СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ПРИВОДОВ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO RECOVER GAS-COMPRESSOR PLANT TURBINE DRIVE HEAT AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области газотурбинного и теплоэнергетического машиностроения и может быть использовано на компрессорных станциях магистральных газопроводов для транспортировки газа и производства электрической энергии на базе установок бинарного цикла с комбинированным применением газотурбинных и паротурбинных установок, газогазоперекачивающих и электрогазоперекачивающих агрегатов.
Известен способ утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции, заключающийся в направлении выхлопных газов газотурбинных приводов в котел-утилизатор для выработки пара (см. SU 556232, F02С 7/34, 1977).
Известна компрессорная станция, содержащая газоперекачивающие агрегаты с газотурбинными приводами и котел-утилизатор (см. также SU 556232, F02 С 7/34, 1977).
Недостатком известных способа и устройства является низкая их эффективность и низкий КПД.
Известно, что при транспорте газа по магистральным газопроводам одним из наиболее оптимальных направлений является применение на компрессорных станциях установок парогазового цикла, термодинамически удачно объединяющих в себе параметры газотурбинных и паросиловых установок, когда первые работают в зоне повышенных температур рабочего тела, а вторые - на отходящих из турбины газах. При объединении газотурбинной и паросиловой установок повышение КПД осуществляется в результате термодинамической надстройки парового цикла, что и приводит к уменьшению потерь теплоты с уходящими газами из газовой турбины.
Наиболее близким к предложенному способу является способ утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции, заключающийся в направлении выхлопных газов газотурбинных приводов в котел-утилизатор для выработки пара, направляемого на паровую турбину, и выработки электроэнергии в приводимом ею электрогенераторе (см. SU 1254795, F02С 7/08, 1984).
Наиболее близким к предложенному устройству является компрессорная станция, содержащая газоперекачивающие агрегаты с газотурбинными приводами, паровой контур, включающий котел-утилизатор, паровую турбину с электрогенератором (см. также SU 1254795, F02С 7/08, 1984).
Надстройка газового цикла паросиловым, с использованием пароперегревателей повышает КПД действующих установок до 40% и более, а мощность паровой турбины может составить несколько МВт. (A.M. Козаченко. Энергетика трубопроводного транспорта газов. Москва. 2001.)
Однако использование теплоты продуктов сгорания газотурбинных установок (ГТУ) в действующих котлах-утилизаторах как в зимний, так и в летний периоды эксплуатации в лучшем случае достигает не более 60-70%, а приведенный КПД серийных паросиловых установок в зависимости от режима работы может находиться на уровне 20-36%. Генерируемая при этом отдельной парогазовой установкой электроэнергия используется для собственных нужд компрессорной станции и прилегающих территорий с дефицитом генерирующих мощностей энергосистемы.
Известно, что из 268 компрессорных станций ОАО «Газпром» 157 из них расположены в непосредственной близости от железнодорожных магистралей, для которых уже в ближайшие годы потребуется создание новых мощностей для тяговых подстанций. Но в ОАО «Газпром» только 10% тепла нагретых до температуры 450°С выхлопных газов частично используется на компрессорных станциях регенеративного типа для подогрева воздуха перед турбиной, а остальное уходит в атмосферу. Следовательно, кроме парниковых газов (СO2, СО и др.), величина выбросов которых регламентирована международными соглашениями, происходят прямые тепловые выбросы, изменяющие микроклимат территорий, прилегающих к компрессорной станции
Известно также, что КПД современной газовой турбины для привода нагнетателя на компрессорной станции, имеющей при 100% загрузке КПД 33%, изменяется в зависимости от мощности нагрузки:
при 30% загрузке турбины - КПД равен 14%;
при 44% загрузке турбины - КПД равен 20%;
при 76% загрузке турбины - КПД равен 29%.
Таким образом, с отходящими газами уносится не менее 70% тепла, полученного от сжигания топлива перед турбиной, тогда как по данным фирмы Wingas AG КПД современного, регулируемого по частоте вращения, электромотора во всем рабочем диапазоне режимов находится не ниже 93%. При этом частотно-регулируемый электропривод улучшает управление технологическим процессом: регулирует режим плавного пуска; исключает дополнительное оборудование; обеспечивает значительную экономию электроэнергии за счет регулирования мощности нагнетателя.
Применение на модернизируемых компрессорных станциях электроприводов нового поколения для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) оправдано в силу ряда следующих преимуществ:
- более высокой надежности электрогазоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) по сравнению с (ГПА);
- меньших капитальных затрат при реконструкции компрессорной станции;
- стабильности мощности ЭГПА и независимости КПД от времени работы и температурных условий;
- сниженных затрат на проведение ремонтно-восстановительных работ и уменьшения простоев ЭГПА при плановых ремонтах более чем в 2 раза по сравнению с газотурбинными ГПА.
По зарубежным данным удельная стоимость установленной мощности новых современных ЭГПА составляет 2/3 от стоимости газотурбинной установки подобной мощности (см. В.В. Гоголюк ОАО «Газпром», С.В.Крысов Филиал ФГУП концерн «Росэнергоатом». Перспективы энергоснабжения нефтегазовых объектов ОАО «Газпром» на шельфе северных морей и полуострове Ямал. 2007 г.).
К сожалению, в условиях циклической неравномерности подачи газа в течение года и из года в год эффективность эксплуатации предлагаемых парогазотурбинных установок и существующих вариантов утилизации вырабатываемой электроэнергии зачастую не превышает порога рентабельности хотя выработка электроэнергии за счет тепла отходящих газов достигает 17-22% от мощности регенераторных ГТУ и 37-40% для безрегенераторных (см. Ю.Н. Ванюшин, И.Л. Юращик. Использование тепла отходящих газов газотурбинных установок для выработки электроэнергии. Тематический научно-технический обзор. Москва 1970 г.).
Такая ситуация во многом связана как с большими капитальными затратами на модернизацию каждой газотурбинной газоперекачивающей установки с полной надстройкой парового цикла, так и с существующей методикой оценки экономической эффективности, принятой в ОАО «Газпром», согласно которой в расчетах принимается льготная стоимость газа, используемого на внутренние нужды (себестоимость) (см. Калинин А.Ф. Повышение эффективности работы технологических участков магистральных газопроводов. Диссертация на соискание учетной степени доктора технических наук, М., 2005 г.).
Технической задачей изобретения является повышение эффективности работы действующих компрессорных станций магистральных газопроводов с выработкой дополнительной электроэнергии, с одновременным обеспечением максимального коэффициента использования газа и снижением пиковых нагрузок в энергосистеме за счет подключения энергоемких потребителей.
Поставленная задача достигается за счет того, что при способе утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции, заключающимся в направлении выхлопных газов газотурбинных приводов в котел-утилизатор для выработки пара, направляемого на паровую турбину, и выработки электроэнергии в приводимом ею электрогенераторе, согласно изобретению перед поступлением выхлопных газов в котел-утилизатор осуществляют сбор выхлопных газов, всех входящих в компрессорную станцию газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов, в общий коллектор, с усреднением их температуры, давления и концентрации вредных веществ, выработку пара в котле-утилизаторе осуществляют с дожиганием в последнем дополнительного топлива для достижения оптимальной температуры пара и снижения концентрации выбросов вредных веществ, при этом полученную электроэнергию подают в частотно-регулируемый привод электрогазоперекачивающего агрегата, поддерживающий оптимальные параметры газа на выходе из компрессорной станции, избыточную часть полученной электроэнергии используют для внутренних нужд компрессорной станции и внешних потребителей, а остаточное тепло выхлопных газов из котла-утилизатора и тепло отработавшего в паровой турбине пара также утилизируют.
Поставленная задача достигается за счет того, что тепло выхлопных газов из котла утилизатора и тепло отработавшего в паровой турбине пара утилизируют в блоке утилизаторе для последующей выработки холода в абсорбционной холодильной машине, используемого в системах охлаждения компрессорной станции, подогрева воды и получения дополнительной электроэнергии в Стирлинг-генераторе для нужд компрессорной станции.
Поставленная задача достигается за счет того, что избыточную часть полученной электроэнергии используют для сглаживания пиковых нагрузок тяговой сети участков железной дороги.
Поставленная задача достигается за счет того, что избыточную часть полученной электроэнергии используют для перекачки нефти на магистральных нефтепроводах в зимнее время.
Поставленная задача достигается за счет того, что компрессорная станция, содержащая газоперекачивающие агрегаты с газотурбинными приводами, паровой контур, включающий котел-утилизатор, паровую турбину с электрогенератором, согласно изобретению снабжена электрогазоперекачивающим агрегатом с частотно-регулируемым электроприводом, который при последовательном соединении газоперекачивающих агрегатов друг с другом установлен последним, а его частотно-регулируемый электропривод подключен к электрогенератору паровой турбины, при этом выхлопы всех газотурбинных приводов подсоединены к общему коллектору для усреднения температуры, давления и концентрации вредных веществ выхлопных газов, а котел-утилизатор соединен с выходом из общего коллектора.
Поставленная задача достигается за счет того, что компрессорная станция снабжена блоком-утилизатором, соединенным на входе с выходами соответственно из котла-утилизатора и паровой турбины, а на выходе - с абсорбционной холодильной машиной, для выработки холода, используемого в системах охлаждения компрессорной станции, и/или со Стирлинг-генератором для получения дополнительной электроэнергии для нужд компрессорной станции.
Поставленная задача достигается за счет того, что паровой контур снабжен резервным воздушным вентилятором, подключенным к котлу-утилизатору.
Поставленная задача достигается за счет того, что котел-утилизатор выполнен с возможностью дожигания дополнительного топлива для получения пара заданной температуры.
Поставленная задача достигается за счет того, что электрогенератор паровой турбины дополнительно подключен к тяговой подстанции участка железной дороги.
Поставленная задача достигается за счет того, что электрогенератор паровой турбины дополнительно подключен к насосной станции для перекачки нефти.
Поставленная задача достигается за счет того, что электрогенератор паровой турбины дополнительно подключен к подстанции компрессорной станции для использования на нужды прилегающих территорий.
На чертеже изображена схема компрессорной станции.
Компрессорная станция содержит подключенные к магистральному газопроводу 1 газоперекачивающие агрегаты 2 с газотурбинными приводами 3 как регенеративного, так и безрегенеративного типа, паровой контур 4, включающий котел-утилизатор 5, паровую турбину 6 с электрогенератором 7. Компрессорная станция также снабжена электрогазоперекачивающим агрегатом 8 с частотно-регулируемым электроприводом 9, который при последовательном соединении газоперекачивающих агрегатов 2 друг с другом установлен последним, а его частотно-регулируемый электропривод 9 подключен к электрогенератору 7 паровой турбины 6. Выхлопы всех газотурбинных приводов 3 подсоединены к общему коллектору 10 для усреднения температуры, давления и концентрации вредных веществ выхлопных газов. Котел-утилизатор 5 выполнен с дополнительным дожиганием топлива и соединен с выходом из общего коллектора 10.
Компрессорная станция также может быть снабжена блоком-утилизатором 11, соединенным на входе с выходами соответственно из котла-утилизатора 5 и паровой турбины 6, а на выходе - с абсорбционной холодильной машиной 12, для выработки холода, используемого в системах охлаждения компрессорной станции, и/или со Стирлинг-генератором 13 для получения дополнительной электроэнергии для нужд компрессорной станции.
Паровой контур 4 снабжен резервным воздушным вентилятором 14, подключенным к котлу-утилизатору 5, который выполнен с возможностью дожигания дополнительного топлива для получения пара заданной температуры.
Электрогенератор 7 паровой турбины 6 может быть дополнительно подключенным к тяговой подстанции 15 участка железной дороги, и/или к насосной станции 16 для перекачки нефти, и/или к подстанции 17 компрессорной станции для использования на нужды прилегающих территорий.
Способ утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных приводов 3 газоперекачивающих агрегатов 2 компрессорной станции заключается в направлении выхлопных газов газотурбинных приводов 3 в котел-утилизатор 5 для выработки пара, направляемого на паровую турбину 6, и выработки электроэнергии в приводимом ею электрогенераторе 7. Перед поступлением выхлопных газов в котел-утилизатор 5 осуществляют сбор выхлопных газов, всех входящих в компрессорную станцию газотурбинных приводов 3 газоперекачивающих агрегатов 2, в общий коллектор 10, с усреднением их температуры, давления и концентрации вредных веществ. Выработку пара в котле-утилизаторе 5 осуществляют с дожиганием в последнем дополнительного топлива для достижения оптимальной температуры пара и снижения концентрации выбросов вредных веществ. Полученную электроэнергию подают в частотно-регулируемый привод 9 электрогазоперекачивающего агрегата 8, поддерживающий оптимальные параметры газа на выходе из компрессорной станции. Избыточную часть полученной электроэнергии используют для внутренних нужд компрессорной станции и внешних потребителей. Остаточное тепло выхлопных газов из котла-утилизатора 5 и тепло отработавшего в паровой турбине 6 пара также утилизируют в блоке-утилизаторе 11 с выработкой холода в абсорбционной холодильной машине 12, используемого в системах охлаждения компрессорной станции, подогрева воды и/или получения дополнительной электроэнергии в Стирлинг-генераторе 13 для нужд компрессорной станции. Избыточно генерируемая электрическая мощность по линии электропередачи направляется на тяговую подстанцию 15 участка железной дороги или насосную станцию 16 для перекачки нефти в зимнее время, а также к подстанции 17 компрессорной станции для использования на нужды прилегающих территорий.