СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1997 года по МПК F01K27/00 F02C6/00 

Изобретение относится к газотурбинным установкам. Может быть использовано при создании наземных установок по получению электроэнергии с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, особенно при снижении давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).

Известен способ эффективного использования турбодетандеров для снижения давления на ГРС и ГРП взамен редукторов давления клапанного типа. Так, по техническому решению [1] принятому за аналог, турбодетандер природного газа вращает компрессор и электрогенератор, причем тепло закомпрессорного воздуха используется для подогрева природного газа на выходе из турбодетандера.

Недостатком аналога является низкий удельный съем электрической энергии с одного килограмма природного газа.

Известен эффективный способ повышения удельного съема электроэнергии при снижении давления природного газа на ГРС, основанный на совмещении работы турбодетандера природного газа и работы авиационного газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления природного газа на выходе из турбодетандера [2] Этот способ принят за прототип. Техническое решение по прототипу реализуется на базе двухконтурного авиационного двигателя, в котором взамен контура низкого давления вмонтирована турбина природного газа, соединенная единым валом с турбиной низкого давления. Воздушный компрессор высокого давления авиационного двигателя соединен автономным валом с турбиной высокого давления, которая питается газом из камеры сгорания, установленной между воздушным компрессором и турбиной высокого давления. Воздух повышенного давления поступает в камеру сгорания из воздушного компрессора. После турбины высокого давления газ поступает в турбину низкого давления авиационного двигателя, мощность которой, суммируясь с мощностью турбины (турбодетандера) природного газа, передается через редуктор на электрогенератор. Турбина природного газа служит для снижения давления природного газа с поддержанием постоянного давления на выходе путем использования регулируемого соплового аппарата (РСА). В РСА меняется площадь проходного сечения лопаточных каналов в зависимости от изменения входного давления с тем, чтобы поддерживать постоянным выходное давление природного газа.

Таким образом, в соответствии с техническим решением по прототипу в газотурбодетандерной установке реализуется способ работы, основанный на совмещении работы турбодетандера природного газа и работы авиационного газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления природного газа на выходе из турбодетандера.

Однако недостатками способа работы газотурбодетандерной установки по прототипу являются низкие экологические показатели, связанные с работой камеры сгорания авиационного двигателя, и узкий диапазон измерения модности установки.

Изобретение решает задачу повышения экологических показателей и расширения диапазона работы газотурбодетандерной установки при сохранении надежности ее функционирования.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе работы газотурбодетандерной установки совмещают работу турбодетандера природного газа при снижении давления газа в нем на газораспределительных станциях и газорегуляторных пунктах и работу авиационного газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления природного газа на выходе из турбодетандера, причем работу авиационного двигателя осуществляют при его изменяемой модности, вплоть до ее нулевого значения, с поддержанием температуры Т_тпг природного газа на выходе из турбодетандера не ниже 273К (Т_тпг ≥273К).

Заявителю неизвестны технические решения, содержащие признаки, схожие с признаками, отличающими решение от прототипа, что позволяет считать предложенное решение патентоспособным.

На чертеже представлена конструктивная схема установки, реализующая предложенный способ работы газотурбодетандерной установки.

Установка включает магистраль 1 природного газа высокого давления, теплообменник 2 природного газа, турбодетандер 3 природного газа с регулируемым сопловым аппаратом РСА4, авиационный газотурбинный двигатель 5, включающий воздушный компрессор 6, камеру сгорания 7, турбину 8 высокого давления, турбину 9 низкого давления, теплообменник-регенератор 10, совмещенный с теплообменником 2, вал 11 контура высокого давления, вал 12 контура низкого давления, устройство 13 соединения валов 11 и 12. Установка также включает дозатор 14 газа, систему 15 управления дозатором 14 и регулируемым сопловым аппаратом 4, выходную магистраль 16 турбодетандера 3, редуктор 17, электрогенератор 18.

Работа установки осуществляется следующим образом.

Природный газ высокого давления из магистрали 1 поступает в теплообменник 2, где нагревается теплом выхлопных газов, поступающих из авиационного двигателя 5 в теплообменник-регенератор 10, и поступает через регулируемый сопловой аппарат 4 в турбодетандер 3. В турбодетандере 3 природный газ снижает давление и температуру и поступает через выходную магистраль 16 к потребителю. При изменении давления газа в магистраль 1 давление в магистрали 16 поддерживается практически постоянным с помощью РСА 4 путем изменения его проходного сечения: поворот лопаток РСА происходит по сигналу из системы 15, фиксирующей изменение давления природного газа в выходной магистрали 16. Мощность турбодетандера 3 складывается с мощностью турбины 9 через вал 12 и передается через редуктор 17 электрогенератору 18. Работа авиационного двигателя 5 осуществляется по традиционной схеме: воздух из атмосферы поступает в воздушный компрессор 6, где, сжимаясь, поступает в камеру сгорания 7. В камеру сгорания 7 поступает также природный газ через дозатор газа 14 из магистрали 16. В результате сгорания природного газа в камере сгорания 7 горячий газ повышенного давления и температуры поступает на турбину 8, связанной валом 11 с компрессором 6 и приводящей его во вращение. После турбины 8 газ поступает в турбину 9, из которой он направляется через теплообменник-регенератор 10 в атмосферу. С помощью дозатора газа 14 регулируется температура газа в камере сгорания 7 путем изменения количества природного газа, отбираемого из магистрали 16. При полном закрытии дозатора газа 14 полностью прекращается поступление топлива в камеру сгорания 7 и прекращается работа турбины 8 и компрессора 6. В этом случае мощность электрогенератору 18 передает только турбодетандер 3. Однако такой режим работы установки может нормально осуществляться только при температуре Т_тпг природного газа в магистрали 16 не ниже 273К из-за опасности образования газгидратных соединений при уровне температура в магистрали 16, близкой к 273К. При достижении температуры Т_тпг ниже 273К, что фиксируется с помощью устройства 15, связанного с дозатором газа 14, подается команда на соединение валов 11 и 12 с помощью устройства 13, начинается раскрутка вала 11 турбодетандером 3 и одновременно открывается дозатор газа 14 с подачей природного газа в камеру сгорания 7. При поступлении горячего газа на турбины 8 и 9 начинается самостоятельная работа авиационного двигателя с отсоединением валов 11 и 12 в момент достижения, например, равенства частот вращения валов 11 и 12. Тепло выхлопных газов нагревает природный газ в теплообменнике 2, что приводит к повышению температуры природного газа в магистрали 16. Этим обеспечивается надежность работы установки при любой температуре (в том числе и минусовой) природного газа в магистрали 1.

Возможность отключения работы авиационного двигателя повышает экологические показатели установки и расширяет диапазон ее работы по мощности электрогенератора при сохранении надежности функционирования по сравнению с известными техническими решениями, в частности с прототипом.

Перечисленные положительные свойства способа работы газотурбодетандерной установки позволяют широко варьировать мощностью электрогенератора в зависимости от запросов потребителя с обеспечением и иных положительных показателей. Так, например, в ночное время суток одновременно с уменьшением потребности в электроэнергии возможно и повышение экологических показателей установки путем снижения мощности авиадвигателя, а следовательно, и вредных выбросов, а также шума.

Повышение надежности установки достигается также широким применением надежных типовых узлов и изделий. В качестве авиационного двигателя большой эффект получается при использовании, например, двигателя АИ-25. Конструктивно турбодетандер 3 устанавливается взамен компрессора низкого давления АИ-25 с использованием его опорно-силовой схемы, а также масляной системы и системы суфлирования. Получаемая компактная установка обладает повышенной надежностью, обусловленной большим ресурсом работы АИ-25, особенно на пониженных уровнях температуры рабочей среды в камере сгорания 7. При этом при расходе природного газа через турбодетандер 3 в количестве 8 кг/с и расходе топлива через дозатор 14 в количестве 228 кг/ч. получаемая мощность электрогенератора составляет 1,2 МВт, причем вдвое снижается давление природного газа в турбодетандере. При отключении авиадвигателя АИ-25 мощность электрогенератора снижается более чем вдвое, а при повышении количества природного газа, поступающего в камеру сгорания 7, до 250 кг/ч. мощность электрогенератора можно увеличить до 1,35 Мвт.

Изобретение принято к реализации в система РАО "Газпром" со сроком внедрения в 1995 на ГРС топливного газа компрессорных станций.

Использование: газотурбодетандерные установки с рекуперацией тепла и с реализацией избыточного давления природного газа в турбодетандерах. Может быть использовано при создании наземных установок по получению электроэнергии с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, особенно при снижении давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП). Сущность изобретения: природный газ высокого давления по магистрали 1 поступает через регулируемый сопловой аппарат 4 в турбодетандер 3, где снижает давление до требуемого уровня. Мощность турбодетандера 3 складывается с мощностью турбина 9 авиационного двигателя 5 и передается электрогенератору 18. Температура природного газа на выходе из турбодетандера поддерживается не ниже 273^oK с использованием тепла выхлопных газов авиадвигателя 5 и регулируется устройством 15. Мощность авиадвигателя 5 меняется в широком диапазоне, вплоть до нулевого значения, что обеспечивает возможность достижения высоких экологических показателей установки. 1 ил.

1. Способ работы газотурбодетандерной установки, основанный на совмещении работы турбодетандера природного газа при снижении давления газа в нем на газораспределительных станциях и газорегуляторных пунктах и работы авиационного газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления на выходе из турбодетандера, отличающийся тем, что работу авиационного двигателя осуществляют при его изменяемой мощности вплоть до ее нулевого значения с поддержанием температуры природного газа на выходе из турбодетандера не ниже 273 К.