СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗА С ПОМОЩЬЮ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02C3/20 

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, где имеются взрывоопасные объекты, и может быть использовано при технологических операциях и аварийных ситуациях для заполнения и продувки полостей нейтральным (инертным) газом.

Известным и наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ и устройство получения нейтрального газа с помощью газовой турбины по заявке N 2180053 Великобритании кл. F 02 C 3/34, опубликованной 18.03.87 N 11. Суть предложения состоит в следующем.

В газотурбинной установке компрессоры подают в камеру сгорания воздух и горючий газ в стехиометрическом соотношении. Горючий газ сжигается с воздухом в зоне горения, а продукты сгорания из камеры через смесительную зону поступают на турбину. За турбиной поток отработанных газов разделяется на поток инертного газа, поступающего к потребителю, и рециркуляционный поток, поступающий в смесительную зону камеры сгорания через холодильник и компрессор.

К недостаткам известного способа и устройства можно отнести то, что из-за отбора газа после турбины не представляется возможным обеспечить сравнительно высокое давление инертных (нейтральных) газов.

Технической задачей изобретения является повышение давления нейтрального газа при реализации способа и устройства получения нейтральных газов с помощью газовой турбины.

Поставленная задача решается в предлагаемом способе получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, основанном на сжигании в стехиометрическом соотношении топлива с воздухом с помощью газотурбинной установки тем, что продукты сгорания до турбины образуют с избытком кислорода, поток разделяют на две части, одну из которых направляют на турбину для совершения необходимой работы, в другую подают топливо для образования процесса горения, при котором кислорода остается менее одного процента, затем эту часть потока охлаждают через теплообменный аппарат, например, водой, и направляют к потребителю.

Способ реализуется в устройстве для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, содержащем компрессор и турбину, расположенные на одном валу, камеру сгорания со смесительными элементами, сообщенную с одной стороны с компрессором и линией подачи топлива, а с другой - с турбиной, теплообменный аппарат для охлаждения продуктов сгорания, систему поддержания стехиометрического соотношения расходов воздуха и топлива и агрегаты регулирования, тем, что оно дополнительно оснащено камерой сгорания, полости которой сообщены с одной стороны с полостью до турбины и линией подачи топлива, а с другой - с потребителем нейтральных газов, при этом между потребителем и камерой сгорания установлен теплообменный аппарат, подключенный к системе циркуляции охладителя, например, воды.

Совокупность технических решений позволяет установить соответствие их критерию "новизна". Заявленные признаки позволяют в данном способе и устройстве иметь новое свойство в сравнении с известными техническими решениями, заключающееся в том, что предлагаемый способ и устройство получения нейтрального газа с помощью газовой турбины обеспечивают создание комплекса оборудования с высокими техническими параметрами за счет рационального расхода тепловой энергии.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Основными элементами являются:
1 - компрессор;
2 - турбина;
3 - вал;
4 и 10 - камеры сгорания;
5 - свеча;
6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 17 и 18 - магистрали;
12 - теплообменный аппарат охлаждения газа;
15 - насос воды;
16 - теплообменный аппарат охлаждения воды.

Компрессор 1 предназначен для создания давления воздуха.

Турбина 2 расположена на валу 3 вместе с компрессором и является его приводом. Рабочее тело для турбины вырабатывается в камере сгорания 4, поджиг топливо-воздушной смеси, в которой осуществляется через свечу 5. В данной камере сгорания вырабатывается рабочее тело, в том числе и для камеры сгорания 10. Подвод воздуха к камере сгорания 4 от компрессора и топлива от системы регулирования осуществляется по магистралям 6 и 7, а отвод рабочего тела к турбине и камере 10 - по магистралям 8 и 9. Для осуществления процесса выработки нейтрального газа устройство снабжено второй камерой сгорания 10, полость которой с одной стороны сообщена с полостью после камеры 4 магистралью 9 и с системой подачи топлива магистралью 11, а с другой - непосредственно с теплообменным аппаратом 12 и с потребителем через магистраль 13. В качестве охладителя принята вода, поступающая в теплообменный аппарат 12 по магистрали 14 от насоса 15, который можно расположить на валу с турбиной 2, как показано на фиг. 1, или на валу любого автономного привода (электродвигатель, свободная турбина, гидротурбина). В свою очередь вода охлаждается воздухом в теплообменном аппарате 16, подвод и отвод к которому осуществляются по магистралям 17 и 18. Устройство содержит систему стехиометрического соотношения, обеспечивающую подачу топлива в камеру сгорания 10 с постоянным соотношением массовых расходов воздуха и топлива при влиянии внешних и внутренних факторов (не показано).

Принцип работы заключается в следующем. Системами запуска и воспламенения (не показаны) производится запуск газотурбинной установки. При этом воздух из окружающей среды поступает на компрессор 1 и от компрессора по магистрали 6 к камере сгорания 4, а топливо подается в камеру по магистрали 7. В полости камеры сгорания 4 происходят горение топлива и охлаждение продуктов сгорания воздухом до требуемой температуры. После этого газы поступают по магистрали 8 на турбину 2, а по магистрали 9 - в камеру сгорания 10. В камеру сгорания 10 топливо подается по магистрали 11 для горения с остатком кислорода. Минимальный остаток кислорода (менее 1%) достигается изменением расхода топлива. Газы из полости камеры поступают в теплообменный аппарат 12, где охлаждаются водой и поступают к потребителю. Вода может быть подана от постороннего источника или по циркуляционному циклу.

Организация процесса горения в двух камерах сгорания для получения в отдельности продуктов, поступающих на турбину и к потребителю, повышает экономичность устройства и давление нейтральных газов.

Повышение экономичности устройства, по сравнению с известным решением, достигается за счет того, что рабочее тело для турбины компримируется в одном компрессоре (повышается его КПД) и отсутствует процесс охлаждения возвращаемых в цикл газов после турбины (на организацию этого процесса потребуется затрата энергии).

Повышение давления нейтральных газов производится путем их образования из цикла рабочего процесса до турбины, где давление сравнительно велико. Затраты энергии на привод насоса воды будут несущественными, так как расход и напор насоса, работающего в циркуляционном режиме или от внешнего источника, требуют небольшой величины.

Надежность процесса в камере сгорания 10 обеспечивается высокой температурой сгорания, поступающих из камеры сгорания 4, при которой топливо (керосин или природный газ) самовоспламеняется.

Таким образом, реализация предлагаемого способа получения нейтрального газа с помощью газовой турбины и устройства для его осуществления позволит создать технологический комплекс оборудования с высоким уровнем эксплуатационных параметров.

Способ получения нейтрального газа с помощью газовой турбины и устройство для его осуществления относятся к нефтегазовой отрасли промышленности, где имеются взрывоопасные объекты, и могут быть использованы при технологических операциях и аварийных ситуациях для заполнения и продувки полостей нейтральным (инертным) газом. Нейтральный газ получают путем организации процесса горения до турбины с избытком воздуха, разделения потока на две части. Одну из частей направляют на совершение необходимой работы, в другую подают топливо для образования процесса горения до полного выжигания кислорода. Затем эту часть потока охлаждают через теплообменный аппарат, например, водой. Устройство для получения нейтрального газа, содержащее основные элементы газотурбинной установки - турбину, компрессор, камеру сгорания и системы топливоподачи и управления, дополнительно снабжено камерой сгорания. Полости камеры сгорания с одной стороны сообщены с полостью до турбины и линией подачи топлива, а с другой - с потребителем нейтрального газа через теплообменный аппарат. В качестве охладителя используется, например, вода от насоса. Такое осуществление изобретений приводит к повышению экономичности и давления нейтральных газов. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, основанный на сжигании в стехиометрическом соотношении топлива с воздухом с помощью газотурбинной установки, отличающийся тем, что продукты сгорания до турбины образуют с избытком кислорода, поток разделяют на две части, одну из которых направляют на турбину для совершения необходимой работы, в другую подают топливо для образования процесса горения, при котором кислорода остается менее 1%, затем эту часть потока охлаждают через теплообменный аппарат, например, водой и направляют к потребителю. 2. Устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины, содержащее компрессор и турбину, расположенные на одном валу, камеру сгорания со смесительными элементами, сообщенную с одной стороны с компрессором и линией подачи топлива, а с другой - с турбиной, теплообменный аппарат для охлаждения продуктов сгорания, систему поддержания стехиометрического соотношения расходов воздуха и топлива и агрегаты регулирования, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено камерой сгорания, полости которой сообщены с одной стороны с полостью до турбины и линией подачи топлива, а с другой - с потребителем нейтральных газов, при этом между потребителем и камерой сгорания установлен теплообменный аппарат, подключенный к системе циркуляции охладителя, например воды.