ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА СОБСТВЕННЫХ НУЖД КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
AUXILIARY POWER GAS TURBINE EXPANDER UNIT FOR COMPRESSOR STATIONS OF GAS-MAIN PIPELINES

Изобретение относится к газотурбинным установкам и может быть использовано при создании энергетических установок собственных нужд на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известна газотурбодетандерная установка (Патент РФ №2013615, F02C 6/00), применяемая на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП) с выработкой механической (электрической) энергии, содержащая магистраль природного газа высокого давления, теплообменник, турбодетандер, газотурбинный авиационный двигатель с компрессором, камерой сгорания, газовой турбиной, теплообменник-регенератор, понижающий редуктор, потребитель мощности (электрогенератор). Вал авиационного двигателя связан общим валом с валом турбодетандера и через понижающий редуктор с валом электрогенератора. Теплообменник, совмещенный с теплообменником-регенератором, подогревает природный газ высокого давления перед турбодетандером за счет теплоты выхлопных газов авиадвигателя. Турбодетандер снабжен регулируемым сопловым аппаратом (РСА), что позволяет поддерживать давление природного газа на выходе постоянным вне зависимости от изменения давления в магистрали высокого давления. После расширения в турбодетандере природный газ поступает к потребителю. Объединенная полезная мощность газовой турбины авиационного двигателя и турбодетандера передается через понижающий редуктор электрогенератору.
Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемому изобретению является энергетическая газотурбодетандерная установка (Патент РФ №2091592, F01K 27/00, F02C 6/00), вырабатывающая электроэнергию на ГРС и ГРП, содержащая газовый турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), авиационный газотурбинный двигатель с воздушным компрессором, камерой сгорания, газовыми турбинами высокого и низкого давления. Вал контура высокого давления авиационного газотурбинного двигателя соединяет воздушный компрессор с газовой турбиной высокого давления, вал контура низкого давления соединяет газовую турбину низкого давления с газовым турбодетандером и через редуктор с ротором электрогенератора. Газопровод высокого давления соединен трубопроводами через поверхность нагрева теплообменника-регенератора, установленного на выходе газовой турбины низкого давления, РСА и газовый турбодетандер с камерой сгорания авиадвигателя и выходной газовой магистралью. Совместную полезную работу газовой турбины низкого давления и газового турбодетандера используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе, теплотой выхлопных газов авиадвигателя подогревают природный газ, поступающий в газовый турбодетандер. При изменении давления газа в газопроводе высокого давления с помощью РСА поддерживают постоянное давление газа в выходной газовой магистрали и в камере сгорания авиадвигателя. Данное техническое решение принято за прототип предлагаемого изобретения.
В то же время вышеупомянутые аналог и прототип данного изобретения имеют ряд недостатков:
- они предназначены для выработки электроэнергии на ГРС и ГРП с пропуском через турбодетандер больших объемов природного газа с давлением 4-5,5 МПа и подачей газа пониженного давления 0,6-1,2 МПа к потребителям;
- они не могут быть применены на компрессорных станциях магистральных газопроводов для подачи топливного газа в камеры сгорания газа их газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с давлением от 2 до 3 МПа;
- для рассмотренных аналога и прототипа характерны недостаточная тепловая экономичность и необходимость применения редукторов перед электрогенераторами.
Техническая задача предлагаемого изобретения - создание энергетической газотурбодетандерной установки собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов, обеспечивающей повышением надежности и экономичности ее собственных нужд.
Поставленная задача решается за счет того, что в энергетической газотурбодетандерной установке собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов, содержащей магистральный газопровод высокого давления, газотурбодетандерную установку, состоящую из турбодетандера с регулируемым сопловым аппаратом, воздушного компрессора, камеры сгорания, газовой турбины, выхлопного газохода газовой турбины, теплообменника-регенератора, электрогенератора, систему управления давлением газа, выходную газовую магистраль, при этом магистральный газопровод высокого давления соединен по газу с входом турбодетандера через теплообменник-регенератор, выход которого связан по газу с выходной газовой магистралью и с камерой сгорания энергетической газотурбодетандерной установки, воздушный компрессор которой по сжатому воздуху соединен через камеру сгорания с газовой турбиной, выход газовой турбины по выхлопным газам связан через теплообменник-регенератор с атмосферой, причем она дополнительно снабжена трубопроводом топливного газа компрессорной станции, сепаратором, подогревателем газа, газотурбинными газоперекачивающими агрегатами с камерами сгорания и теплоутилизаторами уходящих газов, насосом теплоносителя, трубопроводами горячего и охлажденного теплоносителя, при этом магистральный газопровод высокого давления через трубопровод топливного газа, сепаратор и теплообменник-регенератор соединен с входом турбодетандера, который связан общим валом с воздушным компрессором, газовая турбина соединена валом с электрогенератором, выход турбодетандера соединен через подогреватель газа и газопроводы топливного газа с камерой сгорания энергетической газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, теплоутилизаторы которых связаны с подогревателем газа через насос и трубопроводы горячего и охлажденного теплоносителя, система управления давлением газа связана импульсными линиями с регулируемым сопловым аппаратом турбодетандера, а также и с газопроводами топливного газа.
На Фиг.1 представлена схема энергетической газотурбодетандерной установки согласно предлагаемому изобретению.
Энергетическая газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов включает трубопровод 1 топливного газа высокого давления, сепаратор 2, теплообменник-регенератор 3, выхлопной газоход 4, турбодетандер 5 с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), воздушный компрессор 6, газовую турбину 7, электрогенератор 8, камеру сгорания 9, трубопровод горячего теплоносителя 10, подогреватель газа 11, газопроводы топливного газа 12, трубопровод охлажденного теплоносителя 13, систему управления давлением топливного газа 14, насос теплоносителя 15, теплоутилизаторы 16, газоперекачивающие агрегаты 17, магистральный газопровод высокого давления 18. Турбодетандер 5 с РСА связан общим валом с воздушным компрессором 6, соединенным по сжатому воздуху через камеру сгорания 9 с газовой турбиной 7, связанной общим валом с электрогенератором 8. Выход газовой турбины 7 связан с атмосферой через выхлопной газоход 4 и теплообменник-регенератор 3 природного газа.
Работу энергетической газотурбодетандерной установки собственных нужд компрессорных станций осуществляют следующим образом. Природный газ высокого давления из магистрального газопровода высокого давления 18 по трубопроводу 1 топливного газа высокого давления компрессорной станции с давлением 5-7 МПа поступает в теплообменник-регенератор 3 природного газа, где он нагревается теплом выхлопных газов газовой турбины 7 и поступает через регулируемый сопловой аппарат (РСА) в турбодетандер 5, имеющий число оборотов 15000-30000 об/мин. Топливный газ расширяют в турбодетандере 5, снижая его давление до 2-3 МПа. Температура газа за турбодетандером 5, для исключения гидратообразования на его лопатках, должна быть не ниже 273 K. Механическую работу турбодетандера 5 используют для привода воздушного компрессора 6. После турбодетандера топливный газ нагревается в подогревателе газа 11 за счет теплоты теплоносителя подогретого в теплоутилизаторах 16 газоперекачивающих агрегатов 17 и по газопроводам топливного газа 12 поступает в камеру сгорания 9 газотурбодетандерной установки и в камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов 17. Продукты сгорания топлива, вышедшие из камеры сгорания 9, расширяются в газовой турбине 7, механическую энергию которой используют для привода электрогенератора 8 и выработки электрической энергии. Выхлопные газы газовой турбины 7 по выхлопному газоходу 4 поступают в теплообменник-регенератор 3, где их теплоту используют для нагрева топливного газа высокого давления, после чего они сбрасываются в атмосферу. Теплоноситель, подогретый в теплоутилизаторах 16 теплом продуктов сгорания газоперекачивающих агрегатов 17, насосом теплоносителя 15 по трубопроводу горячего теплоносителя 10 подают в подогреватель топливного газа 11, который подогревает топливный газ и возвращается в теплоутилизаторы 16 по трубопроводу охлажденного теплоносителя 13. При изменении давления газа в магистральном газопроводе высокого давления 18 давление газа в газопроводах топливного газа 12 и в камерах сгорания ГПА поддерживают постоянным с помощью системы управления давлением газа 14, соединенной импульсными линиями с газопроводами топливного газа 12 и РСА турбодетандера 5. При этом, в соответствие с изменением давления в магистральном газопроводе, производится поворот лопаток РСА турбодетандера 5.
Соединение турбодетандера 5 топливного газа, имеющего высокие рабочие обороты (15000-30000 об/мин), общим валом с воздушным компрессором 6 позволяет использовать всю механическую энергию турбодетандера для привода воздушного компрессора. Применение в турбодетандере высоких оборотов позволяет повысить КПД, уменьшить число ступеней и стоимость компрессора.
Привод электрогенератора от вала газовой турбины позволяет отказаться от использования понижающего редуктора, повысить надежность и ремонтопригодность установки. Применение системы управления давлением газа позволяет поддерживать постоянным давление газа перед камерами сгорания при изменении давления газа в магистральном газопроводе.