Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к промышленным способам транспортировки газа с помощью газоперекачивающих агрегатов по локальным или магистральным газопроводам, а так же при добыче и хранении газа в хранилищах.

Известны способы транспортировки газа, включающие приём газа из трубопровода низкого давления с подачей газа в трубопровод высокого давления через газоперекачивающий агрегат (ГПА) для транспортировки с приводами от электрического двигателя, где вращают ротор нагнетателя газоперекачивающего агрегата механически или кинематически связанные, через редуктор или мультипликатор.(1) «А.Н. Казаченко, «Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов», Москва, «Нефть и газ», 1999 год -463 стр. ISBN Ν25-7246-0055-2». Так же известны способы транспортировки газа путём перекачивания газоперекачивающим агрегатом по трубам с приводом от электродвигателя .«Под ред. А.Н. Казаченко; В.Н. Никитин, Б. П. Коршаков, «Энергетика трубопроводного транспорта газа», Москва, изд. РГУ Нефти и газа им. Е.М. Губкина,2001 год.» (2).

Известные способы обеспечивают транспортировку газа только части от реально существующих физических процессов.

Недостатком широко известных способов транспортировки газа является низкие КПД и эффективности, а так же факт их значительного несоответствия, с приводом от электрических двигателей, действительно происходящим процессам при работе самих электродвигателей (3). Это заложено почти два века назад в (4) «Ф.А. Брокгауз - И.А. Ефрон, «Энциклопедический словарь», 1890 год, репринтно воспроизведённое издание к 100 летию выхода в свет 1-го издания 1890 - 1990, «Терра» - TERRA,TOM 80,1994 год, стр.469,«Электродвигатели»». Через низкие КПД и эффективность работы известных электрических двигателей, вытекают и низкие показатели, в известных способах транспортировки газа (1), (2).

Из уровня техники не известны способы транспортировки газа, способные достичь столь высоких показателей КПД и эффективности, через действия установленных газоперекачивающих агрегатов. Существующие способы транспортировки газа не соответствуют закону сохранения механической энергии (5), через работу известных и широко распространённых электродвигателей (3), (4), не соответствуют Международно установленным единицам измерения физической величине работа и энергия (6), основным законам механики Ньютона (7). Как известно любые технические и технологические процессы, которые не соответствуют законам физики, являются недействительными и не могут быть промышленно применимы.

Задачей предложенного изобретения является повышение КПД и эффективности существующих способов транспортировки газа, существенная экономия энергетических ресурсов, повышение экологической совместимости технологии, приведение в соответствие с существующими законами физики и Международно принятыми единицами измерения физической величине работа и энергия.

Целью изобретения является создание принципиально нового ранее не известного способа транспортировки газа с высоким КПД и эффективностью, при преобразовании электрической энергии через электрический двигатель в работу нагнетателя газа газоперекачивающего оборудования. Так же выполнение основного закона природы, закона сохранения энергии, выполнение основных законов механики с соблюдением Международно установленной единицы измерения физической величины работа. Приведение известных способов транспортировки газа в соответствие с реально происходящими физическими процессами.

Технический и технологический результат достигается тем, что для обеспечения нового способа транспортировки газа, с подачей напряжения на обмотки электродвигателя в период пуска аккумулируют механическую энергию, которую в свою очередь получают, когда преобразуют часть электрической энергии при разгоне всех вращающихся масс ротором, при этом далее сохраняют и применяют эту накопленную механическую энергию в установившемся режиме в виде кинетической энергии, в результате чего получают сумму из двух составляющих общей механической работы или энергии: первой Аэ. - работы электрического тока по вращению ротора с нагнетателем в установившемся режиме, второй |АБД.| - работы,

аккумулированной механической энергии, преобразованной из

электрической энергии при разгоне вращения единой системы масс ротором, которую применяют совместно с первой, а общую работу совершают и определяют по выражению:

Аобщ. = Аэ. + |А1д.|; [1].

где Аобщ. - общая работа электродвигателя с нагнетателем по

преобразованию электрической энергии в механическую энергию при транспортировке газа.

Для удобства рассуждений, с учётом традиционного подхода, переведём формулу [1] в изложении через мощности, поделив обе части на время t.

Тогда имеем выражение мощности:

Робщ. = Рэ + |Р1д.|; [2].

где, Робщ. - общая развиваемая мощность электродвигателем с нагнетателем при транспортировке газа;

Рэ. - составляющая величина мощности приводного электродвигателя с нагнетателем в номинальном или установившемся режиме;

|ΡΣ _Λ | - составляющая величина мощности от аккумулированной энергии вращающихся масс системы двигатель-нагнетатель;

Возможно выполнение и далее осуществление электрического привода нагнетателя, когда вращают статор с заданной массой и моментом инерции при неподвижном роторе. По источнику (3) КПД и эффективность известных приводных электродвигателей с начала 19-го века по (4), основаны государственные стандарты, которые не соответствуют существующим физическим законам в области механики. В предложенном способе транспортировки газа обеспечивается полный баланс всех задействованных видов энергии: электрической, электромеханической и чисто динамической или механической, а для наглядности изложения принята энергетическая диаграмма автора на Фиг. Все рассуждения основаны на том, что массы и моменты инерции вращаемых деталей и узлов электродвигателя, редуктора и нагнетателя берутся и суммируются в единую систему аккумулированной механической энергии |Ахд.| в виде их кинетической энергии в единой системе двигатель-нагнетатель.

В известных способах транспортировки газа привод нагнетателей агрегата осуществляется известными классическими электродвигателями (3), (4), с энергетической диаграммой, которые не отражают механические процессы, происходящие в существующих способах работы электродвигателей и далее в способах перемещения газа. К примеру, на чертеже Фиг с энергетической диаграммой работы нагнетателя с приводом от электрического двигателя, если отключить от электрического питания, работающий двигатель Аэ. = 0, то его система продолжит вращение по инерции длительное время . пока не остановится под воздействием различных потерь и нагрузки нагнетателя газа. Это доказывает и подтверждает, что однозначно наравне с работой Аэ. - работы электрического тока по вращению нагнетателя ротором в

установившемся режиме, одновременно присутствует и действует работа |АЕД.| - от аккумулированной механической энергии, преобразованной из электрической энергии при разгоне вращения единой системы масс ротором, которую применяют совместно с первой в виде кинетической энергии.

При пуске агрегата ГПА на Фиг. в начальный tn. момент времени |Ахд.| = 0, работа вращательного движения масс равна нулю, но в то же время работа Аэ. = max, электрического тока по разгону вращающихся масс ротором на много больше, чем при работе в установившемся режиме, в некоторых случаях превышает в два и более раз. Далее по энергетической диаграмме автора, происходит переход и преобразование, превышающей части, от установившейся после разгона, электрической энергии в механическую или динамическую, которая сохраняется и аккумулируется в виде кинетической энергии вращающихся масс в промежутке времени tn.. По завершении этого времени электрический двигатель с нагнетателем работает в установившемся режиме в промежутке времени tp.. Этот факт так же подтверждает, что в авторском варианте соблюдается закон сохранения энергии (5) и происходит превращение повышенной части работы Аэ. - как пусковой части этой работы, в разгон вращения масс системы ротором, чтобы в дальнейшем в установившемся режиме использовать, |АЕД.| - как работу от кинетической энергии движения масс с моментами инерции £J. Этот эквивалентный переход электрической энергии в механическую, происходит в равноценном количественном выражении в виде равенства площадей условных треугольников Sabc ~ Sa'b'c', в пусковой период времени. Таким образом на Фиг. по энергетической диаграмме автора, в предлагаемом способе транспортировки газа, на протяжение времени tp. - в установившемся режиме одновременно работают две составляющие. Это работа Аэ. - работы электрического тока по вращению ротора с нагнетателем в установившемся режиме и |ΑΣΛ| - работа предварительно аккумулированной при пуске кинетической энергии вращательного движения масс ротора с нагнетателем (через редуктор или без него), которые в сумме дают общую работу электродвигателя с нагнетателем в предлагаемом способе, через газоперекачивающий агрегат с приводом от электродвигателя. В источниках информации (1), (2) для широко известных и в существующих способах транспортировки газа работы |Ахд.| - работа вращательного движения заданных масс и моментов их инерции £J, с отдельно выделенным слагаемым, не предусмотрена в принципе. То есть принцип действия широко известных электродвигателей типа СТД-8000, в известных способах перемещения газа основан и описывается без слагаемой работы движения ротора в форме кинетической энергии, что не может быть объяснено и описано, как по энергетической диаграмме автора, так и по известной диаграмме из (4). К примеру, по энергетической диаграмме не возможно показать и объяснить, куда девается повышенная электрическая энергия во время пуска и разгона системы?, где та часть энергии в которую превратилась она в дальнейшем?, ведь по закону сохранения энергии она никуда не исчезает бесследно и должна присутствовать постоянно в другой форме, как конкретно в предлагаемом способе транспортировки газа. Эта работа [1] или мощность [2] постоянно присутствует и не исчезает бесследно, как в известных способах.

Для достоверности утверждений автора обратимся к единице измерения физической величине работа с принципиальной точки зрения килограмм на метр (кг-м) или ньютон на метр (н -м). В источнике (6) из серии «Знаете ли вы Физику?» стр.116, 1 17 неотразимо приведена суть самого понятия работа, которая по определению содержит часть пути перемещения массы по инерции в форме затухающей кинетической энергии движения, в противном случае не происходит соблюдение закона сохранения энергии. Для вращательного движения в механике единица измерения работы имеет ту же размерность (кг-м) или (н - м) как в (6) и по сущности так же должна содержать часть движения по инерции в составе единой инерциальной системы, к примеру, в предлагаемом способе транспортировки газа.

Для известных способов транспортировки газа с электродвигателем по разъяснению (6) можно сделать однозначный вывод, что единица измерения

(кг-м) или (н -м) применима только частично. Если изложить более точно в идеальном случае на основании законов Ньютона (7) для вращающегося тела, в известных способах транспортировки газа, применима только половина или часть значения работы или мощности, поскольку движение по инерции или примерно половина или часть энергии движения отсутствует в принципе. Известные средства измерения электрической энергии электросчётчики, ни в коем случае не показывает механическую составляющую мощности |Р1д |, в которую перешла повышенная пусковая часть электрической энергии при разгоне нагнетателя ротором, но |Рщ.| далее присутствует постоянно в установившемся режиме работы электрического двигателя с нагнетателем, в предлагаемом способе транспортировки газа. Если электросчётчик не может технически показать механическую составляющую развиваемой мощности, это не значит, что она не существует в данном технологическом и физическом процессе. Более того она всегда присутствует, влияет на КПД и эффективность предлагаемого способа транспортировки газа, по энергетической диаграмме автора. В то же время электросчётчик мощности потребляемой электродвигателем, а через него и нагрузки в виде нагнетателя, замеряет только Рэ. = Аэ со всеми потерями, равную величине Робщ. =

(V3)U-I, где U - напряжение питания, I - электрический ток в распространённых системах измерения. Счётчик не измеряет в постоянном режиме .мощность |Рхд.| от кинетической энергии движения ротора электродвигателя с нагнетателем, несмотря на то, что эта составляющая присутствует постоянно и только благодаря работе этой составляющей обеспечивается установившийся режим работы по диаграмме автора на Фиг. Математическое выражение КПД электродвигателя, в предлагаемом автором способе перемещения газа, соответствует закону сохранения энергии (5), законам механики (7) и единице измерения физической величине работа (6) и включает работу от кинетической энергии движения системы, в то время как для существующих способов она отсутствует в принципе.

Абсолютные величины работы или мощности вращательного движения нагнетателя с ротором по инерции в [1] и [2] взяты по причине того, что они являются отрицательными по направлению и имеют замедленную природу и убывающий характер движения по инерции под влиянием трения и нагрузки в случае предлагаемого способа перемещения газа.

Если существует способ транспортировки газа, где происходит преобразование электрической энергии в механическую энергию, то полученный механический процесс должен полностью подчиняться с возможностью математического описания существующими законами механики (7) и законом сохранения энергии (5). В широко известных (1), (2) способах транспортировки газа, и устройствах для их осуществления вторая составляющая |Ащ.| отсутствует и не фигурирует при выполнении работы [1] и развиваемой у них мощности [2], что противоречит фундаментальному закону сохранения энергии, законам механики и не соответствует Международно установленной единице измерения физической величине работа (6) и не может применяться на практике.

Осуществление изобретения.Предложенный способ транспортировки газа с приводом нагнетателя от электродвигателя производят следующим образом: с подачей напряжения на обмотки в период пуска аккумулируют механическую энергию, которую в свою очередь получают, когда преобразуют часть электрической энергии при разгоне всех вращающихся масс ротором, при этом далее сохраняют и применяют эту накопленную механическую энергию в установившемся режиме в виде кинетической энергии, в результате чего получают сумму из двух составляющих общей механической работы или энергии: первой Аэ. - работы электрического тока по вращению ротора с нагнетателем в установившемся режиме, второй |ΑΣΛ|

- работы, аккумулированной механической энергии, преобразованной из электрической энергии при разгоне вращения единой системы масс ротором, которую применяют совместно с первой, а общую работу совершают и определяют по выражению [ 1].

Краткое описание чертежа Фиг.

На графическом материале представлена энергетическая диаграмма автора, где наглядно изложен способ транспортировки газа. На Фиг, диаграмма имеет три вертикальные зоны работы, сверху разделённые по видам энергии, Э - электрическая, в середине ЭМ - электромеханическая и М - чисто механическая или динамическая. Слева показаны три периода времени или режима работы электрического двигателя с нагнетателем, tn. - время пуска, tp.

- время установившегося режима, . - время остановки после отключения питания. Каждому периоду времени, справа диаграммы показаны интервалы значения работы, пусковому периоду соответствует разгон и вращение масс системы ротором до установившегося значения работы, от |ΑΣΛ.|. = 0 до |ΑΣΑ.| = max, от нуля до максимальной, при обеспечении суммарного баланса работ

[1 ] или баланса мощности [2]. Одновременно в пусковом интервале времени показан эквивалент преобразования пусковой части электроэнергии в аккумулированную энергию вращающихся масс системы в виде равнозначных условных площадей треугольников Sabc ~ Sa'b'c'. Далее в установившемся режиме tp. работа равна суммарному значению Аобщ. = Аэ. + |Ащ.|, а после отключения напряжения . работа определяется в интервале от |Ащ.| = max до |Ащ.| = 0. В виде отрезков со стрелками на нижней части диаграммы наглядно показано равенство [ 1 ], [2] как баланс энергии или сумма работ или мощностей предложенного способа транспортировки газа. По середине диаграммы сверху вниз двухсторонней стрелкой показаны потери при работе электрического двигателя, а так же степень нагрузки при работе способа транспортировки газа, которые имеют влияние на каждую из составляющих Аэ. и |А Д.|, В раскладе зависимости от периодов времени или режимов работы. В пусковой период tn., в начале потери чисто зависящие от больших электрических пусковых токов, а механическое трение равно нулю, и в конце, уже при установившемся tp. режиме потери выравниваются и равномерно ложатся на каждую электромеханическую Аэ. и чисто динамическую работу |Ащ.|, от кинетической энергии движения ротора с нагнетателем в единой системе. После отключения электрического напряжения, питающего двигатель, существуют только механические потери с нагрузкой, к примеру, транспортируемого газа, которые убывают по мере уменьшения скорости движения, показано в нижней части диаграммы, где так же соблюдается общий баланс [1] или [2]. По середине пунктирной линией сверху вниз ограничены и показаны потери, которые в отдельности и суммарно обозначены стрелками, где Апот.общ. = Апот.э. + АПОТ. Д.. В чисто механической части работы на диаграмме показана математическая формула

|Ащ.| = (£J) - co ² /2 и наглядно подчёркивает, что это зона кинетической энергии движения системы двигатель-нагнетатель в виде вращающихся масс, эта работа постоянно присутствует после перехода из чисто электрической энергии из зоны периода tn., пуска системы при полном соблюдении баланса [1] или [2]. На верху энергетической диаграммы в начале пускового времени tn., общая работа Аобщ. имеет чисто электрическое содержание, только по мере разгона системы ротором, никуда не исчезает, уменьшается и превращается, эквивалентом в чисто механическую работу от кинетической энергии вращательного движения системы и нагрузки по инерции, сдвигаясь в правую механическую зону диаграммы с балансом [1] или [2]. На чертеже наглядно изображён масштаб составляющих электромеханической и механической частей работы предлагаемого способа транспортировки газа, который примерно в два раза превышает, чем в существующих способах. Коэффициент полезного действия известных способов перемещения газа из (1), (2), через известные электродвигатели определяется классическим методом (3), (4). Формула КПД автора отличается от известных тем, что в предлагаемом способе присутствует работа |Ащ.| или |Рщ.| мощность от кинетической энергии вращающихся масс, по закону сохранения энергии (5). Эффективность предлагаемых способов транспортировки газа выходит из общей выполняемой суммарной работы электрическим двигателем с нагнетателем по [1] и развиваемой мощности [2] из примерной диаграммы автора, практически они почти в полтора - два раза больше известных. Таким образом, признак повышения КПД и эффективности для предложенного способа транспортировки газа очевиден. Не вызывает сомнений и сам фактор в отношении к экологической совместимости и соответствия закону сохранения энергии, законам механики и Международно установленной единице измерения физической величине работа и энергия.

На основании источника (5) для предлагаемого изобретения, ставшим общедоступным до даты приоритета на стр. 67,68 «Закон сохранения

механической энергии», основная аккумулированная в период разгона масс системы ротором, составляющая работа |АЕД.|ИЛИ МОЩНОСТЬ |РХД.| обязательна и её применяют совместно с первой составляющей, как неотъемлемый признак по [1] или [2]. Из этого вытекает очевидное решение, к примеру, в известных способах транспортировки газа с приводом нагнетателя, от условного электродвигателя СТД-8000, где пусковая повышенная часть электрической энергии аккумулируется при разгоне масс системы ротором, далее сохраняется и непосредственно действует в номинальном

установившемся режиме при транспортировке газа, как основная

составляющая энергия |Ахд.|. Поскольку момент инерции ротора

электродвигателя не на много отличается от суммарного (£J) моментов инерции ротора, нагнетателя, (редуктора) и соединительных валов вместе взятых, то рассмотрим на расчётном примере ротора двигателя.

Описание решения, до приоритета заявленного изобретения на примере:

1. «Расчётные пусковые характеристики» СТД-8000 синхронных

электрических двигателей для приводов нагнетателей газа.

2. Масса ротора электродвигателя СТД-8000, m = 4520 кг и диаметром активной части ротора 600 мм (по техпаспорту).

По пункту 1 очевидно, что для пуска в работу электрического двигателя СТД-8000 необходимы большие пусковые токи для разгона ротора массой m = 4520 кг и моментом инерции J = m-r ² /2 = 4520 кгх0,3 ² /2 = 2034 кг/м ² . В связи с чем, вводится пусковой режим электрического питания, для этого к примеру включают два силовых трансформатора по 25 MB А в параллельном суммирующем режиме, с помощью секционных масляных выключателей СМВ-10. После завершения режима запуска основного силового агрегата СМВ-10 отключают и ГПА далее работает от одного трансформатора 25 MB А в установившемся режиме, потребляя 1/3 мощности. Таким образом, в период пускового режима обеспечивается аккумулирование кинетической энергии ротора до расчётного значения Ад = (J-o ² )/2, при оборотах 3000 об/мин или угловой скорости 314 с ¹ . Далее после завершения пускового режима происходит применение полученной кинетической энергии для транспортировки газа по трубам нагнетателем с приводом от

электродвигателя с общим энергетическим балансом, определяемым по математическим выражениям [1] и [2], по закону сохранения механической энергии из (5). Приведённые примеры режимов пуска электродвигателя, с переключением режимов и далее работы в установившемся режиме полностью совпадают с приведённым в графическом материале на Фиг и описания материалов заявки.

По пункту 2 приведены расчётные пусковые характеристики СТД-8000, в виде отношений пусковых токов к номинальным - в числителе и пускового момента к номинальному моменту на валу двигателя - в знаменателе.

Максимальное значение пускового тока доходит до семи кратного значения (в 6,93 раз). Есть возможность определить по формуле автора Аэ =

V3-UT-6,93-tn/2, (как площадь условного треугольников Sabc ~ Sa'b'c' на графическом материале по Фиг, в пусковой части режима в период разгона ротора двигателя) общую пусковую часть электрической энергии, которая переходит в кинетическую энергию ротора, где аккумулируется и далее применяется в установившемся, после разгона, обеспечивая эквивалентный переходный баланс энергии. Таким образом, способ работы этого двигателя, с участием составляющей |Ащ.|, а через него и предлагаемый «Способ транспортировки газа» раскрыт только здесь.

Величину кинетической энергии ротора, применяемой в установившемся режиме работы ГПА (оценочно) находим по формуле Ад = (J-CD ² )/2 = (2034 кг/м -314 ² с ² )/2 = 100272132 Дж, или с поправкой на вальную часть ротора Ад = 89130784 Дж. Если сопоставить паспортные данные мощности СТД-8000 кВт или 8000000 Вт, с мощностью развиваемой кинетической энергией ротора при 3000 об/мин или угловой скорости 314 с ¹ , Рд = 89130784 Вт или работы |Ащ.| = 89130784 Дж (Вт-с). В первом приближении Аэ в

установившемся режиме составит не более 10% (точнее 8,236%), без учёта различных потерь и нагрузки, от Аобщ. по выражению [1]. По закону

сохранения энергии, пусковая часть электрической энергии СТД-8000 перешла в аккумулированную механическую энергию ротора. Далее эта аккумулированная энергия, по закону сохранения энергии (5), сохраняется и применяется в энергетическом балансе общей развиваемой мощности нагнетателя в предлагаемом способе. Таким образом, признак

«промышленная применимость» обеспечен через паспортные данные СТД- 8000. На вышеприведённых примерах расчёта показаны соотношение затрат энергии на разгон ротора приводного электродвигателя заданной массы и аккумулирование значительного количества энергии. Аналогичным образом проходит механика технологического процесса транспортировки газа с приводом нагнетателя от газотурбинного двигателя, при этом около 90% энергии теряется в виде тепла и «загрязняет» атмосферу земли, а КПД ГПА не превышает 10%.

Из доступных источников следует, что предложенное изобретение не известно.

Таким образом, предлагаемый способ транспортировки газа соответствует критериям патентоспособности изобретения «новизна», изобретательский уровень и промышленная применимость.

Источники информации:

1. А.Н. Казаченко, «Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов», Москва, «Нефть и газ», 1999 год -463 стр. ISBN Ne5-7246- 0055-2.

2. Под ред. А.Н. Казаченко; В.Н. Никитин, Б.П. Коршаков, «Энергетика трубопроводного транспорта газа», Москва, изд. РГУ Нефти и газа им. Е.М. Губкина, 2001 год.

...3. ГОСТ 25941 - 83, «Методы определения потерь и КПД электрических машин.

4. Ф.А. Брокгауз - И.А. Ефрон, «Энциклопедический словарь», 1890 год, репринтно воспроизведённое издание к 100 летию выхода в свет 1-го издания 1890 - 1990, «Терра» - TERRA,TOM 80,1994 год, стр.469,«Электродвигатели».

5. «Б.М. Яворский и А. А. Детлаф, «Справочник по Физике», для инженеров и студентов вузов, издание четвёртое, переработанное, Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1968 год.»

6. Я.И Перельман, «Занимательная механика», Домодедово издательство ВАП, 1994 год.

7. И.Ньютон, «Математические начала натуральной философии», перевод с латинского с примечаниями и пояснениями А.Н. Крылова, Л., Издательство АН СССР, 1936 год.