КОМБИНИРОВАННАЯ УТИЛИЗАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
COMBINED UTILIZING GAS TURBINE EXPANDER POWER PLANT OF COMPRESSOR STATION OF MAIN GAS LINE

Изобретение относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использовано при создании высокоэкономичных утилизационных энергетических газотурбинных установок собственных нужд на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известна энергоутилизационная паротурбинная установка с пентановым рабочим циклом, применимая для выработки электроэнергии на ГРС (Бухолдин Ю.С., Олефиренко В.М. Энергоутилизационная установка с пентановым рабочим циклом. // Газотурбинные технологии 2008. №1. С. 68-79). Несмотря на повышенную экономичность, недостатками утилизационных паротурбинных установок являются увеличение числа входящих в них агрегатов, потребность в использовании воды для конденсации пара низкокипящих жидкостей.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является утилизационная энергетическая газотурбинная установка (УЭГТУ) для выработки электроэнергии собственных нужд на компрессорной станции. УЭГТУ состоит из приводной газотурбинной установки (ГТУ) компрессорной станции и утилизационной газотурбинной установки (УГТУ). При этом приводная ГТУ содержит газогенератор, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины. УГТУ содержит компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор. Вход компрессора утилизационной газотурбинной установки связан с атмосферой, а выход компрессора связан через регенеративный теплообменный аппарат с камерой сгорания, соединенной с входом газовой турбины. Расширенные в силовой газовой турбине приводной ГТУ продукты сгорания передают теплоту в регенеративном теплообменном аппарате сжатому в компрессоре УГТУ воздуху и сбрасываются в атмосферу. В камеру сгорания приводной ГТУ и в камеру сгорания УГТУ подают топливо. Газовая турбина и компрессор УГТУ имеют общий вал с электрогенератором.
Утилизация теплоты уходящих газов силовой турбины приводной ГТУ в теплообменнике позволяет повысить тепловую экономичность УГТУ, а сжигание топлива в камере сгорания утилизационной энергетической газотурбинной установки увеличивает выработку электроэнергии в электрогенераторе, которая может быть использована для энергоснабжения собственных нужд компрессорной станции и для энергоснабжения внешних потребителей. (Р.З. Тумашев, С.С. Михеев, Б.А. Куникеев. Производство электроэнергии на компрессорных станциях утилизационными газотурбинными установками. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. «Машиностроение») 2016, №1, С. 44-53, Рис. 1).
Данное техническое решение принято за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатком этой УЭГТУ является потеря теплоты уходящих газов газовой турбины УГТУ и ее небольшая электрическая мощность.
Технической задачей изобретения является повышение электрической мощности и тепловой экономичности утилизационной энергетической газотурбинной установки.
Поставленная задача достигается за счет того, что комбинированная утилизационная энергетическая газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода состоит из приводной газотурбинной установки, содержащей газогенератор, силовую газовую турбину, нагнетатель природного газа, регенеративный теплообменный аппарат, установленный в выхлопном газоходе силовой газовой турбины, и утилизационной газотурбинной установки, содержащей компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор; при этом выход силовой газовой турбины связан с атмосферой через регенеративный теплообменный аппарат, а выход компрессора утилизационной газотурбинной установки связан напорным воздуховодом и трубопроводом сжатого воздуха через теплообменную поверхность регенеративного теплообменного аппарата и камеру сгорания утилизационной газотурбинной установки с газовой турбиной утилизационной газотурбинной установки, причем она снабжена дополнительным регенеративным теплообменным аппаратом, и дополнительным трубопроводом сжатого воздуха, причем дополнительный регенеративный теплообменный аппарат установлен в выхлопном газоходе газовой турбины утилизационной газотурбинной установки, выход компрессора утилизационной газотурбинной установки соединен дополнительным трубопроводом сжатого воздуха через теплообменную поверхность дополнительного регенеративного теплообменного аппарата и трубопровод подогретого сжатого воздуха с камерой сгорания утилизационной газотурбинной установки.
На Фиг. 1 представлена тепловая схема комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установки компрессорной станции магистрального газопровода. Она содержит газогенератор 1, силовую газовую турбину 2, нагнетатель 3, регенеративный теплообменный аппарат 4, компрессор 5, газовую турбину 6, электрогенератор - 7, камеру сгорания 8, напорный воздуховод 9, трубопровод сжатого воздуха 10, дополнительный трубопровод сжатого воздуха 11, дополнительный регенеративный теплообменный аппарат 12, трубопровод подогретого сжатого воздуха 13.
Вход компрессора газогенератора 1 связан с атмосферой, а выход газогенератора связан по продуктам сгорания с входом силовой газовой турбины 2. Силовая газовая турбина 2 связана валом с нагнетателем 3. Выход силовой газовой турбины 2 связан по продуктам сгорания через регенеративный теплообменный аппарат 4 с атмосферой. Вход компрессора 5 соединен с атмосферой, а его выход связан по сжатому воздуху через напорный воздуховод 9, трубопровод сжатого воздуха 10, теплообменную поверхность регенеративного теплообменного аппарата 4, трубопровод подогретого сжатого воздуха 13 и камеру сгорания 8 с входом газовой турбины 6. Ее выход по продуктам сгорания связан через дополнительный регенеративный теплообменный аппарат 12 с атмосферой. Напорный воздуховод 9 связан дополнительным трубопроводом 11 сжатого воздуха через теплообменную поверхность дополнительного регенеративного теплообменного аппарата 12 с камерой сгорания 8.
Комбинированная утилизационная газотурбинная установка компрессорной станции магистрального газопровода работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре газогенератора 1, продукты сгорания из него подают на вход силовой газовой турбины 2. Ее полезную работу используют для привода нагнетателя 3, сжимающего природный газ. Воздух, сжатый в компрессоре 5, подают в напорный воздуховод 9. Продукты сгорания, расширенные в силовой газовой турбине 2 подают в теплообменную поверхность регенеративного теплообменного аппарата 4, где их теплоту используют для подогрева первой части воздуха (порядка 45-50%) от полного количества воздуха, сжатого в компрессоре 5. Эту часть воздуха подают по напорному воздуховоду 9 и трубопроводу сжатого воздуха 10 в теплообменную поверхность регенеративного теплообменного аппарата 4. Из него по трубопроводу подогретого сжатого воздуха 13 его подают в камеру сгорания 8. Вторую часть воздуха, сжатого в компрессоре 5, отбирают из напорного воздуховода 9 и по дополнительному трубопроводу сжатого воздуха 11 подают через теплообменную поверхность дополнительного регенеративного теплообменного аппарата 12 в камеру сгорания 8, куда также подводят топливо. Продукты сгорания расширяют в газовой турбине 6 и направляют в атмосферу через дополнительный регенеративный теплообменный аппарат 12. Теплоту этих продуктов сгорания используют в регенеративном теплообменном аппарате 12 для подогрева второй части сжатого воздуха, подаваемого в камеру сгорания 8. Полезную работу утилизационной газотурбинной установки используют для привода компрессора 5 и электрогенератора 7, вырабатывающего электроэнергию.
В регенеративном теплообменном аппарате 4 утилизируют теплоту выхлопных газов силовой газовой турбины 2, а в дополнительном регенеративном теплообменном аппарате 12 утилизируют теплоту выхлопных газов газовой турбины 6, что позволяет увеличить расход воздуха сжимаемого в компрессоре 5 и, соответственно, увеличить расход сжатого воздуха и топлива, подаваемых в камеру сгорания 8, мощность газовой турбины 6 и электрогенератора 7. Таким образом, применение в комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установке магистрального газопровода дополнительного регенеративного теплообменного аппарата и дополнительного трубопровода сжатого воздуха позволяет:
- повысить тепловую экономичность комбинированной утилизационной энергетической газотурбинной установки;
- при той же приводной газоперекачивающей установке, что и в прототипе, существенно увеличить электрическую мощность комбинированной утилизационной газотурбинной установки;
- увеличить мощность электрогенератора, выработку электрической энергии для энергоснабжения собственных нужд компрессорной станции и внешних потребителей.