Автономное устройство для утилизации энергии газа

 

Изобретение относится к устройствам для понижения давления в магистральных газопроводах и может использоваться для утилизации избыточной энергии газа. Устройство содержит турбину и многополюсный асинхронный генератор повышенной частоты тока с конденсаторами возбуждения, помещенные в герметическую камеру, содержащую входной и выходные патрубки для движения газа, проходные изоляторы, силовые выпрямители и нагрузку. Положительный и отрицательный выводы силового выпрямителя соединены с инвертором тока или электролизной установкой. Турбина соединена с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором генератора. Обмотки генератора через проходные изоляторы соединены с входом блока коммутации. Выход блока коммутации соединен с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами, с силовым выпрямителем, устройством стабилизации напряжения и формирователем импульсов, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты. Выход устройства синхронизации соединен с входом усилителя, а последний - через проходные изоляторы с обмоткой управления электромагнитной муфты. Использование изобретения позволит расширить функциональные возможности и стабилизировать параметры генератора в широком диапазоне изменения давления газа. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для понижения давления в магистральных газопроводах и может использоваться для утилизации избыточной энергии газа.

Известен способ и устройство для утилизации энергии газа путем снижения давления в газопроводе с помощью турбодетандерной установки (журнал ИР №1, 1984 г., стр. 8-10). При промышленной реализации этого способа возникают следующие трудности:

1. Генератор должен автоматически синхронизироваться с энергосистемой.

2. Турбина имеет большие скорости вращения, поэтому между турбиной и генератором необходимо промежуточное звено большой мощности для снижения скорости вращения.

3. Турбину и генератор необходимо герметизировать, чтобы не было утечки газа (журнал ИР №11, 1995 г., стр. 12-13).

Частично поставленная задача решена в газотурбогенераторе по а.с. СССР №422924, кл. F 25 В 11/00, 1974 г. Известный газотурбогенератор содержит расширительную и электрическую машины, соединенные между собой муфтой, расположенной в герметической оболочке, соединяющей корпуса машин. Недостатком известного устройства является то, что необходимо выполнять герметическими обе машины, т.к. утечка газа может проходить через подшипниковые щиты и т.д. С другой стороны не решен вопрос синхронизации с сетью.

Известно устройство (взятое авторами за прототип) для утилизации избыточной энергии газа, преимущественно для утилизации избыточной энергии газа в газопроводах (см. патент RU 2138743, МКП F 25 Р 1/04 от 27.09.99 г.), содержащее расширительную машину, например, турбину, и электрическую машину, валы которых соединены между собой муфтой, а в качестве электрической машины использован асинхронный генератор повышенной частоты тока с конденсаторным самовозбуждением, причем турбина и асинхронный генератор помещены в герметическую камеру, содержащую входной и выходной патрубки для движения газа и проходные изоляторы, посредством которых генератор соединен с конденсаторами возбуждения и дополнительно введенным силовым выпрямителем, положительный и отрицательный выводы которого соединены с инвертором тока или электролизной установкой.

Недостатком данного устройства является зависимость параметров генератора от скорости вращения турбины.

Техническим решением предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: расширение функциональных возможностей и стабилизация параметров генератора в широком диапазоне изменения давления газа (например, от 0,52 до 0,04 МПа).

Поставленная задача достигается тем, что автономное устройство для утилизации избыточной энергии газа, содержащее расширительную машину, например, турбину, асинхронный генератор повышенной частоты тока, помещенные в герметическую камеру, содержащую входной и выходной патрубки для движения газа, проходные изоляторы, силовые выпрямители и нагрузку, дополнительно содержит датчик скорости, устройство коммутации, электромагнитную муфту с обмоткой управления, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, причем в качестве асинхронного генератора использован многополюсный асинхронный генератор с конденсаторами возбуждения и дополнительными конденсаторами, турбина соединена с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором многополюсного асинхронного генератора, обмотки которого через проходные изоляторы соединены со входом блока коммутации, выход которого соединен с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами, с силовым выпрямителем, устройством стабилизации напряжения и формирователем импульсов, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя, а последний - через проходные изоляторы с обмоткой управления электромагнитной муфты, положительный и отрицательный выводы силового выпрямителя соединены с инвертором тока, электролизной установкой или другой установкой.

Новизна заявленного технического решения заключается в том, что автономное устройство для утилизации энергии газа дополнительно содержит электромагнитную муфту с обмоткой управления, датчик скорости, устройство коммутации, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, причем в качестве асинхронного генератора используется многополюсный асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением и дополнительными конденсаторами, турбина соединена с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором многополюсного асинхронного генератора, за счет чего расширяются функциональные возможности и происходит стабилизация параметров генератора в широком диапазоне изменения давления газа.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция устройства; на фиг.2 - схема функциональная.

Автономное устройство для утилизации энергии газа (фиг.1) содержит герметическую камеру 1, входной 2 и выходные 3 патрубки для движения газа. Турбина 4 соединена с датчиком скорости 5 и ведущим валом 6 электромагнитной муфты 7 с обмоткой управления 8, выходной вал 9 электромагнитной муфты 7 соединен с ротором 10 (фиг.2) многополюсного асинхронного генератора 11, который с помощью стоек 12 закреплен в герметической камере 1.

Проходные изоляторы 13 соединяют обмотки статора 14, 15 и датчик скорости 5 с блоком коммутации 16, а обмотку управления 8 с усилителем 17, выход блока коммутации 16 соединен с конденсатором возбуждения 18, дополнительными конденсаторами 19 с выходными зажимами 20, устройством стабилизации напряжения 22, силовым выпрямителем 21 и формирователем импульсов 23, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты 25, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя 17, выход силового выпрямителя 21 соединен с электролизной установкой 26, любой нагрузкой или инвертором тока 27, а последний с линией электропередач.

В качестве турбины 4 может быть использована серийная или специальной конструкции. В качестве многополюсного асинхронного генератора 11 можно использовать многоскоростной двигатель единой серии (например, четырехскоростной 750/1000/1500/3000 об/мин) или специальной конструкции на частоту тока 100, 200, 300, 400 Гц. В качестве электромагнитной муфты можно использовать любую бесконтактную порошковую или асинхронную с допустимой скоростью вращения и передаваемым моментом.

Блок коммутации 16 переключает обмотки генератора с различным числом пар полюсов и может быть контактным или бесконтактным. В качестве стабилизатора напряжения 22 применен широтно-импульсный регулятор или аналогичный с минимальными потерями в регулирующих элементах. Формирователь импульсов 23 формирует короткие импульсы при переходе синусоиды напряжения через ноль, т.е. эти импульсы пропорциональны частоте асинхронного генератора. Задающий генератор частоты 25 формирует прямоугольные импульсы заданной частоты, например, 400 Гц. Устройство синхронизации 24 сравнивает фазу между частотой асинхронного генератора и задающего генератора частоты и формирует импульс управления, пропорциональный фазовому сдвигу, который усиливается усилителем 17 и через проходные изоляторы 13 управляет работой электромагнитной муфты 7. Датчик скорости 5 (например, индукционный, тахогенератор, оптический) имеет на выходе исполнительные элементы (контакты, импульсы) в количестве, равном числу переключателей пар полюсов многополюсного асинхронного генератора.

Автономное устройство для утилизации энергии газа работает следующим образом. В начальный момент времени на обмотку 8 электромагнитной муфты 7 подается постоянное напряжение, создается максимальный крутящий момент, и ротор 10 многополюсного асинхронного генератора 11 вращается со скоростью ведущего вала 6 электромагнитной муфты 7. Блок коммутации 16 подключает конденсаторы возбуждения 18 и дополнительные 19 к обмотке генератора 14 с большим числом пар полюсов (с меньшей синхронной скоростью вращения магнитного поля).

При достижении скорости вращения турбины 4 и ротора 10 соответствующего значения, многополюсный асинхронный генератор 11 возбуждается и напряжение подается к силовому выпрямителю 21 и потребителям электроэнергии.

Дальнейшее увеличение скорости турбины 4 (за счет увеличения расхода газа или снижения нагрузки у потребителя) и ведущего вала 9 электромагнитной муфты 7 вызывает уменьшение тока управления в обмотке 8 электромагнитной муфты 7. Ротор 10 многополюсного асинхронного генератора 11 вращается с постоянной скоростью и генерирует стабильную частоту, заданную задающим генератором 25.

При подключении дополнительной нагрузки к устройству момент сопротивления на валу многополюсного асинхронного генератора 11 возрастает, его частота по фазе начинает отставать от частоты задающего генератора 25, длительность импульсов управления, а следовательно, и эквивалентный ток в обмотке управления 8 возрастает, возрастает и вращающий момент электромагнитной муфты 7, частота тока многополюсного асинхронного генератора 11 стабилизируется.

Таким образом, за счет скольжения в электромагнитной муфте 7 происходит стабилизация частоты многополюсного асинхронного генератора 11.

При дальнейшем увеличении скорости вращения турбины 4, например, до 3100 мин^-1 (за счет увеличения расхода газа), датчик скорости 5 выдает сигнал, и блок коммутатора 16 переключает конденсаторы 18 и 19 на обмотку 15 с меньшим числом пар полюсов (например, с р=2 на р=1; с 1500 мин^-1 на 3000 мин^-1) и процесс стабилизации частоты и скорости происходит аналогично рассмотренным ранее.

При любых условиях по отклонению напряжения стабилизатор напряжения 16 регулирует емкостной ток дополнительных конденсаторов 19, тем самым стабилизируя напряжение многополюсного асинхронного генератора.

Предлагаемое автономное устройство для утилизации энергии газа имеет следующие преимущества:

1. Турбина, электромагнитная бесконтактная муфта и генератор помещены в герметическую камеру, поэтому нет необходимости в их герметизации.

2. Асинхронные генераторы на базе стандартных асинхронных двигателей имеют четырехскоростное исполнение, например, 750/1000/1500/3000 мин^-1, а на частоту тока 200 Гц 24000/12000/8000/6000 мин^-1. Таким образом, техническое решение может быть реализовано на "тихоходных" и "быстроходных" турбинах.

3. Многополюсные асинхронные генераторы на повышенную частоту тока и высокоскоростная турбина позволяют изготавливать автономные энергетические блоки с высокими удельными показателями - 0,8-1,0 кГ/кВт, что особенно важно для удаленных районов страны, где пролегают трассы трубопроводов.

4. Предлагаемое устройство за счет стабилизации частоты и напряжения позволяет расширить область применения. Его можно использовать как автономный источник для электролизной установки, освещения, обогрева помещений, теплиц, катодной защиты и т.д. Или в режиме рекуперации энергии, если имеется рядом линия электропередачи, при этом используется инвертор тока, синхронизируемый сетью, или непосредственно работы на сеть, если используется генератор на 50 Гц.

5. Многополюсный асинхронный генератор может работать в широком диапазоне скоростей, поэтому предлагаемое устройство можно использовать в газопроводах с различным перепадом давления. При этом просто решается вопрос регулирования давления на выходе - путем изменения нагрузки на генераторе.

Формула изобретения

Автономное устройство для утилизации энергии газа, содержащее расширительную машину, например турбину, асинхронный генератор повышенной частоты тока с конденсаторами возбуждения, помещенные в герметическую камеру, содержащую входной и выходные патрубки для движения газа, проходные изоляторы, силовые выпрямители и нагрузку, положительный и отрицательный вывод силового выпрямителя соединен с инвертором тока, электролизной установкой, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик скорости, устройство коммутации, электромагнитную муфту с обмоткой управления, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, причем в качестве асинхронного генератора использован многополюсный асинхронный генератор, турбина соединена с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором многополюсного асинхронного генератора, обмотки которого через проходные изоляторы соединены со входом блока коммутации, выход которого соединен с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами, с силовым выпрямителем, устройством стабилизации напряжения и формирователем импульсов, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя, а последний через проходные изоляторы - с обмоткой управления электромагнитной муфты.

РИСУНКИ