СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1997 года по МПК F02C6/18 F25B27/02 

Предлагаемое 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, принятому за аналог [1] 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. Этот способ принят за прототип [2] 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 высокого давления 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. Выхлопные газы после турбины низкого давления поступают в атмосферу через теплообменник по нагреву природного газа высокого давления, направляемого в турбодетандер.

Таким образом, в соответствии с техническим решением по прототипу в газотурбодетандерной установке реализуется способ работы, основанный в направлении природного газа высокого давления к потребителю через турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, в котором снижают давление природного газа до требуемого конкретному потребителю уровня с поддержанием этого уровня постоянным при изменении параметров газа высокого давления и получаемую мощность турбодетандера передают электрогенератору, суммируя с помощью газотурбинного двигателя, выхлопные газы которого направляют в атмосферу, предварительно снижая его температуру в теплообменнике по нагреву природного газа высокого давления, направленного в турбодетандер.

Однако недостатками способа работы газотурбодетандерной установки по прототипу являются низкая эффективность и низкий удельный съем энергии с одного кг редуцируемого природного газа.

Изобретение решает задачи повышения эффективности способа работы газотурбодетандерной установки и повышения удельного съема энергии с одного кг редуцируемого природного газа. Поставленные задачи решаются тем, что природный газ после турбодетандера перед поступлением к потребителю направляют в дополнительный теплообменник по нагреву природного газа высокого давления перед его поступлением в теплообменник и температуру природного газа после дополнительного теплообменника поддерживают в диапазоне не менее 278 K, а по верхнему пределу на уровне конкретного требования потребителя, но не выше 600 K.

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

Конструктивная схема установки, реализующая предложенный способ работы газотурбодетандерной установки, представлена на чертеже. Она включает магистраль 1 природного газа высокого давления, дополнительный теплообменник 2 природного газа, теплообменник 3 природного газа, турбодетандер 4 природного газа с регулируемым сопловым аппаратом 5 (РСА), газотурбинный двигатель 6, включающий компрессор 7, камеру сгорания 8, турбину 9 высокого давления, турбину 10 низкого давления, теплообменник-регенератор 11, вал 12 контура высокого давления, вал 13 контура низкого давления, пусковое устройство 14 газотурбинного двигателя 6. Установка также содержит регулятор 15 топлива, выхлопную магистраль 16 с регулировочным органом 17, систему 18 управления РСА, редуктор 19, электрогенератор 20, обводную магистраль 21 с регулировочным органом 22.

Работа установки, схематично представленной на чертеже осуществляется следующим образом. Природный газ высокого давления поступает на магистраль 1 в дополнительный теплообменник 2, где предварительно нагревается от природного газа, поступающего после турбодетандера 4 к потребителю. Основной нагрев поступающий природный газ высокого давления получает в теплообменнике 3, после которого указанный газ поступает в турбодетандер 4. В турбодетандере 4 происходит снижение давления и температуры природного газа, причем снижают до постоянного уровня, необходимого потребителю. При изменении входных параметров природного газа в магистрали 1 (по расходу и давлению) постоянный уровень давления в магистрали 16 поддерживается с помощью регулируемого соплового аппарата 5, функционирование которого (поворот лопаток с изменением площади проходного сечения) осуществляется по сигналу от системы управления 18. Природный газ с пониженным после турбодетандера 4 давлением поступает при закрытом регулировочном органе 22 и открытом органе 17 в теплообменник 2, откуда, дополнительно охлаждаясь, поступает к потребителю. Температура поступающего к потребителю природного газа может меняться путем смешения потоков через дополнительный теплообменник 2 и через обводную магистраль 21 с помощью регулирования органами 17 и 22. Очевидно, что при закрытом органе 17 и открытом органе 22 (т.е. в обход теплообменника 2) природный газ будет иметь повышенную температуру. Уровень температуры устанавливается по требованию потребителя, но в любом случае температура не должна быть ниже 278 K и не выше 600 K. Нижний предел ограничения температуры обусловлен нежелательным процессом образования газгидратных соединений в природном газе, а верхний предел возможностью нежелательных изменений свойств системы природный газ магистраль (в частности, возможностью возникновения процесса коксования). Очевидно также, что при одновременном закрытии органов 17 и 22 природный газ не поступает в турбодетандер 4. Работа органов 17 и 22 осуществляется с пульта управления установкой, не показанного на чертеже. Мощность, получаемая от работы турбодетандера 4, передается через редуктор 19 электрогенератору 20.

Одновременно с работой турбодетандера 4 производится включение в работу газотурбинного двигателя 6 путем одновременного открытия регулятора 15 и включения пускового устройства 14. При этом топливо поступает в камеру сгорания 8, в которую поступает также воздух повышенного давления от компрессора 7. При сгорании топливо-воздушной смеси в камере сгорания 8 горячий газ поступает в турбину 9, которая посредством вала 12 вращает компрессор 7, и затем в турбину 10, мощность которой посредством вала 13 суммируется с мощностью турбодетандера 4. Выхлопные газы после двигателя 6 поступают через теплообменник-регенератор 11, где передают избыток тепла природному газу высокого давления, поступающему в теплообменник 3. Путем регулирования режима работы двигателя 6 при изменении подачи топлива в камеру сгорания 8 с помощью регулятора 15 можно получить различную мощность турбины 10, а следовательно, и различную температуру выхлопных газов, поступающих в теплообменник-регенератор 11. Таким образом, можно регулировать и мощность турбодетандера 4 и температуру природного газа в магистрали 16. Вместе с тем включение в работу установки дополнительного теплообменника 2 позволяет заметно против известных технических решений повысить удельный съем энергии с одного кг природного газа за счет дополнительного повышения его температуры перед поступлением в турбодетандер 4, а также повысить эффективность работы установки. Это подтверждается результатами проведенного сравнительного расчета вариантов выполнения установки по чертежу без теплообменника 2 (I вариант) и с теплообменником 2 (II вариант). Оба варианта выполнены на базе двухконтурного авиационного двигателя АИ-25 в качестве ГТД (позиция 6 на чертеже). Расчет проведен при следующих исходных данных:
1. Расход природного газа 8 кг/с
2. Отношение давлений на турбодетандере 2,1
3. Температура природного газа в магистрали 1 288 K
4. Термическая эффективность теплообменников 2 и 3 (на чертеже) 0,8
5. КПД турбодетандера 0,87
В таблице 1 представлены результаты расчета мощности Ne установки и ее КПД η_e для вариантов I и II.

Из таблицы 1 следует, что использование в установке на чертеже дополнительного теплообменника 2 дает возможность при прочих равных условиях повысить ее мощность в 1,5 раза с повышением КПД на 28%
Предложенный способ работы газотурбодетандерной установки принят к реализации в РАО "Газпром". Планируется создание установки, схематично представленной на чертеже, в 1996 году. В настоящее время разработана конструкторская документация.

Использование: в газотурбодетандерных установках с рекуперацией тепла и с реализацией избыточного давления природного газа на газораспределительных станциях и газорегуляторных пунктах. Сущность изобретения: природный газ высокого давления из магистрали 1 поступает через теплообменник 2-3 в турбодетандер 4, где снижает давление до требуемого потребителю уровня. Мощность турбодетандера, суммируясь с мощностью газотурбинного двигателя 6, передается электрогенератору 20. Теплом выхлопных газов двигателя 6 нагревается природный газ перед поступлением в турбодентандер 4. Температура природного газа, поступающего к потребителю, регулируется перераспределением потоков с помощью органов 17 и 22. 1 табл., 1 ил.

Способ работы газотурбодетандерной установки, заключающийся в направлении природного газа высокого давления к потребителю через турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, в котором снижают давление природного газа до требуемого конкретному потребителю уровня с поддержанием этого уровня постоянным при изменении параметров газа высокого давления и получаемую мощность турбодетандера передают электрогенератору, суммируя с мощностью газотурбинного двигателя, выхлопные газы которого направляют в атмосферу, предварительно снижая его температуру в теплообменнике по нагреву природного газа высокого давления, направляемого в турбодетандер, отличающийся тем, что природный газ после турбодетандера перед поступлением к потребителю направляют в дополнительный теплообменник по нагреву природного газа высокого давления перед его поступлением в теплообменник природного газа и температуру природного газа после дополнительного теплообменника поддерживают в диапазоне не менее 278 К, а по верхнему пределу на уровне конкретного требования потребителя, но не выше 600 К.