АГРЕГАТНЫЙ БЛОК ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к средствам подготовки топливного газа и предназначена для использования на объектах газотранспортных предприятий в составе газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом, применяемых на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известен блок подготовки топливного и пускового газа (БПТПГ), предназначенный для установки на газовых компрессорных станциях магистральных газопроводов, и содержащий средства подготовки природного газа для использования его в качестве топлива для подачи в газотурбинный привод газоперекачивающего агрегата (ГПА) и средства подготовки природного газа для использования в качестве пускового газа - для первоначальной раскрутки турбины газотурбинного привода ГПА при пуске и прокрутке турбины при обслуживании (см. «Типовые технические требования на проектирование компрессорных станций (КС), дожимных компрессорных станций (ДКС) и дожимных компрессорных станций подземных хранилищ газа (ДКС ПХГ) ВРД 39-1.8-055-2002»). Размещается данный блок в капитальном здании.
В процессе работы известного блока природный газ давлением 5,5-7,5 МПа из магистрального газопровода поступает в систему фильтров, подвергается подогреву, как правило, в огневых подогревателях с промежуточным теплоносителем, вынесенными за пределы здания блока подготовки, и затем по отдельным веткам (топливного и пускового газа) подается в блоки редукторов, в которых происходит понижение давления газа до необходимого для топливного и пускового газа (в зависимости от типа газотурбинного привода). Подготовка импульсного газа осуществляется в отдельном устройстве, где происходит фильтрация и осушка природного газа.
2
Недостатками известного устройства являются большие габаритные размеры, сложность и большой объем монтажных и строительных работ, которые необходимо вести непосредственно на месте эксплуатации (КС, ДКС). Кроме того, указанные установки увеличивают площадь застройки при строительстве новых объектов газовой промышленности, так как они занимают достаточно большую площадь (часто более 150 м) и согласно нормативным документам из соображений безопасности должны находиться на достаточном удалении и от промышленных зданий и от другого газового оборудования.
Известна установка подготовки газа, содержащая устройства для очистки природного газа, измерения расхода газа, подогрева газа, редуцирования газа, подготовки газа на собственные нужды, установки, подготовки импульсного газа, а также системы управления, освещения, теплоснабжения, вентиляции, пожарообнаружения и контроля загазованности, охранной сигнализации, связи (патент РФ №88099, публ. 2009 г.).
При проектировании новых компрессорных станций состав входящего в них оборудования, а также блочную установку подготовки топливного, пускового и импульсного газа (БПТГ) необходимо проектировать и рассчитывать на максимальную пропускную способность, исходя из количества ГПА и дополнительных потребностей собственных нужд КС. При этом станционный БПТГ, рассчитанный на максимально возможную пропускную способность, большинство рабочего времени работает в нерасчетном (недогруженном) режиме, что снижает эффективность его использования. В то же время, поскольку от одного блока подготовки газ поступает на несколько ГПА, то требуется большое количество магистралей, прокладываемых, как правило, подземно, либо в теплоизоляции, что требует проведения значительного объема строительных (земляных) работ. Кроме того, даже при достаточно эффективной теплоизоляции трубопроводов, подводящих топливный газ к ГПА, существуют потери тепла и необходимость подогревать топливный газ до более высоких температур для обеспечения эффективной работы ГПА.
Также в случае единого блока подготовки газа на несколько ГПА (один на компрессорный цех, либо один на компрессорную станцию), при реконструкции и модернизации КС и вводе в строй новых ГПА возникает необходимость устанавливать (проектировать) дополнительно новый БПТГ, что увеличивает объем проектных и строительных работ при реконструкции.
Одним из недостатков известной установки является то, что подогрев природного газа перед редуцированием осуществляется в теплообменниках промежуточным теплоносителем (водой, либо тосолом), который нагревается в газовых водогрейных котлах за счет сжигания части природного газа, что увеличивает расходы на транспортировку газа и снижает эффективность установки.
Известен агрегатный блок подготовки топливного газа (АБПТГ) газоперекачивающего агрегата (ГПА), применяемого на компрессорных станциях магистральных газопроводов, содержащий систему фильтрации, систему подогрева и систему редуцирования природного газа, подаваемого в качестве топливного газа в газотурбинный привод ГПА, и блок управления, связанный электрическими цепями с функциональными исполнительными элементами, в котором система подогрева природного газа включает, по меньшей мере, один электрический подогреватель газа, выполненный в виде размещенных внутри проточной емкости трубчатых термоэлектрических нагревательных элементов (ТЭНов), снабженный датчиками для регулирования температуры, датчиками для защиты от перегрева и содержащий наружную теплоизоляцию (патент РФ №78896, МПК F17D 1/00, публ. 2008 г.).
Недостатком известного агрегатного блока подготовки топливного газа является большой расход электроэнергии, затрачиваемой на подогрев газа. Например, для подогрева топливного газа на один ГПА требуется электронагреватель мощностью от 10 до 150 кВт, при этом расход электроэнергии увеличивается с увеличением мощности ГПА. При этом ГПА работают, как правило, в постоянном режиме и, следовательно, расход электроэнергии будет постоянным, а не периодическим. Учитывая, что количество ГПА в зависимости от КС может быть от 2 до 20, то для обеспечения такого количества потребителей возникает необходимость строительства параллельно системе магистральных газопроводов линий электропередач, либо дополнительных газотурбинных электростанций использующих в качестве топлива природный газ. Таким образом, применение электрического обогрева для топливного газа приемлемо для ГПА небольших мощностей, в случае применения электрического подогрева для ГПА большой мощности происходит значительное повышение расходов на транспортировку природного газа.
Известен газоперекачивающий агрегат, содержащий газотурбинный двигатель в шумопоглощающем контейнере, центробежный компрессор, воздухоочистительное устройство, воздуховод с шумоглушителем и воздухозаборной камерой, газовыхлопной тракт с утилизатором тепла, маслобак с запорной арматурой и маслоохладитель газотурбинного двигателя, маслобак с запорной арматурой и маслоохладитель центробежного компрессора, блок противопожарной системы и блок автоматического управления технологическими процессами (патент РФ №23639, МПК Е04Н 5/02, публ. 2002 г.).
Известен также электроприводной газоперекачивающий агрегат СТД-12500, который имеет систему смазки и систему масляного уплотнения, снабжаемые маслом из масляного бака, на котором установлены взрывозащищенные электронагреватели, причем к масляному баку дополнительно подключен, как минимум, один циркуляционный насос (патент РФ №21810, МПК F04D 17/08, публ. 2002 г.).
В процессе транспортировки газа и работы известных ГПА происходит большое выделение тепла, так как в газотурбинном приводе происходит сжигание природного газа, а в центробежном нагнетателе - сжатие большого количества природного газа, также тепло выделяется в масло, которым смазываются и охлаждаются подвижные части нагнетателя и привода ГПА, несмотря на то, что при запуске ГПА масло необходимо подогревать, например, электрическими подогревателями. При этом выделяющееся тепло на существующих КС, как правило, просто выбрасывается в атмосферу, либо через выхлопную трубу турбины, либо утилизируются в специальных аппаратах воздушного охлаждения (АВО) газа и масла. Так, масло выходящее из ГПА имеет температуру выше 100°С и может быть использовано в качестве теплоносителя для подогрева газа.
Целью настоящей полезной модели является создание компактного блочного агрегатного блока подготовки топливного газа, входящего в состав газоперекачивающего агрегата, и обеспечивающего его эффективную и надежную работу за счет рекуперации тепла, выбрасываемого в атмосферу, от стабильного источника на подогрев газа.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Агрегатный блок подготовки топливного газа (АБПТГ) газоперекачивающего агрегата (ГПА) компрессорной станции магистрального газопровода, содержит системы фильтрации и подогрева природного газа, подаваемого в качестве топливного газа в газотурбинный привод ГПА, и блок управления, связанный электрическими цепями с функциональными исполнительными элементами, при этом система подогрева топливного газа подключена к масляной системе ГПА для возможности использования тепла масла, нагретого в результате работы нагнетателя или привода ГПА.
Система подогрева топливного газа включает, по меньшей мере, один газо-масляный подогреватель газа, выполненный в виде кожухотрубчатого или пластинчатого теплообменника, имеющего промежуточную полость между полостями природного газа и масла.
Система подогрева топливного газа агрегатного блока может включать два взаимно резервирующих кожухотрубчатых газо-масляных подогревателя, каждый из которых содержит двойные трубки, составленные из внутренней трубки, наружной трубки, и имеющие между наружной и внутренней трубкой зазор, обеспечиваемый посредством канавок на наружной или внутренней трубке, при этом газ протекает по внутренней трубке в трубном пространстве, масло проходит в межтрубном пространстве и контактирует с наружной трубкой, промежуточная полость наполнена инертным газом, промежуточным теплоносителем, либо имеет выход на свечу.
Система подогрева топливного газа агрегатного блока может включать два взаимно резервирующих пластинчатых газо-масляных подогревателя, каждый из которых содержит полость природного газа - высокого давления, полость масла - низкого давления, промежуточная полость, наполненная инертным промежуточным теплоносителем, либо имеющая выход на свечу.
Система фильтрации природного газа содержит рабочий и резервный фильтры с коалесцирующими фильтрующими элементами, сигнализаторы уровня конденсата и управляемые краны на дренажных трубопроводах сброса конденсата.
Агрегатный блок может дополнительно содержать узел замера расхода газа, выполненный в виде кориолисового расходомера, или турбинного счетчика газа с корректором.
Агрегатный блок может дополнительно содержать систему редуцирования газа, включающую две нитки редуцирования, каждая из которых имеет основной рабочий регулятор давления и последовательно установленный с основным дополнительный регулятор давления.
Агрегатный блок может дополнительно содержать взрывозащищенный модуль редуцирования с дозатором топливного газа, стопорным клапаном, а также датчики для замера давления топливного газа перед и за дозатором, и датчик температуры газа за дозатором.
В агрегатном блоке на выходе топливного газа установлен узел предохранительных клапанов, состоящий из двух взаимно резервирующих клапанов.
Агрегатный блок может дополнительно содержать средства для подготовки природного газа, используемого в качестве пускового газа для первоначальной раскрутки турбины газотурбинного привода ГПА при пуске и прокрутке турбины при обслуживании.
Агрегатный блок может дополнительно содержать устройство подготовки природного газа, используемого в качестве импульсного газа для управления пневмоприводной запорно-регулирующей арматурой, применяемой на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
В качестве запорной арматуры применена электроприводная арматура.
Агрегатный блок может дополнительно содержать средства подготовки природного газа, используемого в качестве уплотнительного газа для обеспечения работы сухих газовых уплотнений (СГУ) вала ГПА.
Агрегатный блок может дополнительно содержать средства подготовки барьерного воздуха, отбираемого с последних ступеней компрессора газотурбинного привода ГПА для обеспечения работы сухих газовых уплотнений (СГУ) вала ГПА.
Агрегатный блок размещен в отдельном транспортабельном контейнере полной заводской готовности.
Контейнер выполнен с теплоизоляцией и содержит размещенные внутри контейнера электрическое, взрывозащищенное обогревательное устройство и датчик температуры.
Контейнер снабжен системой контроля загазованности и охранно-пожарной сигнализацией, имеет вентиляционное устройство, подключенное к системе контроля загазованности, имеет систему автоматического пожаротушения, подключенную к системе контроля загазованности и пожарной сигнализации.
Контейнер имеет взрывной предохранительный клапан для защиты от разрушения в виде сбрасываемой панели.
Заявляемый агрегатный блок содержит узел замера расхода газа, включающий кориолисовый расходомер, или турбинный счетчик газа с корректором.
На фиг.1 представлена схема подключения агрегатного блока подготовки топливного газа (АБПТГ) к масляной системе газоперекачивающего агрегата (ГПА); на фиг.2 - принципиальная схема предложенного агрегатного блока подготовки топливного газа; на фиг.3 показан кожухотрубчатый подогреватель газа; на фиг.4 - контейнер с агрегатным блоком.
2
Агрегатный блок подготовки топливного газа ГПА подключен к магистральному газопроводу и содержит два взаимно резервирующих фильтра 1, установленные параллельно и для возможности переключения подсоединенные к трубопроводу через управляемые краны 2, узел замера расхода газа, содержащий турбинный, либо кориолисовый счетчик газа 3 и байпасный трубопровод, соединенные через ручные краны 4, два взаимно резервирующих газо-масляных теплообменника - подогревателя газа 5, подсоединенные к трубопроводу газа через управляемые краны 2 и подключенные к входу и выходу масла ГПА, узел редуцирования газа 6, содержащий две нитки редуцирования 7, каждая из которых содержит ручной кран на входе, регулятор давления 8, настроенный на рабочее давление, последовательно установленный регулятор давления 9, настроенный на давление на 0,5-1 кгс/см выше требуемого, но в допустимом интервале и управляемый кран 10 для возможности переключения между нитками редуцирования.
Для предохранения трубопроводов и оборудования после узлов редуцирования установлен узел предохранительных клапанов 11, обеспечивающий сброс избыточного давления в системе до рабочего. Для автоматизации процессов обслуживания предусмотрены контрольно-измерительные приборы - датчики давления 12, датчики температуры 13, управляемые краны 2, 10 для переключение рабочих и резервных веток
1 оборудования, управляемые краны 14 сброса конденсата из фильтров-сепараторов, а также блок управления (не показан). Для возможности ручного сброса газа на свечу при обслуживании оборудования, возможности поверки манометров, возможности отключения импульсных линий регуляторов давления предусмотрены ручные краны 15.
Агрегатный блок подготовки топливного газа дополнительно может содержать узел для подготовки пускового газа 16, устройство для подготовки импульсного газа 17 и устройство для подготовки уплотнительного газа для сухих газовых уплотнений (СГУ) ГПА 18, а также установку подготовки барьерного воздуха для СГУ ГПА 19, в которой происходит очистка и редуцирование воздуха, который отбирают на последних ступенях нагнетателя ГТУ.
2
Каждый подогреватель газа 5 (фиг.2) состоит из корпуса 20 с приваренными подводящим патрубком 21 и отводящим патрубком 22 масла, крышки 23 с перегородкой, подводящим патрубком 24 и отводящим патрубком 25 топливного газа, крышки 26 для обеспечения поворота потока газа. Внутри корпуса 20 размещены трубки с двойными стенками 27, составленные из внутренней трубки, наружной трубки, и имеющие между наружной и внутренней трубкой зазор, посредством канавок на наружной или внутренней трубке, промежуточная полость наполнена инертным газом, промежуточным теплоносителем, либо имеет выход на свечу. Двойные трубки 27 приваренные к трубным решеткам 28 и промежуточным трубным решеткам 29, при этом к промежуточным трубным решеткам 29 привариваются наружные трубки, а к трубным решеткам 28 привариваются внутренние трубки. Таким образом, между трубными решетками 28 и 29 образуется полость, соединенная с промежуточными полостями в двойных трубках 27 для сброса возможной протечки газа. Герметичность соединения трубных решеток с корпусом обеспечивается уплотнительными кольцами 30. Для сброса возможных утечек предусмотрен штуцер 31, соединенный с промежуточной полостью. Для распределения потока нагреваемого газа на пучке труб установлены распределительные решетки 32. Конструкция подогревателя обеспечивает его работу при повышенных (до 120 кгс/см) давлениях.
Агрегатный блок подготовки топливного газа размещен в транспортабельном теплоизолированном контейнере 33 полной заводской готовности, который позволяет обеспечить ускоренный монтаж на месте эксплуатации.
Вентиляция контейнера может производиться естественным воздухообменом через расположенные в его стенах вентиляционные проемы 34. Для поддержания внутри контейнера в холодное время года требуемой температуры (минимально допустимая температура 5°С) контейнер содержит электрический обогреватель 35, связанный электрически с блоком автоматического управления (не показан) и который может регулироваться по показаниям температурного датчика внутри контейнера 36.
Для защиты от пожара и взрыва в контейнере может быть предусмотрена система контроля загазованности, охранно-пожарная сигнализация и взрывной клапан в виде легко сбрасываемой панели 37 контейнера, препятствующий разрушению всей установки при возможном взрыве природного газа.
Для принудительной вентиляции в случае высокой загазованности, может применяться вентиляционное устройство 38 связанное электрически с блоком управления (не показан), и работа которого может регулироваться по сигналам температурного датчика внутри контейнера 36 и по сигналам системы контроля загазованности.
Работа агрегатного блока подготовки топливного газа осуществляется следующим образом.
Природный газ из магистрального газопровода поступает в один из фильтров 1, где происходит очистка от механических частиц и капельной жидкости. Переключение между фильтрами производиться с помощью кранов 2. В фильтрах 1 происходит отделение от газа твердых частиц и капель с помощью коалесцирующих фильтрующих элементов. Твердые частицы и влага удаляются из фильтров при периодических продувках по показаниям сигнализаторов уровня конденсата через управляемые краны 14 на дренажных трубопроводах сброса конденсата.
После очистки газа осуществляется измерение общего расхода газа с помощью кориолисового расходомера 3 (либо с помощью турбинного счетчика газа с корректором), после чего производится подогрев газа во взаимно резервирующих газо-масляных теплообменниках 5 перед редуцированием, что позволяет скомпенсировать снижение температуры природного газа, сопровождающее понижение давления.
Подогрев в подогревателе газа 5 происходит следующим образом. Газ поступает во входной патрубок 24, после чего попадает в трубное пространство теплообменника и протекает по трубкам 27 (внутренним трубкам) до крышки 26, где происходит поворот потока газа и далее газ по трубкам 27 протекает до выходного патрубка 25. Масло подается в корпус теплообменника 20 через входной патрубок 21 и выходит через патрубок 22 и циркулирует в межтрубном пространстве обтекая трубки 27 (наружные трубки) и распределительные решетки 32. При прорыве природного газа через трубку 27, газ попадает в промежуточную полость между стенками трубки 27 и между трубными решетками 28 и 29, и сбрасывается на свечу через штуцер 31, таким образом, не происходит загазованность масла, которое может привести к аварии.
После подогрева газ направляется в узел редуцирования 6, где в одной из линий редуцирования 7, на одном из последовательно установленном регуляторе 8 или 9 снижается его давление до требуемого. После этого газ через один из управляемых кранов 10 подается на выход агрегатного блока. В случае превышения рабочего давления, газ сбрасывается в атмосферу через свечи узла предохранительных клапанов 11.
Предложенное устройство обеспечивает автономную подготовку топливного, а при необходимости пускового и импульсного газов для ГПА, с уменьшенными габаритными размерами агрегатного блока и уменьшением площади, которую занимают устройства для подготовки и трубопроводы для подачи топливного газа на компрессорной станции КС магистральных газопроводов, а также упрощает и снижает объемы проектных и монтажных работ при строительстве новых КС и модернизации старых за счет введения установки подготовки топливного газа в состав ГПА и связанного с этим сокращения потерь тепла при транспортировке и подаче топливного газа в газотурбинный привод.
Предложенное устройство обеспечивает повышение эффективности и надежности работы газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции за счет рекуперации тепла, выбрасываемого в атмосферу, от стабильного источника на подогрев газа.