КОМПРЕССОРНАЯ СТАНЦИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

Полезная модель относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам (МГ), и может быть использована на компрессорных станциях (КС), повышающих давление природного газа в ходе его транспортирования, а также в энергетическом машиностроении для проектирования, изготовления и комплектной поставки соответствующего оборудования.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому и, поэтому принятом нами в качестве прототипа, является компрессорная станция магистрального газопровода, содержащая электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ГПА), подключенные к энергоисточникам, при этом часть газоперекачивающих агрегатов оснащают газотурбинным приводом, а энергоисточник электроприводных газоперекачивающих агрегатов выполнен в виде автономного атомного энергоблока (патент РФ №2272938, опубликовано 27.03.2006). Данное техническое решение частично решает проблему экологической чистоты при транспорте газа по магистральным газопроводам, но недостатки, присущие известному решению не позволяют его широко использовать при транспортировке газа, а именно:
- сложность в изготовлении и эксплуатации основного энергоисточника (атомномной станции);
- высокая стоимость, значительная длительность ввода в эксплуатацию, и, как следствие, длительный срок окупаемости;
- необходимость в течение длительного периода в значительных затратах на охрану и наблюдение за выгруженным топливом и за автономным атомным энергоблоком после закрытия его работы (проблема утилизации);
- использование в качестве регулирующих элементов дорогостоящих газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом с низким к.п.д.
По утверждению В.И.Субботина - академика, советника Президиума РАН, высказанного в статье энергоисточники в XXI веке (Вестник Российской Академии наук том 71, №12, с.1059-1068 (2001) «Проще и безопаснее получать тепло и электроэнергию, сжигая природный газ, сложнее используя ядерную энергию. Ядерные энергетические установки несут в себе опасность ядерной вспышки и радиоактивного выброса. Выброс радиоактивных продуктов за пределы ядерноэнергетической установки создает радиоактивную опасность для всего живого в течение многих лет. Никакие приемы не могут уничтожить аварийно выброшенную радиоактивность. Она подвластна только времени и ядерным процессам. Ядерноэнергетические установки обязаны иметь защищенную систему управления процессами деления тяжелых ядер и съема энергии. Закрытая ядерноэнергетическая установка нуждается в течение длительного периода в охране и наблюдении за выгруженным топливом. Конструкции ядерноэнергетической установки в результате ядерных процессов (при работающей установке) приобретают наведенную активность, не исчезающую с годами, и также нуждаются в охране. Остановленная атомная электростанция перестает производить электроэнергию, но требует значительных затрат в течение длительного времени».
Указанные недостатки приводят к увеличению капитальных вложений в создание компрессорной станции и эксплуатационных затрат особенно при их большой протяженности, и, следовательно, к существенному росту себестоимости траспортирования газа.
В основу полезной модели поставлена задача создания компрессорной станции, в которой путем использования более экономичной системы электрообеспечения газоперекачивающих агрегатов, существенно снижается себестоимость транспортирования газа.
Поставленная задача решается тем, что в компрессорной станции магистрального газопровода, содержащей газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с электрическим и газотурбинным двигателями, подключенные к энергоисточникам, согласно полезной модели, для питания ГПА с электродвигателями в качестве энергоисточника используют внешнюю высоковольтную электрическую сеть и, кроме того, компрессорная станция дополнительно снабжена, по крайней мере, одним парогенератором, включающим котел-утилизатор, вход которого подключен к выхлопному патрубку газотурбинного двигателя, а выход парогенератора связан с паровой турбиной, кроме того дополнительно имеется, по крайней мере, один электрогенератор с газотурбинным двигателем.
Электрогенераторы газотурбинных двигателей и паровой турбины могут быть соединены дополнительно через внешнюю электрическую сеть, по крайней мере, с еще одной компрессорной станцией.
Между электрическими двигателями газоперекачивающих агрегатов и электрогенераторами могут быть установлены преобразователи частоты тока.
Газоперекачивающие агрегаты с электрическими двигателями могут быть снабжены высокочастотными (высокооборотными) асинхронными электродвигателями, встроенными в корпус нагнетателей природного газа.
Компрессорная станция магистрального газопровода может быть дополнительно снабжена установкой по получению водорода и водородными топливными элементами с преобразователямим постоянного тока в трехфазный переменный ток, при этом корпуса водородных топливных элементов соединены трубопроводами с котлами-утилизаторами парогенератора.
Использование дополнительных парогенераторов, включающих котел-утилизатор, газотурбинных двигателей и паровой турбины с электрогенераторами, связанными с электродвигателями ГПА позволяет производить питание электродвигателей ГПА более дешевой электроэнергией генерируемой электрогенераторами газотурбинных двигателей и паровой турбины, чем электроэнергия, поступающая от атомной электростанции и, за счет этого появляется возможность снизить себестоимость транспорта газа через магистральный газопровод.
При небольших изменениях расхода газа через магистральный газопровод возможно производить частотное регулирование электродвигателей и нагрузки ГПА, за счет изменения числа оборотов электрогенераторов газотурбинных двигателей и паровой турбины, что обеспечивает уменьшение расхода электроэнергии на ГПА и снижает себестоимость транспорта газа через. Кроме того, есть возможность реализовать внешним потребителям (в первую очередь соседней компрессорной станции) избыточную электроэнергию, вырабатываемую электрогенераторами газотурбинных двигателей и паровой турбины. Использование частотных преобразователей позволяет изменять обороты и нагрузку ГПА при переменных расходах газа через магистральный газопровод и, тем самым, существенно снизить затраты на электроэнергию, потребляемую электрическими двигателями ГПА.
Использование ГПА снабженных высокочастотными (высокооборотными) асинхронными электродвигателями, встроенными в корпус нагнетателей природного газа позволяет снизить эксплуатационные и капитальные расходы.
Тепло выхлопных газов можно эффективно использовать при работе агрегатных блочных установок по производству водорода из природного газа и водяного пара (способ паровой конверсии природного газа), с дальнейшей выработкой электроэнергии самым эффективным способом в электрохимическом устройстве - топливном элементе. Кроме электроэнергии, при работе топливных элементов выделяется высокотемпературное (до 900 град по C.) тепло. Для утилизации тепловой энергии выделяемой топливными элементами используется парогенератор и паровая турбина. Топливные элементы производит 4/5 энергии, а остальную часть из тепловой энергии турбина.
Совокупность признаков нова и позволяет получить за счет более надежной и дешевой системы электрообеспечения ГПА снижение расхода топливного газа и снижение себестоимости его транспортирования.
На фиг.1 схематически показана принципиальная схема предлагаемой компрессорной станции.
Компрессорная станция включает газоперекачивающие электроприводные газоперекачивающие агрегаты 1 с электродвигателями 2, подключенные к внешней высоковольтной электрической сети 3, газоперекачивающие агрегаты 4 с газотурбинными двигателями 5 выхлопные патрубки 6 которых соединены посредством газохода 7 с входом 8 котла-утилизатора 9, парогенератора 10. Выход парогенератора 10 соединен с паровой турбиной 11. Компрессорная станция снабжена электрогенераторами 12 и газотурбинными двигателями 13, выхлопные патрубки 14 которых также подключены посредством газохода 7 к входу 8 котла-утилизатора 9. Газоперекачивающие агрегаты 1 и 4 подключены к магистральному газопроводу 15. Компрессорная станция также оснащена конденсатором 16 включающим систему подготовки и подачи воды, связанным входом с паровой турбиной 11, а выход связан со входом котла-утилизатора 9. Между электродвигателями 2 и электрогенераторами 12 установлены инверторы - тиристорные преобразователи частоты тока 17.
Компрессорная станция соединена с еще одной (соседней) электрокабелями внешней высоковольтной электрической сети 3.
Компрессорная станция дополнительно оснащена водородно-энергетическим блоком. На входе водородно-энергетического блока размещены установки 18 по получению водорода, соединенные с магистральным газопроводом 15 трубопроводами 19. Батарея топливных элементов 20 соединена с установками 18 трубопроводами 21 подачи водорода. Воздух к батарее топливных элементов 20 подается по воздуховоду 22. Батарея топливных элементов 20 соединена электрокабелем 23 с преобразователем 24 и далее электрокабелем 25 с электрокабелями внешней высоковольтной электрической сети 3. Батарея топливных элементов 20 соединена трубопроводами подачи пара 26 с котлами - утилизаторами 9 парогенератора 10.
Компрессорная станция работает следующим образом.
Из МГ 15 газ по подводящими трубопроводам подводится к ГПА 1 с электрическими двигателями 2 и к ГПА 4 с газотурбинными двигателями 5. Электроэнергию из высоковольтной электрической сети 3 подводят к электродвигателям 2 ГПА 1, приводящих во вращение роторы ГПА. По трубопроводам топливного газа газ подводится от МГ 15 к камерам сгорания газотурбинных двигателей 5 ГПА 4. ГПА повышают давление газа и по отводящим трубопроводам газ поступает в МГ 15, обеспечивая его движение по магистральному газопроводу. ГПА 4 с газотурбинными двигателями 5 работают параллельно с ГПА 1 с электрическими двигателями 2. По трубопроводам топливного газа 7 газ подводится от магистрального газопровода к камерам сгорания газотурбинных двигателей 13, которые приводят во вращение электротурбогенераторы 12, вырабатывающие электроэнергию. Электроэнергия по электрокабелям 9 поступает к электрическим двигателям 2 ГПА 1.
Выхлопные газы энергетических газотурбинных двигателей 13 и газотурбинных двигателей 5 ГПА 4 из выхлопных патрубков 6 по газоходам 7 поступают на вход 8 котла-утилизатора 9 парогенератора 10. Вырабатываемый парогенератором свежий пар направляется по трубопроводам на вход паровой турбины 11, приводящей во вращение электротурбогенераторы 12, вырабатывающие электроэнергию, которая по электрокабелям поступает к электрическим двигателям 2 ГПА 1.
Из паровой турбины 11 отработанный пар по трубопроводам поступает в конденсатор 16, работающий совместно с системой подготовки и подачи воды.
По трубопроводам 19 газ подводится от МГ к установкам 18 по получению водорода, от которых водород по трубопроводам 21 поступает к батарее топливных элементов 20. Воздух к батарее топливных элементов 20 подается по водуховоду 22. В результате электрохимической реакции топливные элементы вырабатывают постоянный электрический ток, который по электрокабелю 23 направляется к преобразователю 24 постоянного электрического тока в трехфазный переменный. Далее, после повышения напряжения тока, он по электрокабелю 25 направляется к электрокабелям внешней высоковольтной электрической сети 3 и далее к электродвигателям 2, приводящих во вращение роторы ГПА 1. Тепло, выделяемое в результате электрохимической реакции в батарее топливных элементов направляется с помощью трубопровода 26 к котлам-утилизаторам 9 парогенератора 10.
Предлагаемая КС может работать в нескольких вариантах исполнения и режимах работы.
А) Режим работы КС с пуском и набором нагрузки любого неработающего ГПА. Предварительно электрогенератор 12 одного из дополнительных энергетических газотурбинных двигателей 13 подключают к электрическим двигателям 2 ГПА 1. Подавая топливный газ по трубопроводу топливного газа в камеру сгорания одного из дополнительных энергетических газотурбинных двигателей 13 производят его пуск, затем повышают его обороты и обороты электрогенератора 12 обеспечивая повышение частоты и напряжения генерируемого им электрического тока, за счет чего производят плавный частотный пуск электрических двигателей 2 ГПА 1 и увеличение его нагрузки. Подавая топливный газ по трубопроводу топливного газа в камеру сгорания газотурбинного двигателя 5 ГПА 4 производят его пуск затем повышают его обороты и выводят на рабочий режим.
Б) Режим работы КС с электроснабжением электродвигателей ГПА от электрогенераторов газотурбинных двигателей. После выхода на рабочий режим ГПА 4 с газотурбинными двигателями 5 и дополнительных энергетических газотурбинных двигателей 13 с электрогенераторами 12 выхлопные газы от газотурбинных двигателей поступают в парогенератор. Пар из парогенератора поступает в паровую турбину 11, происходит ее пуск, затем повышение оборотов. Электрогенератор 12 паровой турбины 11 синхронизируют с внешней электрической сетью 3 или с электрогенераторами 12 энергетических газотурбинных двигателей 13.
После чего повышают мощность их электрогенераторов до номинальной. Затем отключают электрические выключатели части или всех электродвигателей 2 ГПА 1, прекращают их электроснабжение из внешней электрической сети 3 и производят электроснабжение этих электродвигателей 2 от электрогенераторов 12 паровых турбин 11 и энергетических газотурбинных двигателей 13.
В) Режим работы КС при незначительном изменении расхода газа через МГ. При незначительном изменении расхода газа через МГ 5 отключают электрические выключатели на электрокабеле 9, связывающие электрогенератор 12 дополнительного энергетического газотурбинного двигателя 13, выделенного для регулирования нагрузки КС, с электродвигателями 1 не регулируемых ГПА 2. Затем отключают электрический выключатель, прекращают электроснабжение электродвигателя 1 регулируемого ГПА 2 от внешней электрической сети 3, и осуществляют электроснабжение его электродвигателя от электрогенератора 12 дополнительного энергетического газотурбинного двигателя 13, выделенного для регулирования нагрузки КС. Затем уменьшают подачу топливного газа в камеру сгорания этого дополнительного энергетического газотурбинного двигателя 13 по трубопроводам топливного газа, изменяют обороты и мощность его электрогенератора 12, за счет чего производят частотное регулирование оборотов и уменьшение мощности электродвигателя, любого, становящегося регулируемым ГПА 2 до величин, определяемых текущей нагрузкой КС.
Г) Режим работы КС при значительном изменении расхода газа через МГ. При значительном снижении нагрузки КС необходимо отключить часть работающих ГПА. Для того чтобы при этом не снижать мощность работающих дополнительных энергетических газотурбинных двигателей 13 и паровой турбины 11 и передать избыточную электроэнергию, генерируемую их электрогенераторами 12 во внешнюю электрическую сеть 3, предварительно эти электрогенераторы 12 синхронизируют с электрической сетью 3. После этого отключают электрические выключатели, прекращают электроснабжение электродвигателей 2 ГПА 1 и останавливают часть лишних ГПА 1. При этом избыточную электрическую энергию, генерируемую электрогенераторами 12 дополнительных энергетических газотурбинных двигателей 13 и паровой турбины 11 подают через электрические выключатели во внешнюю электрическую сеть 3.
Предлагаемое техническое решение по сравнению с существующими имеет следующие преимущества:
- снижается себестоимость транспортировки газа;
- повышается экологическая чистота транспортировки газа.