Газотурбодетандерная установка для утилизации энергии сжатого природного газа

Изобретение относится к области энергетики, в частности к энергетическим установкам, утилизирующим энергию избыточного давления газа с реализацией турбодетандерного эффекта. Газотурбодетандерная установка для утилизации энергии сжатого природного газа содержит последовательно установленные на магистрали природного газа высокого давления электрический нагреватель для подогрева газа, турбодетандер, кинематически связанный с электрогенератором, и аккумуляторную батарею с возможностью подзарядки последней от электрогенератора при работающем в режиме турбодетандере и подключении к нагревателю в начальный момент работы установки с последующим отключением от нагревателя при выходе турбодетандера на режимную работу. Электрический нагреватель выполнен резистивным и подключен к электрогенератору через блок управления, электрически связанный с датчиками температуры, установленными на входе и выходе турбодетандера. Использование изобретения позволяет упростить конструктивную схему энергетической газотурбодетандерной установки и обеспечивает возможность регулирования заданной температуры газа на входе и выходе турбодетандера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики, в частности к энергетическим установкам, утилизирующим энергию избыточного давления газа с реализацией турбодетандерного эффекта, и может быть использовано в наземных установках для утилизации потенциальной энергии природного газа при редуцировании его давления на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).

Известна газотурбодетандерная установка, содержащая магистраль природного газа высокого давления с последовательно установленными в ней устройством подогрева газа и турбодетандером, кинематически связанным с электрогенератором, а также газотурбинный двигатель, причем устройство нагрева газа выполнено в виде теплообменника-регенератора с возможностью подогрева газа продуктами сгорания газотурбинного двигателя [патент РФ №2009389, F 17 D 1/04, 1994 г.].

Недостатком известного устройства является сложность конструкции и отсутствие возможности регулировки температуры отпускаемого потребителю газа пониженного давления.

В качестве прототипа выбрана газотурбодетандерная установка для утилизации энергии сжатого природного газа, содержащая последовательно установленные на магистрали природного газа высокого давления электрический нагреватель для подогрева газа и турбодетандер, кинематически связанный с электрогенератором [патент РФ №2221192, F 17 D 1/04, 2004 г.].

Недостатком известного устройства является сложность конструкции и отсутствие возможности регулировки температуры отпускаемого потребителю газа пониженного давления.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание простой по конструкции газотурбодетандерной установки с возможностью регулировки заданной температуры газа на входе и выходе турбодетандера.

Поставленная задача решена тем, что газотурбодетандерная установка, содержащая последовательно установленные на магистрали природного газа высокого давления электрический нагреватель для подогрева газа и турбодетандер, кинематически связанный с электрогенератором, согласно изобретению дополнительно снабжена аккумуляторной батареей с возможностью подзарядки последней от электрогенератора при работающем в режиме турбодетандере и подключении к нагревателю в начальный момент установки с последующим отключением от нагревателя при выходе турбодетандера на режимную работу, а электрический нагреватель выполнен резистивным и подключен к электрогенератору через блок управления, электрически связанный с датчиками температуры, установленными на входе и выходе турбодетандера.

Перед турбодетандером может быть установлен теплообменник-регенератор для предварительного подогрева поступающего в турбодетандер газа высокого давления горячим газом низкого давления, выходящим из турбодетандера.

Сопоставительный анализ заявляемой газотурбодетандерной установки с прототипом и с другими решениями в данной области техники показывает, что изложенная в патентной формуле совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о ее соответствии критерию изобретения "новизна".

Соответствие предлагаемого решения критерию изобретения "промышленная применимость" видно из нижеприведенного примера конкретного выполнения газотурбодетандерной установки.

Изобретение иллюстрировано чертежами, где на фиг.1.представлена функциональная схема газотурбодетандерной установки, выполненной по п.1 патентной формулы ("низкотемпературная" схема установки), фиг.2 - то же самое по п.п.2, 3 патентной формулы ("высокотемпературная" схема установки).

Позиции и обозначения, представленные на схеме:

А - аккумуляторная батарея;

Б - блок управления;

Г - электрогенератор;

Н - нагреватель;

Т - турбодетандер;

1 - магистраль природного газа высокого давления;

2 - резистивный нагреватель;

3 - турбодетандер;

4 - электрогенератор;

5 - блок управления;

6 - термопара (датчик температуры);

7 - аккумуляторная батарея.

8 - теплообменник-регенератор.

Установка, выполненная по "низкотемпературной" схеме (фиг.1), включает магистраль 1 природного газа высокого давления, на которой последовательно установлены электрический резистивный нагреватель 2 и турбодетандер 3, кинематически связанный с электрогенератором 4. Нагреватель 2 подключен к электрогенератору 4 через блок управления 5, электрически связанный с датчиком температуры (термопарой) 6.

К нагревателю 2 и электрогенератору 4 через блок управления 5 подключена аккумуляторная батарея 7.

Установка, выполненная по "высокотемпературной" схеме (фиг.2), содержит те же элементы, но дополнительно включает теплообменник-регенератор 8 для подогрева поступающего в турбодетандер 3 холодного газа высокого давления горячим газом низкого давления.

Работа газотурбодетандерной установки осуществляется следующим образом.

В начальный период работы нагреватель 2 подключен к предварительно заряженной аккумуляторной батарее 7.

Природный газ высокого давления поступает в магистраль 1, подогревается в нагревателе 2 до заданной температуры (250...350 К или 350...600 К при выполнении установки по "низкотемпературной" или "высокотемпературной" схеме, соответственно), проходит через турбодетандер 3, расширяется на его лопатках и отпускается далее потребителю в виде газа низкого давления. Энергия сжатого газа переходит в кинетическую энергию турбины электрогенератора 4. Часть вырабатываемой электрогенератором 4 электроэнергии подается потребителю, а часть - на резистивный нагреватель 2 и на аккумуляторную батарею 8 для ее подзарядки. После установления рабочего режима работы установки (достижения заданной температуры горячего газа низкого давления на выходе из турбодетандера 3) блок управления 5 по сигналу от термопары 6 отключает от нагревателя 2 аккумуляторную батарею 7. После окончательной подзарядки батареи 7 блок управления 5 отключает ее от электрогенератора 4. Выходящий из турбодетандера 3 горячий газ низкого давления поступает в теплообменник-регенератор 8 и охлаждается до необходимой потребителю температуры, нагревая при этом поступающий на вход турбодетандера холодный газ высокого давления для форсирования мощности и устранения гидратообразования углеводородов.

Отклонения температуры отпускаемого потребителю газа от заданного значения регистрируется термопарой 6, электрический сигнал от которой подается на блок управления 5. Последний выдает управляющий электрический сигнал на увеличение/уменьшение степени нагрева резистивного нагревателя 2.

Для обеспечения возможности контроля температуры газа на входе в турбодетандер на его входной магистрали может быть дополнительно установлен датчик температуры (не показано), электрически связанный с блоком управления 5.

Использование заявляемого изобретения позволяет упростить конструктивную схему энергетической газотурбодетандерной установки, обеспечивает возможность регулирования заданных значений температуры газа на входе и выходе турбодетандера, снижает утечки газа при его редуцировании.

1. Газотурбодетандерная установка для утилизации энергии сжатого природного газа, содержащая последовательно установленные на магистрали природного газа высокого давления электрический нагреватель для подогрева газа и турбодетандер, кинематически связанный с электрогенератором, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена аккумуляторной батареей с возможностью подзарядки последней от электрогенератора при работающем в режиме турбодетандере и подключении к нагревателю в начальный момент работы установки с последующим отключением от нагревателя при выходе турбодетандера на режимную работу, а электрический нагреватель выполнен резистивным и подключен к электрогенератору через блок управления, электрически связанный с датчиками температуры, установленными на входе и выходе турбодетандера.

2. Газотурбодетандерная установка по п.1, отличающаяся тем, что перед турбодетандером установлен теплообменник-регенератор для предварительного подогрева поступающего в турбодетандер газа высокого давления горячим газом низкого давления, выходящим из турбодетандера.