ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области газовой промышленности, в частности к компрессорным станциям (КС) магистрального газопровода (МГ) и может быть использована для повышения мощности газоперекачивающего агрегата (ГПА), снижения расхода топливного газа и сокращения вредных выбросов в атмосферу.
Известна ГТУ, в которой в качестве рабочего тела используется сжатый воздух, поступающий из осевого компрессора. Данное устройство, несмотря на то, что является стандартизованным и общепринятым в газовой промышленности и в других отраслях, связанных с применением газотурбинных технологий, имеет большой потенциал для модернизации и ресурсосбережения за счет различных вариантов форсирования мощности без принципиальных конструктивных изменений и нарушений теплового и энергетического балансов ГТУ (Суринович В.К., Борщенко Л.И. Машинист технологических компрессоров / Учебник для учащихся профтехобразования и рабочих на производстве - М.: Недра, 1986. С. 28).
Недостатком устройства является то, что сжатый в осевом компрессоре воздух имеет низкую теплоемкость (более чем в 4 раза ниже теплоемкости воды), влияющую на неоптимальное распределение температурных градиентов в контуре ГТУ и снижение ресурса работы основного оборудования, непосредственно связанного с бесперебойным транспортом газа.
Наиболее близким устройством (прототипом) является ГТУ, в контур которой осуществляют впрыск смеси активатора горения - пероксида водорода и воды для уменьшения затрат на сжатие воздуха и повышения КПД. При этом удается увеличить ресурс работы ГТУ и одновременно понизить содержание оксидов углерода и азота в выбросах (Патент РФ 2517995, F02C. Газотурбинная установка с впрыском жидкости в контур ГТУ / Иванов А.А., Ермаков А.Н. - Патентообладатель: Учреждение Российской Академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН; опубл. 27.06.2013).
Недостатком прототипа является невысокий по сравнению с предлагаемым одноатомным спиртом метанолом показатель удельной теплоемкости пероксида водорода и его кислотные свойства, которые он как окислитель проявляет при воздействии на металлоконструкции, ускоряя их коррозионное разрушение.
Задачей полезной модели является создание нового устройства - газотурбинной установки с достижением следующего технического результата: увеличение мощности ГТУ и снижение токсичных выбросов в атмосферу за счет обеспечения полноты сгорания природного газа.
Технический результат достигается тем, что газотурбинная установка, включающая пусковой турбодетандер, осевой воздушный компрессор с рабочими лопатками, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления с валоповоротным устройством, системы смазки, регулирования, защиты и управления, промежуточный вал для передачи крутящего момента центробежному компрессору для компримирования природного газа, узел подачи, узел смешения и узел впрыска активатора горения, согласно полезной модели содержит узлы предварительного и основного нагрева активатора горения для подачи активатора горения в камеру сгорания через узел смешения, узел подачи, узел предварительного нагрева, узел основного нагрева и узел впрыска.
-
При этом в качестве активатора горения используют метанол, легко диссоциирующий при повышенных температурах с образованием гидроксильных анионов (ОН), а в качестве растворителя используют отфильтрованную дождевую воду, которая является одной из форм атмосферных осадков и по сравнению с другими источниками (поверхностными, родниковыми, пластовыми) имеет гораздо меньше загрязняющих и накипеобразующих веществ в силу того, что получена она из водяного пара в атмосферных слоях без соприкосновения с почвой, содержащей соли и минералы.
На фигуре представлена принципиальная схема ГТУ.
Газотурбинная установка (ГТУ) содержит в своем составе пусковой турбодетандер 1, осевой воздушный компрессор 2, камеру сгорания 3, турбину 4 высокого давления и турбину 5 низкого давления (пунктиром показана альтернативная двухкаскадная компоновка ГТУ) служащие для передачи крутящего момента через промежуточный вал 6 центробежному компрессору 7 для компримирования природного газа, узел 8 впрыска, узел 9 основного нагрева, узел 10 предварительного нагрева, узел 11 подачи смеси, узел 12 смешения.
На фигуре также условно обозначены: атмосфера I, сжатый воздух II, топливный газ III, продукты сгорания IV, выхлопные газы V, дождевая вода VI, пусковой газ VII, воздух VIII, активатор горения IX, атмосфера X.
ГТУ работает следующим образом.
-
2
Воздух VIII всасывается в осевой воздушный компрессор 2 сначала с помощью пускового турбодетандера 1, а затем, когда произойдет зажигание, посредством турбины 4 высокого давления, которая соединена валом с ротором осевого воздушного компрессора 2. При пуске в турбодетандер 1 подается пусковой газ VII, который расширяясь, совершает полезную работу, вращая вал ГТУ, после чего он отводится в атмосферу I. Сжатый воздух II, поступающий из осевого воздушного компрессора 2, подается в камеру сгорания 3, в камеру сгорания 3 также подается топливный газ III. Топливовоздушная смесь поджигается высоковольтной искрой, после чего сгорание будет продолжаться непрерывно. После требуемого прогрева и выхода на номинальный режим работы ГТУ в камеру сгорания 3 через узел 12 смешения, узел 11 подачи, узел 10 предварительного нагрева, узел 9 основного нагрева и узел 8 впрыска подается 10%-ый раствор активатора горения IX в дождевой воде VI. Активатор горения - метанол, за счет способности образовывать гидроксильные анионы (ОН) ускоряет и углубляет процесс сгорания топливного газа. Гидроксильные ионы, способные быстро доокислять продукты неполного сгорания природного газа до СО, позволяют обеспечить оптимальный изотермический режим эффективной работы турбин. Продукты сгорания IV расширяются через турбину 4 высокого давления, которая отбирают у них энергию, достаточную для вращения ротора осевого воздушного компрессора 2 (примерно 60% от полной полезной энергии), а остальной поток газа поступает в турбину 5 низкого давления, которая в свою очередь приводит во вращение через вал 6 центробежный компрессор 7, в котором происходит компримирование природного газа. Выхлопные газы V перед выходом в атмосферу X совершают полезную работу по предварительному нагреву водного раствора активатора горения в узле 10 предварительного нагрева. В узле 9 основного подогрева для регулирования температуры подаваемого раствора используется индукционный подогреватель.
-
2
Пример. Для запуска пускового турбодетандера 1 осуществляют подачу природного газа VII из системы подготовки топливного и пускового газа (КС-19 «Шаран»), Осевым воздушным компрессором 2 осуществляют всас VIII и подачу сжатого воздуха II в камеру сгорания 3. Топливный газ III в камеру 3 сгорания подают из системы подготовки топливного и пускового газа КС. После требуемого прогрева и выхода на номинальный режим работы ГТУ в камеру сгорания 3 через узел 12 смешения, узел 11 подачи, узел 10 предварительного нагрева, узел 9 основного нагрева и узел 8 впрыска подается 10%-ый раствор активатора горения IX в дождевой воде VI. Активатор горения - метанол, за счет способности образовывать гидроксильные анионы (ОН) ускоряет и углубляет процесс сгорания топливного газа. Гидроксильные ионы, способные быстро доокислять продукты неполного сгорания природного газа до СO, позволяют обеспечить оптимальный изотермический режим эффективной работы турбин. Продукты сгорания IV совершают полезную работу, обеспечивая вращение турбин высокого 4 и низкого 5 давления для передачи крутящего момента через промежуточный вал 6 центробежному компрессору 7 и компримирования природного газа. Выхлопные газы V перед выходом в атмосферу X совершают полезную работу по предварительному нагреву водного раствора активатора горения IX в узле 10 предварительного нагрева 10. В узле 9 основного подогрева для регулирования температуры подаваемого раствора используется индукционный подогреватель.
Предложенная полезная модель позволяет рационально использовать ресурсы природного газа, при этом не требует крупных финансовых затрат для внедрения, удешевляет себестоимость товарного газа и не наносит вреда экологии.
Полезная модель может найти широкое применение в газовой промышленности при эксплуатации основного оборудования КС.