КОМБИНИРОВАННАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА СИСТЕМЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Полезная модель относится к комбинированным газотурбинным установкам и может быть использована в энергетике, газовой промышленности, преимущественно в наземных установках для комбинированной выработки электроэнергии, промышленного холода и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов за счет использования энергии перепада давления природного газа на входе и выходе газораспределительных станций и газорегуляторных пунктов.
Известна газораспределительная станция с энергетической установкой, содержащая магистрали высокого и низкого давления природного газа, соединенные между собой при помощи редуцирующего устройства и через байпасный газопровод, в котором последовательно установлены газотурбинный двигатель с теплообменником - утилизатором и теплоутилизирующий турбодетандер, которая имеет электрогенератор, соединенный с потребителем электроэнергии (Патент RU №2009389, МПК F17D 1/04, 15.03.1994).
Основным недостатком известной газораспределительной станции с энергетической установкой является недостаточно высокий коэффициент полезного действия (до 45%), связанный с особенностями термодинамического цикла газотурбинной установки с регенерацией тепла.
Природный газ в теплообменнике-утилизаторе омывается высокотемпературным потоком продуктов сгорания (350…500°C) газотурбинного двигателя, что приводит к пиролизу природного газа и ухудшает его физические и термодинамические свойства.
Дросселирование газотурбинного двигателя за счет регулирования температуры в камере сгорания приводит (на режимах пониженной мощности) к повышению удельного расхода топлива и увеличению выбросов загрязняющих веществ с продуктами сгорания.
Кроме этого, недостатком известной газораспределительной станции с энергетической установкой являются ограниченные функциональные возможности, так как она не позволяет вырабатывать конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Наиболее близким техническим решением к настоящей полезной модели является комбинированная газотурбинная установка системы газораспределения, содержащая газотурбинный двигатель, имеющий воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, свободную турбину и установленный в ее тракте теплообменник-утилизатор, а также напорный газопровод высокого давления, низкотемпературный теплообменник, энергоутилизационный турбодетандер, выходную магистраль отвода газа низкого давления и тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции, работающего по циклу Брайтона. (Патент RU №2199020, МПК F02C 6/00, 20.02.2003).
Основным недостатком известной комбинированной газотурбинной установки является недостаточно высокий коэффициент полезного действия (до 60%), обусловленный необходимостью нагрева в теплообменнике-утилизаторе рабочего тела теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по циклу Брайтона без изменения фазового состояния рабочего тела. При этом замкнутый контур циркуляции характеризуется низким эффективным коэффициентом полезного действия (КПД), равным 23,2%, при использовании низкотемпературного природного газа в качестве теплоприемника для охлаждения рабочего тела.
Причем недостаточно высокий КПД известного технического решения приводит к повышению удельного расхода топлива и увеличению выбросов загрязняющих веществ с продуктами сгорания.
Также недостатком известной комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения являются ограниченные функциональные возможности, так как она не позволяет вырабатывать конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Задачей полезной модели является повышение коэффициента полезного действия комбинированной газотурбинной установки, снижение вредных выбросов в окружающую среду за счет использования теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, а также расширение функциональных возможностей за счет выработки конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Технический результат достигается тем, что в комбинированной газотурбинной установке системы газораспределения, содержащей газотурбинный двигатель, тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции, энергоутилизационный турбодетандер для выработки электроэнергии при расширении природного газа высокого давления, теплоутилизирующий турбодетандер, каждый из которых имеет электрогенератор, а также магистраль газопровода высокого давления, соединенную с входом энергоутилизационного турбодетандера, и магистраль газопровода низкого давления, соединенную с выходом теплоутилизирующего турбодетандера, при этом газотурбинный двигатель имеет воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, свободную турбину и установленный в ее тракте теплообменник-утилизатор, согласно предлагаемой полезной модели, в качестве теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции используют тепловой двигатель на низкокипящем рабочем теле с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина и включающий турбодетандер, низкотемпературный теплообменник-конденсатор и конденсатный насос, при этом выход конденсатного насоса соединен с входом теплообменника-утилизатора, выход которого соединен с входом турбодетандера, а выход турбодетандера соединен с первым входом низкотемпературного теплообменника-конденсатора, первый выход которого соединен с конденсатным насосом, образуя замкнутый контур циркуляции, причем энергоутилизационный турбодетандер снабжен сепарирующей установкой, включающей последовательно установленные сепаратор-отделитель жидкой фазы низкотемпературного природного газа, сепаратор-отделитель жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций и ресивер сжиженной фракции тяжелых углеводородов, при этом выход энергоутилизационного турбодетандера соединен с входом сепаратора-отделителя жидкой фазы низкотемпературного природного газа, выход ресивера сжиженной фракции тяжелых углеводородов через дозатор соединен с камерой сгорания газотурбинного двигателя, а выход сепаратора-отделителя жидкой фазы низкотемпературного природного газа соединен с вторым входом низкотемпературного теплообменника-конденсатора, второй выход которого соединен с входом теплоутилизирующего турбодетандера, который выполнен с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела. В качестве низкокипящего рабочего тела используют этанол или метанол. Сепаратор-отделитель жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций выполнен с возможностью отвода примесей и твердых частиц.
Таким образом, основным техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия и снижение вредных выбросов в окружающую среду благодаря утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя с использованием низкокипящего рабочего тела с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина с изменением фазового состояния низкокипящего рабочего тела (газ-жидкость) и охлаждаемого низкотемпературным природным газом, выполнению теплоутилизирующего турбодетандера с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела, а также расширение функциональных возможностей благодаря возможности выработки конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения, а на фиг.2 представлен термодинамический цикл Ренкина в T-s диаграмме для низкокипящего рабочего тела (этанола) с замкнутым контуром циркуляции.
На чертеже цифрами обозначены:
1 - газотурбинный двигатель,
2 - тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции,
3 - энергоутилизационный турбодетандер,
4 - теплоутилизирующий турбодетандер,
5 - магистраль газопровода высокого давления,
6 - магистраль газопровода низкого давления,
7 - электрогенератор газотурбинного двигателя,
8 - электрогенератор теплового двигателя,
9 - электрогенератор энергоутилизационного турбодетандера,
10 - электрогенератор теплоутилизирующего турбодетандера,
11 - входное устройство,
12 - воздушный компрессор,
13 - камера сгорания,
14 - газовая турбина,
15 - силовая турбина,
16 - вал силовой турбины,
17 - теплообменник-утилизатор,
18 - турбодетандер с низкокипящим рабочим телом,
19 - низкотемпературный теплообменник-конденсатор,
20 - конденсатный насос,
21 - сепарирующая установка,
22 - сепаратор-отделитель жидкой фазы низкотемпературного природного газа,
23 - сепаратор-отделитель жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций,
24 - ресивер сжиженной фракции тяжелых углеводородов,
25 - дозатор конденсата.
Комбинированная газотурбинная установка системы газораспределения (фиг.1) содержит газотурбинный двигатель 1, тепловой двигатель 2 с замкнутым контуром циркуляции, энергоутилизационный турбодетандер 3 для выработки электроэнергии при расширении природного газа высокого давления, теплоутилизирующий турбодетандер 4, а также магистраль 5 газопровода высокого давления, соединенную с входом энергоутилизационного турбодетандера 3, и магистраль 6 газопровода низкого давления, соединенную с выходом теплоутилизирующего турбодетандера 4.
Газотурбинный двигатель 1, тепловой двигатель 2 с замкнутым контуром циркуляции, энергоутилизационный турбодетандер 3 и теплоутилизирующий турбодетандер 4 имеют соответственно электрогенераторы 7, 8, 9 и 10.
Газотурбинный двигатель 1 имеет входное устройство 11, воздушный компрессор 12, камеру сгорания 13, газовую турбину 14, свободную турбину 15 с валом 16 и, установленный в ее тракте, теплообменник-утилизатор 17.
Отличием предлагаемой комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения является то, что в качестве теплового двигателя 2 с замкнутым контуром циркуляции используют тепловой двигатель на низкокипящем рабочем теле с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина и включающий турбодетандер 18, низкотемпературный теплообменник-конденсатор 19 и конденсатный насос 20.
Замкнутый контур циркуляции теплового двигателя 2 на низкокипящем рабочем теле образован в результате следующих соединений:
выход конденсатного насоса 20 соединен с входом теплообменника-утилизатора 17;
выход теплообменника-утилизатора 17 соединен с входом турбодетандера 18;
выход турбодетандера 18 соединен с первым входом низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19;
первый выход низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19 соединен с конденсатным насосом 20.
Энергоутилизационный турбодетандер 3 снабжен сепарирующей установкой 21, включающей последовательно установленные сепаратор-отделитель 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа, сепаратор-отделитель 23 жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций и ресивер 24 сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Выход энергоутилизационного турбодетандера 3 соединен с входом сепаратора-отделителя 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа.
Выход ресивера 24 сжиженной фракции тяжелых углеводородов через дозатор 25 соединен с камерой сгорания 13 газотурбинного двигателя 1.
Выход сепаратора-отделителя 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа соединен с вторым входом низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19.
Второй выход низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19 соединен с входом теплоутилизирующего турбодетандера 4.
Теплоутилизирующий турбодетандер 4 выполнен с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела. В качестве низкокипящего рабочего тела используют этанол или метанол. Сепаратор-отделитель 23 жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций выполнен с возможностью отвода примесей и твердых частиц.
Предлагаемая комбинированная газотурбинная установка системы газораспределения работает следующим образом.
Природный газ забирают из магистрали 5 газопровода высокого давления и направляют на расширение в энергоутилизационный турбодетандер 3, снабженный сепарирующей установкой 21 для выработки низкотемпературного природного газа, используемого для охлаждения низкокипящего рабочего тела (этанола) теплового двигателя 2, и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, используемого для сжигания в камере сгорания 13 газотурбинного двигателя 1.
2
При выработке электроэнергии в энергоутилизационном турбодетандере 3 происходит срабатывание избыточного давления природного газа, что сопровождается резким снижением температуры газа. Это становится причиной выпадения твердых гидратов воды, углекислого газа CO и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов. Мощность энергоутилизационного турбодетандера 3 передается соединенному на одном валу электрогенератору 9.
2
На выходе из энергоутилизационного турбодетандера 3 низкотемпературный природный газ содержит сжиженные фракции тяжелых углеводородов с примесью гидратов воды и CO.
Далее низкотемпературный природный газ направляют в сепаратор-отделитель 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа сепарирующей установки 21.
2
Конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов с примесью гидратов воды и CO, отсепарированный в сепараторе-отделителе 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа, направляют в сепаратор-отделитель 23 жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций для извлечения примесей и твердых частиц, и их удаления через имеющийся отвод примесей и твердых частиц.
Очищенный конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов направляют в ресивер 24.
Выработанный конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов может использоваться для сжигания в камере сгорания 13 газотурбинного двигателя 1, посредством подачи его из ресивера 24 через дозатор 25 конденсата.
При этом использование конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов позволяет охлаждать стенки жаровых труб в процессе испарения конденсата в пристенной зоне камере сгорания 13.
Выполнение жаровой трубы камеры сгорания 13 с испарительной камерой, которая образована двумя концентрично расположенными стенками жаровой трубы (на чертеже условно не показаны), позволяет улучшить теплоотвод от нагретых стенок жаровой трубы. При этом повышается эффективность использования конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов при его испарении и газификации непосредственно в испарительной камере, обеспечивая тем самым снижение термических напряжений в стенках жаровой трубы, возникающих вследствие перепадов температур на стенках жаровых труб. Кроме этого, повышается надежность работы камеры сгорания 13 и ресурс газотурбинного двигателя 1.
При выработке электроэнергии в газотурбинном двигателе 1 наружный воздух последовательно проходит входное устройство 11, компрессор 12, камеру сгорания 13, газовую турбину 14 и силовую турбину 15. Мощность силовой турбины 15 передается соединенному на одном валу 16 основному электрогенератору 7. Выхлопные газы направляют в теплообменник-утилизатор 17.
Преобразование тепловой энергии выхлопных газов газотурбинного двигателя 1 в механическую энергию и, далее, в электрическую происходит в тепловом двигателе 2 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.
Весь процесс начинается с подачи сжиженного низкокипящего рабочего тела (этанола) из расходного баллона, который на чертеже условно не показан, на сжатие в конденсатный насос 20 (процесс I-II на фиг.2).
Низкокипящее рабочее тело под давлением направляют на подогрев в теплообменник-утилизатор 17 (процесс II-III), куда поступают выхлопные газы газотурбинного двигателя 1.
Температура кипения низкокипящего рабочего тела (этанола) сравнительна низка (78,24°C при нормальных условиях), поэтому в теплообменнике-утилизаторе 17 он быстро переходит в газообразное состояние (процесс III-IV), после чего, имея температуру перегретого газа, направляют в турбодетандер 18 с низкокипящим рабочим телом.
Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере 18 не происходит конденсации низкокипящего рабочего тела в ходе срабатывания теплоперепада (процесс IV-V). Мощность турбодетандера 18 передается соединенному на одном валу электрогенератору 8. На выходе из турбодетандера 18 низкокипящее рабочее тело (этанол) имеет температуру около 79,29°C с влажностью не превышающей 7%.
Температуру низкокипящего рабочего тела снижают в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе 19 (процесс V-I), охлаждаемого низкотемпературным природным газом, выработанным в сепарирующей установке 21.
После низкотемпературного теплообменника-конденсатора 19 в сжиженном состоянии низкокипящее рабочее тело сжимают в конденсатном насосе 20 (процесс I-II) и направляют на подогрев и испарение в теплообменник-утилизатор 17 газотурбинного двигателя 1.
Низкотемпературный теплообменник-конденсатор 19 теплового двигателя 2 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, охлаждают низкотемпературным природным газом, вырабатываемым в сепараторе-отделителе 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа сепарирующей установки 21.
В процессе теплообмена низкотемпературного природного газа с низкокипящим рабочим телом, происходит конденсация низкокипящего рабочего тела с выделением скрытой теплоты парообразования.
Низкотемпературный природный газ, нагретый скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе 19, направляют в теплоутилизирующий турбодетандер 4 для утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа при его расширении в турбодетандере 4, который на выходе соединен с магистралью 6 газопровода низкого давления природного газа. Мощность теплоутилизирующего турбодетандера 4 передается соединенному на одном валу электрогенератору 10.
Пример конкретного выполнения.
Предлагаемая комбинированная газотурбинная установка системы газораспределения, содержащая газотурбинный двигатель 1 (ГТД) типа НК-16СТ, имеет следующие параметры термодинамического цикла:
в
температуру воздуха на входе в компрессор 12 T=288,15 K,
расход циклового воздуха 99,98 кг/с,
к
степень повышения давления в компрессоре 12 π - 9,1327,
кс
температуру в камере сгорания 13 T=1086 K,
расход топливного газа в камере сгорания 1,3441 кг/с,
г
температуру продуктов сгорания перед силовой турбиной 15 T=807 K,
г
температуру продуктов сгорания на выхлопе T=663,33 K,
расход продуктов сгорания на выхлопе 100,67 кг/с,
е
эффективный КПД η=0,277.
Применение указанного ГТД позволяет получить эффективную мощность на валу 16 силовой турбины 15 для привода электрогенератора 7, равную 16 МВт.
Для утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя 1 в теплообменнике-утилизаторе 17 используют низкокипящее рабочее тело (этанол) теплового двигателя 2 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, охлаждаемого низкотемпературным природным газом, включающий следующие элементы:
теплообменник-утилизатор 17 выхлопных газов с параметрами:
г
г
выхлопные газы на входе T=663,33 K, G=100,67 кг/с,
г
г
выхлопные газы на выходе T=388,15 K, G=100,67 кг/с,
нрт
нрт
нрт
сжиженный этанол на входе T=359,19 K, P=32 МПа, G=27,7 кг/с,
нрт
нрт
нрт
перегретый газ этанол на выходе T=625 K, P=30 МПа, G=27,7 кг/с;
турбодетандер 18, имеющий расчетный изоэнтропийный КПД=0,87 с параметрами:
нрт
нрт
нрт
перегретый газ этанол на входе T=625 K, P=30 МПа, G=27,7 кг/с,
нрт
нрт
влажный газ этанол на выходе T=352,44 K, P=0,1056 МПа,
мощность для привода электрогенератора 8, равна 7,595 МВт;
низкотемпературный теплообменник-конденсатор 19 с параметрами:
нрт
нрт
нрт
влажный газ этанол на входе T=352,44 K, P=0,1056 МПа, G=27,7 кг/с,
нрт
нрт
нрт
сжиженный этанол на выходе T=351 K, P=0,1014 МПа, G=27,7 кг/с,
пг
пг
пг
отсепарированный низкотемпературный природный газ на входе T=238,5 К, P=3,15 МПа, G=90,7 кг/с,
пг
пг
пг
природный газ на выходе T=337,15 K, P=3 МПа, G=90,7 кг/с;
конденсатный насос 20 с параметрами:
нрт
нрт
нрт
сжиженный этанол на входе T=351 K, P=0,1014 МПа, G=27,7 кг/с,
нрт
нрт
нрт
сжиженный этанол на выходе T=359,19 K, P=32 МПа, G=27,7 кг/с,
потребляемая мощность равна 1,415 МВт.
4
2
6
3
8
4
10
5
12
2
2
Для понижения давления транспортируемого природного газа при начальном давлении 7,5 МПа и расходе в 100 кг/с, имеющего средний объемный состав равный (%): CH - 92; CH - 1; CH - 2; CH - 2,5; CH - 1,5; HO - 0,5; CO - 0,5; используются:
энергоутилизационный турбодетандер 3, имеющий расчетный изоэнтропийный КПД=0,87, с параметрами:
пг
пг
природный газ на входе T=288,15 K, P=7,5 МПа,
пг
пг
низкотемпературный природный газ на выходе T=237 K, Р=3,3 МПа,
мощность для привода электрогенератора 9, равна 7,425 МВт;
теплоутилизирующий турбодетандер 4, имеющий расчетный изоэнтропийный КПД=0,87, с параметрами:
пг
пг
пг
на входе T=337,15 K, P=3 МПа, G=90,7 кг/с;
пг
пг
на выходе T=281,1 K, Р=1,25 МПа,
мощность для привода электрогенератора 10, равна 10,253 МВт.
Для выработки низкотемпературного природного газа и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, используют сепарирующую установку 21, включающую следующие элементы:
сепаратор-отделитель 22 жидкой фазы низкотемпературного природного газа с параметрами:
пг
пг
низкотемпературный природный газ на входе T=237 K, P=3,3 МПа,
пг
пг
отсепарированный низкотемпературный природный газ на выходе T=238,5 K, P=3,15 МПа,
пг
расход отсепарированного низкотемпературного природного газа на выходе G=90,7 кг/с,
к
расход конденсата на выходе G=9,3 кг/с;
сепаратор-отделитель 23 жидкой фазы тяжелых углеводородных фракций с параметрами:
к
к
конденсат на входе T=238,5 K, P=3,15 МПа,
ок
ок
очищенный конденсат на выходе T=240 K, P=2,7 МПа,
ок
расход очищенного конденсата G=8,37 кг/с,
пр
расход примесей и твердых частиц на выходе G=0,93 кг/с;
ресивер 24 сжиженной фракции тяжелых углеводородов для хранения очищенного конденсата с параметрами:
ок
ок
очищенный конденсат на входе T=240 K, P=2,7 МПа,
ок
расход очищенного конденсата G=8,37 кг/с.
В целом, при расходе природного газа, равном 100 кг/с, и начальным давлением 7,5 МПа суммарная электрическая мощность предлагаемой комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения, затрачиваемая на привод электрогенераторов 7, 8, 9, 10, с учетом затрат на привод конденсатного насоса 20, составляет 39,698 МВт, а эффективный КПД предлагаемой комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения природного газа составляет 0,687.
е
Использование более экономичных газотурбинных двигателей 1, например ГТД типа АЛ-31Ф с эффективным КПД η=0,389, приведет к еще большому увеличению эффективного КПД предлагаемой комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения.
Таким образом, по сравнению с прототипом, при сохранении надежности функционирования, использование теплового двигателя 2 на низкокипящем рабочем теле с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, а также выполнение теплоутилизирующего турбодетандера с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого скрытой теплотой в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела, приводит к повышению коэффициента полезного действия (до 80%) и снижению вредных выбросов в окружающую среду предлагаемой комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения.
Использование сепарирующей установки 21 для получения конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов позволяет расширить функциональные возможности комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения.
Предлагаемая комбинированная газотурбинная установка системы газораспределения позволяет повысить эффективность съема электрической энергии с одного килограмма природного газа, широко варьировать мощностями электрогенераторов в зависимости от запросов потребителя, обеспечить гарантийные значения давления и температуры газа, транспортируемого в системах газораспределительных пунктов, а также осуществить утилизацию: теплоты продуктов сгорания газотурбинного двигателя, физической эксергии природного газа, транспортируемого по магистральным трубопроводам под высоким давлением.