УСТАНОВКА ЭЛЕКТРО-ТЕПЛО-ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ДОБЫЧИ, ТРАНСПОРТА И ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Полезная модель относится к системам когенерации электрической и тепловой энергии и может быть использована в газовой, нефтяной и газоперерабатывающей промышленности для комплектации установок автономного электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья (природного газа).
Известна парогазовая установка электростанции, (патент РФ №2362022 по кл. F01K 23/00, опубл. в 2006 г.), которая содержит газотурбинную установку, состоящую из газовой турбины, турбокомпрессора, камеры сгорания и электрогенератора, котел-утилизатор, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и питательного насоса, теплообменник-утилизатор теплоты уходящих газов, снабженный конденсатосборником с гидрозатвором, водоподготовительную установку, содержащую декарбонизатор, систему оборотного водоснабжения, включающую циркуляционный насос, напорный трубопровод к конденсатору паровой турбины, напорный трубопровод к теплообменнику-утилизатору теплоты уходящих газов и сливной напорный трубопровод к градирне, состоящей из вытяжной башни и водосборного бассейна, трубопровод, соединяющий патрубок отвода воздуха из декарбонизатора с всасывающим коробом турбокомпрессора.
Достоинством установки является возможность частичного восполнения конденсатом водяных паров, поступающим в конденсатосборник из теплообменника-утилизатора, потерь охлаждающей воды, уносимой из вытяжной башни градирни. Но для штатной эксплуатации установки и для ее пуска в работу требуется наличие системы водоснабжения.
Основными недостатками известной установки являются:
- невысокая надежность вследствие применения в качестве единственного источника теплоты газотурбинной установки (имеющей ресурс непрерывной работы существенно меньший, чем подключенная к ГТУ паротурбинная установка);
- отсутствие технических решений по выработке тепловой (для нужд теплоснабжения) энергии на базе генерации электроэнергии и невысокая энергоэффективность - низкий коэффициент использования топлива на производство товарной продукции (электроэнергии) вследствие отвода в атмосферу через градирню теплоты конденсации пара паротурбинной установки.
- недостаточная энергоэффективность, обусловленная дополнительными аэродинамическими потерями потоку парогазового рабочего тела в трубопроводе, соединяющем декарбонизатор и вход турбокомпрессора (на входе установки), и в теплообменнике-утилизаторе (на выходе установки).
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию промышленных стоков (водных растворов от промывки оборудования), что снижает экологическую безопасность известной установки.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является парогазовая установка для комбинированного производства тепловой и электрической энергии, (патент РФ №2326246 по кл. F01K 17/02, опубл. в 2008 г.), которая состоит из газотурбинной установки (ГТУ), соединенной с паровым котлом-утилизатором и дополнительного парового котла-утилизатора, связанных с паровой теплофикационной турбиной, теплообменник конденсатора которой и пиковый бойлер, пар на который поступает от котлов-утилизаторов через редукционно-охладительную установку, включены в линию подогрева сетевой воды, поступающей к потребителю, и суховоздушной градирни с сетевым насосом рециркуляции, снабжена второй ГТУ, соединенной с дополнительным котлом-утилизатором и дополнительным бойлером, причем дополнительный бойлер подсоединен по пару к отбору теплофикационной турбины, а по воде включен между теплообменником конденсатора и пиковым бойлером, к выходу которого подключена суховоздушная градирня с насосом рециркуляции.
Достоинством известной установки является возможность обеспечения комбинированной выработки электроэнергии и теплоты для нужд теплоснабжения и несколько большая (по сравнению с аналогом - парогазовой установкой, патент РФ №2362022) ее надежность, обусловленные применением двух, параллельно подключенных к теплофикационной турбине модулей, каждый из которых включает ГТУ - привод электрогенератора и паровой котел-утилизатор.
Недостатками известной установки являются:
- отсутствие технических решений по утилизации конденсата водяных паров из выхлопных газов ГТУ и технических решений по использованию конденсата для нужд водоснабжения установки;
- для штатной эксплуатации установки и для ее пуска в работу требуется наличие системы водоснабжения;
- недостаточная энергоэффективность установки, обусловленная применением дополнительного насоса рециркуляции суховоздушной градирни (обеспечивающей конденсацию пара на выходе из теплофикационной турбины при снижении отпуска теплоты от установки на теплоснабжение), а также применением редукционно-охладительных установок на входах пара из котлов-утилизаторов в пиковый бойлер сетевой воды.
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию промышленных стоков (водных растворов от промывки оборудования), что снижает ее экологическую безопасность.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение надежности (ресурса непрерывной работы) установки электро-тепло-водоснабжения, повышение ее энергоэффективности и экологической безопасности.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является снижение удельного потребления топлива на установку совместной выработки электрической и тепловой энергии и водоснабжения, увеличение срока ее межремонтной эксплуатации, уменьшение количества промышленных стоков.
Указанный технический результат достигается тем, что в установку электро-тепло-водоснабжения, содержащую газотурбинную установку 1, подключенную по тракту выхлопных газов через дымовой шибер 2 к паровому котлу-утилизатору 3 и дополнительный паровой котел-утилизатор 4, выходные паропроводы которых связаны с паровой теплофикационной турбиной 5, кинематически соединенной с электрогенератором 6, теплообменник-конденсатор 7 которой подключен к линии подогрева теплофикационной воды; сетевой циркуляционный насос 8; питательный насос 9; деаэратор 10 с насосом 11, согласно полезной модели, дополнительно входят газовый компрессор 12, кинематически соединенный с газотурбинной установкой 1; конденсатор воздушного охлаждения 13; нейтрализатор промстоков огневой 14 с дымовой трубой 15, газоходом 16, шибером 17, форсункой водяного конденсата 18, конденсатным патрубком 19, входным топливным патрубком 20; насос пароструйный 21; охладитель водяного конденсата 22; фильтр водяного конденсата 23, при этом выход дымовых газов из газохода нейтрализатора 16 подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор 4, а выход дымовых газов из котла 4 подключен к дымовой трубе 15 нейтрализатора 14, форсунка 18 размещена в дымовой трубе 15 нейтрализатора 14, причем вход водяного конденсата в форсунку 18 подключен к выходу охладителя водяного конденсата 22, вход которого соединен с выходом фильтра 23, вход которого подключен к выходу деаэратора 10, вход сконденсированной воды в который подключен к конденсатному патрубку 19 дымовой трубы 15, вход пара в пароструйный насос 21 подключен к выходу пара из котлов-утилизаторов 3 и 4, а вход водяного конденсата в пароструйный насос 21 подключен к выходу теплообменника-конденсатора 7 и к выходу конденсатора воздушного охлаждения 13.
Увеличение надежности (ресурса непрерывной работы) установки электро-тепло-водоснабжения обеспечивается подключением к дополнительному паровому котлу-утилизатору 4 высоконадежного источника теплоты - огневого нейтрализатора промстоков 14, функционирующего в непрерывном режиме эксплуатации. Кроме того, повышение надежности работы предлагаемой установки обеспечивается использованием нескольких (один из которых показан на чертеже) взаиморезервирующих газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом 1, укомплектованных паровыми котлами-утилизаторами 3, входящих в состав предприятий добычи, транспорта и переработки. Тем самым обеспечивается высоконадежные независимые источники пароснабжения теплофикационных турбин 5 (одна из которых показана на чертеже).
Для повышения надежности установки параллельно питательному насосу 9 паровых котлов подключен пароструйный насос 21.
Увеличение срока непрерывной работы (срока межремонтной эксплуатации) предлагаемой установки когенерации и снижение затрат на водоснабжение обеспечивает также использование только конденсата водяных паров в качестве рабочего тела паротурбинной установки и исходной воды системы хозпитьевого водоснабжения предприятия. Исключить потери водяного конденсата на предлагаемой установке позволяет использование конденсатора воздушного охлаждения 13, подключенного параллельно теплообменнику-конденсатору 7 по потоку отработанного пара. Таким образом, при работе предлагаемой установки нет необходимости в отдельной системе водоснабжения.
Повышение энергоэффективности установки обеспечивается за счет полезного использования теплоты дымовых газов, выходящих из нейтрализатора 14 на генерацию водяного пара в парогенераторе 4, а также за счет использования теплоты высокотемпературного потока выхлопных газов ГТУ 1 (являющейся приводом газового компрессора 12 входящего в состав газоперекачивающего агрегата, ГПА, предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья), подаваемых на котел-утилизатор 3. Повышению энергоэффективности способствует также использование в качестве топлива на горелках нейтрализатора газовых и жидкофазных горючих отходов, подаваемых на входной топливный патрубок 20. При этом обеспечивается снижение удельного потребления товарной продукции основного производства (кондиционного топливного газа) на предлагаемую установку совместной выработки (когенерации) электрической и тепловой энергии и водоснабжения.
Экологическая безопасность предлагаемой установки когенерации (исключение загрязнения гидросферы и литосферы при подземном захоронении промстоков) обеспечивается за счет термического обезвреживания на нейтрализаторе промстоков 14 дренажа, отсепарированной воды и воды промывки оборудования предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья.
Установка электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема предлагаемой установки.
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - газотурбинная установка; 2 - дымовой шибер ГТУ; 3 - паровой котел-утилизатор ГПА; 4 - дополнительный паровой котел-утилизатор; 5 - паровая теплофикационная турбина; 6 - электрогенератор; 7 - теплообменник-конденсатор; 8 - сетевой циркуляционный насос; 9 - питательный насос (парогенераторов); 10 - деаэратор (декарбонизатор) водяного конденсата; 11 - насос деаэратора; 12 - газовый компрессор ГПА; 13 - конденсатор воздушного охлаждения; 14 - нейтрализатор промстоков огневой; 15 - дымовая труба нейтрализатора; 16 - газоход нейтрализатора; 17 - шибер дымовой нейтрализатора; 18 - форсунка водяного конденсата; 19 - конденсатный патрубок; 20 - входной топливный патрубок; 21 - насос пароструйный; 22 - охладитель водяного конденсата; 23 - фильтр водяного конденсата.
На чертеже также обозначены следующие технологические потоки: В - воздух на воздушный турбокомпрессор ГТУ; ВК - конденсат водяных паров; ВП - верхний (углеводородный) продукт колонн регенерации, подаваемый на термическое обезвреживание; ВТ - сконденсированная вода (неочищенный конденсат водяных паров); ГД - газы дегазации (на термическое обезвреживание); ГК1 - газ компримируемый на входе в ГПА; ГК2 - газ компримируемый на выходе из ГПА; ГТ1 - газ топливный на нейтрализатор промстоков огневой; ГТ2 - газ топливный на ГПА; Д - дренаж; ДГ1 - дымовые газы от нейтрализатора промстоков; ДГ2 - выхлопные газы от ГПА; ДГ3 - выхлопные газы от ГПА, поступающие в атмосферу; OВ - обратная вода из системы теплоснабжения; ПВ - прямая вода системы теплоснабжения; ХПВ - вода на установку подготовки хозпитьевой воды.
Установка электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья работает следующим образом.
Топливный газ (поток ГТ1 на схеме), включающий поток ВП - верхний (углеводородный) продукт колонн регенерации, подаваемый на термическую утилизацию и поток ГД - газов дегазации, поступает в качестве топлива на входной топливный патрубок 20 нейтрализатора промстоков огневого 14. На нейтрализатор 14 на термическое обезвреживание подаются дренаж Д из паровых котлов-утилизаторов 3 и 4 и деаэратора 10 и пригодные для термического обезвреживания промышленные стоки основных технологических установок (отсепарированная пластовая вода и вода промывки оборудования).
При работе установки на номинальной производительности при вводе в действие ГТУ 1, газотурбинного привода газового компрессора 12 ГПА предусмотрена подача на котел-утилизатор 3 потока ДГ2 - части высокотемпературного потока выхлопных газов для выработки в котле-утилизаторе 3 пара, подаваемого на паровой привод 5 электрогенератора 6.
Выходящий из камер термического обезвреживания нейтрализатора 14 поток дымовых газов ДГ1, содержащий водяные пары от термически обезвреженных промстоков и дренажа и от сжигания углеводородного топлива, поступает в сборный газоход нейтрализатора 16, подключенный к входу котла-утилизатора 4. Выходящий из газового тракта котла-утилизатора охлажденный поток дымовых газов поступает в дымовую трубу 15 нейтрализатора 14. Для обеспечения указанного выше направления движения потока дымовых газов ДГ1 от нейтрализатора 14 к котлу-утилизатору 4 (а также обеспечения возможности регулирования теплопроизводительности установки) газовый тракт нейтрализатора комплектуется шибером дымовым 17.
Для дальнейшего охлаждения и увлажнения потока дымовых газов ДГ1 с целью выделения из них сконденсированных водяных паров в дымовой трубе 15 размещена форсунка 18, на которую из охладителя водяного конденсата 22 подается поток ВК.
Сконденсированная вода (поток ВТ на схеме) представляющая неочищенный конденсат водяных паров (включающий сконденсированные водяные пары из дымовых газов и поток водяного конденсата ВК), отводится из патрубка конденсатного 19 дымовой трубы 15 и подается на вход деаэратора (декарбонизатора) 10. Первоначальное заполнение емкости деаэратора (декарбонизатора) 10 может быть произведено и без подачи потока водяного конденсата на форсунку 18, при малой теплопроизводительности нейтрализатора 14.
Из деаэратора (декарбонизатора) 10 погружным насосом 11, входящим в комплект, поток ВТ подается на фильтр водяного конденсата 23, а затем на охладитель водяного конденсата 22. Водяной конденсат, полученный на установке, не содержит минеральных примесей и солей и направляется на заполнение и подпитку рабочим телом водяного тракта паровых котлов-утилизаторов 3 и 4 и сети системы теплоснабжения. Качество водяного конденсата позволяет использовать его также в качестве исходной воды и подавать на установку подготовки хозпитьевой воды (поток ХПВ).
Теплота потока дымовых газов ДГ1, рекуперированная в паровых котлах-утилизаторах 3 и 4, обеспечивает генерацию перегретого водяного пара, подаваемого на теплофикационные турбины (паросиловой привод) 5 электрогенераторов 6. Часть потока перегретого пара из котлов-утилизаторов 3 и 4 предусмотрено подавать в качестве активного потока на пароструйный насос 21, включенный параллельно питательному насосу 9.
Отработанный пар на выходе паросилового привода 5 подается на параллельно подключенные теплообменник-конденсатор 7 и конденсатор воздушного охлаждения 13. В теплообменнике-конденсаторе 7 производится рекуперативный нагрев (теплотой основной части конденсируемого пара) потока теплофикационной воды ПВ системы теплоснабжения (водяного отопления) предприятия. Для обеспечения циркуляции теплофикационной воды в системе предусмотрен циркуляционный насос 8.
Несконденсированная в теплообменнике 7 часть водяного пара подается в конденсатор воздушного охлаждения 13. Водяной конденсат из указанных выше аппаратов подается на вход насосов 9 и 21, а затем на вход в водяной тракт котлов-утилизаторов 3 и 4.
Предложенная установка электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья обеспечивает повышение энергоэффективности и экологической безопасности совместной генерации электрической, тепловой энергии и выработку исходной воды для системы водоснабжения.
Экономический эффект от ее применения обусловлен увеличением срока ее непрерывной работы по сравнению с существующими техническими решениями и установками (первоначального ввода временной системы электроснабжения с приводом электрогенераторов от двигателей внутреннего сгорания, ввода системы водоснабжения от подземных водоисточников и ввода временной водогрейной отопительной котельной). Состав комплектующего установку основного оборудования вследствие высокой надежности не нуждается в замене или выводе в консервацию и может использоваться на всех этапах жизненного цикла предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья (природного газа), от начала строительства объекта до его вывода из эксплуатации.