стационарной ГРС и соединения их электрическими сетями обеспечивается круглогодичный автономный режим работы как для заявленной ГРС, так и для стационарной ГРС. В таком тандеме кроме повышения производительности стандартной ГРС обеспечивается устойчивая круглогодичная работа с автономным бестопливным энергообеспечением и при небольших расходах газа.

Техническим результатом является повышение энергетической эффективности работы ГРС и обеспечение полной круглогодичной энергетической бестопливной автономности работы ГРС.

Повышение эффективности работы ГРС достигается снижением затрат на создание ее автономной бестопливной системы энергообеспечения с применением дополнительного электроподогревателя, реализацию перепуска части подогретого в теплообменнике-конденсаторе газа в газопровод низкого давления, а также комбинированным использованием грунтовых теплообменников и ВИЭ.

Технический результат достигается бестопливным обеспечением требуемого энергопотребления инфраструктуры ГРС при оптимальном режиме нагрева газа для различных внешних условий эксплуатации, а также оптимальными капитальными затратами на разработку и создание заявленной установки. Результаты расчетов по оптимизации капитальных затрат приведены в Таблице 1 и 2.

Таблица 1. Результаты компьютерных расчетов программной реализации имитационной модели с оценкой мощностных и стоимостных характеристик оборудования ГРС с автономным бестопливным энергообеспечением

Исходные данные Расчетные значения Соотношение
мощностей
(ПКТО и
конденсатора ТНУ) Мощность
внешней
нагрузки Мощность
ДГА Мощность
конденсатора
ТНУ Мощность
ПКТО Стоимость
ДГА Стоимость
ТНУ и ГТО Стоимость
ПКТО Стоимость
суммарная Стоимость
суммарная Q _пкто/Q_{к_тну} N _сн N _дга N _{к_тну} N _пкто С _дга С _тну С _пкто С _Σ С _Σ - кВт кВт кВт кВт $ $ $ $ млн. $ 0 20.03 68 30.01 0 51000 285813 0 336813 0.337 0.1 20.05 65.04 23.02 6.5 48780 245990 1300 296070 0.296 0.2 20.04 65.04 18.26 12.99 48780 218748 2598 270126 0.27 0.3 20.02 66.15 14.11 19.78 49612.5 194820 3956 248389 0.248 0.4 20.01 69.48 10.76 27.68 52110 175610 5536 233256 0.233 0.5 20.01 76.53 8.282 38.08 57397.5 161415 7616 226429 0.226 0.6 20.03 87.83 6 52.46 65872.5 148410 10492 224775 0.225 0.7 20.03 107.8 4.05 75.14 80850 137105 15028 232983 0.233 0.8 20.01 149.9 2.47 119.4 112425 127713 23880 264018 0.264 0.9 20.01 280.5 1.325 251.6 210375 120403 50320 381098 0.381 0 40.1 135.8 59.93 0 101850 570775 0 672625 0.673 0.1 40.04 129.9 45.98 12.98 97425 491300 2596 591321 0.591 0.2 40.03 129.9 36.47 25.93 97425 436900 5186 539511 0.54 0.3 40.03 132.3 28.22 39.56 99225 389640 7912 496777 0.497 0.4 40.03 139 21.51 55.35 104250 351220 11070 466540 0.467 0.5 40.03 153.1 16.56 76.17 114825 322830 15234 452889 0.453 0.6 40.02 175.5 11.99 104.8 131625 296523 20960 449108 0.449 0.7 40.03 215.5 8.09 150.1 161625 273998 30020 465643 0.466 0.8 40.02 299.8 4.94 238.8 224850 255425 47760 528035 0.528 0.9 40.01 560.9 2.65 503.1 420675 240720 100620 762015 0.762 0 70.02 237.7 104.9 0 178275 999175 0 1177450 1.177 0.1 70.03 227.2 80.41 22.71 170400 859350 4542 1034292 1.034 0.2 70 227.2 63.78 45.36 170400 764150 9072 943622 0.944 0.3 70.03 231.4 49.36 69.2 173550 681700 13840 869090 0.869 0.4 70.02 243.1 37.63 96.83 182325 614550 19366 816241 0.816 0.5 70.02 267.7 28.98 133.2 200775 564825 26640 792240 0.792 0.6 70.03 307 20.98 183.4 230250 518925 36680 785855 0.786 0.7 70.01 376.9 14.15 262.6 282675 479400 52520 814595 0.815 0.8 70.02 524.6 8.65 417.8 393450 447100 83560 924110 0.924 0.9 70 981.3 4.63 880.2 735975 421175 176040 1333190 1.333 Примечание: ПКТО - пиковый электрический теплообменный аппарат;
ТНУ - теплонасосная установка;
ДГА - детандер-генераторный агрегат;
ГТО - грунтовый теплообменный аппарат.

Таблица 2. Результаты компьютерных расчетов программной реализации имитационной модели с оценкой удельных капитальных затрат на создание газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением

Установка
(в составе заявленной ГРС) Удельные капитальные затраты,
долл./кВт ДГА 750 ТНУ с ГТО (комплект) 4250 ПКТО 200 Примечание: ГРС - газораспределительная станция с автономная бестопливным энергообеспечением; ДГА - детандер-генераторный агрегат; ПКТО - пиковый электрический теплообменный аппарат.

Сущность заявленных технических решений поясняется схемами самой газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением, её соединением электрическим кабелем со стандартной ГРС, а также дополнительными графическими материалами.

На фиг. 1 представлена схема заявленной газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением.

На фиг. 2 - блок-схема присоединения заявленной газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением к стандартной ГРС.

На фиг. 3 - принципиальная схема выполнения заявленной газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением в модульном исполнении, расположенной в стандартном транспортном контейнере возле стандартной ГРС.

На фиг. 4 - вид компьютерной программной реализации имитационной модели газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением.

На фиг. 5 - двухмерный график результатов расчетов капитальных затрат на создание газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением (по фиг. 1), где обозначены: Стд - стоимость турбодетандерного агрегата, долл./кВт; Стну - стоимость теплонасосной установки, долл./кВт; Спкто - стоимость пикового электрического теплообменного аппарата, долл./кВт.

На фиг. 6 - трехмерный график результатов расчетов капитальных затрат на создание газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением (по фиг. 1), где обозначены: Nсн - электрическая мощность внешней нагрузки, кВт; Qpkto/Qг - отношение тепловых мощностей пикового электрического теплообменного аппарата и конденсатора теплонасосной установки, кВт.

На схеме газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением на фигурах 1, 2 и 3 графических материалов позициями обозначены:

1 - трубопровод высокого давления (природного газа) - входная магистраль; 2 - теплообменник, выполненный в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса; 3 - теплообменник, выполненный в виде электрического подогревателя (пиковый подогреватель природного газа высокого давления); 4 - регулятор расхода газа (природного газа); 5 - детандер; 6 - электрогенератор; 7 - трубопровод низкого давления (природного газа) - выходная магистраль; 8 - тепловой насос (заявленного технического решения); 9 - компрессор теплового насоса (8); 10 - теплообменник-конденсатор теплового насоса (8); 11 - дроссельный регулятор теплового насоса (8); 12 - электродвигатель компрессора теплового насоса (8) или тепловая насосная установка (ТНУ); 13 - детандер-генераторный агрегат (ДГА); 14 - трансформатор согласования напряжения электрогенератора (6) и электрической сети газораспределительной станции; 15 - автоматический выключатель электрогенератора (6); 16 - электрическая сеть газораспределительной станции; 17 - автоматический выключатель теплообменника (3) - электрического подогревателя; 18 - автоматический выключатель электродвигателя (12) теплового насоса (8); 19 и 20 - запорные байпасные вентили; 21 - циркуляционный насос теплоносителя для подвода теплоты к теплообменнику-конденсатору теплового насоса (8); 22 - электродвигатель привода циркуляционного насоса (21); 23 - промежуточный теплообменник подвода теплоты; 24 - теплообменник возобновляемого источника энергии (ВИЭ) окружающей среды; 25 - трехходовой вентиль для подключения грунтового теплообменника; 26 - грунтовый теплообменник; 27 - автоматический выключатель электродвигателя привода циркуляционного насоса (21); 28 - автоматический выключатель внешней к автономной газораспределительной станции электрической сети; 29 - внешняя к автономной газораспределительной станции электрическая сеть; 30 - заявленная ГРС с автономным бестопливным энергообеспечением, выполненная в модульном исполнения, например, в виде блочного энерго-комплекса (ЭК) автономного бестопливного энерго-обеспечения стандартной ГРС (31); 31 - стандартная (стационарная) ГРС, например, в капитальном сооружении; 32 - впускной вентиль из трубопровода (1) в заявленную ГРС с автономным бестопливным энергообеспечением; 33 - впускной вентиль из трубопровода (1) в стандартную ГРС.

Устройство газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением, содержащим последовательно соединенные трубопровод высокого давления (1), два теплообменника (2 и 3) подогрева природного газа высокого давления, регулятор расхода газа (4), детандер (5), кинематически соединенный с электрогенератором (6), а также трубопровод низкого давления (7). Первый теплообменник (2) подогрева природного газа высокого давления выполнен в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса (8), компрессора (9), теплообменника-испарителя (10), дроссельный регулятор (11), выход которого подсоединен со входом теплообменника-конденсатора (2) теплового насоса (8), при этом компрессор (9) кинематически соединен с электродвигателем (12). Регулятор газа (4), детандер (5), кинематически соединенный с электрогенератором (6), образуют детандер-генераторный агрегат (13), электрический выход которого, через трансформатор (14) и автоматический выключатель (15), подсоединены к электрической сети (16) газораспределительной станции. Второй теплообменник (3) подогрева природного газа высокого давления, выполненный в виде электрического подогревателя и является пиковым подогревателем природного газа высокого давления, соединен с электрической сетью (16) через автоматический выключатель (17). Электродвигатель (12) теплового насоса (8) соединен с электрической сетью (16) через автоматический выключатель (18). Трубопровод низкого давления (7) байпасными трубопроводами через запорные вентили (19 и 20) соответственно соединены с трубопроводом высокого давления (1) и с трубопроводом, соединяющим теплообменники (2 и 3) подогрева природного газа высокого давления. Второй (внешний) выход теплообменника-испарителя (10) теплового насоса (8) через циркуляционный насос (21) - кинематически связанный с электродвигателем (22), трубопроводами соединен через промежуточный теплообменник (23) с теплообменником ВИЭ (24) окружающей среды. Промежуточный теплообменник (23) необходим для постоянного отбора теплоты от теплообменника (24) ВИЭ окружающей среды, а также для нагрева в теплое время года грунтового теплообменника (26) - накопления в нем теплоты. На фигуре 1 для упрощения представлена естественная циркуляция теплоносителя между промежуточным теплообменником (23) и теплообменником (24) ВИЭ окружающей среды, однако для интенсификации теплопередачи может быть предусмотрена и принудительная циркуляция теплоносителя при помощи насоса. Выход промежуточного теплообменника (23) соединен со входом трехходового вентиля (25), при этом первый выход трехходового вентиля (25) соединен со входом грунтового теплообменника (26), выход которого, а также второй выход трехходового вентиля (25), трубопроводами соединены со вторым (внешним) входом теплообменника-испарителя (10) теплового насоса (8). Электродвигатель (22) циркуляционного насоса (21) соединен с электрической сетью (16) через автоматический выключатель (27). Электрическая сеть (16) через автоматический выключатель (28) может быть соединена с внешней, по отношению к газораспределительной станции, электрической сетью (29).

На фигурах 2 и 3 представлены соответственно блок-схема и принципиальная схема присоединения заявленной ГРС (30), выполненной в стандартном транспортном контейнере к стандартной ГРС (31), и соединенных между собой электрическим кабелем (линией) (29). При этом трубопровод высокого давления (1) соответственно через вентили (32 и 33) подсоединены к заявленной ГРС (30) и к стандартной ГРС (31). Сами вентили (32 и 33) могут быть выполнены как с механическим (ручным) приводом, так и дистанционно управляемые (например, с электрическим приводом) при помощи автоматической системы управления ГРС.

Способ работы газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением состоит в том, что подаваемый в газораспределительную станцию, природный газ высокого давления первоначально подогревают в первом теплообменнике (2) подогрева, выполненном в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса (8), а теплоту для нагрева природного газа высокого давления тепловым насосом (8) отбирают из окружающей среды теплообменником-испарителем (10). При этом после первого теплообменника (2) подогрева природный газ высокого давления подогревают во втором (пиковом) электрическом теплообменнике (3) подогрева природного газа высокого давления, а теплоту к теплообменнику-испарителю (10) теплового насоса (8) подводят через промежуточный теплообменник (23) от устроенного в окружающей среде теплообменника (24) возобновляемого источника энергии и от грунтового теплообменника (26).

Работает заявленная газораспределительная станция (ГРС) следующим образом. Технологический природный газ по трубопроводу (магистрали) высокого давления (1) поступает на ГРС. Для снижения давления основного потока природного газа по магистрали (1) после подогревающих теплообменников (2 и 3) используется дросселирующее устройство регулятор расхода газа (4), после которого газ поступает в детандер (5) и далее в трубопровод низкого давления (7). Для выработки электроэнергии используется детандер (5), кинематически соединенный с электрогенератором (6), ток от которого через трансформатор (14) и автоматический выключатель (15) подводится к электрическому (пиковому) подогревателю (3) природного газа перед детандером (5). Снижение давления в детандере (5) осуществляется за счет расширения потока транспортируемого газа, при этом генератором (6) вырабатывается электроэнергия. Одна часть электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором (6), подается на электропривод (12) компрессора (9) теплового насоса (8) в виде парокомпрессионной теплонасосной установки (ТНУ), другая часть подается на электрический (пиковый) теплообменник (3) подогрева газа перед детандером (5) и на собственные нужды ГРС. Для основного подогрева газа перед детандером в теплообменнике (2) до температуры 40-80°С может использоваться ТНУ (8), в состав которой входят испаритель (10), компрессор (9), дросселирующее устройство (11) и конденсатор (2), являющийся одновременно теплообменником подогрева газа. В испарителе (10) фазовое превращение хладагента происходит за счет теплоты низкого температурного потенциала, поступающего от грунтового аккумулятора (26) и ВИЭ (24) через промежуточный теплообменник (23). Догрев газа до требуемых значений осуществляется с помощью пикового электрического теплообменника (3).

Для снижения потребления теплоты высокого потенциала от пикового электрического теплообменника (3) подогрева газа перед детандером (4) подогрев газа осуществляется перепуском части газа после подогревателя - теплообменника (2) в магистраль (7) с помощью запорного байпасного вентиля (20).

Повышение эффективности работы теплового насоса (8) - ТНУ осуществляется стратифицированной «накачкой» грунтового аккумулятора-теплообменника (26) в периоды поступления энергии от ВИЭ - (24) через промежуточный теплообменник (23), а также естественного восстановления температурного потенциала в периоды долевой нагрузки. Таким образом, осуществляется естественная балансировка процесса генерации энергии и ее потребления с сохранением более высокого температурного потенциала грунтового аккумулятора (26).

Поиск оптимального варианта состава энергетического оборудования газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением осуществлялся по критерию минимального значения капитальных затрат расчетным путем с использованием имитационной модели, разработанной в пакете прикладных программ MatLab (приведенная на фиг. 4 графических материалов), в следующем порядке:

- для заданных значений мощности нагрузки, соотношения тепловых мощностей конденсатора теплового насоса и пикового электрического теплообменника, а также параметров технологического газа, рассчитывается вырабатываемая детандером мощность и количество тепловой энергии на подогрев газа для предотвращения критического снижения его температуры за детандером;

- для рассчитанного количества теплоты, передаваемой газу конденсатором теплового насоса, определяются параметры хладагента, расходные и мощностные характеристики теплового насоса;

- по количеству теплоты, передаваемой хладагенту в испарителе теплового насоса, определяются параметры теплоносителя, расходные и мощностные характеристики грунтового аккумулятора-теплообменника, обеспечивающего работу теплового насоса и потребителей энергии газораспределительной станции в целом;

- устанавливая в качестве исходных условий расчета различные соотношения мощностей базового и пикового подогревателей газа (конденсатора теплового насоса и электрического подогревателя, соответственно), определяются требуемые для обеспечения генерируемой детандером мощности, характеристики теплового насоса и грунтового аккумулятора-теплообменника.

В качестве примера ниже приведены результаты расчетов генерируемой детандером мощности, а также характеристик теплового насоса и грунтового аккумулятора-теплообменника в зависимости от соотношения мощностей базового и пикового подогревателей при заданных параметрах технологического газа:

- перед детандером: давление газа 4,5 МПа, температура газа 0°С;

- за детандером: давление газа 1,2 МПа, минимально допустимое значение температуры газа минус 5°С;

- удельные затраты на создание детандера с электрогенератором - 750 долл./кВт.;

- удельные затраты на создание комплекса тепловой насос и грунтовый аккумулятор-теплообменник - 4250 долл./кВт.;

- электрический подогреватель - 200 долл./кВт.

Результаты расчетов приведены в таблицах 1 и 2 и на фигурах 5 и 6.

Анализ результатов расчетных режимов функционирования газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением позволил определить оптимальное отношение мощностей базового и пикового подогревателей газа, как 0,4 и 0,6 соответственно, по значению критерия оптимизации - минимуму капитальных затрат, что наглядно демонстрирует достижение технического эффекта заявленной полезной модели.

Таким образом, внедрение заявленных технических решений решает следующие задачи:

- повышения эффективности устройства за счет комплексного использования теплоты, получаемой в тепловом насосе и от электрического подогревателя для подогрева природного газа высокого давления перед редуцированием его в детандере, до температуры, обеспечивающей редуцирование природного газа с температурой его на выходе, соответствующей требованиям;

- обеспечение полной круглогодичной автономности (без подвода дополнительной энергии) в заявляемую ГРС;

- возможность использования заявленной ГРС в качестве вспомогательного блочного энергокомплекса для автономного (круглогодичного) бестопливного энергообеспечения стандартной ГРС.

- возможность повышения производительности стандартной ГРС, в случае размещения возле неё заявленной ГРС (в том числе и в модульном исполнении).

Литература:

1. Патент на полезную модель РФ: RU 47441 U1 от 27.08.2005, МПК F01D 15/08, «Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством».

2. Патент на полезную модель РФ: RU 81767 U1 от 27.03.2009, МПК F01D 15/08, «Газораспределительная станция с электрогенерирующим устройством».

3. А.С. Стребков, С.В. Жавроцкий, Оценка эффективности произ-водства электрической энергии при использовании силового потенциала топливного газа, Вестник Брянского государственного технического университета. 2013. № 4(40).

4. Джураева Е.В. Эксергетический анализ процессов, происходящих в детандер-генераторном агрегате / Е.В. Джураева, А.А. Александров // Теплоэнергетика. - 2005. - №2. - с. 73-77.

5. Свидетельство на полезную модель РФ: RU 12434 U1 от 10.01.2000, МПК F01D15/08, «Детандер - генераторный агрегат».

Относится к газовой промышленности, а именно к газоредуцирующему оборудованию с использованием детандер-генераторной технологии понижения давления газа и предназначена для снижения давления высокого давления газа магистральных газопроводов до более низких значений с попутной выработкой электроэнергии за счет использования энергии перепада давления газа на входе и выходе газораспределительной станции (ГРС). Может быть использована как для создания для новых ГРС, так в качестве вспомогательного блочного энергокомплекса автономного бестопливного энергообеспечения стандартной ГРС. Технический результат - повышение энергетической эффективности работы ГРС и обеспечение полной круглогодичной автономности работы ГРС. Устройство содержит последовательно соединенные трубопровод высокого давления (1), теплообменники (2 и 3) подогрева природного газа высокого давления, регулятор расхода газа (4) детандер (5), кинематически соединенный с электрогенератором (6), а также трубопровод низкого давления (7). При этом первый теплообменник (2) подогрева природного газа высокого давления выполнен в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса (8), состоящего из последовательно соединенных трубопроводами компрессора (9), теплообменника-конденсатора (2), теплообменника-испарителя (10), дроссельного регулятора (11), вход которого соединен со выходом теплообменника конденсатора (2), при этом компрессор (9) кинематически соединен с электродвигателем (12). Регулятор газа (4), детандер (5), кинематически соединенный с электрогенератором (6), образуют детандер-генераторный агрегат (13), электрический выход которого через трансформатор (14) и автоматический выключатель (15) подсоединены к электрической сети (16) газораспределительной станции. Второй теплообменник (3) подогрева природного газа высокого давления, выполненный в виде электрического подогревателя, соединен с электрической сетью (16) через автоматический выключатель (17). Электродвигатель (12) теплового насоса (8) соединен с электрической сетью (16) через автоматический выключатель (18). Трубопровод низкого давления (7) байпасными трубопроводами через запорные вентили (19 и 20) соединены соответственно с трубопроводом высокого давления (1) и с трубопроводом соединяющим теплообменники (2 и 3) подогрева природного газа высокого давления. Теплообменник-испаритель (10) теплового насоса (8) - его второй (внешний) выход через циркуляционный насос (21), кинематически связанный с электродвигателем (22), трубопроводами связан через промежуточный теплообменник (23) с теплообменником возобновляемого источника энергии (ВИЭ) окружающей среды (24), выход промежуточного теплообменника (23) соединен со входом трехходового вентиля (25), первый выход трехходового вентиля (25) соединен со входом грунтового теплообменника (26), выход которого, а также второй выход трехходового вентиля (25) трубопроводами соединены со вторым (внешним) входом теплообменника-испарителя (10). Электродвигатель (22) циркуляционного насоса (21) соединен с электрической сетью (16) через автоматический выключатель (27). Электрическая сеть (16) через автоматический выключатель (28) может быть соединена с внешней, по отношению к газораспределительной станции, электрической сетью (29). При этом сама станция (30) может быть смонтирована в мобильном транспортном контейнере (железнодорожном, автомобильном и т.д.), в стенках которого установлены разъемы (штуцера, колодки и т.д.) для внешнего подключения теплообменника возобновляемого источника энергии, грунтового теплообменника и внешней электрической сети. Способ работы газораспределительной станции с автономным бестопливным энергообеспечением состоит в том, что подаваемый в газораспределительную станцию природный газ высокого давления первоначально подогревают в первом теплообменнике (2) подогрева, выполненном в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса (8), а теплоту для нагрева природного газа высокого давления тепловым насосом (8) отбирают из окружающей среды теплообменником-испарителем (10). При этом после первого теплообменника (2) подогрева природный газ высокого давления подогревают во втором (пиковом) электрическом теплообменнике (3) подогрева природного газа высокого давления, а теплоту к теплообменнику-испарителю (10) теплового насоса (8) подводят через промежуточный теплообменник (23) от устроенного в окружающей среде теплообменника (24) возобновляемого источника энергии и от грунтового теплообменника (26). Кроме того, саму станцию (30) располагают вблизи стандартной ГРС (31), а вырабатываемую станцией излишнюю электроэнергию используют для нужд стандартной ГРС по её круглогодичной автономной работе. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Газораспределительная станция (ГРС) с автономным бестопливным энергообеспечением, содержащая последовательно соединенные трубопровод высокого давления, два теплообменника подогрева природного газа высокого давления, регулятор расхода газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, а также трубопровод низкого давления, отличающаяся тем, что первый теплообменник подогрева природного газа высокого давления выполнен в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса, состоящего из соединенных последовательно трубопроводами к выходу теплообменника-конденсатора, компрессора, теплообменника-испарителя, дроссельного регулятора, выход которого подсоединен со входом теплообменника-испарителя, при этом компрессор кинематически соединен с электродвигателем, регулятор газа и детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, образуют детандер-генераторный агрегат, электрический выход которого через трансформатор и автоматический выключатель подсоединены к электрической сети газораспределительной станции, второй теплообменник подогрева природного газа высокого давления, выполненный в виде электрического подогревателя, через автоматический выключатель соединен с электрической сетью, электродвигатель теплового насоса через автоматический выключатель соединен с электрической сетью, трубопровод низкого давления байпасными трубопроводами через запорные вентили соединен с трубопроводом высокого давления и с трубопроводом, соединяющим теплообменники подогрева природного газа, и с трубопроводом высокого давления соответственно, теплообменник-испаритель теплового насоса - его второй выход, через циркуляционный насос, кинематически связанный с электродвигателем, трубопроводами соединен через промежуточный теплообменник с теплообменником возобновляемого источника энергии, выход промежуточного теплообменника соединен со входом трехходового вентиля, первый выход трехходового вентиля соединен со входом грунтового теплообменника, выход которого, а также второй выход трехходового вентиля трубопроводами соединены со вторым входом теплообменника испарителя теплового насоса, электродвигатель циркуляционного насоса соединен с электрической сетью через автоматический выключатель.

2. Газораспределительная станция с автономным бестопливным энергообеспечением, по п.1, отличающаяся тем, что электрическая сеть устройства через автоматический выключатель соединена с внешней по отношению к газораспределительной станции электрической сетью, резервным автономным источником и аккумулятором электрической энергии.

3. Газораспределительная станция с автономным бестопливным энергообеспечением, по п.1, отличающаяся тем, что сама станция смонтирована в мобильном транспортном контейнере, в стенках которого установлены разъемы для внешнего подключения теплообменника возобновляемого источника энергии, грунтового теплообменника и внешней электрической сети.

4. Способ работы газораспределительной станции с автономным беcтопливным энергообеспечением по п.1, заключающийся в том, что подаваемый в газораспределительную станцию, содержащую последовательно соединенные трубопровод высокого давления, два теплообменника подогрева природного газа высокого давления, регулятор расхода газа, детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, трубопровод низкого давления и тепловой насос, природный газ высокого давления первоначально подогревают в первом теплообменнике подогрева, выполненном в виде теплообменника-конденсатора теплового насоса, а теплоту для нагрева природного газа высокого давления тепловым насосом отбирают из окружающей среды теплообменником-испарителем, отличающийся тем, что после первого теплообменника подогрева природный газ высокого давления подогревают во втором электрическом теплообменнике подогрева, а теплоту к теплообменнику-испарителю теплового насоса подводят через промежуточный теплообменник от устроенного в окружающей среде теплообменника возобновляемого источника энергии и от грунтового теплообменника.

5. Способ работы газораспределительной станции с автономным беcтопливным энергообеспечением по п.4, заключающийся в том, что саму станцию располагают вблизи стандартной ГРС, а вырабатываемую станцией излишнюю электроэнергию используют для нужд стандартной ГРС для её круглогодичной автономной работы.