RU2264581C1 - Method and system for natural gas preparation before supplying thereof to consumer with complex natural gas energy usage, energy-cooling plant, as well as energy drive with impeller machine, gas refrigerator and ice generator - Google Patents
Method and system for natural gas preparation before supplying thereof to consumer with complex natural gas energy usage, energy-cooling plant, as well as energy drive with impeller machine, gas refrigerator and ice generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2264581C1 RU2264581C1 RU2004110024/06A RU2004110024A RU2264581C1 RU 2264581 C1 RU2264581 C1 RU 2264581C1 RU 2004110024/06 A RU2004110024/06 A RU 2004110024/06A RU 2004110024 A RU2004110024 A RU 2004110024A RU 2264581 C1 RU2264581 C1 RU 2264581C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- ice
- expander
- chamber
- energy
- Prior art date
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000007789 gas Substances 0.000 title claims description 408
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 84
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 title claims description 36
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 37
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims description 25
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 18
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 claims description 5
- 238000010257 thawing Methods 0.000 claims description 5
- 239000004484 Briquette Substances 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 4
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims description 3
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 claims description 3
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 7
- 239000002826 coolant Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 14
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 241000566515 Nedra Species 0.000 description 4
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 2
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 2
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 241000409898 Empodisma minus Species 0.000 description 1
- 241000282326 Felis catus Species 0.000 description 1
- 241001365789 Oenanthe crocata Species 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000002631 hypothermal effect Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 1
- 231100000167 toxic agent Toxicity 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Группа изобретений относится к области теплоэнергетики и предназначена для применения природного газа в средствах выработки механической энергии и холода за счет использования перепада давления природного газа, главным образом, в местах его добычи, на газораспределительных и компрессорных станциях.The group of inventions relates to the field of power engineering and is intended for the use of natural gas in the means of generating mechanical energy and cold due to the use of differential pressure of natural gas, mainly in the places of its production, at gas distribution and compressor stations.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Известно применение природного газа в системах выработки механической энергии (см., например. Обзорная информация. Серия: "Использование газа в народном хозяйстве". "Утилизация потенциальной энергии газа на газораспределительных станциях и детандерных установках", вып.4, 1988 г., стр.20-30; Г.Э.Зарницкий. "Теоретические основы использования энергии давления природного газа. - Недра, 1968 г., стр.201, рис.66; Степанец А.А. "Энергосберегающие турбодетандерные установки". Недра, 1999 г.).The use of natural gas in mechanical energy generation systems is known (see, for example, Overview. Series: “Use of Gas in the National Economy.” “Utilization of Potential Gas Energy at Gas Distribution Stations and Expander Installations,”
Сущность известной технологии заключается в том, что природный газ, имеющий высокое давление, направляют в детандерную установку, где газ расширяется и совершает работу, которая используется для приведения в движение различных механизмов, например насосов, электрогенераторов или трансформаторов, в энергию, накапливаемую, например, в электроаккумуляторах. Кроме того, понижение температуры газа, вызванное его расширением, используют для охлаждения во внешних холодильных установках. Такая технология позволяет повысить эффективность использования природного газа, однако ее применение порождает ряд проблем.The essence of the known technology lies in the fact that natural gas having a high pressure is sent to an expander, where the gas expands and does the work that is used to drive various mechanisms, such as pumps, generators or transformers, into the energy stored, for example, in electric batteries. In addition, the decrease in gas temperature caused by its expansion is used for cooling in external refrigeration units. This technology allows you to increase the efficiency of natural gas use, but its application raises a number of problems.
Одна из основных проблем касается применения в известной технологии технических средств для использования перепада давления природного газа, в частности детандерных установок. Известные установки, как правило, оказываются сложными по конструкции в изготовлении, требующими для своей работы целого комплекса вспомогательных систем с применением различных технологических агентов (смазочное масло, вода, тепло, электроэнергия и др.), что в результате делает детандерную установку сложной по структуре, дорогостоящей и ненадежной в работе. Так, например, известен турбодетандер, выполненный в виде энергопривода с лопаточной машиной, содержащий корпус с размещенным в нем ротором, установленным на валу с подшипниками, направляющий аппарат с патрубками подвода и отвода рабочего тела (газа) и коллекторами высокого и низкого давления, систему уплотнения вала, систему регулирования, управления и защиты (Трубопроводный транспорт нефти и газа, Под ред. В.А.Юфина. - М.: Недра, 1982, стр.123-126; А.А.Степанец "Энергосберегающие турбодетандерные установки", Недра, 1999 г.).One of the main problems concerns the use in the known technology of technical means for using the differential pressure of natural gas, in particular expander units. Well-known installations, as a rule, turn out to be complex in design to manufacture, requiring for their work a whole range of auxiliary systems using various technological agents (lubricating oil, water, heat, electricity, etc.), which as a result makes the expander installation complex in structure, costly and unreliable in work. So, for example, a turboexpander is known, made in the form of an electric drive with a blade machine, comprising a housing with a rotor installed in it, mounted on a shaft with bearings, a guiding apparatus with nozzles for supplying and discharging a working fluid (gas) and high and low pressure manifolds, a sealing system shaft, regulation, control and protection system (Pipeline transport of oil and gas, Edited by V.A. Yufin. - M .: Nedra, 1982, pp. 123-126; A.A. Stepanets "Energy-saving turbine expander", Nedra , 1999).
В известном решении отсутствует способ и средство адаптации энергопривода к объемам газовых потоков по давлениям, изменяющимся в широких диапазонах на входе в энергопривод (турбодетандер), а его работа осуществляется при повышенных скоростях вращения ротора, т.е. на неоптимальных режимах, что требует для передачи энергии, например, электрогенератору применения редуктора с высоким передаточным числом, что, как отмечалось, усложняет установку со всеми вытекающими из этого последствиями.In the known solution, there is no method and means of adapting the energy drive to the volumes of gas flows by pressure, which varies over a wide range at the inlet of the energy drive (turboexpander), and its operation is carried out at increased rotor speeds, i.e. in suboptimal modes, which requires for transmission of energy, for example, the generator to use a gearbox with a high gear ratio, which, as noted, complicates the installation with all the ensuing consequences.
Применение традиционного уплотнения вала ротора типа газ-масло при высоких скоростях вращения вала приводит к необходимости устройства отдельной сложной уплотнительной системы, включающей блок уплотнения, два насоса, регулятор перепада давления газ-масло, аккумулятор масла, теплообменный аппарат, дегазатор, систему возврата масла и газа и др.The use of a traditional gas-oil-type rotor shaft seal at high shaft rotation speeds necessitates the installation of a separate complex sealing system including a seal unit, two pumps, a gas-oil differential pressure regulator, an oil accumulator, a heat exchanger, a degasser, an oil and gas return system and etc.
Используемые полнопроходные турбодетандеры весьма чувствительны к отклонениям от расчетного объема проходящего через них газа и давления. При снижении давления и объема проходящего газа через турбодетандер сначала резко снижается его мощность и КПД, а затем он останавливается. Кроме того, высокоскоростные лопаточные машины требуют соответственно высокоточного производства для их изготовления и особых условий эксплуатации.The full bore turbo expanders used are very sensitive to deviations from the calculated volume of gas and pressure passing through them. When reducing the pressure and volume of the passing gas through a turboexpander, its power and efficiency first sharply decrease, and then it stops. In addition, high-speed blade machines require correspondingly high-precision production for their manufacture and special operating conditions.
Указанные выше и другие недостатки известных технических решений в основном устранены в способе и устройстве техническими решениями, известными из патентов РФ №2056555 по кл. F 16 H 41/00, 1996 г., №2098713 по тому же классу, 1996 г. и свидетельства на полезную модель РФ №20778 от 09.04.2001 г.The above and other disadvantages of the known technical solutions are mainly eliminated in the method and device by technical solutions known from the patents of the Russian Federation No. 2056555 for class. F 16
Наиболее близким из них к предложенным способу и системе является способ подготовки природного газа к подаче потребителю с комплексным использованием энергии природного газа путем расширения природного газа в детандерах, отвода механической энергии детандеров для привода электрогенератора и пропускания охладившегося в детандере газа перед подачей его потребителю через теплообменник холодильной установки, а также система для реализации данного способа, содержащая электрохолодильные агрегаты (ЭХА), каждый из которых включает детандер и связанный с его валом электрогенератор, и холодильную установку, теплообменник которой соединен с выходом, по меньшей мере, одного из ЭХА и с которым соединен трубопровод для подачи газа потребителю (патент РФ 2098713).The closest of them to the proposed method and system is a method of preparing natural gas for supply to the consumer with the integrated use of natural gas energy by expanding the natural gas in the expanders, removing the mechanical energy of the expanders to drive the generator and passing the gas cooled in the expander to the consumer through the refrigeration heat exchanger installations, as well as a system for implementing this method, containing electro-refrigerating units (ECA), each of which includes an expander p and its associated with the shaft generator, and refrigeration unit, a heat exchanger connected to the outlet, at least one of the ECA and to which is connected a pipe for supplying gas to the consumer (RF Patent 2098713).
Наиболее близким к предложенному энергохолодильному агрегату является ЭХА, содержащий герметичную камеру с выходным трубопроводом, установленные в ней турбодетандер и соединенный с его валом электрогенератор, датчик частоты вращения вала турбодетандера, соединенный с трубопроводом дроссель-дозатор для подачи газа к соплам турбодетандера, связанный с ним регулятор подачи газа и электронный блок, связанный с указанными датчиком и регулятором (свидетельство РФ №20778).The closest to the proposed energy-refrigerating unit is an ECA containing a sealed chamber with an outlet pipe, a turboexpander installed in it and an electric generator connected to its shaft, a sensor for the rotational speed of the turboexpander shaft, a throttle-metering device for supplying gas to the nozzles of the turbine expander, a regulator connected to it gas supply and an electronic unit associated with the specified sensor and regulator (RF certificate No. 20778).
Проблема заключается в том, что при освобождении потенциальной энергии давления газа в турбодетандере происходит изменение термодинамических параметров газа, которые могут выйти за допустимые пределы для нормальной эксплуатации как для детандерной установки и газотранспортной системы, так и технических средств потребителя газа.The problem is that when the potential energy of the gas pressure in the turboexpander is released, the thermodynamic parameters of the gas change, which can go beyond the acceptable limits for normal operation both for the expander and gas transmission system, as well as for the gas consumer’s technical equipment.
В известных решениях работа детандерной установки осуществляется при высоких степенях расширения газа (от 8 до 12 раз), что приводит к глубокому снижению температуры газового потока на выходе установки. При этом, если газ на вход в установку будет подводиться с температурой 0°С, то на выходе установки она будет достигать минус 90-120°С, а это потребует применения специальных хладостойких сталей, что резко повысит стоимость установки, а газ с такой температурой невозможно транспортировать по обычным газопроводам и тем более невозможно использовать у потребителей. Поэтому в известных технических решениях предусмотрен подогрев газа на входе в детандерную установку примерно до 100°С за счет выработанной, например, электростанцией полезной тепловой энергии, тогда газ на выходе установки имеет температуру минус 10-20°С и в конструкции используются обычные высококачественные стали. Однако, как это следует из законов термодинамики, полученная от детандерной установки механическая энергия и затраченная полезная тепловая энергия (пара или горячей воды) не только равны, но тепловая энергия превышает механическую на величину энергозатрат, определяемых КПД теплообменника и необходимостью транспорта теплоносителя к детандерной установке и обратно. Таким образом, такая система энергетически несостоятельна - убыточна. Температуру газа на выходе из детандерной установки возможно повысить за счет уменьшения степени расширения газа, но это приведет к неполному использованию располагаемой энергии давления газа. Поэтому в наиболее близком решении было предложено (патент РФ №2098713) расширение газа и отбор энергии осуществлять ступенчато в нескольких детандерах, соединенных последовательно, и с межступенчатым подводом тепла к газу. При этом среднетемпературный (минус 20-30°С) холод, возникающий при расширении газа в детандере, возможно рассматривать уже не как негативное явление и не бороться с ним, а полезно его использовать, например, для охлажденного хранения продуктов питания. Это в комплексе повысит эффективность использования избыточной энергии давления газа на редукционных станциях (бросовой энергии) почти в два раза, нежели при ее использовании только в детандерной установке для выработки механической или электрической энергии.In known solutions, the operation of the expander unit is carried out at high degrees of gas expansion (from 8 to 12 times), which leads to a deep decrease in the temperature of the gas stream at the outlet of the unit. Moreover, if the gas at the inlet of the installation will be supplied with a temperature of 0 ° C, then at the output of the installation it will reach minus 90-120 ° C, and this will require the use of special cold-resistant steels, which will sharply increase the cost of the installation, and gas with such a temperature it is impossible to transport through conventional gas pipelines and even more so impossible to use with consumers. Therefore, the known technical solutions provide for heating the gas at the inlet to the expander installation to about 100 ° C due to the use of useful thermal energy, for example, by the power plant, then the gas at the outlet of the installation has a temperature of minus 10-20 ° C and conventional high-quality steels are used in the construction. However, as follows from the laws of thermodynamics, the mechanical energy received from the expander and the usable useful thermal energy (steam or hot water) are not only equal, but the thermal energy exceeds the mechanical energy by the amount of energy, determined by the efficiency of the heat exchanger and the need to transport the coolant to the expander and back. Thus, such a system is energetically insolvent - unprofitable. It is possible to increase the temperature of the gas at the outlet of the expander by reducing the degree of expansion of the gas, but this will lead to the underutilization of the available gas pressure energy. Therefore, in the closest solution, it was proposed (RF patent No. 2098713) that gas expansion and energy extraction be carried out stepwise in several expanders connected in series, and with an interstage supply of heat to the gas. In this case, the medium-temperature (minus 20-30 ° C) cold that occurs when the gas expands in the expander can no longer be considered as a negative phenomenon and not be combated, but it is useful to use it, for example, for refrigerated storage of food products. This together will increase the efficiency of using excess gas pressure energy at reduction stations (waste energy) by almost a factor of two than when using it only in an expander installation for generating mechanical or electrical energy.
Следующая проблема касается технологии и технических средств, которые позволят полезно использовать холод, образующийся при расширении газа в детандерных установках, в частности, в холодильниках для охлажденного хранения продуктов питания, морозильных камерах и льдогенераторах. В известных холодильниках используют в качестве хладагента химические вещества (аммиак, фреон и др.), неизбежные утечки которых негативно влияют на здоровье людей и ухудшают экологическую обстановку. В настоящее время применение таких хладагентов запрещено международными органами и ведутся поиски новых более экологичных хладагентов.The next problem concerns technology and technical means that will make it possible to use the cold generated during gas expansion in expander units, in particular in refrigerators for chilled food storage, freezers and ice makers. Famous refrigerators use chemicals (ammonia, freon, etc.) as the refrigerant, the inevitable leaks of which negatively affect people's health and worsen the environmental situation. Currently, the use of such refrigerants is prohibited by international authorities and a search is underway for new, more environmentally friendly refrigerants.
Известные холодильники являются сложными, дорогостоящими при сооружении и эксплуатации объектами, которые можно условно разделить на две части: 1) холодильно-компрессорный блок с инфраструктурой (системы приема, хранения, подачи хладагента; системы приема, хранения, перемещения, циркуляции и регенерации смазочных масел, системы подачи охлаждающей воды, ее охлаждения, циркуляции или отвода в стоки; система электроснабжения; здания с системами отопления, освещения, вентиляции, водоснабжения, канализации и др.); 2) собственно холодильник, имеющий камеры для хранения продуктов питания, оборудованные теплообменниками с циркуляцией воздуха, дверями, освещением, коридоры для транспортировки грузов и т.д. В известных решениях не используют природный газ с низкой температурой в качестве хладагента для охлаждения камер холодильников, предназначенных для хранения продуктов питания. Природный газ не является токсичным веществом и его применение в качестве хладагента в сочетании с детандерными установками может позволить создать высокоэффективные экологически чистые, менее дорогостоящие холодильники с упрощенной структурой.Famous refrigerators are complex, expensive during the construction and operation of facilities, which can be divided into two parts: 1) refrigeration and compressor unit with infrastructure (receiving, storage, refrigerant supply systems; systems for receiving, storing, moving, circulating and regenerating lubricating oils, systems for supplying cooling water, its cooling, circulation or discharge into drains; power supply system; buildings with heating, lighting, ventilation, water supply, sewage systems, etc.); 2) the refrigerator itself, which has chambers for storing food, equipped with heat exchangers with air circulation, doors, lighting, corridors for transporting goods, etc. In the known solutions do not use natural gas with a low temperature as a refrigerant for cooling the chambers of refrigerators designed to store food. Natural gas is not a toxic substance and its use as a refrigerant in combination with expander units can allow the creation of highly efficient environmentally friendly, less expensive refrigerators with a simplified structure.
Известен газовый холодильник, содержащий теплозащитную рубашку, камеры с закрываемым проемом и теплообменники-воздухоохладители (см. [2] стр.197, 198). Однако он не обеспечивает нагрева охлажденного газа до температуры, обеспечивающей его нормальное использование у потребителя.Known gas refrigerator containing a heat shield, chambers with a closed opening and heat exchangers, air coolers (see [2] p.197, 198). However, it does not provide heating of the chilled gas to a temperature ensuring its normal use by the consumer.
Известен льдогенератор, содержащий теплоизолированную камеру, в нижней части которой размещен каплеобразователь со средством для разбрызгивания воды, размещенный в теплоизолированном канале вентилятор, теплообменник, установленный на каплеобразователе, пластины охлаждения, размещенные в камере, и устройство для приема льда в нижней части камеры (авт.свид. СССР №411277, F 25 C 1/18, 1974). Известный льдогенератор имеет сложную систему охлаждения, а это в сочетании с разбрызгиванием воды в нижней части камеры не позволяет эффективно использовать весь объем камеры для образования льда.A known ice maker containing a thermally insulated chamber, in the lower part of which there is a drop former with means for spraying water, a fan placed in a thermally insulated channel, a heat exchanger mounted on the drier, cooling plates placed in the chamber, and an ice receiving device in the lower part of the chamber (ed. St. USSR No. 411277, F 25 C 1/18, 1974). The known ice machine has a complex cooling system, and this, in combination with spraying water in the lower part of the chamber, does not allow efficient use of the entire volume of the chamber to form ice.
Еще одна проблема касается объективной несогласованности по сезонам года вырабатываемой за счет перепада давления газа энергии и холода с потребностями в холоде. Именно в холодное время года потребляется наибольшее количество газа, а, значит, и больше газа проходит через детандерные установки, и, следовательно, вырабатывается больше энергии и холода, а потребности в холоде в это время естественно снижаются. Это может привести к переохлаждению газа, поступающего в трубопровод после детандерных установок, и, как указывалось выше, к нарушениям параметров газа, технологии и другим негативным последствиям. Для того, чтобы этого не случилось, необходимо снижать мощность энергохолодильного блока (выключить один или несколько агрегатов), не используя энергию той части газового потока, который не проходит через детандерные установки, что является весьма нежелательным; или найти новое техническое решение этой проблемы.Another problem concerns the objective inconsistency in the seasons of the year generated by the differential pressure of gas energy and cold with the needs for cold. It is during the cold season that the largest amount of gas is consumed, and, therefore, more gas passes through the expander units, and, therefore, more energy and cold is generated, and the demand for cold at this time naturally decreases. This can lead to hypothermia of the gas entering the pipeline after the expander units, and, as mentioned above, to violations of gas parameters, technology, and other negative consequences. In order to prevent this from happening, it is necessary to reduce the power of the energy refrigerating unit (turn off one or several units) without using the energy of that part of the gas stream that does not pass through the expander units, which is very undesirable; or find a new technical solution to this problem.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей изобретения является создание комплекса технических решений, обеспечивающих наибольшую эффективность технологии использования энергии технологического перепада давления (бросовой энергии) источника природного газа. При этом способ, применяемый в этой технологии, должен осуществляться с помощью типового оборудования серийного производства, а используемые устройства должны быть усовершенствованными и унифицированными элементами этого оборудования.The objective of the invention is the creation of a range of technical solutions that provide the most efficient technology for using energy from the technological pressure drop (waste energy) of a natural gas source. In this case, the method used in this technology should be carried out using standard serial production equipment, and the devices used should be improved and unified elements of this equipment.
Технический результат, достигаемым с помощью предложенных способа, системы и газового холодильника, является повышение эффективности полезного использования холода выходящего из ЭХА газа и обеспечение на выходе системы температуры газа, необходимой для его нормального использования потребителем без его специального нагрева.The technical result achieved using the proposed method, system and gas refrigerator is to increase the efficiency of the beneficial use of cold coming out of the ECA gas and providing the gas temperature at the system outlet necessary for its normal use by the consumer without special heating.
Техническим результатом в части энергохолодильного агрегата и энергопривода заключается в обеспечении возможности достижения номинальной мощности при различных параметрах газового потока.The technical result in terms of the energy refrigerating unit and the power drive is to provide the ability to achieve rated power at various parameters of the gas stream.
Техническим результатом, достигаемым с помощью предложенного льдогенератора, является упрощение конструкции и повышение эффективности использования объема камеры.The technical result achieved using the proposed ice machine is to simplify the design and increase the efficiency of using the volume of the chamber.
Технический результат достигается тем, что в способе подготовки природного газа к подаче потребителю с комплексным использованием энергии природного газа путем расширения природного газа в, по меньшей мере, одном детандере электрохолодильного агрегата (ЭХА), отвода механической энергии каждого детандера для привода электрогенератора соответствующего ЭХА и пропускания выходящего из ЭХА охладившегося в детандере газа перед подачей его потребителю через, по меньшей мере, один теплообменник холодильника, согласно изобретению используют холодильник с камерами, в каждой из которых размещен теплообменник, осуществляют пропускание холодного газа последовательно через теплообменники камер холодильника, а часть холодного газа пропускают в теплообменник льдогенератора, соединенный с выходом соответствующего ЭХА или с коллектором, соединенным с выходом каждого ЭХА, для получения на выходе льдогенератора температуры газа, обеспечивающей его использование у потребителя.The technical result is achieved by the fact that in the method of preparing natural gas for supplying a consumer with the integrated use of natural gas energy by expanding natural gas in at least one expander of an electro-refrigerating unit (ECA), removing the mechanical energy of each expander to drive an electric generator of the corresponding ECA and transmitting leaving the ECA cooled in the expander of the gas before supplying it to the consumer through at least one heat exchanger of the refrigerator, according to the invention I use a refrigerator with chambers, in each of which a heat exchanger is placed, cold gas is passed sequentially through the heat exchangers of the refrigerator chambers, and part of the cold gas is passed into an ice generator heat exchanger connected to the output of the corresponding ECA or to a collector connected to the output of each ECA to obtain an ice generator at the output gas temperature, ensuring its use by the consumer.
При этом степень расширения газа в каждом детандере выбирают из условия обеспечения указанной температуры газа на входе в теплообменники холодильника и льдогенератора.The degree of expansion of the gas in each expander is selected from the condition of ensuring the specified temperature of the gas at the inlet to the heat exchangers of the refrigerator and the ice maker.
Кроме того, при степени расширения газа в детандере или детандерах, недостаточной для обеспечения заданной температуры газа на входе в холодильник и/или льдогенератор, целесообразно подключать автономный хладопроизводитель соответственно к холодильнику и/или льдогенератору.In addition, if the degree of expansion of the gas in the expander or expanders is insufficient to provide a given gas temperature at the inlet to the refrigerator and / or ice machine, it is advisable to connect a stand-alone refrigerant manufacturer to the refrigerator and / or ice machine, respectively.
Кроме того, желательно систему, включающую, по меньшей мере, по одному указанные детандер, электрогенератор, холодильник и льдогенератор, подсоединять к источнику природного газа и к трубопроводу для подачи газа потребителю параллельно действующей газовой редукционной станции (ГРС) для снижения нагрузки на нее и поддержания требуемых параметров газа, подаваемого потребителю.In addition, it is desirable that a system including at least one of the indicated expander, an electric generator, a refrigerator and an ice generator is connected to a natural gas source and to a gas supply pipe to a consumer in parallel with a gas reduction station (GDS) to reduce the load on it and maintain required parameters of gas supplied to the consumer.
При использовании более одного детандера и при превышении количества газа, проходящего через ГРС, над количеством газа, проходящего через указанную систему, желательно осуществлять байпасирование части газа мимо системы и измерять температуру газа после смешения потоков газа, и при снижении температуры за допустимый уровень уменьшать долю газа, проходящего через систему, путем отключения части детандеров.When using more than one expander and when the amount of gas passing through the GDS exceeds the amount of gas passing through the specified system, it is advisable to bypass a part of the gas past the system and measure the temperature of the gas after mixing the gas flows, and if the temperature drops to an acceptable level, reduce the proportion of gas passing through the system by disconnecting part of the expanders.
Технический результат достигается также тем, что в системе для подготовки природного газа к подаче потребителю с комплексным использованием энергии природного газа, содержащей, по меньшей мере, один энергохолодильный агрегат (ЭХА), каждый из которых включает детандер и связанный с его валом электрогенератор, по меньшей мере, один газовый холодильник, теплообменник которого соединен с выходом, по меньшей мере, одного ЭХА, и трубопровод подачи газа к потребителю, согласно изобретению газовый холодильник содержит камеры, в каждой из которых размещен теплообменник, теплообменники соединены друг с другом последовательно, а выход теплообменников соединен с трубопроводом для подачи газа потребителю, а система снабжена, по меньшей мере, одним льдогенератором, теплообменник которого соединен с выходом соответствующего ЭХА или с коллектором, соединенным с выходом каждого ЭХА, и с трубопроводом подачи газа к потребителю.The technical result is also achieved by the fact that in a system for preparing natural gas for supplying a consumer with the integrated use of natural gas energy containing at least one energy-refrigerating unit (ECA), each of which includes an expander and an electric generator connected to its shaft, at least at least one gas refrigerator, the heat exchanger of which is connected to the outlet of at least one ECA, and the pipeline for supplying gas to the consumer, according to the invention, the gas refrigerator contains chambers, in each of which a heat exchanger is placed, heat exchangers are connected to each other in series, and the output of the heat exchangers is connected to a pipeline for supplying gas to the consumer, and the system is equipped with at least one ice generator, the heat exchanger of which is connected to the output of the corresponding ECA or to a collector connected to the output of each ECA, and with a pipeline for supplying gas to the consumer.
Технический результат достигается также тем, что в энергохолодильном агрегате, содержащем герметичную камеру с выходным трубопроводом, установленные в ней турбодетандер и соединенный с его валом электрогенератор, датчик частоты вращения вала турбодетандера, соединенный с трубопроводом подвода газа дроссель-дозатор для подачи газа к соплам турбодетандера, связанный с ним регулятор подачи газа и электронный блок, связанный с указанными датчиком и регулятором, согласно изобретению сопла турбодетандера разделены на две или более группы, одна группа сопел соединена с трубопроводом подвода газа через указанный дроссель-дозатор, а другая или другие - через коллектор или через дополнительный дроссель-дозатор или дроссель-дозаторы.The technical result is also achieved by the fact that in an energy-refrigerating unit containing a sealed chamber with an outlet pipe, a turboexpander installed in it and an electric generator connected to its shaft, a turboexpander shaft speed sensor connected to a gas supply pipe, a throttle-dispenser for supplying gas to the nozzles of the turbine expander, the associated gas supply regulator and an electronic unit associated with said sensor and regulator, according to the invention, the turbo-expander nozzles are divided into two or more groups, one group of nozzles is connected to the gas supply pipeline through the specified metering throttle, and the other or others through the collector or through an additional metering throttle or metering throttle.
Кроме того, на трубопроводе подвода газа к турбодетандеру установлен управляемый с помощью системы автоматики запорный орган с плавной операцией открытия при загрузке электрогенератора и с быстрым закрытием по сигналу от системы автоматики, формируемому внешним включением или блоком защиты при отклонении рабочих параметров агрегата и процессов за заданные пределы с возможностью одновременного снятия нагрузки с электрогенератора и закрытия запорного органа.In addition, a gas-operated shutter with an automatic control system is installed on the gas supply line to the turbo-expander with a smooth opening operation when the generator is loaded and quickly closed by a signal from the automation system, formed by an external switch on or by a protection unit when the operating parameters of the unit and processes deviate beyond specified limits with the possibility of simultaneously removing the load from the generator and closing the shut-off body.
При этом турбодетандер имеет прочность, рассчитанную для наибольшего принятого уровня давления газа, а камера имеет прочность, рассчитанную при давлении меньше наибольшего принятого на величину степени расширения газа в турбодетандере.In this case, the turbo-expander has a strength calculated for the highest accepted level of gas pressure, and the chamber has a strength calculated at a pressure less than the highest accepted by the magnitude of the degree of expansion of the gas in the turbo-expander.
При этом на трубопроводе подачи газа к турбодетандеру может быть установлен редуктор газа для поддержания его давления не выше требуемого, а на выходном трубопроводе, соединенном с камерой, могут быть установлены предохранительные клапаны, выполненные с возможностью срабатывания при повышении давления газа в камере выше указанного уровня, для которого рассчитана прочность камеры, причем их суммарное проходное сечение выбрано больше сечения сопел турбодетандера.At the same time, a gas reducer can be installed on the gas supply line to the turbo-expander to maintain its pressure not higher than the required one, and safety valves can be installed on the outlet pipe connected to the chamber, which can be activated when the gas pressure in the chamber rises above the specified level, for which the strength of the chamber was calculated, and their total flow area selected is greater than the cross section of the nozzles of the turbo expander.
Камера имеет размеры, определенные исходя из размеров электрогенератора наибольшей мощности в используемом мощностном ряду, а турбодетандер имеет размеры проточной части и мощность, рассчитанные из условия достижения электрогенератором номинальной мощности при наименьшем заданном давлении газа на входе в турбодетандер.The chamber has dimensions determined on the basis of the dimensions of the electric generator of the highest power in the used power range, and the turboexpander has the dimensions of the flow part and the power calculated from the condition that the electric generator reaches its rated power at the lowest specified gas pressure at the inlet to the turbine expander.
Кроме того, при минимальном, но достаточном для развития турбодетандером заданной мощности потока газа от источника дроссель-дозатор соединен с одной группой сопел и с трубопроводом подвода газа к турбодетандеру, снабженным указанным запорным органом, а агрегат снабжен коллектором, соединенным с остальными группами сопел турбодетандера и с указанным трубопроводом подвода газа к турбодетандеру для осуществления пуска, ввода электрогенератора в синхронизм с внешней сетью и развития мощности 5-10% от номинальной при подаче газа через дроссель-дозатор для осуществления полной загрузки электрогенератора при дополнительной подаче газа через коллектор.In addition, at a minimum, but sufficient for the turbo-expander to develop a predetermined gas flow from the source, the throttle-dispenser is connected to one group of nozzles and to a gas supply pipe to the turbo-expander equipped with said shut-off element, and the unit is equipped with a collector connected to the other groups of turbo-expander nozzles and with the specified pipeline for supplying gas to the turbo-expander for starting, putting the generator in synchronism with the external network and developing power 5-10% of the nominal when supplying gas through the jail sel dispenser for the full load of the generator with additional gas supply through the collector.
При высоких давлениях газа источника, один или несколько дросселей-дозаторов, соединенных с одной или более группами сопел, присоединены к коллектору, соединенному с трубопроводом подвода газа к турбодетандеру, для обеспечения подачи газа через дроссель-дозатор или дроссель-дозаторы при регулировании подачи газа к соплам как при пуске и вводе электрогенератора в синхронизм с электросетью, так и при номинальной его нагрузке и других режимах работы агрегата.At high source gas pressures, one or more metering throttles connected to one or more groups of nozzles are connected to a manifold connected to a gas supply line to the turbo-expander to provide gas supply through the metering throttle or metering throttle when regulating the gas supply to nozzles during start-up and commissioning of the generator in synchronism with the power grid, and at its rated load and other operating modes of the unit.
В обоих случаях проточная часть турбодетандера имеет параметры, а именно число и размеры входящих в нее групп сопел и трубопроводов, соединяющих их с выходами коллектора или с дроссель-дозатором, рассчитанные из условия обеспечения оптимального КПД при изменении давления газа на его входе в 4-5 раз, расхода газа в 4-6 раз и мощности турбодетандера в 3-4 раза.In both cases, the flow part of the turboexpander has parameters, namely, the number and sizes of nozzle groups and pipelines included in it, connecting them to the outlet of the collector or with the throttle-dispenser, calculated from the condition of ensuring optimal efficiency when the gas pressure at its inlet changes in 4-5 times, gas consumption by 4-6 times and turbine expander power by 3-4 times.
При этом электрогенератор выполнен с возможностью использования его при пуске агрегата в качестве электродвигателя и раскручивания своего ротора и вала турбодетандера при подаче на него напряжения от внешней электросети до синхронной с электросетью частоты и с возможностью перехода после этого и после подачи газа в сопла турбодетандера из режима двигателя в режим генератора при равенстве потребляемой агрегатом и вырабатываемой им мощности и выхода на номинальный режим.In this case, the generator is made with the possibility of using it when starting up the unit as an electric motor and untwisting its rotor and turbine expander shaft when voltage is supplied to it from an external power supply to a frequency synchronous with the power supply network and with the possibility of transition after that and after gas supply to the turbo-expander nozzles from engine mode into the generator mode with the equality of the power consumed by the unit and the power it produces and reaching the nominal mode.
Технический результат достигается также тем, что в энергоприводе с лопаточной машиной - турбодетандере, содержащем корпус, установленный в нем на валу ротор с рабочими лопатками, закрепленные на корпусе сопла, направленные на лопатки ротора, дроссель-дозатор и датчик частоты вращения вала ротора, связанный с регулятором подачи газа через дроссель-дозатор, сопла разделены на несколько групп, одна группа сопел соединена с трубопроводом подвода газа через указанный дроссель-дозатор, а остальные - через коллектор, соединенный с запорным органом.The technical result is also achieved by the fact that in the power drive with a blade machine - a turboexpander containing a housing mounted on the rotor shaft with rotor blades mounted on the nozzle housing, directed to the rotor blades, a metering throttle and a rotor shaft speed sensor associated with gas flow regulator through the metering throttle, nozzles are divided into several groups, one group of nozzles is connected to the gas supply pipe through the specified metering throttle, and the rest is through a manifold connected to the shut-off device nom.
При этом число сопел, соединяемых с трубопроводом подвода газа при работе энергопривода, определено исходя из условий достижения номинальной мощности с максимальным КПД при наименьшем давлении газа источника.In this case, the number of nozzles connected to the gas supply pipeline during operation of the power drive is determined on the basis of the conditions for achieving the rated power with maximum efficiency at the lowest pressure of the source gas.
Кроме того, степень расширения газа выбрана исходя из заданной температуры газа на выходе энергопривода при наибольшей температуре газа, поступающего в энергопривод от источника.In addition, the degree of expansion of the gas is selected based on a given temperature of the gas at the output of the power drive at the highest temperature of the gas entering the power drive from the source.
Технический результат достигается также тем, что в газовом холодильнике, содержащем теплоизолированные камеры с закрываемым проемом и теплообменники, согласно изобретению в каждой камере размещены теплообменник и вентилятор, для обеспечения хранения продуктов при различной температуре теплообменники соединены последовательно и на трубопроводах подвода холодного газа к каждому теплообменнику установлены запорно-регулирующие органы с возможностью поддержания в первой по ходу холодного газа камере наиболее низкой температуры воздуха и последовательно увеличивающейся температуры воздуха в последующих камерах.The technical result is also achieved by the fact that in a gas refrigerator containing heat-insulated chambers with a closed opening and heat exchangers, according to the invention, a heat exchanger and a fan are placed in each chamber, to ensure storage of products at different temperatures, heat exchangers are connected in series and installed on the pipelines for supplying cold gas to each heat exchanger locking and regulating bodies with the ability to maintain in the first along the cold gas chamber the lowest air temperature ha and successively increasing air temperature in subsequent chambers.
Кроме того, каждая камера может быть снабжена системой регулирования температуры воздуха, связанной с размещенными в камере термодатчиками, с запорно-регулирующим органом и с вентилятором с возможностью изменения подачи холодного газа в теплообменник и/или скорости вращения вентилятора в зависимости от заданных и фактических температур воздуха в камерах.In addition, each chamber can be equipped with an air temperature control system associated with temperature sensors located in the chamber, with a shut-off regulating body and with a fan with the possibility of changing the supply of cold gas to the heat exchanger and / or the fan rotation speed depending on the set and actual air temperatures in the cameras.
Причем при недостаточно низкой температуре подаваемого холодного газа, по меньшей мере, одна камера может быть подключена к автономному хладопроизводителю с возможностью забора из камеры части воздуха, охлаждения его и возврата обратно в камеру для поддержания в ней заданной температуры.Moreover, if the temperature of the supplied cold gas is not low enough, at least one chamber can be connected to an autonomous refrigeration producer with the possibility of taking part of the air from the chamber, cooling it and returning it to the chamber to maintain the set temperature in it.
Для периодического оттаивания теплообменников выходной трубопровод каждого теплообменника может быть соединен через запорный орган с узлом присоединения к нагнетателю горячего воздуха, а к входу теплообменника через запорный орган может быть присоединена сбросная свеча для выхода из теплообменника сначала газа, а затем горячего воздуха.To periodically thaw the heat exchangers, the outlet pipe of each heat exchanger can be connected through a shut-off element to the hot air blower connection unit, and a discharge candle can be connected to the heat exchanger inlet through the shut-off element to exit the gas exchanger first, and then hot air.
Кроме того, в верхних точках каждой камеры могут быть установлены датчики концентрации метана, которые через преобразователь-усилитель сигналов соединены с системой автоматики и защиты, соединенной с запорным органом, установленным на трубопроводе подвода газа к соответствующему теплообменнику, а также с системой вытяжной вентиляции.In addition, methane concentration sensors can be installed at the upper points of each chamber, which are connected through a signal converter-amplifier to an automation and protection system connected to a shut-off element installed on the gas supply pipe to the corresponding heat exchanger, as well as to an exhaust ventilation system.
Целесообразно, чтобы теплообменники и трубопроводы, размещенные внутри камер, были выполнены без разъемных соединений, а запорные органы размещены за пределами камер.It is advisable that the heat exchangers and pipelines located inside the chambers are made without detachable connections, and the shut-off bodies are placed outside the chambers.
Технический результат достигается также тем, что в льдогенераторе, содержащем теплоизолированную камеру, в которой размещен каплеобразователь со средством для разбрызгивания воды, размещенный в теплоизолированном канале вентилятор, теплообменник и устройство для приема льда в нижней части камеры, согласно изобретению теплообменник размещен в указанном теплоизолированном канале и соединен с трубопроводами подвода и отвода холодного газа с запорными органами, указанный канал соединен своим входом с верхней частью камеры, а выходом - с отверстиями в боковых стенках камеры для входа в камеру охлажденного воздуха.The technical result is also achieved by the fact that in an ice machine containing a thermally insulated chamber, in which a droplet former with a means for spraying water is placed, a fan, a heat exchanger and an ice receiving device in the lower part of the chamber are located in the thermally insulated channel, according to the invention, the heat exchanger is placed in the said thermally insulated channel and connected to pipelines for supplying and discharging cold gas with locking elements, the specified channel is connected by its inlet to the upper part of the chamber, and the outlet - with holes in the side walls of the chamber to enter the chilled air chamber.
Кроме того, каплеобразователь может быть соединен с другим теплообменником для подачи в него воды, охлажденной холодным газом.In addition, the droplet can be connected to another heat exchanger to supply water cooled with cold gas.
Устройство для приема льда представляет собой накопитель льда в виде размещенной в нижней части камеры емкости с наклонными стенками и балансиром, установленной на оси и связанной с фиксирующим устройством с возможностью расфиксирования и опрокидывания накопителя при наполнении его льдом за счет несимметричности накопителя и возвращения освободившегося ото льда накопителя в исходное положение за счет момента от балансира и фиксации накопителя.The device for receiving ice is an ice storage device in the form of a tank located at the bottom of the chamber with inclined walls and a balancer, mounted on an axis and connected with a fixing device with the possibility of unlocking and tipping the drive when filling it with ice due to the asymmetry of the drive and the return of the drive freed from ice to the starting position due to the moment from the balancer and fixing the drive.
При этом внутренние поверхности камеры льдогенератора и емкости накопителя предпочтительно покрыты водонесмачиваемым материалом, например тефлоном.In this case, the inner surfaces of the ice maker chamber and the storage tanks are preferably coated with a water-wettable material, for example Teflon.
Льдогенератор может быть также снабжен размещенным под накопителем ленточным транспортером и льдохранилищем, в котором установлен транспортабельный распределитель для подачи на него брикетов льда из накопителя с помощью ленточного транспортера, а к распределителю пристыкованы другие ленточные транспортеры для укладки брикетов льда на пол льдохранилища друг на друга или на стеллажи.The ice maker can also be equipped with a conveyor belt and an ice storage located under the drive, in which a transportable distributor is installed for feeding ice briquettes onto it from the drive using a conveyor belt, and other belt conveyors are attached to the distributor for laying ice briquettes on the ice storage floor one on another or on shelving.
При этом вход в льдохранилище может быть совмещен с выходом для льда из камеры, а на выходе из льдохранилища может быть установлен льдодробильный агрегат для превращения брикетов льда в товарный лед заданной структуры.In this case, the entrance to the ice storage can be combined with the exit for ice from the chamber, and an ice crushing unit can be installed at the exit from the ice storage to turn ice briquettes into marketable ice of a given structure.
Таким образом, комплексное использование энергии природного газа при подаче его потребителю осуществляют через присоединенный к трубопроводу высокого давления детандер, в котором природный газ расширяется с понижением температуры и отводом механической энергии для привода энергопотребителя, например, электрогенератор, а затем охлажденный газ проходит через теплообменники холодильника и льдогенератора, в которым он нагревается, его температура повышается, и далее он входит в трубопровод, отводящий газ потребителям. При этом согласно изобретению газ потребителям подают через один или несколько соединенных последовательно, параллельно или комбинированно детандеров, измеряют перепад температуры газового потока, прошедшего через детандер, и в зависимости от значения этого перепада газовый поток направляют либо в теплообменник, где он нагревается за счет охлаждения окружающего воздуха, либо в следующий последовательно присоединенный детандер. На выходе детандера, в который газовый поток поступает, пройдя теплообменник, целесообразно температуру газа поддерживать в заданных пределах. Для этого можно (в зависимости от степени расширения газа в детандере) устанавливать в теплообменнике режим нагрева газа, компенсирующий его последующее охлаждение в детандере.Thus, the complex use of natural gas energy when it is supplied to the consumer is carried out through an expander connected to the high pressure pipeline, in which natural gas expands with decreasing temperature and mechanical energy is removed to drive the energy consumer, for example, an electric generator, and then the cooled gas passes through the heat exchangers of the refrigerator and the ice maker in which it is heated, its temperature rises, and then it enters the pipeline that discharges gas to consumers. Moreover, according to the invention, gas is supplied to consumers through one or more expanders connected in series, parallel or combined, the temperature difference of the gas stream passing through the expander is measured, and depending on the value of this difference, the gas stream is directed either to a heat exchanger, where it is heated by cooling the surrounding air, or to the next series-connected expander. At the output of the expander, into which the gas stream enters after passing through a heat exchanger, it is advisable to maintain the gas temperature in predetermined limits. For this, it is possible (depending on the degree of expansion of the gas in the expander) to set the gas heating mode in the heat exchanger, compensating for its subsequent cooling in the expander.
Для решения этой задачи предлагается также энергохолодильный агрегат, включающий детандер, вырабатывающий механическую энергию, потребитель механической энергии, например, электрогенератор, систему подвода и отвода газа, систему регулирования режима работы агрегата и др.To solve this problem, an energy-refrigerating unit is also proposed, including an expander that generates mechanical energy, a consumer of mechanical energy, for example, an electric generator, a gas supply and exhaust system, a unit operating mode control system, etc.
Из таких агрегатов на газовых объектах предлагается создавать энергоблоки в виде соединенных газовыми трубопроводами последовательно, если возможная степень расширения газа превышает четыре, нескольких энергохолодильных агрегатов, за каждым из которых по ходу газа должен быть установлен теплообменник с входным и выходным трубопроводами, при этом во входном трубопроводе перед теплообменником установлен запорный орган, а входной и выходной трубопроводы соединены другим трубопроводом с запорным органом для возможности направления потока в обвод теплообменникаFrom such units at gas facilities it is proposed to create power units in the form of series-connected gas pipelines, if the possible degree of gas expansion exceeds four, several energy refrigeration units, each of which should have a heat exchanger with inlet and outlet pipelines along the gas, while in the inlet pipeline a shut-off element is installed in front of the heat exchanger, and the inlet and outlet pipelines are connected by another pipeline to the shut-off element for the possibility of direction along current to the heat exchanger bypass
Степень расширения газа в детандере каждого энергохолодильного агрегата должна быть такой, при которой температура газа после расширения должна находиться в заданном интервале, пригодном для прямого полезного использования холода, содержащегося в газовом потоке. Например, при использовании возникшего холода в холодильнике для хранения продуктов питания температура газа должна находиться в пределах минус 20-30°С. При возможной степени расширения газа на объекте в пределах 1,8-2,5 входы детандеров энергохолодильных агрегатов, входящих в блок, возможно присоединять трубопроводами к одному коллектору, который соединен с источником газа высокого давления, а выходы - также к одному коллектору низкого давлениях (т.е. параллельно), к которому трубопроводами присоединяются теплообменные аппараты холодильника, льдогенератора и других потребителей холода, после чего газ направляется по трубопроводу потребителю. При объемах потока больше, чем проход газа через один детандер агрегата, и высоких (более 4-х) отношениях давления источника и потребителя газа несколько энергохолодильных агрегатов можно присоединять трубопроводами к коллектору источника газа высокого давления, а за каждым агрегатом, присоединенным таким образом к источнику газа высокого давления, присоединять еще один или несколько агрегатов с теплообменниками, как это описано выше. При этом выходы каждого последнего в этой цепи детандера следует присоединять к коллектору газа низкого давления, из которого он направляется для использования холода.The degree of gas expansion in the expander of each energy-refrigerating unit should be such that the gas temperature after expansion should be in a predetermined interval suitable for direct beneficial use of the cold contained in the gas stream. For example, when using the arising cold in the refrigerator for storing food, the gas temperature should be in the range of minus 20-30 ° С. With a possible degree of gas expansion at the facility within 1.8-2.5, the inputs of the expanders of energy refrigerating units included in the unit can be connected by pipelines to one collector that is connected to a high pressure gas source, and the outputs also to one low pressure collector ( i.e. in parallel), to which the heat exchangers of the refrigerator, ice maker and other cold consumers are connected by pipelines, after which the gas is sent through the pipeline to the consumer. With flow volumes greater than the gas passage through one expander of the unit, and high (more than 4) pressure ratios of the source and consumer of the gas, several energy-refrigerating units can be connected by pipelines to the collector of the high-pressure gas source, and behind each unit thus connected to the source high-pressure gas, connect one or more units with heat exchangers, as described above. At the same time, the outputs of each last expander in this circuit should be connected to the low-pressure gas manifold from which it is sent to use the cold.
Во всех описанных выше схемах соединения энергохолодильных агрегатов должна быть предусмотрена возможность выключения из работы как каждого агрегата, так и блока в целом без нарушения подачи газа потребителю. Это можно обеспечить за счет обводного трубопровода газа, подключенного к газовому трубопроводу высокого давления и сообщенного с входным и выходным трубопроводами каждого теплообменника. Причем в этих трубопроводах и в обводном трубопроводе должны быть установлены запорные элементы таким образом, чтобы в случае снижения давления источника газа или аварийной ситуации, вызывающей остановку одного или всех агрегатов, газовый поток мог быть направлен в обход любого детандера, а также теплообменника, при этом в газовом трубопроводе перед узлом подключения обводного трубопровода должен быть установлен блок редукционных клапанов (редукторов давления).In all the above-described schemes for connecting energy-refrigerating units, it must be possible to shut down both each unit and the unit as a whole without disrupting the gas supply to the consumer. This can be achieved through a gas bypass pipe connected to a high pressure gas pipeline and connected to the inlet and outlet pipelines of each heat exchanger. Moreover, in these pipelines and in the bypass piping, shut-off elements must be installed in such a way that in the event of a decrease in the pressure of the gas source or an emergency situation causing one or all of the units to stop, the gas flow could be bypassed any expander, as well as the heat exchanger, while in the gas pipeline in front of the bypass pipeline connection unit, a block of pressure reducing valves (pressure reducers) must be installed.
В качестве энергопривода в энергохолодильном агрегате применен турбодетандер, т.е. лопаточная машина, содержащая корпус с трубопроводами подвода и отвода газа, ротор с лопатками, установленный на валу, связанном с валом электродвигателя с помощью муфты, сопловый аппарат, разделенный на группы, струи газа после которого взаимодействуют с лопатками ротора, дозатор расхода газа, сообщенный трубопроводами с соплами, систему управления дозатором при регулировании расхода газа, которая включает модулятор с датчиком частоты вращения вала ротора, соединенный через электронный блок и усилитель сигнала с исполнительным устройством, обеспечивающим требуемое изменение проходного сечения дозатора при пуске, выходе и поддержании номинальных оборотов холостого хода и изменении нагрузки.A turbo expander, i.e. a blade machine containing a housing with gas supply and exhaust pipelines, a rotor with blades mounted on a shaft connected to the electric motor shaft by means of a coupling, a nozzle apparatus divided into groups, gas jets after which interact with rotor blades, a gas flow meter dispensed by pipelines with nozzles, a dispenser control system for regulating gas flow, which includes a modulator with a rotor shaft speed sensor connected via an electronic unit and a signal amplifier to an actuator the property providing the required change in the bore of the dispenser during start-up, exit, and maintenance of the nominal idle speed and load change.
Целесообразно связь вала ротора с валом энергопотребителя выполнить в виде синхронной радиальной магнитной муфты, состоящей их двух полумуфт, разделенных герметичным экраном из непроводящего или высокоомного материала, а при размещении турбодетандера и энергопотребителя (электрогенератора) в герметичной камере (капсуле), заполненной газом, при работе энергохолодильного агрегата соединение валов целесообразно осуществлять с помощью мягкой пальчиковой муфты (см. свидетельство на полезную модель РФ №20778).It is advisable to connect the rotor shaft with the energy consumer shaft in the form of a synchronous radial magnetic coupling, consisting of two half-couplings, separated by a sealed screen of non-conductive or high-resistance material, and when placing a turboexpander and an energy consumer (electric generator) in a sealed chamber (capsule) filled with gas during operation It is advisable to connect the shafts of the energy-refrigerating unit using a soft finger coupling (see certificate for utility model of the Russian Federation No. 20778).
Дозатор расхода газа может быть выполнен в виде расположенного в корпусе поворотного или золотникового дросселя с приводом от рычажной или электромагнитной системы. При достаточно высоких давлениях источника газа весь поток желательно подавать в турбодетандер через управляемый дозатор газа на всех режимах работы от пуска до приема полной нагрузки, а при невысоких давлениях источника газа целесообразно подавать через дозатор только часть газового потока, т.е. к одной из групп сопел для обеспечения пуска агрегата, вывода на номинальные обороты холостого хода и их поддержание, синхронизации генератора с электросетью и приема частичной нагрузки. Дальнейшее увеличение нагрузки осуществлять путем плавного открытия управляемого запорного устройства и подвода газа к остальным группам сопел турбодетандера. Желательно, чтобы это управляемое запорное устройство было способно открываться медленно (30-40 с), а закрываться быстро (0,3-0,5 с). В этом случае оно может использоваться в системе защиты агрегата при отклонении его определяющих параметров за допустимые пределы.The gas flow meter can be made in the form of a rotary or spool throttle located in the housing with a drive from a lever or electromagnetic system. At sufficiently high pressure of the gas source, it is desirable to supply the entire stream to the turboexpander through a controlled gas meter at all operating modes from start-up to full load, and at low gas source pressures, it is advisable to supply only part of the gas stream through the meter, i.e. to one of the nozzle groups to ensure the start-up of the unit, output to the rated idle speed and their maintenance, synchronization of the generator with the mains and partial load reception. Further increase the load by smoothly opening a controlled shut-off device and supplying gas to the other groups of nozzles of the turboexpander. It is desirable that this controlled locking device be able to open slowly (30-40 s) and close quickly (0.3-0.5 s). In this case, it can be used in the protection system of the unit when its defining parameters deviate from the permissible limits.
Образующийся при расширении газа в детандере холод целесообразно использовать для охлаждения камер холодильника за счет пропуска потока холодного газа (минус 20-30°С) как хладагента через теплообменники, размещенные в камере холодильника. Причем в случае последовательного включения детандеров в трубопровод газа высокого давления теплообменники холодильников подключаются после каждого детандера, т.е. после каждой ступени расширения газа, а при параллельном присоединении нескольких турбодетандеров их желательно присоединять трубопроводами к одному коллектору, соединенному с источником газа высокого давления, при этом отвод газа от каждого детандера соединять трубопроводами с другим коллектором низкого давления, из которого газ подводится к теплообменникам, а затем после нагревания в них газ должен отводиться в трубопровод подачи газа потребителю.It is advisable to use the cold generated during gas expansion in the expander for cooling the refrigerator chambers due to the passage of the cold gas stream (minus 20-30 ° C) as a refrigerant through heat exchangers located in the refrigerator chamber. Moreover, in the case of the sequential inclusion of expanders in the high pressure gas pipeline, the heat exchangers of the refrigerators are connected after each expander, i.e. after each stage of gas expansion, and when several turbo-expanders are connected in parallel, it is desirable to connect them by pipelines to one collector connected to a high-pressure gas source, while the gas outlet from each expander to be connected by pipelines to another low-pressure manifold from which gas is supplied to heat exchangers, and then, after heating, gas should be diverted into the gas supply line to the consumer.
В целях наиболее полного использования возникающего при работе детандеров холода желательно в холодильнике иметь низкотемпературные камеры (минус 18-20°С), камеры со средней (минус 7-8°С) и высокой температурой (минус 2 или плюс 2°С) хранения продуктов. При этом теплообменники в этих камерах соединяются трубопроводами последовательно, и газ должен отводиться в трубопровод потребителя после камеры с наиболее высокой температурой.In order to make the fullest possible use of the cold expanders during operation, it is desirable to have low-temperature chambers (minus 18-20 ° C), chambers with medium (minus 7-8 ° C) and high temperature (minus 2 or
Далее в прохладное и холодное время года избыток холода, образующегося при полной загрузке энергохолодильных агрегатов, используют для производства льда и складируют его для интенсивного использования при торговле охлажденной продукцией в теплое время года.Further, in the cool and cold season, the excess of cold formed during the full load of energy-refrigerating units is used for ice production and stored for intensive use in the trade of chilled products in the warm season.
Для этой цели согласно изобретению избыточную (после обеспечения работы холодильника) часть потока холодного газа-хладагента целесообразно направить в теплообменник льдогенератора, в котором организован процесс непрерывной заморозки капель воды, разбрызгиваемой с помощью насадок в воздушном пространстве теплоизолированной камеры льдогенератора. Причем капли воды предлагается выбрасывать из насадок навстречу или под углом к холодному воздушному потоку, идущего от теплообменника. Капли воды после заморозки опустятся вниз камеры и, как предлагается в изобретении, будут накапливаться в специальном поддоне, который после наполнения опрокидывается около оси, сбрасывая ледяной брикет на транспортер, по которому он перемещается в примыкающее к льдогенератору льдохранилище и укладывается на хранение с помощью распределителя и системы транспортеров. Товарный лед заданной структуры предлагается формировать из хранимого льда путем его дробления с помощью льдодробильных агрегатов.For this purpose, according to the invention, it is advisable to direct the excess (after ensuring the operation of the refrigerator) part of the cold gas stream to the heat exchanger of the ice generator, in which the process of continuous freezing of water droplets sprayed with nozzles in the air space of the heat-insulated chamber of the ice generator is organized. Moreover, it is proposed to drop water drops from the nozzles towards or at an angle to the cold air stream coming from the heat exchanger. Drops of water after freezing will fall down the chambers and, as proposed in the invention, will accumulate in a special tray, which, after filling, tilts around the axis, dropping the ice briquette onto the conveyor, through which it moves into the ice storage adjacent to the ice maker and is stored using a distributor and conveyor systems. Commercial ice of a given structure is proposed to be formed from stored ice by crushing it using ice crushing units.
Таким образом, показано, что признаки, которыми охарактеризованы изобретения, являются существенными и нацелены на решение единой задачи - наиболее эффективного и комплексного использовании энергии перепада давления источника природного газа, т.е. "бросовой" энергии газового потока, которая в настоящее время в больших количествах диссипируется при редуцировании давления газа в газораспределительных системах.Thus, it is shown that the features that characterize the invention are significant and aimed at solving a single problem - the most efficient and integrated use of the energy of the pressure drop of a natural gas source, i.e. "waste" energy of the gas stream, which is currently dissipated in large quantities during the reduction of gas pressure in gas distribution systems.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Группа изобретений поясняется чертежами, где:The group of inventions is illustrated by drawings, where:
на фиг.1 изображена блок-схема предлагаемой системы энергохолодильного комплекса;figure 1 shows a block diagram of the proposed system of energy-refrigerating complex;
на фиг.2 - энергохолодильный комплекс, функциональная схема;figure 2 - energy refrigerating complex, functional diagram;
на фиг.3 - энергохолодильный агрегат, функциональная схема;figure 3 - energy refrigeration unit, functional diagram;
на фиг.4 - газовый холодильник, функциональная схема;figure 4 - gas refrigerator, functional diagram;
на фиг.5 - льдогенератор с льдохранилищем, функциональная схема.figure 5 - ice maker with ice storage, functional diagram.
Предпочтительный вариант осуществления изобретенийPreferred Embodiment
На фиг.1 представлена блок-схема системы, реализующей предлагаемый способ, - энергохолодильного комплекса - показывающая взаимосвязи его компонентов между собой и ГРС. Как видно, энергохолодильный комплекс включает энергоблок 100 из энергохолодильных агрегатов, газовый холодильник 101 и льдогенератор 102 с льдохранилищем 103. Все эти компоненты связаны газовыми трубопроводами между собой и с газопроводами ГРС 104 (пунктирные линии). Каждый объект, составляющий энергохолодильный комплекс, производит свой положительный эффект:Figure 1 presents a block diagram of a system that implements the proposed method, an energy-refrigerating complex, showing the relationship of its components with each other and GDS. As can be seen, the energy-refrigerating complex includes a power unit 100 of energy-refrigerating units, a gas refrigerator 101 and an ice maker 102 with an ice storage 103. All these components are connected by gas pipelines to each other and to the gas pipelines of the GDS 104 (dashed lines). Each object that makes up the energy-refrigerating complex produces its own positive effect:
- энергоблок 100 - электроэнергию и холод;- power unit 100 - electricity and cold;
- газовый холодильник 101 - холодные объемы для хранения продуктов питания;- gas refrigerator 101 - cold storage volumes for food;
- льдогенератор 102 - товарный (водяной) лед.- ice maker 102 - marketable (water) ice.
От источника природный газ высокого давления, пройдя очистку, поступает в турбодетандер энергохолодильного агрегата, в сопловом аппарате которого потенциальная энергия газа частично превращается в кинетическую энергию с понижением его температуры. Струи газа с большой скоростью воздействуют на лопатки ротора турбодетандера, приводя его во вращение, который, в свою очередь, совершает работу над внешними объектами, например, приводит в действие электрогенератор. Перепад температуры газа на входе и выходе из турбодетандера определяется степенью расширения в нем газа. Далее газ, как хладагент, направляется в теплообменники холодильника или в теплообменники холодильника и льдогенератора одновременно. Это зависит от количества газа, проходящего через турбодетандер. Степень расширения газа в каждом турбодетандере принимают одинаковой и по величине, достаточной для требуемого снижения температуры газового потока для целей его использования в качестве хладагента для холодильника и льдогенератора. Этот перепад температуры измеряют, и при необходимости для более глубокого охлаждения газового потока направляют не в теплообменник холодильника, а в следующий последовательно подсоединенный турбодетандер, в котором реализуют вторую ступень расширения газа, а затем направляют в теплообменники для полезного использования, и т.д. В том случае, если перепад давления газа недостаточен для требуемого охлаждения газового потока, в камеры холодильника дополнительно подают воздух с более низкой температурой от автономного компрессорного холодильного агрегата малой мощности с тем, чтобы после смешивания воздуха, охлажденного в теплообменниках газовым хладагентом, и воздуха, поданного дополнительно от этого агрегата, температура воздуха в холодильной камере достигла требуемого уровня.After being cleaned, the high-pressure natural gas enters the turboexpander of the energy-refrigerating unit, in the nozzle apparatus of which the potential energy of the gas is partially converted into kinetic energy with a decrease in its temperature. The jets of gas at a high speed act on the blades of the rotor of the turbo expander, bringing it into rotation, which, in turn, performs work on external objects, for example, drives an electric generator. The difference in gas temperature at the inlet and outlet of the turboexpander is determined by the degree of expansion of gas in it. Then the gas, as a refrigerant, is sent to the heat exchangers of the refrigerator or to the heat exchangers of the refrigerator and the ice maker at the same time. It depends on the amount of gas passing through the turboexpander. The degree of expansion of gas in each turboexpander is assumed to be the same and in magnitude sufficient for the required reduction in the temperature of the gas stream for use as a refrigerant for a refrigerator and an ice maker. This temperature difference is measured, and if necessary, for a deeper cooling of the gas stream, it is sent not to the heat exchanger of the refrigerator, but to the next series-connected turbo expander, in which the second stage of gas expansion is realized, and then sent to heat exchangers for useful use, etc. In the event that the gas pressure drop is insufficient for the required cooling of the gas stream, air with a lower temperature is additionally supplied to the refrigerator chambers from a low-power independent compressor refrigeration unit so that after mixing the air cooled in the heat exchangers with gas refrigerant and the air supplied Additionally from this unit, the air temperature in the refrigerator compartment has reached the required level.
Для наиболее полного использования возникающего при расширении газа в турбодетандере, направляемого с потоком газа в теплообменники холодильника, т.е. для обеспечения наибольшего нагрева газа, в холодильнике последовательно располагают камеры, в которых необходимо поддерживать различные уровни температуры воздуха. Причем первым к источнику холодного газа - турбодетандеру или коллектору газа низкого давления подключают теплообменники камеры с наиболее низкой температурой циркулирующего в ней воздуха, например минус 18-20°С, затем последовательно подключают теплообменники камеры, в которой должен циркулировать воздух с более высокой температурой, например минус 7-8°С и, наконец, подключают теплообменник камеры, в которой должен циркулировать воздух с температурой около 0°С. Так производят регулируемый и наиболее полный отбор холода, вырабатываемого турбодетандерами. После этого газ с требуемым давлением и температурой, находящейся в допустимом диапазоне исходя из обеспечения нормальных условий эксплуатации оборудования, технических средств и аппаратуры газотранспортной системы и газопотребляющих объектов, направляют в трубопровод, подающий газ потребителю. Известно, что минимум газопотребления приходится на летний наиболее теплый период года, а именно в это время наиболее напряженно функционируют холодильники, и им требуется максимальное количество холода. В связи с этим расчет снабжения холодильников холодом проводят по минимуму прохода газа через турбодетандеры. В этот период льдогенератор выключают из работы или включают в работу с минимальной производительностью. При снижении температуры окружающей среды несколько уменьшается потребность холодильника в холоде, а газопотребление возрастает, следовательно, увеличивается и газовый поток от источника высокого давления к потребителю через энергохолодильный комплекс. Это приводит к увеличению электрической мощности и хладопроизводительности, а следовательно, и к избытку холода. В такие периоды включают льдогенератор, который использует изменяющийся во времени избыточный холод для производства льда, который частично расходуют, а в основном отправляют в льдохранилище для накопления к летнему периоду - когда потребность в нем особенно высокая.For the fullest use of the gas generated during expansion in a turboexpander, directed with the gas flow to the heat exchangers of the refrigerator, i.e. To ensure the greatest heating of the gas, chambers are placed in the refrigerator in series, in which it is necessary to maintain different levels of air temperature. Moreover, the heat exchangers of the chamber with the lowest air temperature circulating in it, for example, minus 18-20 ° C, are connected first to the source of cold gas - a turbo-expander or low-pressure gas collector, for example, minus 18-20 ° С, then heat exchangers of the chamber in which air with higher temperature should circulate are connected in series minus 7-8 ° C and finally connect the heat exchanger of the chamber, in which air should circulate with a temperature of about 0 ° C. This is how the controlled and most complete selection of cold produced by turbo expanders is made. After that, gas with the required pressure and temperature, which is in the acceptable range based on ensuring normal operating conditions for equipment, technical means and equipment of the gas transmission system and gas consuming objects, is sent to the pipeline supplying gas to the consumer. It is known that the minimum gas consumption falls on the summer warmest period of the year, and it is at this time that refrigerators operate most intensively, and they need the maximum amount of cold. In this regard, the calculation of the supply of refrigerators with cold is carried out to minimize the passage of gas through the turbine expanders. During this period, the ice maker is turned off or turned on with minimal productivity. With a decrease in the ambient temperature, the refrigerator’s need for cold somewhat decreases, and gas consumption increases, and consequently, the gas flow from the high pressure source to the consumer through the energy refrigerating complex also increases. This leads to an increase in electric power and cooling capacity, and, consequently, to an excess of cold. In such periods, an ice machine is used, which uses time-varying excess cold to produce ice, which is partially consumed, and is mainly sent to the ice storage for accumulation by the summer period - when the demand for it is especially high.
Параллельно с газовым холодильником и льдогенератором в газовую систему включается регулятор расхода газа по обводной линии между коллектором газа низкого давления после турбодетандеров и трубопроводом отвода газа потребителю, который поддерживает в указанном коллекторе установившееся давление газа несколько большее, нежели в трубопроводе отвода газа потребителю при уменьшении прохода газа через холодильник и льдогенератор. Такая схема обеспечивает наиболее постоянную и полную загрузку энергохолодильных агрегатов, а следовательно, и наибольшую выработку электроэнергии независимо от колебаний потребностей холодильника и льдогенератора в холодном газе. В том случае, если давление источника газа превышает расчетное рабочее давление энергохолодильного агрегата, то на его входе устанавливают редукционный клапан, с помощью которого снижают давление газа на входе в агрегат до расчетной величины. Согласно изобретению при двухступенчатой (последовательной) схеме включения энергохолодильных агрегатов путем соединения трубопроводами (оборудованными запорными органами) входов и выходов газа в теплообменники холодильника и льдогенератора обеспечивают возможность их функционирования при работе от каждого из двух турбодетандеров, при любом одном работающем турбодетандере, а также при отборе газа на указанные теплообменники только после второго турбодетандера при работе двух турбодетандеров.In parallel with the gas refrigerator and the ice maker, a gas flow regulator is included in the gas system along the bypass line between the low-pressure gas collector after the turbo-expanders and the gas outlet pipe to the consumer, which maintains a steady-state gas pressure in the specified manifold than in the gas outlet pipe to the consumer with a decrease in gas passage through the refrigerator and the ice maker. Such a scheme provides the most constant and full load of energy-refrigerating units, and consequently, the greatest power generation, regardless of fluctuations in the needs of the refrigerator and the ice maker in cold gas. In the event that the pressure of the gas source exceeds the calculated operating pressure of the energy-refrigerating unit, then a pressure reducing valve is installed at its inlet, with which the gas pressure at the inlet to the unit is reduced to the calculated value. According to the invention, with a two-stage (sequential) scheme for switching on energy-refrigerating units by connecting the gas inlets and outlets to the heat exchangers of the refrigerator and the ice generator by pipelines (equipped with shut-off bodies), they can be operated during operation from each of the two turbo-expanders, with any one working turbo-expander, as well as during selection gas to these heat exchangers only after the second turbo-expander when two turbo-expanders are operating.
Таким образом, перед поступлением к потребителю газ высокого давления кроме передачи механической энергии выполняет полезную функцию хладагента в холодильных устройствах и только после такого комплексного использования его энергетического потенциала поступает потребителю с требуемым пониженным давлением и допустимой для процесса транспорта и использования температурой. Для предотвращения поступления в трубопровод газа, направляемого потребителю, с недопустимо низкой температурой, в случае существенного снижения его прохода через холодильник и льдогенератор, на его входе устанавливают датчик температуры с ограничителем, импульс от которого поступает в систему автоматики, которая последовательно выключает из работы энергохолодильные агрегаты до установления температуры газа выше допустимого уровня.Thus, before entering the consumer, high-pressure gas, in addition to transferring mechanical energy, performs a useful function of the refrigerant in refrigeration devices, and only after such complex use of its energy potential does it reach the consumer with the required reduced pressure and temperature acceptable for the transport and use process. To prevent the flow of gas directed to the consumer with an unacceptably low temperature in the case of a significant decrease in its passage through the refrigerator and the ice maker, a temperature sensor with a limiter is installed at its inlet, the pulse from which enters the automation system, which sequentially turns off the energy-cooling units until the gas temperature is above the permissible level.
Система, реализующая способ, представляет собой энергоблок из энергохолодильных агрегатов, функциональная схема которого приведена на фиг.2. Энергоблок подключен к источнику газа высокого давления через подающий трубопровод, содержащий последовательно размещенные запорный орган 1, фильтр 2, теплообменник 3, блок дроссельных клапанов 4, а с трубопроводом подачи газа к потребителю соединен через замерное устройство 5 и отключающий запорный элемент 6. К трубопроводам, связывающим указанные элементы, в точках А, В, С подсоединены трубопроводы с запорными органами 7. Кроме того, в этой системе подключения установлены два запорных органа 8.The system that implements the method is a power unit of energy-refrigerating units, a functional diagram of which is shown in figure 2. The power unit is connected to a high-pressure gas source through a supply pipe containing sequentially arranged shut-off element 1, a
Трубопровод, объединяющий запорные органы 7, соединен с газовым редуктором 9, за которым установлен запорно-регулирующий орган 10, размещенный на входе первого энергохолодильного агрегата, состоящего из энергопривода с лопаточной машиной - турбодетандера и электрогенератора. Энергопривод включает дроссель-дозатор 11 газа, турбодетандер 12, регулятор 13 скорости вращения вала ротора турбодетандера, механически или электрически связанный с дроссель-дозатором 11. Вал турбодетандера 12 с установленным на нем ротором (лопаточная машина) соединен, например, посредством муфты, с валом электрогенератора 14. Если при этом на входе из теплообменника 16 температура газа-носителя не превысит 0 град. С, что зависит от заданного режима его нагрева в теплообменнике 16, то на выходе следующего турбодетандера 12 сохранится такой же перепад температур газа 12-25°С, как и на выходе предыдущего турбодетандера 12 и в следующем теплообменнике 16 внешнего холодильного устройства (газового холодильника или льдогенератора) реализуются такие же, как и на предыдущем теплообменнике 16, условия для эффективного хладосъема, т.е. минус 12-25°С.The pipeline connecting the
При необходимости получения очень низких температур (минус 25-40°С) в камерах внешних холодильных устройств газ, согласно отмеченному выше, направляют в следующий турбодетандер 12, минуя теплообменник 16. В противном случае, если потребность в холоде меньше располагаемой хладопроизводительности, газ после очистки перед входом в систему турбодетандеров предварительно нагревают или снижают степень расширения газа в турбодетандере.If it is necessary to obtain very low temperatures (minus 25-40 ° C) in the chambers of external refrigeration devices, the gas, as noted above, is sent to the
В связи с тем, что объем природного газа имеет сезонные колебания, величину постоянного хладосъема рассчитывают по минимальной его величине. В целях наиболее полного полезного использования хладовозможностей энергоблока в параллель с газовым холодильником с помощью трубопровода подключается льдогенератор с льдохранилищем, в котором формируется запас льда в осенне-зимне-весенние периоды, когда хладопроизводительностъ превышает хладопотребность. Используется этот запас в основном в летнее время.Due to the fact that the volume of natural gas has seasonal fluctuations, the value of constant cold removal is calculated by its minimum value. In order to make the fullest possible beneficial use of the cooling capabilities of the power unit, an ice maker with an ice storage box is connected in parallel with the gas refrigerator, in which an ice reserve is formed in the autumn-winter-spring periods when the refrigerating capacity exceeds the cold demand. This stock is mainly used in the summer.
Таким образом, перед поступлением потребителю природный газ высокого давления кроме передачи механической энергии на внешние устройства функционирует в качестве теплоносителя внешних холодильных устройств с обеспечением требуемого температурного режима холодильных камер, а в трубопровод, ведущий к потребителю газа, поступает под пониженным давлением и с такой температурой, которые допускаются условиями эксплуатации соответствующего оборудования, используемого в местах добычи газа или на газораспределительных станциях.Thus, before entering the consumer, high-pressure natural gas, in addition to transferring mechanical energy to external devices, functions as a coolant of external refrigeration devices to ensure the required temperature regime of refrigeration chambers, and enters the pipeline leading to the gas consumer under reduced pressure and with such a temperature, which are permitted by the operating conditions of the relevant equipment used in gas production sites or at gas distribution stations.
Выход турбодетандера 12 через обратный клапан 15 соединен с входом в теплообменник 16 трубопроводом 17, в котором перед теплообменниками 16 установлен управляемый запорный орган 18. Входной трубопровод 17 и выходной трубопровод 19 теплообменников 16 соединены управляемыми запорными органами 20. Такое размещение запорных органов 18 и 20 позволяет газовому потоку, прошедшему ступень расширения в турбодетандере 12, поступать либо в теплообменники 16, либо, минуя их - на следующую ступень расширения. Между обратным клапаном 15 и входным трубопроводом 17 теплообменника 16 может быть размещен конденсатосборник 21, выполненный, например, в виде емкости с поплавковым клапаном, из которой газовый конденсат по отдельному трубопроводу поступает в общую накопительную емкость.The output of the
Выходной трубопровод 19 теплообменника 16 первой ступени расширения газа сообщен трубопроводом со следующим турбодетандером 12, входящим на вторую ступень расширения газа, содержащую такие же конструктивные элементы, что и первая ступень расширения, как описано выше.The
В последней ступени расширения газа выходной трубопровод 19 теплообменника 16 сообщен трубопроводом 22 через запорный орган 8, замерное устройство 5 и запорный орган 6 с газовой магистралью, ведущей к потребителю.In the last stage of gas expansion, the
Количество ступеней расширения газа выбирается исходя из давления источника газа, давления, при котором газ необходимо передать, потребителю, потребности хладоприемника и других условий. Однако способ, реализуемый рассматриваемым устройством, позволяет использовать некоторое оптимальное число ступеней расширения газа для любых условий эксплуатации, если этому устройству обеспечить конструктивные особенности, характеризующие частные случаи его выполнения.The number of stages of gas expansion is selected based on the pressure of the gas source, the pressure at which the gas must be transferred to the consumer, the needs of the cold receiver and other conditions. However, the method implemented by this device allows you to use some optimal number of stages of gas expansion for any operating conditions, if this device provides design features that characterize particular cases of its implementation.
Так, в структуру энергоблока может быть введен обводной трубопровод 23, подсоединенный к магистрали подачи газа в первый между редуктором 9 и первым запорным органом 10 и сообщенный с входным 17 и выходным 19 трубопроводами каждого из теплообменников 16. При этом в трубопроводах 17 и 19 установлены запорные органы соответственно 24 и 25, а в обводном трубопроводе 23 установлены запорные органы 26 и 27 таким образом, чтобы в случае снижения давления газа на входе газовой магистрали или аварийной ситуации, вызвавшей остановку одного или нескольких энергохолодильных агрегатов, газовый поток мог быть направлен потребителю в обход любого турбодетандера 12, а также теплообменника 16.So, a
Наличие обводного трубопровода 23 позволяет использовать во всех случаях оптимальное количество агрегатов, а в нештатных ситуациях допустимые режимы охлаждения в холодильных камерах и давление на входе магистрали, ведущей к потребителю, поддерживать путем отвода газа от основной магистрали агрегата в обводной трубопровод.The presence of the
Предлагаемая система - энергохолодильный комплекс - работает следующим образом.The proposed system - energy refrigeration complex - works as follows.
Газ высокого давления при открытом запорном органе 1, пройдя очистной фильтр 2, поступает в редуктор 9, поддерживающий заданное постоянное давление на входе газа в первый агрегат. На редуктор 9 газовый поток поступает через запорный орган 7 по любому из трех трубопроводов, подсоединенных к подающему трубопроводу в точках А, В и С.High pressure gas with an open shut-off element 1, having passed the
При умеренно низкой температуре газа или в том случае, когда требуется интенсивный режим охлаждения во внешних холодильных устройствах, газ к редуктору 9 поступает из точки "А" подающего трубопровода.At a moderately low temperature of the gas or in the case when an intensive cooling mode is required in external refrigeration devices, gas to the
При очень низкой температуре газа или когда потребность в холоде меньше располагаемой хладопроизводительности, газ к редуктору 9 поступает из точки "В" подающего трубопровода, пройдя теплообменник, где газ подогревается.At a very low gas temperature or when the need for cold is less than the available refrigerating capacity, the gas to the
В ситуации, когда газ требуется направить в обводной трубопровод 23, газовый поток на редуктор 9 поступает, пройдя блок дроссельных клапанов 4, за которыми газ имеет существенно более низкие давление и температуру, чем газ, поступающий на редуктор 9 из точек "А" и "В", что позволяет работать в нештатном режиме.In a situation where gas is required to be sent to the
В штатной ситуации газ, пройдя редуктор 9 и запорно-регулирующий орган 10, поступает через дроссель-дозатор 11 энергопривода в первый турбодетандер 12 энергохолодильного агрегата, где происходит расширение газа и совершается работа по вращению вала электрогенератора 14. На выходе турбодетандера 12 измеряют, например, с помощью термопары понижение температуры газового потока и в зависимости от ее значения газ через обратный клапан 15 и конденсатосборник 21 направляют либо в теплообменник 16, либо, если понижение температуры недостаточно для осуществления требуемого режима работы холодильных камер, газовый поток направляют во второй турбодетандер 12 для реализации следующей ступени расширения газа. Для этого в первом случае перекрывают запорный орган 20 и открывают орган 18, а во втором случае - наоборот, при этом запорные органы 24 и 25 остаются открытыми.In a normal situation, the gas, having passed the
Для того чтобы газовый поток направить в обход турбодетандера 12, система автоматики перекрывает размещенный перед ним запорный орган 10, открывает органы 18 и 25, закрывает органы 24, 26 и 27. В этом случае газовый поток поступает в первый теплообменник 16, а из него на вторую ступень расширения газа через открытый запорный орган 25.In order to direct the gas flow bypassing the
Для того чтобы поток был направлен непосредственно на вторую ступень расширения газа, минуя первый теплообменник 16, система автоматики дополнительно перекрывает и запорный орган 18.In order for the flow to be directed directly to the second stage of gas expansion, bypassing the
Наконец, если необходимо поток направить в обход второго турбодетандера 12, система автоматики перекрывает запорный орган 25 и открывает запорный орган 27, в результате чего газ, минуя турбодетандер 12 второй ступени расширения, направляется на следующие теплообменники 16 или, минуя их - на турбодетандер 12 следующей ступени расширения, как это имело место для ступени расширения газа и т.д.Finally, if it is necessary to direct the flow to bypass the
В процессе работы каждого энергохолодильного агрегата регулятор 13 скорости вращения вала ротора (самостоятельно или совмещенный с дроссель-дозатором 11) турбодетандера 12 через механическую связь воздействует на дроссель-дозатор 11 газа таким образом, чтобы регулировкой расхода газа поддерживать заданную частоту вращения ротора турбодетандера 12.In the process of operation of each energy-refrigerating unit, the rotor shaft speed controller 13 (independently or combined with the throttle batcher 11) of the
Энергохолодильный агрегатEnergy refrigeration unit
Энергохолодильный агрегат (фиг.3) содержит корпус-камеру (капсулу) 28, в которой на лонжеронах - фундаменте 29 установлен электрогенератор 30 и расширительная турбина (турбодетандер) 31, вал которой соединен с валом электрогенератора с помощью муфты 32. Кабели от электрогенератора 30 выводятся через оболочку капсулы 28 с помощью тоководов 34, состоящих из металлического корпуса, плат из электроизолирующего материала и заделанных в них токопроводящих стержней, а также уплотнительных элементов. Газ высокого давления подводится к турбодетандеру 31 из коллектора 35 по трубопроводам 36, а к дроссель-дозатору 38 подводится по отдельному трубопроводу 37 с управляемым запорным органом 39, к коллектору же 35 газ подводится по трубопроводу, также оборудованному управляемым запорным органом 40. Трубопровод 37, по которому подводится газ к запорному органу 39, подключается к газоподводящему трубопроводу до управляемого запорного органа 40. Узлы управления запорных органов 39 и 40 электрически связаны с электронным блоком - системой 49 автоматики, 30 которая включает и блок защит агрегата, а при выборе пневмоэлектрического варианта исполнения запорных органов 39 и 40 они еще связаны импульсными трубками с газоподводящим трубопроводом до входа в запорный орган 40. Газ из капсулы 38 агрегата отводится в трубопровод через патрубок 41. При аварийной ситуации блок защит, который содержится в системе автоматики 49, подает импульсы на разгрузку электрогенератора 30 и одновременное экстренное (менее одной секунды) закрытие запорных органов 39 и 40. Другое исполнение газоподводящей системы агрегата, которая применяется при более высоких давлениях газа, предусматривает регулирование всего количества газа, который подводится к турбодетандеру 31 с помощью одного или нескольких дроссель-дозаторов 38, которые подсоединяются своими входами с помощью трубопроводов к коллектору 35 без установки запорного органа 39.The energy-refrigerating unit (Fig. 3) contains a housing-chamber (capsule) 28, in which an
Третий вариант исполнения системы подачи газа высокого давления в турбодетандер 31 включает блок 42 снижения напряжения, который с одной стороны соединен с электросетью, с другой - с возбудителем генератора, а также и блок 43 (контактор), который соединяет электрогенератор с электросетью и управляемое запорное устройство 40, через которое газ высокого давления подводится в коллектор 35 агрегата, трубопроводы, которые соединяют этот коллектор 35 с турбодетандером 31.The third embodiment of a system for supplying high pressure gas to a
Энергопривод с лопаточной машиной - турбодетандер является составной частью энергохолодильного агрегата.Power drive with a shovel machine - a turboexpander is an integral part of an energy refrigeration unit.
Энергопривод содержит корпус 44, одну из описанных выше систем подвода газа к группам сопел 47 лопаточной машины 31, ротор 45 с лопатками, который установлен на валу 46, подшипник, дроссель-дозатор 38 газа (один или несколько), который сообщен трубопроводом с соплами 47, систему регулирования и поддержания частоты вращения ротора 45, которая включает регулятор 48 подачи газа через дроссель-дозатор 38 с помощью механической или электромагнитной связи, электронный блок 49 системы автоматики - преобразователь сигнала, индукционный датчик 50 частоты вращения и модулятор 51.The power drive includes a
Энергохолодильный агрегат с энергоприводом в виде лопаточной машины работает следующим образом. Газ высокого давления поступает к управляемым запорным устройствам 39 и 40. При пуске агрегата по импульсу от системы автоматики (кнопка Пуск) открывается запорный орган 39, и газ через дроссель-дозатор 38, управляемый регулятором 48 частоты вращения ротора 45, поступает в группу сопел 47. Проходя через сопла 47, газ расширяется, давление его снижается, а скорость возрастает, струи газа с большой скоростью воздействуют на лопатки ротора 45 и тем самым приводят во вращение вал 46, а этот вал, в свою очередь, приводит во вращение ведомый вал электрогенератора 30 через соединительную муфту 32. В зависимости от параметров газового потока, который поступает от источника высокого давления, включаются в работу все или часть групп сопел 47 для достижения номинальной мощности. Особенностью этого агрегата является то, что его КПД не зависит от рабочей мощности в пределах от 20 до 100%, а только от степени расширения газа в детандере 31. Управление дроссель-дозатором 38 осуществляет регулятор 48, на который от электронного блока 49 преобразователя сигналов подается электронный ток, величина которого, а следовательно, и его воздействия на проходное сечение в дроссель-дозаторе 38 изменяется импульсом слабого тока от индукционного датчика 50, взаимодействующего с модулятором 51. При пуске после достижения валом 46 определенной частоты вращения датчик 50 начинает подавать электрические импульсы в электронный блок 49 системы автоматики, который преобразует их и сравнивает с уставкой для обеспечения номинальной частоты вращения вала 46. Наличие рассогласования фактической и номинальной частот вращения вала 46 обуславливает величину тока, подаваемого на регулятор 48, который соответственно увеличивает или уменьшает проходное сечение для газа в дроссель-дозаторе 38 до тех пор, пока не установится номинальная частота вращения вала 46, а после этого система регулирования (от датчика 50 до дроссель-дозатора 38) поддерживает неизменно номинальную частоту вращения холостого хода турбодетандера с электрогенератором 30. Далее включают блок 52 синхронизации частоты тока электрогенератора 30, который сравнивает частоту тока генератора с частотой тока во внешней электросети, и затем, воздействуя через блок 49 на регулятор 48, который соединен с дроссель-дозатором 38, и на систему возбуждения электрогенератора 30, подстраивает параметры (частоту и напряжение) тока агрегата под сеть и вводит его в синхронизм с включением минимальной нагрузки электрогенератора 30 через контактор 43, так как дроссель-дозатор 38 имеет ограниченное проходное сечение. После этого подается внешний импульс (вручную или с помощью системы автоматики) на открытие главного клапана 40 подачи газа в турбодетандер 12, который открывается плавно (в течение 30-50 с), постепенно увеличивая нагрузку на электрогенератор 30 до максимальной величины, а вырабатываемая агрегатом электроэнергия по кабелям через герметичные токовыводы 34, через контактор 43 и разъединительную ячейку и другие устройства передается во внешнюю электросеть. При остановке агрегата (Стоп) снимается нагрузка с электрогенератора 30 и одновременно закрываются управляемые запорные органы 39, 40 и закрывается дроссель-дозатор 38. При отклонении напряжения, частоты и силы тока генератора, а также температуры подшипников и т.п. за установленные пределы подаются импульсы на блок 53 защит, который, в свою очередь, выдает импульс на экстренную остановку агрегата по тому же алгоритму, как и при нажатии на кнопку Стоп.Energy-refrigerating unit with an energy drive in the form of a spatula machine works as follows. High-pressure gas enters the controlled shut-off
При втором исполнении системы газоподачи и регулирования режима работы агрегата, когда к нему подводится газ более высокого давления, и возможно весь газовый поток пропускать, например, через два или три дроссель-дозатора 38, управляемые запорные органы 39 перед ними не устанавливаются, дроссель-дозатор 38 трубопроводами присоединяется прямо к коллектору 35, к которому газ подается через запорный орган 40. Пуск и загрузка при таком исполнении агрегата, его остановка и защита осуществляются по тому же алгоритму, который изложен выше. При третьем варианте исполнения агрегата, когда отсутствует управляемый запорный орган 39, дроссель-дозатор 38 с регулятором 48, электронный блок 49 преобразователь сигналов, блок 58 синхронизации, индукционные датчики 50, модулятор 51 и газ от коллектора 35 одновременно подводится ко всем рабочим группам сопел, работа энергохолодильного агрегата осуществляется следующим образом. При пуске агрегата управляемый запорный орган 40 закрыт, генератор 30 с помощью блока снижения напряжения 42 подключается с помощью кнопки Пуск к внешней электросети, и ротор электрогенератора 30 током приводится во вращение (электрогенератор запускается как электродвигатель вместе с ротором турбодетандера), разгоняется до подсинхронной частоты вращения и затем электрогенератор (как синхронный электродвигатель с коротко замкнутым ротором) входит в синхронизм с внешней электросетью. После этого питание электрогенератора 30 током от сети переключается на полное напряжение путем отключения блока 42, и подается импульс на открытие управляемого запорного органа 40, который плавно (в течение 30-50 с) открывается. В начальный момент, когда газ выходит из сопел 47 и воздействует на лопатки ротора 45 турбодетандера, ток, потребляемый электрогенератором 30 из внешней сети, уменьшается до нуля, а затем ток начинает идти от электрогенератора 30 во внешнюю электросеть и нагрузка на электрогенератор 30 возрастает до номинальной (максимально возможной). Остановка и защита агрегата осуществляется путем одновременно снятия нагрузки с электрогенератора 30 и прекращения доступа газа в турбодетандер 12 путем экстренного (в течение 0,5 с) закрытия управляемого запорного органа 40, который для гарантии закрытия имеет дополнительное устройство (блок) 54, который срабатывает еще и при обесточивании системы, например, короткого замыкания во внешней сети или отключения питания системы автоматики агрегата.In the second version of the gas supply system and regulation of the unit’s operating mode, when higher pressure gas is supplied to it, and it is possible to pass the entire gas stream through, for example, two or three metering chokes 38, controlled shut-off
Газовый холодильникGas fridge
Газовый холодильник (фиг.4) содержит собственно холодильные камеры 55, в которых размещены теплообменники 56 с вентиляторами 64, которые забирают нагретый воздух, продувают его через теплообменные аппараты, и этим обеспечивается охлаждение и циркуляция воздуха в камере.The gas refrigerator (Fig. 4) contains the
Вход газа во внутреннюю полость первого по ходу газа теплообменника 56 (первой камеры) соединен трубопроводом, оснащенным регулирующе-запорным органом 57 с коллектором, в который поступает холодный газ из энергохолодильных агрегатов, а выход теплообменника 56 может быть соединен трубопроводом с входом последовательно подключенного теплообменника, который размещен в следующей (второй) холодильной камере, где требуется более высокая температура воздуха, нежели в первой холодильной камере. В конечном счете, выход газа из теплообменников холодильника трубопроводами присоединяются к газопроводу, по которому газ подается потребителю.The gas inlet into the internal cavity of the first in-line gas heat exchanger 56 (first chamber) is connected by a pipe equipped with a regulating-locking body 57 with a collector into which cold gas is supplied from energy-refrigerating units, and the output of the
На фиг.4 показаны только две холодильные камеры 55 (первая и вторая) холодильника (разделенные транспортным коридором), в которых размещены теплообменники 56. Вход теплообменника 56, который размещен в первой камере 55, трубопроводом с регулирующим запорным органом 57 соединен с коллектором, в который поступает холодный газ из энергохолодильных агрегатов, а их выход - трубопроводом, оборудованным запорным органом 58, соединен с входом теплообменника 56, который размещен во второй камере, а выход трубопроводом с запорным органом 79 соединен с трубопроводом подачи газа потребителю. После управляемого регулирующего органа 57 трубопровод газа до входа в первую камеру 55 оборудован сбросной свечой с запорным органом 59, а в транспортном коридоре холодильника (до запорного органа 58 по ходу газа) к трубопроводу отвода газа от теплообменников 56 присоединен трубопровод, оборудованный запорным органом 60 и узлом подключения 61 источника горячего воздуха для растепления теплообменников 56 через определенные интервалы времени. Таким же трубопроводом и сбросной свечой оборудован и теплообменник, размещенный во второй холодильной камере. В отдельных случаях в первую холодильную камеру 55 может подаваться дополнительно холод от автономного хладопроизводителя 62, например, от такого, который устанавливают на авторефрижераторах. Такой агрегат соединяется воздуховодами 63, 72 с камерой 55, через которые он забирает воздух из холодильной камеры 55 и после охлаждения возвращает воздух обратно в камеру 55. В верхних точках холодильных камер 55 установлены датчики 68 концентрации метана, которые через электронный преобразователь 69 электротоком связаны с системой 66 автоматического управления, воздействующей на регулирующий запорный орган 57. Электродвигатели вентиляторов 64 теплообменников 56 через блок 65 управления связаны с системой 66 автоматики, которая обеспечивает их включение, регулирование режима и остановку. Холодильные камеры 55 оборудованы дистанционными датчиками 67, которые электрически связаны с системой 66 автоматики, которая использует их импульсы для воздействия на блок 65 управления электродвигателями вентиляторов 64 теплообменников для обеспечения заданной средней температуры воздуха в каждой камере. Кроме того, датчики 67 температуры первой камеры 55 также через систему автоматики воздействуют на автономный хладопроизводитель 62.Figure 4 shows only two refrigeration chambers 55 (first and second) of the refrigerator (separated by a transport corridor) in which
Газовый холодильник работает следующим образом. При работе энергоблока с энергохолодильными агрегатами вырабатывается электроэнергия за счет расширения газа, который при этом охлаждается, температура охлаждения определяется степенью снижения давления газа и КПД турбодетандера. Этот охлажденный газ через управляемый регулирующий запорный орган 57 поступает в теплообменники 56, размещенные в холодильных камерах 55, в которых циркулирует воздух, прогоняемый вентиляторами 64 через теплообменные поверхности аппаратов 56, и таким образом от них отводится холод на охлаждение камер 55, а температура газа на выходе из теплообменников 56 соответственно повышается. В газовом холодильнике может осуществляться одно-, двухступенчатый и трехступенчатый отбор холода от поступающего холодного газа. В первой камере 55 (первая ступень) система обеспечивает поддержание средней температуры воздуха в пределах минус 18-20°С, а во второй камере, где осуществляется вторая ступень отбора холода от газа, система обеспечивает поддержание средней температуры воздуха в пределах минус 7-9°С, а в третьей ступени - в пределах минус 3 - плюс 2°С. Осуществляются эти режимы следующим образом: в первой камере теплообменники 56 рассчитываются на максимальный хладообъем, т.е. их теплообменная поверхность должна быть такой, которая обеспечит поддержание заданной температуры воздуха в камере при наиболее высокой температуре газа, поступающего от энергохолодильных агрегатов. Регулирование объема газа, поступающего в теплообменник 56 первой камеры, осуществляется с помощью регулирующе-запорного органа 57, режим открытия которого управляется с помощью системы 66 автоматики по заданному уровню температуры воздуха в камере, по импульсу, который поступает в нее от датчиков 67 температуры. Во второй камере устанавливают такой же теплообменный аппарат, как и в первой камере 55. Теплообменный аппарат, размещенный во второй камере, по трубопроводу при открытом запорном органе 58 поступает газ, который уже прошел через теплообменник 56, размещенный в первой камере, и отдал часть своего холода и его температура соответственно повысилась. Наиболее низкая температура воздуха во второй камере должна быть обеспечена при наиболее высокой температуре газа, входящего в ее теплообменный аппарат, а наиболее высокая температура воздуха во второй камере должна достигаться путем изменения режимов работы вентиляторов 64 теплообменника 56, прогоняющих через них воздух, забираемый из камеры с целью его охлаждения.Gas refrigerator operates as follows. When a power unit operates with energy-refrigerating units, electricity is generated due to the expansion of gas, which is cooled, the cooling temperature is determined by the degree of gas pressure decrease and turboexpander efficiency. This chilled gas, through a controlled regulating shut-off element 57, enters
Регулирование возможно осуществлять, например, путем изменения частоты вращения вентиляторов 64 и отключением вентиляторов. Режим работы вентиляторов 64 изменяется с целью поддержания заданной температуры воздуха в камере с помощью системы 66 автоматики, в которую поступает импульс от датчиков 67 температуры воздуха в камере.Regulation can be carried out, for example, by changing the speed of the
После отдачи газом холода воздуху второй камеры газ из теплообменных аппаратов поступает через открытый запорный орган 70 в трубопровод подачи газа потребителю. При этом его температура находится в допустимых для нормальной и безопасной эксплуатации технических средств транспорта и использования газа у потребителя. Исходя из этих условий и обеспечения максимального использования вырабатываемого холода в газовом холодильнике предусмотрено прохождение холодного газа сначала через теплообменные аппараты камер, в которых должна поддерживаться температура газа в пределах минус 18-20°С, а затем уже через последовательно подсоединенные к ним теплообменные аппараты камер, где требуется обеспечить поддержание более высокой температуры воздуха, например, минус 7-9°С. При значительных объемах холодильника при наличии в нем камер с различной регулируемой температурой воздуха позволяет увеличить ассортимент продуктов, которые можно принять на хранение, а следовательно, и обеспечить наиболее полную загрузку холодильника и эффективное использование вырабатываемого холода.After the cold gas returns to the air of the second chamber, gas from the heat exchangers enters through the
По данному изобретению конструкцию теплообменных аппаратов и их трубопроводов предусматривается выполнить без разъемных соединений в пределах помещения холодильников, т.е. холодильных камер и транспортном коридоре. Этим обеспечивается безопасность использования холодного природного газа в качестве хладагента. Для гарантии безопасности, кроме этого, предусматривают установку в верхних точках камер 55 и в коридоре (внутри) датчиков 68 концентрации метана, которые передают через блок 69 свои импульсы при концентрации до 1% метана в воздухе (взрывоопасная смесь метана с воздухом от 5 до 15%) в систему 66 автоматики, которая, в свою очередь, формирует и подает импульсы на закрытие регулирующе-запорного органа 57. Далее закрываются запорные органы 58 и 70 и открываются люк 71 и запорные органы 59 на сбросных газовых свечах. После выпуска газа из системы осуществляется поиск места утечки газа и его устранение. При пуске камеры в работу открываются запорные органы 57, 58, 70, а запорный орган 59 и люк 71 закрываются.According to this invention, the design of heat exchangers and their pipelines is envisaged to be performed without detachable connections within the premises of refrigerators, i.e. cold rooms and transport corridor. This ensures the safety of using cold natural gas as a refrigerant. To ensure safety, in addition, it is planned to install
По условиям эксплуатации холодильных камер 55 на теплопередающих поверхностях аппаратов 56 намораживается снег и их через некоторые интервалы времени необходимо растеплять - размораживать. Эта операция, например, для первой камеры 55 выполняется в следующем порядке. Теплообменник 56 отключают от газовой системы путем перекрытия запорных органов 57 и 58, и газ сбрасывают на свечу, через открытый запорный орган 59. Затем открывают запорный орган 60 на трубопроводе, и к узлу 61 присоединяют источник горячего воздуха, который проходит по трубопроводам, через внутренние полости теплообменника 56 и через свечу при открытом запорном органе 59 уходит в атмосферу. Это продолжается до тех пор, пока теплопередающие поверхности теплообменника 56 не очистятся от намороженного снега. После этого закрывают запорные органы 59 и 72, открывают запорные органы 57 и 58 и камера, таким образом, включается в работу. Эти же операции выполняются и при размораживании теплообменного аппарата второй камеры и других последующих камер. В камерах предусматривают необходимые условия для стока воды, образующейся при размораживании теплообменников.According to the operating conditions of the refrigerating
Льдогенератор с льдохранилищем Ice maker with ice storage
Льдогенератор (фиг.5) содержит теплоизолированную камеру 73, устройство 74 для подачи в камеру воды в виде капель регулируемого размера, теплообменник 75 с вентилятором 76, внутренняя полость аппарата соединена трубопроводом, оборудованным регулирующе-запорным органом 77 с источником холодного газа, а выход - с трубопроводом подачи газа потребителю через запорный орган 94. Теплообменник 75 размещен в теплоизолированном канале 78, по которому воздух из морозильной камеры 73 поступает к вентилятору 76, который продувает его через наружную поверхность теплообменника 75 и, после того как воздух охладится, пройдя через этот аппарат, он вновь возвращается в камеру 73 по каналу 79 через вводные устройства 80, которые могут регулировать направления движения воздуха. В нижней части камеры устанавливают один или несколько суживающихся книзу каналов и льдоприемник-накопитель 81 льда, с балансиром 85, закрепленный на оси 82, фиксируемой в исходном положении устройством 83, например, пружинного, электромагнитного или другого типа. Внутренние поверхности камеры льдогенератора 73 и накопителя льда покрываются водо-несмачиваемым материалом, например тефлоном и т.п. Под накопителем 81 льда размещен транспортер 84, который частично уходит в помещение льдохранилища (не показано). Кроме этого, в льдохранилище размещают систему транспортеров, количество и размеры которых определяют исходя из площади и конфигурации льдохранилища. Льдохранилище также может оборудоваться стеллажами для хранения брикетов льда и блоком для подготовки товарного льда (льдодробилкой). Стены и крыша льдохранилища выполняются из теплоизоляционных материалов.The ice maker (Fig. 5) contains a heat-insulated
Устройство 74 для подачи капельной воды в камеру соединено трубопроводом, оборудованным регулирующе-запорным органом 89 с водогазовым теплообменником 87, вход которого присоединен к источнику холодного газа трубопроводом, оборудованным регулирующе-запорным органом 88. Выход газа из теплообменника 87 трубопроводом, оборудованным запорным органом 90, соединен с трубопроводом подачи газа потребителю.A
В камере 73 установлен датчик 91 температуры, который электрически связан с системой 92 автоматики, которая обеспечивает управление регулирующе-запорным органом 77 и режимом работы вентилятора 76.A
В устройстве 74 каплеобразования установлен термодатчик 93, который электрически связан с системой 92 автоматики, которая управляет запорно-регулирующими органами 88 и 89.A
Льдогенератор с льдохранилищем работают следующим образом.Ice machine with ice storage work as follows.
Суть способа льдообразования состоит в том, что капли предварительно охлажденной до температуры 0-2°С в теплообменнике 87 воды, которые выпадают из насадков устройства 74, попадают во встречный поток холодного (температура до минус 30°С) воздуха, который нагнетается в камеру вентилятором 76 теплообменника 75 по каналу 79 и направляющим патрубкам 80, который затормаживает падение капель внутри камеры и этим увеличивается время пребывания капель в охлажденном воздухе, которое оказывается достаточным для их замораживания, а в нижнюю сужающуюся часть камеры 73 и накопитель 81 льда падают ледяные шарики.The essence of the method of ice formation is that drops of water pre-cooled to a temperature of 0-2 ° C in the
Работа льдогенератора начинается с охлаждения воздуха, который находится в камере 73. Для этого открывают запорные органы 90 и 94, затем кнопкой Пуск с помощью системы автоматики 92 одновременно включается вентилятор 76 и регулирующе-запорный орган 77, через который холодный газ от источника подается в теплообменники 75 и 87, при этом по датчику 91 температуры наблюдают за снижением температуры воздуха внутри камеры 73. При достижении требуемой температуры воздуха от датчика 91 в систему 99 автоматики поступает импульс, запорные органы 88 и 89 открываются. При этом холодный газ и вода поступают в теплообменник 87, в котором вода охлаждается до температуры 0 - минус 2°С, а затем вода поступает по трубопроводу в устройство 74 каплеобразования, на выходе из насадков которого образуются капли, которые попадают в холодный восходящий поток воздуха. Находясь достаточное время в этом потоке, капли воды превращаются (по мере перемещения вниз камеры 73) в ледяные шарики, которые падают в накопитель 81, установленный на оси 82. Накопитель 81 льда имеет несимметричный профиль по отношению к оси 83 и при его наполнении ледяными шариками до верхнего уровня возникает вертикальная сила А, опрокидывающий момент от которой больше уравновешивающего момента противовеса 85, что приводит к некоторому наклону накопителя 81 в направлении опрокидывания, при этом срабатывает устройство 83, которое освобождает накопитель 81 льда, он опрокидывается вокруг оси 82, и ледяной брикет попадает на транспортер 84, а накопитель 81 льда возвращается в исходное положение под действием момента, который создает противовес 85 и фиксируется устройством 83. Далее этот процесс повторяется. Транспортер 84 перемещает ледяной брикет до распределителя льдохранилища, от которого с помощью транспортеров и подъемников ледяные брикеты перемещаются в места их укладки на хранение.The operation of the ice maker begins with cooling the air that is in the
При подготовке товарного льда с помощью общепринятой техники рубят его на куски и затем пропускают через соответственно настроенную льдодробильную машину, после которой товарный лед с помощью транспортера загружается в транспортное средство и направляется к месту его использования по назначению. При невозможности получения для теплообменника 75 требуемой температуры, ее снижают с помощью подключения к льдогенератору автономного традиционного хладопроизводителя малой мощности, аналогично как для камер газового холодильника.When preparing marketable ice using conventional technology, it is cut into pieces and then passed through an appropriately configured ice crusher, after which marketable ice is loaded onto a vehicle using a conveyor and sent to its intended destination. If it is not possible to obtain the required temperature for the
Требования к конструкции теплообменника, трубопроводов и размещению запорных органов в части исключения разъемных соединений остаются такими же, как и для газового холодильника. Процесс растепления теплообменной поверхности аппарата осуществляется таким же образом и с помощью тех же средств, как описано применительно к газовому холодильнику.The requirements for the design of the heat exchanger, pipelines and the location of the locking elements in terms of exclusion of detachable joints remain the same as for a gas refrigerator. The process of thawing the heat exchange surface of the apparatus is carried out in the same way and using the same means as described in relation to a gas refrigerator.
Приведенный выше материал дает основание заключить, что предложенное техническое решение в объеме шести изобретений (способ и пять устройств) позволяет преодолеть ряд проблем, стоящих на пути успешного применения технологии повышения эффективности использования природного газа путем утилизации перепада давления источника. Все это свидетельствует о решении задачи изобретения.The above material allows us to conclude that the proposed technical solution in the amount of six inventions (method and five devices) overcomes a number of problems that stand in the way of successful application of technology to increase the efficiency of natural gas use by utilizing the source pressure differential. All this indicates the solution of the problem of the invention.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Настоящее изобретение может быть применено в средствах выработки электроэнергии и в системах охлаждения за счет использования технологических перепадов давления природного газа, прежде всего, в газораспределительных системах, а также в местах добычи газа и на компрессорных станциях.The present invention can be applied in means of generating electricity and in cooling systems through the use of technological pressure differences of natural gas, primarily in gas distribution systems, as well as in places of gas production and at compressor stations.
Claims (31)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004110024/06A RU2264581C1 (en) | 2004-04-05 | 2004-04-05 | Method and system for natural gas preparation before supplying thereof to consumer with complex natural gas energy usage, energy-cooling plant, as well as energy drive with impeller machine, gas refrigerator and ice generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004110024/06A RU2264581C1 (en) | 2004-04-05 | 2004-04-05 | Method and system for natural gas preparation before supplying thereof to consumer with complex natural gas energy usage, energy-cooling plant, as well as energy drive with impeller machine, gas refrigerator and ice generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004110024A RU2004110024A (en) | 2005-10-20 |
| RU2264581C1 true RU2264581C1 (en) | 2005-11-20 |
Family
ID=35862463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004110024/06A RU2264581C1 (en) | 2004-04-05 | 2004-04-05 | Method and system for natural gas preparation before supplying thereof to consumer with complex natural gas energy usage, energy-cooling plant, as well as energy drive with impeller machine, gas refrigerator and ice generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2264581C1 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007027119A1 (en) * | 2005-08-30 | 2007-03-08 | Dmitriy Timofeevich Aksyonov | Method for preparing natural gas to be delivered to a consumer by integrally using the energy thereof, a system for carrying out said method , power-and-refrigerating unit and a power drive provided with an impeller machine, a gas refrigerator and an ice generator provided with an ice storage unit |
| RU2338972C1 (en) * | 2007-05-10 | 2008-11-20 | Дмитрий Тимофеевич Аксенов | Method of natural gas preparation for burning in boilers with multipurpose use of gas excessive pressure energy for generation of electric energy and chill, discharge of gas condensate, production of water condensate and system for method implementation |
| RU2346205C1 (en) * | 2007-12-10 | 2009-02-10 | Дмитрий Тимофеевич Аксенов | Method of sustained gas supply by gas distribution station with power-refrigerating complex using natural gas overpressure energy to produce electric energy and cold and system for method implementation |
| RU2388920C1 (en) * | 2009-04-20 | 2010-05-10 | Николай Борисович Болотин | Gas-pumping station on offshore platform |
| RU2419739C1 (en) * | 2009-09-23 | 2011-05-27 | Николай Борисович Болотин | Nuclear submerged gas pumping station |
| RU2443935C2 (en) * | 2006-06-07 | 2012-02-27 | 2 Ос | Gas decompression plant, gas reduction station with such plant, and gas decompression method |
| RU2472062C2 (en) * | 2010-07-19 | 2013-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Астраханский государственный университет" (АГУ) | Natural gas pressure reduction method |
| RU2783081C1 (en) * | 2022-02-25 | 2022-11-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГАОУ ВО "МГТУ") | Liquefied natural gas (lng) gasification system for boiler house |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2098713C1 (en) * | 1996-08-13 | 1997-12-10 | Дмитрий Тимофеевич Аксенов | Method for using energy of natural-gas source differential pressure, power-producing-and-cooling plant, and turboexpander in the form of power drive with bladed machine |
| RU10858U1 (en) * | 1999-04-01 | 1999-08-16 | Шмытов Валерий Алексеевич | ICE GENERATOR |
| RU20778U1 (en) * | 2001-04-09 | 2001-11-27 | Аксенов Дмитрий Тимофеевич | PNEUMO-ELECTRIC GENERATOR |
| RU2182290C2 (en) * | 2000-05-31 | 2002-05-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Refrigerating plant |
| RU2196238C2 (en) * | 2000-08-16 | 2003-01-10 | ТУЗОВА Алла Павловна | Method of recovery of natural gas expansion energy |
-
2004
- 2004-04-05 RU RU2004110024/06A patent/RU2264581C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2098713C1 (en) * | 1996-08-13 | 1997-12-10 | Дмитрий Тимофеевич Аксенов | Method for using energy of natural-gas source differential pressure, power-producing-and-cooling plant, and turboexpander in the form of power drive with bladed machine |
| RU10858U1 (en) * | 1999-04-01 | 1999-08-16 | Шмытов Валерий Алексеевич | ICE GENERATOR |
| RU2182290C2 (en) * | 2000-05-31 | 2002-05-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Refrigerating plant |
| RU2196238C2 (en) * | 2000-08-16 | 2003-01-10 | ТУЗОВА Алла Павловна | Method of recovery of natural gas expansion energy |
| RU20778U1 (en) * | 2001-04-09 | 2001-11-27 | Аксенов Дмитрий Тимофеевич | PNEUMO-ELECTRIC GENERATOR |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЗАРНИЦКИЙ Г.Э. Теоретические основы использования энергии давления природного газа, М., Недра, 1968, стр.195-197. * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007027119A1 (en) * | 2005-08-30 | 2007-03-08 | Dmitriy Timofeevich Aksyonov | Method for preparing natural gas to be delivered to a consumer by integrally using the energy thereof, a system for carrying out said method , power-and-refrigerating unit and a power drive provided with an impeller machine, a gas refrigerator and an ice generator provided with an ice storage unit |
| RU2443935C2 (en) * | 2006-06-07 | 2012-02-27 | 2 Ос | Gas decompression plant, gas reduction station with such plant, and gas decompression method |
| RU2338972C1 (en) * | 2007-05-10 | 2008-11-20 | Дмитрий Тимофеевич Аксенов | Method of natural gas preparation for burning in boilers with multipurpose use of gas excessive pressure energy for generation of electric energy and chill, discharge of gas condensate, production of water condensate and system for method implementation |
| RU2346205C1 (en) * | 2007-12-10 | 2009-02-10 | Дмитрий Тимофеевич Аксенов | Method of sustained gas supply by gas distribution station with power-refrigerating complex using natural gas overpressure energy to produce electric energy and cold and system for method implementation |
| RU2388920C1 (en) * | 2009-04-20 | 2010-05-10 | Николай Борисович Болотин | Gas-pumping station on offshore platform |
| RU2419739C1 (en) * | 2009-09-23 | 2011-05-27 | Николай Борисович Болотин | Nuclear submerged gas pumping station |
| RU2472062C2 (en) * | 2010-07-19 | 2013-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Астраханский государственный университет" (АГУ) | Natural gas pressure reduction method |
| RU2783081C1 (en) * | 2022-02-25 | 2022-11-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГАОУ ВО "МГТУ") | Liquefied natural gas (lng) gasification system for boiler house |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004110024A (en) | 2005-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| USRE44815E1 (en) | System and method for chilling inlet air for gas turbines | |
| US7856843B2 (en) | Thermal energy storage system using compressed air energy and/or chilled water from desalination processes | |
| US20160177822A1 (en) | Hybrid Power Generation System | |
| US11624318B2 (en) | Thermal energy storage system comprising a packed-bed heat storage unit and a packed-bed cold storage unit, and method for operating a thermal energy storage system | |
| JPH06235566A (en) | Refrigerating plant for air conditioning space | |
| CA2667354A1 (en) | Thermal energy storage system using compressed air energy and/or chilled water from desalination processes | |
| RU2264581C1 (en) | Method and system for natural gas preparation before supplying thereof to consumer with complex natural gas energy usage, energy-cooling plant, as well as energy drive with impeller machine, gas refrigerator and ice generator | |
| KR20150117635A (en) | Configurations and methods for ambient air vaporizers and cold utilization | |
| JP2005090636A (en) | Transportation system for liquefied hydrogen | |
| US20120247114A1 (en) | Water Cooling System For Intercooled Turbines | |
| Wang | Thermal storage systems | |
| CN108592515B (en) | Control method of refrigeration house refrigeration system | |
| WO2007027119A1 (en) | Method for preparing natural gas to be delivered to a consumer by integrally using the energy thereof, a system for carrying out said method , power-and-refrigerating unit and a power drive provided with an impeller machine, a gas refrigerator and an ice generator provided with an ice storage unit | |
| RU2395435C1 (en) | Method and device for thermostatic control of spacecraft and rocket carrier compartments | |
| US11092075B2 (en) | High-capacity electric energy storage system for gas turbine based power plants | |
| KR100791424B1 (en) | Cold water manufacturing system | |
| RU55928U1 (en) | SYSTEM FOR ENVIRONMENTALLY SAFE USE OF COLD FORMED WHEN EXTENDING NATURAL GAS IN A DETANDER WITH MECHANICAL ENERGY DISCHARGE | |
| RU2835809C1 (en) | Boiler house on liquefied natural gas (lng) with production of water ice | |
| JPH03185224A (en) | Gas turbine installation | |
| CN220436840U (en) | Cascade utilizes ice making device of LNG cold energy | |
| JP4006545B2 (en) | High-efficiency power generation and day-and-night power demand load leveling method | |
| Hilbert et al. | Air Liquide 1.8 K refrigeration units for CERN LHC project | |
| JPH01230962A (en) | Operation device in heat and electricity supplying plant | |
| AU2014202086B2 (en) | Thermal energy storage system using compressed air energy and/or chilled water from desalination processes | |
| RU2182290C2 (en) | Refrigerating plant |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060406 |
|
| HK4A | Changes in a published invention | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060406 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20081222 |
|
| RZ4A | Other changes in the information about an invention | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190406 |