СИСТЕМА ПОДОГРЕВА ТОПЛИВНОГО ГАЗА В КОМПРЕССОРНОМ ЦЕХЕ Российский патент 2016 года по МПК F28C3/06 

Изобретение относится к технике, применяемой при транспорте газа по магистральным газопроводам, и может быть использовано в газотранспортной отрасли промышленности для модернизации систем подогрева топливного газа или дооборудования ими стационарных газоперекачивающих агрегатов (далее - ГПА) с газотурбинным приводом, установленных в компрессорных цехах (далее - КЦ) компрессорных станций (далее - КС) магистральных газопроводов.

Изобретение может быть также использовано и в области газотурбостроения при изготовлении новых ГПА с газотурбинным приводом.

Известна система подогрева топливного газа включающая, по меньшей мере, один электрический подогреватель газа, выполненный в виде размещенных внутри проточной емкости трубчатых термоэлектрических нагревательных элементов, снабженный датчиками для регулирования температуры, датчиками для защиты от перегрева и содержащий наружную теплоизоляцию (см. патент РФ на полезную модель №78896, опубл. 10.12.2008).

Недостатком известной системы является большой расход электроэнергии, затрачиваемой на подогрев газа. Например, для подогрева топливного газа на один ГПА требуется электронагреватель мощностью от 10 до 150 кВт, при этом расход электроэнергии увеличивается с увеличением мощности ГПА, а поскольку ГПА работают, как правило, в постоянном режиме, расход электроэнергии будет постоянным, а не периодическим. Учитывая, что количество ГПА в зависимости от КС может быть от 2 до 20, то для обеспечения такого количества потребителей возникает необходимость строительства параллельно системе магистральных газопроводов линий электропередач либо дополнительных газотурбинных электростанций, использующих в качестве топлива природный газ. Таким образом, применение электрического обогрева для топливного газа приемлемо для ГПА небольших мощностей, а в случае применения электрического подогрева для ГПА большой мощности происходит значительное повышение расходов на транспортировку природного газа.

Известна система подогрева топливного газа, включающая, по меньшей мере, один газомасляный подогреватель газа, выполненный в виде кожухотрубчатого или пластинчатого теплообменника, имеющего промежуточную полость между полостями природного газа и масла. Данная система может включать два взаимно резервирующих кожухотрубчатых газомасляных подогревателя, каждый из которых содержит двойные трубки, составленные из внутренней трубки, наружной трубки и имеющие между наружной и внутренней трубкой зазор, обеспечиваемый посредством канавок на наружной или внутренней трубке, при этом газ протекает по внутренней трубке в трубном пространстве, масло проходит в межтрубном пространстве и контактирует с наружной трубкой, промежуточная полость наполнена инертным газом, промежуточным теплоносителем либо имеет выход на свечу. Данная система также может включать два взаимно резервирующих пластинчатых газомасляных подогревателя, каждый из которых содержит полость природного газа - высокого давления, полость масла - низкого давления, промежуточную полость, наполненную инертным промежуточным теплоносителем либо имеющую выход на свечу (см. патент РФ на полезную модель №92934, опубл. 10.04.2010).

Недостатком такой системы является то, что подогрев топливного газа возможен только после прогрева масла на запущенном ГПА. Это, в свою очередь, обуславливает то, что пуск ГПА и его прогрев возможен только на холодном топливном газе, что значительно затрудняет пуск ГПА при низких температурах окружающей среды, увеличивает риск образования конденсата в топливном регулирующем клапане ГПА и отказа системы подачи топлива.

Известна принятая в качестве прототипа система подогрева топливного газа, содержащая подогреватель газа, выполненный в виде двухфазного термосифонного теплообменника, в котором трубный пучок газа высокого давления (топливного газа) погружен в раствор диэтиленгликоля, а в разделительной перегородке корпуса подогревателя установлен пакет термосифонных труб с зонами испарения и конденсации, причем зона испарения соединена с системой горячего водоснабжения. Для подогрева газа в нижнюю часть корпуса термосифонного подогревателя через патрубок поступает горячая вода из существующей системы горячего тепловодоснабжения КС, которая в свою очередь нагревается в утилизаторах теплоты выхлопных газов газотурбинной установки. Посредством пакета термосифонных труб теплотой горячей воды нагревается раствор диэтиленгликоля, находящегося в верхней части корпуса подогревателя, через который тепло передается газу, проходящему по трубному пучку (см. патент РФ на полезную модель №57421, опубл. 10.10.2006).

Недостатками такой системы являются сложность монтажа и обслуживания термосифонных труб, невозможность управлять процессом регулирования температуры топливного газа.

Задачей заявленного изобретения является создание системы подогрева топливного газа, нивелирующей указанные недостатки аналогов и прототипа.

Технический результат, достигаемый при применении заявленного изобретения, заключается в снижении энергетических затрат за счет использования вторичного источника низкопотенциальной энергии - теплофикационной воды, нагретой в утилизаторах теплоты выхлопных газов ГПА компрессорного цеха, и отказа от сжигания природного газа, что, в свою очередь, улучшает экологию за счет снижения выбросов продуктов сгорания природного газа в атмосферу.

Поставленная задача и указанный технический результат в системе подогрева топливного газа, содержащей подогреватель топливного газа, в котором трубный пучок топливного газа погружен в раствор промежуточного теплоносителя, соответственно решается и достигается тем, что раствор промежуточного теплоносителя содержится в емкости, установленной внутри подогревателя топливного газа, сквозь корпус подогревателя топливного газа в емкость через одну из ее боковых стенок введены снабженные запорной арматурой и подсоединенные к кожухотрубному теплообменнику подводящий и отводящий трубопроводы промежуточного теплоносителя таким образом, что все указанные трубопроводы промежуточного теплоносителя, кожухотрубный теплообменник и емкость образуют единый контур циркуляции промежуточного теплоносителя, при этом к кожухотрубному теплообменнику подсоединены снабженные запорной арматурой подводящий и отводящий трубопроводы теплофикационной воды, нагретой в утилизаторах теплоты выхлопных газов ГПА, а подводящий или отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя снабжен электронасосом, который соединен с частотным преобразователем, автоматически изменяющим частоту вращения электронасоса на основании пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования по сигналам, поступающим от датчиков температуры, установленных с возможностью фиксации температур топливного газа, теплофикационной воды и промежуточного теплоносителя.

Поставленная задача и указанный технический результат в системе подогрева топливного газа соответственно решается и достигается также тем, что подводящий трубопровод промежуточного теплоносителя введен в емкость в ее верхней части, а отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя введен в емкость в ее нижней части.

Поставленная задача и указанный технический результат в системе подогрева топливного газа соответственно решается и достигается также тем, что отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя введен в емкость в ее верхней части, а подводящий трубопровод промежуточного теплоносителя введен в емкость в ее нижней части.

Поставленная задача и указанный технический результат в системе подогрева топливного газа соответственно решается и достигается также тем, что в качестве промежуточного теплоносителя используют раствор диэтиленгликоля.

Заявленное изобретение поясняется графическими материалами, где на чертеже схематично представлен пример системы подогрева топливного газа, посредством которой возможна реализация заявленного изобретения в соответствии с его назначением, где:

1 - отводящий трубопровод теплофикационной воды;

2 - кожухотрубный теплообменник;

3 - электронасос;

4 - отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя;

5 - отводящий трубопровод топливного газа;

6 - емкость;

7 - трубный пучок топливного газа;

8 - раствор промежуточного теплоносителя;

9 - подводящий трубопровод топливного газа;

10 - частотный преобразователь;

11 - подводящий трубопровод промежуточного теплоносителя;

12 - подводящий трубопровод теплофикационной воды.

При этом трубный пучок топливного газа 7 погружен в раствор промежуточного теплоносителя 8, содержащегося в емкости 6, установленной внутри подогревателя топливного газа (на чертеже условно не отмечен).

Сквозь корпус подогревателя топливного газа в емкость 6 через одну из ее боковых стенок введены снабженные запорной арматурой (на чертеже запорная арматура показана, но условно не отмечена) и подсоединенные к кожухотрубному теплообменнику 2 подводящий 11 и отводящий 4 трубопроводы промежуточного теплоносителя таким образом, что все указанные трубопроводы промежуточного теплоносителя, кожухотрубный теплообменник 2 и емкость 6 образуют единый контур циркуляции промежуточного теплоносителя.

К кожухотрубному теплообменнику 2 подсоединены снабженные запорной арматурой (на чертеже запорная арматура показана, но условно не отмечена) подводящий 12 и отводящий 1 трубопроводы теплофикационной воды, нагретой в утилизаторах теплоты выхлопных газов ГПА (на чертеже не показаны).

Подводящий 11 или отводящий 4 трубопровод промежуточного теплоносителя снабжен электронасосом 3, который соединен с частотным преобразователем 10, автоматически изменяющим частоту вращения электронасоса 3 на основании пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования по сигналам, поступающим от датчиков температуры (на чертеже не показаны), установленных с возможностью фиксации температур топливного газа, теплофикационной воды и промежуточного теплоносителя.

Датчики температуры топливного газа установлены на отводящем 5 и/или подводящем 9 трубопроводах топливного газа 5.

Датчики температуры теплофикационной воды установлены на отводящем 1 и/или подводящем 12 трубопроводах теплофикационной воды.

Датчики температуры промежуточного теплоносителя установлены на отводящем 4 и/или подводящем 11 трубопроводах промежуточного теплоносителя.

В наиболее предпочтительном варианте реализации заявленного изобретения подводящий трубопровод промежуточного теплоносителя 11 введен в емкость 6 в ее верхней части, а отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя 4 снабжен электронасосом 3 и введен в емкость в ее нижней части.

Данный вариант реализации обусловлен более качественным смешиванием промежуточного теплоносителя в емкости 6.

В варианте реализации заявленного изобретения, изображенном на чертеже, отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя 4 введен в емкость 6 в ее верхней части, а подводящий трубопровод промежуточного теплоносителя 11 снабжен электронасосом 3 и введен в емкость 6 в ее нижней части.

При этом в качестве промежуточного теплоносителя используют раствор диэтиленгликоля.

Работает система подогрева топливного газа следующим образом (см. чертеж).

Холодный топливный газ поступает по подводящему трубопроводу топливного газа 9 в трубный пучок топливного газа 7, погруженный в раствор промежуточного теплоносителя 8, например диэтиленгликоля, содержащегося в емкости 6, где подогревается до температуры теплоносителя.

Циркуляция промежуточного теплоносителя между кожухотрубным теплообменником 2, подводящим 11 и отводящим 4 трубопроводами промежуточного теплоносителя и емкостью 6 обеспечивается установленным на одном из указанных трубопроводов промежуточного теплоносителя электронасосом 3.

Частота вращения электронасоса 3 и, как следствие, температура топливного газа, движущегося по отводящему трубопроводу топливного газа 5, регулируются автоматически с помощью соединенного с электронасосом 3 частотного преобразователя 10, работающего на основании пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования по сигналам, поступающим от датчиков температуры топливного газа, установленных на отводящем 5 и/или подводящем 9 трубопроводах топливного газа 5, датчиков температуры теплофикационной воды, установленных на отводящем 1 и/или подводящем 12 трубопроводах теплофикационной воды, а также датчиков температуры промежуточного теплоносителя, установленных на отводящем 4 и/или подводящем 11 трубопроводах промежуточного теплоносителя.

При этом подогрев промежуточного теплоносителя осуществляется в кожухотрубном теплообменнике 2 посредством теплофикационной воды, нагретой в утилизаторах теплоты выхлопных газов ГПА компрессорного цеха и подаваемой в кожухотрубный теплообменник 2 по подводящему трубопроводу теплофикационной воды 12 и отводимой из него в систему теплофикации компрессорного цеха КС по отводящему трубопроводу теплофикационной воды 1.

Расчеты (см. таблицу результатов), выполненные для КЦ-1 КС-1 Вынгапуровского Линейно-промыслового управления магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Сургут», включающего в себя 5 ГПА16МГ90.04 с газотурбинными двигателями ДГ90Л2, показали, что применение системы подогрева топливного газа, изготовленной с использованием заявленного изобретения, позволит полностью отказаться от сжигания природного газа с целью подогрева топливного газа и тем самым снизить выбросы продуктов сгорания природного газа в атмосферу.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в газотранспортной отрасли промышленности в системах подогрева топливного газа. Система подогрева топливного газа включает подогреватель топливного газа, в котором трубный пучок топливного газа погружен в раствор промежуточного теплоносителя, содержащегося в емкости, установленной внутри подогревателя топливного газа. В емкость введены подсоединенные к кожухотрубному теплообменнику подводящий и отводящий трубопроводы промежуточного теплоносителя таким образом, что все указанные трубопроводы промежуточного теплоносителя, кожухотрубный теплообменник и емкость образуют единый контур циркуляции промежуточного теплоносителя. К кожухотрубному теплообменнику подсоединены подводящий и отводящий трубопроводы теплофикационной воды. Подводящий или отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя снабжен электронасосом, соединенным с частотным преобразователем, автоматически изменяющим частоту вращения электронасоса по сигналам, поступающим от датчиков температуры. Технический результат - снижение энергетических затрат за счет использования вторичного источника низкопотенциальной энергии - теплофикационной воды. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Система подогрева топливного газа, содержащая подогреватель топливного газа, в котором трубный пучок топливного газа погружен в раствор промежуточного теплоносителя, отличающаяся тем, что раствор промежуточного теплоносителя содержится в емкости, установленной внутри подогревателя топливного газа, сквозь корпус подогревателя топливного газа в емкость через одну из ее боковых стенок введены снабженные запорной арматурой и подсоединенные к кожухотрубному теплообменнику подводящий и отводящий трубопроводы промежуточного теплоносителя таким образом, что все указанные трубопроводы промежуточного теплоносителя, кожухотрубный теплообменник и емкость образуют единый контур циркуляции промежуточного теплоносителя, при этом к кожухотрубному теплообменнику подсоединены снабженные запорной арматурой подводящий и отводящий трубопроводы теплофикационной воды, нагретой в утилизаторах теплоты выхлопных газов газоперекачивающего агрегата, а подводящий или отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя снабжен электронасосом, который соединен с частотным преобразователем, автоматически изменяющим частоту вращения электронасоса на основании пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования по сигналам, поступающим от датчиков температуры, установленных с возможностью фиксации температур топливного газа, теплофикационной воды и промежуточного теплоносителя.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что подводящий трубопровод промежуточного теплоносителя введен в емкость в ее верхней части, а отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя введен в емкость в ее нижней части.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что отводящий трубопровод промежуточного теплоносителя введен в емкость в ее верхней части, а подводящий трубопровод промежуточного теплоносителя введен в емкость в ее нижней части.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве промежуточного теплоносителя используют раствор диэтиленгликоля.