Газораспределительная станция с детандер-компрессорной газотурбинной энергетической установкой с разрезным валом

Полезная модель относится к детандер-генераторным и газотурбинным энергетическим установкам и касается детандерных установок для производства сжатого воздуха при использовании энергии избыточного давления природного газа, транспортируемого по газопроводам, с последующим использованием сжатого воздуха в камере сгорания газотурбинной энергетической установки. Полезная модель может быть использована на газораспределительных станциях с энергетической установкой.
Сущность полезной модели: газораспределительная станция содержит магистральный газопровод, байпасную линию с запорной и регулирующей арматурой, газопровод сниженного давления газа. Параллельно байпасной линии установка содержит компрессор низкого давления и двухступенчатый турбодетандер, установленные на первом отдельном валу, компрессор высокого давления и газовую турбину высокого давления, установленные на втором отдельном валу, камеры сгорания высокого и низкого давления, силовую газовую турбину низкого давления и электрический генератор, установленные на третьем отдельном валу, два теплообменника для подогрева природного газа перед первой и второй ступенью турбодетандера, а также регенеративный подогреватель сжатого воздуха. Основные элементы установки соединены между собой соответствующими трубопроводами природного газа, воздуха и продуктов сгорания.
Установка предназначена для повышения энергетической эффективности производства электрической энергии и увеличения мощности установки       посредством использования энергии избыточного давления природного газа, ступенчатого сжатия воздуха с его промежуточным охлаждением, и применения схемы разрезного вала для газотурбинной части установки с промежуточным подогревом рабочего тела.
Известна газораспределительная станция с детандер-компрессорной газотурбинной энергетической установкой (патент на полезную модель № 176799, РФ), принятая за прототип, основными элементами которой являются турбодетандер, кинематически связанный с воздушным компрессором, силовая газовая турбина, приводящая электрогенератор, камера сгорания, а также соответствующие трубопроводы природного газа, воздуха и продуктов сгорания. Существенным признаком данной установки является то, что мощность, производимая силовой газовой турбиной практически полностью расходуется на выработку электроэнергии, а затраты энергии на привод воздушного компрессора покрываются за счёт использования энергии избыточного давления природного газа. В результате достигается сравнительно высокая энергетическая эффективность установки. Недостатком представленной выше установки является недоиспользование потенциала увеличения энергетической эффективности и полезной мощности, заключающегося в применении: а) схемы установки с разрезным валом, обеспечивающей ей более высокий КПД при работе на частичных нагрузках по сравнению с одновальной установкой без свободной силовой газовой турбины; б) ступенчатого подвода теплоты к потоку природного газа перед его расширением в турбодетандере; в) ступенчатого сжатия воздуха с его промежуточным охлаждением; г) промежуточного подогрева продуктов сгорания; д) регенеративного подогрева сжатого воздуха.
Известна тепловая схема детандер-генераторного агрегата с двухступенчатым промежуточным подогревом газа (патент на полезную модель № 102249, РФ). Принцип действия установки основан на использовании энергии избыточного давления природного газа последовательно в трёх ступенях турбодетандера с применением низкотемпературного источника для подогрева газа. Недостатком данной установки отсутствие возможности производства дополнительной мощности установки за счёт газотурбинной надстройки, а также снижение располагаемой мощности за счёт энергетических затрат на привод компрессоров тепловых насосов.
Известен ряд установок, в которых применена многовальная компоновка с разрезным валом для повышения их мощности и экономичности:
- способ работы газотурбинной установки (варианты) и газотурбинная установка (патент на изобретение № 2094636, РФ), предназначенный для повышения КПД и удельной мощности газотурбинной установки посредством использования остаточной теплоты ее выхлопных газов;
- способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки (патент на изобретение № 2111370, РФ), обеспечивающий повышение надежности, экономичности и безопасности пуска и газоснабжения газотурбинной установки посредством использования жесткой связи ротора паровой турбины и дожимного компрессора топливного газа общим валом, соединенного с валом газотурбинной установки автоматической расцепной муфтой, и следующей после пусковых операций и расцепления валов подачи на паровую турбину дополнительного расхода пара, с помощью чего увеличиваются обороты связанного с ней дожимного компрессора, давление и расход топливного газа в камеру сгорания до уровня, соответствующего требуемой мощности газотурбинной установки;
- способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки и устройство для его осуществления (патент на изобретение № 2182247, РФ), обеспечивающий повышение экономичности и надежности энергетической газотурбинной установки, а также ее габаритов и стоимости посредством включения дополнительной приводной газовой турбины между дожимным компрессором и турбокомпрессором, ротор которой жестко связан с ротором дожимного компрессора и с дополнительной расцепной муфтой, связанной с ротором турбокомпрессора и включенной между дожимным компрессором и внешним пусковым двигателем. После достижения расчетных оборотов ротором турбокомпрессора жестко связанные роторы дожимного компрессора и приводной газовой турбины автоматически разъединяются, а вывод роторов турбокомпрессора и силовой турбины осуществляют до высоких рабочих оборотов, обеспечивающих давление топливного газа за дожимным компрессором, соответствующее требуемому уровню мощности газотурбинной установки, увеличивая расход и давление топливного газа в ее камеру сгорания;
Общим недостатком всех представленных выше схем являются сравнительно большие энергетические затраты установок на собственные нужды – газотурбинный привод воздушного компрессора.
Цель данной полезной модели состоит в повышении эффективности производства электрической энергии и увеличении мощности энергетической установки, созданной на основе синтеза турбодетандерных и газотурбинных технологий, за счёт использования энергии избыточного давления природного газа в двухступенчатом турбодетандере, промежуточного охлаждения сжатого воздуха и промежуточного подогрева продуктов сгорания.
Достижение этой цели состоит в том, что в предлагаемой энергетической установке, содержащей магистральный газопровод с ответвлениями, содержащими редуцирующие устройства и запорную арматуру, газопровод сниженного давления газа, установленный по ходу природного газа охладитель сжатого воздуха, двухступенчатый турбодетандер, подогреватель природного газа, компрессоры низкого и высокого давления, регенеративный подогреватель сжатого воздуха, камеры сгорания высокого и низкого давления, газовую турбину высокого давления, силовую газовую турбину низкого давления и электрогенератор, соединённые соответствующими трубопроводами природного газа, воздуха и продуктов сгорания, механическая нагрузка вращения компрессора низкого давления обеспечивается работой расширения потока природного газа в турбодетандере, а силовая газовая турбина низкого давления вращает только электрогенератор. Эффективность процесса сжатия воздуха повышается за счёт применения промежуточного охлаждения. Одновременно достигается предварительный подогрев потока природного газа перед его расширением в первой ступени турбодетандера. Применение ступенчатой схемы подогрева природного газа позволяет избежать чрезмерного нагрева горючего газа до высокой температуры. Использование схемы установки с разрезным валом обеспечивает ей более высокий КПД при работе на частичных нагрузках по сравнению с одновальной установкой без свободной силовой газовой турбины. Промежуточный подогрев продуктов сгорания в камере сгорания низкого давления позволяет увеличить мощность установки, а использование регенеративного подогрева сжатого воздуха – повысить эффективный КПД установки и снизить удельный расход топлива на производство единицы полезной энергии.
На фигуре представлена принципиальная схема предлагаемой газораспределительной станции с детандер-компрессорной газотурбинной энергетической установкой с разрезным валом.
Газораспределительная станция с детандер-компрессорной газотурбинной установкой с разрезным валом содержит магистральный газопровод 1 с редуцирующим устройством 2, газопровод сниженного давления газа 3, первую 4 и вторую 5 ступень турбодетандера, кинематически связанного с компрессором низкого давления 6, охладитель воздуха 7, подогреватель газа 8, компрессор высокого давления 9, регенеративный подогреватель сжатого воздуха 10, камеру сгорания высокого давления 11, газовую турбину высокого давления 12, камеру сгорания низкого давления 13, силовую газовую турбину низкого давления 14, электрогенератор 15, а также соответствующие коммуникационные трубопроводы природного газа, воздуха и продуктов сгорания.
Установка работает следующим образом.
Поток природного газа из магистрального газопровода 1 по ответвлению, параллельному байпасной нитке газопровода с редуцирующим устройством 2, подается в охладитель сжатого воздуха 3. Подогретый таким образом за счёт теплоты сжатого воздуха природный газ поступает в первую ступень 4 турбодетандера, откуда после расширения с совершением полезной работы направляется в подогреватель газа 8, после чего вновь, будучи предварительно подогретым за счёт теплоты продуктов сгорания, расширяется во второй ступени 5 турбодетандера и поступает в газопровод сниженного давления 3. Воздух из атмосферы сжимается в компрессоре низкого давления 6, затем поступает в охладитель 7, где от него отводится теплота к природному газу. После этого поток охлаждённого сжатого воздуха попадает в компрессор высокого давления 9, после которого нагревается за счёт теплоты продуктов сгорания в регенеративном подогревателе 10 и подается в камеру сгорания высокого давления 11. Образующиеся после сжигания топлива продукты сгорания поступают в газовую турбину высокого давления 12, после расширения в которой направляются в камеру сгорания низкого давления 13, где получают дополнительный промежуточный подогрев, а затем следуют в силовую газовую турбину низкого давления 14, приводящую электрогенератор 15.
Мощность силовой газовой турбины низкого давления полностью расходуется на выработку электроэнергии. Привод компрессора низкого давления обеспечивается только за счет энергии избыточного давления природного газа. Использование ступенчатого сжатия воздуха с его промежуточным охлаждением и ступенчатое расширение природного газа в турбодетандере позволяет повысить эффективность установки, а промежуточного подогрева продуктов сгорания – ее полезную мощность.