Способ и устройство для создания потока жидкости в трубопроводе

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ Дата публикации и выдачи патента СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ Предложен способ создания потока жидкости в трубопроводе (7, 9), снабженном по меньшей мере одной турбиной (11, 13) для извлечения энергии из потока жидкости, в котором пар используют для создания потока жидкости в трубопроводе (7, 9) и через турбину (11, 13). Предложена также установка для осуществления способа. 015957 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к способу и установке для создания потока жидкости в трубопроводе. Более конкретно оно относится к способу и установке для создания потока жидкости в трубопроводе, который снабжен по меньшей мере одной турбиной для извлечения энергии из потока жидкости. Предшествующий уровень техники Известно использование паровых турбин, газовых турбин или двигателей внутреннего сгорания для получения, например, электроэнергии. Однако известно, что КПД такого оборудования относительно низок, около 30-40%. Это означает, что для получения электроэнергии производится относительно много СО 2. Кроме того, такое оборудование требует так называемого вспомогательного оборудования, сложное и имеет относительно высокие затраты на эксплуатацию. Из-за этих недостатков использование ограниченных месторождений или ограниченная добыча горючих газов, таких как метан, до сих пор не представляла большого интереса. Такие ограниченные месторождения типичны для мест, где происходит разложение биологической массы. Примерами такой биологической массы являются отходы производства, связанные с производством пищевых продуктов,такие как навоз, отходы скотобоен и растительные отходы. Вместо того, чтобы использовать ресурсы, которые представляют собой эти газы, обычно эти газы либо выпускают в атмосферу непосредственно, путем распределения удобрений на сельскохозяйственных землях, либо после так называемого факельного сжигания. Долгое время относительно безопасными в экологическом отношении считались так называемые районные теплоцентрали, осуществляющие распределение нагретой воды на окружающей территории. Такие теплоцентрали считались особенно экологически чистыми, когда получение энергии было основано на сжигании, например, отходов или нейтральных в отношении СО 2 энергетических ресурсов, таких как древесная щепа. Однако районные теплоцентрали имеют ряд недостатков. Во-первых, они требуют относительно больших капиталовложений и связаны с высокими эксплуатационными затратами. Во-вторых, потребность в производимом теплоцентралями тепле подвержена колебаниям. Потребность колеблется как в пределах суток, так и в течение сезона. И последнее, но не последнее по значимости заключается в том,что энергия в виде нагретой воды имеет малую дальность действия и может распределяться только в сети, подключенной к районной теплоцентрали. Любые излишки тепла могут продаваться только на территориях большой промышленной плотности. В опубликованном патентном документе GB 162641 описана установка, в которой используется пар под давлением для создания потока жидкости в трубопроводе. В опубликованном патентном документе US 2007/0151234 А 1 описана система для получения энергии, в которой сжатый воздух используется для обеспечения потока жидкости к водяной турбине. Сущность изобретения Задачей изобретения является устранение или уменьшение по меньшей мере одного из недостатков известных решений уровня техники. Решение задачи достигается за счет признаков, изложенных в последующем описании и пунктах формулы изобретения. В первом аспекте изобретения предложен способ создания потока жидкости в трубопроводе, снабженном по меньшей мере одной турбиной для извлечения энергии из потока жидкости, содержащий следующие этапы: пропускают поток пара под первым давлением через закрываемый подвод в емкость для вытеснения объема жидкости через закрываемый отвод из емкости в трубопровод; пропускают поток жидкости через турбину для приведения ее в действие и возвращают поток жидкости от нижней по потоку стороны турбины под давлением ниже давления на верхней по потоку стороне турбины через гидролинию низкого давления, буферную емкость и питающую гидролинию ко второму подводу емкости, причем этот подвод выполнен открываемым; отсекают подачу пара в емкость; допускают, чтобы давление в емкости вытесняло жидкость из емкости через турбину; закрывают отвод к трубопроводу; открывают отвод для пара из емкости иоткрывают подачу жидкости для нового заполнения емкости от питающей гидролинии, которая соединена с буферной емкостью. Энергия, которая подается к системе в виде пара под давлением, может обеспечиваться известным образом, например, посредством парового котла. Для создания как можно более равномерного потока по меньшей мере через одну турбину, предпочтительно две или большее количество емкостей соединяют параллельно, а этапы способа выполняют с задержкой по фазе между отдельными емкостями. В предпочтительном примере осуществления по меньшей мере одну дополнительную турбину помещают по меньшей мере в одном дополнительном трубопроводе среднего давления, предусмотренном-1 015957 по меньшей мере для одной емкости, причем поток жидкости в конкретный трубопровод направляют в зависимости от давления в емкости. При этом управляют потоком жидкости последовательно через одну или большее количество гидролиний среднего давления и через дополнительные турбины, которые рассчитаны на поток жидкости ограниченного диапазона давления. Для обеспечения возможности поддержания баланса пара и жидкости в установке при открытии упомянутого отвода для выпуска пара из емкости, т.е. так называемого сброса давления, предпочтительно выпускаемый из емкости пар направляют в линию сброса давления и пропускают через теплообменник обратно в гидравлическую систему через буферную емкость. Благодаря этому поддерживается гидравлический баланс в установке, которая в гидравлическом отношении замкнута относительно окружения. В альтернативном примере осуществления пар в линии сброса давления передается в парогенераторное устройство с помощью насосного устройства. В следующем альтернативном примере осуществления пар в линии сброса давления передается в теплообменник и из него перекачивается насосом в парогенераторное устройство. В обоих упомянутых альтернативных вариантах в установке обеспечивается улучшенное разделение пара и жидкости. Кроме того, в этих альтернативных вариантах в установке поддерживается гидравлический баланс. В одном примере осуществления линия сброса давления снабжена паровой турбиной для извлечения энергии из текущего в ней пара. Паровая турбина расположена по потоку перед теплообменником при его наличии. Большое преимущество показало решение, в котором турбина является так называемой турбиной объемного действия. В одном примере осуществления в качестве турбины использован так называемый коловратный насос, приводимый в действие потоком жидкости в трубопроводе. Большое преимущество обеспечивается также в том случае, если турбина используется для управления давлением на нижней по потоку стороне турбины таким образом, что давление не падает ниже предварительно определенного минимального давления. Во втором аспекте изобретения создана установка для создания потока жидкости в трубопроводе для привода по меньшей мере одной турбины, расположенной в трубопроводе, содержащая по меньшей мере одну емкость, выполненную с возможностью содержать пар и жидкость, причем направляемый в емкость пар может вытеснять жидкость из емкости через закрываемый отвод в трубопровод, который содержит турбину, при этом жидкость, которая была вытеснена из емкости под первым давлением, может гидравлически сообщаться через буферную емкость с закрываемым гидравлическим подводом емкости, через которую жидкость пропускается под вторым давлением ниже первого давления, однако при этом второе давление выше остаточного давления в емкости. Для предотвращения конденсации пара предпочтительно насколько возможно изолировать пар от жидкости. Это может достигаться, например, разделением емкости на паровую камеру и камеру для жидкости посредством плавающего поршня, предпочтительно изготовленного из теплоизоляционного материала. Для обеспечения как можно более равномерного потока жидкости через турбину две или большее количество емкостей предпочтительно соединены параллельно, а входной и выходной потоки пара и жидкости управляются с задержкой по фазе таким образом, что, например, опорожнение первой емкости производится во время заполнения другой емкости. Имеет преимущество решение, в котором буферная емкость расположена в части установки между нижней по потоку стороной турбины и емкостью. Для поддержания в установке избыточного давления,чтобы жидкость могла поступать в емкость без использования насосного устройства, предпочтительно буферная емкость является напорной емкостью. В предпочтительном примере осуществления парогенераторное устройство питается жидкостью из буферной емкости. Альтернативно или дополнительно парогенераторное устройство питается жидкостью от линии сброса давления или от возможного теплообменника, гидравлически сообщающегося с ним. Для специалиста в данной области понятно, что перед подачей в парогенераторное устройство давление жидкости или пара должно быть повышено для обеспечения этой подачи. Чертеж Далее будет подробно описан пример осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображена принципиальная схема установки, в которой пар используется для нагнетания жидкости через две турбины, установленные параллельно в соответствующих частях витка трубопровода. На принципиальной схеме установка показана на определенном этапе работы.-2 015957 Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На чертеже позицией 1 обозначена установка по изобретению на определенном этапе работы или в"мгновенном положении". Установка 1 содержит следующие основные компоненты: известный сам по себе паровой котел 3, подающий пар в линию 5 подачи пара; четыре клапана S1, S2, S3 и S4 подачи пара, причем каждый из них управляет подачей пара в верхнюю часть соответствующей емкости V1, V2, V3 и V4; гидролинию 7 высокого давления, подсоединенную к донной части каждой из емкостей V1, V2, V3,V4, причем поток жидкости из каждой отдельной емкости V1, V2, V3 и V4 в гидролинию 7 высокого давления управляется соответствующим клапаном Н 1, Н 2, Н 3 и Н 4 высокого давления; гидролинию 9 среднего давления, подсоединенную к донной части каждой из емкостей V1, V2, V3,V4, причем поток жидкости из каждой отдельной емкости V1, V2, V3 и V4 в гидролинию 9 среднего давления управляется соответствующим клапаном М 1, М 2, М 3 и М 4 среднего давления; первую турбину 11, которая сообщается с гидролинией 7 высокого давления, и вторую турбину 13,которая сообщается с гидролинией 9 среднего давления; первую гидролинию 15 низкого давления и вторую гидролинию 17 низкого давления, которые подсоединены к нижней по потоку стороне соответственно первой турбины 11 и второй турбины 13; буферную емкость 19, которая сообщается с первой гидролинией 15 низкого давления и второй гидролинией 17 низкого давления; питающую гидролинию 21, проходящую между буферной емкостью 19 и донной частью каждой из емкостей V1, V2, V3 и V4, причем подача жидкости к емкостям V1, V2, V3 и V4 управляется с помощью соответствующих клапанов L1, L2, L3 и L4 подачи жидкости; линию 23 сброса давления, подсоединенную к верхней части каждой из емкостей V1, V2, V3 и V4,причем сброс давления из каждой отдельной емкости V1, V2, V3 и V4 управляется с помощью соответствующих клапанов В 1, В 2, В 3 и В 4 сброса давления; и питающую гидролинию 29 парового котла, подающую с помощью насоса 31 жидкость из буферной емкости 19 к паровому котлу 3. Направления потоков в отдельных трубопроводах показаны на чертеже стрелками. На данном этапе, показанном на чертеже, клапан S2 подачи пара открыт, в то время как клапаны S1,S3 и S4 подачи пара закрыты. При этом на данном этапе пар из парового котла 3 течет только в емкостьV2. Паровой котел генерирует пар под первым давлением, которое составляет, например, 30 бар. Специалисту в данной области понятно, что пар может подаваться под давлением, отличным от указанного давления для данного примера. Поступающий в емкость V2 пар вытесняет жидкость, например воду, через открытый клапан Н 2 высокого давления в гидролинию 7 высокого давления. В данный момент времени клапаны Н 1, Н 3, Н 4 высокого давления, управляющие выходными потоками жидкости из соответствующих емкостей V1, V3 и V4, находятся в закрытом положении. Жидкость, которая вытесняется из емкости V2 в гидролинию 7 высокого давления, течет через первую турбину 11. Первая турбина 11 представляет собой насосное устройство объемного действия, которое приводится в действие водяным потоком, причем это насосное устройство соединено, например, с генератором (не показан) для выработки электрического тока. Предпочтительно насосное устройство объемного действия образовано так называемым коловратным насосом. Извлекаемая турбиной 11 энергия вызывает перепад давления на турбине 11. На нижней по потоку стороне турбины 11 давление снижается до относительно низкого давления, которое в качестве примера,но не ограничительно, может составлять от 2 до 3 бар. Желательно на нижней по потоку стороне турбины 11 поддерживать избыточное давление, чтобы жидкость могла течь через гидролинии 15, 17 низкого давления в буферную емкость 19 и из нее через питающую гидролинию 21 в соответствующую емкость без использования насосных устройств, которые потребовали бы энергии. На чертеже емкость V1 показана примерно наполовину заполненной паром, который вытеснил жидкость наружу через гидролинию 7 высокого давления, когда клапан Н 1 находился в открытом положении. Однако на показанном этапе клапан Н 1 высокого давления и клапан S1 подачи пара находятся в закрытом положении, в то время как клапан М 1 среднего давления находится в открытом положении. В данный момент времени давление в емкости V1 вытесняет жидкость наружу через открытый клапан М 1 среднего давления в гидролинию 9 среднего давления и дальше в аккумулирующую емкость 25 для выравнивания давления, откуда жидкость течет через вторую турбину 13. От нижней по потоку стороны второй турбины 13 жидкость течет через вторую гидролинию 17 низкого давления в буферную емкость 19. Следует понимать, что емкость (не показана), по существу, соответствующая аккумулирующей емкости 25, расположенной в гидролинии 9 среднего давления, может быть расположена также в гидролинии 7 высокого давления. На чертеже емкости V3 и V4 находятся в процессе заполнения жидкостью из буферной емкости 19. На данном этапе емкость V3 заполнена примерно на 80%, а емкость V4 заполнена примерно на 20%.-3 015957 Понятно, что для обеспечения впускного потока жидкости в емкости V3 и V4 клапаны L3 и L4 подачи жидкости находятся в открытом положении. Для предотвращения того, чтобы остаточное давление в емкостях V3 и V4 препятствовало их заполнению жидкостью под относительно низким давлением, например от 2 до 3 бар, клапаны В 3 и В 4 сброса давления находятся в открытом положении. На чертеже показано, что линия 23 сброса давления подсоединена к теплообменнику 27, который сам по себе известен. Основная задача теплообменника 27 состоит в том, чтобы конденсировать пар в жидкость, так что в установке поддерживается баланс пара и жидкости. В качестве побочного положительного эффекта теплообменник 27 обеспечивает определенное всасывание пара из соответствующих емкостей V1-V4. Другой задачей является использование части тепловой энергии, которую несет отводимый из емкостей V1-V4 пар. Извлекаемая энергия может использоваться, например, в сочетании с биогазовой установкой (не показана), которая может быть подсоединена к паровому котлу 3. В качестве альтернативы теплообменнику 27 пар, который сбрасывается через линию 23 сброса давления, может подаваться непосредственно в буферную емкость 19. Однако такое решение могло бы означать, что конденсация сбрасываемого пара может занимать больше времени, что препятствовало бы эффективному сбросу давления в емкостях V1-V4. Жидкость, которая используется для получения пара в паровом котле 3, нагнетается из буферной емкости 19 в паровой котел 3 через питающую гидролинию 29 парового котла с помощью насоса 31. Кроме парового котла 3 насос 31 является единственным устройством, потребляющим какую-то значительную энергию, поскольку энергия, необходимая для работы клапанов, относительно невелика. В показанном примере выполнения установка 1 оснащена четырьмя емкостями V1, V2, V3, V4, однако очевидно, что она может содержать одну, две, три или больше четырех емкостей. При необходимости пар может подаваться к последовательно соединенным установкам, т.е. две или большее количество емкостей или комплектов емкостей могут быть соединены последовательно. На чертеже показано, что жидкость может вытесняться в две альтернативные гидролинии 7, 9 и от них проходить через соответствующие турбины 11, 13. Однако понятно, что установка может быть снабжена другими гидролиниями (не показаны), из которых каждая снабжена турбиной (не показаны). Следует понимать, что упомянутые выше клапаны управляются с помощью устройств управления,которые известны сами по себе и хорошо известны специалисту в данной области. Кроме того, специалисту в данной области понятно, что, по меньшей мере, те клапаны, которые открываются и закрываются для потока жидкости, управляются, по существу, по принципу баланса давления. Это дает преимущество по сравнению с использованием энергии для управления клапанами. Цикл опорожнения и заполнения каждой емкости в типовом случае занимает от одной до двух минут, хотя эти периоды могут быть также короче или длиннее. Специалисту в данной области понятно,что при таком цикле опорожнения и заполнения скорость потока жидкости в установке 1 будет относительно низка. В опытном образце установки была зафиксирована скорость от 2,5 до 3 м/с, что дает относительно низкие потери потока и небольшую эрозию в установке. Установка 1 по изобретению обеспечивает создание замкнутой системы под давлением, которая показывает очень высокую эффективность, в то время как подаваемая к паровому котлу 3 энергия может преобразовываться в энергию, которая может распределяться в существующей сети энергоснабжения. Для специалиста в данной области понятно, что пар может обеспечиваться с помощью различных источников энергии, в частности, но не ограничительно, таких как ископаемое топливо, органический материал, сжигание отходов, солнечная энергия, избыточная теплота промышленных установок или комбинация этих средств. Вследствие самого факта создания замкнутой системы под давлением для циркуляции жидкости температура жидкости может превышать 100 С без какой либо эмиссии или выпуска пара или жидкости. Для снижения неуправляемых потерь тепла в окружающую среду и тем самым потерь энергии все части установки 1 могут быть снабжены теплоизоляционными средствами. По сравнению с известными установками для приведения в действие турбины посредством пара установка по изобретению содержит очень небольшое число движущихся частей, что определяет ее преимущества в аспекте эксплуатации и технического обслуживания. Однако одно из главных преимуществпо сравнению с известными установками заключается в высоком КПД установки, который согласно измерениям находится в диапазоне от 60 до 70%. Простота установки в сочетании с ее высокой эффективностью делает ее экономически выгодной для использования носителей энергии, которые до сих пор не использовались. Таким образом, исходя из изложенного, для специалиста в данной области понятно, что способ и установка по изобретению представляет значительное достижение в экологическом аспекте. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ создания потока жидкости в трубопроводе (7), снабженном по меньшей мере одной турбиной (11) для извлечения энергии из потока жидкости, содержащий следующие этапы: пропускают поток пара через клапан (S1) подачи пара в верхнюю часть емкости (V1) для вытеснения объема жидкости через клапан (Н 1) выпуска жидкости, расположенный в донной части емкости(V1), в трубопровод (7) для создания потока жидкости под первым давлением; пропускают поток жидкости из трубопровода (7) через турбину (11) для приведения ее в действие; отводят поток жидкости от нижней по потоку стороны турбины (11) под вторым давлением через линию (15) низкого давления к буферной емкости (19); закрывают клапан (S1) подачи пара для вытеснения оставшейся жидкости из емкости (V1) через турбину (11) и линию (15) низкого давления в буферную емкость (19) за счет давления с нижней по потоку стороны клапана (S1) подачи пара; затем отсекают подачу жидкости в трубопровод (7) посредством клапана (Н 1) выпуска жидкости; открывают отвод для пара из емкости (V1) посредством клапана В 1 сброса давления и открывают подачу жидкости для нового заполнения емкости (V1) от питающей гидролинии (21),соединенной с буферной емкостью (19), посредством клапана L1 подачи жидкости,отличающийся тем, что в качестве турбины (11) для управления вторым давлением с обеспечением того,чтобы оно было ниже первого давления, но выше остаточного давления в емкости (V1), так чтобы жидкость возвращалась через буферную емкость (19) под давлением, достаточным для заполнения емкости(V1) без использования насоса, используют турбинное устройство объемного действия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что две или большее количество емкостей (V2-V4) соединяют параллельно друг другу и емкости (V1). 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют по меньшей мере одну дополнительную турбину (13) по меньшей мере в одном дополнительном трубопроводе (9) среднего давления, предусмотренном по меньшей мере для одной емкости (V1-V4), причем выбор конкретного трубопровода (7, 9), в который направляют поток жидкости, зависит от давления в емкости (V1-V4). 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпускаемый из емкости (V1) пар направляют в линию(23) сброса давления и пропускают через теплообменник (27) обратно по меньшей мере в одну буферную емкость (19) или в паровой котел (3), генерирующий пар. 5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что выпускаемый из емкости (V1) пар направляют в линию (23) сброса давления и пропускают через паровую турбину, расположенную по потоку перед возможным теплообменником и далее обратно по меньшей мере в одну буферную емкость (19) или в паровой котел (3), генерирующий пар. 6. Установка (1) для создания потока жидкости в трубопроводе (7), содержащая по меньшей мере одну турбину (11), установленную в трубопроводе (7); линию (5) подачи пара и линию (23) сброса давления, подсоединенные по меньшей мере к одной емкости (V1) в ее верхней части, причем емкость выполнена с возможностью содержать пар и жидкость; трубопровод (7), подсоединенный к донной части емкости (V1), причем трубопровод (7) выполнен с возможностью приема жидкости под первым давлением, вытесняемой паром, который был подан в емкость (V1) по линии (5) подачи пара, и направления жидкости через турбину (11), нижняя по потоку сторона которой подсоединена к линии (15) низкого давления, соединенной с буферной емкостью (19),снабженной питающей гидролинией (21) для направления жидкости из буферной емкости (19) через подвод для жидкости емкости (V1); управляемый клапан (S1, В 1, Н 1, L1), расположенный в каждой из линий для управления потоком пара и жидкости в емкость (V1) и из нее,отличающаяся тем, что турбина (11) является турбиной объемного действия, выполненной с возможностью управления давлением на нижней по потоку стороне турбины (11) таким образом, что жидкость на нижней по потоку стороне турбины (11) находится под вторым давлением, которое ниже первого давления, но выше остаточного давления в емкости (V1), так что приводящая в действие турбину (11) жидкость возвращается через буферную емкость (19) под давлением, достаточным для заполнения емкости(V1) без использования насоса. 7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что емкость (V1) разделена на паровую камеру и камеру для жидкости посредством плавающего поршня (6). 8. Установка по п.6 или 7, отличающаяся тем, что содержит две или большее количество емкостей(V2-V4), соединенных параллельно друг другу и емкости (V1). 9. Установка по любому из пп.6-8, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна дополнительная турбина (13) установлена по меньшей мере в одном дополнительном трубопроводе (9) среднего давления, предусмотренном по меньшей мере для одной емкости (V1-V4). 10. Установка по п.6, отличающаяся тем, что она снабжена питающей линией (29) парового котла для подачи используемой для генерирования пара жидкости из буферной емкости (19), причем жидкость-5 015957 подается посредством насоса (31). 11. Установка по п.6, отличающаяся тем, что содержит теплообменник (27), выполненный с возможностью подачи пара из емкости (V1) через линию (23) сброса давления обратно в буферную емкость(19) и/или в паровой котел (3) установки (1). 12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что содержит паровую турбину в линии (23) сброса давления, расположенную по потоку перед теплообменником (27).