ТЕПЛОТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА В СИСТЕМЕ ГРС Российский патент 2008 года по МПК F01K21/00 

Изобретение относится к энергетическим установкам, в частности к теплотурбодетандерным установкам (ТТДУ), в которых используется потенциал давления природного газа магистральных газопроводов в системах ГРС при расширении нагретого газа в турбодетандере с производством внешней работы (выработка электроэнергии) с использованием тепла выхлопных газов газотурбинных установок, находящихся на одном валу с турбодетандером.

Известна газораспределительная станция (ГРС), содержащая систему газопроводов, подогреватели газа, регуляторы давления (дроссели).

Недостатком известной ГРС является потеря потенциала давления газа (мощности) при его дросселировании, что ведет к большим потерям мощностей, заложенных в природном газе, как в состоянии пластового давления месторождения, так и при компремировании на компрессорных станциях в процессе его транспортировки по магистральным газопроводам, причем газ при его снижении давления (дросселирование) на ГРС подогревается, на что затрачивается топливо, в результате вышеизложенного упускается возможность возврата хотя бы части мощности, заложенной как самой природой, так и в процессе его транспортировки к потребителям.

Известна турбодетандерная установка, содержащая турбодетандер, электрогенератор для охлаждения газа за счет его расширения в турбодетандере с производством внешней работы, используемая в установках для сжижения и разделения газов, а также в разного рода холодильных установках.

Недостатком известной установки является узкая область применения и малые мощности для производства электроэнергии в больших масштабах.

Известна двухвальная турбодетандерная установка, содержащая парогенератор, паровую турбину, конденсатор, подогреватели газа, турбодетандер, электрогенераторы.

Недостатком известной установки является выработка электроэнергии турбодетандером только для собственных нужд электростанции с использованием затурбодетандерного газа в качестве топлива для парогенераторов станции, а также двухвальность установки (1).

Известна термотурбодетандерная установка, содержащая водогрейный котел, газоподогреватель, циркуляционный насос (2).

Недостатком известной установки является наличие в тепловой системе установки громоздкого водогрейного котла, невозможность повышения высокой температуры цикловой воды из-за низкого ее давления в замкнутом контуре, а также то, что производство электроэнергии происходит только за счет расширения слабонагретого газа в турбодетандере.

Известную установку (2) следует принять в качестве прототипа.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, состоящей в использовании потенциала высокого давления природного газа магистральных газопроводов в системе ГРС, подогретого выхлопными газами ГТУ с использованием мощности ГТУ, находящейся на одном валу с турбодетандером.

На фиг.1 представлена схема ТТДУ, в системе ГРС 1 компрессор 2, камера сгорания 3, турбина 4, подогреватель цикловой воды 5, дымовая труба 6, газопровод высокого давления 7, подогреватель газа 8, гидротурбина 9, электродвигатель 10, циркуляционный насос 11, гидромуфта 12, турбодетандер 13, электрогенератор 14, распределительные коллекторы 15, 16, причем циркуляционный насос, подогреватель цикловой воды, подогреватель газа, гидротурбина образуют замкнутый контур цикловой воды высокого давления, позволяющий получить достаточно высокую ее температуру. При этом турбина 4 соединена с подогревателем цикловой воды 5, подключенным к подогревателю газа 8, соединенного с газопроводом высокого давления 7 и турбодетандером 13.

На фиг.2 представлена схема гидромуфты.

ТТДУ работает следующим образом.

При заполненном контуре цикловой воды включается в работу электродвигатель 10, что приводит в движение циркуляционный насос 11 и гидротурбину 9, причем малый расход цикловой воды через контур обеспечивается степенью открытия регулятора расхода, установленного на магистрали воды после циркуляционного насоса, после чего запускается на малые обороты ГТУ.

По мере нагрева цикловой воды начинается подача природного газа от газопровода 7 через подогреватель 8 на турбодетандер 13, что страгивает второй вал.

При достижении оборотов второго вала до необходимых для синхронизации электрогенератора генератор включается в сеть, далее начинается набор оборотов ГТУ с увеличением температуры как цикловой воды, так и газа к турбодетандеру, причем ГТУ с номинальными оборотами с турбодетандером работает через гидромуфту 12 (гидромуфта вступает в работу постоянно - по мере набора оборотов).

Использование предлагаемых ТТДУ для производства электроэнергии позволит реализовать потенциал высокого давления природного газа магистральных газопроводов в системах ГРС разных мощностей как за счет расширения нагретого газа в турбодетандерах, так и работы ГТУ с повышенным КПД в новых условиях, что в целом позволит в значительной степени увеличить выработку электроэнергии в энергосистемах и снизить ее себестоимость.

Расчет эффективности ТТДУ прилагается.

Источники информации

1. Зарницкий Г.Э. кн. Теоретические основы использования энергии давления газа. Москва, «Недра», 1968.

2. Шляхин П.Н., кн. Паровые и газовые турбины. Москва, «Энергия», 1974.

3. Россия, заявка на изобретение №2005134613, 2006.

Расчет эффективности ТТДУ.

В качестве теплоносителя для нагрева газа турбодетандера используется нагретая вода выхлопными газами газотурбинной установки (ГТУ).

Параметры ГТУ:

N=25,0 МВт, расход условного топлива 473 г на кВт/час

Расход выхлопных газов 582,0 т/час с температурой 420°С

КПД ГТУ=26,0%

Количество расходуемого топлива на ГТУ в МВт

25000 кВт*473 г=11825 кг*7000 ккал/кг(у.т.)=82775000 ккал/860=96,2 МВт

На полезную работу израсходовано 25,0 МВт

Теплота выхлопа составила 71,2 МВт

КПД подогревателя цикловой воды = 90%

71,2*0,9=64,0 МВт

Мощность и количество воды, необходимые для нагрева 585 т газа до температуры 217°С при теплоемкости воды 4,2 КДж/(кг*К) и давление воды 23,0 бар (температура газа 217°С предельна при условии теплового перепада в турбодетандере - начальное давление газа 50,0 бар, конечное 5,0 бар, конечная температура газа 30°С, теплоемкость газа 2,09 КДж/(кг*К).

Потребляемая мощность для нагрева 290 т воды от 30 до 220°С при давлении воды 23,0 бар и теплоемкости 4,2 КДж/(кг*К)

290/3,6*С (Т₂-Т₁)=80,5*4,2(493-303)=64,0 МВт

Мощность турбодетандера КПД 90%

N_т.д=G_кг/сек*С(Т₁-Т₂)=585/3,6*2,09(490-303)=162,5*2,09*187=63,5 МВт

63,5*0,9=57,1 МВт

Общая мощность ТТДУ 25,0+57,1=82,1 МВт

Изобретение относится к энергетическим установкам, в частности к теплотурбодетандерным установкам, в которых используется потенциал давления природного газа магистральных газопроводов в системах ГРС при расширении нагретого газа в турбодетандере. Указанная выше задача решается тем, что ТТДУ в системе ГРС, содержащая компрессор, камеру сгорания, турбину, подогреватель цикловой воды, дымовую трубу, газопровод высокого давления, подогреватель газа, гидротурбину, электродвигатель, циркуляционный насос, гидромуфту, турбодетандер, электрогенератор, распределительные коллекторы, причем циркуляционный насос, подогреватель цикловой воды, подогреватель газа, гидротурбина образуют замкнутый контур цикловой воды, при этом турбина соединена с подогревателем цикловой воды, который подключен через магистраль воды к подогревателю газа, а магистралью отработавшего газа к дымовой трубе, магистраль природного газа высокого давления через подогреватель соединена с турбодетандером, который на своем выхлопе через систему газопроводов подключен к распределительным коллекторам. Валы турбины и турбодетандера работают через гидромуфту. Изобретение позволяет производить внешнюю работу - вырабатывать электроэнергию с использованием тепла выхлопных газов ГТУ, находящейся на одном валу с турбодетандером. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплотурбодетандерная установка в системе ГРС, содержащая воздушный компрессор, камеру сгорания, турбину, турбодетандер, подогреватель цикловой воды, подогреватель газа, гидротурбину, отличающаяся тем, что циркуляционный насос, подогреватель цикловой воды, подогреватель газа, гидротурбина образуют замкнутый контур цикловой воды, причем турбина соединена с подогревателем цикловой воды, подключенного к подогревателю газа, соединенного с газопроводом высокого давления и турбодетандером.2. Теплотурбодетандерная установка в системе ГРС по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит гидромуфту.