КОМБИНИРОВАННАЯ ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАБОТЫ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
COMBINED GAS TURBO EXPANDER PLANT TO RUN ON NATURAL GAS

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано на газораспределительных станциях, в составе которых имеется энергетическая установка. В условиях экономических затруднений нашего времени и дефицита энергогенерирующего оборудования (из-за его морального и физического износа) основным направлением создания конкурентоспособных образцов энергооборудования становится серьезная модернизация действующих энергоустановок. Успех такой модернизации базируется на грамотном использовании передовых научно-технических достижений. Повышение экологических показателей, эффективности и надежности работы энергооборудования с одновременным снижением стоимостных показателей энергогенерирующих установок основываются на использовании инновационных разработок. Другой проблемой является необходимость обеспечения отдаленных малонаселенных пунктов и групп населения энергоресурсами в небольших объемах, т.е. необходимость использования малой энергетики.
Известна газораспределительная станция с энергетической установкой (патент РФ №2009389, F17D 1/04, 15.03.1994). Станция содержит магистральный газопровод с редуцирующим устройством, газотурбинный двигатель с теплообменником-утилизатором на выходе для нагрева отобранного перед редуцирующим устройством из магистрального газотрубопровода газа и турбодетандер с электрогенератором. Вход турбодетандера подсоединен к выходу теплообменника-утилизатора. Станция снабжена теплообменником-регенератором для предварительного нагрева отобранного газа. Теплообменник-регенератор установлен перед теплообменником-утилизатором и подключен по греющей среде своими входом и выходом соответственно к выходу турбодетандера и газотрубопроводу после редуцирующего устройства, а по нагреваемой среде, соответственно, входом - к магистральному газотрубопроводу перед редуцирующим устройством и выходом - к входу теплообменника-утилизатора. Данное изобретение повышает эффективность и надежность газораспределительной станции путем повышения КПД энергетической установки вследствие регенерации теплоты выходящего из турбодетандера газа, снижения потерь в газопроводе и повышения надежности последнего. Недостатком этого аналога является увеличенная стоимость установки (разные системы управления ГТД и турбодетандера) и снижение эффективности турбодетандера за счет неизбежных утечек природного газа в атмосферу. Известно, что один процент утечек природного газа приводит к нецелесообразности использования турбодетандера из-за того, что при этом КПД турбодетандера стремится к нулю.
Недостаток первого аналога устраняется техническим решением турбодетандерной установки (патент РФ №2317430, F02C 7/28, 20.02.2008). Установка включает турбодетандер, камеру высокого давления, камеру низкого давления, которые сообщаются через уплотнения с накопительной камерой, а последняя сообщена через магистраль отвода газовоздушной смеси с эжекторной трубой с размещенным в ней вентилятором и форсунками. Эжекторная труба выходом соединена с теплообменником, сопряженным с магистралью природного газа высокого давления. Рабочее колесо турбодетандера установки жестко соединено с ротором электрогенератора на подшипниках. Электрогенератор через преобразователь частоты соединен с потребителем электроэнергии. Турбодетандерная установка повышает эффективность использования тепла утечек природного газа. Недостатком второго аналога является возможность сильного изменения по времени генерируемой мощности из-за переменности по расходу и давлению природного газа, поступающего в турбодетандер. Недостаток второго аналога устраняется наиболее близким по назначению и конструкции прототипом - газотурбодетандерной установкой для работы на природном газе (патент РФ №2013615, F02C 6/00, 30.05.1994). Установка включает магистраль природного газа высокого давления с установленными в ней теплообменником и турбодетандером, соединенным валом с компрессором. Газотурбодетандерная установка снабжена регенеративной газотурбинной установкой, содержащей камеру сгорания, газовую турбину и теплообменник-регенератор, установленный на выходе газовой турбины. Причем теплообменник установлен перед турбодетандером и сопряжен с теплообменником-регенератором. Газовая турбина механически соединена с валом, соединяющим турбодетандер с компрессором. Установка позволяет повысить удельный съем энергии с одного килограмма природного газа. Однако даже кратковременный останов установки, например, для регламентных или ремонтных работ турбодетандера вызывает прекращение подачи природного газа потребителю. Здесь также не используются возможности турбодетандера для повышения КПД установки, например, путем полезного использования утечек природного газа через уплотнения по валу.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
- повышение эффективности работы установки;
- улучшение экологических показателей работы установки;
- обеспечение бесперебойного энергоснабжения потребителя природным газом и механической или электрической энергией.
Поставленные задачи решаются тем, что комбинированная газотурбодетандерная установка для работы на природном газе содержит магистраль природного газа, турбодетандер, нагреватель с каналами холодного и промежуточного теплоносителя, рекуператор с каналами горячего и промежуточного теплоносителя, насос, потребитель мощности, например электрогенератор, газогенератор ГТД, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, где компрессор, турбина и потребитель мощности сопряжены между собой механически через вал и магистраль потребителя природного газа.
Магистраль природного газа и вход турбодетандера соединены через канал холодного теплоносителя нагревателя. Выход турбодетандера соединен с потребителем природного газа. Выход турбины через канал горячего теплоносителя рекуператора соединен с атмосферой. Каналы промежуточного теплоносителя рекуператора и нагревателя соединены через насос в общий замкнутый контур.
Новым в изобретении является то, что установка содержит источник сжатого воздуха, накопитель сжатого воздуха, камеру сбора утечек уплотнений по валу, муфту сцепления, дроссель-регулятор, редуктор давления и клапаны. Турбодетандер соединен механически через муфту сцепления с газогенератором ГТД. Камера сбора утечек уплотнений по валу газодинамически соединена с входом в компрессор. Источник сжатого воздуха соединен с входом в турбодетандер через накопитель с клапанами на входе и на выходе. Выход турбодетандера снабжен клапаном. Магистраль природного газа соединена через клапан с каналом холодного теплоносителя нагревателя. Дополнительно магистраль природного газа через клапан и редуктор давления соединена с магистралью потребителя природного газа, а также через клапан - с входом в турбодетандер. Вход в канал горячего теплоносителя рекуператора из турбины снабжен клапаном. Выход турбины дополнительно связан через дроссель-регулятор температуры непосредственно с атмосферой.
При такой конструкции комбинированной газотурбодетандерной установки:
- наличие в установке дополнительно источника сжатого воздуха, накопителя сжатого воздуха, камеры сбора утечек уплотнений по валу, муфты сцепления, дроссель-регулятора, редуктора давления и клапанов обеспечивает непрерывность работы установки, повышает ее эффективность и экологичность;
- соединение камеры сбора утечек с входом в компрессор позволяет исключить полностью поступление утечек природного газа из турбодетандера в атмосферу и использовать химическую энергию утечек путем сжигания их в камере сгорания газогенератора, а также повысить экологические показатели окружающей среды;
- соединение источника сжатого воздуха с входом в турбодетандер через накопитель с клапанами на входе и на выходе обеспечивает возможность надежного запуска установки и получения холодного воздуха на выходе из турбодетандера с направлением его потребителю, например, на вход в компрессор для повышением эффективности работы установки, особенно в жаркое время года;
- снабжение входа канала горячего теплоносителя рекуператора клапаном и соединение выхода турбины через дроссель-регулятор с атмосферой позволяют обеспечить непрерывную работу установки при необходимости отключения из работы рекуператора, например, в летнее время года;
- наличие муфты сцепления между валами газогенератора и турбодетандера позволяет работать установке в двух режимах: режиме объединения мощностей газогенератора и турбодетандера и в режиме отключения турбодетандера от газогенератора для проведения регламентных, ремонтных и других работ;
- наличие дросселя-регулятора, установленного параллельно с каналом горячего теплоносителя рекуператора между выходом из турбины и атмосферой, позволяет поддерживать температуру природного газа в допустимом для потребителя диапазоне;
- соединение магистрали природного газа через клапан с входом в турбодетандер, а также с входом в канал холодного теплоносителя нагревателя и соединение магистрали природного газа и магистрали потребителя природного газа через клапан и редуктор давления позволяют обеспечивать непрерывную подачу природного газа нужного давления при вынужденном прекращении поступления природного газа через турбодетандер или нагреватель из-за регламентных или ремонтных работ.
Существенные признаки изобретения могут иметь дополнения и развитие:
- наличие дополнительного потребителя мощности, механически соединенного по валу с турбодетандером, и дополнительной камеры сбора утечек уплотнений по валу, газодинамически соединенной с входом компрессора при разъединении муфтой сцепления валов ГТД и турбодетандера, позволяет обеспечить оптимальную частоту вращения турбодетандера, обеспечивающую повышение его экономичности работы и снижение массы;
- накопитель сжатого воздуха может быть выполнен в виде батареи сосудов высокого давления. Это позволяет повысить запасы воздуха с увеличением длительности работы установки в условиях, например, отсутствия поступления природного газа, что повышает бесперебойность работы установки;
- использование потребителя мощности в виде воздушного компрессора, соединенного входом с атмосферой, а выходом с накопителем сжатого воздуха, или электрогенератора позволяет обеспечить потребителя сжатым воздухом или электроэнергией, в зависимости от необходимости в том или ином виде энергии, что расширяет потребительские свойства установки.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- повышена эффективность работы установки;
- улучшены экологические показатели работы установки;
- обеспечена бесперебойная работа установки.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции комбинированной турбодетандерной установки и ее работы со ссылкой на чертежи (см. фиг.1 и 2).
Комбинированная газотурбодетандерная установка для работы на природном газе (см. фиг.1) содержит магистраль 1 природного газа, турбодетандер 2, нагреватель 3 с каналами 4 и 5 соответственно холодного и промежуточного теплоносителей, рекуператор 6 с каналами 7 и 8 соответственно горячего и промежуточного теплоносителей, насос 9, потребитель 10 мощности, газогенератор 11 ГТД, включающий компрессор 12, камеру сгорания 13 и турбину 14 и магистраль 15 потребителя природного газа. Компрессор 12, турбина 14 и потребитель 10 мощности сопряжены между собой механически через вал.
Магистраль 1 природного газа и вход турбодетандера 2 соединены через канал 4 холодного теплоносителя нагревателя 3. Выход турбодетандера 2 соединен с магистралью 15 потребителя природного газа. Выход турбины 14 через канал 7 горячего теплоносителя рекуператора 6 соединен с атмосферой. Каналы 5 и 8 промежуточного теплоносителя рекуператора 6 и нагревателя 3 через насос 9 соединены в общий замкнутый контур 16.
Кроме того, установка дополнительно содержит источник 17 сжатого воздуха, накопитель 18 сжатого воздуха, камеру 19 сбора утечек уплотнений по валу, муфту 20 сцепления, дроссель-регулятор 21, редуктор давления 22 и клапаны. Турбодетандер 2 соединен механически через муфту 20 сцепления с газогенератором 11 ГТД. Камера 19 сбора утечек уплотнений вала газодинамически соединена с входом в компрессор 12. Источник 17 сжатого воздуха соединен с входом в турбодетандер 2 через накопитель 18 с клапанами 23 и 24 соответственно на входе и выходе. Выход турбодетандера 2 снабжен клапаном 25 и дополнительно через клапан 26 соединен с входом компрессора 12. Магистраль 1 природного газа соединена через клапан 27 с каналом 4 холодного теплоносителя нагревателя 3. Магистраль 1 природного газа также соединена через клапан 28 и редуктор давления 22 с магистралью потребителя природного газа 15, а также через клапан 29 - с входом в турбодетандер 2. Вход в канал 7 горячего теплоносителя рекуператора 6 из турбины 14 снабжен клапаном 30. Выход турбины 14 дополнительно связан через дроссель-регулятор 21 непосредственно с атмосферой.
Установка может содержать (см. фиг.2) дополнительный потребитель 31 мощности и дополнительную камеру 32 сбора утечек уплотнений вала. Дополнительный потребитель 31 мощности механически соединен с турбодетандером 2. Дополнительная камера 32 сбора утечек уплотнений вала газодинамически соединена с входом компрессора 12.
Комбинированная газотурбодетандерная установка, представленная на фиг.1, работает следующим образом. Перед запуском накопитель 18 сжатого воздуха заполнен воздухом высокого давления, источник 17 сжатого воздуха отключен, общий контур 16 с насосом 9 заполнен промежуточным теплоносителем, все клапаны установки закрыты, кроме клапана 28, обеспечивающего подачу природного газа через редуктор давления 22 в магистраль потребителя природного газа 15. Дроссель-регулятор 21 полностью открыт. Запускается насос 9, обеспечивающий циркуляцию промежуточного теплоносителя в замкнутом контуре 16. Соединяются муфтой 20 сцепления валы газогенератора 11 ГТД и турбодетандера 2. Открываются клапаны 24 и 26 и сжатый воздух, поступая в турбодетандер 2, раскручивает газогенератор 11 до режима холостого хода; в камеру сгорания 13 подается топливо и газогенератор 11 выходит на номинальный режим работы. При этом воздух из атмосферы и из турбодетандера всасывается компрессором 12, сжимается в нем и подается в камеру сгорания 13, куда подается и горючее, которое, сгорая в камере, образует с воздухом газ высокой температуры и давления, поступающий в турбину 14. Газ в турбине 14 за счет понижения давления до величины, близкой к атмосферному давлению, вырабатывает мощность, которая расходуется как на привод компрессора 12, так и передается потребителю мощности 10. После выхода газогенератора 11 на режим холостого хода клапаны 24 и 26 закрываются, прекращается подача воздуха в турбодетандер и открываются клапаны 27, 25 и клапан 30, соединяющий выход газовой турбины через горячий канал 7 рекуператора 6 с атмосферой. Горячий газ из турбины 14 идет через клапан 30 в канал 7 горячего теплоносителя рекуператора 6, где в канале 8 отдает часть тепла промежуточному теплоносителю, циркулирующему в закрытом контуре 16. Мощность газогенератора 11 передается потребителю мощности 10. Закрывается клапан 28 и весь газ высокого давления из магистрали природного газа 1 поступает в канал 4 холодного теплоносителя нагревателя 3, нагревается там за счет тепла, отдаваемого каналом 5 промежуточного теплоносителя, и подается в турбодетандер 2. В турбодетандере 2 давление газа понижается до уровня, необходимого потребителю, при этом на валу турбодетандера 2 вырабатывается мощность, дополнительно к мощности, отдаваемой газогенератором 11 потребителю мощности 10. Утечки природного газа из полости турбодетандера 2 поступают в камеру 19 сбора утечек уплотнений, откуда отводятся во входное сечение компрессора 12, где давление немного ниже атмосферного давления, поэтому помимо газа в камере 19 всегда имеются утечки воздуха из атмосферы. Эти утечки природного газа, поступая с воздухом в камеру сгорания 13, позволяют соответственно уменьшить подачу штатного горючего, вследствие чего в установке турбодетандер 2 по эффективности работает как бы с нулевыми утечками природного газа. Изменением перепада давлений, срабатываемого газом за турбиной 14 на дросселе-регуляторе 21, меняется перепад давлений газа в канале горячего теплоносителя 7 рекуператора 6 и, соответственно, температура промежуточного теплоносителя в общем замкнутом контуре 16 и количество тепла, передаваемого им в канале холодного теплоносителя 4 нагревателя 3 природному газу до входа его в турбодетандер 2. Таким образом обеспечивается температура природного газа в допустимом диапазоне изменения ее в магистрали 15 потребителя природного газа.
Комбинированная газотурбодетандерная установка, представленная на фиг.2, работает следующим образом. Запуск установки (до достижения газогенератором 11 режима холостого хода) осуществляется так же, как и запуск установки по фиг.1. При достижении газогенератором 11 режима холостого хода с помощью клапанов 24 и 26 прекращается подача воздуха в турбодетандер 2 и муфтой сцепления 20 разъединяются валы газогенератора 11 и турбодетандера 2. Далее возможны два варианта работы установки.
В первом варианте газогенератор 11 отдает мощность потребителю мощности 10, газ из магистрали природного газа через клапан 28 и редуктор давления 22, поддерживающий заданное давление за ним, поступает в магистраль 15 потребителя природного газа. Турбодетандер 2 при этом выведен из рабочего процесса, что позволяет производить с ним работы ремонтно-профилактического характера.
Во втором варианте открываются клапаны 27, 25 и клапан 30, соединяющий выход газовой турбины через горячий канал 7 рекуператора 6 с атмосферой. Закрывается клапан 28 и из магистрали природного газа 1 весь нагретый в канале 4 холодного теплоносителя нагревателя 3 газ высокого давления поступает в турбодетандер 2 и далее в магистраль 15 потребителя природного газа. При этом вырабатывамая газогенератором 11 и турбодетандером 2 мощность расходуется на привод потребителя мощности 10 и на привод дополнительного потребителя мощности 31 соответственно. Утечки природного газа по валу из турбодетандера 2 поступают в дополнительную камеру 32 сбора утечек уплотнений, откуда отводятся во входное сечение компрессора 12.
Предлагаемая установка (см. фиг.2) позволяет также обеспечивать потребителей мощности электроэнергией от электрогенератора 10 в неизменном количестве и в тех случаях, когда по ряду причин, например после капитального ремонта, газогенератор 11 работает в «щадящем» режиме, т.е. с уменьшенной температурой газа перед турбиной 14 и, соответственно, с уменьшенной мощностью, направляемой на привод электрогенератора 10.
В этом случае, если дополнительным потребителем мощности 31 является воздушный компрессор, муфтой сцепления 20 соединяются валы турбодетандера 2 и газогенератора 11, при этом уменьшается мощность, отбираемая воздушным компрессором 31 от турбодетандером 2 так, чтобы появившийся избыток мощности турбодетандера 2 компенсировал уменьшение мощности газогенератора 11, отдаваемой электрогенератору 10.
Если же дополнительным потребителем мощности 31 является дополнительный электрогенератор, то при работе газогенератора 11 в «щадящем» режиме уменьшается мощность, отдаваемая электрогенератором 10, что может быть скомпенсировано дополнительным электрогенератором 31.
Предлагаемая установка (см. фиг.2) способна работать и при отключенном газогенераторе 11, но только при наличии повышенной температуры окружающей среды (например, в летнее время года). Установка при этом работает следующим образом. Муфтой сцепления 20 разъединяются валы газогенератора 11 и турбодетандера 2, клапаны 29 и 27 закрыты, клапан 28 открыт - природный газ через редуктор давления поступает в магистраль потребителя природного газа 15. Открываются клапаны 25 и 29 и природный газ из магистрали природного газа 1 начинает поступать в турбодетандер 2. Закрывается клапан 28 и весь газ, направляющийся в магистраль 15 природного газа, проходит через турбодетандер 2 и отдает вырабатываемую мощность дополнительному потребителю мощности 31.
e
3
3
Предлагаемая комбинированная установка может найти применение на крупных газораспределительных станциях с расходом природного газа не менее 1 млн куб. м в сутки при генерируемой мощности 2 МВт. В отличие от известного генерирующего оборудования предлагаемая КГТДУ выгодно отличается тем, что повышает эффективность и надежность генерирования энергии (механической и электрической) при повышенных экологических показателях. Это реализуется за счет того, что комбинация турбодетандера с ГТД позволяет усилить достоинства и уменьшить недостатки каждой из систем (ТД и ГТД) представленной установки. Так, например, испытания опытного образца установки КУРС-1, созданной на базе электростанции ПАЭС-2500 производства ОАО «Мотор Сич» (г.Запорожье), позволили подтвердить повышение эффективного кпд η с 20 до 34%, а вредные выбросы оксидов азота снизились с 120 мг/нм до уровня 50 мг/нм в выхлопных газах ГТД. К тому же, в предлагаемой установке значительно облегчаются условия ее запуска с расширением потребительских свойств генерируемой энергии, в частности, по поддержанию стабильного уровня электричества при «щадящих» по техническим показателям условиях эксплуатации ГТД. При этом в жаркое время года (при температуре окружающей среды более 300К) возможно снижение температуры всасываемого компрессором воздуха на приблизительно 1,5 градуса за счет пропускания (взамен природного газа) через турбодетандер сжатого воздуха расходом 5 кг/с из накопителя сжатого воздуха с давлением 0,2 МПа. В результате повышается приблизительно на 2,5% мощность, суммарно генерируемая ТД и ГТД на уровне, например, 2,0 МВт, при неизменном расходе топлива в камеру сгорания
Кроме того, направление утечек природного газа из турбодетандера на вход компрессора ГТД с их последующим сжиганием в камере сгорания позволяет полностью исключить их негативное влияние на кпд, характерное при поступлении утечек природного газа в атмосферу.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет заметно повысить технические показатели действующего энергооборудования, в том числе за счет применения инновационных разработок.