СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА Российский патент 1995 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к газотурбинным установкам без сжигания топлива с рекуперацией тепла и с реализацией турбодетандерного эффекта и может быть использовано при создании установок для получения холода с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, особенно в процессе снижения давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).

Основным узлом при эффективном снижении давления природного газа на ГРС и ГРП является турбодетандер. В результате расширения природного газа в турбодетандере получаемая свободная механическая энергия может быть использована по различному назначению. Известно техническое решение [1] принятое за прототип и включающее турбодетандеры природного газа, соединенные механически с компрессором и включающие потребители холода. Сжатие рабочей среды, в качестве которой может быть использован воздух, осуществляется компрессором. Теплом закомпрессорного воздуха осуществляется нагрев природного газа перед турбодетандером, в результате чего воздух охлаждается. При расширении последнего происходит снятие тепловой нагрузки в потребителе холода. В результате в техническом решении по прототипу реализуется способ получения холода путем сжатия воздуха в компрессоре, охлаждения, расширения и снятия тепловой нагрузки потребителем холода, причем сжатие воздуха осуществляют за счет работы, полученной от редуцирования природного газа в турбине, а охлаждение воздуха проводят природным газом, направляемым на редуцирование.

Однако недостатками технического решения, принятого за прототип, являются низкая эффективность и надежность способа получения холода.

Задачей изобретения является повышение эффективности и надежности получения холода. Решение поставленной задачи реализуется в способе получения холода путем сжатия воздуха в компрессоре, охлаждения, расширения и снятия тепловой нагрузки потребителем холода, причем сжатие воздуха осуществляют за счет работы, полученной от редуцирования природного газа в турбине, а охлаждение воздуха проводят природным газом, направляемым на редуцирование, воздух перед расширением дополнительно охлаждают этим же воздухом после потребителя холода, а расход природного газа и воздуха выбирают из соотношения
· ·
где G_пг, G_в расход природного газа и расход воздуха соответственно,
С_р.в, _Ср.г удельные теплоемкости воздуха и природного газа соответственно,
Т_н^* температура наружного воздуха,
Т_т.пг^* температура природного газа за турбиной,
К_г, К_в показатели адиабаты природного газа и воздуха соответственно,
π_к^* степень повышения давления воздуха в компрессоре,
π_т.пг^* отношение давлений на турбине,
η_т^*, η_к^* коэффициенты полезного действия турбины и компрессора соответственно.

При этом расширение воздуха ведут ступенчато, причем на каждой ступени воздух перед расширением охлаждают этим же воздухом после потребителя холода.

Достижение повышенной эффективности получения холода обеспечивается дополнительным охлаждением воздуха перед расширением этим же воздухом после потребителя холода, а повышенной надежности тем, что при выборе соотношения между расходами воздуха и природного газа назначают температуру природного газа после турбины не ниже 278 К. Последнее обеспечивает устранение возможности выпадания газогидратной фазы в выходной магистрали турбины.

Предложенное изобретение реализуется в установке, схематично представленной на чертеже.

Она включает воздушный компрессор 1, турбину природного газа 2 (газовый турбодетандер), соединенную валом 3 с компрессором 1, теплообменный аппарат 4, магистраль 5 природного газа, трубопровод 6 сжатого воздуха, теплообменный аппарат 7, воздушный турбодетандер 8 с потребителем энергии 9, потребитель холода 10, выходную магистраль 11 турбодетандера 8, запорные органы 12 и 13, выходную магистраль 14 воздушного турбодетандера 15, теплообменный аппарат 16, потребитель энергии 17 турбодетандера 15, потребитель холода 18, холодильник 19, устройство 20 подогрева земельного участка под основанием холодильника 19, холодильник 21, устройство 22 подогрева земельного участка под основанием холодильника 21, блок 23 подготовки воздуха, хладоноситель 24.

Работа установки осуществляется следующим образом. Природный газ высокого давления по магистрали 5 поступает в теплообменный аппарат 4, а из него в газовый турбодетандер 2, где расширяется и с пониженным давлением поступает к потребителю. Турбодетандер 2 посредством вала 3 вращает воздушный компрессор 1, который засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и попадает в теплообменный аппарат 4, в котором происходит за счет тепла закомпрессорного воздуха повышение температуры природного газа, поступающего в турбодетандер 2, и одновременно снижается температура воздуха, поступающего по трубопроводу 6 в теплообменный аппарат 7, где дополнительно снижается температура воздуха перед поступлением в воздушный турбодетандер 8. В турбодетандере 8 снижается давление воздуха со снижением его температуры и производством энергии для потребителя 9. Холодный воздух после турбодетандера 8 поступает в потребитель холода 10 и по выходной магистрали 11 в теплообменный аппарат 7, отбирая в нем тепло от сжатого воздуха, поступающего по трубопроводу 6. После теплообменного аппарата 7 воздух из магистрали 11 либо выбрасывается в атмосферу при открытом органе 12 и закрытом органе 13, либо поступает в теплообменный аппарат 16 при закрытом органе 12 и открытом органе 13. В последнем случае воздух дополнительно охлаждается в теплообменном аппарате 16, поступает в воздушный турбодетандер 15, где одновременно со снижением его давления происходит снижение температуры и производится энергия для потребителя 17. После турбодетандера 15 холодный воздух поступает в потребитель холода 18 и после него в теплообменный аппарат 16, отбирая тепло в нем от воздуха, поступающего в турбодетандер 15. Отработанный воздух после теплообменного аппарата 16 поступает в устройства 20 и 22 для обогрева земельных участков под основаниями холодильников 19 и 21. Последнее мероприятие необходимо для предотвращения "вспучивания" грунта под холодильниками в результате его промерзания под воздействием теплопотоков низкого температурного уровня (ниже 273 К) от основания холодильников. Повышению надежности работы установки способствует блок 23 подготовки воздуха к процессу расширения. Эта подготовка включает осушку воздуха, очистку от механических примесей за счет, например, сепарации в дополнительной емкости.

Предлагаемая установка позволяет повысить эффективность и надежность способа получения холода по сравнению с известными техническими решениями, в частности, с прототипом.

Важным обстоятельством для повышения надежности и эффективности работы установки является выбор соотношения между расходами воздуха и природного газа. При этом принимается во внимание, что абсолютное давление природного газа перед турбиной, как правило, выше абсолютного давления за компрессором. В этом случае из-за переноса тепла с низкого уровня давления воздуха на высокий уровень давления природного газа термический КПД цикла сжатия расширения будет тем выше, чем сильнее отличие в уровнях указанных давлений.

Не менее важным является дополнительное охлаждение воздуха перед воздушным турбодетандерами за счет воздуха после потребителя холода, а также исключение режимов работы установки при минусовых значениях температур природного газа за турбиной.

Повышение надежности установки достигается также широким использованием надежных типовых изделий и узлов. Так, например, использование в качестве компрессора 1 компрессора высокого давления авиадвигателя АИ-25 в сочетании с турбиной 2 природного газа, встроенной на вал контура низкого давления, позволяет получить следующие соотношения параметров установки:
расход природного газа через турбину 2, кг/с 8
расход воздуха через компрессор 1, кг/с 6,5 степень повышения давле- ния воздуха в компрессоре 1 3,15
температура наружного воздуха, К 288
отношение давлений на турбине 2 2,5
КПД воздушного компрес- сора 1 0,81 КПД турбины 2 0,86
температура природного газа за турбиной 2, К 285
Хладопроизводительность установки, кВт 150.

Уровень последнего из приведенных параметров позволяет, например, обеспечить холодом при температуре минус 20^оС холодильную камеру емкостью 500 т, исключив из нее машинное отделение и тем самым положительно решив проблему вредного использования фреона или аммиака в качестве теплоносителей традиционных холодильных машин. Отсюда вытекают высокие экологические показатели предлагаемого способа получения холода.

Изобретение принято к реализации в системе РАО "Газпром" со сроком внедрения в 1996 году.

Использование: холодильная техника, в частности, в установках для получения холода на газораспределительных станциях и газогенераторных пунктах. Сущность изобретения: воздух сжимают в компрессоре 1, расширяют в турбодетандере 8 и снимают тепловую нагрузку потребителям 10 холода. Сжатие воздуха осуществляют за счет работы, полученной от редуцирования природного газа в турбине 2. Воздух перед расширением охлаждают этим же воздухом после потребителя 10 холода, а расход природного газа на турбину 2 и воздуха в компрессор 1 выбирают из определенного соотношения. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА путем сжатия воздуха в компрессоре, расширения и снятия тепловой нагрузки потребителем холода, причем сжатие воздуха осуществляют за счет работы, полученной от редуцирования природного газа в турбине, а охлаждение воздуха проводят природным газом, направляемым на редуцирование, отличающийся тем, что воздух перед расширением дополнительно охлаждают этим же воздухом после потребителя холода, а расход природного газа G_п.г и воздуха G_в выбирают из соотношения

где C_р.в, C_р.г удельные теплоемкости воздуха и природного газа соответственно;
T*н

температура наружного воздуха;
T*т_.п.г температура природного газа за турбиной;
K_г, K_в показатели адиабаты природного газа и воздуха соответственно;
π*к степень повышения давления в компрессоре;
π*т_.п.г отношение давлений на турбине;
η*т, η*к КПД турбины и компрессора соответственно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширение воздуха ведут ступенчато, причем на каждой ступени воздух перед расширением охлаждают этим же воздухом после потребителя.