ТЕПЛООБМЕННЫЙ КОМПЛЕКС ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА СЖИЖЕННОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
HEAT EXCHANGER COMPLEX OF POWER PLANT ON LIQUEFIED NATURAL GAS

Изобретение относится к области судовых энергетических установок, а более конкретно к теплообменным комплексам судовых энергетических установок, работающих на сжиженном природном газе, может быть использовано для систем регазификации и подготовки топливного газа и касается вопроса повышения энергоэффективности судна на основе использования вторичных энергетических ресурсов.
Известен теплообменный комплекс энергетической установки на сжиженном природном газе (испарительная установка в составе энергетической установки), включающий энергетическую установку, содержащую газотурбинный генератор и последовательно соединенную с ним его выхлопной системой нагревательную камеру, испаритель сжиженного природного газа с подключенным к его входу трубопроводом сжиженного природного газа, а на его выходе он подключен к трубопроводу паровой фазы природного газа, циркуляционный насос и упомянутую нагревательную камеру на выхлопной системе газотурбинного генератора, причем указанные нагревательная камера, испаритель и циркуляционный насос последовательно соединены между собой замкнутым трубопроводом теплоносителя (isparitelnaja_ustanovka_v_sostave_energetichtskoj_ustanovki.jpg) - прототип (см.на фиг. 1).
Известный теплообменный комплекс решает задачу регазификации сжиженного природного газа с уменьшенным количеством используемого для этой цели топливного газа за счет вовлечения в теплообмен вторичных энергетических ресурсов, а именно, тепловой энергии выхлопных газов газотурбинного двигателя, передаваемой сжиженному природному газу посредством промежуточного теплоносителя - горячей воды, циркулирующей через нагнетательную камеру и испаритель горения погружного типа (далее испаритель), однако он обладает рядом недостатков.
Так, он не может быть применим в тех случаях, когда единственным потребителем получаемой в испарителе паровой фазы (топливного газа) природного газа является газотурбинный генератор. Количество получаемого в испарителе топливного газа не сбалансировано с потребностями газотурбинного генератора на любом стационарном режиме его работы, что, как правило, обусловливает избыток образующегося топливного газа. При переменных режимах работы газотурбинного генератора, например, при сбросе мощности, также образуется избыток топливного газа, который нарушает баланс теплообменного комплекса по топливному газу. В обоих случаях избыточный топливный газ необходимо повторно сжижать или бесполезно сжигать на факеле, что снижает энергоэффективность теплообменного комплекса.
Кроме того, частичное сжигание топливного газа в испарителе также существенно снижает энергетическую эффективность всего теплообменного комплекса, особенно в тех случаях, когда для работы энергетической установки используется привозной сжиженный природный газ. При этом часть этого газа (до полутора процентов) используется не на полезную работу газотурбинного генератора (выработку электроэнергии), а на испарение сжиженного природного газа.
Задачей предполагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно повышение энергоэффективности теплообменного комплекса на судне.
Это достигается тем, что в известном теплообменном комплексе энергетической установки на сжиженном природном газе, содержащем энергетическую установку, включающую газотурбинный генератор и последовательно соединенную с ним его выхлопной системой нагревательную камеру, испаритель сжиженного природного газа с подключенным к его входу трубопроводом от источника сжиженного природного газа, а на его выходе он подключен к трубопроводу паровой фазы природного газа, циркуляционный насос, причем упомянутые нагревательная камера, испаритель и циркуляционный насос последовательно соединены между собой замкнутым трубопроводом теплоносителя, по изобретению выхлопная система газотурбинного генератора оснащена байпасным выхлопным трубопроводом, подключенным к ней в обход нагревательной камеры, которая выполнена в виде утилизационного парового котла. Причем в узел подключения упомянутого байпасного выхлопного трубопровода к выхлопной системе газотурбинного генератора встроено регулирующее устройство направления потока выхлопных газов с возможностью осуществления частичного или полного направления потока выхлопных газов в байпасный выхлопной трубопровод. При этом замкнутый трубопровод теплоносителя оборудован байпасным трубопроводом теплоносителя со встроенным в него охладителем-конденсатором теплоносителя, подключенным параллельно с испарителем сжиженного природного газа. Причем в узел разветвления обоих упомянутых трубопроводов встроено переключающее устройство с возможностью направления теплоносителя в испаритель сжиженного природного газа или в охладитель-конденсатор.
Оснащение выхлопной системы газотурбинного генератора байпасным выхлопным трубопроводом, подключенным к упомянутой системе в обход нагревательной камеры, выполненной в виде утилизационного парового котла, со встраиванием в узел подключения байпасного выхлопного трубопровода к выхлопной системе газотурбинного генератора регулирующего устройства потока выхлопных газов с возможностью регулирования с частичным или полным направлением потока выхлопных газов в байпасный выхлопной трубопровод, обеспечивает регулирование количества тепла от выхлопных газов, поступающего в нагревательную камеру и, соответственно, регулирование количества образующегося в испарителе топливного газа в соответствии потребностью в топливном газе газотурбинного генератора на любом установившемся режиме работы.
Оборудование замкнутого трубопровода теплоносителя байпасным трубопроводом теплоносителя со встроенным в него охладителем-конденсатором теплоносителя, подключенным параллельно с испарителем сжиженного природного газа, при том, что в узел разветвления обоих упомянутых трубопроводов встроено переключающее устройство с возможностью направления теплоносителя, обеспечивает быстрое прекращение или замедление процессов теплообмена в испарителе топливного газа и, соответственно, прекращение или уменьшение образования паровой фазы природного газа (топливного газа) при выводе из действия или снижении мощности газотурбинного генератора с отводом забортной воде избыточного количества тепла из трубопровода теплоносителя через охладитель-конденсатор. При этом восстанавливается баланс получения необходимого количества топливного газа в испарителе топливного газа и его использования в газотурбинном генераторе. Выполненные расчеты показывают, что для обеспечения процесса испарения сжиженного природного газа в испарителе (процесса получения топливного газа) при работе газотурбинного генератора на максимальной мощности достаточно примерно десяти процентов тепловой энергии выхлопных газов. Это позволяет полностью отказаться от неэффективного сжигания топливного газа (согласно прототипу) в испарителе топливного газа и повысить таким образом энергоэффективность теплообменного комплекса.
Выполнение нагревательной камеры в виде парового утилизационного котла позволяет улучшить условия теплообмена за счет фазового перехода теплоносителя в испарителе топливного газа, что способствует также повышению энергоэффективности.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется рисунком, где на фиг.2 схематически показан предлагаемый теплообменный комплекс энергетической установки на сжиженном природном газе.
Теплообменный комплекс энергетической установки на сжиженном природном газе содержит энергетическую установку 1, с газотурбинным генератором 2 и нагревательную камеру, выполненную в виде утилизационного парового котла 4, которые последовательно соединены выхлопной системой 3 газотурбинного генератора 2. В состав теплообменного комплекса входит также испаритель сжиженного природного газа 5 с подключенным к его входу трубопроводом 6 сжиженного природного газа. На выходе испаритель сжиженного природного газа 5 подключен к трубопроводу паровой фазы 7 природного газа. Между испарителем сжиженного природного газа 5 и утилизационным паровым котлом 4 встроен циркуляционный насос 8. Испаритель сжиженного природного газа 5 и утилизационный паровой котел 4 соединены замкнутым трубопроводом 9 теплоносителя. Выхлопная система 3 газотурбинного генератора 2 оснащена байпасным выхлопным трубопроводом 10, подключенным к упомянутой системе в обход утилизационного парового котла 4. В узел подключения байпасного выхлопного трубопровода 10 к выхлопной системе 3 газотурбинного генератора 2 встроено регулирующее устройство потока выхлопных газов 11 с возможностью регулирования с частичным или полным направлением потока выхлопных газов в байпасный выхлопной трубопровод 10. Замкнутый трубопровод теплоносителя 9 оборудован байпасным трубопроводом греющей среды 12 со встроенным в него охладителем-конденсатором 13 теплоносителя, подключенным параллельно с испарителем сжиженного природного газа 5. В узел разветвления трубопроводов 9 и 12 встроено переключающее устройство 14 с возможностью направления греющей среды в испаритель сжиженного природного газа 5 или в охладитель-конденсатор 13.
Теплообменный комплекс энергетической установки на сжиженном природном газе работает следующим образом.
При работе газотурбинного генератора 2 выхлопные газы поступают в его выхлопную систему 3. При этом с помощью регулирующего устройства потока выхлопных газов 11 происходит их распределение между выхлопной системой 3 и байпасным выхлопным трубопроводом 10. Соотношение расходов выхлопных газов в указанных выхлопных трубопроводах зависит от необходимого количества тепловой энергии, которое нужно передать теплоносителю в утилизационном котле 4 для передачи тепловой энергии в испаритель сжиженного природного газа 5. Это обеспечивает получение необходимого количества топливного газа на любом установившемся режиме работы газотурбинного генератора 2.
При изменении режима работы газотурбинного генератора 2, например, при снижении его мощности, регулирующее устройство потока выхлопных газов 11 обеспечивает увеличение потока выхлопных газов через байпасный трубопровод 10 (минуя утилизационный котел 4). Это уменьшает количество тепла, поступающее в утилизационный котел 4 и, соответственно, количество тепловой энергии, отдаваемое сжиженному природному газу в испарителе сжиженного природного газа 5. При этом уменьшается количество образующейся паровой фазы природного газа (топливный газ).
Особенностью переходных режимов в теплообменном комплексе является то, что изменение мощности газотурбинного генератора 2 происходит относительно быстро, а изменение параметров теплообмена в утилизационном котле 4 относительно медленно. Это объясняется большой теплоемкостью самого утилизационного котла 4, а также теплоемкостью теплоносителя в утилизационном котле и трубопроводе теплоносителя 9. Другими словами, на переходных (неустановившихся) режимах работы теплообменного комплекса в утилизационном котле 4 и трубопроводе теплоносителя 9 остается избыточное количество тепла, которое должно быть отведено. В этом случае переключающее устройство 14 перекрывает подвод теплоносителя по трубопроводу теплоносителя 9 к испарителю 5 с подачей его в обход испарителя сжиженного природного газа 5 в байпасный трубопровод 12 с отводом тепла в охладителе-конденсаторе 13. Данный режим циркуляции (в обход испарителя 5) будет сохраняться на период остывания утилизационного котла 4 до необходимой температуры. При полной остановке газотурбинного генератора 2 таким образом обеспечивается полное расхолаживание утилизационного котла 4 и трубопровода теплоносителя 9 с быстрым прекращением образования паровой фазы природного газа в испарителе сжиженного природного газа 5 после срабатывания переключающего устройства 14.
Предлагаемый теплообменный комплекс энергетической установки на сжиженном природном газе обладает повышенной энергоэффективностью теплообменного комплекса на судне, что выгодно отличает его от прототипа.