СИСТЕМА ПОДОГРЕВА ТОПЛИВНОГО И БУФЕРНОГО ГАЗА
SYSTEM FOR HEATING OF FUEL AND BUFFER GAS

Изобретение относится к области машиностроения и теплотехники и может найти применение в системах газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов (ГПА).
Одна из наиболее важных задач топливно-энергетического комплекса - проведение активной энергосберегающей политики, обеспечивающей достижение необходимого результата при минимальных затратах энергии.
При создании новых и модернизации существующих компрессоров природного газа ставится задача повышения экономичности и увеличения срока их эксплуатации. Необходимость подогрева буферного газа обусловлена эффективной работой системы торцовых газодинамических уплотнений (ТГДУ). Применение системы торцовых газодинамических уплотнений (ТГДУ) и переоборудование масляных нагнетателей на технологию ТГДУ повышает надежность газоперекачивающих агрегатов, снижает затраты на эксплуатацию и ремонт, уменьшает безвозвратные потери масла, позволяет проводить дистанционный мониторинг технического состояния компрессоров, делает возможным переход к безлюдной эксплуатации. Система обеспечения ТГДУ состоит из систем подачи буферного газа и барьерного воздуха. Буферный газ поступает в полость перед первой ступенью ТГДУ и применяется для его защиты от возможных повреждений неочищенным газом. Буферный газ является тем же газом, который перекачивает нагнетатель, только дополнительно очищенным и подогретым. Так как уплотнительный эффект ТГДУ вызывается гидростатическим и гидродинамическим распределением давлений в уплотнительном зазоре, а оптимизация течения буферного газа в полости перед уплотнением позволяет создать требуемый уровень защиты от проникновения перекачиваемого газа в буферную полость, то необходимость подогрева буферного газа обусловливается эксплуатацией агрегатов при низкотемпературных климатических условиях. Подогрев буферного газа в предлагаемой системе происходит за счет теплообмена между ним и горячим маслом из ГПА.
Подогретый топливный газ необходим для собственных нужд компрессорной станции (КС). В настоящее время его получают, например, путем обработки в блоках подогревателя и редуцирования общего газа, отобранного из транспортной системы непосредственно до КС (http://frunze.com.ua/html/upimpg.html). Недостатком применения блоков подогревателя топливного газа является наличие промежуточного теплоносителя, что приводит к дополнительному расходу электроэнергии.
Также для подогрева топливного газа, например, в ДОАО «ЦКБН» применяют подогреватели газа автоматические «ГПМ-ПГА» (http://www.gazprommash.ru/production/catalog/pga/). Подогреватели газа автоматические «ГПМ-ПГА» предназначены для подогрева природного, попутного и нефтяного газа, не содержащего агрессивных примесей, и могут эксплуатироваться как в составе станций газораспределительных блочных, так и автономно. Основным недостатком применения такого подогревателя газа является необходимость потребления электроэнергии, причем отсутствует утилизация тепла и большой тепловой потенциал продуктов сгорания при работе «ГПМ-ПГА» просто выбрасывается в атмосферу.
В то же время для обеспечения стабильной работы газоперекачивающих агрегатов циркулирующее по замкнутому контуру масло необходимо охлаждать и поддерживать его температуру в оптимальных пределах. Известен «Способ регулируемого охлаждения масла и аппарат воздушного охлаждения для осуществления этого способа», патент РФ №2273793, МПК F16N 39/02, дата публикации 10.04.2006 г. Необходимое охлаждение масла в указанном способе проводят путем подачи воздушного потока посредством вентиляторов с регулируемым по частоте электроприводом переменного тока в аппарат воздушного охлаждения. Недостатком применения такого способа является отсутствие утилизации тепла и наличие вентиляторов - дополнительных источников потребления электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является «Устройство для охлаждения масла газовой турбины и газового нагнетателя», патент РФ №2239099, МПК F04D 29/06, дата публикации 27.10.2004 года, которое имеет в своем составе теплообменник «газ-масло» с подводящим и отводящим трубопроводами масла и газа, первый и второй контуры которого связаны между собой трубопроводом буферной жидкости. Трубопровод, по которому проходит буферная жидкость, снабжен циркуляционным насосом, для работы которого дополнительно необходимы затраты электроэнергии. Система с промежуточным контуром сама по себе представляет сложную конструкцию, в состав которой входит большое количество конструкционных элементов: трубопроводы, задорно-регулирующая арматура, контрольно-измерительные приборы и автоматика, фильтры и т.п. Это неизбежно ведет к дополнительному расходу электроэнергии.
Техническая задача заявляемого технического решения - энергосбережение и утилизация тепла.
Технический результат достигается в системе подогрева топливного и буферного газа, имеющей в своем составе теплообменник «газ-масло» с подводящим и отводящим трубопроводами масла и газа, отличающейся тем, что для подогрева топливного и буферного газа за счет теплообмена с компримированным природным газом, поступающим в магистраль после компрессора, а также с подлежащим охлаждению маслом из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя газоперекачивающего агрегата, система конструктивно выполнена из соединенных между собою теплообменных аппаратов: два последовательно соединенных теплообменника «газ-газ» и «газ-масло», в первом из которых греющим теплоносителем выступает компримированный природный газ, во втором - подлежащее охлаждению масло, а нагреваемым теплоносителем в первом и во втором теплообменниках выступает топливный газ, причем ко второму теплообменнику последовательно подключен третий дополнительный теплообменник «газ-масло», в котором подлежащее охлаждению масло предварительно отдает часть тепла нагреваемому теплоносителю - буферному газу.
Такое конструктивное выполнение заявляемой системы позволяет совместить два технологических процесса с помощью теплообмена: подогрев топливного и буферного газа и одновременное охлаждение горячего масла, обеспечивает максимально энергосберегающий подогрев топливного и буферного газа за счет использования тепловой энергии компримированного природного газа, поступающего в магистраль после компрессора, и полнейшей утилизации тепла горячего масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя ГПА.
Как правило, топливный газ для собственных нужд компрессорной станции (КС) получают путем обработки в блоках подогревателя и редуцирования общего газа, отобранного из транспортной системы непосредственно до КС. В заявляемой системе вместо блоков подогревателей топливного газа предложено последовательное соединение теплообменников «газ-газ» («компримированный газ - топливный газ») и «газ-масло» («топливный газ - масло»). Последовательное включение этих теплообменников позволяет разогреть топливный газ до технологически необходимых температур. Подключение дополнительного теплообменника «газ-масло», где нагреваемым теплоносителем выступает буферный газ, позволяет не только нагреть буферный газ, но и предварительно утилизировать часть тепла горячего масла, что способствует достижению необходимых температур охлаждения масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя ГПА. Тем самым обеспечивается частичная утилизация тепла, выделяющегося при сжатии компримированного газа на выходе из компрессора, и полная утилизация тепла горячего масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя газоперекачивающего агрегата.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показана схема системы подогрева топливного и буферного газа.
Система подогрева топливного и буферного газа работает следующим образом.
Природный газ поступает в компрессор ГПА, где сжимается, при этом нагреваясь. Далее компримированный природный газ направляется в первый теплообменник 1 «газ-газ», где отдает часть тепла сжатия поступающему туда же топливному газу. В виду большого расхода компримированного природного газа его температура на выходе из теплообменника практически не изменяется, а температура топливного газа на первой стадии подогрева повышается существенно: примерно от минус 20°C до плюс 35°C.
Одновременно горячее масло, отводимое из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя газоперекачивающего агрегата 4, подается в третий дополнительный теплообменник «газ-масло» 3, где нагревает буферный газ до технологически необходимых температур (от +30°С до +80°С).
Предварительно подогретый топливный газ после первого теплообменника «газ-газ» 1 поступает во второй теплообменник «газ-масло» 2, где происходит его окончательный нагрев (от +35°С до +60°C) горячим маслом, которое поступает в этот теплообменник после подогрева буферного газа. Тем самым температура масла понижается от +105°С при входе в дополнительный теплообменник «газ-масло» 3 до +50°С при выходе из второго теплообменника «газ-масло» 2, что приводит к утилизации 94,2 кВт тепловой мощности на подогрев топливного и буферного газа.
Применение в заявляемой системе последовательного включения двух теплообменников, обеспечивающих подогрев топливного газа не только компримированным природным газом, но и горячим маслом, отводимым из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя ГПА, и одновременное подключение дополнительного теплообменника, отводящего часть тепла горячего масла на подогрев буферного газа, дает возможность только за счет теплообмена достигнуть технологически необходимых температур подогрева топливного и буферного газа и охлаждения горячего масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинного двигателя и нагнетателя ГПА, исключив применение каких-либо дополнительных источников энергии, что позволяет реализовать эффект энергосбережения. Так же заявляемая система позволяет исключить дополнительные источники потребления энергии, например, вентиляторы и аппараты воздушного охлаждения масла, при охлаждении масла, отводимого из подшипниковых узлов газотурбинных двигателей ГПА, обеспечивая при этом необходимые температуры охлаждения масла и полную утилизацию его тепла.
Таким образом, использование заявляемого технического решения позволяет существенно повысить энергосбережение, эффективно и полностью утилизировать тепло.
Опытный образец заявляемой системы успешно прошел испытания и готовится к поставке заказчику для дальнейших испытаний в составе газотурбинного двигателя.