КОМБИНИРОВАННАЯ УТИЛИЗАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
COMBINED UTILIZING POWER GAS TURBINE POWER PLANT OF MAIN LINE GAS PIPELINE COMPRESSOR STATION

Изобретение относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использовано при создании высокоэкономичных утилизационных энергетических газотурбинных установок для энергоснабжения собственных нужд компрессорных станций.
Известна субатмосферная газотурбинная установка, работающая по обратному циклу Брайтона с регенерацией теплоты газовой турбины в аппарате М-цикла. (А.А. Халатов, С.Д. Северин, П.И. Бродецкий, B.C. Майсоценко «Субатмосферный обратный цикл Брайтона с регенерацией выходной теплоты по циклу Майсоценко». Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine 2015. Ris 1). В этой установке выход газовой турбины связан через аппарат М-цикла с входом компрессора. Применение аппарата М-цикла позволяет сжимать в компрессоре сухой холодный воздух и расширять в турбине воздух с повышенной энтальпией. Гидрофильную поверхность, покрывающую стенку «влажного» воздушного канала аппарата М-цикла смачивают водой. При ее испарении увеличивается влажность и энтальпия воздуха за счет использования энергии окружающей среды. В «сухом» канале происходит конденсация влаги, содержащейся в воздухе. Подача в компрессор сухого холодного воздуха значительно уменьшает затрату энергии на его сжатие. За счет сильного увлажнения воздуха в аппарате М-цикла его энтальпия при температуре воздуха в 300…400°С эквивалентна энтальпии продуктов сгорания при температуре 1300-1400°С. Повышение энтальпии происходит за счет использования энергии окружающей среды - психрометрической разности температур. Использование психрометрической энергии атмосферного воздуха и увеличение степени регенерации существенно повышает термический КПД цикла и уменьшает стоимость газотурбинной установки. Недостатком субатмосферной газотурбинной установки является ее недостаточная тепловая экономичность.
Известна утилизационная энергетическая газотурбинная установка (УЭГТУ) применяемая для привода нагнетателя газа и выработки электроэнергии с целью электроснабжения собственных нужд компрессорной станции. УЭГТУ состоит из приводной газотурбинной установки компрессорной станции и утилизационной газотурбинной установки (УГТУ). Приводная ГТУ содержит газогенератор, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины. (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). УГТУ содержит: компрессор, регенеративный воздухоподогреватель, воздушную турбину, электрогенератор. Турбина и компрессор связаны общим валом с электрогенератором. Вход компрессора связан с атмосферой, а его выход, через регенеративный воздухоподогреватель связан с входом турбины.. Турбина и компрессор УГТУ связаны общим валом с электрогенератором. Положительными качествами рассмотренного аналога являются простота конструкции и возможность применения в УГТУ не охлаждаемой турбины, изготавливаемой из более дешевых материалов. Его недостатками являются как не большая электрической мощностью, так и низкая тепловая экономичность УГТУ. Данное техническое решение принято в качестве прототипа к предлагаемому изобретению.
Технической задачей изобретения является повышение электрической мощности и тепловой экономичности комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установки.
Поставленная задача достигается за счет того, что комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода, состоящая из приводной газотурбинной установки, содержащей компрессор, камеру сгорания, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный воздухоподогреватель, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины и субатмосферной утилизационной энергетической установки, содержащая воздушную турбину, компрессор, электрогенератор; причем дополнительно применены аппарат М-цикла, воздухоохладитель-конденсатор, трубопровод отвода конденсата с насосом; аппарат М-цикла имеет «сухой» и «влажный» воздушный каналы, разделенные металлической стенкой, поверхность которой со стороны «влажного» воздушного канала покрыта инфильтрационным слоем, смачиваемым водой; входы «сухого» и «влажного» каналов связаны с атмосферой, выход «сухого» канала связан с входом компрессора приводной газотурбинной установки; выход «влажного» воздушного канала связан воздуховодом влажного воздуха с входом регенеративного воздухоподогревателя, его выход связан с входом турбины субатмосферной утилизационной энергетической установки, выход которой через теплообменную поверхность воздухоохладителя-конденсатора и компрессор сухого воздуха связан с атмосферой; корпус воздухоохладителя-конденсатора соединен с трубопроводом отвода конденсата пара с насосом. Тепловая экономичность приводной газотурбинной установки, электрическая мощность, а также тепловая экономичность субатмосферной утилизационной энергетической установки повышаются за счет использования в аппарате М-цикла энергии атмосферы и психрометрической разности температур влажного воздуха и сухого атмосферного воздуха.
На Фиг. 1 представлена принципиальная тепловая схема предлагаемой комбинированной утилизационной энергетической установки создаваемой на базе газотурбинного газоперекачивающего агрегата компрессорной станции магистрального газопровода.
Она содержит компрессор приводной газотурбинной установки 1, камеру сгорания 2, силовую газовую турбину 3, нагнетатель 4, «сухой» канал 5 аппарата М-цикла, «влажный» канал 6 аппарата М-цикла, воздуховод влажного воздуха 7, регенеративный воздухоподогреватель 8, электрогенератор 9, турбину 10, воздухоохладитель-конденсатор 11, компрессор 12 субатмосферной энергетической установки, трубопровод неиспарившейся воды 13, трубопровод отвода конденсата с насосом 14.
Аппарат М-цикла содержит металлическую стенку разделяющую «сухой» 5 и «влажный» 6 воздушный каналы. Поверхность металлической стенки со стороны «влажного» воздушного канала покрыта гидрофильным слоем смачиваемым водой. Вход компрессора 1 приводной газотурбинной установки связан с атмосферой через «сухой» канал аппарата М-цикла. Выход «влажного» воздушного канала связан воздуховодом влажного воздуха 7 через поверхность нагрева регенеративного воздухоподогревателя 8 с входом турбины 10. Ротор турбины 10 соединен общим валом с электрогенератором 9 и с компрессором 12. Выход турбины 10 через поверхность теплообмена воздухоохладителя-конденсатора 11 связан по сухому воздуху с входом компрессора 12, выход которого соединен с атмосферой. Корпус воздухоохладителя-конденсатора соединен с атмосферой трубопроводом отвода конденсата пара с насосом. Выход гидрофильной поверхности аппарата М-цикла связан трубопроводом неиспарившейся воды 13 с теплообменной поверхностью воздухоохладителя-конденсатора 11.
Комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода работает следующим образом. Атмосферный воздух подают на вход «сухого» 5 и «влажного» 6 каналов аппарата М-цикла. За счет испарения воды из гидрофильной поверхности происходит охлаждение металлической стенки аппарата М-цикла и атмосферного воздуха движущегося в его «сухом» 5 канале, охлажденный воздух поступает на вход компрессора приводной газотурбинной установки 1, сжимается и подается в камеру сгорания 2, где сжигается топливо. Продукты сгорания расширяются в силовой газовой турбине 3, приводящей нагнетатель 4, и через регенеративный воздухоподогреватель 8 сбрасываются в атмосферу. Во «влажном» канале 6 аппарата М-цикла атмосферный воздух охлаждается и увлажняется за счет испарения воды из гидрофильной поверхности, покрывающей его металлическую стенку, и по воздуховоду влажного воздуха 7 подается в регенеративный воздухоподогреватель 8 силовой газовой турбины 3, где производится его подогрев теплом уходящих газов силовой газовой турбины 3. Вследствие подачи в регенеративный воздухоподогреватель 8 холодного влажного воздуха, интенсифицируется теплообмен с уходящими газами и понижается температура газов сбрасываемых в атмосферу. Влажный воздух, нагретый в регенеративном воздухоподогревателе 8, расширяется в турбине 10 субатмосферной энергетической установки, полезная работа которой используется для привода компрессора 12 и электрогенератора 9. Расширенный в турбине 10 горячий влажный воздух охлаждается в воздухоохладителе-конденсаторе 11 с конденсацией содержащегося в нем пара, за счет подачи в его поверхность теплообмена холодной не испарившейся воды из гидрофильной поверхности аппарата М-цикла по трубопроводу неиспарившейся воды 13. Конденсат пара отводится в атмосферу из корпуса воздухоохладителя-конденсатора по трубопроводу отвода конденсата с насосом 14. Сухой воздух, охлажденный в воздухоохладителе-конденсаторе 11, подается в компрессор 12, где производится его сжатие до атмосферного давления.
Таким образом, применение дополнительного аппарата М-цикла, установленного перед компрессором приводной газотурбинной установкой, и обеспечение работы утилизационной энергетической газотурбинной установки по субатмосферному обратному циклу Брайтона, позволяет:
- повысить тепловую экономичность субатмосферной утилизационной энергетической установки, относительно ее работы по прямому циклу Брайтона, за счет использования в аппарате М-цикла энергии окружающей среды и психрометрической разности температур влажного и сухого атмосферного воздуха;
- увеличить тепловую экономичность приводной газотурбинной установки за счет уменьшения затраты энергии на сжатие в компрессоре сухого холодного воздуха и за счет снижения температуры газов, уходящих из регенеративного воздухоподогревателя.
- значительно повысить энтальпию воздуха перед турбиной субатмосферной утилизационной энергетической установки и увеличить ее тепловую экономичность, электрическую мощность за счет увлажнения воздуха во «влажном» воздушном канале 6 аппарата М-цикла и охлаждения воздуха в воздухоохладителе 11 холодной водой стекающей с гидрофильной поверхности аппарата М-цикла.