способ использования энергии технологических перепадов давления газа в системах транспорта и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ использования энергии технологических перепадов давления газа в системах транспортирования газа, заключающийся в подаче газа высокого давления на очистку с последующим его ступенчатым расширением в турбодетандере с получением в нем механической энергии для привода электрогенератора, и охлажденного газа для использования последнего в теплообменнике и подаче полученного газа низкого давления потребителю, отличающийся тем, что ступенчатое расширение газа высокого давления производят с регулированием степени снижения температуры газового потока в каждом из нескольких включенных последовательно по ходу потока газа турбодетандерах при постоянном отводе механической энергии с использованием электрогенераторов ограниченной мощности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед направлением охлажденного газа в теплообменник его подают в конденсатосборник и выделяют из него тяжелые фракции, например пропан-бутановые.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что после очистки перед подачей газа в турбодетандеры его предварительно подогревают.

4. Устройство для использования энергии технологических перепадов давления газа в системах транспортирования газа, содержащее подключенные к источнику газа высокого давления и последовательно соединенные между собой фильтр, турбодетандер с электрогенератором, теплообменник и потребитель газа низкого давления и запорные элементы, установленные на трубопроводах, соединяющих вход и выход теплообменника соответственно с выходом турбодетандера и потребителем, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере еще одним дополнительным турбодетандером с электрогенератором и теплообменником, вход и выход которого также через запорные элементы соединены с выходом дополнительного турбодетандера и потребителем, при этом вход каждого дополнительного турбодетандера соединен с выходами предыдущего турбодетандера и теплообменника соответственно через запорный элемент и непосредственно, а выход последнего по ходу потока газа турбодетандера дополнительно соединен через запорный элемент с потребителем.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено конденсатосборниками, установленными на выходе из турбодетандеров перед запорными элементами.

6. Устройство по пп. 4 и 5, отличающееся тем, что оно снабжено подогревателем, сообщенным своими входом и выходом соответственно с выходом фильтра и входом первого по ходу потока турбодетандера, и двумя запорными элементами, один из которых установлен на выходе из подогревателя, а другой - на входе в турбодетандер до подключения к последнему выхода подогревателя.

7. Устройство по п.б, отличающееся тем, что оно снабжено блоком редукционных клапанов, соединенным с подогревателем, и запорными элементами, установленными на трубопроводах, соединяющих выход блока с входом первого турбодетандера и потребителем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в системах транспортирования газа на компрессорных станциях в блоках подготовки топливного газа, на газораспределительных станциях, размещенных около конечных потребителей газа, и других местах, где можно использовать энергию, обусловленную перепадом давления.

Известна система транспортирования газопроводных продуктов с температурой ниже температуры окружающей среды, содержащая газопровод, головные сооружения, газохранилище и установленные между участками газопровода компрессорные станции, каждая из которых включает компрессор, сообщенный своим входом с газопроводом, теплообменник, включенный первым контуром к выходу компрессора, и турбодетандер, при этом она снабжена дополнительно установленным на каждой станции компрессором, теплообменником и турбодетандером, последовательно подключенным к второму контуру первого теплообменника и образующим с ним замкнутый контур теплового насоса, а турбодетандер газового контура подключен своим входом и выходом соответственно к выходу первого контура теплообменника и газопроводу, при этом ко второму контуру второго теплообменника подключена турбина, вращающая электрогенератор. (1).

Недостатком данного устройства является наличие двухконтурной системы, где для охлаждения первого контура используется специальный хладоагент второго замкнутого контура, а не газ из системы транспортирования.

Наиболее близким по своей технической сущности к описываемому является способ использования энергии технологических перепадов давления газа в системах транспортирования газа, заключающийся в подаче магистрального газа, высокого давления на очистку с последующим его ступенчатым расширением в турбодетандере с получением в нем механической энергии для привода электрогенератора и охлажденного газа для использования его в теплообменнике и подаче полученного газа низкого давления потребителю (2).

Известно устройство для осуществления способа, содержащее установленные между магистральным трубопроводом и потребителем газа низкого давления фильтр, турбодетандер с электрогенератором, теплообменник, подключенный своим входом через запорный элемент к выходу турбодетандера, при этом фильтр соединен своим входом с магистральным трубопроводом, выходом с входом турбодетандера, а выход теплообменника сообщен через запорный элемент с потребителем (3).

Недостатком данного способа и устройства является то, что они работают только в одном диапазоне мощностей, давлений и температур. Расширение же диапазона приводит к расширению номенклатуры аппаратов, вспомогательных систем и оборудования. Это в свою очередь приводит к снижению надежности и увеличению затрат на производство и обслуживание.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание новой комплексной технологии с рабочими параметрами, обеспечивающими наиболее рациональное использование энергии всей гаммы перепадов давления газа для формирования двух полезных целевых эффектов заданного качества: электроэнергии и холода, а на газоконденсатных месторождениях еще и пропан-бутановой смеси. Все это должно быть обеспечено с использованием типового унифицированного конструктивно оборудования, при одновременном упрощении энергопривода, теплообменных аппаратов, холодильных камер и других элементов.

Указанная техническая задача решается, во-первых, за счет того, что газ высокого давления расширяется ступенчато в нескольких последовательно включенных по ходу турбодетандерах, составляющих энергокомплекс с отводом механической энергии для привода электрогенераторов ограниченной мощности, с соответствующей невысокой степенью снижения температуры газового потока в каждой ступени расширения, а использование холода осуществляется путем отвода тепла от целевых охлаждаемых сред с помощью теплообменных аппаратов, включаемых между ступенями расширения газа, подводя при этом тепло к газовому потоку (повышая его температуру) перед входом в последующую ступень расширения газа (турбодетандер); во-вторых, за счет того, что в качестве энергопривода используется низкоскоростной унифицированный конструктивно для любого уровня давления турбодетандер с чистотой вращения вала ротора, равной частоте, требуемой для электрогенератора; в-третьих, за счет применения размерного ряда теплообменных аппаратов, обеспечивающих одинаковый заданный теплосъем при прохождении через них охлажденного газа одинаковой массы, с одинаковым перепадом температур между входом и выходом при ряде заданных значений плотности; в-четвертых, за счет применения однотипных камер охлаждения, рассчитанных на хладопроизводительность одной ступени расширения газа в турбодетандере, формируемых в группы при увеличении числа последовательно включенных в энергоблок турбоэлектрогенераторных агрегатов; в-пятых, за счет отделения и сбора жидких фракций пропан-бутановой смеси между ступенями расширения газа, содержащего газоконденсат. Это особенно важно в связи с программой освоения малых месторождений газа в России.

Система обвязки электрогенераторных агрегатов и конденсатосборников, включая трубопроводы, запорную и регулирующую аппаратуру, должна позволять поддерживать измененное давление рабочего газа на входе в первый турбодетандер при отклонениях давления газа во входном коллекторе; отключение первой, а возможно, и последующих ступеней расширения газа при снижении давления газа во входном коллекторе; использование энерго-холодильного комплекса для выработки как электроэнергии и холода одновременно с выделением газового конденсата, так и только электроэнергии; регулирование хладопроизводительности комплекса независимо от вырабатываемого количества электроэнергии. Кроме того, привязка устройства к компрессорной станции или газораспределительной станции может осуществляться как до подогревателя газа, так и после него, что позволяет дополнительно регулировать хладопроизводительность, а также в случае остановки турбодетандеров с электрогенераторами направлять в теплообменники газ, охлажденный путем дросселирования в блоке редукционных клапанов.

На чертеже показана схема устройства для использования энергии технологических перепадов давления в системах транспортирования газа.

Устройство для использования энергии технологических перепадов давления газа в системах транспортирования газа содержит подключенные к источнику 1 газа высокого давления и последовательно соединенные между собой фильтр 2, турбодетандер 3 с электрогенератором 4, теплообменник 5 и потребитель 6 газа низкого давления, запорные элементы 7, 8, установленные на трубопроводах, соединяющих вход и выход теплообменника 5 соответственно с выходом турбодетандера 3 и потребителем 6. При этом устройство снабжено по меньшей мере еще одним дополнительным турбодетандером 9 с электрогенератором 10 и теплообменником 11, вход и выход которого также через запорные элементы 12 и 13 соединены с выходом дополнительного турбодетандера 9 и потребителем 6. Вход каждого дополнительного турбодетандера 9 соединен с выходами предыдущего турбодетандера 3 (9) и теплообменника 5 (11) соответственно через запорный элемент 14 и непосредственно, а выход последнего по ходу потока газа турбодетандера 9 дополнительно соединен через запорный элемент 15 с потребителем 6.

Кроме того, устройство может быть снабжено конденсатосборниками 16, установленными на выходе из турбодетандеров 3 и 9 перед запорными элементами 7, 12, 14, 15.

Также устройство может быть снабжено подогревателем 17, сообщенным входом и выходом соответственно с выходом фильтра 2 и входом первого по ходу потока турбодетандера 3, и двумя запорными элементами 18 и 19, один из которых установлен на выходе из подогревателя 17, а другой на входе в турбодетандер 3 до подключения к последнему выхода подогревателя 17.

Дополнительно устройство может быть снабжено блоком 20 редукционных клапанов, соединенным с подогревателем 17, и запорными элементами 21 и 22, установленными на трубопроводах, соединяющих выход блока 20 с входом первого турбодетандера 3 и потребителем 6.

Кроме того, перед входом газа к потребителю 6 может быть установлено замерное устройство 23. А теплообменники 5, 11 могут быть установлены, например, в камере 24 охлаждения. Камера 24 может быть разделена на холодильную и морозильную.

Способ использования энергии перепадов давления газа в системах транспортирования газа осуществляется в устройстве следующим образом. Газ источника 1 высокого давления, в данном случае магистрального газопровода, поступает в фильтр 2, где очищается от пыли или других механических частиц. После этого при открытом запорном элементе 19 газ подается в турбодетандер 3, где реализуется первая ступень расширения газа с отводом механической энергии для привода электрогенератора 4 и соответствующим снижением температуры газа. В зависимости от уровня снижения температуры газа после первой ступени расширения в турбодетандере 3, а она определяется температурой газа на входе в ступень расширения, от степени расширения и КПД турбодетандеров 3 (9), а также от потребности холода в камере 24 охлаждения охлажденный газ после первого турбодетандера 3 направляется в теплообменник 5 камеры 24 охлаждения при открытом запорном элементе 7. Нагретый газ из теплообменника 5 камеры 24 охлаждения при закрытом запорном элементе 8 поступает в следующую ступень расширения дополнительного турбодетандера 9 с отводом механической энергии для привода электрогенератора 10 и снижением температуры газа. Охлажденный газ направляется в теплообменник 11. Далее газ поступает в каждую последующую ступень расширения при закрытых запорных элементах 13.

Газовый поток, пройдя последнюю ступень расширения в турбодетандере 9 и последний теплообменник 11, при открытом последнем запорном элементе 13 по трубопроводу поступает в технологическую линию к потребителю 6. При этом при частично открытом запорном элементе 22 газ может смешиваться с той частью потока, которая не используется в турбодетандерах 3, 9, это примерно около 20% общей пропускной способности. Эта часть газового потока проходит нагреватель 17, блок 20 редукционных клапанов, где снижается давление до давления, необходимого потребителю 6, и затем через замерное устройство 23 газ по трубопроводу направляется потребителю 6 газа низкого давления. Если температура газа недостаточно снизилась в первой ступени турбодетандера 3, то при закрытом запорном элементе 7 и открытом элементе 14 газ подается непосредственно в дополнительный турбодетандер 9 для реализации второй ступени расширения также с отводом механической энергии для привода электрогенератора 10 и снижением температуры газа. Далее охлажденный газ из второго турбодетандера 9 направляется в теплообменник 11.

Для хранения большинства видов продуктов питания необходимо поддерживать в камере 24 охлаждения температуру воздуха около 0^oC, для замораживания - до минус 15 20^oC. Ступенчатое расширение газа позволяет удовлетворить указанные требования при высокой энергетической эффективности. Например, при степени расширения газа в одной ступени турбодетандера 3 и 9, равной 1,3 - 1,4, температура газа снижается на 12 17^oC. Если на входе в систему температура газа составит около 0^oC, то уже после первой ступени создаются достаточные условия для эффективного хладосъема. На выходе газа из второго и последующих турбодетандеров 9 температура может поддерживаться постоянной в пределах минус 15 20^oC. При необходимости обеспечения заморозки продуктов, т.е. для создания более низкой температуры (до минус 25 - 30^oC), выключается теплообменник между двумя последовательно включенными агрегатами путем закрытия запорного элемента 7. Другими словами, ступенчатость расширения газа и регулируемое снижение температуры газового потока создают условия гибкого реагирования комплекса на требования потребителей холода при постоянной выработке электроэнергии.

В том случае, когда потребность в холоде меньше располагаемой хладопроизводительности, газ для турбодетандеров 3 и 9 отбирается после подогревателя 17. При этом запорный элемент 19 закрывается, а запорный элемент 18 открывается.

Если энергохолодильный комплекс устанавливается на газовом промысле и газ содержит тяжелые пропан-бутановые и другие фракции, он оборудуется устройствами отделения и сбора газоконденсата. После расширения газа в каждой ступени турбодетандера и снижения его температуры газ до входа в теплообменник поступает в конденсатосборник 16, где снижается его скорость, и капли газового конденсата оседают в его корпусе. При повышении уровня жидкости до заданного уровня открывается поплавковый клапан (на чертеже не показан) и жидкость сливается по трубопроводу в сборную емкость (на чертеже не показана), из которой по трубопроводу газоконденсат отправляется на реализацию. Этим практически решается еще одна важная задача газификации как сельских потребителей, так и автотранспорта.