RU220774U1 - Турбодетандерная установка - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области газовой промышленности, к энергетике и холодильной технике и, в частности, к установкам по утилизации потенциальной энергии давления газа. В процессе расширения газа в турбодетандере происходит отбор механической энергии, которую можно использовать в электрическом генераторе для выработки электроэнергии или для привода механических агрегатов, таких как компрессор, насос и т.д. Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности работы турбодетандерной установки. Турбодетандерная установка содержит турбодетандер и эжектор, установленные на каркасе, при этом в корпус турбодетандера врезаны трубопроводы входа и выхода газа, а внутри корпуса турбодетандера на валу установлена по крайней мере одна турбина, причем концы вала закреплены на стенках корпуса в двойном торцевом уплотнении, между которыми сформирована полость, при этом в корпус эжектора врезаны входные штуцера для высоконапорного и низконапорного газов и выходной штуцер для смеси газов, причем входной штуцер эжектора для высоконапорного газа соединен первым каналом с трубопроводом входа газа, входной штуцер эжектора для низконапорного газа соединен вторым каналом с полостями двойных торцевых уплотнений, а выходной штуцер эжектора для смеси газов соединен третьим каналом с трубопроводом выхода газа.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области газовой промышленности, к энергетике и холодильной технике и, в частности, к установкам по утилизации потенциальной энергии давления газа. В процессе расширения газа в турбодетандере происходит отбор механической энергии, которую можно использовать в электрическом генераторе для выработки электроэнергии или для привода механических агрегатов, таких, как компрессор, насос и т.д.

Уровень техники

Из уровня техники известна турбодетандерная установка, раскрытая в RU 2317430 С1, опубл. 20.02.2008, прототип. Турбодетандерная установка содержит турбодетандер, содержащий рабочее колесо, камеру высокого давления и камеру низкого давления, которые сообщаются через уплотнения с накопительной камерой, а последняя сообщена через магистраль отвода газовоздушной смеси с эжекторной трубой с размещенным в ней вентилятором и форсунками. При этом эжекторная труба выходом соединена с теплообменником, сопряженным с магистралью природного газа высокого давления, а рабочее колесо турбодетандера жестко соединено с ротором электрогенератора на подшипниках, преимущественно магнитных или воздушных, причем электрогенератор через преобразователь частоты соединен с потребителем электроэнергии.

Недостатком турбодетандерной установки является то, что для эжектирования просачиваемого газа необходимо использование дополнительного механического устройства - вентилятора, снижающего надежность системы и приводящего к удорожанию системы.

Сущность полезной модели

Технической задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего герметизацию торцевых уплотнений в турбодетандере, за счет откачки, с помощью эжектора, просочившегося через торцевые уплотнения газа при обеспечении работоспособности турбодетандера без использования сложных систем задавливания газа в торцевых уплотнениях с помощью затворных жидкостей или газов и снижении капитальных и эксплуатационный затрат при использовании установки. Причем в эжекторе используется в качестве высоконапорного газа часть газа, подаваемого на вход турбодетандера, в качестве низконапорного газа газ, просочившийся через торцевое уплотнение, а смесь высоконапорного и низконапорного газа подается в выходной поток газа из турбодетандера.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности работы турбодетандерной установки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что турбодетандерная установка содержит турбодетандер и эжектор установленные на каркасе, при этом в корпус турбодетандера врезаны трубопроводы входа и выхода газа, а внутри корпуса турбодетандера на валу установлена по крайней мере одна турбина, причем концы вала закреплены на стенках корпуса в двойном торцевом уплотнении (ДТУ), между которыми сформирована полость, при этом в корпус эжектора врезаны входные штуцера для высоконапорного и низконапорного газов и выходной штуцер для смеси газов, причем входной штуцер эжектора для высоконапорного газа соединен первым каналом с трубопроводом входа газа, входной штуцер эжектора для низконапорного газа соединен вторым каналом с полостями двойных торцевых уплотнений, а выходной штуцер эжектора для смеси газов соединен третьим каналом с трубопроводом выхода газа.

Турбина турбодетандера содержит по крайней мере одно рабочее колесо.

Применяют турбину радиального, осевого или радиально-осевого типа.

Во втором канале установлен регулирующий клапан, поддерживающий давление газа во втором канале на уровне 1.01-1.05 ата.

Краткое описание чертежей

Полезная модель будет более понятной из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - турбодетандер.

Фиг. 2 - эжектор (продольный разрез).

1 - турбодетандер; 2 - трубопровод входа газа; 3 - трубопровод выхода газа; 4 - вал; 5 - турбина; 6 - двойное торцевое уплотнение; 7 - полость, находящаяся между уплотнениями двойного торцевого уплотнения; 8 - эжектор; 9 - входной штуцер эжектора для высоконапорного газа; 10 - входной штуцер эжектора для низконапорного газа; 11 - выходной штуцер эжектора для смеси газов; 12 - второй канал; 13 - первый канал; 14 - третий канал; 15 - камера подачи высоконапорного газа; 16 сопло высоконапорного газа; 17 - камера подачи низконапорного газа; 18 - сопло низконапорного газа; 19 - камера смешения, 20 - диффузор; 21 - камера отбора смеси газов; 22 - регулирующий клапан; 23 - датчик давления.

Осуществление полезной модели

Турбодетандерная установка содержит турбодетандер (1) и эжектор (8) установленные на едином каркасе, при этом в корпус турбодетандера (1) врезаны трубопроводы входа (2) и выхода (3) газа, а внутри корпуса турбодетандера (1) на валу (4) установлена по крайней мере одна турбина (5), причем концы вала (4) закреплены на стенках корпуса в двойном торцевом уплотнении (6), между уплотнениями которого сформирована полость (7), при этом в корпус эжектора (8) врезаны входные штуцера для высоконапорного (9) и низконапорного (10) газов и выходной штуцер (11) для смеси газов, причем входной штуцер (9) эжектора (8) для высоконапорного газа соединен первым каналом (13) с трубопроводом (2) входа газа, входной штуцер (10) эжектора (8) для низконапорного газа соединен вторым каналом (12) с полостями (7) двойных торцевых уплотнений (6), а выходной штуцер (11) эжектора (8) для смеси газов соединен третьим каналом (14) с трубопроводом выхода газа.

Турбина (5) турбодетандера (1) содержит по крайней мере одно рабочее колесо.

Применяют турбину (5) радиального, осевого или радиально-осевого типа.

Во втором канале (12) установлен регулирующий клапан (22), поддерживающий давление газа во втором канале на уровне 1.01-1.05 ата, что обеспечивает исключение подсасывания воздуха из окружающей среды в полости (7) между уплотнениями (6). Измерение давление осуществляют с помощью датчика (23) давления, установленного во втором канале (12).

Устройство работает следующим образом. Природный газ высокого давления из магистрали поступает через трубопровод (2) входа газа поступает в турбодетандер (1), в котором природный газ высокого давления приводит движение рабочее колесо турбины (5), в результате чего создается механическая энергия, которая с помощью ротора превращается в электрическую энергию, которая направляется потребителю. После расширения в турбине (5) турбодетандере (1) природный газ с низким против исходного уровня давлением через трубопровод (3) выхода газа поступает потребителю. При этом часть природного газа с низким давлением через двойные уплотнения (6) по второму каналу (12) поступает в эжектор (8). Один конец второго канала (10) герметично и жестко соединен с входным штуцером (10) эжектора (8) для низконапорного газа, например с помощью фланцевого соединения или другого известного жесткого соединения труб, а второй конец второго канала (10) врезан в корпус турбодетандер (1) и герметично соединен с полостями (7).

Для обеспечения надежности работы турбодетандера (1) и гарантированного исключения просачивания рабочего газа (природного газа) в окружающую турбодетандер (1) атмосферу, отбор газа низкого давления просочившийся между валом (4) и уплотнение осуществляют с помощью эжектора (8), который подключен к турбодетандеру (1) в байпасе, регулирующий клапан (22) поддерживает давление газа во втором канале (12) на уровне 1.05 ата. При этом природный газ, поступивший в трубопровод (2) входа газа, направляется как в турбодетандер (1), и в эжектор (8) в качестве высоконапорного газа при помощи первого канала (13), один конец которого герметично и жестко соединен с входным штуцером (9) эжектора (8) для высконапорного газа, например с помощью фланцевого соединения или другого известного жесткого соединения труб, а второй конец первого канала (13) врезан в трубопровод (2) входа газа. Высоконапорный газ через входной штуцер (9) поступает в камеру (15) подачи высоконапорного газа, далее высоконапорный газ поступает в сопло (16), где разгоняется до высоких скоростей (500 м/с и более), при этом статическое давление газа на выходе из сопла обеспечивается на уровне, при котором давление истекающего высоконапорного газа меньше, чем давление низконапорного газа, а затем поступает в камеру (19) смешения, в которой высоконапорный газ смешивается с низконапорным газом, в качестве которого выступает природный газ низкого давления, который через входной штуцер (10) эжектора (8) для низконапорного газа поступает в камеру (17) подачи низконапорного газа далее через сопло (18) низконапорного газа также поступает в камеру (19). Затем из камеры (19) смешения смесь (высоконапорного и низконапорного) газов, на входе которого установлен диффузор (20), в котором происходит снижение скорости потока и повышение статического давления газа, поступает в камеру (20) отбора смеси газов. Далее смесь газов поступает в трубопровод выхода газа через третий канал (14), где вместе с природным газом низкого давления направляется потребителю.

Один конец третьего канала (10) герметично и жестко соединен с выходным штуцером (11) эжектора (8) для смеси газов, например, с помощью фланцевого соединения или другого известного жесткого соединения труб, а второй конец третьего канала (11) врезан в трубопровод выхода газа и герметично соединен с полостями (7).

Отсутствие в заявленной конструкции турбодетандер при отборе просачиваемого газа дополнительных механических устройств, отвечающих за эжектирование просачиваемого газа, повышает надежность работы, т.к. исключается поломка, приводящая к просачиванию природного газа через уплотнения в окружающую турбогенератор атмосферу и созданием аварийной ситуации из-за загазованности воздуха около турбогенератора

Поддержание давления до регулирующего клапана (22) на уровне 1.01-1.05, за счет автоматического сужения или расширения проходного сечения регулирующего клапана (22) по показаниям давления газа во втором канале (12), обеспечивает на любых режимах работы турбогенератора заданный уровень давления в полости (7) между уплотнениями двойного торцового уплотнения. Поддержание заданного уровня давления в полостях (7), гарантирует герметичность уплотнения, что особенно важно на режимах пуска и остановки турбогенератора, также в моменты перестраивания режима работы турбогенератора, когда возможно кратковременное повышение давления в полости (7) с последующим проскоком природного газа в окружающую турбогенератор атмосферу и созданием аварийной ситуации из-за загазованности воздуха около турбогенератора.

Детальное описание классического эжектора и методы расчета оптимальной геометрии газодинамических элементов классического газового эжектора представлены в монографии [2] (Аркадов Ю.К. Новые газовые эжекторы и эжекционные процессы. - М.: Физматлит, 2001).

Показатели работы предлагаемого турбогенератора можно продемонстрировать на примере испытаний такого турбогенератора, проведенного на одном из газовых месторождений. Расход газа, проходящего через турбодетандер составлял 1000 000 нм³/сутки при давлении газа 12 атм. Перепад давления на турбине турбодетандера составлял 6 атм. Вал турбодетандера был подключен к электрогенератору, обеспечивающего выработку 200 квт. электроэнергии. Расход входного высоконапорного газа, подаваемого в эжектор, составлял 200 000 нм³/сутки. Внутренняя геометрия газодинамических элементов эжектора обеспечивала поддержание давления газа в полости ДТУ на уровне 1.05 ата, что обеспечивало отсутствие просачивания газа в окружающую атмосферу. Расход газа, откачиваемого из полостей ДТУ, составлял 5000 нм³/сутки. Для увеличения степени сжатия эжектора использовались щелевые сопла, геометрия которых рассчитывалась в соответствии с монографией [2] (Аркадов Ю.К., Новые газовые эжекторы и эжекционные процессы. - М.: Физматлит, 2001).

Полезная модель была раскрыта выше со ссылкой на конкретный вариант ее осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления полезной модели, не меняющие ее сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, полезную модель следует считать ограниченным по объему только ниже следующей формулой полезной модели.

Claims (4)

1. Турбодетандерная установка, содержащая турбодетандер и эжектор, установленные на каркасе, при этом в корпус турбодетандера врезаны трубопроводы входа и выхода газа, а внутри корпуса турбодетандера на валу установлена, по крайней мере, одна турбина, причем концы вала закреплены на стенках корпуса в двойном торцевом уплотнении, между которыми сформирована полость, при этом в корпус эжектора врезаны входные штуцера для высоконапорного и низконапорного газов и выходной штуцер для смеси газов, причем входной штуцер эжектора для высоконапорного газа соединен первым каналом с трубопроводом входа газа, входной штуцер эжектора для низконапорного газа соединен вторым каналом с полостями двойных торцевых уплотнений, а выходной штуцер эжектора для смеси газов соединен третьим каналом с трубопроводом выхода газа.

2. Турбодетандерная установка по п.1, отличающаяся тем, что турбина турбодетандера содержит по крайней мере одно рабочее колесо.

3. Турбодетандерная установка по п.1, отличающаяся тем, что использована турбина радиального, осевого или радиально-осевого типа.

4. Турбодетандерная установка по п.1, отличающаяся тем, что во втором канале установлен регулирующий клапан, поддерживающий давление газа во втором канале на уровне 1.01-1.05 ата.