RU2587021C1 - Device for pressure regulation in gas line - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention relates to devices for controlling pressure in gas line by means of expanders and can be used at gas distribution stations for electric power generation. Device includes gas distributor, a controller, a pressure sensor, turbine expander, electric generator, rectifier, inverter, load pickup external electric network, heating elements, power switches, load pickup heating elements, controlled power amplifier, an adder, scaling amplifiers, comparator, setter of nominal operating mode of turbine expander.

EFFECT: higher reliability by provision of permanent parameters of operating mode of turbine expander and smooth variation of gas flow passing through the turbine expander at significant load drops in electrical network.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике турбостроения, а именно к устройствам регулирования давления в газовой магистрали с помощью турбодетандеров, и может быть использовано на газораспределительных станциях для рекуперации энергии сжатого газа и выработки электрической энергии.The invention relates to techniques for turbine construction, and in particular to devices for regulating pressure in a gas line using turboexpander, and can be used at gas distribution stations for recovering compressed gas energy and generating electric energy.

Известно устройство турбодетандера для выработки электроэнергии, где регулирование подачи газа к турбодетандеру и поддержание давления осуществляется при помощи регулирующих вентилей (Патент RU 1822237 С, кл. F25В 11/00, опубл. 19.06.1995).A device for turboexpander for generating electricity is known, where the gas supply to the turboexpander is controlled and pressure is maintained by means of control valves (Patent RU 1822237 C, class F25B 11/00, published on June 19, 1995).

Недостаток устройства состоит в низкой надежности работы турбодетандера и отсутствие коррекции потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения электрической нагрузки сети.The disadvantage of this device is the low reliability of the turbine expander and the lack of correction of the flow of the supplied high-pressure gas depending on changes in the electrical load of the network.

Известна газораспределительная станция с выработкой электроэнергии, содержащая турбодетандеры, каждый из которых включает турбину и расположенный на ее валу электрогенератор и по меньшей мере один нагреватель газа, связанный с входом турбины по меньшей мере одного из турбодетандеров, а выход одного из турбодетандеров соединен с потребительским газопроводом конечного давления (Патент RU 2221192 C2, кл. F17D 1/04, F25В 11/00, опубл. 10.01.2004).Known gas distribution station with power generation, containing turboexpander, each of which includes a turbine and an electric generator located on its shaft and at least one gas heater connected to the turbine inlet of at least one of the turboexpander, and the outlet of one of the turbine expanders is connected to the consumer gas pipeline of the final pressure (Patent RU 2221192 C2, class F17D 1/04, F25B 11/00, publ. 10.01.2004).

Данное устройство не обеспечивает высокой надежности работы турбодетандера и точности поддержания давления газа в магистрали низкого давления при существенных изменениях диапазонов нагрузки в электрической сети.This device does not provide high reliability of the turbine expander and the accuracy of maintaining the gas pressure in the low-pressure manifold with significant changes in the load ranges in the electrical network.

Известна система регулирования турбодетандера, установленная на газораспределительной станции между магистралями высокого и низкого давления, содержащая стопорный клапан, выполненный в виде механически связанных друг с другом и пропускающих газ в раздельные отводные линии, регулирующий орган с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с турбодетандером и байпасный клапан с приводом и датчиком положения, установленный на отводной линии, связывающей стопорный клапан с магистралью низкого давления (Патент RU 2110022 C1, кл. F25В 49/02, опубл. 27.04.1998).A known system for regulating a turboexpander installed on a gas distribution station between high and low pressure lines, comprising a check valve made in the form of mechanically connected to each other and passing gas to separate branch lines, a regulating body with a drive and a position sensor, mounted on a branch line connecting a check valve with a turboexpander and a bypass valve with an actuator and a position sensor mounted on a branch line connecting the check valve to the main -pressure (Patent RU 2110022 C1, Cl. F25V 49/02, publ. 27.04.1998).

Данное устройство не обеспечивает постоянные параметры режима работы турбодетандера и коррекцию величины потока подаваемого газа высокого давления в зависимости от изменения нагрузки в электрической сети, что снижает точность поддержания давления газа в магистрали низкого давления и надежность работы турбодетандера в условиях возможных существенных изменений диапазонов электрических нагрузок.This device does not provide constant parameters of the operation mode of the turbo expander and the correction of the flow rate of the supplied high-pressure gas depending on changes in the load in the electric network, which reduces the accuracy of maintaining the gas pressure in the low-pressure line and the reliability of the turbo-expander in the conditions of possible significant changes in the ranges of electrical loads.

Наиболее близким является устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенной с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем и регулируемым по частоте инвертором (Патент RU 2223533 С1, кл. F17D 1/04, опубл. 10.02.2004).The closest is a device for regulating the pressure in the gas main, containing a gas distribution device made in the form of a set of pipes of different diameters connected to the high-pressure main with shut-off devices installed on them, controlled via a controller from the pressure transducer of the low-pressure main connected to the turboexpander loaded with electric an alternator connected in series with a voltage-adjustable rectifier and frequency-controlled inverter (Patent RU 2223533 C1, class F17D 1/04, publ. 02/10/2004).

Известное устройство не обеспечивает постоянные параметры режима работы турбодетандера и плавное изменение величины потока газа, проходящего через турбодетандер при перепадах нагрузки в электрической сети, что снижает надежность работы устройства в целом.The known device does not provide constant parameters of the mode of operation of the turboexpander and a smooth change in the magnitude of the gas flow passing through the turbine expander with load drops in the electrical network, which reduces the reliability of the device as a whole.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении надежности работы устройства посредством обеспечения постоянных параметров режима работы турбодетандера и плавного изменения величины потока газа, проходящего через турбодетандер при существенных перепадах нагрузки в электрической сети.The technical result achieved by the implementation of this invention is to increase the reliability of the device by providing constant parameters of the operating mode of the turboexpander and a smooth change in the magnitude of the gas flow passing through the turbine expander with significant load drops in the electrical network.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенной с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем и регулируемым по частоте инвертором, дополнительно введены датчик нагрузки внешней электросети, соединенный с выходом регулируемого по частоте инвертора, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра с силовыми ключами, управляемыми через контроллер, последовательно соединенные дополнительный выпрямитель, датчик нагрузки нагревательных элементов, регулируемый силовой усилитель, силовые ключи и нагревательные элементы, сумматор, первый вход которого через первый масштабирующий усилитель соединен с датчиком нагрузки внешней электросети, а второй - через второй масштабирующий усилитель с датчиком нагрузки нагревательных элементов, блок сравнения, первый вход которого соединен с задатчиком номинального режима работы турбодетандера, а второй - с выходом сумматора, выход блока сравнения соединен с управляющим входом регулируемого силового усилителя, вход дополнительного выпрямителя соединен с выходом электрического генератора переменного тока.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for regulating the pressure in the gas main, containing a gas distribution device, made in the form of a set of pipes of different diameters connected to the high-pressure main with installed shut-off devices controlled through a controller from the pressure sensor of the low-pressure main connected with a turbo-expander loaded with an electric alternator connected in series with a voltage-regulated rectifier It is equipped with a frequency-controlled inverter, an external power load sensor is connected, connected to the output of a frequency-controlled inverter, heating elements installed on each of a set of pipes of different diameters with power switches controlled via a controller, an additional rectifier, a load sensor of heating elements connected in series , an adjustable power amplifier, power switches and heating elements, an adder, the first input of which is connected via the first scaling amplifier It is connected to the load sensor of the external power supply, and the second through the second scaling amplifier with the load sensor of the heating elements, a comparison unit, the first input of which is connected to the setpoint of the turbine expander’s nominal operating mode, and the second is connected to the adder’s output; amplifier, the input of the additional rectifier is connected to the output of an electric alternator.

На фигуре представлена структура устройства для регулирования давления в газовой магистрали.The figure shows the structure of the device for regulating the pressure in the gas line.

Устройство содержит газораспределительное устройство 1, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами 2, управляемыми через контроллер 3 от датчика давления 4 магистрали низкого давления, соединенной с турбодетандером 5, нагруженным электрическим генератором 6 переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем 7 и регулируемым по частоте инвертором 8, датчик нагрузки внешней электросети 9, подсоединенный к выходу регулируемого по частоте инвертора 8, нагревательные элементы 10, установленные на каждой из набора труб разного диаметра, с силовыми ключами 11, управляемыми через контроллер 3, последовательно соединенные дополнительный выпрямитель 12, датчик нагрузки нагревательных элементов 13, регулируемый силовой усилитель 14 и силовые ключи 11 нагревательных элементов 10, сумматор 15, первый вход которого через первый масштабирующий усилитель 16 соединен с датчиком нагрузки внешней электросети 9, а второй - через второй масштабирующий усилитель 17 с датчиком нагрузки нагревательных элементов 13, блок сравнения 18, первый вход которого соединен с задатчиком номинального режима работы 19 турбодетандера 5, а второй - с выходом сумматора 15.The device comprises a gas distribution device 1 made in the form of a set of pipes of different diameters connected to a high-pressure line with shut-off devices 2 installed on them, controlled through a controller 3 from a pressure sensor 4 of a low-pressure line connected to a turboexpander 5 loaded with an alternating current electric generator 6, connected in series with a voltage-regulated rectifier 7 and a frequency-controlled inverter 8, a load sensor of an external power supply 9, connected to the output of a frequency-controlled inverter 8, heating elements 10 mounted on each of a set of pipes of different diameters, with power switches 11 controlled through a controller 3, additional rectifier 12 connected in series, load sensor of heating elements 13, adjustable power amplifier 14 and power switches 11 heating elements 10, an adder 15, the first input of which through the first scaling amplifier 16 is connected to the load sensor of the external power supply 9, and the second through the second scaling amplifier 17 with load sensor of the heating elements 13, the comparison unit 18, the first input of which is connected to the setpoint nominal operating mode 19 of the turboexpander 5, and the second with the output of the adder 15.

Устройство для регулирования давления в газовой магистрали работает следующим образом.A device for regulating the pressure in the gas main works as follows.

Газ магистрали высокого давления через набор труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами 2 газораспределительного устройства 1 поступает в турбодетандер 5 и приводит во вращательное движение электрический генератор 6 переменного тока. Вырабатываемое переменное напряжение выпрямляется на выпрямителе 7 и преобразуется в напряжение промышленной частоты с помощью инвертора 8. Датчик нагрузки внешней электросети 9 вырабатывает напряжение, пропорциональное значению текущей нагрузки внешне электросети.The gas of the high-pressure line through a set of pipes of different diameters with the locking devices 2 of the gas distribution device 1 installed on them enters the turbo expander 5 and rotates the electric alternator 6. The generated alternating voltage is rectified on the rectifier 7 and converted into industrial frequency voltage using the inverter 8. The load sensor of the external power supply 9 generates a voltage proportional to the value of the current load of the external power supply.

Поддержание требуемого давления газа при возможных изменениях расхода в магистрали низкого давления датчик давления 4 магистрали низкого давления вырабатывает пропорциональное напряжение, которое обрабатывается контроллером 3 и вырабатываются управляющие воздействия, регулирующие поток газа по отдельным трубам из набора труб с установленными на них запорными устройствами 2. Подогрев газа по каждой трубе производится нагревательными элементами 10.Maintaining the required gas pressure with possible changes in the flow rate in the low-pressure line, the pressure sensor 4 of the low-pressure line generates a proportional voltage, which is processed by the controller 3 and control actions are generated that regulate the gas flow through individual pipes from a set of pipes with shut-off devices installed on them 2. Gas heating each pipe is produced by heating elements 10.

При стабильной нагрузки внешней электрической сети и постоянном расходе газа вырабатываемая электроэнергия распределяется во внешнюю электросеть и на нагревательные элементы 10 подогрева газа через дополнительный выпрямитель 12, датчик нагрузки нагревательных элементов 13 и регулируемый силовой усилитель 14 в определенной пропорции, задаваемой задатчиком номинального режима работы 19 турбодетандера 5. Напряжение задатчика номинального режима работы 19 турбодетандера 5 на блоке сравнения 18 уравновешивается напряжением сумматора 15, который суммирует нагрузку внешней электросети и нагревательных элементов 10 посредством первого масштабирующего усилителя 16, соединенного с датчиком нагрузки внешней электросети 9 и второго масштабирующего усилителя 17, соединенного с датчиком нагрузки нагревательных элементов 13. В результате турбодетандер 5 работает в номинальном режиме.With a stable load of the external electric network and a constant gas flow rate, the generated electricity is distributed to the external network and to the gas heating elements 10 through an additional rectifier 12, the load sensor of the heating elements 13 and an adjustable power amplifier 14 in a certain proportion, specified by the nominal operating mode adjuster 19 of the turbo expander 5 The voltage of the setpoint nominal operating mode 19 of the turboexpander 5 on the comparison unit 18 is balanced by the voltage of the adder 15, which The fifth sums the load of the external power supply and the heating elements 10 by means of the first scaling amplifier 16 connected to the load sensor of the external power supply 9 and the second scaling amplifier 17 connected to the load sensor of the heating elements 13. As a result, the turboexpander 5 operates in the nominal mode.

В случае снижения нагрузки во внешней электрической сети параметры режима работы турбодетандера 5, и в первую очередь скорость вращения, существенно возрастает, что снижает надежность его работы. Возникает рассогласование между напряжением задатчика номинального режима работы 19 турбодетандера 5 и напряжением сумматора 15 на блоке сравнения 18 за счет снижения нагрузки внешней электросети, формируемой первым масштабирующим усилителем 16, соединенным с датчиком нагрузки внешней электросети 9. Сигнал рассогласования с блока сравнения 18 поступает на регулируемый силовой усилитель 14, который высвободившийся избыток электрической энергии направляет на нагревательные элементы 10. В результате снижение нагрузки во внешней электрической сети компенсируется увеличением нагрузки на нагревателях 10 и параметры режима работы турбодетандера 5 не изменяются и турбодетандер 5 работает в номинальном режиме.In the case of reducing the load in the external electric network, the parameters of the operation mode of the turbo expander 5, and in the first place the rotation speed, increases significantly, which reduces the reliability of its operation. There is a mismatch between the voltage of the nominal operating mode setter 19 of the turbo expander 5 and the voltage of the adder 15 on the comparison unit 18 due to the reduction of the load of the external power supply network generated by the first scaling amplifier 16 connected to the load sensor of the external power supply 9. The error signal from the comparison unit 18 is fed to an adjustable power an amplifier 14, which releases the excess excess of electric energy to the heating elements 10. As a result, the load in the external electrically reduced th network is compensated by an increase in the load on the heaters 10 and the parameters of the operating mode of the turbo expander 5 are not changed and the turbo expander 5 is operating in the nominal mode.

В случае возрастания нагрузки во внешней электрической сети происходят обратные процессы, в результате колебания нагрузки во внешней электрической сети компенсируется изменениями нагрузки на нагревателях 10 и турбодетандер 5 работает в номинальном режиме.In the case of an increase in load in the external electric network, reverse processes occur, as a result of load fluctuations in the external electric network, it is compensated by changes in the load on the heaters 10 and the turboexpander 5 operates in the nominal mode.

Такое техническое решение обеспечивает повышение надежности работы устройства посредством обеспечения постоянных параметров режима работы турбодетандера и плавного изменения величины потока газа, проходящего через турбодетандер при существенных перепадах нагрузки в электрической сети.Such a technical solution provides an increase in the reliability of the device by providing constant parameters of the operating mode of the turbo expander and a smooth change in the magnitude of the gas flow passing through the turbo expander with significant changes in load in the electric network.

Claims (1)

Устройство для регулирования давления в газовой магистрали, содержащее газораспределительное устройство, выполненное в виде соединенных с магистралью высокого давления набора труб разного диаметра с установленными на них запорными устройствами, управляемыми через контроллер от датчика давления магистрали низкого давления, соединенного с турбодетандером, нагруженным электрическим генератором переменного тока, последовательно соединенным с регулируемым по напряжению выпрямителем и регулируемым по частоте инвертором, отличающееся тем, что в него дополнительно введены датчик нагрузки внешней электросети, соединенный с выходом регулируемого по частоте инвертора, нагревательные элементы, установленные на каждой из набора труб разного диаметра с силовыми ключами, управляемыми через контроллер, последовательно соединенные дополнительный выпрямитель, датчик нагрузки нагревательных элементов, регулируемый силовой усилитель, силовые ключи и нагревательные элементы, сумматор, первый вход которого через первый масштабирующий усилитель соединен с датчиком нагрузки внешней электросети, а второй - через второй масштабирующий усилитель с датчиком нагрузки нагревательных элементов, блок сравнения, первый вход которого соединен с задатчиком номинального режима работы турбодетандера, а второй - с выходом сумматора, выход блока сравнения соединен с управляющим входом регулируемого силового усилителя, вход дополнительного выпрямителя соединен с выходом электрического генератора переменного тока. A device for regulating pressure in a gas main, comprising a gas distribution device made in the form of a set of pipes of different diameters connected to a high-pressure main and locking devices installed on them, controlled through a controller from a pressure transducer of a low-pressure main connected to a turboexpander loaded with an electric alternator connected in series with a voltage-regulated rectifier and frequency-controlled inverter, characterized the fact that it additionally incorporates an external power load sensor connected to the output of a frequency-controlled inverter, heating elements installed on each of a set of pipes of different diameters with power switches controlled via a controller, an additional rectifier connected in series, a heating element load sensor adjustable power amplifier, power switches and heating elements, an adder, the first input of which is connected to a load sensor through a first scaling amplifier the current mains, and the second through the second scaling amplifier with a load sensor for the heating elements, a comparison unit, the first input of which is connected to the setpoint generator of the turbine expander, and the second to the output of the adder, the output of the comparison unit is connected to the control input of an adjustable power amplifier, the input is additional a rectifier is connected to the output of an electric alternator.

Images