Газотурбинный газоперекачивающий агрегат (варианты)
GAS TURBINE GAS PUMPING UNIT (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к области турбомашиностроения и может найти применение в газовой промышленности для компримирования природного газа на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов (МГ). Изобретение может использоваться как при реконструкции работающих газоперекачивающих агрегатов КС, так и при производстве новых газоперекачивающих агрегатов.
КС устанавливают на трассе МГ через каждые 100÷200 км., используют для повышения давления природного газа в ходе его транспортирования и оснащают, как правило, несколькими
газоперекачивающими агрегатами (ГПА). ГПА - сложная энергетическая установка, предназначенная для компримирования природного газа, поступающего на КС по магистральному газопроводу.
Известны газоперекачивающие агрегаты, в которых газотурбинные приводные двигатели авиационного или судового типа размещены в контейнерах, объединенных в блоки полной заводской готовности. Например, газоперекачивающий агрегат ГПА-Ц-16, предназначенный для транспортирования природного газа по магистральным газопроводам при рабочем давлении 5,2÷7,5 МПа. Известный агрегат состоит из отдельных функционально завершенных блоков и сборочных единиц полной заводской готовности, стыкуемых между собой на месте эксплуатации. В состав ГПА-Ц-16 входят: турбоблок с газотурбинным двигателем НК-16СТ и центробежным нагнетателем НЦ-16, воздухоочистительное устройство, шумоглушители всасывающего и выхлопного трактов, всасывающая камера, выхлопной диффузор, два блока маслоохладителей, блоки автоматики, вентиляции, маслоагрегатов, фильтров топливного газа, а также системы подогрева циклового воздуха и пожаротушения. Базовой сборочной единицей агрегата ГПА-Ц-16 является турбоблок, устанавливаемый на монолитном железобетонном фундаменте. Над турбоблоком на отдельной опоре установлены сборочные единицы выхлопного устройства двигателя и системы подогрева циклового воздуха. Для повышения надежности двигателя НК-16СТ в состав агрегата ГПА-Ц-16 введен блок фильтров топливного газа. Обогрев блоков ГПА осуществляется горячим воздухом из общестанционного коллектора. Основным недостатком агрегата ГПА-Ц-16 является высокое потребление электроэнергии извне, поскольку для его работы необходима подача электроэнергии к аппаратам воздушного охлаждения газа и вентиляторам, к контрольным приборам и датчикам, на возможный нагрев топливного газа, обогрев и освещение помещения и т.п.
В качестве прототипа выбран газотурбинный газоперекачивающий агрегат, функционирующий в системе нагрева топливного газа, известный из патента RU2561777, кл. F02C 7/00, опубл. 10.09.2015 г., содержащий газотурбинный двигатель, центробежный нагнетатель, выхлопную систему, а также системы маслообеспечения с газомасляными теплообменниками блока подготовки топливного газа, последовательно соединенными по тракту топливного газа, причем один из газомасляных теплообменников подключен к системе маслообеспечения газотурбинного двигателя, а второй подключен к системе маслообеспечения нагнетателя газоперекачивающего агрегата. Известное техническое решение позволяет повысить эффективность работы газотурбинного ГПА за счет снижения расхода топлива, однако, сохраняется высокое потребление электроэнергии извне.
В связи с непрерывным ростом стоимости энергоресурсов в стране, увеличением себестоимости транспорта газа, невозобновляемости его природных ресурсов, важнейшими направлениями работ в области трубопроводного транспорта газов следует считать разработки, направленные на снижение и экономию энергозатрат.
ГПА нового поколения призваны обеспечить высокий уровень основных эксплуатационных показателей, включая высокую энергетическую эффективность и улучшенные экологические показатели.
Пути повышения энергетической эффективности различны. Одной из наиболее перспективных возможностей - использование технологии органического цикла Ренкина (ОЦР), которая позволяет преобразовывать остаточное низкопотенциальное тепло технологических процессов в полезную мощность. Под аббревиатурой ОЦР (или OCR от англ. «Organic Rankine Cycle», органический цикл Ренкина) подразумевается термодинамический цикл, предложенный Ренкином. Сказанное означает, что рабочее тело проходит различные термодинамические состояния и в конце цикла вновь переводится в жидкое исходное состояние. При этом давление рабочего тела доводится насосом до повышенного уровня. После
этого рабочее тело подогревается до температуры испарения и затем испаряется. Речь, таким образом, идет о паровом цикле, в котором вместо воды испаряют органическую среду. Образующийся пар приводит в действие расширительную машину, например турбину, поршневой или винтовой двигатель, которая для выработки электрического тока в свою очередь связана с электрическим генератором. После расширительной машины рабочее тело поступает в конденсатор и вновь охлаждается в нем с отдачей тепла. Поскольку вода при атмосферных условиях испаряется при 100°С, тепло с температурой ниже этого уровня, такое, например, как тепло промышленных отходящих газов или теплота Земли, часто невозможно использовать для выработки электрического тока. Применение же органических сред с меньшими температурами кипения позволяет вырабатывать низкотемпературный пар.
Известна установка компании Turboden для утилизации тепла отходящих (выхлопных) газов газотурбинных двигателей компрессорных агрегатов на базе ОЦР-технологии, например, сайт компании Turboden RUS, разделы «Технологии энергосбережения», «Производство» (http://turboderims.com/tekrinologii, http://turbodenrus.com/proizvodstvo). Известная установка включает оборудование, располагаемое в укрытии контейнерного типа: турбину, генератор, насосы, систему маслоснабжения, электрооборудование, систему управления, и подключена через внешний теплообменник с использованием прямого теплообмена или промежуточного контура с термическим маслом к источнику выхлопных газов. Недостатком является понижение кпд газотурбинной установки вследствие высокого аэродинамического сопротивления выхлопных газов, проходящих по выхлопной трубе сквозь теплообменник-испаритель.
Основным недостатком известных технических решений является то, что при осуществлении технологического цикла процесса компримирования природного газа сохраняется высокое потребление электроэнергии.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке полностью энергонезависимого газотурбинного газоперекачивающего агрегата, имеющего повышенный кпд газотурбинной установки, обеспечивающего высокую эффективность процесса производства компримированного природного газа на газораспределительной станции.
Поставленная задача решается тем, что газотурбинный газоперекачивающий агрегат содержит турбоблок с газотурбинным двигателем и центробежным нагнетателем, выхлопную систему с выхлопной трубой для удаления продуктов сгорания, блок подготовки топливного газа с газомасляными теплообменниками и системы маслообеспечения, включающие газомасляные теплообменники блока подготовки топливного газа последовательно соединенные по тракту топливного газа, причем один из газомасляных теплообменников подключен к системе маслообеспечения газотурбинного двигателя, а второй подключен к системе маслообеспечения нагнетателя газоперекачивающего агрегата. К выхлопной системе газотурбинного двигателя посредством теплообменника-испарителя, расположенного соосно с выхлопной трубой, подключена установка, состоящая из органического цикла Ренкина (ОЦР), для преобразования тепла продуктов сгорания. Теплообменник-испаритель установлен с возможностью беспрепятственного пропускания продуктов сгорания через свободное сечение вдоль оси и внутренней поверхности стенки выхлопной трубы, его теплообменные поверхности расположены снаружи и внутри выхлопной трубы, по ее окружности, при этом, внешние теплообменные поверхности плотно, без зазора, прилегают к внешней поверхности стенки выхлопной трубы. Между теплообменниками блока подготовки топливного газа установлен детандер-генератор с функцией редуцирования газа.
Поставленная задача по второму варианту изобретения решается тем, что газотурбинный газоперекачивающий агрегат содержит турбоблок с газотурбинным двигателем и центробежным нагнетателем, выхлопную
систему с выхлопной трубой для удаления продуктов сгорания, блок подготовки топливного газа с газомасляными теплообменниками и системы маслообеспечения, включающие газомасляные теплообменники блока подготовки топливного газа последовательно соединенные по тракту топливного газа, причем один из газомасляных теплообменников подключен к системе маслообеспечения газотурбинного двигателя, а второй подключен к системе маслообеспечения нагнетателя газоперекачивающего агрегата. К выхлопной системе газотурбинного двигателя посредством теплообменника-испарителя подключена установка, состоящая из органического цикла Ренкина (ОЦР), для преобразования тепла продуктов сгорания. Теплообменник-испаритель расположен соосно с выхлопной трубой, его теплообменные поверхности расположены снаружи выхлопной трубы, по ее окружности, и плотно, без зазора, прилегают к внешней поверхности стенки выхлопной трубы. Между теплообменниками блока подготовки топливного газа установлен детандер-генератор с функцией редуцирования газа.
Поставленная задача по третьему варианту изобретения решается тем, что газотурбинный газоперекачивающий агрегат содержит турбоблок с газотурбинным двигателем и центробежным нагнетателем, выхлопную систему с выхлопной трубой для удаления продуктов сгорания, блок подготовки топливного газа с газомасляными теплообменниками и системы маслообеспечения, включающие газомасляные теплообменники блока подготовки топливного газа последовательно соединенные по тракту топливного газа, причем один из газомасляных теплообменников подключен к системе маслообеспечения газотурбинного двигателя, а второй подключен к системе маслообеспечения нагнетателя газоперекачивающего агрегата. К выхлопной системе газотурбинного двигателя посредством теплообменника-испарителя, расположенного соосно с выхлопной трубой, подключена установка, состоящая из органического цикла Ренкина (ОЦР), для преобразования тепла продуктов сгорания. Теплообменник-испаритель
установлен с возможностью беспрепятственного пропускания продуктов сгорания через свободное сечение вдоль оси и внутренней поверхности стенки выхлопной трубы, а его теплообменные поверхности расположены внутри выхлопной трубы, по ее окружности. Между теплообменниками блока подготовки топливного газа установлен детандер-генератор с функцией редуцирования газа.
Полная энергонезависимость такого газотурбинного газоперекачивающего агрегата, исполненного по каждому из трех вариантов изобретения, достигается за счет полного отказа потребления электроэнергии для нужд ГПА от внешних источников, поскольку установка в составе ГПА, состоящая из органического цикла Ренкина (ОЦР) для преобразования тепла продуктов сгорания, вырабатывает 300÷400 кВт электроэнергии, одновременно с этим, детандер-генератор в блоке подготовки топливного газа вырабатывает около 50 кВт электроэнергии. Такое количество электроэнергии полностью покрывает собственные нужды ГПА.
Повышение кпд газотурбинной установки в составе ГПА обеспечивается заметным снижением аэродинамического сопротивления за счет беспрепятственного пропускания продуктов сгорания через свободное сечение теплообменника-испарителя, установленного соосно с выхлопной трубой выхлопной системы газотурбинной установки. Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее описание и прилагаемые чертежи. На фиг. 1 схематично представлен газотурбинный газоперекачивающий агрегат с подключенной установкой, состоящей из органического цикла Ренкина (ОЦР). ГПА показан упрощенно: воздухоочистительное устройство, всасывающая камера с шумоглушителем всасывающего тракта, шумоглушители, блок вентиляции, блок фильтров топливного газа не показаны. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как трубопроводы, системы автоматики и регулирования исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления. На фиг. 2, 3, 4 показаны поперечные сечения выхлопной трубы в месте установки теплообменника-испарителя ОЦР в соответствии с вариантами исполнения ГПА.
Газотурбинный газоперекачивающий агрегат (фиг. 1, 2, 3, 4) содержит турбоблок 13 с газотурбинным двигателем 11 и центробежным нагнетателем 12, выхлопную систему 9 с выхлопной трубой 17 для удаления продуктов сгорания, блок подготовки топливного газа с газомасляными теплообменниками 6, 8, детандер-генератором 7 и трубопроводом 10 подачи топливного газа. Газомасляные теплообменники 6, 8 подключены соответственно к системе маслообеспечения 14 газотурбинного двигателя 11 и к системе маслообеспечения 15 нагнетателя 12 газоперекачивающего агрегата. К выхлопной системе 9 газотурбинного двигателя 11 посредством теплообменника-испарителя 1 подключена установка 16, состоящая из органического цикла Ренкина (ОЦР). Работа этой установки обеспечивается детандер-генератором 2, экономайзером 3, конденсатором 4, насосом 5.
Поставленная изобретением задача решается одновременным включением в состав ГПА установки 16, состоящей из органического цикла Ренкина (ОЦР), и подключением в блоке подготовки топливного газа детандер-генератора 7 с функцией редуцирования газа, использованием тепла масла из систем маслообеспечения газотурбинного двигателя 11 и нагнетателя 12 в теплообменниках 6, 8, а также конструктивным соединением теплообменника-испарителя 1 установки 16 и выхлопной трубы 17 газотурбинного двигателя 11.
Источником тепла в установке 16, подключенной посредством теплообменника-испарителя 1 к выхлопной системе 9 газотурбинного двигателя 11 и работающей по органическому циклу Ренкина (ОЦР), выступает тепло выхлопных газов газотурбинного двигателя 11 ГПА. Насос 5 повышает давление рабочего тела (например, фреон 245fa) цикла в жидком состоянии от 7,5 бар до 29 бар. Затем, рабочее тело подогревается в экономайзере 3 и поступает в теплообменник-испаритель 1, где получает тепло от продуктов сгорания газотурбинного двигателя 11 ГПА и, соответственно, испаряется. После этого, рабочее тело в газообразном состоянии поступает в детандер-генератор 2, где понижается давление рабочего тела с выработкой электрической энергии. Далее, рабочее тело доохлаждается в экономайзере 3 и поступает в конденсатор 4. После конденсации рабочее тело в жидком состоянии поступает в насос 5 и цикл замыкается. Особенное конструктивное расположение теплообменника-испарителя 1 установки 16 в выхлопной системе 9 газотурбинного двигателя 11 обусловлено необходимостью обеспечения снижения аэродинамического сопротивления с целью повышения кпд газотурбинной установки, достижения более эффективной работы ГПА в целом. По первому варианту осуществления изобретения (фиг. 2) теплообменник-испаритель 1 установки 16 установлен соосно с выхлопной трубой 17 таким образом, что его теплообменные поверхности расположены снаружи и внутри выхлопной трубы 17, по ее окружности. Внутренние теплообменные поверхности образуют зазор с внутренней поверхностью стенки выхлопной трубы 17 и обеспечивают беспрепятственный проход продуктов сгорания через свободное сечение вдоль оси и внутренней поверхности стенки выхлопной трубы. Внешние теплообменные поверхности плотно, без зазора, прилегают к внешней поверхности стенки выхлопной трубы 17. По второму варианту осуществления изобретения (фиг. 3) теплообменные поверхности теплообменника-испарителя 1 расположены снаружи выхлопной трубы, по ее окружности, и плотно, без зазора, прилегают к внешней поверхности стенки выхлопной трубы 17. Теплообмен обеспечивается за счет теплового контакта стенки выхлопной трубы и стенки и теплообменника-испарителя 1, а продукты сгорания проходят вдоль оси выхлопной трубы, не испытывая аэродинамического сопротивления. По третьему варианту осуществления изобретения (фиг. 4) теплообменные поверхности теплообменника-испарителя 1 расположены внутри выхлопной трубы, по ее окружности. Продукты сгорания беспрепятственно проходят вдоль внутренней стенки выхлопной трубы и вдоль оси выхлопной трубы сквозь свободное сечение теплообменника-испарителя 1.
Одновременно с этим, при работе ГПА, топливный газ по трубопроводу 10 после блока фильтрации (на фигуре не показан) проходит в газомасляный теплообменник 8 нагнетателя 12 ГПА, где происходит его нагрев за счет охлаждения горячего смазочного масла, поступающего в газомасляный теплообменник 8 из системы маслообеспечения нагнетателя 12 ГПА. Далее подогретый газ проходит в детандер-генератор 7 с функцией редуцирования газа, где помимо дросселирования, происходит и редуцирование давления газа с входного значения до требуемых значений, и далее направляется в газомасляный теплообменник 6 газотурбинного двигателя И, где дополнительно нагревается теплом горячего смазочного масла, подаваемого от системы маслообеспечения газотурбинного двигателя 11 ГПА.
Таким образом, подключение к выхлопной системе 9 ГПА установки 16, состоящей из органического цикла Ренкина (ОЦР) для преобразования тепла продуктов сгорания, позволяет вырабатывать 300 400 кВт электроэнергии на собственные нужды ГПА. Исполнение блока подготовки топливного газа с подключением между последовательно соединенными газомасляными теплообменниками детандер-генератора с функцией редуцирования газа позволяет использовать энергосберегающие технологии, направлять получаемую электроэнергию, до 50 кВт, на нужды ГПА. А конструктивное соединение теплообменника-испарителя ОЦР и выхлопной системы ГПА по всем вариантам исполнения изобретения обеспечивает заметное снижение аэродинамического сопротивления, что повышает кпд газотурбинной установки. В целом, полностью энергонезависимый ГПА с повышенным кпд газотурбинной установки обеспечивает высокую эффективность процесса производства компримированного природного газа на газораспределительной станции.