ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА Российский патент 2019 года по МПК F02C3/00 

Изобретение относится к газовым турбинам газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов. Одним из наиболее эффективных методов повышения эффективности процесса сгорания, повышения мощности и улучшения экологических характеристик газотурбинных двигателей является реформирование природного газа путем его окисления в каталитических реакторах с получением водородсодержащего топлива. Окислителем в каталитических реакторах могут являться водяной пар, двуокись углерода и кислород.

У большинства эксплуатируемых газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов удельные выбросы в атмосферу вредных веществ - оксидов азота и окиси углерода значительно превышают нормативные величины. Одним из наиболее эффективных методов повышения эффективности процесса сгорания и улучшения экологических характеристик является способ добавки в углеводородное топливо смеси водорода и монооксида углерода, которые могут получаться за счет реформирования природного газа в каталитическом реакторе генератора синтез-газа. (Цыбизов Ю.И., Елисеев Ю.С., Федорченко Д.Г. «Использование синтез-газа для обеспечения экологической безопасности ГТУ», Авиадвигатели XXI века., Москва, ЦИАМ. С. 461-462. 1915 г.).

Известна газотурбинная установка с термохимическим реактором и впрыском пара (патент RU 43917, U1, кл. F02C 3/00, 10.02.2004), которая содержит компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, парогенератор, основной и дополнительный термохимический реакторы. Парогенератор, вырабатывающий перегретый пар, установлен в выхлопном газоходе газовой турбины. Дополнительный термохимический реактор размещен в рубашке охлаждения камеры сгорания. Углеводородное топливо подается из топливной магистрали в камеру сгорания. В часть этого топлива подводится перегретый пар из парогенератора. Полученная смесь топлива и перегретого пара подается в дополнительный термохимический реактор, в котором происходит эндотермическая реакция парового реформинга углеводородного топлива с получением синтез-газа, состоящего из смеси водорода Н2 и монооксида углерода СО. Недостатком этого устройства является применение в газотурбинной установке парогенератора высокого давления, установленного в выхлопном газоходе газовой турбины, что резко увеличивает стоимость газотурбинной установки.

Известен «Способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси и устройство для его осуществления» (патент RU №2639397, F02C 3/28, 21.12.2017). Устройство содержит компрессор, камеру сгорания с охлаждающей рубашкой, газовую турбину, трубопровод подачи перегретого пара в камеру сгорания, нагнетатель природного газа, котел-утилизатор, конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси, газопровод природного газа,

паропровод пара высокого давления, смеситель пара высокого давления и природного газа, два каталитических реактора; ротор газовой турбины связан валами с компрессором и приводным агрегатом, вход смесителя пара высокого давления и природного газа соединен с газопроводом природного газа и с паропроводом высокого давления, выход смесителя связан через первый каталитический реактор, конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси и охлаждающую рубашку камеры сгорания с входом второго адиабатического каталитического реактора, выход которого связан с камерой сгорания. Установка позволяет вырабатывать топливный газ, имеющий более 20% процентов водорода. Это устройство принято в качестве прототипа изобретения.

Недостатком этой установки является ее техническая сложность связанная с применением в ней парового котла-утилизатора с пароперегревателем высокого давления и двух адиабатических каталитических реакторов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, а также повышение экологичности и экономичности газотурбинных газоперекачивающих агрегатов.

Технический результат достигается тем, что газотурбинная установка газоперекачивающего агрегата содержит компрессор, камеру сгорания, снабженную охлаждающей рубашкой и каталитическим реактором, газовую турбину, ротор которой связан валами с компрессором и с нагнетателем природного газа, газопровод природного газа, конвективный подогреватель, установленный в выхлопном газоходе газовой турбины, при чем она дополнительно снабжена редуктором природного газа, струйным компрессором, а каталитический реактор размещен внутри охлаждающей рубашки и является генератором синтез-газа; при этом газопровод природного газа связан через редуктор природного газа с горелками камеры сгорания и с входом струйного компрессора, выход струйного компрессора соединен трубопроводом через конвективный подогреватель с входом каталитического реактора, выход которого соединен трубопроводом с камерой сгорания; струйный компрессор используется для смешения природного газа, подаваемого из газопровода природного газа, и воздуха, сжатого в компрессоре, а также для сжатия образовавшейся в струйном компрессоре метаносодержащей смеси

На Фиг. 1 изображена схема предлагаемой газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата. Она содержит струйный компрессор 1, конвективный подогреватель 2, редуктор природного газа 3, компрессор 4, корпус камеры сгорания 5, рубашка охлаждения 6, газовая турбина 7, горелки 8, свечи зажигания 9, каталитический реактор 10.

Газотурбинная установка газоперекачивающего агрегата выполнена следующим образом. Газопровод природного газа соединен с входом струйного компрессора 1, а его средняя часть соединена трубопроводом с выходом компрессора 4. Выход струйного компрессора 1 соединен трубопроводом через конвективный подогреватель 2 с входом каталитического реактора 10, расположенного внутри рубашки охлаждения 6. Газопровод природного газа через редуктор природного газа 3 также соединен трубопроводом с горелками 8 камеры сгорания. Рубашка охлаждения 6 содержащая каталитический реактор 10 установлена на входе внутренней части корпуса камеры сгорания 5. Компрессор 4 через корпус камеры сгорания 5, снабженной свечами зажигания 9, соединен с газовой турбиной 7.

Газотурбинная установка газоперекачивающего агрегата работает, согласно изобретению, следующим образом. Атмосферный воздух сжимают компрессором 4 и подают в корпус камеры сгорания 5 снабженный рубашкой охлаждения 6, внутри которой размещен каталитический реактор 10, являющийся генератором синтез-газа. Большую часть газа из магистрального газопровода подают через редуктор природного газа 3 к горелкам 8 во внутренней полости корпуса камеры сгорания 5. Свечи зажигания 9 используют для поджигания топливной смеси. Меньшую часть газа из магистрального газопровода подают на вход струйного компрессора 1, куда также подводят воздух из компрессора 4. В струйном компрессоре 1 производят смешение природного газа и воздуха с повышением давления образовавшейся в нем метаносодержащей смеси. Эту смесь нагревают до 450-500°С в конвективном подогревателе 2 за счет тепла выхлопных газов газовой турбины 7 и подают в каталитический реактор, находящийся в рубашке охлаждения камеры сгорания и содержащий гранулы катализатора. В каталитическом реакторе 10 происходит термохимическая реакция окисления метана кислородом воздуха с образованием синтез-газа, состоящего из смеси водорода и монооксида углерода. В рубашке охлаждения 6 происходит нагрев синтез-газа до 700-750°С за счет отвода тепла отводимого от стенок камеры сгорания. Нагретый синтез-газ подается внутрь корпуса камеры сгорания 5, где он смешивается с воздухом, сжатым в компрессоре 4 и с природным газом, прошедшим через редуктор природного газа 3 и подаваемым в горелки 8 камеры сгорания. Свечи 9 используют для зажигания смеси топлива и воздуха. Полезную работу газовой турбины 7 используют для привода компрессора 4 и нагнетателя газа. Теплоту продуктов сгорания отработавших в газовой турбине 7 используют в конвективном подогревателе 2 для нагрева метаносодержащей смеси.

Применение в описанной установке струйного компрессора позволяет использовать кинетическую энергию газа из магистрального газопровода для сжатия и смешения природного газа и воздуха с получением метаносодержащей смеси. Предварительный подогрев метатаносодержащей смеси в конвективном подогревателе теплом уходящих газов газовой турбины позволяет, упростить конструкцию и стоимость установки.

Введение в камеру сгорания смеси водорода и окиси углерода, образовавшихся в каталитическом реакторе, позволяет существенно улучшить процесс сгорания топливной смеси и повысить экологичность и экономичность газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата.

Изобретение относится к газовой промышленности, а точнее к газовым турбинам газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций. Метаносодержащую смесь природного газа и воздуха из компрессора газотурбинной установки, сжатую в струйном компрессоре, нагревают в конвективном подогревателе теплом выхлопных газов газовой турбины и направляют в каталитический реактор, выполняющий функцию генератора синтез-газа и расположенный в рубашке охлаждения камеры сгорания. Полученную в нем смесь водорода и монооксида углерода подают в камеру сгорания, что позволяет в несколько раз снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах, значительно улучшить экологические и экономические характеристики газоперекачивающего агрегата. Данное техническое решение позволяет повысить интенсивность теплообмена и охлаждения газа в змеевике газоохладителя, а также упростить и удешевить конструкцию устройства. 1 ил.

Газотурбинная установка газоперекачивающего агрегата, содержащая компрессор, камеру сгорания, снабженную охлаждающей рубашкой и каталитическим реактором, газовую турбину, ротор которой связан валами с компрессором и с нагнетателем природного газа, газопровод природного газа, конвективный подогреватель, установленный в выхлопном газоходе газовой турбины, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена редуктором природного газа, струйным компрессором, а каталитический реактор размещен внутри охлаждающей рубашки и является генератором синтез-газа; при этом газопровод природного газа связан через редуктор природного газа с горелками камеры сгорания и с входом струйного компрессора, а выход струйного компрессора соединен трубопроводом через конвективный подогреватель с входом каталитического реактора, выход которого соединен трубопроводом с камерой сгорания; струйный компрессор используется для смешения природного газа, подаваемого из газопровода природного газа, и воздуха, сжатого в компрессоре, а также для сжатия образовавшейся в струйном компрессоре метаносодержащей смеси.