УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА КОМПРЕССОРОВ Российский патент 2011 года по МПК F02C6/18 

Изобретение относится к устройству для утилизации отходящего тепла одного или нескольких включенных друг за другом компрессоров с признаками ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

В процессе сжатия за счет промежуточного охлаждения сжатой среды можно значительно уменьшить мощность привода компрессоров. Обычно до сих пор отводимое тепло промежуточного охладителя без пользы выводилось в атмосферу.

Из ЕР 0597305 В2 известна комбинированная газо- и паросиловая установка с двухступенчатым компрессором для сжатия воздуха для горения, подаваемого в камеру сгорания газовой турбины. Между обеими ступенями компрессора расположен промежуточный охладитель, теплообменные поверхности которого включены в пароводяной контур подключенного к газовой турбине котла-утилизатора. К промежуточному охладителю подается питающая вода, давление которой было предварительно повышено посредством насоса для повышения давления. Нагретая в промежуточном охладителе питающая вода подается к паровому барабану, в котором она частично испаряется. Образовавшийся пар направляется в перегреватель, а вода - в подогреватель смешивающего типа. Принцип отбора тепла реализован, тем самым, за счет дополнительного испарения циркулировавшей охлаждающей воды в барабане. Таким образом, на величину отбора тепла оказывает сильное влияние соответствующее давление пара в барабане.

Известная из ЕР 0597305 В2 комбинированная установка с утилизацией отходящего тепла компрессора требует помимо и так уже имеющегося насоса для питающей воды дополнительного насоса для повышения давления для охлаждающего контура. Утилизация отходящего тепла компрессора происходит с помощью свойственной установке среды, а именно сжатого воздуха для горения. Утилизируется лишь тепло компрессора, возникающее в промежуточном охладителе.

Иначе, нежели в уровне техники согласно ЕР 0597305 В2, где рассматривается чистый процесс выработки электроэнергии, в настоящем изобретении речь идет об интегрировании процесса выработки электроэнергии в промышленные процессы сжатия, например в нефтехимии или при транспортировке газа по трубопроводам.

В основе изобретения лежит задача сделать возможным применение устройства для утилизации отходящего тепла компрессора в промышленных компрессорных установках.

Эта задача решается согласно изобретению в устройстве указанного типа посредством отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов.

Устройство согласно изобретению может использоваться как в компрессорных установках, приводимых газовой турбиной с подключенным котлом-утилизатором, так и в компрессорных установках с электроприводом. В первом случае изобретение отличается снижением потребности в энергии за счет отсутствия циркуляционных насосов для охлаждающего контура, поскольку подача охлаждающей воды в качестве питающей воды высокого давления происходит посредством уже имеющегося насоса для питающей воды. Кроме того, при обычно одинаковых граничных условиях сокращается расход топлива. У компрессоров с электроприводом происходит снижение зачисляемого потребления мощности из сети, поскольку приводимый паровой турбиной генератор может давать энергию в сеть.

Несколько вариантов осуществления изобретения представлено на чертежах и ниже поясняется более подробно. На чертежах показано:

фиг.1: схема компрессорной установки, компрессоры которой приводятся газовой турбиной;

фиг.2: схема компрессорной установки с электроприводом с утилизацией отходящего тепла компрессоров.

Изображенная компрессорная станция состоит из двух последовательно включенных компрессоров 1, 2 или групп компрессорных ступеней. Компрессорная станция служит для сжатия газа в нефтехимической установке или на промежуточной станции трубопровода для транспортировки газа или аналогичного применения. Для уменьшения мощности привода компрессоров 1, 2 в газовом потоке между компрессорами 1, 2 расположен промежуточный охладитель 3, а для ограничения температуры газа за вторым компрессором 2 в ведущем к конечному потребителю трубопроводе 4 расположен дополнительный охладитель 5. Промежуточный 3 и дополнительный 5 охладители снабжены теплообменными поверхностями 6, 7. На компрессорной станции могут быть предусмотрены также более двух компрессоров или групп компрессорных ступеней, причем между каждыми двумя компрессорами расположен промежуточный охладитель 3, а за последним компрессором - дополнительный охладитель 5.

Изображенная на фиг.1 компрессорная станция приводится газотурбинной установкой 8, к которой подключен котел-утилизатор 9 в соединении с паровой турбиной 10. Газотурбинная установка 8 состоит из компрессора 11 воздуха для горения, камеры 12 сгорания и собственно газовой турбины 13. Выходной вал газовой турбины 13 связан через передаточный механизм 14 с компрессорами 1, 2. На выходном валу газовой турбины 13 расположен газотурбинный генератор 15, который подает электроэнергию в заводскую или общественную электросеть. При использовании газовых турбин в классе мощности 10-25 МВт необходимая общая мощность привода компрессоров 1, 2 может быть достигнута только за счет более высокой мощности паровой турбины 10 и, тем самым, за счет повышенных температур в топке котла-утилизатора 9. В этом случае газовая 13 и паровая 10 турбины выполнены в виде одновальной группы. Для упрощения изображения такая одновальная группа не показана.

В потоке отходящего газа за газовой турбиной 13 предпочтительным образом может быть предусмотрена работающая на природном газе дополнительная топка 17 с дутьевым вентилятором 16. Регулирование установки происходит в вышеназванной одновальной группе исключительно через дополнительную топку, благодаря чему достигается наивысшая гибкость в режиме частичной нагрузки и при изменяющихся условиях всасывания компрессоров 1, 2. Если мощность привода газовой турбины для компрессоров 1, 2 достаточна, то паротурбинный контур используется для чистой выработки электроэнергии или в качестве установки для объединения выработки тепловой и электрической энергии. Через установленную дополнительную топку 17 и дутьевой вентилятор 16 при соответствующей частичной нагрузке газовой турбины или в случае закрытия клапана автоматического затвора газовой турбины 13 можно поддерживать постоянными условия паротурбинного контура. В одном варианте осуществления установки в виде одновальной группы с вышеназванной постановкой задачи изображенный на фиг.1 газотурбинный генератор может быть выполнен в виде системы двигатель/генератор. В случае выхода из строя паровой 10 и газовой 13 турбин необходимая мощность привода компрессоров 1, 2 может быть взята из сети. Тогда система двигатель/генератор работает в так называемом режиме двигателя. Кроме того, электрический КПД всего процесса возрастает с понижением нагрузки, поскольку доля газовой турбины в общей мощности становится выше.

Котел-утилизатор 9 выполнен в виде котла с двойным давлением с системой труб камеры сгорания или без нее. Как схематично показано на фиг. 1, он содержит часть 18 высокого и часть 19 низкого давлений с соответствующим подогревателем 20, 21 питающей воды, испарителем 22, 23 и перегревателем 24, 25. Подогреватель 20 питающей воды части 18 высокого давления состоит из первого 20.1 и второго 20.2 подогревателя питающей воды. Соответствующие подогреватели 20.2, 21 питающей воды, испарители 22, 23 и перегреватели 24, 25 соединены соответственно с расположенным снаружи паровым барабаном 26 или 27, если эти компоненты эксплуатируются с естественной или принудительной циркуляцией.

Перегреватель 24 части 18 высокого давления соединен через паропровод 28 высокого давления с входной частью или частью высокого давления паровой турбины 10, а перегреватель 25 части 19 низкого давления соединен через паропровод 29 низкого давления с частью низкого давления паровой турбины 10. Паровая турбина 10 приводит в этом варианте осуществления генератор 30 для выработки электроэнергии.

Выход паровой турбины 10 соединен с конденсатором 31. К конденсатору 31 присоединена линия 32 конденсата, в которой расположен насос 33 для конденсата, проходящая через водо-водяной теплообменник 34 к дегазатору 35. Дегазатор 35 через трубопровод 36 для питающей воды низкого давления, в котором расположен насос 37 для питающей воды низкого давления, соединен с подогревателем 21 питающей воды части 19 низкого давления котла-утилизатора 9.

Дегазация конденсата происходит посредством пара низкого давления из части 19 низкого давления котла-утилизатора 9. Другую часть пара низкого давления можно через ответвляющийся от паропровода 29 низкого давления ответвительный трубопровод 38 подавать к внешнему потребителю предпочтительным образом для централизованного теплоснабжения, подогрева топлива или в виде технологического пара.

Для того чтобы с пользой утилизировать возникающие в промежуточном 3 и дополнительном 5 охладителях потенциалы отходящего тепла, теплообменные поверхности 6, 7 промежуточного 3 и дополнительного 5 охладителей включены в пароводяной контур подключенного к газовой турбине 13 котла-утилизатора 9. Для этого к дегазатору 35 присоединен трубопровод 39 для питающей воды высокого давления, в котором расположен насос 40 для питающей воды высокого давления. Трубопровод 39 для питающей воды высокого давления проходит через водо-водяной теплообменник 34 и присоединен к первому подогревателю 20.1 питающей воды части 18 высокого давления котла-утилизатора 9, который расположен в области выхода котла-утилизатора 9, где отходящие газы турбины достигли своей самой низкой температуры. В расположенном вне котла-утилизатора 9 водо-водяном теплообменнике 34 температура питающей воды на входе в первый подогреватель 20.1 питающей воды понижается за счет конденсата с возможностью дальнейшего уменьшения температуры отходящих газов после котла-утилизатора 9. Первый подогреватель 20.1 питающей воды представляет собой в этой связи дополнительный теплоотвод на холодном конце котла-утилизатора 9. Такой теплоотвод необходим для достижения экономичной выходной температуры газов, поскольку иначе использование внешнего отходящего тепла компрессоров 1, 2 привело бы к меньшему использованию отходящего тепла отходящих газов турбины с предотвращением предварительного испарения во втором, находящемся в более горячей части котла-утилизатора 9 подогревателе 20.2 питающей воды части 18 высокого давления.

От расположенного на холодном конце котла-утилизатора 9 первого подогревателя 20.1 питающей воды трубопровод 39 для питающей воды высокого давления проходит дальше к теплообменной поверхности 6 промежуточного охладителя 3, а оттуда - к теплообменной поверхности 7 дополнительного охладителя 5. После дополнительного охладителя 5 трубопровод 39 для питающей воды высокого давления соединяет теплообменную поверхность 7 дополнительного охладителя 5 со вторым подогревателем 20.2 питающей воды части 18 высокого давления котла-утилизатора 9. Через запираемый клапаном байпасный трубопровод 41 теплообменные поверхности 6, 7 промежуточного 3 и дополнительного 5 охладителей можно в случае необходимости обойти, благодаря чему питающая вода поступает во второй подогреватель 20.2 питающей воды части 18 высокого давления непосредственно от первого подогревателя 20.1 питающей воды.

В изображенной на фиг.1 установке за счет описанного включения участвующих в теплообмене поверхностей возникающее в промежуточном 3 и дополнительном 5 охладителях отходящее тепло передается питающей воде, которая с помощью насоса 40 для питающей воды высокого давления через теплообменные поверхности 6, 7 охладителей 3, 5 подается в часть высокого давления котла-утилизатора 9 и паровой турбины 10. За счет использования отходящего тепла компрессоров 1, 2 электрическая мощность паровой турбины может быть увеличена при одинаковом расходе топлива примерно на 25%.

Если компрессоры 1, 2 для сжатия газа приводятся электроприводом, то отведенное через охладители 3, 5 отходящее тепло компрессоров 1, 2 можно с пользой утилизировать посредством изображенного на фиг. 2 пароводяного контура парогенератора низкого давления. Компрессоры 1, 2 соединены соответственно с электродвигателем 42, 43 или, будучи последовательно включенными, - с единственным электродвигателем в качестве привода. В газовом потоке между обоими последовательно включенными компрессорами 1, 2 или группами компрессорных ступеней также расположен промежуточный охладитель 3, а в ведущем к конечному потребителю трубопроводе 4 - дополнительный охладитель 5. Теплообменные поверхности 6, 7 охладителей 3, 5 включены в качестве нагревательных поверхностей нагруженного давлением парогенератора низкого давления, в результате чего из-за имеющихся здесь высоких плотностей теплового потока находит применение предпочтительным образом испаритель с принудительной циркуляцией.

В промежуточном охладителе 3, если смотреть в направлении течения газа, расположены первый испаритель 44, выполненный в виде испарителя с принудительной циркуляцией, и подогреватель 45 питающей воды. В дополнительном охладителе 5, если смотреть в направлении течения газа, расположены перегреватель 46 и второй испаритель 47, выполненный в виде испарителя с принудительной циркуляцией. Оба испарителя 44, 47 соединены с паровым барабаном 48. Парогенератор может быть выполнен в виде парогенератора с принудительной циркуляцией. В случае испарителей с принудительной циркуляцией паровой барабан 48 может быть заменен сепарационным баллоном.

Перегреватель 46 соединен со стороны входа с паровой камерой парового барабана 48, а со стороны выхода через паропровод 49 - с входной стороной паровой турбины 50. Паровая турбина 50 приводит в этом примере генератор 51 для выработки электроэнергии.

К выходу паровой турбины 50 через линию 52 конденсата присоединен конденсатор 53. Линия 52 конденсата, в котором расположен насос 54 для конденсата, через водо-водяной теплообменник 55 ведет к дегазатору 56. От паропровода 49 перед его входом в паровую турбину 50 ответвлен ответвительный паропровод 57, ведущий к дегазатору 56.

К дегазатору 56 присоединен трубопровод 58 для питающей воды с насосом 59 для питающей воды. Трубопровод 58 для питающей воды проходит через водо-водяной теплообменник 55 и соединен со входом подогревателя 45 питающей воды.

В то время как у изображенной на фиг.1 установки за счет применения питающей воды высокого давления в качестве охлаждающей среды происходит отбор тепла на стороне высокого давления парогенератора, у установки согласно фиг.2 это происходит за счет компонентов парогенератора низкого давления, таких как перегреватель, испаритель и подогреватель питающей воды. У компрессоров с электроприводом происходит, тем самым, отбор тепла на основе пара через системы низкого давления. Выработанный пар используется при этом в специально выполненной для этого паровой турбине низкого давления, как показано на фиг.2, для выработки электроэнергии или направляется на сторону низкого давления имеющейся паровой турбины. Помимо этого выработанный пар может использоваться для теплофикации, в качестве технологического пара и для подогрева топлива.

Изобретение относится к области энергетики. В газовом потоке между двумя компрессорами или двумя группами компрессорных ступеней для сжатия газа расположены снабженный теплообменными поверхностями промежуточный охладитель, а за вторым компрессором - снабженный теплообменными поверхностями дополнительный охладитель. Для использования возникающего в охладителях отходящего тепла теплообменные поверхности промежуточного и дополнительного охладителей включены в парогенератор таким образом, что теплообменные поверхности соединены с насосом (40, 59) для питающей воды парогенератора (9). Изобретение позволяет обеспечить утилизацию тепла двух компрессоров или двух групп компрессорных ступеней для сжатия газа. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для утилизации отходящего тепла одного или нескольких последовательно включенных компрессоров (1, 2) или групп компрессорных ступеней для сжатия газа посредством промежуточного охладителя (3), расположенного в газовом потоке соответственно между двумя компрессорами (1, 2) или двумя группами компрессорных ступеней и снабженного теплообменными поверхностями (6), и посредством дополнительного охладителя (5), подключенного после последнего компрессора (2) и снабженного теплообменными поверхностями (7), причем теплообменные поверхности (6, 7) последовательно включены в пароводяной контур парогенератора для приводящей генератор (30, 51) паровой турбины (10, 50), содержащий один или несколько подогревателей (20.1, 20.2, 21, 45) питающей воды, один или несколько перегревателей (24, 25, 46), один или несколько испарителей (22, 23, 44, 47), конденсатор (31, 53), дегазатор (35, 56) и насос (40, 59) для питающей воды, при этом теплообменные поверхности (6) промежуточного охладителя (3) и теплообменные поверхности (7) дополнительного охладителя (5) через подогреватель (20.1, 45) соединены с насосом (40, 59) для питающей воды парогенератора, подключенным после дегазатора (35).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна из теплообменных поверхностей (6) промежуточного охладителя (3) включена в качестве подогревателя питающей воды, который соединен с насосом (40) для питающей воды высокого давления парогенератора.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что перед подогревателем (20.1, 20.2, 21, 45) питающей воды парогенератора или включенной в качестве подогревателя питающей воды теплообменной поверхностью (6) промежуточного охладителя (3) включен водо-водяной теплообменник (34, 55).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компрессоры (1, 2) приводятся газовой турбиной (13), к которой подключен котел-утилизатор (9) с частью (18) высокого и частью (19) низкого давлений, причем через теплообменные поверхности (6, 7) промежуточного (3) и дополнительного (5) охладителей протекает питающая вода, и при этом они соединены с одним или несколькими подогревателями (20.1, 20.2) питающей воды части (18) высокого давления котла-утилизатора (9) газовой турбины (13).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что котел-утилизатор (9) снабжен дополнительной топкой (16, 17).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в промежуточном охладителе (3) в качестве теплообменной поверхности (6) расположены подогреватель (45) питающей воды и первый испаритель (44), а в дополнительном охладителе (5) в качестве теплообменной поверхности (7) - второй испаритель (47), включенный параллельно первому испарителю (45) через баллон или паровой барабан (48), а также перегреватель (46) нагруженного давлением парогенератора низкого давления.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что перегреватель (46) через паропровод (49) соединен с входной стороной паровой турбины (50) низкого давления.

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что от паропровода (49) перед входом в паровую турбину (50) низкого давления ответвлен ответвительный трубопровод (57), ведущий к дегазатору (56) парогенератора низкого давления.