КОМБИНИРОВАННАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2011 года по МПК F02C1/02 

Изобретение относится к газотурбинным установкам, предназначенным для комплексной утилизации низконапорного природного или попутного нефтяного газов, и может быть использовано при создании наземных блочно-модульных комплексов для получения электричества, синтетических топлив с утилизацией остаточного тепла в газотурбинной установке.

Изобретение ориентировано на вовлечение в топливный баланс страны неиспользуемых источников углеводородного сырья, таких как сжигаемый на факелах попутный нефтяной газ, низконапорный газ, газ удаленных от магистральной системы месторождений, газ с высоким содержанием сернистых соединений и прочих, не имеющих коммерческого интереса для монополий источников, не задействованных в энергообеспечении страны.

Известно, что попутный нефтяной газ по своему составу является многокомпонентным и поэтому его применение в энергетики требует соответствующей подготовки. В первую очередь это касается использования попутного газа в качестве топлива газотурбинных установок. Нестабильная плотность и теплотворная способность, а также возможное наличие жидких фракций в составе попутного нефтяного газа требует доработки топливной аппаратуры газотурбинных установок, включая модернизацию камеры сгорания, изготовление специальных газовых форсунок, использование фильтров-сепараторов, обеспечивающих дополнительную очистку и удаление жидких фракций из газа непосредственно перед подачей в топливную аппаратуру. Особую проблему при использовании попутного нефтяного газа представляет наличие в нем сероводорода, без очистки от которого невозможно использование газа как в качестве топлива, так и в газохимических процессах в виде исходного сырья.

Известна газотурбинная установка, содержащая газотурбинный блок, имеющий компрессор, камеру сгорания и турбину, систему утилизации тепла выхлопных газов, включающую термохимический реактор, установленный в выходном устройстве и подключенный в выходам из топливной и пароводяной секций (см. RU 2168040, МПК F02С 3/20, 2001).

Изобретение позволяет увеличить мощность газотурбиной установки, повысить экономичность, что достигается за счет использования в качестве дополнительного источника топлива - «синтез-газа», который получают в термохимическом реакторе в результате паровой конверсии между метаном и водяным паром.

Однако данная установка не предусматривает использование в качестве топлива попутного нефтяного газа и предназначена только для выработки электроэнергии. Кроме того, использование «синтез-газ» в качестве основного или дополнительного топлива для газотурбинной установки, работающей на попутном нефтяном газе, потребует ее дальнейшей модернизации, так как «синтез-газ», получаемый в термохимическом реакторе, обладает более высокой теплотворной способностью, а при его сгорании выделяется кроме СO₂ значительное количество воды в паровой фазе, что с учетом переменного состава попутного нефтяного газа и наличия в нем вредных примесей неминуемо приведет к интенсивному коррозионному и эрозионному износу как камеры сгорания, так и газовой турбины.

Известна также комбинированная газотурбинная установка, содержащая газотурбинный блок, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, подключенный к выходу последний паровой контур с котлом-утилизатором, выход которого по пару соединен с паровой турбиной, абсорбционную холодильную машину, тепловоспринимающие элементы которой подключены к выходу из паровой турбины, систему подачи топлива (см. RU 2377428, F02C 6/18, 2008).

В известной установке повышается общая эффективность работы, обеспечивается выработка дополнительной электроэнергии и снижается уровень эмиссии токсичных продуктов сгорания.

Однако известная установка предназначена для выработки электроэнергии или в качестве привода газоперекачивающих агрегатов с утилизацией тепла выхлопных газов для выработки холода и дополнительной энергии. Но в ряде случаев на месторождениях с остаточными запасами низконапорного газа нет необходимости в больших объемах производимой электроэнергии с утилизацией тепла, которая может быть только сезонного характера.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности комбинированной газотурбинной установки с гибкой схемой использования низконапорного природного газа, попутных нефтяных газов различного состава для выработки электроэнергии, получения синтетического топлива и утилизации остаточного тепла.

Поставленная задача решается за счет того, что комбинированная газотурбинная установка, содержащая газотурбинный блок, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, подключенный к выходу из последней паровой контур с котлом - утилизатором, выход которого по пару соединен с паровой турбиной, абсорбционную холодильную машину с циркуляционным хладагентом и с тепловоспринимающими элементами, подключенными к выходу паровой турбины, систему подачи топлива, согласно изобретению снабжена блоком конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа в «синтез - газ», блоком синтеза топлива, модулем гидрокрегинга, система подачи топлива подключена к источнику подачи низконапорного природного или попутного нефтяного газа, соединенному с компрессорным блоком, и снабжена расположенными последовательно блоком сероочистки низконапорного природного или попутного нефтяного газа, блоком его сепарации и осушки с модулем сбора конденсата, и модулем компримирования топлива, подключенным к камере сгорания газотурбинного блока, паровая турбина снабжена блоком водоподготовки, при этом циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к блоку синтеза топлива для охлаждения «синтез - газа» и конденсации синтетических топлив, котел-утилизатор по пару подключен к блоку конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа для паровой конверсии углеводородов в «синтез-газ», выход газовой турбины подключен к блоку конверсии и блоку синтеза топлива, модуль сбора конденсата подключен к блоку синтеза топлива и котлу-утилизатору, блок сепарации и осушки - к блоку синтеза топлива, блок конверсии - к блоку синтеза топлива и к модулю гидрокрекинга, блок сероочистки - к котлу-утилизатору.

Поставленная задача также решается за счет того, что блок синтеза топлива соединен с модулем гидрокрегинга для получения средних дистиллятов.

Поставленная задача также решается за счет того, что турбина газотурбинного блока соединена с первым электрогенератором, а паровая турбина соединена со вторым электрогенератором.

Поставленная задача также решается за счет того, что блок сепарации и осушки содержит сепараторы и низкотемпературный вихревой абсорбер.

Поставленная задача также решается за счет того, что блок синтеза топлива выполнен с реакторами для получения, соответственно, концентрата синтетического топлива и ароматических углеводородов. Концентрат синтетического топлива включает в себя синтетические углеводороды и/или диметиловый эфир и бензиновую фракцию.

Поставленная задача также решается за счет того, что установка снабжена байпасным трубопроводом, соединяющим при остановке реакторов блока синтеза топлива блок конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа с котлом-утилизатором.

Поставленная задача также решается за счет того, что циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к системе охлаждения газотурбинного блока, а именно к воздухоохладителям, установленным между промежуточными ступенями компрессора газотурбинного блока и/или к системе охлаждения газовой турбины.

Поставленная задача также решается за счет того, что котел-утилизатор выполнен с пароперегревателем.

Поставленная задача также решается за счет того, что блок синтеза топлива подключен к камере сгорания газотурбинного блока для использования в качестве компонентов топлива конденсата углеводородов. При этом блок синтеза топлива может быть подключен к котлу-утилизатору для использования в качестве топлива конденсата углеводородов.

Поставленная задача также решается за счет того, что выход абсорбционной холодильной машины по теплу подключен к блоку сероочистки.

На чертеже изображена схема комбинированной газотурбинной установки.

Комбинированная газотурбинная установка содержит систему подачи топлива, подключенную к источнику 1 подачи низконапорного природного (ПНГ) или попутного нефтяного газа (ПГ), соединенным с компрессорным блоком 2 и с расположенными последовательно блоком 3 сероочистки низконапорного природного или попутного нефтяного газа, блоком 4 его сепарации и осушки с модулем 5 сбора конденсата, и модулем 6 компримирования топлива, подключенным к камере сгорания газотурбинного блока 7. Газотурбинный блок 7 содержит компрессор, камеру сгорания и турбину (на чертеже не показаны) и абсорбционную холодильную машину 12 с циркуляционным хладагентом и с тепловоспринимающими элементами. К выходу из турбины газотурбинного блока 7 подключен паровой контур с котлом-утилизатором 10. Выход котла-утилизатора 10 по пару соединен с паровой турбиной 11. Тепловоспринимающие элементы абсорбционной холодильной машины 12 подключены к выходу паровой турбины 11. Комбинированная газотурбинная установка снабжена так же блоком 8 конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа в «синтез-газ», блоком 9 синтеза топлива, модулем 14 гидрокрегинга. Паровая турбина 11 снабжена блоком 13 водоподготовки. Циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины 12 подключен к блоку 9 синтеза топлива для охлаждения «синтез-газа» и конденсации синтетических топлив. Котел-утилизатор 10 по пару подключен к блоку 8 конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа для паровой конверсии углеводородов в «синтез-газ». Выход турбины газотурбинного блока 7 подключен к блоку 8 конверсии и блоку 9 синтеза топлива. Модуль 5 сбора конденсата подключен к блоку 9 синтеза топлива и котлу-утилизатору 10. Блок 4 сепарации и осушки подключен к блоку 9 синтеза топлива, блок 8 конверсии - к блоку 9 синтеза топлива и к модулю 14 гидрокрегинга, блок 3 сероочистки - к котлу-утилизатору 10. Блок 9 синтеза топлива соединен с модулем 14 гидрокрегинга для получения средних дистилянтов.

Турбина газотурбинного блока 7 соединена с первым электрогенератором, а паровая турбина 11 соединена со вторым электрогенератором (на чертеже не показаны).

Блок 4 сепарации и осушки содержит сепараторы и низкотемпературный вихревой абсорбер (на чертеже не показаны).

Блок 9 синтеза топлива выполнен с реакторами для получения, соответственно, концентрата синтетического топлива и ароматических углеводородов. Концентрат синтетического топлива включает в себя синтетические углеводороды и/или диметиловый эфир и бензиновую фракцию.

Комбинированная газотурбинная установка снабжена байпасным трубопроводом, соединяющим, при остановке реакторов блока 9 синтеза топлива, блок 8 конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа с котлом-утилизатором 10. Котел-утилизатор 10 выполнен с пароперегревателем.

Циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины 12 подключен к системе охлаждения газотурбинного блока 7, а именно к воздухоохладителям, установленным между промежуточными ступенями компрессора газотурбинного блока и/или к системе охлаждения турбины. Выход абсорбционной холодильной машины 12 по теплу подключен к блоку 3 сероочистки.

Блок 9 синтеза топлива подключен к камере сгорания газотурбинного блока 7 для использования в качестве компонентов топлива конденсата углеводородов. При этом блок 9 синтеза топлива может быть подключен к котлу-утилизатору 10 для использования в качестве топлива конденсата углеводородов.

После сероочистки часть газа направляют в котел-утилизатор 10, а основная часть очищенного газа поступает в блок 4 сепарации и очистки, где с использованием сепараторов и низкотемпературного вихревого абсорбера после разделения на выходе получают «сухой газ» и конденсат.

Конденсированную фракцию углеводородов направляют в модуль 5 сбора конденсата, из которого он поступает в блок 9 синтеза топлива для получения концентрата ароматических углеводородов.

Компримированный или «сухой газ» направляют в камеру сгорания газотурбинного блока 7. Выход турбины газотурбинного блока 7 подключен к блоку 8 конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа для обеспечения заданного режима паровой конверсии, при котором образуется «синтез-газ» с максимальным парциальным давлением водорода и утилизируется значительное количество тепла выхлопных газов из турбины.

В случае необходимости избыточное тепло выхлопных газов может быть также утилизировано и в блоке 9 синтеза топлива для обогрева реактора синтеза концентрата ароматических углеводородов. В свою очередь, «синтез-газ» из блока 8 конверсии поступает в блок 9 для синтеза жидкой углеводородной фракции, бензиновой фракции или диметилового эфира.

При остановке реактора синтеза углеводородного топлива на перезагрузку катализатора, ремонтные или профилактические работы «синтез-газ» из блока 8 конверсии направляют для сгорания в котел-утилизатор 10.

Котел-утилизатор 10 выхлопных газов выполнен с дополнительным дожиганием топлива, поступающего после блока 3 сероочистки и/или блока 8 конверсии и подачей пара в паровую турбину 11. Отработанный в паровой турбине 11 пар направляют в абсорбционную холодильную машину 12 для выработки холода и в блок 13 водоподготовки, а окончательная утилизация тепла осуществляется в блоке 3 сероочистки. Помимо паровой турбины 11 часть горячего пара из котла- утилизатора 10 поступает в блок 8 для паровой конверсии углеводородов в «синтез-газ».

В свою очередь, охлаждающая среда, вырабатываемая абсорбционной холодильной машиной 12, используется в системе охлаждения газотурбинного блока и, в частности, в воздухоохладителях, подключенных к промежуточным ступеням компрессора, и в системе охлаждения газовой турбины, а также для охлаждения «синтез-газа» и конденсации синтетических топлив. В качестве синтетических топлив получают жидкие синтетические углеводороды, диметиловый эфир и бензиновую фракцию, концентрат ароматических углеводородов. При необходимости тяжелые фракции синтетических углеводородов и непредельные углеводороды поступают в модуль 14 гидрокрегинга для получения средних дистиллятов и отправки потребителю.

Таким образом, осуществляется гибкая схема получения электроэнергии и синтетических моторных топлив в комбинированной газотурбинной установке с замкнутым технологическим циклом переработки низконапорного природного или попутного нефтяного газа и максимальной утилизацией тепла выхлопных газов.

Изобретение относится к газотурбинным установкам, предназначенным для комплексной утилизации низконапорного природного или попутного нефтяного газов, и может быть использовано при создании наземных блочно-модульных комплексов для получения электричества, синтетических топлив с утилизацией остаточного тепла в газотурбинной установке. Комбинированная газотурбинная установка содержит газотурбинный блок, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, абсорбционную холодильную машину с циркуляционным хладагентом и с тепловоспринимающими элементами, подключенными к выходу паровой турбины. К выходу из турбины подключен паровой контур с котлом-утилизатором, выход которого по пару соединен с паровой турбиной. Комбинированная газотурбинная установка снабжена блоком конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа в «синтез - газ», блоком синтеза топлива, модулем гидрокрегинга. Система подачи топлива подключена к источнику подачи низконапорного природного или попутного нефтяного газа, соединенным с компрессорным блоком, и снабжена расположенными последовательно блоком сероочистки низконапорного природного или попутного нефтяного газа, блоком его сепарации и осушки с модулем сбора конденсата, и модулем компримирования топлива, подключенным к камере сгорания газотурбинного блока. Паровая турбина снабжена блоком водоподготовки. Циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к блоку синтеза топлива для охлаждения «синтез-газа» и конденсации синтетических топлив. Котел-утилизатор по пару подключен к блоку конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа для паровой конверсии углеводородов в «синтез-газ». Выход газовой турбины подключен к блоку конверсии и блоку синтеза топлива. Модуль сбора конденсата подключен к блоку синтеза топлива и котлу-утилизатору. Блок сепарации и осушки подключен к блоку синтеза топлива. Блок конверсии подключен к блоку синтеза топлива, а блок сероочистки - к котлу-утилизатору. Изобретение направлено на повышение эффективности комбинированной газотурбинной установки с гибкой схемой использования низконапорного природного газа, попутных нефтяных газов различного состава для выработки электроэнергии, получения синтетического топлива и утилизации остаточного тепла. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированная газотурбинная установка, содержащая газотурбинный блок, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, подключенный к выходу из последней паровой контур с котлом-утилизатором, выход которого по пару соединен с паровой турбиной, абсорбционную холодильную машину с циркуляционным хладагентом и с тепловоспринимающими элементами, подключенными к выходу паровой турбины, систему подачи топлива, отличающаяся тем, что комбинированная газотурбинная установка снабжена блоком конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа в «синтез-газ», блоком синтеза топлива, модулем гидрокрекинга, система подачи топлива подключена к источнику подачи низконапорного природного или попутного нефтяного газа, соединенному с компрессорным блоком, и снабжена расположенными последовательно блоком сероочистки низконапорного природного или попутного нефтяного газа, блоком его сепарации и осушки с модулем сбора конденсата и модулем компримирования топлива, подключенным к камере сгорания газотурбинного блока, паровая турбина снабжена блоком водоподготовки, при этом циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к блоку синтеза топлива для охлаждения «синтез-газа» и конденсации синтетических топлив, котел-утилизатор по пару подключен к блоку конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа для паровой конверсии углеводородов в «синтез-газ», выход газовой турбины подключен к блоку конверсии и блоку синтеза топлива, модуль сбора конденсата подключен к блоку синтеза топлива и котлу-утилизатору, блок сепарации и осушки - к блоку синтеза топлива, блок конверсии - к блоку синтеза топлива и к модулю гидрокрекинга, блок сероочистки - к котлу-утилизатору.

2. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что блок синтеза топлива соединен с модулем гидрокрекинга для получения средних дистиллятов.

3. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что турбина газотурбинного блока соединена с первым электрогенератором.

4. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что паровая турбина соединена со вторым электрогенератором.

5. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что блок сепарации и осушки содержит сепараторы и низкотемпературный вихревой абсорбер.

6. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что блок синтеза топлива выполнен с реакторами для получения соответственно концентрата синтетического топлива и ароматических углеводородов.

7. Комбинированная газотурбинная установка по п.6, отличающаяся тем, что установка снабжена байпасным трубопроводом, соединяющим при остановке реакторов блока синтеза топлива блок конверсии низконапорного природного или попутного нефтяного газа с котлом-утилизатором.

8. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к системе охлаждения газотурбинного блока.

9. Комбинированная газотурбинная установка по п.8, отличающаяся тем, что циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к воздухоохладителям, установленным между промежуточными ступенями компрессора газотурбинного блока.

10. Комбинированная газотурбинная установка по п.8 или 9, отличающаяся тем, что циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к системе охлаждения турбины газотурбинного блока.

11. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что котел-утилизатор выполнен с пароперегревателем.

12. Комбинированная газотурбинная установка по п.6, отличающаяся тем, что блок синтеза топлива подключен к камере сгорания газотурбинного блока для использования в качестве компонентов топлива конденсата углеводородов.

13. Комбинированная газотурбинная установка по п.6, отличающаяся тем, что блок синтеза топлива подключен к котлу-утилизатору для использования в качестве топлива конденсата углеводородов.

14. Комбинированная газотурбинная установка по п.6, отличающаяся тем, что концентрат синтетического топлива включает в себя синтетические углеводороды и/или диметиловый эфир и бензиновую фракцию.

15. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что выход абсорбционной холодильной машины по теплу подключен к блоку сероочистки.