ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
GAS TURBINE PLANT OF RAISED EFFICIENCY

Изобретение относится к газотурбодетандерным установкам и может быть использовано для выработки электроэнергии на газораспределительных станциях магистральных газопроводов для создания высокоэкономичных энергетических установок.
Известна газотурбодетандерная энергетическая установка (патент РФ №2091592 «Способ работы газотурбодетандерной установки», F01K 27/00, F02C 6/00, приоритет 23.08.1994), предназначенная для выработки электроэнергии на газораспределительной станции (ГРС). Она содержит магистраль природного газа высокого давления, теплообменник, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), систему управления, газотурбинный авиационный двигатель, включающий компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, систему управления дозатором газа, теплообменник-регенератор, выходную газовую магистраль, редуктор. Вал авиационного двигателя связан общим валом с валом турбодетандера и через понижающий редуктор с валом электрогенератора. Выхлопной газоход газовой турбины авиадвигателя связан через теплообменник-регенератор с атмосферой. Природный газ высокого давления перед турбодетандером подогревают в теплообменнике-рекуператоре за счет теплоты выхлопных газов авиадвигателя. Выход турбодетандера связан с выходной газовой магистралью и с камерой сгорания авиационного двигателя. Суммарная полезная мощность газовой турбины авиационного двигателя и турбодетандера через понижающий редуктор передается электрогенератору.
Недостатками патента является применение трех систем управления - основной, с дозатором газа, подаваемого в камеру сгорания, системы управления РСА.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является газотурбодетандерная энергетическая установка (патент РФ №2096640 «Способ работы газотурбодетандерной установки», F02C 6/18, F25B 27/02, приоритет от 30.11.1994) на газораспределительной станции ГРС, содержащая магистральный газопровод высокого давления, выходную газовую магистраль, обводную магистраль, снабженную регулятором давления, дополнительный теплообменник, теплообменник - регенератор предварительного подогрева газа высокого давления, турбодетандер с РСА, теплообменник-утилизатор, электрогенератор, систему управления, регулятор топлива, редукционное устройство на обводной магистрали, авиационный газотурбинный двигатель, включающий компрессор, камеру сгорания, силовую газовую турбину. Магистральный газопровод высокого давления соединен через дополнительный теплообменник подогрева газа и теплообменник-регенератор с входом турбодетандера, а также через редукционное устройство с выходной газовой магистралью. Теплообменник-утилизатор установлен в выхлопном газоходе газовой турбины. Выход турбодетандера связан с выходной газовой магистралью через дополнительный теплообменник, а также с камерой сгорания авиационного газотурбинного двигателя. Роторы силовой газовой турбины и турбодетандера имеют общий вал с электрогенератором. При изменении давления газа в магистральном газопроводе высокого давления, система управления изменяет положение лопаток РСА и обеспечивает поддержание постоянного давления газа в выходной газовой магистрали и в камере сгорания авиадвигателя.
Данное техническое решение принято за прототип изобретения.
Для прототипа характерны следующие недостатки:
- число оборотов турбодетандера ниже оптимальных (20000-30000 об/мин), что усложняет его конструкцию и повышает стоимость;
- роторы турбодетандера и силовой газовой турбины связаны с ротором электрогенератора через понижающий редуктор, что снижает надежность газотурбодетандерной энергетической установки;
- имеет недостаточно высокую тепловую экономичность и электрическую мощность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание мощной и высокоэкономичной газотурбогенераторной энергетической установки, вырабатывающей электроэнергию на газораспределительных станциях магистральных газопроводов.
Поставленная задача решается тем, что она содержит турбодетандер первой ступени расширения газа с регулируемым сопловым аппаратом, газотурбинную установку с компрессором низкого давления, камерой сгорания, газовой турбиной, электрогенератор, трубопровод топливного газа, выходную газовую магистраль, обводную магистраль с редукционной установкой, систему управления, теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления, теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали, при этом магистральный газопровод высокого давления через теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления связан с входом турбодетандера, выход турбодетандера связан трубопроводом топливного газа с камерой сгорания, а также с выходной газовой магистралью через теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали, кроме того, магистральный газопровод высокого давления связан с выходной газовой магистралью через обводную магистраль, снабженную редукционной установкой, причем она дополнительно снабжена компрессором высокого давления, дополнительным турбодетандером второй ступени расширения газа и промежуточным подогревателем газа - воздухоохладителем, кроме того, она снабжена регенератором, воздуховодом, а теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления и теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали выполнены утилизационными, промежуточный подогреватель газа -   воздухоохладитель установлен в воздуховоде между компрессорами низкого и высокого давления, при этом выход компрессора низкого давления соединен воздуховодом через промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель с входом компрессора высокого давления, выход которого через регенератор и камеру сгорания связан с входом газовой турбины, а ее выход через выхлопной газоход и установленные в нем регенератор, утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления и утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали связан с атмосферой; промежуточный подогреватель газа -воздухоохладитель служит для промежуточного подогрева газа между турбодетандерами первой и второй ступенями расширения газа; при этом вход турбодетандера второй ступени расширения газа соединен газопроводом топливного газа с камерой сгорания, а его выход соединен с выходной газовой магистралью через утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали; выход компрессора высокого давления соединен с газовой турбиной через регенератор и камеру сгорания; система управления связана импульсными линиями с выходной газовой магистралью и с регулирующим сопловым аппаратом турбодетандера первой ступени расширения; роторы турбодетандеров первой и второй ступеней расширения связаны общим валом с ротором компрессора низкого давления, а роторы компрессора высокого давления и газовой турбины связаны общим валом с ротором электрогенератора.
На Фиг. 1 приведена схема газотурбодетандерной энергетической установки ГРС магистральных газопроводов.
Она содержит магистральный газопровод высокого давления 1, турбодетандер первой ступени расширения газа 2, промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель 3, воздуховод 4, турбодетандер второй ступени расширения газа 5, общий вал 6, компрессор низкого давления 7, компрессор высокого давления 8, выхлопной газоход 9, газовую турбину 10, силовой вал 11, электрогенератор 12, регенератор 13, камеру сгорания 14, газопровод топливного газа 15, трубопровод подогретого газа высокого давления 16, утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления 17, утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали 18, выходную газовую магистраль 19, обводную магистраль с редукционной установкой 21, систему управления 22.
Магистральный газопровод высокого давления 1 соединен через утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления 17 с входом турбодетандера первой ступени расширения газа 2, имеющим регулирующий сопловой аппарат (РСА). Его выход через промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель 3 связан с входом турбодетандера второй ступени расширения газа 5, а также соединен газопроводом топливного газа 15 с камерой сгорания 14. Выход второй ступени расширения газа 5 связан по газу через утилизационный теплообменник подогрева газа 18 с выходной газовой магистралью 19 и с потребителями природного газа.
Выход компрессора низкого давления 7 связан воздуховодом 4 через промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель 3 с входом компрессора высокого давления 8, выход которого через регенератор 13 и камеру сгорания 14 соединен с входом газовой турбины 10. Ее выход выхлопным газоходом 9 через утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления 17 и утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали 18 связан с атмосферой. Роторы турбодетандера первой ступени расширения газа 2, турбодетандера второй ступени расширения газа 5 и компрессора низкого давления 7 соединены общим валом 6. Роторы компрессора высокого давления 8, газовой турбины 10 и электрогенератора 12 соединены силовым валом 11. Магистральный газопровод высокого давления 1 связан обводной магистралью 21, снабженной редукционной установкой, с выходной газовой магистралью 19. Система управления 22 связана импульсными линиями с выходной газовой магистралью 19 и с регулирующим сопловым аппаратом турбодетандера первой ступени расширения газа 2.
Газотурбодетандерная энергетическая установка газораспределительной станции работает следующим образом. Природный газ высокого давления из магистрального газопровода 1, с давлением (5-7) МПа, нагревается в утилизационном теплообменнике предварительного подогрева газа высокого давления 17 и по трубопроводу подогретого газа высокого давления 16 поступает на вход турбодетандера первой ступени расширения газа 2, расширяется в нем со снижением давления и температуры, затем он подогревается в промежуточном подогревателе газа - воздухоохладителе 3 за счет теплоты воздуха, сжатого в компрессоре низкого давления 7. Большая часть газа, подогретого в промежуточном подогревателе газа - воздухоохладителе 3, и поступает в турбодетандер второй ступени расширения газа 5, а его меньшая часть по газопроводу топливного газа 15 подается в камеру сгорания 14. Газ, расширившийся в турбодетандере второй ступени расширения газа 5, направляется через утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали 18 и выходную газовую магистраль 19 к потребителям природного газа. Полезная работа, полученная при расширении газа в турбодетандере первой ступени расширения газа 2 и в турбодетандере второй ступени расширения газа 5, используется для привода компрессора низкого давления 7 через общий вал 6.
Воздух, сжатый в компрессоре низкого давления 7 и охлажденный в промежуточном подогревателе газа - воздухоохладителе 3, по воздуховоду 4 подается на вход компрессора высокого давления 8, сжимается в нем, затем подогревается в регенераторе 13 и поступает в камеру сгорания 14, где сжигается топливный газ, подводимый по газопроводу топливного газа 15. Продукты его сгорания расширяются в газовой турбине 10 с совершением полезной работы. Полезная работа газовой турбины 10 используется для привода компрессора высокого давления 8 и электрогенератора 12, вырабатывающего электроэнергию. Отработавшие в газовой турбине 10 продукты сгорания по выхлопному газоходу 9 через регенератор 13, утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления 17 и утилизационный теплообменник подогрева газа 18 выходной газовой магистрали сбрасываются в атмосферу. Теплота отработавших газов газовой турбины 10 используется для подогрева сжатого воздуха в регенераторе 13, подогрева природного газа в утилизационном теплообменнике предварительного подогрева газа высокого давления 17 и для подогрева газа, подаваемого потребителям в утилизационном теплообменнике подогрева газа выходной газовой магистрали 18. В случае необходимости, природный газ из магистрального газопровода 1 по обводной магистрали 21, снабженной редукционной установкой, направляется к потребителям через выходную газовую магистраль 19.
При изменении давления в магистральном газопроводе высокого давления 1, система управления 22 за счет воздействия на сопловой регулирующий аппарат турбодетандера первой ступени расширения газа 2 поддерживает постоянное давление природного газа в выходной газовой магистрали 19 и в газопроводе топливного газа 15 газотурбодетандерной энергетической установки.
Соединение роторов турбодетандера первой ступени расширения газа 2, турбодетандера второй ступени расширения газа 5 и компрессора низкого давления 7 общим валом 6 позволяет увеличить их обороты до 20000-30000 об/мин, уменьшить число ступеней и стоимость турбодетандеров первой ступени расширения газа 2 и второй ступени расширения газа 5, компрессора низкого давления 7, а также повысить их КПД.
Привод электрогенератора 12 от вала газовой турбины 10 позволяет отказаться от использования понижающего редуктора, повысить надежность и ремонтопригодность установки.
Применение системы управления 22 давлением газа позволяет при изменении давления газа в магистральном газопроводе 1 поддерживать постоянным давление газа в выходной газовой магистрали 19 и в камере сгорания 14 газотурбодетандерной энергетической установки.
Применение регенератора 13 и утилизационных теплообменников предварительного подогрева газа высокого давления 17 и подогрева газа выходной газовой магистрали 18 позволяет значительно увеличить электрический КПД газотурбодетандерной энергетической установки.
Применение промежуточного подогревателя газа - воздухоохладителя 3 позволяет увеличить полезную работу турбодетандера второй ступени расширения газа 5, мощность и расход воздуха компрессора низкого давления 7, что позволяет увеличить электрическую мощность газотурбодетандерной энергетической установки.
Размещение промежуточного подогревателя газа - воздухоохладителя 3 между компрессорами низкого и высокого давления позволяет увеличить КПД и электрическую мощность газотурбодетандерной энергетической установки.
Все вышеперечисленные факторы позволяют реализовать поставленную техническую задачу, а именно, повысить мощность и экономичность газотурбодетандерной энергетической установки газораспределительной станции.