СПОСОБ РАБОТЫ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА Российский патент 2023 года по МПК F17D1/02 

Изобретение относится у области транспорта газа и может быть применено на компрессорных станциях магистрального газопровода.

На компрессорных станциях ОАО «Газпром» эксплуатируется более 4000 газоперекачивающих агрегатов (ГПА), около 86% из них имеют газотурбинный привод нагнетателей. Около 90% ГПА работают более 20-30 лет, значительно изношеныи имеют большие выбросы в атмосферу токсичных газов. Энергетической стратегией России предусматривается реализация «Концепции применения электропривода в газоперекачивающих агрегатах», принятой в ОАО «Газпром» и обеспечивающей повышение энергоэффективности, надежности и экологичности газотранспортных систем. (Васильев Б.Ю., Сугутин М.Н. Энергетическая, экономическая и экологическая эффективность использования газоперекачивающих агрегатов с электроприводом. Электронный н-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» 2014. №5. Ч. 1).

Известен способ работы энергетической установки газораспределительной станции или газорегуляторного пункта (Патент РФ №2650238), содержащей турбодетандер, газотурбинную установку с компрессором, камерой сгорания, газовой турбиной, электрогенератором. Природный газ высокого давления из магистрального газопровода подогревают и расширяют в турбодетандере. В камеру сгорания энергетической установки подают пар выработанный в котле-утилизаторе. Тепло газопаровой смеси, расширенной в газовой турбине, используют для выработки перегретого пара высокого давления. В газопаровую смесь частично охлажденную при выработке перегретого пара высокого давления впрыскивают охлаждающую воду, снижают температуру газопаровой смеси до 65-70°С, конденсируют пар, содержащийся в газопаровой смеси, сепарируют конденсат и охлаждающую воду от продуктов сгорания. Меньшую часть смеси конденсата пара и охлаждающей воды умягчают и используют в качестве питательной воды для выработки перегретого пара, ее большую часть разделяют на два потока, первый из них охлаждают атмосферным воздухом в градирне до 25-30°С, а второй охлаждают до 15-20°С, природным газом расширенным в турбодетандере. Объединенные первый и второй потоки смеси используют в качестве охлаждающей воды в котле-утилизаторе. Полезную работу турбодетандера используют для сжатия воздуха в компрессоре, а газовой турбины для выработки электроэнергии в электрогенераторе. Положительным качеством этого способа является использование теплоты расширенной газопаровой смеси для выработки перегретого пара высокого давления, его подачей в камеру сгорания и расширением в газовой турбине, а также контактная конденсация пара содержащегося в газопаровой смеси, за счет впрыска в нее воды, охлажденной в градирне. Но для этого способа характерны недостаточное использование потенциальной энергии газа магистрального газопровода и небольшая электрическая мощность газотурбодетандерной установки.

Известен способ работы компрессорной станции магистральных газопроводов, содержащей газотурбинные газоперекачивающие агрегаты, электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ЭГПА), и высокооборотную газотурбодетандерную энергетическую установку, состоящую из турбодетандера, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и электрогенератора (Патент РФ №2740388). Согласно этому способу, при пуске неработающих ЭГПА, а также при изменении расхода газа через магистральный газопровод производят частотное регулирование электродвигателей газоперекачивающих агрегатов путем изменения оборотов электрогенераторов ЭГПА. В камеры сгорания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и газотурбодетандерной энергетической установки подают топливный газ из магистрального газопровода с давлением 6.5-7 МПа, подогревают до 80-100°С, расширяют в турбодетандере до 2,5-3 МПа, полезную работу турбодетандера используют для привода компрессора, а газовой турбины для привода электрогенератора и выработки электроэнергии. Расширенный в турбодетандере топливный газ нагревают до 80°С теплом уходящих газов газовой турбины и подают в камеру сгорания газотурбодетандерной энергетической установки, а также в камеры сгорания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. Подогрев топливного газа производят за счет тепла уходящих газов газотурбодетандерной энергетической установки. Большую часть электроэнергии выработанной в электрогенераторе, используют для питания дополнительных высокооборотных синхронных электродвигателей ЭГПА; частоту тока меньшей части выработанной электроэнергии понижают в электронном преобразователе частоты до 50 Гц и используют для электроснабжения собственных нужд компрессорной станции, часть этой электроэнергии может быть трансформирована и направлена во внешние электрические сети.

Преимуществами этого способа является применение на компрессорной станции высокооборотной газотурбодетандерной энергетической установки, которую используют для электроснабжения установленных на КС высокооборотных ЭГПА, а также возможность изменения электрической мощности и частоты вырабатываемого электрического тока при изменении числа оборотов газотурбодетандерной энергетической установки.

Недостатками описанного способа является уменьшение мощности и тепловой экономичности этой установки при снижении расхода газа через магистральный газопровод, а также ее невысокая экологичность. Этот способ принят в качестве прототипа предполагаемого изобретения.

Технической задачей предлагаемого способа работы компрессорных станций (КС)с большими сроками службы, физическим и моральным износом значительной части эксплуатируемых газотурбинных газоперекачивающих агрегатов (ГПА), является увеличение электрической мощности, тепловой экономичности и экологичности высокооборотной энергетической газотурбодетандерной установки производящей электроснабжение по меньшей мере двух высокооборотных электроприводных ГПА, демонтаж части физически и морально изношенных газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, а также повышение экологичности и энергетической установки и снижение затрат на транспорт природного газа.

Технический результат достигается тем, что в способе работы компрессорной станции магистрального газопровода, содержащей входной и выходной участки магистрального газопровода, газопровод топливного газа, газотурбинные и высокооборотные электроприводные газоперекачивающие агрегаты, газотурбодетандерную энергетическую установку с турбодетандером, компрессором, газовой турбиной, электрогенератором; газопроводы высокого и среднего давления, подогреватели газа высокого и среднего давления, трубопроводы теплоносителя, шинопроводы, электронный преобразователь частоты; электрические выключатели, в процессе работы компрессорной станции топливный газ из входного участка магистрального газопровода с давлением 6.5-7 МПа подогревают теплом теплоносителя до 80-100°С, расширяют в турбодетандере до давления 2-2,5 МПа и температуры 5-7°С; полезную работу турбодетандера используют для сжатия воздуха в. компрессоре, а газовой турбины для выработки и электроснабжения электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а также собственных нужд компрессорной станции, причем на компрессорной станции применяют высокооборотную газотурбодетандерную энергетическую установку большей мощности с газопаровой турбиной, дополнительно применяют противодавленческую паровую турбину, котел - утилизатор, вырабатывающий перегретый пар с давлением 9 МПа и 540° и снабженный устройствами контактной конденсации пара, содержащегося в газопаровой смеси, сепарации конденсата пара и охлаждающей воды; водоохлаждающее устройство - градирню; на компрессорной станции устанавливают по меньшей мере два высокооборотных электроприводных газоперекачивающих агрегата, которые заменяют демонтируемые изношенные газотурбинные газоперекачивающие агрегаты; после чего в процессе работы компрессорной станции атмосферный воздух сжимают в компрессоре высокооборотной газотурбодетандерной энергетической установки, в камеру сгорания которой подают сжатый воздух, топливный газ с давлением 2-2,5 МПа, расширенный в турбодетандере и перегретый пар с давлением 1,3-1.5 МПа расширенный в противодавленческой паровой турбине; газопаровую смесь, вышедшую из камеры сгорания расширяют в газопаровой турбине, ее теплоту используют в котле-утилизаторе для выработки перегретого пара с давлением 9 МПа и 540° и для подогрева промежуточного теплоносителя до 100-120°С; в газопаровую смесь охлажденную в поверхностях нагрева котла-утилизатора впрыскивают охлаждающую воду, снижают температуру газопаровой смеси до 55-60°С, производят контактную конденсацию паровой составляющей газопаровой смеси, сепарацию смеси конденсата и охлаждающей воды, продукты сгорания сбрасывают в атмосферу, большую часть отсепарированной смеси охлаждают воздухом в водоохлаждающем устройстве -градирне, дополнительно охлаждают топливным газом расширенным в турбодетандере и используют ее как охлаждающую воду впрыскиваемую в газопаровую смесь, а ее меньшую часть умягчают и используют в котле-утилизаторе для выработки перегретого пара; при номинальном и изменяющихся расходах газа в магистральном газопроводе, газотурбодетандерную энергетическую установку регулируют в соответствии с температурой наружного воздуха, поддерживая постоянными ее мощность, обороты электрогенератора и частоту вырабатываемого электрического тока, а также мощность и число оборотов электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а частоту тока меньшей части вырабатываемой электроэнергии снижают с помощью частотного регулятора до 50 Гц и производят электроснабжение собственных нужд компрессорной станции; при уменьшении расхода газа через магистральный газопровод снижают мощность или останавливают часть работающих газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, частоту тока избыточной электроэнергии снижают до 50 Гц, ее трансформируют и подают во внешние электрические сети.

На Фиг. 1 представлена принципиальная тепловая схема компрессорной станции. Она содержит: 1 - газотурбинные газоперекачивающие агрегаты, 2 - высокооборотную газотурбодетандерную энергетическую установку повышенной мощности, 3 - входной участок магистрального газопровода, 4 - выходной участок магистрального газопровода, 5 - подогреватель газа, 6 -турбодетандер, 7 - противодавленческую паровую турбину, 8 - компрессор, 9 - камеру сгорания, 10 - газопаровую турбину, 11 - электрогенератор, 12 - котел-утилизатор, 13 - трубопроводы теплоносителя, 14 - трубопроводы топливного газа, 15 - паропровод высокого давления, 16 - подогреватель теплоносителя, 17 - охладитель смеси конденсата и охлаждающей воды, 18 - подогреватель топливного газа, 19 - впрыскивающее устройство, 20 - конденсатор-сепаратор, 21 - сборный бак смеси конденсата и охлаждающей воды, 22 - химводоочистку, 23 - градирню, 24 - электроприводные газоперекачивающие агрегаты, 25 - электродвигатели,26 - электрические линии, 27 - частотные преобразователи, 28 - система собственных электрических нужд КС, 29 - внешнюю высоковольтную ЛЭП.

Компрессорная станция магистрального газопровода реализующая предлагаемый способ, работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимают в высокооборотном компрессоре 8, приводимым от турбодетандера 6 и от противодавленческой паровой турбины 7. В камеру сгорания 9 подают сжатый воздух, топливо, перегретый пар высокого давления, который расширен в противодавленческой паровой турбине 7. Газопаровую смесь расширяют в высокооборотной газопаровой турбине 10, ее полезную работу используют для выработки электроэнергии в высокооборотном электрогенераторе 11. Роторы высокооборотных турбодетандера 6, противодавленческой паровой турбины 7, компрессора 8, газопаровой турбины 10 и электрогенератора 11 установлены на магнитных подшипниках.

Электроэнергию высокой частоты, выработанную в высокооборотном электрогенераторе 11, подают по электрической линии 26 в высокооборотные электродвигатели 25 электроприводных ГПА, а также подают через частотные преобразователи 27 в систему собственных электрических нужд КС. Избыточную электроэнергию трансформируют в повышающем трансформаторе и подают во внешнюю высоковольтную линию электропередачи 29. Газ из входного участка магистрального газопровода 3 сжимают в нагнетателях по меньшей мере двух электроприводных газоперекачивающих агрегатах 24, а также в работающих газотурбинных газоперекачивающих агрегатах 1 и подают в выходной участок магистрального газопровода 4. Меньшую часть электроэнергии, выработанной в высокооборотном электрогенераторе 11, подают в электронный преобразователь частоты 27, где частоту переменного тока снижают до 50 Гц. Переменный ток с этой частотой подают через электрический выключатель в систему собственных электрических нужд КС 28. Избыточное количество электроэнергии трансформируют и направляют в линию высокого напряжения 29 для электроснабжения с давлением 6,5-7 МПа подогревают теплоносителем в подогревателе газа высокого давления 5 до 80-100°С. Теплоноситель нагретый в подогревателе теплоносителя 16 котла-утилизатора 12, за счет тепла уходящих газов высокооборотной газопаровой турбины 10, подают в турбодетандер 6, расширяют до температуры 5-7°С, подогревают в охладителе охлаждающей воды 17 до 30-40°С, дополнительно подогревают теплом теплоносителя в подогревателе топливного газа 18, и подают в камеру сгорания 9 газотурбодетандерной энергетической установки и в камеры сгорания газовых турбин работающих газотурбинных газоперекачивающих агрегатов 1. Воду, охлажденную в охладителе охлаждающей воды 17 до 15-20°С, подают во впрыскивающее устройство 19 и понижают температуру газопаровой смеси до 50-60°С. В конденсаторе-сепараторе 20 производят контактную конденсацию пара содержащегося в газопаровой смеси и отделение (сепарацию) конденсата и охлаждающей воды от продуктов сгорания. Продукты сгорания сбрасывают в атмосферу. Отделенную смесь конденсата и охлаждающей воды подают в сборный бак 21. В химводоочистке 22 меньшую часть этой смеси умягчают и используют для выработки перегретого пара высокого давления в котле-утилизаторе 12. Большую часть смеси подают из сборного бака 21 в градирню 23, где ее охлаждают до 25-30°С атмосферным воздухом.

Сравнение предлагаемого способа работы компрессорной станции магистрального газопровода 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 соответствует критерию «существенные отличия».

Использование в предлагаемом способе турбодетандера и противодавленческой паровой турбины, приводящей компрессор газотурбодетандерной энергетической установки, а также впрыск перегретого пара в камеру сгорания, расширенного в противодавленческой паровой турбине, позволяет увеличить электрическую мощность и КПД энергетической установки, уменьшить выброс в атмосферу вредных веществ, повысить ее экологичность и уменьшить затраты на транспорт газа в магистральном газопроводе. Контактная конденсация паровой составляющей газопаровой смеси и выброс в атмосферу продуктов сгорания с температурой 50-60°С также позволяют повысить ее КПД.

Изобретение относится к трубопроводному транспорту газа. В предложенном способе на компрессорной станции демонтируют часть изношенных газотурбинных газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и устанавливают высокооборотные электроприводные ГПА. Газотурбодетандерную энергетическую установку дополнительно снабжают противодавленческой паровой турбиной, котлом-утилизатором с пароперегревателем и конденсатором-сепаратором и водоохлаждающим устройством - градирней. Котел-утилизатор вырабатывает перегретый пар с давлением 9 МПа, который расширяют в противодавленческой паровой турбине до 2-2,5 МПа и подают в камеру сгорания высокооборотной газотурбодетандерной энергетической установки. Большую часть воды, охлажденной в градирне, используют для впрыска в газопаровую смесь, а ее меньшую часть умягчают и используют для выработки перегретого пара. Электроэнергию высокой частоты, вырабатываемую газотурбодетандерной энергетической установкой, используют для питания высокооборотных электроприводных ГПА. Газотурбодетандерная установка работает с постоянной электрической мощностью с поддержанием номинальной мощности питаемых от нее электроприводных ГПА. Впрыск пара в камеру сгорания способствует увеличению мощности газотурбодетандерной установки, уменьшению выброса вредных веществ, повышению экологичности, уменьшению затрат на транспорт газа. 1 ил.

Способ работы компрессорной станции магистрального газопровода, содержащей входной и выходной участки магистрального газопровода, газопровод топливного газа, газотурбинные и высокооборотные электроприводные газоперекачивающие агрегаты, газотурбодетандерную энергетическую установку с турбодетандером, компрессором, газовой турбиной, электрогенератором, газопроводы высокого и среднего давления, подогреватели газа высокого и среднего давления, трубопроводы теплоносителя, шинопроводы, электронный преобразователь частоты, электрические выключатели, в процессе работы компрессорной станции топливный газ из входного участка магистрального газопровода с давлением 6,5-7 МПа подогревают теплом теплоносителя до 80-100°С, расширяют в турбодетандере до давления 2-2,5 МПа и температуры 5-7°С; полезную работу турбодетандера используют для сжатия воздуха в компрессоре, а газовой турбины для выработки и электроснабжения электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а также собственных нужд компрессорной станции, отличающийся тем, что на компрессорной станции применяют высокооборотную газотурбодетандерную энергетическую установку большей мощности с газопаровой турбиной, дополнительно применяют противодавленческую паровую турбину, котел-утилизатор, вырабатывающий перегретый пар с давлением 9 МПа и 540°С и снабженный устройствами контактной конденсации пара, содержащегося в газопаровой смеси, сепарации конденсата пара и охлаждающей воды, водоохлаждающее устройство – градирню, на компрессорной станции устанавливают по меньшей мере два высокооборотных электроприводных газоперекачивающих агрегата, которые заменяют демонтируемые изношенные газотурбинные газоперекачивающие агрегаты, после чего в процессе работы компрессорной станции атмосферный воздух сжимают в компрессоре высокооборотной газотурбодетандерной энергетической установки, в камеру сгорания которой подают сжатый воздух, топливный газ с давлением 2-2,5 МПа, расширенный в турбодетандере, и перегретый пар с давлением 1,3-1,5 МПа, расширенный в противодавленческой паровой турбине, газопаровую смесь, вышедшую из камеры сгорания, расширяют в газопаровой турбине, ее теплоту используют в котле-утилизаторе для выработки перегретого пара с давлением 9 МПа и 540°С и для подогрева промежуточного теплоносителя до 100-120°С, в газопаровую смесь, охлажденную в поверхностях нагрева котла-утилизатора, впрыскивают охлаждающую воду, снижают температуру газопаровой смеси до 55-60°С, производят контактную конденсацию паровой составляющей газопаровой смеси, сепарацию смеси конденсата и охлаждающей воды, продукты сгорания сбрасывают в атмосферу, большую часть отсепарированной смеси охлаждают воздухом в водоохлаждающем устройстве - градирне, дополнительно охлаждают топливным газом, расширенным в турбодетандере, и используют ее как охлаждающую воду, впрыскиваемую в газопаровую смесь, а ее меньшую часть умягчают и используют в котле-утилизаторе для выработки перегретого пара, при номинальном и изменяющихся расходах газа в магистральном газопроводе газотурбодетандерную энергетическую установку регулируют в соответствии с температурой наружного воздуха, поддерживая постоянными ее мощность, обороты электрогенератора и частоту вырабатываемого электрического тока, а также мощность и число оборотов электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а частоту тока меньшей части вырабатываемой электроэнергии снижают с помощью частотного регулятора до 50 Гц и производят электроснабжение собственных нужд компрессорной станции, при уменьшении расхода газа через магистральный газопровод снижают мощность или останавливают часть работающих газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, частоту тока избыточной электроэнергии снижают до 50 Гц, ее трансформируют и подают во внешние электрические сети.