КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
COMBINED POWER GAS TURBINE EXPANDER UNIT OF MAIN LINE GAS PIPELINE COMPRESSOR STATION

Изобретение относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использовано при создании экономичных энергетических газотурбодетандерных установок на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известна утилизационная энергетическая газотурбинная установка (УЭГТУ) для выработки электроэнергии собственных нужд на компрессорной станции. УЭГТУ состоит из приводной газотурбинной установки (ГТУ) компрессорной станции и утилизационной газотурбинной установки (УГТУ). При этом приводная ГТУ содержит газогенератор, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины. УГТУ содержит компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор. Вход компрессора утилизационной газотурбинной установки связан с атмосферой, а выход компрессора связан через регенеративный теплообменный аппарат с камерой сгорания, соединенной с входом газовой турбины. Расширенные в силовой газовой турбине приводной ГТУ продукты сгорания передают теплоту в регенеративном теплообменном аппарате сжатому в компрессоре УГТУ воздуху и сбрасываются в атмосферу. В камеру сгорания приводной ГТУ и в камеру сгорания УГТУ подают топливо. Газовая турбина и компрессор УГТУ имеют общий вал с электрогенератором. Утилизация теплоты уходящих газов силовой турбины приводной ГТУ с подогревом воздуха, сжатого в компрессоре дополнительной энергетической газотурбинной установки, позволяет повысить тепловую экономичность приводной ГТУ и электрическую мощность энергетической газотурбинной установки, вырабатывающей электроэнергию для энергоснабжения собственных нужд компрессорной станции и внешних потребителей. (Р.З. Тумашев, С.С. Михеев, Б.А. Куникеев. Производство электроэнергии на компрессорных станциях утилизационными газотурбинными установками. Вестник МГТУ им. Баумана., сер. «Машиностроение», 2016, №1, С. 44 - 53, Рис. 1).
Недостатком этой УЭГТУ является потеря теплоты уходящих газов газовой турбины и недостаточная электрическая мощность дополнительной энергетической газотурбинной установки.
Известна комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода, состоящая из приводной газотурбинной установки, снабженной регенеративным теплообменным аппаратом, и из утилизационной газотурбинной установки с теплообменным аппаратом, установленным в выхлопном газоходе газовой турбины, при чем выход компрессора утилизационной газотурбинной установки соединен дополнительным трубопроводом сжатого воздуха через теплообменную поверхность дополнительного регенеративного теплообменного аппарата и трубопровод подогретого сжатого воздуха с камерой сгорания утилизационной газотурбинной установки.
Комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка принята в качестве прототипа предполагаемого изобретения.
Недостатком прототипа является недостаточная тепловая экономичность комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установки.
Технической задачей изобретения является увеличение тепловой экономичности комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установки компрессорной станции.
Поставленная задача достигается тем, что комбинированная газотурбодетандерная энергетическая установка компрессорной станции магистрального газопровода состоит из приводной газотурбинной установки, содержащей газогенератор, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины, и энергетической газотурбинной установки, содержащей, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, дополнительный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном патрубке газовой турбины, и компрессор, связанный через напорный воздуховод с камерой сгорания энергетической газотурбинной установки первым трубопроводом сжатого воздуха через регенеративный теплообменный аппарат приводной газотурбинной установки, а так же вторым трубопроводом сжатого воздуха через дополнительный теплообменный аппарат, при этом она дополнительно снабжена турбодетандером, выполненным с управляемым сопловым направляющим аппаратом и связанным валом с компрессором газотурбинной энергетической установки; а также подогревателем топливного газа высокого давления, подогревателем топливного газа среднего давления, трубопроводом горячего теплоносителя, трубопроводом охлажденного теплоносителя с насосом и устройством управления, связанным через импульсные линии с управляемым сопловым аппаратом турбодетандера, позволяющим поддерживать требуемое давление в газопроводе топливного газа среднего давления; при чем дополнительный теплообменный аппарат снабжен регенеративной поверхностью, служащей для подогрева сжатого воздуха, подаваемого в камеру сгорания энергетической газотурбинной установки, и поверхностью подогрева теплоносителя, подаваемого в подогреватель топливного газа высокого давления и топливного газа среднего давления.
На Фиг. 1 представлена тепловая схема компрессорной станции магистрального газопровода с комбинированной энергетической газотурбодетандерной установкой. Она содержит газогенератор 1, силовую газовую турбину 2, нагнетатель газоперекачивающего агрегата 3, магистральный газопровод 4, подогреватель топливного газа высокого давления 5, турбодетандер 6, компрессор 7, газовую турбину 8, электрогенератор 9, камеру сгорания 10 приводной газотурбинной установки, устройство управления 11, подогреватель топливного газа среднего давления 12, камеру сгорания 13 энергетической газотурбинной установки, газопровод топливного газа среднего давления 14, дополнительный теплообменный аппарат 15, регенеративный теплообменный аппарат 16, первый трубопровод подогретого сжатого воздуха 17, напорный воздуховод 18, первый трубопровод сжатого воздуха 19, второй трубопровод сжатого воздуха 20, второй трубопровод подогретого сжатого воздуха 21, трубопровод охлажденного теплоносителя 22, трубопровод горячего теплоносителя 23.
Выхлоп силовой газовой турбины 2 связан с атмосферой через регенеративный теплообменный аппарат 16, при этом поверхность подогрева теплоносителя дополнительного теплообменного аппарата 15 соединена трубопроводом охлажденного теплоносителя 22 и трубопроводом горячего теплоносителя 23 с подогревателем топливного газа высокого давления 5 и с подогревателем топливного газа среднего давления 12. Компрессор 7 связан через напорный воздуховод 18 с камерой сгорания энергетической газотурбинной установки 13 через первый трубопровод сжатого воздуха 19, регенеративный теплообменный аппарат 16 и первый трубопровод подогретого сжатого воздуха 17, а также через второй трубопровод сжатого воздуха 20, поверхность подогрева теплоносителя дополнительного теплообменного аппарата 15 и второй трубопровод подогретого сжатого воздуха 21. Турбодетандер 6 выполнен с управляемым сопловым направляющим аппаратом и соединен общим валом с компрессором 7, газовой турбиной 8 и с электрогенератором 9 энергетической газотурбинной установки.
Комбинированная энергетическая газотурбодетандерная установка компрессорной станции магистрального газопровода работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре газогенератора 1. В камере сгорания 10 приводной газотурбинной установки сжигают топливный газ, продукты его сгорания из газогенератора 1 подают на вход силовой газовой турбины 2. Работу силовой газовой турбины 2 используют для сжатия в нагнетателе 3 газоперекачивающего агрегата природного газа высокого давления из магистрального газопровода 4. Продукты сгорания, расширенные в силовой газовой турбине 2, через регенеративный теплообменный аппарат 16 сбрасывают в атмосферу. Теплоту ее выхлопных газов используют для подогрева сжатого воздуха подводимого в регенеративный теплообменный аппарат 16 по первому трубопроводу сжатого воздуха 19 и отводимого из него по первому трубопроводу подогретого сжатого воздуха 17. Природный газ из магистрального газопровода 4 подают на вход турбодетандера 6 через подогреватель топливного газа высокого давления 5 и подогревают в его теплообменной поверхности теплом горячего теплоносителя, подводимого по трубопроводу горячего теплоносителя 23 и отводимого по трубопроводу охлажденного теплоносителя 22. Природный газ, расширенный в турбодетандере 6 подают через подогреватель топливного газа среднего давления 12 и газопровод топливного газа среднего давления 14 в камеру сгорания 13 энергетической газотурбинной установки, в камеру сгорания 10 приводной газотурбинной установки и в камеры сгорания всех газоперакачивающих агрегатов компрессорной станции. Воздух, сжатый компрессором 7 подают в напорный воздуховод 18 и разделяют на два потока. Первый поток сжатого воздуха подают в первый трубопровод сжатого воздуха 19, а его второй поток направляют через второй трубопровод сжатого воздуха 20, поверхность подогрева теплоносителя дополнительного теплообменного аппарата 15, второй трубопровод подогретого сжатого воздуха 21, затем смешивают первый и второй потоки подогретого сжатого воздуха и подают их в камеру сгорания 13 энергетической газотурбинной установки и сжигают в ней топливный газ подводимый по газопроводу топливного газа среднего давления 14. Продукты сгорания расширяют в газовой турбине 8 и через дополнительный теплообменный аппарат 15 сбрасывают в атмосферу. При этом теплом продуктов сгорания в регенеративной поверхности дополнительного теплообменного аппарата 15 производят подогрев второго потока сжатого воздуха, а в поверхности подогрева теплоносителя дополнительного теплообменного аппарата 15 производят нагрев теплоносителя, подводимого в нее по трубопроводу охлажденного теплоносителя 22 и отводимого по трубопроводу горячего теплоносителя 23 с его подачей в подогреватель топливного газа высокого давления 5 и в подогреватель топливного газа среднего давления 12. Полезную работу газовой турбины 8 и турбодетандера 6 используют для привода компрессора 7 и выработки электроэнергии в электрогенераторе 9. Устройство управления 11 через импульсные линии производит управление сопловым направляющим аппаратом турбодетандера 6, обеспечивая поддержание требуемого давления в газопроводе топливного газа среднего давления 14.
Применение в комбинированной газотурбодетандерной энергетической установке турбодетандера 6, связанного общим валом с компрессором 7, газовой турбиной 8 и электрогенератором 9 позволяет повысить электрическую мощность и экономичность газотурбинной энергетической установки, так как полезная работа детандера используется для увеличения электрической мощности. Применение подогревателя топливного газа высокого давления 5 позволяет увеличить мощность турбодетандера 6.
Применение подогревателя топливного газа среднего давления 12 позволяет повысить температуру топливного газа подаваемого в камеры сгорания и экономичность приводных газотурбинных агрегатов компрессорной станции. Применение трубопроводов охлажденного теплоносителя 22 и горячего теплоносителя 23 позволяет использовать теплоту продуктов сгорания не только для подогрева сжатого воздуха, но и для подогрева топливного газа, поступающего в подогреватель топливного газа высокого давления 5 и в подогреватель топливного газа среднего давления 12. Установка в дополнительном теплообменном аппарате 15 поверхности подогрева теплоносителя, прежде всего воды, позволяет повысить тепловую экономичность комбинированной энергетической газотурбодетандерной установки компрессорной станции магистрального газопровода.
В зависимости от типа применяемого газотурбинного газоперекачивающего агрегата, электрическая мощность комбинированной энергетической газотурбодетандерной установки компрессорной станции магистрального газопровода может достичь нескольких десятков мегаватт. Поэтому выработанную электрическую энергию целесообразно использовать не только для обеспечения собственных нужд компрессорной станции, но и для передачи во внешние электрические сети.