СИСТЕМА НАГРЕВА ТОПЛИВНОГО ГАЗА С КОГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКОЙ
FUEL GAS HEATING SYSTEM WITH COGENERATION UNIT

Изобретение относится к области машиностроения и теплотехники, а именно, к средствам подготовки топливного газа, и может быть использовано в составе газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом, применяемых на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известен «Агрегатный блок подготовки топливного газа», патент РФ №78896 от 10.12.2008 г., система подогрева топливного газа которого включает, по меньшей мере, один электрический взрывозащищенный подогреватель газа, выполненный в виде размещенных внутри проточной емкости трубчатых термоэлектрических нагревательных элементов, снабженный датчиками для регулирования температуры и датчиками для защиты от перегрева.
Недостатком данного технического решения является низкое энергосбережение, поскольку предложенная конструкция не работоспособна для подогрева топливного газа без постоянного потребления, расходования электроэнергии от внешних источников.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Агрегатный блок подготовки топливного газа», патент РФ №92934 от 10.04.2010 г., содержащий систему фильтрации и систему подогрева природного газа, при этом система подогрева топливного газа подключена к масляной системе ГПА для возможности использования тепла масла, нагретого в результате работы ГПА. Предложенное устройство обеспечивает автономную подготовку (подогрев) топливного, а при необходимости пускового и импульсного газов для ГПА.
max
Основным недостатком предложенного устройства является недостаточная эффективность его работы, поскольку данное техническое решение позволяет подогреть (подготовить) топливный газ для газоперекачивающего агрегата только до максимальных температур ~ до t=60÷70°С.
Техническая задача заявляемого технического решения - повышение эффективности работы газоперекачивающего агрегата, энергосбережение, утилизация тепла.
Технический результат достигается в системе нагрева топливного газа, содержащей агрегатный блок подготовки топливного газа (АБПТГ) с системами фильтрации и подогрева природного газа, подаваемого в качестве топливного газа в газотурбинный привод газоперекачивающего агрегата (ГПА), с газомасляным теплообменником для нагрева топливного газа горячим маслом нагнетателя или привода ГПА, и блок управления, связанный электрическими цепями с функциональными исполнительными элементами. В систему дополнительно включена когенерационная установка, подключенная к блоку управления, соединенная с АБПТГ и газотурбинным приводом ГПА соответственно трубопроводами подвода и отвода топливного газа и содержащая в своей конструкции два последовательно подключенных теплообменника: газомасляный теплообменник (ГМТ) и теплообменник-утилизатор тепла выхлопных газов (ТУВГ), в которых греющими теплоносителями выступают соответственно горячее масло и выхлопные газы газотурбинного двигателя когенерационной установки. Одновременно, в систему подогрева природного газа АБПТГ подключен дополнительный газомасляный теплообменник для обеспечения возможности одновременного использования тепла масла, нагретого в результате работы и нагнетателя и газотурбинного привода ГПА. В газомасляных теплообменниках когенерационной установки и системы подогрева нагреваемым теплоносителем выступает топливный газ. К ТУВГ подключен остаточный теплообменник-утилизатор, посредством которого оставшееся тепло выхлопных газов когенерационной установки, прошедших через ТУВГ и нагревших топливный газ, направляется на отопление помещения. В трубопроводе топливного газа перед входом нагретого топливного газа в газотурбинный привод ГПА смонтирован и подключен к когенерационной установке как минимум один взрывозащищенный трубчатый электронагреватель для дополнительного электроподогрева топливного газа. Система дополнительно содержит электрический кабель, подключенный к когенерационной установке и передающий электроэнергию, вырабатываемую ею, для работы как минимум одного вентилятора аппарата воздушного охлаждения газа и как минимум одного электрического калорифера.
max
max
Повышение эффективности работы газоперекачивающего агрегата в предложенном техническом решении происходит за счет снижения расхода топлива, что достигается в конструкции вышеописанной системы путем нагрева (подготовки) топливного газа до t=200°C, т.к. предварительный рекуперативный подогрев топлива сокращает общий расход топлива на -0,1% на каждые 20°С и, следовательно, повышение температуры топливного газа на 200°С сокращает общий расход топлива на 1%. При этом общий КПД ГПА увеличивается ~0,5% абсолютных. Предложенное техническое решение позволяет нагреть топливный газ до предельно возможных максимальных температур ~ до t=200°C за счет подключения к ГПА когенерационной установки с двумя теплообменниками в ее составе, одновременно, за счет подключения дополнительного газомасляного теплообменника в систему подогрева АБПТГ, а также подключения взрывозащищенного трубчатого электронагревателя для дополнительного электроподогрева топливного газа после его основного нагрева.
max
Значительное энергосбережение достигается за счет полного отказа потребления электроэнергии на подогрев топливного газа от внешних источников, поскольку нагрев топливного газа в данном техническом решении до температур ~ t=200°C осуществляется теплом горячего масла, теплом выхлопных газов и с помощью электроэнергии, вырабатываемой когенерационной установкой в составе предложенной системы. При этом электроэнергия, вырабатываемая когенерационной установкой, также направляется и на обеспечение работы как минимум одного вентилятора аппарата воздушного охлаждения газа и как минимум одного электрического калорифера.
Утилизация тепла, вырабатываемого когенерационной установкой, осуществляется в двух теплообменниках: ГМТ и ТУВГ, входящих в ее состав, в которых тепло горячего масла и тепло выхлопных газов газотурбинного двигателя когенерационной установки утилизируется, осуществляя существенный нагрев топливного газа. Также утилизация тепла происходит в подключенном к ТУВГ остаточном теплообменнике-утилизаторе, в котором греющим теплоносителем выступает оставшееся тепло выхлопных газов когенерационной установки, прошедших через ТУВГ и нагревших топливный газ, а нагреваемым теплоносителем выступает воздух, направляемый на обогрев помещения.
Изобретение иллюстрируется рисунком фиг. 1, на котором показана схема системы нагрева топливного газа с когенерационной установкой, где:
1 - газоперекачивающий агрегат (ГПА);
2 - агрегатный блок подготовки топливного газа (АБПТГ);
3 - когенерационная установка (КУ);
4 - газомасляный теплообменник (ГМТ);
5 - теплообменник-утилизатор тепла выхлопных газов (ТУВГ)
6 - взрывозащищенный трубчатый электронагреватель (ТЭН)
7 - газомасляный теплообменник (масло от нагнетателя) (ГМТ-Н);
8 - газомасляный теплообменник (масло от привода) (ГМТ-Д);
9 - остаточный теплообменник-утилизатор (ОТУ).
Система нагрева топливного газа с когенерационной установкой содержит агрегатный блок 2 подготовки топливного газа (АБПТГ) с системой фильтрации и системой подогрева топливного газа. Система подогрева топливного газа включает в себя газомасляный теплообменник 7 (ГМТ-Н), в котором топливный газ подогревается за счет тепла масла нагнетателя газоперекачивающего агрегата 1 (ГПА) и газомасляный теплообменник 8 (ГМТ-Д), в котором топливный газ подогревается за счет тепла масла привода ГПА. В системе нагрева трубопровод подвода топливного газа соединяет АБПТГ с когенерационной установкой 3 (КУ) с теплообменниками в составе ее конструкции: газомасляный теплообменник 4 (ГМТ) и теплообменник-утилизатор тепла выхлопных газов 5 (ТУВГ). К теплообменнику-утилизатору тепла выхлопных газов подключен остаточный теплообменник-утилизатор 9 (ОТУ), к когенерационной установке подключен электрический кабель для передачи электроэнергии, вырабатываемой когенерационной установкой, на нужды ГПА. Трубопровод отвода топливного газа соединяет КУ и газотурбинный привод ГПА. В состав системы нагрева входит также как минимум один взрывозащищенный электронагреватель 6 (ТЭН).
Система нагрева топливного газа с когенерационной установкой работает следующим образом.
Природный газ в качестве топливного газа поступает из магистрального газопровода в агрегатный блок 2 подготовки топливного газа (АБПТГ). В АБПТГ топливный газ проходит через систему фильтрации, где происходит его очистка от механических частиц и капельной жидкости. Далее топливный газ поступает в систему подогрева АБПТГ, состоящую из двух последовательно подключенных газомасляных теплообменников 7 и 8 (ГМТ-Н и ГМТ-Д). В первом топливный газ нагревается за счет тепла масла нагнетателя газоперекачивающего агрегата 1 (ГПА), во втором - за счет тепла масла газотурбинного привода ГПА. Охлажденное масло нагнетателя затем возвращается в нагнетатель ГПА, охлажденное масло привода возвращается в привод ГПА. Проходя газомасляные теплообменники системы подогрева АБПТГ, топливный газ подогревается до t~7÷90°C. Далее топливный газ по трубопроводу подвода проходит в когенерационную установку 3 (КУ).
Источниками тепла в когенерационной установке выступают горячее масло газотурбинного двигателя, тепло его выхлопных газов и электрическая энергия, вырабатываемая КУ. Для полного использования тепла, вырабатываемого когенерационной установкой, в ее конструкцию включены два последовательно подключенных теплообменника: газомасляный теплообменник и теплообменник-утилизатор тепла выхлопных газов, а также к когенерационной установке подключен как минимум один взрывозащищенный трубчатый электронагреватель. В газомасляном теплообменнике КУ тепло горячего масла от газотурбинного двигателя нагревает топливный газ до t~l00÷120°С. Далее топливный газ поступает в 5 ТУВГ, где выхлопные газы газотурбинного двигателя КУ 3, выступая в качестве теплоотдающего теплоносителя, дополнительно нагревают топливный газ. После прохода топливного газа через ТУВГ, температура топливного газа повышается до t~150°C-180°С. Одновременно, остаточное тепло выхлопных газов, нагревших топливный газ, направляется в остаточный теплообменник-утилизатор 9 и передается на нагрев помещения, тем самым происходит полная утилизация тепла, вырабатываемого когенерационной установкой 3.
max
В системе нагрева топливного газа смонтирован также как минимум один взрывозащищенный трубчатый электронагреватель 6 (ТЭН). ТЭН установлен в трубопроводе отвода топливного газа после выхода топливного газа из когенерационной установки и перед входом топливного газа в ГПА. Нагретый в теплообменниках когенерационной установки топливный газ проходит по трубопроводу отвода к ГПА и в трубчатом электронагревателе дополнительно и окончательно нагревается с помощью электроэнергии, вырабатываемой когенерационной установкой до t=200°C.
Электроэнергия, вырабатываемая КУ, посредством электрического кабеля направляется на обеспечение работы вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа (ABO газа), особенно в летнее время, при повышенных температурах окружающего воздуха. Кроме этого, при необходимости, эта электроэнергия направляется и на обогрев помещений электрическими калориферами.
max
Применение в заявляемой системе когенерационной установки с двумя последовательно подключенными теплообменниками в ее конструкции: газомасляном теплообменнике и теплообменнике-утилизаторе тепла выхлопных газов, с одновременным подключением в систему подогрева АБПТГ дополнительного газомасляного теплообменника для обеспечения возможности одновременного использования тепла масла и нагнетателя и газотурбинного привода ГПА, а также подключение взрывозащищенного трубчатого электронагревателя позволяет нагреть топливный газ до предельно возможных максимальных температур ~ до t=200°C, что ведет к повышению эффективности работы газоперекачивающего агрегата за счет снижения расхода топлива.
Заявляемая система позволяет исключить дополнительные источники потребления электроэнергии, утилизирует тепло горячего масла и тепло выхлопных газов газотурбинного двигателя когенерационной установки, направляя его на существенный нагрев топливного газа.
max
Таким образом, подключая в систему когенерационную установку с двумя теплообменниками в ее составе, и одновременно подключая дополнительный газомасляный теплообменник в систему подогрева АБПТГ и как минимум один взрывозащищенный трубчатый электронагреватель, появляется возможность использования тепла выхлопных газов газотурбинного двигателя когенерационной установки, тепла горячего масла когенерационной установки, одновременно тепла горячего масла и нагнетателя, и газотурбинного привода ГПА, а также электрической энергии, вырабатываемой когенерационной установкой для нагрева топливного газа до максимально высоких температур (до t=200°С), что значительно повышает эффективность работы ГПА. Вырабатываемая когенерационной установкой электроэнергия позволяет обеспечить работу ABO газа, электрических калориферов для обогрева помещений, полностью используется остаточное тепло выхлопных газов газотурбинного двигателя КУ, направляемое на отопление помещения, т.е. наряду со значительным повышением эффективности работы ГПА экономится электроэнергия, происходит максимальная утилизация тепла.