Газораспределительная станция с выработкой электроэнергии

 

Изобретение относится к технике распределения природного газа для промышленных предприятий и населенных пунктов. В газораспределительной станции (ГРС), включенной между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом низкого давления, содержащей электромашинные турбодетандеры, выход первого или каждого из других турбодетандеров соединен с соответствующим потребительским газопроводом промежуточного давления, а электрогенераторы турбодетандеров выполнены с регуляторами напряжения и через выпрямители подключены к аккумуляторной станции, с которой соединен инвертор напряжения. Техническим результатом изобретения является редуцирование давления газа до нескольких потребительских уровней, утилизацию энергии избыточного давления газа и автономное электроснабжение собственных нужд ГРС и близлежащих потребителей электроэнергии. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике распределения природного газа с понижением его давления до необходимого уровня при снабжении газом промышленных предприятий и населенных пунктов, расположенных на ответвлениях от магистральных газопроводов. Изобретение может быть использовано также при утилизации энергии избыточного давления газа.

Применение электромашинных турбодетандеров на газораспределительных станциях (ГРС) с целью редуцирования давления газа и одновременного получения электрической энергии уже получило достаточно широкое распространение (SU 918469 А, 07.04.82; RU 2009389 C1, 15.03.94). Классическая структура для реализации подобного преобразования предусматривает подключение входа турбины к магистральному газопроводу через нагреватель газа, соединение ее выхода с потребительским газопроводом, расположение электрогенератора на валу турбины и подключение его выхода к электрической нагрузке (RU 2124375 C1, 10.08.99).

Однако для известных ГРС требуются весьма мощные турбодетандеры, рассчитанные на работу со значительной редукцией давления. Еще один недостаток известных ГРС определяется редукцией давления лишь до одного его потребительского уровня.

Наиболее близкой к предложенной является ГРС, включенная между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом низкого давления и содержащая, по меньшей мере, два каскадно установленных и снабженных входными нагревателями электромашинных турбодетандера, в состав каждого из которых входят турбина и расположенный на ее валу электрогенератор (RU 95101873 A1, 10.02.97).

На известной ГРС могут применяться менее мощные турбодетандеры. Однако ее недостаток связан с работой лишь на один потребительский газопровод.

Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей известной ГРС, а именно обеспечение возможности редуцирования давления газа до нескольких потребительских уровней и реализации автономного электроснабжения собственных нужд ГРС и близлежащих потребителей электроэнергии.

Поставленная задача решается тем, что в ГРС, включаемой между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом низкого давления и содержащей электромашины турбодетандер, в состав каждого из которых входят турбина и расположенный на ее валу электрогенератор, и, по меньшей мере, нагреватель газа, связанный со входом турбины, по меньшей мере, одного из турбодетандеров, а выход одного из турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом конечного давления, выход первого или каждого из других турбодетандеров соединен с соответствующим потребительским газопроводом промежуточного давления, а электрогенераторы турбодетандеров выполнены с регуляторами напряжения и через индивидуальные выпрямители подключены к аккумуляторной станции, с которой соединен инвертор напряжения.

Решению поставленной задачи способствуют частные существенные признаки изобретения.

На ГРС установлены, по меньшей мере, две или, по меньшей мере, две группы параллельно установленных электромашинных турбодетандера, соединенных по каскадной схеме, при этом первый турбодетандер (или первая группа турбодетандеров) может быть соединен с потребительским газопроводом промежуточного давления, например, 12 кг/см², а второй турбодетандер (или вторая группа турбодетандеров) может быть соединен с потребительским газопроводом конечного давления, например, 2 кг/см². Подобным же образом могут быть установлены по каскадной схеме (последовательно) и больше двух (или двух групп) турбодетандеров, выходы которых могут быть подключены к нескольким потребительским газопроводам различного давления.

Совмещенный ротор каждого из электромашинных турбодетандеров может быть установлен в корпусе с помощью системы магнитного подвеса.

Нагреватели газа электромашинных турбодетандеров могут быть выполнены электрическими или с подогревом от тепла сжигаемого газа.

Выпрямители могут быть выполнены с возможностью выпрямления переменного напряжения с изменяющейся частотой.

Инвертор напряжения может быть выполнен с выходным напряжением промышленной частоты и подключен к сети для обеспечения собственных нужд ГРС и питания близлежащих потребителей электроэнергии.

На чертеже представлена функциональная схема предложенной ГРС. На схеме показаны: магистральный газопровод 1 высокого давления, нагреватель газа 2, электромашинный турбодетандер 3 с турбиной 4 и электрогенератором 5, потребительский газопровод 6 промежуточного давления 12 кг/см², выпрямитель 7, нагреватель газа 8, электромашинный турбодетандер 9 с турбиной 10 и электрогенератором 11, потребительский газопровод 12 низкого давления 2 кг/см², выпрямитель 13, аккумуляторная станция 14 и инвертор напряжения 15.

ГРС включена между магистральным газопроводом 1 высокого давления и потребительским газопроводом 12 низкого давления. Электромашинные турбодетандеры 3 и 9 установлены каскадно. Электрогенератор 5 установлен на валу турбины 4, а электрогенератор 11 - на валу турбины 10. Нагреватель газа 2 размещен на входе турбины 4 и нагреватель газа 8 - на входе турбин 10. Выход турбины 4 соединен с потребительским газопроводом 6 промежуточного давления. Электрогенераторы 5 и 11 выполнены с регуляторами напряжения и через выпрямители 7 и 13 подключены к аккумуляторной станции 14. С аккумуляторной станцией 14 соединен инвертор напряжения 15.

Вместо турбодетандера 3 и/или 9 могут быть установлены группы турбодетандеров.

Совмещенный ротор каждого из электромашинных турбодетандеров 3 и 9 установлен в корпусе с помощью системы магнитного подвеса. Входные нагреватели 2 и 8 турбодетандеров 3 и 9 выполнены электрическими или с подогревом от тепла сжигаемого газа. Выпрямители 7 и 13 выполнены с возможностью выпрямления переменного напряжения с изменяющейся частотой. Инвертор напряжения 15 выполнен с выходным напряжением промышленной частоты и подключен к сети для обеспечения собственных нужд ГРС и питания близлежащих потребителей электроэнергии.

Конструктивно каждый из электромашинных турбодетандеров 3 и 9 содержит: внешний корпус в виде трубы с фланцами, к которым присоединяются отводы входного и выходного трубопроводов и неподвижная часть турбин, внутренний корпус, в котором установлены неподвижные части (статоры) электромагнитных подшипников, электрогенератора и конструктивные элементы охлаждения. На совмещенном роторе турбодетандера, удерживаемого с помощью системы активного магнитного подвеса в центральном положении, установлены вращающиеся части турбины, роторные части электрогенератора, опорных и упорного электромагнитных подшипников (на чертеже не показано). В процессе работы ГРС природный (или другой) газ из магистрального газопровода 1 поступает с повышенным давлением в нагреватель 2, где осуществляется его предварительный подогрев. Расчеты показывают, что повышение температуры входного газа на 100^oС позволяет повысить выходную электрическую мощность турбодетандера более чем на 30%. Далее подогретый газ направляется в турбину 4 турбодетандера 3 первой ступени редуцирования давления и приводит во вращение ротор, обеспечивая требуемое давление газа 12 кг/см² в потребительском газопроводе 12. Электрогенератор 5 создает регулируемое преобразование энергии ротора в электрическую энергию переменного тока, напряжение и частота которого могут изменяться в зависимости от режима работы турбодетандера 3. Система магнитного подвеса обеспечивает бесконтактный подвес ротора и, тем самым, исключает потери на трение и износ вращающихся узлов турбодетандера 3.

Аналогичным образом работает и вторая ступень редуцирования давления газа с нагревателем 8 и турбодетандером 9, направляя в потребительский газопровод 12 газ с давлением 2 кг/см².

Максимальная рабочая частота вращения ротора каждого из турбодетандеров 3 и 9 определяется, в основном, требованиями по механической прочности вращающихся элементов, т.е. турбодетандеры 3 и 9 могут быть высокооборотными (10000. . . 30000 об/мин). Увеличенная рабочая частота позволяет значительно повысить удельную мощность электрогенераторов 5 и 11 и уменьшить габариты (в том числе - размеры и массу ротора) по сравнению с промышленными генераторами, рассчитанными на частоту вращения 3000 об/мин.

Для регулирования режимов работы турбодетандеров 3 и 9, а также для преобразования и стабилизации параметров электрической энергии до значений, соответствующих требованиям потребителей, в каждом из турбодетандеров 3 и 9 предусмотрен регулятор напряжения, изменяющий при необходимости напряжение возбудителя. Для этой же цели служит система вторичного преобразования электроэнергии.

Выпрямители 7 к 13 осуществляют преобразование напряжения изменяющейся частоты в постоянное напряжение. Аккумуляторная станция 14 обеспечивает буферные режимы при изменении нагрузки потребителей электрической энергии и при изменении режимов работы турбодетандеров 3 и 9. Инвертор напряжения 15 осуществляет преобразование напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока промышленной частоты.

Расчеты показывают, что при массовом расходе потребляемого из магистрального газопровода природного газа 1 кг/с суммарная мощность электрической энергии, вырабатываемой турбодетандерами 3 и 9, может превышать 500 кВт.

Формула изобретения

1. Газораспределительная станция, включаемая между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом, содержащая электромашинные турбодетандеры, каждый из которых включает турбину и расположенный на ее валу электрогенератор, и, по меньшей мере, один нагреватель газа, связанный со входом турбины, по меньшей мере, одного из турбодетандеров, а выход одного из турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом конечного давления, отличающаяся тем, что выход первого или каждого из других турбодетандеров соединен с соответствующим потребительским газопроводом промежуточного давления, а электрогенераторы турбодетандеров выполнены с регуляторами напряжения и через выпрямители подключены к аккумуляторной станции, с которой соединен инвертор напряжения.

2. Газораспределительная станция по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, два электромашинных или две группы параллельно установленных электромашинных турбодетандеров соединены по каскадной схеме, при этом выход первого турбодетандера или первой группы турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом промежуточного давления и входом второго турбодетандера, а выход второго турбодетандера или второй группы турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом конечного давления.

3. Газораспределительная станция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что совмещенный ротор каждого из электромашинных турбодетандеров установлен в корпусе с помощью системы магнитного подвеса.

4. Газораспределительная станция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что нагреватели газа электромашинных турбодетандеров выполнены электрическими или с подогревом от тепла сжигаемого газа.

5. Газораспределительная станция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что нагреватели газа турбодетандеров совмещены с системами утилизации тепла близлежащих промышленных предприятий.

6. Газораспределительная станция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что число нагревателей газа равно числу турбодетандеров.

7. Газораспределительная станция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выпрямители выполнены с возможностью выпрямления переменного тока с изменяющейся частотой.

8. Газораспределительная станция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что инвертор напряжения выполнен с выходным напряжением промышленной частоты и подключен к сети для обеспечения собственных нужд газораспределительной станции и питания близлежащих потребителей электроэнергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1