СПОСОБ РАБОТЫ ТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2000 года по МПК F25J3/04 F01K27/00 F25B11/00 

Изобретение относится к турбодентандерным установкам и может быть использовано при создании наземных установок по получению сжатого, холодного и осушенного воздуха без затрат электроэнергии и без сжигания топлива при высоких экономических и экологических показателях, 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-250). 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 = 3.000 об/мин. При этом давление природного газа в турбодетандере снижается с 2,2 МПа до 1,0 МПа при исходной температуре газа, поступающего в турбодетандер, на уровне 283 К. Очевидно, что при расширении природного газа с 2,2 МПа 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, опубликован 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 снижения давления природного газа в турбодетандере, а охлаждение воздуха проводят природным газом, направленным 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 воздуха, охлаждают природным газом, который пропускают через турбодетандер. В прототипе устраняется недостаток технического решения по аналогу: температура природного газа, поступающего к потребителю, выше 273 К, однако, недостатком способа по прототипу является пониженная надежность турбодетандера, обусловленная теплообменом 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 эффективности и надежности способа работы турбодетандерной установки. Поставленная задача решается тем, что охлаждение воздуха осуществляют после турбодетандера с последующим его осушением и осушенный воздух повышенного давления направляют в блок разделения воздуха для получения газообразного и жидкого азота, жидкого кислорода и жидкого аргона.

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

Конструктивная схема установки, реализующая предложенный способ работы турбодетандерной установки, представлена на чертеже. Она включает магистраль природного газа высокого давления 1, турбодетандер 2, вал 3, лопаточную машину-компрессор 4 по повышению давления воздуха, теплообменник 5 природного газа с воздухом, влагоотделитель 6, блок разделения воздуха 7, магистраль 8 подвода атмосферного воздуха, магистраль 9 отвода воздуха повышенного давления, магистраль 10 отвода природного газа к потребителю, магистраль 11 подвода охлажденного и осушенного воздуха к блоку разделения воздуха 7, магистраль 22 отвода кислорода, магистраль 13 отвода азота, магистраль 14 отвода аргона от блока разделения воздуха.

Работа установки, схематично представленная на фиг. 1, осуществляется следующим образом: природный газ высокого давления, поступающий из магистрали 1, направляют в турбодетандер 2, приводя его во вращение с одновременным снижением давления природного газа. Вращения турбодетандера 2 и его мощность посредством вала 3 передают лопаточной машине-компрессору 4. Воздух из атмосферы засасывается по магистрали 8 в компрессор 4, в котором повышается давление атмосферного воздуха. После этого воздух направляется по магистрали 9 в теплообменник 5, в котором, охлаждаясь, отдает часть тепла природному газу, поступающему к потребителю по магистрали 10, и тем самым повышает его температуру. Известно, что температура природного газа в магистрали 10 должна быть не ниже 273 К. После теплообменника 5 охлажденный воздух повышенного давления направляют к влагоотделителю 6 и частично осушенный поступает в блок разделения воздуха 7. Выделенный кислород отводится по магистрали 12, азот - по магистрали 13, аргон - по магистрали 14.

Снижение давления природного газа в турбодетандере 2 приводит к снижению температуры газа в магистрали 10. Использование теплообменника 5 позволяет нагреть природный газ путем снижения температуры воздуха и тем самым передать холод блоку 7 через воздухоосушитель 6.

Дополнительная по сравнению с прототипом надежность способа работы турбодетандерной установки достигается за счет нагрева природного газа после турбодетандера при меньшем давлении природного газа. Эффективность достигается за счет поступления осушенного и охлажденного воздуха повышенного давления в блок 7.

Для иллюстрации изложенного приводим результаты расчета работы установки, схематично представленнной на фиг. 1, при следующих исходных данных характерных ГРП металлургических заводов:
Расход природного газа через турбину 2, кг/с - 8
Расход воздуха через компрессор, кг/с - 5
Степень повышения давления воздуха в компрессоре 4 - 6,5
Температура наружного воздуха, K - 288
Температура сжатого воздуха перед разделительным блоком 7, K - 278
Влагосодержание, г/кг - 1
КПД воздушного компрессора 4 - 0,81
КПД турбины 2 - 0,86
Частота вращения турбокомпрессора 2-4, об/мин - 15000
Средняя температура природного газа в магистрали 10, K - 275
Расчеты показывают, что при заданных исходных данных мощность турбодетандера 2 составляет величины 1000 -1200 кВт, что обеспечивает расход сжатого и осушенного воздуха от компрессора 4 14 - 15 тыс.норм м³/ч.

На основании проведенных расчетов выявлен большой экономический эффект предлагаемого изобретения по производству кислорода, азота и аргона, что подтверждается результатами экономического расчета.

ГРС среднего размера с расходом природного газа 8 кг/с обеспечивает работу блока 7 по разделению воздуха с выпуском продукции на около 160 млн.руб в сутки. Для существующих норм по ВРУ прибыль составляет 30%, что равно 48 млн. руб. , что равносильно на апрель с.г. 10 тыс. долларов США. При средней стоимости установки по данному техническому решению (средняя цена в 1000 тыс. долларов США) окупаемость ее составит 100 суток или приблизительно 3,5 месяца. Это в три раза лучше показателей штатных установок.

Высокая безопасность работы установки обеспечивается применением магнитной муфты между турбиной 2 и компрессором 4 для малоразмерных установок (с перегородкой).

Предложенный способ работы турбодетандерной установки планируется внедрить на металлургических комбинатах в 1997 - 1998 гг.

Природный газ высокого давления поступает из магистрали в турбодетандер и расширяется в нем со снижением температуры. На выходе из турбодетандера природный газ нагревается в теплообменнике за счет тепла закомпрессорного воздуха, поступающего от воздушного компрессора с одновременным охлаждением воздуха, с последующим отделением конденсирующейся влаги воздуха в водоотделителе. Сжатый охлажденный и осушенный воздух поступает в разделительный блок, с получением после него газообразного и жидкого азота, жидкого кислорода и жидкого аргона. Использование изобретения позволит получить холод в блоке разделения воздуха путем охлаждения воздуха природным газом. 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 компрессору по повышению давления воздуха, который охлаждают природным газом, отличающийся тем, что охлаждение воздуха осуществляют после турбодетандера с последующем его осушением и осушенный воздух повышенного давления направляют в блок разделения воздуха для получения газообразного и жидкого азота, жидкого кислорода и жидкого аргона.