Парогазовая установка на сжиженном природном газе Российский патент 2021 года по МПК F01K23/10 

Изобретение относится к оборудованию, применяемому в энергетике, в частности в блочно-модульных электростанциях по технологии органического цикла Ренкина, газотурбинных и парогазовых установках. Парогазовая установка на сжиженном природном газе предназначена для выработки электроэнергии, за счет сжигания предварительно газифицированного сжиженного природного газа.

Из существующего уровня техники известна судовая газотурбинная установка с утилизацией тепла уходящих газов, содержащая газотурбинный двигатель, состоящий из воздушного компрессора, камеры сгорания и силовой турбины, и паровой контур с паровой турбиной и теплообменником-испарителем с проходящей через него магистралью уходящего газа газотурбинного двигателя, при этом валы силовой турбины и паровой турбины подключены через редуктор к гребному валу, отличающаяся тем, что снабжена криогенной емкостью с сжиженным природным газом, криогенным насосом, испарителем сжиженного природного газа, через который проходит магистраль атмосферного воздуха, идущая в воздушный компрессор, теплообменником-подогревателем природного газа, через который проходит магистраль уходящих газов газотурбинного двигателя, при этом воздушный компрессор, силовая и паровая турбина расположены на одном валу, паровой контур выполнен в виде установки органического цикла Ренкина, содержащего теплообменник-испаритель, паровую турбину, рекуператор, теплообменник-конденсатор и циркуляционный насос, магистраль уходящих газов из силовой турбины газотурбинного двигателя последовательно проходит через теплообменник-испаритель парового контура и теплообменник-подогреватель природного газа, а через теплообменник-конденсатор парового контура проходит магистраль охлаждающей среды, например забортной воды (RU 2613756 С1 опубликовано 21.03.2017 г.).

Данное техническое решение имеет следующие недостатки:

- Газификация сжиженного природного газа (СПГ) осуществляется за счет нагрева атмосферным воздухом, поступающим на вход компрессора газотурбинной установки (ГТУ), и уходящими газами после теплообменника-испарителя органического цикла Ренкина. Ввиду низкой температуры кипения СПГ (от минус 100°С при давлении 2 МПа до минус 90°С при давлении 3 МПа), а также более интенсивной теплоотдаче со стороны кипящего СПГ по отношению к теплоотдаче со стороны воздуха и уходящих газов, температура поверхности теплообмена может опуститься ниже точки росы, а для испарителя СПГ, обогреваемого атмосферным воздухом, ниже температуры замерзания воды. Указанные процессы приведут к обмерзанию поверхности испарителя СПГ, что увеличит сопротивление на входе в компрессор и снизит мощность ГТУ, а также к увеличению скорости коррозии поверхности теплообменника-подогревателя при выпадении влаги.

- Понижение температуры воздуха, поступающего в компрессор ГТУ, при испарении СПГ увеличит риск обмерзания проточной части компрессора в период пониженных температур, что потребует дополнительных затрат тепла на антиобледенительный обогрев воздуха.

- При обмерзании поверхности испарителя СПГ возникает риск отрыва и уноса в проточную часть компрессора частиц льда, что может привести к повреждению фильтрующих элементов и повышенному износу проточной части компрессора.

- В установке не решена задача по отводу из органического цикла Ренкина неконденсирующихся газов, которые будут накапливаться в замкнутом контуре в связи с разложением рабочего тела на горячих поверхностях, а также при протечках в контур инертных газов из вспомогательных систем.

- В газовоздушном тракте установлены два дополнительных теплообменника: испаритель СПГ и теплообменник-подогреватель. Сопротивление указанных теплообменников снизит полезную мощность ГТУ.

В заявляемом изобретении в отличие от описанного выше аналога для газификации СПГ используется тепло конденсации отработанного пара рабочего тела органического цикла Ренкина. В указанном цикле используются рабочие тела с низкой температурой затвердевания (например для фреона R245fa эта температура составляет минус 100°С). Использование тепла конденсации рабочего тела для газификации СПГ не снижает надежность и эффективность ГТУ и комплекса в целом, не требует установки в газовоздушном тракте ГТУ дополнительных теплообменников, снижающих полезную мощность установки, а также позволяет снизить расход воды или иного теплоносителя, подаваемого для охлаждения конденсатора органического цикла Ренкина. В заявляемом изобретении в отличие от описанного выше аналога решен вопрос эффективного выделения и удаления из рабочего тела неконденсирующихся газов за счет глубокого охлаждения указанных потоков на поверхности испарителей СПГ. В заявляемом изобретении в отличие от аналога для газификации СПГ применены теплообменники типа испаритель-конденсатор отличающиеся от испарителей с газовым подогревом более высокими коэффициентами теплопередачи, что значительно снижает требуемую площадь теплообмена, и, как следствие, стоимость теплообменных аппаратов.

Задачей, для решения которой предназначено заявляемое изобретение является создание надежной, эффективной и компактной парогазовой установки, позволяющей вырабатывать электроэнергию за счет сжигания предварительно газифицированного СПГ.

Данная задача решается за счет того, что парогазовая установка на сжиженном природном газе включает: компрессор для сжатия атмосферного воздуха; камеру сгорания, в которой осуществляется процесс горения предварительно газифицированного сжиженного природного газа в среде сжатого воздуха, поступающего из компрессора; газовую турбину, в которой горячие газы, поступающие из камеры сгорания, расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и привод электрогенератора газотурбинной установки, вырабатывающего электроэнергию для потребителей; утилизатор для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины; основную выхлопную трубу, через которую газы, охлажденные в утилизаторе, выпускаются в атмосферу; резервную выхлопную трубу, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины в обвод утилизатора; газовые клапаны, регулирующие направление газов в утилизатор и резервную выхлопную трубу; конденсатно-питательный насос рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело из конденсатора-газификатора через теплообменник-рекуператор в утилизатор; турбину рабочего тела органического цикла Ренкина, осуществляющую привод электрогенератора установки органического цикла Ренкина за счет механической мощности, вырабатываемой при расширении нагретого в утилизаторе рабочего тела; байпасную линию с установленным на ней регулятором давления «до себя», по которой рабочее тело перепускается в обвод турбины рабочего тела при регулировании частоты вращения электрогенератора установки органического цикла Ренкина; теплообменник-рекуператор, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое конденсатно-питательным насосом нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии; конденсатор-газификатор, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора охлаждается и конденсируется, последовательно проходя трубные пучки: нагревателей неконденсирующихся газов, нагревателей газифицированного сжиженного природного газа, основного конденсатора, испарителей сжиженного природного газа, при этом охлаждающими агентами указанных трубных пучков выступают: неконденсирующиеся газы, выделенные из пара рабочего тела при глубоком охлаждении на пучках испарителей сжиженного природного газа, газифицированный сжиженный природный газ, поступающий из испарителей сжиженного природного газа, жидкий теплоноситель, поступающий из внешней среды, кипящий сжиженный природный газ; свечу для сброса в атмосферу неконденсирующихся газов, подогретых в нагревателе неконденсирующихся газов; резервуар хранения сжиженного природного газа; насос подачи сжиженного природного газа в испарители сжиженного природного газа, установленные в конденсаторе-газификаторе; линию подачи газифицированного сжиженного природного газа в камеру сгорания; уравнительную линию с регулятором давления «после себя», соединяющую линию подачи газифицированного сжиженного природного газа в камеру сгорания с резервуаром хранения сжиженного природного газа и подключенную к верхней части указанного резервуара.

Техническими результатами, обеспечиваемыми приведенной совокупностью признаков являются: снижение габаритов и стоимости теплообменного оборудования, повышение КПД при производстве электроэнергии, а также повышение надежности парогазовой установки.

Сущность изобретения поясняется чертежами (Фигура 1, Фигура 2), на которых изображена парогазовая установка на сжиженном природном газе.

Парогазовая установка на сжиженном природном газе включает: компрессор для сжатия атмосферного воздуха 1; камеру сгорания 2, в которой осуществляется процесс горения предварительно газифицированного сжиженного природного газа в среде сжатого воздуха, поступающего из компрессора 1; газовую турбину 3, в которой горячие газы, поступающие из камеры сгорания 2, расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре 1 и привод электрогенератора газотурбинной установки 4, вырабатывающего электроэнергию для потребителей; утилизатор для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина 5 за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины 3; основную выхлопную трубу 6, через которую газы, охлажденные в утилизаторе 5, выпускаются в атмосферу; резервную выхлопную трубу 7, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины 3 в обвод утилизатора 5; газовые клапаны 8, 9, регулирующие направление газов в утилизатор 5 и резервную выхлопную трубу 7; конденсатно-питательный насос 10 рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело из конденсатора-газификатора 11 через теплообменник-рекуператор 12 в утилизатор 5; турбину рабочего тела органического цикла Ренкина 13, осуществляющую привод электрогенератора установки органического цикла Ренкина 14 за счет механической мощности, вырабатываемой при расширении нагретого в утилизаторе 5 рабочего тела; байпасную линию 15 с установленным на ней регулятором давления «до себя», по которой рабочее тело перепускается в обвод турбины рабочего тела 13 при регулировании частоты вращения электрогенератора установки органического цикла Ренкина 14; теплообменник-рекуператор 12, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое конденсатно-питательным насосом 10 нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела 13 и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии 15; конденсатор-газификатор 11, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора 12 охлаждается и конденсируется, последовательно проходя трубные пучки: нагревателей неконденсирующихся газов 16, нагревателей газифицированного сжиженного природного газа 17, основного конденсатора 18, испарителей сжиженного природного газа 19, при этом охлаждающими агентами указанных трубных пучков выступают: неконденсирующиеся газы, выделенные из пара рабочего тела при глубоком охлаждении на пучках испарителей сжиженного природного газа 19, газифицированный сжиженный природный газ, поступающий из испарителей сжиженного природного газа 19, жидкий теплоноситель, поступающий из внешней среды, кипящий сжиженный природный газ; свечу для сброса в атмосферу неконденсирующихся газов 20, подогретых в нагревателе неконденсирующихся газов 16; резервуар хранения сжиженного природного газа 21; насос подачи сжиженного природного газа 22 в испарители сжиженного природного газа 19, установленные в конденсаторе-газификаторе 11; линию подачи газифицированного сжиженного природного газа в камеру сгорания 23; уравнительную линию с регулятором давления «после себя» 24, соединяющую линию подачи газифицированного сжиженного природного газа 23 в камеру сгорания 2 с резервуаром хранения сжиженного природного газа 21 и подключенную к верхней части указанного резервуара.

Парогазовая установка на сжиженном природном газе работает следующим образом.

Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух, который далее поступает в камеру сгорания 2 (КС), в которой осуществляется процесс горения предварительно газифицированного сжиженного природного газа. Горячие газы после КС поступают в газовую турбину 3 (ГТ), в которой расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре 1 и привод электрогенератора газотурбинной установки 4, вырабатывающего электроэнергию для потребителей. После ГТ газы поступают в утилизатор 5, где отдают свое тепло рабочему телу (РТ) органического цикла Ренкина (ОЦР), и далее в основную выхлопную трубу 6, через которую выпускаются в атмосферу. При пуске установки горячие газы частично или полностью могут быть направлены в резервную выхлопную трубу 7, на этом режиме газификация СПГ должна осуществляться в резервном газификаторе (не является предметом патентования). Регулирование направления потоков уходящих газов осуществляется газовыми клапанами 8, 9. РТ ОЦР нагнетается конденсатно-питательным насосом 10 из конденсатора-газификатора 11 через теплообменник-рекуператор 12 в утилизатор 5. Нагретое в утилизаторе 5 РТ поступает в турбину рабочего тела органического цикла Ренкина 13, осуществляющую привод электрогенератора установки органического цикла Ренкина 14. Регулирование частоты вращения турбины 13 и электрогенератора 14 осуществляется перепуском РТ через байпасную линию 15 с установленным на ней регулятором давления «до себя» в обвод турбины рабочего тела 13. После турбины 13 РТ поступает в теплообменник-рекуператор 12, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое конденсатно-питательным насосом 10 нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела 13 и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии 15. После теплообменника-рекуператора 12 пар РТ поступает в конденсатор-газификатор 11, в котором пар рабочего тела охлаждается и конденсируется, последовательно проходя трубные пучки: нагревателей неконденсирующихся газов 16, нагревателей газифицированного сжиженного природного газа 17, основного конденсатора 18, испарителей сжиженного природного газа 19, при этом охлаждающими агентами указанных трубных пучков выступают: неконденсирующиеся газы, выделенные из пара рабочего тела при глубоком охлаждении на пучках испарителей сжиженного природного газа 19, газифицированный сжиженный природный газ, поступающий из испарителей сжиженного природного газа 19, жидкий теплоноситель, поступающий из внешней среды, кипящий сжиженный природный газ. Выделенные при глубоком охлаждении кипящим СПГ неконденсирующиеся газы, подогреваются паром РТ и выпускаются в атмосферу через свечу 20. СПГ из резервуара хранения 21 нагнетается насосом подачи сжиженного природного газа 22 в испарители сжиженного природного газа 19, установленные в конденсаторе-газификаторе 11. После испарителей 19 газ подогревается паром РТ в нагревателях газифицированного сжиженного природного газа 17 и поступает в линию подачи газифицированного сжиженного природного газа в камеру сгорания 23. Давление в резервуаре 21 поддерживается регулятором давления «после себя», установленным на уравнительной линии 24, соединяющей линию подачи газифицированного сжиженного природного газа 23 в камеру сгорания 2 с газовым пространством резервуара хранения сжиженного природного газа 21.

Парогазовая установка на сжиженном природном газе предназначена для выработки электроэнергии, за счет сжигания предварительно газифицированного сжиженного природного газа (СПГ). Установка включает: компрессор для сжатия атмосферного воздуха; камеру сгорания, в которой осуществляется процесс горения предварительно газифицированного СПГ в среде сжатого воздуха, поступающего из компрессора; газовую турбину, в которой горячие газы, поступающие из камеры сгорания, расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и привод электрогенератора газотурбинной установки, вырабатывающего электроэнергию для потребителей; утилизатор для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины; основную выхлопную трубу, через которую газы, охлажденные в утилизаторе, выпускаются в атмосферу; резервную выхлопную трубу, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины в обвод утилизатора; газовые клапаны, регулирующие направление газов в утилизатор и резервную выхлопную трубу; конденсатно-питательный насос рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело из конденсатора-газификатора через теплообменник-рекуператор в утилизатор; турбину рабочего тела органического цикла Ренкина, осуществляющую привод электрогенератора установки органического цикла Ренкина за счет механической мощности, вырабатываемой при расширении нагретого в утилизаторе рабочего тела; байпасную линию с установленным на ней регулятором давления «до себя», по которой рабочее тело перепускается в обвод турбины рабочего тела при регулировании частоты вращения электрогенератора установки Ренкина; теплообменник-рекуператор, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое конденсатно-питательным насосом, нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии; конденсатор-газификатор, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора охлаждается и конденсируется, последовательно проходя трубные пучки: нагревателей неконденсирующихся газов, нагревателей газифицированного СПГ, основного конденсатора, испарителей СПГ, при этом охлаждающими агентами указанных трубных пучков выступают: неконденсирующиеся газы, выделенные из пара рабочего тела при глубоком охлаждении на пучках испарителей СПГ, газифицированный СПГ, поступающий из испарителей СПГ, жидкий теплоноситель, поступающий из внешней среды, кипящий СПГ; свечу для сброса в атмосферу неконденсирующихся газов, подогретых в нагревателе неконденсирующихся газов; резервуар хранения СПГ; насос подачи СПГ в испарители СПГ, установленные в конденсаторе-газификаторе; линию подачи газифицированного СПГ в камеру сгорания; уравнительную линию с регулятором давления «после себя», соединяющую линию подачи газифицированного СПГ в камеру сгорания с резервуаром хранения СПГ и подключенную к верхней части указанного резервуара. Достигается снижение габаритов и стоимости теплообменного оборудования, повышение КПД, а также повышение надежности парогазовой установки. 2 ил.

Парогазовая установка на сжиженном природном газе, которая характеризуется тем, что она включает: компрессор для сжатия атмосферного воздуха; камеру сгорания, в которой осуществляется процесс горения предварительно газифицированного сжиженного природного газа в среде сжатого воздуха, поступающего из компрессора; газовую турбину, в которой горячие газы, поступающие из камеры сгорания, расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и привод электрогенератора газотурбинной установки, вырабатывающего электроэнергию для потребителей; утилизатор для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины; основную выхлопную трубу, через которую газы, охлажденные в утилизаторе, выпускаются в атмосферу; резервную выхлопную трубу, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины в обвод утилизатора; газовые клапаны, регулирующие направление газов в утилизатор и резервную выхлопную трубу; конденсатно-питательный насос рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело из конденсатора-газификатора через теплообменник-рекуператор в утилизатор; турбину рабочего тела органического цикла Ренкина, осуществляющую привод электрогенератора установки органического цикла Ренкина за счет механической мощности, вырабатываемой при расширении нагретого в утилизаторе рабочего тела; байпасную линию с установленным на ней регулятором давления «до себя», по которой рабочее тело перепускается в обвод турбины рабочего тела при регулировании частоты вращения электрогенератора установки органического цикла Ренкина; теплообменник-рекуператор, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое конденсатно-питательным насосом, нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии; конденсатор-газификатор, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора охлаждается и конденсируется, последовательно проходя трубные пучки: нагревателей неконденсирующихся газов, нагревателей газифицированного сжиженного природного газа, основного конденсатора, испарителей сжиженного природного газа, при этом охлаждающими агентами указанных трубных пучков выступают: неконденсирующиеся газы, выделенные из пара рабочего тела при глубоком охлаждении на пучках испарителей сжиженного природного газа, газифицированный сжиженный природный газ, поступающий из испарителей сжиженного природного газа, жидкий теплоноситель, поступающий из внешней среды, кипящий сжиженный природный газ; свечу для сброса в атмосферу неконденсирующихся газов, подогретых в нагревателе неконденсирующихся газов; резервуар хранения сжиженного природного газа; насос подачи сжиженного природного газа в испарители сжиженного природного газа, установленные в конденсаторе-газификаторе; линию подачи газифицированного сжиженного природного газа в камеру сгорания; уравнительную линию с регулятором давления «после себя», соединяющую линию подачи газифицированного сжиженного природного газа в камеру сгорания с резервуаром хранения сжиженного природного газа и подключенную к верхней части указанного резервуара.