СПОСОБ РАБОТЫ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ С ГАЗОТУРБИННЫМИ И ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫМИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИМИ АГРЕГАТАМИ И ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
OPERATING METHOD OF COMPRESSOR STATION OF MAIN GAS PIPELINES WITH GAS TURBINE AND ELECTRIC DRIVE GAS PUMPING UNITS AND GAS TURBINE EXPANDER POWER PLANT

Изобретение относится к области транспорта газа и может быть применено на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов, имеющих газотурбинные и электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ГПА).
На КС доля электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ГПА) составляет около 20%. Электроприводные ГПА имеют ряд преимуществ перед газотурбинными ГПА. К ним относится высокая эксплуатационная надежность, а также простота технического обслуживания и ремонта. Основным их недостатком являются значительные эксплуатационные затраты, связанные с высокой стоимостью электроэнергии, поставляемой на КС из внешних высоковольтных электрических сетей. Кроме того, при снижении расхода газа через магистральные газопроводы обычно отключают часть работающих электроприводных ГПА. В случаях небольших изменений расхода природного газа в газопроводе и нагрузки компрессорной станции производят дросселирование газа на входе в нагнетатели электроприводных ГПА. Кроме того, при пусках неработающих агрегатов этого типа снижается их надежность вследствие высоких пусковых токовых и механических нагрузок в электродвигателях.
Известен способ работы КС с электроприводными ГПА, при котором при уменьшении расхода газа через магистральный газопровод производят регулирование частоты электрического тока и числа оборотов синхронных электродвигателей электроприводных ГПА (Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. М. Недра, 2000, стр. 389-390). В то же время применение частотных преобразователей позволяет производить плавный пуск электроприводных ГПА при небольших пусковых токах в их электродвигателях. Недостатком этого способа является высокая стоимость частотных преобразователей.
Известна высокооборотная регенеративная газотурбинная энергетическая установка ГТЭ-009М, снабженная общим валопроводом, связывающим ротор турбогруппы (компрессора и газовой турбины) с ротором генератора. Валопровод установлен на магнитных подшипниках. Номинальная частота вращения ротора генератора равна 6096 об/мин при частоте вырабатываемого электрического тока 101,6 Гц. Преимуществом ГТЭ-009М, по сравнению с зарубежными и отечественными аналогами является ее конструктивная простота и меньшая стоимость. (ГТЭ-009М-Фонд промышленных каталогов. Промкаталог. РФ./PublicDocuments/0801183.pdf). Недостатком этой высокооборотной газотурбинной энергетической установки является невозможность ее применения на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известна КС с газотурбодетандерной энергетической установкой (Патент РФ №2599082), содержащая газопровод топливного газа высокого давления, подогреватель топливного газа высокого давления, газопроводы топливного газа среднего давления, турбодетандер, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор. Газопровод топливного газа высокого давления через подогреватель топливного газа высокого давления соединен с входом турбодетандера, выход которого через газопровод топливного газа среднего давления, подогреватель топливного газа и газопровод топливного газа связан с камерами сгорания газотурбодетандерной энергетической установки и газотурбинных ГПА. Применение газотурбодетандерной энергетической установки позволяет снизить эксплуатационные затраты на энергоснабжение собственных нужд компрессорных станций. Недостатком этой КС является то, что электроэнергия, вырабатываемая газотурбодетандерной энергетической установкой не используется для привода электродвигателей ГПА.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является компрессорная станция магистральных газопроводов с электроприводными газоперекачивающими агрегатами (ЭГПА) питаемыми электроэнергией (Патент РФ №2272938), согласно которому при изменении расхода газа через магистральный газопровод производят частотное регулирование нагрузки электродвигателей ЭГПА, при этом питание последних производят частично или полностью от электрогенераторов энергетических газотурбинных установок; при пуске неработающих ЭГПА, а также при изменении расхода газа через магистральный газопровод производят частотное регулирование электродвигателей газоперекачивающих агрегатов путем изменения оборотов электрогенераторов энергетических газотурбинных установок; в камеры сгорания которых подают топливный газ из магистрального газопровода; при значительном уменьшении расхода газа через магистральный газопровод останавливают электродвигатели части ЭГПА, избыточную электрическую энергию, вырабатываемую электрогенераторами работающих энергетических газотурбинных установок подают во внешнюю высоковольтную электрическую сеть.
Способ работы компрессорной станции магистральных газопроводов с электроприводными газоперекачивающими агрегатами предложенный в патенте РФ №2272938 принят в качестве прототипа изобретения. Недостатком прототипа является недостаточная экономичность работы ЭГПА из-за невысокого КПД энергетических газотурбинных установок, а также применение в ЭГПА повышающих редукторов, установленных между их синхронными электродвигателями (с числом оборотов 3000 об/мин) и центробежными нагнетателями природного газа с числом оборотов 5500-8000 об/мин.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение экономичности перекачки газа по магистральным газопроводам и снижение стоимости компрессорных станций магистральных газопроводов с электроприводными газоперекачивающими агрегатами и газотурбинными газоперекачивающими агрегатами.
Способ работы компрессорной станции магистральных газопроводов с газотурбинными и электроприводными газоперекачивающими агрегатами и газотурбодетандерной энергетической установкой, согласно которому при пуске неработающих ЭГПА, а также при изменении расхода газа через магистральный газопровод производят частотное регулирование электродвигателей газоперекачивающих агрегатов путем изменения оборотов электрогенераторов энергетических газотурбинных установок, в камеры сгорания которых подают топливный газ из магистрального газопровода; при значительном уменьшении расхода газа через магистральный газопровод останавливают электродвигатели части ЭГПА, избыточную электрическую энергию, вырабатываемую электрогенераторами работающих энергетических газотурбинных установок, подают во внешнюю высоковольтную электрическую сеть, при чем топливный газ из магистрального газопровода с давлением 6,5-7 МПа подогревают до 80-100°С, расширяют до 2,5-3 МПа в турбодетандере газотурбодетандерной энергетической установки, полезную работу которой используют для привода ее компрессора, расширенный топливный газ нагревают в подогревателе топливного газа до 80°С и подают в камеру сгорания газотурбодетандерной энергетической установки, а также в камеры сгорания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, подогрев топливного газа производят за счет тепла уходящих газов газотурбодетандерной энергетической установки; большую часть электроэнергии, выработанной в высокооборотном электрогенераторе, используют для питания дополнительных высокооборотных синхронных электродвигателей электроприводных газоперекачивающих агрегатов; а частоту тока меньшей части электроэнергии понижают в электронном преобразователе частоты до 50 Гц и используют для электроснабжения собственных нужд компрессорной станции, часть этой электроэнергии может быть трансформирована и направлена во внешние электрические сети.
Принципиальная тепловая схема для реализации предлагаемого способа работы компрессорной станции магистральных газопроводов с газотурбинными и электроприводными газоперекачивающими агрегатами и газотурбодетандерной энергетической установкой представлена на Фиг. 1. Она содержит: турбодетандер 1, высокооборотный компрессор 2, камеру сгорания 3, высокооборотную газовую турбину 4, высокобортный электрогенератор 5, подогреватель газа высокого давления 6, подогреватель теплоносителя 7, газопровод среднего давления 8, шинопровод электрогенератора 9, подогреватель топливного газа 10, газопровод топливного газа высокого давления 11, шинопровод электропрводных ГПА 12, электронный преобразователь частоты 13, электрический выключатель 14 на электролинии с частотой 50 Гц, собственные электрические нужды КС 15, электрические выключатели электродвигателей ГПА 16, высокооборотные синхронные электродвигатели 17, центробежные нагнетатели 18, магистральный газопровод 19, газопровод топливного газа 20 в камеры сгорания газотурбинных ГПА, газотурбинные ГПА 21.
Компрессорная станция магистрального газопровода, реализующая предлагаемый способ, работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимают в высокооборотном компрессоре 2, приводимым от турбодетандера 1, в камере сгорания 3 сжигают топливо, продукты сгорания расширяют в высокооборотной газовой турбине 4, полезную работу которой используют для выработки электроэнергии в высокооборотном электрогенераторе 5. Роторы турбодетандера 1, высокооборотного компрессора 2, газовой турбины 4 и высокооборотного электрогенератора 5 установлены на магнитных подшипниках и связаны общим валом. Электроэнергию высокой частоты (100 и более Гц), выработанную высокооборотным электрогенератором 5, подают по шинопроводу электрогенератора 9 и по шинопроводу электропрводных ГПА 12 через электрические выключатели электродвигателей ГПА 16 к высокооборотным синхронным электродвигателям 17, приводящим центробежные нагнетатели 18, подающие природный газ в магистральный газопровод 19. Меньшую часть электроэнергии, выработанной в высокооборотном электрогенераторе 5, подают в электронный преобразователь частоты 13, где частоту переменного тока снижают до 50 Гц. Переменный ток с этой частотой подают через электрический выключатель 14 к агрегатам собственных электрических нужд КС 15. При необходимости часть этого тока может быть трансформирована и направлена в линию высокого напряжения (не показана) для электроснабжения внешних потребителей электроэнергии.
По газопроводу топливного газа высокого давления 11 природный газ подают в турбодетандер 1 через подогреватель газа высокого давления 6, где его нагревают теплом теплоносителя предварительно подогретого в подогревателе теплоносителя 7 за счет тепла уходящих газов высокооборотной газовой турбины 4. Топливный газ расширяют в турбодетандере 1 и затем его меньшую часть через газопровод среднего давления 8 и подогреватель топливного газа 10 подают в камеру сгорания 3 газотурбодетандерной энергетической установки, а его большую часть направляют по газопроводу топливного газа 20 в камеры сгорания газовых турбин газотурбинных ГПА 21.
Применение в предлагаемом способе газотурбодетандерных энергетических установок электрически связанных с высокооборотными синхронными электродвигателями газоперекачивающих агрегатов позволяет:
- производить эксплуатацию электроприводных газоперекачивающих агрегатов как при постоянном расходе газа, так и при уменьшенном расходе газа, с соответствующем регулированием частоты электрического тока, вырабатываемого высокооборотными электрогенераторами газотурбодетандерных энергетических установок и потребляемого высокооборотными синхронными электродвигателями газоперекачивающих агрегатов;
- использовать потенциальную энергию топливного газа высокого давления газа в магистральном газопроводе для сжатия воздуха в высокооборотном компрессоре газотурбодетандерной энергетической установки и повышения ее тепловой экономичности;
- упростить конструкцию и снизить стоимость электроприводных ГПА за счет привода их нагнетателей от высокооборотных электродвигателей без применения в них повышающих редукторов;
- повысить тепловую экономичность газотурбинных ГПА за счет подачи в их камеры сгорания подогретого топливного газа.