КОМБИНИРОВАННЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ
COMBINED GAS TURBINE COMPRESSOR UNIT

Предлагаемое изобретение относится к газотранспортному оборудованию и может быть использовано при создании газотурбинных газоперекачивающих агрегатов (ГГПА).
Известен комбинированный ГГПА, выполненный по схеме бинарного газопарового цикла с утилизацией теплоты выхлопных газов газотурбинной установки на компрессорных станциях магистральных газопроводов (Б.С.Ревзин. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты. - М.: Недра, 1986 г., стр.178, рис.79).
Современные комбинированные ГГПА, работающие по схеме бинарного газопарового цикла, представляют собой сочетание двух самостоятельных энергетических установок (ГГПА и паросиловая установка), связанных между собой только линией обработанных в турбинном блоке газотурбинного двигателя (ГТД) продуктов сгорания. При этом паросиловая установка имеет замкнутый контур, по которому движется специально подготовленный теплоноситель.
Газотурбинная часть комбинированного ГГПА включает в себя магистральный компрессор, приводимый в движение от приводного ГТД, состоящего из компрессорного блока, камеры сгорания и турбинного блока. Принцип работы ГТД заключается в следующем: компрессорный блок подает в камеру сгорания воздух. В камере сгорания происходит смешение воздуха с топливом и сгорание полученной топливовоздушной смеси. Далее продукты сгорания подаются в турбинный блок ГТД, преобразующий энергию продуктов сгорания в полезную работу, используемую для привода компрессорного блока и привода магистрального компрессора (полезную работу), при этом до 60% мощности турбинного блока расходуется на привод компрессорного блока. Далее обработанные турбинным блоком ГТД газы направляются в паротурбинную часть.
В паротурбинной части оставшаяся тепловая энергия продуктов сгорания ГТД утилизируется в паровом котле-утилизаторе, вырабатываемый пар направляется на вход в паровую турбину, где давление пара с помощью паровой турбины совершает полезную работу, вращая вал. Вырабатываемый в котле-утилизаторе пар является рабочим телом для паровой турбины. Далее отработанный пар поступает в конденсатор, где пар конденсируется, вода конденсаторными насосами подается в установку водоподготовки, из нее вода питательными насосами подается в паровой котел-утилизатор и так по кругу. Вал паровой турбины соединяют либо с компрессором для прокачивания транспортируемого газа, либо с генератором для выработки электроэнергии. При наличии автономной воздуходувки и линии подачи дополнительного топлива в котел-утилизатор разрыв линии отработанных газов переводит обе установки в независимый друг от друга режим работы с более низким общим термическим КПД.
Недостатками указанного выше комбинированного ГГПА, выполненного по схеме бинарного газопарового цикла, являются наличие двух валов отбора полезной мощности (один от ГТД, второй от паросиловой установки), обуславливающих необходимость наличия двух потребителей (два магистральных компрессора либо магистральный компрессор и генератор), высокие оптимальные степени сжатия воздуха в компрессорном блоке при очень больших массовых расходах воздуха через ГТД, необходимость большого количества систем по подготовке и обработке промежуточного теплоносителя (пара): конденсаторов, насосов, систем подготовки воды, что в конечном счете снижает экономические характеристики.
Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков и повышение экономической эффективности изготовления и эксплуатации комбинированных ГГПА.
Технический результат достигается тем, что в комбинированном ГГПА, содержащем магистральный компрессор, газотурбинный двигатель, состоящий из компрессорного блока, камеры сгорания и турбинного блока, систему рекуперации тепла газотурбинного двигателя и газосвязанную с ней внешнюю турбину, система рекуперации тепла выхлопных газов образована расширенным участком выхлопного тракта двигателя и пропущенным через его полость участком напорного трубопровода магистрального компрессора, при этом участок напорного трубопровода магистрального компрессора имеет развитую теплообменную поверхность, а внешняя турбина является приводом компрессорного блока газотурбинного двигателя.
Отличительные признаки являются существенными, поскольку использование транспортируемого газа в качестве теплоносителя в рекуператоре и рабочего тела во внешней турбине позволяет повысить энергоэффективность ГГПА и экономическую эффективность изготовления и эксплуатации ГГПА, а привод компрессорного блока ГТД от внешней турбины позволяет направить всю мощность турбинного блока ГТД на привод магистрального компрессора.
На фигуре представлена схема предлагаемого комбинированного ГГПА:
1 - подводящий магистральный газопровод;
2 - магистральный компрессор;
3 - внешняя турбина;
4 - рекуператор;
5 - отводящий магистральный газопровод;
6 - газотурбинный двигатель;
7 - компрессорный блок ГТД;
8 - камера сгорания ГТД;
9 - турбинный блок ГТД.
Комбинированный ГГПА работает следующим образом. Транспортируемый газ поступает на компрессорную станцию по подводящему магистральному газопроводу 1. На компрессорной станции транспортируемый газ компримируется магистральным компрессором 2. Часть транспортируемого газа, необходимая для совершения работы во внешней турбине 3, по напорному трубопроводу магистрального компрессора 2 поступает в рекуператор 4, другая часть транспортируемого газа отводится по отводящему магистральному газопроводу 5. Посредством развитой теплообменной поверхности рекуператора 4 тепловая энергия выхлопного газового потока газотурбинного двигателя 6 передается транспортируемому газу, идущему во внешнюю турбину 3, в которой он, совершая работу, охлаждается, теряет давление до параметров, необходимых для дальнейшей транспортировки, и отводится по отводящему магистральному газопроводу 5. Внешняя турбина приводит в движение компрессорный блок 7 газотурбинного двигателя 6, подающий воздух в камеру сгорания 8, в которой воздух смешивается с топливом, и полученная топливовоздушная смесь сгорает с выделением энергии. Далее газовый поток направляется в турбинный блок 9, преобразующий энергию газового потока в полезную работу по вращению магистрального компрессора 2.
Таким образом, использование транспортируемого газа в качестве теплоносителя в рекуператоре и рабочего тела во внешней турбине позволяет существенно повысить энергоэффективность ГГПА, снизить тепловое воздействие на окружающую среду, снизить затраты на оборудование и обслуживание систем промежуточного теплоносителя. Привод компрессорного блока газотурбинного двигателя от внешней турбины позволяет всю мощность турбинной части газотурбинного двигателя направить на совершение полезной работы.