ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ
GAS TURBINE PLANT FOR PROCESSING ASSOCIATED PETROLEUM GAS TO ELECTRIC POWER

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в нефтяных и газодобывающих и перерабатывающих отраслях, где имеют место выбросы низконапорного газа любого состава.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является газотурбинная установка (ГТУ) для переработки попутного нефтяного газа в электроэнергию, содержащая воздушный компрессор, турбину, камеру сгорания, электрогенератор, устройство подогрева воздуха после компрессора, включающее в себя теплообменный аппарат-регенератор, расположенный в выхлопной трубе, которая совместно с камерой сгорания выполнена в виде наземной факельной установки сжигания попутного нефтяного газа (Патент РФ №2482302 от 20.05.2013, МПК F02C 3/22 - прототип).
Недостатком данной ГТУ является то, что в ней не представляется возможным ускорить процесс запуска, так как устройство подогрева воздуха с конструкцией теплообменного аппарата-регенератора только конвективного типа, как показали испытания, медленно разогревается (несколько часов). Кроме того, с учетом рекомендаций, приведенных в РД 3688-00220302-003-04. «Трубчатые нагревательные печи. Требования к проектированию, изготовлению и эксплуатации», типовые конвективные аппараты-регенераторы следует применять при температуре нагрева не более 650°C, что недостаточно для ГТУ. В свою очередь, применение пневмо- или электростартеров с механическим соединением с ротором усложняет конструкцию ГТУ и ограничивает использование для данной ГТУ надежных турбокомпрессоров (ТКР), применяемых для наддува воздухом цилиндров в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Технической задачей данного изобретения является упрощение технологии использования данной ГТУ за счет улучшения условий запуска и расширения области применения.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемой ГТУ, содержащей воздушный компрессор, турбину, камеру сгорания, электрогенератор, устройство подогрева воздуха после компрессора, включающее в себя теплообменный аппарат-регенератор, расположенный в выхлопной трубе, которая совместно с камерой сгорания выполнена в виде наземной факельной установки сжигания попутного нефтяного газа, согласно изобретению теплообменный аппарат-регенератор выполнен с последовательно расположенными камерами конвекции и радиации, а полость между камерами сообщена с полостью выхода из турбины. Устройство подогрева воздуха снабжено инжектором, входные полости которого сообщены с полостью выхода воздуха из компрессора и с системой подачи воздуха высокого давления от автономного источника.
Выполнение теплообменного аппарата с камерой конвекции и камерой радиации для нагрева воздуха соответствует известным конструктивным решениям, реализованным по ГОСТ Р 53682-2009. «Установки нагревательные для нефтеперерабатывающих заводов». Приобретенный опыт позволяет создать для данной ГТУ устройство подогрева воздуха с более быстрым нагревом и до температуры 700-750°C.
Соединение полости между камерами конвекции и радиации с выходной полостью из турбины обеспечит использование тепла отработанного воздушного потока для увеличения расхода теплоносителя. Это решение уменьшит расход топливного газа, поступающего в камеру сгорания, что повысит КПД данной ГТУ.
Выполнение устройства подогрева воздуха с инжектором, подключенным к автономному источнику высокого давления (с давлением порядка 1,0 МПа) позволяет:
- при небольшом давлении (около 0,1 МПа) осуществлять продувку труб аппарата-регенератора при прогреве конструкции без вращения ротора турбокомпрессора, что упрощает алгоритм запуска;
- при давлении 0,8-1,0 МПа производить раскрутку ротора до, так называемого, режима «самохода», что упрощает конструкцию данной ГТУ. Это техническое решение актуально при выработке электроэнергии несколько кВт с помощью типовых ТКР от ДВС.
Предлагаемая газотурбинная установка изображена схематично на Фиг. 1.
Газотурбинная установка содержит воздушный компрессор 1, турбину 2 (одновальную или двухвальную, как показано на Фиг. 1), электрогенератор 3 и устройство 4 подогрева воздуха после компрессора. В свою очередь, устройство 4 включает в себя теплообменный аппарат-регенератор 5, который установлен в выхлопной трубе 6, и камеру сгорания 7, выполненную совместно с трубой в виде наземной факельной установки сжигания нефтяного попутного газа. Газ к камере сгорания подводится по трубопроводу 8, а воздух из атмосферы подводится через входное устройство 9 (на фиг. 1 для упрощения описания схемы входного устройства и топливной линии с регулирующей и запорной аппаратурой не показаны). При этом возможно использование других низконапорных газов любого состава. Кроме того, устройство 4 подогрева воздуха снабжено инжектором 10, подключенным трубопроводами 11 и 12 соответственно к компрессору и к автономному источнику подачи воздуха высокого давления (на Фиг. 1 источник не показан), а теплообменный аппарат-регенератор выполнен с камерой конвекции 13 и камерой радиации 14. При этом полость 15 между камерами сообщена с полостью выхода из турбины 2.
Газотурбинная установка работает следующим образом.
С помощью подачи нефтяного попутного газа в камеру сгорания 7 и воздуха из атмосферы организуется процесс горения. Продукты сгорания, уходящие в атмосферу через трубу 6, нагревают теплообменные трубы аппарата-регенератора 5 путем теплового излучения в камере радиации 14 и конвекцией в камере конвекции 13. При этом с помощью инжектора при небольшом давлении (менее 0,1 МПа) осуществляется «вялая» продувка труб регенератора. После прогрева конструкции устройства подогрева воздуха до определенной температуры с помощью инжектора при высоком давлении (порядка 0,8-1,0 МПа) создается проток воздуха через компрессор 1, устройство 4 подогрева воздуха, аппарат-регенератор 5, турбину 2. Наличие расхода воздуха через турбину приводит к ее вращению, а следовательно, к вращению компрессора 1 и электрогенератора 3. Повышение температуры воздуха турбины приводит к интенсификации вращения ротора и при определенной величине температуры ротор выходит на режим «самохода» (режима, когда мощность на турбине становится больше мощности, потребляемой компрессором). После достижения этого режима подача воздуха инжектором прекращается. Увеличением расхода топливного газа через камеру сгорания 7 ГТУ выходит на номинальный режим.
Оценочные расчеты с учетом рекомендаций по конструктивному исполнению устройства подогрева воздуха, приведенных в вышеуказанных документах, показывают возможность реализовать подогрев рабочего воздуха для турбины до 750°C. Данная величина температуры имеет место в различных типах стационарных ГТУ.
Следует отметить, что возможность раскрутки ротора с помощью инжектора подтверждена экспериментально на базе ТКР-5.
Предложенное устройство для переработки попутного нефтяного газа и других с низким давлением любого состава позволяет упростить технологию его использования за счет улучшения условий запуска и расширения области применения.