способ регулирования температуры газа в системе охлаждения газа компрессорной станции магистрального газопровода

Формула изобретения

1. Способ регулирования температуры газа в системе охлаждения газа компрессорной станции магистрального газопровода, который включает определение температуры газа на выходе системы охлаждения газа компрессорной станции или на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа, сравнение ее с заданными предельными значениями, принятие управленческих решений и передачу управляющих сигналов к исполнительным механизмам для смены температуры газа на выходе системы воздушного охлаждения газа, отличающийся тем, что используются вентиляторы с асинхронными двигателями, все вентиляторы через исполнительные механизмы предварительно включаются одновременно на установленное число оборотов, меньшее, чем номинальное, в качестве исполнительных механизмов используются преобразователи частоты питающего тока электродвигателей, подключенные к приводам вентиляторов, характеристика регулирования которых соответствует закону регулирования U/f²=const, где U - напряжение, a f - частота тока, а изменение температуры газа обеспечивают увеличением или уменьшением числа оборотов одного или нескольких вентиляторов в диапазоне от нуля до номинального значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразователь частоты подключен к приводу каждого вентилятора аппарата воздушного охлаждения газа, а увеличение или уменьшение оборотов вентилятора на определенную величину осуществляется последовательно среди всех вентиляторов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразователи частоты подключены к группе приводов вентиляторов аппарата воздушного охлаждения газа, а увеличение или уменьшение оборотов вентиляторов осуществляется одновременно во всей группе на определенную величину и последовательно среди групп приводов вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразователи частоты подключены к приводам всех вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа компрессорной станции, а увеличение или уменьшение оборотов вентиляторов осуществляется одновременно в аппарате воздушного охлаждения на определенную величину.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к системе охлаждения природного газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Известный способ контроля и регулировки температуры газа в системе аппаратов воздушного охлаждения газа, в состав которых входят вентиляторы, реализованный в устройстве для регулирования температуры газонефтепродуктов при помощи аппаратов воздушного охлаждения газа, который включает определение температуры газа на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа и сравнение этой температуры с заданными предельными значениями, при этом в случае, когда температура газа на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа находится между заданными предельными значениями, не производят включение или выключение вентиляторов воздушного охлаждения газа, в случае, когда температура на выходе аппаратов воздушного охлаждения вышла за пределы установленных значений и на протяжении установленного времени это нарушение не исчезло, и если температура газа на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа больше заданного значения, то осуществляют включение вентиляторов секции аппарата воздушного охлаждения газа, а если температура газа на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа меньше заданного значения, то выполняют выключение вентиляторов секций аппаратов воздушного охлаждения, при этом включение или выключение вентиляторов секций аппаратов воздушного охлаждения выполняют в порядке возрастания их номеров. (А.с. СССР №183813, кл. G05D 23/19, 1993, БИ №32.)

Данный способ основан на включении и выключении вентиляторов в зависимости от сравнения температуры на выходе аппаратов воздушного охлаждения с заданной температурой, это приводит к уменьшению ресурсов приводов и вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения и не позволяет плавно регулировать повышение или понижение температуры газового потока, кроме того, наличие пусковых токов при включении в работу выключенного вентилятора приводит к дополнительному потреблению электроэнергии.

Известный способ контроля и регулировки температуры газа в системе воздушного охлаждения, реализованный в устройстве для регулирования температуры, который включает определение температуры газа на выходе аппаратов воздушного охлаждения, в состав которых входят вентиляторы, сравнение этой температуры с заданным верхним и нижним предельными значениями, при этом если температура газа на выходе аппаратов воздушного охлаждения находится между заданными предельными значениями, то не осуществляется включение или выключение вентиляторов аппарата воздушного охлаждения, если температура на выходе аппаратов воздушного охлаждения выше заданного граничного значения, включают дополнительно вентиляторы одного аппарата воздушного охлаждения, если температура на выходе аппаратов воздушного охлаждения ниже заданного нижнего граничного значения, выключают вентиляторы одного аппарата воздушного охлаждения, и на протяжении установленного промежутка времени - времени окончания переходных процессов после включения или выключения вентиляторов запрещают сравнение температуры газа на выходе аппаратов воздушного охлаждения с заданными граничными значениями. (А.с. СССР №1798771, кл. G05D 23/19, 1993, БИ №8.)

Данный способ контроля и регулирования температуры в системе воздушного охлаждения, как и предыдущий, основан на включении и выключении вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения в зависимости от сравнения температуры на выходе аппаратов с заданной температурой, это приводит к уменьшению ресурса приводов и вентиляторов и не позволяет плавно регулировать повышение или понижение температуры газового потока, а кроме того, наличие пусковых токов при включении в работу выключенного вентилятора приводит к дополнительному потреблению электроэнергии.

В основу изобретения поставлена задача создать способ регулирования системы охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, в котором путем изменения режима работы вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа компрессорной станции обеспечить плавную регулировку температуры газового потока, увеличить ресурс работы вентиляторов и приводов вентиляторов, а также снизить потребление электроэнергии.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе регулирования температуры газа в системе охлаждения газа компрессорной станции магистрального газопровода, который включает определение температуры газа на выходе системы охлаждения газа компрессорной станции или на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа, сравнение ее с заданными предельными значениями, принятие управленческих решений и передачу управляющих сигналов к исполнительным механизмам для смены температуры газа на выходе системы воздушного охлаждения газа, в соответствии с изобретением используются вентиляторы с асинхронными электродвигателями, все вентиляторы через исполнительные механизмы предварительно включаются одновременно на установленное число оборотов меньшее, чем номинальное, в качестве исполнительных механизмов используются преобразователи частоты питающего тока электродвигателей, подключенные к приводам вентиляторов, характеристика регулирования которых соответствует закону регулирования U/f ²=const, где U - напряжение, a f - частота тока, а изменение температуры газа обеспечивают увеличением или уменьшением числа оборотов одного или нескольких вентиляторов в диапазоне от нуля до номинального значения.

Поставленная задача решается также тем, что преобразователи частоты подключены к приводу каждого вентилятора аппарата воздушного охлаждения газа, а увеличение или уменьшение оборотов вентилятора на определенную величину осуществляется последовательно среди всех вентиляторов. Поставленная задача решается также тем, что преобразователи частоты подключены к группам приводов вентиляторов аппарата воздушного охлаждения газа, а увеличение или уменьшение оборотов вентиляторов осуществляется одновременно во всей группе на определенную величину и последовательно среди групп приводов вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа. Поставленная задача решается также тем, что преобразователи частоты подключены к приводам всех вентиляторов каждого аппарата воздушного охлаждения газа компрессорной станции, а увеличение или уменьшение оборотов вентиляторов осуществляется одновременно в аппарате воздушного охлаждения на определенную величину.

Смена режима работы вентиляторов, которая обеспечивается использованием преобразователей частоты питающего тока асинхронного электродвигателя путем изменения частоты и величины напряжения тока питания привода вентилятора, позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту оборотов вентилятора от нуля до номинального значения, что в свою очередь обеспечивает плавное регулирование температуры газа на выходе системы охлаждения газа магистрального газопровода.

Одновременное включение всех вентиляторов через преобразователи частоты позволяет устанавливать обороты вентиляторов от нуля до номинальных, что фактически соответствует отключению и включению вентиляторов, но при этом отсутствуют пусковые токи, которые возникают при отдельном включении каждого вентилятора для регулирования температуры газа, что приводит к уменьшению потребления электроэнергии за счет отсутствия пусковых токов и увеличению ресурса как самих вентиляторов, так и сопутствующего оборудования: ремни, подшипники, контактные группы и др.

Использование преобразователей частоты, характеристика регулирования приводом вентилятора соответствует закону регулирования U/f²=const, где U - напряжение, f - частота, при подключении их к приводам вентиляторов с асинхронным электродвигателем обеспечивают соотношение:

Q₁/Q_i=n ₁/n_i

где: Q ₁ - подача воздуха при номинальных оборотах вентилятора;

Q_i - подача воздуха при регулировании оборотов вентилятора;

n₁ - частота оборотов при номинальных оборотах вентилятора;

n _i - частота оборотов при регулировании вентилятора.

Полезная мощность вентилятора пропорциональна кубу частоты оборотов:

Р_кор1/Р _корi=(n₁/n_i )³

где: Р_кор1 - полезная мощность вентилятора при номинальных оборотах;

P_корi - полезная мощность вентилятора при регулировании оборотов;

n₁ - частота оборотов при номинальных оборотах вентилятора;

n_i - частота оборотов при регулировании вентилятора.

Если подача воздуха регулируется с помощью изменения частоты оборотов вентилятора, то КПД вентилятора на всем диапазоне регулирования остается постоянным. Исходя из того, что полезная мощность вентилятора пропорциональна кубу частоты оборотов, а КПД его неизменный, то потребляемая мощность вентилятора пропорциональна кубу частоты оборотов вентилятора:

P _сп1/P_спi=(n₁ /n_i)³, a P _спi=P_сп1(n_i )³/n₁ ³

где: P_сп1 - потребляемая мощность вентилятора при номинальных оборотах;

P _спi - потребляемая мощность вентилятора при регулировании оборотов;

n₁ - частота оборотов при номинальных оборотах вентилятора;

n_i - частота оборотов при регулировании вентилятора.

Таким образом, при уменьшении оборотов вентилятора, например на 50% от номинальных, подача воздуха вентилятором уменьшается тоже на 50%:

Q_i=Q_н ·0,5n₁/n₁=0,5 Q_н,

а расчетная потребляемая мощность уменьшается соответственно по формуле:

P _спi=P_сп1(0,5n₁ )³/n₁ ³=0,125 P_сп1

На основании экспериментальных данных, которые приведены в таблице 1, можно сделать вывод, что уменьшение оборотов вентилятора в 2 раза уменьшает потребление электроэнергии в 7 раз, а эффективность охлаждения снижается только на 30%-40%.

Таблица 1
	Номинальное значение	Примеры регулирования
		1	2	3	4
f, Гц	50	40	30	25	15
U, В	380	243	136,8	95	34,2
n, об/мин	220	176	132	110	66
Q, м 3/с	122,6	100	75	65	33
Р, кВт	35	18,8	8,4	4,95	1,52
t° i/t°1, эффективность охлаждения	1	0,9	0,82	0,7	0,3

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Для обеспечения необходимого технологического режима работы магистрального газопровода температура сжатого газа, который подается в магистральный газопровод, должна быть в пределах заданных значений. Аппараты воздушного охлаждения газа, через которые проходит сжатый газ для поддержания его температуры в заданных параметрах, состоят из радиатора и одного или нескольких вентиляторов с асинхронным электродвигателем, к приводу которого подключены преобразователи частоты. В начале работы все вентиляторы одновременно включают через преобразователи частоты, которые могут быть подключены к приводу каждого вентилятора аппарата воздушного охлаждения газа, или один преобразователь частоты может быть подключен к группе вентиляторов аппарата воздушного охлаждения, и устанавливают обороты вентиляторов ниже от номинальных с учетом температуры окружающей среды и технологических параметров температуры газа. После чего определяют температуру газа на выходе системы воздушного охлаждения газа или на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа и сравнивают ее с заданными технологическими параметрами температуры, она должна быть не ниже, чем нижнее значение технологической температуры, и не выше, чем верхнее значение технологической температуры. Если полученная температура ниже нижнего значения технологической температуры, то при помощи преобразователя частоты понижают обороты одного вентилятора на определенную величину или сразу группы вентиляторов, которые подключены к одному преобразователю частоты. Через определенное время, установленное регламентом обслуживания для системы охлаждения газа отдельной компрессорной станции, проводят следующее определение температуры и сравнение полученного значения температуры газа на выходе системы воздушного охлаждения газа или на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа с заданными технологическими параметрами температуры. Если полученная температура ниже заданного значения, то понижают на определенную величину обороты следующего вентилятора или следующей группы вентиляторов. Если полученная температура обеспечивает заданные параметры, то режим работы системы охлаждения газа не меняют, а проводят через установленное время следующее определение и сравнение полученной температуры газа на выходе системы воздушного охлаждения газа или на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа с заданными технологическими параметрами температуры. Если полученная температура выше, чем значение технологической температуры, то при помощи преобразователя частоты увеличивают обороты одного вентилятора на установленную величину или одновременно группы вентиляторов, которые подключены к одному преобразователю частоты. Через установленное время проводят следующее определение и сравнение полученной температуры газа на выходе системы воздушного охлаждения газа или на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа с заданными технологическими параметрами температуры. Если полученная температура выше заданного значения, то повышают на установленную величину обороты следующего вентилятора или следующей группы вентиляторов.

Примеры реализации способа.

1. Все вентиляторы аппаратов воздушного охлаждения газа включают с помощью преобразователя частоты и устанавливают на нулевые обороты, при этом к одному преобразователю частоты подключен один привод вентилятора. Определяют температуру на выходе системы воздушного охлаждения газа, после чего сравнивают ее с заданным значением. Если на выходе аппарата воздушного охлаждения газа температура газа выше, чем заданная, то поднимают обороты первого вентилятора этого аппарата до 50% оборотов от номинальных, через 3 минуты определяют температуру на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа, после чего сравнивают ее с заданным значением. Если полученная температура не соответствует заданному значению, то поднимают обороты следующего вентилятора этого аппарата до 50% оборотов от номинальных. Если при включении всех вентиляторов аппарата воздушного охлаждения газа на обороты 50% от номинальных полученная температура не соответствует заданной, то начинают последовательно поднимать обороты вентиляторов на 5% от номинальных до достижения заданного значения температуры. Когда температура газа на выходе аппарата воздушного охлаждения газа устанавливается ниже заданной, меняют режим работы вентиляторов в обратном порядке: сначала последовательно снижают обороты вентиляторов аппарата до 50% от номинальных, а дальше последовательно обороты вентиляторов снижают до нулевого значения.

2. Все вентиляторы аппаратов воздушного охлаждения газа включают с помощью преобразователей частоты и устанавливают на нулевые обороты, при этом к одному преобразователю подключены приводы группы вентиляторов одного аппарата воздушного охлаждения газа. Определяют температуру на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа, после чего сравнивают ее с заданным значением. Если на выходе аппарата воздушного охлаждения газа температура выше заданной, то поднимают обороты вентиляторов этого аппарата до 20% оборотов от номинальных, через 2 минуты определяют температуру на выходе аппаратов воздушного охлаждения газа, после чего сравнивают ее с заданным значением. Если определенная температура не соответствует заданному значению, то поднимают обороты группы вентиляторов на 3% от номинальных до достижения заданного значения температуры. Когда температура газа на выходе аппарата воздушного охлаждения газа устанавливается ниже заданной, меняют режим работы вентиляторов в обратном порядке: сначала снижают обороты вентиляторов аппарата до 20% от номинальных, а дальше снижают до нулевого значения.

3. Все вентиляторы аппаратов воздушного охлаждения газа включают с помощью преобразователей частоты и устанавливают на нулевые обороты, при этом к одному преобразователю подключены приводы группы вентиляторов. Определяют температуру на выходе системы воздушного охлаждения газа, после чего сравнивают ее с заданным значением. Если на выходе системы воздушного охлаждения газа температура выше, чем заданная, то поднимают обороты группы вентиляторов на 20% оборотов от номинальных, через 2 минуты определяют температуру на выходе системы воздушного охлаждения газа, после чего сравнивают ее с заданным значением. Если температура не соответствует заданному значению, то поднимают обороты следующей группы вентиляторов на 20% от номинальных. Если при включении всех групп вентиляторов на обороты 20% от номинальных температура не соответствует заданной, то начинают последовательно поднимать обороты групп вентиляторов на 10% от номинальных до достижения заданной температуры. Когда температура газа на выходе системы воздушного охлаждения газа устанавливается ниже заданной, меняют режим работы вентиляторов в обратном порядке: последовательно снижают обороты группы вентиляторов на 10% от номинальных до достижения заданной температуры.

4. Все вентиляторы аппаратов воздушного охлаждения газа включают с помощью преобразователя частоты и устанавливают на нулевые обороты, при этом к одному преобразователю частоты подключены приводы всех вентиляторов. Определяют температуру на выходе системы воздушного охлаждения газа, после чего сравнивают ее с заданным значением. Если на выходе системы воздушного охлаждения газа температура выше, чем заданная, то поднимают обороты всех вентиляторов на 5% оборотов от номинальных, через 1 минуту определяют температуру на выходе системы воздушного охлаждения газа, после чего сравнивают ее с заданным значением. Если температура не соответствует заданному значению, то поднимают обороты всех вентиляторов на 5% от номинальных через определенное время до достижения температуры на выходе заданному значению. Когда температура газа на выходе системы воздушного охлаждения газа устанавливается ниже заданной, меняют режим работы вентиляторов на 5% от номинальных до достижения заданной температуры.

Заявленный способ прошел экспериментальные испытания, которые подтвердили техническую возможность и экономическую эффективность заявленного способа. Этот способ может быть внедрен как на новых компрессорных станциях, так и на ныне работающих компрессорных станциях магистральных газопроводов.