ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ

Полезная модель относится к газовой промышленности, а именно, к газораспределительным станциям с применением турбодетандерной технологии понижения давления природного газа, и может быть использована для комбинированной выработки электроэнергии, промышленного холода и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов за счет использования энергии перепада давления природного газа на входе и выходе газораспределительной станции.
Наиболее близким техническим решением к настоящей полезной модели является газораспределительная станция, содержащая магистрали высокого и низкого давления природного газа, соединенные между собой при помощи редуцирующего устройства и через байпасный газопровод, в котором последовательно установлены газотурбинная установка и теплоутилизирующая турбодетандерная установка, которая имеет электрогенератор, соединенный с потребителем электроэнергии (Патент RU №2009389, МПК F17D 1/04, 15.03.1994).
Основным недостатком известной газораспределительной станции является недостаточно высокий коэффициент полезного действия (до 45%), связанный с особенностями термодинамического цикла газотурбинной установки с регенерацией тепла.
Природный газ в теплообменнике-утилизаторе омывается высокотемпературным потоком продуктов сгорания (350…500°С) газотурбинного двигателя, что приводит к пиролизу природного газа и ухудшает его физические и термодинамические свойства.
Дросселирование газотурбинного двигателя за счет регулирования температуры в камере сгорания приводит (на режимах пониженной мощности) к повышению удельного расхода топлива и увеличению выбросов загрязняющих веществ с продуктами сгорания.
Кроме этого, недостатком известной газораспределительной станции являются ограниченные функциональные возможности, так как она не позволяет вырабатывать конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Задачей полезной модели является повышение коэффициента полезного действия (КПД) за счет использования низкотемпературного природного газа для охлаждения отработавших газов газотурбинной установки, исключение пиролиза природного газа, снижение вредных выбросов в окружающую среду за счет уменьшения удельного расхода топлива в газотурбинной установке, а также расширение функциональных возможностей за счет выработки конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Технический результат достигается тем, что газораспределительная станция, содержащая магистрали высокого и низкого давления природного газа, соединенные между собой при помощи редуцирующего устройства и через байпасный газопровод, в котором последовательно установлены газотурбинная установка и теплоутилизирующая турбодетандерная установка, каждая из которых имеет электрогенератор, соединенный с потребителем электроэнергии, согласно полезной модели, снабжена энергоутилизационной турбодетандерной установкой с электрогенератором, соединенным с потребителем электроэнергии, которая выполнена с возможностью выработки низкотемпературного природного газа и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, а газотурбинная установка выполнена в виде газотурбинной установки с обращенным газогенератором с возможностью его охлаждения низкотемпературным природным газом, причем теплоутилизирующая турбодетандерная установка выполнена с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого отработавшими газами обращенного газогенератора.
Таким образом, основным техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия благодаря наличию энергоутилизационной турбодетандерной установки, вырабатывающей низкотемпературный природный газ, выполнению газотурбинной установки в виде газотурбинной установки с обращенным газогенератором, охлаждаемого низкотемпературным природным газом, и выполнению теплоутилизирующей турбодетандерной установки с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого отработавшими газами обращенного газогенератора.
Кроме этого, техническим результатом является исключение пиролиза природного газа, а также снижение вредных выбросов в окружающую среду за счет использования обращенного газогенератора, расширение функциональных возможностей благодаря наличию энергоутилизационной турбодетандерной установки, выполненной с возможностью выработки конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема предлагаемой газораспределительной станции. На чертеже цифрами обозначены:
1 - магистраль высокого давления природного газа,
2 - магистраль низкого давления природного газа,
3 - редуцирующее устройство,
4 - байпасный газопровод,
5 - газотурбинная установка с обращенным газогенератором,
6 - электрогенератор газотурбинной установки,
7 - теплоутилизирующая турбодетандерная установка,
8 - электрогенератор теплоутилизирующей установки,
9 - энергоутилизационная турбодетандерная установка,
10 - электрогенератор энергоутилизационной установки.
Газораспределительная станция содержит магистрали высокого 1 и низкого 2 давления природного газа, соединенные между собой при помощи редуцирующего устройства 3 и через байпасный газопровод 4.
В байпасном газопроводе 4 последовательно установлены газотурбинная установка 5, имеющая электрогенератор 6, и теплоутилизирующая турбодетандерная установка 7, имеющая электрогенератор 8. Электрогенераторы 6 и 8 соединены с потребителем электроэнергии, например с компрессорной станцией.
Отличием предлагаемой газораспределительной станции является то, что она снабжена энергоутилизационной турбодетандерной установкой 9 с электрогенератором 10, соединенным с потребителем электроэнергии.
Энергоутилизационная турбодетандерная установка 9 выполнена с возможностью выработки низкотемпературного природного газа и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Газотурбинная установка 5 выполнена в виде газотурбинной установки с обращенным газогенератором, который охлаждается низкотемпературным природным газом.
Теплоутилизирующая турбодетандерная установка 7 выполнена с возможностью утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа, нагретого отработавшими газами обращенного газогенератора газотурбинной установки 5.
Предлагаемая газораспределительная станция работает следующим образом.
Природный газ забирают из магистрали 1 высокого давления перед редуцирующим устройством 3 и через байпасный газопровод 4 направляют в энергоутилизационную турбодетандерную установку 9, узлы и агрегаты которой на чертеже условно не показаны, для выработки низкотемпературного природного газа и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов при расширении в турбодетандере установки 9.
2
Срабатывание избыточного давления природного газа в турбодетандере установки 9 сопровождается резким снижением температуры газа, что становится причиной выпадения твердых гидратов воды, углекислого газа CO и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов. Мощность турбодетандера передается соединенному на одном валу электрогенератору 10. Низкотемпературный природный газ на выходе из турбодетандера установки 9 направляют в сепаратор-отделитель жидкой фазы низкотемпературного природного газа.
Выработанный конденсат в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов может использоваться как моторное топливо, например для автотранспорта, сжигания в котлоагрегатах и камерах сгорания энергетических установок.
Отсепарированный низкотемпературный природный газ направляют в теплообменник-охладитель воздушного компрессора газотурбинной установки 5 с обращенным газогенератором, узлы и агрегаты которой на чертеже условно не показаны.
Теплообменник-охладитель воздушного компрессора используют при положительных температурах окружающей среды, для осушения наружного воздуха, при котором происходит конденсация влаги с дальнейшим дренажным сливом выделившейся влаги.
При отрицательных температурах окружающей среды отсепарированный низкотемпературный природный газ направляют непосредственно в теплообменник-охладитель обращенного газогенератора газотурбинной установки 5 через байпасный трубопровод.
Обращенный газогенератор газотурбинной установки 5 охлаждают низкотемпературным природным газом, вырабатываемым в энергоутилизационной турбодетандерной установке 9. В процессе теплообмена низкотемпературного природного газа с отработавшими газами обращенного газогенератора, происходит осушение отработавших газов обращенного газогенератора с дальнейшим дренажным сливом выделившейся влаги.
Низкотемпературный природный газ, нагретый полученной теплотой от отработавших газов обращенного газогенератора газотурбинной установки 5, направляют в теплоутилизирующую турбодетандерную установку 7 для утилизации низкопотенциальной теплоты природного газа высокого давления при его расширении в теплоутилизирующей турбодетандерной установке 7, который на выходе, через байпасный газопровод 4, соединен с магистралью 2 низкого давления природного газа. Мощность теплоутилизирующей турбодетандерной установки 7 передается соединенному на одном валу электрогенератору 8.
Работа газотурбинной установки 5 с обращенным газогенератором, узлы и агрегаты которой на чертеже условно не показаны, осуществляется по схеме:
всос наружного воздуха в проточную часть воздушного компрессора,
охлаждение и осушение в теплообменнике-охладителе воздушного компрессора,
сжатие его в многоступенчатом воздушном компрессоре,
подвод теплоты в камере сгорания,
расширение в компрессорной турбине и силовой турбине,
перерасширение в турбине обращенного газогенератора,
охлаждение и осушение в теплообменнике-охладителе,
сжатие в дожимающем компрессоре.
Мощность силовой турбины газотурбинной установки 5 передается соединенному на одном валу электрогенератору 6.
Пример 1 конкретного выполнения.
е
Предлагаемая газораспределительная станция, имеющая газотурбинную установку 5 на основе газотурбинного двигателя (ГТД) типа НК-16СТ с расчетным эффективным КПД η=0,277.
Газотурбинный двигатель типа НК-16СТ при использовании обращенного газогенератора, установленного в существующем газоходе за силовой турбиной ГТД, имеет следующие параметры термодинамического цикла:
температуру осушенного воздуха на входе в компрессор 273,15 К,
расход циклового воздуха 78,87 кг/с,
к
степень повышения давления в компрессоре π=9,5744,
кс
температуру в камере сгорания Т=1100 К,
расход топливного газа в камере сгорания 0,8824 кг/с,
г
г
температуру продуктов сгорания перед силовой турбиной Т=826,34 К, температуру продуктов сгорания за турбиной перерасширения обращенного газогенератора на входе в теплообменник-охладитель Т=522,3 К,
г
давление продуктов сгорания за турбиной перерасширения обращенного газогенератора на входе в теплообменник-охладитель Р=0,0361 МПа,
г
температуру продуктов сгорания на входе в дожимающий компрессор за теплообменником-охладителем обращенного газогенератора Т=273,15 К,
г
давление продуктов сгорания на входе в дожимающий компрессор за теплообменником-охладителем обращенного газогенератора Р=0,0346 МПа,
е
эффективный КПД η=0,353,
температуру продуктов сгорания на выхлопе за дожимающим компрессором обращенного газогенератора 383,13 К.
Применение указанного ГТД с обращенным газогенератором позволяет получить эффективную мощность на валу силовой турбины для привода электрогенератора 6, равную 16 МВт.
При этом для понижения давления транспортируемого природного газа при начальном давлении 5,5 МПа и расходе в 100 кг/с, используются:
энергоутилизационная турбодетандерная установка 9, имеющая расчетный изоэнтропийный КПД турбодетандера =0,87 с параметрами:
пг
пг
на входе Т=288,15 К, Р=5,5 МПа,
пг
пг
на выходе Т=255,15 К, Р=3,2 МПа,
мощность для привода электрогенератора 10, равна 4,782 МВт;
теплоутилизирующая турбодетандерная установка 7, имеющая расчетный изоэнтропийный КПД=0,87 с параметрами:
пт
пг
на входе Т=337,13 К, Р=3 МПа,
пг
пг
на выходе Т=281,07 К, Р=1,25 МПа,
мощность для привода электрогенератора 8, равна 10,175 МВт.
В целом, при расходе природного газа, равном 100 кг/с, и начальным давлением 5,5 МПа суммарная электрическая мощность предлагаемой газораспределительной станции, затрачиваемая на привод электрогенераторов 6, 8 и 10, составляет 30,649 МВт, а эффективный КПД предлагаемой газораспределительной станции системы распределения природного газа составляет 0,676.
Использование более экономичных ГТД, а также повышение начального давления транспортируемого природного газа, приведет к еще большому увеличению эффективного КПД предлагаемой газораспределительной станции.
Пример 2 конкретного выполнения.
е
Предлагаемая газораспределительная станция, имеющая газотурбинную установку 5 на основе ГТД типа ГТА-6РМ с расчетным эффективным КПД η=0,258.
Газотурбинный двигатель типа ГТА-6РМ при использовании обращенного газогенератора, установленного в существующем газоходе за силовой турбиной ГТД, имеет следующие параметры термодинамического цикла:
температуру осушенного воздуха на входе в компрессор 273,15 К,
расход циклового воздуха 40 кг/с,
к
степень повышения давления в компрессоре π=8,523,
кс
температуру в камере сгорания Т=1050 К,
расход топливного газа в камере сгорания 0,4918 кг/с,
г
температуру продуктов сгорания перед силовой турбиной Т=770,27 К,
г
температуру продуктов сгорания за турбиной перерасширения обращенного газогенератора на входе в теплообменник-охладитель Т=507,75 К,
г
давление продуктов сгорания за турбиной перерасширения обращенного газогенератора на входе в теплообменник-охладитель Р=0,0364 МПа,
г
температуру продуктов сгорания на входе в дожимающий компрессор за теплообменником-охладителем обращенного газогенератора Т=273,15 К,
г
давление продуктов сгорания на входе в дожимающий компрессор за теплообменником-охладителем обращенного газогенератора Р=0,0349 МПа,
е
эффективный КПД η=0,316,
температуру продуктов сгорания на выхлопе за дожимающим компрессором обращенного газогенератора 383,13 К.
Применение указанного ГТД с обращенным газогенератором позволяет получить эффективную мощность на валу силовой турбины для привода электрогенератора 6, равную 6,86 МВт.
При этом для понижения давления транспортируемого природного газа при начальном давлении 5,5 МПа и расходе в 50 кг/с, используются:
энергоутилизационная турбодетандерная установка 9, имеющая расчетный изоэнтропийный КПД турбодетандера =0,87 с параметрами:
пг
пг
на входе Т=288,15 К, Р=5,5 МПа,
пг
пг
на выходе Т=255,15 К, Р=3,2 МПа,
мощность для привода электрогенератора 10, равна 2,3912 МВт;
теплоутилизирующая турбодетандерная установка 7, имеющая расчетный изоэнтропийный КПД=0,87 с параметрами:
пг
пг
на входе Т=339,59 К, Р=3 МПа,
пг
пг
на выходе Т=283,29 К, Р=1,25 МПа,
мощность для привода электрогенератора 8, равна 5,1308 МВт.
В целом, при расходе природного газа, равном 50 кг/с, и начальным давлением 5,5 МПа суммарная электрическая мощность предлагаемой газораспределительной станции, затрачиваемая на привод электрогенераторов 6, 8 и 10, составляет 14,2368 МВт, а эффективный КПД предлагаемой газораспределительной станции системы распределения природного газа составляет 0,65.
Использование более экономичных ГТД, а также повышение начального давления транспортируемого природного газа, приведет к еще большому увеличению эффективного КПД предлагаемой газораспределительной станции.
Таким образом, по сравнению с прототипом, при сохранении надежности функционирования, возможность варьирования режимами газотурбинной установки 5 с обращенным газогенератором, а также использование низкотемпературного природного газа, вырабатываемого в энергоутилизационной турбодетандерной установке 9, приводит к повышению коэффициента полезного действия (до 76%) предлагаемой газораспределительной станции и снижению выбросов (до 60%) окислов азота в процессе конденсации паров влаги, содержащихся в выхлопных газах газотурбинной установки 5 с обращенным газогенератором, исключению пиролиза природного газа, расширению функциональных возможностей за счет получения конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов.
Предлагаемая газораспределительная станция позволяет повысить эффективность съема электрической энергии с одного килограмма природного газа, широко варьировать мощностями электрогенераторов в зависимости от запросов потребителя, обеспечить гарантийные значения давления и температуры газа, транспортируемого в системах газораспределительных пунктов, а также осуществить утилизацию: теплоты продуктов сгорания газотурбинного двигателя, физической эксергии природного газа, транспортируемого по магистральным трубопроводам под высоким давлением.