СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F02C3/28 

Изобретение относится к газоперекачивающим агрегатам компрессорных станций магистральных газопроводов.

Известен способ работы газотурбинной установки, включающий подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и метаносодержащей парогазовой смеси, расширение продуктов сгорания в газовой турбине, утилизацию их теплоты с образованием пара высокого давления, конденсацию содержащегося в них водяного пара, смешивание природного газа с перегретым паром, их расширение в газовой турбине, выработку перегретого пара, его смешивание с природным газом, нагрев этой смеси продуктами сгорания газовой турбины, пропускание через адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, ее нагрева во втором теплообменнике и подача во второй адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метановодородной парогазовой смеси, которую подают в камеру сгорания газотурбинной установки (Патент RU №2467187, F02C 3/28, 20.11.2012).

Недостатком способа является необходимость применения внешнего теплообменника сжигающего дополнительное топливо, так как температура продуктов сгорания на выходе из газовой турбины у лучших газовых турбин не превышает 600°С.

Известен способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси (Патент RU №2639397 F02C 3/28), согласно которому природный газ смешивают с меньшей частью вырабатываемого в котле-утилизаторе перегретого пара высокого давления, нагревают полученную метаносодержащую смесь теплотой уходящих газов, подают в адиабатический каталитический реактор с получением метановодородной смеси, нагревают смесь до температуры 620-680°С теплом охлаждения камеры сгорания, сжатый в компрессоре воздух и метано-водородную смесь используют как топливо в камере сгорания, большую часть перегретого пара высокого давления подают в камеру сгорания, полученную газопаровую смесь расширяют в газовой турбине, тепло этой смеси используют для выработки перегретого пара высокого давления, производят контактную конденсацию паровой составляющей газопаровой смеси с сепарацией конденсата, который затем охлаждают в градирне, большую часть охлажденного конденсата разбрызгивают в охлажденной в поверхностях коттла-утилизатора газопаровой смеси и используют для контактной конденсации пара содержащегося в этой смеси, меньшую часть конденсата используют для выработки перегретого пара высокого давления.

Этот способ принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Преимуществами способа является упрощение конструкции, повышение мощности, экономичности и экологичности газотурбинной установки.

Недостатком способа является недостаточное количество получаемой в установке метано-водородной смеси и ее использование только в качестве топлива в газоперекачивающем агрегате.

Технический результат, получаемый в предлагаемом способе работы газотурбинного газоперекачивающего агрегата заключается в разработке способа работы газоперекачивающего агрегата с увеличением количества выработанной метано-водородной смеси и возможностью ее использования не только в качестве топлива, но и для ее подачи в магистральный газопровод.

Технический результат в предлагаемом способе работы газотурбинного газоперекачивающего агрегата достигается тем, что теплоту расширенных в газовой турбине продуктов сгорания используют для выработки перегретого пара высокого давления, большую часть перегретого пара высокого давления подают в камеру сгорания, полученную смесь природного газа и пара расширяют в газовой турбине и используют для выработки механической энергии, а его меньшую часть смешивают с природным газом с образованием метаносодержащей смеси, которую теплотой расширенной парогазовой смеси нагревают и подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метано-водородной смеси, полученную метано-водородную смесь нагревают во втором адиабатическом каталитическом реакторе до температуры 620-680°С увеличивая в ней долю водорода более 20%, эту метано-водородную смесь используют в качестве топлива в газоперекачивающем агрегате, при чем природный газ высокого давления, сжатый в нагнетателе газоперекачивающего агрегата, нагревают до 380-400°С теплом большей части метано-водородной смеси, вышедшей из второго каталитического реактора и смешивают с меньшей частью перегретого пара высокого давления, затем полученную при этом метаносодержащую смесь природного газа и перегретого пара высокого давления нагревают до 400-450°С теплом расширенного газопарового рабочего тела и подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метано-водородной смеси, содержащей 5% водорода; при этом меньшую часть метано-водородной смеси с долей водорода 25%, вышедшую из второго адиабатического каталитического реактора, используют в качестве топлива в газоперекачивающем агрегате, а ее большую часть охлаждают до 55-60°С теплом сжатого природного газа высокого давления и подают в магистральный газопровод.

Предлагаемый способ работы газотурбинного газоперекачивающего агрегата может быть реализован в газотурбинной установке, содержащей компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, нагнетатель, котел-утилизатор с конвективным подогревателем, пароперегревателем, испарителем, оросительным устройством, сепаратором конденсата; градирню, бак конденсата, химводоочистку, смеситель перегретого пара и природного газа, первый и второй адиабатические каталитические реакторы, причем второй адиабатический каталитический реактор размещен в охлаждающей рубашке камеры сгорания, магистральный газопровод, трубопровод перегретого пара; сепаратор конденсата связан трубопроводами через градирню с оросительным устройством и через химводоочистку с поверхностями нагрева котла-утилизатора, камера сгорания связана с магистральным газопроводом и пароперегревателем, первый вход смесителя перегретого пара и природного газа связан с магистральным газопроводом, его второй вход связан с пароперегревателем, выход смесителя связан через конвективный подогреватель последовательно с первым и со вторым адиабатическими каталитическими реакторами, выход второго адиабатического каталитического реактора связан с камерой сгорания, причем устройство дополнительно снабжено охладителем метано-водородной смеси, газопроводом высокого давления, трубопроводом метано-водородной смеси, газопроводом охлажденной метано-водородной смеси; первый вход смесителя перегретого пара и природного газа связан с выходом нагнетателя через газопровод высокого давления и охладитель метано-водородной смеси, его второй вход связан с пароперегревателем, выход второго адиабатического каталитического реактора связан через трубопровод метано-водородной смеси, поверхность теплообмена охладителя метано-водородной смеси и газопровод охлажденной метано-водородной смеси с входом нагнетателя.

На Фиг. 1 приведена тепловая схема газоперекачивающего агрегата, используемого для осуществления предлагаемого способа, где 1 - градирня, 2 - бак конденсата, 3 котел-утилизатор, 4 - химводоочистка, 5 - сепаратор, 6 - оросительное устройство, 7 - пароперегреватель, 8 - смеситель перегретого пара и природного газа, 9 - охладитель метано-водородной смеси, 10 - первый адиабатический каталитический реактор, 11 - конвективный подогреватель, 12 - камера сгорания, 13 - второй адиабатический каталитический реактор, 14 - компрессор, 15 - газопаровая турбина, 16 - нагнетатель, 17 - магистральный газопровод, 18 - газопровод топливного газа, 19 - магистральный газопровод сжатого газа, 20 - трубопровод метано-водородной смеси, 21 - газопровод высокого давления, 22 - газопровод охлажденной метано-водородной смеси.

Способ работы газоперекачивающего агрегата с подачей метано-водородной смеси в камеру сгорания, в магистральный газопровод и устройство для его осуществления работают следующим образом. При пуске установки в компрессоре 14 сжимают воздух, в камеру сгорания 12 подают сжатый воздух, на ее выход подают перегретый пар из пароперегревателя 7, продукты сгорания расширяют с совершением работы в газопаровой турбине 15, приводящей нагнетатель 16. Расширенную газопаровую смесь направляют в котел-утилизатор 3, ее тепло используют для выработки перегретого пара высокого давления в пароперегревателе 7 и подогрева метаносодержащей смеси в конвективном подогревателе 11. В газопаровую смесь, охлажденную в поверхностях нагрева котла-утилизатора 3, подают через оросительное устройство 6 охлажденную в градирне 1 воду и производят конденсацию пара содержащегося в газопаровой смеси. В сепараторе 5 оделяют конденсат и подают в градирню 1 через бак конденсата 2. Большую часть охлажденной ней подают в оросительное устройство 6 для контактной конденсации пара. Меньшую часть конденсата из бака конденсата 2 подают через химводоочистку 4 в поверхности нагрева котла-утилизатора 3 для выработки перегретого пара высокого давления. Из пароперегревателя 7 на выход камеры сгорания 12 подают большую часть перегретого пара высокого давления с температурой 350°С. Природный газ из магистрального газопровода сжатого газа 19 по газопроводу высокого давления 21 подают в охладитель метано-водородной смеси 9, в теплообменную поверхность которого по трубопроводу метано-водородной смеси 20 подают метано-водородную смесь, вышедшую из второго адиабатического каталитического реактора 13, размещенного в охлаждающей рубашке камеры сгорания 12. Охлажденную до 55-60 градусов метано-водородную смесь в охладителе метано-водородной смеси 9, подают на вход нагнетателя 16 по газопроводу охлажденной метано-водородной смеси 22. При этом природный газ нагревают до температуры 350-400°С в охладителе метано-водородной смеси 9 и подают на первый вход смесителя 8 перегретого пара и природного газа. На его второй вход подают перегретый пар из пароперегревателя 7. Метаносодержащую смесь из выхода смесителя перегретого пара и природного газа 8 подают через конвективный подогреватель 11, где ее подогревают до 400-4500С, на вход первого адиабатического каталитического реактора 10 с получением в нем метано-водородной смеси содержащей 5-6% водорода. Выход первого каталитического реактора 10 связан с входом второго адиабатического каталитического реактора 13, в котором метано-водородную смесь нагревают до температуры 650-6800С с увеличением доли водорода в метано-водородной смеси до 25%, за счет теплоты охлаждения камеры сгорания 12. Меньшую часть этой метано-водородной смеси используют в основных режимах работы установки в качестве топлива сжигаемого в камере сгорания 12. Ее большую часть подают на вход нагнетателя 16 через трубопровод метано-водородной смеси 20, поверхность теплообмена охладителя метано-водородной смеси 9 и газопровод охлажденной метано-водородной смеси 22. Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяет:

- большую часть выработанной метано-водородной смеси, содержащей до 25% водорода, подавать в магистральный газопровод компрессорной станции.

- при применении предлагаемого способа на газоперекачивающих агрегатах компрессорных станций значительно увеличить долю водорода в транспортируемом газе магистральных газопроводов.

Способ работы газотурбинного газоперекачивающего агрегата компрессорной станции магистрального газопровода предусматривает выработку перегретого пара высокого давления за счет тепла газопарового рабочего тела расширенного в турбине, его смешение с подогретым природным газом, подаваемым из магистрального газопровода с получением метаносодержащей смеси, ее подогрев теплом расширенного рабочего тела, метаносодержащую смесь подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием метано-водородной смеси содержащей 5-6% водорода, подогрев этой смеси во втором каталитическом реакторе 620-680°С с увеличением в ней доли водорода до 25%, использование меньшей части этой смеси в качестве топлива газоперекачивающего агрегата, охлаждение большей части метано-водородной смеси до 35-40°С и ее подачу в магистральный газопровод. Изобретение позволяет использовать полученную метано-водородную смесь в качестве топлива газоперекачивающего агрегата, а также для ее подачи в магистральный газопровод. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы газотурбинного газоперекачивающего агрегата, согласно которому теплоту расширенных в газопаровой турбине продуктов сгорания используют для выработки перегретого пара высокого давления, большую часть перегретого пара высокого давления подают в камеру сгорания, полученную смесь продуктов сгорания и пара расширяют в газопаровой турбине и используют для выработки механической энергии, а его меньшую часть смешивают с природным газом с образованием метаносодержащей смеси, которую теплотой расширенной парогазовой смеси нагревают и подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метано-водородной смеси, полученную метано-водородную смесь нагревают во втором адиабатическом каталитическом реакторе до температуры 620-680°С, увеличивая в ней долю водорода более 20%, эту метано-водородную смесь используют в качестве топлива в газоперекачивающем агрегате, отличающийся тем, что природный газ высокого давления, сжатый в нагнетателе газоперекачивающего агрегата, нагревают до 380-400°С теплом большей части метано-водородной смеси, вышедшей из второго каталитического реактора и смешивают с меньшей частью перегретого пара высокого давления, затем полученную при этом метаносодержащую смесь природного газа и перегретого пара высокого давления нагревают до 400-450°С теплом расширенного газопарового рабочего тела и подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метано-водородной смеси, содержащей 5% водорода; при этом меньшую часть метано-водородной смеси с долей водорода 25%, вышедшую из второго адиабатического каталитического реактора, используют в качестве топлива в газоперекачивающем агрегате, а ее большую часть охлаждают до 55-60°С теплом сжатого природного газа высокого давления и подают в магистральный газопровод.

2. Устройство для осуществления способа работы газотурбинного газоперекачивающего агрегата, включающее компрессор, камеру сгорания, газопаровую турбину, нагнетатель, котел-утилизатор с конвективным подогревателем, пароперегревателем, испарителем, оросительным устройством, сепаратором конденсата; градирню, бак конденсата, химводоочистку, смеситель перегретого пара и природного газа, первый и второй адиабатические каталитические реакторы, причем второй адиабатический каталитический реактор размещен в охлаждающей рубашке камеры сгорания, магистральный газопровод, трубопровод перегретого пара; сепаратор конденсата связан трубопроводами через градирню с оросительным устройством и через химводоочистку с поверхностями нагрева котла-утилизатора, камера сгорания связана с магистральным газопроводом и пароперегревателем, первый вход смесителя перегретого пара и природного газа связан с магистральным газопроводом, его второй вход связан с пароперегревателем, выход смесителя связан через конвективный подогреватель последовательно с первым и со вторым адиабатическими каталитическими реакторами, выход второго адиабатического каталитического реактора связан с камерой сгорания, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено охладителем метано-водородной смеси, газопроводом высокого давления, трубопроводом метано-водородной смеси, газопроводом охлажденной метано-водородной смеси; первый вход смесителя перегретого пара и природного газа связан с выходом нагнетателя через газопровод высокого давления и охладитель метано-водородной смеси, его второй вход связан с пароперегревателем, выход второго адиабатического каталитического реактора связан через трубопровод метано-водородной смеси, поверхность теплообмена охладителя метано-водородной смеси и газопровод охлажденной метано-водородной смеси с входом нагнетателя.