Газоперекачивающий агрегат
GAS PUMPING UNIT

Изобретение относится к газотранспортному оборудованию и может быть использовано в газоперерабатывающей промышленности, в частности на производствах по сжижению природного газа.
Известен газоперекачивающий агрегат, содержащий нагнетательный блок и приводной двигатель с выхлопным газоводом, соплом на выходе из турбины и воздухозаборным патрубком, при этом приводной двигатель снабжен эжектором, выполненным в виде профилированного насадка, установленного на выходе из сопла, и обечайки, коаксиально охватывающей двигатель с образованием последней, и двигателем кольцевого канала, сообщенного со стороны воздухозаборного патрубка с окружающей двигатель средой, а со стороны выхода обечайка соединена с выхлопным газоводом, причем между входным участком последнего и выходным участком обечайки за выходным сечением насадка образованы камера смешения и диффузор (патент на изобретение RU 2164315 С2, МПК F04F 5/54, F02C 6/18, заявлен 16.04.1999 г., опубликован 20.03.2001 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) смешение охлаждающего двигатель воздуха и выхлопных газов с разбавлением последних и снижением температуры отводимой из двигателя газообразной среды, не позволяющее более полно использовать подводимую к двигателю энергию и повысить коэффициент полезного действия его работы;
2) воздухозаборное устройство, не обеспечивающее нормальное функционирование двигателя газоперекачивающего агрегата из-за возможности его обледенения в зимнее время года и подсоса пыли и снежинок в двигатель;
3) выброс в атмосферу горячих выхлопных газов, снижающий энергетическую эффективность газоперекачивающего агрегата в целом.
Известна воздухозаборная система газоперекачивающего агрегата с газотурбинным двигателем, содержащая воздухоочистительное устройство, камеру всасывания, выполненную в виде плавно изогнутого на 90° патрубка, при этом изогнутый патрубок телескопически связан одним концом с выходным участком воздухоочистительного устройства, а другим концом - с входным участком газовоздушного тракта газотурбинного двигателя, кроме того, на выходном участке воздухоочистительного устройства или на входном участке патрубка размещено защитное заграждение, например сетка с антиобледенительным покрытием (патент на изобретение RU 2266415 С1, МПК F02C 7/04, заявлен 09.03.2004 г., опубликован 20.12.2005 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) использование в качестве защитного ограждения горизонтально расположенной сетки, не обеспечивающей очистку всасываемого воздушного потока от частиц пыли, диаметр которых меньше размера ее отверстий;
2) постепенное накопление крупных частиц на поверхности сетки, приводящее к повышению гидравлического сопротивления газовоздушного тракта и снижению коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя;
3) отложение частиц пыли на поверхности сетки в зимнее время, способствующее обледенению защитного ограждения, поскольку снежинки будут задержаны слоем пыли на поверхности сетки и не войдут в контакт с антиобледенительным покрытием сетки;
4) отсутствие подробной информации о характеристике антиобледенительного покрытия сетки, препятствующее непосредственному использованию изобретения.
Известно также воздухоочистительное устройство для газотурбинной установки, содержащее воздухоприемную камеру, воздушные фильтры, расположенные ярусами в воздухоприемной камере, систему подогрева циклового воздуха с закольцованным трубопроводом, подводящим горячий воздух к воздухоприемной камере, и соединительными трубопроводами, при этом в качестве источника подогрева циклового воздуха используют участок выхлопного тракта газотурбинного двигателя, причем этот участок тракта окружают теплоизолирующим кожухом с образованием теплонакопительной емкости, которая с одной стороны сообщена с атмосферой, а с другой стороны - с закольцованным трубопроводом (патент на изобретение RU 2439346 С1, МПК F02C 7/047, F02C 7/08, заявлен 09.06.2010 г., опубликован 10.01.2012 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) низкая эффективность функционирования теплонакопительной емкости по причине малой величины коэффициента теплопередачи от продуктов сгорания газотурбинного двигателя через стенку относительно небольшого участка выхлопного тракта с, соответственно, небольшой поверхностью теплопереноса (несколько квадратных метров), приводящей к незначительному переносу тепловой энергии к цикловому воздуху, проходящему через теплонакопительную емкость;
2) наличие теплонакопительного кожуха, усложняющее доступ обслуживающего персонала к агрегатам газотурбинного двигателя.
Известна также система антиобледенения входного воздухоочистительного устройства газоперекачивающего агрегата с газотурбинным двигателем, состоящая из газовоздуховода для движения по нему с помощью эжектора газовоздушной смеси выхлопных газов из выхлопной шахты агрегата и воздуха, отбираемого от осевого компрессора газотурбинного двигателя, при этом газовоздуховод выполнен для подачи газовоздушной смеси в теплообменную секцию, теплообменная секция содержит теплообменные трубы для отдачи тепла цикловому воздуху, который обтекает их снаружи и нагревается для поступления на всасывание в воздухоочистительное устройство и далее в осевой компрессор газотурбинного двигателя, теплообменная секция содержит выхлопную трубу для выброса газовоздушной смеси в атмосферу (полезная модель RU 174364 U1, МПК F02C 7/047, заявлена 21.07.2016 г., опубликована 11.10.2017 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) отсутствие функционирования системы антиобледенения на стадии пуска агрегата, когда компрессор газотурбинного двигателя еще не развил давления, необходимого для работы эжектора;
2) формирование теплообменной секцией на входе всасываемого воздуха значительного гидравлического сопротивления, снижающего эффективность работы газотурбинного двигателя.
Известен также наиболее близкий к заявляемому изобретению газоперекачивающий агрегат с системой рекуперации тепла, содержащий газотурбинный двигатель, центробежный компрессор, воздухоочистительное устройство с противообледенительной системой, газовыхлопной тракт, при этом система рекуперации тепла отработавших газов представлена пластинчатым теплообменником, установленным вне выхлопного тракта, кроме того вход нагревающих полостей теплообменника связан с выхлопным трактом, а выход - с атмосферой, вход нагреваемых полостей теплообменника связан с атмосферой, а выход нагреваемых полостей теплообменника подключен к потребителю тепла (патент на изобретение RU 2635423 С2, МПК F02C 6/18, заявлен 16.12.2015 г., опубликован 13.11.2017 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) низкая тепловая эффективность системы рекуперации тепла, вызванная теплопереносам в теплообменнике от горячих отработавших газов к нагреваемому воздуху, то есть в системе «газ-газ», для которой коэффициент теплопередачи, как минимум, вдвое ниже коэффициента теплоотдачи каждого из газовых потоков;
2) высокая материалоемкость и, соответственно, стоимость пластинчатого теплообменника из-за низкого коэффициента теплопередачи, требующего большую поверхность теплопередачи для системы «газ-газ»;
3) большие потери тепла в окружающую среду с выхлопными газами после рекуперации тепла, поскольку при температуре выхлопных газов после газоперекачивающего агрегата, например, ГПА-12 «Урал», 440°С и необходимой температуре воздуха для противообледенительных систем на уровне 300°С остаточная температура выхлопных газов после рекуперации должна быть не менее 350-400°С для обеспечения теплопередачи в теплообменнике;
4) значительные дополнительные затраты энергии на привод вытяжного и нагнетательного вентиляторов, а также на вентилятор подсоса воздуха для формирования потока воздуха вентиляционных систем предприятия с температурой 60°С.
Технической задачей заявляемого изобретения является совершенствование антиобледенительных и рекуперационных систем газоперекачивающих агрегатов с целью повышения экономической эффективности и надежности их эксплуатации.
Поставленная цель достигается за счет того, что газоперекачивающий агрегат содержит газотурбинный двигатель, центробежный компрессор, комплексное воздухоочистительное устройство с противообледенительной системой, газовыхлопной тракт с системой рекуперации тепла отработавших газов, включающей рекуперативный теплообменный аппарат, при этом в качестве топлива газотурбинного двигателя используют подготовленный к сжижению природный газ, взаимодополняющие друг друга автономную антиобледенительную систему и систему подогрева циркуляционного воздуха применяют как противообледенительную систему, а в системе рекуперации тепла отработавших газов используют высокотемпературный органический теплоноситель. Использование в качестве топлива газотурбинного двигателя подготовленного, уже очищенного от примесей и осушенного, природного газа исключает необходимость предварительной отдельной очистки топлива для газотурбинного двигателя и, как следствие, потребность в дорогостоящих фильтрах тонкой очистки топлива. Формирование в качестве противообледенительной системы взаимодополняющих друг друга автономной антиобледенительной системы и системы подогрева циркуляционного воздуха позволяет в пусковой период обеспечивать газоперекачивающий агрегат заранее подготовленным воздухом. Использование в системе рекуперации тепла отработавших газов высокотемпературного органического теплоносителя вместо воздуха, согласно прототипу, позволяет перейти от теплопередачи в системе «газ-газ» к теплопередаче в системе «газ-жидкость», за счет чего существенно повышается коэффициент теплопередачи, уменьшается поверхность теплообмена и, соответственно, снижается материалоемкость и стоимость самой системы рекуперации тепла отработавших газов.
Целесообразно автономную антиобледенительную систему оснастить отдельно стоящим блоком контейнерного типа с воздухообогревающим устройством.
Автономность антиобледенительной системы обеспечивается за счет оснащения ее источником подогрева воздуха, в качестве которого может быть использована газовая горелка. В этом случае автономную антиобледенительную систему оснащают трубопроводом подвода топливного газа к газовой горелке с узлом редуцирования газа, что делает антиобледенительную систему независимой от работы других систем газоперекачивающего агрегата и, в частности, позволяет функционировать при не работающем газотурбинном двигателе и при его запуске.
Кроме того, целесообразно в автономной антиобледенительной системе в качестве воздухообогревающего устройства использовать трубчатый теплообменник.
Для регулирования расходов потоков взаимодополняющие друг друга автономную антиобледенительную систему и система подогрева циркуляционного воздуха включают и отключают автоматически по сигналу системы автоматизированного управления или дистанционно с пульта управления компрессорной станции.
Целесообразно систему рекуперации тепла отработавших газов обеспечить трубопроводами, соединяющими рекуперативный теплообменный аппарат с теплообменной системой производства, что позволит расширить сферу использования рекуперативного тепла за счет соответствующего оборудования не только в пределах систем газоперекачивающего агрегата, но и в системах основного производства по сжижению природного газа. Целесообразно также в системе рекуперации тепла отработавших газов в качестве высокотемпературного органического теплоносителя использовать масляные фракции нефти, которые имеют более низкую температуру застывания (до минус 45°С) по сравнению с обычно применяемой водой (0°С), что не позволит в аварийных ситуациях в зимнее время замерзнуть трубопроводам с теплоносителем.
Принципиальная схема заявляемого газоперекачивающего агрегата представлена на фигуре 1 с использованием следующих обозначений:
10 - комплексное воздухоочистительное устройство;
10.1 - блок фильтров;
20 - автономная антиобледенительная система;
20.1 - узел редуцирования;
20.2 - блок подогрева атмосферного воздуха;
30 - система автоматизированного управления;
40 - система подогрева циркуляционного воздуха;
50 - рекуперативный теплообменный аппарат;
60 - газотурбинный двигатель;
70 - центробежный компрессор;
80 - пульт управления компрессорной станцией;
90, 100 - шиберные устройства;
1-9, 11-19 - линии.
Представленная схема заявляемого газоперекачивающего агрегата, например, ГПА-32 или ГПА-12, функционирует следующим образом. Базовыми элементами любого газоперекачивающего агрегата являются: газотурбинный двигатель 60 и центробежный компрессор 70. В газотурбинном двигателе 60 за счет сжигания топлива в воздушном потоке создается поток горячих продуктов сгорания, вращающих турбину двигателя, обеспечивая сжатие воздуха, поступающего в двигатель, при помощи многоступенчатого осевого компрессора газотурбинного двигателя 60. Продукты сгорания топлива поступают на вторую турбину, обеспечивающую привод центробежного компрессора 70, перекачивающего природный газ. Крутящий момент от газотурбинного двигателя 60 на центробежный компрессор 70 передается через трансмиссию (полумуфта вала турбины-промежуточный вал-полумуфта вала компрессора). В качестве топлива газотурбинного двигателя 60 используют подготовленный, очищенный от примесей и осушенный, к сжижению природный газ, что исключает необходимость предварительной отдельной очистки топлива для газотурбинного двигателя и, как следствие, потребность в дорогостоящих фильтрах тонкой очистки топлива.
Особенность работы газоперекачивающего агрегата заключается в необходимости высокой чистоты воздуха, поступающего в газотурбинный двигатель 60, и утилизации тепла отходящих из него газов. Подготовка воздуха для газотурбинного двигателя 60 осуществляется в комплексном воздухоочистительном устройстве 10, куда по линии 1 через воздухозаборные каналы (окна) в блок фильтров 10.1 поступает атмосферный воздух с температурой окружающей среды. Во избежание обледенений фильтров комплексного воздухоочистительного устройства 10 вследствие открытие байпаса по линии 5, а также возможного попадания частиц льда и посторонних частиц на лопатки многоступенчатого осевого компрессора газотурбинного двигателя 60 в зимнее время в комплексном воздухоочистительном устройстве 10 обеспечивается подогрев атмосферного воздуха за счет его смешения с горячим воздухом, поступающим в комплексное воздухоочистительное устройство 10 по линии 4 из системы подогрева циркуляционного воздуха 40 и линии 3 из автономной антиобледенительной системы 20. Подогретый поток по линии 6, представляющей собой воздуховод, поступает на газотурбинный двигатель 60.
Система подогрева циркуляционного воздуха 40 обеспечивает подогрев воздуха за счет подачи горячего воздуха, отбор которого производится из осевого компрессора газотурбинного двигателя 60 по линии 7. Этот тепловой поток практически стабилен в любое время года. Автономная антиобледенительная система 20 объединена с системой обогрева ангарного укрытия (на фигуре 1 не показана). Поступающий в него по линии 2 атмосферный воздух попадает в блок подогрева атмосферного воздуха 20.2, где нагревается до требуемой температуры в трубчатом теплообменнике с помощью дымовых газов открытого пламени газовых горелок с широким диапазоном устойчивой работы, после чего отработанные газы выводятся по линии 15. Для обеспечения требуемого давления топливного газа перед входом по линии 14 в газовые горелки блока подогрева атмосферного воздуха 20.2 автономную антиобледенительную систему 20 снабжают узлом редуцирования 20.1 с подачей топливного газа по линии 13. Далее горячий воздух из трубчатого теплообменника блока подогрева атмосферного воздуха 20.2 по линии 3 подается в комплексное воздухоочистительное устройство 10 и, смешиваясь с холодным атмосферным воздухом и проходя через блок фильтров 10.1, поступает на вход газотурбинного двигателя 60 по линии 6. В зимнее время автономная антиобледенительная система 20 является основной противообледенительной системой, а система подогрева циркуляционного воздуха 40 - вспомогательной и выполняет функции резервной.
Автономная антиобледенительная система 20 и система подогрева циркуляционного воздуха 40 включаются и отключаются автоматически по сигналу системы автоматизированного управления 30 при достижении условий обледенения по линиям 16 и 17, соответственно, или в случае неисправности системы автоматизированного управления 30 управление обеспечивается дистанционно с пульта управления компрессорной станцией 80 по линиям 18 и 19 при помощи шиберных устройств 90 и 100, соответственно.
Продукты сгорания топлива - отходящие газы газотурбинного двигателя 60 с температурой порядка 440-600°С проходят по линии 8 через рекуперативный теплообменный аппарат 50, в котором тепловая энергия горячих отходящих газов отводится за счет поступающего по линии 11 высокотемпературного органического теплоносителя до примерно 200-250°С. Далее нагретый теплоноситель по линии 12 поступает в заводскую систему органического теплоносителя и распределяется между потребителями, а охлажденные отходящие газы по линии 9 выбрасываются в атмосферу.
Эффективность заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами.
2
Пример 1. На газоперекачивающем агрегате ГПА-12Р «Урал» температура отходящих газов на входе составляет 440°С, расход газов - 46,7 кг/с. В соответствии с прототипом на потоке отходящих газов в системе рекуперации тепла установлен рекуперативный теплообменный аппарат, в котором атмосферный воздух нагревается прямотоком от 0 до 300°С, температурный напор (разница между конечными температурами нагреваемого воздуха и охлаждаемого отходящего газа) принят 80°С. Температура отходящего газа, выбрасываемого в атмосферу - 380°С. Теплоемкость воздуха и отходящих газов - 0,25 ккал/(кг*градус). Расчетное время годовой эксплуатации - 8000 часов. Теплотворная способность условного топлива 11000 ккал/кг. Коэффициент теплопередачи в системе газ-газ 20 ккал/(м*час*градус). Результаты расчетов:
а) количество утилизированного тепла:
46,7*0,25*(440-380)=700,5 ккал/с=20174400000 ккал/год;
б) количество сэкономленного условного топлива:
20174400000/11000=1834036 кг/г=1834 т/г;
в) количество нагреваемого атмосферного воздуха:
700,5/(0,25*(300-0))=9,34 кг/с;
г) среднелогарифмический температурный напор:
(440-80)/1,705=211,14°С;
д) поверхность теплообмена в рекуперативном теплообменнике:
2
700,5*3600/(20*211,14)=597,2 м.
2
Пример 2. На газоперекачивающем агрегате ГПА-12Р «Урал» температура отходящих газов на входе составляет 440°С, расход газов - 46,7 кг/с. В соответствии с заявляемым изобретением на потоке отходящих газов в системе утилизации тепла установлен рекуперативный теплообменный аппарат, в котором нефтяная масляная фракция нагревается прямотоком от 0 до 200°С, температурный напор (разница между конечными температурами нагреваемой масляной фракции и охлаждаемого отходящего газа) принят 80°С. Температура отходящего газа, выбрасываемого в атмосферу - 280°С. Теплоемкость отходящих газов - 0,25 ккал/(кг*градус), теплоемкость масляной фракции - 0,4 ккал/(кг*градус). Расчетное время годовой эксплуатации - 8000 часов. Теплотворная способность условного топлива 11000 ккал/кг. Коэффициент теплопередачи в системе газ-жидкость 200 ккал/(м*час*градус). Результаты расчетов:
а) количество утилизированного тепла:
46,7*0,25*(440-280)=1868 ккал/с=53798400000 ккал/год;
б) количество сэкономленного условного топлива:
53798400000/11000=4890763 кг/г=4890,7 т/г;
в) количество нагреваемой нефтяной масляной фракции:
1868/(0,4*(200-0))=23,35 кг/с;
г) среднеарифметический температурный напор:
(240+280)/2=260°С;
д) поверхность теплообмена в рекуперативном теплообменнике:
2
1868*3600/(200*260)=129,3 м.
Сопоставление результатов расчета некоторых показателей газоперекачивающего агрегата показывает, что заявляемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет:
- сэкономить за счет рекуперации тепла 3050,7 т/г условного топлива или, с учетом средней стоимости расходуемой тонны условного топлива 3766 руб./т (Паспорт. Программы инновационного развития Холдинга ПАО «РАО ЭС Востока» на 2016-2020 гг. с перспективной до 2025 г. [Электронный ресурс] / URL: www.rao-esv.ru>upload/block/383/raoesv_1q2016…ru.pdf (дата обращения 21.12.2017 г.)) по данным консорциума «Сахалин-1» за 2016 г., получить ожидаемый экономический эффект около 11,5 млн. руб. на один газоперекачивающий агрегат;
- уменьшить поверхность теплообмена в рекуперативном теплообменном аппарате и, соответственно, его стоимость в 4,6 раз при одновременном увеличении теплосъема в 2,66 раз.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет обеспечить совершенствование антиобледенительных и рекуперационных систем газоперекачивающих агрегатов с целью повышения экономической эффективности и надежности их эксплуатации.