СПОСОБ РАБОТЫ ТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2000 года по МПК F25B11/00 F01K27/00 F02C6/00 

Предлагаемое изобретение относится к турбодетандерным установкам. Может быть использовано при создании наземных установок по получению электроэнергии, холода и тепла без сжигания топлива при высоких экологических показателях, особенно при снижении давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП).

Известен способ получения электроэнергии при снижении давления природного газа на ГРС в турбодетандере, подключенного механически к электрогенератору. Этот способ принят за аналог и представлен в рекламном проспекте "Внешторгиздат. Изд. N 01М31/5, 1989". Техническое решение по аналогу реализует на ГРС с расходом природного газа около 40 кг/с способ работы турбодетандерной установки на основе безредукторного соединения пятиступенчатой осевой турбины с электрогенератором мощностью 2,5 мВт (установка УТДУ-2500). Работа установки УТДУ-2500 на ГРС осуществляется следующим образом. Природный газ направляют из магистрали высокого давления к потребителю параллельно через неподвижное устройство и через вращающийся турбодетандер, в котором снижают избыточное давление природного газа, и смешивают потоки природного газа после неподвижного устройства и вращающегося турбодетандера в магистрали потребителя с поддержанием давления природного газа на требуемом потребителю уровне при изменении давления природного газа высокого давления до поступления его на ГРС, а получаемую мощность турбодетандера передают потребителю мощности. Таким образом, техническое решение по аналогу позволяет повысить надежность работы установки по получению электроэнергии на ГРС за счет прямой передачи (без редуктора) мощности турбодетандера к электрогенератору с частотой вращения n = 3000 об/мин. При этом давление природного газа на турбодетандере снижается с 2,2 до 1,0 МПа при исходной температуре газа, поступающего в турбодетандер, на уровне 283 К. Очевидно, что при расширении природного газа с 2,2 до 1,0 МПа его температура снижается и достигает в соответствии с описанием упомянутого рекламного проспекта до 243 К. Такая температура природного газа является недопустимой с точки зрения надежности работы ГРС по поставке газа потребителю. Известен способ повышения надежности работы турбодетандера на ГРС, представленный в патенте РФ N 2036394 "Способ получения холода" с приоритетом от 23 ноября 1992 года, F 25 B 11/00, опубл. 27.05.95, Бюл. N 15. Этот способ принят за прототип и основан на сжатии воздуха в компрессоре, расширении и снятии тепловой нагрузки потребителем холода, причем сжатие воздуха осуществляется за счет работы, полученной от редуцирования природного газа в турбодетандере, а охлаждение воздуха проводят природным газом, направляемым на редуцирование. Таким образом, в соответствии с техническим решением, принятым за прототип, пропускают природный газ повышенного давления через турбодетандер со снижением давления в нем, механически передают мощность турбодетандера лопаточной машине по повышению давления рабочего тела, часть энергии которого используют для нагрева пропускаемого через турбодетандер природного газа. В прототипе устраняется недостаток технического решения по аналогу: температура природного газа, поступающего к потребителю, является по значению выше 273 К. Однако недостатком способа по прототипу является пониженная надежность работы турбодетандера, обусловленная теплообменном между газом и воздухом при высоком уровне давления природного газа. В результате имеется высокая вероятность разрушения рабочих элементов теплообменника в процессе работы турбодетандера.

Изобретение решает задачу повышения надежности способа работы турбодетандерной установки. Поставленная задача решается тем, что нагрев природного газа осуществляют после турбодетандера с предварительным нагревом его внешним теплом потребителя холода и в качестве рабочего тела используют воздух или жидкость.

Заявителю неизвестны 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 турбодетандерной установки, представлена на чертеже. Она включает магистраль 1 природного газа высокого давления, турбодетандер 2, вал 3, лопаточную машину 4 по повышению давления рабочей среды, магистраль 5 подвода атмосферного воздуха, магистраль 6 отвода воздуха повышенного давления, магистраль 7 подвода жидкости, магистраль 8 отвода жидкости повышенного давления, расходную емкость 9, магистраль 10 после турбодетандера 2, теплообменник 11, потребитель 12 холода, контур 13 хладоносителя, теплообменник 14, запорные органы 15-20, магистраль 21 природного газа, направляемого к потребителю.

Работа установки, схематично представленной на черетеже, осуществляется следующим образом применительно к двум вариантам реализации предлагаемого способа: первый вариант - работа лопаточной машины 4 в качестве воздушного компрессора, второй вариант - работа лопаточной машины 4 в качестве насоса. Оба варианта могут реализоваться как в одном агрегате (турбодетандер 2 - вал 3 - лопаточная машина 4), так и в разных агрегатах. Последнее предусматривает замену агрегатов при переходе от рабочего тела в виде воздуха к рабочему телу в виде жидкости. Очевидно, что более оптимальным с позиций надежности и эффективности реализации способа работы турбодетандерной установки является второй вариант, однако, он сопряжен с дополнительными трудностями по замене агрегатов при переходе с воздуха на жидкость. Для упрощения иллюстративного описания схемы по чертежу представим первый вариант работы установки. В рамках приведенных допущений природный газ высокого давления, поступающий из магистрали 1, направляют в турбодетандер 2, приводя его во вращение с одновременным снижением давления природного газа. Вращение турбодетандера 2 и его мощность посредством вала 3 передается лопаточной машине 4, которая при закрытых органах 16, 17 и 19 и при открытых органах 15, 18 и 20 работает как воздушный компрессор. В этом случае воздух из атмосферы засасывается по магистрали 5 в лопаточную машину 4, в которой повышается давление и температура воздуха. После лопаточной машины 4 воздух направляется по магистрали 6 в теплообменник 14, в котором отдает часть тепла природному газу, поступающему к потребителю по магистрали 21, и тем самым повышает его температуру. После теплообменника 14 охлажденный воздух повышенного давления направляют к потребителю, в качестве которого может быть использована воздушная турбина с электрогенератором или иным потребителем мощности. При этом помимо электроэнергии можно получать и воздух пониженной температуры после его прохождения через турбину. Природный газ поступает в теплообменник 14 после теплообменника 11, в котором он предварительно нагревается за счет передачи тепла от потребителя холода 12 с помощью хладоносителя 13. В теплообменник 11 охлажденный природный газ поступает после турбодетандера 2 по магистрали 10. При закрытых органах 15, 18, 20 и открытых органах 16, 17, 19 установка (см. чертеж) работает по второму варианту, когда лопаточная машина 4 функционирует в качестве насоса. В таком варианте способа работы турбодетандерной установки лопаточная машина 4 всасывает по магистрали 7 жидкость из расходной емкости 9 и направляет ее по магистрали 8 снова в расходную емкость 9. Иными словами, циркулирование жидкости по замкнутому контуру позволяет преобразовать энергию давления жидкости в тепловую энергию, что дает возможность нагревать природный газ, поступающий после теплообменника 11 через орган 16 в расходную емкость 9 и в магистраль 21 к потребителю газа с требуемой температурой.

Снижение давления природного газа в турбодетандере 2 приводит к снижению температуры газа в магистрали 10. Использование теплообменника 11 позволяет предварительно (до теплообменника 14) нагреть природный газ путем снижения температуры хладоносителя 13 и тем самым передать холод потребителю 12. В теплообменнике 14 или в расходной емкости 9 природный газ окончательно нагревается до температуры, необходимой для надежной работы как магистрали 21, так и самого потребителя. Известно, что температура природного газа в магистрали 21 должна находиться в диапазоне от 278 до 313 К.

Дополнительная по сравнению с прототипом надежность способа работы турбодетандерной установки достигается за счет нагрева природного газа после турбодетандера 2 при меньшем его давлении. Кроме того, возможность перехода в функционировании лопаточной машины 4 от компрессора к насосу повышает эффективность способа работы турбодетандерной установки (см. чертеж) в целом за счет возможности эффективно парировать изменение по времени расхода природного газа через ГРП. Так, например, при снижении расхода природного газа ниже 0,3 кг/с работа воздушного компрессора становится столь неэффективной, что становится нецелесообразным его использование.

Для иллюстрации изложенного приводим результаты расчета работы установки, схематично представленной на чертеже , при следующих исходных данных, характерных для ГРП НИЦ ЦИАМ (Московская обл., Тураево):
1. Давление природного газа в магистрали 1, МПа - 0,6
2. Давление природного газа в магистрали 21, МПа - 0,25
3. Температура природного газа в магистрали 1, K - 276
4. Расход природного газа через магистраль 1, кг/с - 0,22 - 0,7
5. КПД турбодетандера 2 - 0,5
6. КПД лопаточной машины 4 - 0,7
7. Частота вращения компрессора 4, об/мин - 60000
8. Частота вращения насоса 4, об/мин - 6000
9. Средняя температура природного газа в магистрали 10, K - 241
Расчеты показывают, что при заданных исходных данных достигаемая мощность турбодетандера 2 составляет величины 25 - 40 кВт при поддержании температуры и давления в магистрали 21 соответственно на уровне 278-313 K и 0,25 МПа. Это позволяет обеспечить при давлении воздуха за лопаточной машиной 4 на уровне 0,3 МПа и его расхода 0,3 кг/с хладопроизводительность до 25 кВт при расходе природного газа через турбодетандер 2, равном 0,7 кг/с. При работе лопаточной машины 4 в качестве водяного насоса при расходе природного газа через турбодетандер 2, равном 0,22 кг/с, указанная хладопроизводительность может достигать 12-16 кВт.

Предложенный способ работы турбодетандерной установки планируется внедрить на ГРП НИЦ ЦИАМ в 1997 году.

Природный газ высокого давления поступает из магистрали 1 в турбодетандер 2 и расширяется в нем со снижением температуры. На выходе из турбодетандера 2 природный газ нагревается в теплообменнике 11 за счет тепла хладоносителя от потребителя холода 12, а также в теплообменнике 14 за счет тепла закомпрессорного воздуха, поступающего от воздушного компрессора 4. При работе лопаточной машины 4, соединенной механически с турбодетандером 2, в качестве насоса дополнительный нагрев природного газа осуществляется в расходной емкости 9. Использование изобретения позволит повысить надежность способа работы турбодетандерной установки. 1 ил.

Способ работы турбодетандерной установки, заключающийся в том, что пропускают природный газ повышенного давления через турбодетандер со снижением давления в нем, механически передают мощность турбодетандера лопаточной машине по повышению давления рабочего тела, часть энергии которого используют для нагрева, пропускаемого через турбодетандер природного газа, отличающийся тем, что нагрев природного газа осуществляют после турбодетандера с предварительным нагревом его внешним теплом потребителя холода и в качестве рабочего тела используют воздух или жидкость.