ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ С ДЕТАНДЕР-КОМПРЕССОРНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

Полезная модель относится к детандер-генераторным и газотурбинным энергетическим установкам и касается детандерных установок для производства сжатого воздуха при использовании энергии избыточного давления природного газа, транспортируемого по газопроводам, с последующим использованием сжатого воздуха в камере сгорания газотурбинной энергетической установки. Полезная модель может быть использована на газораспределительных станциях с энергетической установкой.
Известна энергетическая установка (патент на изобретение №2009389, РФ), основными элементами которой являются турбодетандер для привода электрогенератора, связанный с ним кинематически газотурбинный двигатель, теплообменник-утилизатор теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя и теплообменник-регенератор для предварительного подогрева потока природного газа перед его расширением в турбодетандере. За счет подогрева газа магистрального газопровода в теплообменнике-утилизаторе известной установки теплотой отработавшего в турбодетандере газа повышается экономичность и эффективность установки.
Следует отметить следующие недостатки этой установки.
1) При наличии единой кинематической связи между четырьмя агрегатами - компрессором, газовой турбиной ГТУ, электрогенератором и турбодетандером - невозможно обеспечить оптимальные условия и параметры их совместной работы.
2) Турбодетандер используется для частичной компенсации затрат мощности турбоагрегата ГТУ на привод компрессора, а значит, силовой потенциал топливного газа используется без учета режима работы установки. При возможных ограничениях ее мощности придется ограничивать и пропуск газа через детандер.
3) Режим работы ГТУ никак не согласовывается с режимами работы газотранспортной системы и системы газопотребления. Для работы ГТУ с высокой мощностью и КПД требуется значительное повышение температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину. Причем, чем выше эта температура, тем выше и температура выхлопных газов после турбины, а, значит, на всех режимах работы велик абсолютный расход природного газа на выработку электроэнергии.
4) Для частичного снижения потерь теплоты выхлопных газов предусматривается использование двух теплообменников, выполняющих одну и ту же функцию предварительного подогрева потока природного газа перед турбодетандером. Это усложняет конструкцию установки, делает ее более громоздкой и дорогой и менее надежной, в то время как можно обойтись только одним теплообменником-утилизатором теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя.
5) Предполагается, что поток природного газа, выходящего из турбодетандера и поступающего в газопровод сниженного давления, может быть перегрет относительно температуры газа в магистральном газопроводе до 50°С. Поскольку ГРС, как правило, располагаются на значительном удалении от технологических и энергетических агрегатов-потребителей природного газа (до 1,5 и более км) - его теплота неизбежно будет рассеяна в окружающую среду (атмосферу или грунт), а значит, данный запас физической теплоты природного газа потеряется бесполезно.
6) Работа по предложенной схеме не соответствует соблюдению условия полной экологичности установки, при котором температура потока природного газа после турбодетандера равна температуре газа в магистральном газопроводе.
Задача данной полезной модели состоит в максимально эффективном использовании силового потенциала топливного газа при производстве электроэнергии на базе энергетической установки (сочетающей турбодетандерные и газотурбинные технологии) за счет снижения сопутствующего потребления топлива на предварительный подогрев газа до уровня, обеспечивающего соблюдение условия полной экологичности.
Эта задача достигается тем, что в предлагаемой энергетической установке, содержащей магистральный газопровод с редуцирующим устройством, газопровод сниженного давления газа, входной газопровод с клапаном регулятора давления газа, установленный по ходу природного газа теплообменник-утилизатор теплоты выхлопных газов силовой газовой турбины, выходной газопровод, турбодетандер, кинематически связанный с ним воздушный компрессор, всасывающий и напорный воздухопроводы, газопровод к камере сгорания, трубопровод горячих газов к силовой газовой турбине, связанный с ней электрогенератор, и трубопровод, подающий выхлопные газы на теплообменник-утилизатор для предварительного подогрева потока природного газа перед турбодетандером, механическая нагрузка вращения воздушного компрессора обеспечивается работой расширения потока природного газа в турбодетандере, а силовая газовая турбина вращает только электрогенератор. Силовой потенциал топливного газа на всех режимах полностью расходуется на производство сжатого воздуха. Подогретый при сжатии воздух поступает в камеру сгорания ГТУ, где сжигается ровно столько топлива, чтобы по выходу из газовой турбины (вращающей электрогенератор) теплоты выхлопных газов оставалось достаточно для предварительного подогрева потока природного газа до такой температуры, чтобы после его расширения в турбодетандере, обеспечивалось условие полной экологичности энергетической установки. Тем самым, обеспечивается максимальное снижение удельных затрат топлива на выработку электроэнергии при минимальном расходе топливного газа в камеру сгорания энергетической установки.
На фигуре представлена принципиальная схема предлагаемой газораспределительной станции с детандер-компрессорной газотурбинной энергетической установкой.
Газораспределительная станция содержит магистральный газопровод 1 с редуцирующим устройством 2, газопровод сниженного давления газа 3, турбодетандер 4, кинематически связанный с воздушным компрессором 5, силовую газовую турбину 6, приводящую электрогенератор 7, камеру сгорания 8, теплообменник-утилизатор 9 выхлопных газов силовой газовой турбины, а также входной газопровод 10, выходной газопровод 11, всасывающий 12 и напорный 13 воздухопроводы, газопровод к камере сгорания 14, трубопровод продуктов сгорания 15, трубопровод выхлопных газов 16, клапан 17 регулятора давления, поддерживающий на заданном уровне давление природного газа в выходном газопроводе после турбодетандера.
Устройство работает следующим образом.
Природный газ забирается из магистрального газопровода 1 перед редуцирующим устройством 2, по входному газопроводу 10 поступает в теплообменник-утилизатор 9, в котором подогревается горячими выхлопными газами силовой газовой турбины 6, поступающими к нему по трубопроводу выхлопных газов 16. Из теплообменника-утилизатора поток природного газа поступает в турбодетандер 4, в котором расширяется и производит мощность, передаваемую воздушному компрессору 5. После расширения в турбодетандере поток природного газа направляется в газопровод сниженного давления газа. Постоянное давление природного газа в выходном газопроводе после турбодетандера 4 поддерживается клапаном 17 регулятора давления газа. В воздушном компрессоре, забирающем атмосферный воздух по всасывающему воздухопроводу 12, воздушный поток сжимается и по напорному воздухопроводу 13 поступает в камеру сгорания 8, в которую по газопроводу 14 подается топливный газ, при сгорании которого обеспечивается такое количество теплоты в выхлопных газах, которое необходимо для предварительного подогрева потока природного газа перед турбодетандером и максимального охлаждения выхлопных газов. Образующиеся в камере сгорания продукты горения и избыточный воздух по трубопроводу 15 поступают в силовую газовую турбину 6, приводящую электрогенератор 7. Отработавшие в силовой газовой турбине выхлопные газы по трубопроводу 16 отводятся в атмосферу с минимальной температурой.
Мощность силовой газовой турбины полностью расходуется на выработку только электроэнергии. Привод воздушного компрессора обеспечивается только за счет избыточного давления топливного газа. На его предварительный подогрев тратится минимально возможное количество топлива, поскольку подогрев продуктов сгорания перед газовой турбиной ограничен такой температурой, которая позволяет подавать газ в трубопровод к потребителю при такой же температуре, как в магистральном газопроводе. Таким образом, обеспечивается минимальный удельный расход топлива выработку электроэнергии, а соблюдение условия полной экологичности позволяет не допустить потерь физической теплоты потока газа, по трубопроводу сниженного давления за ГРС. Благодаря отсутствию кинематической связи между воздушным компрессором и силовой газовой турбины оба агрегата могут работать с различными частотами вращения, достигая своих оптимальных внутренних относительных КПД.