КОМПРЕССОРНАЯ СТАНЦИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА С ГАЗОТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ Российский патент 2016 года по МПК F04D25/00 F02C7/10 

Изобретение относится к компрессорным станциям магистральных газопроводов и может быть использовано для повышения мощности и экономичности газотурбодетандерной энергетической установки и газоперекачивающих агрегатов КС.

Известен газоперекачивающий агрегат (ГПА) компрессорной станции магистральных газопроводов, снабженный эжекторной турбохолодильной машиной (ЭТХМ) с низкотемпературным рабочим телом (НРТ), обеспечивающей утилизацию теплоты уходящих газов газовой турбины и охлаждение воздуха перед компрессором ГПА. ЭТХМ содержит эжектор с расширительным соплом, камерой смешения и диффузором, конденсатор НРТ, насос, дроссельный клапан, генератор пара высокого давления НРТ, испаритель-воздухоохладитель, паропроводы НРТ высокого и низкого давления, конденсатопровод НРТ. ЭТХМ имеет паросиловой и холодильный контуры. За счет утилизации теплоты уходящих газов ГПА в генераторе пара НРТ вырабатывают пар высокого давления НРТ и подают в эжектор.

Далее его расширяют в сопле эжектора, создавая разрежение в камере смешения, подсасывают в нее пар низкого давления и смешивают с паром расширенным в сопле. Смесь этих потоков сжимают в диффузоре, повышают давление, и конденсируют смесь потоков пара в конденсаторе НРТ. Конденсат пара разделяют на два потока. Первый из них сжимают в насосе, подают в генератор пара высокого давления НРТ и затем направляют в эжектор. Второй поток дросселируют в дроссельном клапане и подают в испаритель-воздухоохладитель, где его испаряют с образованием пара низкого давления НРТ и охлаждают им атмосферный воздух перед компрессором ГПА. Затем этот пар отсасывают из испарителя-воздухоохладителя и подают в камеру смешения эжектора (Р.Н. Радченко, Н.Н. Радченко. Энергоресурсосберегающая внутрицикловая тригенерация в газотурбинных установках компрессорных станций. «Авиационно-космическая техника и технология», 2011, №10 (87), с. 99, рис. 2). Данное техническое решение позволяет осуществить охлаждение циклового воздуха и повысить тепловую экономичность ГПА. Но его недостатками является возможность использования ЭТХМ только в летний период при повышенных температурах наружного воздуха, а также необходимость применения на КС специального воздушного конденсатора НРТ.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является энергетическая газотурбодетандерная установка (ЭГТД), используемая для выработки электроэнергии на газораспределительных станциях ГРС, содержащая газовый турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), авиационный газотурбинный двигатель с воздушным компрессором, камерой сгорания, газовыми турбинами высокого и низкого давления. Вал контура высокого давления соединяет воздушный компрессор с газовой турбиной высокого давления авиационного газотурбинного двигателя, вал контура низкого давления соединяет газовую турбину низкого давления с газовым турбодетандером и через редуктор с ротором электрогенератора. Газопровод высокого давления соединен трубопроводами через теплообменник-регенератор и газовый турбодетандер с камерой сгорания авиадвигателя и с выходной газовой магистралью. Теплообменник-регенератор установлен в выхлопном газоходе газовой турбины низкого давления. Совместную полезную работу газовой турбины низкого давления и газового турбодетандера используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе, а теплотой выхлопных газов авиадвигателя подогревают природный газ, поступающий в газовый турбодетандер. При изменении давления газа в газопроводе высокого давления, с помощью РСА поддерживают постоянное давление газа в выходной газовой магистрали и в камере сгорания авиадвигателя (Патент РФ №2091592, F01K 27/00, F02C 6/00). Данное техническое решение принято за прототип предлагаемого изобретения.

В то же время для прототипа характерен ряд недостатков:

- прототип используют для выработки электроэнергии на ГРС и ГРП с пропуском через турбодетандер больших объемов природного газа с давлением 4-5,5 МПа и подачей к потребителям газа пониженного давления 0,6-1,2 МПа, поэтому он не может быть применен на компрессорных станциях, так как давление топливного газа в камерах сгорания ГПА составляет 2-3 МПа;

- газовая турбина авиадвигателя и турбодетандер связаны общим валом с ротором электрогенератора через понижающий редуктор, что понижает надежность энергетической газотурбодетандерной установки;

- так как в турбодетандере расширяется только топливный газ для КС газотурбодетандерной установки, то эта установка будет иметь небольшую мощность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение мощности и экономичности газотурбодетандерной энергетической установки и газоперекачивающих агрегатов КС.

Поставленная задача решается за счет того, что компрессорная станция магистрального газопровода с газотурбодетандерной энергетической установкой, снабженная газотурбинными газоперекачивающими агрегатами с нагнетателями природного газа и аппаратами воздушного охлаждения (АВО) сжатого природного газа, при этом газотурбодетандерная энергетическая установка содержит газопровод топливного газа высокого давления, сепаратор, теплообменник-регенератор, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом и устройством для его управления, газотурбинную установку с компрессором, камерой сгорания, газовой турбиной, электрогенератором, при этом газопровод топливного газа высокого давления соединен через сепаратор и теплообменник-регенератор с входом турбодетандера, причем газопровод топливного газа высокого давления обеспечивает топливоснабжение газотурбодетандерной энергетической установки и всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции, при этом газотурбодетандерная энергетическая установка выполнена регенеративной и дополнительно снабжена эжекторной турбохолодильной машиной с низкотемпературным рабочим телом (НРТ), которая имеет дополнительный подогреватель топливного газа, газопровод подогретого топливного газа среднего давления, конденсатор пара НРТ, служащий подогревателем топливного газа среднего давления, газопровод подогретого топливного газа среднего давления, насос НРТ, дроссельный клапан, паропровод низкого давления НРТ, воздухоохладитель, конденсатопровод НРТ, газопровод высокого давления, эжектор, паропровод низкого давления, дополнительный газоохладитель сжатого природного газа, утилизатор тепла выхлопных газов ГПА, служащий генератором пара высокого давления НРТ и подогревателем теплоносителя; одновременно выход турбодетандера соединен через газопровод топливного газа среднего давления, газопровод топливного газа газотурбодетандерной установки с камерой сгорания этой установки, а также через газопроводы топливного газа с камерами сгорания ГПА; выхлопной газоход газовой турбины газотурбодетандерной энергетической установки связан с атмосферой через дополнительный регенеративный воздухоподогреватель и теплообменник-регенератор, ротор турбодетандера связан общим валом с ротором компрессора, ротор газовой турбины соединен валом с ротором электрогенератора, регенеративный воздухоподогреватель размещен в выхлопном газоходе газовой турбины газотурбодетандерной энергетической установки перед теплообменником-регенератором; конденсатор пара НРТ, служащий подогревателем топливного газа среднего давления, установлен в газопроводе топливного газа среднего давления на выходе из турбодетандера, утилизатор тепла отходящих газов ГПА, служащий генератором пара высокого давления НРТ, размещен в выхлопном газоходе газоперекачивающего агрегата, дополнительный подогреватель топливного газа связан подводящими и отводящими трубопроводами теплоносителя с утилизатором тепла уходящих газов ГПА, одновременно служащим генератором пара высокого давления НРТ; дополнительный газоохладитель сжатого природного газа установлен после АВО в газопроводе высокого давления газа, сжатого в нагнетателе ГПА; воздухоохладитель размещен в воздуховоде перед компрессором газотурбодетандерной энергетической установки и связан паропроводами низкого давления НРТ с дроссельным клапаном и с камерой смешения эжектора; устройство управления связано импульсными линиями с регулируемым сопловым аппаратом турбодетандера и с трубопроводом топливного газа среднего давления; выход конденсатора пара НРТ, служащего подогревателем топливного газа среднего давления, связан через конденсатопровод НРТ, насос НРТ, дополнительный газоохладитель сжатого природного газа, генератор пара высокого давления НРТ и паропровод высокого давления НРТ с соплом эжектора, а его выходной диффузор связан с входом конденсатора пара НРТ, служащего подогревателем топливного газа среднего давления, кроме того, конденсатопровод НРТ связан с камерой смешения эжектора через дроссельный клапан, паропровод низкого давления НРТ и воздухоохладитель.

На Фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемой компрессорной станции магистрального газопровода с газотурбодетандерной энергетической установкой. Она состоит из блоков, включающих в себя газотурбодетандерную энергетическую установку I, эжекторную турбохолодильную машину (ЭТХМ) II, компрессорную станцию магистрального газопровода III.

На Фиг. 2 приведена тепловая схема компрессорной станции магистрального газопровода III.

Газотурбодетандерная энергетическая установка компрессорной станции магистрального газопровода - блок I, включает: трубопровод топливного газа высокого давления 1, сепаратор 2, теплообменник-регенератор 3, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом (PCA) 4, компрессор 5, газовую турбину 6, электрогенератор 7, устройство управления РСА 8, газопровод топливного газа среднего давления 9, регенеративный воздухоподогреватель 10, камеру сгорания газотурбодетандерной энергетической установки 11, выхлопной газоход газовой турбины 12, газопровод топливного газа газотурбодетандерной энергетической установки 19.

Эжекторная турбохолодильная машина (ЭТХМ) - блок II, включает: конденсатор пара НРТ 16, служащий подогревателем топливного газа среднего давления, газопровод подогретого топливного газа среднего давления 18, насос НРТ 13, дроссельный клапан 14, паропровод низкого давления НРТ 15, воздухоохладитель 17, дополнительный подогреватель топливного газа 20, конденсатопровод НРТ 22, газопровод высокого давления 23, эжектор 24, утилизатор тепла отходящих газов ГПА, служащий генератором пара высокого давления НРТ и подогревателем теплоносителя 25, подводящий трубопровод теплоносителя 26, отводящий трубопровод теплоносителя 27, газоохладитель сжатого природного газа 28.

Компрессорная станция магистрального газопровода - блок III, содержит: АВО 29, нагнетатели 30 ГПА, газопроводы топливного газа ГПА 21, газотурбинные установки ГПА 31, камеры сгорания ГПА 32, магистральный газопровод 33.

Магистральный газопровод 33 через нагнетатели 30 газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, АВО 29 и газоохладитель сжатого природного газа 28 связан с газопроводом высокого давления 23. Кроме того, магистральный газопровод 33 через трубопровод топливного газа высокого давления 1, сепаратор 2 и теплообменник-регенератор 3 связан с турбодетандером 4, снабженным регулируемым сопловым аппаратом. Выход турбодетандера 4 через газопровод топливного газа среднего давления 9, конденсатор пара НРТ 16, служащий подогревателем топливного газа среднего давления, газопровод подогретого топливного газа среднего давления 18 и газопровод топливного газа газотурбодетандерной энергетической установки 19 связан с камерой сгорания 11 газотурбодетандерной энергетической установки, а также через газопроводы топливного газа ГПА 21 с камерами сгорания ГПА 32 газотурбинных установок ГПА 31. Дополнительный подогреватель топливного газа 20 связан подводящим трубопроводом теплоносителя 26 и отводящим трубопроводом теплоносителя 27 с утилизатором тепла 25, служащим генератором пара высокого давления НРТ и подогревателем теплоносителя.

Ротор турбодетандера 4 соединен общим валом с ротором компрессора 5, ротор газовой турбины 6 соединен валом с ротором электрогенератора 7. В выхлопном газоходе 12 газовой турбины 6 установлены регенеративный воздухоподогреватель 10 и теплообменник-регенератор 3.

Работа газотурбодетандерной энергетической установки собственных нужд компрессорной станции осуществляется следующим образом. Природный газ высокого давления 5-7 МПа из магистрального газопровода 33 подается по трубопроводу топливного газа высокого давления 1 на вход турбодетандера 4, предварительно очищаясь от примесей в сепараторе 2 и подогреваясь в теплообменнике-регенераторе 3 за счет теплоты газов, расширенных в газовой турбине 6 газотурбодетандерной энергетической установки и частично охлажденных в регенеративном воздухоподогревателе 10, подводимых в него по выхлопному газоходу газовой турбины 12. В турбодетандере 4 топливный газ расширяется до давления 2-3 МПа, совершая полезную работу, используемую для привода компрессора 5 газотурбодетандерной энергетической установки. Расширенный в турбодетандере 4 топливный газ через газопровод топливного газа среднего давления 9, конденсатор пара НРТ 16, служащий подогревателем топливного газа среднего давления, и газопровод топливного газа среднего давления 18, подогревается в дополнительном подогревателе топливного газа 20 теплотой теплоносителя, подогретого в утилизаторе тепла, служащем генератором пара высокого давления НРТ и подогревателем теплоносителя 25, подаваемого в подогреватель топливного газа 20 по подводящему трубопроводу теплоносителя 26 и отводимого из него по отводящему трубопроводу теплоносителя 27. В конденсаторе пара НРТ 16, служащем подогревателем топливного газа среднего давления, за счет холодного топливного газа, расширенного в турбодетандере 4, производится конденсация пара НРТ, подаваемого в него из эжектора 24. Конденсат НРТ сжимается насосом 13 и по конденсатопроводу НРТ 22 подается в газоохладитель сжатого природного газа 28, где дополнительно охлаждает газ высокого давления, сжатого в нагнетателе 30, предварительно охлажденного в АВО 29. После частичного подогрева в газоохладителе 28 конденсат НРТ подается на вход утилизатора тепла, служащего генератором пара высокого давления НРТ и подогревателем теплоносителя 25, где нагревается до температуры порядка 170°C за счет тепла уходящих газов газовой турбины 31 ГПА. Нагретый до этой температуры пар высокого давления НРТ подается в сопло эжектора 24, расширяется в нем и затем, после сжатия в его диффузоре, подается на вход конденсатора пара НРТ, служащего подогревателем топливного газа среднего давления 16, где происходит конденсация этого пара НРТ с подогревом топливного газа, подводимого по газопроводу топливного газа среднего давления 9. При изменении давления в магистральном газопроводе 33 с помощью устройства управления 8 производится воздействие на регулируемый сопловой аппарат турбодетандера 4 с поддержанием требуемого давления в трубопроводах подогретого топливного газа среднего давления 18, 19 и 21, в камере сгорания газотурбодетандерной энергетической установки 11 и в камерах сгорания 32 газотурбинных газоперекачивающих агрегатов.

Применение эжекторной турбохолодильной машины II позволяет использовать низкую температуру топливного газа, расширенного в турбодетандере, для дополнительного охлаждения природного газа высокого давления, сжатого в нагнетателе ГПА и для охлаждения атмосферного воздуха перед компрессором газотурбодетандерной энергетической установки, что приведет к повышению ее тепловой экономичности.

Использование теплоты отходящих газов газовой турбины ГПА для генерации пара высокого давления НРТ и для подогрева топливного газа среднего давления позволяет повысить экономичность газотурбодетандерной энергетической установки и газоперекачивающих агрегатов КС.

Соединение общим валом высокооборотного турбодетандера 6 с компрессором позволяет использовать механическую энергию турбодетандера 6 для привода компрессора, повысить число оборотов турбодетандера и компрессора, увеличить мощность и экономичность энергетической газотурбодетандерной установки, а также уменьшить число ступеней компрессора и повысить его КПД.

Привод электрогенератора от вала газовой турбины газотурбодетандерной энергетической установки позволяет отказаться от использования понижающего редуктора.

Применение регенеративного воздухоподогревателя, осуществляющего подогрев сжатого воздуха перед камерой сгорания газотурбодетандерной энергетической установки, позволяет уменьшить расход топлива и повысить экономичность этой установки.

Компрессорная станция магистрального газопровода с газотурбодетандерной энергетической установкой снабжена газотурбинными газоперекачивающими агрегатами с нагнетателями природного газа и аппаратами воздушного охлаждения. Газотурбодетандерная энергетическая установка содержит газопровод топливного газа высокого давления, сепаратор, теплообменник-регенератор, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом и устройством для его управления, газотурбинную установку. Газопровод топливного газа высокого давления соединен через сепаратор и теплообменник-регенератор с входом турбодетандера и обеспечивает топливоснабжение газотурбодетандерной энергетической установки и всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. Газотурбодетандерная энергетическая установка выполнена регенеративной и дополнительно снабжена эжекторной турбохолодильной машиной с низкотемпературным рабочим телом. Выход турбодетандера соединен через газопровод топливного газа среднего давления, газопровод топливного газа газотурбодетандерной установки с камерой сгорания этой установки, а также через газопроводы топливного газа с камерами сгорания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. Выхлопной газоход газовой турбины газотурбодетандерной энергетической установки связан с атмосферой через дополнительный регенеративный воздухоподогреватель и теплообменник-регенератор. Изобретение направлено на повышение мощности и экономичности газотурбодетандерной установки и газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. 2 ил.

Компрессорная станция магистрального газопровода с газотурбодетандерной энергетической установкой, снабженная газотурбинными газоперекачивающими агрегатами с нагнетателями природного газа и аппаратами воздушного охлаждения, при этом газотурбодетандерная энергетическая установка содержит газопровод топливного газа высокого давления, сепаратор, теплообменник-регенератор, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом и устройством для его управления, газотурбинную установку с компрессором, камерой сгорания, газовой турбиной, электрогенератором, при этом газопровод топливного газа высокого давления соединен через сепаратор и теплообменник-регенератор с входом турбодетандера, отличающаяся тем, что газопровод топливного газа высокого давления обеспечивает топливоснабжение газотурбодетандерной энергетической установки и всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции, газотурбодетандерная энергетическая установка выполнена регенеративной и дополнительно снабжена эжекторной турбохолодильной машиной с низкотемпературным рабочим телом (НРТ), которая содержит дополнительный подогреватель топливного газа, газопровод подогретого топливного газа среднего давления, конденсатор пара НРТ, служащий подогревателем топливного газа среднего давления, газопровод подогретого топливного газа среднего давления, насос НРТ, дроссельный клапан, паропровод низкого давления НРТ, воздухоохладитель, конденсатопровод НРТ, газопровод высокого давления, эжектор, паропровод низкого давления, дополнительный газоохладитель сжатого природного газа, утилизатор тепла выхлопных газов ГПА, служащий генератором пара высокого давления НРТ и подогревателем теплоносителя; одновременно выход турбодетандера соединен через газопровод топливного газа среднего давления, газопровод топливного газа газотурбодетандерной установки с камерой сгорания этой установки, а также через газопроводы топливного газа с камерами сгорания ГПА; выхлопной газоход газовой турбины газотурбодетандерной энергетической установки связан с атмосферой через дополнительный регенеративный воздухоподогреватель и теплообменник-регенератор, ротор турбодетандера связан общим валом с ротором компрессора, ротор газовой турбины соединен валом с ротором электрогенератора, регенеративный воздухоподогреватель размещен в выхлопном газоходе газовой турбины газотурбодетандерной энергетической установки перед теплообменником-регенератором; конденсатор пара НРТ, служащий подогревателем топливного газа среднего давления, установлен в газопроводе топливного газа среднего давления на выходе из турбодетандера, утилизатор тепла отходящих газов ГПА, служащий генератором пара высокого давления НРТ, размещен в выхлопном газоходе газоперекачивающего агрегата, дополнительный подогреватель топливного газа связан подводящими и отводящими трубопроводами теплоносителя с утилизатором тепла уходящих газов ГПА, служащим генератором пара высокого давления НРТ; дополнительный газоохладитель сжатого природного газа установлен после аппарата воздушного охлаждения в газопроводе высокого давления газа, сжатого в нагнетателе ГПА; воздухоохладитель размещен в воздуховоде перед компрессором газотурбодетандерной энергетической установки и связан паропроводами низкого давления НРТ с дроссельным клапаном и с камерой смешения эжектора; устройство управления связано импульсными линиями с регулируемым сопловым аппаратом турбодетандера и с трубопроводом топливного газа среднего давления; выход конденсатора пара НРТ, служащего подогревателем топливного газа среднего давления, связан через конденсатопровод НРТ, насос НРТ, дополнительный газоохладитель сжатого природного газа, генератор пара высокого давления НРТ и паропровод высокого давления НРТ с соплом эжектора, а его выходной диффузор связан с входом конденсатора пара НРТ, служащего подогревателем топливного газа среднего давления, кроме того, конденсатопровод НРТ связан с камерой смешения эжектора через дроссельный клапан, паропровод низкого давления НРТ и воздухоохладитель.