РЕГЕНЕРАТИВНАЯ ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНАЯ УСТАНОВКА СОБСТВЕННЫХ НУЖД КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2015 года по МПК F02C7/10 

Изобретение относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использовано при создании высокоэкономичных энергетических установок собственных нужд на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Известна газотурбодетандерная установка, применяемая на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП) для выработки электроэнергии, содержащая магистраль природного газа высокого давления, теплообменник, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, газотурбинный авиационный двигатель, теплообменник-регенератор, понижающий редуктор, электрогенератор. Вал авиационного двигателя связан общим валом с валом турбодетандера и через понижающий редуктор с валом электрогенератора. Газовая турбина авиадвигателя связана через теплообменник-регенератор с атмосферой. Природный газ высокого давления перед турбодетандером подогревают в теплообменнике-рекуператоре за счет теплоты выхлопных газов авиадвигателя. Суммарная полезная мощность газовой турбины авиационного двигателя и турбодетандера через понижающий редуктор передается электрогенератору (патент RU №2013615, F02C 6/00).

Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемому изобретению является газотурбодетандерная установка (патент RU №2096640, F02C 6/12), применяемая на ГРС и ГРП, содержащая редукционное устройство, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), авиационный газотурбинный двигатель с газогенератором и силовой газовой турбиной, теплообменник-утилизатор, теполообменник-регенератор предварительного подогрева газа, электрогенератор. Магистральный газопровод высокого давления соединен через поверхности нагрева теплообменника-регенератора и теплообменника-утилизатора с входом турбодетандера, а также через редукционное устройство с выходной газовой магистралью. Теплообменник-утилизатор установлен в выхлопном газоходе газовой турбины. Выход турбодетандера связан через теплообменник-регенератор с выходной газовой магистралью, а также непосредственно с камерой сгорания авиационного газотурбинного двигателя. Силовая газовая турбина газотурбодетандерной установки и турбодетандер связаны общим валом с электрогенератором. При изменении давления газа в магистральном газопроводе высокого давления, с помощью РСА поддерживают постоянное давление газа в выходной газовой магистрали и в камере сгорания авиадвигателя. Данное техническое решение принято за прототип.

В то же время данное техническое решение имеет ряд недостатков:

- он предназначен для установки на ГРС и ГРП с давлением газа в выходной газовой магистрали 0,6-1,2 МПа и не может быть применен на компрессорных станциях магистральных газопроводов, так как давление топливного газа в камерах сгорания ГПА составляет 2,5-3 МПа;

- для него характерна недостаточно высокая тепловая экономичность.

Технической задачей изобретения является создание высокоэкономичной регенеративной газотурбодетанерной установки для энергоснабжения собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов и внешних потребителей, а также повышение экономичности газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции.

Поставленная задача решается тем, что газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорной станции, содержащая газопровод топливного газа высокого давления, связанный с магистральным газопроводом высокого давления, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, газопровод топливного газа среднего давления, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления, редукционное устройство, при этом газопровод топливного газа высокого давления через подогреватель топливного газа высокого давления связан с входом турбодетандера, выход которого через трубопровод топливного газа среднего давления связан с камерой сгорания, причем в газопровод топливного газа высокого давления подают весь топливный газ высокого давления для всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции и газотурбодетандерной установки, установка дополнительно снабжена регенеративным воздухоподогревателем, утилизационным подогревателем топливного газа среднего давления, газоводяным подогревателем топливного газа, утилизационными теплообменниками выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов, при этом ротор турбодетандера связан общим валом с ротором компрессора газотурбодетанденой установки, а ротор газовой турбины связан общим валом с ротором электрогенератора, в выхлопном газоходе газовой турбины по ходу газов установлены регенеративный воздухоподогреватель, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления и утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления; газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления соединен с входом турбодетандера, выход которого через утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления и газоводяной подогреватель топливного газа связан газопроводом топливного газа с камерами сгорания газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания газоперекачивающих агрегатов, утилизационные теплообменники выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов соединены трубопроводами теплоносителя с газоводяным подогревателем топливного газа, а газопровод топливного газа высокого давления соединен через редукционное устройство с газопроводом топливного газа.

Сравнение предлагаемой регенеративной газотурбодетандерной установки собственных нужд компрессорной станции с прототипом и другими техническими решениями позволило сделать вывод, что предлагаемые в ней технические решения соответствуют критерию «новизна». С учетом признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, можно сделать вывод, что оно соответствует критерию «существенные отличия».

На Фиг. 1 представлена тепловая схема газотурбодетандерной установки собственных нужд компрессорной станции магистральных газопроводов. Она содержит: магистральный газопровод 1, газопровод высокого давления 2, газопровод подогретого газа высокого давления 3, турбодетандер 4 с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор 5, регенеративный воздухоподогреватель 6, выхлопной газоход 7, газовую турбину 8, электрогенератор 9, камеру сгорания 10, газопровод среднего давления 11, утилизационный подогреватель газа высокого давления 12, утилизационный подогреватель газа среднего давления 13, газоводяной подогреватель топливного газа 14, газопровод топливного газа 15, входной и выходной трубопроводы теплоносителя 16, утилизационные теплообменники выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов 17, редукционное устройство 18, компрессоры 19, камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов 20, газовые турбины 21, нагнетатели 22 газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. Магистральный газопровод 1 соединен газопроводом высокого давления 2 через утилизационный подогреватель газа высокого давления 12 и газопровод подогретого газа высокого давления 3 с входом турбодетандера 4 и через редукционное устройство 18 соединен с газопроводом топливного газа 15. На газопроводе топливного газа 15 установлен газоводяной подогреватель топливного газа 14, поверхность нагрева которого связана входным и выходным трубопроводами теплоносителя 16 с утилизационными теплообменниками выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов 17, установленными в выхлопных патрубках газовых турбин 21 газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. Газовые турбины 21 соединены валами с компрессорами 19 и нагнетателями 22 газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. Ротор турбодетандера 4 соединен валом с ротором компрессора 5 газотурбодетандерной установки. Выход турбодетандера 4 газопроводом среднего давления 11 через утилизационный подогреватель газа среднего давления 13, газоводяной подогреватель топливного газа 14 и газопровод топливного газа 15 связан с камерой сгорания 10 газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания 20 газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. Компрессор 5 через регенеративный воздухоподогреватель 6 и камеру сгорания 10 соединен с газовой турбиной 8. Газовая турбина 8 имеет общий вал с электрогенератором 9. Газовая турбина 8 через выхлопной газоход 7 и установленные в нем по ходу газов регенеративный воздухоподогреватель 6, утилизационный подогреватель газа высокого давления 12 и утилизационный подогреватель газа среднего давления 13 связана с атмосферой.

Регенеративная газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорной станции работает следующим образом. Природный газ из магистрального газопровода 1 по газопроводу высокого давления 2 подается в утилизационный подогреватель газа высокого давления 12, где подогревается теплотой газов, вышедших из регенеративного воздухоподогревателя 6, и по газопроводу подогретого газа высокого давления 3 поступает на вход турбодетандера 4 с регулируемым сопловым аппаратом. В турбодетандере 4 происходит снижение давления и температуры газа, при этом в случае изменения давления газа в магистральном газопроводе 1, с помощью регулируемого соплового аппарата турбодетандера 4, в газопроводе топливного газа 15, в камере сгорания 10 газовой турбины газотурбодетандерной установки и в камерах сгорания 20 газовых турбин 21 газоперекачивающих агрегатов поддерживается постоянное давление. Полезная работа турбодетандера 4 используется для привода компрессора 5 сжимающего атмосферный воздух. Сжатый воздух нагревается в регенеративном воздухоподогревателе 6 теплом выхлопных газов газовой турбины 8, подводимых в регенеративный воздухоподогреватель 6 по выхлопному газоходу 7, и поступает в камеру сгорания 10. По газопроводу топливного газа 15 в нее подводится топливный газ. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине 8, приводящей электрогенератор 9. Продукты сгорания, частично охлажденные в регенеративном воздухоподогревателе 6, вначале охлаждаются в утилизационном подогревателе газа высокого давления 12, а затем в утилизационном подогревателе газа среднего давления 13 и сбрасываются в атмосферу. Газ из газопровода среднего давления 11 после его подогрева в утилизационном подогревателе газа среднего давления 13 дополнительно подогревается в газоводяном подогревателе топливного газа 14 за счет тепла теплоносителя подводимого в него и отводимого по трубопроводам 16 из утилизационных теплообменников выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов 17, установленных в выхлопных газоходах газовых турбин 21 газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. В состав ГПА входят компрессоры 19, камеры сгорания 20, газовые турбины 21 и нагнетатели 22, включенные в магистральный газопровод 1. Полезная работа газовых турбин 21 используется для привода компрессоров 19 и нагнетателей 22 газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции.

Топливный газ по газопроводу топливного газа 15 подается в камеру сгорания 10 газотурбодетандерной установки и в камеры сгорания 20 газоперекачивающих агрегатов. В случае необходимости газ из магистрального газопровода 1 подается в газопровод топливного газа 15 и в камеры сгорания 10 и 20 через редукционное устройство 18.

Применение регенеративного воздухоподогревателя позволяет увеличить КПД установки. Соединение общим валом высокооборотного турбодетандера с компрессором позволяет уменьшить число ступеней в компрессоре, его стоимость и повысить КПД энергетической газотурбодетандерной установки. Привод электрогенератора от вала газовой турбины при 3000 об/мин позволяет отказаться от использования понижающего редуктора и повысить надежность установки. Использование утилизационного подогревателя газа высокого давления и утилизационного подогреватель газа среднего давления позволяет понизить температуру уходящих газов и повысить тепловую экономичность газотурбодетандерной энергетической установки. Применение газоводяного подогревателя топливного газа и утилизационных теплообменников выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов для подогрева газа, подаваемого в камеры сгорания, позволяет повысить тепловую экономичность как газотурбодетандерной энергетической установки, так и ГПА компрессорной станции.

Регенеративная газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорной станции содержит газопровод топливного газа высокого давления, связанный с магистральным газопроводом высокого давления, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, газопровод топливного газа среднего давления, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления, редукционное устройство. Газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления связан с входом турбодетандера, выход которого через трубопровод топливного газа среднего давления связан с камерой сгорания. В газопровод топливного газа высокого давления подают весь топливный газ высокого давления для всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции и газотурбодетандерной установки. Регенеративная газотурбодетандерная установка дополнительно снабжена регенеративным воздухоподогревателем, утилизационным подогревателем топливного газа среднего давления, газоводяным подогревателем топливного газа, утилизационными теплообменниками выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов. Ротор турбодетандера связан общим валом с ротором компрессора газотурбодетандерной установки, а ротор газовой турбины связан общим валом с ротором электрогенератора. В выхлопном газоходе газовой турбины по ходу газов установлены регенеративный воздухоподогреватель, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления и утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления. Газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления соединен с входом турбодетандера, выход которого через утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления и газоводяной подогреватель топливного газа связан газопроводом топливного газа с камерами сгорания газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания газоперекачивающих агрегатов. Утилизационные теплообменники выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов соединены трубопроводами теплоносителя с газоводяным подогревателем топливного газа. Газопровод топливного газа высокого давления соединен через редукционное устройство с газопроводом топливного газа. Изобретение позволяет увеличить мощность и КПД газотурбодетандерной установки. 1 ил.

Регенеративная газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорной станции, содержащая газопровод топливного газа высокого давления, связанный с магистральным газопроводом высокого давления, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, газопровод топливного газа среднего давления, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления, редукционное устройство, при этом газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления связан с входом турбодетандера, выход которого через трубопровод топливного газа среднего давления связан с камерой сгорания, отличающаяся тем, что в газопровод топливного газа высокого давления подают весь топливный газ высокого давления для всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции и газотурбодетандерной установки, при этом установка дополнительно снабжена регенеративным воздухоподогревателем, утилизационным подогревателем топливного газа среднего давления, газоводяным подогревателем топливного газа, утилизационными теплообменниками выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов, при этом ротор турбодетандера связан общим валом с ротором компрессора газотурбодетандерной установки, а ротор газовой турбины связан общим валом с ротором электрогенератора, в выхлопном газоходе газовой турбины по ходу газов установлены регенеративный воздухоподогреватель, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления и утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления; газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления соединен с входом турбодетандера, выход которого через утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления и газоводяной подогреватель топливного газа связан газопроводом топливного газа с камерами сгорания газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания газоперекачивающих агрегатов, утилизационные теплообменники выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов соединены трубопроводами теплоносителя с газоводяным подогревателем топливного газа, а газопровод топливного газа высокого давления соединен через редукционное устройство с газопроводом топливного газа.