ГАЗОПЕРКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ С СУБАТМОСФЕРНОЙ УТИЛИЗАЦИОННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
GAS COMPRESSOR UNIT OF A COMPRESSOR STATION WITH A SUB-ATMOSPHERIC UTILIZATION POWER PLANT

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 и внешних потребителей электрической энергии.
Известна субатмосферная газотурбинная установка, работающая по обратному циклу Брайтона с регенерацией теплоты газовой турбины а 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 то, что она не применяется для утилизации тепла уходящих газов приводной газотурбинной установки компрессорной станции.
Известна комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода (Патент РФ №2744139, F02C 6/18, 29.12.2016), 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, содержащей воздушную турбину, воздухоохладитель-конденсатор, компрессор, электрогенератор. Перед компрессором приводной газотурбинной установки установлен аппарат М-цикла с «сухим» и «влажными» воздушными каналами, которые разделены металлической стенкой, покрытой инфильтрационным слоем со стороны «влажного» канала. Воздухоохладитель-конденсатор установлен между воздушной турбиной и компрессором. Входы «сухого» и «влажного» каналов аппарата М-цикла связаны с атмосферой, выход «сухого» канала связан с входом компрессора приводной газотурбинной установки; выход «влажного» 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 по конденсату с трубопроводом отвода конденсата с насосом.
Положительными качествами комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установки, принятой в качестве прототипа к предполагаемому изобретению, является то, что при ее работе в летний период года обеспечивается повышение тепловой экономичности и мощности приводной газотурбинной установки за счет снижения температуры воздуха перед ее компрессором, а также тепловой экономичности и мощности субатмосферной утилизационной энергетической установки за счет использования в аппарате М-цикла энергии окружающей среды и психрометрической разности температур влажного и сухого атмосферного воздуха.
Недостатком прототипа в зимний период его работы, при отрицательных температурах наружного воздуха, является невозможность подачи воды в гидрофильную поверхность аппарата М-цикла.
Технической задачей изобретения является усовершенствование конструкции газоперекачивающего агрегата компрессорной станции с целью повышения экономичности и мощности при его работе как в летние, так и в зимние периоды года.
Поставленная задача достигается тем, что газоперекачивающий агрегат компрессорной станции содержит компрессор, камеру сгорания, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный воздухоподогреватель и субатмосферную утилизационную энергетическую установку, содержащую воздушную турбину, воздухоохладитель-конденсатор, компрессор, электрогенератор; перед компрессором приводной газотурбинной установки установлен аппарат М-цикла с «сухим» и «влажным» воздушными каналами, разделенными металлической стенкой, покрытой со стороны «влажного» воздушного канала гидрофильной поверхностью, смачиваемой водой; входы «сухого» и «влажного» каналов связаны с атмосферой, выход «сухого» канала связан с входом компрессора, при работе установки в летнем режиме выход «влажного» связан воздуховодом с входом регенеративного воздухоподогревателя, выход которого связан с входом турбины субатмосферной утилизационной энергетической установки; ее выход через теплообменную поверхность воздухоохладителя-конденсатора и компрессор связан с атмосферой; вход гидрофильной поверхности связан с входным трубопроводом воды с насосом, а ее выход соединен трубопроводом охлаждающей воды с теплообменной поверхностью воздухоохладителя-конденсатора; корпус воздухоохладителя-конденсатора соединен по конденсату с трубопроводом отвода конденсата с насосом, причем в нем дополнительно применены разбрызгивающее устройство, трубопровод обвода гидрофильной поверхности аппарата М-цикла, трубопровод подачи конденсата в разбрызгивающее устройство; разбрызгивающее устройство установлено на входе воздуха в регенеративный воздухоподогреватель; трубопровод обвода гидрофильной поверхности аппарата М-цикла связывает входной трубопровод воды с трубопроводом охлаждающей воды, трубопровод подачи конденсата в разбрызгивающее устройство связывает корпус воздухоохладителя-конденсатора с разбрызгивающим устройством; на входном трубопроводе воды, на трубопроводе обвода гидрофильной поверхности аппарата М-цикла и на трубопроводе подачи конденсата в разбрызгивающее устройство дополнительно установлены запорные задвижки.
На Фиг. 1 представлена принципиальная тепловая схема газоперекачивающего агрегата компрессорной станции с субатмосферной утилизационной энергетической установкой. Он содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, силовую газовую турбину 3, нагнетатель природного газа 4, аппарат М-цикла 5 с «сухим» и «влажным» воздушными каналами, входной трубопровод воды 6 с насосом, воздуховод 7, трубопровод обвода гидрофильной поверхности аппарата М-цикла 8, разбрызгивающее устройство 9, регенеративный воздухоподогреватель 10, электрогенератор 11, воздушную турбину 12, компрессор 13 субатмосферной энергетической установки, воздухоохладитель-конденсатор 14 с теплообменной поверхностью, трубопровод 15 конденсата с насосом, трубопровод охлаждающей воды 16, трубопровод 17 подачи конденсата в разбрызгивающее устройство.
Вход компрессора 1 связан с атмосферой через «сухой» воздушный канал аппарата М-цикла. Вход «влажного» воздушного канала этого аппарата 5 связан с атмосферой, вход его гидрофильной поверхности связан с входным трубопроводом воды 6. Выход «влажного» воздушного канала связан воздуховодом 7 через поверхность нагрева регенеративного воздухоподогревателя 10 с входом воздушной турбины 12, ротор которой соединен общим валом с электрогенератором 11 и с компрессором 13 субатмосферной энергетической установки. Выход воздушной турбины 12 связан через поверхность теплообмена воздухоохладителя-конденсатора 14 с входом компрессора субатмосферной энергетической установки 13, выход которого соединен с атмосферой. Корпус воздухоохладителя-конденсатора 14 соединен трубопроводом 15 конденсата с насосом и трубопроводом 17 с форсунками разбрызгивающего устройства 9. Выход гидрофильной поверхности аппарата М-цикла связан трубопроводом охлаждающей воды 16 с теплообменной поверхностью воздухоохладителя-конденсатора 14.
В летний период газоперекачивающий агрегат компрессорной станции с субатмосферной утилизационной энергетической установкой, работает следующим образом. Атмосферный воздух подают на входы «сухого» и «влажного» воздушных каналов аппарата М-цикла 5. На вход гидрофильной поверхности «влажного» канала по входному трубопроводу воды 6 подают воду. За счет ее испарения из гидрофильной поверхности происходит охлаждение металлической стенки аппарата М-цикла и атмосферного воздуха в «сухом» канале. Охлажденный воздух подают на вход компрессора 1, сжимают и подают в камеру сгорания 2, где сжигают топливо. Продукты сгорания расширяют в силовой газовой турбине 3, приводящей нагнетатель природного газа 4 и через регенеративный воздухоподогреватель 10 их сбрасывают в атмосферу. Во «влажном» канале аппарата М-цикла 5 охлаждают и увлажняют атмосферный воздух, влажный воздух из этого канала подают по воздуховоду 7 в регенеративный воздухоподогреватель 10, где его нагревают теплотой выхлопных газов приводной газовой турбины 3. Вследствие подачи в регенеративный воздухоподогреватель 10 холодного влажного воздуха в нем интенсифицируется теплообмен со снижением температуры газов, сбрасываемых в атмосферу. Влажный воздух, нагретый в регенеративном воздухоподогревателе до 380-420°С, расширяют в воздушной турбине 12 субатмосферной энергетической установки, полезную работу которой используют для привода компрессора 13 и выработки электроэнергии в электрогенераторе 11. Расширенный в воздушной турбине 12 влажный воздух охлаждают в воздухоохладителе-конденсаторе 14, где за счет подачи в его поверхность теплообмена по трубопроводу 16 охлаждающей воды (не испарившейся воды) из гидрофильной поверхности аппарата М-цикла, конденсируют пар, содержащийся во влажном воздухе. Из корпуса воздухоохладителя-конденсатора 14 конденсат отводят в атмосферу по трубопроводу конденсата с насосом 15. Сухой воздух из воздухоохладителя-конденсатора 14 подают в компрессор субатмосферной энергетической установки 13, сжимают и сбрасывают в атмосферу.
В зимний период при отрицательных температурах воздуха, так же, как и в летний период, атмосферный воздух подают на входы в воздушные каналы аппарата М-цикла 5. Закрывают запорную задвижку на входном трубопроводе воды 6 и прекращают подачу воды в гидрофильную поверхность этого аппарата. Открывают запорную задвижку на трубопроводе обвода гидрофильной поверхности аппарата М-цикла 8. По трубопроводу 6 и трубопроводу охлаждающей воды 16 в теплообменную поверхность воздухоохладителя-конденсатора 14 подают охлаждающую воду, которую используют для охлаждения влажного воздуха в воздухоохладителе-конденсаторе 14 и конденсации содержащегося в нем пара. Как и в летнем режиме, полезную работу воздушной турбины используют для привода компрессора субатмосферной энергетической установки 13 и выработки электроэнергии в электрогенераторе 11. Влажный воздух, расширенный в воздушной турбине 12, охлаждают в воздухоохладителе-конденсаторе 14, но при этом в его поверхность теплообмена подают холодную воду из входного трубопровода 6 через трубопровод обвода гидрофильной поверхности аппарата М-цикла и трубопровод охлаждающей воды 16. Конденсат пара, образовавшийся в воздухоохладителе-конденсаторе 14, подают по трубопроводу 17 подачи конденсата в форсунки разбрызгивающего устройства 9 и производят увлажнение воздуха, подаваемого по воздуховоду 7 в регенеративный воздухоподогреватель 10. Сухой воздух из воздухоохладителя-конденсатора 14 подают в компрессор субатмосферной энергетической установки 13, сжимают и сбрасывают в атмосферу.
Таким образом, предлагаемый газоперекачивающий агрегат при работе в летнем режиме позволяет:
- повысить тепловую экономичность и мощность за счет уменьшения затраты энергии на сжатие в компрессоре сухого холодного воздуха и снижения температуры выхлопных газов, уходящих из регенеративного воздухоподогревателя;
- значительно повысить энтальпию воздуха перед турбиной субатмосферной утилизационной энергетической установки, увеличить ее тепловую экономичность и электрическую мощность за счет увлажнения воздуха во «влажном» воздушном канале аппарата М-цикла, охлаждения воздуха и конденсации пара в воздухоохладителе-конденсаторе за счет использования холодной воды, стекающей с гидрофильной поверхности «влажного» канала аппарата М- цикла.
При работе в зимнем режиме предлагаемый газоперекачивающий агрегат позволяет:
- обеспечивать повышение экономичности и электрической мощности субатмосферной утилизационной энергетической установки с охлаждением воздуха и конденсацией пара за счет подачи холодной воды в поверхность теплообмена воздухоохладителя-конденсатора;
- обеспечить увлажнение воздуха перед регенеративным воздухоподогревателем за счет распыливания конденсата в разбрызгивающем устройстве.