СПОСОБ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ ИЛИ ГАЗОРЕГУЛЯТОРНОГО ПУНКТА Российский патент 2018 года по МПК F02C6/18 F25B11/02 

Изобретение относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использовано для выработки электроэнергии на газораспределительных станций (ГРС) и на газорегуляторных пунктах (ГРП).

Известна регенеративная газотурбодетандерная установка собственных нужд магистральных газопроводов, содержащая турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом и газотурбинную установку. Природный газ высокого давления, расширенный в турбодетандере обеспечивает подачу топливного газа к камерам сгорания газотурбодетандерной установки и к камерам сгорания газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции (Патент РФ №2570296). Но эта установка не может быть применена для выработки электроэнергии на ГРС и ГРП.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ работы энергетической установки с турбодетандером, заключающийся в направлении природного газа высокого давления к потребителю через турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, в котором снижают давление природного газа до уровня, требуемого конкретному потребителю, и поддерживают постоянным давление этого газа и его температуру на уровне не менее 278 К, при этом выхлопными газами газотурбинного двигателя производят предварительный нагрев природного газа высокого давления, направляемого в турбодетандер (Патент RU №2096640). Данный способ принят в качестве прототипа к предлагаемому изобретению.

Недостатком способа-прототипа является недостаточная тепловая экономичность и электрическая мощность энергетической установки, устанавливаемой на ГРП или ГРС.

Технической задачей изобретения является повышение мощности и тепловой экономичности работы энергетической установки газораспределительной станции или газорегуляторного пункта.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе работы энергетической установки газораспределительной станции или газорегуляторного пункта, содержащей турбодетандер, газотурбинную установку с компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной, электрогенератор, природный газ высокого давления расширяют в турбодетандере с регулируемым сопловым аппаратом и снижают его давление до уровня, требуемого конкретному потребителю, поддерживая постоянным давление этого газа с помощью регулируемого соплового аппарата турбодетандера и температуру газа на уровне не менее 278 К, при этом газ высокого давления перед подачей в турбодетандер подогревают теплом продуктов сгорания, расширенных в газовой турбине, причем теплоту продуктов сгорания, расширенных в газовой турбине, используют также для выработки в котле-утилизаторе перегретого пара высокого давления, 5-7% которого (относительно расхода воздуха в компрессоре) подают в воздух сжатый в компрессоре, а 9-12% смешивают с продуктами сгорания в выходной части камеры сгорания, далее полученную газопаровую смесь расширяют в газовой турбине и направляют в котел-утилизатор, где в газопаровую смесь, частично охлажденную при выработке перегретого пара высокого давления и при подогреве природного газа высокого давления, впрыскивают охлаждающую воду, снижая температуру газопаровой смеси до 65-70°С, после чего конденсируют пар, содержащийся в газопаровой смеси, и отделяют (сепарируют) конденсат и охлаждающую воду от продуктов сгорания, при этом меньшую часть смеси конденсата и охлаждающей воды умягчают и используют в качестве питательной воды для выработки перегретого пара, а большую часть этой смеси разделяют на два потока, первый из которых охлаждают атмосферным воздухом, в градирне, до 25-30°С, а второй охлаждают до 15-20°С природным газом, расширенным в турбодетандере, после чего объединенные первый и второй потоки смеси используют в качестве охлаждающей воды в котле-утилизаторе, при этом полезную работу турбодетандера используют для сжатия воздуха в компрессоре, полезную работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе.

Сравнение предлагаемого способа работы энергетической установки газораспределительной станции или газорегуляторного пункта с прототипом и другими техническими решениями позволило сделать вывод, что предлагаемый способ соответствует критерию «новизна». С учетом признаков, отличающих заявляемый способ от прототипа, можно сделать вывод, что предлагаемый способ работы энергетической установки газораспределительной станции или газорегуляторного пункта соответствует критерию «существенные отличия».

На Фиг. 1 приведена тепловая схема энергетической установки ГРС или ГРП. Она содержит: магистральный газопровод 1, турбодетандер 2 с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор 3, камеру сгорания 4, газовую турбину 5, электрогенератор 6, трубопровод впрыска перегретого пара 7, трубопровод впрыска перегретого пара в продукты сгорания топлива 8, паропровод перегретого пара высокого давления 9, котел-утилизатор 10, пароперегреватель 11, испаритель 12, экономайзер 13, подогреватель газа высокого давления 14, питательный насос 15, охладитель 16, впрыскивающее устройство 17, установку умягчения 18, сепарационное устройство 19, сборный бак 20, трубопровод 21, градирню 22, трубопровод 23, трубопровод смеси конденсата и охлаждающей воды 24, газопровод высокого давления 25, газопровод пониженного давления 26, редукционную установку 27.

Работу энергетической установки ГРС или ГРП, тепловая схема которой представлена на Фиг. 1, осуществляют следующим образом.

В нормальном режиме работы ГРС или ГРП природный газ высокого давления из магистрального газопровода 1 по газопроводу высокого давления 25 подают в подогреватель газа высокого давления 14, где газ подогревают и далее направляют на вход турбодетандера 2, снабженного регулируемым сопловым аппаратом. В турбодетандере 2 производят расширение природного газа высокого давления со снижением его давления и температуры. При изменении давления природного газа в магистральном газопроводе 1 с помощью регулируемого соплового аппарата турбодетандера 2 в газопроводе пониженного давления 26 поддерживают постоянное давление газа, подаваемого к потребителю. Перегретый пар, выработанный в котле-утилизаторе 10, подают по паропроводу перегретого пара 9 и по трубопроводу впрыска перегретого пара 7 в воздух, сжатый компрессором 3. В выходную часть камеры сгорания 4 газотурбинной установки подают пар по трубопроводу 8 впрыска перегретого пара в продукты сгорания топлива. В камере сгорания 4 сжигают топливо. Полученную газопаровую смесь расширяют в газовой турбине 5, используя полезную работу газовой турбины для выработки электроэнергии в электрогенераторе 6. Теплоту расширенной газопаровой смеси используют в пароперегревателе 11, испарителе 12 и экономайзере 13 для выработки перегретого пара высокого давления, а также для нагрева природного газа в подогревателе газа высокого давления 14. В вышедшую из подогревателя 14 газопаровую смесь впрыскивают через впрыскивающее устройство 17 охлаждающую воду, снижая температуру смеси до 65-70°С, после чего конденсируют содержащийся в ней пар. В сепарационном устройстве 19 отделяют смесь конденсата пара и охлаждающей воды от продуктов сгорания, которые затем сбрасывают в атмосферу, а отсепарированную смесь конденсата и охлаждающей воды подают в сборный бак 20, после чего ее разделяют на два потока: меньшую часть смеси умягчают в установке умягчения 18 и используют в качестве питательной воды для выработки в котле-утилизаторе 10 перегретого пара, а ее большую часть подают в трубопровод смеси конденсата и охлаждающей воды 24 и разделяют на два потока. Первый поток смеси охлаждают атмосферным воздухом, в градирне 22, до температуры в 25-30°С, а второй поток смеси направляют через трубопровод 23 в охладитель 16, где охлаждают его до 15-20°С природным газом, расширенным в турбодетандере 2. Затем первый поток смеси, охлажденный в градирне 22, направляют в трубопровод 21 и смешивают его со вторым потоком смеси, охлажденным в охладителе 16. Объединенные при этом первый и второй потоки смеси подают в качестве охлаждающей воды во впрыскивающее устройство 17.

Полезную работу турбодетандера 2 используют для привода компрессора 3 газотурбинной установки. Полезную работу газовой турбины 5 используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе 6.

При аварии или ремонте энергетической установки ГРС или ГРП природный газ высокого давления из магистрального газопровода 1 редуцируют в редукционной установке 27 и затем подают его к потребителям.

Использование полезной работы турбодетандера для привода компрессора и для сжатия в нем атмосферного воздуха, а полезной работы газовой турбины для выработки электроэнергии позволяет повысить КПД газотурбодетандерной энергетической установки до 65-75% и ее электрическую мощность.

Впрыск в сжатый воздух 5-7% перегретого пара высокого давления (относительно расхода воздуха в компрессоре), а также впрыск в выходную часть камеры сгорания 9-12% перегретого пара высокого давления позволяет на 40-60% уменьшить концентрацию в продуктах сгорания токсичных газов и в 1,5-1,6 раза увеличить электрическую мощность газовой турбины.

Соединение общим валом высокооборотного турбодетандера с компрессором позволяет уменьшить число ступеней в компрессоре, повысить КПД и уменьшить его стоимость.

Привод электрогенератора от вала газовой турбины при 3000 об/мин позволяет отказаться от использования понижающего редуктора и повысить надежность энергетической установки.

Изобретение предназначено для выработки электроэнергии на энергетических установках газораспределительных станций и на газорегуляторных пунктах. Природный газ высокого давления расширяют в турбодетандере и снижают его давление до уровня, требуемого конкретному потребителю, поддерживая его температуру не менее 278 К. Теплоту продуктов сгорания, расширенных в газовой турбине, используют для выработки перегретого пара высокого давления. В газовой турбине расширяют полученную газопаровую смесь, ее теплоту используют для выработки перегретого пара высокого давления и для подогрева природного газа высокого давления перед турбодетандером. Полезную работу турбодетандера используют для сжатия воздуха в компрессоре, полезную работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе. В газопаровую смесь частичную охлажденную при выработке перегретого пара высокого давления и при подогреве природного газа высокого давления, впрыскивают охлаждающую воду. Снижают температуру газопаровой смеси до 65-70°С. Конденсируют пар, содержащийся в газопаровой смеси, отделяют конденсат и охлаждающую воду от продуктов сгорания; меньшую часть смеси конденсата и охлаждающей воды умягчают и используют в качестве питательной воды для выработки перегретого пара. Большую часть этой смеси разделяют на два потока. Первый поток смеси охлаждают атмосферным воздухом в градирне до 25-30°С, а второй поток смеси охлаждают до 15-20°С природным газом, расширенным в турбодетандере, затем первый и второй охлажденные потоки смеси впрыскивают в охлажденную газопаровую смесь. Изобретение направлено на повышение мощности и тепловой экономичности работы энергетической установки газораспределительной станции или газорегуляторного пункта. 1 ил.

Способ работы энергетической установки газораспределительной станции или газорегуляторного пункта, содержащей турбодетандер, газотурбинную установку с компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной, и электрогенератор, согласно которому природный газ высокого давления расширяют в турбодетандере с регулируемым сопловым аппаратом и снижают его давление до уровня, требуемого конкретному потребителю, поддерживая постоянным давление этого газа с помощью регулируемого соплового аппарата турбодетандера и температуру газа на уровне не менее 278 К, при этом газ высокого давления перед подачей в турбодетандер подогревают теплом продуктов сгорания, расширенных в газовой турбине, отличающийся тем, что теплоту продуктов сгорания, расширенных в газовой турбине, используют также для выработки в котле-утилизаторе перегретого пара высокого давления, 5-7% которого (относительно расхода воздуха в компрессоре) подают в воздух сжатый в компрессоре, а 9-12% смешивают с продуктами сгорания в выходной части камеры сгорания, далее полученную газопаровую смесь расширяют в газовой турбине и направляют в котел-утилизатор, где в газопаровую смесь, частично охлажденную при выработке перегретого пара высокого давления и при подогреве природного газа высокого давления, впрыскивают охлаждающую воду, снижая температуру газопаровой смеси до 65-70°С, после чего конденсируют пар, содержащийся в газопаровой смеси, и отделяют (сепарируют) конденсат и охлаждающую воду от продуктов сгорания, при этом меньшую часть смеси конденсата и охлаждающей воды умягчают и используют в качестве питательной воды для выработки перегретого пара, а большую часть этой смеси разделяют на два потока, первый из которых охлаждают атмосферным воздухом, в градирне, до 25-30°С, а второй - охлаждают до 15-20°С природным газом, расширенным в турбодетандере, после чего объединенные первый и второй потоки смеси используют в качестве охлаждающей воды в котле-утилизаторе, при этом полезную работу турбодетандера используют для сжатия воздуха в компрессоре, полезную работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе.