КОМПРЕССОРНАЯ СТАНЦИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА С ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ УСТАНОВКОЙ
COMPRESSOR STATION OF THE MAIN GAS PIPELINE WITH A GAS TURBO EXPANDER UNIT

Изобретение относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использовано при создании компрессорных станций магистральных газопроводов.
Известна энергетическая установка для компрессорной станции магистрального газопровода с газотурбинным и паротурбинными газоперекачивающими агрегатами (патент РФ №2256118, F17D 1/02). Паротурбинный газоперекачивающий агрегат содержит котел-утилизатор, конденсационную паровую турбину, ротор которой связан валом с нагнетателем природного газа. Выработка пара в котле-утилизаторе производится за счет тепла выхлопных газов газотурбинного газоперекачивающего агрегата. Установка также снабжена турбодетандерной установкой с электрогенератором. Вход турбодетандера соединен по газу газопроводом с напорной стороной нагнетателя, а его выход с входом нагнетателя. Турбодетандерная энергетическая установка служит для энерогоснабжения собственных нужд компрессорной станции. Использование теплоты утилизации выхлопных газов газовой турбины для выработки пара с использованием полезной работы конденсационной паровой турбины для привода нагнетателя газа позволяет повысить тепловую экономичность компрессорной станции.
Недостатками являются усложнение конструкции и стоимости компрессорной станции, необходимость наличия воды для охлаждения конденсатора, а также небольшая электрическая мощность вследствие небольшого перепада давлений при расширении газа в турбодетандере.
Известен «Способ перекачки газа (варианты) на компрессорной станции и устройство для его осуществления» (патент РФ №2484360, F17D 1/02). Этот способ предусматривает выработку дешевой электроэнергии в турбодетандерной установке для обеспечения собственных нужд компрессорной станции при расширении в ней топливного газа газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. Установка для реализации этого способа содержит турбодетандер, связанный с электрогенератором, блок рекуперативных теплообменных аппаратов, установленных последовательно с существующим охладителем газа - аппаратом воздушного охлаждения (АВО).
Положительным качеством устройства, применяемого для реализации способа-прототипа является использование топливного газа газотурбинных установок ГПА для выработки электроэнергии в турбодетандерной установке и его использование для дополнительного охлаждения природного газа, сжатого в газовом компрессоре.
Недостатком способа является использование расширенного топливного газа в качестве хладагента в рекуперативных теплообменных аппаратах, что усложнит конструкцию и понизит надежность этого способа.
Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является газотурбодетандерная энергетическая установка компрессорной станции магистрального газопровода (патент РФ №2599082, F01K 27/00), принятая в качестве прототипа. Эта установка содержит газоперекачивающий агрегат, газотурбодетандерную энергетическую установку с электрогенератором, газопровод топливного газа высокого давления, сепаратор, подогреватель топливного газа высокого давления, турбодетандер, газопровод топливного газа среднего давления, подогреватель топливного газа. Газоперекачивающий агрегат снабжен нагнетателем природного газа, аппаратом воздушного охлаждения и дополнительным газоохладителем. Газопровод топливного газа высокого давления через сепаратор, подогреватель топливного газа высокого давления, газотурбодетандер и газопровод топливного газа среднего давления соединен через дополнительный газоохладитель, установленный после АВО газоперекачивающего агрегата, и подогреватель топливного газа с камерой сгорания газоперекачивающего агрегата, который снабжен утилизационным подогревателем теплоносителя, соединенным трубопроводами теплоносителя с подогревателем топливного газа высокого давления и с подогревателем топливного газа. Применение в этом патенте газотурбодетандерной установки снижает стоимость электроэнергии используемой для энергоснабжения собственных нужд компрессорной станции, а применение дополнительного газоохладителя существенно повышает экономичность компрессорной станции.
Недостатки этой установки связаны с усложнением конструкции и увеличением капиталовложений в компрессорную станцию за счет применения газотурбодетандерной энергетической установки. В дополнительный газоохладитель подается напрямую газ среднего давления охлажденный в турбодетандере, что усложнит конструкцию и снизит надежность компрессорной станции. Кроме того, использование утилизационного теплообменника газоперекачивающего агрегата для подогрева в двух теплообменниках с помощью теплоносителя, топливного газа высокого давления и топливного газа среднего давления, при условии что температура газа высокого давления перед турбодетандером должна быть не выше 100°С, не обеспечит требуемую величину подогрева топливного газа среднего давления, подаваемого в камеру сгорания ГПА.
Технической задачей изобретения является устранение отмеченных недостатков прототипа, упрощение конструкции и уменьшение капиталовложений в компрессорную станцию.
Поставленная задача достигается тем, что компрессорная станция магистрального газопровода с газотурбодетандерной установкой содержит магистральный газопровод, газотурбинные газоперекачивающие агрегаты с нагнетателями и аппаратами воздушного охлаждения, газопровод топливного газа высокого давления с сепаратором, подогреватель топливного газа высокого давления, газотурбодетандер, регулятор, электрогенератор, газопровод топливного газа среднего давления, теплообменник подогрева топливного газа среднего давления, прямой и обратный трубопроводы горячего теплоносителя, газопровод подачи топливного газа в камеру сгорания газоперекачивающего агрегата, газоохладитель, утилизационный теплообменник; газопровод топливного газа высокого давления соединен через сепаратор и теплообменник подогрева топливного газа высокого давления с входом газотурбодетандера, его выход соединен с газопроводом топливного газа среднего давления; утилизационный теплообменник соединен прямым и обратным трубопроводами теплоносителя с насосом с теплообменником подогрева топливного газа высокого давления; регулятор связан импульсными линиями с регулируемым сопловым аппаратом газотурбодетандера и с трубопроводом топливного газа среднего давления, причем в ней дополнительно применены теплообменник охлаждения теплоносителя, прямой и обратный трубопроводы холодного теплоносителя с насосом; выход газотурбодетандера связан с камерами сгорания газовых турбин газоперекачивающих агрегатов через газопровод топливного газа среднего давления, теплообменник охлаждения теплоносителя, теплообменник подогрева топливного газа среднего давления и газопровод топливного газа; выход поверхности теплообмена утилизационного теплообменника связан прямым трубопроводом горячего теплоносителя с насосом через поверхность теплообмена теплообменника подогрева топливного газа среднего давления с входом поверхности теплообмена теплообменника подогрева топливного газа высокого давления, выход которой соединен обратным трубопроводом горячего теплоносителя с входом поверхности теплообмена утилизационного подогревателя; выход поверхности теплообмена газоохладителя соединен прямым трубопроводом холодного теплоносителя с насосом с входом поверхности теплообмена теплообменника охлаждения теплоносителя, выход которой соединен обратным трубопроводом холодного теплоносителя с входом поверхности теплообмена газоохладителя.
Сравнение предлагаемой компрессорной станции магистрального газопровода с газотурбодетандерной установкой с прототипом и другими аналогами позволило сделать вывод, что предлагаемые в ней технические решения соответствую критериям «новизна» и «существенные отличия».
На Фиг. 1 приведена схема компрессорной станции магистрального газопровода с газотурбодетандерной установкой. Она содержит магистральный газопровод 1, газопровод топливного газа высокого давления 2, сепаратор 3, подогреватель топливного газа высокого давления 4, газотурбодетандер 5, электрогенератор 6, газопровод топливного газа среднего давления 7, теплообменник охлаждения теплоносителя 8, теплообменник подогрева топливного газа среднего давления 9, прямой трубопровод холодного теплоносителя 10, прямой трубопровод горячего теплоносителя 11, газопровод сжатого газа 12, газопровод топливного газа 13, газоохладитель 14, аппарат воздушного охлаждения 15, утилизационный теплообменник 16, нагнетатель 17, компрессор 18, камера сгорания 19, газовая турбина 20, регулятор 21, обратный трубопроводы горячего теплоносителя 22, обратный трубопроводы холодного теплоносителя 23
Магистральный газопровод 1 связан газопроводом топливного газа высокого давления 2 через сепаратор 3 и подогреватель топливного газа высокого давления 4 с входом газотурбодетандера 5, ротор которого соединен с ротором электрогенератора 6, выход газотурбодетандера через газопровод топливного газа среднего давления 7, теплообменник охлаждения теплоносителя 8, теплообменник подогрева топливного газа среднего давления 9 и газопровод топливного газа 13 связан с камерами сгорания 19 всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. Выход теплообменной поверхности утилизационного теплообменника 16 связан прямым трубопроводом горячего теплоносителя 11 с насосом через теплообменную поверхность теплообменника подогрева топливного газа среднего давления 9, с подогревателем топливного газа высокого давления 4, соединенного обратным трубопроводом горячего теплоносителя 22 с входом теплообменной поверхности утилизационного теплообменника 16, установленного после аппарата воздушного охлаждения 15 в газопроводе природного газа высокого давления, сжатого в нагнетателе 17. Компрессоры 18 газоперекачивающих агрегатов связаны через камеры сгорания 19 с газовыми турбинами 20. Регулятор 21 соединен импульсными линиями с газотурбодетандером 5 и с газопроводом топливного газа 13, связанным с камерами сгорания 19 газоперекачивающих агрегатов.
Компрессорная станция магистрального газопровода с газотурбодетандерной установкой работает следующим образом. Природный газ из магистрального газопровода 1 по газопроводу топливного газа высокого давления 2 подают в сепаратор 3, очищают от примесей, нагревают в подогревателе топливного газа высокого давления 4, за счет тепла теплоносителя, нагретого в утилизационном теплообменнике 16 теплом уходящих газов газовой турбины 20, подводимого в подогреватель топливного газа высокого давления 4 по прямому трубопроводу горячего теплоносителя 11. Затем, топливный газ высокого давления расширяют в газотурбодетандере 5, его работу используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе 6 и для электроснабжения собственных нужд компрессорной станции. Расширенный в газотурбодетандере 5 топливный газ среднего давления по газопроводу топливного газа среднего давления 7 подают в теплообменник охлаждения теплоносителя 8, в теплообменную поверхность которого по прямому трубопроводу холодного теплоносителя 10 подводят теплоноситель, подогретый в газоохладителе 14 при охлаждении природного газа, сжатого в нагнетателе 17 и охлажденного в АВО 15. По обратному трубопроводу холодного теплоносителя 23, теплоноситель, охлажденный в теплообменнике охлаждения теплоносителя 8, топливным газом, расширенным в газотурбодетандере 5, направляют в газоохладитель 14. Топливный газ среднего давления, вышедший из теплообменника охлаждения теплоносителя 8, нагревают в теплообменнике подогрева топливного газа среднего давления 9, за счет теплоты теплоносителя подводимого по прямому трубопроводу горячего теплоносителя 11 и подогретого в утилизационном теплообменнике 16 газовой турбины 20 одного из газоперекачивающих агрегатов. Подогретый в теплообменнике подогрева топливного газа среднего давления 9 газ подают по газопроводу топливного газа 13 в камеры сгорания 21 всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. При изменении давления и расхода газа в магистральном газопроводе 1, с помощью регулятора 21 изменяют положение соплового направляющего аппарата газотурбодетандера 5 и регулируют подачу топливного газа в камеры сгорания 19 всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции.
Применение в установке дополнительного теплообменника охлаждения теплоносителя, прямого и обратного трубопроводов холодного теплоносителя с насосом позволяет повысить надежность работы газоохладителя.
Последовательное включение в прямой трубопровод горячего теплоносителя теплообменника подогрева топливного газа среднего давления и подогревателя топливного газа высокого давления позволяет повысить эффективность утилизации тепла уходящих газов газовой турбины и увеличить до 200-250°С температуру топливного газа, подаваемого в камеры сгорания ГПА.