ТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2010 года по МПК F01D15/10 F01K23/10 F17D1/04 F02C1/02 

Изобретение относится к энергетическим установкам, в частности к турбодетандерным установкам, в которых используется потенциал давления природного газа магистральных газопроводов в системах газораспределительных станций (ГРС) при расширении нагретого газа в турбодетандере.

Известна турбодетандерная установка, содержащая турбодетандер, электрогенератор и газоводяной теплообменник для подогрева природного газа перед детандером. [А.А.Степанец. Об эффективности детандер-генераторных агрегатов в тепловой схеме ТЭЦ // Энергетик. - 4, 1999 г., с.2.]

Недостатком данной установки является низкий КПД из-за наличия теплообменников, большая себестоимость и то, что она рассчитана для включения в тепловую схему теплофикационной ТЭЦ.

Известна двухвальная турбодетандерная установка, содержащая парогенератор, паровую турбину, конденсатор, подогреватели газа, турбодетандер, электрогенераторы. [Зарницкий Г.Э. Теоретические основы использования энергии давления газа. Москва, «Недра», 1968 г.]

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.

Известна турбодетандерная установка, содержащая электрогенератор, турбодетандер, вихревую трубу, сепаратор и холодильную камеру, принятая за прототип. Особенность этой установки в том, что выход горячего потока газа из вихревой трубы направляется в турбодетандер для обогрева его рабочих поверхностей, а холодный поток газа поступает в сепаратор, где происходит улавливание сконденсировавшейся жидкости и твердых частиц. [Патент РФ 2213915, кл. F25B 11/00, F25B 9/04, 2003 г.]

Недостатком данной установки является сложность конструкции вихревой трубы, ее низкий КПД (не более 10%), а также выпадение гидратов в холодном потоке газа из-за большого влагосодержания. [А.П.Меркулов. Вихревой эффект и его применение в технике, 1997 г.]

Задача изобретения - повышение эффективности турбодетандерной установки за счет газопарового теплообменника, в котором газ подогревается отработавшим паром турбины.

Поставленная задача решается тем, что турбодетандерная установка в системе газораспределительной станции, содержащая турбодетандер, электрогенератор, линию высокого давления природного газа, в отличие от прототипа имеет электропарогенератор, соединенный с противодавленческой турбиной, газопаровой теплообменник, присоединенный к линии высокого давления и турбодетандеру.

На чертеже представлена схема турбодетандерной установки, включающая в себя электропарогенератор 1, который соединен с противодавленческой турбиной 2, газопаровой теплообменник 3, присоединенный к линии высокого давления, турбодетандер 4, находящийся на одном валу с электрогенератором 5.

Установка работает следующим образом: пар из электропарогенератора 1 поступает в противодавленческую турбину 2, где происходит процесс расширения. Отработавший пар направляется на газопаровой теплообменник 3. Мощность, вырабатываемая турбиной 2, подается потребителю. В газопаровой теплообменник 3 поступает природный газ из линии высокого давления, где нагревается паром от турбины 2. Далее уже в нагретом состоянии природный газ движется в турбодетандер 4. Благодаря тому что газ нагрет, предотвращается образование инея и льда. В турбодетандере 4 происходит расширение природного газа с понижением его температуры, при этом потенциальная энергия давления газа преобразуется в механическую работу на валу турбодетандера 4, которая трансформируется в электрическую энергию в электрогенераторе 5. Эта электрическая энергия направляется в электропарогенератор 1. Так как мощности турбодетандера 4 не хватает, чтобы покрыть расход теплоты на электропарогенератор 1, то в него еще направляется часть энергии из турбины 2, а именно 6%. Остальные 94% идут потребителю. Энергия, полученная в противодавленческой турбине 2, является дополнительной, что в значительной степени увеличивает эффективность турбодетандерной установки.

Расчет эффективности ТДУ

Дано:

G_Г=300т/ч=83,33кг/с - расход природного газа

t₀=660°C - температура пара перед турбиной

P₀=60 бар - давление пара перед турбиной

P_П=1 бар - давление пара перед газопаровым теплообменником

t_П=100°C - температура пара перед газопаровым теплообменником

t^/ ₁=20°C - температура газа перед газопаровым теплообменником

Р^/ ₁=13 бар - давление газа перед газопаровым теплообменником

Р₁=12 бар - давление газа перед турбодетандером

P₂=3 бар - давление газа после турбодетандера

t₁=80°C - температура газа перед турбодетандером

t₂=4°C - температура газа после турбодетандера

tв.вх=100°С - температура воды на входе в электропарогенератор

C_Pг=2,09 кДж/кг - теплоемкость природного газа.

k=1,32 - показатель адиабаты для природного газа

R=0,507 кДж/кг·°С - удельная газовая постоянная

Решение

Расход теплоты в газопаровом теплообменнике:

Q_ГПТ=G_Г·C_pг·(t₁-t^/ ₁)=83,33·2,09·(80-20)=10450 кВт

Расход теплоты на конденсацию:

Q_КОНД=Q_ГПТ

Q_КОНД=r·G_п, где - теплота парообразования

Расход пара:

Тепловая нагрузка электропарогенератора:

Q_ЭПГ=G_П·C_pB·(t_S-t_B.BX)+G_П·r+G_П·C_pп·(t₀-t_S)=4,5·4,2·(100-100)+4,5·2300+4,5·2,42·(660-100)=16448,4 кВт

Мощность турбины:

N_ТУРБ=H·G_П=(3820-2700)·4,5-5040 кВт

Степень понижения давления в турбодетандере:

Работа в турбодетандере:

Мощность турбодетандера:

N_ТП=G_Г·L_ТД=83,33·193,86=16154,4 кВт

Суммарная мощность турбины и турбодетандера:

N_ТУРБ+N_ТД=5040+16154,4=21194,4 кВт

Использование предлагаемой турбодетандерной установки для производства электроэнергии исключает расходование магистрального газа на нужды ГРС, так как газ подогревается в газопаровом теплообменнике теплотой отработавшего пара из турбины. За счет установки электропарогенератора обеспечивается большая экономическая эффективность, так как топливо на подогрев воды в нем не затрачивается. Отсутствие процесса сжигания топлива создает полную экологическую чистоту установки. Увеличивается эффективность выработки электроэнергии, то есть расход теплоты на электропарогенератор покрывается мощностью турбодетандера и 6% мощности турбины, а значит остальная энергия, вырабатываемая турбиной - это 94%, является дополнительной.

Турбодетандерная установка в системе газораспределительной станции содержит турбодетандер, электрогенератор, линию высокого давления природного газа, газопаровой теплообменник и электропарогенератор, соединенный с противодавленческой турбиной. Газопаровой теплообменник присоединен к линии высокого давления и турбодетандеру. Электропарогенератор питается электроэнергией от электрогенераторов турбодетандера и противодавленческой турбины. Достигается экологическая чистота, за счет отсутствия процесса сжигания топлива, повышение экономической эффективности и исключение образования инея и льда на рабочих поверхностях турбодетандера, за счет подогрева газа отработавшим паром из турбины. 1 ил.

Турбодетандерная установка в системе газораспределительной станции, содержащая турбодетандер, электрогенератор, линию высокого давления природного газа, газопаровой теплообменник, присоединенный к линии высокого давления и турбодетандеру, отличающаяся тем, что имеет электропарогенератор, питаемый электроэнергией от электрогенераторов турбодетандера и противодавленческой турбины, соединенный с противодавленческой турбиной.