УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ГАЗА НА ПОДЗЕМНОМ ХРАНИЛИЩЕ ГАЗА Российский патент 1995 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к технике транспортировки и хранения природного газа и может быть использовано в газовой промышленности на подземных хранилищах газа.

Известны установки для утилизации энергии газа, в том числе и на подземных хранилищах газа, содержащие турбодетандеры включенные в трубопроводы высокого давления теплообменники, электрические генераторы, сочлененные с турбодетандерами. В известных установках избыточную энергию сжатого газа с помощью турбодетандера и электрического генератора преобразуют в электрическую, которую затем передают в сеть электроснабжения. Известные установки обладают низкой эффективностью из-за использования лишь части избыточной энергии газа его потенциальной энергии сжатого состояния.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является установка для утилизации энергии газа, которая может использоваться на подземном хранилище газа. Установка содержит замкнутый циркуляционный контур, заполненный этапом с включенным в него циркуляционным насосом, испарителем, первым и вторым теплообменниками, энергоблок, включающий в себя синхронный генератор с установленным на его валу турбодетандером и с выходом, подключенным в сеть энергоснабжения, трубопроводную линию газа высокого давления, магистральный газопровод, трубопроводную линию газа низкого давления. В известной установке замкнутый циркуляционный контур выполняет функции промежуточного теплоносителя для обеспечения требуемых кондиций транспортируемого газа, при которых исключается образование газовых гидратов в турбодетандере.

Недостатками известной установки является низкая эффективность утилизации энергии газа, поскольку используется лишь часть энергии газа, т.е. его потенциальную энергию сжатого состояния. Это обусловлено тем, что преобразование энергии возможно лишь при постоянной скорости вращения энергоблока (обусловленная синхронной скоростью электрогенератора, работающего параллельно с сетью электроснабжения), не используют тепловую энергию газа и тепло окружающей среды.

Кроме того, в известной установке не обеспечиваются требуемые кондиции транспортируемого газа при смешивании магистрального газа с газом, выходящим из установки. В этом случае из-за различия температур указанных потоков возможно образование газовых гидратов в магистральном газопроводе.

Цель изобретения повышение эффективности утилизации энергии газа.

Цель достигается тем, что в известной установке для утилизации энергии газа на подземном хранилище газа, содержащей замкнутый циркуляционный контур и последовательно включенные в него циркуляционный насос, испаритель, первую полость теплообменника, энергоблок, включающий в себя синхронный генератор с турбодетандером на валу, трубопроводная линия газа высокого давления, трубопроводная линия газа низкого давления, магистральный газопровод, соединенный с трубопроводной линией газа низкого давления, при этом трубопроводная линия газа высокого давления через вторую полость теплообменника соединена с трубопроводной линией газа низкого давления, установка дополнительно содержит конденсатор, блок очистки-осушки газа, регулятор расхода газа, первый и второй датчики расхода газа, а энергоблок дополнительно содержит преобразователь частоты и сочлененную посредством муфты с турбодетандером вспомогательную турбину, выход которой через первую полость конденсатора соединен циркуляционным насосом, а вход соединен с первой полостью теплообменника.

Третья полость теплообменника через первую полость конденсатора соединена с выходом трубодетандера, а к входу линии высокого давления газа включен блок очистки-осушки газа.

Выход первого датчика расхода газа, установленного на магистральном газопроводе соединен с первым входом регулятора расхода, второй вход которого соединен с выходом второго датчика расхода газа, установленного на трубопроводной линии газа низкого давления. Выход регулятора расхода соединен с управляющим входом турбодетандера и преобразователя частоты, выход которого соединен с сетью электроснабжения, а вход с выходом синхронного генератора.

Кроме того, энергоблок выполнен в виде самостоятельных основного и вспомогательного агрегата, при этом основной агрегат содержит основной турбодетандер с установленным на его валу синхронным генератором, к выходу которого подключен основной преобразователь частоты, соединенный своим выходом с сетью электроснабжения, а управляющим входом с выходом регулятора расхода и управляющим входом турбодетандера, а вспомогательный агрегат содержит вспомогательную турбину с установленным на ее валу вспомогательным синхронным генератором, к выходу которого подключен вспомогательный преобразователь частоты, соединенный своим входом с сетью электроснабжения.

Известны технические решения, в которых осуществляется утилизация энергии сжатого газа и дальнейшее ее преобразование в электрическую с помощью электрических генераторов.

В этих решениях отсутствует средство для дополнительного преобразования низкотемпературной тепловой энергии в электрическую, не обусловленную потенциальной энергии сжатого газа. В этих решениях отсутствуют также средства для изменения режима магистрального газопровода и режима отбора газа из подземного хранилища газа с помощью преобразователя частоты, связанного с сетью электроснабжения и синхронным генератором, имеющего нестабильную частоту вращения.

На фиг.1 приведена технологическая схема установки для утилизации энергии газа на подземном хранилище газа; на фиг.2 технологическая схема установки с двумя двухполостными теплообменниками; на фиг.3 технологическая схема установки разделенным энергоблоком; на фиг.4-технологическая схема установки с разделенным энергоблоком и двумя двухполостными теплообменниками.

Установка (фиг.1) содержит блок очистки-осушки газа 1, соединенный с подземным хранилищем газа 2 с помощью системы скважин 3 и посредством трубопроводной линии газа высокого давления 4 с трехполостным теплообменником 5. Энергоблок включает в себя синхронный генератор 6 с установленным на валу турбодетандером 7, который посредством муфты 8 сочленен с вспомогательной турбиной 9, а также преобразователь частоты 10, вход которого соединен с выходом синхронного генератора 6, а выход с сетью электроснабжения 11.

Первая полость теплообменника 5 соединена с трубопроводной линией высокого давления газа 4 и с входом турбодетандера 7, а выход турбодетандера 7 через первую полость конденсатора 12, вторую полость теплообменника 5 соединен с трубопроводной линией газа низкого давления 13, соединенного с магистральным газопроводом 14.

Выход вспомогательной турбины 9 через вторую полость испарителя 12 соединен с входом циркуляционного насоса 15, выход которого через испаритель 16, третью полость теплообменника 5 соединен с входом вспомогательной турбины 9. Управляющий вход преобразователя частоты 10 и управляющий вход турбодетандера 7 соединен с выходом регулятора расхода 17, первый вход которого соединен с выходом первого датчика расхода газа 18, установленного на магистральном газопроводе 14, а второй вход регулятора расхода 17 соединен с выходом второго датчика расхода газа 19, установленного на трубопроводной линии газа низкого давления 13. Установка (фиг.2) вместо трехполостного теплообменника 5 (фиг.1) содержит первый двухполостной теплообменник 20 и второй двухполостной теплообменник 21.

Выход блока очистки-осушки газа 1 через трубопроводную линию высокого давления газа 4, первую полость первого теплообменника 20, первую полость второго теплообменника 21 соединен с входом турбодетандера 7. Выход турбодетандера 7 через первую полость конденсатора 12, вторую полость второго теплообменника 21 и трубопроводной линии газа низкого давления 13 соединен с магистральным газопроводом 14. Вторая полость первого теплообменника 20 соединена с выходом испарителя 16 и входом вспомогательной турбины 9.

В установке (фиг.3) энергоблок выполнен в виде самостоятельных основного и вспомогательного агрегата. Основной агрегат содержит турбодетандер 7 с синхронным генератором 6 и преобразователем частоты 10. Вспомогательный агрегат содержит вспомогательную турбину 9 с установленным на валу вспомогательным синхронным генератором 22, выход которого соединен с входом вспомогательного преобразователя частоты 23, подключенного своим выходом к сети электроснабжения 11. Установка (фиг.4) выполнена с разделенным энергоблоком и двумя двухполостными теплообменниками 20 и 21. Трубопроводная линия высокого давления газа 4 через первую полость первого двухполостного теплообменника 20, первую полость второго двухполостного теплообменника 21 соединена с входом турбодетандера 7. Выход турбодетандера 7 через первую полость конденсатора 12, вторую полость второго двухполостного теплообменника 21, трубопроводную линию низкого давления газа 13 соединен с магистральным газопроводом 14. Выход вспомогательной турбины 9 через вторую полость конденсатора 12, циркуляционный насос 15, испаритель 16 соединен с входом второй полости первого двухполостного теплообменника 20, выход которой соединен с входом вспомогательной турбины 9.

Установка (фиг.1) работает следующим образом.

При отборе газа из подземного хранилища газа 2 с помощью системы скважин 3 газ высокого давления (100-150 атм) поступает на блок очистки-осушки газа 1, где его очищают от механических примесей, осушают от водяных паров и удаляют газовый конденсат. Газ высокого давления через трубопроводную линию высокого давления газа 4, первую полость теплообменника 5 поступает на вход турбодетандера 7. Потенциальная энергия сжатого газа с помощью синхронного генератора 6 и преобразователя частоты 10 передается в сеть электроснабжения 11. Охлажденный газ низкого давления с выхода турбодетандера 7 поступает в первую полость конденсатора 12, где осуществляет конденсацию теплоносителя из второй полости конденсатора 12. В качестве теплоносителя замкнутого циркуляционного контура (вспомогательная турбина 9, вторая полость конденсатора 12, циркуляционный насос 15, испаритель 16, третья полость теплообменника 5) используется пропан, углекислый газ, аммиак, смеси этан-пропан-бутан или другие смеси. Сжиженный теплоноситель из конденсатора 12 с помощью циркуляционного насоса 15 по-дают в испаритель 16, где используя тепло наружного воздуха теплоноситель частично испаряется. Затем теплоноситель поступает в третью полость теплообменника 5, где используя тепло газа, поступающего из подземного хранилища газа 2, теплоноситель полностью испаряется и поступает на вспомогательную турбину 9. Во вспомогательной турбине 9 парообразный теплоноситель расширяют с передачей энергии на вал синхронного генератора 6 через муфту 8, а затем снова подают во вторую полость конденсатора 12, где он конденсируется. В установке (фиг.1) кроме утилизации потенциальной энергии сжатого газа из подземного хранилища (с учетом КПД турбодетандера) производят утилизацию тепловой энергии газа, поступающего из подземного хранилища, а также тепла окружающей среды с помощью вспомогательной турбины 9 и элементов замкнутого циркуляционного контура.

Газ, поступающий через трубопроводную линию низкого давления 13 в магистральный газопровод 14, имеет примерно одинаковую температуру и давление с газом в магистральном газопроводе. Это позволяет исключить образование гидратных пробок в магистральном газопроводе и обеспечить требуемую производительность магистрального газопровода при смешении двух потоков газа (из подземного хранилища и газ в магистральном газопроводе). Для регулирования режима отбора газа из подземного хранилища газа 2 используется преобразователь частоты 10, измеряющий величину электрической мощности, отдаваемой в сеть электроснабжения 11 в зависимости от соотношения расходов в магистральном газопроводе 14 и трубопроводной линии газа низкого давления 13. Указанное соотношение воспринимается с помощью первого 18 и второго 19 датчика расхода газа и в регуляторе расхода 17 преобразуется в электрический сигнал, поступающий на управляющий вход преобразователя частоты 10 и на управляющий вход турбодетандера 7. Величина мощности, отдаваемой энергоблоком в сеть электроснабжения 11, определяется углом открытия тиристоров (не показаны) преобразователя частоты 10, который изменяют сигналом от регулятора расхода 18. Кроме того, использование регулируемого по упомянутому выше параметру тиристорного преобразователя частоты 10 в энергоблоке позволяет обеспечить устойчивый режим синхронного генератора 6 с сетью электроснабжения 11 при различной частоте вращения турбодетандера 7. По существу при несинхронной работе синхронного генератора 6 с сетью электроснабжения 11 (частота сети стабильна и определяется частотой в энергосистеме около 50 Гц, а частота синхронного генератора изменяется в соответствии с режимом работы турбодетандера 7 и балансом мощностей, отдаваемой в сеть электроснабжения и развиваемой турбодетандером) обеспечивается требуемый тепловой режим элементов установки.

При заполнении подземного хранилища газа 2 производят замену проточной части турбодетандера 7 и отсоединяют вспомогательную турбину 9 от вала турбодетандера 7 с помощью муфты 8. В этом случае синхронный генератор 6 работает в режиме синхронного электродвигателя с питанием от преобразователя частоты 10. Отбор газа из магистрального газопровода 14 производят через трубопроводную линию газа низкого давления 13, теплообменник 5, первую полость конденсатора 12. Газ компримируют турбодетандером 7 (работающий в режиме нагнетателя) и подают в систему скважин 3. Испаритель 16 в режиме закачки может выполнять функции аппарата охлаждения закачиваемой в подземном хранилище газа.

Установка на фиг. 2 работает аналогично установке на фиг.1. Однако, двухполостные теплообменники 20 и 21 значительно проще и экономичнее, чем трехполостные (фиг.1). Кроме того, с точки зрения утилизации энергии газа с наибольшей эффективностью установки на фиг.1 и 2 эквивалентны.

Установка (фиг.3) работает следующим образом.

Газ высокого давления из подземного хранилища 2, через трубопроводную линию высокого давления газа 4, теплообменник 5 поступает на турбодетандер 7 основного агрегата. Потенциальную энергию сжатого газа через синхронный генератор 6, преобразователь частоты 10 передают в сеть электроснабжения 11. По выходе из турбодетандера 7 охлажденный газ низкого давления поступает в конденсатор 12, где во второй полости конденсируется теплоноситель замкнутого циркуляционного контура (циркуляционный насос 15, испаритель 16, третья полость теплообменника 5, вспомогательная турбина 9, вторая полость конденсатора 12, циркуляционный насос 15). В качестве теплоносителя в замкнутом циркуляционном контуре используются такие же смеси, как и в схеме фиг.1 и 2. Жидкий теплоноситель подают с помощью циркуляционного насоса 15 в испаритель 16, где используя тепло окружающего воздуха теплоноситель частично испаряется. Полностью теплоноситель испаряется в третьей полости теплообменника 5, после чего парообразный теплоноситель поступает на вспомогательную турбину 9, где отдает свою энергию. С помощью вспомогательного синхронного генератора 22 и вспомогательного преобразователя частоты 23, тепловая энергия, отбираемая от природного газа из подземного хранилища (температура газа на выходе подземного хранилища газа составляет 10-15^оС), а также от окружающего воздуха преобразуют в электрическую и передают в сеть электроснабжения. Функция регулирования режима отбора газа из подземного хранилища осуществляет преобразователь частоты 10 на управляющий вход которого поступает сигнал от регулятора расхода 17. Режим работы вспомогательной турбины 9 и мощность, отдаваемая в сеть вспомогательным синхронным генератором 22 через вспомогательный преобразователь частоты 23, зависит от температуры окружающего воздуха, температуры газа в подземном хранилище, а также от соотношения расходов газа в магистральном газопроводе 14 и подземном хранилище газа 2. По этим причинам специального регулирования вспомогательного преобразователя 23 в функции соотношения расходов датчиков 18 и 19 не требуется.

В режиме закачки газа в подземном хранилище производят замену проточной части турбодетандера 7 для работы в режиме нагнетателя, а синхронный генератор 6 переводят в режим синхронного двигателя с питанием от преобразователя частоты 10. В режиме закачки газа вспомогательный агрегат (турбина 9) не работает, а газ из магистрального газопровода 14 через трубопроводную линию газа низкого давления 13 компримиpуют в турбодетандере 7 (работающий в режиме нагнетателя) и по-дают через систему скважин 3 в подземном хранилище 2. В режиме закачки газа теплообменник 5 выполняет функции аппарата охлаждения закачиваемого газа за счет использования газа из магистрального газопровода и промежуточного теплоносителя замкнутого циркуляционного контура.

Установка на фиг.4 работает аналогично установкам на фиг.2 и 3. При этом использование двухполостных теплообменников 20 и 21 значительно повышает экономичность оборудования, упрощает их эксплуатацию. Вспомогательный агрегат (турбина 9) работает в автономном режиме, используя тепловую энергию окружающего воздуха и тепла газа из подземного хранилища 2. Поскольку отбор газа из подземных хранилищ производят как правило в зимнее время, а закачку производят в летнее время, то для повышения мощности вспомогательного агрегата (вспомогательная турбина 9 на фиг.1-4) испаритель 16 может быть выполнен с возможностью обогрева продуктами сгорания природного газа. Режим турбодетандера изменяют с помощью его направляющего аппарата сигналом от регулятора 17. Эти условия могут возникнуть при дефиците энергии в энергосистеме во время максимума нагрузок. В установке (фиг.1-4) обеспечивается высокая эффективность утилизации энергии газа на подземном хранилище, поскольку кроме потенциальной энергии сжатого газа, утилизируемой турбодетандером, утилизируется также тепловая энергия пластов и воздуха окружающей среды. Это стало возможным благодаря использованию технологической схемы с выделением низкотемпературного газа на выходе турбодетандера. Для турбодетандерного агрегата мощностью 6,3 МВт мощность вспомогательного агрегата составляет 1,5-2 МВт.

Экономическая эффективность использования данной установки определяется величиной электрической энергии, вырабатываемой энергоблоком с учетом того, что выработка электроэнергии и ее передача в энергосистему производится во время дефицита при зимнем максимуме электропотребления.

Использование: в газовой промышленности для транспортировки и хранения природного газа. Сущность изобретения: установка содержит основной и вспомогательный энергоблок. Основной энергоблок осуществляет утилизацию потенциальной энергии сжатого газа из подземного хранилища с помощью турбодетандера с синхронным генератором на валу и преобразователем частоты. Вспомогательный энергоблок с помощью вспомогательной турбины, включенной в замкнутый циркуляционный контур с теплоносителем и вспомогательным синхронным генератором и преобразователем частоты осуществляет утилизацию тепла газа из подземного хранилища и воздуха окружающей среды. Режим отбора газа из подземного хранилища регулируют с помощью преобразователей частоты основных энергоблоков, управляемых сигналом от регулятора расхода. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ГАЗА НА ПОДЗЕМНОМ ХРАНИЛИЩЕ ГАЗА, содержащая замкнутый циркуляционный контур с последовательно включенными в него конденсатором, первой полостью теплообменника и испарителем, энергоблок, включающий турбодетандер с генератором, трубопроводы низкого и высокого давлений и магистральный трубопровод, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности утилизации энергии газа, установка дополнительно содержит блок очистки-осушки газа, циркуляционный насос, регулятор расхода газа, первый и второй датчики расхода газа, а энергоблок преобразователь частоты и муфту, соединяющую турбодетандер со сменной проточной частью и турбину, выход которой через вторую полость конденсатора соединен с входом циркуляционного насоса, выход насоса через испаритель и первую полость теплообменника соединен с входом турбины, причем трубопровод высокого давления подключен последовательно через блок осушки-очистки и третью полость теплообменника к входу в турбодетандер, а выход последнего через первую полость конденсатора, вторую полость теплообменника и трубопровод низкого давления соединен с магистральным трубопроводом, при этом выход первого датчика расхода газа, установленного на магистральном газопроводе, соединен с первым входом регулятора расхода газа, второй вход которого соединен с выходом второго датчика расхода газа, установленного на трубопроводе низкого давления, выход регулятора расхода газа соединен с управляющими входами турбодетандера и преобразователя частоты, выход которого соединен с сетью электроснабжения, а выход с выходом синхронного генератора. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вторые синхронный генератор и преобразователь частоты, электрически связанные между собой, а генератор подключен к турбине.