ТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА
TURBINE EXPANDER PLANT

Изобретение относится к энергетическим установкам, в частности к турбодетандерным установкам, в которых используется потенциал давления природного газа магистральных газопроводов в системах газораспределительных станций (ГРС) при расширении нагретого газа в турбодетандере.
Известна турбодетандерная установка, содержащая турбодетандер, электрогенератор и газоводяной теплообменник для подогрева природного газа перед детандером. [А.А.Степанец. Об эффективности детандер-генераторных агрегатов в тепловой схеме ТЭЦ // Энергетик. - 4, 1999 г., с.2.]
Недостатком данной установки является низкий КПД из-за наличия теплообменников, большая себестоимость и то, что она рассчитана для включения в тепловую схему теплофикационной ТЭЦ.
Известна двухвальная турбодетандерная установка, содержащая парогенератор, паровую турбину, конденсатор, подогреватели газа, турбодетандер, электрогенераторы. [Зарницкий Г.Э. Теоретические основы использования энергии давления газа. Москва, «Недра», 1968 г.]
Недостатком известной установки является выработка электроэнергии турбодетандером только для собственных нужд электростанции с использованием затурбодетандерного газа в качестве топлива для парогенераторов станции, а также двухвальность установки.
Известна турбодетандерная установка, содержащая электрогенератор, турбодетандер, вихревую трубу, сепаратор и холодильную камеру, принятая за прототип. Особенность этой установки в том, что выход горячего потока газа из вихревой трубы направляется в турбодетандер для обогрева его рабочих поверхностей, а холодный поток газа поступает в сепаратор, где происходит улавливание сконденсировавшейся жидкости и твердых частиц. [Патент РФ 2213915, кл. F25B 11/00, F25B 9/04, 2003 г.]
Недостатком данной установки является сложность конструкции вихревой трубы, ее низкий КПД (не более 10%), а также выпадение гидратов в холодном потоке газа из-за большого влагосодержания. [А.П.Меркулов. Вихревой эффект и его применение в технике, 1997 г.]
Задача изобретения - повышение эффективности турбодетандерной установки за счет газопарового теплообменника, в котором газ подогревается отработавшим паром турбины.
Поставленная задача решается тем, что турбодетандерная установка в системе газораспределительной станции, содержащая турбодетандер, электрогенератор, линию высокого давления природного газа, в отличие от прототипа имеет электропарогенератор, соединенный с противодавленческой турбиной, газопаровой теплообменник, присоединенный к линии высокого давления и турбодетандеру.
На чертеже представлена схема турбодетандерной установки, включающая в себя электропарогенератор 1, который соединен с противодавленческой турбиной 2, газопаровой теплообменник 3, присоединенный к линии высокого давления, турбодетандер 4, находящийся на одном валу с электрогенератором 5.
Установка работает следующим образом: пар из электропарогенератора 1 поступает в противодавленческую турбину 2, где происходит процесс расширения. Отработавший пар направляется на газопаровой теплообменник 3. Мощность, вырабатываемая турбиной 2, подается потребителю. В газопаровой теплообменник 3 поступает природный газ из линии высокого давления, где нагревается паром от турбины 2. Далее уже в нагретом состоянии природный газ движется в турбодетандер 4. Благодаря тому что газ нагрет, предотвращается образование инея и льда. В турбодетандере 4 происходит расширение природного газа с понижением его температуры, при этом потенциальная энергия давления газа преобразуется в механическую работу на валу турбодетандера 4, которая трансформируется в электрическую энергию в электрогенераторе 5. Эта электрическая энергия направляется в электропарогенератор 1. Так как мощности турбодетандера 4 не хватает, чтобы покрыть расход теплоты на электропарогенератор 1, то в него еще направляется часть энергии из турбины 2, а именно 6%. Остальные 94% идут потребителю. Энергия, полученная в противодавленческой турбине 2, является дополнительной, что в значительной степени увеличивает эффективность турбодетандерной установки.
Расчет эффективности ТДУ
Дано:
Г
G=300т/ч=83,33кг/с - расход природного газа
0
t=660°C - температура пара перед турбиной
0
P=60 бар - давление пара перед турбиной
П
P=1 бар - давление пара перед газопаровым теплообменником
П
t=100°C - температура пара перед газопаровым теплообменником
/
1
t =20°C - температура газа перед газопаровым теплообменником
/
1
Р =13 бар - давление газа перед газопаровым теплообменником
1
Р=12 бар - давление газа перед турбодетандером
2
P=3 бар - давление газа после турбодетандера
1
t=80°C - температура газа перед турбодетандером
2
t=4°C - температура газа после турбодетандера
tв.вх=100°С - температура воды на входе в электропарогенератор
P
Cг=2,09 кДж/кг - теплоемкость природного газа.
k=1,32 - показатель адиабаты для природного газа
R=0,507 кДж/кг·°С - удельная газовая постоянная
Решение
Расход теплоты в газопаровом теплообменнике:
ГПТ
Г
p
1
1
/
Q=G·Cг·(t-t )=83,33·2,09·(80-20)=10450 кВт
Расход теплоты на конденсацию:
КОНД
ГПТ
Q=Q
КОНД
п
Q=r·G, где  - теплота парообразования
Расход пара:
Тепловая нагрузка электропарогенератора:
ЭПГ
П
p
S
B.BX
П
П
p
0
S
Q=G·CB·(t-t)+G·r+G·Cп·(t-t)=4,5·4,2·(100-100)+4,5·2300+4,5·2,42·(660-100)=16448,4 кВт
Мощность турбины:
ТУРБ
П
N=H·G=(3820-2700)·4,5-5040 кВт
Степень понижения давления в турбодетандере:
Работа в турбодетандере:
Мощность турбодетандера:
ТП
Г
ТД
N=G·L=83,33·193,86=16154,4 кВт
Суммарная мощность турбины и турбодетандера:
ТУРБ
ТД
N+N=5040+16154,4=21194,4 кВт
Использование предлагаемой турбодетандерной установки для производства электроэнергии исключает расходование магистрального газа на нужды ГРС, так как газ подогревается в газопаровом теплообменнике теплотой отработавшего пара из турбины. За счет установки электропарогенератора обеспечивается большая экономическая эффективность, так как топливо на подогрев воды в нем не затрачивается. Отсутствие процесса сжигания топлива создает полную экологическую чистоту установки. Увеличивается эффективность выработки электроэнергии, то есть расход теплоты на электропарогенератор покрывается мощностью турбодетандера и 6% мощности турбины, а значит остальная энергия, вырабатываемая турбиной - это 94%, является дополнительной.